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VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON METALL-DICHTUNGSRINGEN Die Erfindung
betrifft die spanlose Metallbearbeitung, genauer genommen aber ein Verfahren zur
Herstellung von Dichtungsschlitzringen aus Metall.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Dichtungsringe gefertigt
werden, bei denen als Dichtungsoberfläche die äußere zylindrische Oberfläche und
die Stirnflächen dienen (Aul3endruckringe, d.h. Solbenringe); sowie auch Dichtungsringe,
6.ei denen als Dichtungsoberflächen die innere zylindrische Oberfläche und die Stirnflächen
dienen. Diese Ringe werden in den nachstehenden Darlegungen zum Unterschied von
Kolbenringen als Innendruckringe be@zeichnet.
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helle bekannten Verfahren zur lierstellung von Dichtungsschlitzringen
aus Metall unterscheiden sich nach der Art der Ringformbildung, d.h. den Ringen
wird in entspanntem Zustand eine solche unrunde Form verliehen, damit die eingebauten
Kolbenringe oder auf eine Stange oder eine Kugel aufgesetztenInnendruckringe eine
runde Form aufweisen und an ihrem ganzen Umfang einen vorzugsweise gleichmäßigen
Druck auf die mit diesen Ringen in Berührung stehenden Flächen des abzudichtenden
Werkstücks (Zylinder oder Stange) ausüben.
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Es ist ein Verfahren zur herstellung von Innendruck-Dichtungsschlitzringen
aus Metall bekannt, bei dem ein runder gedrehter Ringrohling Zur Verleihung e der
erforderlichen federnden Eigenschaften, die bei seiner Arbeitsstellung der Bedingung
eines gleichmäßigen innendruckes entsprechen, in Radialrichtung durch werben verformt
wird, die auf die äußere zylindrische Oberfläche des Ringrohlings in Radialrichtung
mittels eines Sattels aufgetragen werden, der die angegebene Gestalt aufweist. Diese
Kerben werden erhalten, indem auf die äußere zylindrische Oberfläche Schläge mit
gleicher Kraft ausgeübt werden, die Kerben liegen aber am Umfang in einem allmählich
wachsenden Abstand (Wechselschritt voneinander derart, daß der kleinste Abstand
zwischen den Kerben , @@ dem Ringschlitz gegenüber verwirklicht ist,
der
größte Abstand aber in die Nähe des Schlitzes fällt. Die Kerben auf die äußere zylindrische
Oberfläche des Hingrohlings werden auch bei konstantem Schritt (konstantem Abstand)
ausgeführt, aber dabei wird die Schlagkraft (die Kerbtiefe) -so allmählich vergrößert,
daß die maximale Kraft auf die Ringoberfläche trifft, die dem Schlitz gegenüber
liegt, die minimale kraft aber in der Nähe des Ringschlitzes ausgeübt wird (siehe,
z.B0 die Zeitschrift 'tWestnik maschinostrojenija", Nr. 3, 1963, Seite 31 bis 39,
Maschgis, Moskau).
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Der Mangel dieses Verfahrens besteht darin, daß es einen sehr großen
Arbeitsaufwand erfordert, d.h. es ist wenig produktiv da nach diesem Verfahren 120
... 1O Kerben verschiedener Tiefe oder in verschiedenen Abständen untereinander
auf der äußeren zylindrischen Oberfläche auszuführen sind, uin den Hingrohling zu
verformen.
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Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen weitgehend
bekannt, bei dem die in entspannter Lage erforderliche unrunde Ringform durch das
Abgießen eines unrunden Ringrohlings und nachfolgendes mechanisches Nachformen des
Ringes erhalten wird.
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Der M gel des erwähnten Verfahrens besteht ebenfalls darin, dals
die lierstellung der Rings kompliziert ist und einen großen Arbeitsaufwand erfordert,
da nach diesem Verfahren das Einzelabgießen eines jeden Ringrohlings und das
darauffolgende
Nachformfräsen des Ringes mit variabler Krümmung erforderlich sind.
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Die erfindung bezweckt die Beseitigung der erwärmten Mängel.
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Der Erfindung liegt die aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zur
Herstellung von Metalldichtungsringen zu entwickeln, bei dem der gewünschte Verlauf
der Federeigenschaften entlang des Urnfangs auf einfache Art erzielt werden kann.
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Dabei wird ausgegangen von einem Verfahren zur Herstellung von Metall-Dichtungsschlitzringen,
bei dem ein runder Ringrohling zur Verleihung in Radialrichtung federnder Sigenschaften
verformt wird, wonach der Rohling nacheinander an den Stirnflächen und an der äußeren
bzw. inneren zylindrischen Oberfläche mechanisch bearbeitet wird, wobei erfindungsgemäß
die Verformung des Ringrohlings durch Stauchung seiner gegenüberliegenden Stirnflächen
auf Abschnitten nahe der der aln Dichtungsfläche wirkenden zylindrischen Oberfläche
gegenüberliegenden zylindrischen Oberfläche erfolgt, wobei eine maximale Stauchung
an den Stirnflächen ausgeführt wird, die gegenüber dem Schlitz des Ringrohlings
liegen, u.zw. bis zur Mitte der Hingbreite,und die Stauchung allmählich bis zum
minimalen Wert an den dem Ringrohlingsschlitz benachbarten Stirnflächen vermindert
lrtrd.
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Es ist zweckmäßig, für die Herstellung von Dichtungsringen,
bei
denen als Dichtungsfläche die äußere zylind -frische Oberfläche dient, diejenigen
Abschnitte der gegenüberliegenden Stirnflächen des Ringrohlings zu stauchen, die
an der inneren zylindrischen Oberfläche anliegen.
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Die Stauchung eines solchen Abschnittes der Stirnfläche des Ringrohlings
wird bei der Herstellung von Kolbenringen angewandt, Es ist ebenfalls zweckmäßig,
für die Herstellung von Dichtungsringen, bei denen als Dichtungsfläche die innere
zylindrische Oberfläche dient, diejenigen Abschnitte der gegenüberliegenden Stirnflächen
des Riogrohlings zu stauchen, die an der äußeren zylindrischen Oberfläche anliegen.
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Di. Stauchung eines solchen Abschnittes des Hingrohlings wird bei
der Herstellung von Innendruckringen angewandt.
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Das erfindungsgeinäße Verfahren zur Herstellung von Dichtungsschlitzringen
aus Metall gewährleistet bei seiner Einfachheit und geringem Arbeitsaufwand eine
hohe Produktivität, wobei eine hohe Güte der gefertigten Dichtungsringe erhalten
wird.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und der beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 Arbeitsstellung
einesInnendruck-Dichtungsringes;
Fig. 2 Gesenk mit flachen Arbeitsflächen,
mit eingelegtem Ringrohling, durch welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
von Innendruck-Dichtungsschlitzringen durchgeführt wird; Fig. 3 Schnitt III-III
der Fig. 1; Fig. 4 Seitensicht eines entspannten s Innendruck-Dichtungsringes; Fig.
5 Arbeitsstellung des Kolbenringes; Fig. 6 Gesenk mit flachen Arbeitsflächen und
eingelegtem Ringrohling, durch welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
von Kolbenringen durchgeführt wird; Fig. 7 Schnitt Vil-Vil der Fig. 5; Fig. 8 Seitenansicht
des entspannten - Kolbenringes; Fig. 9 Gesenk mit innen liegender kegelförmiger
Stempelarbeitsflächo und eingelegtem Hingrohling, durch we@@hes das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung von Innendruckringen durchgeführt wird; Fig. 10 Schnitt
X-X der Fig. 1; Fig. 11 Gesenk mit außenliegender kegelförmiger Stempelarbeitsfläche
und eingelegtem Ringrohling, durch welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
von holbenringen durchgeführt wird Fig. 12 Gesenk mit innenliegender flach abgeschrägter
St euipelarbeitsfläche zur Herstellung von Innendruckringen;
Fig.
13 Arbeitsstellung des in diesem Gesenk (Fig. 12) gestauchten Innendruckringes;
Fig. 14 Gesenk mit aubenliegender flach abgeschrägter Stemelarbeitsfläche zur Herstellung
von Kolbenringen; Fig. 15 Arbeitsstellung des in diesem Gesenk (Fig. 14)-gestauchten
Kolbenringes.
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Das Verfahren zur Herstellung von Innendruck -Dichtungsringen 1 (Fig.
1), bei denen als Dichtungsfläche die innere zylindrische Oberfläche mit dem Durchmesser
d dient, besteht darin, daß zur Erreichung f federnder Ligenschaften in Radialrichtung
und eines gleichmaß'igen Innendruckes ein einer Wärmevorbehandlung unterzogener
runder Ringrohling 2 (Fig. 2) im Gesenk 3 angeordnet wird, dessen Stempel 4 und
Stauchmatrize 5 flache Arbeitsflächen aufweisen.
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Der Ringrohling 2 wird im Gesenk so angeordnet, daß die Arbeitsflächen
der Stauchmatrize 5 und des Stempels 4 diejenigen Abschnitte 6 (Fig. 1) der gegenüberliegenden
Stirntlächen stauchen, die zwischen dem Kreis nrit Durchschnittsdurchmesser d5 =
d + t und dem Außenkreis mit Durchmesser D (äußere zylindrische Oberfläche) liegen.
In Fig. 1 ist der zu stauchende Abschnitt 6 der einen Stirnfläche schraffiert dargestellt.
Unten wird zwecks Klarheit der i)arlegung über nur einen Abschnitt gesprochen, aber
alle gebraciiten Uberlegungen gelten in gleichem Maße für den entspre-@en Abschnitt
auf der gegenüberliegenden Stirnfläche.
Die Breite h des zu stauichenden
Abschnittes 6 ist eine variable Größe: ihr GrößTwert
und liegt auf derjenigen Stirnfläche des Ringes 1, die dem Schlitz gegenüberliegt;
danach verringert sich die Breite h bis zum Minimalwert (hmin = 0), u.zw. auf der
Stirnfläche am Schlitz selbst.
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Darauf wird der Rohling 2 durch die Pressenkraft, welche über das
Kugelstützlager auf den Stempel 4 übertragen wird, gestaucht, dabei ist die auf
die Dick.e "b" bezogene Ringverformungsgröße "a" (Fig. 3) konstant.
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In diesem Falle wird der gleichmäßiges Innendruck der Dichtungsringe
1 in Arbeitsstellung dadurch gewährleistet, daß die Breite h des auf seiner ganzen
Länge gestauchten Abschnittes 6 am Ringrohling 2 iin Abhängigkeit vom Zentriwinkel
# des betrachteten Schnittes einen variablen Wert aufweist und durch folgende Gleichung
ermittelt wird.
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# # # (1 @ @@@ #) (@) a 3 y d + t Hier ist: b - Dicke des Ringes 1;
a - Verformungsgröße (Stauchtiefe) in Richtung der Dicke "b) des Ring es 1; b/a
- reziproker bezogener Stauchungswert;
d - £nnendurchmesser des
Ringes 1; t - Breite des Ringes 1; d + t = d5 - mittlerer Durchmesser des Ringes;
A - Überlappungslänge der Enden des Ringes 1 in entspannter Lage (d.h. nicht in
Arbeitsstellung); die Überlappungslänge A wird bei gewählten Kenngrößen der ringe
(d, t und b ) durch den Wert des spezifischen Solldruckes bestimmt; J - Winkel (Koordinate
h), der von der Ringmitte (dem Schlitz gegenüberliegend ) in Richtung zum Schlitz
gemessen wird und der sich von 0° bis f, (von 0° bis 180°) ändert.
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Der physikalische Sinn dieser Verformung besteht darin, daß im Werkstoff
der gestauchten Abschnitte 6 des Diciltungsringes im Vergleich zu den nicht gestauchten
Abschnitten 8 zusätzliche, in bezug auf die Länge der Zweige veränderliche des Ringes
1/Spannungen entstehen. (Unter einem Zweig der Ringes 1 ist seine Länge von dem
gegenüber dem Schlitz liegenden Punkt bis zu dem dem Schlitz benachbarten Ende zu
verstehen). Die erwähnten Spannungen verursachen variable radiale Verformungen der
Zweige des Ringes 1, wodurch dieser Ring in en@spannter Lage die unrunde Sollform
einnimmt, die njiden seiner Zweige aber bilden eine in Fig, 4 dargestellte uberlappung.
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Im Idealfall, d.h. ohne Berücksichtigung von Schiefstellungen in
den Führungen des Gesenkes 3, weisen die Arbeitsflächen des Stempels 4 und der Stauchmatrize
5 eine flache Form auf, die sich nur in Richtung der breite des zu stauchenden Abschnittes
6 des Ringes 1 ändert und die durch Gleichung (1) ermittelt wird. Bei einer Stauchung
(bezogener Stauchung) a/b = 1% = 1/100 (die versuchsmäßig gewählt ist) nimmt z.B.
die erwähnte Gleichung (1) zur berechnung der inneren Arbeitskanten beim Stempel
4 und bei der Stauchmatzize 5 folgende Gestalt an: 200 A h = (1 + cos # ) .....
(II) 3 # d + t Die vorliegende Kurve für Innendruckringe stellt in der Praxis einen
Kreis mit Durchmesser D' = d + 2 T ¢ hmax dar und ist auch ein Durchmesser
der
des gestauchten Abschnittes 6 an der Stirnfläche des Ringes 1 und ein
der Kante der Arbeitsflächen beim Stempel 4 und der Stauchmatrize 5. Dabei ist der
@ittelpunkt dieses kreises in bezug auf den Mittelpunkt des ringes 1 auf der Achse
9, die durch den Schlitz des Ringes 1 läuft, in Schlitzrichtung verschoben, u. zw.
um die Exzentrizität e = hmax/2 # Durch die Stauchung des Abschnittes 6 im Gesenk
3 entstehen im werkstoff des Ringes 1 Spannungen, die dem Ring in
Radialrichtung
wirkende federnde Eigenschaften auf der Seite des Innendurchmessers d verleihen;
durch die variable Art der Stauchung am Außenumfang des Ringes aber erhält die Drlickfigur
des Hinges an der Seite des innendurchmessers eine gleichmäßige Gestalt.
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Nach der Stauchung wird der Ring 1 gemäß dem allgemein bekannten
Verfahren einer mechanischen Behandlung unterzogen, die im folgenden besteht. Der
Hing 1 wird an den Stirnflächen bis zum Sollmaß geschliffen. Danach werden 15 ...
20 Ringe 1 auf einen (in der Zeichnung nicht dargestellten) Innendorn gesetzt, an
den Stirnseiten durch muttern eingespannt und alle Ringe am Außendurchmesser D bis
zum Sollmaß geschliffen.
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Darauf wird der In@@ndorn mit den Hingen zusammen in einen Außendorn
gesetzt, in dem die Ringe 1 gemäß dem bearbeiteten Außendurchmesser zentriert und
dann durch die butter des Außendorns eingespannt werden, wonach der Innendorn entfernt
Innen wird und die Ringe 1 gemäß dem durchmesser d geschliffen werden. Nach dem
Schleifen wird der Innendurchmesser d des Ringes 1 auf das hrbeitsmaß eingeläppt.
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Zur Herstellung von Metall-Dichtungsschlitzringen 10 (Fig. 5) mit
gleichmäßigem Außendruck, d.h. von Ringen, bei denen die äußere zylindrische Oberfläche
als Dichtungsfläche dient (Rolbenringe) wird der Ringrohling 11 (Fig. 6) im Gesenk
12 mit flachen Arbeitsflächen angeordnet und der Abschnitt 13 seiner Stirafläche,
die an der inneren zylindrischen Oberfläche mit Durchmesser d1 anliegt, gestaucht.
Die Breite h1 des
zu stauchenden Abschnittes 13 weist ebenso wie
bei der Verformung der Ringe 1 einen variablen Wert auf: ihr Maximalwert
und liegt auf derjenigen Stirnfläche des Ringes, die dem Schlitz gegenüber liegt,
und diese Breite h1 wird bis zum Minimalwert h1min = 0 auf der dem Schlitz benachbarten
Stirnfläche vermindert. Der Wert von h1 wird nach derselben Formel ermittelt, die
für h der Innendruckringe 1 gilt, anstatt der Größe k (Uberlappung der Ringenden
bei entspannter Lage) aber wird die @röße L (Fig. d) eingesetzt, auf welche die
Enden des Ringes 10 in entspannter Lage (Nichtarbeitsstellung des Ring es 10) gespreizt
sind, wobei die Größe L durch den Wert des erforderlichen Außendruckes bestimmt
wird.
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2 L h1 = @1/a1 (1 + cos # ) .... (III) 3 # d1 + t1 Der zu stauchende
Abschnitt 13 des Kolbenringes 10 ist in Fig. 5 schruffiert dargestellt.
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Bei einer # a1/b1 = 1% = 1/100 nimmt die Gleichung (III) zur Berechnung
de@ au@eren Arbeitskante beim Stempel 14 und bei der Stauchmatrize 15 des Gesenks
12 folgende Gestalt an.
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200 L h1 = (1 + cos #) .... (IV).
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3# d1 + t1 Diese kurv= für @@@enringe 10 stellt prak@isch einen Kreis
mit Durchmesser @@ = d1 + h1max und mit einem Mittelpunkt
dar,
welcher in bezug auf den Mittelpunkt des Ringes 10 @1 max in Richtung vom Schlitz
weg um die Exzentrizität e1 = 2 versetzt ist.
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Durch eine solche Stauchung des Abschnittes 13 am Ring 10 entstehen
im Werkstoff dieses Ringes Spannungen, die dem King 10 in Radialrichtung wirkende
federnde Eigenschaften auf der Seite des Außendurchmessers Dl verleihen. In der
Arbeitsstellung übt der aing 10 einen gleichmäßigen Druck an der Seite des Außendurchmessers
D1 aus.
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Nach der Stauchung wird der Ring 10 einer Wärmebehandlung unterzogen.
Darauf wird der Ring in ähnlicher Weise wie der Innendruckring 1 einer nacheinander
folgenden mechanischen Bearbeitung der Stirnflächen, der inneren und äußeren zylindrischen
Oberflächen bis zu den Sollmaßen unterworfen.
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Die Stauchung des runden Ringrohlings 17 (Fi.g.9 ) zur verstellung
von Innendruckringen kann im Gesenk 18 auSgeführt werden, bei dem der Stempel 19
eine innenliegende segelarbeitsfläche mit dem Spitzenwinkel αaufweist. die
Arbeitsfläche der Stauchmatrize 20 aber eine flache
###### des Ringrohlings 17 senkrechte Form hat. I)er Stempel 19 und die Stauchmatrize
20 werden so angeordnet, daß der h. max @ittelpunkt um die Exzentrizität e2 = 2/2
in @ichtung zum Ringschlitz versetzt ist, ebenso wie es bei der Herstellung des
@nnendruckringes 1 (Fig. 1) ausgeführt wurde.
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Die Breite h2 (Fig. 10) des zu stauchenden Abschnittes am Ringrohling
17 weist eine variable Größe auf, ihr Maximalwert gilt für die gegenüber dem Schlitz
liegende Stirnfläche, ihr Minimalwert aber für die dem Schlitz benachbarte Stirnfläche.
Außerdem hat bei der Stauchung im Gesenk 18 mit Kegel arbeitsfläche die Größe a2
der Ringverformung in Richtung der Dicke b ebenfalls einen variablen Wert.
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Die Stauchungslinie der äußeren Abschnitte des Ringrohlings 17 in
Wadialrichtung hat die Form eines rechteckigen Dreiecks mit den Kateten h2 und a2
und ist durch folgende Gleichung ausgedrückt.
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4b A h2a2 = 3 # d + @ (1 + cos # ) zu ... (V).
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Hier ist die Bedeutung der Buchstabenbezeichnung dieselbe wie in
der Formel (1).
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In Fig. 11 ist ein Gesenk 21 zur Herstellung von Kolbenringen dargestellt.
Bei diesem Gesenk hat der Stempel 22 eine innenliegende Kegelarbeitsfläche mit dem
Spitzenwinkel α@.
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Der Stempel 22 und die Stauchmatzize 23 werden in bezug auf den Ringrohling
24 um die Exzentrizität e1 in Richtung vom Schlitz@eg versetzt.
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Bei Berechnung der Stauchverformung von Kolbenringen wird die Formel
(1V) benutzt, dabei ist aber anstatt der Überlappungsgröße "A" der Spreizungswert
" L " der Ringenden in freistehender Lage einzusetzen. Im übrigen @ @läuft die Stauchung
ähnlich dem oben beschriebenen Fall,
Die Stauchverformung des ingrohlings
25 (Fig. 12) zur Herstellung des Innendruckringes 26 (Fig. 13) kann auch im Gesenk
27 (Fig. 12) ausgeführt werden, bei dem die Arbeitsflächen des Stempels 26 und der
Stauchmatrize 29 in bezug auf die Stirnfläche des Ringrohlings 25 eine (in Richtung
des Schlitzes des Rohlings 25) flach abgeschrägte Gestalt aufweisen, die sich in
Richtung der Dicke des Rohlings 25 um den Verformungswert a3 des Rohlings 25 ändert.
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2 Dabei wird der Maximalwert a3 max an der Stelle auf-2 treten, wo
die dem Ringschlitz gegenüberliegende Stirnfläche gestaucht wird, der Minimalwert
aber an der Stelle, die dem Schlitz benachbart ist.
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Die Verformungsgröße "a3 " wird nach der folgenden Formel ermittelt:
a3 = b 2 A ( 1 + cos#) (VI) @ h 3# d+t Hier ist die Bedeutung der Buchstabenbezeichnung
dieselbe wie in der Formel (I).
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Bei der Stauchung des Ringrohlings 25 ist die Stauchbreite auf den
ganzen Umfang des Ringes 26 g@@@ich.
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Der Stempel 28 und die Stauchmatrize 29 werden in bezug auf den Ringrohling
25 ohne Mittelpunktversetzung (d.h.
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ohne Exzentrizität) angeordnet. Der zu stauchende Abschnit@ 30 in
Fig. 13 istschraffiert dargestellt.
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Das Stauchen in den Gesenken 31 (Fig. 14) mit flach abgeschrägten
Arbeitsflächen von Ringrohlingen 32 zur Herstellung von Kolbenringen 33 (Fig. 15)
verläuft ähnlich wie in oben beschriebenem Fall. Der Verformungswert "a4" kann aus
der Formel (6) erhalten werden, dabei ist anstatt der Größe "A" der Ringendenüberlappung
der Wert L der Ringendenspreizung einzusetzen. Nach der Stauchung hat der Xing 26
und Ring 33 im Radialschnitt eine Rechteckgestalt.
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Bei allen oben beschriebenen Abwandlungen wird die variable Stauchungsart
des Ringrohlings durch eine entsprechende Gestalt der Arbeitsflächen des Stempels
und der Stauchmatrize gewährleistet. Die Arbeitsflächen der Stempel und Stauchmatrizen
müssen auf ihrem Umfang genau einander entsprechen und festgehalten werden; die
minimale dem Schlitz benachbarte) Stauchzone des Ringrohlings aber wird außen an
der Stauchmatrize,z.B. durch eine Anreißlinie vermerkt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen,
deren Bedarf für die moderne Technik Milliarden Stück beträgt, entfällt das :B;inzelgießen
des Rohlings für einen jeden einer und das Nachfräsen von Ringen mit variabler Krümmung,
wodurch ein großer wirtschaftlicher Nutzen entsteht, sinken noch größeren wirtschaftlichen
Nutzen kann das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung von Innendruckringen
ergeben
u.zw. im Vergleich mit dem bekannten Verfahren zur Verformung von Ringrohlingen
durch Kerben, da dieselbe Verformung des Ringrohlings erfolgt nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren in 1 ... 2 Stauchabläufen im Gesenk und während einer Zeitdauer, die ungefähr
zur Ausführung von zwei kerben aus denl nach dem bekannten Verfahren erforderlichen
120 ...löO Kerben benötigt wird, d.h. um das 60 bis 90fache schneller.