DE10027703B4

DE10027703B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Umformen, insbesondere Fließpressen eines metallischen Werkstücks

Info

Publication number: DE10027703B4
Application number: DE2000127703
Authority: DE
Inventors: Jovo Subanovic
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2000-06-03
Filing date: 2000-06-03
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2020-06-04
Also published as: DE10027703A1

Abstract

Verfahren zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks (12) unter Verwendung einer Matrize (13) und einer Vorschubeinrichtung für das Werkstück, wobei die Matrize (13) mit einer Oszillationsvorrichtung (2, 4) in oszillierende Relativbewegungen zum Werkstück (12) erregbar ist und jeder Umformungsschritt (1.1 – 5.1) einen Teilschritt mit einem Vorwärtshub und einen unmittelbar folgenden Teilschritt mit einem Rückwärtshub umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) in einem Arbeitsgang beim Hindurchtreten durch mindestens drei in Materialdurchlaufrichtung (16) hintereinanderliegende Reduktionskammern (1a – 5f) der sich verengenden Matrize (13) einer Reihe gleichzeitig erfolgender Umformungsschritte (1.1 – 5.1) unter Ausbildung einer vergleichsweise großen Umformung unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks unter Verwendung einer Matrize und einer Vorschubeinrichtung für das Werkstück nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Verfahren und Vorrichtungen zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen metallischer Werkstücke sind allgemein bekannt, ohne daß sie im einzelnen näher beschrieben werden müssen. Sie basieren allgemein auf einer Nutzung der Fließfähigkeit metallischer Werkstoffe, insbesondere duktieler Werkstoffe, und beruhen darauf, daß das zu verformende Material durch Einwirken äußerst hoher Press- oder Schlagkräfte im geschlossenen Formraum einer feststehenden Matrize, oder beim Hindurchtreten durch eine sich verengende Matrize in eine gewünschte Form gebracht werden.

Eine Weiterentwicklung eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zum Kaltverformen, insbesondere zum Kaltfließpressen metallischer Werkstücke ist durch das Dokument DE 197 35 486 A1 bekannt geworden.

Die daraus bekannte Vorrichtung zur Kaltverformung, insbesondere zum Kaltfließpressen eines Werkstücks, die eine Verformungsmatrize und eine Vorschubeinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Verformungsmatrize aufweist, zeigt eine mit der Vorschubeinrichtung zusammenwirkende Frequenzerzeugungseinrichtung, durch welche die von der Vorschubeinrichtung erzeugte Relativbewegung zwischen Werkstück und Verformungsmatritze derart modulierbar ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Werkstück und/oder die Verformungsmatrize in Vorschubrichtung einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung der Verformungsmatrize und/oder des Werkstücks in einer der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist.

Dabei ist vorgesehen, dass der beim Vorwärtshub in Vorschubrichtung zurückgelegte erste Hubweg größer als der beim darauffolgenden Rückwärtshub zurückgelegte zweite Hubweg ist. Die erzeugte Modulationsfrequenz liegt im Bereich von etwa 5 bis 30 Hz.

Bei der Frequenzerzeugungseinrichtung kann es sich um eine hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder elektromagnetisch arbeitende Frequenzerzeugungseinrichtung handeln.

Ein mit der vorgenannten Vorrichtung durchführbares Verfahren zur Kaltverformung eines Werkstücks, bei dem durch eine Vorschubeinrichtung eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einer Verformungsmatrize erzeugt wird, zeigt, dass die von der Vorschubeinrichtung erzeugte Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Verformungsmatrize durch die Frequenzerzeugungseinrichtung derart moduliert wird, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem in Vorschubrichtung das Werkstück und/oder die Verformungsmatrize einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung der Vertormungsmatrize und/oder des Werkstücks in einer zu der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist.

Mit der bekannten Vorrichtung und dem damit durchführbaren Verfahren soll erreicht werden, daß die zur Kaltverformung, insbesondere zum Kaltfließpressen eines Werkstücks erforderlichen Vorschubkraft, die zur Erzielung einer definierten Endverformung eines Werkstücks erforderlich ist, deutlich geringer ist als bei einer konventionellen Vorrichtung.

Ausgehend vom vorgehenden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, daß bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks, weiter zu vervollkommnen und zu verbessern, mit dem Ziel, einer noch rationelleren Arbeitsweise mit verringertem maschinenbaulichen Aufwand bei verbesserter Ausgestaltung des matrizenartigen Werkzeuges.

Gelöst wird die Aufgabe verfahrensseitig durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Mit Hilfe der oszillierenden, als Mehrfach-Verformungswerkzeug ausgebildeten Matrize können in einem Arbeitsgang qualitativ hochwertige Produkte mit vergleichsweise minimalem maschinenbaulichem Aufwand sowie mit einem Minimum an Arbeitszeit hergestellt werden, da erfindungsgemäß mit der Reihe gleichzeitig erfolgender Umformungsschritte eine vergleichsweise große Umformung durchgeführt wird.

Dabei sieht eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung vor, daß die Matrize bei jedem Vorwärtshub durch die konische Verjüngung jeder Reduktionskammer Matrialvolumina, teils als Material-Wulst radial nach außen und teils als Materialstreckung in Richtung des Vorwärtshubes verdrängt und daß die Mate rialwülste beim Rückwärtshub der Matrizenoszillation eingeebnet und geglättet werden.

Und schließlich sieht das Verfahren nach der Erfindung vor, daß die Oszillation der Matrize bei einer Frequenz zwischen 5 und 50 Hz eine Amplitude zwischen 50 und 0,7 mm erzeugt.

Des weiteren wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patenanspruches 4 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung sind entsprechend den Unteransprüchen vorgesehen.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. Es zeigen:
1 im Schnitt einer mit der Mittelachse x-x zusammenfallenden Ebene eine bspw. fünf Umformungskammern aufweisende Matrize;
2 im Schnitt einer mit der Mittelachse x-x zusammenfallenden Ebene eine Vorrichtung zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstückes, umfassend eine Umformungsmatrize, eine Werkstück-Vorschubeinrichtung sowie eine Oszillationsvorrichtung für die Matrize;
3 ebenfalls im Schnitt einer mit der Mittelachse x-x zusammenfallenden Schnittebene, die Umformungsmatrize beim Durchlauf eines rohrförmigen Werkstücks auf einem zylinderförmigen Dorn.
1 zeigt eine oszillierende Matrize 13 mit dem Einlaufdurchmesser N₁ und dem Auslaufdurchmesser N_x. Die Matrize 13 besteht ein- oder mehrstückig aus einer Anzahl von Umformungskammern 1a bis 5f. Diese dienen zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks 12 gemäß Darstellung in 2. Die Matrize ist mit den Umformungskammern 1a bis 5f erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sie über eine bestimmte Frequenz, bspw. zwischen 2 und 10 Hz, in Material-Durchlaufrichtung 16 kontinuierlich in oszillierende Relativbewegungen zum Werkstück 12 bewegt wird und das Werkstück einer gleichzeitigen Reihe von Umformungsschritten unterzogen wird. Dabei wird das Werkstück 12 mit Hilfe der nicht näher dargestellten Vorschubeinrichtung 15 gemäß 2 vorgeschoben und infolge der oszillierenden Bewegung der Matrize 13 reduzierend gestreckt.
Die Matrizen 13 besteht aus mehreren in Produktlaufrichtung 16 mit abnehmenden Mittenabständen hintereinander angeordneten Materialumformungskammern 1a bis 5f, wie dies in 1 gezeigt ist.
Durch die oszillierende Matrizen-Vorwärtsbewegung schlägt die Schräge 1.1 der Kammer 1a den Anfang des einlaufenden Werkstücks 12 konisch. Bei der Rück wärtsbewegung glättet die hintere Schräge 1.2 den entstandenen Materialwulst 14. Damit ist der erste Umformungsschritt durchgeführt.
Anschließend gelangt der reduzierte Anfang des Werkstücks 12 in die Umformungskammer 2b. Diese ist mit konischen Flächen, den Schrägen 2.1 und 2.2 ausgebildet. Das von diesen Flächen umgrenzte Kammervolumen ist etwas größer als das vorgebildete Produktvolumen. Der zweite Umformungsschritt entspricht im wesentlichen dem ersten Umformungsschritt. Die Schräge 2.1 schlägt den Anfang des Werkstücks 12 konisch. Bei der Rückwärtsbewegung glättet die hintere Schräge 2.2 den entstandenen Materialwulst. Nach Beendigung des zweiten Verformungsvorganges schließt sich beim nächsten Arbeitshub eine Verformung des Werkstücks 12 in der Reduktionskammer 3c an usw.
Auf diese Weise wird das Werkstück 12 unter Entstehung einer Summe von Volumendifferenzen in bzw. durch die Matrize 13 geschoben und verlässt als reduziertes Fertigprodukt die Verformungsstufe der Kammern 1a bis 5f. Die Speichervolumina von Kammer 1a zu Kammer 2b, von dort zur Kammer 3c usw. weisen konstante Volumendifferenzen auf.
In dem in 2 gezeigten Versuchsaufbau wird eine Durchmesserverringerung eines Probestabes 12 aus Metall durchgeführt. Die Vorrichtung besitzt eine Riemenscheibe 1 zum Antrieb der damit rotativ verbundenen Wellenscheibe 2. Diese rotiert relativ zur Gegenscheibe 4 und wird bei jeder Umdrehung mit Hilfe von radialen Ausbuchtungen der Scheiben gegen die Kraft der vorgespannten Druckfeder 5 in Richtung der Rotationsachse x-x bewegt und springt bei der weiteren Relativdrehung mit der Kraft der Druckfeder 5 federnd zurück. Dadurch wird eine oszillierende Bewegung der im Matrizenhalter 3 undrehbar, jedoch in axialer Richtung oszillierbar gehaltenen Matrize 13 erzeugt.
Dabei stützt das Axiallager 6 die rotierende Einheit gegen den Gehäusedeckel 7 ab. Das in den Einlauf 8 eingeführte Werkstück 12, im gezeigten Beispiel ein metallischer Rundstab, wird in der beschriebenen Weise im Durchlauf durch die Reduktionskammern 1a bis 5f im Durchmesser reduziert und tritt durch die Bohrung der nachgeordneten Spannmutter 9 aus der Matrize 13 aus. Der Deckel 10 hält die Feder 5 in der erforderlichen Vorspannung gegen den Matrizenhalter 3 in Position.
Anstelle der hier gezeigten rein mechanischen Oszillationsvorrichtung mit Wellenscheiben 2, 4 kann jede andere Oszillationsvorrichtung mit hydraulischem, elektrischem, magnetischem oder einem anderen Antrieb zur Anwendung gelangen.
3 zeigt die Reduktion eines rohrförmigen Werkstückes 12 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Werkstück 12 befindet sich auf einem Dom 17, bspw. aus Stahl und wird beim Durchlauf durch die Matrize 13 vom ursprünglichen Außendurchmesser von 60 mm auf einen Außendurchmesser von 50 mm stufenweise reduziert. Die Reduktion beträgt von Stufe zu Stufe jeweils 2 mm im Durchmesser. Dabei entsteht in jeder Reduktionsstufe ein äußerer Materialwulst 14, 14', 14'' usw. und zwar beim Vorwärtshub der Matrize 13. Dieser Materialwulst 14, 14', 14'' wird anschließend beim Rückwärtshub der Matrize eingeebnet und geglättet.

1a bis 5f: Umformungs-/Reduktionskammer
1: Riemenscheibe
2: Wellenscheibe
3: Matrizenhalter
4: Gegenscheibe
5: Druckfeder
6: Axiallager
7: Gehäusedeckel
8: Einlauf
9: Spannmutter
10: Deckel
11: Vorrichtungsgehäuse
12: Werkstück/Probestab
13: Matrize
14: Materialwulst
15: Vorschubeinrichtung
16: Material-Durchlaufrichtung
17: Material-Dorn

Claims

Verfahren zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks (12) unter Verwendung einer Matrize (13) und einer Vorschubeinrichtung für das Werkstück, wobei die Matrize (13) mit einer Oszillationsvorrichtung (2, 4) in oszillierende Relativbewegungen zum Werkstück (12) erregbar ist und jeder Umformungsschritt (1.1 – 5.1) einen Teilschritt mit einem Vorwärtshub und einen unmittelbar folgenden Teilschritt mit einem Rückwärtshub umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (12) in einem Arbeitsgang beim Hindurchtreten durch mindestens drei in Materialdurchlaufrichtung (16) hintereinanderliegende Reduktionskammern (1a – 5f) der sich verengenden Matrize (13) einer Reihe gleichzeitig erfolgender Umformungsschritte (1.1 – 5.1) unter Ausbildung einer vergleichsweise großen Umformung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (13) bei jedem Vorwärtshub durch eine konische Verjüngung jeder Reduktionskammer (1a – 5f) Materialvolumina, teils als Materialwulst (14) radial nach Außen, und teils als Materialstreckung in Richtung des Vorswärtshubes verdrängt, und daß die Matrizenwülste (14) beim Rückwärtshub der Matrizenoszillation eingeebnet und geglättet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (13) bei einer Frequenz zwischen 2 und 50 Hz mit einer Amplitude zwischen 50 und 0,7 mm oszilliert wird.
Vorrichtung zum Warm- und Kaltumformen, insbesondere zum Fließpressen eines metallischen Werkstücks (12), speziell zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, umfassend eine Umformungsmatrize (13), eine Werkstück-Vorschubeinrichtung (15) sowie eine Oszillationsvorrichtung (2, 4) für die Matrize (13), wobei der Körper der Matrize in Material-Durchlaufrichtung (16) Umformungskammern (1a – 5f) aufweist, die mit stufenweise abnehmenden Materialdurchlaßweiten (1.1 bis n.1) in Reihe hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Umformungskammern vorgesehen sind und jede Materialumformungskammer (1a – 5f) – in Materialdurchlaufrichtung (16) gesehen – anschließend an eine Einlaßöffnung mit der Nennweite (N₁) einen ersten Kammerteil (1.2) mit zunehmender konischer Erweiterung, unmittelbar übergehend an einen zweiten Kammerteil (1.1) mit konischer Verjüngung bis zu einer anschließenden Einlauföffnung der nächst folgenden Umformungskammer (2b) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kammerteil (1.2) der Matrize (13) in Materialdurchlaufrichtung (16) etwa 1/3 der Länge des zweiten Kammerteils (1.1) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (13) einstückig aus jeweils mehreren zu einer Funktionseinheit minteinander verbundenen Umformungskammern (1a – 5f) besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verjüngte Konuswinkel der jeweiligen zweiten Kammerteile (1.1 – n.1) von der Eingangs-Umformungskammer (1a) bis zur Ausgangs-Umformungskammer (5f) insbesondere kontinuierlich ansteigt.