DE102004005879B4

DE102004005879B4 - Werkzeug mit einer eine Fließschulter aufweisenden Matrize, insbesondere Fließpresswekzeug

Info

Publication number: DE102004005879B4
Application number: DE200410005879
Authority: DE
Inventors: Aribert Prof. Dr.-Ing. Schwager; Klaus Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Siegert; Alexander Dr.-Ing. Felde
Original assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Current assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: DE102004005879A1

Abstract

Werkzeug mit einer eine Fließschulter (2) aufweisenden Matrize, insbesondere Fließpresswerkzeug, wobei die Matrize in einer Aufnahmehülse (8) sitzt und über Federelemente axial vorspannbar ist, dadurch gekennzeichnet,
– dass eine Tellerfeder (T) die axiale Vorspannung der Fließschulter (2) erzeugt, wobei ein äußerer Armierungsring (6) eine Schulter (6.1) aufweist, gegen welche die Tellerfeder (T) oder der Boden (8.1) der Aufnahmehülse (8) wirkt und welche die axiale Vorspannung auf die Fließschulter (2) überträgt,
oder
– dass die maximal zu erreichende axiale Vorspannung bei einem als Feder ausgebildeten Boden (8.1) der Aufnahmehülse (8) durch die Änderung der Dicke des Bodens (8.1) einstellbar ist,
oder
– dass die axiale Vorspannung der Fließschulter (2) durch den Einsatzwerkstoff und/oder die geometrische Form der Wand der Aufnahmehülse (8) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einer eine Fließschulter aufweisenden Matrize, insbesondere ein Fließpresswerkzeug, nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Es sind bereits zahlreiche Lösungen für Umformwerkzeuge bekannt, bei welchen die Matrize aus Keramik gefertigt wird ( US 682,360 ; JP 06122034 A ; 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 Druckspannungen vorgespannt wird. Die bekannten Lösungen gleichen jedoch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen bei der thermischen- und Spannungsbeanspruchung oder eventuelle Setzerscheinungen der Verschraubungen nur ungenügend aus. Ein Fließpresswerkzeug mit einer Matrize (Einsatz) aus Keramik wird in DE 100 54 232 A1 beschrieben. Dabei besitzt die Matrize an ihrer Innenkontur beispielsweise eine Querschnittsverringerung mit einer Fließschulter. Auf die Matrize wird eine axiale Vorspannung (Einsatz) durch eine Tellerfeder aufgebracht. 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 Druckstück ausgebildet. Diese Lösung ist ebenfalls zu aufwändig.

Ein in DE 198 04 700 A1 beschriebenes Formwerkzeug für das Fließpressen weist beispielsweise eine aus Keramik bestehende Matrize auf, die von einem mit radialer Vorspannung an ihr anliegenden Spannring umgeben wird. Matrize und Spannring haben konische Berührungsflächen und sind relativ zueinander verschiebbar. Der Spannring ist von einer unter Vorspannung an ihm anliegenden Armierung umgeben. Beide sind ortsfest an einem Träger angebracht. Die Matrize ist relativ zum Träger verschiebbar und in wählbaren Stellungen durch Arretiermittel am Träger arretierbar. Dadurch kann zwar eine Feineinstellung des kritischen Bezugswertes über einen großen Korrekturbereich vorgenommen werden. Dieses Formwerkzeug gleicht 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 und einen einfachen Aufbau aufweist.

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

Das Werkzeug unter Verwendung einer Matrize, insbesondere Fließpresswerkzeug weist eine radial vorgespannte Matrize auf, die in einer Aufnahmehülse sitzt und über Federelemente axial vorgespannt werden kann.

Erfindungsgemäß

– erzeugt eine Tellerfeder die axiale Vorspannung der Fließschulter, wobei ein äußerer Armierungsring eine Schulter aufweist, gegen welche die Tellerfeder oder der Boden der Aufnahmehülse wirkt und welche die axiale Vorspannung auf die Fließschulter überträgt, oder
– ist die maximal zu erreichende axiale Vorspannung bei einem als Feder ausgebildeten Boden der Aufnahmehülse durch die Änderung der Dicke des Bodens einstellbar, oder
– ist die axiale Vorspannung der Fließschulter durch den Einsatzwerkstoff und/oder die geometrische Form der Wand der Aufnahmehülse einstellbar.

Die Fließschulter besteht aus Silizium-Nitrid-Keramik. Die Fließschulter und/oder eine über der Fließschulter in zuführeinrichtung des Werkstoffes angeordnete Führungshülse weist dabei ein axiales Übermaß auf. Entgegen der Zuführrichtung des Werkstoffes ist unter der Fließschulter ein Druckstück angeordnet.

Die axiale Vorspannung kann dabei bei einem als Feder ausgebildeten Boden der Aufnahmehülse über ein axiales Übermaß der Fließschulter und/oder des Aufnehmers eingestellt werden. Bei der Erzeugung der axialen Vorspannung durch die Wand der Aufnahmehülse kann die maximal zu erzielende Vorspannung durch den Einsatzwerkstoff und die geometrische Form der Wand der Aufnahmehülse eingestellt werden. Dazu kann die Wandstärke partiell verringert oder vergrößert werden, so dass die gewünschte Federwirkung eintritt. Damit eine Federwirkung im Wandungsbereich realisiert werden kann, weist der Spannhülsenboden eine größere Wandstärke auf als die Hülsenwandung. Die Führungshülse und das Druckstück bestehen vorzugsweise aus Hartmetall.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Werkzeughälfte eines symmetrischen Werkzeuges zum Fließpressen mit als Feder ausgeführtem Boden.
2: Werkzeughälfte eines symmetrischen Werkzeuges zum Fließpressen mit als Feder ausgeführter Hülse.
3: Werkzeughälfte eines symmetrischen Werkzeuges zum Fließpressen unter Verwendung einer Tellerfeder.
1 zeigt ein in der Symmetrieebene geteiltes Werkzeug zum Fließpressen, mit als Feder ausgeführtem Boden 8.1 einer Aufnahmehülse 8 und darin befindlichem Fließpressteil 1. Das Werkzeug besteht aus der keramischen Fließschulter 2, dem Spannring 3, der Führungshülse 4, den Armierungsringen 5, 6, 11, der Aufnahmehülse 8 mit als Feder ausgeführtem Boden 8.1 und dem Spannring 9.
2 zeigt ein in der Symmetrieebene geteiltes Werkzeug zum Fließpressen, mit als Feder ausgeführter Aufnahmehülse 8 und darin befindlichem Fließpressteil 1. Das Werkzeug besteht aus der keramischen Fließschulter 2, dem Spannring 3, der Führungshülse 4, den Armierungsringen 5, 6, 7, der als Feder ausgeführten Aufnahmehülse 8.
3 zeigt ein Werkzeug zum Fließpressen, mit einer Hülse 8 und darin befindlichem Fließpressteil 1. Das Werkzeug besteht aus der keramischen Fließschulter 2, dem Spannring 3, der Führungshülse 4, den Armierungsringen 5, 6, 11 und einer Tellerfeder T.
Die Funktionsweise der Werkzeuge ist die Folgende: Beim Fließpressen mit keramischen Werkzeugeinsätzen sind im Interesse einer langen Lebensdauer dieser Einsätze Zugspannungen zu vermeiden. Hierzu wird die keramische Fließschulter 2 in radialer Richtung vorgespannt. Da während des Umformvorgangs jedoch auch Zugspannungen in axialer Richtung auftreten können, wird die Fließschulter 2 auch in axialer Richtung vorgespannt. Dies kann durch eine Aufnahmehülse 8 (1) erreicht werden, welche den Armierungsverband (2, 4-7, 1) umschließt und deren Boden 8.1 als Feder ausgebildet ist. Um die Fließschulter 2 gezielt in axialer Richtung vorzuspannen, tritt der gesamte Armierungsverband nur über die Führungshülse 4, welche die Fließschulter 2 abstützt, mit dem Boden 8.1 der Aufnahmehülse 8 in Kontakt. Mittels des ersten Spannrings 3, der sich auf der Fließschulter 2 abstützt, und eines zweiten Spannrings 9 wird der Boden 8.1 der Aufnahmehülse 8 elastisch verformt, wodurch in der Fließschulter 2 ein axialer Druckspannungszustand aufgebaut wird.
Dieser axiale Druckspannungszustand kann auch durch eine Aufnahmehülse 8 (2) mit als Feder ausgeführter Hülsenwandung realisiert werden. Auch bei dieser Art der Ausführung umschließt die Aufnahmehülse den Armierungsverband (2, 4-7, 2) vollständig. Hierbei tritt der gesamte Armierungsverband mit dem Boden 8.1 der Aufnahmehülse 8 in Kontakt. Der Boden 8.1 der Aufnahmehülse 8 weist eine deutlich größere Wandstärke auf als Teile der Wandung der Aufnahmehülse. Hierdurch wird beim Eindrehen des Spannrings 3 die Hülsenwandung elastisch verformt. Durch die in der Wandung der Aufnahmehülse 8 entstehenden axialen Zugspannungen wird der gesamte Armierungsverband in axialer Richtung vorgespannt.
Gem. 3 wird die axiale Druckspannung auf die keramische Fließschulter 2 mittels einer Tellerfeder T erzeugt. Die Tellerfeder T sitzt im Bereich ihres Außendurchmessers zwischen dem Boden 8.1 der Aufnahmehülse 8 und einem Außenring 7. Unter der Fließschulter 2 sitzt eine Hartmetallunterlage 10. Diese und die Fließschulter 2 werden von einem Armierungsring 11 radial vorgespannt. Die Führungshülse 4 wird von einer mittleren und einer äußeren Armierung 5, 6 radial vorgespannt. Die äußere Armierung 6 besitzt eine Schulter 6.1, auf welche die Tellerfeder T mit einer Vorspannkraft wirkt. Die Unterseite der äußeren Armierung 6 liegt frei und die unteren Seiten der Führungshülse 4 und der mittleren Armierung 4 liegen an der Oberseite der Fließschulter 2 an, wodurch die axiale Vorspannung über die Tellerfeder T, die Schulter 6.1 der äußeren Armierung 6 sowie die mittlere Armierung 5 und die Führungshülse 4 auf die Fließschulter 2 übertragen wird, welche in Richtung ihrer Unterseile in der Aufnahmehülse 8 über nicht weiter dargestellt Spannelemente axial fixiert ist.

Claims

Werkzeug mit einer eine Fließschulter (2) aufweisenden Matrize, insbesondere Fließpresswerkzeug, wobei die Matrize in einer Aufnahmehülse (8) sitzt und über Federelemente axial vorspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Tellerfeder (T) die axiale Vorspannung der Fließschulter (2) erzeugt, wobei ein äußerer Armierungsring (6) eine Schulter (6.1) aufweist, gegen welche die Tellerfeder (T) oder der Boden (8.1) der Aufnahmehülse (8) wirkt und welche die axiale Vorspannung auf die Fließschulter (2) überträgt, oder – dass die maximal zu erreichende axiale Vorspannung bei einem als Feder ausgebildeten Boden (8.1) der Aufnahmehülse (8) durch die Änderung der Dicke des Bodens (8.1) einstellbar ist, oder – dass die axiale Vorspannung der Fließschulter (2) durch den Einsatzwerkstoff und/oder die geometrische Form der Wand der Aufnahmehülse (8) einstellbar ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließschulter (2) aus Silizium-Nitrid-Keramik besteht.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließschulter (2) und/oder eine über der Fließschulter (2) in Zuführrichtung des Werkstoffes angeordnete Führungshülse (4) ein axiales Übermaß aufweist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass entgegen der Zuführrichtung des Werkstoffes unter der Fließschulter (2) ein Druckstück (10) angeordnet ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke im Wandungsbereich der Aufnahmehülse (8) an mindestens einer Position verringert ist.
Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (8.1) der Aufnahmehülse (8) eine höhere Wandstärke aufweist als die Hülsenwandung.
Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungshülse (4) und das Druckstück (10) aus Hartmetall bestehen.