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La présente invention a trait à des matrices de têtage pour tê- teuses à froid, et à des procédés de fabrication de telles matrices, parti- culièrement relatifs à des matrices destinées à têtage des vis et analogues.
Les moyens de fixation filetés, tels que les vis à bois ou méca- niques ordinaires, etc..., de l'espèce à tête fendue-ou du type à tête "Phil- lips", sont produits sous forme d'ébauche têtée non filetée, qui est alors filetée par l'opération du laminage ou du fraisage des filets. Ordinairement, les ébauches sont produites par le procédé du têtage à froid où de courts tronçons sont fournis par une bobine de fil métallique adéquat, sont trans- mis à la matrice de têtage et sont soumis à un ou plusieurs coups secs par suite de quoi le métal d'un bout du court tronçon de fil est refoulé de ma- nière à former la tête requise.
Dans la fabrication des vis du type "Phillips" l'ébauche tétée est alors soumise à un second coup donné par un autre poinçon qui est adéquatement façonné de manière à produire dans la tête le creux désiré récepteur d'outil.
-La matrice de têtage est l'outil de forme cylindrique dans lequel la partie tranchée du fil est retenue pendant les coups successifs de l'opération de refoulement. Cette matrice est souvent considérée comme l'outil de têtage le plus important car il commande le fini, la forme et les dimensions des ébauches à tête et sa durée de vie donne, indirectement , la mesure du rendement total de la têteuse elle-même. La fabrication de têtage, en particulier en ce qui concerne les opérations de finissage, a posé pendant longtemps un problème ardu à l'industrie du têtage à froid et ce problème est devenu particulièrement aigu pour le têtage des ébauches de vis de précision à tête noyée pour moyens de fixation d'avion, faits d'alliage d'acier, à cause de la précision requise et de la difficulté du formage à froid de l'alliage.
Généralement, ces matrices sont produites d'acier de matrice de têtage de bonne qualité en coupant la masse désirée d'une barre, en forant et ensuite en alésant, en suralésant ou en usinant autrement de manière à obtenir les dimensions approximatives du trou requis. Les matrices subissent ensuite un traitement thermique et ensuite, elles doivent subir un alésage, un meulage, un rodage ou un polissage subséquent du trou interne pour lui donner les dimensions finies à l'état trempé. Bien que dans les circonstances idéales, un quelconque de ces procédés peut donner des trous relativement lisses il entraînent de manière inhérente la présence d'inégalités ou d'inexactitudes annulaires du trou.
Cela est dû à la nécessité de faire tourner la matrice ou l'outil de coupage ou les deux lors de l'exécution d'une quelconque des opérations de finissage ordinaires telles que l'alésage, le meulage, etc... Ces inégalités présentent un sérieux problème pour les matrices destinées à des pièces d'avion qui requièrent généralement l'extrusion lors des opérations du têtage; c'est-à-dire que le diamètre du fil est réduit à mesure qu'il est pressé dans la matrice lorsqu'il rencontre la partie conique appelée communément la gorge d'extrusion.
Cette inégalité annulaire, si faible soit-elle, ne réduit pas seulement la durée de vie de la matrice en n'offrant à l'usure que les protubérances, mais elle restreint le flux du métal de l'extrusion et râcle le lubrifiant du fil, ce qui mène rapidement au broutage, au burinage et à la défaillance finale de la matrice.
Un des buts principaux de la présente invention est de présenter une matrice dans laquelle les menues inexactitudes annulaires susdites sont entièrement absentes, matrice qui présente donc une durée de vie augmentée pendant laquelle la production des ébauches de vis de haute qualité est facilitée. Un autre.but important est de présenter un procédé adéquat de fabrication de telles matrices.
Plus spécifiquement, c'est un but de l'invention que de présenter une matrice de têtage à froid comprenant un corps d'acier trempé comportant une ouverture centrale destinée à recevoir le matériau à téter, la dite ouverture comportant une paroi dans laquelle toutes les irrégularités éventuelles s'étendent longitudinalement. Une caractéristique de ces matrices est ou peut
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être une cavité annulaire peu profonde qui tend à empêcher le retrait prématuré des ébauches de -;ils têtées par le poinçon de formage de creux. Un autre but est la présentation d'une matrice du caractère décrit, dans laquelle la paroi de l'ouverture est comprimée et écrouie au degré qui lui donne un fini lisse et dur qui non seulement facilite l'exécution de sa fonction, mais donne lieu à la production.d'ébauches de vis de meilleure qualité.
Un autre but est la présentation d'un procédé de fabrication de matrices de têtage de l'espèce décrite, procédé qui comprend les phases qui consistent à préparer une ébauche de matrice non trempée, à maintenir l'ébauche de matrice de manière qu'une surface terminale et toutes les surfaces latérales soient rigidement confinées, et à former à froid l'ébauche de matrice sous grande pression à l'aide d'un noyau poli et trempé ayant une configuration sensiblement complémentaire de celle de la matrice finie désirée, le dit noyau comportant un corps et une saillie cylindrique, cette dernière pénétrant l'ébauche de matrice pendant la phase de formage de manière à produire une ouverture de matrice dans laquelle toutes les irrégularités éventuelles des parois s'étendent longitudinalement.
Un but subsidiaire est la présentation d'un tel procédé dans lequel ce formage est effectué à une pression suffisante pour provoquer le bombement annulaire élastique de la saillie du noyau, par suite de quoi une cavité peu profonde se forme dans la paroi de l'ouverture de la matrice.
D'autres bute, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit, et qui s'appuie sur les dessins annexés.
La fig. 1 est une section axiale d'une matrice de têtage à froid ordinaire de la technique antérieure.
La fig 2 est une section fragmentaire à grande échelle, correspon- dant à la partie A de la fig. 1 et ayant donc également trait à la technique antérieure.
La fig. 3 est une vue en section partielle et, en partie, en élévation, représentant le commencement de la phase de formage du procédé selon la présente invention.
La fig. 4 est une vue semblable à celle de la fig. 3, représentant la plus forte pénétration du noyau dans l'ébauche de matrice.
La fige 5 est une section axiale d'une matrice finie selon l'invention.
La figo 6 est une vue fragmentaire à grande échelle, correspondant à la partie B de la fig. 5.
La fig. 7 est une section fragmentaire axiale de la matrice de la fig. 5 en service dans une têteuse à froid.
Les fige 8, 9,10 et 11 sont des sections axiales représentant d' autres formes de matrices de têtage qui peuvent être adéquatement'produites par le procédé de la présente invention.
La fig. 12 est une section axiale représentant une ébauche de matrice après l'achèvement de la phase de formage selon la présente invention.
La fig. 13 est une vue semblable représentant l'ébauche de matrice de la fige 12 après l'achèvement d'une phase subséquente de la production d'une matrice.
La fig. 14 est une vue semblable représentant une autre forme de matrice.
La fig. 15 est une section axiale d'une autre forme encore de la matrice produite selon l'invention.
La fig. 16 est une vue fragmentaire à grande échelle, correspondant à la fige 15.
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Pour faciliter l'intelligence de l'invention, il est fait réfé- rence aux réalisations de celles-ci représentées sur les dessins annexés et décrites en détail ci-dessous. Il est néanmoins entendu qu'on ne désire nullement introduire de ce fait une limitation quelconque de l'invention et qu diverses variantes et modifications sont envisagées qui viendraient ordinairement à l'esprit d'une personne versée dans la technique qui concerne l'invention.
Une matrice de têtage typique de forme ordinaire, communément em- ployée à présent, et représentée fig. 1 et 2, la matrice particulière repré- sentée étant du type à extrusion. Une telle matrice comprend un corps cylin- drique 10 d'acier, comportant une ouverture centrale 11 qui s'étend à jour.
L'ouverture 11 comprend une partie cylindrique 12 qui peut être appelée trou arrière ou trou de chassage, une partie conique 13, une partie cylindrique courte 14 de diamètre plus petit que la partie 12, une partie conique courte 15, une autre partie cylindrique 16 de diamètre égal au diamètre voulu de la tige de la vis finie et une partie évasée fraisée 17. Une matrice de la forme représentée fig. 1 est employée dans la fabrication des vis à tête noyée et est appelée matrice à extrusion car lorsque l'ébauche de fil est introduite depuis l'avant de la matrice (bout supérieur dans la fig. 1), elle est pous- sée à force, sur une partie de sa,longueur , par la partie rétrécie cylindrique 14 ou gorge d'extrusion, réduisant le diamètre de la partie de l'ébauche qui doit être filetée.
En d'autres mots, après qu'une ébauche a été tétée dans une matrice du type représenté fige 1, l'ébauche tétée se conforme à la con- figuration des parties 17,16, 15 et 14 de la matrice, mais la partie de 1' ébauche qui a pénétré au-delà de la gorge d'extrusion 14 se conforme évidem- ment à ce diamètre sur'tpute sa longueur' et n'a donc pas la configuration des parties 12 et 13 de la matrice. La partie cylindrique 12 de l'ouverture loge la broche de chassage destinée à ôter les ébauches tétées de la matrice après l'achèvement de l'opération du têtage sur chaque ébauche.
Des matrices du type représenté fig. 1 ont été antérieurement fabriquées selon la technique décrite ci-dessus et qui comprend les phase$ du forage, de l'alésage, du suralésage, du traitement thermique, suivi d'un autre alésage et ensuite par le meulage, le rodage ou le polissage du trou intérieur pour lui donner les dimensions finies. Comme il a été dit, cette pratique donne nécessairement lieu à la formation de menues inexactitudes annulaires 18 qui prodaisent les désavantages susmentionnés. En outre, les opérations impliquées, demandent un temps considérables, qui ont été antérieurement né- cessaires pour la production de telles matrices, en augmentent grandement le prix, bien des heures étant requises pour la production de chaque matrice.
Par contre, le procédé de la présente invention permet de produire une meilleure matrice en quelques minutes, donne lieu à une réduction du coût de la production des matrices et fournit des matrices qui conviennent mieux à la production de vis et analogues de haute qualité. Selon l'invention, on produit d'abord un noyau 19 (fig. 3) ayant un corps cylindrique 20, une saillie cylindrique 21 de diamètre réduit et des parties intermédiaires 22,23 et 24. Les parties 21 à 24 sont finies pour produire des parties 14, 15, !6 et 17 de la matrice ainsi qu'il est requis. Le noyau est fait d'acier trempé et est soigneusement usiné et fini aux dimensions exactes et avec un fini miroir. Le noyau ainsi décrit sert à la production d'un nombre considérable de matrices.
Pour former une matrice, un tronçon de barre de dimensions requises est foré pour produire une ébauche 25 comportant une ouverture centrale 26 de diamètre légèrement plus petit que celui de la saillie 21 du noyau.,, L'ébauche 25 est alors rigidement maintenue par le dessous et latéralement à l'aide d'une enclume (non représentée) et d'un mandrin ou réceptacle 27 et le npyau 19 est poussé à force dans l'ébauche 25 sous une grande pression jusqu'à ce qu'il y ait pénétré dans la mesure voulue, représentée fig. 4. Pendant cette phase, la surface du métal qui entoure l'ouverture forée 26 de l'ébau- che de matrice est comprimée et écrouie en lui donnant un fini supérieur
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et la dureté.
Le noyau est alors retiré de l'ébauche de matrice et la matrice est achevée en meulant ou en usinant d'une autre manière sa surface avant ou supérieure dans la mesure voulue.
Lorsqu'on effectue le formage à froid ou formage à noyau comme il a été décrit, il est évident que toutes les irrégularités mineures qui peuvent éventuellement se former dans les surfaces internes de la matrice s'étendent longitudinalement plutôt qu'annulairement et ne produisent donc pas d' effet nocif sur la matrice ou sur les ébauches de vis produites par son emploi.
Un autre avantage du présent procédé réside dans le fait que, dans certains cas, par-exemple dans la production d'une matrice à extrusion 30, comme en représente une la fig. 5, par le procédé décrit ci-dessus et représenté fige 3 et 4, la partie 23 du noyau, ayant un diamètre quelque peu plus grand que la partie 21 qui a elle-même un diamètre plus grand que le trou foré 26, rencontre naturellement une résistance très grande à pénétrer dans l'ébauche de matrice. Par suite de cette résistance, une pression considérable est employée dans ce processus, la-partie 23 du noyau est élastiquement déformée par la formation d'un bombement annulaire peu prononcé à son extrémité inférieure, voisine de la partie conique 22.
Cela donne lieu à la formation d'un creux annulaire correspondant, peu profond, dans la matrice 30, que la fig. 6 représente le mieux, et où le creux annulaire 31 est représenté très grossi et quelque peu exagéré. La présence d'un tel creux annulaire peu profond présente un avantage lors du têtage d'ébauches de vis à pointe de tête courtes, telles que celles dont le procédé de têtage est représenté fig. 7. Le poin- çon de formation de creux a tendance à retirer de telles courtes ébauches hors de la matrice lors du retrait de poinçon, ce qui donne lieu à une faute de fonctionnement de la machine, et le léger bombement de l'ébauche de vis pendant l'opération du têtage sert à réduire cette tendance des poinçons de formation de creux à retirer les ébauches de la matrice.
Les fige 8 et 9 représentent des matrices du type dit à trou droit, la fig. 8 représentant une matrice propre à produire des ébauches du type à tête saillante, tandis que la fige 9 a trait à des ébauches de type à tête noyée. La fig. 10 représente une matrice destinée au formage d'ébauches à pointe de tête du type à tête saillante, tandis que la fig. 11 représente une matrice semblable de la variété à tête noyée. Les matrices des fige 8 à 11 peuvent être produites rapidement et adéquatement par le procédé décrit ci-dessus. Ce type de matrice, qui est illustré fig. 10 et 11, produit des ébauches tétées ayant une pointe chanfreinée ou conique servant de guide à une vis mécanique filetée pour la mettre aisément en prise avec un trou taraudé, ou de pilote pour l'emploi satisfaisant de vis de taraudage.
Généralement, le diamètre de la pointe de l'ébauche vaut approximativement 70% du grand diamètre et l'angle de conicité varie entre environ 42 et 15 , selon que les ébauches de vis doivent être des vis à pointe chanreinée ou des vis de taraudage.
Il est évident qu'en formant au noyau les matriQes de ce type, le diamètre du trou initialement foré dans l'ébauche doit être voisin du petit diamètre de l'ébauche finie de vis, tandis que le diamètre de la partie 21 du noyau est celui de la partie'principale de la tige de l'ébauche de vis. Du fait de la différence importante de ces deux diamètres, )il y a une limite définie à la distance sur laquelle le noyau peut être pressé dans l'ébauche de matrice, qui vaut généralement 4 fois le diamètre de la partie 21 du noyau, et à la longueur résultante de l'ébauche de vis tétée produite. Cette limitation n'est pas sérieuse, car il y a certains autres facteurs inhérents à l'opération du têtage à froid qui limitent la longueur des ébauches à pointe de tête qui peuvent être produites.
Il a été trouvé possible-de former les matrices à l'aide du noyau pour de très courtes ébauches de vis à pointe de tête à partir d'une ébauche de matrice pleine, comme le montre la fige 12. Après façonnage au noyau, ces matrices sont forées à jour à un diamètre quelque peu plus petit que le diamètre final de la pointe, après quoi ce petit trou peut être formé à noyau de la manière décrite pour les matrices à trou droit, pour produire une matri-
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ce finie telle que le montre la fig. 3. Un tel façonnage à noyau secondaire n'est toutefois pas essentiel car un trou foré loge de manière adéquate la broche de chassage de la têteuse.
Les fig. 14,15 et 16 représentent des matrices du type à ex- trusion, formées selon la présente invention. La matrice de la fig, 14 a été formée de manière à comporter la partie conique habituelle 35 joignant la partie rectiligne 36 à la gorge d'extrusion de diamètre restreint 37, tandis que-la matrice de la fige 15 est formée de manière à posséder une partie de liaison 40, de forme différente, entre la partie rectiligne 41 et la gorge d'extrusion 42. La partie 40 a une courbure longitudinale concave vers l'intérieur qui présente certains avantages dans le cas des matrices à extrusion.
Il y a également la pcsaibilité qu lune telle forme arrondie ou convexe correspondante soit requise sur-la vis finie et un des avantages du présent procédé de production de matrices de têtage réside dans la possibilité de produire des ébauches de vis de cette forme. Aucun autre procédé n'est connu grâce-auquel cette forme à courbure interne peut être produite dans une matrice de têtage avec un fini satisfaisant par les méthodes ordinaires.
Comme le montra la fig. 16, si le diamètre de la partie formant tige de l'ouverture de la matrice est plus grand, de manière suffisante, que le diamètre de la gorge d'extrusion, le bombement résultant de la partie 23 du noyau de formage de matrice provoque la formation d'une cavité annulaire correspondante dans la matrice qui, dans le présent cas, se raccorde avec la cavité de la partie 40 telle qu'elle est prévue dans la matrice pour produire la cavité 43 de la fige 16.
Dans tous les cas décrits ci-dessus, les avantages de l'économie de la vitesse de production, de la précision, du fini supérieur, de la configuration longitudinale du fini, et de l'empêchement du retrait de l'ébauche,sont inhérents au procédé. Toutefois, dans le cas des matrices à extrusion, qui sont principalement utilisées pour teter des ébauches d'alliage d'acier pour des vis d'avion, il a été trouvé qu'il est virtuellement impossible de produire des matrices de têtage par les procédés ordinaires avec l'acier à outils de qualité adéquate, avec le résultat que les matrices employées dans l'opération de têtage de ce type donnaient des résultats relativement insatisfaisants et avaient une vie utile très courte.
Les matrices faites selon la présente invention non seulement fonctionnent de manière plus satisfaisante et durent bien plus longtemps dans ce service, mais priduisent de meilleures ébauches de vis du type à extrusion du fait que la direction du fini final est longitudinale, ce qui élimine les défauts causés par les marques de finissage annulaires des matrices produites par les procédés ordinaires.
REVENDICATIONS
1/ Procédé de fabrication de matrices de têtage de têteuses à froid, comprenant les opérations qui consistent à préparer une ébauche de matrice non trempée, à maintenir ladite ébauche de matrice de manière qu'une surface terminale et toutes les surfaces latérales soient rigidement confinées , et à former à froid ladite ébauche sous grande pression à l'aide d'un noyau trempé et poli ayant une configuration sensiblement complémentaire de celle de la matrice finie désirée, ledit noyau comportant un corps et une saillie cylindrique, cette dernière pénétrant l'ébauche de matrice pendant la phase de formage de manière à produire une ouverture de matrice dans laquelle toutes les irrégularités éventuelles des parois sétendent longitudinalement, ladite saillie de noyau comportant un bout distal aminci,
ledit formage étant exécuté avec une pression suffisante pour provoquer le bombement élastique annulaire de ladite saillie de noyau près de son extrémité distal, à retirer ledit noyau , à finir l'autre extrémité de ladite ébauche de matrice et durcir ladite ébauche.
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The present invention relates to die heads for cold headers, and to methods of making such dies, particularly relating to die heads for screw heads and the like.
Threaded fasteners, such as ordinary wood or machine screws, etc., of the split-head species - or of the "Phillips" head type, are produced as a headed blank. non-threaded, which is then threaded by the operation of rolling or milling the threads. Usually, the blanks are produced by the cold tipping process where short sections are supplied by a spool of suitable wire, are fed to the tapping die, and are subjected to one or more jerks as a result of which the metal from one end of the short section of wire is upset to form the required head.
In the manufacture of "Phillips" type screws the punched blank is then subjected to a second blow from another punch which is suitably shaped so as to produce the desired tool receiving recess in the head.
-The head die is the cylindrical shaped tool in which the cut part of the wire is retained during the successive strokes of the upsetting operation. This die is often considered the most important head tool as it controls the finish, shape and dimensions of head blanks and its life indirectly provides a measure of the total performance of the head machine itself. Heading manufacturing, especially with regard to finishing operations, has long been a difficult problem for the cold heading industry and this problem has become particularly acute for the face milling of precision countersunk screw blanks. for aircraft fasteners, made of steel alloy, because of the precision required and the difficulty of cold forming the alloy.
Generally, these dies are produced from good quality face die steel by cutting the desired mass of a bar, drilling and then reaming, overboring or otherwise machining to obtain the approximate dimensions of the required hole. The dies then undergo heat treatment and thereafter, they must undergo subsequent boring, grinding, lapping or polishing of the internal hole to give it the finished dimensions when quenched. Although under ideal circumstances any of these methods can result in relatively smooth holes, they inherently result in the presence of annular unevenness or inaccuracies in the hole.
This is due to the need to rotate the die or the cutting tool or both when performing any of the ordinary finishing operations such as boring, grinding, etc. These inequalities present a serious problem for dies intended for aircraft parts which generally require extrusion during the head operations; that is, the diameter of the wire is reduced as it is pressed into the die as it meets the conical portion commonly referred to as the extrusion groove.
This annular unevenness, however small, not only shortens die life by only giving wear to the protrusions, but it restricts the flow of metal from the extrusion and scrapes lubricant from the wire. , which quickly leads to chattering, chiseling, and ultimate die failure.
One of the main objects of the present invention is to present a die in which the aforementioned minor annular inaccuracies are entirely absent, which die therefore has an increased service life during which the production of high quality screw blanks is facilitated. Another important goal is to present a suitable method of manufacturing such dies.
More specifically, it is an object of the invention to present a cold tipping die comprising a hardened steel body comprising a central opening intended to receive the material to be suckled, said opening comprising a wall in which all the any irregularities extend longitudinally. A characteristic of these matrices is or can
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be a shallow annular cavity which tends to prevent premature removal of the blanks from -; they are tipped by the recess forming punch. Another object is the presentation of a matrix of the character described, in which the wall of the opening is compressed and work hardened to the degree which gives it a smooth and hard finish which not only facilitates the performance of its function, but results in to the production of better quality screw blanks.
Another object is the presentation of a method of manufacturing head dies of the species described, which method comprises the steps of preparing an unhardened die blank, holding the die blank so that a end surface and all side surfaces are rigidly confined, and in cold forming the die blank under high pressure using a polished and hardened core having a configuration substantially complementary to that of the desired finished die, said core comprising a body and a cylindrical protrusion, the latter penetrating the die blank during the forming phase so as to produce a die opening in which any irregularities of the walls extend longitudinally.
A subsidiary object is the presentation of such a method in which this forming is carried out at a pressure sufficient to cause the resilient annular bulge of the protrusion of the core, as a result of which a shallow cavity is formed in the wall of the opening. of the matrix.
Other abutments, characteristics and advantages will become apparent on reading the description which follows, and which is based on the accompanying drawings.
Fig. 1 is an axial section of an ordinary cold heading die of the prior art.
Fig. 2 is a fragmentary section on a large scale, corresponding to part A of fig. 1 and therefore also relates to the prior art.
Fig. 3 is a view in partial section and, in part, in elevation, showing the beginning of the forming phase of the process according to the present invention.
Fig. 4 is a view similar to that of FIG. 3, representing the strongest penetration of the core into the die blank.
The pin 5 is an axial section of a finished die according to the invention.
Figo 6 is a fragmentary view on a large scale, corresponding to part B of fig. 5.
Fig. 7 is an axial fragmentary section of the matrix of FIG. 5 in service in a cold head.
Pins 8, 9, 10 and 11 are axial sections showing other forms of die heads which may be suitably produced by the process of the present invention.
Fig. 12 is an axial section showing a die blank after completion of the forming phase according to the present invention.
Fig. 13 is a similar view showing the die blank of pin 12 after completion of a subsequent phase of die production.
Fig. 14 is a similar view showing another form of die.
Fig. 15 is an axial section of yet another form of the die produced according to the invention.
Fig. 16 is a fragmentary view on a large scale, corresponding to fig. 15.
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To facilitate understanding of the invention, reference is made to the embodiments thereof shown in the accompanying drawings and described in detail below. It is, however, understood that it is by no means desired to introduce any limitation of the invention thereby and that various variations and modifications are contemplated which would ordinarily occur to a person skilled in the art of the invention.
A typical cladding die of ordinary shape, in common use now, and shown in fig. 1 and 2, the particular die shown being of the extrusion type. Such a die comprises a cylindrical body 10 of steel, having a central opening 11 which extends to the surface.
The opening 11 comprises a cylindrical part 12 which may be called a rear hole or a drive hole, a conical part 13, a short cylindrical part 14 of smaller diameter than part 12, a short conical part 15, another cylindrical part 16 of diameter equal to the desired diameter of the shank of the finished screw and a countersunk flared portion 17. A die of the shape shown in FIG. 1 is used in the manufacture of countersunk screws and is called an extrusion die because when the wire blank is introduced from the front of the die (upper end in fig. 1), it is pushed in by force. , over part of its length, by the narrowed cylindrical part 14 or extrusion groove, reducing the diameter of the part of the blank which is to be threaded.
In other words, after a preform has been sucked into a die of the type shown in Fig. 1, the sucked preform conforms to the configuration of parts 17,16, 15 and 14 of the die, but the part of the blank which has penetrated beyond the extrusion groove 14 obviously conforms to this diameter over 'its length' and therefore does not have the configuration of parts 12 and 13 of the die. The cylindrical part 12 of the opening accommodates the driving pin intended to remove the sucked blanks from the die after the completion of the tipping operation on each blank.
Matrices of the type shown in FIG. 1 were previously manufactured according to the technique described above and which includes the phases $ of drilling, reaming, overboring, heat treatment, followed by another bore and then by grinding, lapping or polishing of the inner hole to give it the finished dimensions. As mentioned, this practice necessarily gives rise to the formation of annular minor inaccuracies 18 which produce the aforementioned disadvantages. Furthermore, the operations involved, which are time consuming, which were previously required for the production of such dies, greatly increase the cost thereof, many hours being required for the production of each die.
In contrast, the process of the present invention enables a better die to be produced within minutes, results in a reduction in the cost of die production, and provides dies which are more suitable for the production of high quality screws and the like. According to the invention, first a core 19 (Fig. 3) is produced having a cylindrical body 20, a cylindrical projection 21 of reduced diameter and intermediate parts 22, 23 and 24. The parts 21 to 24 are finished to produce parts 14, 15,! 6 and 17 of the die as required. The core is made of hardened steel and is carefully machined and finished to exact dimensions and with a mirror finish. The core thus described is used for the production of a considerable number of matrices.
To form a die, a section of bar of required dimensions is drilled to produce a blank 25 having a central opening 26 of diameter slightly smaller than that of the projection 21 of the core. ,, The blank 25 is then rigidly held by the core. below and laterally by means of an anvil (not shown) and a mandrel or receptacle 27 and the npyau 19 is forcibly pushed into the blank 25 under great pressure until it has entered to the desired extent, shown in fig. 4. During this phase the surface of the metal surrounding the drilled opening 26 of the die blank is compressed and work hardened giving it a superior finish.
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and hardness.
The core is then removed from the die blank and the die is completed by grinding or otherwise machining its front or top surface to the extent desired.
When performing cold forming or core forming as has been described, it is evident that any minor irregularities which may possibly form in the internal surfaces of the die extend longitudinally rather than annularly and therefore do not produce no harmful effect on the die or on the screw blanks produced by its use.
Another advantage of the present process is that in some cases, for example in the production of an extrusion die 30, as shown in FIG. 5, by the method described above and shown freezes 3 and 4, the part 23 of the core, having a diameter somewhat larger than the part 21 which itself has a larger diameter than the drilled hole 26, naturally meets very high resistance to penetrate the die blank. As a result of this resistance, considerable pressure is employed in this process, the part 23 of the core is elastically deformed by the formation of a small annular bulge at its lower end, adjacent to the conical part 22.
This results in the formation of a corresponding shallow annular recess in die 30, which FIG. 6 best represents, and where the annular recess 31 is shown very magnified and somewhat exaggerated. The presence of such a shallow annular recess has an advantage when tapping short head point screw blanks, such as those for which the tapping process is shown in fig. 7. The recess forming punch tends to pull such short blanks out of the die upon punch withdrawal, resulting in machine malfunction, and slight bulge of the blank. screws during the tapping operation serve to reduce this tendency of the recessing punches to pull out the die blanks.
The pins 8 and 9 represent dies of the so-called straight hole type, FIG. 8 representing a die suitable for producing blanks of the protruding head type, while the pin 9 relates to blanks of the flush head type. Fig. 10 shows a die for forming head tip blanks of the protruding head type, while FIG. 11 shows a similar matrix of the drowned variety. The dies of Figs 8 to 11 can be produced quickly and adequately by the method described above. This type of matrix, which is illustrated in fig. 10 and 11, produces tapped blanks having a chamfered or tapered tip serving as a guide for a threaded machine screw for easy engagement with a tapped hole, or as a pilot for the satisfactory use of a tapping screw.
Typically, the tip diameter of the blank is approximately 70% of the large diameter and the taper angle varies between about 42 and 15, depending on whether the screw blanks are to be chamfered screws or tapping screws.
It is obvious that in forming the core of the dies of this type, the diameter of the hole initially drilled in the blank must be close to the small diameter of the finished screw blank, while the diameter of the part 21 of the core is that of the main part of the shank of the screw blank. Due to the large difference between these two diameters,) there is a definite limit to the distance the core can be pressed into the die blank, which is generally 4 times the diameter of part 21 of the core, and to the resulting length of the produced feed screw blank. This limitation is not serious, as there are certain other factors inherent in the cold heading operation which limit the length of the head tip blanks that can be produced.
It has been found possible-to form the dies using the core for very short head point screw blanks from a solid die blank, as shown in Fig 12. After core shaping, these dies. dies are drilled to a diameter somewhat smaller than the final tip diameter, after which this small hole can be core formed in the manner described for straight hole dies, to produce a die.
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this finish as shown in FIG. 3. Such secondary core shaping, however, is not essential as a drilled hole adequately accommodates the head drive pin.
Figs. 14, 15 and 16 show extrusion type dies formed in accordance with the present invention. The die of Fig. 14 has been formed to include the usual conical portion 35 joining straight portion 36 to the narrow diameter extrusion groove 37, while the die of pin 15 is formed to have a connecting part 40, of different shape, between the rectilinear part 41 and the extrusion groove 42. The part 40 has an inwardly concave longitudinal curvature which has certain advantages in the case of extrusion dies.
There is also the flexibility that such a corresponding rounded or convex shape is required on the finished screw and one of the advantages of the present method of producing face dies is the possibility of producing screw blanks of this shape. No other method is known by which this internally curved shape can be produced in a head die with a satisfactory finish by ordinary methods.
As shown in fig. 16, If the diameter of the rod portion of the die opening is sufficiently larger than the diameter of the extrusion groove, the resulting crowning of the portion 23 of the die forming core causes the formation of a corresponding annular cavity in the die which in this case connects with the cavity of part 40 as provided in the die to produce cavity 43 of pin 16.
In all of the cases described above, the advantages of economy in production speed, accuracy, superior finish, longitudinal finish configuration, and prevention of blank shrinkage are inherent. to the process. However, in the case of extrusion dies, which are mainly used for tapping alloy steel blanks for aircraft screws, it has been found that it is virtually impossible to produce die heads by the methods. ordinary with tool steel of adequate quality, with the result that the dies employed in the tapping operation of this type gave relatively unsatisfactory results and had a very short useful life.
Dies made according to the present invention not only perform more satisfactorily and last much longer in this service, but produce better extrusion type screw blanks because the direction of the final finish is longitudinal, which eliminates defects. caused by annular finish marks on dies produced by ordinary processes.
CLAIMS
1 / A method of manufacturing cold head dies, comprising the operations of preparing an unhardened die blank, maintaining said die blank so that an end surface and all side surfaces are rigidly confined, and cold forming said preform under great pressure using a hardened and polished core having a configuration substantially complementary to that of the desired finished die, said core comprising a body and a cylindrical protrusion, the latter penetrating the preform die during the forming phase so as to produce a die opening in which any irregularities in the walls extend longitudinally, said core protrusion having a thinned distal tip,
said forming being performed with sufficient pressure to cause annular resilient crowning of said core protrusion near its distal end, withdrawing said core, finishing the other end of said die blank and hardening said blank.