DE3717606C2

DE3717606C2 -

Info

Publication number: DE3717606C2
Application number: DE19873717606
Authority: DE
Inventors: Andre Dr. Hegenheim Fr Lichtenberger
Original assignee: DEUTSCH-FRANZOESISCHES FORSCHUNGSINSTITUT SAINT-LOUIS SAINT-LOUIS HAUT-RHIN FR
Current assignee: DEUTSCH-FRANZOESISCHES FORSCHUNGSINSTITUT SAINT-LOUIS SAINT-LOUIS HAUT-RHIN FR
Priority date: 1986-06-10
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 1991-09-26
Also published as: FR2599648A1; DE3717606A1; FR2599648B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Hohlladungseinlage, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Ein solches Verfahren und die zu dessen Durchführung nutzbare Vorrichtung sind bekannt durch die US-PS 44 61 162. Nach diesem bekannten Verfahren werden die Hohlladungseinlagen, die ein besonders gleichmäßiges Materialgefüge aufweisen sollen, aus heißen Metallbrammen geschmiedet, wodurch einerseits die mühelose Materialverteilung und somit eine sehr homogene Dichteverteilung erreicht wird, es andererseits aber infolge ungleichmäßiger Abkühlung auch zu ungleichmäßiger Kristallisation kommen kann, so daß eine solche anisotrope Metallstruktur erst durch Normalglühen vergleichmäßigt werden muß, was allerdings nur unvollkommen möglich ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß Hohlladungseinlagen erzielt werden, die schon nach der Verformung des Preßlings eine isotropere Materialstruktur aufweisen, als dies bei dem bekannten Verfahren nach der Wärme-Nachbehandlung möglich ist, um hierdurch letztlich eine größere Strahllänge zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei wird statt des bekannten Schmiedevorganges ein Tiefziehvorgang angewandt, bei dem infolge der niedrigen Arbeitstemperatur die Schwierigkeiten vermieden werden, die mit hoher Erwärmung einhergehen, und bei dem durch die langsame Erhöhung und Verringerung der Druckkraft Rekristallisationsvorgänge ablaufen können, die bei der fertigen Hohlladungsauskleidung für ein gleichmäßiges Kristallgefüge sorgen.

Es ist zwar bereits bekannt (wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung, 71 (1981), Seiten 197 bis 205), beim Pressen von Gegenständen, die eine sehr genaue Form und saubere Oberfläche aufweisen sollen, Werkstoffe mit sehr feinem Gefüge zu verwenden, wie dies gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung der Fall ist, und diese Werkstoffe halbwarm und mit sehr geringer Geschwindigkeit zu verpressen, doch es ist der Druckschrift nicht entnehmbar, daß durch ein solches Verfahren ein so isotropes Metallgefüge erzielbar ist, wie es für Hohlladungseinlagen wünschenswert ist.

Ferner ist es bekannt (DE 31 29 530 A1), für Hohlladungseinlagen Kupfer mit sehr hohem Reinheitsgrad zu verwenden, um ein besonders duktiles Material für die Strahlbildung zu erhalten; diese Druckschrift weicht aber von reinem Kupfer ab und ersetzt es durch eine Legierung.

Der Erfindung liegt aber die Erkenntnis zugrunde, daß die Rekristallisation das für die Erzielung eines besonders homogenen Materialgefüges wesentlichste Kriterium ist. Dieses Kriterium stellt auch die Ausgangsbasis für die Wahl der Qualität des Ausgangsmaterials dar, welches gemäß weiteren Ansprüchen bevorzugt ist.

Im übrigen sind diesen weiteren Ansprüchen noch weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung entnehmbar.

Hierbei ist bevorzugt Kupfer für das Verfahren verwendet, es können aber auch andere Metalle verwendet werden, wie etwa bevorzugt Nickel, von dem bekannt ist, daß es hohe Geschwindigkeiten an der Spitze eines Hohlladungsstrahles erzielt, da in Nickel die Schallgeschwindigkeit höher ist als in Kupfer. Auch andere Werkstoffe sind möglich, die hohe Dichte und hohe Schallgeschwindigkeit aufweisen, etwa Molybdän, Tantal oder Wolfram bzw. diese Metalle enthaltende Legierungen. In diesem Falle sind allerdings mehrere, durch Glühvorgänge getrennte Wärmebehandlungen erforderlich.

Somit erreicht das erfindungsgemäße Verfahren

- eine sehr bedeutende Verbesserung der Mikrostruktur des Werkstoffes, insbesondere bei den Teilen in der Nähe der inneren Kegelseite. Es konnte tatsächlich nachgewiesen werden, daß eine Reduzierung der Korngröße zu einer Verbesserung der Duktilität führt;
- eine Verbesserung des Zustandes der inneren Oberfläche der Einlagen. Diese Oberfläche findet man wieder an der Außenoberfläche des Strahls, und das Nichtvorhandensein lokaler Fehlstellen, wie z. B. Rauheiten oder durch die maschinelle Bearbeitung entstandene Riefen, erlaubt es, jeglichen vorzeitigen Bruch des Strahls zu vermeiden;
- eine gute Axialsymmetrie während des Formungsprozesses sowie eine exakte Symmetrie in der Textur sowie anderen lokalen Eigenschaften. Das beschriebene Verfahren erlaubt eine Orientierung der Metallfasern in paralleler Richtung zur Kegelerzeugenden, und begünstigt dadurch die Dehnung des Hohlladungsstrahls.

Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung beispielsweise noch näher erläutert; in dieser ist

Fig. 1 ein Längsschnitt durch einen in ein Gesenk eingelegten Preßling, vor dem Verformungsvorgang,

Fig. 2 ein Längsschnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Gesenk nach dem Verformungsvorgang und

Fig. 3 die Darstellung zweier Kurven, in denen bei unterschiedlichen Temperaturen die Verformungskraft über der Zeit aufgetragen ist.

Die Fig. 1 und 2 sind Längsschnitte, die eine Werkzeuganordnung vor und nach Anwendung des Verfahrens zeigen. Dieses Werkzeug besteht im wesentlichen aus drei Teilen aus gehärtetem Stahl, der bis 350°C eine hohe mechanische Festigkeit aufweist. Es umfaßt eine ausgesparte Außenhülle 1, deren Innenwand durch zwei bearbeitete Wände gebildet wird, die aus einer unteren Wand 2 zur Aufnahme des Gesenks 3 und einer oberen zylindrischen Wand 4 bestehen, in der ein beweglicher Stempel 5 gleitet.

Das Gesenk 3 weist eine rotationssymmetrische Aussparung 6 auf, mit der Achse X-X′, die parallel zu der Erzeugenden der oberen zylindrischen Wand 4 der Außenhülle 1 ist, deren Oberfläche exakt der Oberfläche der herzustellenden Einlage 7 entspricht. Im Boden des Gesenks 3 befindet sich vorteilhaft eine zylindrische Bohrung 12, die koaxial zur Aussparung 6 angeordnet ist. Diese zylindrische Bohrung 12 befindet sich auf gleicher Höhe mit einer koaxialen zylindrischen Bohrung 13 gleichen Durchmessers im Boden der Außenhülle 1, und dient zum Auswurf des hergestellten Teiles.

Man legt in das Gesenk 3 einen völlig rotationssymmetrischen Preßling 8, dessen äußere Oberfläche genau in die Aussparung 6 des Gesenks 3 hineinpaßt, wobei das Volumen dieses Preßlings 8 exakt dem der herzustellenden Roheinlage 7 entspricht.

Der Stempel 5 umfaßt einen oberen gleitenden zylindrischen Teil 10 und einen rotationssymmetrischen unteren Teil 11, der eine Oberfläche 9 hat, die genau in die Aussparung 6 hineinpaßt, zu dieser koaxial angeordnet ist und das für die Innenfläche der Einlage 7 gewünschte Profil aufweist.

Bei einer vorteilhaften Realisierungsart sind die beiden bearbeiteten Wände 2 und 4 der Außenhülle 1, die Außenwand des Gesenks 3 und die obere gleitende zylindrische Wand 10 des Stempels koaxiale rotationssymmetrische Zylinder mit der Achse X-X′. Die Außenhülle 1 gewährleistet eine sehr gute Koaxialität des Gesenks 3 und des Stempels 5. In einer vorzugsweise verwendeten Variante ist die Aussparung 6 des Gesenks 3 konisch gestaltet, die Oberfläche 9 des rotationssymmetrischen unteren Teils 11 des Stempels 5, die genau in die Aussparung 6 hineinpaßt, ist ein Kegel, dessen Profil leicht von dem der Aussparung 6 abweichen kann, der Preßling 8 ist ein Kegel oder vorzugsweise ein Kegelstumpf, der exakt in diese Aussparung 6 hineinpaßt.

Bei der gleichen bevorzugten Realisierungsart sind die Oberfläche des konischen unteren Teils 11 des Stempels 5 und eventuell auch die Oberfläche der Aussparung 6 des Gesenks 3 geschliffen und poliert.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 der Ablauf dieser verschiedenen Stufen und die technischen Vorteile der Erfindung beschrieben.

Durch das Kriterium der Rekristallisationstemperatur, die so niedrig wie möglich sein muß unter wohldefinierten Bedingungen, wird ein geeignetes Material für die Anwendung des Verfahrens ausgewählt. Dieses Material muß ebenfalls feinkörnig rekristallisieren. So ist im Falle von Kupfer, was Verunreinigungen im Material anbelangt, eine geringe Menge an Sauerstoff wünschenswert, wogegen Schwefel, Phosphor, Zinn oder Antimon nicht vorkommen sollten.

Die nachfolgend für diese Rekristallisationstemperatur angegebenen Werte wurden an einem geglühten Metall im Anfangszustand ermittelt, das zuvor durch mehrere aufeinanderfolgende Walzvorgänge eine Deformationsrate von 50% erfuhr, wobei die Dauer der Wärmebehandlung 1 Std. betrug.

Dadurch wird ein sehr reines Kupfer mit mehr als 99,9% Reinheit ausgewählt, das eine geringe Rekristallisationstemperatur von ca. 170 bis 240°C bei 50% Kaltverfestigung hat und feinkörnig rekristallisiert. Daraus wird ein bearbeiteter Preßling 8 hergestellt, der konische Form, oder vorzugsweise die Form eines Kegelstumpfes hat und dann ins Innere der Aussparung 6 des Gesenks 3 plaziert wird.

Man ändert langsam und regelmäßig die Druckkraft F des Stempels 5 auf den Preßling 8 gemäß einer Kurve analog zu den auf der Fig. 3 dargestellten Kurven, bis das Metall des Preßlings 8 durch Fließen den gesamten Raum zwischen der Aussparung 6 des Gesenks 3 und der dort genau hineinpassenden Oberfläche des Stempels 5 ausgefüllt hat. Man ändert z. B. linear den Wert der Kraft F von Null bis zu ihrem Maximalwert beispielsweise während einer Dauer von einigen Sekunden bis einige zehn Sekunden. Die maximale Druckkraft wird während einer Zeit von z. B. einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten aufrechterhalten. Danach reduziert man nach und nach die Druckkraft F, die auf den Stempel 5 ausgeübt wird, und geht von dem Maximalwert dieser Kraft bis auf Null zurück, z. B. während einer Zeit von einigen Sekunden bis einige zehn Sekunden.

Vor dem Beginn der Anwendung des Verfahrens wird ein geeignetes Schmiermittel zum Erreichen eines geringen Reibungskoeffizienten zwischen den miteinander in Kontakt stehenden Flächen auf die Oberfläche der Aussparung 6 des Gesenks 3, auf die Oberfläche 9 des unteren Teils 11 des Stempels 5 und auf alle Seiten des Preßlings 8 aufgebracht. Dieses Schmiermittel wird vorzugsweise auf der Basis von graphitierten Fluorverbindungen hergestellt.

Wenn das Volumen des Preßlings 8 leicht größer ist, als das Volumen der herzustellenden Einlage 7, befinden sich die kleinen Mengen an überschüssigem Material entweder in der im Boden des Gesenks 3 angebrachten zylindrischen Bohrung, oder am Rand 14 der Einlage 7, der über das Gesenk 3 hinausragt. Auf jeden Fall können diese kleinen überschüssigen Mengen des Metalls durch eine sehr einfache Bearbeitungsphase beseitigt werden.

Die geschliffene und polierte Oberfläche des unteren Teils 11 des Stempels 5 erlaubt bei Verwendung eines geeigneten Schmiermittels eine fehlerfreie innere Oberfläche der Einlage 7.

Die aus den oben beschriebenen Arbeitsvorgängen erhaltene Einlage 7 kann im Rohzustand verwendet werden. In diesem Falle ist selbstverständlich die Bewegung des Stempels 5 so zu justieren, daß man die gewünschte Enddicke der Einlage 7 erhält.

Bei einer anderen Realisierungsart der Erfindung kann vorzugsweise die Außenseite der hergestellten Roheinlage 7 maschinell bearbeitet werden, um die gewünschte Enddicke zu erzielen, indem man versucht, eine sehr gute Axialsymmetrie zu erreichen.

Bei einer anderen Realisierungsart der Erfindung werden das Gesenk 3, der Stempel 5 und der Preßling 8 vorgeheizt, z. B. auf 200 bis 350°C.

Bei einer anderen Realisierungsart der Erfindung erfolgt die Formgebung der Einlage 7 in einem oder mehreren Zyklen, die durch dazwischenliegende Glühvorgänge unterbrochen werden, wobei eine angemessene Wärmebehandlung verwendet wird, um einen weicheren, feinkörnigen Zustand zu erhalten.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 ein detailliertes Beispiel der Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer konischen Hohlladungseinlage mit einem Öffnungswinkel von 60 Grad, einer Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 50 mm gegeben.

Beispiel

Es wird eine sehr reine Kupfervariante mit mehr als 99,9% Reinheit ausgewählt. Dieser Werkstoff muß dem Kriterium der Rekristallisationstemperatur entsprechen, die bei Vorhandensein von Sauerstoff zwischen 170 und 200°C, und bei einem Material ohne Sauerstoff zwischen 180 und 240°C liegen muß.

Die maximal zulässigen Mengen an Verunreinigungen, die in diesen Werkstoffen enthalten sein können, werden für einige Elemente nachfolgend zur Information angegeben:

Sauerstoff: unter 0,02%
Blei: weniger als der Sauerstoffanteil und unter 0,0005%
Schwefel, Phosphor, Zinn, Antimon, Tellur, Selen: unter 0,0005%
Nickel, Eisen, Zink, Kobalt: unter 0,005%.

Es wird ein maschinell bearbeiteter Preßling (Kegelwinkel 60°, Basisdurchmesser ca. 18 bzw. 36 mm) in Form eines Kegelstumpfs hergestellt. Eine Wärmebehandlung zum Erweichen des Materials wird daraufhin bei Temperaturen zwischen 200 und 300°C durchgeführt.

Das Werkzeug und der Preßling werden mit einem Schmiermittel versehen, um einen geringen Reibungswert zwischen den Kontaktflächen zu erhalten. Dieses Schmiermittel wird vorteilhaft auf der Grundlage von graphitierten Fluorverbindungen in einer Glyzerinlösung hergestellt.

Anschließend erfolgt die eigentliche Formgebung. Bei Umgebungstemperatur wird entsprechend der Kurve A der Fig. 3 die Druckkraft F regelmäßig von 0 auf 1,5 MN während etwa 10 Sekunden erhöht, dann wird der Maximalwert während ca. 2 Minuten aufrechterhalten. Schließlich kann eine regelmäßige Entlastung im Laufe einiger Sekunden erfolgen.

Die Formgebung kann ebenfalls in vier zu den oben angegebenen identischen Schritten erfolgen, die jeweils durch Zwischenglühungen von 1 Std. Dauer bei 300°C unterbrochen werden. Die maximal erforderliche Kraft F ist dann auf 0,6 MN reduzierbar.

Für die halbwarm durchgeführten Versuche wird in gleicher Weise verfahren, indem man die Gießform und den Preßling auf ca. 250°C erhitzt. Die dann erforderliche maximale Kraft beträgt 0,6 MN, und der Verlauf der Druckkraft F in Abhängigkeit von der Zeit entspricht der Kurve B in der Fig. 3.

Man erhält dann einen Kegel von 50 bis 55 mm Durchmesser und 2 bis 3 mm Dicke, der in einem einzigen Arbeitsgang auf der Außenoberfläche maschinell bearbeitet wird, unter Bedingungen, die eine exakte Axialsymmetrie der Einlage gewährleisten. Die Wärmebehandlung wird so festgelegt, daß eine gleichachsige Struktur mit kleinstmöglicher Korngröße (mittlerer Durchmesser ca. 20 µm) entsteht.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer im wesentlichen hohlkegelförmigen Hohlladungseinlage aus Metall in einem Preßwerkzeug mit einem Gesenk, das eine bevorzugt polierte Aussparung aufweist, deren Profil dem äußeren Profil der herzustellenden Einlage entspricht, und einem bevorzugt polierten Stempel, der koaxial zur Aussparung angeordnet ist und der das gewünschte Profil zum Erzeugen der herzustellenden Einlage hat, bei dem

a) von einem vollen Preßling ausgegangen wird, dessen äußeres Profil mit dem der Aussparung des Gesenkes übereinstimmt und dessen Volumen dem der herzustellenden Einlage entspricht und bei dem
b) durch Aufbringen einer Druckkraft auf den Stempel der Preßling durch plastische Verformung und Fließen den gesamten Raum zwischen der Aussparung des Gesenkes und der Oberfläche des Stempels ausfüllt,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) die Druckkraft (F) des Stempels (5) auf den Preßling (8) langsam und gleichmäßig erhöht wird,
d) die maximale Druckkraft über einen Zeitraum konstant gehalten wird, und
e) anschließend nach und nach die auf den Stempel (5) ausgeübte Druckkraft (F) reduziert wird, wobei
f) die Formgebung (Schritte c bis e) durch Kalt- oder Halbwarmverformung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Aussparung (6) des Gesenkes (3), des Stempels (5) und des Preßlings (8) mit einem Gleitmittel bedeckt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Gleitmittels auf graphitierten Fluorverbindungen beruht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung halbwarm bei einer Temperatur zwischen 250 und 300°C erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung in einem oder mehreren getrennten Vorgängen mit dazwischen erfolgendem Glühen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling (8) aus sehr reinem Metall mit niedriger Rekristallisationstemperatur besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling (8) aus sehr reinem Kupfer mit einer Rekristallisationstemperatur zwischen 170 und 240°C, bei 50% Kaltverfestigung, besteht und sehr feinkörnig rekristallisiert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung bei Umgebungstemperatur erfolgt, daß man bei dem Preßling (8) aus sehr reinem Kupfer während einer Dauer von ca. 10 Sekunden die Druckkraft von 0 auf ca. 1,5 MN verändert, daß man dann die maximale Druckkraft während ca. 2 Minuten aufrechterhält und daß man dann während einiger Sekunden nach und nach die Druckkraft reduziert.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk (3), der Stempel (5) und der Preßling (8) auf ca. 250°C vorgeheizt werden, und daß die Druckkraft zwischen 0 und ca. 0,6 MN variiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling (8) aus sehr reinem Nickel mit einer Rekristallisationstemperatur zwischen 300 und 400°C, bei 50% Kaltverfestigung, besteht und sehr feinkörnig rekristallisiert.