DE10356269B3

DE10356269B3 - Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes zwischen sich relativ zueinander bewegenden Werkzeugteilen gegen das Eindringen von flüssigen oder teilflüssigen metallischen Werkstoffen in diesen Spalt

Info

Publication number: DE10356269B3
Application number: DE2003156269
Authority: DE
Inventors: Günther MESSMER; Florian Kern; Panajotis Delinasakis
Original assignee: INST UMFORMTECHNIK UNI STUTTGA; Institut fur Umformtechnik Universitat Stuttgart
Current assignee: INST UMFORMTECHNIK UNI STUTTGA; Institut fur Umformtechnik Universitat Stuttgart
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-11-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes (S) zwischen sich relativ zueinander bewegenden Werkzeugteilen gegen das Eindringen von flüssigen oder teilflüssigen metallischen Werkstoffen (W) in diesen Spalt (S), mit einem ersten Werkzeugteil (1) und einem dazu entlang einer Achse (A) axial verschiebbaren zweiten Werkzeugteil (2), welche einen Formhohlraum (4) begrenzen, sowie mit einem Dichtelement (3), welches den Spalt (S) zwischen den beiden Werkzeugteilen (1, 2) druckabhängig abdichtet, wobei das Dichtelement (3) in Richtung zum Formhohlraum (4) angeordnet und an eine Gegendichtfläche dichtend anlegbar ist. Erfindungsgemäß ist das an einem der Werkzeugteile (1 oder 2) angeordnete Dichtelement (3) in der Art eines, dem Verlauf des Spaltes folgenden, Federelementes ausgebildet und bei Druckaufbau im Formenraum (4) an die Gegendichtfläche des jeweiligen anderen Werkzeugteils (1, 2), den Spalt (S) zwischen den beiden Werkzeugteilen (1, 2) abdichtend, anlegbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes zwischen sich relativ zueinander bewegenden Werkzeugteilen gegen das Eindringen von flüssigen oder teilflüssigen metallischen Werkstoffen in diesen Spalt nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Es sind zahlreiche Lösungen zum Abdichten des Spaltes zwischen der Außenfläche eines Stempels und dem Werkzeug bekannt, die jedoch meist mit einem sehr hohen Aufwand verbunden sind oder für die Anwendung beim Gießen oder Thixoforming von flüssigen oder teilflüssigen Metallen nicht geeignet sind. Es werden beispielsweise metallische Dichtringe eingesetzt, wobei jedoch das Problem besteht, dass sich der Werkstoff in den Zwischenräumen zwischen Stempel und Dichtring festsetzen kann und somit das Anlegen des Dichtringes an die Dichtfläche nicht mehr sicher gewährleistet ist. Weiterhin sind diese Lösungen nur bei kreisförmigen und elliptischen Stempelquerschnitten einsetzbar. Es sind ebenfalls sehr aufwändige Dichtungen bekannt, bei welchen in Abhängigkeit von dem sich aufbauenden Druck der Anpressdruck der Dichtung auf die Innenwand des Zylinders erhöht wird. Eine derartige Lösung zur Anwendung beim Kunststoffspritzgießen wird in DE 198 47 343 A1 beschrieben. Eine lastabhängige Abdichtung des Kolbens im Zylinder wird hier durch Verwendung einer Dichtung in Form einer elastisch verformbaren Kunststoffmanschette erzielt, welche an der Stirnseite des Kolbens befestigt ist und durch den Einfluss eines Hydraulikdruckes in einem angrenzenden Ringraum nach außen ausgebeult und gegen die Zylinderwandung gepresst wird. Diese Lösung ist aufgrund des verwendeten Dichtungswerkstoffes nicht für die Formgebung von flüssigen oder teilflüssigen Metallen geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes zwischen sich relativ zueinander bewegenden Werkzeugteilen gegen das Eindringen von flüssigen oder teilflüssigen metallischen Werkstoffen in diesen Spalt zu entwickeln, die einen einfachen Aufbau aufweist, für unterschiedlichste Stempelquerschnitte einsetzbar ist und eine zuverlässige Abdichtung in Abhängigkeit von dem sich aufbauenden Druck beim Umformen oder Gießen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes zwischen sich relativ zueinander bewegenden Werkzeugteilen gegen das Eindringen von flüssigen oder teilflüssigen metallischen Werkstoffen in diesen Spalt weist bekannterweise ein erstes Werkzeugteil und einem dazu entlang einer Achse axial verschiebbares zweites Werkzeugteil auf, die einen Formhohlraum begrenzen, sowie ein Dichtelement, welches den Spalt zwischen den beiden Werkzeugteilen druckabhängig abdichtet, wobei das Dichtelement an eine Gegendichtfläche dichtend anlegbar ist. Erfindungsgemäß ist das Dichtelement an einem der Werkzeugteile angeordnet und in der Art eines, dem Verlauf des Spaltes folgenden, Federelementes ausgebildet und bei Druckaufbau im Formenraum elastisch in Richtung zur Gegendichtfläche des jeweiligen anderen Werkzeugteils formbar. Das Dichtelement weist eine druckbeaufschlagbare Fläche auf, gegen welche der sich im metallischen Werkstoff aufbauende Druck wirkt, wodurch eine am Außenumfang des Dichtelementes angeordnete Dichtkante gegen die Gegendruckfläche abdichtet.

Vorzugsweise ist das Dichtelement einstückig mit dem zweiten Werkzeugteil verbunden und weist von seiner Dichtkante ausgehend einen von der Gegendichtfläche wegweisenden Hinterschnitt auf.

Die druckbeaufschlagbare Fläche des Dichtelementes verläuft parallel zur Achse oder ist im Vergleich zur Gegendruckfläche von dieser weg im spitzen Winkel geneigt, so dass das Entformen des Werkstückes gewährleistet ist. Das Werkzeugteil, an welchem das Dichtelement angeordnet ist, weist in Richtung zum Formhohlraum eine erste Formfläche und das Dichtelement zwischen der Druckfläche und der Dichtkante eine zweite Formfläche auf, die von der ersten Formfläche beabstandet ist, z.B. durch eine in das zweite Werkzeugteil stirnseitig eingebrachte Nut. Beide Formflächen liegen entweder in einer Ebene oder die zweite Formfläche ragt in Richtung zum Formhohlraum über die erste Formfläche hinaus oder umgekehrt.

Das zweite Werkzeugelement kann einen nahezu beliebigen Querschnitt aufweisen, wobei das Dichtelement umfangsseitig außen am Querschnitt und bei Anordnung eines Innenstempels zusätzlich innen am Querschnitt angeordnet ist. Es müssen jedoch bestimmte Radien entsprechend der Abmessung des Dichtelementes eingehalten werden.

Wird das zweite Werkzeugteil im ersten Werkzeugteil in Richtung zum Formhohlraum mit darin befindlichem metallischem Werkstoff verschoben, baut sich im Werkstoff ein Druck auf, welcher gegen die druckbeaufschlagbare Fläche des Dichtelementes wirkt. Da das Dichtelement elastisch radial federnd ausgebildet ist, wird dessen Dichtkante gegen die Innenwandung/Gegendruckfläche des ersten Werkzeugteiles oder gegen die Außenwand/Gegendruckfläche des Innenstempels gedrückt, wodurch der zwischen ersten und zweiten Werkzeugteil befindliche Spalt sicher abgedichtet wird. Bei größer werdenden Druck wird auch die Anpresskraft der Dichtkante an die Gegendruckfläche verstärkt, so dass gewährleistet wird, dass auch bei hohen Drücken kein metallischer Werkstoff in den Spalt fließen kann. Es wird somit ein bei Druckaufbau im Formenraum selbstanstellendes Dichtelement geschaffen, welches ein Abströmen des Werkstoffes auch bei sehr hohen Drücken verhindert und gleichzeitig übermäßigen Verschleiß an den Berührungsflächen vermeidet.

Während der Vorschubbewegung des ersten Werkzeugteiles entlang der Achse A in Richtung zum Formhohlraum kann eventuell vorhandener Versatz durch die elastische Verformung des Dichtelementes ausgeglichen werden. Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Dichtelement das Anhaften kleiner Werkstoffteilchen (Flitter) im Bereich der Dichtfläche auf ein Minimum beschränkt.

Durch einen am Außenumfang des Dichtelementes angeordneten Hinterschnitt wird gewährleistet, dass das zweite Werkzeugteil mit dem Dichtelement nach dem Formvorgang aus dem ersten Werkzeugteil entfernt werden kann.

Die relativ einfache Geometrie des Dichtelementes ermöglicht eine einfache Herstellbarkeit und verringert die Anforderungen an die Führungen der bewegten Werkzeugteile und an die Präzision bei der Fertigung der Dichtflächen. Die Erfindung kann z.B. angewendet werden beim Thixo-Schmieden im offenen Gesenk zwischen Ober- und Untergesenk, beim Thixo-Schmieden im geschlossenen Gesenk zwischen Obergesenk und Einpressstempel, beim Gießschmieden zwischen Obergesenk und Untergesenk, beim Gießen zwischen Gießkammer und Gießkolben und beim Squeeze-Casting-Verfahren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1: Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes beim Thixo-Schmieden mit eingelegtem erwärmten Werkstück W, vor Beginn des Umformens, wobei sich die beiden Formflächen 2.4, 3.4 des zweiten Werkzeugteiles 2 und des Dichtelementes 3 in einer Ebene befinden,
2: Einzelheit A gem. 1,
3: Draufsicht auf das Werkzeugteil 2 aus Richtung der Formflächen 2.4 und 3.4,
4: Prinzipdarstellung wie 1 vor Beginn des Umformens, wobei die Formfläche 2.4 des ersten Werkzeugteiles 2 gegenüber der Formfläche 3.4 des Dichtelementes 3 zurückgesetzt ist und das Dichtelement 3 separat ausgebildet ist,
5: Einzelheit B gem. 4,
6: Darstellung einer Vorrichtung unter Verwendung eines Innenstempels 4, welcher an Werkzeugteil 1 angeordnet und in eine Ausnehmung 5 im Werkzeugteil 2 eingreifbar ist, mit eingelegtem Werkstück W vor dem Umformprozess,
7: Darstellung einer Vorrichtung gem. 6 nach Abschluss des Umformprozesses.
1 und deren Einzelheit A (2) zeigen die Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes beim Thixo-Schmieden mit eingelegtem erwärmten Werkstück W, vor Beginn des Umformens, wobei sich die beiden Formflächen 2.4, 3.4 des zweiten Werkzeugteiles 2 und des Dichtelementes 3 in einer Ebene befinden. In dem ersten Werkzeugteil 1 wird das zweite Werkzeugteil 2 entlang der Achse A axial bewegt. Das Dichtelement 3 ist am Außenumfang des zweiten Werkzeugteiles angeordnet, im Querschnitt als ein bei Druckeinwirkung elastisch auffederndes Element ausgebildet und weist die Form einer radial auf spreizbaren Nase auf, die in Richtung zur Gegendichtfläche 1.1 einen Vorsprung in Form einer Schulter 3.5 besitzt.
Zwischen der Schulter 3.5 und der Gegendichtfläche 1.1 ist ein Spalt S vorhanden, der sich vom Formhohlraum weg nach der Schulter auf einen Spalt S1 vergrößert. Der Übergang zu dieser Schulter 3.5 ist als Radius r1 (s. 2 und 5) ausgebildet. An dieser Schulter 3.5 ist in Richtung zum Formhohlraum 4 und in Richtung zur Gegendichtfläche 1.1 die Dichtkante oder Dichtfläche 3.2 vorhanden. Das Dichtelement 3 weist weiterhin an der Schulter 3.5 einen sich an die Dichtkante bzw. Dichtfläche 3.2 anschließenden nicht näher dargestellten leichten Hinterschnitt auf. Der Querschnitt, d.h. die Dicke b1 vor der Schulter 3.5 und die Höhe h1 des Dichtelementes 3 sind so zu wählen, dass die gewünschte Federwirkung eintritt. Die Schulter 3.5 weist eine Breite b2 und eine Höhe h2 auf. Das Dichtelement 3 besitzt weiterhin eine druckbeaufschlagbare Fläche 3.1, die gem. 1 und 2 durch eine Seitenfläche einer Nut N gebildet wird, die stirnseitig in das zweite Werkzeugelement 2 umlaufend eingebracht ist. Der Nutgrund weist dabei einen Radius r2 auf. Die beiden Seitenflächen der Nut N besitzen einen geringen Öffnungswinkel α, um das Entformen zu gewährleisten. Durch die Nut N wird eine erste Formfläche 2.4 des zweiten Werkzeugteiles 2 und eine in der gleichen Ebene liegende zweite Formfläche 3.4 des Dichtelementes 3 gebildet. Diese Formflächen 2.4, 3.4 können eben, konvex oder konkav gestaltet sein oder auch eine Gravur entsprechend der Form des herzustellenden Werkstückes aufweisen.
In 3 ist die Draufsicht auf das Werkzeugteil 2 gem. 1 aus Richtung der Formflächen 2.4 und 3.4 dargestellt. Es wechseln sich hier zwei konvex und zwei konkav gekrümmte Bereiche ab. Der Verlauf der Nut N und des Dichtelementes 3 im Außenbereich des zweiten Werkzeugteiles 2 folgen diesem Verlauf ebenso, wie die Innenkontur des hier nicht dargestellten ersten Werkzeugteiles. Selbstverständlich kann auch eine andere Form, z.B. eine kreisförmige, ovale oder eine Kontur mit sich abwechselnden geradlinigen und gekrümmten Bereichen gewählt werden.
Gem. 4 und 5 ist die Vorrichtung mit eingelegtem Werkstück W vor dem Umformprozess dargestellt. Das Dichtelement 3 ragt um die Höhe h1 über die Formfläche 2.4 des zweiten Werkzeugelementes 2 in Richtung zum Formhohlraum 4. Die Formfläche 3.1 des Dichtelementes 3 schließt sich über die druckbeaufschlagbare Fläche 3.1, die im Öffnungswinkel β geneigt ist, an die Formfläche 2.4 des zweiten Werkzeugteiles 2 an. Wie in 1 und 2 weist das Dichtelement 3 im Querschnitt eine Breite b1, eine Schulter mit einer Breite b2 und einer Höhe h2 sowie einem Radius r1 auf, wobei sich an der Schulter 3.5 in Richtung zur Gegendichtfläche 1.1 die Dichtkante bzw. Dichtfläche 3.2 befindet.
Wird das in 1 und 4 dargestellte zweite Werkstückteil 2 in Richtung zum Formhohlraum 4 mit der Kraft F beaufschlagt, so baut sich im Formhohlraum ein Druck p auf (nicht dargestellt), welcher auch auf die druckbeaufschlagbare Fläche 3.1 des Dichtelementes 3 wirkt und dieses radial nach außen gegen die Gegendichtflächen 1.1 presst und abdicht, wodurch verhindert wird, dass der Werkstoff des Werkstücks W in den Spalt S/S1 fließen kann.
Eine weitere Variante der vor dem Umformen mit eingelegtem Werkstück W zeigt 6 und nach dem Umformen 7. An dem ersten Werkstückteil 1 ist zentrisch in Richtung zum Formhohlraum 4 ein Innenstempel 5 angeordnet. In dem zweiten Werkstückteil 2 befindet sich eine Ausnehmung 6, in welche der Innenstempel 5 eingreifen kann. Um die Abdichtung zwischen Innenstempel 5 und Ausnehmung 6 zu gewährleisten, befindet sich auch an der Ausnehmung 6 ein Dichtelement 3. Wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist auch am Außenumfang des zweiten Werkzeugteiles 2 ein Dichtelement 3 angeordnet. Sowohl an der Innenseite des ersten Werkstückteiles 1 als auch an der Außenkontur des Innenstempels 5 ist eine Gegendichtfläche 1.1 ausgebildet. Wird das zweite Werkstückteil in Richtung zum Formhohlraum 4 mit der Kraft F bewegt, so baut sich im Formhohlraum ein Druck p auf (7). Dieser Druck wirkt auch auf die druckbeaufschlagbaren Flächen 3.1 der beiden Dichtelemente 3, so dass diese gegen die Gegendichtflächen 1.1 gepresst werden und mit ihren Dichtflächen 3.2 abdichten, wodurch verhindert wird, das der Werkstoff des Werkstückes W in den Spalt S zwischen Ausnehmung 6 und Stempel 5 und zwischen Innenseite des ersten Werkstückteiles 1 und Außendurchmesser des zweiten Werkstückteiles fließen kann.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Dichtelementes verringert die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung der abzudichtenden Flächen wesentlich. Eventuell vorhandene Ungenauigkeiten in der Gegendichtfläche, z.B. Erhebungen in Richtung zum Dichtelement, werden durch das Dichtelement ausgeglichen, so dass dieses elastisch über diese Erhebungen hinweg gleiten kann, denn durch die federnde Ausbildung des Dichtelementes kann es sowohl nach innen als auch nach außen federn. Das Spiel zwischen den abzudichtenden Flächen kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ebenfalls erhöht werden.

Claims

Vorrichtung zur Abdichtung des Spaltes (S) zwischen sich relativ zueinander bewegenden Werkzeugteilen gegen das Eindringen von flüssigen oder teilflüssigen metallischen Werkstoffen (W) in diesen Spalt (S), mit einem ersten Werkzeugteil (1) und einem dazu entlang einer Achse (A) axial verschiebbaren zweiten Werkzeugteil (2), welche einen Formhohlraum (4) begrenzen, sowie mit einem Dichtelement (3), welches den Spalt (S) zwischen den beiden Werkzeugteilen (1, 2) druckabhängig abdichtet, wobei das Dichtelement (3) in Richtung zum Formhohlraum (4) angeordnet und an eine Gegendichtfläche dichtend anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das an einem der Werkzeugteile (1 oder 2) angeordnete Dichtelement (3) in der Art eines, dem Verlauf des Spaltes folgenden, Federelementes ausgebildet ist und eine druckbeaufschlagbare Fläche 3.1 aufweist und dass das Dichtelement (3) durch Druckeinwirkung des Druckes im Formenraum (4) auf die druckbeaufschlagbare Fläche (3.1) an die Gegendichtfläche des jeweiligen anderen Werkzeugteils (1, 2), den Spalt (S) zwischen den beiden Werkzeugteilen (1, 2) abdichtend, anlegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) eine druckbeaufschlagbare Fläche (3.1) aufweist, gegen welche der sich im metallischen Werkstoff/Werkstück (W) aufbauende Druck wirkt, wodurch eine Dichtkante (3.2) des Dichtelementes (3) gegen die Gegendichtfläche des sich anschließenden ersten oder zweiten Werkzeugteiles (1, 2) abdichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) einstückig mit dem ersten oder zweiten Werkzeugteil (1, 2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) separat ausgebildet und mit dem ersten oder zweiten Werkzeugteil (1, 2) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) von seiner Dichtkante (3.2) ausgehend, einen von der Gegendichtfläche wegweisenden Hinterschnitt (3.3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die druckbeaufschlagbare Fläche (3.1) des Dichtelementes (3) parallel zur Achse (A) verläuft oder im Vergleich zur Gegendruckfläche von dieser weg im spitzen Winkel (β) geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeugteil (2) in Richtung zum Formhohlraum (4) eine erste Formfläche (2.4) aufweist und dass beim Dichtelement zwischen der Druckfläche (3.1) und der Dichtkante (3.2) eine zweite Formfläche (3.4) vorhanden ist, die von der ersten Formfläche (2.4) beabstandet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) durch eine in das zweite Werkzeugteil (2) stirnseitig eingebrachte Nut (N) gebildet wird, durch welche die erste und die zweite Formfläche (2.4, 3.4) voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Formflächen 2.4, 3.4 im Wesentlichen in einer Ebene liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Formfläche (3.4) in Richtung zum Formhohlraum über die erste Formfläche (2.4) hinausragt oder dass die erste Formfläche (2.4) in Richtung zum Formhohlraum über die zweite Formfläche (3.4) hinausragt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Formfläche (2.4) und/oder zweite Formfläche (3.4) eine Gravur aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Dichtelementes (3) entsprechend der Form der anzudichtenden Werkzeugteile und des Verlaufes des Spaltes (S) zwischen diesen Werkzeugteilen angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Dichtelementes (3) beliebig ist.