-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochpräzisen bolzenförmigen Elements
mit einem Schaft und einem warmumgeformten Kopf sowie ein derartiges
bolzenförmiges
Element und eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen bolzenförmigen Elements.
Das bolzenförmige Element
ist insbesondere ein Auswerterstift, ein Schneidstempel, ein Vorstaucher,
ein Fließpressstempel,
ein Stempel oder eine Ritzelwelle.
-
Auswerterstift
und auch Schneidstempel weisen üblicherweise
einen zylindrischen Schaft mit einem endseitigen Kopf auf. Der Schaft
kann als Hülse
oder als Vollmaterial ausgebildet sein. Der Kopf ist beispielsweise
als Zylinderscheibe oder als Senkkopf ausgebildet. Auswerferstifte
werden bei Formwerkzeugen eingesetzt, beispielsweise Spritzgusswerkzeuge,
um nach dem Formungsvorgang das geformte Bauteil aus der Werkzeugform
auszustoßen.
Bei Schneidstempeln ist das dem Kopf abgewandte Ende des Schafts üblicherweise
scharfkantig ausgebildet. Die Schneidstempel dienen beispielsweise zum
Durchstanzen von Blechen. Die Schneidstempel sowie die Auswerterstifte
werden aus geeigneten Stählen
hergestellt. Dies sind beispielsweise legierte Kaltarbeitsstähle (WS),
Warmarbeitsstähle
(WAS) oder pulvermettalurgisch hergestellte Schnellarbeitsstähle, hochlegierte
Kaltarbeitsstähle
(HWS), Hochleistungsschnellarbeitsstähle (HSS) usw. Insbesondere
bei den Schneidstempeln dient der Kopf als Angriffselement für eine Rückstellkraft,
um den Schneidstempel aus dem gestanzten Loch wieder in die Ausgangsposition
zurückzuziehen. Ähnliches
gilt für
Auswerferstift, Vorstaucher, Fließpressstempel und Stempel,
die im Einsatz eine wechselnde Zug- und Druckbelastung auf den Kopf
erfahren und diese am Übergang
an den Schaft weitergeben. Während bei
Ritzelwellen das Moment vom Zahnrad auf die Welle weitergegeben
wird und deshalb der Übergang als
besonders belastet zu bezeichnen ist.
-
Der
Kopf bzw. der Übergang
zwischen Kopf und Schaft ist daher hohen Belastungen ausgesetzt. Insgesamt
handelt es sich bei diesen Elementen um hochpräzise Teile, deren Außenabmessungen
und Materialeigenschaften nur innerhalb enger Toleranzgrenzen variieren
dürfen.
Die Spezifikationen für
die Schneidstempel ergeben sich beispielsweise aus DIN 9861, ISO
8020, DIN 9844, DIN 9840 und für Quadrat-/Rechteck-
oder Profilstempel nach DIN 9846. Die Spezifikationen für Auswerferstifte
bestimmen sich beispielsweise nach DIN ISO 6751, DIN ISO 8694, DIN
1530, DIN ISO 8693, DIN ISO 8405 sowie DIN IOS 6751.
-
Der
Kopf dieser Elemente wird üblicherweise durch
ein Warmumformverfahren ausgebildet. Hierzu wird der Schaft in einem
Teilbereich des auszubildenden Kopfes auf Schmiedetemperatur, d.h.
je nach Stahlart auf eine Temperatur von etwa 850° bis 1300° erwärmt. Anschließend wird
mit Hilfe einer Matrize und eines zugeordneten Stempels, der gegen
den erwärmten
Schaftteil gepresst wird, der Kopf durch Umformen ausgebildet. Der
Stempel wird hierbei durch einen Hydraulikzylinder oder durch eine
Exzentervorrichtung angetrieben. Hierbei wird der Stempel bis zu einer
definierten Endposition gegen den Schaft mit einer im Wesentlichen
gleichbleibenden Umformgeschwindigkeit gepresst, die bei einer hydraulischen Presse
bei etwa 200 bis 500 mm pro Sekunde und bei einer Exzenter- oder Kurbelpresse
bei 400 bis 600 mm pro Sekunde liegen. Bei diesen Umformverfahren
ergeben sich in der Regel Maßungenauigkeiten,
insbesondere eine Aufdickung im Schaftbereich unter dem Kopf, die
durch Nachbearbeitungsschritte behoben werden. Zudem tritt oft eine
Verschlechterung der Materialeigenschaften auf. Ein besonderer Vorteil
der Warmumformung des Kopfes ist darin zu sehen, dass sich aufgrund
des Warmumformens ein „Faserverlauf", also Orientierungen
im Gefüge
ausbildet, welcher im Wesentlichen der Kopfgeometrie folgt. Im Unterschied
hierzu werden bei Stiften, die durch eine spanende Bearbeitung,
wie beispielsweise Einstechdrehen oder -schleifen, erzeugt werden, die
Faserverläufe
durch den Materialabtrag unterhalb des Kopfes unterbrochen. Insgesamt
besteht hierdurch eine erhöhte
Bruch- und Abrissgefahr des Kopfes. Ein Nachteil der Warmumformung
gegenüber
einer spanenden Bearbeitung ist darin zu sehen, dass aufgrund der
Wärmebehandlung
das Materialgefüge im
Kopfbereich verän dert
wird, und dass somit im Kopfbereich andere Materialeigenschaften,
wie beispielsweise Härte,
vorliegen als im Schaftbereich.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und
einfache Herstellung eines derartigen bolzenförmigen Elements mit guten mechanischen
und werkstofftechnischen Eigenschaften zu ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch ein Verfahren zur Herstellung eines hochpräzisen bolzenförmigen Elements
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Danach ist zur Herstellung
insbesondere eines Auswerferstifts oder eines Schneidstempels, Vorstauchers,
Fließpresstempels, Stempels
oder einer Ritzelwelle eine Warm- oder Halbwarmumformung vorgesehen,
bei der ein Stempel gegen einen in einem umzuformenden Bereich erwärmten Metallstift
mit hoher Stempelgeschwindigkeit größer etwa 3000 mm pro Sekunde
verfahren wird. Insbesondere beträgt die Stempelgeschwindigkeit,
mit der der Stempel zu Beginn des Umformvorgangs gegen den Metallstift
verfahren wird, etwa 5000 bis 8000 mm pro Sekunde.
-
Mit
Hilfe des Stempels wird daher auf den Metallstift kinetische Energie übertragen.
Die Höhe dieser
kinetischen Energie hängt
neben der Geschwindigkeit auch von der Größe der beschleunigten Masse
ab. Allgemein wird bei diesem Verfahren eine – unter den technischen Voraussetzungen – möglichst
hohe Geschwindigkeit eingestellt. In Abhängigkeit der erreichbaren Stempelgeschwindigkeit wird
zweckdienlicherweise die beschleunigte Masse derart gewählt, dass
eine ausreichende kinetische Energie für die Umformung des Metallstifts
oder Stahlstabs bereitgestellt wird.
-
Es
hat sich überraschenderweise
gezeigt, dass mit dieser sehr hohen Geschwindigkeit, die etwa das
Zehnfache der bei Hydraulik- oder Exzenterpressen erreichbaren Geschwindigkeiten
beträgt, deutlich
verbesserte Eigenschaften des gefertigten Auswerferstifts oder Schneidstempels
erreichen lassen. Insbesondere erfolgt aufgrund der hohen Umformgeschwindigkeit
im Bereich des auszubildenden Kopfes keine oder nur eine geringe
Umwandlung des Gefüges,
so dass der warmumgeformte Bereich ein im Wesentlichen identisches
Gefüge
wie der unbehandelte Schaftbereich aufweist. D.h. die Materialeigenschaften
sind über
das gesamte Element weitgehend gleichbleibend, ähnlich wie bei einem durch spanende
Bearbeitung hergestellten Element. Gleichzeitig bleibt jedoch der
Vorteil der Warmumformung, nämlich
der an die Kopfgeometrie angepasste Faserverlauf, erhalten. Durch
das hier beschriebene spezielle Herstellungsverfahren, nämlich Warmumformung
mit sehr hoher Umformgeschwindigkeit, werden daher die Vorteile
der Warmumformung mit denen der spanenden Bearbeitung in vorteilhafter Weise
kombiniert. Durch diese besonders schnelle Umformung lassen sich
materialschonend sehr hohe Maßhaltigkeit
und komplexe Geometrien, wie Vielzähne oder Ritzelwellen herstellen.
-
Um
eine möglichst
einfache gerätetechnische
Ausgestaltung zu ermöglichen,
ist gemäß einer bevorzugten
Weiterbildung zur Erzeugung der hohen Geschwindigkeit sowie der
notwendigen Kraft zur Umformung ein Fallhammer mit einer insbesondere variablen
Masse unter Ausnutzung der Erdbeschleunigung vorgesehen. Gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsvariante
werden daher keine Hydraulik- oder sonstige
Antriebseinheiten für
die Bewegung des Stempels verwendet.
-
Durch
die insbesondere stufenlose Einstellung der Fallhöhe des Fallhammers
sowie durch vorzugsweise stufenlose Einstellbarkeit der Masse des Fallhammers,
der Wahl der Stempelform, der Matrizenform etc. lassen sich die
gewünschten
Arbeitsbedingungen, wie Stempelgeschwindigkeit beim Auftreffen auf
den Metallstift, Impuls des auftreffenden Stempels, kinetische Energie
usw., problemlos an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst einstellen. Die
Einstellungen hängen
hierbei von dem gewählten Werkstoff
des umzuformenden Elements, vom Durchmesser des Schafts usw. ab.
Die Geschwindigkeit von 3000 mm pro Sekunde lässt sich mit einem Fallhammer
bereits bei einer Fallhöhe
von etwa 0,5 m entsprechend der Beziehung v = (2gh)½ erreichen. h
ist hierbei die Fallhöhe
und g die Erdbeschleunigung.
-
Um
eine möglichst
flexible Einstellung der Masse des Fallhammers zu ermöglichen,
werden einzelne Gewichtsplatten miteinander kombiniert, die je nach
gewünschtem
Gesamtgewicht ausgewählt werden.
-
Alternativ
zum Fallhammer wird zur Beschleunigung des Stempels eine über die
Erdbeschleunigung beschleunigte Antriebsmasse herangezogen, die über ein
Umlenk- oder Koppelelement, beispielsweise eine über Umlenkrollen geführte Kette oder
eine steife Stange, mit dem Stempel verbunden ist, und dieser somit
zumindest mittelbar über
die Antriebsmasse durch die Erdbeschleunigung beschleunigt wird.
-
Alternativ
zu der Ausnutzung der Erdbeschleunigung wird zur Beschleunigung
des Stempels auf die Stempelgeschwindigkeit gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
ein komprimiertes Gas schlagartig entspannt. Die Entspannung erfolg
hierbei üblicherweise
innerhalb eines Druckraums und treibt einen Pneumatikstempel an,
welcher wiederum gegen den Stempel verfahren wird.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Alternative ist schließlich vorgesehen, dass der
Stempel mit Hilfe eines speziellen, hochschnellbeschleunigenden elektromotorischen
Antriebs beschleunigt wird.
-
Vorzugsweise
ist weiterhin vorgesehen, dass der Kopfbereich des Metallstifts
vor dem Umformvorgang lediglich auf etwa 600° bis 900°C erwärmt wird. Im Unterschied zu
den herkömmlichen
Warmumformprozessen mittels Hydraulikpressen oder Exzenter- oder
Kurbelpressen ist eine Temperatur deutlich unterhalb der sonst erforderlichen,
materialabhängigen
Schmiedetemperatur ausreichend. Ein besonderer Vorteil dieser geringen
Temperaturen ist darin zu sehen, dass ein lokal sehr begrenzter
Bereich des Metallstifts der Wärmebehandlung
unterzogen wird.
-
Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung wird die Wärmebehandlung des Metallstifts
im umzuformenden Kopfbereich bis zum Beginn des Umformvorgangs aufrechterhalten.
Durch diese Maßnahme braucht
der Metallstift nicht „überhitzt" zu werden, so dass
insgesamt eine vergleichsweise geringe Temperatur ausreichend ist.
Wegen der niedrigen Temperatur und der kurzen Umformzeit unmittelbar
nach dem Wärmeeintrag
ergibt sich nahezu keine schmiedetypische Zunderschicht, die das
Teil unansehnlich macht und dadurch die Matrize verschmutzt und
den Umformvorgang stört.
Die geringe Temperatur ist vermutlich mit entscheidend für die guten
Gefügeeigenschaften
auch im wärmebehandelten
Bereich. Die geringen Temperaturen lassen sich insbesondere aufgrund
der hohen Umformgeschwindigkeit und des hierdurch bedingten hohen
Energieeintrags verwirklichen.
-
Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung weist das hochpräzise bolzenförmige Element
nach der Warmumformung bereits den fertigen Endzustand auf und wird
keiner weiteren Nachbehandlung unterzogen. Es hat sich nämlich in überraschender Weise
gezeigt, dass mit den oben beschriebenen Parametern bereits nach
dem Umformvorgang eine sehr hohe Maßgenauigkeit erreicht ist.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
weiterhin gelöst
durch ein bolzenförmiges
Element, insbesondere ein Auswerferstift oder ein Schneidstempel,
dessen Materialgefüge
im warmumgeformten Kopfbereich und im unbehandelten Schaftbereich
im Wesentlichen übereinstimmen.
Das Materialgefüge in
beiden Bereichen weist eine im Wesentlichen gleiche Korngrößenverteilung
auf. Unter im Wesentlichen gleichem Materialgefüge bzw. im Wesentlichen gleiche
Korngrößenverteilung
wird hierbei verstanden, dass das Gefüge bzw. die Korngrößenverteilung im
Schaft- und im Kopfbereich innerhalb eines Toleranzbereiches übereinstimmen
oder nur geringfügig voneinander
abweichen. Beispielsweise weisen die Korngrößenverteilungen eine Abweichung < 5% und insbesondere < 3% auf. Gleiches
gilt vorteilhafterweise für
andere Materialeigenschaften, wie beispielsweise die Härte. Der
Toleranzbereich wird hierbei bestimmt zum einen durch Messtoleranzen
und zum anderen durch Herstellungstoleranzen.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
weiterhin gelöst
durch eine Vorrichtung zur Herstellung der hochpräzisen bolzenförmigen Elemente
mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Zur Erzeugung der Stempelgeschwindigkeit
sind geeignete Mittel vorgesehen. Dies sind beispielsweise ein speziell
ausgebildeter elektromotorischer Antrieb, ein pneumatischer Antrieb,
bei dem die Beschleunigung durch ein schlagartiges Entspannen eines
komprimierten Gases erfolgt, oder Mittel, die unter Ausnutzung der
Erdbeschleunigung den Stempel auf die hohe Geschwindigkeit beschleunigen.
-
Im
Hinblick auf eine möglichst
einfache Ausgestaltung weist die Vorrichtung oder Presse vorzugsweise
einen senkrecht geführten
Fallhammer auf, der den Stempel gegen eine Matrize verfährt. Die Vorrichtung
umfasst allgemein ein oberhalb der Matrize angeordnetes Heizelement
zur Erwärmung
des umzuformenden Kopfbereichs des Metallstifts.
-
Zweckdienlicherweise
ist das Heizelement als feststehendes ringförmiges Element ausgebildet, dessen
freier Innenraum derart bemessen ist, dass der Stempel berührungslos
durch den freien Innenraum zum Metallstift verfahrbar ist. Durch
die Ausgestaltung als feststehendes Element kann die Wärmebehandlung
bis unmittelbar zum Beginn des Umformprozesses problemlos aufrechterhalten
werden. Das Heizelement braucht also nicht verfahren zu werden, um
den Weg für
den Stempel freizugeben. Auch lassen sich hierdurch hohe Taktraten
erhalten. Bevorzugt wird als Heizelement eine Hochfrequenz-Induktionsspule
eingesetzt.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
-
1 eine
teilweise Schnittansicht einer nach Art einer Hammermaschine ausgebildeten
Umformvorrichtung mit einem Fallhammer,
-
2 einen
Auswerferstift oder Schneidstempel in schematisierter Darstellung,
-
3 eine
teilweise Schnittansicht einer alternativen, horizontal ausgerichteten
Umformvorrichtung bei der der Stempel mit Hilfe eines schlagartig expandierenden
Gases beschleunigt wird und
-
4 eine
teilweise Schnittansicht einer weiteren Umformvorrichtung, bei der
der Stempel mit Hilfe eines speziellen elektromotorischen Antriebs beschleunigt
wird.
-
In
den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
Die
in den 1, 2 und 3 dargestellten
Umformvorrichtungen weisen jeweils eine Führungsplatte 2 auf,
die in den Ausführungsbeispielen
gleitend an zwei Führungsstangen 4 sehr
präzise, d.
h. weitgehend spielfrei und zudem möglichst reibungsfrei geführt ist.
Der Stempel 6 ist über
eine Stempelaufnahme 7 mit der Führungsplatte 2 verbunden
und an dieser befestigt.
-
Gegenüberliegend
zur Führungsplatte 2 ist eine
Matrize 8 mit einer Aufnahme 10 für einen
umzuformenden Metallstift 12 vorgesehen. Nach dem Umformvorgang
weist dieser beispielsweise die in 2 dargestellte
Geometrie eines fertigen Auswerferstifts oder Schneidstempels 14 auf.
Dieser umfasst einen Kopf 14A sowie einen Schaft 14B und
ist üblicherweise
als um seine Längsachse
rotationssymmetrischer Körper
mit kreisrunder Querschnittsfläche
ausgebildet. Die Aufnahme 10 der Matrize 8 weist
im Wesentlichen die Geometrie des zu fertigenden Kopfes 14A des
Schneidstempels 14 auf.
-
An
die Matrize 8 schließt
sich ein sogenannter Stauchturm 15 an, der eine zylindrische
Führung für den Metallstift 12 ausbildet
und diesen gegen ein Ausknicken beim Umformvorgang sichert. Gegenüberliegend
zum Stauchturm 15 ist wiederum ein so genannter Amboss 17 angeordnet,
der einen Anschlag für
den umzuformenden Metallstift 12 in Axialrichtung bildet
und die während
des Umformvorgangs auftretenden axialen Kräfte aufnimmt. Der Amboss 17 ist
zweckdienlicher weise in Axialrichtung einstellbar, um die axiale
Länge bzw.
die axiale Position des Schneidstempels 14 beim Umformvorgang exakt
zu positionieren.
-
Die
Umformvorrichtung umfasst weiterhin ein Heizelement 16,
das oberhalb der Aufnahme 10 angeordnet ist. Es weist einen
freien Innenraum 18 auf, der derart bemessen ist, dass
sowohl der Metallstift 12 als auch der Stempel 6 hindurchgeführt werden
können.
-
Beim
Herstellungsverfahren wird zunächst der
Metallstift 12 in die Aufnahme 10 eingesteckt. Hierbei
steht der Stift 12 mit einem Teilbereich, in dem der Kopf
ausgeformt wird, über
die Matrize 8 hervor. Hierzu ist beispielsweise eine hier
nicht dargestellte Federlagerung vorgesehen. Mit Hilfe des Heizelements 16,
welches insbesondere als eine Hochfrequenz-Induktionsspule ausgebildet
ist, wird der obere Bereich des Metallstifts 12 in wenigen
Sekunden auf die notwendige Umformtemperatur, insbesondere im Bereich
zwischen 600° und
900°C erwärmt. Anschließend wird
der Stempel 6 auf eine möglichst hohe Stempelgeschwindigkeit
zu Beginn des Umformvorgangs beschleunigt. Unter Berücksichtigung
der Stempelgeschwindigkeit wird hierbei die beschleunigte und auf
den Metallstift 12 einwirkende Masse derart gewählt, dass
die auf den Metallstift 12 übertragene kinetische Energie
möglichst
genau der Energie entspricht, die zur Umformung und zur Ausformung
des Kopfbereichs notwendig ist. Diese notwendige Energie setzt sich
einerseits aus der notwendigen Energie für die plastische Verformung sowie
der inneren Energie, d. h. der im Metallstift 12 erzeugten
Wärme,
zusammen. Hierbei können über 90%
der eingesetzen kinetischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden.
Durch die vom Stempel 6 ausgeübte Kraft wird der Metallstift 12 zunächst gegen
den Amboss 17 gedrückt.
Anschließend
beginnt die Umformung zur Ausbildung des Kopfes 14A. Danach
wird der ausgebildete Schneidstempel 14 ausgeworfen.
-
Die
unterschiedlichen Umformvorrichtungen gemäß den 2, 3 und 4 unterscheiden sich
im Wesentlichen durch die Art der Beschleunigung des Stempels 6.
Die bevorzugte Ausführungsvariante
ist hierbei die nach 2, bei der die Um formvorrichtung
nach Art einer Hammermaschine ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsvariante
lassen sich durch einen geringen konstruktiven Aufwand in einfacher
Art und Weise hohe Stempelgeschwindigkeiten erzielen, die zudem
sehr genau eingestellt werden können.
Durch eine genaue Einstellung der Masse ist daher insgesamt eine
sehr genaue Einstellung der kinetischen Energie möglich.
-
Bei
dieser Ausführungsvariante
bildet die Führungsplatte 2 eine
Grundplatte 20A eines Fallhammers 20 aus, welcher
im Ausführungsbeispiel neben
der Grundplatte 20A eine zusätzliche Gewichtsplatte 20B aufweist.
Nach dem Aufheizvorgang wird eine hier nicht dargestellte Arretierung
des Fallhammers 20 gelöst
und der Stempel 6 wird durch die Gewichtskraft des Fallhammers 20 über eine
Fallhöhe
h hinweg in Richtung zum Stempel 6 beschleunigt und erreicht
auf der Höhe
der Matrize 8 seine höchste
Stempelgeschwindigkeit, bevor der Umformvorgang einsetzt.
-
Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß der 3 ist
die Umformvorrichtung insgesamt und damit die Führungsstangen 4 horizontal
ausgerichtet. Die Beschleunigung erfolgt auf pneumatischem Wege.
Hierzu ist ein Druckzylinder 24 vorgesehen, in dem ein Pneumatikstempel 26 verschieblich
geführt
ist. Der Pneumatikstempel 26 wirkt auf die Führungsplatte 2 ein.
Der Druckzylinder 24 weist einen Expansionsraum 28 auf,
in den bei Bedarf in hier nicht näher dargestellter Art und Weise
ein zuvor komprimiertes Gas zur Entspannung eingeleitet wird. Das
Gas wird hierzu beispielsweise in einem hier nicht näher dargestellten
Druckspeicher auf einen sehr hohen Druck komprimiert und aus diesem
Druckspeicher bei Bedarf über
das Öffnen
eines Ventils in den Expansionsraum 28 hinein entspannt.
Hierdurch wird der Pneumatikstempel 26 schlagartig beschleunigt,
so dass insgesamt der Stempel 6 auf die gewünschte hohe
Stempelgeschwindigkeit beschleunigt wird.
-
Bei
der Ausführungsvariante
gemäß der 4 erfolgt
die Beschleunigung mit Hilfe eines speziellen elektromotorischen
Antriebs 30. Dieser umfasst ein in Richtung des Doppelpfeils
verschiebbares und nach Art einer Antriebsnoppe ausgebildetes Antriebselement 32. Über das
linear verschiebliche Antriebselement 32 wird die Führungsplatte 2 beschleunigt.
-
Sowohl
der Pneumatikstempel 26 als auch das Antriebselement 32 berühren hierbei
lediglich die Führungsplatte 2 und
sind mit dieser nicht fest verbunden. Nach einem vorgegebenen Beschleunigungsweg
wird die Führungsplatte 2 frei
gegeben. Durch diese Maßnahme
wird sicher gestellt, dass spätestens
bei Beginn des Umformvorgangs der Pneumatikstempel 26 bzw.
das Antriebselement 32 nicht mehr auf die Führungsplatte 2 einwirkt.
Hierdurch wird zum einen gewährleistet,
dass es sich um eine arbeitsgebundene Wirkungsweise handelt, dass also
lediglich die kinetische Energie zur Umformung herangezogen wird,
und nicht die von den elektromotorischen Antrieb 30 oder
von dem Druckzylinder 24 unmittelbar ausgeübte Kraft
auf den Metallstift 12 übertragen
wird.
-
Insbesondere
bei hohen Umformenergien und den hierbei üblicherweise hohen Impulsübertragungen
vom Stempel 6 auf dem Metallstift 12 und den Amboss 17 ist
vorzugsweise vorgesehen, einen Gegenimpuls auf den Amboss 17 über geeignete Maßnahmen
beispielsweise auf pneumatischen und elektromotorischem Weg bereit
zu stellen, wie dies durch den Pfeil am Amboss 17 angedeutet
ist.
-
Durch
das hier beschriebene Herstellungsverfahren lassen sich insbesondere
folgende Vorteile erreichen:
- – Der Schneidstempel 14 weist
sowohl im Schaft 14B als auch im Kopf 14A ein
im Wesentlichen gleiches, homogenes Gefüge mit nahezu identischer Korngrößenverteilung
auf. Das Gefüge nach
der Wärmebehandlung
entspricht daher dem des Ausgangsmaterials.
- – Die
Härte des
Kopfes 14A entspricht im Wesentlichen der Härte des
Schafts 14B.
- – Es
ist bereits eine geringe Umformtemperatur im Bereich zwischen 600° und 900°C ausreichend. Es
wird also im Wesentlichen bei dem hier beschriebenen Massivumformen
durch Stauchen ein Halbwarmumformverfah ren durchgeführt. Dadurch
ist die Belastung der Bauteile, also des Schneidstempels 14 sowie
auch der Matrize 8, gering gehalten.
- – Zwischen
dem Aufwärmvorgang
des Metallstifts 12 und dem Beginn des Umformvorgangs ist
keine Wartezeit vorgesehen, so dass der Metallstift 12 vor
Beginn des Umformvorgangs nicht abkühlt. Hierdurch ist kein „Überhitzen" erforderlich.
- – Aufgrund
der Warmumformung zeigt das Gefüge
einen an die Geometrie des Schneidstempels 14 angepassten „Faserverlauf".
- – Die
aus der Umformvorrichtung ausgeworfenen fertigen Bauteile 14 weisen
bereits eine hohe Maßgenauigkeit
auf und benötigen
keine Nachbehandlungsschritte mehr, es sind daher auch keine weiteren
Nachbearbeitungsmaßnahmen
vorgesehen.
- – Aufgrund
der hohen Stempelgeschwindigkeit erfolgt eine vergleichsweise rasche
Umformung, so dass bis zur Beendigung des Umformvorgangs nur eine
geringe Abkühlung
des Metallstifts 12 auftritt. Ganz im Gegenteil wird bei
der Umformung die gespeicherte Bewegungsenergie zu nahezu 97% in
innere Energie (Temperaturerhöhung)
umgewandelt. D. h. das Teil nimmt in der Bearbeitungszeit mehr Energie
auf als es an seine Umgebung abgeben kann.
- – Aufgrund
der Ausgestaltung nach Art einer Hammermaschine erfolgt eine arbeitsgebundene Umformung,
d.h. die Umformung ist beendet, sobald die kinetische Energie des
Stempels 6 aufgebraucht ist. Im Unterschied zu weggebundenen Maschinen,
wie beispielsweise einer Hydraulik- oder Exzenterpresse, bei der
der Stempel bis zu einer definierten Endposition unabhängig von
der aufzuwendenden Arbeit verstellt wird, wird insbesondere die
Matrize 8, der Stauchturm 15, der Amboss 17 sowie
die gesamte Maschine weniger beansprucht. Bei den weggebundenen
Maschinen besteht nämlich
die Gefahr, dass geringfügig überschüssiges Material
mit hohem Druck gegen die Wandung der Aufnahme 10 gepresst
wird und diese hierbei verformt.
- – Aufgrund
der niedrigeren Temperaturen, der kurzen Umformzeit und der damit
verbundenen hohen Maßhaltigkeit
tritt an der Kopfunterseite am Schaft 14B allenfalls eine
geringe Schaftverdickung auf, die an sich unerwünscht ist.
- – Durch
die geringen Temperaturen ist insgesamt ein Material schonendes
Herstellungsverfahren mit kurzer Taktzeit ermöglicht.
- – Der
Einsatz einer Hammermaschine ist eine denkbar einfache Ausführungsform,
die kostengünstig,
verschleißarm
und zuverlässig
betrieben werden kann.
-
Das
hier beschriebene Verfahren zur Warm- und Halbwarmumformung mit
der hohen Stempelgeschwindigkeit und der besonders guten Dosierbarkeit der
Kraft, die durch den Stempel auf den umformenden Bereich einwirkt,
insbesondere mit den geringen Umformtemperaturen, lässt sich
insbesondere für
die Herstellung von Auswerferstiften oder Schneidstempeln verwenden.
Insbesondere ist mit diesem Verfahren auch die Herstellung von derartigen
Elementen mit geringem Durchmesser von beispielsweise lediglich
0,5 mm problemlos und vollautomatisch mit hoher Maßgenauigkeit
ermöglicht.
Aufgrund der mit diesem Verfahren erreichbaren hohen Maßgenauigkeit bei
gleichzeitig sehr guten Gefügeeigenschaften
wird dieses Verfahren insbesondere auch für die Herstellung von hochpräzisen Bauteilen,
beispielsweise für die
Medizintechnik und insbesondere auch zur Herstellung von Zahnrädern oder
Ritzelwellen eingesetzt. Bei Ritzelwellen ist der Kopf 14A nach
Art eines Zahnrads oder eines Ritzels ausgebildet. Insgesamt sind
mit dem hier beschriebenen Verfahren hochpräzise Schmiedeteile herstellbar.
-
Entscheidend
bei dem vorliegenden Verfahren ist die hohe Stempelgeschwindigkeit.
Im Ausführungsbeispiel
wird zur Erreichung der hohen Stempelgeschwindigkeit eine Hammermaschine
eingesetzt. Prinzipiell können
diese hohen Geschwindigkeiten beispielsweise auch mit pneumatischen
Antrieben oder elektrischen Stellantrieben erzielt werden. Bei der
Verwendung von sehr großen
Massen für
den Fallhammer 20 und bei hohen Geschwindigkeiten ist es
aufgrund des dann hohen Impulseintrags von Vorteil, wenn zum Ausgleich
des Impulseintrags ein Gegenimpuls in geeigneter Weise erzeugt wird.
-
- 2
- Führungsplatte
- 4
- Führungsstange
- 6
- Stempel
- 7
- Stempelaufnahme
- 8
- Matrize
- 10
- Aufnahme
- 12
- Metallstift
- 14
- Schneidstempel
- 14A
- Kopf
- 14B
- Schaft
- 15
- Stauchturm
- 16
- Heizelement
- 17
- Amboss
- 18
- freier
Innenraum
- 20
- Fallhammer
- 20A
- Grundplatte
- 20B
- Gewichtsplatte
- 24
- Druckzylinder
- 26
- Pneumatikstempel
- 28
- Expansionsraum
- 30
- elektromotorischer
Antrieb
- 32
- Antriebselement