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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugheizung für eine Umformmaschine, insbesondere
für eine
Gesenkschmiedepresse, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Es
ist in der Gesenkschmiedetechnik bekannt, das Gesenk vor dem eigentlichen
Gesenkschmieden vorzuheizen, um ein Materialversagen des Gesenks
während
des Gesenkschmiedens zu vermeiden. Diese Vorheizung des Gesenks
beim Gesenkschmieden ist sinnvoll, da beim Gesenkschmieden hohe
Kräfte
und mechanische Belastungen entstehen und in dem Gesenkhohlraum
große
Drücke auftreten.
Darüber
hinaus wird durch die Vorheizung des Gesenks vor dem eigentlichen
Gesenkschmieden auch die Maßhaltigkeit
des geschmiedeten Werkstücks
erhöht,
die Oberflächenreibung
verringert und die Standzeit des Gesenks verbessert.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Vorheizen des Gesenks wird insbesondere
in der Massenfertigung eingesetzt und sieht einen speziellen Ofen
vor, in den das Gesenk im demontierten Zustand vor dem eigentlichen
Gesenkschmieden eingesetzt wird, um das Gesenk vorzuheizen. Nach
dem Vorheizen wird das Gesenk dann aus dem Ofen entnommen und in der
Gesenkschmiedepresse montiert, woraufhin das Gesenkschmieden beginnen
kann. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren zum Vorheizen des
Gesenks ist zum einen die Tatsache, dass zum Vorheizen des Gesenks
ein spezieller Ofen erforderlich ist. Zum anderen er fordert dieses
bekannte Verfahren hierbei eine aufwendige Handhabung des Gesenks, da
das Gesenk zunächst
in den Ofen eingebracht und anschließend aus dem Ofen entnommen
und an der Gesenkschmiedepresse montiert werden muss.
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Die
einfachste Möglichkeit
zum Vorheizen des Gesenks besteht darin, das zu schmiedende heiße Werkstück mit einer
Temperatur von ungefähr 1.100 °C auf das
Gesenk zu legen, wodurch Wärme von
dem Werkstück
auf das Gesenk übergeht
und dieses dadurch vorheizt. Nachteilig an dieser bekannten Vorheizung
des Gesenks ist die Tatsache, dass das Gesenk durch einen direkten
und andauernden Berührungskontakt
zwischen dem heißen Werkstück und dem
Gesenk an Härte
verliert, wodurch die Standzeit des Gesenks abnimmt.
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Es
ist weiterhin bekannt, zum Vorheizen des Gesenks ein gasbetriebenes
Heizgerät
einzusetzen, wobei die Flamme des Heizgeräts auf das Gesenk gerichtet
wird. Die Beflammung des Gesenks kann jedoch dazu führen, dass
filigrane Einzelheiten des Gesenks ausglühen, worunter die Standzeit
des Gesenks ebenfalls leidet.
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Schließlich werden
zum Vorheizen des Gesenks auch elektrisch betriebene Heizplatten
eingesetzt, die jedoch ebenfalls unbefriedigend arbeiten.
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Aus
der
DD 128 836 A ist
ein beheizbares Werkzeug zum Gesenkschmieden bekannt, bei dem ein
Heizelement zwischen einem Gesenkeinsatz und einer Gesenkhalteplatte
in einer Ausnehmung einer Auflageplatte angeordnet ist.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit
zum Vorheizen des Gesenks zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Werkzeugheizung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und durch ein entsprechendes Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7 gelöst.
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Die
Erfindung geht von der technischen Erkenntnis aus, dass das Gesenk
vor dem Beginn des Gesenkschmiedens nach Möglichkeit auf eine Temperatur
aufgeheizt werden sollte, die der sogenannten Gleichgewichtstemperatur
entspricht. Hierbei handelt es sich um den stationären Wert
der Gesenktemperatur, der sich während
des normalen Umformbetriebs in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen
einstellt.
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Die
Erfindung umfasst deshalb die allgemeine technische Lehre, das Gesenk
nicht nur einfach mittels eines Heizelements vorzuheizen, sondern während des
Vorheizen mittels eines Temperatursensors die Gesenktemperatur zu
messen, wobei die Heizleistung des Heizelements in Abhängigkeit
von der gemessenen Gesenktemperatur von einem Regler eingestellt
wird, um die Gesenktemperatur auf einen vorgegebenen Temperatur-Sollwert zu regeln, der
vorzugsweise der vorstehend erwähnten
Gleichgewichtstemperatur entspricht.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf die Vorheizung des Gesenks bei einer
Gesenkschmiedepresse beschränkt,
sondern kann vielmehr auch eingesetzt werden, um allgemein ein Werkzeug
einer Umformmaschine vor dem eigentlichen Umformbetrieb vorzuheizen.
Bei der Umformmaschine kann es sich beispielsweise auch um eine
Wälzmaschine,
eine Freiformschmiede, eine Durchziehmaschine, oder eine sonstige
Umformmaschine handeln.
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Weiterhin
ist der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff des Temperatursensors
allgemein zu verstehen und nicht auf Messfühler im engeren Sinne beschränkt, welche
die Temperatur des vorzuheizenden Werkzeugs direkt messen. Es ist beispielsweise
im Rahmen der Erfindung auch möglich,
die Werkzeugtemperatur mittelbar aus anderen Größen abzuleiten, die für eine Auswertung
zur Verfügung
stehen, so dass der Begriff eines Temperatursensors im Rahmen der
Erfindung auch eine mittelbare Bestimmung der Werkzeugtemperatur
umfasst.
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Zur
Regelung der Werkzeugtemperatur können im Rahmen der Erfindung
verschiedene Reglertypen eingesetzt werden, wobei lediglich beispielhaft P-Regler,
PI-Regler und PID-Regler zu erwähnen sind.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird jedoch zur Regelung der Werkzeugtemperatur ein
PID-Regler vom Typ E5CS-R1 der Firma OMRON Industrial Automation
Company eingesetzt, da sich dieser Regler als besonders vorteilhaft erwiesen
hat.
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Vorzugsweise
wird die Werkzeugtemperatur auf einen bestimmten Temperatur-Sollwert
geregelt, nämlich
auf den bereits vorstehend erwähnten
stationären
Wert der Werkzeugtemperatur, der sich im normalen Umformbetrieb
einstellt. Der stationäre
Wert der Werkzeugtemperatur kann beispielsweise bestimmt werden,
indem während
des normalen Umformbetriebs mehrfach die Werkzeugtemperatur gemessen
wird, woraus dann der stationäre
Wert beispielsweise durch Mittelwertbildung abgeleitet wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Werkzeugheizung nur zum Vorheizen des Werkzeugs in die Umformmaschine
eingesetzt und anschließend
aus der Umformmaschine entnommen, bevor der eigentliche Umformbetrieb
beginnt. Bei einer Gesenkschmiedepresse mit einem Obergesenk und
einem Untergesenk ist die erfindungsgemäße Werkzeugheizung also vorzugsweise
so geformt und dimensioniert, dass die Werkzeugheizung zwischen
Obergesenk und Untergesenk eingeführt werden kann: Dies ist vorteilhaft,
weil die Werkzeugheizung dann sowohl das Obergesenk als auch das
Untergesenk vorheizt.
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Das
Heizelement zum Vorheizen des Werkzeugs der Umformmaschine ist vorzugsweise
elektrisch betrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Betriebsweise
des Heizelementes beschränkt.
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Weiterhin
ist zu erwähnen,
dass die Erfindung nicht nur die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Werkzeugheizung
als einzelnes Bauteil umfasst, sondern auch auf eine vollständige Umformmaschine
mit einer derartigen Werkzeugheizung gerichtet ist.
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Ferner
umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren
für die
vorstehend beschriebene Werkzeugheizung.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte Frontansicht einer Gesenkschmiedepresse mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugheizung
zum Vorheizen des Gesenks vor dem Schmiedebetrieb,
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2A die
erfindungsgemäße Gesenkheizung
in einer Aufsichtsdarstellung,
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2B die
Gesenkheizung aus 2a in einer Seitenansicht,
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3 ein
elektrisches Schaltbild der Gesenkheizung aus den vorangehenden
Figuren sowie
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4 ein
erfindungsgemäßes Betriebsverfahren
der erfindungsgemäßen Gesenkheizung
in Form eines Flussdiagramms.
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Die
Vorderansicht in 1 zeigt eine herkömmlich aufgebaute
Gesenkschmiedepresse 1, die auf einem Maschinenfundament 2 steht,
wobei die Gesenkschmiedepresse 1 an dem Maschinenfundament 2 festgeschraubt
ist.
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Die
Gesenkschmiedepresse 1 weist ein herkömmliches brückenförmiges Gehäuse 3 auf, wobei an
der rechten Seite des Gehäuses 3 ein
Bedienfeld 4 angeordnet ist, an dem ein Maschinenführer die Gesenkschmiedepresse 1 bedienen
kann.
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In
dem Gehäuse 3 befindet
sich an der Unterseite ein auswechselbares, feststehendes Untergesenk 5,
das eine Werkstückhohlform
bildet.
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Über dem
Untergesenk 5 befindet sich ein Obergesenk 6,
das auswechselbar an einem beweglichen Stößel 7 der Gesenkschmiedepresse
befestigt ist, wobei sich der Stößel 7 während des
Gesenkschmiedens in Pfeilrichtung bewegt. Der Antrieb des Stößels 7 und
die Befestigung des Obergesenks 6 an dem Stößel 7 kann
hierbei in herkömmlicher
Weise erfolgen und wird deshalb nicht weiter detailliert beschrieben.
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Zwischen
das Obergesenk 6 und das Untergesenk 5 ist hierbei
eine erfindungsgemäße Gesenkheizung 8 eingesetzt,
die auf dem Untergesenk 5 ruht und in den folgenden Figuren
detailliert dargestellt ist. Die Gesenkheizung 8 dient
zum Vorheizen des Untergesenks 5 und des Obergesenks 6 und
wird nach dem Vorheizen aus der Gesenkschmiedepresse 1 entnommen,
damit das Obergesenk 6 auf das Untergesenk 5 gepresst
werden kann.
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Zum
Vorheizen wird das Obergesenk 6 von dem Stößel 7 nach
unten in die in der Zeichnung gezeigte Stellung gefahren, so dass
zwischen der Unterseite des Obergesenks 6 und der Oberseite
der Gesenkheizung 8 nur ein Abstand von 5–10 mm verbleibt.
Auf diese Weise wird ein guter Wärmeübergang
von der Gesenkheizung 8 auf das Obergesenk 6 erreicht,
ohne dass die Gefahr einer Beschädigung der
Gesenkheizung 8 durch das Obergesenk 6 besteht.
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Im
Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die 2A und 2B der
Aufbau der Gesenkheizung 8 beschrieben.
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Die
Gesenkheizung 8 weist ein aus Edelstahl bestehendes Gehäuse 9 auf,
in dem zahlreiche elektrisch betriebene Heizspiralen 10 angeordnet
sind, wobei die Heizspiralen 10 über ein Kabel 11 mit
einer Länge
von 18 m mit einer Steuereinheit 12 verbunden sind.
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Weiterhin
ist zu erwähnen,
dass die Heizspiralen 10 in dem Gehäuse 9 der Gesenkheizung 8 in zwei übereinanderliegenden
Ebenen an der Unterseite und an der Oberseite der Gesenkheizung 8 angeordnet
sind, wobei die Heizspiralen 10 der oberen Ebene das Obergesenk 6 heizen,
während
die Heizspiralen 10 der unteren Ebene das Untergesenk 5 heizen
sollen.
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An
dem Gehäuse 9 sind
seitlich zwei Griffe 13, 14 befestigt, mittels
derer die Gesenkheizung 8 von zwei Bedienungspersonen zwischen
dem Obergesenk 6 und dem Untergesenk 5 in die
Gesenkschmiedepresse 1 eingesetzt werden kann.
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Weiterhin
weist das Gehäuse 9 eine
Abdeckung 15 auf, die mittels eines verschiebbaren Griffs 16 und
einer Betätigungsstange 17 geöffnet oder
geschlossen werden kann.
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Darüber hinaus
weist die Gesenkheizung 8 einen Temperatursensor 18 auf,
der in dem Gehäuse 9 nahe
der Oberseite berührungsfrei
angeordnet ist, um die Gesenktemperatur zu messen.
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Im
Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das in 3 dargestellte
Schaltbild der elektrische Aufbau der Gesenkheizung 8 beschrieben.
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Die
Gesenkheizung 8 ist über
das Kabel 11 mit einem herkömmlichen Dreiphasennetz A-B-C-N verbunden,
wobei A, B, C die drei Phasen bezeichnen, während N einen Nullleiter bezeichnet.
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Zum
Ein- bzw. Ausschalten weist die Gesenkheizung 8 einen manuell
bedienbaren Schalter 19 auf, der in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung alle
drei Phasen A, B, C trennt bzw. durchschaltet.
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Weiterhin
weist die Gesenkheizung 8 zum Schutz der Bedienungspersonen
ein Sicherheitsrelais 20 auf, wobei das Sicherheitsrelais 20 anspricht, wenn
der Strom zwischen der Phase C und dem Nullleiter N einen Wert von
30 mA erreicht.
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Zum
Vorheizen des Untergesenks 5 und des Obergesenks 6 weist
die Gesenkheizung 8 ein Heizelement 21 mit drei
sternförmig
zusammengeschalteten Widerstandsheizelementen 22, 23, 24 auf,
wobei die Widerstandsheizelemente 22, 23, 24 durch
die Heizspiralen 10 gebildet werden.
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Zwischen
das Sicherheitsrelais 20 und das Heizelement 21 ist
hierbei ein steuerbarer dreiphasiger Schalter 25 geschaltet,
wobei der Schalter 25 das Heizelement 21 an- oder
abschaltet, so dass die Heizleistung des Heizelements 21 durch
die Schaltzeiten des Schaltelements 25 bestimmt wird.
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Die
Ansteuerung des Schaltelements 25 zur Einstellung der gewünschten
Heizleistung des Heizelements 21 erfolgt durch einen Regler 26 vom
Typ OMRON E5CS-R1, wobei der Regler 26 zum einen über eine
Sicherung 27 mit der geschalteten Phase C und zum anderen
mit dem geschalteten Nullleiter N verbunden ist.
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Weiterhin
weist die Gesenkheizung 8 eine Kontrollleuchte 28 auf,
die während
des Vorheizens aufleuchtet.
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Ferner
ist der Regler 6 an seinem Pin 8 über einen
Schalter 29 und die Sicherung 27 mit der geschalteten
Phase C verbunden.
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Schließlich ist
der Regler 26 eingangsseitig über einen Auswahlschalter 30 mit
zwei Temperaturfühlern 31, 32 verbunden,
die in dem Temperatursensor 18 angeordnet sind.
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Im
Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das in 4 dargestellte
Flussdiagramm die Betriebsweise der Gesenkheizung 8 beschrieben.
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In
einem ersten Schritt 33 muss zunächst die sogenannte Gleichgewichtstemperatur
des Gesenks ermittelt werden. Hierbei handelt es sich um den stationären Wert
der Gesenktemperatur, der sich während
des Gesenkschmiedens einstellt, wobei die Gleichgewichtstemperatur
unter anderem von dem eingesetzten Gesenk, dem bearbeiteten Werkstück und der
Arbeitsgeschwindigkeit abhängt.
Zur Ermittlung der Gleichgewichtstemperatur wird während des normalen
Gesenkschmiedens mehrfach die Gesenktemperatur gemessen, wobei die
Gleichgewichtstemperatur als Mittelwert der einzelnen Messwerte
berechnet wird. Der Schritt 33 wird also während des normalen
Schmiedebe triebs und damit vor dem eigentlichen erfindungsgemäßen Vorheizen
des Obergesenks 6 und des Untergesenks 5 durchgeführt.
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Nach
einer längeren
Betriebspause ist dann ein Vorheizen des Untergesenks 5 und
des Obergesenks 6 sinnvoll, um die Standzeit des Untergesenks 5 und
des Obergesenks 6 zu erhöhen und die Bearbeitungsgenauigkeit
zu verbessern. Darüber
hinaus wird durch das Vorheizens des Untergesenks 5 und des
Obergesenks 6 auch ein Materialversagen des Untergesenks 5 oder
des Obergesenks 6 beim Gesenkschmieden vermieden.
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Zum
Vorheizen wird die Gesenkheizung 8 in einem Schritt 34 zwischen
dem Untergesenk 5 und dem Obergesenk 6 in die
Gesenkschmiedepresse 1 eingesetzt, wie in 1 dargestellt
ist.
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Anschließend wird
das Obergesenk 6 in einem weiteren Schritt 35 von
dem Stößel 7 so
weit nach unten gefahren, dass zwischen der Unterseite des Obergesenks 6 und
der Oberseite der Gesenkheizung 8 ein Abstand von ungefähr 5–10 mm verbleibt.
Dadurch wird ein Wärmeübergang
von der Gesenkheizung 8 auf das Obergesenk 6 ermöglicht, ohne
dass die Gesenkheizung 8 durch das Obergesenk 6 beschädigt wird.
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In
einem weiteren Schritt 36 wird das Gesenk dann auf die
zuvor bestimmte Gleichgewichtstemperatur vorgeheizt, indem der Schalter 25 von
dem Regler 26 in Abhängigkeit
von der gemessenen Temperatur entsprechend angesteuert wird.
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Anschließend wird
das Obergesenk 6 in einem weiteren Schritt 37 von
dem Stößel 7 hochgefahren,
woraufhin die Gesenkheizung 8 in einem weiteren Schritt 38 aus
der Gesenkschmiedepresse 1 entnommen wird.
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Anschließend erfolgt
dann in einem weiteren Schritt 39 der Beginn des normalen
Schmiedebetriebs, wobei das Untergesenk 5 und das Obergesenk 6 dann
zu Beginn des Schmiedebetriebs bereits auf die Gleichgewichtstemperatur
vorgeheizt sind.
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Die
Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in
den Schutzbereich fallen.