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Werkzeuganordnung zum Kaltumformen von Rohteilen aus metallischen
Werkstoffen Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zum Kaltumformen von Rohteilen
aus metallischen Werkstoffen, vorzugsweise Stahl mittels eines Pnßstempels und einer
Matrize, die in Querr-ichtung geteilt ist, bei der die Matrizenteile sowohl in radialer
als auch in axialer Richtung gegeneinander verspannt sind und die radiale Verspannung
durch Kegelpreß- oder Schrumpfpassungen auf die Matrizenteile aufgebracht ist.
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Für die Aufnahme der beim Umformen metallischer Werkstoffe auftretenden
hohen Matrizeninnendrücke werden die Matrizenkerne seit langem durch Armierungsringe
verstärkt. Bekannt sind für diese Aufgabe die Schrumpfpassung und die Kegelpreßpassung.
Die Vorspannung des Matrizenkerns führt zu einer erheblich günstigeren Spannungsverteilung
in der belasteten Matrize, so daß durch die Anwendung radial vorgespannter Preßmatrizen
das Auftreten von Überlastungslängsrissen weitgehen vermieden werden kann.
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Diese Maßnahme bietet jedoch keine Gewähr dafür, daß auch Querrisse
des Kerns mit Sicherheit verhindert werden können.
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So führt zum Beispiel die Teilbeaufschlagung des Werkzeug es in Längsrichtung
und die Stützwirkung der unbelasteten Matrizenabschnitte zu einer Spannungsspitze
der Tangentialzugspannung am Ende der belasteten Zone. Unstetigkeitsstellen in der
Spannungsverteilung treten aber acht nur am Ende der Druckraumhöhe, sondern auch
bei Querschnittsänderungen innerhalb der belasteten Matrize auf. Die notwendigen
konstruktiven
Maßnahmen zur Vermeidung dieser Spannungsspitzen wurden
rasch erkannt. Sie bestanden darin, das Werkzeug an den Stellen sprunghafter Spannungsänderungen
quer zu teilen. Bei konsequenter Anwendung dieses Grundsatzes müßten fast alle Matrizenkerne
mehrfach mindestens aber zweifach quergeteilt werden. Diese Querteilung bringt erneute
Probleme mit sich. Die durch Fugen getrennten Matrizenabschnitte erfahren durch
die unterschiedlich hohen Innendrücke, die der Grund der Querteilung waren, unterschiedliche
Dehnungen in radialer Richtung.
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Hierdurch können die einzelnen Matrizenabschnitte "atmen" und es besteht
die Gefahr, daß der unter hohem Innendruck stehende Werkstoff in die Trennfugen
einfließt und zur baldigen Zerstörung des Werkzeuges führt. Diese unerwünschte Erscheinung
kann nur dadurch vermieden werden, daß die einzelnen Matrizenabschnitte auch in
Längsrichtung in hinreichender Höhe gegeneinander vorgespannt werden.
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Zur Längsvorspannung von Umformmatrizen sind mehrere Lössungsvorschläge
gemacht und in der Praxis erprobt worden.
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So wurde vorgeschlagen, an Querschnittsübergängen geteilte Preßbuchsen
über eine Kegelpreßpassung sowohl radial als auch axial vorzuspannen. Es zeigte
sich jedoch, daß über eine Kegelpreßpassung nur unzureichende axiale Vor spannkräfte
aufgebracht werden konnten. Einfließen von Werkstoff in die Teilfuge und vorzeitiger
Ausfall des Werkzeugs sind die Folge. Weiterhin sind Konstruktionen bekannt geworden,
Matrizenkerne über Gewinde in eine Kegelpreßpassung einzupressen und vorzuspannen.
Auch diese Konstruktion weist den Mangel auf, daß die über das Gewinde aufbringbaren
Vorspannkräfte zu gering sind. Die während des Umformvorganges wirkende Axialkraft
führt wegen der zu großen Nachgiebigkeit des Gewindes zu einer Aufhebung der Vorspannkraft
und damit zu der Gefahr, daß sich der Matrizenkern aus der Kegelpreßpassung löst
und damit auch die radiale Vorspannung abgebaut wird. Darüber hinaus kann diese
Konstruktion
nicht bei mehrfacher Teilung von Matrizen angewendet
werden, wie sie in vielen Fällen wünschenswert wäre.
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Sicheren Schutz gegen Rißbildung an Matrizenkernen sowohl in Längsrichtung
als auch in Querrichtung können offensichtlich nur solche Werkzeugkonstruktionen
bieten, in denen die Matrizenkerne in Längs- und Querrichtung hinreichend hoch vorgespannt
werden können. Dabei sollte die Konstruktion die Querteilung des Matrizenkernes
beliebig oft zulassen.
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Die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung wird diesen Anforderungen gerecht
und vermeidet damit die Nachteile der bisher bekannt gewordenen Konstruktionen.
Gemäß der Erfindung sind die radial vorgespannten Matrizenteile in einem topfförmigen
Aufnehmer angeordnet, wobei sie gleichzeitig in axialer Richtung vorgespannt sind.
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In Weiterführung des erfindungsgemäßen Gedankens entsprechen Werkzeug-
und Spannteile der Forderung, daß der Kraftfluß der axialen Vorspannkraft innerhalb
des topfförmigen Aufnehmers geschlossen ist. Insbesondere muß das den Werkzeugaufbau
am offenen Ende des topfförmigen Aufnehmers begrenzende Werkzeugteil gleichzeitig
die Funktion eines Spanndeckels übernehmen. Damit sowohl die axiale Vorspannkraft
auf die Verschleißwerkzeugteile als auch radial gerichtete Reibungskräfte aufgebracht
werden konnten, ist die Abstützung des Spanndeckels gegenüber dem Werkzeugteil über
einen Konus vorgesehen. Als Verbindungselemente zwischen dem Spanndeckel und dem
topfförmigen Aufnehmer dienen gemäß dem Erfindungsgedanken Spannkeile, die einen
möglichst großen Bereich der Teilfuge zwischen Spanndeckel und innerer Aufnehmerwandung
überdecken sollen. Dieses kann zum Beispiel ereicht werden durch kreisbogenförmige
im Querschnitt rechteckige Segmente mit einem entsprechend der Teilung gewählten
Zentriwinkel von 90°, die in sowohl in die Topfwandung als auch in der
äußeren
Mantelfläche des Spanndeckels angebrachte Nuten eingeschoben werden. Aber auch schräg
die Teilfuge überdeckende konische Spannkeile, die nach Aufbringen der Vorspannkraft
in schräg unter einem Winkel in beide Teile eingefrästen Nuten eingelegt werden,
können diese Funktion übernehmen.
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Ein Vorteil dieser Art der Verspannung ist darin zu sehen, daß mit
den schräg eingelegten Spannkeilen der gesamte Umfang der Trennfuge überdeckt werden
kann.
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Die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung besteht also aus einem äußeren
über alle Querteilungen reichenden Armierungsverband, der nur Radialspannungen aufnehmen
kann und einen inneren Verband, der einen in sich geschlossenen Kraftfluß der Axialkraft
gestattet.
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Die Erfindung ist anhand eines in den Figuren 1 bis 4 schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Preßmatrize 1 wird durch einen Armierring 2 über eine Kegelpreßpassung
radial vorgespannt, ebenso wie die der Aufnahme des Werkstückes und der Stempelführung
dienende Buchse 3 ihrerseits in dem Schrumfring 4. Die Größe der radialen Vorspannung
wird so gewählt, daß die Armierringe ihre Elastizitätsgrenze mit Sicherheit nichtiterschreiten.
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Die axiale Vor spannung der Teile wird in einem topfförmigen Aufnehmer
5 vorgenommen, der innen gegenüber dem Armierring 2 einen strammgehenden zylindrischen
Schiebesitz erhält, gegenüber dem Armierring 4 durch einen Zwischenraum 15 getrennt
ist. Die äußere Umfangsfläche des topfförmigen Aufnehmers 5 ist kegelig ausgeführt.
Durch Einpressen des Kegels in den äußeren Armierungsverband 6 und 7 mit radialem
Übermaß kann eine zusätzliche radiale Vor spannung auf das axial verspannte Armierungssystem
im Aufnehmer 5 aufgebracht werden. Die axiale Verspannung der Matrizenteile 1 und
3 wird
etwa so groß gewählt wie die durch den Umformvorgang hervorgerufene
Umformkraft, die entweder aus Nomogrammen graphisch ermittelt oder durch Berechnungsverfahren
abgeschätzt werden kann. Wie sich in vielen Fällen gezeigt hat, scheiden Gewinde
für die Aufbringung derartig hoher Vorspannkräfte aus. Bei der erfindungsgemäßen
Werkzeuganordnung wird die Verspannung auf einer Einsenkpresse vorgenommen, die
üblicherweise in jedem Werkzeugbau vorhanden ist und auch für das Fügen der kegeligen
Preßsitze verwendet wird. Die Aufrechterhaltung der durch die Presse aufgebrachten
Vor spannkraft kann zum Beispiel durch den Spanndeckel 9 und den Spannkeil 8 geschehen,
der den axialen Kraftschluß zwischen dem Aufnehmergehäuse 5 und den Matrizenteilen
1 und 3 herstellt. Als selbstverständlich wird worausgesetzt, daß die Axialkraft
nur über die zu verspannenden Matrizenteile 1 und 3 geleitet wird. Zur Vermeidung
etwaigen Kraftflusses über die Armierringe müssen zwischen diesem materialfreie
Zwischenräume 10, 11 und 12 vorhanden sein. Wie bereits beschrieben, wird die von
einer Presse aufgebrache Vorspannkraft von Spannkeilen aufrecht erhalten, die sich
in an der Teilfuge angebrachten Nuten abstützen. In Figur 1 werden hierfür 2 in
ihrer Längsrichtung kreisobgenförmige Spannkeile 8 verwendet, die etwa einen entsprechenden
Zentriwinkel von 900 überdecken, in die offenen Abschnitte der Nuten 13 und 14 eingelegt
und in die verdeckt liegenden Abschnitte der Nuten nach Art eines Bajonettverschlusses
verschoben.
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In Figur 2 wird zur Aufrechterhaltung der Vor spannung ein unter einem
Neigungswinkel & zur Teilfuge liegender, in Umfangsrichtung mehrfach geteilter
Keil 16 trapezförmigen Querschnittes verwendet. Mit einem derartigen Keil t6 kann
die gesamte Teilfuge überdeckt werden. Der Spanndeckel 9 erhält für die Abstützung
der Vorspannkräfte keine Nut, sondern lediglich eine unter den Neigungswinkel *
zur Teilfuge verlaufende Anschrägung. Im Aufnehmer 5 muß eine dem Neigungswinkel
und
dem Trapezquerschnitt des Spannkeiles 16 angepaßte Nut angebracht werden. Nach Entfernung
der Vorspannkraft entsteht in beiden Fällen ein axial vorgespannter Preßverband,
der gleichzeitig eine große Sicherheit gegen Lösen bietet. Gegenüber der Verspannung
mit Gewinde hat die erfindungsgemäße Art der Befestigung den Vorteil, daß sie wesentlich
billiger in der Herstellung, leichter montierbar ist und eine fast absolute Sicherheit
gegen selbsttätiges Lösen bildet.