DE3323377A1

DE3323377A1 - Heated prestressed forging die for isothermal deformation of metals

Info

Publication number: DE3323377A1
Application number: DE19833323377
Authority: DE
Inventors: Claudio Dr.-Ing. 5508 Baden-Rütihof Boer; Hans Dr.-Ing. 5413 Birmenstorf Rydstad
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-07-21
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1984-01-26
Also published as: CH657548A5

Abstract

Heated, prestressed forging die for isothermal deformation of metals, consisting of an inner, actual die body (1), an annularly arranged, electrically and thermally insulating ceramic body (3) which surrounds said die body directly and in which an inductive heating coil (2) is embedded, a pressing body (4) producing the radial prestress, and also an annular structural member which is arranged between the ceramic body (3) and the pressing body (4) and serves for magnetic field control and can be designed as an annular electrical conductor (5) for screening or as a magnetic segment (8) or magnetic ring (9) for conducting the magnetic field. <IMAGE>

Description

Beheiztes vorgespanntes Schmiedegesenk für isothermesHeated pre-tensioned forging die for isothermal

Umformen von Metallen Die Erfindung geht aus von einem Schmiedegesenk nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.Forming of metals The invention is based on a forging die according to the preamble of claim 1.

Das isotherme Umformen setzt - wie schon der Name besagt -eine gleichmässige Temperatur von Werkzeug und Werkstück in Funktion des Ortes und der Zeit für den gesamten Verformungsprozess voraus. Dies bedingt, dass das Werkzeug beheizt werden muss. Im allgemeinen hat sich die induktive Heizung als vorteilhaft erwiesen und allgemein in der Praxis durchgesetzt. Dies gilt insbesondere für Titan-und Nickelbasislegierungen (siehe z.B. G. Schröder, Isctermes und superplastisches Umformen beim Gesenkschmieden, Werkstatt und Betrieb 113, 1980, Heft 11, S. 765-770).As the name suggests, isothermal forming creates a uniform one Temperature of tool and workpiece as a function of location and time for the entire deformation process ahead. This requires that the tool be heated got to. In general, inductive heating has proven to be advantageous and generally enforced in practice. This is especially true for titanium and nickel-based alloys (see e.g. G. Schröder, Isctermes and superplastic forming in drop forging, Werkstatt und Betrieb 113, 1980, Issue 11, pp. 765-770).

Schmiedegesenke zur Formgebung von Hochtemperaturlegierungen, insbesondere Nickelbasislegierungen sind im Betrieb sehr hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für die mit dem Werkstück in Berührung kommenden Oberflächen, wobei in gewissen kritischen Zonen hohe Zugspannungen mit der Gefahr der Haarrissbildung auftreten können. Um diese Zugspan- nungen wenigstens zum Teil abzubauen, ist es prinzipiell möglich, das Werkzeug unter eine Druckvorspannung zu setzen. Dies kann beispielsweise durch einen Schrumpfring geschehen, wie er in vielen Bereichen der Technik Verwendung findet. Derartige gewöhnliche, unbeheizte, vorgespannte Schmiedegesenke sind schon vorgeschlagen worden (siehe z.B. T.Altan, F.W.Boulger, J.R.Becker, N.Akgerman, H.J.Henning, Forging Equipment, Materials, and Practices, Battelle, Columbus Laboratories, Metalworking DivisIon, Sponsored by Air Force Materials Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio 45433, October 1973, Metals and Ceramics Information Center, A Department of Defense Information Analysis Center).Forging dies for shaping high-temperature alloys, in particular Nickel-based alloys are subject to very high thermal and mechanical loads in operation exposed. This applies in particular to those that come into contact with the workpiece Surfaces, with high tensile stresses with the risk in certain critical zones the formation of hairline cracks can occur. To get this tension at least to partially dismantle, it is in principle possible to put the tool under pressure to put. This can be done, for example, by a shrink ring, as shown in is used in many areas of technology. Such ordinary, unheated, Prestressed forging dies have already been proposed (see e.g. T.Altan, F.W.Boulger, J.R.Becker, N.Akgerman, H.J. Henning, Forging Equipment, Materials, and Practices, Battelle, Columbus Laboratories, Metalworking Division, Sponsored by Air Force Materials Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio 45433, October 1973, Metals and Ceramics Information Center, A Department of Defense Information Analysis Center).

Die für das isotherme Gesenkschmieden vorgeschlagenen Werkzeug-Werkstoffe wie Molybdän- und Nickelbasislegierungen sowie Warmarbeitsstähle genügen in vielen Fällen n Form einfacher Gesenke den stets steigenden Anforderungen im Betrieb nicht mehr. Andererseits sind gewöhnlicne vorgespannte Werkzeuge von aussen nicht heizbar, da der Wäwmefluss ja durch das die Vorspannung erzeugende Bauelement (Press- oder Schrumpfring oder ähnliches) hindurchgehen und dieser in seiner mechanischen Festigkeit beeinträchtigen würde.The proposed tool materials for isothermal drop forging such as molybdenum and nickel-based alloys as well as hot-work steels are sufficient in many Cases in the form of simple dies do not meet the ever-increasing demands in the company more. On the other hand, ordinary pre-tensioned tools cannot be heated from the outside, since the heat flow is caused by the component generating the prestress (press or Shrink ring or the like) go through and this in its mechanical strength would affect.

Es besteht daher ein grosses Bedürfnis nach einer verbesserten Werkzeugkonstruktion, welche beide durch den Stand der Technik gegebenen Möglichkeiten, die -elzbarkeit und die Vorspannung, in gleicher Weise zu nutzen gestattet.There is therefore a great need for an improved tool design, which are both possibilities given by the state of the art, the elusibility and the bias to be used in the same way.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein beheiztes, vorgespanntes Schmiedegesenk anzugeben, welches insbesondere für das isotherme Umformen von Metallen, speziell von schwer verformbaren Legierungen und zur Herstellung kompli- ziert geformter Werkstücke geeignet ist und womöglich die Erzeugung eines Endprodukts in einem einzigen Arbeitsgang gestattet. Gleichzeitig soll das Werkzeug vergleichsweise höhere Arbeitstemperaturen und/oder höhere Pressdrücke erlauben und längere Standzeiten als herkömmliche Schmiedegesenke aufweisen.The invention is based on the object of a heated, prestressed Specify forging die, which is particularly suitable for isothermal forming of metals, especially of difficult to deform alloys and for the production of compli- adorns shaped workpieces is suitable and possibly the production of an end product permitted in a single operation. At the same time, the tool should be comparatively higher working temperatures and / or higher pressing pressures allow and longer service lives than conventional forging dies.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Tell des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out by the characterizing part of the claim 1 specified features solved.

Der der Erfindung zugrunde liegende Leitgedanke besteht in einer völligen örtlichen und funktionellen Trennung des eigentlichen Werkzeugkörpers vom die Vorspannung erzeugenden Teil durch ein thermisch und elektrisch isolierendes kraftübertragendes Bauelement.The guiding principle on which the invention is based is a complete one local and functional separation of the actual tool body from the preload generating part by a thermally and electrically insulating force-transmitting Component.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention is explained by means of the following figures Embodiments described.

Dabei zeigt: Fig. 1 den Längsschnitt durch ein aus Oberteil und Unterteil bestehendes Schmiedegesenk mit Schrumpfring als Presskörper und magnetischer Abschirmung, Fig. 2 den halben Grundriss des Unterteils des Schmiedegesenks gemäss Fig. 1, Fig. 3 den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks mit Wickel aus Metallband als Presskörper, Fig. 4 den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks mit Lagen aus Metalldraht als Presskörper, Fig. 5 den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks mit Schrumpfring als Presskörper und in Umfangsrichtung geblechten magnetischen Segmenten, Fig. 6 den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks mit Schrumpfring als Presskörper und in radialer Richtung geblechtem magnetischem Ring, Fig. 7 den halben Grundriss des Unterteils des Schmiedegesenks gemäss Fig. 5 und Fig. 6, Fig. 8 den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks mit wickel aus isoliertem Magnetband, Fig. 9 den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks mit mehreren Lagen aus isoliertem Magnetdraht, Fig. 10 ein Diagramm des Spannungsverlaufs in Funktion des Radium in einem rotationssymmetrischen Schmiedegesenk.1 shows the longitudinal section through one of the upper part and the lower part existing forging die with shrink ring as press body and magnetic shielding, FIG. 2 the half plan view of the lower part of the forging die according to FIG. 1, FIG. 3 shows half the longitudinal section through the lower part of a forging die with a coil Metal band as a press body, Fig. 4 is half the longitudinal section through the lower part of a Forging die with layers of metal wire as Press body, Fig. 5 half the longitudinal section through the lower part of a forging die with a shrink ring as a pressed body and magnetic segments laminated in the circumferential direction, FIG. 6 half the longitudinal section through the lower part of a forging die with a shrink ring as a press body and a magnetic ring laminated in the radial direction, Fig. 7 den half plan view of the lower part of the forging die according to FIG. 5 and FIG. 6, FIG. 8 half the longitudinal section through the lower part of a forging die with wrap insulated magnetic tape, Fig. 9 is a half longitudinal section through the lower part of a Forging die with several layers of insulated magnet wire, Fig. 10 is a diagram the stress curve as a function of the radium in a rotationally symmetrical forging die.

Fig. 1 stellt den Längsschnitt durch ein aus eIner Cberteil und einem Unterteil bestehendes Schmiedegesenk dar, welches der Einfachheit halber rotationssymmetrisch nusgeführt ist. Selbstverständlich kann der >ur die Formgebung des Werkstücks massgebende zentrale Raum auch eIne beliebige andere Form aufweisen. 1 ist der innere, eigentliche Gesenkkörper, der aus einer wartnfesten Legierun-, z.3.Fig. 1 shows the longitudinal section through one of an upper part and a Lower part of the existing forging die, which for the sake of simplicity is rotationally symmetrical is operated. Of course, he can change the shape of the workpiece decisive central space also have any other shape. 1 is the inner one, actual die body, which is made of a maintenance-proof alloy, e.g. 3.

einer Molybdänlegierung (TZ) oder einer Nickelbasislegierung oder einem Warmarbeitsstahl besteht. 2 stellt die induktive Heizspule in Form eines Wer,dels dar. Der hiefür vorgesehene elektrische Leiter kann runden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Zur besseren Wärmeabfuhr wird er vorzugsweise als Hohlleiter mit Flüssigkeitskühlung ausgeführt. Die induktive Heizspule 2 ist in einem elektrisch und thermisch isolierenden, ringförmigen Keramikkörper 3 fest eingebettet. Dieser Keramikkörper 3 wird vorzugsweise aus einzelnen sektorförmigen, aus A1203 oder ZrO bestehenden Steinen mit einem Zentriwinkel von z.B. 60° (auch 90° oder 45° möglich) ausgeführt, damit er möglichst nur radiale Kräfte überträgt und keine eigenen Ringspannungen aufweist. Wichtig ist, dass der Keramikkörper 3 eine hohe Druckfestigkeit und Zähigkeit besitzt, um möglichst grosse Radialkräfte ohne Beschädigung auf den Gesenkkörper 1 übertragen zu können. Das Ganze wird durch einen aus hochfestem Stahl bestehenden Schrumpfring 4 zusammengehalten, der unter einer tangentialen Zugspannung (Ringspannung) steht. Um den Schrumpfring 4 vor zusätzlicher, durch das Magnetfeld der Heizspule 2 hervorgerufenen Wlrbelstromerwärmung zu schützen, ist zur Steuerung des Magnetfeldes ein ringförmiges Bauelement vorgesehen. Im vorliegenden Fall besteht das letztere aus einem einen elektrisch geschlossenen Hohlzylinder bildenden elektrischen Leiter 5 mit hoher Leitfähigkeit, der als magnetische Abschirmung dient. Der das Magnetfeld verdrängende elektrische Leiter kann aus Silber, Kupfer oder Aluminium bestehen und muss eine von der Frequenz der verwendeten Induktionsheizung abhängige, aus der Abschirmtechnik bekante minimale Dicke aufweisen. Im allgemeinen sollte die Dicke etwa das 2- bis 4-fache der sogenannten Eindringtiefe des Magnetfeldes betragen. Es ist vorteilhaft, den Schrumpfring 4 und/oder den ringförmigen elektrischen Leiter 5 zusätzlich. zu kühlen (nicht gezeichnet!). Um die vom Schrumpfring 4 ausgebte radiale Vor spannung möglichst gut auszunützen, erhebt sich die Forderung, im elektrischen Leiter 5 die Gewölbewirkung (tangentiale Ringspannung) zu unterdrücken. Dies kann in vorteilhafter Welse dadurch geschehen, dass der Leiter 5 aus mehreren, sich tangential überlappenden, im wesentlichen nur Radialkräfte übertragenden Segmenten aufgebaut wird. Diese bilden als Ganzes einen galvanisch geschlossenen Stromkreis, so dass die magnetische Abschirmwirkung gewährleistet ist. Die Ueberlappung der Segmente kann dabei in einer herkömmlichen radial-tangeneialen Stufe bestehen oder die Segmente können in ihrem Querschnitt Evolventenform besitzen, wobei ein ringförmiges Paket sicn aneinander anschmiegender Lamellen gebildet wird. Dies Ist in Fig. 2, Bezugszeichen 5 an Ende des zweiten Quadranten (linke Seite) angedeutet.a molybdenum alloy (TZ) or a nickel-based alloy or a hot work tool steel. 2 represents the inductive heating coil in the form of a Wer, dels The intended electrical conductor can be round, square or rectangular Have cross-section. For better heat dissipation, it is preferably used as a waveguide executed with liquid cooling. The inductive heating coil 2 is electrical in one and thermally insulating, annular ceramic body 3 firmly embedded. This Ceramic body 3 is preferably made of individual sector-shaped, A1203 or ZrO existing stones with a central angle of e.g. 60 ° (90 ° or 45 ° also possible) designed so that it only transmits radial forces and no ring stresses of its own having. It is important that the ceramic body 3 has high compressive strength and toughness possesses the greatest possible radial forces without damaging the die body 1 to be able to transfer. The whole is supported by a high-strength steel Shrink ring 4 held together, which is subject to tangential tensile stress (ring stress) stands. To the shrink ring 4 in front of additional, by the magnetic field of the heating coil 2 to protect the turbulent flow caused by heating is to control the magnetic field an annular component is provided. In the present case, the latter is the case from an electrical conductor forming an electrically closed hollow cylinder 5 with high conductivity, which serves as a magnetic shield. The magnetic field Displacing electrical conductors can consist of silver, copper or aluminum and must be dependent on the frequency of the induction heating used the shielding technology known to have minimal thickness. In general, the Thickness about 2 to 4 times the so-called penetration depth of the magnetic field. It is advantageous to use the shrink ring 4 and / or the annular electrical conductor 5 in addition. to cool (not shown!). About the one from the shrink ring 4 the radial pre-tensioning must be used as well as possible, the requirement arises, to suppress the arching effect (tangential ring stress) in the electrical conductor 5. This can be done in an advantageous manner that the conductor 5 consists of several, tangentially overlapping, essentially only radial forces transmitting segments is being built. As a whole, these form a galvanically closed circuit, so that the magnetic shielding effect is guaranteed. The overlap of the Segments can consist in a conventional radial-tangential step or the segments can have an involute shape in their cross-section, one being annular Package sicn clinging slats is formed. This is in Fig. 2, Reference number 5 indicated at the end of the second quadrant (left side).

In Fig. 2 ist der Grundriss (nur eine Hälfte) des Unterteils des Schmiedegesenks gemäss Fig. 1 dargestellt. Alle Bezugszeichen entsprechen der Fig. 1. Die Fig. 2 erklärt sich von selbst und ist im Zusammenhang mit der Fig. 1 zu betrachten.In Fig. 2 is the plan (only one half) of the lower part of the forging die shown in FIG. 1. All reference symbols correspond to FIG. 1. FIG. 2 is self-explanatory and has to be considered in connection with FIG. 1.

Fig. 3 zeigt den halben Längsschnitt durch das verteil eines Schmiedegesenks anderer Ausführung. Die Bezugszeichen 1, 2, 3 und 5 sind mit denjenigen der Fig. i identisch und entsprechen den gleichen Bauelementen. Der äussere Presskörper wird hier jedoch durch einen unter tangentialer Vorspannung stehenden, spiralförmigen Wickel aus einem Metallband 5 hoher Festigkeit gebildet. Die Vorspannung soll vorteilhafterweise mindestens 300 YtPa betragen. Als Metallband 6 kann vor allem ein vergütetes, kaltgewalztes Stahlband verwendet werden.Fig. 3 shows half the longitudinal section through the distribution of a forging die different execution. The reference numerals 1, 2, 3 and 5 are identical to those of FIGS. i identical and correspond to the same components. The outer press body becomes here, however, by a spiral-shaped one under tangential prestress Winding formed from a metal band 5 of high strength. The bias should be advantageous be at least 300 YtPa. A tempered, cold-rolled one can be used as the metal strip 6 Steel band can be used.

In Fig. 4 ist der halbe Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks einer weiteren Ausführung dargestellt.In Fig. 4 is half the longitudinal section through the lower part of a forging die shown in another embodiment.

Die Bezugszeichen 1, 2, 3 und 5 entsprechen denjenigen der Fig. 1. Der äussere Presskörper besteht aus einer oder mehreren Lagen schraubenförmig aufgewickelten Metalldraht es 7 hoher Festigkeit. Die tangentiale Vorspannung kann hier vortelihafterweise mindestens 500 MPa betragen. Auch hier kann bevorzugt vergüteter, kaltgezogener (patentierter) Stahldraht verwendet werden.The reference numerals 1, 2, 3 and 5 correspond to those of FIG. 1. The outer press body consists of one or more layers wound in a helical manner Metal wire it 7 high strength. The tangential preload can be advantageous here be at least 500 MPa. Here, too, tempered, cold-drawn ones can be preferred (patented) steel wire can be used.

Fig. 5 behandelt eine weitere Ausführung des Schmiedegesenks und zeigt den halben Längs schnitt des entsprechenden Unterteils. Die Bezugszeichen 1 bis 4 entsprechen genau der Fig. 1. Zur Steuerung des Magnetfeldes der Heizspule 2 ist als ringförmiges Bauelement hier ein Körper vorgesehen, der einen Teil des magnetischen Kreises bildet und auf diese Weise die magnetischen Feldlinien in sich "hineinsaugt".Fig. 5 deals with another embodiment of the forging die and shows half the lengthwise section of the corresponding lower part. The reference numerals 1 to 4 correspond exactly to FIG. 1. To control the magnetic field of the heating coil 2 is as a ring-shaped component here a body is provided, which is part of the magnetic Forms a circle and in this way "sucks" the magnetic field lines into itself.

Dieser körper besteht aus mehreren, in Umfangsrichtung (tangential) geblechten magnetischen Segmenten 8. Letztere sollen aus einem weichmagnetischen Material hoher Permeabilität und hoher Sättigungsinduktion bestehen. Dazu kann im allgemeinen Transformatoren- oder Dynamoblech, kaltgewalze es Blech oder in Spezialfällen eine Sonderlegierung (z.B. Permalloy) verwendet werden. Die noch zulässige Blechdicke hängt von der Frequenz der induktiven Heizanlage ab. Für höhere Frequenzen scheiden geblechte Segmente 8 aus. Diese können aber vorteilhafterweise durch weichmagnetische Ferrite hoher Permeabilitat, hoher SättigungsinduktIon und hoher Druckfestigkeit ersetzt werden.This body consists of several, in the circumferential direction (tangential) laminated magnetic segments 8. The latter should consist of a soft magnetic Material of high permeability and high saturation induction exist. This can be done in the general transformer or dynamo sheet, cold rolled sheet or in special cases a special alloy (e.g. Permalloy) can be used. The still permissible sheet thickness depends on the frequency of the inductive heating system. Divide for higher frequencies laminated segments 8 from. These can, however, advantageously be replaced by soft magnetic ones Ferrites with high permeability, high saturation induction and high compressive strength be replaced.

In Fig. 6 ist der halbe Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks ähnlicher Ausführung wie Fig. 5 dargestellt. Die Bezugszeichen 1 bis 4 entsprechen dabei der Fig. 5 bzw. Fig. 1. 9 ist ein in radialer Richtung ge- blechter magnetischer Ring, der zur Aufnahme des magnetischen Rückflusses dient.In Fig. 6 is half the longitudinal section through the lower part of a forging die a similar embodiment to that shown in FIG. 5. The reference numerals 1 to 4 correspond 5 and 1. 9 is a radial direction tinny magnetic ring, which is used to absorb the magnetic return flow.

In Fig. 7 ist der halbe Crndriss des Unterteils eines Schmiedegesenks nach den vorstehenden zwei Ausführungen dargestellt. Dabei zeigt der erste Quadrant die Anordnung gemäss Fig. 5, der vierte Quadrant diejenige gemäss Fig. 6.In Fig. 7 is the half elevation of the lower part of a forging die shown according to the above two statements. The first quadrant shows the arrangement according to FIG. 5, the fourth quadrant that according to FIG. 6.

Die Bezugszeichen entsprechen jeweils denjenigen der Fig. 5 bzw. Fig. 6. Diese Figur bedarf keiner weiteren Er-'äuterung.The reference numerals correspond to those of FIG. 5 and FIG. 6. This figure does not need any further explanation.

Fig. 8 stellt den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks einer weiteren Ausführungsvariante dar. Die Bezugszeichen 1 bis 3 entsprechen denjenigen der Fig. 1. Hier bilden der aussere Presskörper und das zur Steuerung des MaSnetfeldes vorgesehene Bau element eine kompakte funktionelle Einheit. Letztere stellt wieder Teil des magnetischen Kreises dem Heizspule 2 dar, "saugt" also die magnetischen Feldlinien sozusagen In sich hinein.Fig. 8 shows half the longitudinal section through the lower part of a forging die represents a further embodiment. The reference numerals 1 to 3 correspond to those 1. Here form the outer press body and that for controlling the MaSnetfeldes intended component a compact functional unit. The latter represents again Part of the magnetic circuit is the heating coil 2, so it "sucks" the magnetic ones Field lines, so to speak, into oneself.

Im vorliegenden Fall besteht diese Einheit aus einem Wickel aus isoliertem, unter einer tangentialen Uorspannung stehenden Magnetband 10. Das Magnetband 10 kann aus einem stark kaltverfestigten weichmagnetischen Material wie niedriggekohltem Stahl, Nickellegierung etc. bestehen, welches mindestens einseitig eine elektrisch Iscllerende Oberflächenbeschichtung trägt. Letztere sollte auch bei höheren Temperaturen (bis mindestens 150 C oder höher) beständig sein. Dafür kommen z.B. spezielle Kunststoffe in Lack- oder Folienform sowie keramische Schichten in 3etracht. Eine isolierende Al2O3-Schicht genügender Stärke (einige kann z.B. dadurch erzeugt werden, dass ein Stahlband einseitig mit einer dünnen Aluminiumfolie plattiert und letztere nachträglich anodisch oxydiert wird.In the present case, this unit consists of a coil of insulated, Magnetic tape 10 under a tangential initial tension. The magnetic tape 10 can be made from a strongly work-hardened soft magnetic material such as low-carbon Steel, nickel alloy, etc. are made, which at least one side has an electrical Insulating surface coating bears. The latter should also be used at higher temperatures (up to at least 150 C or higher). For example, special plastics are used for this in lacquer or foil form as well as ceramic layers in 3etracht. An isolating one Al2O3 layer of sufficient thickness (some can e.g. be created by a Steel band clad on one side with a thin aluminum foil and the latter afterwards is anodically oxidized.

Fig. 9 stellt den halben Längsschnitt durch das Unterteil eines Schmiedegesenks ähnlich Fig. 8 dar. Die Bezugszeichen 1 bis 3 entsprechen dieser letzteren Fig. sowie Fig. 1. Das Magnetband 10 ist durch mehrere Lagen von isoliertem Magnetdraht 11 ersetzt. Die Verhältnisse ergeben sich analog zur letztgenannten Ausführung. Der Draht kann mit Aluminium beschichtet und letzteres anodisch oxydiert sein. Im allgemeinen kann bei Draht die tangentiale Vorspannung höher sein als bei Band. Demgegenüber ist beim Band die magnetische Leitung in der Bandebene besser.Fig. 9 shows half the longitudinal section through the lower part of a forging die similar to FIG. 8. The reference numerals 1 to 3 correspond to this latter FIG. and FIG. 1. The magnetic tape 10 is made up of several layers of insulated magnet wire 11 replaced. The relationships are analogous to the last-mentioned version. The wire can be coated with aluminum and the latter can be anodically oxidized. in the In general, the tangential pre-tensioning of wire can be higher than that of strip. In contrast, the magnetic conduction in the belt plane is better with the belt.

In Fig. 10 ist ein Diagramm des Spannungsverlaufs in Funktion des Radius in einem rotationssymmetrischen Schmiedegesenk ähnlich Fig. 1 dargestellt. Die Bezugszeichen des halben Längsschntts im oberen Teil der Fig. 10 entspreerzen dabei denjenigen der Fig. 1. Kurve a stellt den Spannungsverlauf im vorgespannten Gesenk bei Raumtemperatur dar. Kurve b bezieht sich auf die Wärmespannungen bei Betriebstemperatur des Gesenks. Kurve c stellt die durch die Umformkräfte (Presskräfte) im Betrieb verursachten Spannungen im Gesenk dar. Kurve d zeigt schliesslich den durch Superposition der Kurven a bis c erhaltenen Verlauf der totalen resultierenden Spannungen des vorgespannten Gesenks im Betrieb. Man sieht, dass für dieses Ausführungsbeispiel eines Gesenks auch unter den Setriebsbedingungen im eigentlichen Gesenkkörper 1, insbesondere an dessen innerer, dem Werkstück zugewandten kritischen Oberfläche nur Druckspannungen auftreten.10 is a diagram of the voltage curve as a function of the Radius shown in a rotationally symmetrical forging die similar to FIG. 1. The reference numerals of half the longitudinal section in the upper part of FIG. 10 correspond that of FIG. 1. Curve a represents the voltage curve in the preloaded Die at room temperature. Curve b relates to the thermal stresses at Operating temperature of the die. Curve c represents the forming forces (pressing forces) shows the stresses in the die caused during operation. Finally, curve d shows the by superposition of the curves a to c obtained course of the total resulting Stresses in the prestressed die during operation. It can be seen that for this embodiment of a die even under the operating conditions in the actual die body 1, especially on its inner critical surface facing the workpiece only compressive stresses occur.

Die zur Erwärmung von metallischen Werkstoffen (Werkzeuge wie Werkstücke) entwickelten induktiven Heizanlagen werden mit verschiedenen Frequenzen gebaut. Im allgemeinen bewegen sie sich ungefähr im Tonfrequenzbereich. Die gewahlte Frequenz ist vom zu erwärmenden Werkstoff und dessen Dimen- sionen abhängig. Dabei stellen die untersten Frequenzen in der Regel die üblichen industrie-Netzfrequenzen (50 und 60 Hz) dar, während die oberen 20-50 kHz oder auc mehr betragen können. Im vorliegenden Fall sind die Ausführungen gemäss Fig. 5, Fig. 5, Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 9 vor allem für Frequenzen bis ca. 100 Hz geeignet, während die Varianten gemäss Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 für höhere Frequenzen (z.B. 1 bis 20 kHz) Verwendung finden können. Dasselbe gilt für Fig. 7, falls das magnetische Segment 8 als weichmagnetischer Ferritkörper ausgeführt wird.The heating of metallic materials (tools such as workpieces) developed inductive heating systems are built with different frequencies. In general, they are roughly in the audio frequency range. The chosen frequency depends on the material to be heated and its dimensions sions dependent. The lowest frequencies are usually the usual industrial network frequencies (50 and 60 Hz), while the upper ones can be 20-50 kHz or more. In the present case, the explanations according to FIG. 5, FIG. 5, FIG. 7, FIG. 8 are and FIG. 9 is particularly suitable for frequencies up to approx. 100 Hz, while the variants according to Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 and Fig. 4 for higher frequencies (e.g. 1 to 20 kHz) Can be used. The same applies to Fig. 7 if the magnetic segment 8 is designed as a soft magnetic ferrite body.

Ausführungsbeispiel I: Siehe Fig. 1 und Fig. 2.Embodiment I: See FIGS. 1 and 2.

Ein Schmiedegesenk wurde nach den Prinzipien der obengenannten Figuren hergestellt. Der aus einer Molybdänlegierung (TZM) bestehende innere, eigentliche Gesenkkörper 1 hatte eine äussere zylindrische Begrenzung mit einem Aussendurchmesser von 160 mm und einer Höhe von 110 mm. Die die Form des Werkstücks bestimmende rotationssymmetrische zentrale Vertiefung wies einen grössten Durchmesser von 35 mm auf.A forging die was made according to the principles of the above figures manufactured. The inner, actual one, consisting of a molybdenum alloy (TZM) Die body 1 had an outer cylindrical boundary with an outside diameter of 160 mm and a height of 110 mm. The rotationally symmetrical one that determines the shape of the workpiece central depression had a largest diameter of 35 mm.

Die induktive Heizspule 2 wies 5 Windungen auf und war an einen Mittelfrequenzgenerator mit einer Frequenz von 10 kHz und einer Leistung von 12 kW angeschlossen. Der Keramikkörper 3 hatte einen Aussendurchmesser von 260 mm und bestand aus 6 sektorförmigen SteInen mit einem Zentriwinkel von je 600. Das Material war dichtgesintertes Al 203 mit einer Dichte von 98 % des theoretischen Wertes und einer Druckfestigkeit bei Raumtemperatur von ca. 1000 MPa. Der Schrumpfring 4 hatte einen Innendurchmesser von 253 mm, einen Aussendurchmesser von 350 mm und eine Höhe von 110 mm.The inductive heating coil 2 had 5 turns and was connected to a medium frequency generator connected with a frequency of 10 kHz and a power of 12 kW. The ceramic body 3 had an outside diameter of 260 mm and consisted of 6 sector-shaped stones with a central angle of 600 each. The material was densely sintered Al 203 with a density of 98% of the theoretical value and a compressive strength at room temperature of approx. 1000 MPa. The shrink ring 4 had an inner diameter of 253 mm, a Outside diameter of 350 mm and a height of 110 mm.

Er war aus einem hochwertigen vergüteten Cr/Ni/Mo-Stahl hoher Festigkeit (Streckgrenze mindestens 1400 MPa) gefertigt. Der ringförmige elektrische Leiter 5 bestand aus einem Kupferzylinder von 260 mm Innen- und 268 mm Aus sendurchmesser, bei einer Wandstärke von 4 mm. Er war zwecks Ableitung der Wärme an seinen Stirnseiten mit einer Wasserkühlung versehen.It was made of a high-quality, tempered, high-strength Cr / Ni / Mo steel (Yield point at least 1400 MPa). The ring-shaped electrical conductor 5 consisted of a copper cylinder of 260 mm inner and 268 mm From send diameter, with a wall thickness of 4 mm. He was in order to dissipate the heat provided with water cooling on its front sides.

Mit dem Schmiedegesenk wurden isotherme Umformversuche mit einer Nickelbasislegierung durchgefüht. Die Schmiedetemperatur betrug dabei 1000°C. Die Presskraft des Stempels betrug 3000 kN, was einem Pressdruck im grössten Querschnitt des Werkstücks in der Teilungsebene des Gesenks von ca.Isothermal forming tests with a nickel-based alloy were carried out with the forging die carried out. The forging temperature was 1000 ° C. The pressing force of the punch was 3000 kN, which corresponds to a pressing pressure in the largest cross-section of the workpiece in the Division level of the die from approx.

500 MPa entsprach. Unter der Annahme beinahe isostatischer Druckverreilung im Gesenk kann man sich eine Vorstellung von der hohen Werkstoffbeanspruchung desselben machen, da diese Pressdrücke entsprechend hohe Ringspannungen im Gesenk zur Folge haben, die unter ungünstigen Bedingungen In die gleiche Grössenordnung fallen können. Die Vorspannung des Gesenks - im Idealfall bis zum vollständigen Abbau der positiven Ringspannungen (tangentiale Zugspannungen an der Oberfläche des Werkzeugs) - ist daher durchaus gerechtfertigt. Die Verformungsgeschwindigkeit (Stempelgeschwindigkeit) betrug im vorliegenden Fall im Mittei 1 mm/sec.500 MPa corresponded. Assuming almost isostatic pressure distribution in the die you can get an idea of the high stress on the material make, since these pressing pressures result in correspondingly high hoop stresses in the die which, under unfavorable conditions, can be of the same order of magnitude. The preload of the die - ideally until the positive ones are completely removed Hoop stresses (tangential tensile stresses on the surface of the tool) - is therefore entirely justified. The deformation speed (punch speed) in the present case was on average 1 mm / sec.

Ausführungsbeispiel II: Siehe Fig. 3.Embodiment II: See FIG. 3.

Ein Schmiedegesenk zur Fertigung von Turbinenschaufeln wurde gemäss Fig. 3 aufgebaut. Der aus einer Molybdänlegierung bestehende eigentliche Gesenkkörper 1 hatte einen Aussendurchmesser von 250 mm bei einer Höhe von 140 mm. Die die Form des Werkstücks bestimmende Vertiefung hatte eine Länge von ca. 120 mm bei einer Breite von ca. 60 mm. Die induktive Heizspule 2 wies 6 Windungen auf und war an einen Mittelfrequenzgenerator mit einer Frequenz von 2 kHz und einer Leistung von 20 kW angeschlossen. Der Keramlkkörper 3 wies einen Aussendurchmesser von 360 mm auf und war nach einem Verfahren hergestellt, das ein "Giessen" auch verwickelter Hohlformen gestattet. Dabei wird beispielsweise ein Granulat bzw. Pulvergemisch einer bestimmten Körnung, enthaltend Al2O3-Partikel und Keramik-Zement in Wasser aufgeschlämmt, so dass eine giessfähige Paste entsteht. Die in eine entsprechende Form eingefüllte Paste wir einem stufenweisen Trocknungs- und Abbindungsprozess unterworfen und kann - falls notwendig - gegebenenfalls noch gebrannt werden. Im vorliegenden Fall wurde ein Produkt von Alooa (Vertretung in Lausanne, Schweiz) verwendet. Die verbleibende Porosität betrug noch ca. 12 %. Der aussere Presskörper bestand aus 50 Lagen aus patentIertem Stahl hoher Festigkeit (Streckgrenze mindestens 1600 MPa) und hatte einen Innendurchmesser tron 372 mm und einen Aussendurchmesser von 442 mm. Der ringförmige elektrische Leite 5 bestand aus einem Paket sich überlappender, nach einer Evolvente gemäss linkem Teil in Fig. 2 geformten, ,7 mm dicken Kupferlamellen, welche stirnseitig über das Profil des Gesenks vorkragen und ln einen torusförmigen Kühlkanal (Flüssigkeitskühlung) ragten. Der das Paket umschreibende Hohlzylinder hatte einen Innendurchmesser von 360 mm und einen Aussendurchmesser von 372 mm, bei einer Wandstärke von 6 mm.A forging die for the production of turbine blades was according to Fig. 3 constructed. The actual die body consisting of a molybdenum alloy 1 had an outside diameter of 250 mm and a height of 140 mm. The the shape of the workpiece determining recess had a length of about 120 mm for a Width of approx. 60 mm. The inductive heating coil 2 had 6 turns and was on a medium frequency generator with a frequency of 2 kHz and one Power of 20 kW connected. The ceramic body 3 had an outside diameter of 360 mm and was produced by a process that also called "casting" entangled hollow forms permitted. For example, a granulate or powder mixture is used of a certain grain size, containing Al2O3 particles and ceramic cement in water slurried so that a pourable paste is formed. Which in a corresponding Form-filled paste undergoes a step-by-step drying and setting process and can - if necessary - be fired if necessary. in the In the present case, a product from Alooa (agency in Lausanne, Switzerland) used. The remaining porosity was still approx. 12%. The outer press body consisted of 50 layers of patented high-strength steel (yield point at least 1600 MPa) and had an inner diameter of 372 mm and an outer diameter of 442 mm. The ring-shaped electrical conductor 5 consisted of a package of overlapping, 7 mm thick copper lamellae shaped according to an involute according to the left part in Fig. 2, which protrude at the front over the profile of the die and in a toroidal shape Cooling channel (liquid cooling) protruded. The hollow cylinder circumscribing the package had an inside diameter of 360 mm and an outside diameter of 372 mm, with a wall thickness of 6 mm.

Ausführungsbeispiel III: Siehe Fig. 5 und Fig. 7.Embodiment III: See FIGS. 5 and 7.

Nach den Prinzipien der obengenannten Figuren Wurde e-n grosses Schmiedegesenk zur isothermen Umformung von Bauteilen für Gas- und Dampfturbinen hergestellt. er aus einer hochwarmfesten Nickellegierung (IN 100) bestehende eigentliche Gesenkkörper wies einen Aussendurchmesser von 500 mm und eine Höhe von 250 mm auf. Die die Form des Werk- stücks bestimmende Vertiefung hatte einen maximalen Durchmesser von ca. 350 mm. Die induktive Heizspule 2 wies 12 Windungen auf und war an einem Ofentransformator mit kapazitiver Kompensation für die Netzfrequenz von 50 Hz mit einer Leistung von 100 kW angeschlossen. Der Keramikkörper 3 hatte einen Aussendurchmesser von 650 mm und bestand aus 8 sektorförmigen Steinen mit einem Zentriwinkel von je 450 Das Material war reines A1203 mit einer Dichte von 99,7 % des theoretischen Werts und einer Druckfestigkeit bei Raumtemperatur von ca. 3000 MPa. Der Schrumpfring 4 bestand aus zwei konzentrischen, ineinandergesteckten Ringen mit den Durchmessern 700 mm, 800 mm, 900 mm. Das Materlal war ein hochwertiger vergüteter Spezialstahl höchster Festigkeit (Streckgrenze mindestens 100 MPa). Der einen Teil des magnetischen Kreises zur Führung des magnetischen Flusses dienende Körper war aus 12 in Umfangsrichtung geflechten magnetischen Segmenten 8 aufgebaut. Als Material wurde gewöhnliches Dynamoblech verwendet. Der durch die Segmente 8 begrenzte Hohl zylinder hatte einen Innendurchmesser von 650 mm, einen Aussendurchmesser von 700 mm und eine Wandstärke von 25 mm. Er war imstande, praktisch den gesamten magnetischen Rückfluss bei einer magnetischen Induktion zu führen, die weniger als 30 % der Sättigungsinduktion betrug. Zwecks Abführung der durch den Keramikkörper 3 radial abgeleiteten Wärme wurden die magnetischen Segmente 8 mit einer Flüssigkeitskühlung ausgerüstet.According to the principles of the above figures, a large forging die was made for isothermal forming of components for gas and steam turbines. he The actual die body made of a highly heat-resistant nickel alloy (IN 100) had an outside diameter of 500 mm and a height of 250 mm. The the shape of the work piece-defining recess had a maximum diameter of approx. 350 mm. The inductive heating coil 2 had 12 turns and was on one Oven transformer with capacitive compensation for the mains frequency of 50 Hz with connected to a power of 100 kW. The ceramic body 3 had an outside diameter of 650 mm and consisted of 8 sector-shaped stones with a central angle of each 450 The material was pure A1203 with a density of 99.7% of the theoretical Value and a compressive strength at room temperature of approx. 3000 MPa. The shrink ring 4 consisted of two concentric, nested rings with the diameters 700 mm, 800 mm, 900 mm. The material was a high quality tempered special steel highest strength (yield point at least 100 MPa). One part of the magnetic Circle for guiding the magnetic flux serving body was from 12 in the circumferential direction braided magnetic segments 8 constructed. Ordinary dynamo sheet metal was used as the material used. The hollow cylinder delimited by the segments 8 had an inner diameter of 650 mm, an outside diameter of 700 mm and a wall thickness of 25 mm. He was capable of practically all magnetic return flux in a magnetic Lead induction that was less than 30% of the saturation induction. For the purpose of Dissipation of the heat radially dissipated by the ceramic body 3 became the magnetic Segments 8 equipped with liquid cooling.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen und Figuren angegebenen Daten beschränkt. Insbesondere kann der Isolierende Keramikkörper 3 aus auch einem anderen Werkstoff als A1203, so beispielsweise aus einer geeigneten, lediglich einen gewissen hohen Prozentsatz von Al 0 ent-23 haltender Mischung von keramischen Stoffen bestehen. Für Sonderausführungen empfiehlt sich Hochtemperaturkeramik wie z.B. ZrO. Als magnetisch leitfähige Werkstoffe an der Stelle von geblechten magnetischen Segmenten 8 empfehlen sich für höhere und höchste Frequenzen insbesondere Massekerne (Gemenge feiner magnetischer Partikel In isolierender Bindung) und weichmagnetische Ferrite hoher Permeabilität und Sättigungsinduktion, wie sie von der Nachrichtentechnik her bekannt sind. Im allgemeinen empfiehlt es sich, das zur Steuerung des Magnetfeldes der Heizspule 2 vorgesehene ringförmige Bauelement, unabhängig davon, ob es sich um eine magnetische Abschirmung (5) oder um einen, den magnetischen Fluss führenden Körper (8, 9, 10, 11) handelt, mit einer zusätzlichen Kühlvorrichtung zu versenden. Diese kann in vorteilhafter Weise z.B. an den Stirnseiten des ringförmigen Bauelements angebracht werden. Die Empfehlung wird für den Fall der Verwendung von Ferriten praktisch zur Forderung, da der Curie-Punkt dieser Materia ien tief liegt und nicht überschritten werden darf. zur eIgentliche Gesenkkörper 1 kann aus einer hoch-warmfesten Molybänlegierung, aus einer geeigneten Nickelbasislegierung oder einem Warmarbeitsstahl bestehen. Die Wahl des Werkzeug Werkstoffs richtet sich nach der gewünschten Schmiedetemperatur, die ihrerseits wieder vom Werkstoff des zu verformenden Werkstücks abhängt. In gewissen Fällen kann es sich als vorteilhaft erweisen, den Keramikkörper 3 vom eigentlichen Gesenkkörper 1 zusätzlich thermisch zu isolieren, wobei jedoch in Betracht zu ziehen ist, dass durch den vergrösserten Radialabstand der Heizspule 2 die magnetische Kopplung und damit die Leistungsübertragung verschlechtert wird. Man wird also diese gegebenenfalls einzubauende zusatzliche IsolatIon in ihrer Dicke so FieO wie möglich halten. Als isoliermaterial bieten Sich Matten, Filze oder pappeartige Werkstoffe auf der Basis von Al2O3-Fasern an, welche Temperaturen bis ca. 1400°C aushalten können. Durch eine derartige rlngtcörmige Zwischenlage wird die Temperatur an der zylindrischen Innenfläche des Keramikkörpers 3 gesenkt, so dass sich innerhalb desselben kein gefährlicher Temperaturgradient (Thermoschockempfindlichkeit) einstellen kann.The invention is not limited to the exemplary embodiments and figures specified dates are limited. In particular, the insulating ceramic body 3 made of a material other than A1203, for example a suitable, only a certain high percentage of Al 0 containing mixture of ceramic materials. High-temperature ceramics are recommended for special designs how e.g. ZrO. As magnetically conductive materials in place of laminated magnetic ones Segments 8 are recommended for higher and highest frequencies, in particular ground cores (Mixture of fine magnetic particles in an insulating bond) and soft magnetic Ferrites of high permeability and saturation induction, such as those used in communications engineering are known ago. In general, it is best to use this to control the magnetic field the heating coil 2 provided annular component, regardless of whether it is around a magnetic shield (5) or around one that conducts the magnetic flux Body (8, 9, 10, 11) is to be shipped with an additional cooling device. This can be done in an advantageous manner, e.g. on the end faces of the annular component be attached. The recommendation is made for the case of using ferrites practically to the requirement that the Curie point of these materials is deep and not may be exceeded. for the actual die body 1 can consist of a high-temperature resistant Molybdenum alloy, made from a suitable nickel-based alloy or a hot-work steel exist. The choice of tool material depends on the desired forging temperature, which in turn depends on the material of the workpiece to be deformed. In certain Cases it can prove to be advantageous to remove the ceramic body 3 from the actual Die body 1 also has to be thermally insulated, although this must be taken into account is that due to the increased radial distance of the heating coil 2, the magnetic Coupling and thus the power transmission is deteriorated. So you become this Any additional insulation to be built in is as thick as possible keep. Mats, felt or cardboard-like materials can be used as insulating material based on Al2O3 fibers, which can withstand temperatures of up to approx. 1400 ° C can. By such an elongated intermediate layer will the Temperature on the cylindrical inner surface of the ceramic body 3 is lowered so that there is no dangerous temperature gradient within it (thermal shock sensitivity) can adjust.

Claims

P a t e n t a n s p r u c h e 1. Heated, pre-stressed forging die for isothermal forming of metals, characterized in that an inner, actual die body (1) made of a heat-resistant alloy with one in one insulating ceramic body (3) firmly embedded inductive heating coil (2) and a an outer press body (4, 5, 7) generating a radial preload and one for controlling the magnetic field of the heating coil (2) provided annular component (5, 8, 9, 10, 11) forms a piste, compact unit.

2. forging die according to claim 1, characterized in that the inner, actual die body (1) made of a molybdenum alloy and the ceramic body (3) consists of individual sector-shaped stones made of Al 203 or ZrO.

3. forging die according to claim 1, characterized in that the outer press body consists of a shrink ring (4) made of high-strength steel.

4. forging die according to claim 1, characterized in that the outer press body made of a spiral-shaped body under tangential prestress Coil is made of high strength metal tape (6).

5. Forging die according to claim 1, characterized in that the outer press body made of a screw-shaped body under tangential prestress Bestent in one or more layers of high strength metal wire (7) wound.

6. forging die according to claim 1, characterized in that the for controlling the magnetic field of the heating coil (2) provided ring-shaped component represents a magnetic shield and an electrically closed one Hollow cylinder forming electrical conductor (5) of high conductivity.

7. forging die according to claim 6, characterized in that the electrical conductors (5) made up of several tangentially overlapping, one closed Circuit forming, essentially only radial forces transmitting segments consists.

8. forging die according to claim 1, characterized in that the for controlling the magnetic field of the heating coil (2) provided ring-shaped component represents a part of the magnetic circuit and of several, in the circumferential direction laminated magnetic segments (8) or from one laminated in the radial direction magnetic ring (9) consists of a soft magnetic material of high permeability.

9. forging die according to claim 1, characterized in that the for controlling the magnetic field of the heating coil (2) provided ring-shaped component represents a part of the magnetic circuit and of several, only radial forces transmitting segments of a soft magnetic ferrite of high permeability and magnetic saturation induction and high compressive strength.

10. forging die according to claim 1, characterized in that the outer press body and the one provided for controlling the magnetic field of the heating coil (2) ring-shaped component form a functional unit, which the end a roll of insulated magnetic tape (10) or of several layers of insulated Magnet wire (11) exists and is at the same time under a tangential bias.