GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Formwerkzeug gemäß dem Oberbegri f f des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Strangpressen von metallischen Werkstücken .

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Das Strangpressen ist ein Druckumformverfahren zur Herstellung von Stäben, Drähten, Rohren und unregelmäßig geformten Profilen . Dabei wird ein Werkstück, das meist als zylinderförmiges oder quaderförmiges Profil eingesetzt wird, in einen Zufuhrkanal eingeführt und mittels eines Stempels durch ein Formwerkzeug, insbesondere durch einen Düsenkanal im Formwerkzeug, auch als Lauf fläche bezeichnet , gepresst , so dass der Werkstof f durch plastische Verformung unter Herstellung eines Strangpressteils eine gewünschte Form einnimmt . Beim direkten oder Vorwärts-Strangpressen bewegt sich der Stempel in Richtung des Ablaufes des entstehenden Profils auf den Düsenkanal im Formwerkzeug zu; beim indirekten oder Rückwärts- Strangpressen wird der Werkstof f gegen die Stempelrichtung durch ein Formwerkzeug gedrückt , das am hohlen Stempel festgelegt ist .

Aus der DE 10 2010 006 387 A2 ist ein Verfahren zum Strangpressen von Drähten aus Magnesiumwerkstof f bekannt , bei dem der Magnesiumwerkstof f in einen Zufuhrkanal eingeführt und mittels eines Stempels unter plastischer Verformung durch ein Formwerkzeuge gepresst wird, wobei der Magnesiumwirkstof f beim Strangpressen durch das Formwerkzeug mit einem Schmiermittel geschmiert wird . Nachteilig ist , dass die hergestellten Strangpressteile oft ein starkes anisotropes mechanisches Verhalten zeigen, wie beispielsweise eine Zug-Druck-Anisotropie und/oder eine Biege- Anisotropie bezogen auf die Lage der Beanspruchungsrichtung längs oder quer zur Strangpressrichtung . Dies tri f ft unter anderem auf Strangpressteile aus Magnesiumwerkstof fen zu . Diese Abweichungen wirken sich behindernd auf die Verwendung der Profile für Strukturkomponenten aus . Wünschenswert wäre daher ein verbessertes isotropes mechani sches Verhalten bei den hergestellten Strangpressteilen zu erzielen . Dies kann beispielsweise eine Zug-Druck- I sotropie und/oder eine Biege- I sotropie unabhängig von der Lage der Beanspruchungsrichtung zur Strangpressrichtung sein .

Um das isotrope Verhalten eines Strangpressteils zu verbessern, sind Versuche unternommen worden, dem Strangpressmaterial Legierungsbestandteile zuzusetzen . Verbesserte isotrope mechanischen Eigenschaften solcher Legierungen werden j edoch durch eine schlechtere Strangpressbarkeit aufgrund stark steigender Strangpresskräfte „erkauft" . Es sind auch Versuche unternommen worden, durch mehrfaches Strangpressen desselben Profils mit einem abgewinkelten Zufuhrkanal eine I sotropie zu erzeugen (ECAE-Verf ahren) . Auch diese Verfahren sind mit Nachteilen verbunden . Die praktische Umsetzung dieses Verfahrens ist j edoch nachteilig, wei l ein abgewinkelter Zufuhrkanal bei den vorhandenen Pressen nicht ohne Weiteres realisierbar ist .

Aus der DE 102 30 553 Al ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strangpressen von Magnesiumwerkstof fen bekannt , bei dem ein insbesondere zylinderförmiges Profil aus einem Magnesiumwerkstof f in einen Zufuhrkanal eingeführt und mittels eines Stempels unter plastischer Verformung durch ein Formwerkzeug gepresst wird, wobei eine plasti sche Verformung des Profils unmittelbar vor dem Formwerkzeug quer zu der Bewegungsrichtung vorgesehen ist , die durch die Vorschubbewegung des Stempels erreicht wird . Das Profil wird hierzu mittels des Stempels zunächst verschoben, bis dieses gegen das Formwerkzeug anliegt . Durch die fortgesetzte Vorschubbewegung wird das Profil gestaucht , also unter Ausdehnung in Querrichtung verformt , so dass keine in Strangpressrichtung ausgerichtete Mittelachse , sondern eine in unterschiedlichen Richtungen aufgefaltete Orientierung der Mittelachse vorliegt . Dadurch wird die Druckbeanspruchung auf das Niveau der Zugbeanspruchung angehoben . Das vorgeschlagene Verfahren ist j edoch wenig ökonomisch, weil der Zufuhrkanal nicht voll mit Material ausgefüllt ist . Zudem weisen die mittels des in der DE 102 30 553 Al Verfahrens hergestellten Strangpressteile verbesserte isotrope Eigenschaften auf , die j edoch oft nicht ausreichend sind .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , ein Formwerkzeug zur Herstellung von Strangpressteilen mit weiter verbesserten isotropen Eigenschaften bereitzustellen, das ein Verfahren ohne die oben genannten Nachteile ermöglicht . Insbesondere soll weitestmögliche Reduktion des anisotropen mechanischen Verhaltens realisiert werden . Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung weitgehend isotroper Strangpressteile bereitzustellen, das mit herkömmlichen Strangpressen durchgeführt werden kann .

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Formwerkzeug für ein Strangpressverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . Die weitere Ausgestaltung des Formwerkzeugs ist den Unteransprüchen 2 bis 7 zu entnehmen .

Erfindungsgemäß wird ein Formwerkzeug zum Strangpressen von metallischen Werkstof fen mit mindestens einer Strangpressmatri ze bereitgestellt , die sich entlang einer Längsachse erstreckt , wobei die Strangpressmatri ze in Richtung ihrer Längs- achse einen Matrizenkanal mit einem Matrizenkanaleinlass, einem Matrizenkanalauslass sowie Matrizenkanalwände umfasst, die sich von dem Matrizenkanaleinlass zu dem Matrizenkanalauslass zur Bildung einer Matrizenkanaldüse erstrecken, um den metallischen Werkstoff durch plastische Verformung unter Herstellung eines Strangpressteils in eine gewünschte Form zu überführen, wobei die Matrizenkanalwände auf jeder Querschnittsebene quer zur Längsachse der Strangpressmatrize eine Kanalquerschnittsfläche definieren und wobei die Kanalquerschnittsfläche eine Ausdehnung in einer ersten Normalenrichtung zur Richtung der Längsachse und in einer zweiten Normalenrichtung zur Richtung der Längsachse und Quer zur ersten Normalenrichtung aufweist. Die erfindungsgemäße Strangpressmatrize ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausdehnung der Kanalquerschnittsfläche in der ersten Normalenrichtung vergrößert und in der zweiten Normalenrichtung verkleinert. Anders ausgedrückt wird durch die Matrizenkanaldüse in einer ersten Normalenrichtung zur Längsachse der Strangpressmatrize ein Konfuser und in einer zweiten Normalenrichtung zur Längsachse der Strangpressmatrize, quer zur ersten Normalenrichtung, ein Diffusor ausgebildet.

Bevorzugt ist mindestens eine Matrizenkanalwand in den Matrizenkanal hinein gewölbt. Bevorzugt sind mindestens zwei, drei oder vier, weiter bevorzugt sind alle Matrizenkanalwände in den Matrizenkanal hinein gewölbt. Die Wölbungen der Matrizenwände können diskontinuierlich über Polyederf lächen oder kontinuierlich über Freiformflächen gestaltet sein.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Flächenmaß, d.h. die Größe, der Kanalquerschnittsflächen vom Matrizenkanaleingang zum Matrizenkanalausgang hin abnimmt. Das hat zur Folge, dass der hydrostatische Druck, der auf und in dem Werkstoff wirkt, innerhalb des Matrizenkanals im Verlauf durch die Matrize steigt und der metallische Werkstof f den Matri zenkanal während des Strangpressens vollständig aus füllt .

In den erfindungsgemäßen Formwerkzeugen findet der Umformprozess des metallischen Werkstof fs im Wesentlichen innerhalb der Matri ze statt .

Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zur Herstellung von Strangpressteilen, bei dem ein Profil aus einem metallischen Werkstof f in einen Zufuhrkanal eingeführt und mittels eines Stempels unter plastischer Verformung durch ein Formwerkzeug gepresst wird, wobei das Formwerkzeug mindestens eine Strangpressmatri ze aufweist , wie sie oben beschrieben ist .

Gemäß einem Aspekt der Erfindung handelt es sich um gängige strangpressbare metallische Werkstof fe wie speziell Aluminium- und Magnesiumlegierungen .

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert . Die Figuren schränken den Schutzbereich der durch Patentansprüche definierten Erfindung nicht ein . In den Figuren sind dargestellt :

Figuren la bis ld : eine erste perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Strangpressmatri ze zur Herstellung eines Bandprofils in Richtung von dem Matri zenkanaleinlass zu dem Matri zenkanalauslass ;

Figuren 2a bis 2b : eine zweite perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Strangpressmatri ze zur Herstellung eines Bandprofils in Richtung von dem Matri zenkanalauslass zu dem Matri zenkanaleinlass ; Figur 3a : eine perspektivische Ansicht eines mittigen Schnitts durch eine zweite erfindungsgemäße Strangpressmatri ze zur Herstellung eines Bandprofils in Richtung von dem Matri zenkanaleinlass zu dem Matri zenkanalauslass ;

Figur 3b : eine perspektivische Ansicht eines weiteren Schnitts durch die in Figur 3 gezeigte zweite erfindungsgemäße Strang- pressmatri ze ;

Figur 4 : eine perspektivische Ansicht eines mittigen Schnitts durch eine Strangpressmatri ze gemäß dem Stand der Technik zur Herstellung eines Bandprofils in Richtung von dem Matri zenkanaleinlass zu dem Matri zenkanalauslass ;

Figuren 5a bis 5d : eine perspektivische Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Strangpressmatri ze zur Herstellung eines L- Profils in Richtung von dem Matri zenkanaleinlass zu dem Matrizenkanalauslass ;

Figur 6a : eine erste perspektivische Ansicht einer vierten erfindungsgemäßen Strangpressmatri ze Herstellung eines Hohlprofils in Richtung von dem Matri zenkanaleinlass zu dem Matri zenkanalauslass ;

Figuren 6b bis 6d : eine schematische Ansicht der vierten erfindungsgemäßen Strangpressmatri ze gemäß Figur 6a in Richtung von dem Matri zenkanaleinlass zu dem Matri zenkanalauslass .

In einer ersten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung gemäß den Figuren la bis ld der vorliegenden Erfindung weist das Formwerkzeug zum Strangpressen von metallischen Bändern eine Strangpressmatri ze 1 auf , die sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt . Die Strangpressmatri ze 1 umfasst in Richtung ihrer Längsachse 3 einen Matri zenkanal mit einem Matri zenkanalein- lass 4 und einem Matrizenkanalauslass 5. Weiterhin umfasst der Matrizenkanal Matrizenkanalwände. Zwei gegenüberliegende Matrizenkanalwände 11 und 12 sind in Figur lb zum besseren Verständnis beispielhaft hervorgehoben dargestellt; zwei weitere Matrizenkanalwände 13, 14 befinden sich senkrecht dazu (nicht hervorgehoben) . Die Matrizenkanalwände 11, 12, 13, 14 erstrecken sich von dem Matrizenkanaleinlass 4 zu dem Matrizenkanalauslass 5 hin zur Bildung einer Lauffläche, um den metallischen Werkstoff bei Durchfluss durch plastische Verformung unter Herstellung eines Strangpressteils - in dieser Ausführungsform in ein metallisches Band - zu überführen. Gemäß der in Figuren la bis ld gezeigten Aus führungs form hat der Matrizenkanaleinlass 4 eine quadratische Form und der Matrizenkanalauslass 5 eine rechteckige Form. Die Matrizenkanalwände 11, 12, 13, 14 sind alle in den Matrizenkanal hinein gewölbt, wobei die Wölbung der Matrizenkanalwände 11, 12 gegenüber der Wölbung der senkrecht dazu liegenden Matrizenkanalwände 13, 14 unterschiedlich ausgeprägt ist. Die Wölbungen der Matrizenkanalwände 11, 12, 13, 14 sind in diesem Fall kontinuierlich über Freiformflächen aufgebaut. Das Profil des Matrizenkanals verjüngt sich in Richtung der gegenüberliegenden Matrizenkanalwände 13, 14 unter Bildung eines Konfusors in dieser ersten Normalenrichtung zur Längsachse der Strangpressmatrize und es erweitert sich gleichzeitig in Richtung der gegenüberliegenden Matrizenkanalwände 11, 12 unter Bildung eines Diffusors in dieser zweiten Normalenrichtung zur Längsachse der Strangpressmatrize .

Die Matrizenkanalwände 11, 12, 13, 14 definieren auf jeder Querschnittsebene quer zur Längsachse der Strangpressmatrize eine Kanalquerschnittsfläche 21, 23 (Figur lc) bzw. 22 (Figur ld) . Das Maß dieser Kanalquerschnittsflächen 21, 22, 23, die durch die Matrizenkanalwände 11, 12, 13, 14 definiert werden nimmt vom Matrizenkanaleingang zum Matrizenkanalausgang ab, d.h. das Flächenmaß der durch die Matrizenkanalwände 11, 12, 13, 14 definierten Kanalquerschnittsflächen auf jeder Querschnittsebene quer zur Längsachse der Strangpressmatrize bleibt in Richtung von dem Matrizenkanaleinlass 4 zu dem Matrizenkanalauslass 5 hin nimmt ab. Mit anderen Worten ist das Flächenmaß der dargestellten Flächen: 21 > 22 > 23.

Figur 2a zeigt die Strangpressmatrize 1 der ersten erfindungsgemäßen Aus führungs form in einer zweiten perspektivischen Ansicht, die im Vergleich zur ersten perspektivischen Ansicht um 180° gekippt und um 90° gedreht ist. Die Strangpressmatrize 1 umfasst in Richtung ihrer Längsachse 3 einen Matrizenkanal mit einem Matrizenkanalauslass 5 - der jetzt oben liegend gezeigt ist - und einem Matrizenkanaleinlass 5. In Figur 2b ist die Matrizenkanalwand 14 zum besseren Verständnis beispielhaft hervorgehoben gezeigt.

In einer zweiten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung gemäß Figur 3a weist das Formwerkzeug zum Strangpressen von metallischen Bändern eine Strangpressmatrize 101 auf, die sich entlang einer Längsachse 103 erstreckt. Die Strangpressmatrize 101 umfasst in Richtung ihrer Längsachse 103 einen Matrizenkanal mit einem Matrizenkanaleinlass 104 und einem Matrizenkanalauslass 105. Weiterhin umfasst der Matrizenkanal Matrizenkanalwände 111, 112, 113. Die Matrizenkanalwand 111 ist in Richtung des Matrizenkanals gewölbt. Eine - in dieser Ansicht nicht gezeigte - der Matrizenkanalwand gegenüberliegende Matrizenkanalwand ist ebenfalls in Richtung des Matrizenkanals gewölbt. Gemäß der zweiten Ausführungsform sind die Matrizenkanalwände 112, 113 nicht in Richtung des Matrizenkanals gewölbt. Die Wandung der gewölbten Matrizenkanalwand 111 der in Figur 3a dargestellten zweiten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung ist im Viertelschnitt gemäß Figur 3b verdeutlicht. Die Wölbung der Matrizenkanalwand 111 ist in dieser Aus führungs form diskontinuierlich über eine Polyederf läche auf gebaut . Eine herkömmliche Strangpressmatrize 901 zum Strangpressen von metallischen Bändern ist in Figur 4 dargestellt. Die Strangpressmatrize 901 umfasst in Richtung ihrer Längsachse 903 einen Matrizenkanal mit einem Matrizenkanaleinlass 904 und einem Matrizenkanalauslass 905 sowie Matrizenkanalwände 911, 912, 913. Diese sind jedoch nicht profiliert, so dass der eigentliche Umformprozess des metallischen Werkstoffs nicht in der Matrize, sondern ausschließlich in dem davorliegenden Zufuhrkanal stattfindet. Der durch die Matizenkanalwände 911, 912, 913 definierte Matrizenkanal dient nur noch dem beibehalten der Bandgeometrie.

In den erfindungsgemäßen Formwerkzeugen findet der Umformprozess des metallischen Werkstoffs im Wesentlichen innerhalb der Matrize statt. Zudem wird - im Gegensatz zum herkömmlichen Strangpressen - der gesamte Materialstrom in den inneren laminaren Schichten und den äußeren laminaren Schichten in Normalenrichtung und in Querrichtung zur Strangpressrichtung bewegt .

In einer dritten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung gemäß Figur 5a weist das Formwerkzeug zum Strangpressen von metallischen L-Profilen eine Strangpressmatrize 201 auf, die sich entlang einer Längsachse 203 erstreckt. Die Strangpressmatrize 201 umfasst in Richtung ihrer Längsachse 203 einen Matrizenkanal mit einem quadratischen Matrizenkanaleinlass 204 und einem L-förmigen Matrizenkanalauslass 205. Weiterhin umfasst der Matrizenkanal Matrizenkanalwände 211, 212, 213, 214, 215. Matrizenkanalwände 213, 214 sind in Figur 5b zum besseren Verständnis beispielhaft hervorgehoben.

Die Matrizenkanalwände 211, 212 sind in den Matrizenkanal hinein gewölbt, wobei die Wölbung der Matrizenkanalwände 211, 212 gegenüber der Wölbung der orthogonal dazu liegenden Matrizen- kanalwände 213, 214 unterschiedlich ausgeprägt ist. Die Matrizenkanalwände 213, 214 sind nach außen hin gewölbt. Die Besonders ausgeprägt ist die Wölbung der Materialkanalwand, die die Innenseiten des L-Profils formt.

Die Matrizenkanalwände 211, 212, 213, 214, und die Materialkanalwand, die die Innenseiten des L-Profils formt, definieren auf jeder Querschnittsebene quer zur Längsachse der Strangpressmatrize eine Kanalquerschnittsfläche 221, 223 (Figur 5c) bzw. 222 (Figur 5d) . Das Maß dieser Kanalquerschnittsflächen 221, 222, 223, die durch die Matrizenkanalwände definiert werden, nimmt ab, d.h. das Flächenmaß der durch die Matrizenkanalwände definierten Kanalquerschnittsflächen auf jeder Querschnittsebene quer zur Längsachse der Strangpressmatrize nimmt in Richtung von dem Matrizenkanaleinlass 204 zu dem Matrizenkanalauslass 205 hin ab; Mit anderen Worten ist das Flächenmaß der dargestellten Flächen: 221 > 222 > 223.

Der Fachmann erkennt, dass auf ähnliche Weise auch andere Profile wie V-Profile, U-Profile, Kreuzprofile, Sternprofile und auch Hohlprofile herstellbar sind.

Auch Hohlprofile lassen sich erfindungsgemäß herstellen. Dazu besteht das Formwerkzeug aus zwei Teilen, die entweder separierbar aneinandergefügt oder in einem Stück gefertigt sein können. Ein erster Teil zur Ausbildung eines Dorns, der die Innenkontur des Profils formt, weist mindestens zwei Hohlkammern auf, die um einen Kern angeordnet sind und in einer Schweißkammer münden. Der Kern mündet in einen Dorn, der über Brücken mit dem Außenrand des Formwerkzeugs befestigt ist und in die Lauffläche der Matrize hineinragt. Mindestens eine der äußeren Matrizenkanalwände der Lauffläche, bevorzugt auch mindestens eine Matrizenkanalwand des Dorns, ist in den Matrizenkanal hinein gewölbt, wobei die von den inneren und äußeren Matrizenkanalwänden definierten Kanalquerschnittsflächen in dem Matrizenkanal, d.h. die Kanalquerschnittsflächen, die durch die äußeren Matrizenkanalwände definiert sind, abzüglich der Querschnittsflächen, die durch die Matrizenkanalwände des Dorns definiert wird, in ihrer Größe im Wesentlichen konstant bleiben. Bevorzugt sind alle Matrizenkanalwände der Lauffläche, bevorzugter auch alle Matrizenkanalwände des Dorns in den Matrizenkanal hinein gewölbt.

In einer vierten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung gemäß Figuren 6a bis 6d weist das Formwerkzeug zum Strangpressen von metallischen Hohlprofilen eine Strangpressmatrize 601 auf .

Ein erster Teil der Strangpressmatrize 601 zur Ausbildung eines Dorns 642, der die Innenkontur des Profils formt, weist vier Hohlkammern 631 auf, die um einen Kern angeordnet sind und in einer Schweißkammer 641 münden, die einen Einlass und einen Boden aufweist. Ausgehend vom Boden der Schweißkammer erstreckt sich ein Matrizenkanal mit einem Matrizenkanaleinlass 604 und einen Matrizenkanalauslass 605.

Weiterhin umfasst der Matrizenkanal innere und äußere Matrizenkanalwände. Zwei innere Matrizenkanalwände 613, 614 der vier inneren Matrizenkanalwände gemäß dieser Aus führungs form sind in Figur 6c zum besseren Verständnis beispielhaft hervorgehoben. Zwei äußere Matrizenkanalwände 615, 616 der vier äußeren Matrizenkanalwände gemäß dieser Aus führungs form sind in Figur 6d zum besseren Verständnis beispielhaft hervorgehoben.

Die Matrizenkanalwände 613, 614, 615, 616 sind alle in den Matrizenkanal hinein gewölbt.

Es sind verschiedene Varianten bekannt, um Hohlprofile zu Strangpressen. Das hier von uns beschriebene Matrizen-Konzept spiegelt den Aufbau eines Kammerwerkzeuges dar. Die konventio- nell hergestellten Kammerwerkzeuge sind mehrteilig . Eine Komponente des Werkzeuges definiert die Innenkontour des Hohlprofiles . Eine weitere Variante um Hohlprofile zu fertigen sind Strangpressen mit integriertem Dorn . Diese Maschinen werden üblicherweise anstelle eines Vollbol zens mit einem Hohlbol zen beladen . Der in die Maschine integrierte Dorn und der Hohlbolzen ersetzen die Notwendigkeit bei einem Kammerwerkzeug den Werkstof f erst zu teilen und diesen dann wieder in der Schweißkammer zu fügen . Auch in einer Strangpresse mit integriertem Dorn ist eine erfindungsgemäße Werkzeuggestaltung möglich, die den Werkstof f quer zur Strangpressrichtung verdrängt . Hierfür müsste lediglich der Dorn der Maschine mit den entsprechenden Wölbungen ausgestaltet werden .

Herstellbar sind die erfindungsgemäßen Formwerkzeuge mittels 3D-Metalldruckverf ahren, beispielsweise mittels bekannter Pulverbett-Schmel zverfahren .