CH679649A5

CH679649A5 -

Info

Publication number: CH679649A5
Application number: CH3398/89A
Authority: CH
Inventors: Jens Gronbaek
Original assignee: Danfoss As
Priority date: 1988-10-14
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1992-03-31
Also published as: GB2223702A; DE3834996A1; FR2637825A1; JP2502388B2; JPH02151338A; IT8967884A1; DE3834996C2; DK505289D0; GB8922984D0; GB2223702B; IT8967884A0; IT1238799B; DK505289A; US5019114A; FR2637825B1

Description

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CH 679 649 A5

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Formwerkzeug mit einer einen Formhohiraum aufweisenden Matrize, die durch einen mit radialer Vorspannung an ihr anliegenden Innenring und einen mit radialer Vorspannung an diesem anliegenden Aussenring verstärkt ist, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Formwerkzeuge sind häufig einem grossen inneren Arbeitsdruck ausgesetzt. Bei der heute verwendeten Kaltfliesstechnik treten Arbeitsdrücke von 1.000 bis 2.500 N/mm2 auf. Dies führt zu tangentialen Zugspannungen in der Matrize, die zu deren Zerstörung führen, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden.

Daher ist ein Formwerkzeug der eingangs beschriebenen Art bekannt (US-PS 3 608 351), bei dem die Matrize durch einen oder mehrere Ringe verstärkt ist, die durch Aufschrumpfen oder durch Aufbringen eines Bandwickels unter Druckspannung eine radiale Vorspannung bewirken. Diese wirkt dem inneren Arbeitsdruck entgegen, so dass ein Bruch erst bei einem höheren Grenzdruck zu erwarten ist.

Besondere Schwierigkeiten treten auf, wenn die Matrize nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist, sondern einen mehreckigen Querschnitt, Verzahnungen oder Nuten aufweist. Denn hierbei ergeben sich wegen der Kerbwirkung grosse Spannungskonzentrationen, die bei wesentlich geringeren Arbeitsdrücken zu einer Zerstörung der Matrize führen. Aus diesem Grund ist es bekannt (US-PS 3 810 382), die unter der Vorspannung eines Bandwickeis stehende Matrize aus mehreren Einzelteilen zusammenzusetzen. Diese mehrteilige Lösung ist aber teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formwerkzeug der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das unter sonst gleichen Umständen höher belastet werden kann, ohne dass die Gefahr einer Zerstörung der Matrize besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Material des Innenrings einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als das Material der Matrize und das Material des Aussenrings.

Der höhere Elastizitätsmodul des Innenrings sorgt dafür, dass die Matrize im Betrieb eine nur geringe Verformung erfährt. Der Aussenring mit geringerem Elastizitätsmodul vermag den Innenring unter eine so hohe Vorspannung zu setzen, dass der Innenring mit erheblicher radialer Vorspannung an der Matrize anliegen kann, ohne zu zerreissen. Auf diese Weise kann das Formwerkzeug mit höheren Arbeitsdrücken belastet werden. In den meisten Fällen können auch nicht-rotationssymmetrische Matrizen einstückig ausgeführt werden. Die geringere Spannungsbelastung der Matrize führt insgesamt zu einer längeren Lebensdauer.

Die Verhältnisse sind um so besser, je höher der Elastizitätsmodul des Innenringmaterials gegenüber demjenigen des Matrizenmaterials ist. Daher sollte der Elastizitätsmodul des Innenringmaterials mindestens das 1,5fache des Elastizitätsmoduls des Matrizenmaterials sein. In der Praxis ist das 2- bis 3-

fache erstrebenswert. Der Innenring bildet eine harte Einfassung der Matrize, ist aber selbst sehr dehnungsempfindlich. Mit dem Aussenring kann aber eine der Dehnung entgegenwirkende Vorspannung aufgebracht werden.

Besonders günstig ist es, dass die Matrize aus Stahl und der Innenring aus gesintertem Hartmetall bestehen.

Vorteilhaft ist es auch, dass der Aussenring aus mindestens zwei Schichten und insbesondere aus einem Bandwickel besteht. Gegenüber einem aufgeschrumpften einteiligen Aussenring ergibt sich der Vorteil, dass eine um 50% bis 70% höhere Vorspannung erzielt werden kann, dass die Vorspannung reproduzierbar ist und die Herstellung kostenmässig günstiger ist.

Des weiteren empfiehlt es sich, dass die Wandstärke des Innenrings mindestens 25%, vorzugsweise 30% bis 50%, der gesamten Wandstärke beträgt. Je dicker der Innenring, um so grösser ist seine Fähigkeit, die Tangentialkräfte am innenumfang der Matrize herabzusetzen.

Für die Herstellung ist es günstig, dass der Aussenring mit radialer Vorspannung auf den Innenring aufgebracht und die so gebildete Ringkombination auf die Matrize aufgeschrumpft wird. Der Innenring ist daher schon beim Aufschrumpfen durch den Aussenring verstärkt, so dass er durch die Schrumpfkräfte nicht leidet.

Der Aussenring kann auf den Innenring aufgeschrumpft sein. Noch günstiger ist es, wenn der Aussenring durch Aufwickeln eines Bandes auf den Innenring erzeugt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsge-mässes Formwerkzeug,

Fig. 2 die Spannungsverhältnisse in einem einteiligen Formwerkzeug,

Fig. 3 die Spannungsverhältnisse in einem zweiteiligen Formwerkzeug,

Fig. 4 die Spannungsverhältnisse in dem erfin-dungsgemässen dreiteiligen Formwerkzeug mit einem aus einem Bandwickel bestehenden Aussenring,

Fig. 5 in einem Diagramm das Verhältnis der Tan-gentialspannung zum Innendruck über dem Wandstärkenverhältnis und

Fig. 6 in einem Diagramm das Verhältnis der Tan-gentialspannung zum Innendruck über dem Verhältnis der Wandstärke des Innenrings zur Gesamtwandstärke.

Das Formwerkzeug 1 in Fig. 1 besitzt eine zylindrische Matrize 2 mit einem Formhohlraum 3, einen Innenring 4 und einen Aussenring 5. Die Matrize 2 besteht aus Stahl, der Innenring 4 aus gesintertem Hartmetall und der Aussenring 5 wiederum aus Stahl. Das Material des Innenrings 4 hat demnach einen Elastizitätsmodul, der 2- bis 3mal grösser ist als der Elastizitätsmodul der Matrize 2 und des Aussenrings 5.

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Der Innenririg 4 ist auf die Matrize 2 aufgeschrumpft. Der Aussenring 5 besteht aus einem Bandwickel, der unter Vorspannung auf den Innenring 4 aufgewickelt worden war, bevor dieser auf die Matrize 2 aufgeschrumpft wurde. Die radiale Vorspannung, mit der der Aussenring 5 am Innenring 4 anliegt, ist grösser als die radiale Vorspannung, mit der der Innenring 4 an der Matrize 2 anliegt.

In der Zeichnung bedeuten: Do = Innendurchmesser der Matrize 2 Di = Aussendurchmesser der Matrize 2 und Durchmesser des Innenrings 4

Ü2 = Aussendurchmesser des Innenrings 4 und Innendurchmesser des Aussenrings 5 D3 = Aussendurchmesser des Aussenrings 5. Die Verhältnisse sind so gewählt, dass die Dicke (D2-D1) des Innenringes 4 grösser als 25% der Gesamtdicke (D3-D0) des Formwerkzeuges ist und vorzugsweise etwas über 30% liegt. Die Dicke (Di-Do) der Matrize 2 kann zwischen 5% und 20%, vorzugsweise bei etwa 10% der Gesamtwandstärke (D3-D0) liegen. Die Dicke (D3-D2) des Aussenrin-ges 5 sollte daher zwischen 30% und 50% liegen.

Zum besseren Verständnis der Verhältnisse wird auf die Fig. 2 bis 4 verwiesen. In Fig. 2 ist ein einteiliges Formwerkstück 1a veranschaulicht, das praktisch nur aus der Matrize 2a besteht. Wenn im Formhohlraum ein Arbeitsdruck pi herrscht, ergibt sich eine nach aussen gerichtete Radialspannung ar, die ihren höchsten Wert am Formhohlraum 3 hat und zum Aussenumfang hin bis auf Null abnimmt. Dies ist auf der linken Hälfte des Diagramms veranschaulicht. Auf der rechten Hälfte ist die Tangen-tialspannung at dargestellt, die am Formhohlraum 3 ihren grössten Wert hat und zum Umfang hin abnimmt. Es treten verhältnismässig grosse Tangentialkräfte auf, so dass insbesondere bei sprödem Material, wie Werkzeugstahl, Schnellstahl oder Hartmetall, die Gefahr eines Bruches besteht.

In Fig. 3 sind die Verhältnisse gezeigt, die bei einem zweiteiligen Formwerkzeug 1 b auftreten, das eine Matrize 2b und einen einzigen Ring 4b besitzt, der auf die Matrize aufgeschrumpft ist. Infolgedessen sind bereits, wie im linken Bild veranschaulicht, im Ruhezustand Radialspannungen und Tangential-spannungen vorhanden. Die Radialspannungen or sind an der Trennfuge zwischen Matrize 2b und Ring 4b am grössten. An dieser Fuge tritt auch ein Wechsel in der Richtung der Tangentiaispannung et auf. Wenn diese Anordnung durch einen Arbeitsdruck pi belastet wird, ergeben sich die im rechten Bild der Fig. 3 dargestellten Verhältnisse. Die Radialspannung hat am Innenumfang der Matrize ihren Grösstwert. Die Tangentialspannungen werden infolge der Vorspannung am Innenumfang kleingehalten und wirken sich nur dort in stärkerem Masse aus, wo sie nicht mehr stören.

In Fig. 4 sind die Verhältnisse bei einem erfin-dungsgemässen dreiteiligen Formwerkzeug 1c veranschaulicht.

Das Formwerkzeug 1c besteht aus der Matrize 2c, dem Innenring 4c und dem Aussenring 5c. Der Aussenring 5c ist als Bandwicklung ausgeführt.

In der linken Figurhälfte sind die Tangentialspannungen und die Radialspannungen im Ruhezustand veranschaulicht.

Die Radialspannungen er sind an der Trennfuge zwischen dem Innenring 4c und der äusseren Bandwicklung 5c am grössten. An dieser Trennfuge tritt auch ein Wechsel in der Richtung der Tangentiaispannung at auf. Es ist zu bemerken, dass der Fugendruck (gleich -ar) zwischen der Matrize und dem Innenring kleiner ist als zwischen dem Innenring und der äusseren Bandwicklung.

Wenn diese Anordnung durch einen Arbeitsdruck pi belastet wird, ergeben sich die im rechten Biid der Fig. 4 dargestellten Verhältnisse. Die Radialspannung hat am Innenumfang der Matrize ihren Grösstwert = -pi. Die Tangentialspannungen in der Matrize 2c werden infolge der Vorspannung und der erfindungsgemässen Dreiteilung kleiner gehalten als bei der Ausführung rechts in Fig. 3. Bei spröden Matrizenwerkstoffen führt die kleinere tangentiale Zugspannung zu einer höheren Lebensdauer. Durch die hohe radiale Vorspannung zwischen Innenring und der äusseren Bandwicklung wird die Tangentiaispannung im Innenring 4c auch unter Innendruckbelastung im Druckbereich gehalten, wobei eine Zerstörung des sehr spröden Innenrings vermieden wird.

In Fig. 5 ist das Verhältnis der Tangentialspan-nungsamplitude ot zum Arbeitsdruck pi über dem Verhältnis des äusseren Durchmessers D3 zum inneren Durchmesser Do für ein zweiteiliges Formwerkzeug gemäss Fig. 3 veranschaulicht. Es handelt sich um die resultierenden tangentialen Spannungen am Innenumfang der Matrize. Kurve A zeigt die Verhältnisse bei einer Matrize aus Hartmetall HM und einem Ring aus Stahl St, die Kurve B die Verhältnisse bei Stahlmatrize und Stahlring und die Kurve C die Verhältnisse bei einer Stahlmatrize und einem Hartmetallring. Bei allen Kurven ist ersichtlich, dass mit steigendem Durchmesserverhältnis relativ niedrige tangentiale Zugspannungen zu erreichen sind. In der Praxis wird in Kaltfliesswerk-zeugen ein Verhältnis D3/D0 von 4 bis 6 verwendet.

Des weiteren ergeben sich in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung unterschiedliche tangentiale Druckspannungen. Die grössten Spannungen erhält man mit einer Matrize aus Hartmetall und einem Vorspannring aus Stahl. Bessere Verhältnisse ergeben sich, wenn beide Teile aus Stahl bestehen. Am günstigsten ist es, wenn eine Stahlmatrize mit einem Hartmetallring kombiniert wird. Diese Kombination wurde bisher noch nicht vorgeschlagen. Sie war auch nicht zu verwirklichen, weil das spröde Hartmetall selbst die vergleichsweise geringen Tangentialspannungen nicht ertragen hätte.

Wenn man aber ein dreiteiliges Formwerkzeug gemäss der Erfindung verwendet und einen Hartme-tall-lnnenring mit einem unter radialer Vorspannung anliegenden Stahl-Aussenring kombiniert, kann der Hartmetallring seinerseits so vorgespannt werden, dass im Betrieb nur kleine tangentiale Zugspannungen auftreten. Daher lassen sich die günstigen Verhältnisse gemäss der Kurve C in Fig. 5 in der Praxis ausnutzen. Dass Stahl in der Regel weniger ver-

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schleissbeständig ist als Hartmetall, kann in Kauf genommen werden, weil die Lebensdauer dieser Kombination unter sonst gleichen Umständen um ein Vielfaches höher ist als die Lebensdauer eines Formwerkzeuges mit Hartmetallmatrize.

In Fig. 6 ist das Verhältnis der Tangentiaispannung crp zum Arbeitsdruck pi über dem Verhältnis der Wandstärke (D2-D1) des Innenringes 4 zur Wandstärke (D3-D0) des Formwerkzeuges veranschaulicht. Die Kurve E zeigt die Verhältnisse bei einem Formwerkzeug, dessen drei Teile aus Stahl St bestehen. Die Kurve F zeigt die Verhältnisse für ein erfindungsgemässes Formwerkzeug 1, bei dem der Innenring 4 aus Hartmetall, die Matrize 2 und der Aussenring 5 dagegen aus Stahl bestehen. Die Wandstärke (D1-D0) der Matrize 2 beträgt 10% der Wandstärke (D3-D0) des Formwerkzeugs. Das Verhältnis des Aussendurchmessers D3 zum Innendurchmesser Do beiträgt 5. Für andere Abmessungen ergeben sich ähnliche Kurven. Es ist daher ersichtlich, dass durch den erfindungsgemässen Aufbau eine ganz erhebliche Herabsetzung der Tangentialkräfte am Innenumfang der Matrize erzielbar ist, was die Verwendung höherer Arbeitsdrücke oder komplizierter einteiliger Matrizen erlaubt.

Bei der Herstellung wird so vorgegangen, dass zunächst der Innenring durch den Aussenring unter Vorspannung gesetzt wird, indem ein Stahlband unter Zugspannung auf den Innenring gewickelt wird. Erst dann wird die Ringkombination auf die Matrize 2 aufgeschrumpft. Die Schrumpfkräfte sind hierbei unschädlich, weil der Innenring vorgespannt ist. Und wenn der Arbeitsdruck auftritt, sorgen die Vorspannungskräfte dafür, dass die Tangentiaispannung am Innenumfang ausreichend kleingehalten wird.

Das Aufschrumpfen kann auf beliebige bekannte Weise erfolgen, beispielsweise durch Erwärmung der Ringkombination. Es kommt aber auch in Betracht, dass Matrize und Ringkombination an der Berührungsfläche leicht konisch ausgebildet sind und dann unter Aufwendung axialer Presskräfte aufeinandergeschoben werden.

Statt des veranschaulichten Bandwickels kann der Aussenring auch aus zwei oder mehr unter Vorspannung aufeinanderliegenden Einzelringen bestehen.

Claims

Patentansprüche

1. Formwerkzeug mit einer einen Formhohlraum aufweisenden Matrize, die durch einen mit radialer Vorspannung an ihr anliegenden Innenring und einem mit radialer Vorspannung an diesem anliegenden Aussenring verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Innenrings (4) einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als das Material der Matrize (2) und das Material des Aussenrings (5).

2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Innenringmaterials mindestens das 1,5fache des Elastizitätsmoduls des Matrizenmaterials ist.

3. Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (2) aus Stahl und der Innenring (4) aus gesintertem Hartmetall bestehen.

4. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring (5) aus mindestens zwei Schichten besteht.

5. Formwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring (5) aus einem Bandwickel besteht.

6. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Innenrings (4) mindestens 25% der gesamten Wandstärke beträgt.

7. Formwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Innenrings (4) 30% bis 50% der gesamten Wandstärke beträgt.

8. Verfahren zum Herstellen des Formwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring mit radialer Vorspannung auf den Innenring aufgebracht und die so gebildete Ringkombination auf die Matrize aufgeschrumpft wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring auf den Innenring aufgeschrumpft wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring durch Aufwickeln eines Bandes auf den Innenring erzeugt wird.

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