(19)
(11) EP 0 281 515 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
07.09.1988  Patentblatt  1988/36

(21) Anmeldenummer: 88810090.6

(22) Anmeldetag:  15.02.1988
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)4B21C 29/00
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE CH DE ES FR GB GR IT LI LU NL SE

(30) Priorität: 02.03.1987 CH 784/87

(71) Anmelder: ALUMINIUM AG MENZIKEN
CH-5737 Menziken (CH)

(72) Erfinder:
  • Baumann, Hannes
    CH-5737 Menziken (CH)

(74) Vertreter: Bosshard, Ernst 
Schulhausstrasse 12
8002 Zürich
8002 Zürich (CH)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Vorrichtung zum Kühlen einer Leichtmetall-Strangpresse


    (57) Zur Kühlung einer Leichtmetall-Strangpresse im Umformbereich ist ein Kühlring (12) vorhanden. Dieser Kühlring (12) befin­det sich unmittelbar vor der Matrize (3) und ist unabhängig von dieser. Der Kühlring (12) sitzt auf einem inneren Ring (8), der die Pressbolzenbohrung (10) bildet. Im Innern des Kühlringes (12) befinden sich axiale Bohrungspaare (14, 16), in welchen ein Kühlmedium zirkuliert. Zur Regulie­rung der Durchflussmenge des Kühlmediums sind Drosselorgane vorhanden.
    Durch den Wärmeentzug im Umformbereich des Pressgutes unmit­telbar vor der Matrize (3) lässt sich eine erhöhte Strang­pressgeschwindigkeit erreichen.




    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Strang­pressen von Leichtmetallen, wobei vom vorgewärmten Press­bolzen auf das durch eine Matrize bestimmte extrudierte Strangprofil oder Strangprofile reduziert wird.

    [0002] Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Kühlen einer Leichtmetall-Strangpresse.

    [0003] Beim Strangpressen von Leichtmetallen werden auf das Press­gut sehr hohe Kräfte ausgeübt. Dabei stehen Temperaturen des Pressbolzens und des Pressgutes, Druck, Umformungsgrad, Strangpressgeschwindigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und metallurgische Eigenschaften des stranggepressten Profils in einer gegenseitigen Abhängigkeit. Die Verhältnisse sind relativ komplex, weil sich die Parameter bei Veränderungen gegenseitig beeinflussen. Bei der Umformung des Materials entsteht innere Umformungs- und Reibungswärme zusätzlich zu derjenigen des auf Extrusionstemperatur erwärmten Press­bolzens.

    [0004] Extrudierte Leichtmetall-Strangpressprofile sind bezüglich Press-Temperatur und Extrudiergeschwindigkeit besonders kritisch, weil leicht Wärmerisse (hot short cracking) auf­treten.

    [0005] Eine einwandfreie, glatte Oberfläche des extrudierten Stran­ges wird insbesondere dann gestört, wenn im Pressgut eine kritische Temperatur überschritten wird, bei der die als Resten vorhandenen eutektischen Bestandteile flüssig werden und als Folge davon zu rauher Strangoberfläche führen.

    [0006] Diese Probleme beschränkten bisher die mögliche Extrudier­geschwindigkeit, obschon die Extrudierpressen im Allgemeinen eine höhere Pressgeschwindigkeit zulassen würden.

    [0007] Bisher wurde versucht, das Problem der Warmrisse des extru­dierten Stranges dadurch zu beheben, dass eine relativ niedrige Pressgeschwindigkeit in Kauf genommen wurde.

    [0008] Ausserdem ist es bekannt, die Matrize selbst zu kühlen, was aber die Herstellungskosten der Matrize erhöht und wegen der Rissgefährdung der Matrize die Kühlintensität beschränkt.

    [0009] Ferner ist es bekannt eine stufenweise Reduktion des Quer­schnittes zwischen Pressbolzen und Strangprofil vorzusehen und die Zwischenstufen zu kühlen. Dies ergibt zusätzliche, kostspielige Aufwendungen für die Werkzeuge und eignet sich praktisch nur für einlochige Strangpresswerkzeuge.

    [0010] Aus der US-PS 3 112 828 ist eine innengekühlte Einloch-­Strangpressmatrize bekannt, bei der die Matrize selbst mit bei einem die zentrale Matrizenöffnung umgebenden Kühl­kanal versehen ist. Die Kühlung erfolgt erst in der Matrize selbst, also nach erfolgter Haupt-Umformung des Materials. Dabei muss in jede Matrize ein eigenes Kühlsystem eingear­beitet werden, was die Matrizenherstellung wesentlich ver­teuert. Auch führt die Innenkühlung zu einer Querschnittsbe­grenzung und Schwächung der infolge des Temperaturgefälles im Matrizeninnern hoch beanspruchten Matrize.

    [0011] Eine ähnliche Lösung für Mehrlochmatrizen zeigt die DE-PS 2240391. Das Kühlsystem, dessen Form von der herzustellenden Profilform bestimmt wird, befindet sich hier in den Vor­matrizen und in der Hauptmatrize. Auch hier besteht der Nachteil, dass das Kühlsystem in die Matrizen einzuarbeiten und der jeweiligen Strangpressprofilform anzupassen ist. Zudem wird die Matrize geschwächt und durch das Temperatur­gefälle rissanfällig. Ausserdem bezweckt diese Kühlvorrich­tung in erster Linie die Regelung der Austrittsgeschwindig­keit der einzelnen Stränge, um möglichst gleich lange Stränge zu erhalten.

    [0012] Gemäss DE-PS 2211645 wird am Ausgang der Matrize stirnseitig gekühlt. Diese Ausführungsart eignet sich vor allem für den Einsatz von Flüssigstickstoff als Kühlmedium, das in Gasform austritt und auf den Strang gerichtet ist. Die Form und Wirkung des Kühlsystems ist von der herzustellenden Profilform abhängig.

    [0013] Aus der DE-PS 429376 ist es bekannt, eine mit dem Pressbol­zenaufnehmer starr verbundene und in den Pressraum hineinra­gende Matrize ausserhalb des Pressraumes zu kühlen.

    [0014] Die US-PS 4'462'234 zeigt eine zweistufige Matrize die ausserhalb des Pressraumes gekühlt wird. Eine solche Kühlein­richtung eignet sich praktisch nur für Einlochmatrizen. Die Kühlvorrichtung ist zudem nicht unabhängig von der Matrize.

    [0015] Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, bei einer Leichtmetall-Strangpresse durch Kühlung des zu verpressenden Gutes eine wesentlich höhere Geschwindigkeit des extrudierten Stranges zu erreichen, bei gleichzeitiger Vermeidung von Warmrissen und unter Einhaltung einer hohen Oberflächengüte des extrudierten Stranges.

    [0016] Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gelöst, dass der Pressbolzen beim Extrudiervorgang vor der Matrize und unabhängig von dieser durch geschlossen zirkulierende Kühlmittel gekühlt wird.

    [0017] Eine erste erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekenn­zeichnet, dass im Umformzonenbereich vor der Press-Matrize und unabhängig von dieser ein innerer Ring vorhanden ist, dessen Bohrung durchmessergleich in die koaxiale Fortsetzung des matrizenseitigen Endes der Pressbolzenaufnehmer-Bohrung übergeht, und ein Kühlring, in welchem ein Kühlmedium ge­schlossen zirkuliert, direkt auf diesem innern Ring sitzt, der radial aussen von mindestens einem aufgeschrumpftem Druckring umgeben ist, der mit dem Pressbolzenaufnehmer starr verbunden ist.

    [0018] Eine weitere erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Umformzonenbereich vor der Press-Mat­rize und unabhängig von dieser ein Kühlring vorhanden ist, dessen Bohrung durchmessergleich in die koaxiale Fortsetzung des matrizenseitigen Endes der Pressbolzenaufnehmer-Bohrung übergeht, im Kühlring ein Kühlmedium geschlossen zirkuliert und der Kühlring radial aussen von mindestens einem aufge­schrumpften Druckring umgeben ist, der mit dem Pressbolzen­aufnehmer starr verbunden ist.

    [0019] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die bei der Umformung des Pressmaterials vom grossen ursprünglichen Pressbolzendurchmesser auf den wesentlich geringeren Quer­schnitt der extrudierten Profile infolge innerer Reibung bei der Materialumformung entstehende zusätzliche Wärme auf die Entstehung der "Warmrissigkeit" einen grossen Ein­fluss hat und demzufolge diese Wärme im Bereich ihrer Entste­hung abgeführt werden soll - nämlich aus dem Pressraum unmittelbar vor der Matrize und nicht erst in der Matrize selbst oder hinter der Matrize. Es ist wirksamer die Kühlung direkt an der Stelle vorzunehmen, bei der die grösste Mate­rialumformung und damit auch die grösste Temperaturerhöhung stattfindet, statt eine mehrstufige Umformung und die Kühlung in einer oder mehreren nachgeordneten Stufen durchzuführen.

    [0020] Die praktische Realisierung dieser Erkenntnis ergibt indes­sen Probleme, indem die durch die Kühlung auftretenden Temperaturunterschiede in den betroffenen Bauteilen eine Rissgefahr ergeben. Durch die Anordnung und Ausbildung des Kühlringes und eines diesen radial aussen umgebenden aufgeschrumpften Druckringes wird dieser Rissgefahr erfolg­reich entgegengewirkt. Ausserdem ist der Aufbau des Kühlsyste­mes weitgehend symmetrisch.

    [0021] Da die Kühlvorrichtung ein von der Matrize unabhängiges Bauteil ist, sind an den auswechselbaren Matrizen selbst keine zusätzlichen Kühlkanäle oder sonstige Aenderungen vorzusehen, was deren Herstellung vereinfacht und die Weiter­verwendung bestehender Matrizen erlaubt. Zudem wird die hochbeanspruchte Matrize nicht durch Temperatursprünge belastet. Der grösstmögliche Strangpressdurchmesser wird durch die Kühlvorrichtung nicht beeinträchtigt. Zudem kann die gleiche Kühlvorrichtung für unterschiedliche Profil­formen, wie Voll- oder Hohlprofile, Ein- oder Mehrlochmatri­zen und bei Rohren mit gekühltem oder ungekühltem Dorn verwendet werden. Die Gestaltung der Kühlorgane um das matrizenseitige Ende der Pressbolzenaufnehmerbohrung herum erlaubt es, das Kühlmedium nahe an das zu kühlende Pressgut in der Umformzone heranzubringen und damit eine rasch reagie­rende und wirkungsvolle Kühlung dieser Umformzone zu errei­chen. Durch die Abführung der Reibungs- und Umformwärme direkt aus der Umformzone kann mit einer höheren Eingangs-Tem­peratur des Pressbolzens gearbeitet werden.

    [0022] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfin­dungsgemässen Vorrichtung dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben werden. Es zeigt:

    Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Strangpresse für Leichtmetalle im Bereich der Umformzone mit Kühlvor­richtung

    Fig. 2 einen Schnitt durch die nach der Matrize austreten­den Profilstränge nach der Linie II-II in Fig.1.

    Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsvariante.



    [0023] Das Pressgut in Form eines Leichtmetall-Bolzens wird in erwärmtem, jedoch nicht flüssigem Zustand in die Bohrung 9 eines Pressbolzenaufnehmers 2 einer Strangpresse eingesetzt. Eine Pressmatrize 3 enthält Einfach- oder Mehrfachdurchbrü­che 4, entsprechend der Querschnittform von in einem einstufi­gen Arbeitsgang herzustellenden Strangpressprofilen 5. Im Knet- und Umformbereich des Pressgutes 1 unmittelbar vor der Pressmatrize 3 ist eine Kühlvorrichtung in Form eines einstückigen Kühlringes 12 angeordnet, in welchem ein Kühlmedium geschlossen zirkuliert. Unter "geschlossen zirkuliert" soll verstanden werden, dass das Kühlmedium nicht mit dem Kühlgut in Berührung kommt, sondern über eine Zuleitung zugeführt und über eine Rückleitung vom Kühlring weggeführt wird. Dieser Kühlring 12 sitzt koaxial auf einem aus einem Stück bestehenden inneren Ring 8. Die zylindrische Bohrung 10 dieses inneren Ringes 8 ist die axiale durchmessergleiche Fortsetzung der Pressbolzenauf­nehmer-Bohrung 9 und entspricht somit dem Durchmesser des Stempels 13. Im Kühlring 12 befinden sich über die ganzen Ringfläche kranzartig und gleichmässig verteilt mehrere, in Axialrichtung verlaufende Bohrungspaare 14, 15, deren gegenseitiger Abstand auf ihrem innern Teilkreis 15-50 mm beträgt, in Abhängigkeit des Durchmessers der Bohrung 9. Jedes Bohrungspaar 14, 15 ist im Innern des Kühlringes 12, nahe an seinem von der Pressmatrize abgewandten Ende je durch eine Radialbohrung 16 durchflussverbunden. Diese Radialbohrungen 16 sind an ihren äusseren Enden je durch einen Pfropfen 17 verschlossen. Somit ergibt sich für das Kühlmedium im Innern des Kühlringes 12 eine Zirkulation, wobei das Kühlmedium mit dem Pressgut 1 nicht direkt in Berührung gelangt. An der der Matrize 3 benachbarten Stirnflä­che 6 des Kühlringes 12 stehen die Bohrungspaare 14, 15 je mit einer Zuleitung bzw. Rücklaufleitung in Verbindung, welche sich je in einem ringförmigen Gehäuse 18 befinden. Im ringförmigen Gehäuse befinden sich auf der Stirnseite 6 des Kühlringes 12 zwei konzentrisch verlaufende Ringkammern 27, 28 mit unterschiedlichem Durchmesser, wobei in die eine alle Mündungen der Bohrungen 14, die radial aussen liegen und in die andere alle Mündungen der Bohrungen 15, die radial weiter innen liegen, einmünden. Zum Anschluss von Rohr- oder Schlauchleitungen sind im ringförmigen Gehäuse 18 Anschlussnippel 29 vorhanden. In der Zu- oder Rücklauflei­tung 26 wird vorzugsweise ein regelbares Drosselventil V eingebaut, mit welchem der Durchfluss und damit die Kühl­leistung ständig den Erfordernissen angepasst werden kann, damit die Temperatur des Pressgutes 1 in der Umformzone auf ihrem optimalen Temperaturniveau gehalten werden kann, beispielsweise unter Verwendung eines Temperaturfühlers. Falls bei bestehenden Pressen aus Platzgründen die bevorzugte Anordnung der Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums am matrizen­seitigen Ende des Kühlringes nicht möglich ist, können die Leitungen zur Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums auch pressbolzenaufnehmerseitig als Radialbohrungen ausgeführt werden.

    [0024] Das Kühlmedium kann Wasser sein, doch können auch andere Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase verwendet werden.

    [0025] Die Matrize liegt stirnseitig gegen den Kühlring 12 und den inneren Ring 8 an. Die axiale Länge des Kühlringes 12 beträgt vorzugsweise das 0,25-2 fache des Durchmessers der Pressbolzenbohrung 9. Ferner beträgt die Wandstärke des Ringes 8 weniger als die Hälfte der Wandstärke des Kühlringes 12. Um eine rasch reagierende Kühlwirkung zu erhalten, beträgt die Wandstärke des Ringes 8 vorzugsweise weniger als 1/4 des Durchmessers der Pressbolzenbohrung 9. Die radial innersten, etwa horizontalen Achsen der Kühlboh­rungen 15 sind auf einem Kranz angeordnet, dessen Durchmesser kleiner als das 1 1/2 fache, vorzugsweise kleiner als das 1 1/4 fache des Durchmessers der Pressbolzenaufnehmerbohrung 9 ist.

    [0026] Ein radial äusserer aufgeschrumpfter Druckring 20 umgibt den Kühlring 12 aussen. Er ist mit Schrauben 24 an der Stirnfläche 32 des Pressbolzenaufnehmers 2 festgemacht. Aus Festigkeitsgründen können auch mehrere koaxial übereinan­derliegende Druckringe 20 vorgesehen werden, die aufeinander aufgeschrumpft werden. Auch der Kühlring 12 ist auf den inneren Ring 8 aufgeschrumpft. Zur Uebertragung axialer Kräfte ist der innere Ring 8 sowie der Kühlring 12 und der Druckring 20 je mit Ringschultern 11 bzw. 22 versehen. An Stelle von Ringschultern könnten die Ringe 8, 12, 20 an ihren ineinandergreifenden Partien auch konisch ausge­bildet sein.

    [0027] In Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei welcher der Kühlring 12ʹ unter Weglassung des inneren Rin­ges 8 direkt als durchmessergleiche koaxiale Begrenzung der matrizennahen Pressbolzenbohrung 9 ausgebildet ist. Mindestens ein Druckring 20 ist in koaxialer Anordnung auf dem Kühring 12ʹ aufgeschrumpft. Im übrigen entsprechen gleiche Bezugszahlen gleichen Teilen und gleichen Funktionen wie im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2.

    [0028] Es ist auch möglich, dass der innere Ring 8 und/oder der Kühlring 12, 12ʹ auf einem Teil seiner Länge im matrizensei­tigen Bereich konisch ausgebildet wird, wobei jedoch das eingangsseitige Ende der Bohrung 10 durchmessergleich mit der Pressbolzenbohrung 9 ist.

    [0029] Somit kann die Umform- und Reibungswärme direkt aus der Hauptumformzone vor der Pressmatrize 3 durch Kühlung abge­leitet werden um die Temperatur des Pressgutes 1 auf einem optimalen Niveau zu halten. Dadurch ist eine sprunghafte Erhöhung der Pressgeschwindigkeit möglich.

    [0030] Nachfolgend werden typische Beispiele erzielter Resultate aufgeführt. Die Definition der Leichtmetall-Legierung ASTM ist enthalten in folgenden Normen:
    - American Society for Testing and Materials Philadelphia (ASTM),

    - Aluminium Association Washington DC 20006.




    Ansprüche

    1. Verfahren zum Strangpressen von Leichtmetallen, wobei der vorgewärmte Pressbolzen auf das durch eine Matrize bestimmte extrudierte Strangprofil oder Strangprofile umge­formt und reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressbolzen beim Extrudiervorgang im Bereich seiner Umformzone unmittelbar vor der Pressmatrize und unabhängig von dieser durch geschlossen zirkulierende Kühlmittel ge­kühlt wird.
     
    2. Vorrichtung zum Kühlen einer Leichtmetall-Strangpresse, dadurch gekennzeichnet, dass im Umformzonenbereich vor der Pressmatrize (3) und unabhängig von dieser ein innerer Ring (8) vorhanden ist, dessen Bohrung (10) durchmessergleich in die koaxiale Fortsetzung des matrizenseitigen Endes der Pressbolzenaufnehmer-Bohrung (9) übergeht und ein Kühl­ring (12), in welchem ein Kühlmedium geschlossen zirkuliert, direkt auf diesem innern Ring (8) sitzt, der radial aussen von mindestens einem aufgeschrumpften Druckring (20) umge­ben ist, der mit dem Pressbolzenaufnehmer (2) starr verbunden ist.
     
    3. Vorrichtung zum Kühlen einer Leichtmetall-Strangpresse, dadurch gekennzeichnet, dass im Umformzonenbereich vor der Pressmatrize (3) und unabhängig von dieser ein Kühlring (12ʹ) vorhanden ist, dessen Bohrung (10ʹ) durchmessergleich in die koaxiale Fortsetzung des matrizenseitigen Endes der Pressbolzenaufnehmer-Bohrung (9) übergeht, im Kühlring (12ʹ) ein Kühlmedium geschlossen zirkuliert und der Kühl­ring (12ʹ) radial aussen von mindestens einem aufgeschrumpf­ten Druckring (20) umgeben ist, der mit dem Pressbolzenauf­nehmer (2) starr verbunden ist.
     
    4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­net, dass der einstückige Kühlring (12, 12ʹ) mehrere in der Ringfläche kranzartig verteilt, in Axialrichtung verlau­fende, gegenüber dem Pressgut (1) geschlossene Bohrungen (14, 15) aufweist, die mit Leitungen (26, 28) für die Zufuhr und Abfuhr eines Kühlmediums verbunden sind.
     
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlring (12) eine Mehrzahl von axial verlaufenden Bohrungspaaren (14, 15) vorhanden sind, die an dem von ihrer Mündung abgewandten Bereich paarweise durch je eine an ihrer Oeffnung verschlossene Radialbohrung (16) verbunden sind.
     
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­zeichnet, dass der innere Ring (8) sowie der Kühlring (12) und der Druckring (20) Ringschultern (1, 22) oder konische Flächen zur Uebertragung von Axialkräften aufweisen.
     
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekenn­zeichnet, dass die radial innersten Kühlkanäle (15) im Kühlring (12, 12ʹ) auf einem Kranz angeordnet sind, dessen Durchmesser kleiner als das 1 1/2 fache, vorzugsweise kleiner als das 1 1/4 fache des Durchmessers der Pressbol­zenaufnehmerbohrung (9) ist.
     
    8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­net, dass die Zufuhr und die Abfuhr des Kühlmediums durch zwei konzentrische Ringleitungen (27, 28) am matrizenseiti­gen Ende des Kühlringes erfolgt, in welche die Bohrungen (14, 15) einmünden.
     
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekenn­zeichnet, dass in der Zufuhr- oder Rückleitung (26, 28) des Kühlmediums ein regelbares Drosselventil (V) angeordnet ist.
     
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Kühlringes (12) kürzer als der doppelte Durchmesser der Pressbolzenbohrung (9) ist und die ganze Länge der Pressbolzenbohrung (10) durchmessergleich mit der Pressbolzenaufnehmer-Bohrung (9) ist.
     
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlring-Bohrung (10) auf einem Teil ihrer Länge im matrizenseitigen Bereich konisch ausge­bildet ist.
     




    Zeichnung