EP0224782A2 - Verfahren zum Freiformschmieden von Werkstücken - Google Patents
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- EP0224782A2 EP0224782A2 EP86115908A EP86115908A EP0224782A2 EP 0224782 A2 EP0224782 A2 EP 0224782A2 EP 86115908 A EP86115908 A EP 86115908A EP 86115908 A EP86115908 A EP 86115908A EP 0224782 A2 EP0224782 A2 EP 0224782A2
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- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
- C10M103/00—Lubricating compositions characterised by the base-material being an inorganic material
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
- B21J3/00—Lubricating during forging or pressing
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- C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
- C10M2201/00—Inorganic compounds or elements as ingredients in lubricant compositions
- C10M2201/12—Glass
Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for open-die forging workpieces in forging presses at elevated forging temperatures, in particular iron blocks or iron alloy blocks at forging temperatures in the range between approximately 800 and 1250 degrees Celsius.
- glass As a lubricant, this applies both to high forming temperatures in the range of around 1100 - 1250 degrees Celsius and to the area of hot forming.
- glass or glass-like materials are described as protective and lubricants for forming steel in extrusion and tube presses.
- the protective and lubricant glass which is located between the hot, plastically deformable pressed metal and the cooler steel of the tools, forms a more or less thin film and slides past the shaping tools with the plastically deformed steel.
- the use of lubricants reduces friction and energy consumption.
- the viscosity or the plasticity of the glass film reduces the coefficient of friction to a value of ⁇ 0.05 compared to a value of approximately 0.12, which would result if the plastic steel were pressed without glass lubrication.
- the heat losses are reduced and the tools are protected at the same time in that the transfer of the amount of heat to the pressing tools during glass lubrication is significantly reduced because the thermal conductivity of a viscous or plastic glass film is about 10 - 60 times less than the thermal conductivity of a layer of the same thickness plastic steel.
- German Offenlegungsschrift 25 15 222 also describes a compression molding process at elevated temperatures, in which the surface of the Applies a glass lubricant with a thickness of no more than 25 ⁇ m.
- This glass film known in the prior art for extrusion is very thin and can therefore tear off easily; adequate lubrication is then no longer guaranteed.
- a sub-task of the invention is also to demonstrate the essential parameters for optimal material flow conditions under operating conditions.
- this object is achieved in that the workpiece is lubricated at the forging temperature during the forging process.
- the occurrence of a metallic contact between the sliding surfaces of the tool and the workpiece and thus cold welding, mechanical wear and bulges combined with crack formation are prevented. Sharp edges and smooth surfaces are almost completely retained during the forming process.
- the spreading behavior is improved by the flow during Open-die forging in the workpiece is favored.
- the use of a lubricant also allows increased stitch decreases, for example where there are machine-related force limits.
- the lubricant also has the advantage that it prevents overstretching at the tool edges (with the risk of cracking there).
- a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the lubrication is carried out by means of a glass film which is liquid at the forging temperature.
- this technique has already achieved good results in both the viscous and plastic areas.
- the targeted use of this experience shortens the time for further process optimization by analogous adoption of results.
- the surface properties of the forging block are also greatly improved by the formation of almost metallic surfaces without scale layers.
- the lubrication is effective on all contact surfaces between the workpiece and the tool. In this way, the use of the lubricant is optimized, since only the surfaces that are also exposed to a load are provided with a lubricating film.
- the lubricant is advantageously applied to the workpiece immediately before the forging process begins.
- the contact times between the lubricating film and the workpiece can be minimized in order to to rule out any adverse chemical surface reactions.
- the lubricant in powder form is applied over the entire area.
- the glass powder can be sprinkled, inflated or sprayed on, for example. Such a distribution is particularly suitable for applying relatively thick layers.
- the grain size of the glass powder used as a lubricant is particularly useful less than 80 ⁇ m, preferably less than 40 ⁇ m. The best results were achieved with layer thicknesses of the lubricant in a range between approximately 100 to 300 ⁇ m.
- the lubricant can also be applied to the workpiece in an aqueous solution. In this way, very thin layers can be produced.
- the lubricant is applied in several layers. With this measure, the lubrication behavior can advantageously be set optimally.
- the solidified lubricant is removed by sandblasting.
- Solidified layers of glass usually break off by themselves or at the latest when finishing, surprisingly creating an almost metallic surface of the block. The few remnants are very easy and inexpensive to use by sandblasting remove.
- the object of the invention is achieved in that a device for uniform and area-wide application of the lubricant layers to the workpiece is arranged in the region of the opening of the press frame.
- This can be, for example, a funnel with a slit-shaped funnel opening that covers the width of the workpiece and is connected to the upper saddle.
- the workpiece is then expediently coated bit by bit during the feed, if necessary by rotating the workpiece.
- Another embodiment of the invention advantageously provides that the device for applying the lubricant layers to the workpiece consists of upper nozzles and lower nozzles which are designed to be vertically displaceable. In this way, the workpiece can be coated from multiple sides at the same time across the entire area in a short time.
- the drawing shows schematically, for example also for other presses, a forging press without a spar with above-ground drive.
- the cylinder (11) is guided in a vertically movable manner in the press frame (10).
- the upper saddle carrier is detachably connected to the upper saddle (12) with the cylinder (11).
- the upper saddle (12) is in Operational connection with the lower saddle carrier and lower saddle (13).
- the workpiece (20) to be forged In between is the workpiece (20) to be forged, which is moved and held in the press frame by a manipulator, not shown.
- a suitable glass powder is sprayed onto the workpiece (20).
- the glass powder can for example have the following analysis: SiO2 min. 70%; Al2o3 0.5-2%; CaO 8%; MgO 3-5%; Fe2O3 max. 0.1%; Na2O + K2O 13-15%. Very fine-grained powders are expediently used, for example in a grain size range between 0.04 and 0.08 mm or less.
- a liquid lubricating film (30, 31) with layer thicknesses of between 0.1 and 0.3 mm is formed on both sides of the workpiece (20) Lubricating films are not shown to scale in the drawing figure).
- the workpiece (20) coated in this way is placed on the lower saddle (13), after which the upper saddle (12) is lowered for forging.
- the lubrication improves the material flow in the workpiece (20) in the contact surfaces to the tool (12, 13), largely suppresses the bulges in the side surfaces and achieves homogeneous forging.
- the method according to the invention is suitable due to the increase in the width that can also be observed especially for the production of flat materials (so-called boards).
- the lubricant layers (30, 31) can be repaired or replaced between the individual forming steps (bites) via the nozzles (21 - 24). It is also possible to apply a further layer of lubricant to both existing layers (30, 31) or individually thereon by means of the vertically movable nozzles (21 - 24).
- suitable sensors for automatic monitoring is also within the scope of the present invention.
- the method according to the invention and the device for carrying it out can also be used for open-die forging of other metals and metal alloys, for example of aluminum, titanium or nickel-based alloys.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freiformschmieden von Werkstücken in Schmiedepressen bei erhöhten Schmiedetemperaturen, insbesondere von Eisenblöcken bzw. Eisenlegierungsblöcken bei Schmiedetemperaturen im Bereich zwischen etwa 800 und 1250 Grad Celsius.
- Beim Freiformschmieden von Werkstücken, d.h. auf Schmiedetemperatur erhitzten Metallblöcken, in einer Schmiedepresse treten beim Recken oder Stauchen zum Teil erhebliche Ausbauchungen mit Rißbildung in den freien Seitenbereichen des Werkstücks auf. Um diese unerwünschten Ausbauchungen wieder zu begradigen, muß das Werkstück gedreht und die Ausbauchungen wieder heruntergedrückt werden. Diese Maßnahmen kosten neben einer zum Teil verschlechterten Oberflächenqualität vor allem Zeit. Der Zeitverlust führt häufig auch dazu, daß die Schmiedetemperatur die zulässige Untergrenze unterschreitet, mit der Folge, daß das Werkstück erneut aufgeheizt werden muß. Der sich dadurch ergebende höhere Energieaufwand ist mit erhöhten Kosten verbunden. Eine Schmierung beim Freiformschmieden kennt der Stand der Technik bisher nicht.
- Beim Strang- und Formpressen ist es hingegen bereits bekannt, Glas als Schmiermittel einzusetzen. Das gilt sowohl bei hohen Umformtemperaturen im Bereich von etwa 1100 - 1250 Grad Celsius, als auch für den Bereich der Warmformgebung. So werden beispielsweise in der Zeitschrift BLECH 11(1964), Heft 9, Glas oder glasähnliche Materialien als Schutz- und Schmiermittel zum Umformen von Stahl in Strang- und Rohrpressen beschrieben. Das Schutz- und Schmiermittel Glas, das sich zwischen dem heißen, plastisch verformbaren Preßmetall und dem kühleren Stahl der Werkzeuge befindet, bildet dabei einen mehr oder weniger dünnen Film und gleitet mit dem plastisch verformten Stahl an den formgebenden Werkzeugen vorbei. Die Verwendung von Schmiermitteln verringert die Reibung und den Energieverbrauch.
- Die Zähflüssigkeit bzw. die Plastizität des Glasfilms verringert den Reibungskoeffizienten auf einen Wert von < 0,05 gegenüber einem Wert von etwa 0,12 , der sich ergäbe, wenn der plastische Stahl ohne Glas-Schmierung verpreßt würde. Die Wärmeverluste werden reduziert und die Werkzeuge gleichzeitig dadurch geschützt, daß der Übergang der Wärmemenge auf die Preßwerkzeuge bei der Glasschmierung wesentlich verringert wird, weil die Wärmeleitfähigkeit eines viskosen oder plastischen Glasfilms etwa 10 - 60 mal geringer ist, als die Wärmeleitfähigkeit einer gleich dicken Schicht aus plastischem Stahl.
- Die deutsche Offenlegungsschrift 25 15 222 beschreibt darüberhinaus ein Formpressverfahren bei erhöhten Temperaturen, bei dem man auf die Oberfläche des Rohlings ein Glasschmiermittel aufbringt, mit einer Dicke von nicht mehr als 25 µm. Dieser nach dem Stand der Technik beim Strangpressen bekannte Glasfilm ist sehr dünn und kann daher leicht abreißen; eine ausreichende Schmierung ist dann nicht mehr gewährleistet.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, beim Freiformschmieden den Stofffluß im Werkstück reproduzierbar und betriebssicher zu beeinflussen und den gesamten Energieaufwand für das Umformen sowie das Erwärmen bzw. das wiederholte Aufheizen der Werkstücke zu verringern, bei gleichzeitiger Verbesserung der Produktqualität, wobei insbesondere die Ausbauchungen und das Auftreten von Rissen verhindert werden sollen. Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht auch darin, die wesentlichen Parameter für optimale Stoffflußbedingungen unter Betriebsbedingungen aufzuzeigen.
- Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß während des Schmiedevorganges eine bei der Schmiedetemperatur wirksame Schmierung des Werkstückes erfolgt. Auf diese Weise wird das Auftreten einer metallischen Berührung zwischen den Gleitflächen des Werkzeugs und des Werkstücks und damit ein Kaltverschweißen, der mechanische Verschleiß sowie die Ausbauchungen vebunden mit einer Rißbildung verhindert. Scharfe Kanten und glatte Oberflächen bleiben beim Umformvorgang nahezu vollständig erhalten. Gleichzeitig wird bei nur geringer Ausbauchung das Breitungsverhalten verbessert, indem das Fließen beim Freiformschmieden im Werkstück begünstigt wird. Die Verwendung eines Schmiermittels erlaubt außerdem erhöhte Stichabnahmen, beispielsweise auch dort, wo maschinenbedingte Kraftgrenzen bestehen. Das Schmiermittel hat ferner den Vorteil, daß dadurch eine Überstreckung an den Werkzeugkanten (mit der Gefahr einer dortigen Rißbildung) vermieden wird.
- Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Schmierung mittels eines bei der Schmiedetemperatur flüssigen Glasfilms erfolgt. In anderen Bereichen der Umformung von Metallen, insbesondere beim Strangpressen wurden mit dieser Technik bereits sowohl im viskosen als auch plastischen Bereich gute Erfolge erzielt. Der gezielte Rückgriff auf diese Erfahrungen verkürzt die Zeit für eine weitere Verfahrensoptimierung durch analoge Übernahme von Ergebnissen. Insgesamt werden auch die Oberfächeneigenschaften des Schmiedeblocks durch Bildung nahezu metallischer Oberflächen ohne Zunderschichten stark verbessert.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schmierung an allen Kontaktflächen zwischen Werkstück und Werkzeug wirksam ist. Auf diese Weise wird der Einsatz des Schmiermittels optimiert, da nur die Flächen mit einem Schmierfilm versehen werden, die auch einer Belastung ausgesetzt sind.
- Ferner wird mit Vorteil das Schmiermittel unmittelbar vor Beginn des Schmiedevorganges auf das Werkstück aufgebracht. Die Kontaktzeiten zwischen Schmierfilm und Werkstück können dadurch minimiert werden, um gegebenenfalls nachteilige chemische Oberflächenreaktionen auszuschließen.
- Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß das Schmiermittel in Pulverform flächendeckend aufgebracht wird. Das Glaspulver kann dabei beispielsweise aufgestreut, aufgeblasen oder aufgesprüht werden. Eine derartige Verteilung ist besonders zum Aufbringen relativ dicker Schichten geeignet. Besonders zweckmäßig ist die Korngröße des als Schmiermittel verwendeten Glaspulvers kleiner als 80 µm, vorzugsweise kleiner als 40 µm. Mit Schichtdicken des Schmiermittels in einem Bereich zwischen etwa 100 bis 300 µm wurden beste Ergebnisse erzielt.
- Darüberhinaus kann das Schmiermittel auch in einer wässrigen Lösung auf das Werkstück aufgebracht werden. Auf diese Weise können sehr dünne Schichten erzeugt werden.
- Es kann außerdem auch zweckmäßig sein, wenn das Schmiermittel in mehreren Schichten aufgetragen wird. Mit dieser Maßnahme kann vorteilhaft das Schmierverhalten optimal eingestellt werden.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das erstarrte Schmiermittel durch Sandstrahlen entfernt. Erstarrte Glasschichten platzen zumeist von selbst oder spätestens beim Schlichten ab, wobei überraschenderweise eine fast metallische Oberfläche des Blocks erzeugt wird. Die wenigen Reste sind mittels Sandstrahlen sehr einfach und kostengünstig zu entfernen.
- Für die Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zum gleichmäßigen und flächendeckenden Aufbringen der Schmiermittelschichten auf das Werkstück im Bereich der Öffnung des Pressengestells angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Trichter mit einer spaltförmigen Trichteröffnung handeln, der die Breite des Werkstücks überdeckt und mit dem Obersattel verbunden ist. Zweckmäßigerweise wird das Werkstück dann bißweise während des Vorschubs beschichtet, gegebenenfalls durch Drehung des Werkstücks.
- Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht mit Vorteil vor, daß die Einrichtung zum Aufbringen der Schmiermittelschichten auf das Werkstück aus Oberdüsen und Unterdüsen besteht, die vertikal verschiebbar ausgebildet sind. Auf diese Weise kann das Werkstück gezielt von mehreren Seiten gleichzeitig in kurzer Zeit flächendeckend beschichtet werden.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung geben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. Die Zeichnungsfigur zeigt dabei, beispielhaft auch für andere Pressen, schematisch eine Schmiedepresse ohne Laufholm mit Überflurantrieb. Im Pressengestell (10) ist bekanntermaßen der Zylinder (11) vertikal beweglich geführt. Mit dem Zylinder (11) ist der Obersattelträger mit Obersattel (12) lösbar formschlüssig verbunden. Der Obersattel (12) steht in Wirkungsverbindung mit dem Untersattelträger und Untersattel (13). Dazwischen befindet sich das zu schmiedende Werkstück (20), das von einem nicht dargestellten Manipulator in das Pressengestell eingefahren und gehalten wird. Sobald der Metallblock (20) vom Manipulator zwischen Obersattel (12) und Untersattel (13) in den Wirkungsbereich der Ober- und Unterdüsen (21 - 24) gelangt, wird ein geeignetes Glaspulver flächendeckend auf das Werkstück (20) gesprüht. Das Glaspulver kann beispielsweise die folgende Analyse aufweisen : SiO₂ min. 70 %; Al₂o₃ 0,5-2 %; CaO 8 %; MgO 3-5 %; Fe₂O₃ max. 0,1 %; Na₂O + K₂O 13-15 %. Zweckmäßigerweise werden sehr feinkörnige Pulver verwendet, beispielsweise in einem Körnungsbereich zwischen 0,04 und 0,08 mm oder kleiner.
- Infolge der niedrigen Schmelztemperatur des Glaspulvers, die niedriger ist als die Oberflächentemperatur des Werkstücks (20) bildet sich auf dem Werkstück (20) beidseitig ein flüssiger Schmierfilm (30, 31) mit Schichtdicken zwischen 0,1 bis 0,3 mm aus (Schichtdicken des Schmierfilms sind in der Zeichnungsfigur nicht maßstäblich dargestellt). Das so beschichtete Werkstück (20) wird auf den Untersattel (13) gelegt, wonach der Obersattel (12) zum Schmieden abgesenkt wird. Durch die Schmierung wird der Stofffluß im Werkstück (20) in den Kontaktflächen zum Werkzeug (12, 13) verbessert, die Ausbauchungen in den Seitenflächen weitgehend unterdrückt und ein homogenes Schmieden erreicht. Durch die ebenfalls zu beobachtende Erhöhung der Breitung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch zur Herstellung von Flachmaterialien (sogenannten Brettern).
- Wegen der Schmierfilme (30, 31) wird ferner die ansonsten relativ schnelle Abkühlung des Werkstücks (20) sowie der Reibungsbeiwert und damit der Kraftbedarf verringert. Sofern nötig, können zwischen den einzelnen Umformschritten (Bissen) die Schmiermittelschichten (30, 31) über die Düsen (21 - 24) ausgebessert oder erneuert werden. Ferner ist es möglich, eine weitere Schmiermittelschicht auf beide bereits vorhandenen Schichten (30, 31) oder einzeln darauf mittels der vertikal verfahrbaren Düsen (21 - 24) aufzubringen. Neben einer optischen Kontrolle der Schmierfilme und deren Dicke liegt auch der Einsatz von geeigneten Sensoren zur automatischen Überwachung im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zu dessen Durchführung können auch zum Freiformschmieden anderer Metalle und Metallegierungen, beispielsweise von Aluminium, Titan oder Nickelbasislegierungen eingesetzt werden.
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