Laserunterstütztes ziehringloses Ziehen von Metalldrähten

Beim herkömmlichen Gleitziehen wird ein draht- oder stabförmiges Werkstück durch ein konisches Ziehhohl gezogen, sodaß sich als Folge sein Querschnitt reduziert. Da die Querschnittreduktion pro Zug beschränkt ist, sind meist viele Züge erforderlich um die gewünschte Querschnittsreduktion zu erzielen. Anfang der 70er Jahre wurde eine Modifikation des Gleitziehens, das sogenannte "ziehringlose Ziehen" vorgeschlagen, durch das auf Ziehwerkzeuge verzichtet werden konnte. In der ursprünglichen Realisierung dieses Verfahrens wurde der Draht lokal mittels einer Induktions-spule aufgeheizt und unmittelbar danach durch eine Kühlvorrichtung wieder abgekühlt. Unter der Wirkung einer Zugspannung ist die Querschnittsreduktion nun auf die erwärmte Zone beschränkt. Das Ziehverhältnis wird durch die Vorschubgeschwindigkeiten vor und hinter der Umformzone festgelegt und nicht mehr durch die Abmessungen eines Werkzeugs. Dieses neuartige Verfahren zeigt einige Vorteile gegenüber dem her-kömmlichen Drahtziehen mit Ziehring: - Einfache Änderung der Drahtabmessungen möglich - Größere Durchmesserreduktion in einem Zug realisierbar - Herstellung von Drähten und Stäben mit variablem Durchmesser über der Länge herstellbar - Keine Schmiermittel erforderlich - Umweltfreundlich (im Vergleich zur Erwärmung im Öl- oder Salzbad beim Warmziehen) - Temperaturfeste Werkstoffe können umgeformt werden (z.B. Wolfram, Molybdän) - Thermomechanische Behandlung kann erzielt werden Im Rahmen diese Projektes sollen Grundlagenuntersuchungen zur Verwendung eines Lasers anstelle der Induktionsheizung beim ziehringlosen Drahtziehen angestellt werden. Die Lasererwärmung lässt zusätzliche Vor- teile im Vergleich zum Prozess mit konventioneller Erwärmung erwarten: - Hervorragende räumliche und zeitliche Kontrolle der Energiezufuhr. Dadurch kann die Form des Querschnitts des Drahtes beeinflusst werden, was etwa zur Kompensation einer asymmetrischen Kühlung durch Konvektion ausgenutzt werden kann. - Vertretbare Kosten des Prozesses durch die Verwendung von Hochleistungs-Dioenlasern Als Laserquelle ist der CO2 vorgesehen. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Anordnungen zur Fokussierung und Strahlformung soll der Einfluß der räumlichen Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls auf den verformten Querschnitt untersucht werden. Zur Durchführung der Experimente soll eine kontinuierlich arbeitende Ziehvorrichtung konstruiert werden, die aus einer drehmoment- und drehzahlgesteuerten Aufwickelvorrichtung und einer gebremsten Abwickelvorrichtung bestehen soll. Im Zuge der Experi-mente sollen zunächst Kupfer, Aluminium und Stahldraht mit günstigen Umformeigenschaften gezogen werden. Für einen späteren Schritt ist die Verwendung schlecht kalt umformbarer Werkstoffe (hochlegierte Stähle, Wolfram, Molybdän) geplant. Die unterschiedlichen Bearbeitungsergebnisse sollen nach Gesichtspunkten der Maßhaltigkeit und der metallographischen Eigenschaften begutachtet werden. Neben den Experimenten soll eine numersiche Simulation des Prozesses mittels der Methode der finiten Elemente durchgeführt werden. Die Resultate dieser Rechnung sollen eine Optimierung des Ziehvorganges in bezug auf die Prozessgrenzen und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ermöglichen.

Beim konventionellen Drahtziehen wird eine Draht in mehreren Schritten durch konische Ziehringe mit abnehmenden Durchmessern gezogen, wodurch eine Abnahme des Drahtdurchmessers erzielt wird. Der Verschleiß der Ziehwerkzeuge und die geringe Durchmesserreduktion je Zug als Folge von Reibung und der Zugfestigkeit des Drahtes sind die hauptsächlichen Einschränkungen dieses Verfahrens. Im gegenständlichen Projekt wurde ein ziehringloses Drahtziehverfahren untersucht, das die oben genannten Probleme vermeidet, indem die Ziehwekzeuge durch einen Laserstrahl ersetzt werden, der als lokal wirkende Wärmequelle agiert. In diesem Fall wird die Durchmesserreduktion des Drahtes durch die eingeprägten Geschwindigkeiten vor und hinter der Erwärmungszone definiert. Dieser Prozess erlaubt damit die Festlegung der Durchmesserreduktion alleine durch die Variation von Prozessparametern anstelle durch die Geometrie von Werkzeugen. Zusätzlich wird durch den Wegfall von Reibungskräften in der Umformzone die Ziehkraft reduziert, wodurch größere Umformungen je Umformschritt erzielt werden können. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Ziehvorrichtung unter Verwendung eines 1 kW Diodenlasers als Wärmequelle entwickelt. Die Ziehkraft und die Temperatur in der Umformzone wurden durch Regelkreise kontrolliert. Die Einleitung der Ziehkraft wurde mithilfe eines drehzahlgeregelten Gleichstrommotors und einer elektrisch steuerbaren Lamellenkupplung als Bremse realisiert. Die Messung der Drahtgeschwindigkeit erfolgte mit je einem Resolver vor und hinter der Umformzone. Die Kraft wurde über ein Rad, das senkrecht auf den Draht drückt, abgeleitet. Zur berührungslosen Temperaturmessung wurde schließlich ein Pyrometer verwendet. Um ein steiles Temperaturprofil in axialer Richtung zu erhalten, wurde eine mit Pressluft oder einem Pressluft/Wasser Gemisch arbeitende Kühlvorrichtung hinter der Umformzone angebracht. Die Steuerung des Gesamtsystems erfolgte über einen PC mit analogen und digitalen Eingangs- und Ausgangskarten mittels der graphischen Software LabVIEW. Die Regelkreise für Kraft und Temperatur wurden numerisch simuliert und optimiert. Zur Untermauerung der experimentellen Arbeit wurde eine Simulation mithilfe der Methode der finiten Elemente durchgeführt. Es konnte verifiziert werden, dass im Bereich der interessierenden Ziehgeschwindigkeiten ein einzelner Laserstrahl ausreicht, um eine entsprechend zylindersymmetrische Temperaturverteilung und damit einen kreisförmigen Drahtquerschnitt zu erzielen. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung und demonstrieren die Vorteile des ziehringlosen Drahtziehens gegenüber dem konventionellen Drahtziehen mit Ziehring. Der neuartige Prozess wurde für die Werkstoffe Kupfer, Messing, Aluminium, Stahl und Titan erprobt. Es war möglich, den Drahtquerschnitt in einem Zug um bis zu 30% zu reduzieren. Das macht diesen Prozess interessant für Werkstoffe mit schlechten Kaltumformeigenschaften und hoher Zugfestigkeit.