FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2859!Fachgruppe Huttenwesen!Werkstoffkunde Herausgegeben yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -Ing. Reiner Kopp Dipl. -Ing. Karl Heinrich Tuke Institut fur Bildsame Formgebung der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Ermittlung der Leistungsgrenzen einer Hochumformanlage (Schmiedewalzanlage GF M) zur Herstellung von Stabmaterial Westdeutscher Verlag 1979 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Koppl Reiner: Ermittlung der Leistungsgrenzen einer Hochum formanlage (Schmiedewalzanlage GFM) zur Her stellung von Stabmaterial / Reiner Kopp ; Heinrich Tuke. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1979. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2859 : Fachgruppe HUtten wasen, Werkstoffkunde) ISBN 978-3-531-02859-0 ISBN 978-3-322-&460-2 (eBook) DOl 10.1007/978-3-322-88460-2 NE: Tuke, Heinrich: © 1979 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Inhalt 1. Einleitung, Aufgabenstellung und Ziel der Un tersuchung • • • • 1 2. Hochumformsysteme • • • • • • • • • 2 2.1 Begriffsbestimmung • • • • • • • • 2 2.2 Einteilung der Hochumformsysteme 2 3. Der Schmiede-Walzprozea • • • • • • 3 3.1 Systembetrachtung ••••••••••• 3 3.2 Beschreibung der Gesamtanlage und Einord nung der Maschine in die Produktionskette 4 3.3 Kenndaten der Durchlaufschmiedeanlage DSR 08 nach Angaben der GFM • • • • • 7 3.3.1 Kraftkenngroaen • • • • • • • • • • 7 3.3.2 Zeit- und geometrische Kenngroaen • 8 4. Theoretische Betrachtungen . • • • • • 10 4.1 Formanderungs- und Spannungsanalyse beim Elngriff von 2, 3 und 4 Werkzeugen • • • • 10 4.2 Grundlagen der Formanderungsermlttlung 14 5. Experimentelle Untersuchungen zur Ermitt lung der Stofffluavorgange und der Anlage- daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5.1 Versuchsplan • • • • • • • • • • • • • • • 17 5.2 Festlegung der Versuchsparameter und der Meamethode • • • • 17 5.2.1 Streckgrad • • • • • • • • • 17 5.2.2 Werkzeuggeometrie 17 5.2.3 versuchswerkstoff • 18 5.2.4 Probengeometrie • 19 5.2.5 Mearaster • • • • • • •••••• 20 5.2.6 Meavorrichtung; Meamethode fUr die Form anderungsanalyse • • • • • • • • • • 21 5.3 versuchsdurchfUhrung zur Steckerher- stellung • • • • • • • • • • 23 5.4 Meaeinrichtungen an der Anlage • • • • 24 5.4.1 Druckmessung • • . • • 25 5.4.2 Leistungsmessung 25 5.4.3 Geschwindigkeitsmessung 26 5.4.4 Temperaturmessung • • • 26 5.4.5 Meatechnische Probleme 26 IV 6. Versuchsauswertung . • • . • • • • 27 6.1 GedrUckte Lange, gedrUckte Flache . 27 6.2 Schlagzahl der Werkzeuge; Werkzeug geschwindigkeit • • • • • • • • • 28 6.3 Ein- und Auslaufgeschwindigkeit • . 29 6.4 Umformgrad, Umformgeschwindigkeit • 30 6.5 Mittlere Umformgeschwindigkeit • 31 6.5.1 Mittlere Umformgeschwindigkeit tiber die Schlagzeit ••.•.•••• - ••• 31 6.5.2 Mittlere Umformgeschwindigkeit tiber den Querschnitt •.•••••••• 32 6.6 Druck im Hydrauliksystem 34 6.7 Formanderungswiderstand • • • • • • 34 6.8 Umformleistung, Arbeitsvermogen •. 35 6.9 Umformwirkungsgrad • • . • • . • • 36 6.10 Aufteilung der Gesamtreduktion auf die Hammersysteme • . • • . . • • • . • • • 37 6.11 Auswertung der WerkstofffluE-Messungen 38 6.11.1 Anmerkungen zum WerkstofffluE • • • 38 6.11.2 Rechen- und Zeichenprogramm . • • • 39 6.11.3 Formanderungsverteilung . . . . . . 39 6.11.3.1 ?ormanderungsverteilung in axialer Richtung •••••..•..... 40 6.11.3.2 ?ormanderungsverteilung in radialer Richtung . . . . . .. • •.• 42 6.11.3.3 Formanderungsverteilung bei unterschied lichen Streckgraden . . 43 6.11.4 Darstellung der plastischen Zone 44 6.12 Einsatzquerschnitt (Rund) 45 6.13 Einsatzmaterial StrangguE 45 7. Leistungsgrenzen 47 8. Zusammenfassung • • 49 9. Begriffe und Formelzeichen 52 10. Literaturverzeichnis 55 Blldanhang 60 - 1 - 1. E1nIe1tung, Aufgabenstellung und Z1el der Untersuchung In der Walzwerks- und Schm1edetechnolog1e werden se1t den fUnfz1ger Jahren fUr d1e Produkt10n von Blech, Bandern und Stabstahl Spez1alprodukt10nsanlagen, sog. Hochurnformanlagen, e1ngesetzt. E1ne d1eser Konzept1onen fUr d1e Produkt1on von Stabstahl 1st d1e Durchlaufschm1edeanlage der F1rma GFM (Gesellschaft fUr Fert1gungstechn1k und Masch1nenbau AG, Steyr). In der erstma11gen Konstrukt1on e1ner Acht-H~er-Durchlaufschm1e demasch1ne (2 x 4 H~er) and m1t e1ner b1sher e1nma11gen Komb1nat10n von dre1 urn 90 zueinander versetzten (H-V-An ordnung) nachgeschalteten Duo-Walzkassetten b1ldet d1eses Aggregat d1e "Schm1ede-Walz-Anlage" ( SWA). D1ese Anlage 1st e1ne geme1nsame Entw1cklung der GFM m1t den Fr1ed. Krupp HUttenwerken (FKH) 1n Bochurn. Se1t Oktober 1974 1st d1eser Prototyp be1 den PKH 1n Betr1eb. D1ese Anlage, so ber1chten Bla1msche1n, G., Grube, M. und Koch, H. /1, 2/, b1etet e1ne neuart1ge Mog11chke1t fUr d1e Herstellung von Stabstahl, spez1ell fUr den Edelstahlbere1ch. Das Verfahren ze1chnet s1ch durch kompakte, kostengUnst1ge Bauwe1se, ger1ngen Platz- und personalbedarf, hohe Toleranz halt1gke1t und OberflachengUte des WerkstUcks sow1e ger1nge UmrUstze1t be1 e1ner Anderung der Produktabmessung aus. Ne ben der Verarbe1tung von Halbzeug kann das Verfahren fUr d1e Redukt10n von StrangguBknUppeln bzw. -blocken e1ngesetzt werden. Es f1ndet auch als Stauch(cogging-down)-Aggregat oder Vorschm1edeaggregat 1n Verb1ndung mit kont1nu1er11chen DrahtstraBen seinen Einsatz /3-6/. Dieses Umformverfahren, welches s1ch in wesent11chen Punkten von den b1sher bekann ten Verfahren, dem Langschm1eden /7-14/ oder dem Rundkneten sowie Feinschmieden /15-25/ unterscheidet, wurde bisher noch keiner genaueren, eingehenden untersuchung unterzogen. Die Aufgabe d1eser Arbeit besteht in e1ner Analyse h1nsicht l1ch des Werkstoffverhaltens, d.h. e1ner Betrachtung der StofffluBvorgange in der Umformzone, sowie e1ner Abschatzung der Mog11chke1ten und Le1stungsgrenzen d1eser Anlage. Einen allgeme1nen Uberb11ck Uber die wicht1gsten E1nfluB groBen auf das Le1stungsverhalten e1ner solchen Anlage gibt Bild 1 nach /26/ wieder. D1e vorliegende Arbe1t soll dazu be1tragen, den Umformvorgang "Schm1ede-Walzverfahren" spez1- ell 1m Schm1edete1l zu analys1eren. Wenn es ge11ngt, Gesetz maB1gke1ten und zusammenhange zu erkennen, werden Aussagen Uber d1e Le1stungsfah1gke1t und den sinnvollen Anwendungs bere1ch d1eser Anlage sow1e Impulse fUr die Weiterentw1ck lung mog11ch se1n. - 2 - 2. Hochumformsysteme 2.1 Begriffsbestimmung Der allgemeine Begriff "Hochumformung" (es ware genauer, von "Hochreduktionsumformung" zu sprechen) lal3t sich fUr viele Verfahrenstechniken nach DIN 8580 anwenden. Er besagt nur, dal3 bei einem Umformverfahren die Heduktion, d.h. die Quer schnittsabnahme, in einem Umformaggregat einen bisher nicht erreichten Betrag Uberschreitet. Der Werkstoff ertragt da bei eine hohe Beanspruchung, ohne zu Bruch zu gehen. Er wird hierbei je nach Umformverfahren ein unterschiedliches Um formvermogen aufweisen. Als Hochumformverfahren sind bis jetzt die in Bild 2 aufge fUhrten Verfahren bekanntgeworden. Wuppermann, C. D. und Baumann, H. G. /27, 28/ geben eine umfassende LiteraturUber sicht und beschreiben zusammenfassend die Hochumformanlagen, die in der HUttentechnik als Schmiede- und Walzaggregate eingesetzt worden sind. FUr die Stabstahlerzeugung werden konventionell im allge meinen Streckkaliberreihen eingesetzt. Die mittleren Streck grade A in den Streckkaliberreihen betragen in einem Stich bei Quad~at-Oval 1,4 - 2,4; bei Quadrat-Haute 1,3 - 1,4 und sind bei Quadrat-Quadrat mit Am = 1,2 am geringsten. Beim Kaliberwalzen bildet ein Streckgrad von Am = 2,4 in der Praxis die obere Grenze. Werden Hochumformsysteme einge setzt, lassen sich pro Aggregat wesentlich grol3ere Streck grade erreichen, 50 dal3 fUr die Hochumformung bei der Stab stahlerzeugung A 2,5 gesetzt werden kann. ~ Als ein weiteres Merkmal der Hochumformung kann das Verdich ten des GefUges in einem Aggregat angesehen werden. Dies kann vor allem fUr die kontinuierliche Weiterverarbeitung von stranggul3material von Bedeutung sein und wird durch spe zielle Gestaltung der Werkzeuge bzw. die Art des Umformpro zesses beeinflul3t. 2.2 Einteilung der Hochumformsysteme Bei einer niiheren Betrachtung der Hochumformanlagen sind die Aggregate hinsichtlich ihrer Anwendung zu unterteilen in Anlagen zur Herstellung von Band und Blech sowie Halb zeug-KnUppel und Stabstahl. tiber jedes dieser einzelnen Aggregate sind von den Herstellern und Betreibern umfas sende Funktions- und Betriebsbeschreibungen gemacht worden. - 3 - In den Ver6ffentl1chungen ber1chten s1e Uber d1e Konstruk t1on, Verfahrenswe1sen und E1nsatzgeb1ete d1eser Anlagen /28/. An d1eser Stelle sollen nur d1e wesentl1chen Hochurnformver fahren kurz dargelegt werden, d1e zur Walz- und Schm1ede technolog1e geharen und innerhalb der HUtten1ndustr1e fUr d1e Stabstahlprodukt1on entw1ckelt wurden. Es muS gle1ch ze1t1g hinzugefUgt werden, daS von diesen Anlagen 1n der Praxis nur noch wenige betrieben werden. 1m Ubersichtsbild 3 mit den Angaben Uber max. Streckgrad Amax und herstell barenFormen ist der Werkzeugeingriff be1 den verschiedenen Prototypen und Versuchsanlagen, d1e bisher von unterschied lichen Firmen speziell fUr Stabstahl- und Halbzeug-KnUppel reduktion konstruiert und entwickelt wurden, aufgeze1gt. Es ist in diesem Bild zu erkennen, daS es sich hierbei urn Walz-, Schmiede- und Schmiede-Walzsysteme handelt, be1 denen eine untersch1edl1che Werkzeuganzahl gleichze1t1g im E1n griff ist (2, 3 und 4 Werkzeuge). Diese Systeme sind mit mechan1schem oder hydraulischem Antrieb versehen. Aufgrund der Umformgeometrie der verschiedenen Systeme wird ein un terschiedlicher Formanderungs- und Spannungszustand bewirkt, auf den in Kap. 4 naher eingegangen wird. 3. Der Schmiede-WalzprozeS 3.1 Systembetrachtung In Anlehnung an eine Systembetrachtung von Kienzle, 0., Lange, K. und Backofen, W. A. /29/ ist in Bild 4 das Hoch urnformverfahren GFM (Durchlaufschmiedemaschine) dargestellt, an dem sich die Problemkreise dieser Untersuchung abstecken lassen. Das B1ld zeigt das E1ndringen der Schmiedewerkzeuge (incl. Pleuel) dieser weggebundenen Presse in das Umformgut. D1e Uberlagerte axiale Schwingbewegung der Werkzeuge, welche d1e nahezu konstante Fordergeschwind1gke1t bew1rkt und som1t den Namen Durchlaufschmiedemaschine geprHgt hat, ist durch die kleineren Pfeile gekennze1chnet. Um die hohe Reduktion in einem Durchlauf zu erreichen, besteht diese Anlage erst mals aus 8 Schmiedewerkzeugen, d1e zentrisch-symmetrisch urn das WerkstUck angeordnet sind, wobei jeweils vier Werk zeuge Uber die Diagonalen und vier Uber die Flachenmitten des einlaufenden Quadratquerschnitts intermittierend e1n greifen. Diese Hammeranordnung (B11d 5) und Kinemat1k, s1e wurde bisher fUr max. 2 x 3 Werkzeugsysteme gebaut, be- bzw. verhindert weitgehend das freie Breiten und somit Kernauf reiSungen, wie sie zwischen zwei Hammern auftreten kannen. 1m Bild 4 sind zwei zeitlich versetzte vorgange in einem Bild eingezeichnet. Das obere Schmiedepleuel ze1gt verein facht die UmformzonelD beim Eingriff eines der vier Diagonal- - 4 - hammer 5 D, das untere Schmiedepleuel beim Eingriff eines der Mitten(Flachen-)hammer 1 M. Nach dem Systembild ergeben sich schematisch gekennzeichnet durch die Ziffern (1-8) die dargestellten Problemkreise. Das Versuchsprogramm wurde so aufgebaut, urn m5glichst viele Informationen zu den einzelnen Punkten zu erhalten. 3.2 Beschreibung der Gesamtanlage und Einordnung der Maschine in die Produktionskette Das letzte Glied einer kontinuierlichen Entwicklung der Preamaschinen, die von den Langschmiedemaschinen und Fein schmiedemaschinen Uber die Durchlaufschmiedemaschinen ftihr te, ist die "Schmiede-Walzanlage", eine Kombination von Schmiede- und Walzaggregat, die 1m Verbund arbeiten. Die Durchlaufschmiedemaschine selbst ist eine Weiterentwicklung der Langschmiedemaschinen der GFM fUr h5here Leistung, aller dings unter einer gewissen Einschrankung der universellen Verwendbarkeit. Diese Entwicklung bietet nach /1, 2/ einen neuen Weg in der Rationalisierung der Schmiedeindustrie und dringt mit dieser Konzeption dort in das Gebiet der Walz werke ein, wo eine wirtschaftliche Auslastung infolge feh lender Produktionsmengen oder kleinerer Losgr5aen nicht ge wahrleistet ist, speziell beim Stabstahl im Edelstahl- und Sonderqualitatenbereich mit engen Toleranzen. Mit den Kon struktionsmerkmalen zur Erh5hung der Durchlaufgeschwindig keit sowie der ErfUllung der Forderungen nach Wirtschaft lichkeit, Oberflachentoleranz und -gUte sowie terminlicher Flexibilitat erfUllt diese Anlage wesentliche Punkte fUr den Einsatz bei der Edelstahlhalbzeugerzeugung. Die folgenden Bilder 6-12 zeigen eine Gesamtansicht dieser Anlage ( Front - und Rlickansicht ), den Aufbau im Langs schnitt, den Teillageplan bei den FKH in Bochurn, einen Blick auf die Schmiedeebene der Ein- und Auslaufseite sowie die verfahrbare Schallschutzhaube im geschlossenen Zustand. Die Anlage ist nun seit 5 Jahren in Betrieb und dient zur Herstellung von Stabstahl (Bau- und Edelstahle) im Abmes sungsbereich von 34¢ bis 70¢ mm. Der Schmiedeteil dieser Anlage wird von einer Durchlauf schmiedemaschine vom Typ DSR 08 (ausgelegte Schmiedekraft 800 kN pro stempel) gebildet. Zur Erhohung der Schmiede durchlaufgeschwindigkeit wird den Schmiedepleueln eine axiale Schwingbewegung zusatz11ch zu ihrer Hubbewegung erteilt. Die AUstrittsgeschwindigkeit kann damit auf ~ 20 m/min er hoht werden und ist erheblich groaer als bei Langschmiede- - 5 - maschinen, da das Werksttick bei jedem Schmiedeschlag nicht auf stillstand abgebremst wird; vielmehr kennen die Werk zeuge bei der Umformung der Durchlaufbewegung des Werkstticks folgen. Die Forderung nach meglichst hohen Reduktionen des Werk sttickes in einem Durchgang in einer Maschineneinheit ftihrte bei dem untersuchten Maschinentyp zur Anwendung von 8 Schmie dewerkzeugen, die zentrisch urn das Werksttick angeordnet sind, und von denen jeweils 4 Hammer, in gleicher Ebene liegend, wie in Bild 5 gezeigt, abwechselnd mit dem anderen Hammer satz das werkstlick urnschlieBen und urnformen. An Stelle der Manipulatoren bei den Langschmiedemaschinen sind bei einer DurchlaU1'schmiedeanlage vor und hinter dem Aggregat Treibrollenapparate bzw. Walzkassetten angebracht. Eine Drehbewegung des Werkstticks beim Schmieden von Rund material wird hierbei nicht durchgeftihrt. Die Durchlaufschmiedemaschine selbst besteht aus einem Schmie de- und einem Getriebekasten aus StahlguB, sichtbar in Bild 9. In dem Schmiedekasten, er ist zur leichteren Montage und Demontage schwenkbar in einem Kippstander gelagert, bewegen sich die 8 Schmiedewerkzeuge nach dem Prinzip einer Exzenter presse. Uber ein schrag verzahntes Getriebe im Getriebeka sten werden die Antriebe der 8 Werkzeuge synchronisiert. So erreichen jeweils 4 Hammer gleichzeitig den inneren bzw. den auBeren Totpunkt. Die Schmiedewerkzeuge sind zentralsymme trisch urn die werkstUckachse angeordnet, so daB die Schmie dekrafte vollkommen im Schmiedekasten aufgenommen werden. Die Schmiedeenergie wird von 2 Drehstrom-KurzschluBlaufer motoren je 330 kW tiber elastische Kupplungen auf synchro nisierte Zahnrader tibertragen. Uber SpezialkUpplungen lei- ten Stirnrader die Energie tiber Exzenterwellen und Kulissen steine direkt auf die Pleuelstangen, an deren StoSelplan flachen im Umformraurn die Schmiedewerkzeuge mit einfachen Schraubverbindungen und Spannvorrichtungen befestigt sind. Ein vor der Maschine eingebauter Schlingenbildner, sicht- bar in Bild 8 u. 9, hat die Aufgabe, den Stab yom Einlauf rollgang abzuheben, so daB eine leichte Durchbiegung ent steht, die in Verbindung mit der Zwangsftihrung durch die Treibrollen ausreicht, den negativen EinfluB des Massen widerstandes weitgehend auszuschalten. Dieser Massenwider stand entsteht durch die Art der Umformung. Ferner wird der einlaufende Kntippel aus der Flachlage urn 22,50 gedreht. Diese winklige Lage ist bei dem hier beschriebenen Maschi nentyp aufgrund der Hammeranordnung erforderlich. Hinter dem Schlingenbildner ist der Treibrollenapparat angeordnet, der zu Schmiedebeginn den Kntippel in die Umformzone schiebt und wahrend der Schmiedung exakt ftihrt. Ferner wird hier durch die diskontinuierliche Einlaufgeschwindigkeit aufgrund des intermittierenden Hammereingriffs und des damit verbun denen Massenrlickstaus in eine gleichmaBige Bewegung tiber- - 6 - ftihrt und auf die jeweils vorgegebene Durchlaufgeschwindig keit einreguliert. Gleichzeitig wird hierbei der Zunder ge brochen. Anschlieaend folgt die mit etwa 100 bar am Dtisen austritt arbeitende Hochdruckwasserentzunderungsanlage. Urn eine Sekundarverzunderung weitgehend zu vermeiden, ist die Spritzwasserentzunderung so nahe wie moglich vor der Schmie deebene angebracht. Der aus dem Schmiedeteil auslaufende 0 Stab wird den 3 senkrecht zueinander angeordneten, unter 45 geneigten Duo-Walzkassetten zugeftihrt, Bild 7. Die Walzschei ben sind fliegend gelagert und konnen aus GrUnden der Opti mierung der Toleranz nicht angestellt werden. Die Walzkas setten werden, urn eine leichte Regelmoglichkeit und Anpas sung an die Schmiedegeschwindigkeit zu erreichen, von Hydrau likmotoren angetrieben. Die Hublage der Pleuelstangen ist zur Maschinenmitte hin ver anderlich (Verstellgehause), so daa verschiedene Schmiede querschnitte und eine Anpassung an Werkstoffe mit unterschied lichem Formanderungsverhalten zu erzielen sind. Gleichze1tig kann somit ein Ausgleich des Werkstoffverschleiaes der Schmie dehammer erfolgen. Bei einem Abmessungswechsel wahrend der Produktion mtissen im Gegensatz zu den Hammern wegen der Nicht einstellbarkeit der Walzen alle 3 nachgeschalteten Walzkas setten umgebaut werden. Die Absttitzung der Verstellgehause erfolgt gegen ein Hydrau likpolster. So wird die am Stellantrieb wirkende Komponente der Schmiedekraft standig Uber eine hydraulische Druckmea dose registriert. Bei Erreichen einer maximal zulassigen Hohe fUr den Schmiedevorgang wird dieser unterbrochen, in dem auf elektrischem Wege eine Ofrnungsbewegung der Schmie dewerkzeuge einsetzt, die Anlage stillgesetzt und so eine Uberlastung der Maschine verhindert. An einem Kalibrierungsbeispiel in Bild 13 ist zu erkennen, daa von der Gesamtumformung in der SWA( fA '" 65 ,6)etwa 60 ,f, Querschnittsabnahme in der Durchlaufschmiedemaschine durch geftihrt wird, wahrend in den 3 Walzkassetten nur eine Um formung von ca. 5 ~ erfolgt. Eine Darstellung der aus den eigenen Versuchen ~rmi ttel ten Da~en von A , A" (r usw. er- folgt in Kap. 6, Bllder 35 und 3b. 0 + Die Maaabweichungen der erzielten Fertig-Rund-Querschnitte werden gegenUber der DIN 1013 fUr Walzerzeugnisse weit un terboten. Sie liegen bei 1/4 bis 1/5 der DIN-Walztoleranzen, wodurch der Stabstahl in vie len Verwendungsbereichen anstel le von gezogenem oder geschliffenem Blankstahl eingesetzt werden kann /2, 5/. Die Temperaturverluste des Schmiedegutes durch Warmeabstrah lung und die Wiedererwarmung beim Schm1eden gleichen sich bei diesem Hochumformverfahren annahernd aus. Dies konnte dUrch Temperaturmessungen bestat1gt werden. Dieses Verfah ren ermoglicht somit hohe Umformgrade auch fUr sehr schwer