EP1710028A1 - Verfahren zur Herstellung eines hochpräzisen bolzenförmigen Elements, ein bolzenförmiges Element sowie eine Vorrichtung zur Herstellung des Elements - Google Patents
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- EP1710028A1 EP1710028A1 EP06007393A EP06007393A EP1710028A1 EP 1710028 A1 EP1710028 A1 EP 1710028A1 EP 06007393 A EP06007393 A EP 06007393A EP 06007393 A EP06007393 A EP 06007393A EP 1710028 A1 EP1710028 A1 EP 1710028A1
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
- B21J9/00—Forging presses
- B21J9/02—Special design or construction
- B21J9/06—Swaging presses; Upsetting presses
- B21J9/08—Swaging presses; Upsetting presses equipped with devices for heating the work-piece
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
- B21K1/00—Making machine elements
- B21K1/44—Making machine elements bolts, studs, or the like
- B21K1/46—Making machine elements bolts, studs, or the like with heads
Definitions
- the invention relates to a method for producing a highly precise bolt-shaped element with a shank and a hot-formed head and such a bolt-shaped element and a device for producing such a bolt-shaped element.
- the bolt-shaped element is in particular an ejector pin, a cutting punch, a pre-upsetter, an extrusion punch, a punch or a pinion shaft.
- Ejector pin and also cutting punches usually have a cylindrical shaft with an end-side head.
- the shaft may be formed as a sleeve or solid material.
- the head is designed, for example, as a cylindrical disk or as a countersunk head.
- Ejector pins are used in molding tools, such as injection molding tools, to eject the molded component from the mold after the molding operation.
- molding tools such as injection molding tools
- the cutting punches are used, for example, for punching through sheets.
- the cutting punches and the ejector pins are made of suitable steels.
- the head serves as an attack element for a restoring force to the punch from the punched hole to withdraw back to the starting position.
- ejector pin, pre-sampler, extrusion punches and punches which experience an alternating tensile and compressive load on the head during use and pass this on at the transition to the shaft. While with pinion shafts, the torque is transmitted from the gear to the shaft and therefore the transition is to be described as particularly stressed.
- the head or the transition between the head and shaft is therefore exposed to high loads.
- these elements are high-precision parts whose outer dimensions and material properties may vary only within narrow tolerance limits.
- the specifications for the cutting punch result, for example, from DIN 9861, ISO 8020, DIN 9844, DIN 9840 and for square / rectangular or profile punch according to DIN 9846.
- the specifications for ejector pins are determined, for example, according to DIN ISO 6751, DIN ISO 8694, DIN 1530, DIN ISO 8693, DIN ISO 8405 and DIN IOS 6751.
- the head of these elements is usually formed by a hot forming process.
- the shaft is heated to a temperature of about 850 ° to 1300 °, depending on the type of steel in a portion of the head to be formed on forging.
- the head is formed by forming.
- the stamp is driven by a hydraulic cylinder or by an eccentric device.
- the punch is pressed to a defined end position against the shaft with a substantially constant forming speed, which are in a hydraulic press at about 200 to 500 mm per second and at an eccentric or crank press at 400 to 600 mm per second.
- a particular advantage of the hot deformation of the head is the fact that due to the hot forming a "fiber", ie orientations forms in the microstructure, which essentially follows the head geometry.
- the fiber progressions are interrupted by the material removal below the head.
- a disadvantage of hot forming compared to machining is the fact that due to the heat treatment, the material structure in the head area changed is, and thus in the head area other material properties, such as hardness, are present as in the shaft area.
- a method for hot deformation of head profiled elements refers.
- the element is heated by means of an electric heating coil and then formed by pressing into a die by means of a printing unit.
- a device for precision forging can be seen, in which the forming forces are generated by means of a hydraulic piston.
- Another method for forming a head at the end of a wire pin is from the DE 35 05 251 A1 refer to.
- the metal pin is repeatedly compressed by the action of a hammer to form the pin head.
- the partial area to be reshaped is briefly heated by means of laser irradiation.
- the present invention has for its object to provide a cost-effective and simple production of such a bolt-shaped element with good mechanical and material properties.
- the object is achieved according to the invention by a method for producing a high-precision bolt-shaped element with the features of claim 1.
- a hot or warm forging is provided for the production of in particular an ejector pin or a punch, pre-plunger, F thoroughlypresstkovs, stamp or a pinion shaft at a punch is moved against a metal pin heated in a region to be formed at a high punch speed greater than approximately 3000 mm per second.
- the stamp speed with which the stamp at the beginning the forming process is moved against the metal pin about 5000 to 8000 mm per second.
- kinetic energy is transferred to the metal pin.
- the amount of this kinetic energy depends not only on the speed but also on the size of the accelerated mass. In general, this method sets a speed that is as high as possible under the technical conditions. Depending on the achievable punch speed, the accelerated mass is chosen such that a sufficient kinetic energy is provided for the deformation of the metal pin or steel rod.
- the head portion of the metal pin is heated to about 600 ° to 900 ° C before the forming process.
- a temperature well below the otherwise required, material-dependent forging temperature is sufficient.
- a particular advantage of these low temperatures is the fact that a locally very limited area of the metal pin is subjected to the heat treatment.
- the heat treatment of the metal pin in the head area to be formed until the beginning of the forming process maintained.
- the metal pin does not need to be "overheated", so that overall a comparatively low temperature is sufficient.
- the low temperature is probably decisive for the good microstructural properties even in the heat-treated area.
- the low temperatures can be realized in particular due to the high forming speed and the resulting high energy input.
- the high-precision bolt-shaped element already has the finished final state after the hot forming and is not subjected to further aftertreatment. It has surprisingly been found that with the parameters described above, a very high dimensional accuracy is achieved already after the forming process.
- the object is also achieved in accordance with the invention by a bolt-shaped element, in particular an ejector pin or a punch, whose material filaments substantially coincide in the hot-formed head region and in the untreated shank region.
- the material structure in both areas has a substantially equal grain size distribution.
- substantially identical material structure or substantially equal grain size distribution is understood here to mean that the structure or the grain size distribution in the shaft area and in the head area coincide within a tolerance range or differ only slightly from one another.
- the particle size distributions have a deviation ⁇ 5% and in particular ⁇ 3%.
- the tolerance range is determined on the one hand by measuring tolerances and on the other hand by manufacturing tolerances.
- the object is further achieved according to the invention by an apparatus for producing the high-precision bolt-shaped elements having the features of claim 8.
- a drop hammer is provided which accelerates the stamp on the high speed by utilizing the acceleration of gravity.
- the device generally comprises a heating element arranged above the matrix for heating the head region of the metal pin to be formed.
- the heating element is designed as a fixed annular element whose free interior is dimensioned such that the punch is movable without contact through the free space to the metal pin.
- the design as a fixed element the heat treatment can be easily maintained until immediately at the beginning of the forming process. So the heating element does not need to be moved to release the way for the stamp. This also allows high clock rates obtained.
- a high-frequency induction coil is used as the heating element.
- the forming devices shown in Figures 1, 2 and 3 each have a guide plate 2, which in the embodiments slidingly on two guide rods 4 very precise, d. H. largely free of play and also possible frictionless.
- the punch 6 is connected via a punch holder 7 with the guide plate 2 and secured thereto
- a die 8 Opposite to the guide plate 2, a die 8 is provided with a receptacle 10 for a metal pin 12 to be formed. After the forming process, for example, this has the geometry shown in FIG. 2 of a finished ejector pin or cutting punch 14. This comprises a head 14A and a shaft 14B and is usually designed as about its longitudinal axis rotationally symmetrical body with circular cross-sectional area.
- the receptacle 10 of the die 8 essentially has the geometry of the head 14 A of the cutting punch 14 to be manufactured.
- the die 8 is followed by a so-called swaging tower 15, which forms a cylindrical guide for the metal pin 12 and secures it against buckling during the forming process.
- a so-called anvil 17 is arranged, which forms a stop for the metal pin 12 to be formed in the axial direction and absorbs the axial forces occurring during the Umformvor.
- the anvil 17 is expediently adjustable in the axial direction to exactly position the axial length or the axial position of the cutting punch 14 during the forming process.
- the forming device further comprises a heating element 16, which is arranged above the receptacle 10. It has a free inner space 18, which is dimensioned such that both the metal pin 12 and the punch 6 can be passed.
- the metal pin 12 is first inserted into the receptacle 10.
- the pin 12 protrudes beyond the die 8 with a partial region in which the head is formed.
- a spring bearing not shown here is provided.
- the heating element 16 which is designed in particular as a high-frequency induction coil, the upper portion of the metal pin 12 is heated in a few seconds to the necessary forming temperature, in particular in the range between 600 ° and 900 ° C.
- the punch 6 is accelerated to the highest possible punch speed at the beginning of the forming process.
- the accelerated mass acting on the metal pin 12 is selected such that the kinetic energy transferred to the metal pin 12 corresponds as exactly as possible to the energy required for forming and forming the head region.
- This necessary energy consists on the one hand of the necessary energy for the plastic deformation as well as the internal energy, d. H. the heat generated in the metal pin 12, together. Over 90% of the kinetic energy used can be converted into heat energy.
- the different forming devices according to FIGS. 2, 3 and 4 differ essentially by the type of acceleration of the punch 6.
- the preferred embodiment is in this case the according to FIG. 2, in which the forming device is designed in the manner of a hammer machine. In this embodiment can be achieved by a low design effort in a simple manner high punch speeds, which can also be set very accurately. By a precise adjustment of the mass therefore a very precise adjustment of the kinetic energy is possible.
- the guide plate 2 forms a base plate 20A of a drop hammer 20, which in the exemplary embodiment has, in addition to the base plate 20A, an additional weight plate 20B.
- a detent not shown here of the drop hammer 20 is released and the punch 6 is accelerated by the weight of the drop hammer 20 over a drop height h away towards the punch 6 and reached at the height of the die 8 its highest punch speed before the forming process starts.
- the forming device as a whole and thus the guide rods 4 are aligned horizontally.
- the acceleration takes place pneumatically.
- a pressure cylinder 24 is provided, in which a pneumatic punch 26 is guided displaceably.
- the pneumatic punch 26 acts on the guide plate 2.
- the pressure cylinder 24 has an expansion space 28, in which, if necessary in a manner not shown here, a previously compressed gas is introduced for relaxation.
- the gas is compressed for this purpose, for example, in an accumulator not shown here to a very high pressure and from this pressure accumulator on the need to open a valve in the expansion chamber 28 in this way the pneumatic plunger 26 is accelerated abruptly, so that the total of the punch 6 on the desired high punch speed is accelerated.
- the acceleration takes place with the aid of a special electromotive drive 30.
- This comprises a sliding in the direction of the double arrow and designed in the manner of a drive knob Drive element 32.
- the guide plate 2 is accelerated.
- Both the pneumatic temple 26 and the drive element 32 in this case only touch the guide plate 2 and are not firmly connected thereto. After a predetermined acceleration path, the guide plate 2 is released. By this measure, it is ensured that no longer acts on the guide plate 2 at the latest at the beginning of the forming process of the pneumatic temple 26 and the drive member 32. This ensures, on the one hand, that it is a work-related mode of operation, that is, only the kinetic energy is used for forming, and not the force exerted directly by the electromotive drive 30 or by the pressure cylinder 24 is transmitted to the metal pin 12.
- the method described here for hot and warm forging with the high punch speed and the particularly good metering of the force acting on the forming area by the punch, in particular with the low forming temperatures, can be used in particular for the production of ejector pins or Schneidstempein.
- this method also allows the production of such elements with a small diameter of, for example, only 0.5 mm easily and fully automatically with high dimensional accuracy. Due to the achievable with this method high dimensional accuracy combined with very good structural properties of this method is used in particular for the production of high-precision components, for example for medical technology and in particular for the production of gears or pinion shafts.
- gears or pinion shafts In pinion shafts, the head 14A is formed in the manner of a gear or a pinion. Overall, high-precision forgings can be produced with the method described here.
- Decisive in the present method is the high Stempei york.
- a hammer machine is used to achieve the high punch speed.
- these high speeds can be achieved, for example, with pneumatic drives or electric actuators.
- pneumatic drives or electric actuators With the use of very large masses for the impact hammer 20 and at high speeds, it is advantageous due to the then high pulse input, if a counter-pulse is generated in a suitable manner to compensate for the pulse input.
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Abstract
Um ein hochpräzises bolzenförmiges Element (14), insbesondere Auswerferstift, Schneidstempel, Vorstaucher, Fließpressstempel, Stempel oder Ritzwellen in einfacher Weise herzustellen, ist ein Warmumformverfahren mit Hilfe einer Hammermaschine vorgesehen, bei dem ein Stempel (6) mit einer hohen Stempelgeschwindigkeit von etwa 6000 mm pro Sekunde gegen einen in einer Matrize (8) angeordneten und umzuformenden Metallstift (12) verfahren wird. Im umzuformenden Kopfbereich wird der Metallstift (12) vorher zweckdienlicherweise lediglich auf eine Temperatur von etwa 600° bis 900°C erwärmt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hoch präzisen 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 Auswerferstift, ein Schneidstempel, ein Vorstaucher, ein Fließpressstempel, ein Stempel oder eine Ritzelwelle.
- Auswerferstift 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 Auswerferstifte 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-schfeifen , 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 verändert wird, und dass somit im Kopfbereich andere Materialeigenschaften, wie beispielsweise Härte, vorliegen als im Schaftbereich.
- Aus der
DE 16 27 688 ist ein Verfahren zum Warmverformen von kopfprofilierten Elementen zu entnehmen. Hierbei wird das Element mit Hilfe einer elektrischen Heizspirale erwärmt und anschließend durch Einpressen in eine Matrize mit Hilfe eines Druckaggregats umgeformt. Aus derDE 41 09 407 C2 ist eine Vorrichtung zum Präzisionsschmieden zu entnehmen, bei der die Umformkräfte mit Hilfe eines Hydraulikkolbens erzeugt werden. Ein weiteres Verfahren zur Ausbildung eines Kopfes am Ende eines Drahtstiftes ist aus derDE 35 05 251 A1 zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird der Metallstift durch Einwirken eines Hammers mehrfach zur Ausbildung des Stiftkopfes gestaucht. Vor jedem Stauchvorgang wird hierbei mittels Laserbestrahlung der umzuformende Teilbereich kurzzeitig erwärmt. Zwischen jedem Stauchvorgang wird eine den Drahtstift haltende Matrize, durch die der Drahtstift hindurchgeführt ist, geöffnet und anschließend wieder geschlossen. Schließlich ist in derUS 4,023,225 ein Verfahren zur Kaltumformung eines kopfprofilierten Elements aus einer hochfesten Titaniumlegierung beschrieben. Beim Kaltumformen werden hierbei Umformgeschwindigkeiten zwischen 0,1 bis 20 m/sek und mehr eingesetzt. - 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 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 zur Erzeugung der hohen Geschwindigkeit sowie der notwendigen Kraft zur Umformung ein Fallhammer mit einer insbesondere variablen Masse unter Ausnutzung der Erdbeschleunigung vorgesehen. Es 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)1/2 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.
- 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 "überhitrt" 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 Materialgefilge im warmumgeformten Kopfbereich und im unbehandelten Schaftbereich im Wesentlichen übereinstimmen. Das Materialgefüge in beiden Bereichen weist eine im Wesentlichen gleiche Komgrößenverteilung auf. Unter im Wesentlichen gleichem Materialgefüge bzw. im Wesentlichen gleiche Komgrößenverteilung wird hierbei verstanden, dass das Gefüge bzw. die Komgrößenverteilung 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 8. Zur Erzeugung der Stempelgeschwindigkeit ist ein Fallhammer vorgesehen, der unter Ausnutzung der Erdbeschleunigung den Stempel auf die hohe Geschwindigkeit beschleunigt.
- Mit dem Fallhammer wird der Stempel gegen eine Matrize verfahren. 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:
- Fig. 1
- eine teilweise Schnittansicht einer nach Art einer Hammermaschine ausgebildeten Umformvorrichtung mit einem Fallhammer,
- Fig. 2
- einen Auswerferstift oder Schneidstempel in schematisierter Darstellung,
- Fig. 3
- eine teilweise Schnittansicht einer alternativen, horizontal ausgerichteten Umformvorrichtung bei der der Stempel mit Hilfe eines schlagartig expandierenden Gases beschleunigt wird und
- Fig. 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 Figuren 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 Fig. 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 Umformvor gangs auftretenden axialen Kräfte aufnimmt. Der Amboss 17 ist zweckdienlicherweise 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 eingesetzten 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 Fig. 2, 3 und 4 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Art der Beschleunigung des Stempels 6. Die bevorzugte Ausführungsvariante ist hierbei die nach Fig. 2, bei der die Umformvorrichtung 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 Fig. 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 Fig. 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 Komgrößenverteilung 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 Halbwarmumformverfahren 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 Schneidstempein 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 Stempeigeschwindigkeit. 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
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines hochpräzisen bolzenförmigen Elements (14) mit einem Schaft (14B) und einem warmumgeformten Kopf (14A), bei dem in eine Matrize (8) ein umzuformender Metallstift (12) eingesteckt, der Metallstift (12) in einem umzuformenden Bereich erwärmt wird und bei dem der Metallstift (12) mit Hilfe eines Stempels (6) und der Matrize (8) zur Ausbildung des Kopfes (14A) umgeformt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stempel (6) zu Beginn des Umformvorgangs mit einer Stempelgeschwindigkeit größer etwa 3000 mm/s, insbesondere mit einer Stempelgeschwindigkeit im Bereich von etwa 5000 bis 8000 mm/s, gegen den Metallstift (12) verfahren wird,
dass zur Erzeugung der Stempelgeschwindigkeit ein Fallhammer (20) unter Ausnutzung der Erdbeschleunigung eingesetzt wird, und
dass eine arbeitsgebundene Umformung erfolgt und die mit dem Stempel (6) auf den Metallstift (12) übertragene kinetische Energie derart eingestellt wird, dass sie der für den Umformvorgang notwendigen Energie entspricht. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Masse des Fallhammers (20) einstellbar ist und hierzu einzelne, miteinander kombinierbare Gewichtsplatten (20B) verwendet werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der umzuformende Bereich des Metallstifts (12) auf etwa 600° bis 900°C erwärmt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmebehandlung des Metallstifts (12) im Kopfbereich bis zum Beginn des Umformvorgangs aufrechterhalten wird.'
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das hochpräzise bolzenförmige Element nach der Warmumformung bereits den fertigen Endzustand aufweist und keiner weiteren Nachbehandlung unterzogen wird.
- Bolzenförmiges Element mit einem Schaft (14B) und einem warmumgeformten Kopf (14A), das nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist und dessen Materialgefüge im warmumgeformten Kopfbereich und im unbehandelten Schaftbereich im Wesentlichen übereinstimmen.
- Element nach Anspruch 6, das nach dem Warmumformen im Kopfbereich im Wesentlichen die gleiche Härte aufweist wie im Schaftbereich.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit- zumindest einem senkrecht ausgerichteten Führungselement (4)- einem am Führungselement (4) gelagerten Fallhammer (20), an dem ein Stempel (6) angeordnet ist,- einer Matrize (8) zur Aufnahme eines umzuformenden Metallstifts (12), die am unteren Ende des Führungselements angeordnet ist, mit- einem Heizelement (16), das oberhalb der Matrize (8) zur Erwärmung eines umzuformenden Kopfbereichs des Metallstifts (12) angeordnet ist, wobei- eine Fallhöhe (h) des Fallhammers (20) derart eingestellt ist, dass der Stempel auf eine Stempelgeschwindigkeit beschleunigt wird, die zu Beginn des Umformvorgangs größer etwa 3000 mm/s ist und insbesondere im Bereich von etwa 5000 bis 8000 mm/s liegt und- die Masse des Fallhammers (20) derart eingestellt ist, dass eine arbeitsgebundene Umformung erfolgt und die kinetische Energie der für die Umformung notwendigen Energie entspricht.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Masse und/oder die Fallhöhe (h) des Fallhammers (20) variabel sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Heizelement (16) als feststehendes ringförmiges Element ausgebildet ist, dessen freier Innenraum (18) derart bemessen ist, dass der Stempel (6) berührungslos durch den freien Innenraum (18) zum Metallstift (12) verfahrbar ist.
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