DE3490700T1 - Verfahren zur Herstellung von zylinderförmigen Hohlkörpern - Google Patents

Description

PATENTANWALT Dipl.- Phys. RICHARD LUYKEN

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VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON ZYLINDERFÖRMIGSN HOHLKÖRPERN

Gebiet der Technik

Dia Erfindung bezieht sich auf die Maschinenbautechnologie und betrifft insbesondere Verfahren zur Herstellung von zylinderförmigen Hohlkörpern.

Stand der Technik

Die konventionelle Herstellungstechnologie derartiger Werkstücke schließt üblicherweise eine Reihe verschiedener Arbeitsgänge ein,^die wichtigsten (ausschlaggebend für die Produktqualität)-von denen^Vorfertigung, Verfestigung und Peinbearbeitung sind.

Allgemein bekannt ist ein Verfanren zur Herstellung von zylinderförmigen Hohlkörpern, insbesondere von WaI-zen, das die Erzeugung eines Rohlings, Oberflachenverfestigung und Feinbearbeitung einschließt.

Im bekannten Verfahren werden die Metallrohlinge für .zylinderförmige Hohlkörper durch falzung hergestellt, deswegen sind sie anisotrop und besitzen einen hohen Gehalt an schädlichen Verunreinigungen (Schwefel, Phosphor, nichtmetallische Einschlüsse), die im Volumen der Rohlingsmetalls ungleichmäßig verteilt sind. Diese Faktoren wirken sich auf die ^ualitätseigenschaften des Metalls bei nachfolgende! Verfestigung und insbesondere bei der Feinbearbeitung negativ aus, weil an den Anhäufungsstellen der Verunreinigungen .,iikrof ehler der Oberflächenschicht entstehen.

Zur Oberflächeriverfestigung des Y/erkstücks erfolgt ein Nitrieren , bei dem eine Veränderung der geometrischen Form erfolgt, die Härteverteilung über die j>0 Werkstückoberfläche ungleichmäßig und die Tiefe der verfestigten Schicht ungenügend sind. 3ei der anschließenden mechanischen Bearbeitung wird die nitrierte Schicht praktisch .abgetragen.

Durch die aiodernen Verfahren zur Feinbearbeitung kann bei großen Hohlkörpern¹^ ine Oberflächenrauhigkeit von R ^r 0,04 /um . erzielt werden. '.Vährend des Arbeitsvorgangs bröckelt das im 'werkzeug fest zusammengehaltene Schleifmittel (Topflappen, Sup'örfinischen, Band-

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schleifen, Honen) aus und wird verölt. Beim Andrücken des Werkzeugs wird der zylinderförmige Hohlkörper durch Radialkräfte belastet, wodurch die End abmessungen negativ beeinflußt werden. Unter diesen Verhältnissen kann bei großen dünnwandigen Walzen eine stabile Oberflächenrauhigkeit von R $ 0,04 /hei nicht sichergestellt werden.

Walzen uiit einer derartigen Oberflächengüte

sind nicht imstande, die erforderliche Qualität v.er-.

einsatzspeschiedener Filme zu gewährleisten, die vorgegebenenV

zifischen Anforderungen genügen sollen. Außerdem zeich- · net sich das genannte■Verfahren durch einen großen Arbeitsaufwand bei den einzelnen Operationen aus. Wesen der Erfindung

■je Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von zylinderformigen Hohlkörpern zu schaffen, bei dem durch die Wahl von bestimmten Verhältnissen für den jeweiligen Arbeitsgang die Produktion von Werkstücken mit geringer Rauhigkeit bei hoher Pro-

2Q duktionsleistung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem. Verfahren zur Herstellung von zylinderformigen Hohlkörpern, das die Erzeugung eines Hohlrohlings, dessen Oberflächenverfestigung und eine Feinbearbeitung umfaßt, 'dadurch gelöst^⁰

^5 der Hohlrohling4erfindungsgemäß>durch ZLektroschlacke- -ümschmelzen mit einer Schiuelzgeschwind igkeit von v=0.,3 bis •0,6 mm/s erzeugt, die Oberfläche des Hohlrohlings durch einen Plasmas tr aiii, der in einem Plasmatron mit einer Stromstärke von 1=220-520 A geformt wird, bei einer JJreh-

J(J geschwindigkeit des Werkstücks relativ zum Plasmatron von w=3-10 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und dem Werkstück von 0=2-10 nwi verfestigt und die Feinbearbeitung durch eine magnetisch-abrasive Bearbeitung durchgeführt wird, bei der die Polschuhe in Schwingungen

xc versetzt werden, wobei das Produkt ihrer Frequenz mit der Länge der zu bearbeitenden,durch die Polschuhe umfaßten Rohlingoberfläche als ein Vielfaches einer ganzen äahl im Bereich der lOfacnen linsaren Drehgeschwin-

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digkeit des Rohlings gewählt wird.

Durch den Einsatz des üilektroschlacke-Umschmelzens für die Erzeugung des Hohlrohlings wird ein minimaler Gehalt und eine gleichmäßige Verteilung der schädlichen Verunreinigungen und nichtmetallischen Einschlüsse im Volumen des Rohlings nie tails erzielt, und .Jet all mit guten mechanischen Eigenschaften, mit Isotropie, ohne Haarrisse, Verwalzungen und andere innere Fehler erzeugt. Dadurch werden günstige Voraussetzungen für eine hochqualitative Metallverfestigung und-Feinbearbeitung der Werkstückoberfläche geschaffen.

Durch die erfindungsgea.aue Schinelzgeschwindigkeit des Rohlings von 0,3-0,6 mm/s wird ein ausgerichtetes iVietallgefüge mit unterschiedlichen Auftreffwinkeln der Kristalle im Metall des Hohlrohlings geformt. Außerdem wird eine unterschiedliche Packungsdichte der Dendriten erzielt, wodurch die erreichbare Härte und die Glühtiefe beim Plasmahärten beeinflußt wird. Die gewählten Schmelzgeschwindigkeiten der Hohlrohlinge von 0,3-0,6 mn/s sind minimal bzv. maximal · Bei den . genannten Schmelzgeschwindigkeiten besitzt der Rohling ein dichtes Mikr0gefüge, wodurch stabile mechanische Eigenschaften und ein praktisch fehlerfreier Aufbau des Gußmetalls sichergestellt werden, üben dadurcii ist die '.Vahl der Senkelzgeschwindigkeit an des Hohlrohlings zu erklären.

Die Oberflächenverfestigung bei der .Zuführung eines Stromes konzentrierter Wärmeenergie ist durch eine Schnellerhitzung (bis 1000°C/s) gewährleistet , wodurch ein hochdisperses Gefüge der gehärteten Metallschicht mit einer hohen Härte erzeugt wird. Dieser Umstand hat eine positive .Virkuag auf die nachfolgende Feinbearbeitung.

Die Plasmaverfestigung erfordert keine komplizierten Einrichtungen und ist kurzzeitig im Vergleich zu anderen Arten der thermischen und chemischthermischen Behandlang. Hohe Srhitzungsgeschwindigkeiten gestatten es,

Metall mit einem feindispersen Gefüge zu erhalten, das eine hohe Harte und .sute Sinhärtbarkeit besitzt.

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Bei einer Stromstärke unter 220 A wird ein Plasmastrahl mit einer für die qualitätsmäßige Verfestigung, der Metalloberfläche unzureichenden Wärmeenergie geformt. Bei einer Stromstärke über 320 A kommt eine Überhitzung des Plasmatrons zustande, wodurch seine Betriebsdauer und -Stabilität beeinträchtigt werden, dine Vergrößerung der genannten Drehgeschwindigkeit der zu behandelnden Oberfläche führt zur Erhöhung der Wärmeabfuhr und zur Verringerung der Oberflächenharte. Bei einerjVerringerung der genannten Drehgeschwindigkeit wird ein Metallverbrennen hervorgerufen.

Da für diesen Vorgang ein indirekt wirkendes Plasmatron eingesetzt wird, hangt die an die zu behandelnde Oberfläche übertragene Wärmeenergie von dem Spalt zwi-

^c sehen dem Plasmatron und dem tferkstück- ab. Bei einem Spalt über 10 ium ist die Erhitzung ungenügend und bei einem Spalt unter 2 mm wird das Metall überhitzt.

//ährend der magnetisch-abrasiven Bearbeitung wird die zu bearbeitende Oberfläche fein dispergiert. Dabei wird die sich auf den Polschuhen bildende "Arbeitsbürste" aus den Körnern des ferromagnetischen Pulvers nicht verölt. Das ferromagnetische Pulver wird mit den Scharfkan ten gegen die Werkstückoberfläche ausgerichtet, wodurch sine wirksame Bearbeitung und ein gleichmäßiger Met allabtrag erzielt wird. Während des Arbeitsvorgangs werden die Schneidkanten erneuert. Die Leistung der magnetisch- -abrasiven Bearbeitung ist im Vergleich au anderen Verfahren der Feinbearbeitung wesentlich höher und infolge der Elastizität der "Bürste" wird eine geringe Rauhig-

'j)0 keit erreicht.

Bei den gewählten und genannten Verhältnissen der magnetisch-abrasiven Bearbeitung fallen die Bewegungsbahnen der beiden Polscnuhe im jeweiligen Paar nicht zusammen und auf der vVerkstückoberflache wird eine maximal mögliche Kreuzung der Bearbeitun^smarken erzeugt, wodurch die Wirksamkeit der Bearbeitung bedeutend erhöht und deren Qualität verbessert 'wird.

Zweckmäßigerweise wird die lineare Drengeschwindig-

keit des. Werkstücks bei der magnetisch-abrasiven Be-

bis arbeitung in einem Bereich von 0,5 4,0 m/s, die Schwin-

Qi s _i gungsfrequenz in einem Bereich von 2 15 s und die Länge der von dem Polschuhpaar umfaßten Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks in einem Bereich von 0,06^0^5 m gewählt.

Die Erfahrung nat gezeigt, d.a.3 optimale lineare Drehgeschwindigkeiten des Werkstücks beim magnetisch-abrasiven Lappen in einem Bereich von 0,5⁵³Zf, O m/s liegen.

Bei einer geringeren Geschwindigkeit wird die Arbeitsleistung herabgesetzt, weil die Dispergierungsgeschwindigkeit der Metalloberfläche sinkt. Bei einer Ver- -^Cj größerung der Geschwindigkeit über 4 m/s wird das ferromagnetische Pulver aus dem Arbeitsspalt ausgetragen, die Schnittkraft und die Wirksamkeit des Läppvorgangs verringert.

Durch die gewählte Schwingungsfrequenz der Polschuhe wird eine zusätzliche Schwingbewegung der Körner des ferromagnetische η Pulvers entlang der vVerkstückachse zustandegebracht. Bei einer Verringerung der Schwingungsfrequenz 'nehmen die A'Ietalldispergierungsgeschwindigkeit, die Leistung und die Wirksamkeit des Läppvorganges ab. 3ine Vergrößerung der Schroingungsfrequenz über 15 3~^l ist unwirksam, wsil die "Bürste" infolge ihrer Trägheit mit einer derartigen alternierenden Geschwindigkeit nicht schwingen kann.

Bevorzugte AusführungsVariante der Erfindung 2iachstehend-wird die Erfindung an Hand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.

3s wird ein Verfahren zur Herstellung von zylirderförmigen Hohlkörpern vorgeschlagen. Als Hohlkörper 'wurden falzen für die Maschinen für die Produktion von dünnan xc und ultradünnen Polymerfilmen verschiedener Zweckbestimmung verwendet.

Das Verfahren schließt folgende wichtige Arbeitsgänge ein: Urzeugung eines Rohlings, Oberflächenver-

fest igung und Feinbearbeitung. ETfindungsgemäß wird der Rohling in einem Verfahren hergestellt-., durch welches eine gleichmäßige Verteilung von schädlichen Verunreinigungen und nichtmetallischen Einschlüssen im Volumen des Rohlingsmetalls gewährleistet wird. Als solches Verfahren wird das Elektroschlacke-Umschmelzen mit einer Schmelzgeschwindigkeit des Rohlings von 20 40 eingesetzt. Das iilektroschlacke-Umschrnelzen erfordert keine großen Maschinen und keinen großen Arbeitsaufwand und gestattet es, Rohlinge mit einer praktisch beliebigen Länge und mit minimalen Zugaben für die nachfolgende mechanische Bearbeitung herzustellen. Das Metall wird beim Durchgang durch die Schlacke gereinigt. Dadurch wird der Gehalt an Schwefel von 0,OJl auf 0,021% und an Phosphor von 0,029 auf 0,017% reduziert. Das erzeugte Metall ist chemisch homogen. Durch die gewählten Schinelzgeschwindigkeiten wurde eine dichte Dendritenpackung erzielt und die Isotropie im Walzenrohling verbessert.

. Die Walzenoberfläche wird durch die Zuführung eines Stroms konzentrierter Wärmeenergie verfestigt. Als

Mittel hierfür wird ein Plasmastrahl verwendet. Dabei wird der Piasinastrahl in einem Plasmatron mit einer Stromstärke von I = 220t>iß "■geformt und die Oberflächenverfestigung bei einer linearen Drehgeschwindig-

bi ^c keit des Rohlings relativ zum Plasmatron von w=5 1Ö mm/s und bei einem Spalt zwischen dem Plasmatrom und dem Rohling von α =2 1°O mm durchgeführt.

Hohe Festigkeitseigenschaften des Metalls sind bei der Wärmeverfestigung nur durch die Bildung einer feinnadeligen ivlartensitstruktur zu erzielen, was nur bei Vorhandensein von feinkörnigem Austenit realisierbar ist.

Bei der Plasmahärtung wird die Metalloberfläche mit einer

bis η erhöhten Geschwindigkeit von 600 800 C/s erhitzt. Dadurch wird die Bildung eines hochdispersen Austenitgefüges gefördert, während bei einer langsamen Erhitzung die Ausgangs korngrÖiie beim Übergang in den Austenitbereich praktisch nicht geändert wird. Darin liegt der Vorteil der Plasmaverfestigung im Vergleich zu anderen Verfahren der

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Oberflächenverfestigung„

Sine Analyse der iSinwirkung der gewählten Verhältnisse der Plasraav erfest igung auf die Mikrohärte, die Einhärtbarkeit und das Verformen hat erwiesen, daß diese

L, optimal sind. Die verfestigte Scnicht besitzt ein fein-

bis disperses :-iart ens it gefüge bis zu einer Tiefe von 2 2,5 mm

bis _4

mit einer Härte von Η/α =10 0,7-10 ;.'3Pa, das dann all-

mählich in Sorbit und Perlit-Ferrit-Mischung übergeht. Zur Feinbearbeitung der Walzen wird das magnet is ch-

■ιΛ -abrasive Läppen rait einer Schwingungsfrequenz der PoI-

bis _-i
schuhe im Bereich von 2 15 s , auf einer Länge de.r von

n, bis

Polschuhe? umfaßten'Rohlingoberfläche von 0,05-0,5 m

und bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des Rohlings

ibis
in einem Bereich von 0,5 ^»0 m/s eingesetzt.

Beim magnetisch-abrasiven Läppen werden die Körner des ferromagnetischen Pulvers mit ihren größten Achsen in Richtung der Magnetfeldlinien, d.h. normal relativ zu der zu bearbeitenden Rohlingoberfläche orientiert. Indem die Schleifmittelkörner an dieselbe angepreßt werden, wird das Metall fein dispergiert. Infolge der Reibungskraft an den Kontaktstellen werden die ferromagnetisch en Teilchen in Drehrichtung des Rohlings um einiges verschoben und kreuzen die Magnetfeldlinien, wodurcn eine elektromotorische Kraft erzeugt wird. Durch die entstehenden Mikroströme wird der Uetallabtrag zusätzlich intensiviert und die physikalisch-mechaniscnen Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche verbessert.

Wahrend der Bearbeitung stehen die Körner des ferromagnet ischen Pulvers vorwiegend mit den Rauhspitzen der Oberfläche im Kontakt, die als Magnetfeldkonzentratoren wirken. Dabei werden die größten Rauhspitzen der Rohlingoberfläche abgetragen. Durch die gewählten Bearbeitungsverhältnisse wird eine für das Anpressen des ferromagnetischen Pulvers an die Rohlingobeflache ausreichende Kraft sowie eine Schnittgeschwindigkeit sichergestellt, durch die die erforderliche Bearbeitungsleistung und eine Rauhigkeit von R_a =0,02 ^",04 jRm erzielt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand von Bei-

spielen für die Fertigung einer Walze mit einem Durchmesser von 400 mm, einer Länge von L=2500 mm und einer Wanddicke von 15 mm aus einem chromhaltigen Baustahl veranschaulicht,
c Beispiel 1.

Ein Rohling wird durch Elektroschlacke-Umschmsl-

zen mit einer Schmelzgeschwindigkeit von ν =0,55 mm/ε hergestellt. Die Oberfläche des Rohlings wird mit einem Plasmastrahl, der in it einer Stromstärke von 1=230 A ge-]_q formt wurde, bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des Rohlings relativ zum Plasmastron von -,m =9 m:a/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und dem Rohling von ü= 1mm verfestigt. Die magnetisch-abrasive Bearbeitung wird bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des Rohlings von v= =0,5 m/s, einer Schwingungsfrequenz der Polschuhe von 3 s und einer Länge des von dem Polschuhpaar umfaßten Oberflächenbogens des zu bearbeitenden Rohlings von 0,1 m durchgeführt'. Unter den genanntenVerhältnissen dauert die magnetisch-abrasive Feinbearbeitung 6 6,5 h. Die erzielte Rauhigkeit beträgt R_&= Ο,Ο39^Χ6\θ4 β&.

Beispiel 2.

Ein Rohling wird durch Elekiroschlacke-Umschmel-

zen mit einer Scnmelzgeschwindigkeit von v=0,6 mm/s hergestellt. Die Oberfläche des Rohlings wird mit einem Plasmastrahl, der mit einer Stromstärke von 1=260 A geformt wurde, bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des Rohlings relativ zum Plasmatron von w= 6 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatrom und Rohling von Q =8 mm verfestigt. Die magnetisch-abrasive Bearbeitung wird bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des Werkstücks von v=2 m/s, einer Schwingungsfrequenz der Polschuhe von 15 s~ und einer Länge des von dem Polschuhpaar umfaßten Oberflächenbogens des zu bearbeitenden Rohlings von Ö,.4 m durchgeführt. Unter den genannten Verhaltnissen dauert die magnetisch-abrasive Feinbearbeitung 4 bis 5h. Die erzielte Rauhigkeit beträgt R_&= 0,0^4 0,036 /Um.

Beispiel 3.

Ein Rohling wird durch Elektroschlacke-Umschmel-

zen bei einer Schmelzgescnwindigkeit von v=0,4 mru/s hergestellt. Die Oberfläche des Kohlings wird mit einem Plasmastrahl, der mit einer Stromstärke von I=JuO A geformt wurde, bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des P Rohlings relativ zum Plasmatron von w=7 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und dem Rohling von O= 6 mm verfestigt. Die magnetisch-abrasive Bearbeitung wird bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des Rohlings von v=3 m/s, einer Schwingungsfrequenz der Polschuhe von 12 s~ und einer Länge des von dem Polschuhpaar umfaßten Oberflächenbogens des zu bearbeitenden Rohlings von 0,3 m durchgeführt. Unter den genannten Verhältnissen dauert die magnetisch-abrasive Feinbearbeitung 2,5 bis 5^- Die erzielte Rauhigkeit beträgt R₀= 0,02 bis 0,024/im.

Industrielle Anwendbarkeit

Besonders vorteilhaft kann die Erfindung für die Hersteilung von großen Hohlkörpern wie Walzen, Rollen, Zylinder, Trommeln Anwendung finden, die eine äußerst geringe Rauhigkeit der bearbeiteten Oberflächen besitzen sollen und in Maschinen für die Produktion von dünnen und ultradünnen Filmen verschiedener Zweckbestimmung (Kino- und Photometer ial, iVIagnetbänder , Papierware usw.), organischem Flachglas eingesetzt werden.

Claims (2)

PATENTANWALT Oipl-Phys RiCHARD LUYKEN PM 95 671-M-61 ♦ /i%' 3.1.1986,L/bj PATENTANSPRÜCHE 3 A 9 0 7 0

1. Verfahren zur Herstellung von zyliriderfÖrmigen Hohlkörpern, das die Erzeugung eines Hohlrohlings, dessen Oberflächenverfestigung und eine Feinbearbeitung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlrohling

durch das Elektroschlacke-Umschmelzen ait einer Schmelzgeschwindigkeit von O,jtf,6 mm/s erzeugt, die Oberfläche des Hohlrohlings mit einem Plasmastrahl, der in einem Plasmatron mit einer Stromstärke von 220 J20 A geformt wird, bei einer linearen Drehgeschwindigkeit des

bis Rohlings relativ zum Plasmatron von J 10 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und eiern Hohl ing von 2 bis

10 mm verfestigt und die Peinbearbeitung durch eine magnetisch-abrasive Bearbeitung durchgeführt wird, bei der die Polschuhe in Schwingungen versetzt werden, wobei das Produkt ihrer Frequenz mit der Länge der von den Polschuh^ umfalten Sohlingoberflache als ein Vielfaches einer ganzen 'im Bereicn der lOfachen linearen Drehgeschwindigkeit des Rohlings gewählt wird. 2ü

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sphwingungsfrequenz der Polschuhe in einem

bis. _i
Bereich von 2 15 ε » die Länge der von den Polschuhe¹¹

bis umfaßten Hohlingoberflache in einem Bereich von 0,05 0,5m und die lineare Drehgeschwindigkeit des Rohlings in einem Bereich von 0,5 bis -'+,0 m/s gewählt wird.