EP1602473B1 - Vorrichtung zum Herstellen eines Pulverpresskörpers - Google Patents

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EP1602473B1
EP1602473B1 EP05009554A EP05009554A EP1602473B1 EP 1602473 B1 EP1602473 B1 EP 1602473B1 EP 05009554 A EP05009554 A EP 05009554A EP 05009554 A EP05009554 A EP 05009554A EP 1602473 B1 EP1602473 B1 EP 1602473B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
die
die sleeve
pressing
powder
spreading
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP05009554A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1602473A1 (de
Inventor
Matthias Holthausen
Rolf Vest
Sergei Gennadjewitsch Achtonow
Anatoli Franzewitsch Lossizki
Igor Wiktorowitsch Nozdrin
Nikolai Wassiljewitsch Rogin
Gennadi Sergejewitsch Tscheremnych
Wladimir Borrissowitsch Filippow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Meer GmbH
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/02—Dies; Inserts therefor; Mounting thereof; Moulds
    • B30B15/022—Moulds for compacting material in powder, granular of pasta form
    • B30B15/024—Moulds for compacting material in powder, granular of pasta form using elastic mould parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/02—Compacting only
    • B22F3/03—Press-moulding apparatus therefor

Definitions

  • the invention relates to a device for producing a molded part from powder, in particular from metal powder, comprising: a die consisting of a base body and a die sleeve inserted therein, wherein the die sleeve at least partially has a cylindrical contour which forms a molding surface for the molded part forms, and at least one ram, which can enter the defined by the cylindrical contour of the Matrizenhülse opening and can compact located in the space defined by the cylindrical contour powder.
  • a plurality of punches are used, which can move in an axial direction.
  • the stamps can be in an axial Submerge mold closed on one side or come from both axial directions in an axially open in both directions die. Occasionally, through mandrel rods are used, but have no compression function, but a positive displacement function.
  • the punches can also dip laterally into the die to create undercuts or other geometric shapes. To demould the molded part, these radially dipping punch are withdrawn so far that the demolding is not hindered.
  • the die usually consists of a die ring (matrix base body) and a die bushing or sleeve inserted therein with the workpiece contour. Since the stamping pressure is transferred from the powder to the die wall, the die expands during the pressing process. If, after completion of the pressing operation, the pressing dies are withdrawn again, the elastic, widened die presses the powder radially together. However, since the powder has already become a molded part (compact) whose properties are comparable to those of a solid, the shaped part of the spring back resists the matrix.
  • the resulting molded part gives way plastically. If the radial pressure of the die has reached the yield point corresponding to the current stress state, the plastic deflection ends; it remains an elastic tension between the compact and die.
  • the elastic tension causes high friction forces during removal of the molding from the die. These frictional forces lead to wear of the die and damage to the molding.
  • the size of the Springback depends on the flow limit of the molded part. When using the same powder mixture, the yield point increases with the level of pressing force. This results in a dependence of the geometry of the formed molded part of the maximum applied punching force. The Springback is bigger, the more elastic the die is. Because tungsten carbide has a significantly higher modulus of elasticity than steel, die liners made of tungsten carbide are therefore used to reduce the springback.
  • a lubricant is often added to the powder. Depending on the amount added, this lubricant influences the density of the molded part more or less adversely. As a result, in turn, the strength of the finished molded part is reduced. The more lubricant added, the lower the density and strength of the molding.
  • WO 02/32655 A1 From the WO 02/32655 A1 is a powder press tool is known, which is provided that it is formed in a Auspressabites so that the Auspresskanal supporting die walls are becoming increasingly thin. By thinning walls in this area, a gradually increasing compliance of the tool is achieved, whereby the demolding is to be facilitated.
  • a pressing device for powdery and granular material in which two matrices whose end faces include the contour of the molded part, by means of guides einsch manen an angle, wherein the surfaces of the end faces of the matrices when reaching the final contour of the molding directly close to each other.
  • segment matrices in which the contour of the molding is formed by a number of pressing segments, there is the great disadvantage that powder can penetrate between the individual segments, which leads to a frequent disturbance of the production process.
  • the invention is therefore in the light of the problems described above during pressing and demolding of the molded part from the die to further develop a device of the type mentioned above so that it is possible to facilitate the pressing and demolding process and thus overall the powder press process improve.
  • This object is achieved in that are arranged in a radially outwardly extending to the outer wall of the Matrizenhülse space means with which a radially inwardly directed force can be applied to the outer wall of the female sleeve, wherein the means at least one with an actuating element having movable expansion element, which can be spread directly or indirectly between a wall of the space in the main body of the die with radial surface normal and the outer wall of the die sleeve.
  • the at least one expansion element preferably has a plate spring-like basic shape. Since it does not depend on an axial spring property, which is even undesirable, but on the application of only a radially acting spreading force, is provided according to a development that the expansion element has a number of radially directed incisions over its circumference.
  • the incisions extend over 60% to 90% of the radial extent of the expansion element; However, they do not reach the radial outer or inner end of the expansion element.
  • the spreading force can be increased by arranging a number of spreading elements in the pressing direction of the pressing punch one above the other in the space. Then spacers can be arranged between two spreading elements.
  • the actuating element is preferably designed as a piston, which is arranged displaceably in the main body of the die in the pressing direction of the press ram.
  • the actuating element has on its side facing the expansion element at least one recess for the positive engagement of the radially outer end of the expansion element.
  • the releasability of the molded part can be improved by the fact that the molding surface of the die sleeve, which preferably consists of hard metal, has a slightly conically widening course in an axial direction in the unloaded state.
  • the molding surface of the die sleeve which preferably consists of hard metal, has a slightly conically widening course in an axial direction in the unloaded state.
  • a precisely cylindrical, non-conical shape of the molding surface of the sleeve is produced by the fact that the spreading elements generate corresponding radial forces.
  • the caliber of the matrix is set with reference to the theoretical Sinterschwundes sintering based on the finished size. In the case of deviations from the desired final dimension, post-processing after sintering may be necessary. This can be compensated with the device according to the invention by appropriate adjustment of the die sleeve by the radial expansion.
  • Fig. 1 schematically a device is shown, with which a metal powder 16 can be pressed into a molded part.
  • the device has a die 1, which consists of a hollow cylindrical body 2, in the coaxial with a die sleeve 3 is used. So that the die sleeve 3 is highly resistant to wear, it preferably consists of hard metal.
  • the die sleeve defines a cylindrical molding surface 4.
  • the metal powder 16 is introduced into the space formed by this molding surface.
  • a respective ram 5 are inserted into the respective openings of the die sleeve 3 and axially moved towards each other. In this case, a pressing force F P is exerted on the punches 5, so that the powder 16 is compressed.
  • FIG. 1 shows the general case of powder pressing is in Fig. 2 to see an embodiment of the concept.
  • the main body 2 of the die 1 has a recess which forms a space 7, which has the shape of a hollow cylinder.
  • This space 7 is bounded radially inwardly by the cylindrical outer wall 6 of the die sleeve 3. Radially outward, the space 7 is bounded by a cylindrical wall 11.
  • means 8 for generating a radially directed force F R are arranged, which consist of a piston 9 (actuator) formed as a hollow cylinder bears against the wall 11 and can be moved in the direction of the double arrow.
  • the means 8 a number of spreading elements 10, which are arranged in the sketched position between the radially inwardly directed wall of the piston 9 and the outer wall 6. Between the individual spreading elements are spacers 13 which hold the individual spreading elements 10 aligned parallel to each other.
  • the spreading elements 10 are - as viewed in the axial direction - fixed both on the outer wall 6 and on the radially inwardly directed surface of the piston 9.
  • this has here a shoulder 18 on which a first expansion element 10 rests; the other expansion elements are taken by the spacers 13 during movement of the piston 9.
  • Fig. 3 which is the detail "X" of Fig. 2 shows, the expansion element 10 on the piston 9 thereby fixed securely in the axial direction, that in the cylindrically shaped side 14 of the piston 9 recesses 15 (circumferential annular grooves) are incorporated.
  • the radially outer ends of the expansion elements 10 are used so that they are fixed axially relative to the piston 9. Analog arrangement of the expansion elements 10 on the outer wall 6 of the die sleeve 3 is possible.
  • the spreading elements 10 have a contour corresponding to that of a plate spring, as in the synopsis of Figures 2 and 4 shows, where Fig. 4 the view "A" according to Fig. 2 shows. This figure is shown again as the expansion element 10 is positioned between the piston 9 and die sleeve 3.
  • radial radially directed cuts 12 are incorporated into the spreading elements 10. Of these, a number is arranged distributed equidistantly over the circumference of the spreading elements 10.
  • the die or the die sleeve 3 has material properties that are characterized by a high compressive elasticity and a high hardness, at least on the radially inner side of the sleeve.
  • the pressing of the molding from the powder 16 is carried out by pressing the ram 5 in the die sleeve 3.
  • the piston 9 is simultaneously acted upon by hydraulic fluid with a pressure p, so that the die sleeve 3 is radially compressed via the spreading elements 10.
  • the powder 16 is compressed not only from the axial direction but also from the radial direction, resulting in improved properties of the molded article.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Press-Shaping Or Shaping Using Conveyers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formteils aus Pulver, insbesondere aus Metallpulver, die aufweist: eine Matrize, die aus einem Grundkörper und einer in diesen eingesetzten Matrizenhülse besteht, wobei die Matrizenhülse zumindest abschnittsweise eine zylindrische Kontur aufweist, die eine Formfläche für das Formteil bildet, und mindestens einen Pressstempel, der in die durch die zylindrische Kontur der Matrizenhülse definierte Öffnung eintreten und sich im durch die zylindrische Kontur definierten Raum befindliches Pulver verdichten kann.
  • Mit Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art ist es möglich, Formteile aus Metallpulver durch Pressen und anschließendes Sintern herzustellen. Bekannt ist es, für das Pressen von pulverförmigem Werkstoff stempelartige Werkzeuge einzusetzen, die in eine Matrize eingebrachtes Pulver durch eine axiale Pressbewegung komprimieren. Hierzu ist zumindest ein Pressstempel erforderlich, der in die Matrize eindringt. In diesem Falle besitzt die Matrize einen Hohlraum, der zur Stempelseite hin geöffnet ist. Die Matrizenöffnung wird - bis auf ein geringfügiges Spiel - vom Stempel geschlossen. Der Stempel baut durch sein Eindringen in den Matrizenhohlraum den zur Verdichtung notwendigen Druck auf.
  • Es kann auch vorgesehen werden, dass mehrere Stempel eingesetzt werden, die sich in eine Achsrichtung bewegen können. Die Stempel können dabei in eine axial einseitig geschlossene Matrize eintauchen oder bei einer axial in beiden Richtungen offenen Matrize aus beiden axialen Richtungen kommen. Gelegentlich werden auch durchgehende Dornstangen eingesetzt, die aber keine Verdichtungsfunktion, sondern eine Verdrängerfunktion haben. Die Stempel können auch seitlich in die Matrize eintauchen, um Hinterschneidungen oder sonstige geometrische Ausprägungen zu erzeugen. Zur Entformung des Formteils werden diese radial eintauchenden Stempel so weit zurückgezogen, dass die Entformung nicht behindert wird.
  • Üblicherweise besteht die Matrize aus einem Matrizenring (Matrizengrundkörper) und einer darin eingesetzten Matrizenbuchse bzw. -hülse mit der Werkstückkontur. Da der Stempeldruck vom Pulver auf die Matrizenwand übertragen wird, weitet sich die Matrize beim Pressvorgang auf. Werden nach Abschluss des Pressvorgangs die Pressstempel wieder zurückgezogen, drückt die elastische, aufgeweitete Matrize das Pulver radial zusammen. Da das Pulver jetzt aber bereits zu einem Formteil (Pressling) geworden ist, dessen Eigenschaften mit denen eines Festkörpers vergleichbar sind, setzt das Formteil der Zurückfederung der Matrize einen Widerstand entgegen.
  • Zunächst weicht das entstandene Formteil plastisch aus. Hat der radiale Druck der Matrize die dem aktuellen Spannungszustand entsprechende Fließgrenze erreicht, endet das plastische Ausweichen; es bleibt eine elastische Verspannung zwischen Pressling und Matrize erhalten.
  • Die elastische Verspannung bewirkt hohe Reibkräfte beim Entformen des Formteils aus der Matrize. Diese Reibkräfte führen zum Verschleiß der Matrize und zu Schädigungen des Formteils.
  • Der Unterschiedsbetrag zwischen dem Durchmesser des entformten Formteils und der Matrize wird als "radialer Springback" bezeichnet.
  • Die Größe des Springbacks ist abhängig von der Fließgrenze des Formteils. Bei der Verwendung der gleichen Pulvermischung wächst die Fließgrenze mit der Höhe der Presskraft. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit der Geometrie des ausgeformten Formteils von der maximal angewendeten Stempelkraft. Der Springback ist umso größer, je elastischer die Matrize ist. Weil Hartmetall einen deutlich höheren Elastizitätsmodul als Stahl hat, werden zur Verkleinerung des Springbacks daher Matrizenbuchsen aus Hartmetall eingesetzt.
  • Besonders problematisch sind dabei länglich ausgebildete Formteile. Im Zusammenhang mit der zumeist kreisförmigen Matrize wirken Biegekräfte. Dadurch ist die elastische Auffederung in der Mitte des Formteils größer als an den beiden Enden.
  • Durch das axiale Pressen bildet sich ein mehrachsiger Spannungszustand aus. Zwischen der Höhe der radialen Spannungen und der Höhe der axialen Spannungen besteht ein erheblicher Unterschied. Die genaue Beschreibung dieses Spannungszustands erfordert u. a. die Berücksichtigung der inneren Reibung des Pulvers und der Reibung an den Matrizenwänden. Daher ist eine exakte Aussage über die tatsächlichen Verhältnisse in dem unter Druck stehenden Werkzeug sehr schwierig. Zur vereinfachten Beurteilung stehen jedoch empirisch ermittelte Diagramme zur Verfügung.
  • Zur Erleichterung der Entformung des Formteils aus der Matrize wird häufig dem Pulver ein Schmiermittel zugegeben. Dieses Schmiermittel beeinflusst in Abhängigkeit der Zugabemenge die Dichte des Formteils mehr oder weniger nachteilig. Hierdurch ist wiederum die Festigkeit des fertigen Formteils herabgesetzt. Je mehr Schmiermittel zugegeben wird, desto geringer ist die Dichte und die Festigkeit des Formteils.
  • Es ist daher grundsätzlich anzustreben, den Schmiermittelanteil so gering wie möglich zu halten, trotzdem jedoch eine gute Entformung sicherzustellen.
  • Aus der WO 02/32655 A1 ist ein Pulverpress-Werkzeug bekannt, bei dem vorgesehen ist, dass es in einem Auspressabschnitt so ausgebildet ist, dass die den Auspresskanal stützenden Matrizenwände zunehmend dünner werden. Durch die dünner werdenden Wände in diesem Bereich wird eine allmählich steigende Nachgiebigkeit des Werkzeugs erreicht, wodurch die Entformung erleichtert werden soll.
  • Nach der DE 198 30 601 A1 ist eine Pressvorrichtung für pulver- und granulatförmigen Werkstoff vorgesehen, bei der zwei Matrizen, deren Stirnseiten die Kontur des Formteils beinhalten, durch Führungen einen Winkel einschießen, wobei die Flächen der Stirnseiten der Matrizen beim Erreichen der Endkontur des Formteils direkt aneinander schließen. Bei derartigen Segmentmatrizen, bei denen die Kontur des Formteils durch eine Anzahl Presssegmente gebildet wird, besteht der große Nachteil, dass Pulver zwischen die einzelnen Segmente eindringen kann, was zu einer häufigen Störung des Produktionsprozesses führt.
  • Zur Erzeugung von Formteilen mit einem Hinterschnitt - in Entformrichtung des Formteils gesehen - ist aus der DE 195 08 952 C2 eine Pressvorrichtung mit einer Matrize und mehreren Stempeln bekannt, wobei ein Segmentschieber zum Einsatz kommt, der mittels entsprechender Vorschub- und Rückzugseinrichtungen auch während des Pressvorgangs für das Formteil nach dem Schließen der Pressform bewegt werden kann.
  • Zur Erzeugung des Pressdrucks auf die Presstempel selber ist es aus der EP 1 097 801 A1 bekannt, eine Vorrichtung vorzusehen, bei der zur Erzielung einer kompakten Bauart ein hydraulisches Element mit einem Piezo-Aktuator zusammenwirkt.
  • Eine Alternative, zur axialen Verdichtung pulverförmiger Werkstoffe gemäß der vorstehenden Erläuterungen ist das hydrostatische Verdichten. Bei diesem Verfahren wird der Pressling Spannungen ausgesetzt, die in allen Achsen annähernd die gleiche Größe haben. Dadurch werden die ungünstigen Schubspannungen weitgehend vermieden. Durch das hydrostatische Verdichtverfahren können Presslinge mit höherer Dichte und besseren Werkstoffeigenschaften hergestellt werden. Das Verfahren findet in einem unter hohem Druck stehenden Flüssigkeitsbehälter statt. Das Pulver wird von einer nachgiebigen Hülle umgeben, so dass eine annähernd gleich starke Verdichtung in allen Achsen erfolgt.
  • Da das hydrostatische Verdichtungsverfahren jedoch prozessbedingte Nachteile aufweist, kommt es nur bedingt für großtechnische Anwendungen in Frage.
  • Der Erfindung liegt im Lichte der vorstehend beschriebenen Probleme beim Pressen und Entformen des Formteils aus der Matrize daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich ist, den Press- und Entformungsvorgang zu erleichtern und damit insgesamt den Pulverpressprozess zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem sich an die Außenwand der Matrizenhülse radial nach außen erstreckenden Raum Mittel angeordnet sind, mit denen eine radial nach innen gerichtete Kraft auf die Außenwand der Matrizenhülse aufgebracht werden kann, wobei die Mittel mindestens ein mit einem Betätigungselement bewegbares Spreizelement aufweisen, das direkt oder indirekt zwischen einer Wand des Raums im Grundkörper der Matrize mit radialer Oberflächennormale und der Außenwand der Matrizenhülse eingespreizt werden kann.
  • Dabei hat das mindestens eine Spreizelement vorzugsweise eine tellerfederartige Grundform. Da es nicht auf eine axiale Federeigenschaft, die sogar unerwünscht ist, sondern auf die Aufbringung lediglich einer radial wirkenden Spreizkraft ankommt, ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass das Spreizelement über seinen Umfang eine Anzahl radial gerichteter Einschnitte aufweist. Mit Vorteil erstrecken sich die Einschnitte über 60 % bis 90 % der radialen Ausdehnung des Spreizelements; sie reichen jedoch nicht bis zum radialen äußeren bzw. inneren Ende des Spreizelements.
  • Die Spreizkraft kann dadurch erhöht werden, dass eine Anzahl Spreizelemente in Pressrichtung des Pressstempels übereinander im Raum angeordnet sind. Dann können zwischen zwei Spreizelementen Abstandshalter angeordnet sein.
  • Das Betätigungselement ist vorzugsweise als Kolben ausgebildet, der im Grundkörper der Matrize in Pressrichtung des Pressstempels verschiebbar angeordnet ist.
  • Zur axialen Lagefixierung der Spreizelemente kann vorgesehen werden, dass das Betätigungselement an seiner dem Spreizelement zugewandten Seite mindestens eine Ausnehmung zum formschlüssigen Eingriff des radial äußeren Endes des Spreizelements aufweist.
  • Die Entformbarkeit des Formteils läßt sich dadurch verbessern, dass die Formfläche der Matrizenhülse, die bevorzugt aus Hartmetall besteht, in einer Achsrichtung im unbelasteten Zustand einen leicht konisch sich verbreiternden Verlauf aufweist. Während des Pressens selber wird dann ein genau zylindrischer, nicht-konischer Verlauf der Formfläche der Hülse dadurch erzeugt, dass die Spreizelemente entsprechende Radialkräfte erzeugen.
  • Durch die Erfindung ergeben sich mehrere Vorteile:
  • Mit dem radialen Pressen und Entlasten der Matrizenhülse, das mit der vorgeschlagenen Vorrichtung dosiert erzeugt werden kann, ist es in vorteilhafter Weise möglich, günstige Effekte beim Formen, also während des Pressvorgangs, und beim Entformen, also beim Freilegen des Formkörpers, zu bewirken.
  • Wegen der erreichbaren verbesserten Entformbedingungen, d. h. durch die Möglichkeit einer Entformung mit reduzierter Auspresskraft des Formteils aus der Matrize, ist es nunmehr möglich, mit geringeren Mengen oder sogar ganz ohne Schmiermittel auszukommen, das dem Pulver gegebenenfalls zwecks leichterer Entformung aus der Matrize zugesetzt wird. Damit verbessern sich die Materialeigenschaften der Formteile, insbesondere die Dichte und die Festigkeit. Weiterhin wird dadurch die Gefahr reduziert, dass Freilegerisse am Formteil entstehen.
  • Aufgrund der verringerten Ausstoßkraft beim Entformen des Formteils aus der Matrize kann weiterhin der Verschleiß an der radialen Innenwand der Matrizenhülse erheblich reduziert werden.
  • Weiterhin kann kostengünstigeres Material für die Matrize eingesetzt werden, da die Reibkräfte bei der Entformung geringer sind.
  • Durch die Kompression des Pulvermaterials nicht nur in Richtung der axialen Bewegung der Pressstempel, sondern erfindungsgemäß auch in radiale Richtung, ergibt sich ein Formteil mit verbesserter Materialqualität.
  • Es wird ferner möglich, das Kalibermaß der Matrizenhülse zu beeinflussen, wodurch Verschleiß kompensiert werden kann. Eine durch Verschleiß zu groß gewordene Matrize bzw. eine Aushöhlung in der Matrizenmitte 'läßt sich folglich nachstellen.
  • Das Kalibermaß der Matrize ist unter Einbeziehung des theoretischen Sinterschwundes beim Sintern bezogen auf das Fertigmaß festgelegt. Bei Abweichungen zum gewünschten Endmaß ist gegebenenfalls eine Nachbearbeitung nach dem Sintern erforderlich. Dies kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch entsprechende Nachstellung der Matrizenhülse durch die radiale Verspreizung ausgeglichen werden.
  • Weiterhin wird es auch möglich, eine das Entformen des Formteils begünstigende Konizität durch entsprechende Anordnung der Spreizelemente und Abstandselemente zu erzeugen.
  • Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Prinzipdarstellung des Pressens von Metallpulver;
    Fig. 2
    die Schnittdarstellung einer Matrize mit Mitteln zum Erzeugen einer radial gerichteten Kraft;
    Fig. 3
    die Einzelheit "X" gemäß Fig. 2;
    Fig. 4
    die Ansicht "A" gemäß Fig. 2; und
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung der geometrischen Wirkung einer Verschiebung des Spreizelements.
  • In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung dargestellt, mit der ein Metallpulver 16 zu einem Formteil gepresst werden kann. Die Vorrichtung weist eine Matrize 1 auf, die aus einem hohlzylindrischen Grundkörper 2 besteht, in den koaxial eine Matrizenhülse 3 eingesetzt ist. Damit die Matrizenhülse 3 hochresistent gegen Verschleiß ist, besteht sie bevorzugt aus Hartmetall. Die Matrizenhülse definiert eine zylindrische Formfläche 4. In den von dieser Formfläche gebildeten Raum wird das Metallpulver 16 eingebracht. Sowohl von oben als auch von unten werden dann je ein Pressstempel 5 in die jeweiligen Öffnungen der Matrizenhülse 3 eingeschoben und axial aufeinander zu bewegt. Dabei wird auf die Stempel 5 eine Presskraft FP ausgeübt, so dass das Pulver 16 verdichtet wird.
  • Während Fig. 1 den allgemeinen Fall des Pulverpressens zeigt, ist in Fig. 2 eine Ausgestaltung des Konzepts zu sehen.
  • Der Grundkörper 2 der Matrize 1 weist eine Ausnehmung auf, die einen Raum 7 bildet, der die Form eines Hohlzylinders hat. Dieser Raum 7 wird radial nach innen von der zylindrischen Außenwand 6 der Matrizenhülse 3 begrenzt. Radial nach außen wird der Raum 7 von einer zylindrischen Wand 11 begrenzt. In dem sich so ergebenden Raum 7 sind Mittel 8 zum Erzeugen einer radial gerichteten Kraft FR angeordnet, die aus einem Kolben 9 (Betätigungselement) bestehen, der als Hohlzylinder ausgebildet an der Wand 11 anliegt und in Richtung des Doppelpfeils bewegt werden kann. Ferner weisen die Mittel 8 eine Anzahl von Spreizelementen 10 auf, die in der skizzierten Lage zwischen der radial nach innen gerichteten Wand des Kolbens 9 und der Außenwand 6 angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Spreizelementen befinden sich Abstandshalter 13, die die einzelnen Spreizelemente 10 jeweils parallel zueinander ausgerichtet halten.
  • Die Spreizelemente 10 sind - in axiale Richtung betrachtet - sowohl an der Außenwand 6 als auch an der radial nach innen gerichteten Fläche des Kolbens 9 festgelegt. Für die axiale Festlegung der Spreizelemente 10 am Kolben weist dieser hier eine Schulter 18 auf, an der ein erstes Spreizelement 10 anliegt; die weiteren Spreizelemente werden durch die Abstandshalter 13 bei Bewegung des Kolbens 9 mitgenommen.
  • Wie Fig. 2 in der Zusammenschau mit Fig. 5 entnommen werden kann, hat die Vorrichtung folgende Wirkung:
  • Wird der Kolben 9 durch Einleitung eines Hydraulikfluids (Hydraulikdruck p) in einen Zylinderraum 17 nach oben bewegt, wird das in Fig. 5 linke Ende des Spreizelements 10 um einen Weg Δs in axiale Richtung verschoben. Unter der Annahme völliger Starrheit des Spreizelements 10 bedeutet das, dass sich das rechte Ende des Spreizelements 10 (s. Fig. 5) um einen Verschiebeweg Δr in radiale Richtung bewegt.
  • Abhängig vom Winkel α, unter dem das Spreizelement 10 angeordnet ist (beispielsweise 5 bis 10°), ergibt sich damit ein Hebeleffekt, so dass die Spreizelemente 10 eine sehr hohe radiale Druckkraft FR auf die Außenwand 6 der Matrizenhülse 3 ausüben und diese dadurch radial komprimieren. Der Hebeleffekt ist umso größer, je kleiner der Winkel α ist.
  • Wie in Fig. 3 gesehen werden kann, die die Einzelheit "X" von Fig. 2 zeigt, ist das Spreizelement 10 am Kolben 9 dadurch sicher in axiale Richtung festgelegt, dass in die zylindrisch ausgebildete Seite 14 des Kolbens 9 Ausnehmungen 15 (umlaufende Ringnuten) eingearbeitet sind. In diese werden die radial außenliegenden Enden der Spreizelemente 10 eingesetzt, so dass diese relativ zum Kolben 9 axial festliegen. Analog ist Anordnung der Spreizelemente 10 an der Außenwand 6 der Matrizenhülse 3 möglich.
  • Die Spreizelemente 10 haben eine Kontur, die derjenigen einer Tellerfeder entspricht, wie in der Zusammenschau der Figuren 2 und 4 hervorgeht, wobei Fig. 4 die Ansicht "A" gemäß Fig. 2 zeigt. Dieser Figur ist nochmals zu entnehmen, wie das Spreizelement 10 zwischen Kolben 9 und Matrizenhülse 3 positioniert ist.
  • Da es vorliegend lediglich auf die Spreizwirkung der Spreizelemente 10 und nicht auf eine axiale Federung ankommt, sind strahlenförmig radial gerichtete Einschnitte 12 in die Spreizelemente 10 eingearbeitet. Hiervon ist eine Anzahl äquidistant über den Umfang der Spreizelemente 10 verteilt angeordnet.
  • Die Matrize bzw. die Matrizenhülse 3 weist Materialeigenschaften auf, die durch eine hohe Druckelastizität und eine hohe Härte, zumindest auf der radial innenliegenden Seite der Hülse, gekennzeichnet sind.
  • Das Pressen des Formteils aus dem Pulver 16 erfolgt durch Einpressen der Pressstempel 5 in die Matrizenhülse 3. Dabei wird gleichzeitig der Kolben 9 mit Hydraulikflüssigkeit mit einem Druck p beaufschlagt, so dass die Matrizenhülse 3 über die Spreizelemente 10 radial komprimiert wird. Dadurch wird das Pulver 16 nicht nur aus der Achsrichtung, sondern auch aus der Radialrichtung komprimiert, was zu verbesserten Eigenschaften des Formteils führt.
  • Nach der Pressung werden nicht nur die Pressstempel 5 zurückgezogen, es erfolgt auch eine Entlastung des Drucks p aus dem Zylinderraum 17, so dass auch die Spreizelemente 10 entlastet werden. Hierdurch erweitert sich die Matrizenhülse 3, was es in vorteilhafter Weise möglich macht, dass die sich anschließende Entformung des Formteils bei geringer Entformungskraft (Kraft in Richtung der Presskraft FP) erfolgen kann.
    • Bezugiszeichenliste:
    • 1
    Matrize
    2
    Grundkörper
    3
    Matrizenhülse
    4
    Formfläche
    5
    Pressstempel
    6
    Außenwand
    7
    Raum
    8
    Mittel zum Erzeugen einer radial gerichteten Kraft
    9
    Betätigungselement (Kolben)
    10
    Spreizelement
    11
    Wand
    12
    radial gerichteter Einschnitt
    13
    Abstandshalter
    14
    Seite des Betätigungselements (Kolben)
    15
    Ausnehmung
    16
    Metallpulver
    17
    Zylinderraum
    18
    Schulter
    FP
    Presskraft
    FR
    radial gerichtete Kraft
    p
    Hydraulikdruck
    Δs
    Verschiebung in axiale Richtung
    Δr
    Verschiebung in radiale Richtung
    α
    Winkel

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Herstellen eines Formteils aus Pulver, insbesondere Metallpulver, die aufweist:
    - eine Matrize (1), die aus einem Grundkörper (2) und einer in diesen eingesetzten Matrizenhülse (3) besteht, wobei die Matrizenhülse (3) zumindest abschnittsweise eine zylindrische Kontur aufweist, die eine Formfläche (4) für das Formteil bildet, und
    - mindestens einen Pressstempel (5), der in die durch die zylindrische Kontur der Matrizenhülse (3) definierte Öffnung eintreten und sich im durch die zylindrische Kontur definierten Raum befindliches Pulver verdichten kann,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in einem sich an die Außenwand (6) der Matrizenhülse (3) radial nach außen erstreckenden Raum (7) Mittel (8) angeordnet sind, mit denen eine radial nach innen gerichtete Kraft (FR) auf die Außenwand (6) der Matrizenhülse (3) aufgebracht werden kann, wobei die Mittel (8) mindestens ein mit einem Betätigungselement (9) bewegbares Spreizelement (10) aufweisen, das direkt oder indirekt zwischen einer Wand (11) des Raums (7) im Grundkörper (2) der Matrize (1) und der Außenwand (6) der Matrizenhülse (3) einspreizbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das mindestens eine Spreizelement (10) eine tellerfederförmige Grundkontur aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Spreizelement (10) über seinen Umfang eine Anzahl radial gerichteter Einschnitte (12) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet
    dass sich die Einschnitte (12) über 60 % bis 90 % der radialen Ausdehnung des Spreizelements (10) erstrecken, nicht jedoch bis zum radialen äußeren bzw. inneren Ende des Spreizelements (10) reichen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Spreizelemente (10) in Pressrichtung des Pressstempels (5) übereinander im Raum (7) angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen zwei Spreizelementen (10) Abstandshalter (13) ungeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Betätigungselement (9) ein Kolben ist, der im Grundkörper (2) der Matrize (1) in Pressrichtung des Pressstempels (5) verschiebbar angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Betätigungselement (9) an seiner dem Spreizelement (10) zugewandten Seite (14) mindestens eine Ausnehmung (15) zum formschlüssigen Eingriff des radial äußeren Endes des Spreizelements (10) aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Formfläche 4 der Matrizenhülse (3) in einer Achsrichtung im unbelasteten Zustand einen leicht konisch sich verbreiternden Verlauf aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Matrizenhülse (3) aus Hartmetall besteht.
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