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Dokumentenidentifikation DE19916566A1 26.10.2000
Titel Matrize für hochbeanspruchte Hohlformwerkzeuge
Anmelder Wafios AG, 72764 Reutlingen, DE
Erfinder Gödtner, Werner, 72764 Reutlingen, DE
Vertreter Dr. Werner Geyer, Klaus Fehners & Partner, 80687 München
DE-Anmeldedatum 13.04.1999
DE-Aktenzeichen 19916566
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse B21C 25/02
IPC-Nebenklasse B21C 3/02   
Zusammenfassung Bei einer Matrize (1) für Hochtemperaturwerkzeuge mit einer Preßbüchse (2) und einer diese umschließenden Armierung (4) wird eine Armierung eingesetzt, die zumindest im wesentlichen Verstärkungsfasern (5) bzw. Verstärkungsfaserstränge aufweist, welche den Außenumfang der Preßbüchse (2) umlaufen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Matrize für hochbeanspruchte Hohlformwerkzeuge mit einer Preßbüchse und einer diese umschließenden Armierung.

Solche Matrizen, die für die Warm-, wie auch für die Kaltumformung verwendet werden können, finden schon seit vielen Jahren Anwendung in der Industrie. Sie werden insbesondere beim Fließpressen eingesetzt, wie z. B. bei der Drahtherstellung oder auch beim Napfrückwärtsfließpressen.

Bisher wurde als Armierung unter anderem das Bandwickeln eingesetzt, bei dem ein dünnes hochfestes Stahlband um einen Kern gewickelt wird, der das Innendruckmedium umgibt (siehe z. B. Grenbaek, J.: "Bandwickeln von Werkzeugen für die Massivumformung", Dissertation, Technische Hochschule von Dänemark 1981). Dabei wurde gefunden, daß Längsrisse an Preßbüchsen mit zylindrischer Bohrung weitgehend vermieden werden können, wenn das Band während des Wickelvorgangs mit einer kontrollierten Spannung belastet wird. Um einen optimalen Vorspannungszustand zu erreichen, muß die Wickelspannung dabei von Schicht zu Schicht angepaßt werden. Mittels dieser bandgewickelten Matrizen sind erhebliche Verbesserungen des zulässigen Innendrucks möglich im Vergleich zu nicht armierten Matrizen. Der Nachteil dieses Bandwickelns ist jedoch, daß es aufwendig und teuer ist, da nach dem Ausnutzen der Preßbuchse das gesamte Wickelpaket ersetzt werden muß.

Um diese Nachteile des Bandwickelns zu vermeiden, wurde die Bandarmierung entwickelt (siehe Grenbaek, J.: "Stripwound cold forging tools - a technical and economical alternative", Tagungsbericht der VDI-Gesellschaft Produktionstechnik, Kaltmassivumformung, 8. Internationaler Kongress, Nürnberg, 17. und 18. September 1990). Dabei wird ein Stahlband um einen Stützkern aus gehärtetem Stahl gewickelt. Die fertige Wicklung wird durch einen Außenmantel gehalten, dessen Form und Maße sich an der Werkzeugaufnahme orientieren. Die Preßbüchse wird dann nach dem Wickelvorgang in den Stützkern durch Preßfügen eingebracht. Bedingt durch die hohe Härte der Stützkerne können die Preßbüchsen mehrfach gewechselt werden. Dies führt im Vergleich zum Bandwickeln schon zu einer Kostenersparnis, da die Preßbüchsen ausgewechselt werden können, während die Armierung weiter beibehalten werden kann.

Die Nachteile aller bisher verwendeten armierten Matrizen des Standes der Technik sind jedoch, daß das beim Bandwickeln und Bandarmieren zum Einsatz kommende Stahlband nur eine Zugfestigkeit von ca. 1800 N/mm2 aufweist und damit die Preßbüchse auch nur einem begrenzten Druck ausgesetzt werden kann. Dies führt dazu, daß die Wicklung, um eine bestimmte Festigkeit zu erreichen, unter Umständen einen relativ großen Platzbedarf benötigt und dadurch auch kostenintensiv wird.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Matrize vorzuschlagen, die einerseits bei einem noch höheren Innendruck als bislang bekannte Matrizen eingesetzt und bei der andererseits bei gegebenem Innendruck ein verringerter Matrizendurchmesser erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Matrize der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß die Armierung zumindest im wesentlichen von den Außenumfang der Preßbüchse umlaufenden Verstärkungsfasern oder Verstärkungsfasersträngen gebildet wird. Technisch eingesetzte Verstärkungsfasern, wie sie heutzutage Verwendung finden, weisen im Gegensatz zu Stahlbändern, wie sie bei Armierungen nach dem Stand der Technik verwendet werden, eine wesentlich größere Zugfestigkeit auf, so daß die erfindungsgemäßen Matrizen mit einem deutlich höheren Innendruck belastet werden können.

Dadurch, daß die Fasern eine höhere Zugfestigkeit besitzen, kann auch der Durchmesser der Matrize verringert werden, da bei einem bestimmten Innendruck im Vergleich zur Armierung mit Stahlbändern erheblich weniger Faservolumen als Armierung aufgebracht werden muß, weil mittels der festeren Fasern schon mit weniger Material die gleiche Festigkeit der Matrize erreicht werden kann. Dies führt zu einer merklichen Verringerung der radialen Dicke der Matrize und damit auch noch zu einer Gewichtsersparnis.

Bevorzugt werden als Fasern Kohlenstoff-, Bor- und/oder Glasfasern eingesetzt.

So weisen z. B. Glasfasern eine Zugfestigkeit von mehr als 4000 N/mm2 auf. Diese Zugfestigkeit ist also mehr als doppelt so groß wie die der für die bekannten Armierungen verwendeten Stahlbänder.

Kohlefasern weisen sogar eine noch höhere Zugfestigkeit, nämlich mehr als 7000 N/mm2, auf.

Damit kann der Innendruck der erfindungsgemäßen Matrize beim Umformvorgang gegenüber bekannten Matrizen mit Stahlbandarmierung erheblich erhöht werden. Da auch die Dimensionen der erfindungsgemäßen Matrize besonders klein gehalten werden können, können auch die Werkzeuge und die Umformmaschinen selbst kleiner dimensioniert werden, was eine erhebliche Kostenersparnis zur Folge hat.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Matrize die Armierung die Preßbüchse mit einer kontrollierten, vorgewählten Spannung umschließt. Hierdurch wird ein Vorspannungszustand erreicht, der zu einer noch weiteren Steigerung des zulässigen Innendrucks führt, weil durch das Vorspannen der Armierung eine bessere Spannungsverteilung erreicht werden kann.

Durch tangentiale Druckvorspannungen kann die Druckanfälligkeit hochbeanspruchter Hohlformwerkzeuge herabgesetzt werden, wodurch Längsrisse an Preßbüchsen mit zylindrischer Bohrung, die über ihre gesamte Länge mit gleichmäßigem Innendruck beaufschlagt sind, weitgehend vermieden werden. Dies ist in der Kalt-, Halbwarm- und Warmmassivumformung, insbesondere beim Fließpressen von Draht, von großer Bedeutung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Armierung aus endlos die Preßbüchse umwickelnden Verstärkungsfasersträngen. Werden die Verstärkungsfasern als endlose Faserstränge um die Preßbüchse gewickelt, kann der Faserstrang dabei mit einer kontrollierten Vorspannung um die Preßbüchse gewickelt werden oder auch ohne eine solche.

Die Verstärkungsfaserstränge können ein- oder mehrlagig gewickelt werden, je nachdem, welche Kräfte aufzunehmen sind.

Die eingesetzten Verstärkungsfaserstränge können auch jede dem Fachmann geläufige Querschnittsform aufweisen, so z. B. einen im wesentlichen runden, halbrunden oder ovalen Querschnitt. Es sind aber durchaus auch andere Querschnitte denkbar, so z. B. schmale Faserbänder.

Das Wickeln der Verstärkungsfasern um die Preßbüchse kann sowohl in Form nebeneinander verlaufender Faserwicklungen (und zwar mit oder ohne Abstand zwischen jeder Wicklung), als auch in Form von Kreuzwicklungen erfolgen, wobei sich beim Aufwickeln jeder Faserlage eine Steigung von weniger als 15° zur Radialebene der Preßbüchse als vorteilhaft erwiesen hat.

Sind die Verstärkungsfaserstränge um die Preßbüchse kreuzgewickelt, so werden sie beim Umformvorgang nicht immer unter demselben Winkel mit Zugspannung beaufschlagt. Dies hat den Vorteil, daß auch bei nicht exakter Ausrichtung der Verstärkungsfasern im Faserstrang insgesamt eine sehr gute Zugfestigkeit erreicht werden kann, da durch die verschiedenen übereinanderliegenden Wicklungen die Zugspannungsbeaufschlagung des Faserstrangs über den ganzen Bereich des Wickelwinkels erfolgt.

In bestimmten Fällen ist es auch vorteilhaft, wenn die Armierung in Form mindestens einer Fasermatte die Preßbüchse umschließt. Hierfür müssen dann die Verstärkungsfasern nicht mehr in Form eines Faserbündels gewickelt werden, da eine vorbereitete Fasermatte eingesetzt werden kann. Die Befestigung einer solchen Fasermatte kann durch Verspannen ihrer Mattenenden gegeneinander oder in jeder sonstigen geeigneten Weise erfolgen. Dabei kann eine solche Fasermatte auch mehrmals um den Umfang der Preßbüchse gewickelt sein, wobei anschließend ihre außenliegende Endkante auf der darunterliegenden Mattenschicht geeignet fixiert werden kann.

Eine geeignete Befestigung könnte z. B. wiederum über Verstärkungsfasern erfolgen und als eine Art Ring ausgebildet sein, der die Matten radial außen umgibt. Ebenso könnte die Befestigung auch durch eine Art Klammer aus jedem dem Fachmann geläufigen Material vorgenommen werden. Auch eine geklebte Verbindung wäre denkbar, um die Fasermatten zu befestigen.

Des weiteren können die Fasermatten aber auch so ausgebildet sein, daß sie eine dem Umfang der zu umwickelnden Preßbüchse entsprechende Länge aufweisen und an ihren Enden aneinander befestigt werden. Dabei können die Fasermatten sich mit ihren Endbereichen etwas überdecken oder auch auf Stoß liegen. Als Befestigungsmittel können alle dem Fachmann geläufigen Befestigungsmittel dienen. So können z. B., um die Fasermatten etwas vorzuspannen, elastische Befestigungsmittel eingesetzt werden, aber auch Klammern oder Ringe aus jeglichem geeigneten Material (einschließlich Verstärkungsfasermaterialien selbst) lassen sich hier verwenden.

Neben reinen Fasermatten können aber gleichermaßen auch faserverstärkte Werkstoffe Anwendung finden, die eine gerichtete Faserverstärkung aufweisen, so daß die Verstärkungsfasern die Preßbüchse wieder im wesentlichen umlaufen. Die faserverstärkten Materialien können dabei sowohl als eine Art Strang oder als eine Fasermatte ausgebildet sein.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Preßbüchse aus einem Material aus der Gruppe Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle, Schnellarbeitsstähle, Ferrotitanat, Hartmetalle, Cermets und/oder keramische Werkstoffe gefertigt ist. Diese Werkstoffe haben bei der Anwendung für Hohlformwerkzeuge beste Eigenschaften gezeigt.

Die Schnellarbeitsstähle können dabei schmelzmetallurgisch und pulvermetallurgisch hergestellt werden. Die keramischen Werkstoffe sind bei Umformwerkzeugen bevorzugt oxidkeramische Werkstoffe.

Bevorzugt besteht ferner die Matrize aus einem Matrizeneinsatz, der von einem Stützkern umgeben ist, d. h. die Armierung wird um einen Stützkern gewickelt. Der Matrizeneinsatz kann z. B. durch Preßfügen eingepaßt und auch unter Umständen mehrfach gewechselt werden. So kann die Armierung noch länger eingesetzt werden, da ein verbrauchter Matrizeneinsatz nur ausgewechselt werden muß, ohne daß jedesmal auch eine neue Armierung hergestellt werden müßte.

Zur Klarstellung sei darauf verwiesen, daß, falls ein solcher Stützkern eingesetzt sein sollte, im folgenden der Ausdruck "Preßbüchse" stets den Matrizeneinsatz mit dem Stützkern bezeichnet, also alles das, was mit der Armierung umwickelt wird.

Günstigerweise kann die Armierung auch ihrerseits noch von einem Außenmantel umgeben sein, der aus jedem geeigneten Material bestehen kann und einmal zum Schutz der Armierung vor äußeren Einflüssen, aber auch zum Haltern der Armierung dienen und ggf. sogar die weiter oben beschriebenen Befestigungsmittel zum Befestigen der Armierung ersetzen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß die Preßbüchse geteilt ist. Normalerweise werden Matrizen nicht über ihre gesamte Länge mit gleichmäßigem Innendruck beaufschlagt, vielmehr sind in ihrer Länge begrenzte Druckräume oder abgesetzte Matrizenformen die Regel. Dabei können Querrisse an Stellen von Spannungskonzentrationen oder Spannungssprüngen auftreten, besonders bei Preßbüchsenwerkstoffen mit geringer Zähigkeit, wie gesinterten Hartmetallen, hoch gehärteten Schnellstählen oder auch Keramiken. Auf einfachste Art kann diesen Schubrissen durch Längenanpassung oder auch durch Querteilung der Preßbüchse entgegengewirkt werden. Solche quergeteilten Preßbüchsen sind immer dann erfolgreich einsetzbar, wenn die Matrizenform durch Stauchen des Preßwerkstoffes aufgefüllt wird, weil im allgemeinen an der Trennstelle kein hydraulischer Zustand herrscht und damit kein Preßwerkstoff in die Fuge eindringt.

Weiterhin ist die Matrize bevorzugt axial vorgespannt. Damit können Vergleichsspannungsspitzen im Schulterbereich einer Matrize abgebaut werden. So wirkt eine axiale Vorspannung vermutlich der Fortpflanzung eines einmal eingetretenen Risses entgegen und führt daher dazu, daß die Matrize bei relativ hohen Innendrücken eingesetzt werden kann.

Bevorzugt wird die Preßbüchse aus Keramik gebildet und die Armierung aus Glasfasern, wobei als Keramik besonders bevorzugt eine isolierende Oxidkeramik eingesetzt werden kann.

Vorteilhafterweise wird zur Warm- oder Halbwarmumformung um die Matrize herum eine Heizvorrichtung angeordnet, um den umzuformenden Werkstoff innerhalb der Matrize zu erwärmen und somit die Wärme gezielt an den Ort der Umformung zu bringen.

Als Heizvorrichtung kann jede geeignete Heizvorrichtung verwendet werden, die bei solchen Matrizen sinnvoll einsetzbar ist.

Vorzugsweise wird die Heizvorrichtung als Induktionsheizung ausgeführt, mit der sich der umzuformende Werkstoff in der Matrize sehr gut und gezielt erwärmen läßt, was einen energiesparenden Betrieb gestattet.

Bei einer ganz besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Armierung aus Glasfasern gebildet, die Preßbüchse aus einer isolierenden Oxidkeramik und um die Matrize ist eine Induktionsheizung angeordnet. Da dabei die Armierung aus Glasfasern und die Preßbüchse aus isolierender Oxidkeramik isolierende Stoffe sind, kann das Werkstück in der Matrize besonders effektiv und rasch über die eingesetzte Induktionsheizung ganz gezielt und ohne unerwünschte Wärmeabgabe nach außen erhitzt werden. Da die beiden eingesetzten isolierenden Werkstoffe auch schlechte thermische Leiter sind, können bei dieser Ausführung der Erfindung auch Werkstücke von weniger als 50 g warm umgeformt werden, da von der Matrix die Wärme nicht so rasch abgeleitet wird, wie dies z. B. bei metallischen Matrizen der Fall ist. In letzteren konnten bislang Werkstücke mit einem Gewicht von weniger als 50 g so nicht umgeformt werden, da ihnen aufgrund ihres geringen Gewichtes die Wärme durch die Metallmatrizen wieder zu schnell entzogen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Matrize, bei der die Armierung nur ganz prinzipiell und nur über einen Mittelabschnitt hinweg dargestellt ist;

Fig. 2 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Matrize nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Fasermatte aus Verstärkungsfasern, wie sie als Armierung bei einer erfindungsgemäßen Matrize eingesetzt werden kann.

In Fig. 1 ist in einer rein schematischen Darstellung und in einer perspektivischen Schrägansicht eine Matrize 1 dargestellt, die aus einer Preßbüchse 2 besteht, die in ihrer Mitte mit einem zentralen Preßdurchgang 3 zum Verpressen des gewünschten Materiales, etwa durch Warmfließpressen, versehen ist. Dabei weist die Preßbüchse 2 einen Außendurchmesser von 100 mm auf, während der Durchmesser des Preßdurchganges 3 bei 50 mm liegt. Die Preßbüchse 2 besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Al2O3 und ist durch Sintern hergestellt. Sie könnte jedoch auch aus einem anderen geeigneten Material bestehen, insbesondere aus einer anderen oxidischen Keramik.

Die Preßbüchse 2 ist mit einer Armierung 4 versehen, die aus einem auf den Außenumfang der Preßbüchse 2 aufgewickelten endlosen Glasfaserstrang 5 besteht. Zur besseren Veranschaulichung und zur nur prinzipiellen Darstellung sind in Fig. 1 nur über einen mittleren Bereich der Preßbüchse 2 hinweg einzelne, stark vergrößert und mit großen Windungsabständen zueinander dargestellte Windungen des Glasfaserstranges 5 angegeben. Tatsächlich soll die in Fig. 1 dargestellte Matrize 1 aber über ihre gesamte axiale Länge hinweg eine Armierung 4 mittels des Glasfaserstranges 5 derart erhalten, daß die einzelnen Windungen des Glasfaserstranges 5 unmittelbar nebeneinander und über die gesamte axiale Länge der Spannhülse 2 hinweg angebracht sind. Dabei kann nur eine Lage solcher Windungen des Glasfaserstranges 5 vorgesehen sein, es ist jedoch gleichermaßen (und bevorzugt) möglich, wenn am Außenumfang der Preßbüchse 2 mehrere übereinander liegende Lagen von Glasfasersträngen 5 aufeinander gewickelt sind, wie dies bei der prinzipiellen Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Matrize 1 in Fig. 2 angedeutet ist.

Die Matrize 1, deren Länge 115 mm bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beträgt, kann über ihre gesamte Länge hinweg soweit in Mehrfachlagen mit Verstärkungsfasern 5 umwickelt werden, daß ihr Außendurchmesser bis zu 260 mm beträgt.

Die Preßbüchse 2 ist längs einer Durchmesserebene T-T in zwei Hälften getrennt, welche durch die Armierung 4 zusammengehalten werden.

Da eine optimale Kräfteaufnahme durch die umwickelnden Verstärkungsfasern dann gegeben ist, wenn die Faserwicklungen sich (im Idealfall, der praktisch aber nicht erreichbar ist) in Wickelebenen senkrecht zur Längsachse der Preßbüchse 2 erstrecken würden, ist man bestrebt, unter einem Winkel zur Längsachse der Spannbüchse 2 zu wickeln, der möglichst wenig von dem (nicht erreichbaren) theoretischen Idealfall einer Lage von 90° zur genannten Längsachse liegt. Die Abweichung α von dieser Ideallage sollte kleiner als 15° sein.

Die Wicklung kann als Parallelwicklung ausgeführt sein, wobei die Verstärkungsfasern 5 direkt nebeneinander oder, falls dies sinnvoll ist, mit einem kleinen Abstand voneinander verlaufen. Die Wicklung kann jedoch auch in Form einer Kreuzwicklung ausgeführt sein, bei der ein Verstärkungsfaserstrang 5 in einer Wickelrichtung und ein anderer Verstärkungsfaserstrang 5 in einer hierzu gekreuzten Wickelrichtung liegt. Es können auch verschiedene, radial übereinander liegende Wicklungen einer Verstärkungsfaserschicht in einer Richtung, in der nächsten Verstärkungsfaserschicht in einer davon abweichenden Richtung, in der nächsten Verstärkungsfaserschicht wieder in der ersten oder einer noch anderen Richtung ausgerichtet sein usw. Es besteht auch die Möglichkeit, daß bei unterschiedlichen Verstärkungsfaserschichten, die radial übereinander gewickelt sind, in unterschiedlichen Schichten unterschiedliche Verstärkungsfasermaterialien und/oder Verstärkungsfasern mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden.

Bevorzugt werden die Verstärkungsfasern der Armierung 4 unter einer vorgegebenen Vorspannung um die Preßbüchse 2 gewickelt, wodurch die Bruchanfälligkeit der Matrize 1 als hochbeanspruchtes Hohlformwerkzeug reduziert wird, weil dadurch die Gefahr von Gewalt- und/oder Ermüdungsbrüchen, wie sie z. B. insbesondere bei einer Kaltmassivumformung gegeben sein können, deutlich reduziert wird. Die aufgebrachte Vorspannung wird dabei entsprechend den Vorgaben des Fachmanns gewählt.

Eine solche Matrize 1 kann bei einem Umformvorgang, z. B. bei einem Warmfließpressen, mit einem Innendruck von mehr als 2300 N/mm2 belastet werden.

Der in Fig. 2 gezeigte prinzipielle Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Matrize 1 (die nicht der Ausführungsform aus Fig. 1 entspricht) kann z. B. zur Drahtherstellung (Drahtziehen) eingesetzt werden, die bevorzugt bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.

Bei den Verfahren nach dem Stand der Technik ist es üblich, hier den Ausgangswerkstoff auf eine Temperatur von etwa 400°C bis 1200°C zu erwärmen und dann in das Werkzeug einzusetzen, wonach die Verpressung stattfindet. Dafür ist allerdings ein großer Energieaufwand erforderlich, da auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt werden muß, um dem Ausgangswerkstoff während des Umformvorgangs noch eine ausreichende, erwünschte Temperatur zu vermitteln. Dieser große Energieaufwand soll mittels der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform einer Matrize 1 herabgesetzt werden:

Bei dieser Ausführungsform besteht die Preßbüchse 2 aus einem Matrizeneinsatz 6 und einem diesem radial umfassenden Stützkern 7, wobei beide Teile aus Al2O3 gebildet werden. Der Matrizeneinsatz 6 und der Stützkern 7 bilden zusammen die Preßbüchse 2.

Wie Fig. 2 weiter zeigt, ist der Stützkern 7 radial auf seiner Außenseite mit einer Armierung 3 versehen, die sich aus einer radial mehrlagigen Umwicklung der Außenfläche der Preßbüchse 2 durch endlose Faserstränge aus Verstärkungsfasern 5 zusammensetzt. Diese Verstärkungsfaserstränge bestehen alle aus Glasfasern mit einem Querschnitt von 5 mm. Es wäre jedoch auch möglich, zunächst direkt auf der Außenoberfläche des Stützkerns 7 eine Lage von Glasfasern mit einem Faserdurchmesser von z. B. 1,5 mm zu wickeln, darüber eine Lage mit Glasfasern eines etwas größeren Durchmessers von z. B. 1,8 mm, darüber eine Glasfaserlage mit einem noch etwas größeren Durchmesser von z. B. 2 mm usw., d. h. der Durchmesser der aufgewickelten Glasfasern nimmt mit radial zunehmender Verstärkungsfaserlage etwas zu. Dadurch wird erreicht, daß in unmittelbarer Nähe des Außenumfangs der Spannbüchse zwei relativ eng beieinander liegende Glasfaserlagen mit einem relativ großen Anteil an flächiger Berührung auf der Außenoberfläche der Spannbüchse vorliegen, während dieser Effekt dann abnimmt, je weiter die nächste oder übernächste Glasfaserlage radial nach außen liegt.

Um die Armierung 4 ist, wie Fig. 2 zeigt, schließlich noch ein Außenmantel 8 angebracht, der sie umgibt und radial von außen her hält und die gesamte Matrize 1 auch vor äußerer Einflußnahme schützen kann. Auch dieser Außenmantel kann wiederum aus Al2O3 gebildet sein. Es besteht jedoch ohne weiteres auch die Möglichkeit, den Matrizeneinsatz 6 und/oder den Stützkern 7 und/oder den Außenmantel 8 auch aus einem anderen Werkstoff zu bilden, z. B. aus einer isolierenden oxidischen Keramik. Bei der Armierung 4 könnten neben den bereits genannten Glasfasersträngen 5 ohne weiteres auch Kohlefaserstränge oder eine Mischung aus beiden Fasern eingesetzt werden.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 ist radial in einem gewissen Abstand außen um die Matrize 1 herum eine Heizvorrichtung 9 angebracht, die in Fig. 2 nur prinzipiell angedeutet ist. Diese Heizvorrichtung 9 wird besonders bevorzugt als eine Induktionsheizung ausgebildet.

Da die Matrize 1 aus Bestandteilen aufgebaut ist, die alle aus Materialien bestehen, die keine elektrischen Leiter sind, sondern, wie weiter oben ausgeführt, aus einer isolierenden oxidischen Keramik bestehen können, kann durch die Induktionsheizung 9 bewirkt werden, daß genau und nur das zu verpressende Material innerhalb des Preßdurchgangs 3 gezielt erwärmt wird. Infolge des Aufbaus der Matrize 1 wird die im Preßdurchgang 3 im dort vorhandenen Material erzeugte Wärme auch nicht rasch wieder vom umzuformenden Werkstoff abgeführt, da die Wärmeableitung infolge der eingesetzten isolierenden oxidischen Keramik verhindert wird. Auf diese Weise wird eine stets ausreichende Erwärmung innerhalb des zu verformenden Werkstoffs während des ganzen Umformungsvorgangs stets sichergestellt, so daß auch recht kleine Werkstücke, etwa dünne Drähte, problemlos warm umgeformt werden können.

Damit ist auch der Energieaufwand zur Erwärmung des Materiales vergleichsweise gering und die Temperatur beim Umformen kann genauer als bei bisher bekannten Matrizen geregelt werden, was auch für das in der Matrize 1 umzuformende Werkstück wichtig ist.

Fig. 3 zeigt eine Perspektivansicht einer Fasermatte 10 aus Verstärkungsfasern, die anstelle der in Fig. 1 gezeigten Umwicklung der Preßbüchse 2 durch Verstärkungsfaserstränge als Armierung 4 eingesetzt werden könnte, wobei dann nur die freien Enden der Fasermatte 10 bei der Montage in geeigneter Weise festgelegt werden, z. B. durch Klammern o. ä.

Wie Fig. 2 weiterhin zeigt, ist innerhalb des Preßdurchgangs 3 im Matrizeneinsatz 6 eine Durchmesserverjüngung bei 11 zur Verringerung des Durchgangsquerschnitts und zur Formgebung des mit der Matrize zu erzeugenden Drahtdurchmessers vorgesehen.

Wegen der sehr prinzipiellen Darstellung der Figuren sei darauf hingewiesen, daß die in den Figuren zwischen den verschiedenen Teilen wiedergegebenen Größenverhältnisse nicht unbedingt die relativen Größenverhältnisse darstellen, wie sie bei der praktischen Ausführung solcher Matrizen tatsächlich auftreten. Dies gilt insbesondere für die radialen Ausdehnungen der einzelnen Matrizenbestandteile im Vergleich zueinander.


Anspruch[de]
  1. 1. Matrize (1) für hochbeanspruchte Hohlformwerkzeuge mit einer Preßbüchse (2) und einer diese umschließenden Armierung (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (4) zumindest im wesentlichen aus Verstärkungsfasern bzw. -Faserstränge (5) besteht, die den Außenumfang der Preßbüchse (2) umlaufen.
  2. 2. Matrize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern (5) Kohlenstoff-, Bor- und/oder Glasfasern sind.
  3. 3. Matrize nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (4) die Preßbüchse (2) mit einer vorgewählten Spannung umschließt.
  4. 4. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (4) aus endlos die Preßbüchse (2) umwickelnden Verstärkungsfasersträngen (5) besteht.
  5. 5. Matrize nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaserstränge (5) unter einem Winkel (α) von kleiner als 15° zur Radialebene der Preßbüchse (2) gewickelt sind.
  6. 6. Matrize nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaserstränge (5) um die Preßbüchse (2) kreuzgewickelt sind.
  7. 7. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (4) in Form mindestens einer Fasermatte die Preßbüchse umschließt.
  8. 8. Matrize nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatte (10) mehrfach um den Umfang der Preßbüchse (2) herumgewickelt ist.
  9. 9. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßbüchse (2) aus einem Werkstoff aus der Gruppe Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle, Schnellarbeitsstähle, Ferrotitanat, Hartmetalle, Cermets und/oder keramische Werkstoffe besteht.
  10. 10. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßbüchse (2) aus einem Matrizeneinsatz (6) besteht, der von einem Stützkern (7) umgeben ist.
  11. 11. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (4) von einem Außenmantel (8) eingeschlossen wird.
  12. 12. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßbüchse (2) geteilt ist.
  13. 13. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßbüchse (2) aus Keramik besteht und die Verstärkungsfasern (5) der Armierung (6) Glasfasern sind.
  14. 14. Matrize nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik eine isolierende Oxidkeramik ist.
  15. 15. Matrize nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um die Matrize (1) eine Heizvorrichtung (9) angeordnet ist.
  16. 16. Matrize nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (9) als Induktionsheizung ausgebildet ist.






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