DE69102522T2 - Method for producing a part consisting of a material that cannot be forged at ambient temperature, and corresponding tool. - Google Patents
Method for producing a part consisting of a material that cannot be forged at ambient temperature, and corresponding tool.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus einem bei Umgebungstemperatur nicht warmverformbaren Material wie beispielsweise Werkstücken aus Titanlegierung oder aus Verbundwerkstoffen mit Metallmatrize o.ä. durch Warmfließformen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft desgleichen ein Werkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3. Dieses Verfahren und dieses Werkzeug sind zum Beispiel aus dem Dokument GB-A-1394105 bekannt.The invention relates to a method for producing workpieces from a material that is not hot-formable at ambient temperature, such as workpieces made of titanium alloy or of composite materials with a metal matrix or the like, by hot flow forming according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a tool for carrying out this method according to the preamble of claim 3. This method and this tool are known, for example, from the document GB-A-1394105.
Die Technik des Warmfließformens besteht darin, einen Rohling eines Werkstücks auf einen Dorn aufzubringen, der in Drehbewegung versetzt wird, und die plastische Verformung dieses Rohlings zu bewirken, indem er mit Hilfe einer oder mehrerer Walzen, die einen starken Druck auf das Werkstück ausüben, länger gemacht und in seiner Dicke verringert wird. Das Warmfließform-Werkzeug besteht also im wesentlichen aus einem Dorn, im allgemeinen aus zwei oder drei Walzen und aus Mitteln, mit denen der Rohling des Werkstücks mit dem Dorn drehfest verbunden werden kann.The technique of hot-flow forming consists in placing a blank of a workpiece on a mandrel which is set in rotation and in causing the plastic deformation of this blank by increasing its length and reducing its thickness with the aid of one or more rollers which exert a strong pressure on the workpiece. The hot-flow forming tool therefore essentially consists of a mandrel, generally two or three rollers, and of means enabling the blank of the workpiece to be connected to the mandrel in a rotationally fixed manner.
Dieses Werkzeug wird auf eine Maschine montiert, die einer klassischen Drehbank ähnelt. Diese Maschine weist eine Bank auf, auf der ein Walzenträger-Schlitten sitzt, wobei eine Spindel ihre Drehbewegung an den Dorn überträgt und eine Reitstockspitze, die als Niederhalter dient, den Rohling des Werkstücks mit dem Dorn drehfest verbindet.This tool is mounted on a machine that resembles a classic lathe. This machine has a bench on which a roller support slide sits, a spindle transmits its rotational movement to the mandrel and a tailstock center, which serves as a hold-down device, connects the blank of the workpiece to the mandrel in a rotationally fixed manner.
Mit dieser Technik können hohle Drehwerkstücke mit geringer Dicke aus einem bei Umgebungstemperatur warmverformbaren Material wie beispielsweise Stahl ohne jede Schweißung hergestellt werden. Diesen z. B. zylinderförmigen Werkstücken kann ein beliebiger, für die vorgesehene Verwendung geeigneter Durchmesser gegeben werden. Es können auch Werkstücke hergestellt werden, die teilweise oder vollkommen kegelstumpfförmig sind.This technique makes it possible to produce hollow turned parts of small thickness from a material that can be hot-formed at ambient temperature, such as steel, without any welding. These cylindrical parts can be given any diameter suitable for the intended use. Workpieces can also be produced which are partially or completely frustoconical.
Ein wesentlicher Nachteil der Technik des Warmfließformens besteht jedoch darin, daß mit ihr bis heute keine Werkstücke aus einem bei Umgebungstemperatur nicht oder kaum warmverformbaren Material wie beispielsweise aus Titanlegierungen hergestellt werden können.A major disadvantage of the hot flow forming technique, however, is that it cannot yet be used to produce workpieces made of materials that are not or hardly hot-formable at ambient temperatures, such as titanium alloys.
So haben von dem Anmelder durchgeführte Versuche gezeigt, daß die nach der klassischen Technik erfolgende Herstellung eines Werkstücks aus einer Titanlegierung durch Kaltfließformen ein Werkstück mit zahlreichen Rissen zur Folge hatte, die es unverwendbar machten.Tests carried out by the applicant have shown that the manufacture of a workpiece from a titanium alloy by cold forming using the conventional technique resulted in a workpiece with numerous cracks which made it unusable.
In einer anderen Versuchsreihe, die ebenfalls kalt durchgeführt wurde, wobei das Werkstück auch noch mit einer Kühlflüssigkeit besprengt wurde, stellte der Anmelder sogar ein sehr rasches Brechen des Werkstücks fest.In another series of tests, which were also carried out cold, with the workpiece also being sprayed with a cooling liquid, the applicant even found that the workpiece broke very quickly.
Es wurde bereits versucht, diese Schwierigkeiten zu beheben, indem ein Warmfließformen solcher Materialien durchgeführt wurde. So beschreibt der Artikel "Fluotournage chaud de l'alliage de titane TA6V" von M. Brun und J. Duriau auf den Seiten 19 bis 23 der Revue de Mécanique No. 298, Okt. 1974, verschiedene Versuche zur Herstellung von Werkstücken aus der Titanlegierung TA6V durch Warmfließformen, bei denen die Außenfläche des Werkstücks entweder mit einer sich mit den Walzen verschiebenden Induktionshülse oder mit einem Oxipropan-Brenner erwärmt wird.Attempts have already been made to overcome these difficulties by carrying out hot flow forming of such materials. For example, the article "Fluotournage chaud de l'alliage de titane TA6V" by M. Brun and J. Duriau on pages 19 to 23 of Revue de Mécanique No. 298, Oct. 1974, describes various attempts to produce workpieces from the titanium alloy TA6V by hot flow forming, in which the external surface of the workpiece is heated either with an induction sleeve that moves with the rollers or with an oxypropane burner.
Diese verschiedenen Versuche des Warmfließformens sowie weitere, vergleichbare Versuche, die von anderen durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß die angewendete Technik des Erwärmens nur dann zu akzeptablen Ergebnissen führen konnte, wenn die Temperatur innerhalb eines relativ engen Bereichs gehalten wurde. Andernfalls wurde die Bildung von Rissen und sogar von Brüchen beobachtet. Es ist offensichtlich, daß bei Erwärmen des Werkstücks mit dem Brenner diesem Erfordernis nicht sicher nachgekommen werden kann. Das Verfahren wird ferner bei Verwendung einer Induktionsheizvorrichtung sehr kompliziert und teuer, insbesondere wenn das herzustellende Werkstück nicht zylinderförmig ist.These various experiments with hot flow forming, as well as other similar experiments carried out by others, have shown that the heating technique used could only lead to acceptable results if the temperature was kept within a relatively narrow range. Otherwise, the formation of cracks and even of fractures. It is obvious that this requirement cannot be met reliably when heating the workpiece with a torch. Furthermore, the process becomes very complicated and expensive when using an induction heating device, especially when the workpiece to be produced is not cylindrical.
Diese Erfindung hat zum Gegenstand genau ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem bei Umgebungstemperatur nicht warmverformbaren Material durch Warmfließformen, dessen neuartige Konzeption es ermöglicht, sicher und wiederholt Werkstücke ohne Risse und ohne, daß für diese Werkstücke während des Herstellungsprozesses die Gefahr eines Bruchs besteht, herzustellen.The subject of this invention is precisely a method for manufacturing a workpiece from a material which is not hot-formable at ambient temperature by hot flow forming, the novel concept of which makes it possible to produce workpieces safely and repeatedly without cracks and without these workpieces being at risk of breaking during the manufacturing process.
Erfindungsgemäß wird dieses Ergebnis durch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem bei Umgebungstemperatur nicht warmverformbaren Material durch Warmfließformen erzielt, das darin besteht, einen Rohling eines Werkstücks auf einen beheizbaren Dorn aufzubringen, diesen Rohling sodann einem Warmfließformen zu unterziehen, wobei der Dorn auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das genannte Material warmverformbar wird, wobei diese Temperatur durch Regelmittel reguliert wird, die sich mit dem Dorn drehen, und im wesentlichen gleich groß ist wie die Differenz zwischen einer Temperatur, bei der das genannte Material sich verformen läßt, und einer Temperatur, um die sich das Material unter der Wirkung des Warmfließformens erwärmt.According to the invention, this result is achieved by a process for manufacturing a workpiece from a material which is not hot-formable at ambient temperature by hot-flow forming, which consists in placing a blank of a workpiece on a heatable mandrel, then subjecting this blank to hot-flow forming, the mandrel being heated to a temperature at which said material becomes hot-formable, this temperature being regulated by control means rotating with the mandrel and being substantially equal to the difference between a temperature at which said material can be deformed and a temperature by which the material heats up under the effect of hot-flow forming.
Mit diesem Verfahren wird der Rohling eines Werkstücks durch den Dorn dergestalt vorgewärmt, daß er im Augenblick des Auftreffens der Walze die richtige Temperatur hat und daß jeglicher Thermoschock vermieden wird. Im Gegensatz dazu hatte bei den Verfahren des bisherigen Standes der Technik das Erwärmen des Werkstücks von außen zur Wirkung, daß im Augenblick des Auftreffens der Walze der Rohling sehr unvermittelt in Berührung mit dem relativ kalten Dorn gebracht wurde, was aufgrund der bedeutenden Wärmeträgheit des Dorns zu einer raschen Abkühlung des Werkstücks führte.With this method, the blank of a workpiece is preheated by the mandrel in such a way that it has the right temperature at the moment of impact with the roller and that any thermal shock is avoided. In contrast, in the methods of the previous state of the art, heating the workpiece from the outside had the effect that the blank was brought into contact with the relatively cold mandrel very suddenly at the moment of impact with the roller, which due to The significant thermal inertia of the mandrel led to rapid cooling of the workpiece.
Zudem kann das Werkstück mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichmäßig und auf eine vollkommen kontrollierte Temperatur erwärmt werden, wie auch immer seine Form beschaffen ist. Das Erwärmen kann daher auf die wirklich erforderliche Temperatur beschränkt werden, um das Formen zu gewährleisten, so daß ein Überheizen des Werkstücks vermieden wird, das sonst zu dessen Oberflächenverschmutzung führen kann, wenn das behandelte Material umso stärker Teilchen aus der Umgebung absorbiert, je mehr seine Temperatur steigt.Furthermore, the process according to the invention enables the workpiece to be heated uniformly and to a completely controlled temperature, whatever its shape. The heating can therefore be limited to the temperature actually required to ensure shaping, thus avoiding overheating of the workpiece, which could otherwise lead to contamination of its surface, since the material being treated absorbs particles from the environment to a greater extent the more its temperature rises.
Ferner kann durch die Regelung der Erwärmungstemperatur des Dorns durch Regelmittel, die mit letzterem drehen, eine besonders exakte Regulierung dieser Temperatur (z. B. mit 5 ºC mehr oder weniger) gewährleistet werden.Furthermore, by regulating the heating temperature of the mandrel by means of control means rotating with the latter, a particularly precise regulation of this temperature (e.g. 5 ºC more or less) can be ensured.
Bei einer besonderen Anwendung der Erfindung in der Herstellung eines Werkstücks aus einer Titanlegierung wird der Dorn auf eine Temperatur zwischen ca. 400 ºC und ca. 500 ºC erwärmt. Da die Erwärmung des Werkstücks aufgrund des Fließformens zwischen ca. 250 ºC und ca. 350 ºC beträgt, kann daher das Werkstück ohne überschüssiges Heizen auf seine Verformungstemperatur erwärmt werden.In a particular application of the invention in the production of a workpiece from a titanium alloy, the mandrel is heated to a temperature between about 400 ºC and about 500 ºC. Since the heating of the workpiece due to flow forming is between about 250 ºC and about 350 ºC, therefore, the workpiece can be heated to its forming temperature without excess heating.
Die Erfindung hat zum Gegenstand ferner ein Werkzeug zur Herstellung eines Werkstücks aus einem bei Umgebungstemperatur nicht warmverformbaren Material durch Warmfließformen, bestehend aus einem Dorn, der innen Heizmittel, Mittel zur Regelung der Temperatur der Heizmittel, die in einem an einem Ende des Dorns befestigten Gehäuse angeordnet sind, sowie ein thermisch isolierendes Element, das zwischen dem Dorn und dem Gehäuse angeordnet ist, aufweist.The invention also relates to a tool for producing a workpiece from a material that is not thermoformable at ambient temperature by hot flow forming, comprising a mandrel having heating means inside, means for regulating the temperature of the heating means arranged in a housing fixed to one end of the mandrel, and a thermally insulating element arranged between the mandrel and the housing.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Werkzeugs besteht der Dorn aus einem hohlen Rohr, dessen Innenfläche sich über seine gesamte Nutzlänge mit einem Wärmeverteiler in Kontakt befindet, wobei Heizmittel im Inneren des Verteilers angeordnet sind.According to a preferred embodiment of this tool, the mandrel consists of a hollow tube, the inner surface of which is in contact with a heat distributor over its entire useful length, with heating means arranged inside the distributor.
Ferner ist das Gehäuse mit demontierbaren Befestigungsmitteln austauschbar an einem Ende des Dorns befestigt.Furthermore, the housing is attached to one end of the mandrel using removable fasteners.
Vorzugsweise beinhalten die Heizmittel mindestens einen elektrischen Widerstand, der elektrisch mit den Temperaturregel mitteln verbunden ist, wobei letztere über einen von dem Gehäuse gehaltenen Kollektor und über feststehende Kohlebürsten von einer externen Stromquelle stromversorgt werden.Preferably, the heating means comprise at least one electrical resistance which is electrically connected to the temperature control means, the latter being powered by an external power source via a collector held by the housing and via fixed carbon brushes.
Um zu vermeiden, daß ein Überhitzen der Temperaturregelmittel eine Temperaturabweichung verursacht, wird empfohlen, Kühlmittel in dem Gehäuse in der Nähe der Temperaturregelmittel vorzusehen und Kühllöcher im Gehäuse gegenüber diesen Temperaturregelmitteln auszubilden.In order to prevent overheating of the temperature control means from causing a temperature deviation, it is recommended to provide cooling means in the housing near the temperature control means and to form cooling holes in the housing opposite these temperature control means.
Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen als nicht einschränkendes Beispiel beschrieben, wobeiA preferred embodiment of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings as a non-limiting example, in which
- Fig. 1 eine Seitenansicht im Teilschnitt ist, die sehr schematisch ein erfindungsgemäßes Werkzeug zum Fließformen zeigt, das an einer Fließform-Maschine montiert ist, und- Fig. 1 is a side view in partial section showing very schematically a flow forming tool according to the invention mounted on a flow forming machine, and
- Fig. 2 eine Seitenansicht ist, die das Werkzeug zum Fließformen von Fig. 1 im Längsschnitt und in vergrößertem Maßstab zeigt.- Fig. 2 is a side view showing the flow forming tool of Fig. 1 in longitudinal section and on an enlarged scale.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 10 eine Drehspindel einer Fließform-Maschine klassischer Bauart, die in einem Spindelstock 12 dreht. Die Maschine enthält klassischerweise ebenfalls eine Reitstockspitze 14, die in einem Reitstock 16 eingesetzt ist und mit der Spindel 10 axial ausgerichtet ist. Der Reitstock 16 kann auf einer (nicht dargestellten) Bank, die diesen trägt, von dem Spindelstock 12 weg- und zu ihm hinbewegt werden. Die Maschine weist ferner einen Walzenträger-Schlitten 18 auf, der im allgemeinen mit zwei bis drei Walzen 20 bestückt ist und sich mit konstanter und einstellbarer Geschwindigkeit parallel zu der Achse der Spindel 10 fortbewegen kann.In Fig. 1, reference numeral 10 designates a turning spindle of a flow forming machine of conventional design, which rotates in a headstock 12. The machine also conventionally includes a tailstock center 14 which is inserted in a tailstock 16 and is axially aligned with the spindle 10. The tailstock 16 can be mounted on a bench (not shown), which carries it, can be moved away from and towards the headstock 12. The machine also has a roller carrier carriage 18, which is generally equipped with two to three rollers 20 and can move parallel to the axis of the spindle 10 at a constant and adjustable speed.
In den Figuren 1 und 2 bezeichnet die Bezugszahl 22 allgemein ein Werkzeug zur Herstellung eines Werkstücks aus einem bei Umgebungstemperatur nicht oder kaum warmverformbaren Material durch Warmfließformen. Dieses Werkzeug, das allgemein die Form eines Drehzylinders aufweist, ist an der Spindel 10 koaxial zu dieser befestigt, so daß es durch diese Spindel in Drehbewegung versetzt wird.In Figures 1 and 2, reference number 22 generally designates a tool for producing a workpiece from a material that is not or hardly hot-formable at ambient temperature by hot flow forming. This tool, which generally has the shape of a rotary cylinder, is attached to the spindle 10 coaxially therewith, so that it is set in rotary motion by this spindle.
Im einzelnen besteht das Werkzeug 22 aus einem beheizbaren Dorn 24, dessen Außenform die Innenform des herzustellenden Werkzeugs bestimmt, und einer Temperaturregelanordnung 26, auf die der Dorn 24 beispielsweise durch Schrauben 28 austauschbar montiert ist.In detail, the tool 22 consists of a heatable mandrel 24, the outer shape of which determines the inner shape of the tool to be produced, and a temperature control arrangement 26, on which the mandrel 24 is mounted in an interchangeable manner, for example by means of screws 28.
Der Regelblock 26 besteht aus einem zylindrischen, äußeren Schutzgehäuse 30. Ein Ende dieses Gehäuses 30, das dazu gedacht ist, an der Spindel 10 befestigt zu werden, besteht aus einem Bundring 30a, durch den längs seiner Achse eine Bohrung verläuft, deren kegelförmiger äußerer Teil 31 dazu vorgesehen ist, auf einen Zentrierkegel 10a gesteckt zu werden, der am Ende der Spindel 10 ausgebildet ist. Wenn diese Steckverbindung hergestellt ist, wird der Bundring 30a auf dem Ende der Spindel 10 befestigt, zum Beispiel mit Stiftschrauben.The control block 26 consists of a cylindrical outer protective housing 30. One end of this housing 30, which is intended to be fixed to the spindle 10, consists of a collar ring 30a through which a bore runs along its axis, the conical outer part 31 of which is intended to be plugged onto a centering cone 10a formed at the end of the spindle 10. Once this plug-in connection has been made, the collar ring 30a is fixed to the end of the spindle 10, for example by means of stud bolts.
An seinem anderen Ende ist das Gehäuse 30 mit einem Deckel verschlossen, der aus zwei Platten 34 und 36 besteht, zwischen denen sich ein thermisch isolierendes Material 38 befindet. Diese drei Elemente werden fest miteinander verbunden, zum Beispiel mit Metallteilen 40, und am Ende des Gehäuses 30 befestigt, zum Beispiel mit Schrauben 42.At its other end, the housing 30 is closed with a cover consisting of two plates 34 and 36, between which there is a thermally insulating material 38. These three elements are firmly connected to one another, for example with metal parts 40, and fixed to the end of the housing 30, for example with screws 42.
Der Dorn 24 seinerseits umfaßt ein äußeres Rohr 44, das aus einem Metall wie z. B. Stahl besteht, welches bei der Verformungstemperatur eine große Härte besitzt. Mit seinem Teil, der nicht an den Regelblock 26 angrenzt, dient dieses äußere Rohr 44 als Gegenform für das herzustellende Werkstück. Infolgedessen werden die Form und die Außenmaße dieses Rohrs 44 jedesmal, wenn ein anderes Werkstück hergestellt werden soll, geändert.The mandrel 24 in turn comprises an outer tube 44 made of a metal such as steel which has a high hardness at the deformation temperature. With its part not adjacent to the control block 26, this outer tube 44 serves as a counter-mold for the piece to be manufactured. As a result, the shape and external dimensions of this tube 44 are changed each time a different piece is to be manufactured.
An seinem an den Regelblock 26 angrenzenden Ende besitzt das äußere Rohr 44 einen Bundring, mit dem er mittels Schrauben 28 an dem aus den Platten 34 und 36 und dem isolierenden Material 38 bestehenden Deckel befestigt werden kann. Ein Zentrierkegel, der an der Außenseite der Platte 36 ausgebildet ist, die von dem Block 26 aus nach außen gewandt ist, tritt in eine komplementäre kegelstumpfförmige Fläche ein, die am angrenzenden Ende des äußeren Rohrs 44 ausgeführt ist, so daß automatisch die axiale Ausrichtung des Dorns 24 auf den Regelblock 26 gewährleistet ist, wenn der Dorn auf letzterem befestigt wird.At its end adjacent to the control block 26, the outer tube 44 has a collar ring with which it can be fixed by means of screws 28 to the cover consisting of the plates 34 and 36 and the insulating material 38. A centering cone formed on the outside of the plate 36 facing outwards from the block 26 enters a complementary frusto-conical surface formed on the adjacent end of the outer tube 44 so as to automatically ensure the axial alignment of the mandrel 24 with the control block 26 when the mandrel is fixed to the latter.
Es ist zu bemerken, daß dadurch, dar der Dorn 24 gegenüber dem Regelblock 26 abmontiert werden kann, letzterer nicht verändert werden muß, wenn die Form und/oder die Maße des Werkstücks variieren. Es genügt dann, den zuvor verwendeten Dorn 24 abzumontieren und einen neuen Dorn mit anderer Form und Außenmaßen einzusetzen.It should be noted that since the mandrel 24 can be dismantled from the regulating block 26, the latter does not have to be modified if the shape and/or dimensions of the workpiece vary. It is then sufficient to dismantle the mandrel 24 previously used and insert a new mandrel with a different shape and external dimensions.
Erindungsgemäß ist der Dorn 24 ein beheizbarer Dorn, der im Inneren des Teils des Rohrs 44, der als Gegenform für das herzustellende Werkstück dient, einen elektrischen Heizwiderstand 46 aufweist. Dieser Widerstand, der als zylindrische Patrone ausgeführt ist, ist auf der Achse des Rohrs 44 im Inneren eines rohrförmigen Wärmeverteilers 48 angeordnet, der vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material wie z. B. Kupfer besteht. Die Außenfläche des Wärmeverteilers 48 befindet sich mit der Innenfläche des Rohrs 44 in dessen als Gegenform dienenden Teil in engem Kontakt.According to the invention, the mandrel 24 is a heatable mandrel which has an electrical heating resistor 46 inside the part of the tube 44 which serves as a counter-mold for the workpiece to be produced. This resistor, which is designed as a cylindrical cartridge, is arranged on the axis of the tube 44 inside a tubular heat distributor 48, which preferably consists of a material with good heat conduction, such as copper. The outer surface of the heat distributor 48 is located is in close contact with the inner surface of the tube 44 in its counter-mold part.
Mit diesem Aufbau kann eine effektive und gleichmäßige Erwärmung des äußeren Rohrs 44 über seinen gesamten Nutzbereich für das Formen des Werkstücks gewährleistet werden. An seinem von dem Regelblock 26 abgewandten Ende ist das äußere Rohr 44 durch ein Ansatzstück 50 verschlossen, an dem insbesondere der rohrförmige Wärmeverteiler 48 befestigt werden kann.With this structure, an effective and uniform heating of the outer tube 44 over its entire useful area for forming the workpiece can be ensured. At its end facing away from the control block 26, the outer tube 44 is closed by an attachment piece 50, to which in particular the tubular heat distributor 48 can be attached.
Eine in Längsrichtung verlaufende Rille auf der Außenfläche des rohrförmigen Wärmeverteilers 48 ermöglicht es auch, ein Thermoelement 52 unterzubringen, das dazu dient, die Temperatur des Nutzbereichs des äußeren Rohrs 44 des Dorns präzise zu messen.A longitudinal groove on the outer surface of the tubular heat spreader 48 also makes it possible to accommodate a thermocouple 52 which serves to precisely measure the temperature of the useful area of the outer tube 44 of the mandrel.
Sowohl der elektrische Widerstand 46 wie auch das Thermoelement 52 sind mit dem Regelblock 26 durch elektrische Leiter 54 und 56 elektrisch verbunden, die in Steckanschlüssen 58 und 60 enden, welche an komplementäre Steckanschlüsse 59 und 61 angeschlossen werden, die sich an der äußeren Platte 36 des Regelblocks 26 befinden.Both the electrical resistance 46 and the thermocouple 52 are electrically connected to the control block 26 by electrical conductors 54 and 56 terminating in plug connectors 58 and 60 which are connected to complementary plug connectors 59 and 61 located on the outer plate 36 of the control block 26.
Im Inneren des Gehäuses 30 dieses Blocks sind die Steckanschlüsse 59 und 61 an elektrische Leiter 62 und 64 angeschlossen, deren andere Enden über ein statisches Regelrelais 84 mit einem Temperaturregler 66 verbunden sind. Durch den Regler 84, der etwa in der Mitte des Gehäuses 30 angeordnet ist, kann, gesteuert durch das Thermoelement 52, die Temperatur des Dorns 24 mit dem elektrischen Widerstand 46 im wesentlichen konstant gehalten werden, zum Beispiel mit 5 ºC mehr oder weniger.Inside the housing 30 of this block, the plug connections 59 and 61 are connected to electrical conductors 62 and 64, the other ends of which are connected to a temperature controller 66 via a static control relay 84. The controller 84, which is arranged approximately in the middle of the housing 30, can, controlled by the thermocouple 52, keep the temperature of the mandrel 24 with the electrical resistance 46 essentially constant, for example 5 ºC more or less.
Der Temperaturregler 66 wird über einen Transformator 68 mit einer Versorgungsspannung elektrisch versorgt, die von einer externen Stromquelle 70 (Fig. 1) geliefert wird. Die Leitung des elektrischen Stroms von der feststehenden externen Quelle 70 zu dem drehbaren Werkzeug 22 wird durch Kohlebürsten 72 gewährleistet, die auf dem Spindelstock 12 der Maschine sitzen und sich ringförmigen Kollektoren 74 gegenüber befinden, die in einem Isolierblock 75 in dem Bundring 30a auf der Seite des Spindelstocks 12 eingebaut sind. Elektrische Leiter 76 und 78 gewährleisten die Verbindung zwischen der Quelle 70 und den Kohlebürsten 72 bzw. die Verbindung zwischen den Kollektoren 74 und dem Transformator 68.The temperature controller 66 is electrically supplied via a transformer 68 with a supply voltage which is provided by an external power source 70 (Fig. 1). The conduction of the electrical current from the fixed external source 70 to the rotary tool 22 is ensured by carbon brushes 72 which are mounted on the headstock 12 of the machine and are located opposite annular collectors 74 which are installed in an insulating block 75 in the collar 30a on the side of the headstock 12. Electrical conductors 76 and 78 ensure the connection between the source 70 and the carbon brushes 72 and the connection between the collectors 74 and the transformer 68, respectively.
Der Temperaturregler 66, der Transformator 68 und das Relais 84 sind im Inneren des Gehäuses 30 an einem Tragteil 80 montiert (Fig. 2). Dieses Tragteil 80 hält auch einen Ventilator 82, der dem Regler 66 und dem Transformator 68 gegenüber angeordnet ist, um sie zu kühlen. Dieser Ventilator 82 wird direkt von den elektrischen Leitern 78 stromversorgt.The temperature controller 66, the transformer 68 and the relay 84 are mounted inside the housing 30 on a support member 80 (Fig. 2). This support member 80 also supports a fan 82 which is arranged opposite the controller 66 and the transformer 68 to cool them. This fan 82 is powered directly from the electrical conductors 78.
Das Gehäuse 30 enthält zudem in Nähe des Reglers 66 Kühllöcher 90.The housing 30 also contains cooling holes 90 near the controller 66.
Vorzugsweise werden elektrische Daten bezüglich insbesondere der Stromversorgung des elektrischen Widerstands 46 über mindestens einen der Kollektoren 74 und die zugehörige Kohlebürste 72 an ein (nicht dargestelltes) externes Anzeigesystem übertragen.Preferably, electrical data relating in particular to the power supply of the electrical resistor 46 are transmitted via at least one of the collectors 74 and the associated carbon brush 72 to an external display system (not shown).
Um das Personal vor dem elektrischen Strom zu schützen, der durch die Kollektoren 74 und die Kohlebürsten 72 fließt, ist eine Schutzabdeckung 88 über dem Spindelstock 12 befestigt und umschließt die Kohlebürsten 72 sowie den drehenden Bundring 30a.To protect personnel from the electrical current flowing through the commutators 74 and the carbon brushes 72, a protective cover 88 is mounted over the headstock 12 and encloses the carbon brushes 72 and the rotating collar 30a.
Mit Hilfe des soeben beschriebenen Werkzeugs können durch Warmfließformen Werkstücke hergestellt werden, die aus Materialien bestehen, die bei Umgebungstemperatur nicht warmverformbar sind, wie z. B. Titan- oder Wolframlegierungen oder Verbundwerkstoffen mit Metallmatrize. Dazu wird das Werkzeug 22 auf der Spindel 10 der Maschine mit Hilfe von Stiftschrauben 32 befestigt, so wie in Fig. 2 dargestellt. Ein Rohling eines Werkstücks E (Fig. 1) wird sodann zwischen dem anderen Ende des Dorns 24 und der Reitstockspitze 14 der Maschine, die als Niederhalter dient, angebracht. Auf diese Weise ist der Rohling drehfest mit dem Dorn 24.With the aid of the tool just described, workpieces can be produced by hot flow forming which consist of materials which cannot be hot-formed at ambient temperature, such as titanium or tungsten alloys or composite materials with a metal matrix. For this purpose, the tool 22 is mounted on the spindle 10 of the machine by means of stud bolts 32 as shown in Fig. 2. A blank of a workpiece E (Fig. 1) is then placed between the other end of the mandrel 24 and the tailstock center 14 of the machine, which serves as a hold-down device. In this way, the blank is rotationally fixed to the mandrel 24.
In einem ersten Arbeitstakt wird der Dorn 24 durch den elektrischen Widerstand 46 erwärmt, bis eine gleichmäßige Temperatur über den gesamten Nutzbereich dieses Dorns herrscht. Um diese Gleichmäßigkeit der Temperatur zu gewährleisten, wird eine Phase von einigen Minuten vorgesehen, bevor das eigentliche Warmfließformen ausgeführt wird.In a first working cycle, the mandrel 24 is heated by the electrical resistance 46 until a uniform temperature prevails over the entire usable area of this mandrel. In order to ensure this uniformity of temperature, a phase of a few minutes is provided before the actual hot flow forming is carried out.
Die Temperatur, auf die der Dorn 24 erwärmt wird und die zuvor am Regler 66 eingestellt wird, entspricht der Differenz zwischen der Verformtemperatur des Materials, aus dem der Rohling des Werkstücks besteht, und der Temperatur, auf die sich das Material unter der Wirkung des Warmfließformens erwärmt. So wird bei einem Werkstück aus Titanaluminiumlegierung, dessen Verformtemperatur bei 700 ºC liegt, der Dorn 24 auf ca. 450 ºC erwärmt, da der Temeraturanstieg aufgrund des eigentlichen Warmfließformens in diesem Fall bei 250 ºC liegt.The temperature to which the mandrel 24 is heated, which is previously set on the controller 66, corresponds to the difference between the deformation temperature of the material of which the blank of the workpiece is made and the temperature to which the material is heated under the effect of hot flow forming. Thus, for a workpiece made of titanium-aluminium alloy, the deformation temperature of which is 700 ºC, the mandrel 24 is heated to approximately 450 ºC, since the temperature rise due to the actual hot flow forming in this case is 250 ºC.
In einem zweiten Arbeitstakt wird das eigentliche Warmfließformen durchgeführt, wie in Fig. 1 sehr schematisch dargestellt, indem der Rohling des Werkstücks E auf der Außenfläche des Dorns 24 mit Hilfe von Walzen 20 unter gemeinsamer Wirkung der Drehbewegung des Werkzeugs 22 und der Vorschubbewegung des Walzenträger-Schlittens 18 plastisch verformt wird.In a second work cycle, the actual hot flow forming is carried out, as shown very schematically in Fig. 1, in that the blank of the workpiece E is plastically deformed on the outer surface of the mandrel 24 with the aid of rollers 20 under the joint action of the rotary movement of the tool 22 and the feed movement of the roller carrier slide 18.
Wenn die Walzen das Werkstück gegen die Außenfläche des Dorns drücken, hat dieses Werkstück bereits die Temperatur des Dorns, so daß sich kein Thermoschock ereignet. Die durch das eigentliche Warmfließformen zusätzlich erzeugte Erwärmung ermöglicht es, daß das Material eine gerade ausreichende Temperatur erreicht, damit seine Verformung ohne Rißbildung und ohne Bruchgefahr erfolgt.When the rollers press the workpiece against the outer surface of the mandrel, this workpiece already has the temperature of the mandrel, so that no thermal shock occurs. The additional heating generated by the actual hot flow forming allows the material to reach a temperature just sufficient so that its deformation occurs without cracking and without risk of breakage.
Diese zusätzliche Erwärmung, die beim Auftreffen der Walze geschieht, dauert nur eine sehr kurze Zeitspanne an, so daß die Verschmutzung des Werkstücks aufgrund seiner Erwärmung auf das absolute Minimum begrenzt ist.This additional heating, which occurs when the roller hits the workpiece, only lasts for a very short period of time, so that the contamination of the workpiece due to its heating is limited to the absolute minimum.
Während der gesamten Dauer des Warmfließformens liefert das Thermoelement 52 an den Regler 66 die Daten, mit deren Hilfe letzterer die Temperatur des Dorns 24 unter Einwirkung des elektrischen Widerstands 46 auf einem praktisch konstanten Stand halten kann.During the entire duration of the hot flow forming, the thermocouple 52 supplies the controller 66 with the data with the aid of which the latter can maintain the temperature of the mandrel 24 at a practically constant level under the influence of the electrical resistance 46.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die soeben als Beispiel beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern deckt alle Varianten ab. So kann die Übertragung der elektrischen Leistung von der externen Stromquelle bis zu dem Regelblock 26 in anderer Weise erfolgen, beispielsweise durch elektrische Drehkontakte. Auch der Aufbau des Temperaturreglers in dem Regelblock 26 kann anders ausgeführt sein, und die Kühlmittel dieses Blocks können in bestimmten Fällen wegfallen.Of course, the invention is not limited to the embodiment just described as an example, but covers all variants. The transmission of electrical power from the external power source to the control block 26 can take place in a different way, for example by means of electrical rotary contacts. The structure of the temperature controller in the control block 26 can also be designed differently, and the cooling means of this block can be omitted in certain cases.
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