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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strangpresswerkzeug für die Verwendung beim Strangpressen von metallischen Materialien und insbesondere ein Werkzeug, das für den Einsatz beim Strangpressen von Aluminium geeignet ist.
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Beim Strangpressen von Aluminium ist es wichtig, zu gewährleisten, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Aluminiums durch das Strangpresswerkzeug über das Werkzeug gleichmäßig ist. Dies wurde in der Vergangenheit durch Verwenden eines Werkzeugs mit einem Werkzeughohlraum mit einer begrenzten Führungslänge sowie durch Variieren der Führungslänge über das Werkzeug erzielt. Es wurde jedoch beobachtet, dass der Strangpressling zuweilen Oberflächenunvollkommenheiten aufweist, die aus dem Eingriff zwischen der Führungsfläche und dem stranggepressten Aluminium resultieren. Anstatt die Führungsfläche unterhalb des Eintritts in den Werkzeughohlraum vorzusehen, ist es bekannt, ein sogenanntes führungsfreies Werkzeug bereitzustellen und eine Kammer oberhalb des Werkzeughohlraums von variierender Führungslänge bereitzustellen, um die Strangpressgeschwindigkeit über das Werkzeug zu regulieren. Der Begriff der Führungsfreiheit legt zwar den Schluss nahe, dass der Werkzeughohlraum eine Führungslänge von null hat, aber in der Praxis wird der Werkzeughohlraum wahrscheinlich eine finite, aber sehr geringe Führungslänge haben.
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Ein weiteres beim Strangpressen von Aluminium aufgetretenes Problem ist, dass dort, wo beispielsweise ein U-Profil stranggepresst wird, die Seiten der U-Form zum Durchbiegen neigen, so dass, wenn das Werkzeug so gestaltet ist, dass es einen Werkzeughohlraum aufweist, in dem die Teile davon, die die Seiten des U bilden, parallel zueinander sind, die Seiten eines mit dem Werkzeug stranggepressten Elements eher schräg als parallel zueinander verlaufen. Um einen solchen Schräglauf zu korrigieren, ist es bekannt, eine oberhalb des Werkzeughohlraums positionierte Vorkammer vorzusehen, wobei die Vorkammer eine größere Breite als der Teil des Werkzeughohlraums unmittelbar daneben hat, wobei die Vorkammer lateral relativ zum Werkzeughohlraum versetzt ist. Eine solche Technik hat zur Folge, dass eine Seitenlast auf das stranggepresste Metall aufgebracht wird. Ein seitliches Versetzen der Vorkammer vom Werkzeughohlraum kann zwar unter bestimmten Umständen einen Schräglauf korrigieren, aber die Anwendungsmöglichkeiten sind begrenzt und es kann möglicherweise nicht genügend Kraft aufgebracht werden, um einen Schräglauf beispielsweise bei Strangpresslingen von relativ geringer Wanddicke zu korrigieren. Ähnliche Probleme treten auf, wenn Hohlelemente mit einem Werkzeug stranggepresst werden sollen, das eine Patrize und eine Matrize aufweist.
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Die
WO 99/65622 , die die Grundlage für den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet, beschreibt eine Anordnung, bei der eine Seite eines Werkzeughohlraums eine gegenüber einer Wand angeordnete Vorderkante aufweist, so dass bei einer Durchbiegung des Werkzeugs die Vorderkante gegenüber der Wand bleibt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Strangpresswerkzeug gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Es wurde beobachtet, dass bei früheren Anordnungen die Größe der Last, die auf das stranggepresste Metall und somit auf das Werkzeug wirkt, ausreicht, um zu verursachen, dass sich die Patrize relativ zu der Matrize durchbiegt. Wenn das Werkzeug führungsfrei ist, dann führt ein solches Durchbiegen dazu, dass die Vorderkanten des Werkzeughohlraums in Extrusionsrichtung voneinander beabstandet werden. Eine solche Beabstandung hat zur Folge, dass das stranggepresste Metall Seitenlasten erfährt, und dies kann einen Schräglauf wie oben beschrieben zur Folge haben. Indem das Werkzeug so konstruiert wird, dass die Vorderkanten im Ruhezustand nicht koplanar sind, kann dieser Effekt reduziert werden, da das Werkzeug so angeordnet werden kann, dass die Vorderkanten koplanar oder im Wesentlichen koplanar werden, wenn es beim Gebrauch zu einem Durchbiegen kommt. Es ist zwar praktisch, wenn die Vorderkanten koplanar werden, aber die Vorteile der Erfindung ergeben sich auch dann, wenn, über das gesamte Werkzeug, die Vorderkante eines Teils auf einer Seite des Hohlraums mit seinem Teil auf der anderen Seite des Hohlraums fluchtet.
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Es wird angemerkt, dass sich im Allgemeinen sowohl die Patrize als auch die Matrize durchbiegen und dass es Ziel der Erfindung ist, die relative Durchbiegung zwischen diesen Teilen zu kompensieren.
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Die vorliegende Beschreibung bezieht sich zwar auf Durchbiegung, aber es ist klar, dass es aufgrund der Einwirkung von Lasten auch zu einer Kompression des Materials des Werkzeugs beim Gebrauch kommen kann und dass die Erfindung auch zur Überwindung von Nachteilen in Verbindung mit einer Fehlausrichtung von Führungen eingesetzt werden kann, die beim Gebrauch durch eine solche Kompression verursacht wird.
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Der Werkzeughohlraum ist vorzugsweise so gestaltet, dass seine Breite von einem Minimum benachbart zu seinen Vorderkanten aus zunimmt. Eine solche Anordnung wird nachfolgend als führungsfreies Werkzeug bezeichnet.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei führungsfreien Werkzeugen, da eine relativ geringe Menge an Durchbiegung eine völlige Fehlausrichtung der Führungen solcher Werkzeuge verursacht. Bei nicht führungsfreien Werkzeugen ist es selbst dann, wenn es zu Durchbiegung kommt, wahrscheinlich, dass ein Teil jeder Führungsfläche weiter mit einem Teil der gegenüberliegenden Führungsfläche fluchtet.
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Die Patrize des Hohlraums kann die Form eines Zungenabschnitts haben. Bei einer solchen Ausgestaltung wird das Werkzeug zum Bilden eines Strangpresslings verwendet, bei dem wenigstens ein längliches U eine beliebige Querschnittsform hat.
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Der Werkzeughohlraum kann so gestaltet werden, dass er wenigstens einen weiteren Zungenabschnitt definiert. Der Werkzeugkörper kann wenigstens einen weiteren Werkzeughohlraum definieren.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann das Werkzeug so ausgelegt werden, dass es einen Strangpressling mit einer hohlen Form erzeugt, wobei die Patrize in eine in der Matrize ausgebildete Öffnung hineinragt.
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Die Erfindung wird beispielhaft mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines stranggepressten Aluminiumelements;
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2 eine Teilansicht eines Werkzeugs, das beim Strangpressen des Elements von 1 zum Einsatz kommt;
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3 eine Vergrößerung des Teils aus 2;
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4 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 4-4 aus 3;
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5 eine Ansicht ähnlich 4, die eine alternative Ausgestaltung veranschaulicht;
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6 eine Ansicht ähnlich 2, die ein alternatives Werkzeug veranschaulicht;
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7 eine schematische Ansicht, die einen der Werkzeughohlräume des Werkzeugs aus 6 veranschaulicht;
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8 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 8-8 der 7;
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9 eine Ansicht ähnlich 6, die ein weiteres alternatives Werkzeug veranschaulicht;
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10 eine schematische Schnittansicht, die ein alternatives Werkzeug veranschaulicht; und
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11 eine Draufsicht, die das Werkzeug aus 10 veranschaulicht; und
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12 eine schematische Ansicht, die einen Teil eines Verfahrens zur Anwendung bei der Herstellung der Werkzeuge der 1 bis 11 veranschaulicht.
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Mit Bezug auf die 1 bis 4, zeigt 1 ein stranggepresstes Aluminiumelement 10 mit einer relativ komplexen Form. Das Element 10 weist mehrere Regionen auf, die als U-förmige Regionen 12 angesehen werden können, mit Schenkeln 14, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die in 1 gezeigten, mehrere der U-förmigen Regionen 12 bildenden Schenkelpaare 14 sind in der Zeichnung mit den Bezugszeichen 14a, 14b und 14c bezeichnet.
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2 veranschaulicht einen Teil des Werkzeugkörpers 16 eines Strangpresswerkzeugs für die Verwendung bei der Herstellung des Elements 10. Der Werkzeugkörper 16 ist mit Öffnungen versehen, die ein Paar Werkzeughohlräume 18 definieren, wobei jeder Werkzeughohlraum 18 für die Verwendung bei der Herstellung des Elements 10 ausgelegt ist. 3 veranschaulicht einen der Werkzeughohlräume 18 ausführlicher.
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Wie in 3 veranschaulicht, weist jeder Werkzeughohlraum 18 eine Öffnung auf, die so gestaltet ist, dass sie im Wesentlichen der Querschnittsgestalt des strangzupressenden Elements 10 entspricht. Die Breite des Hohlraums 18 nimmt von einem Minimum benachbart zu den Vorderkanten 18a, 18b des Hohlraums 18 aus zu (siehe 4). Somit ist das Werkzeug vom führungsfreien Typ.
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Die Frontfläche des Werkzeugkörpers 16 hat eine im Wesentlichen planare Form und ist mit einer Aussparung 20 versehen, die mit dem Hohlraum 18 fluchtet und im Wesentlichen die gleiche Form hat wie dieser, jedoch breiter ist. Eine zusätzliche Aussparung 22 (siehe 4) ist in der Basis der Aussparung 20 ausgebildet, wobei die Aussparung 22 wiederum die gleiche allgemeine Form hat wie der Werkzeughohlraum 18, jedoch breiter ist. Wie in 4 veranschaulicht, werden die Vorderkanten 18a, 18b des Werkzeughohlraums 18 am Schnittpunkt zwischen dem Werkzeughohlraum 18 und der Aussparung 22 definiert.
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Wie am besten in 3 zu sehen ist, hat der Teil des Werkzeugkörpers 16, der sich zwischen den Teilen des Werkzeughohlraums 18 befindet, die im Gebrauch die einzelnen Schenkelpaare 14 bilden, die Form eines Zungenabschnitts 24, der in einer entsprechend geformten Matrize 26 des Werkzeugkörpers 16 aufgenommen wird. Beim Gebrauch neigt die Beaufschlagung einer Last auf das strangzupressende Material dazu, zu bewirken, dass sich die Zungenabschnitte 24 relativ zu den Matrizen 26 durchbiegen. Um das Risiko eines solchen Durchbiegens zu reduzieren, das einen Schräglauf der Schenkel 14 des Elements 10 verursachen würde, oder um das Ausmaß eines solchen Schräglaufs zu reduzieren, wird das Werkzeug so hergestellt, dass, wenn das Werkzeug nicht im Gebrauch ist, die Vorderkanten 18a des durch Teile der Zungenabschnitte 24 definierten Werkzeughohlraums 18 nicht mit denjenigen koplanar sind, die von Teilen der Matrizen 26 definiert werden, sondern stattdessen so positioniert sind, dass die Durchbiegung der Zungenabschnitte 24 (in die in 4 durch gestrichelte Linien gezeigte Position) die Vorderkanten 18a in Verbindung damit näher an die Ebene heranbringt, die die Vorderkanten 18b in Verbindung mit den Matrizen 26 enthält, und vorzugsweise in die gleiche Ebene. Indem gewährleistet wird, dass die Vorderkanten 18a, 18b beim Gebrauch im Wesentlichen koplanar sind, kann die Beaufschlagung des stranggepressten Materials mit Seitenlasten und somit ein Schräglauf der Schenkel 14 reduziert werden.
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In der Ausführungsform der 1 bis 4 hat die Aussparung 22 keine gleichmäßige Tiefe, sondern beinhaltet stattdessen, wie in 4 gezeigt, Regionen 22a von relativ geringer Tiefe auf einer Seite des Werkzeughohlraums 18 und Regionen 22b von größerer Tiefe auf der anderen Seite des Werkzeughohlraums 18. Die Regionen 22a sind an den Zungenabschnitten 24 vorgesehen und die Tiefen der Regionen 22a, 22b sind so gewählt, dass gewährleistet ist, dass, wenn die Zungenabschnitte 24 ihre durchgebogenen Positionen beim Gebrauch einnehmen, die Vorderkanten 18a, 18b im Wesentlichen koplanar sind.
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Falls gewünscht, kann die Aussparung 22 seitlich von der Öffnung des Werkzeughohlraums 18 in einigen Teilen des Werkzeugs versetzt sein, wobei ein solcher lateraler Versatz auch zur Folge hat, dass das stranggepresste Metall mit Seitenlasten beaufschlagt wird, um einen Schräglauf der Schenkel 14 auf herkömmliche Weise zu korrigieren. Diese Technik kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn die Menge an Schräglauf der Schenkel 14 relativ gering ist und mit dieser Technik relativ leicht korrigiert werden kann oder wenn die Bereitstellung von Teilen der Aussparung 22 mit unterschiedlicher Tiefe nicht praktisch ist oder wenn es nicht praktisch ist, einen Schräglauf mit dieser Technik vollständig zu korrigieren.
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Gemäß der obigen Beschreibung werden die Vorderkanten des Werkzeughohlraums beim Gebrauch zwar koplanar oder im Wesentlichen koplanar, aber dies braucht nicht unbedingt der Fall zu sein. Um den Vorteil der Erfindung zu erzielen, brauchen lediglich beim Gebrauch die Vorderkanten auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeughohlraums miteinander zu fluchten oder im Wesentlichen miteinander zu fluchten. Die Ebene, in der die Vorderkanten von einem Teil des Werkzeugs miteinander fluchten, braucht nicht dieselbe zu sein wie die, in der die Vorderkanten anderer Teile des Werkzeughohlraums miteinander fluchten.
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5 veranschaulicht eine Alternative zu der Ausführungsform der 1 bis 4. In der Anordnung der 5 wird keine Aussparung 22 verwendet, damit die Vorderkanten 18a, 18b nicht koplanar sind, sondern hat die Frontfläche des Werkzeugkörpers 16 keine planare Form und ist stattdessen so gestaltet, dass beispielsweise die Frontfläche der die Zungenabschnitte 24 definierenden Teile des Werkzeugkörpers 16 relativ zu den die Außenteile 26 definierenden Teilen erhaben sind.
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Es wird angemerkt, dass in beiden oben beschriebenen Anordnungen der Abstand der Vorderkanten 18a, 18b in Extrusionsrichtung gleichmäßig und kontinuierlich über die Fläche des Werkzeugs variiert, z. B. von einem Maximum an den Spitzen der Zungenabschnitte 24 zu einem Minimum an den Enden entfernt davon.
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Die Aussparung 22 in den oben beschriebenen Anordnungen hat zwar eine Form mit flachem Boden, aber sie könnte, falls gewünscht, auch eine abgewinkelte Form haben. Eine Durchflussregelungsvorkammer von variierender Führungslänge oder -form kann bei Bedarf oberhalb des Werkzeughohlraums vorgesehen sein, um zu gewährleisten, dass die Extrusionsgeschwindigkeit über das Werkzeug im Wesentlichen gleichmäßig ist. Alternativ kann eine Führungsfläche von veränderlicher Führungslänge unterhalb der Vorderkanten 18a, 18b des Werkzeughohlraums vorgesehen werden, um diese Wirkung zu erzielen. Ferner wird man verstehen, dass die Zungenabschnitte 24 in der obigen Beschreibung zwar eine parallele Seitenform haben, aber dass dies nicht der Fall zu sein braucht und dass die Erfindung auch auf Werkzeuge mit Zungenabschnitten einer beliebigen Form anwendbar ist, z. B. einer gekrümmten Form oder mit V-förmigem Querschnitt. Mehrere V-förmige Zungenabschnitte sind in 3 veranschaulicht und mit der Bezugsziffer 28 bezeichnet.
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Die Entfernungen, über die sich die Zungenabschnitte durchbiegen, und somit die Entfernungen, über die die Vorderkanten des Werkzeughohlraums im Ruhezustand beabstandet sein sollten, sind sehr klein. 6 veranschaulicht ein Werkzeug mit vier darin ausgebildeten Werkzeughohlräumen 18, jeweils mit mehreren Zungenabschnitten 24 und entsprechenden Matrizen 26. 7 ist eine Ansicht, in einem vergrößerten Maßstab, von einem der in 6 gezeigten Hohlräume 18. In 7 ist der schraffierte Bereich der Werkzeughohlraum 18. Eine Aussparung 22 ist um einen Teil des Werkzeughohlraums 18 herum ausgebildet und infolgedessen liegen die Vorderkanten 18a der Teile des von den Zungenabschnitten 24 definierten Hohlraums in einer Ebene und die von den Matrizen 26 definierten Vorderkanten 18b liegen außerhalb dieser Ebene. Die Aussparung 22 ist nur an den Matrizen 26 ausgebildet und hat keine gleichmäßige Tiefe. Die Tiefe der Aussparung 22 an verschiedenen Stellen ist in der Zeichnung markiert. Ferner hat die Aussparung 22 keine Form mit flachem Boden, sondern eher eine wie in 8 gezeigte abgewinkelte Form.
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9 veranschaulicht ein Werkzeug zum Herstellen eines Elements mit einem alternativen Querschnitt, wobei das Werkzeug zwei Werkzeughohlräume aufweist. Die Last, die der Werkzeugkörper erfährt, ist nicht gleichmäßig, sondern variiert je nach dem Abstand vom Rand des Werkzeugkörpers. Infolgedessen biegt sich ein Zungenabschnitt, der sich nahe der Mitte des Werkzeugs befindet, um einen anderen Betrag als ein ähnlicher Zungenabschnitt, der sich in der Nähe des Randes des Werkzeugkörpers befindet. Der Abstand der Vorderkanten der Werkzeughohlräume im Ruhezustand ist entsprechend zu modifizieren, und 9 gibt den Abstand der Vorderkanten 18a, 18b an verschiedenen Stellen um die beiden Werkzeughohlräume 18 im Ruhezustand an.
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Ein Vergleich von 9 mit 2 macht deutlich, dass in 9 die beiden Hohlräume miteinander identisch sind, während sie in 2 Spiegelbilder voneinander sind. Es ist vorteilhaft, identische Strangpresslinge zu erzeugen, da unmittelbar nach dem Strangpressen eventuell durchgeführte Bearbeitungsvorgänge vereinfacht werden können. Die Technik der vorliegenden Erfindung lässt es zu, dass Werkzeuge, die mehrere Hohlräume beinhalten, so angeordnet sind, dass sie identische Strangpresslinge erzeugen, die sich relativ leicht herstellen lassen. In 9 sind die Kammern 22 so bemessen, dass gewährleistet wird, dass den beiden Werkzeughohlräumen 18 die richtigen Anteile an strangzupressendem Metall zugeführt werden.
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Die in den 10 und 1 veranschaulichte Anordnung unterscheidet sich von den oben beschriebenen und veranschaulichten dadurch, dass sie für die Verwendung beim Strangpressen von Hohlelementen gedacht ist. Das Werkzeug umfasst eine Matrize 30, die eine Mehrzahl von Öffnungen definiert. Jede Öffnung nimmt einen Teil einer Patrize 32 auf. Die Matrize und die Patrize 30, 32 definieren Werkzeughohlräume 18 zwischeneinander. Jeder Werkzeughohlraum 18 hat eine führungsfreie Form und beinhaltet Vorderkanten 18a, die von der Matrize und der Patrize 30, 32 definiert werden. Die Patrize 32 biegt sich im Gebrauch relativ zu der Matrize 30 durch, wie oben beschrieben wurde. Ein solches Durchbiegen würde bei einer typischen Anordnung zu einer Fehlausrichtung der Vorderkanten 18a, 18b führen. Gemäß der Erfindung ist das Werkzeug so ausgelegt, dass die von der Patrize 32 definierten Vorderkanten 18a im Ruhezustand von denen beabstandet sind, die von der Matrize 30 in Extrusionsrichtung definiert werden, und so, dass im Gebrauch das Durchbiegen der Patrize 32 zu einer Reduzierung des Abstands der Vorderkanten 18a, 18b führt, wodurch z. B. die Neigung verringert wird, dass ein Strangpressling mit kreisförmigem Querschnitt elliptisch wird. Die Beabstandung der Vorderkanten 18a, 18b wird in Extrusionsrichtung beim Gebrauch vorzugsweise auf null reduziert, aber eine Reduzierung des Abstands auf einen sehr geringen Betrag kann unter einigen Umständen akzeptabel sein.
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Um ein Strangpresswerkzeug gemäß der Erfindung herzustellen, muss ermittelt werden, um wie viel sich jeder Teil des Werkzeugs beim Gebrauch durchbiegen wird. Nach dem Ermitteln des Durchbiegens kann das Werkzeug so konstruiert werden, dass gewährleistet wird, dass die Vorderkante im durchgebogenen Gebrauchszustand auf einer Seite des Werkzeughohlraums mit dem auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraums für alle Teile des Werkzeugs fluchtet oder im Wesentlichen fluchtet.
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Das Ermitteln des Betrags an Durchbiegung kann mit einer Reihe verschiedener Techniken erzielt werden. So kann beispielsweise eine Fachperson nach eigenem Wissen und mit einem sinnvollen Genauigkeitsgrad ermitteln, zu wie viel Durchbiegung es wahrscheinlich kommen wird. In einer alternativen Technik kann ein Computermodell verwendet werden, um die Kräfte, die Teile eines Werkzeugs wahrscheinlich erfahren werden, und somit das wahrscheinliche Durchbiegen dieser Teile zu ermitteln. Das Modell verwendet praktischerweise einen Finite-Elemente-Analyseansatz. In einer anderen Technik kann auf ein Werkzeug mit einem Hohlraum und anderen Eigenschaften ähnlich denen des herzustellenden Werkzeugs eine Last aufgebracht werden und das Durchbiegen von Teilen davon kann gemessen werden.
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Nach dem Ermitteln des wahrscheinlichen Durchbiegens werden Aussparungen um den Werkzeughohlraum herum ausgebildet, wobei die Aussparungen so gestaltet werden und insbesondere die Tiefe der Aussparungen so reguliert wird, dass gewährleistet wird, dass die Vorderkanten im durchgebogenen Zustand ordnungsgemäß ausgerichtet sind. Das Ausbilden der Aussparungen wird praktischerweise mit einem Schleifverfahren erzielt. 12 zeigt eine Schleifscheibe 40 mit einer kegelstumpfförmigen Schleiffläche 42. Die Schleifscheibe 40 ist für das Drehen um eine Achse montiert, die in Bezug auf die beabsichtigte Extrusionsrichtung abgewinkelt ist, um eine Aussparung zu bilden, deren Basis um 10° zur Frontfläche des Werkzeugs abgewinkelt ist. Die Scheibe 40 hat geeigneterweise einen Durchmesser von etwa 15 mm.
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Um die Verschleißbeständigkeit des Werkzeugs zu verbessern, wird vorzugsweise auch ein Nitrierhärteprozess durchgeführt.
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Die Aussparung kann zwar wie oben beschrieben mit einer Schleiftechnik hergestellt werden, aber bei Bedarf können auch andere Techniken zum Einsatz kommen.
