DE2138189B2

DE2138189B2 - Matrize zur verformung von metallen

Info

Publication number: DE2138189B2
Application number: DE19712138189
Authority: DE
Priority date: 1970-08-04
Filing date: 1971-07-30
Publication date: 1976-07-01
Also published as: NO138434B; ES393890A1; NL155463B; SE392050B; FR2103342A5; GB1357784A; NL7110782A; AR193040A1; AT305732B; BR7104981D0; CH527006A; AU457852B2; BE770384A; NO138434C; JPS5214220B1; AU3173671A; ZA714988B; DE2138189A1

Description

ist bei geringster, mit der maximalen Matrizenbelastung zu vereinbarender Spannringstärke.

2. Matrize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht (14) aus dehnbarem Material zwischen dem Spannring (12) und dem Verschleißring (11) angeordnet ist (F i g. 6).

3. Matrize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannring (12) aus einem gesinterten oder gegossenen Metallkarbid besteht.

4. Matrize nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Ring (136) und dem Spannring (12) ein Ring (13a) aus dehnbarem Material angeordnet ist (F i g. 5).

Die Erfindung betrifft eine Matrize nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Matrize dieser Gattung (US-PS 02 539), die zum Drahtziehen verwendet wird, besteht der Verschleißring aus gehärtetem Stahl, der Spannring aus Metall unbekannter Eigenschaften.

Ganz allgemein müssen die Matrizen, die für die hier in Rede stehenden Verformungsverfahren verwendet werden, einerseits widerstandsfähig sein gegen tangentiale Spannungen und gegen Wechselbiegespannungen sowie andererseits einen hohen Verschleißwiderstand in dem eigentlichen Arbeitsbereich aufweisen. Der Ausgleich tangentialer Spannungen wird im bekannten Fall dadurch erzielt, daß der äußere Ring (Spannring) einen Druck von außen ausübt, so daß die Wirkung der Innendrücke in tangentialer Richtung ausgeglichen werden.

Hinsichtlich des Wechselbiegewiderstandes und der Verschleißfestigkeit ist die bisher verwendete Matrize jedoch nicht zufriedenstellend. Durch den unzureichenden Elastizitätsmodul des Spannringes und eines weiteren Außenringes ist es erforderlich, für den Verschleißring ein Herstellungsmaterial zu verwenden, dessen Elastizitätsmodul sich nicht allzu sehr von demjenigen des Spannringes unterscheidet. Das erfordert wiederum, daß z. B. auch bei Wolframkarbid ah Material für den Verschleißnng dieses von einer Art mi verhältnismäßig niedrigem Elastizitätsmodul ist, wa« wiederum einen geringeren Abnutzungswiderstanc bewirkt. Verwendet man andererseits einen Verschleiß ring aus einem harten Wolframkarbid mit hohen Elastizitätsmodul, besteht die Neigung, daß das Materia rissig wird, da dann der Verschleißring von den Spannring mit unzureichendem Elastizitätsmodu ίο schlecht gehalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung dei vorstehend erwähnten Nachteile bei bekannten Matri zer. der eingangs erwähnten Gattung, wobei gleichzeitig eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Ab nutzung und Wechselbiegespannungen erzielbar seir soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das im Kennzeicher des Anspruchs 1 Erfaßte vorgeschlagen.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform dei erfindungsgemäß ausgebildeten Matrize kann zwischer dem Spannring und dem Verschleißring und bzw. odei zwischen dem äußeren Ring und dem Spannring eine ringförmige Zwischenschicht aus einem dehnbarer Material vorgesehen sein.

Der Spannring besteht zweckmäßigerweise au< einem gesinterten oder gegossenen Metallkarbid.

In den Figuren sind beispielsweise Ausführungsfor men der erfindungsgemäßen Matrize teilweise ir Schnitten dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Einrichtung zun Schlagziehen,

Fig.2 einen Teilschnitt in axialer Ebene durch eine runde Matrize,

F i g. 3 einen gleichen, erläuternden Schnitt,
Fig.4 die perspektivische Darstellung eines Ab schnittes eines der Matrizenringe und

Fig.5 und Fig.6 Teilschnitte von abgewandelter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Matrize.

F i g. 1 zeigt die auftretenden Schwierigkeiten bei dei Verwendung einer runden Matrize bei einem Werkzeug zum Schlagziehen. Dieses Ziehverfahren gestattei beispielsweise die Herstellung metallischer Behälter au; verformbaren Rohlingen in einer verhältnismäßig hohen Arbeitsgeschwindigkeit.

Der Rohling wird hierbei in den Boden der Forrr eingesetzt, welcher durch den Amboß 2 gebildet wird Dieser Amboß 2 besteht »einerseits aus dem Außenring 13, dem inneren Verschleißring 11 und dem Spannring 12. Der Stempel 3 drückt dann in der Weise auf der Rohling, daß sich dessen Metall in den Zwischenraum zwischen dem Stempel, dem Verschleißring 11 und derr Amboß 2 verformt.

Während dieser Verformung des Rohlings werder erhebliche radiale Drücke auf die Innenfläche de: Verschleißringes ausgeübt. Die tangentiellen Spannun gen werden ausgeglichen durch die von Anfang ar vorhandenen Drücke, welche konstant von der Werk zeugeinfassung 4 auf den Außenring 13 und von da aul die beiden Ringe 12 und 11 übertragen werden.
Demgegenüber sind die Biege- und Scherkräfte welche auf den Verschleißring 11 und den Spannring U wirken, nur sehr schlecht und oft unzureichenc kontrollierbar. Der Verschleißring 11 muß einma widerstandsfähig sein gegen eine Abnutzung in" Ziehbereich, gegen Biege- und Scherspannungen sowie auch noch gegen Hitzeschocks. Hierfür weist die erfindungsgemäß ausgebildete Matrize folgende Merkmale auf:

Der Verschleißring It besteht vorzugsweise aus einem Material mit außerordentlicher Härte, dessen Elastizitätsmodul E\ sehr hoch ist, dessen Wechselbiegewiderstand T\ für eine bestimmte Anzahl von Belastungen dagegen verhältnismäßig klein ist

Der Spannring 12 besteht aus einem Material mit geringerer Härte als dasjenige des Verschleißringes, da in diesem FpJI der Reibungswiderstand des Materials überhaupt keine Rolle spielt Dieser Spannring ist in der Weise ausgebildet, daß sein Elastizitätsmodul E₂ geringer als der Elastizitätsmodul £Ί des Verschleißringes 11 ist und wobei sein Herstellungsmaterial wenigstens die gleiche Anzahl von Belastungen aushält, wie sie für den Verschleißring 11 erwähnt sind, d. h., daß der Wechselbiegewiderstand T₂ des Spannringes 12 größer ist als der Wechselbiegewiderstand Ti des Verschleißringes 11.

Die Stärken h\ und Zj₂ des Verschleißringes und des Spannringes sind in der Weise gewählt, daß der Spannring 12 die unter Belastung auftretende Deformation des Verschleißringes 11 beeinflußt und in der Weise begrenzt, daß dieser Verschleißring nicht das Objekt gefährlicher Biegespannungen wird, wodurch dessen Riß erfolgen kann.

Dieses letzte Merkmal ist eine wesentliche Grundlage der Erfindung.

Die Wahl der Ringstärken h\ und h₂ erfolgt in einfacher Weise durch Berechnung unter Verwendung der Grundformeln, nach denen die Matrize der Belastung P unterworfen ist (F i g. 3). Hierbei erleiden der Verschleißring und der Spannring unter der Wirkung dieser Belastung P Verbiegungen entsprechend den Pfeilen /Ί und Z₂, und zwar in Abhängigkeit von ihren jeweils eigenen Eigenschaften, nämlich dem Elastizitätsmodul Ei bzw. E₂ und dem Wechselbiegewiderstand Tl bzw. T₂ für eine bestimmte Belastung sowie endlich auch von ihren geometrischen Abmessungen

ist was eine gewisse zusätzliche Sicherheitsspanne bewirkt

Bei dem Beispiel nach Fig.4 erleidet der Ringabschnitt unter der Belastung Feine Durchbiegung /"nach:

oder

JL.L

EJ 48

^J ~~6 lh

(D

Hierbei ist P die von dem Ringabschnitt ausgehaltene Belastung, E der Elastizitätsmodul, / sein Trägheitsmoment und T die Biegespannung in dem Abschnitt unter der Einwirkung der Belastung P · /und h sind jeweils die Länge und die Stärke des Abschnittes nach F i g. 4. Aus diesen beiden Beziehungen erhält man:

P = 4

TW

oder

T =

Pl AW

(3)

(3'

Vor Ausführung der Berechnung ist es notwendig, auf folgende Voraussetzungen hinzuweisen:

Der Anschlag des Außenringes 13, welcher im allgemeinen aus Stahl besteht, kann hierbei für die Biegung des Spannringes und des Verschleißringes nicht berücksichtigt werden, da dieser Außenring aufgrund des niedrigen Elastizitätsmoduls seines Materials den beiden Ringen 11 und 12 keine ausreichende Unterstützung zuteil werden läßt. Ferner weisen die Innenflächen des Außenringes und die Außenfläche des Spannringes immer gewisse Unebenheiten auf, die sich manchmal in geometrischen Fehlern äußern. Das bedingt wiederum eine Biegung und eine Verformung, deren Werte die Biegung des unbelasteten Materials übersteigen, welche im allgemeinen nur einige ιημ ausmacht.

Für die nachfolgende Berechnung der Spannungen und der Stärken des Verschleiß- und Spannringes wird der ungünstigste Fall gemäß den F i g. 3 und vorausgesetzt, nämlich

daß die Belastung P konzentrisch in der Mitte der runden Matrize angreift und daß das Halten durch den äußeren Ring 13 nur an den Rändern des Spannringes 12 erfolgt.

Bei der Berechnung, welche in gleicher Weise auch für eine Matrize mit mehreckigem Querschnitt Gültigkeit besitzt, soll der Ring in Abschnitte von 1 mm Breite zerschnitten sein. Zur Vereinfachung wird ferner angenommen, daß r!i:r Schnitt dieser Abschnitte ' ' " ■ ist. während er in Wirklichkeit trapezoid wobei Wder Trägheitsmodul des Abschnittes ist.

Die Belastung P, welche bei dem betrachteten Ausführungisbeispiel die maximal auf die runde Matrize während der praktischen Anwendung ausgeübte Kraft ist, wird zu ihrem größten Teil durch den Verschleißring 11 auf den Spannring 12 übertragen. Um zu verhindern,

daß der Spannring bricht, bevor er die vorbestimmte Anzahl von Arbeitsgängen durchgemacht hat, muß die Belastung durch die Kraft Pin dem Spannring unterhalb seines maximalen Wechselbiegewiderstandes T_2max für eine bestimmte Anzahl von Belastungen bleiben. Das

bedingt aber tür den Spannring geometrische Abmessungen nach den vorstehenden Beziehungen (3) und (3') und für den Spannringabschnitt gemäß Definition:

τ-

¹ -

^pl

<t

^2max

d.h.

W₂

'2 max

wobei Wj der Trägheitsmodul dieses Abschnittes ist. Da ferner

W₂ =

6 '

wobei g die Breite des Abschnittes nach F i g. 4 gleich 1 mm ist, ergibt sich:

V₂ =

Durch Einsetzen dieser Beziehung in die Beziehung (4) erhält man:

ρ Τ

* 2 max

Folglich muß der Spannring, um die vorgesehene Anzahl von Belastungen unter der Einwirkung P, ohne zu reißen, widerstehen zu können, eine minimale Stärke aufweisen nach

"2 min

JL L

Da der Spannring in Wirklichkeit nicht die ganze Belastung P aufzunehmen hat, denn nur ein Teil wird von diesem Spannring aufgenommen, während ein anderer von dem Außenring 13 aufgenommen wird, kann dieser Spannring in der Praxis eine Stärke aufweisen, welche leicht unterhalb des Wertes Λ2ηίη liegt.

Der Spannring soll die Deformation des Verschleißringes in der Weise begrenzen, daß damit verhindert wird, daß dieser Verschleißring zum Sitz gefährlicher Biegespannungen wird. Das bedeutet aber, daß an der Belastungsgrenze in dem Augenblick, wo der Ring 12 einer maximalen Biegung /2m« ausgesetzt ist, welche einem Biegewiderstand T_2n,,, entspricht, der Verschleißring eine Durchbiegung f\ erfährt, welche gleich /imax ist und einen Biegewiderstand aufweist, welcher geringer oder gleich dem Biegewiderstand Ti_m„ ist, welcher seinerseits der Grenze seines Wechselbiegewiderstandes entspricht. Hiervon ausgehend erhält man, wenn der Spannring 12 eine minimale Stärke von A2min hat:

f — 1

J 2 max /L

Jl

U "1

1 Ja 1<1 ⁷J- '?

6 E₁ /i, - 6 E₁ Zi₁

Da die Länge der Abschnitte des Spannringes und des Verschleißringes gleich sind, also A = I₂, erhält man nach Vereinfachung:

'] max

= "2 min

*2max

Hieraus ergibt sich, daß die Stärke des Verschleißringes immer geringer ist als diejenige des Spannringes.

Wenn h\ nicht geringer, sondern gleich ist in der Beziehung (9), wurden der Spannring und der Verschleißring theoretisch zu gleicher Zeit reißen. Hierzu muß darauf hingewiesen werden, daß in dem Augenblick, wo der Spannring reißt, auch der Verschleißring, welcher dann nicht mehr gehalten wird, ebenfalls reißt Es ist daher wesentlich, einen Spannring zu wählen, bei welchem die Anzahl der vorgesehenen Belastungen hinsichtlich der Belastungsgrenze, höher ist als die Belastungen des Verschleißringes.

Die Materialien zur Herstellung der Verschleißringe und der Spannringe können Metallkarbide sein, welche erforderlichenfalls Zusätze von Kobalt oder keramischen Massen enthalten.

Der Verschleißring wird daher vorzugsweise aus gesintertem Wolframkarbid mit einem geringen Gehalt an Kobalt hergestellt, oder aus gegossenem Wolframkarbid, aus Borkarbid aus keramischen Massen auf der Grundlage von Aluminhimoxyd oder aber auch aus anderem Material, welches widerstandsfähig gegen Abrieb ist Der Elastizitätsmodul dieser Herstellungsmaterialien liegt zwischen 30 000 und 65 000 kg/mm².

während die Widerstandsgrenze gegen eine Wechselbiegung mit 10* Belastungen beispielsweise bei 46 kg/mm² liegt

Zur Herstellung des Spannringes verwendet mar ebenfalls gesinterte Karbide, wie Wolframkarbide, mil einem Anteil an Kobalt von wenigstens 6%, gegossene Titankarbide oder andere gegossene Karbide. Mar erhält hierbei für den Spannring einen Elastizitätsmodul zwischen 30 000 und 55 000 kg/mm² und einen Wechselbiegewiderstand, ebenfalls für 10* Belastungen, übei 50 kg/mm².

Die praktische Herstellung einer derartigen Matrize nach F i g. 2 bietet gewisse Schwierigkeiten wegen dei außerordentlichen Präzision, womit die zylindrischer Flächen bearbeitet werden müssen, und zwar die Innenfläche des Spannringes und die Außenfläche des Verschleißringes, welche in Berührung miteinander sind Jeder geometrische Fehler auf diesen Flächen

insbesondere wenn sie makroskopischer Natur sind bilden die Ursache besonders erhöhter Spannunger beim Zusammensetzen, die sich dann zu denjenigen addieren, welche bei der praktischen Anwendung einer derartigen Matrize ohnehin auftreten.

Da die Herstellungsmaterialien dieser beiden Ringe praktisch keine Dehnbarkeit aufweisen, sind bei Unebenheiten dieser Flächen die Berührungspunkte etwa mit Brückenpfeilern zu vergleichen, derer Spannweite gleich der Wellenlänge dieses Fehlers und deren Höhe gleich der Amplitude dieses Fehlers ist.

,o Die üblicherweise angewandten Mittel zur Bearbeitung dieser Ringe gestatten aber nicht, diese Flächen mil ausreichender Genauigkeit zu bearbeiten, um die vorstehend erwähnten Spannungen zu vermeiden.
Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Matrize

is erhält man einen einwandfreien Kontakt zwischen den: Verschleißring und dem Spannring, indem entweder die zylindrische Außenfläche des Verschleißringes oder die zylindrische Innenfläche des Spannringes oder auch be mit einer Schicht aus leicht zu bearbeitendem und ausreichend dehnbarem Material versehen werden, se daß sich bei der Montage dieser beiden Ringe eir Ausgleich etwaiger geometrischer Fehler ergibt

Das Aufbringen einer derartigen zusätzlichen Schichi in diesen Bereichen kann durch galvanische Veredelung

4S durch Verzinnen, durch Verschweißen oder aber durch Einwirkung einer Sauerstoff-Azethylen-Flamme odei auch durch ein Plasma erfolgen.

Bei der Ausführungsform nach Fig.5 kann dei äußere Ring 13 auch ersetzt werden durch einer mehrfachen Ring 13a und 13ft, wobei in diesem Fall dei Ring 13a aus einem dehnbaren Material bestehen kann. Bei einer weiteren Abwandlung der erfindungsgemäßen Matrize nach F i g. 6 ist ein Ring 14 aus dehnbarem Material zwischen dem Verschleißring 11 und dem Spannring 12 angeordnet Dieser Zwischenring 14 dienl dazu, das Auswechseln des Verschleißringes zu erleichtern und gleichzeitig als Ausgleichsschicht zu wirken. Ei ist selbstverständlich, daß dieser Zwischenring 14 nui eine begrenzte Stärke aufweisen darf, um die vorgese hene Wirkung des Spannringes 12 nicht aufzuheber oder abzuschwächen.

Im Vergleich zu bisher verwandten Matrizen bietet die erfindungsgemäß ausgebildete Matrize folgende Vorteile:

6s Sie besitzt eine sehr gute Widerstands&higkeii sowohl gegen Abnutzung als auch gegen Verformung.

Sie ist weniger empfindlich gegen aufeinanderfolgende Hitzeschocks, wie sie bei der praktischen Anwen

j 7 8

I dung auftreten. Die geringen Abmessungen des Ein weiterer Vorteil besteht in geringeren Her

j Verschleißringes verhindern nämlich eine zu hohe lungs- und Betriebskosten, da der Spannring und

j Wärmeaufnahme und folglich zusätzliche Spannungen, äußere Ring 13 weitgehend wiederverwendbar <

i welche hierbei durch verschiedene Ausdehnungen während lediglich der innere Verschleißring 11 au

' auftreten. S wechselt werden muß.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Matrize zur Verformung von Metallen, insbesondere durch Schlagzienen, mit wenigstens zwei koaxialen Ringen, von denen der eine als Verschleißring innerhalb des anderen, als Spannring dienenden Ringes sitzt und diese beiden Ringe von wenigstens einem weiteren, äußeren Ring umgeben sind, wobei der innere Verschleißring einen kleineren Radialschnitt als der ihn umgebende Spannring aufweist und der Elastizitätsmodul (E\) des Verschleißringes größer ist als der Elastizitätsmodul (E₂) des Spannringes, dadurch gekennzeichnet, daß der Ε-Modul des Spannringes (12) größer ist als der Elastizitätsmodul von gehärtetem Stahl und daß der Verschleißring (11) einen Wechselbiegewiderstand (71) für eine bestimmte Anzahl von Belastungen aufweist, der kleiner ist als der Wechselbiegewiderstand (T₂) für wenigstens die gleiche Anzahl von Belastungen bei dem Spannring (12), wobei die Stärke des Verschleißringes höchstens gleich der Beziehung

ET

E₁-T₂