[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.

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.