EP1046440A1 - Verfahren zur Massivumformung von axial-symmetrischen metallischen Bauteilen - Google Patents

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EP1046440A1
EP1046440A1 EP99810319A EP99810319A EP1046440A1 EP 1046440 A1 EP1046440 A1 EP 1046440A1 EP 99810319 A EP99810319 A EP 99810319A EP 99810319 A EP99810319 A EP 99810319A EP 1046440 A1 EP1046440 A1 EP 1046440A1
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Hansruedi Huwiler
Kurt Dr. Steinhoff
Ursula Weidig
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SM Schweizerische Munitionsunternehmung AG
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    • B21K1/00—Making machine elements
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    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J9/00—Forging presses
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the dimensional accuracy and surface quality should correspond to that of cold forming.
  • the method should allow in connection with Follow-up operations of individual process steps, such as repressing, Switch off hardening, polishing, cutting or cutting etc., to simplify or cheapen.
  • the invention is based on the knowledge that the ability to change shape is not a pure material property but also depends on the process conditions.
  • a local adaptation of the Resilience to the desired deformation by means of targeted heating of the workpiece using a combination of cold and hot forming, which has the advantages the good forming on the warm workpiece with the advantages of cold forming, such as material hardening, dimensional accuracy and high surface quality.
  • the cold forming or the resulting thereof Solidification through a specifically influenced Temperature curve on the workpiece can be optimized.
  • the heat treatment before, during and after cross extrusion can be known by means known per se, such as induction heating, Flame or laser.
  • the preheating of the workpiece can be inductive be carried out during the targeted introduction of Process heat on the press, through a timely and targeted guided high energy laser beam.
  • Heat can also be dissipated using cooled grippers etc. to be controlled.
  • a blank 100 is in its central area 40 by a heat source 30 above its recrystallization temperature warmed up.
  • he will with its shaft placed in a die 20 and through one Stamp 10 gripped on its shaft diameter and with a force F deformed so that an axially symmetric Bund (flange) is created.
  • the blank 100 is shown individually and with Provide dimension lines; the shaft diameter is d1, the lower shaft diameter d2 and length L0.
  • FIG Pressing 100 results from the method shown in FIG Pressing 100 'according to FIG. 3, which for example as Gear shaft is used.
  • the cross extrusion has the original length L0 reduced to L1, in one area of material forming S1 are thickened material on the shaft noticeable; a bundle was pressed with a Diameter D and a collar width S2.
  • the hardening behavior is modified locally so that the resilience of the shape change to be achieved is adjusted. So there is a "tailoring" of the material property the forming process. So then local degrees of deformation very much greater than 1.0 without intermediate annealing possible. Since the procedure is essentially a Cold cross extrusion remains is a comparable accuracy the final shape and a desired increase in strength guaranteed. By customizing the chosen local Temperature and controlled cooling can be a in in practice sufficient strength of the hot or semi-hot formed Federal generated.

Abstract

Durch ein Querfliesspressen an einem partiell erwärmten metallischen Werkstück (100) lassen sich axial-symmetrische Verformungen bei erhöhten Umformgraden erzielen. Durch die resultierende, simultane Kalt- oder Warmumformung werden Verfestigungen erreicht, welche das Fertigpressen von Bauteilen erlauben und einzelne Wärmebehandlungen einsparen. Erfindungsgemäss wird das Werkstück (100) in einer Matrize (20) geführt und durch einen Stempel (10) mit einer Kraft F gepresst. Die lokale Erwärmung erfolgt über per se bekannte Verfahren vor dem Querfliesspressen, wobei die Wärmeeinwirkung (30) dem Formänderungsverhalten des Werkstücks (100) angepasst ist. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Verfahrenstechnik sind zahlreiche Umformverfahren bekannt, wobei diese entweder am warmen oder am kalten Werkstück erfolgen. Notorisch bekannt ist u.a. das Fliesspressen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die bekannten Massivumformungen stossen beim Querfliesspressen unter Raumtemperatur rasch an Verfahrensgrenzen, d.h. bei hohen Umformgraden kommt es zu Einschnürungen beispielsweise am Rand eines Bundes, hervorgerufen durch die dort herrschenden tangentialen Zugspannungen, was zum Versagen des Werkstücks durch Aufreissen führt. Bei geringen Spalthöhen können Werkstofftrennungen im Bereich der Fliess-Scheide auftreten, wobei in dieser Zone die lokale Formänderung derart hoch ist, dass das Formänderungsvermögen des Werkstoffs erschöpft wird und kein Kaltverschweissen mehr möglich ist.
Unter dem Formänderungsvermögen eines Werkstoffs wird daher die maximale Formänderung verstanden, die dieser erträgt ohne dass ein Bruch entsteht. Charakterisiert wird dieses Formänderungsvermögen über die Bruchformänderung oder über die aus Zugversuchen ermittelten Zähigkeitskennwerte wie Bruchdehnung und Einschnürung. Die Bruchformänderung wird in Modellversuchen, Zug-, Druck- oder Torsionsversuchen ermittelt, wobei die Bruchformänderung grundlegend betrachtet der logarithmischen Bruchdehnung entspricht.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches eine Erhöhung der Umformgrade ermöglicht, ohne dass die Werkstückqualität darunter leidet.
Ebenfalls ist es Aufgabe der Erfindung, durch die Umformung die Werkstoffeigenschaften positiv zu beeinflussen, um nachfolgende Wärmebehandlungen in ihrer Zahl zu reduzieren oder gar zu eliminieren. Die Massgenauigkeit und Oberflächengüte soll derjenigen des Kaltumformens entsprechen.
Im weiteren soll das Verfahren erlauben, in Verbindung mit Folge-Operationen einzelne Verfahrensschritte, wie Nachpressen, Härten, Polieren, Spanen oder Schneiden etc., auszuschalten, zu vereinfachen oder zu verbilligen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Formänderungsvermögen keine reine Werkstoffeigenschaft ist sondern auch von den Verfahrensbedingungen abhängt.
Erfindungsgemäss erfolgt daher eine lokale Anpassung des Formänderungsvermögens an die gewünschte Verformung mittels einer gezielten Erwärmung des Werkstücks, wobei eine Kombination von Kalt- und Warmumformung erfolgt, welche die Vorteile der guten Umformung am warmen Werkstück mit den Vorteilen des Kaltumformens, wie Materialverfestigung, Massgenauigkeit und hohe Oberflächengüte vereinigt.
Gemäss Anspruch 2 kann das Kaltumformen bzw. dessen resultierende Verfestigung durch einen gezielt beeinflussten Temperaturverlauf am Werkstück optimiert werden.
Durch Führung des Abkühlvorgangs nach dem Querfliesspressen lässt sich zudem die Festigkeit des Werkstücks lokal nochmals verbessern, Anspruch 3.
Die Wärmebehandlung vor, während und nach dem Querfliesspressen kann mit an sich bekannten Mitteln, wie Induktionsheizung, Flamme oder Laser, erfolgen.
Beispielsweise kann die Vorwärmung des Werkstücks induktiv durchgeführt werden, während die gezielte Einbringung von Prozesswärme auf der Presse, durch einen zeitlich und zielgerecht geführten Laserstrahl hoher Energie, erfolgt.
Ebenfalls kann die Wärmeabfuhr durch gekühlte Greifer etc. gesteuert werden.
Gleichartige Mittel könnten zur Weiterverarbeitung des Presslings in weiteren Verfahrensstufen eingesetzt werden, was u.a. die Durchlaufzeit und die Energiekosten beträchtlich verbessern würde.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung diskutiert, welche durch rechnerische Nachprüfung (Simulation) erhärtet sind.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2
einen Rohling, vorbereitet für das Querpressen und
Fig. 3
den resultierenden Pressling.
Gemäss Fig. 1 wird ein Rohling 100 in seinem mittleren Bereich 40 durch eine Wärmequelle 30 über seine Rekristallisationstemperatur erwärmt. Dabei oder anschliessend wird er mit seinem Schaft in eine Matrize 20 gestellt und durch einen Stempel 10 an seinem Wellendurchmesser gefasst und mit einer Kraft F verformt, so dass ein axial-symmetrischer Bund (Flansch) entsteht.
In Fig. 2 ist der Rohling 100 einzeln dargestellt und mit Masslinien versehen; der Wellendurchmesser beträgt d1, der untere Schaftdurchmesser d2 und die Länge L0.
Durch das in Fig. 1 aufgezeigte Verfahren entsteht ein Pressling 100' gemäss Fig. 3, welcher beispielsweise als Getriebewelle dient. Durch das Querfliesspressen hat sich die ursprüngliche Länge L0 auf L1 reduziert, in einem Bereich der Materialumformung S1 sind an der Welle Materialverdickungen feststellbar; gepresst wurde ein Bund mit einem Durchmesser D und einer Bundbreite S2.
Gewählt wurden folgende Parameter:
  • Werkstoff C15 (1.0441)
  • Umformtemperatur: 20 °C im kalten Bereich resp.
    1000 °C im erwärmten Bereich
  • Länge L0 = 565 mm
  • Wellendurchmesser d1 = 75,5 mm
  • Schaftdurchmesser d2 = 50 mm
    • Erzielt wurden:
  • Ein Bunddurchmesser D = 117 mm
  • Eine Bundbreite von S2 = 9,6 mm
  • Das Werkstück wurde auf eine Länge L1 von 470 mm gestaucht.
  • Der Bereich der Materialumformung S1 beträgt 250 mm
  • Der lokale Umformgrad des Kaltfliesspressens beträgt maximal 1,2
  • Der lokale Umformgrad des Warmfliesspressens beträgt maximal 2,0
  • Die Fliess-Spannung bei der Kaltumformung betrug 806 MPa, im Maximum.
  • Die Fliess-Spannung bei der Warmumformung betrug 225 MPa, im Maximum.
    • Die numerische Simulation erfolgte mittels der Software MSC/SuperForge 1.0 (Fa. MacNeal-Schwendler GmbH, München)
    Bei der Warmumformung wird eine Verfestigung durch die dynamischen Entfestigungsvorgänge weitgehendst verhindert; die Verteilung der Fliess-Spannung ist homogen.
    Durch die erfindungsgemässe partielle Erwärmung werden die dynamischen Entfestigungsvorgänge gezielt örtlich ausgenutzt, wodurch das Formänderungsvermögen des Werkstoffs während des gesamten Umformvorganges nahezu unverändert bleibt.
    Das Verfestigungsverhalten wird lokal modifiziert, so dass das Formänderungsvermögen der zu erzielenden Formänderung angepasst wird. Also erfolgt ein "Massschneidern" der Werkstoffeigenschaft an den Umformvorgang. Damit werden dann lokale Umformgrade sehr viel grösser als 1,0 ohne Zwischenglühungen möglich. Da das Verfahren im wesentlichen ein Kaltquerfliesspressen bleibt, ist eine vergleichbare Genauigkeit der Endform und eine erwünschte Festigkeitssteigerung gewährleistet. Durch Anpassen der gewählten lokalen Temperatur und einer kontrollierten Abkühlung kann eine in praxi ausreichende Festigkeit des warm- oder halbwarmumgeformten Bundes erzeugt werden.
    Zur Abkühlung und/oder zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperaturgefälle bieten sich hydro- und aerodynamische Mittel an.

    Claims (3)

    1. Verfahren zur Massivumformung von axial symmetrischen metallischen Bauteilen durch Fliesspressen an einem partiell erwärmten Werkstück, wobei dieses endseitig in einer Matrize geführt ist und durch einen Press-Stempel fliessgepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass einzig der Bereich des durch Querfliessen zu bildenden Bundes auf eine Temperatur, welche über der Rekristallisationstemperatur liegt, erwärmt wird, wobei diese Temperatur während des Umformvorganges aufrecht erhalten bleibt, und dass dabei in einem durch die Matrize und den Stempel gebildeten axialen Zwischenraum das Formänderungsverhalten des Werkstoffs durch eine gezielte Wärmeeinwirkung an die Umformung angepasst wird, so dass eine simultane Warm- und Kaltumformung des Werkstoffs, mit partieller Kalt-Verfestigungen, resultiert.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Erwärmens des Werkstücks die neben dem Bereich maximaler Umformung vorhandenen Bereiche gekühlt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Fliesspressen partiell und kontrolliert abgekühlt wird.
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