Strangpresswerkzeug zum Strangpressen von Metall

Abstract

 Bei einem Strangpresswerkzeug zum Strangpressen von Metall weist das Werkzeug (14,16,18) zur lokalen Steuerung des radialen Wärmeflusses wenigstens ein Einsatzteil (40,48,54) aus einem Werkstoff mit einer gegenüber dem Werkstoff des Werkzeuges unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit auf. Das Einsatzteil weist eine senkrecht zur Werkzeugachse (x) angeordnete Platte (42,50,56) auf, von der parallel zur Werkzeugachse in das Werkzeuginnere gerichtete Bolzen (44,46, 52,58) abragen.
Mit den Einsatzteilen lässt sich der Wärmefluss innerhalb des Presswerkzeuges auf einfache Weise steuern. Mit der homogeneren Temperaturverteilung und dem kontrollierten Wärmefluss können plastische Deformationen am Presswerkzeug vermindert werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Strangpresswerkzeug zum Strangpressen von Metall. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Verwendung des Strangpresswerkzeuges.

[0002] Insbesondere beim Strangpressen von Grossprofilen aus Aluminiumlegierungen kann der für das Presswerkzeug verwendete Werkstoff unter dem Einfluss der Temperatur des vorgewärmten Metallbolzens sowie der weiteren Temperaturerhöhung aufgrund von Umform- und Reibungskräften im Presswerkzeug so stark erweichen, dass der Pressdruck zu plastischen Deformationen am Presswerkzeug führt. Hinzu kommt, dass beim Strangpressen von Grossprofilen eine stark asymmetrische Temperaturverteilung innerhalb des Presswerkzeuges auftritt, was unerwünschte mechanische Spannungen zur Folge haben kann. Eine plastische Verformung der Matrize führt zu einer ungenügenden Masshaltigkeit am stranggepressten Halbzeug.

[0003] Zu hohe lokale Temperaturen können zudem die Oberflächeneigenschaften der beispielsweise durch Nitrierung gehärteten, formgebenden Matrizenteile verändern. Dies hat eine rasche Abnutzung der Matrize und gegebenenfalls des Dornteils zur Folge.

[0004] Zur Beibehaltung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit und Stabilität des Presswerkzeuges während des Strangpressens ist es bekannt, die Temperatur durch eine Gas- oder Flüssigkeitskühlung des Presswerkzeuges zu kontrollieren. Diese Art der Kühlung erfordert jedoch die Anordnung von entsprechenden Kanälen und Leitungen innerhalb sowie ausserhalb des Presswerkzeuges, was die Werkzeugherstellung insgesamt verteuert.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strangpresswerkzeug zu schaffen, mit welchem der Wärmefluss und die Temperaturverteilung innerhalb des Presswerkzeuges auf einfache und kostengünstige Weise gesteuert werden kann.

[0006] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass das Werkzeug zur lokalen Steuerung des radialen Wärmeflusses wenigstens ein Einsatzteil aus einem Werkstoff mit einer gegenüber dem Werkstoff des Werkzeuges unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit aufweist.

[0007] Das erfindungsgemässe Strangpresswerkzeug ermöglicht sowohl eine lokale Erhöhung als auch eine lokale Erniedrigung des Wärmeflusses, so dass durch eine optimale Auslegung der Einsatzteile der Wärmeabfluss aus dem Presswerkzeug in die dieses umgebenden Halterungen bei gleichzeitiger Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb des Presswerkzeuges in der gewünschten Weise erfolgt.

[0008] Zur Verstärkung des radialen Wärmeflusses wird der Werkstoff für das Einsatzteil so gewählt, dass dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeuges selbst.

[0009] Als Werkzeugwerkstoff dient üblicherweise ein Warmarbeitsstahl, dessen Wärmeleitfähigkeit in der Grössenordnung von etwa 25 W/m·°K liegt. Bevorzugt beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzteils mindestens 100 W/m·°K, insbesondere mindestens 300 W/m·°K. Geeignete Werkstoffe für das Einsatzteil sind Kupfer oder Kupferlegierungen. Selbstverständlich können auch andere Werkstoffe für das Einsatzteil verwendet werden, deren Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugwerkstoffes. So ist es möglich, den Wärmeabfluss aus dem Presswerkzeug über die Wärmeleitfähigkeit des für das Einsatzteil verwendeten Werkstoffes zu steuern, um beispielsweise eine gewünschte Temperaturverteilung zu erzeugen.

[0010] Zur Verminderung des radialen Wärmeflusses wird der Werkstoff für das Einsatzteil so gewählt, dass dessen Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeuges selbst. Die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzteils beträgt bevorzugt höchstens 10 W/m·°K, insbesondere höchstens 5 W/m·°K. Geeignete Werkstoffe für das Einsatzteil sind keramische Werkstoffe, vorzugsweise aus einer Oxidkeramik, insbesondere aus Aluminiumoxidkeramik. Grundsätzlich können auch hier andere als keramische Werkstoffe wie z.B. Metalle für das Einsatzteil verwendet werden, deren Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugwerkstoffes.

[0011] Das Einsatzteil weist bevorzugt eine senkrecht zur Werkzeugachse angeordnete Platte auf, von der parallel zur Werkzeugachse in das Werkzeuginnere gerichtete Bolzen abragen. Die Stärke des gewünschten Wärmeentzugs bzw. der Hemmung des Wärmeabflusses kann über den Bolzendurchmesser sowie über die Positionierung der einzelnen Bolzen gesteuert werden. Die senkrecht zur Werkzeugachse angeordnete Platte dient vor allem der Steuerung des Wärmeflusses in radialer Richtung.

[0012] Die einzelnen Einsatzteile sind bevorzugt einstückig ausgebildet und werden zweckmässig zwischen zwei Werkzeugteilen, vorzugsweise zwischen einer Matrize und einem Dornteil und/oder zwischen dem Dornteil und einer Vorkammer eingesetzt.

[0013] Besondere Vorteile ergeben sich durch die Verwendung des erfindungsgemässen Strangpresswerkzeuges zur Herstellung stranggepresster Profile aus Leicht- und Buntmetallen, insbesondere zur Herstellung von Grossprofilen aus Aluminiumlegierungen.

[0014] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in

Fig. 1

einen Längsschnitt durch ein Presswerkzeug;

Fig. 2

einen Querschnitt durch das Werkzeug von Fig. 1 nach deren Linie I-I.

[0015] Eine in der Zeichnung nicht wiedergegebene Strangpresse zur Herstellung von Metallprofilen weist gemäss Fig. 1 einen Rezipienten 10 mit einer Kammer 12 zur Aufnahme von auf Presstemperatur vorgewärmten Metallbolzen auf. Die Aufnahmekammer 12 ist an der Profilaustrittsseite der Strangpresse durch ein Presswerkzeug begrenzt, aus welchem das durch Verpressen des Bolzens in Pressrichtung zu einem Strang gepresste Profil austritt.

[0016] Das Presswerkzeug, dessen Werkzeugachse x in der Pressrichtung liegt, umfasst im vorliegenden Fall -- in Pressrichtung gesehen -- der Reihe nach eine Vorkammer 18, ein Dornteil 16 sowie eine Matrize 14. Eine derartige Anordnung wird beispielsweise zum Strangpressen von Hohlprofilen eingesetzt, wobei gegebenenfalls die Vorkammer 18 entfallen kann. Im einfachsten Fall, d.h. beispielsweise zur Herstellung von Vollprofilen, besteht das Presswerkzeug allein aus der Matrize 14. Als Werkstoff für die einzelnen Presswerkzeugteile Matrize 14, Dornteil 16, sowie Vorkammer 18 wird üblicherweise Stahl verwendet, für Matrizen insbesondere ein CrMoV-Warmarbeitsstahl.

[0017] Die Matrize 14 weist einen der Querschnittsform des herzustellenden Profils entsprechenden Matrizendurchbruch 20 auf, wobei zur Bildung von Hohlkammern jeweils vom Dornteil 16 abragende Dornspitzen 22 in den Matrizendurchbruch 20 einragen.

[0018] Das Dornteil 16 umfasst neben den eigentlichen Dornen Zuführungsöffnungen 24, über die der im Dornteil 16 in einzelne Teilströme aufgeteilte, durch Verpressen des Bolzens erzeugte Materialfluss dem Matrizendurchbruch 20 zugeführt wird.

[0019] Das im Matrizendurchbruch 20 erzeugte Profil 26 ist gemäss Fig. 2 ein Mehrkammerhohlprofil, dessen maximale Breite b sich praktisch über einen ganzen Durchmesser D der Matrize 14 erstreckt und ein Vielfaches der maximalen Höhe h beträgt. Derartige Profile 26 mit einer beispielsweisen Breite b von bis zu 700 mm werden auch als Grossprofile bezeichnet. Die zu ihrer Herstellung benötigten Matrizen, die üblicherweise aus einer kreisrunden Platte gefertigt sind, weisen demzufolge einen Durchmesser D von beispielsweise 750 mm auf.

[0020] Insbesondere aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der Abstand s der Breitseite 28 des Profils 26 bzw. des dem Profilumriss entsprechenden Matrizendurchbruchs 20 zum äusseren Umfang 32 der Matrize 14 bzw. des Dornteils 16 oder der Vorkammer 18 viel grösser ist als der entsprechende Abstand t zwischen der Schmalseite 30 des Profils 26 bzw. des Matrizendurchbruchs 20 und dem äusseren Umfang 32 des Presswerkzeugs.

[0021] Zwischen Matrize 14 und Dornteil 16 ist ein Einsatzteil 40 angeordnet. Dieses Einsatzteil 40 besteht aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit λ_E die höher ist als die Wärmeleitfähigkeit λ_W des für das Presswerkzeug verwendeten Werkstoffes. Ein geeigneter Werkstoff für dieses wärmeleitende Einsatzteil 40 ist beispielsweise Kupfer bzw. eine Kupferlegierung wie CuAg oder CuCr, die gegenüber unlegiertem Kupfer eine höhere Erweichungstemperatur und demzufolge eine höhere mechanische Festigkeit bei erhöhter Temperatur aufweist.

[0022] Das Einsatzteil 40 weist eine Platte 42 auf, von der in Pressrichtung bzw. in Richtung der Werkzeugachse x Bolzen 44, 46 abragen. Die Platte 42 mit einer Dicke d von beispielsweise 5 mm sitzt in einer Ausnehmung 34 an der Rückseite der Matrize 14 und die von der Platte 42 abragenden Bolzen 44, 46 sind in entsprechende Bohrungen 36, 38 im Dornteil 16 eingepasst.

[0023] Die Bolzen 44 mit einem Durchmesser e von beispielsweise 16 mm sind im Presswerkzeugbereich zwischen der Breitseite 28 des Profils 26 und dem äusseren Umfang 32 des Presswerkzeugs angeordnet, die Bolzen 46 mit einem Durchmesser f von beispielsweise 8 mm befinden sich nahe der Breitseite 28 des Profils 26 und sind zwischen den Zuführungsöffnungen 24 im Dornteil 16 positioniert.

[0024] Die Fläche F der Platte 42 erstreckt sich gemäss Fig. 2 überwiegend über den zwischen der Breitseite 28 des Profils 26 und dem äusseren Umfang 32 des Presswerkzeugs liegenden Werkzeugquerschnitt sowie zwischen die Zuführungsöffnungen 24.

[0025] Im Bereich zwischen der Schmalseite 30 des Profils 26 und dem äusseren Umfang 32 des Presswerkzeugs ist ein anderes Einsatzteil 48 aus einem wärmeisolierenden Werkstoff aus beispielsweise Aluminiumoxidkeramik mit einer Platte 50 und Bolzen 52 in gleicher Weise zwischen Matrize 14 und Dornteil 16 angeordnet wie das vorstehend beschriebene Einsatzteil 40 aus wärmeleitendem Werkstoff.

[0026] Gemäss Fig. 1 ist auch zwischen dem Dornteil 16 und der Vorkammer 18, gleicherweise wie zwischen Matrize 14 und Dornteil 16, ein Einsatzteil 54 aus einem wärmeleitenden Werkstoff angeordnet. Dieses Einsatzteil 54 weist, wie das Einsatzteil 40, eine Platte 56 mit hiervon abragenden Bolzen 58 auf.

[0027] Die Wärmeleitfähigkeit λ_W der zur Herstellung von Presswerkzeugen üblicherweise verwendeten Stähle liegt etwa bei 24 W/m·°K. Die Wärmeleitfähigkeit λ_E der zur Herstellung der Einsatzteile verwendeten Werkstoffe liegt für eine Kupferlegierung etwa bei 330 W/m·°K, für eine Aluminiumoxidkeramik etwa bei 4W/m·°K.

[0028] Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen, wärmeleitenden bzw. wärmeisolierenden Einsatzteile wird nachstehend anhand der Fig. 2 näher erläutert.

[0029] Während des Strangpressens sind die Presswerkzeuge hohen Temperaturen und hohem Druck ausgesetzt. Der bereits vorgewärmte Pressbolzen wird während seiner Umformung zum Strangpressprofil durch verschiedene Reibungsvorgänge weiter erhöht. Insbesondere an Stellen mit starker Umlenkung des Materialflusses sowie hoher Umformung des Presswerkstoffes treten lokale Temperaturerhöhungen auf und führen zu einer Erweichung des Presswerkzeugs, welches unter dem hohen Pressdruck zu plastischer Verformung neigt. Die plastische Verformung der Matrize oder des Dornteils führen zu einer ungenügenden Masshaltigkeit am stranggepressten Halbzeug sowie zu einer stärkeren Abnützung der Matrize. Bei einem Presswerkzeug, wie es vorstehend beschrieben zur Herstellung von Grossprofilen eingesetzt wird, führt beispielsweise eine Temperatur von 590°C im Zentrumsbereich des Werkzeugs bereits zu einer erheblichen plastischen Verformung, währenddem beispielsweise eine Temperatur von 520°C gerade noch tolerierbar ist.

[0030] Wegen der verhältnismässig schlechten Wärmeleitfähigkeit von Stahl kann die im Zentrumsbereich der Matrize durch starke Umform- und Reibungskräfte entstehende Wärme nicht rasch genug aus dem Presswerkzeug abfliessen. Dies führt neben einer lokal erhöhten Temperatur im Presswerkzeug auch zu lokal unterschiedlichen Temperaturen an der Peripherie des Werkzeugs, was zu unerwünschten Spannungen führen kann. An einem Presswerkzeug mit den vorstehend beschriebenen Dimensionen stellen sich Temperaturen ein, die im Peripheriebereich des Werkzeugs über der Breitseite 28 des Profils 26 beispielsweise 200 bis 250°C und über den Schmalseiten 30 beispielsweise 350 bis 400°C betragen können.

[0031] Mit der Verwendung der vorstehend beschriebenen Einsatzteile aus einem wärmeleitenden bzw. wärmeisolierenden Werkstoff kann der Wärmefluss in der gewünschten Richtung beeinflusst und gesteuert werden. Das wärmeleitende Einsatzteil 40 oberhalb der Breitseite 28 des Profils 26 führt insgesamt zur erwünschten Erhöhung der Wärmeleitfähigkei in dieser Richtung. Entsprechend führt das Einsatzteil 48 aus wärmeisolierendem Werkstoff zur gewünschten Erniedrigung der Wärmeleitfähigkeit im Bereich über der Schmalseite 30 des Profils 26.

Ansprüche

1. Strangpresswerkzeug zum Strangpressen von Metall,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Werkzeug (14,16,18) zur lokalen Steuerung des radialen Wärmeflusseswenigstensein Einsatzteil (40,48, 54) aus einem Werkstoff mit einer gegenüber dem Werkstoff des Werkzeuges unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit (λ_E) aufweist.

2. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit (λ_E) des Einsatzteils (40,54) zur Verstärkung des radialen Wärmeflusses höher ist als die Wärmeleitfähigkeit (λ_W) des Werkzeuges.

3. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit (λ_E) des Einsatzteils (40,54) mindestens 100 W/m·°K, vorzugsweise mindestens 300 W/m·°K, beträgt.

4. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (40,54) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

5. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit (λ_E) des Einsatzteils (48) zur Verminderung des radialen Wärmeflusses niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit (λ_W) des Werkzeuges.

6. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit (λ_E) des Einsatzteils (48) höchstens 10 W/m·°K, vorzugsweise höchstens 5 W/m·°K, beträgt.

7. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (48) aus einer Oxidkeramik, vorzugsweise Aluminiumoxidkeramik, besteht.

8. Strangpresswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (40,48, 54) eine senkrecht zur Werkzeugachse (x) angeordnete Platte (42,50,56) aufweist.

9. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass von der Platte (42,50,56) parallel zur Werkzeugachse (x) in das Werkzeuginnere gerichtete Bolzen (44,46,52,58) abragen.

10. Strangpresswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (40,48, 54) zwischen zwei Werkzeugteilen, vorzugsweise zwischen einer Matrize (14) und einem Dornteil (16) und/oder zwischen dem Dornteil (16) und einer Vorkammer (18) eingesetzt ist.

11. Strangpresswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus Stahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, besteht.

12. Verwendung eines Strangpresswerkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung stranggepresster Profile aus Leicht- und Buntmetallen, insbesondere zur Herstellung von Grossprofilen aus Aluminiumlegierungen.

Zeichnung