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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen mindestens eines
Formteils aus Pulver, insbesondere aus Metallpulver, die mindestens
einen in eine Pressrichtung verfahrbaren Pressstempel und mindestens
eine Matrize aufweist, wobei die Matrize zur zumindest teilweisen
Aufnahme des Pressstempels ausgebildet ist, um im Inneren der Matrize
das Formteil durch Pressen des Pulvers auszubilden.
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Mit
Vorrichtungen der genannten Art ist es möglich, Formteile aus Metallpulver
durch Pressen und anschließendes
Sintern herzustellen. Bekannt ist es, für das Pressen von pulverförmigem Werkstoff stempelartige
Werkzeuge einzusetzen, die in eine Matrize eingebrachtes Pulver
durch eine axiale Pressbewegung komprimieren. Hierzu ist zumindest ein
Pressstempel erforderlich, der in die Matrize eindringt. In diesem
Falle besitzt die Matrize einen Hohlraum, der zumindest zur Stempelseite
hin geöffnet ist.
Die Matrizenöffnung
wird – bis
auf ein geringfügiges
Spiel – vom
Stempel geschlossen. Der Stempel baut durch sein Eindringen in den
Matrizenhohlraum den zur Verdichtung notwendigen Druck auf.
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Es
kann auch vorgesehen werden, dass mehrere Stempel eingesetzt werden,
die sich in eine Achsrichtung bewegen können. Die Stempel können dabei
in eine axial einseitig geschlossene Matrize eintauchen oder bei
einer axial in beiden Richtungen offenen Matrize aus beiden axialen
Richtungen kommen. Gelegentlich werden auch durchgehende Dornstangen
eingesetzt, die aber keine Verdichtungs funktion, sondern eine Verdrängerfunktion
haben. Die Stempel können
auch seitlich in die Matrize eintauchen, um Hinterschneidungen oder
sonstige geometrische Ausprägungen
zu erzeugen. Zur Entformung des Formteils werden diese radial eintauchenden Stempel
so weit zurückgezogen,
dass die Entformung nicht behindert wird.
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Üblicherweise
besteht die Matrize aus einem Matrizenring (Matrizengrundkörper) und
einer darin eingesetzten Matrizenbuchse bzw. -hülse mit der Werkstückkontur.
In das Innere der so geschaffenen Werkzeugkavität taucht der Pressstempel ein.
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Angestrebt
wird regelmäßig, dass
mit möglichst
kurzer Zykluszeit ein Formteil (Pressling) hergestellt werden kann.
Ein Zyklus beginnt mit der Befüllung
der Werkzeugkavität
mit Pulver. Nach dem Schließen
der Presse beginnt mit dem Eintauchen des Pressstempels in die Matrize
der sog. Pulvertransfer. Anschließend erfolgt das eigentliche
Pressen des Pulvers. Dann wird die Presse wieder geöffnet und
der Pressling entformt.
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Die
für die
einzelnen Teilprozesse benötigten Zeiten
können
dabei nicht beliebig verkürzt
werden. Aus technologischen Gründen
gibt es z. B. eine Mindest-Pressdauer.
Weiterhin sind maschinentechnisch für die Bewegungen der Presse
bzw. deren Teile gewisse Zeiten nicht unterschreitbar. Somit ist
der gesamte Zyklus nicht unter ein bestimmtes Maß hinaus verkürzbar.
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Soll
eine weitere Verkürzung
der Zykluszeit pro Pressling erzielt werden, müssen also andere Wege gegangen
werden.
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Der
Erfindung liegt im Lichte dessen die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich wird,
zu einer wesentlich geringeren Zykluszeit bei der Herstellung eines
Presslings zu gelan gen. Dabei sollen die maschinentechnisch bedingten
und verfahrensbedingten Kosten nicht nennenswert gesteigert werden
müssen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe durch die Erfindung sieht vor, dass in Pressrichtung übereinander mindestens
zwei, vorzugsweise noch mehr, Matrizen angeordnet sind, wobei mindestens
eine Matrize den Pressstempel für
eine benachbarte Matrize trägt.
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Der
von einer Matrize getragene Pressstempel ist bevorzugt relativ zu
dieser in Pressrichtung verschieblich angeordnet; er kann insbesondere
relativ zu der ihn tragenden Matrize gesteuert oder geregelt bewegt
werden.
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Zwischen
mindestens zwei benachbarten Matrizen können Bewegungsmittel angeordnet
sein, mit denen der Abstand zwischen den Matrizen eingestellt werden
kann. Der Abstand zwischen den Matrizen kann dabei gesteuert oder
geregelt werden.
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Ferner
kann in der von den Pressstempeln abgewandten Matrize ein Zusatzpressstempel
angeordnet sein, zu dem die Matrize in Pressrichtung relativ beweglich
ist. Es lastet hier die gesamte Presskraft auf dem Zusatzpressstempel,
wobei aber die Matrize relativ zu diesem beweglich angeordnet ist. Zwischen
der von den Pressstempeln abgewandten Matrize und einer ortsfesten
Platte der Vorrichtung kann weiterhin ein Bewegungsmittel angeordnet sein,
mit dem der Abstand zwischen dieser Matrize und der ortsfesten Platte
eingestellt werden kann.
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Bevorzugt
sind die Pressstempel und/oder die Bewegungsmittel und/oder der
Zusatzpressstempel hydraulisch betätigbar. Die Pressstempel und/oder
die Bewegungsmittel und/oder der Zusatzpressstempel sind mit Vorteil
zur positions-, geschwindigkeits- und/oder druckgeregelten Betätigung ausgebildet.
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Eine
einfache Handhabung der Vorrichtung ergibt sich insbesondere bei
der Umrüstung
auf ein anderes Formteil, wenn die Matrizen samt den Pressstempeln
sowie gegebenenfalls die Bewegungsmittel und der Zusatzpressstempel
als einen Adapter bildende Einheit ausgebildet sind, die auswechselbar
in der Vorrichtung angeordnet werden kann.
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Mit
dem Erfindungsvorschlag wird es möglich, in sehr viel kürzerer Taktzeit
bzw. Zykluszeit ein Formteil bzw. einen Pressling herzustellen.
Mit dem Vorsehen einer Anzahl von in Reihe, also hintereinander
angeordneter Matrizen kann eine Multiplikation der Ausstoßmenge an
Presslingen erreicht werden. Dennoch ist kein wesentlich aufwändigerer
Aufbau der Presse erforderlich, so dass insgesamt eine sehr viel
effizientere und damit wirtschaftlichere Fertigung von Formteilen
erreicht werden kann.
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Weitere
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Pressen von Formteilen aus Pulver in der Vorderansicht
und
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2a bis 2g die
Vorrichtung gemäß 1 in
einer Abfolge von insgesamt sieben Prozess-Teilschritten.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 1 dargestellt, mit der Metallpulver zu
Formteilen 2 gepresst werden kann. Die Vorrichtung 1 weist
hierfür
insgesamt drei Matrizen 6, 7 und 8 auf,
die jeweils eine Formkavität aufweisen,
in die ein Pressstempel (Kolben) 3, 4 bzw. 5 eintreten
kann.
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Der
oberste Pressstempel 3 kann als Hauptkolben bezeichnet
werden. Er bringt die wesentliche, in Pressrichtung P wirkende Presskraft
auf, die von einem hydraulischen Zylinder 14 erzeugt wird,
der in einer oberen Traverse 15 der Vorrichtung 1 angeordnet
ist.
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Damit
liegt insoweit ein klassischer Aufbau der Presse 1 vor.
Es ist ein Pressengrundkörper
und ein Werkzeugadapter vorgesehen, der in die Presse auswechselbar
eingesetzt ist.
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Zwischen
den Matrizen 6 und 7 ist ein in Pressrichtung
P wirkendes Bewegungsmittel 9 angeordnet, das als hydraulische
Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist. Entsprechend befindet sich
ein solches Bewegungsmittel 10 zwischen den Matrizen 7 und 8.
Dargestellt ist ein Kolben-Zylinder-System im seitlichen Endbereich
der Matrizen 6, 7, 8, wobei es sich von
selbst versteht, dass je zwei dieser Elemente symmetrisch zur Mittenachse
der Vorrichtung 1 angeordnet werden können, um Verkantungen zu verhindern
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Die
unterste Matrize 8 ist an ihrer Unterseite ebenfalls mit
einem Presstempel versehen, nämlich mit
dem Zusatzpressstempel 11. Zwischen der Matrize 8 und
der sich unter ihr befindlichen ortsfesten Platte 12, die
auf einer unteren Traverse 16 der Vorrichtung 1 ruht,
ist analog zu den Bewegungsmitteln 9 und 10 ein
Bewegungsmittel 13 angeordnet, wobei es sich auch hierbei
um eine hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit handelt.
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Durch
die vorgesehenen Bewegungsmittel 9, 10, 13 ist
es möglich,
in jeder Pressebene, also für jede
Matrize 6, 7, 8, unabhängig von
den jeweils anderen Ebenen die Füllhöhe unabhängig von
den anderen Ebenen zu steuern bzw. zu regeln. Da jede Matrize 6, 7, 8 – vorzugsweise
hydraulisch – frei
verfahren werden kann, ist gewährleistet,
dass auf allen Ebenen das Verpressen zur gleichen Zeit stattfindet.
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Die
Pulverpresse 1 ist im Ausführungsbeispiel als hydraulisch
betriebenes System ausgebildet. Genauso kann aber auch vorgesehen
werden, dass sie – dann
vor allem in kleinerer Bauweise ausgeführt – als mechanische Presse (mit
Kurbeltrieb) ausgeführt
ist.
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Die
Matrizen 6, 7, 8 sind im Ausführungsbeispiel
als einstufige Werkzeuge ausgeführt.
Genauso ist es aber auch möglich,
dass die Werkzeuge mehrstufig ausgebildet sind, wie es im Stand
der Technik als solches hinlänglich
bekannt ist.
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Die – je nach
Anzahl der übereinander
vorgesehenen Matrizen – mögliche Erhöhung der
Leistung der Vorrichtung 1 durch gezieltes Pressen auf
mehreren Pressebenen kann ohne wesentlichen maschinentechnischen
Mehraufwand erfolgen. Lediglich der oberste Pressstempel 3,
der zumeist als Oberkolben bezeichnet wird, muss einen (geringfügig) höheren Weg
zurücklegen
können.
Die Presskraft dieses Pressstempels muss jedoch nicht zwangsläufig erhöht werden.
Die von ihm aufgebrachte Presskraft wirkt vielmehr gleichzeitig
in allen Pressebenen.
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Die
Leistungssteigerung der vorgeschlagenen Vorrichtung ergibt sich
also nicht durch das Verkürzen
des Taktzyklus, da dies, wie erwähnt,
Grenzen hat. So ist z. B. für
das Befüllen
der Matrizenkavitäten
mit Pulver aus technologischen Gründen eine gewisse Mindestzeit
erforderlich. Ähnliches
gilt für den
Pulvertransfer und das Pressen selber. Vielmehr wird durch das Vorsehen
der zusätzlichen
Pressebenen durch die verschiedenen Matrizen die wesentliche Erhöhung der
Produktivität
erreicht, wobei gewährleistet
wird, dass die vom obersten Pressstempel 3 erzeugte Presskraft
auf das Pulver in allen Matrizen übertragen wird.
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Einem
eher geringen Aufwand für
einen größeren Oberkolbenhub
(Hub des Pressstempels 3) und das Einbringen zusätzlicher
Pressebenen (Matrizen) steht ein erheblich höherer Ausstoß an Presslingen 2 gegenüber, der
ein Vielfaches einer herkömmlichen
Presse beträgt.
Der Ausstoß ist
im wesentlichen davon abhängig,
wie viele Matrizen übereinander
vorgesehen werden.
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Wie
in 1 angedeutet ist, weisen die Pressstempel 4 und 5 sowie
der Zusatzpressstempel 11 hydraulische Ringflächen (in
Höhe der
Matrizen 6, 7, 8) auf, so dass sie innerhalb
der jeweiligen Matrizen 6, 7, 8 verfahrbar
sind. Damit sind Relativbewegungen dieser Hilfskolben innerhalb
der Matrizen möglich.
Die Kräfte über die
hydraulischen Ringflächen
sind eher klein gehalten im Vergleich zu der Kraft der Ringfläche des
Oberkolbens 3, da sie nur zur Korrektur bzw. zur Unterstützung des
Oberkolbens im Pressvorgang dienen.
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Nach
dem gleichzeitigen Befüllen
der Matrizenkavitäten
mit Pulver auf den verschiedenen Ebenen fahren die Bewegungsmittel 9, 10, 13 verschiedene
Hübe, bis
gleichzeitig die von oben herabhängenden
Pressstempel 3, 4, 5 in Kontakt mit dem
Pulver treten. Dann erfolgt der Aufbau der Presskraft, wobei die
Ringflächen
an den Pressstempeln 4 und 5 sowie am Zusatzpressstempel 11 positions-,
geschwindigkeits- oder druckgeregelt geschaltet werden. Die Presskraft
des Pressstempels 3 (Oberkolben) wird über das Pulver an den Pressstempel 4, von
dort über
das Pulver an den Pressstempel 5 und von dort über das
Pulver an den Zusatzpressstempel 11 weitergegeben, der
sich stationär
im Adapter bzw. in der Presse 1 abstützt, nämlich an der ortsfesten Platte 12.
Die Matrizen 6, 7, 8 befinden sich über die Bewegungsmittel 9, 10, 13 in
hydraulischer Regelung, um den Pressvorgang durch eine Abwärtsbewegung
zu begleiten. So ist sichergestellt, dass nach dem Ende des Verpressens
jedes Formteils 2 sich in der gleichen Position in der
Matrize 6, 7, 8 befindet.
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Möglich, jedoch
nicht zwingend ist es, Reibungsverluste durch die Ringflächen der
Pressstempel 4, 5 und 11 auszugleichen.
Falls durch Reibkräfte an
den jeweiligen Matrizen Verluste in der Übertragung der Kräfte des
Pressstempels 3 (Oberkolben) auftreten, kann durch geregelten
Druckaufbau auf den oberen Ringflächen der genannten Pressstempel
korrigierend eingegriffen werden, so dass beim Formteil 2 in
der Matrize 8 die gleichen geometrischen Konturen erzeugt
werden, als bei den Teilen in den Matrizen 6 und 7 bzw.
in weiteren nicht dargestellten Matrizen. Allerdings kann zumeist
bei geringeren Reibkräften
durch eine ausreichend große Kraft
des Oberkolbens 3 auf eine solche Korrektur verzichtet
werden.
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Nach
dem Verpressen der Formteile 2 fahren alle Matrizen 6, 7, 8 in
eine Abzugsstellung und legen das Formteil 2 frei, während der
Kontakt zwischen den Pressstempeln 3, 4, 5, 11 über die
Presslinge 2 bestehen bleibt. Anschließend hebt der Pressstempel 3 vom
Pressstempel 4, der Pressstempel 4 vom Pressstempel 5 und
der Pressstempel 5 vom Zusatzpressstempel 11 gleichzeitig
ab, wobei die oberen Pressstempel entsprechend schneller nach oben fahren
als die unteren. Damit wird ein synchroner Zeitablauf der einzelnen
Pressvorgänge
in den Matrizen 6, 7, 8 sichergestellt;
in allen Pressebenen kann das Formteil 2 zum selben Zeitpunkt
entnommen werden, bevor die Füllung
der Matrizen 6, 7, 8 mit Pulver für den nächsten Zyklus
erfolgt.
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Unerheblich
ist es dabei, ob ein Werkzeugadapter verfahrbar ist oder sich stationär in der
Presse 1 befindet. Weiter ist die Zahl der Pressebenen
frei wählbar
und richtet sich nach der Form der herzustellenden Teile bzw. deren
Stückzahl
bzw. nach den maschinentechnischen Grenzen.
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Die
Abfolge der einzelnen Prozessschritte ist in 2 illustriert,
wobei in den sieben Teilfiguren 2a bis 2g aufeinander
folgende Prozessschritte skizziert sind. Dabei ist zur Orientierung
die aufeinanderfolgende Verschiebung der einzelnen Maschinenteile
in Pressrichtung P mit Zahlenangaben versehen, die Verschiebewege
in Millimetern angeben.
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In 2a befinden
sich die Matrizen 6, 7, 8 und die Pressstempel 3, 4, 5 in
der Ausgangssituation. In dieser werden die Kavitäten der
Matrizen 6, 7, 8 mit Pulver gefüllt.
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Durch
geringfügiges
Anheben der Matrizen 6, 7, 8 (um 1 Millimeter)
erfolgt gemäß 2b ein
Unterfüllen
der Werkzeuge in bekannter Weise.
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In 2c ist
zu sehen, wie die Pressstempel 3, 4, 5 in
die Matrizen 6, 7, 8 abgesenkt wurden;
damit erfolgt der Start des Pulvertransfers.
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Das
eigentliche Pressen erfolgt in der in 2d gezeigten
Stellung, wobei die Pressstempel 3, 4, 5 relativ
zu den Matrizen 6, 7, 8 in ihre tiefste
Position geschoben werden.
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Die
fertig gepressten Formteile 2 werden freigelegt, indem
die Matrizen 6, 7, 8 relativ zu den Pressstempeln 3, 4, 5 nach
unten verschoben werden, wie es aus 2e hervorgeht.
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Dann
heben – gemäß 2f – die Pressstempel 3, 4, 5 voneinander
ab, so dass die fertigen Presslinge 2 entnommen werden
können.
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Abschließend ist,
wie es in 2g zu sehen ist, wieder die
Position der einzelnen Maschinenteile erreicht, wie sie dem Ausgangszustand
gemäß 2a entspricht.
Hier kann nun also neues Pulver in die Matrizenkavitäten eingefüllt werden.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Formteil
- 3
- Pressstempel
(Kolben)
- 4
- Pressstempel
(Kolben)
- 5
- Pressstempel
(Kolben)
- 6
- Matrize
- 7
- Matrize
- 8
- Matrize
- 9
- Bewegungsmittel
- 10
- Bewegungsmittel
- 11
- Zusatzpressstempel
(Zusatzkolben)
- 12
- ortsfeste
Platte
- 13
- Bewegungsmittel
- 14
- Zylinder
- 15
- obere
Traverse
- 16
- untere
Traverse
- P
- Pressrichtung