Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Hartmetall- oder Keramikstabes mit mindestens einer schraubenförmig
verlaufenden Innenbohrung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, sowie ein Strangpreßwerkzeug zur
Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 6.
Stäbe aus Hartmetall oder Keramik mit wenigstens einer in
ihrem Inneren schraubenförmig verlaufenden, also gedrallten,
Bohrung, sind beispielsweise aus den Dokumenten EP 0 118 035
A1, DE 36 00 681 A1 oder US-PS 4 059 031 bekannt. Derartige
Stäbe werden z.B. zu Bohrern weiterverarbeitet, wobei die
gedrallten lnnenbohrungen die späteren Spül- bzw. Kühlkanäle
zur Heranführung des Kühl- und Spülmittels bilden.
Aus der EP 0 118 035 A1 ist ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art bekannt. Die Herstellung des kreiszylinderförmigen
Sintermetall-Rohlings erfolgt durch Extrudieren
mittels einer Strangpreßeinrichtung, in der eine Preß-Formdüse
angeordnet ist. Der aus der Formdüse austretende
Strangpreßstab wird mit einer abgestimmten Winkelgeschwindigkeit
w verdrillt, so daß ein weiterhin zylinderförmiger
Metall-Rohling entsteht, in dem wendelförmig verlaufende
Kanäle bzw. Ausnehmungen vorliegen. Das Verdrillen erfolgt
durch eine nicht näher dargestellte Verdrilleinrichtung, die
bevorzugterweise mit Mitteln versehen ist, die für eine
stetige und gleichmäßige axiale Führung des Sintermetall-
Rohlings und für eine ebenfalls kontinuierliche stetige Verdrillbewegung
sorgen. Die Winkelgeschwindigkeit der
Verdrilleinrichtung ist auf den Materialfluß, auf die
gewünschte Bohrergeometrie und auf den Wendelverlauf der
Kühlkanäle abgestimmt, was neben dem eigentlichen Strangpreßwerkzeug
zusätzliche Verdrilleinrichtungen und hierauf
abgestimmte Steuer- und Regelorgane erfordert.
Weil bei diesem bekannten Verfahren der Strangpreßstab erst
nach dem Austreten aus der glatten Düse verdrillt wird, muß
der ohne Rotation ausgepreßte Strang nach dem Austreten aus
der Düse in Rotation versetzt werden. Eine hierfür erforderliche,
außerhalb der Düse angeordnete Verdrilleinrichtung
muß somit mit einer bestimmten Anpreßkraft am austretenden
Strang angreifen, um an diesem zu haften und diesen zu verdrillen.
Dadurch wird die Staboberfläche entsprechend beeinflußt.
Einschnürungen und Anpreßmarken lassen sich nicht
vermeiden.
Zur Einsparung zusätzlicher Verdralleinrichtungen außerhalb
der Düse ist es aus der DE 36 00 681 A1 zwar bereits bekanntgeworden,
die Strangpreßmasse bereits während des Preßvorgangs
wendelförmig zu verdrillen. Der Preßvorgang und das
Verdrillen werden also in einem Verfahrensschritt gleichzeitig
durchgeführt. Dabei findet ein Strangpreßwerkzeug mit
einer Düse Verwendung, an deren Innenmantel wenigstens ein
in Preßrichtung wendelförmig verlaufender Steg angeordnet
ist, der der durch die Düse gepreßten Strangpreßmasse von
radial außen her eine Drallbewegung aufzwingt. Bei diesem
bekannten Strangpreßwerkzeug ist außerdem vorgesehen, an dem
vor dem Düseninnenraum endenden Dorn einen oder mehrere
elastische Stifte zu befestigen, die in den Düseninnenraum
ragen und den gewünschten Spülbohrungsdurchmesser aufweisen.
Auch dieses bekannte Verfahren bzw. Strangpreßwerkzeug weist
eine Reihe von Nachteilen auf. Die durch die wendelförmigen
Stege des Düseninnenmantels dem Massestrom aufgeprägte
Drallbewegung nimmt ausgehend von der Mantelzone radial nach
innen in Abhängigkeit von der Zähigkeit und der inneren Reibung
des ausgepreßten Materials mehr oder weniger stark ab,
so daß die notwendige Geometrie der gedrallten Innenbohrungen
nur sehr schwer eingehalten und erhalten werden kann. Eine
reproduzierbare Drallbewegung wird allenfalls in der Mantelzone
des Massestroms im Bereich der Düsenstege erhalten, die
jedoch nur eine geringe radiale Erstreckung aufweisen. Wegen
dieser Stege läßt sich auch kein Stabmaterial mit glatter
Mantelfläche erzeugen; vielmehr weist das erzeugte Stabmaterial
an seiner Mantel- oder Außenfläche ausgeprägte wendelförmige
Eindrückungen auf. Da die verarbeitete Keramik- bzw.
Hartmetallmasse stark abrasiv wirkt, kommt es zudem häufig
sehr schnell zu einem Verschleiß der Drallstege, so daß das
Werkzeug nur eine relativ kurze Standzeit besitzt. Die Wiederaufarbeitung
der Düsen durch Innenerodieren ist darüber
hinaus kostspielig und verteuert somit die Herstellung der
Hartmetall- bzw. Keramikstäbe.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe
der Erfindung darin, ein verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von Hartmetall- oder Keramikrohling gemäß der
eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, mit dem bzw. mit
der gedrallte Innenbohrungen exakt und mit über die
Stablänge gleichmäßiger Steigung ausgebildet werden können.
Gleichzeitig soll die Mantelfläche der Stabrohlinge glatt
ausgebildet sein, so daß der oft notwendige Schleifprozeß am
Außenumfang zur Beseitigung der gedrallten Einprägungen herkömmlicher
Stabrohlinge vermieden wird. Es sollen
also Stabrohlinge mit innenliegenden verdrallten Bohrungen
erzeugt werden können, die weniger Rohmaterial bei der Herstellung
von fertigen Werkzeugen aus diesen Rohlingen wegen
der geringeren Aufmaße der Außendurchmesser benötigen. Das
Herstellverfahren soll einfach und sicher durchführbar
sein und zu verringerten Herstellkosten führen.
Schließlich soll die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
nämlich das Strangpreßwerkzeug, einfach und kompakt
aufgebaut ist, eine hohe Standzeit aufweisen und eine exakt
reproduzierbare Drallbewegung erzeugen können, wobei die
Voraussetzung dafür geschaffen sein soll, daß die zur Weiterverarbeitung
zum Hartmetall oder Keramikwerkzeug mit verdrallten
Innenbohrungen eingesetzten Verdrill-, Steuer- und
Regeleinrichtungen wie auch die aufwendigen Düsen mit am
Düseninnenmantel angeordneten Stegen entfallen können.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Strangpreßwerkzeugs
durch die Merkmale des Patentanspruchs 6
gelöst.
Erfindungsgemäß wird die innerhalb der Düse liegende Dralleinrichtung
vom Massestrom durch- und umströmt, wobei der
Strangpreßmasse durch die Dralleinrichtung oder der Dralleinrichtung
durch den Massestrom eine Drall- bzw. Drehbewegung
aufgezwungen und die Masse mit Drall bzw. drallfrei
oder nahezu drallfrei ausgepreßt wird, und wobei zur Bildung
der Innenbohrung bzw. der Innenbohrungen der Drall- bzw.
Drehbewegung folgendes fadenförmiges Material in den Massestrom
hineinragt bzw. eingepreßt wird. Mit anderen Worten,
bei der Herstellung des Hartmetall- bzw. Keramikstabes
der plastifizierten Strangpreßmasse wird mittels einer innerhalb
des Massestroms liegenden Dralleinrichtung eine Drallbewegung
aufgezwungen, die in Radialrichtung gleichmäßig über
den Querschnitt wirkt, oder aber der Dralleinrichtung wird
durch den Massestrom eine Drehbewegung aufgezwungen. Im
ersteren Fall ist die Dralleinrichtung drehfest, im zweiten
Fall drehbar angeordnet. Die Masse wird in einem Fall mit
Drall durch den Düsenmund gepreßt, der als glatter Kanal
ausgebildet ist, und tritt sodann mit Drall ins Freie. Im
zweiten Fall wird die Masse drallfrei oder nahezu drallfrei
durch den Düsenmund gepreßt und tritt sodann nahezu
drallfrei ins Freie. Zur Bildung der gedrallten
Innenbohrungen wird in den Massestrom fadenförmiges Material
eingepreßt, das der Drallbewegung der Masse bzw. der
Drehbewegung der Dralleinrichtung folgt. Statt des eingepreßten
Materials können auch entsprechend der Anzahl der
Innenbohrungen elastische Fäden, bewegliche Gliederketten
oder dergleichen in den Düsenmund hineinragen. Das in Fadenform
in den Massestrom eingepreßte Material gelangt mit der
Strömungsgeschwindigkeit der Strangpreßmasse in diese, wobei
das plastische Fadenmaterial von außen unter Druck zugeführt
wird.
Bei diesem Material handelt es sich vorzugsweise um einen leicht verdampf
baren oder durch chemische bzw. physikalische Vorgänge ent
fernbaren Werkstoff, der spätestens beim Sinterprozeß aufge
löst und entfernt wird. Das Strangpreßwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich durch eine Dralleinrichtung aus,
die als ein- oder mehrgängige Drallschnecke ausgebildet ist.
Sie ist koaxial und in Preßrichtung gesehen vor dem als glat
ter zylindrischer Kanal ausgebildeten Düsenmund angeordnet.
Damit erfaßt die Drallschnecke den gesamten Querschnitt des
hindurchgepreßten Materialstroms, so daß die Drallbewegung
gleichmäßig über den Querschnitt des Materialstroms ausgebil
det wird. Die Drallschnecke ist leicht auswechselbar innerhalb
des Strangpreßwerkzeugs gehalten und kann bei Verschleiß ohne
Schwierigkeiten gegen eine andere Drallschnecke ausgetauscht
werden. Die Düse selbst ist glatt ausgebildet und weist insbe
sondere im Mündungsbereich einen zylindrischen Kanal mit glat
tem Innenmantel auf. Durch das Fehlen besonderer Drallstege
am Düseninnenmantel wird der Verschleiß der Düse in Grenzen
gehalten. Die Drallschnecke ist entweder drehfest mit dem
Schneckenträger verbunden und zwingt dem hindurchgepreßten
Massestrom, wie erwähnt, eine Drallbewegung auf. Nach einem
weiteren Merkmal kann die Drallschnecke aber auch drehbar am
Schneckenträger angeordnet sein, so daß sie die Fähigkeit zur
Autorotation besitzt und durch den hindurchgepreßten Massestrom
in Drehung versetzt wird, während der Massestrom selbst drall
frei oder nahezu drallfrei bleibt. Mit dem Verfahren und dem
Strangpreßwerkzeug nach der Erfindung werden Hartmetall- bzw.
Keramikstäbe mit exakt ausgebildeten und gedrallten Innenboh
rungen erhalten, deren Außenfläche glatt ist, also keinerlei
Eindrückungen, Vertiefungen, Riefen, Erhöhungen od. dgl. auf
weist. Die im Strangpreßwerkzeug verwendete Drallschnecke ist
einfach herstellbar, beispielsweise durch eine entsprechende
Verdrillung von Leitblechen, so daß die Hartmetall- bzw. Kera
mikstabrohlinge kostengünstig herstellbar sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein
Strangpreßwerkzeug in schema
tischer Darstel
lung und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine
weitere Ausführungsform des
Strangpreßwerkzeugs.
Das Strangpreßwerkzeug gemäß Fig. 1 und 2 besteht im wesentlichen aus dem Gehäu
se 1, das sich etwa kegelstumpfförmig verjüngt und in die
Düse 2 übergeht. In Fig. 1 ist die Düse 2 der Einfachheit hal
ber als mit dem Gehäuse 1 einstückig ausgebildet gezeigt;
selbstverständlich kann die Düse 2 auch, wie in Fig. 2, als
besonderes Teil gestaltet und in das Gehäuse 1 eingesetzt
sein. Die Düse 2 weist im Austrittsbereich, also im Bereich
des Düsenmundes 3, einen zylindrischen Kanal 4 auf, dessen
Innenmantel 5 glatt ausgebildet ist. Der Durchmesser dieses
zylindrischen glatten Kanals 4 entspricht dem Durchmesser
der mit dem Strangpreßwerkzeug hergestellten Stäbe aus Hart
metall bzw. Keramik. Koaxial zum Gehäuse 1 ist ein innenlie
gender Dorn 6 angeordnet, der gleichfalls zum Austrittsbereich
des Strangpreßwerkzeugs hin kegelstumpfförmig gestaltet ist,
so daß zwischen ihm und dem Gehäuse 1 ein in Preßrichtung
kontinuierlich im Durchmesser abnehmender Ringspalt 7 gebil
det wird. Am Dornende und vor dem Kanal 4 ist eine Drallein
richtung 8 angeordnet, die als Drallschnecke ausgebildet ist.
Diese Drallschnecke 8, die beispielsweise aus in Preßrichtung
wendelförmig verlaufenden Blechen od. dgl. besteht, ist dreh
fest oder drehbar mit dem Dorn 6 verbunden, der somit gleich
zeitig als Träger der Drallschnecke 8 eingesetzt ist. Die
Drallschnecke 8 ist ein- oder mehrgängig ausgebildet. Sie
erstreckt sich in Radialrichtung bis hin zur Innenwandung
des Gehäuses 1, so daß der gesamte von der Preßmasse 9 durch
setzte Querschnitt von der Drallschnecke 8 eingenommen wird.
Zumindest dann, wenn die Drallschnecke 8 drehbar am Dorn 6
angeordnet ist, ist zwischen der Drallschnecke 8 und der Innen
wandung des Gehäuses 1 ein geringer Spalt freigehalten, so
daß die Drallschnecke 8 frei drehen kann.
Wie Fig. 1 weiterhin deutlich zeigt, steht das Strangpreßwerkzeug
mit einer Druckkammer 10 in Verbindung, die ein Material auf
nimmt, das unter Druck und/oder bei erhöhter Temperatur
plastisch ist und über einen weiten Druck- und Temperaturbe
reich plastisch bleibt. Die Druckkammer 10 steht über Kanäle
11 und 12, die sich in der Drallschnecke 8 fortsetzen und
an der dem glatten Kanal 4 zugewandten Hinterkante 13 der
Drallschnecke 8 austreten, mit dem Innenraum des Strangpreß
werkzeuges im Bereich der Düse 2 in Verbindung. Des weiteren
ist noch eine Druckmeßeinrichtung 14 am Preßwerkzeug angeord
net, mit deren Hilfe der Druck im Bereich der Hinterkante
13 der Drallschnecke 8 gemessen werden kann. Es sei noch dar
auf hingewiesen, daß die Austrittsbohrungen 15 in der Drall
schnecke 8 jeweils in einem bestimmten radialen Abstand von
der Achse angeordnet sind, der der Lage der gewünschten Innen
bohrungen bei den Stabrohlingen entspricht.
Der Verfahrensablauf bei der Herstellung der Stäbe aus Hart
metall bzw. Keramik mit gedrallten Innenbohrungen mittels des
Preßwerkzeugs ist folgender: Das plastifizierte, aus Hartme
tall oder Keramik bestehende Strangpreßmaterial 9 wird unter
Druck in den Ringspalt bzw. die Ringkammer 7 gepreßt und ge
langt zur innerhalb des Massestroms liegenden Drallschnecke 8.
Beim Hindurchpressen des Strangpreßmaterials 9 durch die sta
tionäre, also drehfest angeordnete, Drallschnecke 8 wird dem
Strangpreßmaterial 9 in diesem Bereich eine Drallbewegung auf
gezwungen. Diese Drall- bzw. Drehbewegung der Preßmasse 9 bleibt
bei ihrem Eintritt in den glatten Kanal 4 der Düse 2 sowie
beim Austritt aus diesem Kanal 4 ins Freie erhalten und zeich
net sich durch große Gleichmäßigkeit über den gesamten Quer
schnitt des Massestroms aus. Ist die Drallschnecke 8 drehbar
angeordnet, d. h. ist sie der Autorotation fähig, so wird der
Drallschnecke 8 durch den hindurchgepreßten Massestrom eine
Drehbewegung aufgezwungen, während der Massestrom drallfrei
oder nahezu drallfrei bleibt und die Düse 2 auch nahezu drall
frei verläßt. Die Drallbewegung und die Größe des Dralls bzw.
die Drehbewegung der Drallschnecke 8 werden weitgehend durch
die Ausbildung der Drallschnecke 8 beeinflußt. So kann diese
Drallschnecke 8 ein- oder mehrgängig ausgebildet sein und die
Steigung der Drallschnecke 8, d. h. ihr Drallwinkel, ist ent
sprechend der gewünschten Steigung der gedrallten Innenboh
rungen der Hartmetall- bzw. Keramikstäbe eingestellt. In den
Massestrom wird von der Druckkammer 10 her über die Kanäle
11 und 12 in die Bohrungen 15 der Drallschnecke 8 leicht ver
dampfbares oder auflösbares Material von außen und vorzugsweise unter Druck eingebracht, das in Fa
denform aus der Hinterkante 13 der Drallschnecke 8 austritt
und dabei die Drallbewegung des Massestroms bzw. der Drall
schnecke 8 mitmacht. Durch dieses fadenförmige Material werden
die Innenbohrungen 16 innerhalb des aus der Düse 2 austreten
den Stabrohlings 17 gebildet, wobei das fadenförmige Material
spätestens beim Sinterprozeß entfernt wird, so daß ein Stab
rohling 17 mit exakt verdrallten Innenbohrungen zurückbleibt.
Die Austrittsgeschwindigkeit des fadenförmigen Materials aus
den Bohrungen 15 der Drallschnecke 8 ist gleich der Strömungs
geschwindigkeit der durch die Drallschnecke 8 gepreßten Strang
preßmasse 9. Der zum Einpressen des Fadenmaterials benötigte
Druck ist gleich bzw. geringfügig größer als der Druck im
Massestrom im Bereich der Hinterkante 13 der Drallschnecke
8, der mittels der Meßeinrichtung 14 ermittelt und angezeigt
wird. Die stationäre Dralleinrichtung 8 führt zu einer exak
ten Verdrallung der hindurchgepreßten Masse. Bei frei dreh
barer Anordnung der Dralleinrichtung 8 wird diese durch die
hindurchgepreßte Masse exakt gedreht. Es werden somit Stab
rohlinge 17 mit exakt verdrallten Innenbohrungen 16 und -
wegen des Durchtritts durch den glatten Kanal 4 - glatter Man
telfläche gebildet.
In Fig. 2 ist ein modifiziertes Strangpreßwerkzeug
gezeigt. Bei diesem Strangpreßwerkzeug sind an der Hin
terkante 13 der vom Dorn 6 gehaltenen Drallschnecke 8 ent
sprechend der gewünschten Anzahl der späteren Innenbohrungen
des Stabrohlings mehrere elastische Fäden 18 angehängt. Diese
elastischen Fäden 18 können beispielsweise auch bewegliche
Gliederketten od. dgl. sein. Die Düse 2 mit glattem Durchgangs
kanal 4 ist als besonderes Teil aus verschleißfestem Material
in das Gehäuse 1 eingesetzt. Wie bereits weiter oben beschrie
ben, wird das Strangpreßmaterial 9 im Bereich der Drallschnec
ke 8 verdrallt und gelangt mit Drall in den nachgeschalteten
Kanal 4 der Düse 2, oder aber die Drallschnecke 8 wird durch
das Strangpreßmaterial 9 in Rotation versetzt, wobei das
Strangpreßmaterial 9 selbst drallfrei oder nahezu drallfrei
bleibt. Die an der Drallschnecke 8 angehängten elastischen
Fäden 18 machen die Drall- bzw. Drehbewegung mit. Diese Fäden
18 ragen in den Kanal 4 der Düse 2 bis zu dessen Ende, also
bis zur Düsenmündung, hinein. Der Durchmesser dieser Fäden
18 - oder der Gliederketten od. dgl. - entspricht dem ge
wünschten Durchmesser der Innenbohrungen 16 des austretenden
Stabrohlings 17.
Es sei noch angemerkt, daß der Drallwinkel der Drallschnecke
8 und der Drallwinkel der Innenbohrungen 16 der Stäbe 17 durch
einen festen Faktor voneinander verschieden sein können. Insbeson
dere ist der Drallwinkel der Dralleinrichtung 8 um einen be
stimmten Betrag größer als der Drallwinkel der gedrallten In
nenbohrungen 16. Die im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnte Druck
kammer 10 kann beispielsweise als Kolben- oder Schneckenpres
se (Extruder) ausgebildet sein.