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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formteils
aus Pulver, insbesondere aus Metallpulver, die aufweist: eine Matrize,
die aus einem Grundkörper
und einer in diesen eingesetzten Matrizenhülse besteht, wobei die Matrizenhülse zumindest
abschnittsweise eine zylindrische Kontur aufweist, die eine Formfläche für das Formteil
bildet, und mindestens einen Pressstempel, der in die durch die
zylindrische Kontur der Matrizenhülse definierte Öffnung eintreten
und sich im durch die zylindrische Kontur definierten Raum befindliches
Pulver verdichten kann.
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Mit
Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art ist
es möglich,
Formteile aus Metallpulver durch Pressen und anschließendes Sintern
herzustellen. Bekannt ist es, für
das Pressen von pulverförmigem Werkstoff
stempelartige Werkzeuge einzusetzen, die in eine Matrize eingebrachtes
Pulver durch eine axiale Pressbewegung komprimieren. Hierzu ist
zumindest ein Pressstempel erforderlich, der in die Matrize eindringt.
In diesem Falle besitzt die Matrize einen Hohlraum, der zur Stempelseite
hin geöffnet
ist. Die Matrizenöffnung
wird – bis
auf ein geringfügiges
Spiel – vom
Stempel geschlossen. Der Stempel baut durch sein Eindringen in den
Matrizenhohlraum den zur Verdichtung notwendigen Druck auf.
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Es
kann auch vorgesehen werden, dass mehrere Stempel eingesetzt werden,
die sich in eine Achsrichtung bewegen können. Die Stempel können dabei
in eine axial einseitig geschlossene Matrize eintauchen oder bei
einer axial in beiden Richtungen offenen Matrize aus beiden axialen
Richtungen kommen. Gelegentlich werden auch durchgehende Dornstangen
eingesetzt, die aber keine Verdichtungsfunktion, sondern eine Verdrängerfunktion
haben. Die Stempel können
auch seitlich in die Matrize eintauchen, um Hinterschneidungen oder
sonstige geometrische Ausprägungen
zu erzeugen. Zur Entformung des Formteils werden diese radial eintauchenden Stempel
so weit zurückgezogen,
dass die Entformung nicht behindert wird.
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Üblicherweise
besteht die Matrize aus einem Matrizenring (Matrizengrundkörper) und
einer darin eingesetzten Matrizenbuchse bzw. -hülse mit der Werkstückkontur.
Da der Stempeldruck vom Pulver auf die Matrizenwand übertragen
wird, weitet sich die Matrize beim Pressvorgang auf. Werden nach
Abschluss des Pressvorgangs die Pressstempel wieder zurückgezogen,
drückt
die elastische, aufgeweitete Matrize das Pulver radial zusammen.
Da das Pulver jetzt aber bereits zu einem Formteil (Pressling) geworden
ist, dessen Eigenschaften mit denen eines Festkörpers vergleichbar sind, setzt
das Formteil der Zurückfederung
der Matrize einen Widerstand entgegen.
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Zunächst weicht
das entstandene Formteil plastisch aus. Hat der radiale Druck der
Matrize die dem aktuellen Spannungszustand entsprechende Fließgrenze
erreicht, endet das plastische Ausweichen; es bleibt eine elastische
Verspannung zwischen Pressling und Matrize erhalten.
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Die
elastische Verspannung bewirkt hohe Reibkräfte beim Entformen des Formteils
aus der Matrize. Diese Reibkräfte
führen
zum Verschleiß der Matrize
und zu Schädigungen
des Formteils.
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Der
Unterschiedsbetrag zwischen dem Durchmesser des entformten Formteils
und der Matrize wird als "radialer
Springback" bezeichnet.
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Die
Größe des Springbacks
ist abhängig
von der Fließgrenze
des Formteils. Bei der Verwendung der gleichen Pulvermischung wächst die
Fließgrenze mit
der Höhe
der Presskraft. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit der Geometrie des
ausgeformten Formteils von der maximal angewendeten Stempelkraft.
Der Springback ist umso größer, je
elastischer die Matrize ist. Weil Hartmetall einen deutlich höheren Elastizitätsmodul
als Stahl hat, werden zur Verkleinerung des Springbacks daher Matrizenbuchsen aus
Hartmetall eingesetzt.
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Besonders
problematisch sind dabei länglich ausgebildete
Formteile. Im Zusammenhang mit der zumeist kreisförmigen Matrize
wirken Biegekräfte. Dadurch
ist die elastische Auffederung in der Mitte des Formteils größer als
an den beiden Enden.
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Durch
das axiale Pressen bildet sich ein mehrachsiger Spannungszustand
aus. Zwischen der Höhe
der radialen Spannungen und der Höhe der axialen Spannungen besteht
ein erheblicher Unterschied. Die genaue Beschreibung dieses Spannungszustands
erfordert u. a. die Berücksichtigung der
inneren Reibung des Pulvers und der Reibung an den Matrizenwänden. Daher
ist eine exakte Aussage über
die tatsächlichen
Verhältnisse
in dem unter Druck stehenden Werkzeug sehr schwierig. Zur vereinfachten
Beurteilung stehen jedoch empirisch ermittelte Diagramme zur Verfügung.
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Zur
Erleichterung der Entformung des Formteils aus der Matrize wird
häufig
dem Pulver ein Schmiermittel zugegeben. Dieses Schmiermittel beeinflusst
in Abhängigkeit
der Zugabemenge die Dichte des Formteils mehr oder weniger nachteilig.
Hierdurch ist wiederum die Festigkeit des fertigen Formteils herabgesetzt.
Je mehr Schmiermittel zugegeben wird, desto geringer ist die Dichte
und die Festigkeit des Formteils.
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Es
ist daher grundsätzlich
anzustreben, den Schmiermittelanteil so gering wie möglich zu
halten, trotzdem jedoch eine gute Entformung sicherzustellen.
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Aus
der WO 02/32655 A1 ist ein Pulverpress-Werkzeug bekannt, bei dem
vorgesehen ist, dass es in einem Auspressabschnitt so ausgebildet ist,
dass die den Auspresskanal stützenden
Matrizenwände
zunehmend dünner
werden. Durch die dünner
werdenden Wände
in diesem Bereich wird eine allmählich
steigende Nachgiebigkeit des Werkzeugs erreicht, wodurch die Entformung
erleichtert werden soll.
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Nach
der
DE 198 30 601
A1 ist eine Pressvorrichtung für pulver- und granulatförmigen Werkstoff
vorgesehen, bei der zwei Matrizen, deren Stirnseiten die Kontur
des Formteils beinhalten, durch Führungen einen Winkel einschießen, wobei
die Flächen
der Stirnseiten der Matrizen beim Erreichen der Endkontur des Formteils
direkt aneinander schließen.
Bei derartigen Segmentmatrizen, bei denen die Kontur des Formteils
durch eine Anzahl Presssegmente gebildet wird, besteht der große Nachteil,
dass Pulver zwischen die einzelnen Segmente eindringen kann, was
zu einer häufigen
Störung
des Produktionsprozesses führt.
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Zur
Erzeugung von Formteilen mit einem Hinterschnitt – in Entformrichtung
des Formteils gesehen – ist
aus der
DE 195 08
952 C2 eine Pressvorrichtung mit einer Matrize und mehreren
Stempeln bekannt, wobei ein Segmentschieber zum Einsatz kommt, der
mittels entsprechender Vorschub- und Rückzugseinrichtungen auch während des
Pressvorgangs für
das Formteil nach dem Schließen
der Pressform bewegt werden kann.
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Zur
Erzeugung des Pressdrucks auf die Presstempel selber ist es aus
der
EP 1 097 801 A1 bekannt,
eine Vorrichtung vorzusehen, bei der zur Erzielung einer kompakten
Bauart ein hydraulisches Element mit einem Piezo-Aktuator zusammenwirkt.
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Eine
Alternative zur axialen Verdichtung pulverförmiger Werkstoffe gemäß der vorstehenden
Erläuterungen
ist das hydrostatische Verdichten. Bei diesem Verfahren wird der
Pressling Spannungen ausgesetzt, die in allen Achsen annähernd die
gleiche Größe haben.
Dadurch werden die ungünstigen Schubspannungen
weitgehend vermieden. Durch das hydrostatische Verdichtverfahren
können
Presslinge mit höherer
Dichte und besseren Werkstoffeigenschaften hergestellt werden. Das
Verfahren findet in einem unter hohem Druck stehenden Flüssigkeitsbehälter statt.
Das Pulver wird von einer nachgiebigen Hülle umgeben, so dass eine annähernd gleich starke
Verdichtung in allen Achsen erfolgt.
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Da
das hydrostatische Verdichtungsverfahren jedoch prozessbedingte
Nachteile aufweist, kommt es nur bedingt für großtechnische Anwendungen in
Frage.
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Der
Erfindung liegt im Lichte der vorstehend beschriebenen Probleme
beim Pressen und Entformen des Formteils aus der Matrize daher die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so
fortzubilden, dass es möglich
ist, den Press- und Entformungsvorgang zu erleichtern und damit
insgesamt den Pulverpressprozess zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass in einem sich an die Außenwand der
Matrizenhülse
radial nach außen
erstreckenden Raum Mittel angeordnet sind, mit denen eine radial nach
innen gerichtete Kraft auf die Außenwand der Matrizenhülse aufgebracht
werden kann, wobei die Mittel mindestens ein mit einem Betätigungselement bewegbares
Spreizelement aufweisen, das direkt oder indirekt zwischen einer
Wand des Raums im Grundkörper
der Matrize mit radialer Oberflächennormale
und der Außenwand
der Matrizenhülse
eingespreizt werden kann.
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Dabei
hat das mindestens eine Spreizelement vorzugsweise eine tellertederartige
Grundform. Da es nicht auf eine axiale Federeigenschaft, die sogar
unerwünscht
ist, sondern auf die Aufbringung lediglich einer radial wirkenden
Spreizkraft ankommt, ist gemäß einer
Weiterbildung vorgesehen, dass das Spreizelement über seinen
Umfang eine Anzahl radial gerichteter Einschnitte aufweist. Mit
Vorteil erstrecken sich die Einschnitte über 60 % bis 90 % der radialen
Ausdehnung des Spreizelements; sie reichen jedoch nicht bis zum
radialen äußeren bzw.
inneren Ende des Spreizelements.
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Die
Spreizkraft kann dadurch erhöht
werden, dass eine Anzahl Spreizelemente in Pressrichtung des Pressstempels übereinander
im Raum angeordnet sind. Dann können
zwischen zwei Spreizelementen Abstandshalter angeordnet sein.
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Das
Betätigungselement
ist vorzugsweise als Kolben ausgebildet, der im Grundkörper der
Matrize in Pressrichtung des Pressstempels verschiebbar angeordnet
ist.
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Zur
axialen Lagefixierung der Spreizelemente kann vorgesehen werden,
dass das Betätigungselement
an seiner dem Spreizelement zugewandten Seite mindestens eine Ausnehmung
zum formschlüssigen
Eingriff des radial äußeren Endes
des Spreizelements aufweist.
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Die
Entformbarkeit des Formteils läßt sich dadurch
verbessern, dass die Formfläche
der Matrizenhülse,
die bevorzugt aus Hartmetall besteht, in einer Achsrichtung im unbelasteten
Zustand einen leicht konisch sich verbreiternden Verlauf aufweist. Während des
Pressens selber wird dann ein genau zylindrischer, nicht-konischer
Verlauf der Formfläche der
Hülse dadurch
erzeugt, dass die Spreizelemente entsprechende Radialkräfte erzeugen.
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Durch
die Erfindung ergeben sich mehrere Vorteile:
Mit dem radialen
Pressen und Entlasten der Matrizenhülse, das mit der vorgeschlagenen
Vorrichtung dosiert erzeugt werden kann, ist es in vorteilhafter Weise
möglich,
günstige
Effekte beim Formen, also während
des Pressvorgangs, und beim Entformen, also beim Freilegen des Formkörpers, zu
bewirken.
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Wegen
der erreichbaren verbesserten Entformbedingungen, d. h. durch die
Möglichkeit
einer Entformung mit reduzierter Auspresskraft des Formteils aus
der Matrize, ist es nunmehr möglich,
mit geringeren Mengen oder sogar ganz ohne Schmiermittel auszukommen,
das dem Pulver gegebenenfalls zwecks leichterer Entformung aus der
Matrize zugesetzt wird. Damit verbessern sich die Materialeigenschaften
der Formteile, insbesondere die Dichte und die Festigkeit. Weiterhin
wird dadurch die Gefahr reduziert, dass Freilegerisse am Formteil
entstehen.
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Aufgrund
der verringerten Ausstoßkraft
beim Entformen des Formteils aus der Matrize kann weiterhin der
Verschleiß an
der radialen Innenwand der Matrizenhülse erheblich reduziert werden.
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Weiterhin
kann kostengünstigeres
Material für
die Matrize eingesetzt werden, da die Reibkräfte bei der Entformung geringer
sind.
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Durch
die Kompression des Pulvermaterials nicht nur in Richtung der axialen
Bewegung der Pressstempel, sondern erfindungsgemäß auch in radiale Richtung,
ergibt sich ein Formteil mit verbesserter Materialqualität.
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Es
wird ferner möglich,
das Kalibermaß der Matrizenhülse zu beeinflussen,
wodurch Verschleiß kompensiert
werden kann. Eine durch Verschleiß zu groß gewordene Matrize bzw. eine
Aushöhlung
in der Matrizenmitte läßt sich
folglich nachstellen.
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Das
Kalibermaß der
Matrize ist unter Einbeziehung des theoretischen Sinterschwundes
beim Sintern bezogen auf das Fertigmaß festgelegt. Bei Abweichungen
zum gewünschten
Endmaß ist
gegebenenfalls eine Nachbearbeitung nach dem Sintern erforderlich.
Dies kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durch entsprechende Nachstellung der Matrizenhülse durch die radiale Verspreizung
ausgeglichen werden.
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Weiterhin
wird es auch möglich,
eine das Entformen des Formteils begünstigende Konizität durch
entsprechende Anordnung der Spreizelemente und Abstandselemente
zu erzeugen.
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Weitere
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung des Pressens von Metallpulver;
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2 die
Schnittdarstellung einer Matrize mit Mitteln zum Erzeugen einer
radial gerichteten Kraft;
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3 die
Einzelheit "X" gemäß 2;
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4 die
Ansicht "A" gemäß 2;
und
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5 eine
schematische Darstellung der geometrischen Wirkung einer Verschiebung
des Spreizelements.
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In 1 ist
schematisch eine Vorrichtung dargestellt, mit der ein Metallpulver 16 zu
einem Formteil gepresst werden kann. Die Vorrichtung weist eine
Matrize 1 auf, die aus einem hohlzylindrischen Grundkörper 2 besteht,
in den koaxial eine Matri zenhülse 3 eingesetzt
ist. Damit die Matrizenhülse 3 hochresistent
gegen Verschleiß ist,
besteht sie bevorzugt aus Hartmetall. Die Matrizenhülse definiert eine
zylindrische Formfläche 4.
In den von dieser Formfläche
gebildeten Raum wird das Metallpulver 16 eingebracht. Sowohl
von oben als auch von unten werden dann je ein Pressstempel 5 in
die jeweiligen Öffnungen
der Matrizenhülse 3 eingeschoben
und axial aufeinander zu bewegt. Dabei wird auf die Stempel 5 eine
Presskraft FP ausgeübt, so dass das Pulver 16 verdichtet
wird.
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Während 1 den
allgemeinen Fall des Pulverpressens zeigt, ist in 2 eine
Ausgestaltung des Konzepts zu sehen.
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Der
Grundkörper 2 der
Matrize 1 weist eine Ausnehmung auf, die einen Raum 7 bildet,
der die Form eines Hohlzylinders hat. Dieser Raum 7 wird
radial nach innen von der zylindrischen Außenwand 6 der Matrizenhülse 3 begrenzt.
Radial nach außen wird
der Raum 7 von einer zylindrischen Wand 11 begrenzt.
In dem sich so ergebenden Raum 7 sind Mittel 8 zum
Erzeugen einer radial gerichteten Kraft FR angeordnet,
die aus einem Kolben 9 (Betätigungselement) bestehen, der
als Hohlzylinder ausgebildet an der Wand 11 anliegt und
in Richtung des Doppelpfeils bewegt werden kann. Ferner weisen die
Mittel 8 eine Anzahl von Spreizelementen 10 auf,
die in der skizzierten Lage zwischen der radial nach innen gerichteten
Wand des Kolbens 9 und der Außenwand 6 angeordnet
sind. Zwischen den einzelnen Spreizelementen befinden sich Abstandshalter 13,
die die einzelnen Spreizelemente 10 jeweils parallel zueinander ausgerichtet
halten.
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Die
Spreizelemente 10 sind – in axiale Richtung betrachtet – sowohl
an der Außenwand 6 als auch
an der radial nach innen gerichteten Fläche des Kolbens 9 festgelegt.
Für die
axiale Festlegung der Spreizelemente 10 am Kolben weist
dieser hier eine Schulter 18 auf, an der ein erstes Spreizelement 10 anliegt;
die weiteren Spreizelemente werden durch die Abstandshalter 13 bei
Bewegung des Kolbens 9 mitgenommen.
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Wie 2 in
der Zusammenschau mit 5 entnommen werden kann, hat
die Vorrichtung folgende Wirkung:
Wird der Kolben 9 durch
Einleitung eines Hydraulikfluids (Hydraulikdruck p) in einen Zylinderraum 17 nach
oben bewegt, wird das in 5 linke Ende des Spreizelements 10 um
einen Weg Δs
in axiale Richtung verschoben. Unter der Annahme völliger Starrheit
des Spreizelements 10 bedeutet das, dass sich das rechte
Ende des Spreizelements 10 (s. 5) um einen
Verschiebeweg Δr
in radiale Richtung bewegt.
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Abhängig vom
Winkel α,
unter dem das Spreizelement 10 angeordnet ist (beispielsweise
5 bis 10°),
ergibt sich damit ein Hebeleffekt, so dass die Spreizelemente 10 eine
sehr hohe radiale Druckkraft FR auf die
Außenwand 6 der
Matrizenhülse 3 ausüben und
diese dadurch radial komprimieren. Der Hebeleffekt ist umso größer, je
kleiner der Winkel α ist.
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Wie
in 3 gesehen werden kann, die die Einzelheit "X" von 2 zeigt,
ist das Spreizelement 10 am Kolben 9 dadurch sicher
in axiale Richtung festgelegt, dass in die zylindrisch ausgebildete
Seite 14 des Kolbens 9 Ausnehmungen 15 (umlaufende Ringnuten)
eingearbeitet sind. In diese werden die radial außenliegenden
Enden der Spreizelemente 10 eingesetzt, so dass diese relativ
zum Kolben 9 axial festliegen. Analog ist Anordnung der
Spreizelemente 10 an der Außenwand 6 der Matrizenhülse 3 möglich.
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Die
Spreizelemente 10 haben eine Kontur, die derjenigen einer
Tellerfeder entspricht, wie in der Zusammenschau der 2 und 4 hervorgeht, wobei 4 die
Ansicht "A" gemäß 2 zeigt.
Dieser Figur ist nochmals zu entnehmen, wie das Spreizelement 10 zwischen
Kolben 9 und Matrizenhülse 3 positioniert
ist.
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Da
es vorliegend lediglich auf die Spreizwirkung der Spreizelemente 10 und
nicht auf eine axiale Federung ankommt, sind strahlenförmig radial
gerichtete Einschnitte 12 in die Spreizelemente 10 eingearbeitet.
Hiervon ist eine Anzahl äquidistant über den
Umfang der Spreizelemente 10 verteilt angeordnet.
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Die
Matrize bzw. die Matrizenhülse 3 weist Materialeigenschaften
auf, die durch eine hohe Druckelastizität und eine hohe Härte, zumindest
auf der radial innenliegenden Seite der Hülse, gekennzeichnet sind.
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Das
Pressen des Formteils aus dem Pulver 16 erfolgt durch Einpressen
der Pressstempel 5 in die Matrizenhülse 3. Dabei wird
gleichzeitig der Kolben 9 mit Hydraulikflüssigkeit
mit einem Druck p beaufschlagt, so dass die Matrizenhülse 3 über die
Spreizelemente 10 radial komprimiert wird. Dadurch wird das
Pulver 16 nicht nur aus der Achsrichtung, sondern auch
aus der Radialrichtung komprimiert, was zu verbesserten Eigenschaften
des Formteils führt.
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Nach
der Pressung werden nicht nur die Pressstempel 5 zurückgezogen,
es erfolgt auch eine Entlastung des Drucks p aus dem Zylinderraum 17, so
dass auch die Spreizelemente 10 entlastet werden. Hierdurch
erweitert sich die Matrizenhülse 3, was
es in vorteilhafter Weise möglich
macht, dass die sich anschließende
Entformung des Formteils bei geringer Entformungskraft (Kraft in
Richtung der Presskraft FP) erfolgen kann.
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- 1
- Matrize
- 2
- Grundkörper
- 3
- Matrizenhülse
- 4
- Formfläche
- 5
- Pressstempel
- 6
- Außenwand
- 7
- Raum
- 8
- Mittel
zum Erzeugen einer radial gerichteten Kraft
- 9
- Betätigungselement
(Kolben)
- 10
- Spreizelement
- 11
- Wand
- 12
- radial
gerichteter Einschnitt
- 13
- Abstandshalter
- 14
- Seite
des Betätigungselements
(Kolben)
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Metallpulver
- 17
- Zylinderraum
- 18
- Schulter
- FP
- Presskraft
- FR
- radial
gerichtete Kraft
- p
- Hydraulikdruck
- Δs
- Verschiebung
in axiale Richtung
- Δr
- Verschiebung
in radiale Richtung
- α
- Winkel