Verfahren und Einrichtung zum Verformen langgestreckter Werkstücke,z. -B. -zum Ziehen von Rohren, unter Anwendung von Schwingungen Es sind bereitsVerfahren zum Formen von Werkstoffen bekannt, bei denen das zur Formung des Werkstoffesdienende Werkzeug während des Arbeitsverlaufs in Schwingungen versetzt wird. DasWerkzeug, das schwingungsfähig gelagert ist, wird hierbei entsprechend dem in Fig.i schematisch dargestellten Prinzip periodisch hin- und herbewegt. Hierbei schwingtdas Werkzeug i mit der nur als Beispiel gezeigten Düse i' als Ganzes zwischen dendie schwingungsfähige Laigerung bedeutenden Federn 2,3 um die Nullage herum(vgl. die von,0 in beiden, Richtungen deutenden Pfeile in Fig. i). An diesemSchwingungsprinzip ändert sich auch nichts, wenn die in Fig. i gezeigten Federn2,3z. B. magnetostriktiv erregte Stäbe sind. Die Erfindung beruht aud einemgrundsätzlich anderen Prinzip, das an Hand Fig. 2 erläutert wird. Dort bedeuteti i z. B. einen Stab. In der Mitte des'Stabes sei die Matrilzenbohrung ii' des Stabes;die Nuillage der Matrizenachse ist mit0bezeichnet. Dieser Stall wird zulongitudinalen Schwingungen angeregt. Die Schwingungsamplitude der einzelnen Stabteilchenist dann- vom Nullpunkt aus gesehen- etwa sinusförmig über die Stablängeverteilt und hat an den Stabenden ihr Maximum (vgl. die Kurve a in Fig.:2a), währenddie gleichzeitig auftretenden Druckamplituden cosinusförmig verteilt sind und anden Stabenden verschwinden (vgl. Kurveb). Infolge der wechselnden Dehnungund Zusammenziehung des Werkstoffes in Richtung der Längsachsedes Stabes wird auch der Matrizenquerschnitt im Takte der Schwingungen verringertbzw. erweitert. Die Anregung zu diesen Schwingungen führt zu besonders hohen Druck-und Bewegungsamplituden, wenn die Frequenz der erregenden Schwingung der mechanischenResonanzfrequenz des Stabes entspricht. Derartige, die Matrizenform ändernde Dehnungenund Zusammenziehungen des Werkzeugmaterials können auch magnetostriktiv oder elektrostriktiverzeugt werden.Method and device for deforming elongated workpieces, e.g. -B. For drawing pipes, using vibrations. Methods for shaping materials are already known in which the tool used for shaping the material is set in vibrations during the course of the work. The tool, which is supported so that it can vibrate, is periodically moved back and forth in accordance with the principle shown schematically in FIG. Here, the tool i with the nozzle i 'shown only as an example oscillates as a whole between the springs 2,3 , which are important for the oscillating layer, around the zero position (cf. the arrows pointing from,0 in both directions in FIG. I). Nothing changes in this oscillation principle if the springs 2,3 shown in FIG. B. are magnetostrictively excited rods. The invention is based on a fundamentally different principle, which is explained with reference to FIG. There ii means z. B. a stick. In the middle of the 'rod is the die hole ii' of the rod; the zero position of the die axis is denoted by0 . This stable is excited to longitudinal vibrations. The oscillation amplitude of the individual rod particles is then- viewed from the zero point- approximately sinusoidally distributed over the rod length and has its maximum at the rod ends (see curve a in Fig. 2a), while the simultaneously occurring pressure amplitudes are distributed cosinusally and at the Bar ends disappear (see curveb). As a result of the alternating expansion and contraction of the material in the direction of the longitudinal axis of the rod, the die cross-section is also reduced or expanded in time with the vibrations. The excitation of these vibrations leads to particularly high pressure and movement amplitudes if the frequency of the exciting vibration corresponds to the mechanical resonance frequency of the rod. Such expansions and contractions of the tool material that change the die shape can also be generated magnetostrictively or electrostrictively.
Die dem Prinzip der Fig. 2 entsprechenden Schwingungen haben den beider Verformung von Werkstoffen bisher angewandten Schwingungen gegenüber das unterscheidendeMerkmal, daß bei den bisherigen Schwingungen die Kurven a undbin ersterNäherung den Verlauf der Druck- bzw. Bewegungsamplituden darstellen, während-beiden erfindungsgetnäßen Schwingungen die Kurven a und6 die Bewegungs- bzw.die Druckamplituden bedeuten.*Bei den Schwingungen gemäß der Fig. 2 sind also diean der Düse auftretenden Druckschwingungen groß im Vergleich zur Bewegungsamplitudeund führen, zu Änderungen des Düsenquerschnitts. Die Erfindung schlägt demgemäßbeim Formen von Werkstoffen, z. B. beim Ziehen von Rohren, vor, daß die Werkzeugeim Takte der ihnen vermittelten Längsschwingungen Dehnungen und Zusammenziehungenausführen sollen und dabei der wirksame Querschnitt der Werkzeuge, nämlich die Matrizenbohrungbzw. der Dorndurchmesser, rhythmisch verändert,d. h. vergrößert und verkleinertwerden soll. Hierdurch ändert sich z. B. der Durchmesser der Matrizenbohrung i i'in Fig. 2, der im Ruhezustand gleich-d sei, im Betrieb entsprechend demHookeschen Gesetz etwa um 1/1000 vond, wenn der Elastizitätsmodul des Stabniaterialsz. B. :20000 kg/MM2 und die maximal auftretenden Druckamplituden im Schwingungsknotendes Stabes ?zo kg/mm2 groß sind, bei io mm Durchmesser also um± iou. Diesean sich kleinen Änderungen gehen aber bei relativ großen Druckamplituden vor sich,so daß das Werkstück zwar mit kleinen Amplituden aber starken Drücken zusammengepreßtwird.The vibrations corresponding to the principle of FIG. 2 have the distinguishing feature of the vibrations previously used in the deformation of materials that, in the previous vibrations, the curves a andb represent the course of the pressure or movement amplitudes as a first approximation For the vibrations according to the invention, curves a and6 mean the movement and pressure amplitudes. * With the vibrations according to FIG. The invention accordingly proposes when molding materials such. B. when pulling pipes, before that the tools should perform expansions and contractions in time with the longitudinal vibrations imparted to them and the effective cross-section of the tools, namely the die bore or the mandrel diameter, rhythmically changed,d. H. should be enlarged and reduced. This changes z. As the diameter of the die bore ii 'in Fig. 2, which is at the same at restd,d, if the modulus of elasticity for the Stabniaterials in operation according to the Hooke's law to about 1/1000 of. E.g.:20,000 kg / MM2 and the maximum pressure amplitudes occurring in the node of oscillation of the rod? Zo kg / mm2, with a diameter of 10 mm that is± iou. These changes, which are small in themselves, take place at relatively large pressure amplitudes, so that the workpiece is pressed together with small amplitudes but strong pressures.
An sich ist es, insbesondere auch zur Erzeugung hochfrequenter mechanischerSchwingungen, bereits bekannt, die Schwingungen magnetostriktiv oder elektrostriktivzu erzeugen. Es ist bei der spanlosen Verformung ferner bekannt, die Formgebungdurch die Einwirkung von Ultraschall zu verbessern. Es ist auch bekannt, eine Quermusterungvon Kunststoffäden dadurch zu erzielen, daß die Düse in Längsschwingungen versetztwird. Schließlich sind auch Drehschwingungen, von Ziehdornen und Ziehdüsen um dieZiehgutachse und Schwingungen dieser Werkzeuge in axialer und radialer Richtungzum-Ziehgut nicht mehr neu. In allen Fällen schwingt aber das Werkzeug als Ganzes,wie dies im Prinzip in Fig. i dargestellt ist, während bei der Erfindung das formgebendeTeil des Werkzeuges in sich schwingt und dadurch seine Form verändert. Die hierbeiauftretenden.Schwingungen haben zwar kleine Bewegungsamplituden, sind aber, da essich um Materialkräfte mit dementsprechend hohen Drücken handelt, sehr energiereich,so daß auch sehr harte Werkstoffe zusammengepreßt werden können. Aus dem gleichenGrunde wird auch das Ziehen vor allem von hartem Material durch Anwendung der erfindungsgemäßenSchwingungen stärker erleichtert als bisher, weil die hohen Druckkräfte der Schwingungenauch harte Werkstoffe bleibend verformen können. Dabei kann der Einfluß der relativkleinen Bewegungsamplitude durä entsprechend hohe oder sehr hohe Frequenzen verstärktwerden.In itself it is, in particular also for the generation of high-frequency mechanical onesVibrations, already known, the vibrations magnetostrictive or electrostrictiveto create. In the case of non-cutting deformation, the shaping is also knownby the action of ultrasound to improve. It is also known to have a cross patternto achieve plastic threads by causing the nozzle to vibrate longitudinallywill. Finally, there are also torsional vibrations from drawing mandrels and drawing nozzlesDraw material axis and vibrations of these tools in the axial and radial directionzum-Ziehgut no longer new. In all cases, however, the tool vibrates as a whole,as shown in principle in Fig. i, while in the invention the shapingPart of the tool oscillates in itself and thereby changes its shape. The one hereOccurring vibrations have small amplitudes of motion, but are, because itare material forces with correspondingly high pressures, very energetic,so that even very hard materials can be pressed together. For the sameThe drawing of hard material, in particular, using the method according to the invention is also used as a basisVibrations easier than before because of the high pressure forces of the vibrationseven hard materials can permanently deform. The influence of the relativeSmall amplitude of movement is amplified by correspondingly high or very high frequencieswill.
Bei dem in Fig.2, dargestellten Beispiel treten Änderungender Düsenabmessungen nur in Längsrichtung des Stabes auf, so daß sich z. B. eineim Ruhezustand kreisrunde Düse infolge der Schwingungen etwa elliptisch verzerrt.Damit im Unterschied dazq der Querschnitt der Düse nicht wie im Fall'der Fig.:2verzerrt wird, sondern seine Form beibehält und nur seinen Durchmesser verändert,werden diese Verengerungen und Erweiterungen des Querschnitts, die wohl am bestenmit »Atmen« bezeichnet werden,' durch Schwingungen erzeugt, deren longitudinalenAmplituden im Unterschied zur Fig.:2 die Dicke einer Düsenplatte entsprechend denSchwingungen sich ändern lassen.In the example shown in Fig.2, changes in the nozzle dimensions occur only in the longitudinal direction of the rod, so that, for. B. a circular nozzle at rest due to the vibrations approximately elliptically distorted. So that, in contrast to this, the cross-section of the nozzle is not distorted as in the case of Fig. 'generated by vibrations, the longitudinal amplitudes of which, in contrast to Fig. 2, the thickness of a nozzle plate can be changed according to the vibrations.
Im folgenden wird ein solches Verfahren zur Erzeugung des »Atmens«der Matrizenbohrung bzw. des Dornes beschrieben, das in der Erzeugung stehendermechanischer Längsschwingungen besteht, die gleichzeitig das gewünschte »Atmen«zur Folge haben, weil sie ein im Takte der Schwingungen erfolgendes Zusammenpressenund Dehnen des Matrizenwerkstoffes bewirken. Seine Anwendung ist besonders dortvorteilhaft, wo Relativbewegungen sehr hoher Frequenz erwünscht sind. Es entstehenalso bei der Erfindung stehende Schwingungen in der Platte, in der die Matrizenbohrungangeordnet ist, deren Frequenzf bei gegebener Fortpflanzungsgeschwindigkeitv mechanischer Schwingungen im Plattenwerkstoff durch die Dicked der Plattegegeben ist:n ist hierbei eine positive ganze Zahl gleich oder größer als i. Derartige Schwingungenin einer Platte od. dgl. haben nicht nur Längsschwingungen, sondern auch Querschwingungenzur stehenden Welle zur Folge, so daß der Matrizendurchmesser im Takte der Schwingungengrößer und kleiner wird, die Matrize also gewissermaßen »atmet«. Besonders dann,wenn der kleinste Durchmesser der Düse nicht am Ende der Düse, sondern davor liegt,diese sich also nach anfänglicher Verkleinerung des Durchmessers nachher wiedererweitert (s. Fig.3),wirken sich die stehenden Schwingungen stark auf denkleinsten Düsendurchinesser und damit auf die Oberfläche des Bearbeitungsgutes aus.Da v in obiger Formel im allgemeinen sehr-groß, z. B. mehrere iooo m/sec,die Dicked demgegenüber klein ist, ergeben sich üblicherweise sehr hoheFrequenzen von z. B. einigen, iook11,7. Es ist' einleuchtend, daß auf diese Weise das Material in der. Düse, sei es nundas Ziehgui, der durch die Düse zu pressende Werkstoff, ein Draht oder Rohr mitsehr hoher Frequenz regelrecht gehämmert und die Reibung in der Düse stark vermindertwird.In the following, such a method for generating the "breathing" of the die bore or the mandrel is described, which consists in generating standing mechanical longitudinal vibrations, which at the same time result in the desired "breathing" because they are pressed together in the cycle of the vibrations Cause the die material to stretch. Its use is particularly advantageous where relative movements of very high frequency are desired. In the case of the invention, standing vibrations arise in the plate in which the die bore is arranged, the frequencyf of which, for a given propagation speed v of mechanical vibrations in the plate material, is given by the thicknessd of the plate: Here n is a positive integer equal to or greater than i. Such vibrations in a plate or the like result not only in longitudinal vibrations, but also in transverse vibrations to the standing wave, so that the die diameter becomes larger and smaller in time with the oscillations, so the die "breathes" to a certain extent. Especially when the smallest diameter of the nozzle is not at the end of the nozzle, but in front of it, i.e. after the diameter has been reduced again afterwards (see Fig.3), the standing vibrations have a strong effect on the smallest nozzle diameter and thus on the surface of the material to be processed. Since v in the above formula generally very- large, for. B. several iooo m / sec, the thicknessd is small, there are usually very high frequencies of z. B. some, iook11.7. It is' evident that in this way the material in the. Nozzle, be it the drawing die, the material to be pressed through the nozzle, a wire or pipe, is hammered at a very high frequency and the friction in the nozzle is greatly reduced.
Die Erzeugung derartig hoher Frequenzen ist bekanntlich in einfacherWeise durch elektrische Schwingungserzeuger möglich. Die Anregung der Düsenplattekann dann z. B. dadurch erfolgen, daß hochfrequenter Schall z. B. senkrecht aufdie Platte auffällt und diese zu Resonanzschwingungen anregt. Oft ist es aber möglichund empfiehlt sich, als Düsenwerkstoff elektro- oder magnetostriktives Material,z. B. elektrostriktive Keramik, zu verwenden und in diesem Fall auf beiden Seitender Düsenplatte Elektroden anzubringen, die die Düsen so frei lassen, daß die Elektrodennicht durch einen metallischen Leiter in der Düse, z. B. einen Draht, kurzgeschlossenwerden können. Die Elektroden können dabei in den Oszillatorschwingungskreis geschaltetwerden, so daß die Düsenplatte die Kapazität des Schwingungskreises des Schwingungserzeugersbildet. Es entstehen dann, gleichzeitig mit den elektrischen, intensive mechanischeResonanzschwingungen der Düsenplatte. Auch die Verwendung von Düsen aus magnetostriktivernWerkstoff ist gegebenenfalls von Vorteil, wubei dann die mechanischen Schwingungendurch magnetische Erregung im Takte der gewünschten Frequenz erzeugt werden.The generation of such high frequencies is known to be simplePossible by means of electrical vibration generators. The excitation of the nozzle platecan then z. B. be done in that high-frequency sound z. B. perpendicular tothe plate is noticed and stimulates resonance vibrations. But it is often possibleand it is recommended to use electro- or magnetostrictive material as nozzle material,z. B. electrostrictive ceramic to be used and in this case on both sidesto attach electrodes to the nozzle plate that leave the nozzles free so that the electrodesnot through a metallic conductor in the nozzle, e.g. B. a wire short-circuitedcan be. The electrodes can be connected to the oscillator circuitso that the nozzle plate has the capacity of the oscillation circuit of the vibratorforms. Then, simultaneously with the electrical, intense mechanical ones ariseResonance vibrations of the nozzle plate. Also the use of magnetostrictive nozzlesMaterial may be advantageous, including mechanical vibrationsbe generated by magnetic excitation in the cycle of the desired frequency.
Gleichzeitig mit deni »Atmen« der Matrizenbohrung kann gemäß einemweiteren Vorschlag der Erfindung auch die bekannte Relativbewegung des Werkzeugesin axialer, tangentialer und radialer Richtung zum Werkstück angewendet werden.Beim Ziehen von Hohlkörpern mittels Dorn und Düse kann insbesondere auchder Dornin derartige Schwingungen versetzt werden. Dabei müssen die Relativbewegungen vonDüse und Dorn.zum Werkstück nicht gleichartig sein. Während z. B. der Dorn nur I#ängsschwingungenausführt, kann die Düse nur Drehschwingungen ausführen oder umgekehrt. Auch andereKombinationen der verschiedenen Relativbewegungen beider Teile sind möglich. IhreWahl bleibt dem Fachmann überlassen, det-.sie den jeweiligen Bedürfnissen entsprechendauswählen kann.Simultaneously with the "breathing" of the die drilling can according to aAnother proposal of the invention also includes the known relative movement of the toolcan be used in axial, tangential and radial directions to the workpiece.When drawing hollow bodies by means of a mandrel and nozzle, the mandrel can in particular also be usedare set in such vibrations. The relative movements ofThe nozzle and mandrel are not identical to the workpiece. While z. B. the mandrel only I # longitudinal vibrationsexecutes, the nozzle can only perform torsional vibrations or vice versa. Others tooCombinations of the various relative movements of both parts are possible. HerThe choice is left to the person skilled in the art, depending on the respective needscan choose.
Bei gleichartigen Relativbewegungen beider Werkzeugteile empfiehltes sich,. diese einander anzupassen, indem z. B. die Drehb#wegungen beider Teileeinander entgegengesetzt verlaufen und möglichst so bemessen*sind, daß die von beidenWerkzeugteilen auf das Werkstück ausgeübten Kräfte einander nach außen hin aufheben.Auch die relativen Längs- und/oder Radialbewegungen, insbesondere -schwing-ungen,erfolgen zweckmäßig im Gegentakt, und zwar so, daß die resultierenden Komponenten.der durch die Relativbewegungen auf das Werkstück ausgeübten Kräfte möglichst geringwerden.Recommended for similar relative movements of both tool partsit is,. adapt these to each other by z. B. the turning movements of both partsrun in opposite directions and are dimensioned as much as possible so that those of bothTool parts on the workpiece cancel forces exerted on the outside of each other.The relative longitudinal and / or radial movements, in particular vibrations,take place expediently in push-pull, in such a way that the resulting components.the forces exerted on the workpiece by the relative movements are as low as possiblewill.
Alle* diese Relativbewegungen zwischen den Werkzeugteilenoder dem Werkzeug einerseits und dem Werkstück andererseits sind in ihren Wirkungenauf das Werkstück in starkem Maße vom Werkstoff des Werkstückes abhängig.All* these relative movements between the tool parts or the tool on the one hand and the workpiece on the other hand are in their effects on the workpiece largely dependent on the material of the workpiece.
Neben der polierenden, eine besonders gute Einhaltung des gewünschtenDurchmessers gewährleistenden Wirkung ist die reibungsvermindernde und/oder hämmerndeWirkung derartiger Schwingungen von großer Bedeutung. Das erfindungsgemäße Verfahrenist also z. B. beim Ziehen von Drähten besonders hoher Durchmesserkonstanz, beiRohren, vorteilhaft anwendbar. Auch besondere', unerwünschte werkstoffbedingte Erscheinungen,wie das beim Ziehen harter Werkstoffe, z. B. bei Wolfram auftretende Spalten, könnendurch die Erfindung vermieden werden, Ein weiterer Erfindungsgedanke beruht auf* der Tatsache, daß die Probleme beim Ziehen denen beim Drücken eines Werkstoffesdurch Matrizen sehr ähnlich sind, und besteht deshalb indem Vorschlag, diedrei genannten Relativbewegungen auch dann anzuwenden, wenn &i- Werkstoff durchdie Düse gedrückt oder gedrückt und gezogen' wird. Obwohl dies auch bei Metallenvon Bedeutung ist, wird dadurch das Anwendungsgebiet der Erfindung wesentlich erweitertund z. B. auf weiche Werkstoffe ausgedehnt. Zum Beispiel werden die Kunststoffe,Pulver oder b#eiförmige Stoffe usw. Üblicherweise durchDüsen gedrückt, stranggepreßt,in Formen gespritzt oder gesponnen. Auch in diesen Fällen sind die genannten Relativbewegungenvorteilhaft anwendbar. Die Vorteile bestehen in einer Herabsetzung der Reibung unddamit z. B. in einer Erhöhung der Spinngeschwindigkeit, mit der der Kunststoff durchdie Düse gleiten kann.In addition to the polishing effect, which ensures particularly good compliance with the desired diameter, the friction-reducing and / or hammering effect of such vibrations is of great importance. The inventive method is therefore such. B. when drawing wires with particularly high diameter constancy, for pipes, advantageously applicable. Also special ', undesirable material-related phenomena, such as when drawing hard materials, e.g. B. occurring in tungsten columns can be avoided by the invention A further inventive idea is based on* the fact that the problems in the drawing which are very similar when pressing a material by matrices and, therefore, isthe proposal, the relative movements of said three Can also be used when & i material is pushed or pushed and pulled through the nozzle. Although this is also important for metals, the field of application of the invention is significantly expanded and z. B. extended to soft materials. For example, the plastics, powders or egg-shaped materials, etc. are typically forced through nozzles, extruded, injected into shapes, or spun. In these cases, too, the mentioned relative movements can advantageously be used. The advantages are a reduction in friction and thus z. B. in an increase in the spinning speed with which the plastic can slide through the nozzle.
Selbstverständlich betrifft die Erfindung nur solche Stoffe, die infolgegenügend hoher Viskosität, also innerer Festigkeit, die Erzeugung der gewünschtenrelativen Bewegungen zwischen Düse bzw. Dorn einerseits und dem Werkstoff andererseitsi,zul,assen.Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung ist die Herstellung gereckter Kunststofffäden,bei der eine Herabsetzung der Reibung sich günstig auswirkt. Außerdem kann dem Kunststofffadengemäß der Erfindung z. R- durch entsprechende Formgebung der rotierenden oder »atmenden«Düse eine schrauben- oder ringförmige Quermusterung gegeben werden, so daß die Fadenoberflächenicht mehr ganz glatt und/oder glänzend, sondern griffig und/oder matt ist.Of course, the invention relates only to those substances as a resultsufficiently high viscosity, i.e. internal strength, to produce the desiredrelative movements between the nozzle or mandrel on the one hand and the material on the otherAnother application example of the invention is the production of stretched plastic threads,in which a reduction in friction has a beneficial effect. In addition, the plastic threadaccording to the invention z. R- by appropriate shaping of the rotating or "breathing"Nozzle a helical or ring-shaped cross pattern can be given, so that the thread surfaceis no longer completely smooth and / or shiny, but rather grippy and / or matt.
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| DESCH2248ADE955943C (en) | 1950-05-23 | 1950-05-23 | Method and device for deforming elongated workpieces, e.g. for pulling pipes using vibrations |
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