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Umformwerkz eug Die Erfindung bezieht sich auf ein Umformwerkzeug
bestehend aus wenigstens einer Matrize und einer aufgeschrumpften Matrizenarmierung
wobei die Matrize aus Stahl, insbesondere jedoch aus Hartmetall oder einem keramischen
Werkstoff gefertigt ist. Derartige Umformwerkzeuge werden insbesondere beim Fließpressen
verwendet. Im letzteren Falle oder allgemein bei der Massivumformunr, von
Metallen
werden außen auf die Matrize Schrumpfringe aufgezogen, welche das mit hohem Innendruck
belastete Presswerkzeug so voropannen, daß am Innenrand der Pressmatrize bzw.
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des formgebenden Werkzeugs bei maximaler Betriebsbels tung keine oder
nur geringe Zugspannungen auftreten. Man vermeiden dadurch die bei schrumpfsitzlosen
Ausführungen bereits in normalem Betrieb der Pressform, infolge einer Überlastung
beobachtete Zerstörung der Matrize.
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Bei den mit einem Schrumpfring ausgestatteten Matrizen tritt im unbelasteten
Zustand an ihrem Innenrand eine tangentiale Druckspannung auf, die durch den beim
Arbeiten erzeugten Umformdruck ganz oder teilweise kompensiert wird. Eine derartige
Druckvorspannung ist insbesondere bei Verwendung von Matrizen aus Hartmetall oder
Keramik unerlässlich, da diese Werkstoffe gegen Zug spannung um ein Vielfaches empfindlicher
sind als beispielsweise Schnellarbeitsstähle. Deshalb ist man insbesondere bei aus
diesen Materialien hergestellten Matrizen gezwungen, Schrumpfringe aufzubringen.
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Es hat sich nun wiederholt gezeigt, daß Matrizen aus Hartmetall oder
keramischem Werkstoff trotz Verwendung der erwähnten Stahlarmierung brechen, während
ein Versagen der Armierung selbst
nicht in dem Maße beobachtet werden
konnte.
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Demzufolge liegt die Aufhabe der vorliegenden Erfindung darin, ein
Umformwerkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Matrize im Normalbetrieb
nicht aufreißt, zumindest jedoch eine lange Lebensdauer besitzt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Umformwerkzeug der vorstehend bezeichneten
Gattung vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Matrizenarmierung aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen E-Modul wesentlich
höher ist als derjenige von Stahl, insb.
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etwa demjenigen des Hartmetalls bzw. keramischen Werkstoffes der Matrize
entspricht und dessen WSrmeausdehnungszahl einen allenfalls geringen positiven Wert
aufweist, vorzugsweise jedoch negativ ist, wobei der Werkstoff insbesondere ein
faserverstärkter Verbundwerkstoff ist, dessen Fasern vorzugsweise aus Kohlenstoff
bestehen. Es ist vorgesehen, daß der E-Modul des Werkstoffs für die Matrizenarmierung
etwa dem zwei- bis dreifachen des E-Moduls von Stahl entspricht oder noch höher
liegt.
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Dieses Umformwerkzeug hält den normalen Betriebsbelastungen in der
angestrebten Weise besser Stand als dies bei den vorbekannten Umformwerkzeugen zu
beobachten ist. Es kommt noch
hinzu, daß man eine höhere aßgenauiit
der Pressteile erhält. Dies hängt damit zusammen, daß für die Aufweitung des Presswerkzeuges
in erster Linie der Elastizitätsmodul der Presswerkzeugelemente verantwortlich ist
und der Elastizitätsmodul nicht nur beispielsweise des Hartmetalls sondern erfindungsgemäß
auch des Verbundwerkstoffes höher liegt als bei Stahl, genauer gesagt mehr als den
doppelten Wert erreichen kann.
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Ein weiterer, die Genauigkeit oder Maßschwankungen der Pressteile
beeinflussender Faktor, ist die Wärmedehnung. Das Umformwerkzeug dehnt sich bekanntlich
infolge der als Wärme freiwerdenden Umformarbeit aus. Insbesondere beim sogenannten
Halbwarmumformen von Werkstücken, worunter das Umformen bei Temperaturen von wenigen
100 C verstanden wird, hat die Wärmeausdehnung~des Werkzeuges entscheidenden Einfluß
auf die mögliche Maßgenauigkeit der Teile. Wenn nun die Wärmeausdehnungszahl der
Armierung bzw. des aufgeschrumpften Ringes wesentlich höher liegt als die der Matrize,
so dehnt sich der Schrumpfring schneller auf als die Matrize. Dabei wird die in
kaltem Zustand vorhandene Vorspannung reduziert und geht eventuell sogar gänzlich
verloren. Der Schrumpfring kann damit seine eigentliche Aufgabe nicht mehr übernehmen
und die Matrize reißt bei Belastung infolge der auftretenden Zugspannung
zehen
die sie nach dem Abbau bzw. Wegfall der Schrumpfspannungen nicht mehr genügend geschützt
ist.
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Wenn nun gemäß einem der Kennzeichnungsmerkmale die Wärmeausdehnungszahl
der aufgeschrumpften ringförmimen Matrizenarmierung möglichst einen negativen, allenfalls
jedoch einen gering positiven Wert besitzt, so bleiben bei einer Erwärmung des Umformwerkzeuges
die Schrumpfspannungen erhalten, ja sie können sich sogar noch erhöhen. Verwendet
man für den Verbundwerkstoff die besonders bevorzugten Kohlenstoffasern, erreicht
man in Bezug auf die Wärmeausdehnun ein äußerst positives Ergebnis. Kohlenstoffasern
haben nämlich einen negativen Ausdehnungskoeffizienten. Wenn nun das Bindemittel,
in welches sie zur Bildung eines Schrumnfringes eingelafflert sknd, beispielsweise
einen niedrigen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, so können sich
beide im günstigsten Falle zu Null komnensieren. Maßgebend für den Gesamt-Ausdehnungskoeffizienten
des Verbundwerkstoffes ist einerseits der Anteil der Komponenten und andererseits
das Maß der Abweichung der Wärmeausdehnungszahlen nach dem Positven bzw.
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Negativen hin. Eine wesentliche Rolle bei der Gesamtdehnung des Verbundwerkstoffes
im elastischen Bereich spielt das Verhältnis der E-Moduli der Verbundwerkstoffkomponenten.
Bei einem aus Kohlenstoffasern und Epoxidharz bestehenden Verbundwerkstoff ist demnach
die Wärmedehnung der Fasern dominierend.
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Wenngleich der Matrizenarmierungsring insgesamt gesehen keiner Wärmeausdehnung
unterworfen ist, so kann er
trotzdem aufgrund der sich unter der
Belastung: und auch Erwärmung ausdehnenden Matrize geringfii aufgeweitet werden.
Diese Aufweitung: endigt, wenn ein Spannung:sgleichgewicht zwischen Matrize und
aviatrizenarmierung erreicht ist. Insgesamt kann sich aber bei der erfindungsgemäßen
Ausbildung der Matrizenarmierung auch die Matrize selbst weniger ausdehnen als dies
bei bekannten Umformwerkzeugen der Fall ist und aus diesem Grunde erhält man eine
höhere Maßgenauigkeit und geringere Maßschwankungen bei Temperaturunterschieden
des Umformwerkzeugs. Mit dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug kann eine doppelt
so große Genauigkeit der zu fertigenden Teile erreicht werden als dies bei den bisher
bekannten Umformwerkzeu-en der Fall ist.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet
sich dadurch5 daß der die Fasern verbindende Werkstoff des Verbundwerkstoffes ein
metallisches oder nicht metallisches Bindemittel, insbesondere Kunstharz, Polyimid
oder Epoxydharz ist. Der Verbundwerkstoff weist gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung wenigstens 50 bis 60 % Volumanteile Kohlenstoffasern auf wobei dem größeren
Wert der Vorzug gegeben wird. An sich wäre ein Wert von 70 % oder
eventuell
noch höher zweckmäßig, jedoch wird es mit steigendem Anteil der Kohlenstoffasern
schwierig: er reproduzierbare Werte zu erreichen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Kohlenstoffasern
die Matrize in Form einer rexelmaßigen Wicklung umgeben und die etwa in Umfangsri
chtung der Matrize verlaufenden Windungen in den Kunststoff eingebettet sind. An
sich ist vorgesehen, daß die einzelnen Kohlenstofffasern einen etwa gleichen gegenseitigen
Abstand voneinander haben, jedoch kann man zur Erreichung besonderer Effekte den
Anteil der Kohlenstoffasern im Verbundwerkstoff an einem ganz bestimmten Bereich
bzw. an bestimmten Bereichen größer oder kleiner wählen. Dies gilt insbesondere
im Bereich der höchsten Beanspruchung der Matrize. Die Wicklungen der Kohlenstoffasern
sollen möglichst senkrecht zur Längachse der Matrize verlaufen, da die größten Spannungen
auch in Umfangsrichtung auftreten. Außerdem ist es wichtig, daß über die Dicke gesehen
die Wicklung aus ununterbrochenen Fasern besteht deren Anfang innen und deren Ende
jeweils außen liegt.
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Einen gleichmäßigen Aufbau des Verbundwerkstoffringes erreicht man
dadurch, daß man die Kohlenstoffasern mit der anderen Verbundwerkstoffkomponente,
also beisPielsweise Epoxydharz
umhüllt und die dann unter gleichbleibenden
Verhältnissen, insbesondere konstanter Spannung zu einem Ring aufwickelt.
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Dieser wird dann anschließend auf die Matrize aufgeschrumpft, wozu
man beispielsweise die Matrize stark unterkühlen und im unterkühlten Zustand in
den Armierungsring einschieben kann. Es sind natürlich auch alle anderen bekannten
Methoden zur Herstellung eines Schrumpfverbandes möglich.
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Da sowohl die Kohlenstoffasern als auch das sie zusammenhaltende Bindemittel
keine mit Stahl vergleichbare Abriebfestigkeit besitzen wird gemäß einer anderen
Variante der Erfindung vorgeschlagen, daß zwischen der Matrize und dem Verbundwerkstoff
ein hülsenförmiger Körper aus Stahl angeordnet ist, dessen Wandstärke geringer ist
als diejenige des Verbundwerkstoffs und dessen Länge vorzugsweise der Matrizenlänge
entspricht. Dieser hülsenförmige Körper ist dünnwandig, da er lediglich die Aufgabe
hat, den Verbundwerkstoff aufzunehmen und die Abriebbelastung beim Aufschrumpfen
aufzufangen. Er übernimmt also keinesfalls die Rolle eines Stahl-Armierungsringes,
weil ein solcher in Verbindung mit einer Hartmetall- oder Keramikmatrize nicht ideal
ist. Andererseits muß er, um den auftretenden Belastungen nicht nur beim Aufschrumpfen
sondern auch im Betrieb gewachsen zu sein,aus hochfes-em
Stahl
bestehen. Wie die Zeichnung: zeigt, sind die Stärken der aus Verbundwerkstoff hergestellten
Armierung und der Matrize in etwa gleich, während diejenie des die Montage begünstigenden
Stahlringes etwa ein Fünftel oder ein Sechstel davon beträgt oder noch geringer
ist. Die Stahlring-stärke ist einerseits möglichst gering zu wC,hlen, andererseits
muß sie so groß sein, daß sie beim Einpressen der Matrize noch eine ausreichende
mechanische Stabilität aufweist.
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Der absolute Wert hängt demnach auch von der Gesamt«>röße des Umformwerkzeugs
ab und kann beispielsweise im Milimeterbereich liegen.
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Eine Weiterbildung der zuvor besprochenen Ausgestaltung der Erfindung
besteht darin, daß der hülsenförmige Körper an seinen stirnseitigen Enden je einen
nach außen ragenden Bund besitzt. Diese Bunde können verschiedene Aufgaben übernehmen.
Sie haben die Wirkung schmaler Stahlschrumpfringe für das obere und untere Ende
der Matrize und stützen den Verbundwerkstoff in Längsrichtung des Umformwerkzeuges
ab. Es kommt noch hinzu, daß man auf diese Weise Fasermaterial spart, welches wesentlich
teurer ist als hochfester Stahl. Es leucntet ohne weiteres ein, daß man durch bestimmte
FormSebung des hülsenförmigen Körpers auch die Gestalt des Verbundmaterials verändern
und damit ganz bestimmte Charakteristiken des Umformwerkzeuges erzielen kann. Hierin
liegt also neben der ungleichmäßigen Verteilung der Fasern ein weiteres Mittel zur
Erzielung bestimmter Effekte.
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Wie bereits ausgeführt wurde kann man die Patrize zum Aufschrumpfen
unterkühlen wordurch sie sich zusammenzieht und aamit mehr oder weniger leicht in
den Schrumpfring einschieben läßt. Eine andere Möglichkeit besteht darin5 daß der
Außenmantel der Matrize und der Innenmantel des hülsenförmigen Körpers in zweckmäßiger
Weise schwach konisch ausgebildet sind und die Matrize ein Übermaß besitzt. In diesem
Falle kann man ggf. unter Verzicht auf Wärmeanwendung die beiden Teile miteinander
axial Verpressen und dadurch den Schrumpfverband herstellen. Selbstverständlich
muß die Konizität dabei so gering sein, daß nur axial Kräfte ganz untergeordneter
Größe auftreten.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
von Längsmittelschnitten dargestellt.
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Das Umformwerkzeug besteht bei beiden Ausführuntxsformen aus der zum
Vorwärtsfließpressen geeigneten Matrize 1 der ;Iatrizenarmierung 2 sowie einem hülsenförmigen,
aus hochfestem Stahl hergestellten Körper 3, welcher zwischen die Matrize 1 und
die Matrizenarmierung 2 geschaltet ist. Bei der ersten Variante besitzen sowohl
der hülsenförmige Körper 3 als auch die Matrizenarmierung 2 eine rein rohrförmige
Gestalt. Der Außenmantel 4 der Matrize 1 und der Innenmantel 5 des hülsenförmigen
Körpers 3 können in gleicher Weise schwach
konisch ausgebildet
sein.
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Die Matrizenarmierung besteht in bevorzugt er Ausgestaltung der Erfindung
aus Kohlenstoffasern 6 die in ein Bindemittel, beispielsweise Epoxydharz eingebettet
sind.
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Die Windungen sind aus einzelnen von innen nach außen durchlaufenden
Kohlenstoffasern aufgebaut. Hierbei ist darauf zu achten, daß die einzelnen Windungen
in senkrecht zur Bildebene und zur Längsachse der Matrize verlaufenden Ebenen gelegen
sind. Außerdem wird vorzugsweise eine gleichmäßige Verteilung der Fasern über den
gesamten Querschnitt des hülsenförmigen Körpers angestrebt.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist an das obere und untere Ende des
hülsenförmigen Körpers je ein radial nach außen ragender Bund 7 bzw. 8 angeformt.
Er erleichtert einerseits das gleichmäßige Wickeln der Kohlenstofffasern 6 und andererseits
sorgt er für eine gute axiale Abstützung des Verbundwerkstoffes. Dieser hülsenförmige
Körper ist insoweit vergleichbar mit einem Spulenkörper der Elektroindustrie. Er
dient jedoch zusätzlich auch noch zur Einsparung des teueren w.ohlenstoffasermaterials
und er verleiht dem ganzen Umform-Werkzeug insofern noch eine besondere Charakteristik
als die
beiden Bunde 7 und 8 Je nach Dicke mehr oder weniger stark
die Aufgabe herkömnilicher Stahlschrumpfringe an den Enden der Matrize übernehmen
können. Die Hauptaufgabe ist jedoch wie bei der in Fig. 1 dargestellten Variante
der Erfindung ein Schutz des Verbundwerkstoffs gegen Abrieb beim Aufschrumpfen auf
die Matrize ein. Bei der Bauart nach Fig. 1 wird die axiale Abstützung durch die
übrigen bekannten Elemente eines Presswerkzeugs wie beispielsweise Spannringe und
Zwischenplatten bewirkt. Bei geringer Innendruckbelastung kann auf ein axiales Verspannen
verzichtet werden.
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Unter Matrizenarmierung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird an
sich lediglich der Ring aus faserverstärktem Verbundwerkstoff verstanden. Sofern
die Hülse 3 hierzu einen Beitrag leistet ist er von untergeordneter Bedeutung und
beeinflußt selbst bei der Ausführung gemäß Fig. 2 im Bereich höchster Beanspruchung
der Matrize die Kräfte- und Spannungsverhältnisse nur unwesentlich.