DE4311249C2 - Formwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Formwerkzeug mit einer Matrize und einem die Matrize umgebenden Vorspan­ nungsring.

Ein solches Formwerkzeug kann zum Kalt-Fließpressen verwendet werden. Gegebenenfalls besteht die Matrize aus Stahl, insbesondere gesintertem Hartmetall.

Bei einem bekannten Formwerkzeug dieser Art (DE 38 34 996 C2), das zum Fließpressen verwendet wird, ist die Matrize zylindrisch, und die Vorspannung durch den Vor­ spannungsring bewirkt, daß eine Plastifizierung, Ermü­ dung oder ein Bruch der Matrize aufgrund eines inneren Überdrucks vermieden wird.

Zum Fließpressen von Werkstücken verwendete Matrizen sind jedoch häufig im Querschnitt und Axialschnitt mehreckig, d. h. sie haben einen Übergang von einer zu der anderen zweier zusammenlaufender Innenflächen der Matrize, die einen Winkel von weniger als 180° ein­ schließen. Im Bereich dieser Übergänge können aufgrund von Kerbwirkungen und der wiederholten zyklischen Bela­ stung sehr hohe Zugspannungen auftreten, die die Fließ­ spannung des Matrizenmaterials überschreiten, oder Ris­ se und Ermüdungsbrüche auftreten.

Die Lebensdauer eines derartigen Formwerkzeugs ist dem­ entsprechend gering. Es ist daher auch bekannt (US-PS 3 810 382), die unter Vorspannung eines Bandwickels ste­ hende Matrize aus mehreren Einzelteilen zusammenzuset­ zen. Eine solche Lösung ist aber kostspielig.

Aus der DE-PS 6 08 449 ist es bekannt, daß an inneren Gesenk-Kanten mit spitzen Innenwinkeln Risse auftreten können. Sie befaßt sich aber nicht damit, die Risse möglichst zu vermeiden, sondern schlägt lediglich vor, hinter den scharfen Kanten zur Begrenzung der von die­ sen ausgehenden Risse Bohrungen vorzusehen. Ein Vor­ spannungsring ist dort-nicht vorgesehen.

Die Druckschrift "Industrie-Anzeiger" Jg. Nr. 51/52 vom 23. Juni 1972, S. 1205, 2. Spalte, 2. Abschnitt und Abb. 30 offenbart eine Armierung einer Hartmetall-Ma­ trize, wobei Teile mit konischen Flächen aneinander­ liegen. Zusätzlich zu einer Radialvorspannung wird eine Axialvorspannung und eine genaue Dimensionierung der Matrize empfohlen.

Auch in einem Bereich der Matrize, in dem ihre radiale Druckbelastung bei der Verformung des Werkstücks von einem niedrigen Wert, zumeist dem Wert null, sprungar­ tig auf einen hohen Wert übergeht, beispielsweise etwa in Höhe der von einem Preßstempel beaufschlagten Stirn­ fläche eines in der Matrize angeordneten Werkstücks bei der Berührung des Randes dieser Stirnfläche mit der Innenseite der Matrize, selbst wenn die Innenseite zy­ lindrisch ist, können solche Risse und Ermüdungsbrüche auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formwerk­ zeug der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das bei Verwendung einer einteiligen Matrize an Übergängen der genannten Art höher belastet werden kann, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung der Matrize besteht.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe für ein Formwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß der Vorspannungsring so ausgebildet ist, daß die durch ihn auf die Matrize ausgeübte radiale Vorspannung im Bereich eines Übergangs von einer zu der anderen zweier zusammenlaufender Innenflächen der Matrize, die einen Innenwinkel von weniger als 180° einschließen, und/oder im Bereich eines sprungartigen Übergangs des durch das Werkstück bei dessen Verformung radial auf die Matrize ausgeübten Drucks von einem niedrigen auf einen hohen Wert kleiner als in den dem Übergang benachbarten Be­ reichen ist.

Bei dieser Lösung ergibt sich eine Biegungsvorspannung um die Übergänge herum. Dadurch wird Rißbildungen ent­ gegengewirkt.

Bei zylindrischer Matrize bzw. zylindrischem Vorspan­ nungsring kann die Verbindung der beiden durch thermi­ sches Aufschrumpfen erfolgen, indem der Vorspannungs­ ring erwärmt oder die Matrize abgekühlt und dann der Vorspannungsring auf die Matrize geschoben wird.

Vorzugsweise sind die Berührungsflächen von Vorspan­ nungsring und Matrize konisch. Dies erleichtert deren Verbindung durch axiales Zusammenpressen, so daß sich ein Preßsitz ergibt.

Vorzugsweise ist wenigstens die eine der beiden Berüh­ rungsflächen von Vorspannungsring und Matrize entspre­ chend der gewünschten Vorspannungsverteilung bearbei­ tet. Statt dessen oder zusätzlich können die Material­ eigenschaften von Matrize und/oder Vorspannungsring entsprechend der gewünschten Vorspannungsverteilung gewählt sein. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung der Radialkräfte im Bereich der Übergänge.

Mit herkömmlichen Schrumpfringen aus massivem Stahl ist es in der Praxis nicht möglich, eine radiale Vorspan­ nungsverteilung mit einer Änderung von mehr als 10 bis 15% zu erreichen.

Durch eine Aufteilung des Vorspannungsrings in wenig­ stens zwei konzentrische Ringe läßt sich jedoch eine Vergrößerung dieser Werte erreichen. Wenigstens einer der Vorspannungsringe kann daher von einer Bandarmie­ rung umgeben sein. Dies verlängert die Lebensdauer des Vorspannungsrings. Darüber hinaus ergibt sich eine Ver­ stärkung der gesamten Armierung von 50 bis 70%, und dementsprechend ist eine Erhöhung der Änderung der Vor­ spannungsverteilung möglich, so daß ihr maximaler Wert bei 175 bis 225% des minimalen Wertes liegen kann.

Sodann kann wenigstens die eine der beiden Berührungs­ flächen von Vorspannungsring und Bandarmierung entspre­ chend der gewünschten Vorspannungsverteilung bearbeitet sein.

Ferner ist es möglich, die Innen- oder Außenseite eines Zwischenrohres, das zwischen Matrize und Vorspannungs­ ring angeordnet ist, oder die am Zwischenrohr anliegen­ de Außenseite der Matrize entsprechend der gewünschten Vorspannungsverteilung zu bearbeiten. Dieses Zwischen­ rohr kann schädliche Auswirkungen auf die Matrize durch bei der Montage und im Betrieb auftretende hohe Kräfte verringern.

In allen Fällen können die Berührungsflächen feinstbe­ arbeitet, z. B. geschliffen sein. Dies ermöglicht eine sehr genaue Ausbildung der gewünschten Vorspannungsver­ teilung.

Sodann kann dafür gesorgt sein, daß der Vorspannungs­ ring Bereiche mit abwechselnden Materialeigenschaften aufweist. Insbesondere kann der Vorspannungsring aus mehreren Ringen mit verschiedenen Materialsteifigkeiten und/oder verschiedenen radialen Abmessungen bestehen. Auf diese Weise ist eine einfache Ausbildung der ge­ wünschten Vorspannungsverteilung möglich.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele von Matrizen mit unterschiedlichen inneren Konturen in schematischer Darstellung im Axialschnitt, bei denen die Erfin­ dung anwendbar ist,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs zur Erläuterung des Erfindungsgedankens, im Axialschnitt,

Fig. 5 bis 13 verschiedene Ausführungsbeispiele er­ findungsgemäßer Formwerkzeuge im Axial­ schnitt und die

Fig. 14 bis 16 Abwicklungen verschiedener Berührungs­ flächen von Matrize und Vorspannungs­ ring.

Das Formwerkzeug nach Fig. 1 enthält eine Matrize 1 in einem Vorspannungsring 2, wobei die Berührungsflächen von Matrize 1 und Vorspannungsring 2 konisch sind. Die Innenseite der Matrize 1 hat einen Übergang 3 in Form einer kreisförmigen Kante, an der eine erste kreiszy­ lindrische Innenfläche 4 in eine konische zweite Innen­ fläche 5 übergeht, wobei die beiden Innenflächen 4 und 5 einen Innenwinkel von weniger als 180° einschließen. Die konische Innenfläche 5 geht sodann an einer weite­ ren Kante 6 in eine dritte kreiszylindrische Innenflä­ che 7 über, wobei die beiden Innenflächen 5 und 7 einen Innenwinkel von mehr als 180° einschließen. Matrize 1 und Vorspannungsring 2 haben konische Berührungsflächen mit gegensinnigem Konuswinkel und sind im Preßsitz zu­ sammengehalten.

Ein solches Formwerkzeug kann zum Formen eines konisch abgestuften Werkstücks oder eines zylindrischen Werk­ stücks mit einem dem Durchmesser der Innenfläche 7 ent­ sprechenden Durchmesser durch Kalt-Fließpressen verwen­ det werden.

Das Formwerkzeug nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die innere Kontur der Matrize 1a als Vierkant ausgebildet ist, dessen Innenflächen 8 an durch die Kanten gebildeten Übergän­ gen 9 unter Innenwinkeln von 90° zusammenlaufen.

In die Matrize 1a eines derartigen Formwerkzeugs kann ein runder Rohling eingebracht werden, der durch Kolben von beiden Stirnseiten her zusammengepreßt wird. Auf diese Weise lassen sich mehrkantige Mutter-Teile her­ stellen, in denen ein Gewinde eingeschnitten wird.

Das Formwerkzeug nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 ebenfalls lediglich in der inneren Kontur der Matrize 1b. Hierbei ist der obere Teil der inneren Kontur sechskantig ausgebildet, dessen Innenflächen an den durch die Kanten gebildeten Übergängen 9 ebenfalls Innenwinkel von weniger als 180°, hier also 60°, ein­ schließen, wobei die Übergänge 9 auch abgeflacht oder abgerundet sein können. Mittels dieses Formwerkzeugs können Werkstücke in teilweise runder und sechseckiger Form durch Kalt-Fließpressen hergestellt werden.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch das Grundprinzip der Erfindung bei dem Formwerkzeug nach Fig. 1. Danach ist der Vorspannungsring 2 so ausgebildet, daß die durch ihn auf die Matrize 1 ausgeübte radiale Vorspannung, dargestellt durch die Anordnung paralleler Pfeile, im Bereich des Übergangs 3 von der einen zur anderen der beiden zusammenlaufenden Innenflächen 4, 5 kleiner als in den dem Übergang benachbarten Bereichen ist. Dies ergibt eine Biegevorspannung, angedeutet durch die bei­ den krummlinigen Pfeile 11 und 12, um den Übergang 3 herum, so daß der kritische Querschnitt in einer mit dem Übergang 3 zusammenfallenden Ebene bei Ausübung des Innendrucks entlastet und somit einer Rißbildung auf­ grund einer Kerbwirkung in diesem Bereich entgegenge­ wirkt wird.

Wie diese unterschiedliche Verteilung der Vorspannung erreicht werden kann, wird nachstehend am Beispiel der Fig. 5 bis 13 erläutert.

Nach Fig. 5 ist in der an der konischen Außenfläche der Matrize 1 anliegenden konischen Innenfläche des Vor­ spannungsrings 2 im Bereich des Übergangs 3 eine umlau­ fende Nut 13, z. B. durch Schleifen, eingearbeitet, de­ ren radiale Tiefe in Höhe des Übergangs 3 bzw. in des­ sen Radialebene am größten ist und in axialer Richtung zu den Rändern der Nut 13 hin stetig ohne Übergang ab­ nimmt. Der Vorspannungsring 2 liegt daher im Bereich der Nut 13 mit weniger Radialdruck an der Matrize 1 an, so daß die von ihm auf die Matrize ausgeübte Vorspan­ nung im Bereich der Nut 13 am kleinsten und außerhalb der Nut 13 am größten ist. Der Vorspannungsring 2 ist ferner von einer Bandarmierung 14 in Form eines Band­ wickels aus Metallblech umgeben, der die Lebensdauer des Vorspannungsrings 2 verlängert. Auf diese Weise erreicht man eine 50 bis 70% stärkere Armierung der Matrize 1, was einer Erhöhung der gewünschten Vorspan­ nung entspricht, so daß der maximale Vorspannungswert bei 175 bis 225% des minimalen Wertes liegt. Die Band­ armierung 14 ist ferner von einem Außenring 15 umgeben, der ein Gehäuse bildet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich von dem nach Fig. 5 lediglich dadurch, daß die Nut 13 nicht im Vorspannungsring 2, sondern in der Außenseite der Matrize 1 eingearbeitet ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 unterscheidet sich von dem nach Fig. 6 im wesentlichen nur dadurch, daß zwischen der Matrize 1 und dem Vorspannungsring 2 ein Zwischenrohr 16 auf der Matrize 1 aufgeschrumpft ist, die aneinanderliegenden Flächen von Matrize 1 und Zwi­ schenrohr 16 kreiszylindrisch sind und die Außenseite des Zwischenrohrs 16 den gleichen, aber gegensinnigen Konuswinkel wie die anliegende Innenfläche des Vorspan­ nungsrings 2 aufweist und mit der Nut 13 versehen ist. Die Matrize 1 kann dementsprechend dünnwandiger ausge­ bildet sein.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 unterscheidet sich von dem nach Fig. 7 lediglich dadurch, daß die Nut 13 nicht auf der Außenseite, sondern auf der Innenseite des Zwischenrohrs 16 ausgebildet ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 unterscheidet sich von dem nach den Fig. 7 und 8 lediglich dadurch, daß nicht das Zwischenrohr 16, sondern die Außenseite der Matrize 1 mit der Nut 13 versehen ist.

Die radiale Tiefe der Nut 13 beträgt bei allen Beispie­ len nur einige Hundertstel bis wenige Zehntel mm und ist in den Zeichnungen stark übertrieben dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 unterscheidet sich von dem nach Fig. 5 lediglich dadurch, daß der Vorspan­ nungsring 2 aus drei axial nebeneinanderliegenden Be­ reichen 17, 18 und 19 mit abwechselnden Materialeigen­ schaften besteht, wobei die Bereiche 17 bis 19 durch getrennte Ringe gebildet sind, von denen die beiden äußeren 17 und 19 eine größere Steifigkeit oder Härte aufweisen als der mittlere Bereich 18. Auf diese Weise ergibt sich eine ähnliche Vorspannungsverteilung wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 unterscheidet sich von dem nach Fig. 5 lediglich dadurch, daß der Vorspan­ nungsring 2 aus einem radial inneren Bereich 20 und einem radial äußeren Bereich 21 besteht, die unter­ schiedliche Materialeigenschaften aufweisen. So sind die Bereiche 20 und 21 als Ringe ausgebildet, von denen der radial innere Ring eine größere Materialsteifigkeit als der radial äußere Ring aufweist, wobei die Berüh­ rungsflächen der Bereiche 20 und 21 im Querschnitt tra­ pezförmig sind und die längere der beiden Parallelsei­ ten des Trapezes radial außen liegt und das Trapez gleichschenklig ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 unterscheidet sich von dem nach Fig. 10 lediglich dadurch, daß der mitt­ lere Bereich 18 einen geringeren, nur etwa halb so gro­ ßen Außendurchmesser gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 aufweist und die Bandarmierung 14 in drei axial nebeneinanderliegende Bandwickel 22, 23 und 24 unterteilt ist, von denen der mittlere Bandwickel 23 einen kleineren Innendurchmesser als die beiden äußeren Bandwickel 22, 24 aufweist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 unterscheidet sich von dem nach Fig. 10 lediglich dadurch, daß der Vor­ spannungsring 2 fünf axial ineinander übergehende Be­ reiche 17, 18, 19, 25 und 26 aufweist, die abwechselnde Materialeigenschaften aufweisen. So sind die zwischen den axial äußeren Bereichen 17 und 19 einerseits und dem mittleren Bereich 18 andererseits liegenden Zwi­ schenbereiche 25 und 26 steifer oder härter als der mittlere Bereich 18, aber weniger steif als die äußeren Bereiche 17 und 19.

Fig. 14 veranschaulicht die Abwicklung der Innenfläche eines Vorspannungsrings 2, wie er im Falle des Ausfüh­ rungsbeispiels nach Fig. 3 vorgesehen sein kann, in Form eines Diagramms in kartesischen Koordinaten, wobei mit Δr die Abweichung der Oberfläche von einer kreiszy­ lindrischen Fläche in radialer Richtung nach außen, mit z die Axialrichtung des Vorspannungsrings 2 und mit ϕ die Umfangsrichtung bezeichnet ist. Wie man sieht, hat der Vorspannungsring 2 auf seiner radial inneren Ober­ fläche Vertiefungen 27 (die wegen der Richtung von Δr als Erhebungen oder Vorsprünge dargestellt sind), die jeweils einer der Ecken der Matrize 1b im Schnittpunkt der Übergänge 9 und 10 zugekehrt sind, wobei von den im Falle der Matrize 1b insgesamt acht vorgesehenen Ver­ tiefungen 27 nur zwei dargestellt sind. Die als "Täler" dargestellten Flächen zwischen den Vertiefungen 27 sind dagegen den Übergängen 9 der Matrize 1b zugekehrt.

Die in Fig. 15 abgewickelt dargestellte Oberfläche ent­ spricht der radial inneren Oberfläche des Vorspannungs­ rings 2 nach Fig. 5, wobei die Nut 13 (wegen des Vor­ zeichens von Δr) als Erhebung dargestellt ist.

Die in Fig. 16 dargestellte Oberfläche der Innenseite des Vorspannungsrings 2 entspricht einer Ausbildung der Matrize 1a nach Fig. 2, wobei jedem Übergang 9 eine sich axial in z-Richtung erstreckende Vertiefung 28 (wieder dargestellt als wellenförmige Erhebung) jeweils einem der Übergänge 9 zugeordnet ist. Das heißt, es sind insgesamt vier Vertiefungen im Falle eines Innen- Vierkants der Matrize 1a vorgesehen, jedoch nur zwei dargestellt.

Es versteht sich, daß die Oberflächendarstellung nach Fig. 15 beispielsweise auch für die Matrize 1 nach Fig. 6 gilt, wenn man in Fig. 15 die Richtung von Δr um­ kehrt.

Claims (11)

1. Formwerkzeug mit einer Matrize (1; 1a; 1b) und einem die Matrize umgebenden Vorspannungsring (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) so ausge­ bildet ist, daß die durch ihn auf die Matrize (1; 1a; 1b) ausgeübte radiale Vorspannung im Bereich eines Über­ gangs (3; 9; 10) von einer zu der anderen zweier zusam­ menlaufender Innenflächen (4, 5; 8; 5, 8) der Matrize (1; 1a; 1b), die einen Innenwinkel von weniger als 180° einschließen, und/oder im Bereich eines sprungartigen Übergangs des durch das Werkstück bei dessen Verformung radial auf die Matrize ausgeübten Drucks von einem nied­ rigen auf einen hohen Wert kleiner als in den dem Über­ gang benachbarten Bereichen ist.

2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen von Vorspannungsring (2) und Matrize (1; 1a; 1b) konisch sind.

3. Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens die eine der beiden Berührungsflächen von Vorspannungsring (2) und Ma­ trize (1; 1a; 1b) entsprechend der gewünschten Vor­ spannungsverteilung bearbeitet ist.

4. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Materialeigenschaften von Matrize (1; 1a; 1b) und/oder Vorspannungsring (2) entsprechend der gewünschten Vorspannungsver­ teilung gewählt sind.

5. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) aus wenig­ stens zwei konzentrischen Ringen besteht.

6. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) von einer Bandarmierung (14) umgeben ist.

7. Formwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die eine der beiden Berührungsflächen von Vorspannungsring (2) und Bandarmierung (14) entspre­ chend der gewünschten Vorspannungsverteilung bearbeitet ist.

8. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- oder Außenseite eines Zwischenrohres (16), das zwischen Matrize (1) und Vor­ spannungsring (2) angeordnet ist, oder die am Zwischen­ rohr (16) anliegende Außenseite der Matrize (1) entspre­ chend der gewünschten Vorspannungsverteilung bearbeitet ist.

9. Formwerkzeug nach Anspruch 3, 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Berührungsfläche feinstbearbeitet ist.

10. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) Bereiche (17-18; 20, 21; 17-18, 25, 26) mit abwechselnden Mate­ rialeigenschaften aufweist.

11. Formwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) aus mehreren Ringen (17-19) mit verschiedenen Materialsteifigkeiten und/oder verschiedenen radialen Abmessungen besteht.