DE10054232A1

DE10054232A1 - Extrusion tool with ceramic die has one endface of die against stop surface and energy-store element acting on opposite endface of die

Info

Publication number: DE10054232A1
Application number: DE2000154232
Authority: DE
Inventors: Klaus Siegert; Aribert Schwager
Original assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Current assignee: INSTITUT FUER UMFORMTECHNIK UNIVERSITAET STUTT, DE
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: DE10054232B4

Abstract

The tool includes a die (1) made of ceramic material, the inside of which has a decreasing cross section with an extrusion shoulder. Axial pre-stressing is applied to the die. The die lies with one endface against a stop surface. An energy store element such as a dish spring (5) acts with a pre-stressing force (F) on the other endface (1.4) of the die.

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.The invention relates to a tool using Ceramics, especially an extrusion tool, according to the Preamble of the first claim, which used especially for full forward extrusion becomes.

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).There are numerous solutions for forming tools known, in which the die is made from ceramic (US 682.360; JP 04200311; G. Schwier :, wire 4/99 Wire Forming with cores of high-performance ceramics; W. Nester, stress of cup electrodes reverse Extrusion dies with ceramics due to mechanical stress, Diss. Institute for Forming Technology, University of 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.A disadvantage of using ceramics is that through this very brittle material during the forming process the inner wall of the die, tensile stresses occurring failed. It is already known tangential and absorb radial tensile stresses through a multi-ring system. This is intended to compensate for the axial tensile stresses be that the ring by axial pressure stresses is biased. However, the known solutions are the same the different thermal expansions in the thermal and voltage stress or eventual Settlement phenomena of the screw connections are insufficient.

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.The object of the invention is to use a tool of ceramics, which can be developed even at high thermal loads and thereby occurring different coefficients of thermal expansion constant preload in the form of axial and radial Guaranteed compressive stresses on the ceramic matrix and thus a break from those occurring during the forming process Excludes tensile stress.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This task is carried out with the features of the first claim solved. Advantageous designs result from the Dependent claims.

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.The tool using ceramics, in particular Extrusion tool, has a matrix (insert) made of ceramic on, the die on its inner contour, for example a reduction in cross-section with a flow shoulder has and an axial preload on the die (Insert) is applied. According to the invention Die with an end face on a stop surface being on an opposite end face of the die an energy-storing element with a biasing force F acts. This is advantageously energy-saving Element as a compression spring, preferably in the manner of a Disc spring formed. The ceramic one The matrix is supported on one in the radial direction Ring made of a material with a high modulus of elasticity and in the axial direction on the contact surface Pressure piece with a high modulus of elasticity.

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.The plate spring is on the one hand with your Radial outside diameter on a surrounding the die Reinforcement and on the other hand on their inner diameter on the Face of the die. The stop surface on which the die with its opposite the disc spring End face rests is on a first pressure piece educated.

Vorteilhafter Weise ist die Matrize radial geteilt, vorzugsweise wird wenigstens eine Teilungsebene in Richtung des Werkstoffflusses vor der Fließschulter der Matrize angeordnet.The die is advantageously divided radially, preferably at least one division level in Direction of material flow in front of the flow shoulder of the Arranged die.

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.The reinforcement that surrounds the die consists of at least one outer ring and one inner ring, wherein arranged between these further middle reinforcement rings can be and after the ceramic matrix a ring from one Material arranged with a high modulus of elasticity becomes. The height of the outer ring of the reinforcement will advantageously chosen so that the arranged in it Includes elements.

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.The plate spring has a clampable edge area and a pressure surface acting on the die. Between the clamping edge area and the printing area is one of groundbreaking curvature of the die. Furthermore points the disc spring one, with the subsequent bore aligned with the die and corresponding to it, Through hole on.

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.The plate spring lies against the die facing surface of the edge area on the face of the inner or middle reinforcement and with that of the Groundbreaking surface of the edge area on a die Shoulder of the outer reinforcement.

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.However, it is also possible that the disc spring on the in Direction to the die-facing surface of the edge area a reinforcement and with the one pointing away from the die Area of the edge area on a shoulder one with the screwable outer reinforcement, nut abuts.

Das erste Druckstück wird vorzugsweise über eine, mit der äußeren Armierung verschraubbare, Mutter in dem Werkzeug verspannt und sollte einen großen Elastizitätsmodul aufweisen. The first pressure piece is preferably one with which outer armoring screwable, nut in the tool braced and should have a large modulus of elasticity exhibit.

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.Between the pressure surface of the disc spring and the die a second pressure piece can also be arranged. This is preferably in the form of a ring with a spherical surface trained whose outer diameter and inner diameter the subsequent outside diameter and Correspond to the inside diameter of the die.

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.By using an appropriately sized Belleville spring becomes a simple and elegant way created the required prestressing of the ceramic matrix regardless of signs of settlement or under to guarantee final thermal expansion coefficients afford, and thus the lifespan of such Tools are significantly extended or use a ceramic matrix can be made possible in the first place.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on a Embodiment and associated drawings closer explained. Show it:

Fig. 1 Werkzeug, bei welchem die Tellerfeder an einem Absatz der Armierung anliegt,Wherein the plate spring abuts Fig. 1 tool on a shoulder of the reinforcement,

Fig. 2 Werkzeug, bei welchem die Tellerfeder an einem Absatz einer mit der Armierung verschraubten Mutter anliegt. Fig. 2 tool in which the plate spring rests on a shoulder of a nut screwed to the reinforcement.

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.In Fig. 1, a variant of a 3-armed tool represented by a matrix 1 made of ceramic. The inner ring 2 , a middle ring 3 and an outer ring 4 adjoins the die 1 radially. The die 1 consists of two parts 1.1 and 1.2 , the division plane T being in the direction of the material flow (arrow direction) in front of the flow shoulder 1.3 . The die 1 rests with an end face 1.4 on the pressure face 5.1 of a plate spring 5 . The plate spring 5 is fixed with its edge 5.2 between a shoulder 4.1 of the outer ring 4 of the reinforcement and the middle ring 3 .

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.Between the edge area 4.1 and the pressure surface 5.1 there is a curvature 5.3 pointing away from the die. Furthermore, the plate spring 5 has a through-bore 5.4 which is flush with the adjoining bore 1.6 of the die 1 and is adapted in diameter.

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.On the opposite side of the tool, a first pressure piece 6 is clamped in the outer ring 4 via a nut 7 against the middle ring 3 , the inner ring 2 and the die 1 . The pressure piece 7 is mounted on its outer diameter via a centering ring 8 and has a through hole 6.1 , which is aligned with the hole 1.7 of the die 1 and corresponds to its diameter.

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.By tensioning the pressure piece 6 against the die 1 and thus against the plate spring 5 , a prestressing force Fv is introduced into the die 1 , which generates axial compressive stresses.

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.For assembly, the plate spring 5 is first inserted into the outer ring 4 so that it rests against its shoulder 4.1 . Subsequently, the middle ring 3 , inner ring 2 and the die 1 located therein are inserted and the centering ring 8 is inserted. Finally, the first pressure piece 6 is screwed with the nut 7 against the die 1 , the inner ring 2 and the middle ring 3 , the die 1 being pressed and prestressed against the pressure surface 5.1 of the plate spring 5 . To remove the composite of the inner ring 2 with the die 1 , however, the entire tool must be dismantled.

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.Alternatively, FIG. 2 shows an embodiment variant in which the plate spring 5 is screwed in. At the end of the tool in which the plate spring 5 is located, the plate spring 5 was screwed against a shoulder 4.2 of the outer ring 4 via a nut 9 . Between the pressure surface 5.1 of the plate spring and the die 1 , a second pressure piece 10 z. B. arranged with a spherical surface, via which the biasing force Fv is introduced. The outside and inside diameter of the pressure piece 10 essentially correspond to the outside and inside diameter of the adjoining region 1.1 of the die 1 . To release the bond between the inner ring 2 and the die 1 from the tool, first the pressure piece 6 and then the plate spring 5 are released . Now the inner ring 2 and die 1 can be pressed out.

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.In both exemplary embodiments. Fig. 1 and 2, the height of the outer ring 4 has the reinforcement advantageously chosen so that it includes the elements arranged therein.

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.This new tool concept combines with the one used Disc spring the advantages of a space-saving construction with the requirement for only a slight tilting of the Contact surfaces. The deformation applied during prestressing the disc spring is compared to the different ones Operating conditions, very large, so it is possible to Deformation of the joined disc spring in advance determine and take into account during production.

Claims

1. Tool using ceramic, in particular extrusion tool, the die (insert) consists of ceramic and has a cross-sectional reduction with a flow shoulder on its inner contour and an axial prestress is applied to the die (insert), characterized in that die with a Face rests against a stop surface and that an energy-storing element with a biasing force F acts on an opposite end face of the die.

2. Tool according to claim 1, characterized in that the matrix made of ceramic in radial Direction on a ring made of a material with a supports high modulus of elasticity.

3. Tool according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the existing ceramic Die in the axial direction on a pressure piece a material with a high modulus of elasticity supported.

4. Tool according to claim 1, characterized in that the energy-storing element as a compression spring is trained.

5. Tool according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the energy-storing Element is designed as a plate spring.

6. Tool according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the plate spring with its outer diameter radially on one, the die surrounding, reinforcement and their inner diameter abuts the face of the die.

7. Tool according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the die on the, the Disc spring opposite, face of the die abuts a first pressure piece.

8. Tool according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the die is radial is divided.

9. Tool according to claim 8, characterized in that at least one division level in the direction of Material flow in front of the flow shoulder of the die is arranged.

10. Tool according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the reinforcement at least one outer ring and one inner ring consists.

11. Tool according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that between the outer Ring and the inner ring of the armouring further middle reinforcement rings are arranged.

12. Tool according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the outer ring of the Reinforcement at the height arranged in it Includes elements.

13. Tool according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that the plate spring a clamped edge area and one on the die has effective printing area and that between the clamping edge area and the printing area one of the dome has pioneering curvature.

14. Tool according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the plate spring a with the subsequent drilling of the die aligned and this corresponding through hole having.

15. Tool according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that the plate spring on the in the direction of the die facing surface of the Edge area on the face of the inner or medium reinforcement and with that from the die groundbreaking surface of the edge area on one shoulder the outer reinforcement.

16. Tool according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that the plate spring on the in the direction of the die facing surface of the Edge area on a reinforcement and with that of Groundbreaking surface of the edge area on a die One shoulder, with the outer armor screwable nut.

17. Tool according to one or more of claims 1 to 16, characterized in that the first pressure piece via a screwable to the outer reinforcement, Mother is attachable.

18. Tool according to one or more of claims 1 to 17, characterized in that between the Pressure surface of the disc spring and the die a second Pressure piece is arranged.

19. Tool according to claim 18, characterized in that the second pressure piece in the form of a ring is whose outside diameter and inside diameter are the same subsequent outer diameter and Correspond to the inside diameter of the die.