DE10054232A1 - Werkzeug unter Verwendung von Keramik, insbesondere Fließpreßwerkzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug unter Verwendung von Keramik, insbesondere ein Fließpreßwerkzeug, wobei die Matrize (Einsatz) aus Keramik besteht und an ihrer Innenkontur eine Querschnittsverringerung mit einer Fließschulter aufweist und eine axiale Vorspannung auf die Matrize (Einsatz) aufgebracht wird. Erfindungsgemäß liegt die Matrize (1) mit einer Stirnfläche (1.5) an einer Anschlagfläche an, wobei auf eine gegenüberliegende Stirnfläche (1.4) der Matrize (1) ein energiespeicherndes Element, z. B. eine Tellerfeder (5) mit einer Vorspannkraft F wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug unter Verwendung von Keramik, insbesondere ein Fließpreßwerkzeug, nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs, welches insbesondere zum Voll- Vorwärts- Fließpressen eingesetzt wird.

Es sind bereits zahlreiche Lösungen für Umformwerkzeuge bekannt, bei welchen die Matrize aus Keramik gefertigt wird (US 682,360; JP 04200311; G. Schwier:, Draht 4/99, Drahtumformung mit Kernen aus Hochleistungskeramik; W. Nester, Beanspruchung von Napf- Rückwärts- Fließpreßmatrizen mit Keramik infolge mechanischer Belastung, Diss. Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart, Springer Verlag, 1986).

Nachteilig bei der Verwendung von Keramik ist dabei, daß dieser sehr spröde Werkstoff durch, beim Umformvorgang an der Innenwand der Matrize, auftretende Zugspannungen versagt. Dabei ist es bereits bekannt tangentiale und radiale Zugspannungen durch ein Mehrringsystem aufzunehmen. Die axialen Zugspannungen sollen dadurch kompensiert werden, daß der Ring durch axiale Drukspannungen vorgespannt wird. Die bekannten Lösungen gleichen jedoch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen bei der thermischen- und Spannungsbeanspruchung oder eventuelle Setzerscheinungen der Verschraubungen nur ungenügend aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Werkzeug unter Verwendung von Keramik zu entwickeln, welches auch bei hohen thermischen Belastungen und dadurch auftretenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine ständige Vorspannung in Form von axialen und radialen Druckspannungen auf die Keramikmatrize gewährleistet und somit einen Bruch durch die beim Umformen auftretenden Zugspannungen ausschließt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Werkzeug unter Verwendung von Keramik, insbesondere Fließpreßwerkzeug, weist eine Matrize (Einsatz) aus Keramik auf, wobei die Matrize an ihrer Innenkontur beispielsweise eine Querschnittsverringerung mit einer Fließschulter besitzt und eine axiale Vorspannung auf die Matrize (Einsatz) aufgebracht wird. Erfindungsgemäß liegt die Matrize mit einer Stirnfläche an einer Anschlagfläche an wobei auf eine gegenüberliegende Stirnfläche der Matrize ein energiespeichendes Element mit einer Vorspannkraft F wirkt. Vorteilhafter Weise ist das energiespeichernde Element als Druckfeder, vorzugsweise in der Art einer Tellerfeder ausgebildet. Die aus Keramik bestehende Matritze stützt sich dabei in radialer Richtung auf einem Ring aus einem Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul und in axialer Richtung auf der Anlagefläche eines Druckstücks mit hohem Elastizitätsmodul ab.

Die Tellerfeder liegt dabei einerseits mit ihrem Außendurchmesser radial an einer, die Matrize umgebenden, Armierung und andererseits an ihrem Innendurchmesser an der Stirnfläche der Matrize an. Die Anschlagfläche, an welcher die Matrize mit ihrer, der Tellerfeder gegenüberliegenden, Stirnfläche anliegt, ist an einem ersten Druckstück ausgebildet.

Vorteilhafter Weise ist die Matrize radial geteilt, vorzugsweise wird wenigstens eine Teilungsebene in Richtung des Werkstoffflusses vor der Fließschulter der Matrize angeordnet.

Die Armierung, welche die Matrize umgibt, besteht aus wenigstens einem äußeren Ring und einem inneren Ring, wobei zwischen diesen weitere mittlere Armierungsringe angeordnet sein können und nach der Keramikmatrize ein Ring aus einem Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul angeordnet wird. Die Höhe des äußeren Ringes der Armierung wird vorteilhafter Weise so gewählt, daß die in ihm angeordneten Elemente einschließt.

Die Tellerfeder weist einen einspannbaren Randbereich und eine auf die Matrize wirkende Druckfläche auf. Zwischen dem einspannbaren Randbereich und der Druckfläche ist eine von der Matrize wegweisende Wölbung vorhanden. Weiterhin weist die Tellerfeder eine, mit der sich anschließenden Bohrung der Matrize fluchtende und dieser entsprechende, Durchgangsbohrung auf.

Die Tellerfeder liegt an der in Richtung zur Matrize weisenden Fläche des Randbereiches an der Stirnfläche der inneren oder mittleren Armierung und mit der von der Matrize wegweisenden Fläche des Randbereiches an einer Schulter der äußeren Armierung an.

Es ist jedoch auch möglich, daß die Tellerfeder an der in Richtung zur Matrize weisenden Fläche des Randbereiches an einer Armierung und mit der von der Matrize wegweisenden Fläche des Randbereiches an einer Schulter einer, mit der äußeren Armierung verschraubbaren, Mutter anliegt.

Das erste Druckstück wird vorzugsweise über eine, mit der äußeren Armierung verschraubbare, Mutter in dem Werkzeug verspannt und sollte einen großen Elastizitätsmodul aufweisen.

Zwischen der Druckfläche der Tellerfeder und der Matrize kann auch ein zweites Druckstück angeordnet sein. Dieses ist vorzugsweise in Form eines Ringes mit einer Kugelfläche ausgebildet, dessen Außendurchmesser und Innendurchmesser den sich anschließenden Außendurchmesser und Innendurchmesser der Matrize entsprechen.

Durch die Verwendung einer entsprechend dimensionierten Tellerfeder wird eine einfache und elegante Möglichkeit geschaffen, die erforderliche Vorspannung der Keramik­ matrize unabhängig von Setzerscheinungen oder unter­ schliedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu gewähr­ leisten, und somit kann die Lebensdauer derartiger Werkzeuge wesentlich verlängert werden bzw. der Einsatz einer Keramikmatrize überhaupt erst möglich gemacht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Werkzeug, bei welchem die Tellerfeder an einem Absatz der Armierung anliegt,

Fig. 2 Werkzeug, bei welchem die Tellerfeder an einem Absatz einer mit der Armierung verschraubten Mutter anliegt.

In Fig. 1 wird eine Variante eines 3-fach armierten Werkzeuges mit einer Matrize 1 aus Keramik dargestellt. Radial schließt sich an die Matrize 1 der innere Ring 2, ein mittlerer Ring 3 und ein äußerer Ring 4 an. Die Matritze 1 besteht aus zwei Teilen 1.1 und 1.2, wobei sich die Teilungsebene T in Richtung des Werkstoffflussens (Pfeilrichtung) vor der Fließschulter 1.3 befindet. Die Matrize 1 liegt mit einer Stirnfläche 1.4 an der Druckfläche 5.1 einer Tellerfeder 5 an. Die Tellerfeder 5 ist mit ihrem Rand 5.2 zwischen einer Schulter 4.1 des äußeren Ringes 4 der Armierung und dem mittleren Ring 3 fixiert.

Zwischen dem Randbereich 4.1 und der Druckfläche 5.1 ist eine von der Matrize wegweisende Wölbung 5.3 vorhanden. Weiterhin weist die Tellerfeder 5 eine, mit der sich anschließenden Bohrung 1.6 der Matrize 1 fluchtende und im Durchmesser angepaßte Durchgangsbohrung 5.4 auf.

An der gegenüberliegenden Seite des Werkzeuges ist in den äußeren Ring 4 ein erstes Druckstück 6 über eine Mutter 7 gegen den mittleren Ring 3, den inneren Ring 2 und die Matrize 1 verspannt. Das Druckstück 7 wird an seinem Außendurchmesser über einen Zentrierring 8 gelagert und weist eine Durchgangsbohrung 6.1 auf, die mit der Bohrung 1.7 der Matrize 1 fluchtet und deren Durchmesser entspricht.

Durch verspannen des Druckstückes 6 gegen die Matrize 1 und somit gegen die Tellerfeder 5 wird eine Vorspannkraft Fv in die Matrize 1 eingeleitet, die axiale Druckspannungen erzeugt.

Zur Montage wird zuerst die Tellerfeder 5 in den äußeren Ring 4 eingeführt, so daß diese an dessen Schulter 4.1 anliegt. Anschließend werden mittlerer Ring 3, innerer Ring 2 und die sich darin befindliche Matrize 1 eingeschoben und der Zentrierring 8 eingelegt. Abschließend wird das erste Druckstück 6 mit der Mutter 7 gegen die Matrize 1, inneren Ring 2 und mittleren Ring 3 verschraubt, wobei die Matrize 1 gegen die Druckfläche 5.1 der Tellerfeder 5 gepreßt und vorgespannt wird. Zum Ausbauen des Verbundes des inneren Rings 2 mit der Matrize 1 muß jedoch das gesamte Werkzeug demontiert werden.

Alternativ zeigt Fig. 2 eine Ausführungsvariante, bei welcher die Tellerfeder 5 eingeschraubt ist. An dem Ende des Werkzeuges, in welchem sich die Tellerfeder 5 befindet, wurde dabei über eine Mutter 9 die Tellerfeder 5 gegen einen Absatz 4.2 des äußeren Ringes 4 verschraubt. Zwischen der Druckfläche 5.1 der Tellerfeder und der Matrize 1 ist ein zweites Druckstück 10 z. B. mit einer Kugelfläche angeordnet, über welches die Vorspannkraft Fv eingeleitet wird. Außen- und Innendurchmesser des Druckstückes 10 entsprechen im wesentlichen dem Außen- und Innendurchmesser des sich anschließenden Bereiches 1.1 der Matrize 1. Zum Lösen des Verbundes von innerem Ring 2 und Matrize 1 aus dem Werkzeug wird zuerst das Druckstück 6 und anschließend die Tellerfeder 5 gelöst. Nun können innerer Ring 2 und Matrize 1 ausgepreßt werden.

In beiden Ausführungsbeispielen gem. Fig. 1 und 2 wurde die Höhe des äußeren Ringes 4 der Armierung vorteilhafter Weise so gewählt, daß er die in ihm angeordneten Elemente einschließt.

Dieses neue Werkzeugkonzept vereint mit der eingesetzte Tellerfeder die Vorteile einer raumsparenden Konstuktion mit der Anforderung nach nur geringer Verkippung der Anlageflächen. Die beim Vorspannen aufgebrachte Deformation der Tellerfeder ist, verglichen mit den unterschliedlichen Betriebszuständen, sehr groß, somit ist es möglich, die Verformungen der gefügten Tellerfeder im Voraus zu bestimmen und bei der Fertigung zu berücksichtigen.

Claims (19)

1. Werkzeug unter Verwendung von Keramik, insbesondere Fließpreßwerkzeug, wobei die Matrize (Einsatz) aus Keramik besteht und an ihrer Innenkontur eine Querschnittsverringerung mit einer Fließschulter aufweist und eine axiale Vorspannung auf die Matrize (Einsatz) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß Matrize mit einer Stirnfläche an einer Anschlagfläche anliegt und daß auf eine gegenüberliegende Stirnfläche der Matrize ein energiespeicherndes Element mit einer Vorspannkraft F wirkt.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die aus Keramik bestehende Matritze in radialer Richtung auf einem Ring aus einem Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul abstützt.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die aus Keramik bestehende Matritze in axialer Richtung auf einem Druckstück aus einem Werkstoff mit einem hohen Elastizitätsmodul abstützt.

4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das energiespeichernde Element als Druckfeder ausgebildet ist.

5. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das energiespeichernde Element als Tellerfeder ausgebildet ist.

6. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder mit ihrem Außendurchmesser radial an einer, die Matrize umgebenden, Armierung und an ihrem Innendurchmesser an der Stirnfläche der Matrize anliegt.

7. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize an der, der Tellerfeder gegenüberliegenden, Stirnfläche der Matrize an einem ersten Druckstück anliegt.

8. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize radial geteilt ist.

9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Teilungsebene in Richtung des Werkstoffflusses vor der Fließschulter der Matrize angeordnet ist.

10. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung aus wenigstens einem äußeren Ring und einem inneren Ring besteht.

11. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring der Armierung weitere mittlere Armierungsringe angeordnet sind.

12. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ring der Armierung in seiner Höhe die in diesem angeordneten Elemente einschließt.

13. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder einen einspannbaren Randbereich und eine auf die Matrize wirkende Druckfläche aufweist und daß zwischen dem einspannbaren Randbereich und der Druckfläche eine von der Matrize wegweisende Wölbung vorhanden ist.

14. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder eine mit der sich anschließenden Bohrung der Matrize fluchtende und dieser entsprechende Durchgangsbohrung aufweist.

15. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder an der in Richtung zur Matrize weisenden Fläche des Randbereiches an der Stirnfläche der inneren oder mittleren Armierung und mit der von der Matrize wegweisenden Fläche des Randbereiches an einer Schulter der äußeren Armierung anliegt.

16. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder an der in Richtung zur Matrize weisenden Fläche des Randbereiches an einer Armierung und mit der von der Matrize wegweisenden Fläche des Randbereiches an einer Schulter einer, mit der äußeren Armierung verschraubbaren Mutter anliegt.

17. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Druckstück über eine, mit der äußeren Armierung verschraubbare, Mutter befestigbar ist.

18. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckfläche der Tellerfeder und der Matrize ein zweites Druckstück angeordnet ist.

19. Werkzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Druckstück in Form eines Ringes ausgebildet ist, dessen Außendurchmesser und Innendurchmesser dem sich anschließenden Außendurchmesser und Innendurchmesser der Matrize entsprechen.