DE2008230A1

DE2008230A1 - Mehrteilige Strangpreßmatrize fur vorgeheizte Blocke aus hochfesten Metallen

Info

Publication number: DE2008230A1
Application number: DE19702008230
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Lynker Friedrich Wilhelm Markworth Manfred Dipl Ing Rosenkranz Wilhelm Dipl Ing Winther Horst Dipl Ing 5892 Meinerzhagen P Geisel
Original assignee: FUCHS O FA
Current assignee: FUCHS O FA
Priority date: 1970-02-21
Filing date: 1970-02-21
Publication date: 1971-09-02
Also published as: GB1340122A; FR2083082A5

Description

OTTO FUCHS, 5892 Heinerzhagen (Westfalen)

(Fu No 233)

Mehrteilige Strangpreßmatrize für vorgeheizte Blöcke aus hochfesten Metallen

Die Erfindung betrifft eine mehrteilige Strangpreßmatrize für vorgeheizte Blöcke aus hochfesten Metallen, insbesondere aus Titan-Legierungen, bestehend aus einem verschleißfesten Matrizeneinsatz hoher Temperaturfestigkeit, der zwischen einer trichterförmigen am Rezipienten abgestütze Vorfüll- ~

kammer und einem druckfesten Untersatz, gegebenenfalls mit Einlageteilen, innerhalb des Matrizenhalters einer Strangpresse eingespannt ist·

Die bisher bekannten mehrteiligen Strangpreßmatrizen zur Verarbeitung von hochfesten Metallen und Legierungen sind bis an die Grenze der technologischen Leistungsfähigkeit des Materials entwickelt· Besonders warmfeste Matrizeneinsätze werden aus Hartmetallen, gesinterten oder geschmolzenen Steinten oder in keramischer Form aus Oxiden, Karbiden und ^ Gemischen solcher Stoffe hergestellt und haben bekanntlich insbesondere bei Raumtemperatur eine hohe Sprödigkeit, so daß Bruchgefahr besteht· Außerdem führt die geringe Wärmeleitfähigkeit keramischer Matrizenwerkstoffe bei raschen Temperaturänderungen bereits zu erheblichen inneren Spannungen·

Zur Vermeidung der Bruchgefahr und zu einer Verbesserung der WerkstoffZähigkeit ist es bekannt, Matrizenwerkzeuge vorzu-

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wärmen, insbesondere vor dem Beginn des zu verarbeitenden Fertigungsloses, während im Verlauf des Preßvorganges durch die Blocktemperatur und die entstehende Reibungswärme im allgemeinen ausreichende Matrizentemperaturen aufrechterhalten werden·

Eine ausreichende Vorheizung der zu verpressenden Blöcke ist bei der Verarbeitung hochfester Metalle eine notwendige Voraussetzung für den Verformungsvorgang in der Strangpresse· Die Verformbarkeit des zu verpressenden Materials wird bei höheren Temperaturen wesentlich verbessert und der erforderliche Leistungsaufwand vermindert, auch wird damit das "Einfrieren" des Profilanfanges bei zu gering vorgeheizter Matrize verhütet·

Außer der üblichen Vorheizung des zu verpressenden Blockes, die in beliebiger Weise und in vielen Fällen durch elektrische Induktion erfolgt, muß im allgemeinen auch der Aufnehmer einer Strangpresse für den vorliegenden Zweck beheizt werden können· Hierzu wird in den Aufnehmermantel entweder eine Induktionsheizung oder eine Widerstandsheizung eingebaut· Um eine schnelle Preßfolge einzuhalten und die Lebensdauer der Strangpresse zu erhöhen ist es zweckmäßig, während des Preßvorganges die Matrize oder deren Stützelemente gegebenenfalls zu kühlen· Dazu kann beispielsweise ein Wasser-Luftgemisch durch Kanäle an das Werkzeug gebracht werden· In die Außenfläche der Innen- oder Zwischenbüchse können auch gewindeförmige Nuten eingedreht werden, durch die ein Kühlmittelumlauf gefördert wird·

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Es zeigt sich jedoch trotz sorfältiger Vorbereitung der gewünschten Betriebstemperaturen durch Vorheizung bzw· Abkühlung der Preßwerkzeuge, daß die optimalen Betriebstemperaturen durch den ablaufenden Preßvorgang so stark verändert werden, daß nur unter großen¹ technischen Schwierigkeiten brauchbare Temperaturen eingehalten werden können· Die beim Preßvorgang auftretenden Temperaturen sind weitgehend abhängig vom zu verpressenden Material, von der Preßgeschwindigkeit und vom Verformungsgrad· Besonders empfindlich sind extrem dünne Profile mit Wandstärken von weniger als 3 mm, bei denen die * Gefahr einer örtlichen Überhitzung infolge von Reibungs- und Verformungswärme besteht·

Die genannten Schwierigkeiten sind grundsätzlich bei jedem Preßverfahren gegeben, sowohl beim Vorwärtspressen als auch beim indirekten Pressen. In beiden Fällen sollen warmfeste Matrizenwerkzeuge eine hohe und möglichst gleichmäßige Temperatur einnehmen, jedoch ist eine thermische Überlastung des zu pressenden Blockmaterials und der aus weniger hochwertigen Metallen bestehenden Maschinenteile zu vermeiden. Oft sind ^ hochfeste Metalle sehr temperaturempfindlich, insbesondere Titanlegierungen, die ein bestimmtes und von der thermischen Vorbehandlung abhängiges Gefügeverhältnis haben sollen, das durch den Preßvorgang nicht wesentlich verändert werden darf. Es genügt nicht, die Matrizenwerkzeuge ausreichend vorzuwärmen und die Preßverhältnisse nach Erfahrungswerten einzustellen *

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oder zusätzlich mit Preßluft, Wasser oder flüssigem Gas betriebene Kühlsysteme zu verwenden· Insbesondere bei hochfesten Titan-Legierungen, die für Leichtbauteile von Flugzeugen schlanke Profilformen mit sehr dünnen Stegen von weniger als 3 mm Wandstärke haben sollen, läßt sich das vorgesehene vi-f-fb-Gefüge der Legierung nicht immer aufrechterhalten« Mit den bisher bekannten Mitteln zum Strangpressen lassen sich auch unter Aufwendung größter Sogfalt enge Temperaturgrenzen in der Größenordnung von ί 5° C praktisch nicht einhalten, was Voraussetzung für eine wirtschaftliche industrielle Fertigung solcher Bauteile wäre· Die bei Verarbeitung solcher Legierungen auftretenden Warmverformungstemperaturen sind bekanntlich ausschlaggebend für die Festigkeitseigenschaften der hergestellten Werkstücke« Beispielsweise ergibt sich bei den Legierungen Ti-Al-V, Ti-Al-V-Sn und Tl-Al-Mo in engen Temperaturgrenzen des primären (*< + /?> )-Gebiets mit zunehmenden Temperaturen eine sehr unterschiedliche Gefügeausbildung, angefangen vom ( * + ? )-Bereich bis zum einphasigen β -Bereiche Es ist deshalb außerordentlich schwierig, solche Legierungen beim Strangpressen innerhalb derjenigen Temperaturgrenzen zu verarbeiten, die ein im ( * + [\ )-Bereich gewünschter Gefügezustand verlangt« Dies wäre nur dann möglich, wenn man beim Preßvorgang auch alle dynamischen Temperatureinflüsse beherrschen würde, die grundsätzlich zur Vorheizung des Blockes und der Matrize auftreten, welche gegebenenfalls sogar gekühlt werden muß« Eine wirtschaft-

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liehe Preßgeschwindigkeit und die naturgemäß weitgehend von der Profilform abhängige Reibungswärme erfordern auch kurzzeitig veränderliche Einsatzmöglichkeiten der anzuwendenden Heiz- und Kühlmittel.

Die Einhaltung des günstigsten Temperaturbereiches über den gesamten Strangpreßvorgang läßt sich insbesondere bei mehrteiligen Strangpreßmatrizen weit besser als mit den bisher bekannten Mitteln erreichen, wenn gemäß der Erfindung mindestens der

unmittelbar an den Matrizeneinsatz angrenzende Einlageteil mit d einer elektrischen Heizvorrichtung ausgerüstet ist· Dazu kann man zweckmäßig eine Heizvorrichtung verwenden, bei der ein biegsamer elektrischer Heizleiter in gewandelter Form in die Berührungsfläche des Einlageteile mit dem Matrizeneinsatz eingelegt ist·

Eine intensive Aufheizung innerhalb der mehrteiligen Strangpreßmatrize, deren Betriebstemperaturen durch eingebaute Thermosonden genau überwacht werden können, ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung dann, wenn ein gewandelter Heiz- U leiter vorzugsweise verlängert und in gleicher Ausführung in die Berührungsebene zwischen der trichterförmigen Vorfüllkammer und deren Stützteil eingelegt ist·

Werden statt metallischer Matrizeneinsätze aus Sonderstahl keramische Matrizenwerkstoffe verwendet, kann bei ausreichender Vorheizzeit die erfindungsgemäße Erwärmung des Matrizen-

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einsatzes durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld vorgenommen werden« Die Wärmeaufnahme des keramischen Matrizeneinsatzes erfolgt dann über die dielektrischen Verluste der Keramik, wozu in Weiterbildung der Erfindung der dem Matrizeneinsatz benachbarte Einlageteil scheibenförmig aus Metall hergestellt wird und über einen den Matrizenhalter durchsetzenden Isolierstoffkörper aus Keramik mit der Anschlußleitung eines Hochfrequenz-Generators zu verbinden isto Um in jedem Falle eine thermische Überlastung der Maschinenteile zu verhüten, ist es vorteilhaft, zur Konzentration der Heizleistung auf den eigentlichen Matrizeneinsatz und zur Schonung der übrigen Werkzeughalterung den elektrisch geheizten Einlageteil auf seiner äußeren und dem Matrizenhalter zugewendeten Seite mit einer eingelegten Durchlaufkühlung auszurüsten·

Zwei Ausführungsbeispiele von mehrteiligen Strangpreßmatrizen, die erfindungsgemäß während des Strangpreßvorganges elektrisch auf die vorgesehenen Betriebstemperaturen aufgeheizt werden können, sind in der Zeichnung dargestellt· Es zeigen jeweils im Schnittt

Fig· 1 das erste Beispiel einer mehrteiligen Matrize mit

Widerstandsheizung und
Fig· 2 das zweite Beispiel mit keramischem Matrizeneinsatz und Hochfrequenz-Heizung·

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Fig· 1 stellt die mehrteilige Strangpreßmatrize 1 mit den wichtigsten Einzelteilen dar· Ein Matrizeneinsatz 2 besteht aus einem mit Oxiden und Karbiden modifiziertem Hartstoffkörper. Eine trichterförmige Vorfüllkammer 3 aus keramischem Werkstoff ruht in einem Hartmetall-Stützteil k· Im Matrizenhalter 5 der nicht dargestellten Strangpresse ist ein konischer Untersatz 5» eingespannt, der in einem abgesetzten Einlageteil 7 aus Keramik den eigentlichen Matrizeneinsatz 2 aufnimmt und diesen über den Stützteil 4 der Vorfüllkammer 3 gegen den Aufnehmer 8 innerhalb des Maschinenteiles 9 abstützt· Der ™

Aufnehmer 8 ist zweckmäßig ebenfalls mit einer nicht dargestellten Heizung ausgerüstet und dient zur Aufnahme der vorgeheizten Blöcke« Zur örtlichen Aufheizung des Matrizeneinsatzes 2 ist unmittelbar in den angrenzenden Einlageteil 7 ein zweipoliger elektrischer Heizleiter 6 in Ringnuten eingelegt und beim Ausführungsbeispiel nach Fig· I zusätzlich in gleicher Ausführung 6' entsprechend verlängert und in der Berührungsebene zwischen der trichterförmigen Vorfüllkammer und deren Stützteil 4 angeordnet· Ein zweipoliger und nach Λ außen metallisch abgeschirmter Heizleiter bekannter Ausführung hat sich für den vorliegenden Zweck besonders bewährt, da er sich leicht durch eine entsprechende Bohrung 12 einführen und an Ort und Stelle in die gewünschte Form biegen läßt· Damit wird der Heizleiter 6 bzw· 6* beim Zusammensetzen der mehrteiligen Strangpreßmatrize 1 einfach in die vorgesehenen Ringräume

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eingelegt· Zur praktischen Anwendung dieses Ausführungsbeiepieles nach Fig· 1 wird die Temperatur des Matrizeneinsatzes 2 mit einer nicht dargestellten Temperatursonde überwacht, die als abgeschirmter Thermoelement-Fühler durch eine entsprechende Bohrung in das Einlageteil 7 hineinragt und den Matrizeneinsatz 2 möglichst berühren soll·

Zur Konzentration der Heizleistung auf den Matrizeneinsatz 2 und zur Schonung der weniger temperaturfesten Maschinenteile ist beim Ausführungsbeiepiel nach Fig· 1 eine Durchlaufkühlung in Form eines Kühlmittelrohres in Kingnuten am Außenumfang des konischen Untersatzes 5¹ bzw· in die Berührungsebene mit dem Matrizenhalter 5 eingelegt« Über die Zuleitung 11 des biegsamen Rohres 10 strömt in bekannter Weise ein Gemisch aus Preßluft und Wasser durch die mehrteilige Matrize 1 hindurch bis zum Ablauf II¹. Mit flüssigem Stickstoff läßt sich eine wesentlich intensivere Kühlung mit der gleichen Anordnung erzielen· Diese Kühlung wird insbesondere nach Beginn des Preßvorganges verstärkt durchgeführt, während die Stromversorgung des elektrischen Heizdrahtes 6 bzw· 6* den örtlich auftretenden Preßtemperaturen entsprechend vermindert oder ganz ausgeschaltet werden kann· In Abhängigkeit von der Preßgeschwindigkeit, der Blocktemperatur und der im Einzelfalle zu pressenden Profilform kann mit Hilfe der genannten Temperatursonde die Einhaltung der vorgesehenen Temperaturgrenzen überwacht bzw· der Preßvorgang thermisch eingeregelt werden.

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Fig· 2 zeigt als zweites Beispiel eine zweiteilige Strangpreßmatrize 20, deren Matrizeneinsatz 22 aus einem besonders verschleißfesten und temperaturbeständigen keramischen Sonderwerkstoff hergestellt und durch ein elektrisches Feld aufheizbar ist· Eine aus warmfesten Metallen oder deren Legierungen hergestellte Vorfül!kammer 23 bildet die Masse-Elektrode und den Abschluß eines keramischen Aufnahmeteils 24· Die Hochfrequenzenergie wird über einen Anschluß 26 durch einen keramischen Isolierkörper 21 hindurch an ein dem Matrizeneinsatz 22 benachbartes metallisches Einlageteil 27 angelegt und heizt den keramischen Matrizeneinsatz 22 durch die Verlustwärme des elektrischen Feldes auf· Der keramische Stützteil 2k ergibt infolge seiner geringen Wärmeleitung eine ausreichende Konzentration der Heizenergie, so daß der Matrizenhalter 25 in diesem Fall auch ohne zusätzliches Kühlsystem vor Überhitzung geschützt ist·

Die Überwachung der- zulässigen Temperaturgrenzen durch Thermosonden ist auch bei dieser Ausführungsform zweckmäßig. Der Aufnehmer 28 im Maschinenteil 29 wird zweckmäßig ebenfalls mit einer Heizung so ausgerüstet, daß eine Überhitzung des betreffenden Blockmateriales vor dem Einsatz in die Strangpresse vermieden werden kann·

Die mit den vorgeschlagenen Heizvorrichtungen ausgerüsteten mehrteiligen Strangpreßmatrizen erlauben unmittelbar eine Dosierung der Wärmeerzeugung bzw. der erforderlichen Abkühlung

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-lO-des Matrizeneinsatzes an Ort und Stelle· Sie sind damit den bisher bekannten mehrteiligen Strangpreßmatrizen technisch weit überlegen und erlauben die wirtschaftliche Herstellung komplizierter besonders dünnwandiger Profile aus Titanlegierungen unter Einhaltung der für das Gefüge zulässigen Temperaturgrenzen· Hierbei spielt es eine besondere Rolle, daß bei Raumtemperaturen spröde Matrizeneinsätze während der Preßpausen auf einer Temperatur gehalten werden können, die es erlaubt, das Werkzeug vor Ausbrüchen zu bewahren, und außerdem, den Fließvorgang des Werkstoffes beim Anpressen erleichtert· Dadurch können auch dünne Strangpreßprofile aus hochfesten Eisen- und Nichteisenmetallen und deren Legierungen in Gefügebereichen verpreßt werden, die sich durch bessere mechanische Eigenschaften, insbesondere einen großen Bereich des Formänderungswiderstandes auszeichnen· Mit den in neuerer Zeit für verschleißfeste Einsätze entwickelten Sonderwerkstoffen lassen sich bei Anwendung einer mehrteiligen Strangpreßmatrize gemäß der Erfindung Profile bisher nicht erreichbarer Güte und Festigkeit auch mit besonders kritischen Abmessungen herstellen· Die Anordnung biegsamer elektrischer Heizleiter in den Berührungszonen der Matrizenbauteile und die Wahl eines elektrischen oder magnetischen Feldes zur örtlichen Aufheizung der Matrizeneinsätze hängt weitgehend davon ab, welche Matrizenwerkstoffe im Einzelfalle verwendet werden und für welche Art der elektrischen Wärmeerzeugung sich diese besonders eignen·

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Claims

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Ansprüche

1·) Mehrteilige Strangpreßmatrize für vorgeheizte Blöcke
aus hochfesten Metallen, insbesondere aus Titan-Legierungen, bestehend aus einem verschleißfesten Matrizeneinsatz hoher Temperaturfestigkeit, der zwischen einer trichterförmigen, an Rezipienten abgestützte Vorfüllkammer und einem druckfesten Untersatz, gegebenenfalls mit Einlageteilen, innerhalb des Matrizenhalters einer Strangpresse eingespannt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der unmittelbar an
den Matrizeneineatz (2, 22) angrenzende Einlageteil (7, 27) mit einer elektrischen Heizvorrichtung (6, 26) ausgerüstet ist.

2· Mehrteilige Strangpreßmatrize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizvorrichtung ein biegsamer elektrischer Heizleiter (6) in gewendelter Form in die Berührungsfläche des Einlageteils (7) mit dem Matrizeneinsatz (2) eingelegt ist·

3» Mehrteilige Strangpreßmatrize nach Anspruch ί oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein gewendelter Heizleiter (6) vorzugsweise verlängert und in gleicher Ausführung (6·) in die Berührungsebene zwischen der trichterförmigen Vorfüllkammer (3) und deren Stützteil (4) eingelegt ist·

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4« Mehrteilige Strangpreßmatrize nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (6¹) des profilbezogenen Einlaufes der Vorfüllkammer (3) örtlich thermisch differenziert ausgeführt ist.

5· Mehrteilige Strangpreßmatrize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Matrizeneinsatz (22) benachbarte Einlageteil (27) scheibenförmig aus Metall hergestellt und über einen den Matrizenhalter (25) durchsetzenden Isolierstoff körper (21) aus Keramik mit der Anschlußleitung (26) eines Hochfrequenz-Generators verbunden ist·

6. Mehrteilige Strangpreßmatrize nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konzentration der Heizleistung auf den eigentlichen Matrizeneinsatz (2) und zur Schonung der übrigen Werkzeughalterung der elektrisch geheizte Einlageteil (7) auf seiner Äußeren und dem Matrizenhalter (5) zugewendeten Seite mit einer eingelegten Durchlaufkühlung (10, 11, 11·) ausgerüstet ist.

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