WO2010054678A1 - Umformwerkzeug - Google Patents

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WO2010054678A1 PCT/EP2008/009679 EP2008009679W WO2010054678A1 WO 2010054678 A1 WO2010054678 A1 WO 2010054678A1 EP 2008009679 W EP2008009679 W EP 2008009679W WO 2010054678 A1 WO2010054678 A1 WO 2010054678A1
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Hartmut Ricken
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Diehl Metall Stiftung & Co. Kg
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C25/00—Profiling tools for metal extruding
    • B21C25/02—Dies
    • B21C25/025—Selection of materials therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C3/00—Profiling tools for metal drawing; Combinations of dies and mandrels
    • B21C3/02—Dies; Selection of material therefor; Cleaning thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C3/00—Profiling tools for metal drawing; Combinations of dies and mandrels
    • B21C3/18—Making tools by operations not covered by a single other subclass; Repairing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K5/00—Making tools or tool parts, e.g. pliers
    • B21K5/20—Making working faces of dies, either recessed or outstanding

Definitions

  • the invention relates to a forming tool for forming a material.
  • Forming tools are well known in the art. They are used for example in extrusion, pultrusion, drop forging or the like.
  • metal forming tools can cause the material to be formed to weld in a contact area with the forming tool. Apart from that, because of the high temperatures, for example, a die at a
  • Extruded press tool or a die in a Strangzieh- or drawing tool undesirably change its geometry. As a result, there are undesirable dimensional deviations in the moldings produced with the respective forming tool.
  • Ceramic-made matrices are used. - Diamond-made dies or dies are expensive. Ceramic materials are brittle and therefore easily break.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a forming tool which can be produced as inexpensively as possible should be specified, which has an improved wear resistance.
  • Another aim of the invention is to increase the dimensional accuracy of the molded parts produced therewith and to provide a corresponding molded part.
  • a forming tool in which a contact area coming into contact with the material to be formed is at least partially formed from a fiber-reinforced ceramic.
  • the material to be formed is advantageously metal, metallic
  • the forming tool according to the invention is inexpensive to produce and is characterized by excellent wear resistance. Even after a long service life moldings can be produced with high dimensional accuracy.
  • the matrix of the ceramic is formed from one or more of the following materials: silicon, silicon carbide, silicon nitride, carbon, boron nitride, boron carbide, Si / B / N / C.
  • the fibers of the ceramic may be selected from the following group: carbon fibers, graphite fibers, silicon fibers,
  • Boronitride fibers alumina fibers, Si / B / N / C, silica fibers.
  • the ceramic has a volume fraction of fibers of at most 80%, preferably 2 to 60%, particularly preferably 20 to 40%.
  • the fibers are essentially, for example, more than
  • the ceramic has a processing by means of spark erosion enabling electrical conductivity.
  • the ceramic may contain elemental silicon or electrically conductive fibers to produce the electrical conductivity.
  • the matrix of the ceramic may contain up to 20% by weight, preferably not more than 15% by weight, more preferably not more than 5% by weight, of elemental silicon. It is also conceivable to produce the electrical conductivity by other constituents contained in the ceramic, for example metals. Spark erosion can be used to produce inserts or forming tools with complicated geometrical shapes. For example, it is possible to produce a forming tool for drop forging.
  • the ceramic is designed in the form of an insert for insertion into a corresponding receptacle on the forming tool.
  • the insert can be a die, a die or even a lining of the mold cavity of the forming tool. When worn, only the insert needs to be replaced. Apart from that, different inserts can be used in the recording to z. B. produce moldings with different geometry.
  • the forming tool is designed as a pultrusion tool, extrusion tool or forging tool.
  • the molded part can be an extruded profile, a wire or a forged molded part.
  • FIG. 2 shows the extrusion tool according to FIG. 1 in a plan view
  • Fig. 3 is a pultrusion tool in a sectional view
  • FIG. 4 the stranding tool of FIG. 3 in a plan view.
  • Fig. 1 shows a sectional view of an extrusion die.
  • the reference numeral 1 denotes a receptacle.
  • an insert designated by the reference numeral 2 is inserted into the receptacle 1, an insert designated by the reference numeral 2 is inserted.
  • the insert 2 is formed of a fiber-reinforced ceramic.
  • the ceramic is here made of C / SiC, ie carbon fiber reinforced silicon carbide.
  • the receptacle 1 and the insert 2 are formed substantially cylindrical and have mutually concentric passages 3, 4 for the material to be formed.
  • the insert 2 is supported in the receptacle 1 in the material flow direction M on a support surface 6 formed in a recess 5.
  • the depth T of the recess 5 is formed larger than the height H of the insert 2.
  • the insert 2 at a material inlet side has a rounded circumferential edge 7 on. This ensures that the shear stress on the insert 2 is reduced when shearing off a press residue.
  • the passages 3, 4 are formed with circular cross sections.
  • Rods and wires are produced. Of course, it is also possible to form the passages for producing other geometries.
  • the extrusion tool is suitable both for cold forming and for hot forming. Both materials can be reshaped before the
  • Forming are not heated, such as plastics, as well as materials that are heated before forming, such as metals and metal alloys, especially aluminum or brass.
  • Fig. 3 shows a sectional view of a Strangziehwerkmaschines.
  • the extrusion tool has a receptacle 1.
  • an insert 2 made of C / SiC is used into the receptacle 1.
  • the receptacle 1 and the insert 2 are formed substantially cylindrical and have mutually concentric passages 3, 4 for the material to be formed.
  • the insert 2 has a rounded edge 7 on a material inlet side and is supported in the material flow direction M on a support surface 6 formed in the receptacle 1.
  • the passages 3, 4 of the extrusion drawing tool are designed to produce circular geometries, in particular for producing rods or wires. Of course, it is also possible to form the extrusion tool for producing other geometries.
  • the material to be formed is first press tool with an extrusion according to the invention and then formed with a Strangziehwerkmaschine invention.
  • a Strangziehtechnikmaschine special brasses with embedded hard intermetallic fibers at about 700 0 C, depending on the available force is a forming temperature greater 600 0 C required, with an extrusion tool according to Figures 1 and 2 and then cold with a Strangziehtechnikmaschine according to the figures 3 and 4 are transformed.
  • the produced semi-finished products have a high
  • the forming tools used are particularly wear.
  • the forming tool is designed as a forging tool.
  • a contact area coming into contact with the material to be formed is formed, at least in sections, from a fiber-reinforced ceramic, for example C / SiC.
  • the ceramic may contain up to 20% by weight of elemental silicon. Due to the elemental silicon contained in the ceramic, the ceramic can be machined by spark erosion. As a result, for example, a tool for drop forging can be produced.
  • the carbon fibers allow rapid heat removal from the forming zone, in particular from the contact area between the tool and material to be formed.
  • Such a forging tool can advantageously withstand the high shear forces which occur during the shaping as a result of material flow along the tool surface.
  • the ceramic can also withstand the high pressure and temperature loads as well as any temperature cycling stresses and / or thermal shock loads that may occur due to cooling of the tool. Due to the low thermal expansion of
  • Ceramics can be manufactured with such a tool, in particular drop forged, components with high fatiguehalttechniksan beaut.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Mounting, Exchange, And Manufacturing Of Dies (AREA)
  • Extrusion Of Metal (AREA)

Abstract

Umformwerkzeug, bei dem ein mit dem umzuformenden Material in Kontakt kommender Kontaktbereich zumindest abschnittsweise aus einer mit Fasern verstärkten Keramik gebildet ist.

Description

Umformwerkzeug
Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zum Umformen eines Materials.
Nach dem Stand der Technik sind Umformwerkzeuge allgemein bekannt. Sie werden beispielsweise beim Strangpressen, Strangziehen, Gesenkschmieden oder dgl. eingesetzt.
Beim Umformen insbesondere metallischer Materialien treten hohe Temperaturen, hohe Drücke und/oder hohe Scherkräfte auf. Infolgedessen kann es bei aus Metall hergestellten Umformwerkzeugen dazu kommen, dass das umzuformende Material in einem Kontaktbereich mit dem Umformwerkzeug verschweißt. Abgesehen davon kann wegen der hohen Temperaturen beispielsweise eine Matrize bei einem
Strang presswerkzeug oder ein Ziehstein bei einem Strangzieh- bzw. Ziehwerkzeug unerwünschterweise seine Geometrie verändern. Infolgedessen kommt es zu unerwünschten Maßabweichungen bei den mit dem jeweiligen Umformwerkzeug hergestellten Formteilen.
Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, werden nach dem Stand der Technik insbesondere hochbelastete Kontaktbereiche von Umformwerkzeugen z. B. aus keramischen Werkstoffen hergestellt. Beispielsweise werden bei Strangziehwerkzeugen für dünne Drähte aus Diamant hergestellte Matrizen verwendet. Bei Strangpresswerkzeugen zur Herstellung von dickeren Drähten oder Stäben kommen aus
Keramik hergestellte Matrizen zum Einsatz. - Aus Diamant hergestellte Ziehsteine oder Matrizen sind teuer. Keramische Werkstoffe sind spröde und brechen infolgedessen leicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen.
Es soll insbesondere ein möglichst kostengünstig herstellbares Umformwerkzeug angegeben werden, welches eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll die Maßhaltigkeit der damit hergestellten Formteile erhöht und ein entsprechendes Formteil angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Umformwerkzeug vorgesehen, bei dem ein mit dem umzuformenden Material in Kontakt kommender Kontaktbereich zumindest abschnittsweise aus einer mit Fasern verstärkten Keramik gebildet ist. Bei dem umzuformenden Material handelt es sich vorteilhafterweise um Metall, metallische
Kompositwerkstoffe, Kunststoffe oder dgl.
Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug ist kostengünstig herstellbar und zeichnet sich durch eine hervorragende Verschleißfestigkeit aus. Auch nach langen Standzeiten können damit Formteile mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Matrix der Keramik aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe gebildet: Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Kohlenstoff, Bornitrid, Borcarbid, Si/B/N/C. Die Fasern der Keramik können aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein: Carbonfasern, Grafitfasern, Siliciumfasern,
Bornitridfasern, Aluminiumoxidfasern, Si/B/N/C, Siliciumoxidfasern.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Keramik einen Volumenanteil an Fasern von höchstens 80%, vorzugsweise 2 bis 60%, besonders bevorzugt 20 bis 40%, auf. Die Fasern sind im Wesentlichen, beispielsweise zu mehr als
95%, insbesondere zu mehr als 98%, aus Kurzfasern mit einer Länge von 0,1 bis 5 mm gebildet. Es ist jedoch auch möglich, die Fasern in Form von Faserbündeln, Gewebematten oder Filzen vorzusehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Keramik eine eine Bearbeitung mittels Funkenerosion ermöglichende elektrische Leitfähigkeit auf. Die Keramik kann zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit elementares Silicium oder elektrisch leitfähige Fasern enthalten. Die Matrix der Keramik kann bis zu 20 Gew.%, vorzugsweise nicht mehr als 15 Gew.%, besonders bevorzugt nicht mehr als 5 Gew.%, elementares Silicium enthalten. Es ist auch denkbar, die elektrische Leitfähigkeit durch andere in der Keramik enthaltende Bestandteile, beispielsweise Metalle, herzustellen. Durch Funkenerosion können Einsätze oder Umformwerkzeuge mit komplizierten geometrischen Formen hergestellt werden. Es ist beispielsweise möglich, ein Umformwerkzeug zum Gesenkschmieden herzustellen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Keramik in Form eines Einsatzes zum Einsetzen in eine dazu korrespondierende Aufnahme am Umformwerkzeug ausgebildet. Das bietet den Vorteil, dass nicht das gesamte Umformwerkzeug, sondern nur der Einsatz aus der Keramik ausgebildet werden muss. Bei dem Einsatz kann es sich um eine Matrize, einen Ziehstein oder auch eine Auskleidung des Formhohlraums des Umformwerkzeugs handeln. Bei Verschleiß muss jeweils nur der Einsatz ausgetauscht werden. Abgesehen davon können in die Aufnahme auch unterschiedliche Einsätze eingesetzt werden, um z. B. Formteile mit unterschiedlicher Geometrie herzustellen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Umformwerkzeug als Strangziehwerkzeug, Strangpresswerkzeug oder Schmiedewerkzeug ausgebildet.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird ein Formteil beansprucht, welches unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs hergestellt ist. Bei dem Formteil kann es sich um ein stranggepresstes Profil, einen Draht oder ein geschmiedetes Formteil handeln.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Strang presswerkzeug in einer Schnittansicht,
Fig. 2 das Strangpresswerkzeug gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht,
Fig. 3 ein Strangziehwerkzeug in einer Schnittansicht und
Fig. 4 das Strangziehwerkzeug gemäß Fig. 3 in einer Draufsicht.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Strangpresswerkzeugs. Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Aufnahme bezeichnet. In die Aufnahme 1 ist ein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneter Einsatz eingesetzt. Der Einsatz 2 ist aus einer mit Fasern verstärkten Keramik gebildet. Die Keramik ist hier aus C/SiC, d. h. mit Kohlenstofffasern verstärktes Siliciumcarbid, hergestellt. Die Aufnahme 1 und der Einsatz 2 sind im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weisen zueinander konzentrische Durchgänge 3, 4 für das umzuformende Material auf. Der Einsatz 2 stützt sich in der Aufnahme 1 in Materialflussrichtung M auf einer in einer Ausnehmung 5 ausgebildeten Stützfläche 6 ab. Die Tiefe T der Ausnehmung 5 ist dabei größer ausgebildet als die Höhe H des Einsatzes 2. Ferner weist der Einsatz 2 an einer Materialeintrittsseite eine abgerundete umlaufende Kante 7 auf. Dadurch wird erreicht, dass die Scherbelastung auf den Einsatz 2 beim Abscheren eines Pressrests verringert wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Durchgänge 3, 4 mit kreisförmigen Querschnitten ausgebildet. Mit dem beschriebenen Strangpresswerkzeug können insbesondere
Stangen und Drähte hergestellt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Durchgänge zur Herstellung anderer Geometrien auszubilden.
Das Strangpresswerkzeug eignet sich sowohl zum Kaltumformen als auch zum Warmumformen. Es können sowohl Werkstoffe umgeformt werden, welche vor dem
Umformen nicht erwärmt werden, wie beispielsweise Kunststoffe, als auch Werkstoffe, welche vor dem Umformen erwärmt werden, wie beispielsweise Metalle und Metalllegierungen, insbesondere Aluminium oder Messing.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Strangziehwerkzeugs. Das Strangziehwerkzeug weist eine Aufnahme 1 auf. In die Aufnahme 1 ist ein Einsatz 2 aus C/SiC eingesetzt. Die Aufnahme 1 und der Einsatz 2 sind im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weisen zueinander konzentrische Durchgänge 3, 4 für das umzuformende Material auf. Der Einsatz 2 weist an einer Materialeintrittsseite eine abgerundete Kante 7 auf und stützt sich in Materialflussrichtung M auf einer in der Aufnahme 1 gebildeten Stützfläche 6 ab.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind die Durchgänge 3, 4 des Strangziehwerkzeug zur Herstellung kreisförmiger Geometrien ausgebildet, insbesondere zur Herstellung von Stangen oder Drähten. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Strangziehwerkzeug zur Herstellung anderer Geometrien auszubilden.
Zur Herstellung von Halbzeugen, beispielsweise von Messingstangen oder Messingdrähten, ist es besonders vorteilhaft, wenn das umzuformende Material zunächst mit einem erfindungsgemäßen Strang presswerkzeug und anschließend mit einem erfindungsgemäßen Strangziehwerkzeug umgeformt wird. Es können beispielsweise Sondermessinge mit eingebetteten harten intermetallischen Fasern zunächst bei etwa 7000C, abhängig von der zur Verfügung stehenden Kraft ist eine Umformtemperatur größer 6000C erforderlich, mit einem Strangpresswerkzeug gemäß der Figuren 1 und 2 und anschließend kalt mit einem Strangziehwerkzeug gemäß der Figuren 3 und 4 umgeformt werden. Die hergestellten Halbzeuge weisen eine hohe
Maßhaltigkeit auf. Ferner sind die verwendeten Umformwerkzeuge besonders verschleißarm. Nach einer dritten, nicht figürlich dargestellten Ausführungsform ist das Umformwerkzeug als Schmiedewerkzeug ausgebildet. Auch hier ist ein mit dem umzuformenden Material in Kontakt kommender Kontaktbereich zumindest abschnittsweise aus einer mit Fasern verstärkten Keramik ausgebildet, beispielsweise C/SiC. Die Keramik kann bis zu 20 Gew.% elementares Silicium enthalten. Durch das in der Keramik enthaltene elementare Silicium kann die Keramik mittels Funkenerosion bearbeitet werden. Dadurch lässt sich beispielsweise ein Werkzeug zum Gesenkschmieden herstellen. Die Kohlenstofffasern erlauben einen schnellen Wärmeabtransport aus der Umformzone, insbesondere aus dem Kontaktbereich zwischen Werkzeug und umzuformenden Material. Ein solches Schmiedewerkzeug kann vorteilhafterweise den beim Umformen durch Materialfluss entlang der Werkzeugoberfläche entstehenden hohen Scherkräften standhalten. Die Keramik kann ferner den hohen Druck- und Temperaturbelastungen sowie den ggf. durch eine Kühlung des Werkzeugs auftretenden Temperaturwechselbelastungen und/oder Thermoschockbelastungen standhalten. Auf Grund der geringen Wärmeausdehnung der
Keramik können mit einem solchen Werkzeug, insbesondere gesenkgeschmiedete, Bauteile mit hohen Maßhaltigkeitsanforderungen gefertigt werden.
Bezugszeichenliste
1 Aufnahme
2 Einsatz
3 Durchgang der Aufnahme
4 Durchgang des Einsatzes
5 Ausnehmung
6 Stützfläche
7 Kante
M Materialflussrichtung
T Tiefe
H Höhe

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Umformwerkzeug, bei dem ein mit dem umzuformenden Material in Kontakt kommender Kontaktbereich (4, 7) zumindest abschnittsweise aus einer mit Fasern verstärkten Keramik gebildet ist.
2. Umformwerkzeug nach Anspruch 1 , wobei eine Matrix der Keramik aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe gebildet ist: Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Kohlenstoff, Bornitrid, Borcarbid, Si/B/N/C.
3. Umformwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fasern aus der folgenden
Gruppe ausgewählt sind: Carbonfasern, Grafitfasern, Siliciumfasern, Bornitridfasern, Aluminiumoxidfasern, Si/B/N/C, Siliciumoxidfasern.
4. Umformwerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Keramik einen Volumenanteil an Fasern von höchstens 80%, vorzugsweise 2 bis 60%, besonders bevorzugt 20 bis 40%, aufweist.
5. Umformwerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Fasern im Wesentlichen aus Kurzfasern mit einer Länge von 0,1 bis 5 mm gebildet sind.
6. Umformwerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Keramik eine eine Bearbeitung mittels Funkenerosion ermöglichende elektrische Leitfähigkeit aufweist.
7. Umformwerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die
Keramik zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit elementares Silicium oder elektrisch leitfähige Fasern enthält.
8. Umformwerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Keramik in Form eines Einsatzes (2) zum Einsetzen in eine dazu korrespondierende
Aufnahme (1) am Umformwerkzeug ausgebildet ist.
9. Umformwerkzeug nach Anspruch 8, wobei die Aufnahme (1) eine Stützfläche (6) zum Abstützen des Einsatzes (2) in Materialflussrichtung (M) aufweist.
10. Umformwerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Keramik an einer Materialeintrittsseite eine abgerundete Kante (7) aufweist.
11. Umformwerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, ausgebildet als
Strangziehwerkzeug, Strangpresswerkzeug oder Schmiedewerkzeug.
12. Formteil, hergestellt mit einem Umformwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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