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Verfahren zum Herstellen von mit einem Kopf versehenen Werkstücken
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von mit einem Kopf versehenen Werkstücken zu schaffen, welches die Erzielung vorteilhafterer und wirksamerer Ergebnisse, als dies bisher möglich war, gestattet und insbesondere die Möglichkeit bietet, Werkstücke zu erzeugen, die nach den bisherigen Verfahren nicht auf vergleichbar einfache Weise gefertigt werden konnten.
Bekanntlich ist die Werkstoffmenge, die in einem Stauchvorgang einwandfrei aufgestaucht werden kann, an sehr enge Grenzen gebunden. Es war bisher üblich, bei der Herstellung von mit einem Kopf versehenen Werkstücken von Draht-oder Stangenmaterial von verhältnismässig kleinem Durchmesser auszugehen und das eine Ende des abgetrennten Rohlings auf den gewünschten Kopfdurchmesser aufzustauchen. Wegen der hiebei zu beachtenden Grenzen der zu stauchenden Materialmenge war das Enderzeug - nis an bestimmte Formen gebunden, so dass insbesondere die Herstellung von Köpfen an derartigen Werkstücken, die mehr als das 20fache des Schaftvolumens betragen, bisher nicht möglich war.
Es ist zwar ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit erhöhter Festigkeit durch Kaltumformung bekannt, welches vorsieht, dass ein Teil des Werkstücks nacheinander gestaucht und verlängert wird, um eine mehrmalige Festigkeitserhöhung ohne nachfolgende thermische Vergütung zu erzielen.
Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass hiebei ein Werkstückteil, der zuvor durch Stauchen eine erhöhte Festigkeit angenommen hat, anschliessend nochmals fliessgepresst wird, ein Vorgang, der auf Grund der erhöhten Materialfestigkeit insbesondere für die Herstellung von Massenartikeln unwirtschaftlich ist. Bei dem bekannten Verfahren ist es auch überflüssig, eine Werkstoffverfestigung durch vorheriges Stauchen, die dann durch Fliesspressen wieder rückgängig gemacht wird, zu erzielen, weil die bei einmaliger Verformung eintretende Werkstoffverfestigung für die meisten in Frage kommenden Zwekke vollständig ausreicht und bei vorgängigem Stauchen durch das Fliesspressen eine stärkere Reduktion des Querschnitts erforderlich wird, als sie ohne Vergrösserung des ursprünglichen Durchmessers notwendig wäre.
Es sind ferner Vorrichtungen zum Fliesspressen bekanntgeworden, bei denen eine Matrize mit einer konkav gewölbten Einzugsfläche verwendet wird. Diese bekannten Vorrichtungen dienen jedoch ausschliesslich zur Herstellung von Schraubenbolzen mit Köpfen von rechteckigem Querschnitt durch Strangpressen, wobei keinerlei Stauchung des Werkstückkopfes vorgesehen ist, die nach dem vorherigen Fliesspressen des Schaftteils erfolgt.
Es ist schliesslich noch ein Verfahren zum Strangpressen bekannt, welches eine Matrize mit einer konkaven Einzugsfläche verwendet.
Demgegenüber wird durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von mit einem Kopf versehenen Werkstücken vorgeschlagen, welches sich dadurch kennzeichnet, dass vorerst von einem auf Länge abgetrennten Rohling ein dem Schaft am fertigen Werkstück entsprechender Teil durch Kaltfliesspressen in einer Matrize reduziert wird, deren weiter dem Rohlingsdurchmesser entsprechender Teil mit einer konkaven Fläche in die Fliesspressöffnung übergeht und anschliessend der bisher unbearbeitete Teil des Rohlings in einer zweiten Matrize zu einem Kopf von der endgültigen Form fertigbearbeitet wird. Hiebei kann der vorerst nicht durch Kaltfliesspressen reduzierte Teil auf einfache und wirtschaftliche Weise in die gewünschte Form gebracht werden, ohne dass beim Anstauchen des Werkstücks die hiefür zulässigen Grenzen überschritten werden.
Es hat sich auch gezeigt, dass eine mit einem konkaven Bodenteil
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mässen Verfahren herstellbare Befestigungsteile gelten kann. In den Fig. 2-7 sind die einzelnen Fertigungsstufen des in Fig. 1 gezeigten Werkstücks dargestellt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht das Werkstück 10 aus einem zylindrischen Kopfteil 12 mit einem Flansch 14, dessen Durchmesser grösser als der des Kopfes ist. Vom gegenüberliegenden Ende des Kopfes 12 geht ein im Durchmesser dünnerer Schaft 16 aus. Das Werkstück 10 ist ein bei der Herstellung von Elektromagneten verwendeter Teil und bildet ein Beispiel für solche Stücke, die bisher normalerweise auf Schraubenherstellungsmaschinen gefertigt wurden.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird zunächst ein zylindrisch geformter Rohling 17, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, von vorgegebener Länge von Stangen-oder Drahtmaterial (nicht gezeigt) von vorgegebenem Durchmesser abgetrennt. Vorzugsweise wird das Volumen des abgetrennten Rohlings im wesentlichen so bemessen, dass es im Volumen dem herzustellenden Werkstück entspricht, obwohl es in bestimmten Fällen auch notwendig oder erwünscht sein kann, dass der Rohling ein grösseres
Volumen als das fertige Werkstück aufweist. Es ist jedoch einer der Vorzüge des erfindungsgemässen Ver- fahrens, dass in zahlreichen und wahrscheinlich den meisten Fällen ohne Überschuss an Rohmaterial gear- beitet werden kann. Nachdem der Rohling 17 abgetrennt worden ist, wird er in eine Fliesspressmatrize 18 eingelegt, wie sie im einzelnen in Fig. 5 gezeigt ist.
Ein Teil des Rohlings 17 wird zur Bildung des Schafts 16 fliessgepresst, während ein im wesentlichen unbearbeiteter Kopfteil 19, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, erhalten bleibt.
In den Fig. 5-7 und 12. 14 sind lediglich die Matrizeneinsätze gezeigt, die üblicherweise in die Matrizenblöcke eingesetzt werden. Der Einfachheit halber werden im folgenden jedoch die Einsätze als Matrizen bezeichnet.
Nach Fig. 5 besteht die Fliesspressmatrize 18, welche erfindungsgemäss verwendet wird, aus einem Block, in welchem ein im wesentlichen gerader oder zylindrischer Hohlraum ausgebildet ist und der durch die Wandung 20 umschlossen ist. Der Durchmesser Dl ist so gewählt, dass der Rohling 17 in den Hohlraum hineinpasst, während die Länge des zylindrischen Teils mit der Seitenwandung 20 etwas grösser als die des Rohlings 17 ist. Das in Pressrichtung vorn liegende Ende des Hohlraums verengt sich über eine konkav gekrümmte Fläche 21, die ihrerseits an der Fliesspressöffnung 22 endet. Der Durchmesser Dl der Fliesspressöffnung entspricht im wesentlichen demjenigen des Schafts 16.
Der an die Öffnung 22 anschlie- ssende zylindrische Teil ist verhältnismässig kurz und öffnet sich zu einem Aufnahmehohlraum 24, der im Durchmesser etwas grösser als die Fliesspressöffnung bemessen ist und durch den der fliessgepressteSchaft16 während des Pressvorganges frei hindurchgehen kann.
Der genaue Krümmungsradius der Fläche 21, der mit R bezeichnet ist, ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung, sondern kann erheblich variieren. Im allgemeinen ist jedoch ein grosser Radius vorzuziehen, insbesondere dann, wenn mit spröden Legierungsmetallen gearbeitet wird oder wenn die Form des fertigen Werkstücks keinen scharfen Übergang zwischen Kopf und Schaft erfordert. Ohne dass hiedurch eine Einschränkung gegeben wird, hat sich gezeigt, dass vorteilhafterweise ein Krümmungsradius R gewählt wird, der nicht grösser als der Unterschied zwischen dem Durchmesser D des zylindrischen Abschnitts 20 und dem Durchmesser D, des die Öffnung 22 bildenden Abschnitts ist.
Unter bestimmten Umständen, beispielsweise wenn weichere Metalle verarbeitet werden oder auch aus andern Gründen kann es wünschenswert sein, einen möglichst kleinen Krümmungsradius für den gekrümmten Wandungsteil 21 zu wählen. Ver- suche haben ergeben, dass es nicht ratsam ist, den Krümmungsradius wesentlich kleiner als die halbe Dif- Di-Dx
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wohl er in bestimmten Fällen auch kleiner sein kann. Es ist wesentlich, dass die gekrümmte Fläche 21 tangential in den zylindrischen Wandungsteil 20 übergeht.
Um einen Teil des Rohlings 17 durch die Öffnung 22 zu pressen und den Schaft 16 herzustellen, wird vom Ende her mit Hilfe eines Stempels 28 Druck auf den Rohling ausgeübt. Die gekrümmte Oberfläche 21 der Fliesspressmatrize 18 zwingt die vorn und aussen liegenden Teile des Rohlings, zunächst nach innen zur Längsachse des Rohlings hin auf einer sanft konvexen Kurve zu fliessen und dann unter plötzlicher Richtungsänderung parallel zur Achse des Rohlings weiter vor zu wandern. Die Seitenfläche des Rohlings, die innerhalb des durch eine gerade Wandung begrenzten Teils 20 liegt, wird hiebei natürlich durch die Matrize an irgendwelcher grösserer seitlicher Verformung während des Fliesspressvorgangs gehindert.
Das Fliesspressen wird beendet, wenn für die Bildung des Schafts ausreichend Metall durch die Öffnung 22 hindurchgedrückt worden ist und der Kopfteil 19 ein Volumen hat, wie es dem Kopf des fertigen Werkstücks entspricht. Der halb bearbeitete Rohling 30 wird sodann aus der Fliesspressmatrize 18 dadurch entfernt, dass der Stempel 28 zurückgezogen und der Rohling 30 mit Hilfe eines Auswerferdorns 29 aus der Matrize ausgestossen wird. Der halb fertige Rohling wird sodann zur weiteren Bearbeitung der nächsten
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35 Tonnen war erforderlich. Eine ähnliche Querschnittsverminderung. wurde mit einerMatrizemitkoni- schem Übergang versucht. Das Fliesspressen begann jedoch erst bei Anwendung von einem Druck von
90 Tonnen, durch den jedoch der Druckstempel ausfiel.
Zusätzlich zu der erheblichen Verminderung des aufzubringenden Druckes, durch den sich das erfin- dungsgemässe Verfahren auszeichnet, wird die Lebensdauer der Fliesspressmatrize wesentlich verlängert.
Bei mit konischem Übergang ausgestatteten Fliesspressmatrizen nahm die Standdauer progressiv und ausser- ordentlich schnell ab, wenn die Querschnittsverminderungen über 40-50su0 lagen. Es ist : anzunehmen, dass die Verkürzung der Lebensdauer auf Verschleiss des konusförmigen Übergangs im Bereich. der ersten Berüh- rung mit dem Rohling beruht, wodurch sich ein zunehmender Reibungswiderstand entwickelt, der der
Bewegung des Metalls entgegenwirkt und schliesslich zur baldigen Unbrauchbarkeit der Matrize führt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren jedoch haben Matrizen, mit denen Querschnittsverringerungen im Bereich von 70 und 80axe vorgenommen werden, eine zufriedenstellend lange Standdauer bewiesen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird die Herstellung von Sechskantschrauben 68 beschrieben, wie sie in den Fig. 8-14 dargestellt sind. Wie zunächst der Fig. 11 zu entnehmen ist, bestehen derartige
Werkstücke nach dem Fliesspressen und dem Stauchen des Kopfes aus einem langgestreckten Schaft 70 und einem sechskantigen Kopf 72, der schaftseitig eine vergrösserte Grundfläche oder eine Scheibe 74 bildet, die einstückig mit dem Kopf ist. Als erster Herstellungsvorgang wird zunächst ein zylindrischer
Rohling 76, wie in Fig. 8 gezeigt ist, von vorbestimmter Länge von entsprechendem Rohmaterial (nicht gezeigt) abgetrennt, welches im wesentlichen den gleichen Durchmesser hat, wie der Kreis, auf dem die
Kanten zwischen den Flächen 72 am Kopf des fertigen Werkstücks liegen.
Das Volumen des Rohlings 76 entspricht vorzugsweise im wesentlichen dem Volumen des herzustellenden Bolzens. Der Rohling 76 wird zunächst in eine Fliesspressmatrize 78 eingelegt, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist. Diese Matrize weist einen Hohlraum auf, der durch eine gerade Seitenwandung 80 begrenzt ist und einen Durchmesser D hat. Der Durchmesser des Matrizenteils 80 ist so bemessen, dass der Rohling 76 gerade hineinpasst. Die Länge des Teils 80 der Matrize ist vorzugsweise etwas grösser als die des Rohlings 76. Am in Druckrichtung vorderen Ende des Hohlraums ist eine konkav gekrümmte Leitfläche 82 ausgebildet, die an einer kreisförmigen Fliesspressöffnung 84 endet. Der Durchmesser der Öffnung 84 ist mit D bezeichnet, und entspricht im wesentlichen dem Durchmesser des Schafts 70.
Die Fliesspressmatrize gleicht der in Fig. 5 gezeigten Matrize in ihren wesentlichen Teilen und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden.
Wie zuvor beschrieben wurde, wird ein längsgerichteter Druck mit Hilfe eines Stempels 92 auf den Rohling 76 ausgeübt, der sich hiedurch zu einer vorgegebenen Endstellung im Inneren des Hohlraums bewegt, in der er die Gestalt des halbbearbeiteten Rohlings 94, wie er in Fig. 9 gezeigt ist, angenommen hat. Dieser teilbearbeitete Rohling besteht aus einem langgestreckten Schaftteil 70, der dem Schaft 70 des fertigen Bolzens entspricht, sowie aus einem im wesentlichen unbearbeiteten Kopfteil 96, dessen Volumen im wesentlichen demjenigen des Kopfes 76 und der Scheibe 74 des fertigen Werkstücks gleich ist.
Nach dem Fliesspressen des Schaftes 70 wird das halbfertige Werkstück 94 aus der Matrize 78 auf geeigr. ete Weise, beispielsweise durch einen Auswerferdorn 98, entfernt. Sodann wird der Schaft 70 in eine Haltematrize 100 (Fig. 13) eingeführt, deren Öffnung 102 den Schaft 70 fest umgreift. Auf den Kopfteil 96 wird sodann eine Fliesspressmatrize 104 zur Einwirkung gebracht, deren Hohlraum aus einem zylindrischen Eingangsteil 106 mit etwas grösserem Durchmesser als dem Durchmesser des Kopfteils 96 besteht und hinter der konvergierende Flächenteile 107 angeordnet sind, die zu einer sechseckigen Öffnung 108 führen, welche von sechs Abflachungen 110 umgeben ist. Die Öffnung hat daher einen Querschnitt, der im wesentlichen dem Querschnitt des sechseckigen Kopfes 72 entspricht.
Die Öffnung 108 ist verhältnismässig kurz bemessen, so dass sich der Hohlraum 114 wieder erweitert, um hiedurch ein Fressen des durch die Öffnung fliessgepressten Teils des Kopfes zu verhindern. Die Fliesspressmatrize 104 wird über den Kopfteil 96 gedrückt, so dass der Kopf durch die Öffnung 108 in die bei 116 in Fig. 10 dargestellte Form fliessgepresst wird.
Der Kopfteil 116 wird danach in seine endgültige Gestalt 72 gebracht, indem er mit einer Stauchmatrize 120, wie sie beispielsweise in Fig. 14 dargestellt ist, geschlagen wird. In der Matrize ist ein Hohlraum 122, der der gewünschten Form des fertigen Kopfes entspricht. Das innen liegende Ende 124 des Hohlraums 122 tritt mit dem Ende des Kopfteils 116 in Berührung und sorgt somit dafür, dass Metall des Kopfteils 116 in Richtung der Matrize 100 verdrängt wird, um auf diese Weise den Teil des Werkstücks, der gegenüber der Ausnehmung 126 liegt, in diese Ausnehmung zu verdrängen. Nachdem der Kopf 72 und die Scheibe 74 auf diese Weise fertiggestellt sind, wird die Matrize 72 zurückgezogen und der fertige Bolzen mit Hilfe eines Auswerferdorns 98 oder anderer geeigneter Mittel ausgestossen.
Der Bolzen
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kann dann, falls es gewünscht wird, weiterbearbeitet werden.
Die gleichen Vorteile, die bei der Herstellung des Werkstücks 10 erzielt werden und zuvor aufge- führt sind, liegen auch bei der Herstellung des Bolzens 68 nach dem erfindungsgemässen Verfahren vor.
Das heisst, dass der Bolzen mit geringeren Kosten und schneller nach dem erfindungsgemässen Verfahren als nach den andern bekannten Verfahren hergestellt werden kann.
Ein weiterer Vorteil bei der Herstellung des Bolzens 68 ergibt sich daraus, dass bei der erheblichen
Querschnittsverminderung des Rohlings 76 zur Bildung des Schaftes 70 die Dehnfestigkeit des Schaf- tes ausserordentlich zunimmt.
So wurden beispielsweise Proben aus AISI 1038 Stahl mit einer durchschnittlichen Dehnfestigkeit von etwa 5,969 t/cm2 mit Hilfe von Fliesspressen um etwa 70% in ihrem Querschnitt vermindert. Die durch- schnittliche Dehnfestigkeit des fliessgepressten Stahls hat sich um annähernd 60% bzw. auf 9, 6074 tl cm2 erhöht. Die Zunahme der Dehnfestigkeit des Bolzenschafts, wie sie bei Anwendung des erfindungsgemä- ssen Verfahrens eintritt, ist von grossem Vorteil, weil Bolzen des beschriebenen Typs häufig für Zwecke benutzt werden, bei denen sie einer erheblichen Axialbelastung standzuhalten haben. Wenn derartige Bol- zen auf der Drehbank gefertigt werden, ist es häufig notwendig, besonders teures Rohmaterial zu ver- wenden oder die Werkstücke nachträglich warm zu behandeln.
Bisweilen müssen auch beide Wege gleich- zeitig beschritten werden, damit das fertige Erzeugnis die gewünschte Festigkeit aufweist. Da fernerhin bei dem erfindungsgemässen Verfahren der Kopfteil 94 im wesentlichen bei der zuerst erfolgenden Fliess- pressung unbearbeitet bleibt, treten keine Schwierigkeiten bei der nachfolgenden Herstellung des Sechs- kants und beim Stauchen der Scheibe 72 auf. Es ist daherkeinerlei Zwischenglühen erforderlich. Selbstverständlich ist die grosse Zunahme der Festigkeit, die bei der Kaltbearbeitung des Schaftteils nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzielt wird auch bei der Herstellung von vielen andern Gegenständen von grossem Nutzen.
Es muss schliesslich noch darauf hingewiesen werden, dass die Bolzen 68 oder andere ähnliche Gegenstände, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden sind, einen Faserverlauf haben, der auf jeden Fall wesentlich vorteilhafter ist, als derjenige, der bei der Fertigung gleicher Gegenstände nach andern Verfahren auftritt.
Obwohl die Erfindung vorstehend'nur im Zusammenhang mit zwei verschiedenen Werkstücken beschrieben worden ist, ist sie selbstverständlich nicht allein hierauf beschränkt, sondern kann bei der Fertigung zahlreicher Werkstücke Verwendung finden. Desgleichen können die im einzelnen beschriebenen Vorrichtungen auf vielfältige Weise abgewandelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von mit einem Kopf versehenen Werkstücken, dadurchgekennzeichnet, dass vorerst von einem auf Länge abgetrennten Rohling ein dem Schaft am fertigen Werkstück entsprechender Teil durch Kaltfliesspressen in einer Matrize reduziert wird, deren weiter dem Rohlingsdurchmesser entsprechender Teil mit einer konkaven Fläche in die Fliesspressöffnung übergeht und anschliessend der bisher unbearbeitete Teil des Rohlings in einer zweiten Matrize zu einem Kopf von der endgültigen Form fertig bearbeitet wird.