DE4311249A1 - Formwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Formwerkzeug mit einer Matrize und einem die Matrize umgebenden Vorspannungsring.

Ein solches Formwerkzeug kann zum Kalt-Fließpressen verwen­ det werden. Gegebenenfalls besteht die Matrize aus Stahl, insbesondere gesintertem Hartmetall.

Bei einem bekannten Formwerkzeug dieser Art (DE 38 34 996 C2), das zum Fließpressen verwendet wird, ist die Matrize zylindrisch, und die Vorspannung durch den Vorspannungsring bewirkt, daß eine Plastifizierung, Ermüdung oder ein Bruch der Matrize aufgrund eines inneren Überdrucks vermieden wird.

Zum Fließpressen von Werkstücken verwendete Matrizen sind jedoch häufig im Querschnitt und Axialschnitt mehreckig, d. h. sie haben einen Übergang von einer zu der anderen zweier zusammenlaufender Innenflächen der Matrize, die einen Winkel von weniger als 180° einschließen. Im Bereich dieser Übergänge können aufgrund von Kerbwirkungen und der wiederholten zyklischen Belastung sehr hohe Zugspannun­ gen auftreten, die die Fließspannung des Matrizenmaterials überschreiten, oder Risse und Ermüdungsbrüche auftreten.

Die Lebensdauer eines derartigen Formwerkzeugs ist dement­ sprechend gering. Es ist daher auch bekannt (US-PS 3 810 382), die unter Vorspannung eines Bandwickels stehende Matrize aus mehreren Einzelteilen zusammenzusetzen. Eine solche Lösung ist aber kostspielig.

Auch in einem Bereich der Matrize, in dem ihre radiale Druckbelastung bei der Verformung des Werkstücks von einem niedrigen Wert, zumeist dem Wert null, sprungartig auf einen hohen Wert übergeht, beispielsweise etwa in Höhe der von einem Preßstempel beaufschlagten Stirnfläche eines in der Matrize angeordneten Werkstücks, bei der Berührung des Randes dieser Stirnfläche mit der Innenseite der Matri­ ze, selbst wenn die Innenseite zylindrisch ist, können solche Risse und Ermüdungsbrüche auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formwerkzeug der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das bei Verwen­ dung einer einteiligen Matrize an Übergängen der genannten Art höher belastet werden kann, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung der Matrize besteht.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Vorspannungsring so ausgebildet ist, daß die durch ihn auf die Matrize ausgeübte radiale Vorspannung im Bereich eines Übergangs von einer zu der anderen zweier zusammen­ laufender Innenflächen der Matrize, die einen Innenwinkel von weniger als 180° einschließen, und/oder im Bereich eines sprungartigen Übergangs des durch das Werkstück bei dessen Verformung radial auf die Matrize ausgeübten Drucks von einem niedrigen auf einen hohen Wert kleiner als in den dem Übergang benachbarten Bereichen ist.

Bei dieser Lösung ergibt sich eine Biegungsvorspannung um die Übergänge herum. Dadurch wird Rißbildungen entgegen­ gewirkt.

Bei zylindrischer Matrize bzw. zylindrischem Vorspannungs­ ring kann die Verbindung der beiden durch thermisches Auf­ schrumpfen erfolgen, indem der Vorspannungsring erwärmt oder die Matrize abgekühlt und dann der Vorspannungsring auf die Matrize geschoben wird.

Vorzugsweise sind die Berührungsflächen von Vorspannungs­ ring und Matrize konisch. Dies erleichtert deren Verbindung durch axiales Zusammenpressen, so daß sich ein Preßsitz ergibt.

Vorzugsweise ist wenigstens die eine der beiden Berührungs­ flächen von Vorspannungsring und Matrize entsprechend einer gewünschten Vorspannungsverteilung bearbeitet. Statt des­ sen oder zusätzlich können die Materialeigenschaften von Matrize und/oder Vorspannungsring entsprechend einer ge­ wünschten Vorspannungsverteilung gewählt sein. Dies ermög­ licht eine optimale Anpassung der Radialkräfte im Bereich der Übergänge.

Mit herkömmlichen Schrumpfringen aus massivem Stahl ist es in der Praxis nicht möglich, eine radiale Vorspannungs­ verteilung mit einer Änderung von mehr als 10 bis 15% zu erreichen.

Durch eine Aufteilung des Vorspannungsrings in wenigstens zwei konzentrische Ringe läßt sich jedoch eine Vergrößerung dieser Werte erreichen. Wenigstens einer der Vorspannungs­ ringe kann daher von einer Bandarmierung umgeben sein. Dies verlängert die Lebensdauer des Vorspannungsrings. Darüber hinaus ergibt sich eine Verstärkung der gesamten Armierung von 50 bis 70%, und dementsprechend ist eine Erhöhung der Änderung der Vorspannungsverteilung möglich, so daß ihr maximaler Wert bei 75 bis 125% des minimalen Wertes liegen kann.

Sodann kann wenigstens die eine der beiden Berührungsflä­ chen von Vorspannungsring und Bandarmierung entsprechend der gewünschten Vorspannungsverteilung bearbeitet sein.

Ferner ist es möglich, die Innen- oder Außenseite eines Zwischenrohres, das zwischen Matrize und Vorspannungsring angeordnet ist, oder die am Zwischenrohr anliegende Außen­ seite der Matrize entsprechend der gewünschten Vorspan­ nungsverteilung zu bearbeiten. Dieses Zwischenrohr kann schädliche Auswirkungen auf die Matrize durch bei der Mon­ tage und im Betrieb auftretende hohe Kräfte verringern.

In allen Fällen können die Berührungsflächen feinstbearbei­ tet, z. B. geschliffen sein. Dies ermöglicht eine sehr ge­ naue Ausbildung der gewünschten Vorspannungsverteilung.

Sodann kann dafür gesorgt sein, daß der Vorspannungsring Bereiche mit abwechselnden Materialeigenschaften aufweist. Insbesondere kann der Vorspannungsring aus mehreren Ringen mit verschiedenen Materialsteifigkeiten und/oder verschie­ denen radialen Abmessungen bestehen. Auf diese Weise ist eine einfache Ausbildung der gewünschten Vorspannungsver­ teilung möglich.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand von Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung bei deren Anwendung auf Matrizen mit unter­ schiedlichen inneren Konturen in schematischer Dar­ stellung im Axialschnitt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs zur Erläuterung des Erfindungs­ gedankens, im Axialschnitt,

Fig. 5 bis 13 verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungs­ gemäßer Formwerkzeuge, im Axialschnitt und die

Fig. 14 bis 16 Abwicklungen verschiedener Berührungsflächen von Matrize und Vorspannungsring.

Das Formwerkzeug nach Fig. 1 enthält eine Matrize 1 in einem Vorspannungsring 2, wobei die Berührungsflächen von Matrize 1 und Vorspannungsring 2 konisch sind. Die Innen­ seite der Matrize 1 hat einen Übergang 3 in Form einer kreisförmigen Kante, an der eine erste kreiszylindrische Innenfläche 4 in eine konische zweite Innenfläche 5 über­ geht, wobei die beiden Innenflächen 4 und 5 einen Innen­ winkel von weniger als 180° einschließen. Die konische Innenfläche 5 geht sodann an einer weiteren Kante 6 in eine dritte kreiszylindrische Innenfläche 7 über, wobei die beiden Innenflächen 5 und 7 einen Innenwinkel von mehr als 180° einschließen. Matrize 1 und Vorspannungsring 2 haben konische Berührungsflächen mit gegensinnigem Konus­ winkel und sind im Preßsitz zusammengehalten.

Ein solches Formwerkzeug kann zum Formen eines konisch abgestuften Werkstücks oder eines zylindrischen Werkstücks mit einem dem Durchmesser der Innenfläche 7 entsprechenden Durchmesser durch Kalt-Fließpressen verwendet werden.

Das Formwerkzeug nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die innere Kontur der Matrize 1a als Vierkant ausgebildet ist, dessen Innenflä­ chen 8 an durch die Kanten gebildeten Übergängen 9 unter Innenwinkeln von 90° zusammenlaufen.

In die Matrize 1a eines derartigen Formwerkzeugs kann ein runder Rohling eingebracht werden, der durch Kolben von beiden Stirnseiten her zusammengepreßt wird. Auf diese Weise lassen sich mehrkantige Mutter-Teile herstellen, in denen ein Gewinde eingeschnitten wird.

Das Formwerkzeug nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 ebenfalls lediglich in der inneren Kontur der Matrize 1b. Hierbei ist der obere Teil der inneren Kontur sechskantig ausgebildet, dessen Innenflächen an den durch die Kanten gebildeten Übergängen 9 ebenfalls Innenwinkel von weniger als 180°, hier also 60°, einschließen, wobei die Übergänge 9 auch abgeflacht oder abgerundet sein kön­ nen. Mittels dieses Formwerkzeugs können Werkstücke in teilweise runder und sechseckiger Form durch Kalt-Fließ­ pressen hergestellt werden.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch das Grundprinzip der Erfindung bei dem Formwerkzeug nach Fig. 1. Danach ist der Vorspannungsring 2 so ausgebildet, daß die durch ihn auf die Matrize 1 ausgeübte radiale Vorspannung, darge­ stellt durch die Anordnung paralleler Pfeile, im Bereich des Übergangs 3 von der einen zur anderen der beiden zusam­ menlaufenden Innenflächen 4, 5 kleiner als in den dem Über­ gang benachbarten Bereichen ist. Dies ergibt eine Biegevor­ spannung, angedeutet durch die beiden krummlinigen Pfeile 11 und 12, um den Übergang 3 herum, so daß der kritische Querschnitt in einer mit dem Übergang 3 zusammenfallenden Ebene bei Ausübung des Innendrucks entlastet und somit einer Rißbildung aufgrund einer Kerbwirkung in diesem Be­ reich entgegengewirkt wird.

Wie diese unterschiedliche Verteilung der Vorspannung er­ reicht werden kann, wird nachstehend am Beispiel der Fig. 5 bis 13 erläutert.

Nach Fig. 5 ist in der an der konischen Außenfläche der Matrize 1 anliegenden konischen Innenfläche des Vorspan­ nungsrings 2 im Bereich des Übergangs 3 eine umlaufende Nut 13, z. B. durch Schleifen, eingearbeitet, deren radiale Tiefe in Höhe des Übergangs 3 bzw. in dessen Radialebene am größten ist und in axialer Richtung zu den Rändern der Nut 13 hin stetig ohne Übergang abnimmt. Der Vorspannungs­ ring 2 liegt daher im Bereich der Nut 13 mit weniger Ra­ dialdruck an der Matrize 1 an, so daß die von ihm auf die Matrize ausgeübte Vorspannung im Bereich der Nut 13 am kleinsten und außerhalb der Nut 13 am größten ist. Der Vorspannungsring 2 ist ferner von einer Bandarmierung 14 in Form eines Bandwickels aus Metallblech umgeben, der die Lebensdauer des Vorspannungsrings 2 verlängert. Auf diese Weise erreicht man eine 50 bis 70% stärkere Armie­ rung der Matrize 1, was einer Erhöhung der gewünschten Vorspannung entspricht, so daß der maximale Vorspannungs­ wert bei 75 bis 125% des minimalen Wertes liegt. Die Band­ armierung 14 ist ferner von einem Außenring 15 umgeben, der ein Gehäuse bildet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich von dem nach Fig. 5 lediglich dadurch, daß die Nut 13 nicht im Vorspannungsring 2, sondern in der Außenseite der Ma­ trize 1 eingearbeitet ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 unterscheidet sich von dem nach Fig. 6 im wesentlichen nur dadurch, daß zwi­ schen der Matrize 1 und dem Vorspannungsring 2 ein Zwi­ schenrohr 16 auf der Matrize 1 aufgeschrumpft ist, die aneinanderliegenden Flächen von Matrize 1 und Zwischenrohr 16 kreiszylindrisch sind und die Außenseite des Zwischen­ rohrs 16 den gleichen, aber gegensinnigen Konuswinkel wie die anliegende Innenfläche des Vorspannungsrings 2 aufweist und mit der Nut 13 versehen ist. Die Matrize 1 kann dement­ sprechend dünnwandiger ausgebildet sein.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 unterscheidet sich von dem nach Fig. 7 lediglich dadurch, daß die Nut 13 nicht auf der Außenseite, sondern auf der Innenseite des Zwi­ schenrohrs 16 ausgebildet ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 unterscheidet sich von dem nach den Fig. 7 und 8 lediglich dadurch, daß nicht das Zwischenrohr 16, sondern die Außenseite der Matrize 1 mit der Nut 13 versehen ist.

Die radiale Tiefe der Nut 13 beträgt bei allen Beispielen nur einige Hundertstel bis wenige Zehntel mm und ist in den Zeichnungen stark übertrieben dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 unterscheidet sich von dem nach Fig. 5 lediglich dadurch, daß der Vorspannungsring 2 aus drei axial nebeneinanderliegenden Bereichen 17, 18 und 19 mit abwechselnden Materialeigenschaften besteht, wobei die Bereiche 17 bis 19 durch getrennte Ringe gebildet sind, von denen die beiden äußeren 17 und 19 eine größere Steifigkeit oder Härte aufweisen als der mittlere Bereich 18. Auf diese Weise ergibt sich eine ähnliche Vor­ spannungsverteilung wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 unterscheidet sich von dem nach Fig. 5 lediglich dadurch, daß der Vorspan­ nungsring 2 aus einem radial inneren Bereich 20 und einem radial äußeren Bereich 21 besteht, die unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. So sind die Bereiche 20 und 21 als Ringe ausgebildet, von denen der radial innere Ring eine größere Materialsteifigkeit als der radial äuße­ re Ring aufweist, wobei die Berührungsflächen der Bereiche 20 und 21 im Querschnitt trapezförmig sind und die längere der beiden Parallelseiten des Trapezes radial außen liegt und das Trapez gleichschenklig ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 unterscheidet sich von dem nach Fig. 10 lediglich dadurch, daß der mittlere Bereich 18 einen geringeren, nur etwa halb so großen Außen­ durchmesser gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 aufweist und die Bandarmierung 14 in drei axial nebenein­ anderliegende Bandwickel 22, 23 und 24 unterteilt ist, von denen der mittlere Bandwickel 23 einen kleineren Innen­ durchmesser als die beiden äußeren Bandwickel 22, 24 auf­ weist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 unterscheidet sich von dem nach Fig. 10 lediglich dadurch, daß der Vorspan­ nungsring 2 fünf axial ineinander übergehende Bereiche 17, 18, 19, 24 und 26 aufweist, die abwechselnde Materialeigen­ schaften aufweisen. So sind die zwischen den axial äußeren Bereichen 17 und 19 einerseits und dem mittleren Bereich 18 liegenden Zwischenbereiche 25 und 26 steifer oder här­ ter als der mittlere Bereich 18, aber weniger steif als die äußeren Bereiche 17 und 19.

Fig. 14 veranschaulicht die Abwicklung der Innenfläche eines Vorspannungsrings 2, wie er im Falle des Ausführungs­ beispiels nach Fig. 3 vorgesehen sein kann, in Form eines Diagramms in kartesischen Koordinaten, wobei mit Δr die Abweichung der Oberfläche von einer kreiszylindrischen Fläche in radialer Richtung nach außen, mit z die Axial­ richtung des Vorspannungsrings 2 und mit ϕ die Umfangsrich­ tung bezeichnet ist. Wie man sieht, hat der Vorspannungs­ ring 2 auf seiner radial inneren Oberfläche Vertiefungen 27 (die wegen der Richtung von Δr als Erhebungen oder Vor­ sprünge dargestellt sind), die jeweils einer der Ecken der Matrize 1b im Schnittpunkt der Übergänge 9 und 10 zu­ gekehrt sind, wobei von den im Falle der Matrize 1b insge­ samt acht vorgesehenen Vertiefungen 27 nur zwei dargestellt sind. Die als "Täler" dargestellten Flächen zwischen den Vertiefungen 27 sind dagegen den Übergängen 9 der Matrize 1b zugekehrt.

Die in Fig. 15 abgewickelt dargestellte Oberfläche ent­ spricht der radial inneren Oberfläche des Vorspannungsrings 2 nach Fig. 5, wobei die Nut 13 (wegen des Vorzeichens von Δr) als Erhebung dargestellt ist.

Die in Fig. 16 dargestellte Oberfläche der Innenseite des Vorspannungsrings 2 entspricht einer Ausbildung der Matrize 1a nach Fig. 2, wobei jedem Übergang 9 eine sich axial in z-Richtung erstreckende Vertiefung 28 (wieder dargestellt als wellenförmige Erhebung) jeweils einem der Übergänge 9 zugeordnet ist. Das heißt, es sind insgesamt vier Vertie­ fungen im Falle eines Innen-Vierkants der Matrize 1a vorge­ sehen, jedoch nur zwei dargestellt.

Es versteht sich, daß die Oberflächendarstellung nach Fig. 15 beispielsweise auch für die Matrize 1 nach Fig. 6 gilt, wenn man in Fig. 15 die Richtung von Δr umkehrt.

Claims (11)

1. Formwerkzeug mit einer Matrize (1; 1a; 1b) und einem die Matrize umgebenden Vorspannungsring (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) so ausge­ bildet ist, daß die durch ihn auf die Matrize (1; 1a; 1b) ausgeübte radiale Vorspannung im Bereich eines Über­ gangs (3; 9; 10) von einer zu der anderen zweier zusam­ menlaufender Innenflächen (4, 5; 8; 5, 8) der Matrize (1; 1a; 1b), die einen Innenwinkel von weniger als 180° einschließen, und/oder im Bereich eines sprungartigen Übergangs des durch das Werkstück bei dessen Verformung radial auf die Matrize ausgeübten Drucks von einem nied­ rigen auf einen hohen Wert kleiner als in den dem Über­ gang benachbarten Bereichen ist.

2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen von Vorspannungsring (2) und Matrize (1; 1a; 1b) konisch sind.

3. Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens die eine der beiden Berührungs­ flächen von Vorspannungsring (2) und Matrize (1; 1a; 1b) entsprechend einer gewünschten Vorspannungsvertei­ lung bearbeitet ist.

4. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialeigenschaften von Ma­ trize (1; 1a; 1b) und/oder Vorspannungsring (2) entspre­ chend einer gewünschten Vorspannungsverteilung gewählt sind.

5. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) aus wenig­ stens zwei konzentrischen Ringen besteht.

6. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) von einer Bandarmierung (14) umgeben ist.

7. Formwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die eine der beiden Berührungsflächen von Vorspannungsring (2) und Bandarmierung (14) entspre­ chend der gewünschten Vorspannungsverteilung bearbeitet ist.

8. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- oder Außenseite eines Zwischenrohres (16), das zwischen Matrize (1) und Vor­ spannungsring (2) angeordnet ist, oder die am Zwischen­ rohr (16) anliegende Außenseite der Matrize (1) entspre­ chend der gewünschten Vorspannungsverteilung bearbeitet ist.

9. Formwerkzeug nach Anspruch 3, 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Berührungsfläche feinstbearbeitet ist.

10. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) Bereiche (17-18; 20, 21; 17-18, 25, 26) mit abwechselnden Mate­ rialeigenschaften aufweist.

11. Formwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungsring (2) aus mehreren Ringen (17-18) mit verschiedenen Materialsteifigkeiten und/oder verschiedenen radialen Abmessungen besteht.