DE102020127325A1 - Press tool, press device, method for pressing and spherical ceramic green body - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein mehrteiliges Presswerkzeug (10) zur Herstellung eines kugelförmigen keramischen Grünlings (1), wobei das Presswerkzeug (10) umfassend einen Oberstempel (2), einen dem Oberstempel entgegenwirkenden Unterstempel (3) und eine Pressmatrize (4) ausgebildet ist, wobei der Oberstempel (2) eine erste konkave Oberfläche (2a) in Form eines ersten Mantels eines ersten Kugelabschnitts aufweist und wobei der Unterstempel (3) eine zweite konkave Oberfläche (3a) in Form eines zweiten Mantels eines zweiten Kugelabschnitts aufweist. Die Pressmatrize (4) ist mehrteilig ausgebildet, wobei alle Teile (41, 42) der mehrteiligen Pressmatrize (4) zusammen eine dritte Oberfläche (4a) in Form eines Mantels einer Kugelschicht ausbilden. Die konkave erste Oberfläche (2a), die konkave zweite Oberfläche (3a) und die dritte Oberfläche (4a) sind derart dimensioniert, zusammen eine kugelförmige Presskammer (5) zur Ausbildung des Grünlings (1) zu bilden. The invention relates to a multi-part pressing tool (10) for producing a spherical ceramic green body (1), the pressing tool (10) being designed to include an upper punch (2), a lower punch (3) counteracting the upper punch and a press die (4), wherein the upper punch (2) has a first concave surface (2a) in the form of a first shell of a first spherical section and the lower punch (3) has a second concave surface (3a) in the form of a second shell of a second spherical section. The press die (4) is designed in several parts, all parts (41, 42) of the multi-part press die (4) together forming a third surface (4a) in the form of a shell of a spherical segment. The concave first surface (2a), the concave second surface (3a) and the third surface (4a) are dimensioned in such a way that together they form a spherical pressing chamber (5) for forming the green compact (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein mehrteiliges Presswerkzeug zur Herstellung eines kugelförmigen keramischen Grünlings, wobei das Presswerkzeug umfassend einen Oberstempel, einen dem Oberstempel entgegenwirkenden Unterstempel und eine Pressmatrize ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Presseneinrichtung und Verfahren zum uniaxialen oder biaxialen Pressen. Die Erfindung betrifft schließlich einen nach einem solchen Verfahren hergestellten kugelförmigen keramischen Grünling.The invention relates to a multi-part pressing tool for producing a spherical ceramic green compact, the pressing tool being designed to include an upper punch, a lower punch which counteracts the upper punch and a press die. The invention further relates to a press device and method for uniaxial or biaxial pressing. Finally, the invention relates to a spherical ceramic green body produced by such a method.
Derzeit ist ein steigender Bedarf im Bereich der keramischen Wälzlager für unterschiedlichste Anwendungen zu beobachten, welcher in den nächsten Jahren noch deutlich zunehmen wird. Gerade die Hybridlager stehen hier besonders im Fokus, bei welchen lediglich die Wälzkörper aus Keramik und die Lagerringe aus Metall gefertigt sind. Den limitierenden Faktor für einen flächendeckenden Einsatz solcher Hybridlager, vor allem auch in Anwendungen für die Automobilindustrie, stellen aktuell die Kosten für derartige keramische Wälzkörper dar. Diese Kosten ergeben sich hauptsächlich durch eine sehr aufwendige Prozessroute zur Herstellung der gesinterten Rohlinge sowie durch die Fertigbearbeitung dieser.There is currently an increasing demand in the field of ceramic roller bearings for a wide variety of applications, which will increase significantly in the coming years. The focus here is particularly on hybrid bearings, in which only the rolling elements are made of ceramic and the bearing rings are made of metal. The limiting factor for widespread use of such hybrid bearings, especially in applications for the automotive industry, is currently the cost of such ceramic rolling elements. These costs are mainly due to a very complex process route for the production of the sintered blanks and the finish machining of them.
Entscheidend für eine optimale Fertigbearbeitung kugeliger keramischer Wälzkörper ist ein möglichst homogener gesinterter Rohling, der sich vor allem durch gleichmäßige Eigenschaften und eine hohe Rundheit auszeichnet. Diese Eigenschaften werden maßgeblich durch die Wahl des Formgebungsverfahren beeinflusst, das bei der Ausbildung des keramischen Grünlings verwendet wird.A sintered blank that is as homogeneous as possible, which is characterized above all by uniform properties and a high degree of roundness, is decisive for optimal finishing of spherical ceramic rolling elements. These properties are significantly influenced by the choice of shaping process used to form the ceramic green body.
Üblicherweise wird ein zweistufiger Formgebungsprozess gewählt. Im ersten Schritt wird eine Pulverzubereitung oder ein Granulat umfassend keramisches Pulver und Bindemittel mittels uniaxialem oder biaxialem Pressen zu einem Grünling verpresst.A two-stage molding process is usually chosen. In the first step, a powder preparation or a granulate comprising ceramic powder and binder is pressed into a green compact by means of uniaxial or biaxial pressing.
Beim uniaxialen / biaxialen Pressen wird die Pulverzubereitung oder ein Granulat in eine einteilige Pressmatrize eingefüllt. Diese ist in der Regel zylindrisch ausgeführt und hat keine direkte formgebende Funktion. Die gewünschte Kugelgeometrie des Grünlings wird nur über den Ober- und Unterstempel ausgebildet. Dafür ist jeweils eine Halbschale in jeden der Stempel eingebracht.In uniaxial/biaxial pressing, the powder preparation or granules are filled into a one-piece press die. This is usually cylindrical and has no direct shaping function. The desired spherical geometry of the green body is formed only via the upper and lower punches. For this purpose, a half-shell is introduced into each of the stamps.
Um entsprechenden Prozessschwankungen Rechnung zu tragen und einen starken Werkzeugverschleiß zu vermeiden, werden die beiden Stempel bei der Formgebung nicht in Kontakt miteinander gebracht. Somit verbleibt ein kleiner Spalt zwischen den Stempeln. Dies führt dazu, dass der geformte Grünling nicht komplett kugelig ist. Auf Höhe des Äquators der Kugel verbleibt ein zylindrischer Anteil. Dieser wird als Saturnring bezeichnet.In order to take account of the corresponding process fluctuations and to avoid severe tool wear, the two punches are not brought into contact with one another during shaping. This leaves a small gap between the punches. As a result, the formed green compact is not completely spherical. A cylindrical portion remains at the level of the equator of the sphere. This is called Saturn's ring.
Dieser Grünling weist jedoch noch Inhomogenitäten betreffend seine Dichte auf, welche nach dem Entbindern des Grünlings in einem nachfolgenden Sinterschritt zu einem ungleichmäßigem Schwindungsverhalten und zu einer erhöhten Unrundheit des gesinterten Rohlings oder Bauteils führen. Aus diesem Grund wird in einem zweiten Formgebungsschritt der bereits vorkompaktierte Grünling durch ein kaltisostatisches Pressen allseitig nachverdichtet. Dadurch lassen sich die zuvor genannten Dichteunterschiede vergleichmäßigen und nahezu ausgleichen.However, this green body still has inhomogeneities in terms of its density, which after debinding of the green body in a subsequent sintering step lead to non-uniform shrinkage behavior and increased out-of-roundness of the sintered blank or component. For this reason, in a second shaping step, the already pre-compacted green body is recompacted on all sides by cold isostatic pressing. As a result, the aforementioned differences in density can be evened out and almost evened out.
Die Außengeometrie des Rohlings wird allerdings maßgeblich vom ersten Formgebungsschritt beeinflusst. Im nachgeschalteten zweiten Formgebungsschritt des kaltisostatischen Pressens wird lediglich eine Vergleichmäßigung der inneren Gefügestruktur des Rohlings und damit seines Schwindungsverhaltens erreicht, große Gestaltänderungen dagegen finden nicht mehr statt.However, the outer geometry of the blank is significantly influenced by the first shaping step. In the subsequent second shaping step of cold isostatic pressing, the inner microstructure of the blank and thus its shrinkage behavior are only made more uniform, while major changes in shape no longer take place.
Der im ersten Formgebungsschritt gebildete Saturnring erweist sich dabei in der späteren Fertigbearbeitung des gesinterten Rohlings als sehr nachteilig, da dieser die rotatorische Bewegung der Kugel in einer Kugelmühle behindert und somit eine Bearbeitung erschwert. Aus diesem Grund muss in einer Art Vorbearbeitung („prelapping“) der Saturnring unter hohem Einsatz von Schleifmittel, meist in Form einer Diamantsuspension, zunächst entfernt werden, bevor in einer anschließenden Feinbearbeitung die endgültige Kugelgeometrie erzeugt werden kann.The Saturn ring formed in the first shaping step proves to be very disadvantageous in the later finishing of the sintered blank, since it impedes the rotational movement of the ball in a ball mill and thus makes processing more difficult. For this reason, the Saturn ring must first be removed in a kind of pre-machining ("prelapping") using a large amount of abrasive, usually in the form of a diamond suspension, before the final spherical geometry can be produced in subsequent fine machining.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Außengeometrie eines mittels eines uniaxialen oder biaxialen Pressens gebildeten kugelförmigen keramischen Grünlings ohne einen solchen Saturnring auszubilden. Dazu soll ein geeignetes Presswerkzeug, eine geeignete Presseneinrichtung und geeignete Pressverfahren angegeben werden.It is therefore an object of the invention to develop the outer geometry of a spherical ceramic green compact formed by means of uniaxial or biaxial pressing without such a Saturn ring. A suitable pressing tool, a suitable press device and suitable pressing methods should be specified for this purpose.
Die Aufgabe wird für ein mehrteiliges Presswerkzeug zur Herstellung eines kugelförmigen keramischen Grünlings, wobei das Presswerkzeug umfassend einen Oberstempel, einen dem Oberstempel entgegenwirkenden Unterstempel und eine Pressmatrize ausgebildet ist, wobei der Oberstempel eine erste konkave Oberfläche in Form eines ersten Mantels eines ersten Kugelabschnitts aufweist und wobei der Unterstempel eine zweite konkave Oberfläche in Form eines zweiten Mantels eines zweiten Kugelabschnitts aufweist, dadurch gelöst, dass die Pressmatrize mehrteilig ausgebildet ist, wobei alle Teile der mehrteiligen Pressmatrize zusammen eine dritte Oberfläche in Form eines Mantels einer Kugelschicht ausbilden, wobei die konkave erste Oberfläche, die konkave zweite Oberfläche und die dritte Oberfläche derart dimensioniert sind, zusammen eine kugelförmige Presskammer zur Ausbildung des Grünlings zu bilden.The task is for a multi-part pressing tool for the production of a spherical ceramic green compact, wherein the pressing tool is designed to include an upper punch, a lower punch that counteracts the upper punch and a press die, wherein the upper punch has a first concave surface in the form of a first shell of a first spherical segment and wherein the lower punch has a second concave surface in the form of a second shell of a second spherical segment, solved in that the press die is designed in several parts, with all parts of the multi-part press die together forming a form the third surface in the form of a shell of a layer of spheres, wherein the concave first surface, the concave second surface and the third surface are dimensioned such that together form a spherical press chamber for forming the green body.
Dadurch wird im Bereich des Äquators des Grünlings kein Saturnring ausgebildet, der nach einem Entbindern und Sintern des Grünlings zeitaufwendig abgetragen werden müsste.As a result, no ring of Saturn is formed in the area of the equator of the green compact, which would have to be removed in a time-consuming manner after debinding and sintering of the green compact.
Es hat sich bewährt, wenn die Pressmatrize eine geradzahlige Anzahl von Teilen umfasst, wobei jeweils zwei Teile sich gegenüberliegend angeordnet und spiegelbildlich ausgeformt sind. Insbesondere ist die Pressmatrize zwei- oder vierteilig ausgebildet. Sich gegenüberliegenden Teile der Pressmatrize zur Ausbildung der Presskammer sind bevorzugt aufeinander zu beweglich.It has proven useful if the press die comprises an even number of parts, with two parts being arranged opposite one another and formed in a mirror-inverted manner. In particular, the press die is designed in two or four parts. Opposite parts of the press die for forming the press chamber can preferably be moved towards one another.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Presswerkzeugs ist entweder nur der Oberstempel (uniaxiales Pressen) oder der Oberstempel und der Unterstempel (biaxiales Pressen) beweglich ausgebildet.In a preferred embodiment of the pressing tool, either only the upper punch (uniaxial pressing) or the upper punch and the lower punch (biaxial pressing) are designed to be movable.
Bevorzugt bildet die zweite konkave Oberfläche ein Spiegelbild der ersten konkaven Oberfläche. Allerdings können sich die erste und zweite konkave Oberfläche hinsichtlich ihrer Ausdehnung unterscheiden.Preferably the second concave surface forms a mirror image of the first concave surface. However, the first and second concave surfaces may differ in extent.
Eine Presseneinrichtung zum uniaxialen oder biaxialen Pressen eines kugelförmigen keramischen Grünlings hat sich bewährt, wobei die Presseneinrichtung ein erfindungsgemäßes mehrteiliges Presswerkzeug umfasst.A press device for uniaxially or biaxially pressing a spherical ceramic green compact has proven itself, with the press device comprising a multi-part pressing tool according to the invention.
Die Verwendung des mehrteiligen Presswerkzeugs zum uniaxialen / biaxialen Pressen der kugelförmigen Grünlinge ermöglicht es, einen Teil der formgebenden Kontur in die mehrteilige Pressmatrize zu verlagern. Zum Zeitpunkt der Kugelformgebung ist die Presskammer und damit die Pressmatrize geschlossen, so dass der geformte kugelige Grünling aufgrund der klein dimensionierten Teilungsnaht der Pressmatrize am Äquator keinen erhabenen Saturnring, sondern lediglich eine sichtbare schmale ringförmige Markierung aufweist. Derartige Markierungen sind auch an den Teilungsnähten des Presswerkzeugs am Übergang von Oberstempel zu Pressmatrize und von Unterstempel zu Pressmatrize am Grünling vorhanden. Diese führen allerdings nicht zu einer notwendigen zeitintensiven Abtragung von über die Kugeloberfläche des Grünlings überstehendem Material nach einem Entbindern und Sintern des Grünlings.The use of the multi-part pressing tool for uniaxial/biaxial pressing of the spherical green compacts makes it possible to relocate part of the shaping contour to the multi-part press die. At the time of spherical shaping, the press chamber and thus the press die are closed, so that the formed spherical green body does not have a raised Saturn ring at the equator due to the small dividing seam of the press die, but only a visible narrow ring-shaped mark. Such markings are also present on the dividing seams of the pressing tool at the transition from upper punch to press die and from lower punch to press die on the green body. However, these do not lead to the necessary time-consuming removal of material projecting beyond the spherical surface of the green compact after debinding and sintering of the green compact.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum uniaxialen Pressen eines kugelförmigen keramischen Grünlings umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Presseneinrichtung,
- Öffnen der Presskammer des mehrteiligen Presswerkzeuges mittels des Oberstempels,
- Einfüllen einer Pulverzubereitung oder eines Granulats enthaltend mindestens ein keramisches Pulver und ein Bindemittel zur Ausbildung des kugelförmigen keramischen Grünlings oder
- Einbringen eines Vorformlings aus einer Pulverzubereitung oder einem Granulat enthaltend mindestens ein keramisches Pulver und ein Bindemittel, und Schließen der Presskammer mittels des Oberstempels unter Ausbildung eines Pressdruckes in der Presskammer und Ausbildung des kugelförmigen keramischen Grünlings.
- providing a press device according to the invention,
- Opening the pressing chamber of the multi-part pressing tool using the upper punch,
- Filling in a powder preparation or a granulate containing at least one ceramic powder and a binder to form the spherical ceramic green body or
- Introduction of a preform from a powder preparation or a granulate containing at least one ceramic powder and a binder, and closing the pressing chamber by means of the upper punch, forming a pressing pressure in the pressing chamber and forming the spherical ceramic green body.
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zum biaxialen Pressen eines kugelförmigen keramischen Grünlings umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Presseneinrichtung,
- Öffnen der Presskammer des mehrteiligen Presswerkzeuges mittels des Oberstempels und des Unterstempels,
- Einfüllen einer Pulverzubereitung oder eines Granulats enthaltend mindestens ein keramisches Pulver und ein Bindemittel zur Ausbildung des kugelförmigen keramischen Grünlings oder
- Einbringen eines Vorformlings aus einer Pulverzubereitung oder einem Granulat enthaltend mindestens ein keramisches Pulver und ein Bindemittel, und Schließen der Presskammer mittels des Oberstempels und des Unterstempels unter Ausbildung eines Pressdruckes auf den Vorformling in der Presskammer und Ausbildung des kugelförmigen keramischen Grünlings.
- providing a press device according to the invention,
- Opening of the pressing chamber of the multi-part pressing tool by means of the upper punch and the lower punch,
- Filling in a powder preparation or a granulate containing at least one ceramic powder and a binder to form the spherical ceramic green body or
- Introduction of a preform from a powder preparation or a granulate containing at least one ceramic powder and a binder, and closing the pressing chamber by means of the upper punch and the lower punch, forming a pressing pressure on the preform in the pressing chamber and forming the spherical ceramic green body.
Dabei wird unter einem „Öffnen der Presskammer“ verstanden, dass zumindest der Oberstempel soweit herausgefahren wird, dass über eine Öffnung ein Einfüllen von Pulver, Granulat oder Vorformling in die Presskammer möglich wird.“Opening the press chamber” is understood to mean that at least the upper punch is moved out so far that powder, granulate or preform can be filled into the press chamber via an opening.
Ein Vorformling kann beispielsweise durch einen Extrusionsvorgang oder einen Pressvorgang ausgebildet sein.A preform can be formed, for example, by an extrusion process or a pressing process.
Der gebildete kugelförmige keramische Grünling weist mindestens drei ringförmige Markierungen auf, sofern die Pressmatrize zweiteilig ausgeführt ist und horizontal geteilt ist. Sofern die Pressmatrize mehr als zwei Teile aufweist und beispielsweise nicht nur eine horizontale, sondern zudem zwei oder mehr vertikale Teilungsnähte aufweist, so sind am Grünling weiterhin mindestens zwei, die ringförmigen Markierungen verbindende linienförmige Markierungen im Bereich seiner Oberfläche vorhanden. Die Markierung sind demnach im Bereich von Teilungsnähten angeordnet, die in der Presskammer am Übergang zwischen der ersten Oberfläche und der dritten Oberfläche, zwischen der zweiten Oberfläche und der dritten Oberfläche sowie zwischen den aneinander angrenzenden Teilen der mehrteiligen Pressmatrize im Bereich der dritten Oberfläche vorhanden sind.The formed spherical ceramic green body has at least three ring-shaped marks if the die is made in two parts and is divided horizontally. Unless the press If the die has more than two parts and, for example, has not only one horizontal but also two or more vertical dividing seams, then the green body still has at least two linear markings connecting the ring-shaped markings in the area of its surface. The markings are therefore arranged in the area of dividing seams, which are present in the press chamber at the transition between the first surface and the third surface, between the second surface and the third surface and between the adjoining parts of the multi-part press die in the area of the third surface.
Nach einem Entbindern und Sintern des Grünlings ist ein Zeitbedarf zur Endbearbeitung der Keramikkugel auf einen definierten Durchmesser signifikant reduziert.After debinding and sintering of the green compact, the time required for finishing the ceramic ball to a defined diameter is significantly reduced.
Zur Bildung des keramischen Grünlings kommt vorzugsweise ein keramisches Pulver zum Einsatz in Form von Siliziumnitrid (Si3N4) und/oder Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Zirkonoxid (ZrO2) und/oder ZTA (Zirkonoxid-verstärktes Aluminiumoxid)) und/oder ATZ (Aluminiumoxid-verstärktes Zirkonoxid) und/oder Siliziumkarbid (SiC).A ceramic powder in the form of silicon nitride (Si 3 N 4 ) and/or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and/or zirconium oxide (ZrO 2 ) and/or ZTA (zirconium oxide-reinforced aluminum oxide) is preferably used to form the ceramic green compact. ) and/or ATZ (Alumina Reinforced Zirconia) and/or Silicon Carbide (SiC).
Die
-
1 einen Längsschnitt durch eine Presseneinrichtung umfassend ein Presswerkzeug, und -
2 einen kugelförmigen keramischen Grünling.
-
1 a longitudinal section through a press device comprising a pressing tool, and -
2 a spherical ceramic green compact.
Der in dem Presswerkzeug 10 gemäß
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Grünlinggreenling
- 22
- Oberstempelupper stamp
- 2a2a
- erste Oberflächefirst surface
- 33
- Unterstempelbottom stamp
- 3a3a
- zweite Oberflächesecond surface
- 44
- Pressmatrizepress die
- 4a4a
- dritte Oberflächethird surface
- 41, 4241, 42
- Teil der Pressmatrizepart of the press die
- 55
- Presskammerpress chamber
- 8a, 8b8a, 8b
- Markierungmark
- 99
- Oberfläche des Grünlingssurface of the green body
- 1010
- Presswerkzeugpressing tool
- 1111
- Presseneinrichtungpress equipment
- 12, 12a, 12b12, 12a, 12b
- Teilungsnahtdividing seam
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Legal Events
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