SE528257C2 - Förfarande för att förhindra uppkomsten av sprickbildning och anordning för utövande av förfarandet - Google Patents

Description

25' 30 35 528 257 stàngformade objektet är relativt stor, ungefär av i storleksord- ningen 60 mm eller mer. Det har hittills ej framkommit någon lös- ning på detta sprickbildningsproblem i samband med höghastig- hetskapning och det har således varit svårt eller till och med omöjligt att med tillfredsställande kapkvalitet kapa grova stång- formade objekt av hårda metallmaterial med hjälp av höghastig- hetskapning.

UPPFINNINGENS SYFTE Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en lösning på det ovan angivna problemet med sprickbildning i kapytorna vid höghastighetskapning av grova stàngformade objekt av hårda metallmaterial.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt uppfinningen uppnås nämnda syfte med hjälp av ett förfa- rande uppvisande de i patentkravet 1 angivna särdragen och en anordning uppvisande de i patentkravet 5 angivna särdragen.

Det har överraskande konstaterats att uppkomsten av sprickbild- ning i kapytorna vid höghastighetskapning av ett grovt stàngfor- mat objekt av hårt metallmaterial med bcc- eller hcp-struktur kan elimineras genom att påföra det stàngformade objektet en för- hållandevis låg temperaturökning i kapområdena. Närmare stu- dier och analyser av detta överraskande fenomen har visat att uppkomsten av sprickbildning elimineras när det stàngformade objektet förvärms i en sådan omfattning att ett tilltänkt kapom- râde hos objektet, genom vilket kapområde ett kapsnitt är avsett att effektueras medelst ett kapverktyg under verkan av ett slag- organ, erhåller en temperatur som l kapögonblicket överstiget en omslagstemperatur T., definierad som den temperatur vid vilken, under rådande slagförhållanden, kurvan för klyvbrottspänningen of hos det stàngformade objektets metallmaterial korsar kurvan för sträckgränsen a, hos detta metallmaterial. För de flesta hårda metallmaterial ligger denna omslagstemperatur To mellan 50- 10 15 20 25 30 35 528 257 500°C vid de slagförhàllanden som normalt kommer i fråga vid höghastighetskapning.

Med uttrycket bcc-struktur avses i denna beskrivning och de ef- terföljande patentkraven kubisk rymdcentrerad kristallstruktur (bcc = body centre cubic). Med uttrycket hcp-struktur avses i denna beskrivning och de efterföljande patentkraven hexagonal tätpackad kristallstruktur (hcp = hexagonal close-packed).

Med uttrycket höghastighetskapning avses i denna beskrivning och de efterföljande patentkraven en kapningsmetod där ett ob- jekt kapas under verkan av ett slagorgan som med mycket hög hastighet överför en kraftig slagimpuls till objektet via ett kap- verktyg. Vid höghastighetskapning påverkas kapverktyget i kap- ögonblicket med en energimängd av en viss förinställd storlek för àstadkommande av önskad kapverkan istället för att påverkas med en pàlagd kraft såsom vid konventionell kapning. Hastighe- ten hos kapverktyget i kapögonblicket är vid höghastighetskap- ning 10-200 gånger högre än vid konventionell kapning. Vid hög- hastighetskapning, vilken kapningsmetod även benämns HVCU (High Velocity Cutting), kommer adiabatisk mjukgöring till an- vändning. Det metallmaterial som skall kapas tillförs en koncen- trerad mängd mekanisk energi under mycket korta tidsförlopp.

Härvid uppstår lokalt höga temperaturer. Eftersom processen sker mycket snabbt är värmeavledningen från det material som underkastas kapningen till omgivande element närmast obefintlig (därav uttrycket "adiabatisk mjukgöring"). Den adiabatiska mjuk- göringen resulterar i att mycket jämna och fina kapytor kan er- hållas hos objektet som kapas. Vid höghastighetskapning år slagförhàllandena så valda att adiabatisk mjukgöring uppträder i objektet i de områden där kapsnitt effektueras. Slagorganet som slàr mot kapverktyget bör ha en hastighet mellan 3 och 10 m/sek i slagögonblicket.

Det är tidigare känt att förvärma metallmaterial i samband med konventionell maskinell kapning för att minska den kraft som krävs för kapningen av materialet och slitaget pà kapverktyget. l 10 15 20 25 30 35 528 257 dessa fall rör det sig dock om en förvärmning till mycket höga temperaturer av i storleksordningen 1000-2000°C för att åstad- komma mjukgöring av materialet. Vid höghastighetskapning är det ej önskvärt med en sådan mjukgöring av materialet eller nå- gon annan temperaturrelaterad strukturförändring i materialet och sådan förvärmning har därför inte tillämpats i samband med höghastighetskapning. Den föreliggande uppfinningen bygger på den överraskande insikten att en förvärmning till en väsentligt lägre temperaturnivà än den som för andra syften tillämpas i samband med förvärmning vid andra kapningsmetoder har en synnerligen gynnsam effekt pà kvaliteten hos kapsnitten i sam- band med höghastighetskapning och möjliggör en eliminering av problemet med sprickbildning vid höghastighetskapning av grova stångformade objekt av hårda metallmaterial.

Föredragna utföringsformer av det uppfinningsenliga förfarandet framgår av de osjälvständiga patentkraven och efterföljande be- skrivning.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hjälp av utföringsexempel, med hänvisning till bifogade ritningar.

Det visas i: Fig1 en schematisk perspektivvy av en anordning enligt föreliggande uppfinning, Fig 2 ett schematiskt längdsnitt genom anordningen enligt - Fig 1, och Fig 3 ett schematiskt diagram över hur sträckgränsen och klyvbrottspänningen hos ett metallmaterial med bcc- eller hcp-struktur varierar med temperaturen vid en viss deformationshastighet. 10 15 20 25 30 35 528 257 'DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER l Fig 1 illustreras schematiskt en anordning 1 enligt föreliggande uppfinning för höghastighetskapning av stångformade objekt.

Denna anordning 1 innefattar en kapinrättning 2, vilken uppvisar ett hus 3 i vilket ett kapverktyg 4 är anordnat. Kapverktyget 4, vilket är indikerat med streckade linjer i Fig 1, innefattar tvâ mot varandra anliggande verktygsdelar 4a. 4b och ett genom de två verktygsdelarna sig sträckande hàl 5 i vilket ett stángformat ob- jekt som skall kapas är avsett att mottagas. Nämnda häl 5 inne- fattar således ett första hàlparti som sträcker sig genom en första 4a av nämnda verktygsdelar och ett andra hàlparti som sträcker sig genom en andra 4b av nämnda verktygsdelar. Huset 3 har en inmatningsöppning 6, vilken via ett hålrum 7 ansluter till kap- verktyget 4. Via nämnda inmatningsöppning 6 och hålrum 7 är ett stàngformat objekt 8 avsett att frammatas till kapverktyget 4 i riktningen av pilen P1 med hjälp av en ej visad frammatningsin- rättning.

Kapinrättningen 2 innefattar vidare ett slaghuvud 10 som är för- skjutbart anordnat relativt huset 3, varvid slaghuvudet 10 kan för- skjutas i riktningar indikerade med pilen P2, dvs uppåt och nedåt i Fig 1 och 2. Slaghuvudet 10 år avsett att påverkas av ett slag- organ 11 (se Fig 2) hos en i sig känd slaginrättning, schematiskt indikerad vid 12 i Fig 1 och 2, vilken företrädesvis utnyttjar hyd- raulik för att accelerera slagorganet. Slagorganet 11 utgörs sàle- des företrädesvis av en hydrauliskt aktiverad slagkolv. Slagin- rättningen kan med fördel vara av den typ som visas i WO 97100751 A1. Slagorganet 11 är anordnad att slå mot slaghuvu- det 10 med en mycket hög hastighet. Slagkraften fràn slagorga- net 11 överförs via slaghuvudet 10 till den första verktygsdelen 4a. Denna första verktygsdel 4a är anordnad att vara förskjutbar under inverkan av slaghuvudet 10 och slagorganet 11 för att vid slagpàverkan fràn slagorganet 11 förskjutas relativt den andra verktygsdelen 4b i en riktning tvärs mot centrumaxeln hos hålet 5 och därigenom åstadkomma en kapning av ett stàngformat objekt 10 15 20 25 30 35 528 25.7 8 som är mottaget i hålet 5. Den första verktygsdelen 4a är såle- des förskjutbart anordnad i huset 3 och förskjutbar i slagorganets slagriktning P2.

Slaghuvudet 10 och verktygsdelen 4a utgör med fördel tvà sepa- rata delar, såsom illustreras i Fig 1 och 2. Om så finnes lämpligt skulle dock slaghuvudet 10 och verktygsdelen 4a kunna vara in- tegrerade med varandra.

Vid utförande av en kapningsoperation" förskjuts såsom ovan nämnts slaghuvudet 10 och den första verktygsdelen 4a i förhål- lande till den andra verktygsdelen 4b under verkan av slagorga- net 11. l det i Fig 1 och 2 visade exemplet sker denna förskjut- ning nedåt. Efter en verkställd kapning skall slaghatten 10 och den första verktygsdelen 4a àtergà till det i Fig 2 visade ut- gångsläget för att möjliggöra en ny frammatning av det stàngfor- made objektet och avkapning av ett nytt parti av detta. För detta ändamål innefattar'kapinrättningen 2 ett àterföringsmedel, av vil- ket en del antyds vid 13 i Fig 2. Återföringsmedlet innefattar lämpligen en hydrauliskt driven kolv 14, eller alternativt en fjä- deranordning, som efter verkställd kapning áterför slaghatten 10 och den första verktygsdelen 4a till det l Fig 2 visade utgångslä- get. Återföringsmedlet 13 innefattar lämpligen även en dämpare, ej visad, för dämpning av rörelsen hos slaghatten 10 och den första verktygsdelen 4a efter det att den första verktygsdelen 4a förskjutits en tillräcklig sträcka för àstadkommande av en kapning av det stàngformade objektet 8. Dämpningen àstadkommes lämpligen med hjälp av hydraulik.

Hos metallmaterial med bcc- eller hcp-struktur är materialets sträckgräns as beroende av deformationshastigheten, dvs töj- ningshastigheten, och temperaturen i materialet. Hos metallmate- rial med bcc- eller hcp-struktur finns det även en klyvbrottspän- ning af som är beroende av deformationshastigheten och tempe- raturen i materialet. l Fig 3 illustreras i ett schematiskt diagram hur sträckgränsen as (kurva B) och klyvbrottspänningen af (kurva A) hos ett metallmaterial med bcc- eller hcp-struktur varierar med 10 15 20 25 30 35 528 257 temperaturen vid en viss deformationshastighet. Deformations- hastigheten hos materialet beror vid höghastighetskapning av massan hos slaginrättningens slaorgan och dess anslagshastíg- het mot slaghatten. Materialets klyvbrottspänning af stiger sakta med ökande materialtemperatur T, såsom illustreras av kurvan A, medan materialets sträckgråns as inledningsvis sjunker kraftigt med ökande materialtemperatur T för att sedan plana ut, såsom illustreras av kurvan B. Kurvan A för klyvbrottspänningen af hos materialet korsar kurvan B för sträckgränsen a, hos materialet vid en viss temperatur To, här benämnd omslagstemperaturen. vid omslagstemperaturen T., övergår ett i materialet med den aktuella deformationshastigheten effektuerat brott fràn segt till sprött brott.

Det har konstaterats att det vid höghastighetskapning av ett stàngformat objekt av metallmaterial med bcc- eller hcp-struktur finns risk att sprickbildning uppträder i kapytorna om temperatu- ren i objektets kapområden, dvs de områden genom vilka kap- snitt är avsedda att effektueras under verkan av slaginrättning- ens slagorgan, i respektive kapögonblick är lägre än omslage- temperaturen To vid rådande slagförhâllanden, och att sådan sprickbildning undviks om temperaturen i objektets kapområden i respektive kapögonblíck är högre än den aktuella omslagstempe- raturen To.

Med uttrycket kapomràde avses i denna beskrivning och de ef- terföljande patentkraven ett område hos ett stångformat objekt 8 genom vilket ett kapsnitt är avsett att effektueras medelst kap- verktyget 4 under verkan av slaginrättningens slagorgan 11.

Med uttrycket kapögonblick avses i denna beskrivning och de efterföljande patentkraven det ögonblick då kapverktyget 4 under verkan av slaginrättningens slagorgan 11 slår till mot ett stång- format objekt 8 för avkapning av ett parti från detta.

Med uttrycket slagförhállanden avses i denna beskrivning och de efterföljande patentkraven slagorganets massa och den hastighet 10 15 20 25 30 35 528 257 med vilken slagorganet 11 slår an mot slaghuvudet 10 för verk- ställande av en avkapning av ett parti från ett stångformat objekt.

Enligt uppfinningen förvärms det stångformade objektet 8 med hjälp av en lämplig uppvärmningsinrättning 20 så att ett tilltänkt kapområde hos objektet erhåller en temperatur TK som i kap- ögonblicket överstiget omslagstemperaturen To, dvs överstiger den temperatur vid vilken, under rådande slagförhàllanden, kur- van A för klyvbrottspänningen a, hos det stångformade objektets metallmaterial korsar kurvan B för sträckgränsen a, hos detta metallmaterial. Det inses att någon förvärmning ej är nödvändig i de fall då omslagstemperaturen To är lägre än den rådande rumstemperaturen TR i det utrymme där kapningen verkställs.

Med fördel tillämpas en viss säkerhetsmarginal AT. I detta fall förvärms det stångformade objektet så att ett tilltänkt kapområde erhåller en temperatur TK som i kapögonblicket överstiget omslagstemperaturen T., med den förutbestämda säkerhetsmar- ginal AT, dvs TK=T.,+AT, såsom illustreras i Fig 3.

För de flesta hårda metallmaterial med bcc- eller hcp-struktur ligger omslagstemperatur To mellan 50-500°C vid de slagförhàl- landen som normalt kommer i fråga vid höghastighetskapning.

Det stångformade objektet förvärms därför lämpligen i en sådan omfattning att de tilltänkta kapomràdena erhåller en temperatur TK som i respektive kapögonblick uppgår till ett värde mellan 50- 500°C i beroende av materlaltyp hos det stångformade objektet och rådande slagförhàllanden. För järn och järnbaserade mate- rial ligger omslagstemperatur T., mellan 100-200°C vid de slag- förhållanden som normalt kommer i fråga vid höghastighetskap- ning. Vid höghastighetskapning av stàngformade objekt av järn och järnbaserade material förvärms därför lämpligen objektet i en sådan omfattning att de tilltänkta kapomràdena erhåller en tem- peratur TK som i respektive kapögonblick uppgår till ett värde mellan 100-200°C. 10 15 20 528 257 Anordningen 1 enligt föreliggande uppfinning innefattar en upp- värmningsinrättning 20 med vars hjälp ett tilltänkt kapomràde hos ett stàngformat objekt 8 kan förvärmas till önskad temperatur in- nan dess frammatning till kapverktyget 4. Uppvärmningsinrätt- ningen 20 bör vara placerad strax före kapverktyget 4, sett i ob- jektets frammatningsriktning P1. En mängd olika typer av upp- värmningsinrättningar är tänkbara för detta syfte. Uppvärm- ningsinrättningen 20 är med fördel en induktionsuppvärmningsin- rättning som är anordnad att förvärma ett stängformat objekt 8 med hjälp av induktionsvärme, såsom illustreras i Fig 1 och 2.

Uppvärmningsinrättningen 20 innefattar i detta fall en eller flera induktionsspolar, genom vilka det stàngformade objekt 8 som skall förvårmas före höghastighetskapningen i kapinrättningen 2 leds under sin väg fram till kapverktyget 4.

Uppfinningen är givetvis inte pà något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man pà området, utan att denne för den skull avviker från uppfin- ningens grundtanke sàdan denna definieras i bifogade patent- krav.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 528 257 10 PATENTKRAV

1. Förfarande för att förhindra uppkomsten av sprickbildning i kapytorna hos ett stängformat objekt av metallmaterial med bcc- eller hcp-struktur som under verkan av ett slagorgan un- derkastas höghastighetskapning, kännetecknat därav, att det stàngformade objektet (8) förvärms sà att ett tilltänkt kapom- ràde hos objektet, genom vilket kapomräde ett kapsnitt är av- sett att effektueras medelst ett kapverktyg (4) under verkan av slagorganet (11), erhåller en temperatur (TK) som i kapögon- blicket överstiget en omslagstemperatur (To) definierad som den temperatur vid vilken, under rådande slagförhàllanden, kurvan (A) för klyvbrottspänningen (of) hos det stàngformade objektets metallmaterial korsar kurvan (B) för sträckgränsen (as) hos detta metallmaterial. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat därav, att det stángformade objektet (8) förvärms sà att det tilltänkta kap- omrâdet erhåller en temperatur (TK) som i kapögonblicket överstiget omslagstemperaturen (To) med en förutbestämd säkerhetsmarginal (AT). . Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att det stângformade objektet (8) förvärms sä att det tilltänkta kap- området erhåller en temperatur (TK) somi kapögonblicket uppgår till 50-500°C. Förfarande enligt nàgot av kraven 1-3, kännetecknat därav, att det stàngformade objektet (8) förvärms med hjälp av in- duktionsvärme. . Anordning för utövande av förfarandet enligt krav 1, vilken an- ordning innefattar ett slagorgan (11) anordnad att via ett kap- verktyg (4) utöva slagverkan mot ett stàngformat objekt för kapning därav, kännetecknad därav, att anordningen (1) in- nefattar en uppvärmningsinrättning (20) som år anordnad att förvärma det stàngformade objektet så att ett tilltänkt kapom- 10 15 20 528 257 11 råde hos objektet, genom vilket kapomràde ett kapsnitt är av- sett att effektueras medelst kapverktyget (4) under verkan av slagorganet (11), erhåller en temperatur (TK) som i kapögon- blicket överstiget en omslagstemperatur (To) definierad som den temperatur vid vilken, under rådande slagförhàllanden, kurvan (A) för klyvbrottspänningen (of) hos det stàngformade objektets metallmaterial korsar kurvan (B) för sträckgränsen (os) hos detta metallmaterial. . Anordning enligt krav 5, kännetecknar! därav, att' uppvärm- ningsinrättningen (20) är anordnad att förvärma det stångfor- made objektet så att det tilltänkta kapomrädet erhåller en temperatur (TK) som i kapögonblicket överstiget omslagstem- peraturen (To) med en förutbeståmt säkerhetsmarginal (AT). . Anordning enligt krav 5 eller 6, kännetecknat därav, att upp- värmningsinrättningen (20) är anordnad att förvärma det stångformade objektet så att det tilltänkta kapomràdet erhåller en temperatur (TK) som i kapögonblicket uppgår till 50-500°C. . Anordning enligt något av kraven 5-7, kännetecknad därav, att uppvärmningsinrättningen (20) är en induktionsuppvärm- ningsinrättning.