DE102007040130B3

DE102007040130B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Umformen eines Werkstückes

Info

Publication number: DE102007040130B3
Application number: DE102007040130A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoffmann; Hans-Joachim Koriath; Welf-Guntram Drossel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen eines Werkstückes mit einem Werkzeug und einer Vorschubeinrichtung, mit der Werkstück und Werkzeug relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Vorschubeinrichtung einen Vorschubaktor und ein adaptronisches Stellglied aufweist, und der Vorschubaktor und das adaptronische Stellglied einem geschlossenen Kraft- und/oder Energieregelkreis miteinander bilden zur Erzeugung einer intermittierenden Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umformen eines Werkstückes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur intermittierenden Bewegungssteuerung eines tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors.
Aus der EP 1 003 616 B1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verformen von Werkstücken (insbesondere zum Kaltfließpressen) bekannt, wobei das Werkstück durch eine Verformungsmatrize „hammerartig" beaufschlagt wird. Dabei wird die in Vorschubrichtung verlaufende grundsätzlich kontinuierliche Bewegung durch eine Frequenzerzeugungseinrichtung modifiziert. Dadurch führt die Verformungsmatrize anstelle einer gleichförmigen, in Vorschubrichtung verlaufenden Bewegung eine hubartige Bewegung mit einem in Vorschubrichtung gerichteten Vorwärtshub mit einem ersten Hubweg und einem sich daran anschließenden Rückwärtshub mit einem zweiten Hubweg aus. Bei jedem folgenden erneuten Vorwärtshub wird die Verformungsmatrize dann über den Endpunkt des vorangegangenen Vorwärtshubes hinaus bewegt. Man könnte hierin eine schwingungsartige Bewegung von Werkstück zu Matrize mit unterschiedlichen Hin- und Rückhüben des Hydraulikzylinders sehen. Von Nachteil ist hierbei aber, daß die erforderlichen Bearbeitungskräfte zum Kaltverformen einen entsprechend groß dimensionierten Hydraulikzylinder erfordern. Ein derartiger Hydraulikzylinder weist jedoch eine hohe Trägheit auf, welche die Schwingungsfrequenz auf 30 Hz begrenzt.
Aus der DE 30 23 886 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Be- und Verarbeiten von fließfähigen Feststoffgemischen und Dispersionen durch schwingende Werkzeuge bekannt, wobei die Werkzeuge bei ihrer Hinbewegung zum Feststoffgemisch/zur Dispersion mit anderen Beschleunigungswerten bzw. Beschleunigungshöchstwerten als bei ihrer nachfolgenden Rückbewegung bewegt werden, und wobei eine Frequenz oder Amplitude zwischen Hin- und Rückbewegung verändert wird. Der hierfür verwendete Vibrationsantrieb ist vorzugsweise eine Hydraulikzylinder-Kolben-Einheit mit hydraulischem Steuerkolben, der abwechselnd die Druck- und Rücklaufleitung zu- und abschaltet und hydraulische Druckschwingungen erzeugt. Von Nachteil hierbei ist aber, daß bei hohen Volumenströmen/Geschwindigkeiten und Kräften die Abmessungen des angetriebenen hydraulischen Steuerkolbens vergleichsweise groß sind, wodurch dessen Trägheit wiederum die Schwingungsfrequenz des Vorschubaktors begrenzt.
Für Höchstpräzisionsbearbeitungsvorgänge sind sogenannte „Fast Tool Servo". Vorrichtungen (im Folgenden abgekürzt als „FTS"-Vorrichtungen) aus der US 4,357,663 und der US 5,424,845 bekannt, wobei ein lagegeregelter Vorschubaktor einen Feinantrieb seriell trägt, der – wiederum lagegeregelt – eine frequenzgesteuerte Bewegungsüberlagerung bis 10 kHz zur Herstellung von Mikrostrukturen erzeugt. Diese „FTS"-Vorrichtungen sind aber für große Kontaktkräfte ungeeignet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umformen von Werkstücken anzugeben, die nicht von der Trägheit des Vorschubaktors abhängen und gleichzeitig große Kontaktkräfte übertragen können.
Die vorliegende Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Umformen eines Werkstückes mit einem Werkzeug und einer Vorschubeinrichtung, mit dem das Werkzeug in das Werkstück drückbar ist, wobei die Vorschubeinrichtung einen Vorschubaktor und ein adaptronisches Stellglied aufweist, und der Vorschubaktor und das adaptronische Stellglied einen geschlossenen Kraft- und/oder Energieregelkreis miteinander bilden, zur Erzeugung einer intermittierenden Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug.
Dabei können der Vorschubaktor und das adaptronische Stellglied seriell und/oder parallel zueinander angeordnet sein. Bei der seriellen Anordnung liegt das adaptronische Stellglied im Hauptkraftfluß. Bei der parallelen Anordnung von Vorschubaktor und adaptronischem Stellglied liegt das adaptronische Stellglied nicht mehr im Hauptkraftfluß, sondern überlagert z. B. von außen eine Schwingung, beispielsweise an dem (nachstehend noch näher erläuterten) Punkt 7 in 2.
Das adaptronische Stellglied kann vorgesehen sein, eine Kontaktkraft zwischen Werkstück und Werkzeug und/oder einen Energieeintrag an der Kontaktstelle zwischen diesen zu messen und eine der Kontaktkraft und/oder dem Energieeintrag entsprechende Stellgröße an eine Regeleinheit auszugeben.
Das adaptronische Stellglied kann weiterhin vorgesehen sein, sich in Abhängigkeit einer ansteigenden Kontaktkraft und/oder eines ansteigenden Energieeintrages (selbst) zu verkürzen und in Abhängigkeit einer sich verringernden Kontaktkraft und/oder eines sich verringernden Energieeintrages seine vorherige Verkürzung aufgrund vormals ansteigender Kontaktkraft oder ansteigenden Energieeintrages (wiederum) zu verringern.
Die Regeleinheit kann weiterhin vorgesehen sein, eine Vorschubgeschwindigkeit des Vorschubaktors abhängig von der vom adaptronischen Stellglied erzeugten Stellgröße zu verändern.
Zudem kann der Vorschubaktor tage- und/oder kraftgeregelt sein. Insbesondere der tage- und/oder kraftgeregelte Vorschubaktor ist dabei mit einem kraftgeregelten adaptronischen Stellglied kombinierbar.
Das adaptronische Stellglied kann außerdem eine frei programmierbare Kraft-, und/oder Weg- und/oder Energiefunktion aufweisen, so daß eine Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes durch eine elektrische und/oder thermische und/oder magnetische Stellgröße dämpfbar ist.
Zudem kann eine statische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes entsprechend einer Steifigkeit der Kontaktstelle zwischen Werkstück und Werkzeug über eine Amplitude einer Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes anpaßbar sein.
Das adaptronische Stellglied kann weiterhin auf einem piezoelektrischen, magnetostriktiven, elektrostriktiven, magnetorheologischen, elektrorheologischen oder magnetischen Formgedächtnis-Wirkprinzip oder auf einer Kombination dieser Wirkprinzipien beruhen.
Zudem kann durch die intermittierende Bewegung eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Hub erzeugbar sein, um die Kontaktkraft und/oder den Energieeintrag zwischen Werkzeug und Werkstück zu optimieren.
Die vorliegende Vorrichtung kann als Massivumformmaschine, insbesondere als Bohrungsdrückmaschine zur Herstellung rotationssymmetrischer Hohlteile ausgebildet sein, welche einen axial verstellbaren Stempel und vorzugsweise mehrere umfänglich verteilte, radial und axial verstellbare Andrückrollen aufweist, wobei das Werkstück in einer an einer Spindel der Bohrungsdrückmaschine angeordneten Spanneinrichtung aufgenommen ist und um seine Längsachse rotiert, und wobei die Andrückrollen drehbar gelagert sind und deren Drehzentrum zusammen mit dem synchron zur Spindel rotierenden Stempel eine Translationsbewegung entlang einer Umformungsachse ausführen, so daß durch die an einer Mantellinie des Werkstückes abwälzenden Andrückrollen und den gleichzeitig axial wirkenden Formstempel aus dem Werkstück eine Hohlform ausgeformt wird, indem der verdrängte Werkstoff entgegen der Vorschubrichtung axial abfließt und eine Napfwand ausbildet.
Dabei kann die Regeleinheit eine relative Bewegungssteuerung einer axialen Lage des Stempels zum Werkstück vornehmen, wodurch eine Schwingungsüberlagerung erzeugt wird, um die Kontaktkraft und/oder den Energieeintrag zu optimieren.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die vorliegende Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Umformen eines Werkstückes mit einem Werkzeug gelöst, wobei das Werkstück in das Werkzeug gedrückt wird, und wobei eine Kontaktkraft zwischen Werkzeug und Werkstück oder ein Energieeintrag in das Werkstück erfaßt, eine der Kontaktkraft und/oder dem Energieeintrag entsprechende Stellgröße bestimmt und eine Vorschubbewegung mit der Stellgröße korreliert wird, um eine intermittierende Bewegung zu erzeugen.
Bei dem vorliegenden Verfahren können Werkstück und Werkzeug mit einer Vorschubeinrichtung relativ zueinander bewegt werden, die einen Vorschubaktor und ein adaptronisches Stellglied aufweist, wobei bei ansteigender Kontaktkraft und/oder ansteigendem Energieeintrag eine Länge des adaptronischen Stellgliedes verkürzt und abhängig von der Stellgröße eine Geschwindigkeit der Vorschubbewegung verringert wird, wodurch die Kontaktkraft und/oder der Energieeintrag abnimmt.
Hierbei kann bei entsprechend abnehmender Kontaktkraft oder entsprechend abnehmendem Energieeintrag eine vorherige Längenverkürzung (des adaptronischen Stellgliedes) reduziert und die Geschwindigkeit der Vorschubbewegung wieder erhöht werden.
Zudem kann eine statistische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes entsprechend einer Steifigkeit einer Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstück über eine Amplitude einer Längenveränderung des adaptronischen Stellgliedes angepaßt werden.
Überdies kann eine dynamische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes über eine Amplitude und eine Frequenz der Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes angepaßt werden.
Ferner können die Eigenschaften des adaptronischen Stellgliedes als Kraft-, und/oder Weg- und/oder Energiefunktion frei programmierbar sein.
Auch kann eine Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes eine elektrische und/oder magnetische und/oder thermische Stellgröße als Dämpfung entgegenwirken.
Zudem kann eine frequenzmodulierte und/oder pulsweitenmodulierte intermittierende Bewegung der Vorschubeinrichtung erzeugt werden.
Überdies kann die intermittierende Bewegung eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz einen bestimmten Hub erzeugen, um die Kontaktkräfte und/oder den Energieeintrag zwischen Werkzeug und Werkstück zu optimieren.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Gesamtstruktur eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Umformvorrichtung mit serieller Anordnung von Vorschubaktor und adaptronischem Stellglied,
2 eine schematische Darstellung einer Gesamtstruktur eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Umformvorrichtung mit parallelen Anordnung von Vorschubaktor und adaptronischem Stellglied, und
3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur adaptiven Kraft-/Lageregelung mit Selbstoptimierung.
Wie aus der 1 ersichtlich, weist das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung einen lagegeregelten und/oder kraftgeregelten Vorschubaktor 3 und ein adaptronisches Stellglied 4 auf, die über die Verbindungseinrichtung 7 miteinander verbunden sind.
Vorschubaktor 3 und Stellglied 4 sind (wie nachfolgend noch näher ausgeführt) in einem geschlossenen Kraft- und/oder Energieregelkreis seriell miteinander verbunden.
Die serielle Anordnung ist allerdings nicht zwingend notwendig, wie aus dem nachfolgend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ersichtlich ist, das in 2 dargestellt ist. Bis darauf, daß das adaptronische Stellglied und der Vorschubaktor parallel zueinander angeordnet sind, entsprechen sich die Merkmale des in 1 gezeigten ersten und des in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels. Entsprechend werden auch gleiche Bezugszeichen verwendet. Da die sich entsprechenden Merkmale bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel besprochen werden, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf eine separate Darstellung im Zusammenhang mit 2 verzichtet.
Die Eigenschaften des geschlossenen Regelkreises, d. h. die Kraft-, und/oder Weg (=Hub)- und/oder Energiefunktion gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind durch den Hub des adaptronischen Stellgliedes 4 frei programmierbar. Hierbei ermöglichen die Kontaktkräfte zwischen Werkzeug und Werkstück eine Selbstoptimierung der Schwingungsfrequenz und/oder des Hubes, z. B. in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff bzw. des Umformgrades.
Das adaptronische Stellglied 4 kann wahlweise auf einem piezoelektrischen, magnetostriktiven, elektrostriktiven, magnetorheologischen, elektrorheologischen oder magnetischen Formgedächtnis-Wirkprinzip oder deren Kombination basieren.
Die vorliegende Vorrichtung weist gemäß der 1 ein Werkzeug (einen Stempel) 2 auf, der auf das Werkstück 1 mit einer bestimmten Prozeßkraft F_Prozess wirkt. Dabei ist der Stempel 2 mit dem adaptronischen Stellglied 4 durch die Verbindungseinrichtung 8 verbunden. Diese Reihenfolge von Vorschubaktor und adaptronischen Stellglied innerhalb der seriellen Anordnung ist zu bevorzugen, da bei dieser Anordnung die vom Stellglied zu bewegende Trägheit niedriger ist, allerdings wäre grundsätzlich auch eine Inversion der Reihenfolge von Vorschubaktor und Stellglied denkbar.
Die Prozeßkraft ist im tage- und/oder kraftgeregelten Prozeßablauf veränderlich, die vorliegende Vorrichtung wird aber gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf eine vorgebbare Kraftgrenze begrenzt.
Wie aus 1 ersichtlich, ist der Vorschubaktor 3 über eine Federeinrichtung 5 und ein Dämpfungselement 6, welche parallel zueinander angeordnet sind, mit der Verbindungseinrichtung 7 und damit mit dem adaptronischen Stellglied 4 verbunden.
Der tage- und/oder kraftgeregelte Vorschubaktor 3, das Federelement 5 und das Dämpfungselement 6 können beispielsweise Bestandteil einer Bohrungsdrückmaschine sein. In der 1 ist der Bereich der Bohrungsdrückmaschine mit dem Referenzzeichen „BDM" abgekürzt. Das Bohrungsdrücken ist ein Massivumformverfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Hohlteile aus vollzylindrischen metallischen Rohlingen (einschließlich Stahl). Die Außenkontur des erzeugten Hohlteils ist zwar zylindrisch, kann aber Durchmesser(-ab-)stufungen aufweisen. Die Innenkontur des erzeugten Hohlteils ist zylindrisch oder im Querschnitt profiliert.
Das adaptronische Stellglied 4 ist Teil eines Kraftoszillators, der nachfolgend auch als „FO" („force oscillator”) – System abgekürzt ist.
Der vom adaptronischen Stellglied erzeugte dynamische Kraftanteil F_dyn beträgt im Regelfall 10–20% der Prozeßkraft F_Prozeß.
Die Steifigkeiten des tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors 3, des adaptronischen Stellgliedes 4, des Werkzeuges 2 (des Stempels) und des Werkstückes 1 bilden, wie aus der 1 ersichtlich, ein Gesamtsystem, wobei die Kontaktsteifigkeit k_ax in axialer Richtung zwischen Werkzeug 2 und Werkstück 1 prozeß- und werkstoffbedingt in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück variiert.
Die Gesamtsteifigkeit in axialer Richtung des in der 1 gezeigten Systems mit einer seriellen Anordnung von Vorschubaktor und adaptronischem Stellglied beträgt:
wobei

k_ax,seriell: die Kontaktsteifigkeit in axialer Richtung,
F_Prozess: die Prozeßkraft,
s_M: die Längenänderung des Vorschubaktors,
s_m: die Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes
s_k: die Längenänderung der Kontaktstelle (Störgröße) und
s_w: die Längenänderung des Werkstückes (Störgröße) beschreiben.

Wie schon erläutert, ist jedoch auch eine parallele Anordnung von Vorschubaktor und adaptronischem Stellglied möglich (vgl. zweites Ausführungsbeispiel).
Bei adaptronischen Werkstoffen wird üblicherweise die Längenänderung ΔL, die als Reaktion auf eine Kraftwirkung im System entsteht, ausschließlich als sensorische Eigenschaft verwendet. Demgegenüber wirkt die Längenänderung ΔL des adaptronischen Stellgliedes 4 bei dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel aber seriell (d. h. in Reihe, also kumulativ) zur Längenänderung des Vorschubaktors 3 und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel parallel, so daß eine Festkörper-Energiespeicherung (und dementsprechend eine Rückstellkraft) entsteht.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der vorliegenden Vorrichtung und des vorliegenden Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Zunächst werden das Werkstück 1 und das Werkzeug 2 mittels des Vorschubaktors 3 (beispielsweise eines Hydraulikzylinders) in einer determinierten Bewegung mit einer Geschwindigkeit v aufeinander zu bewegt und in Kontakt miteinander gebracht. Ab dem Zeitpunkt der Anlage von Werkzeug 2 an Werkstück 1 tritt die Prozeßkraft auf.
Das seriell zum tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktor 3 angeordnete (d. h. in den Kraft- bzw. Energiefluß integrierte) adaptronische Stellglied reagiert auf den bei Kontakt entstehenden Kraftanstieg mit einer Längenverkürzung ΔL.
Aufgrund dieser Längenverkürzung ΔL wird eine kraftproportionale Stellgröße S erzeugt.
Diese kraftproportionale Stellgröße S wird an eine Regeleinheit 9 weitergeleitet, die eine Bewegungsverzögerung R_v des lagegeregelten Vorschubaktors 3 entsprechend der festgestellten kraftproportionalen Stellgröße S bewirkt.
Ein Ausmaß und eine Zeitfunktion der Bewegungsverzögerung R_v kann dabei aus in der Regeleinheit 9 hinterlegten Berechnungsvorschriften bestimmt werden. Dabei ist die Bewegungsverzögerung R_v bei veränderlichen seriellen/parallelen Kombinationen von Vorschubaktor und adaptronischem Stellglied, Kontaktsteifigkeiten, Kräften, Hüben und Frequenzen nicht linear.
Die hinterlegten Werte sind grundsätzlich auch abhängig vom jeweiligen System Werkstück – Werkzeug, und dabei insbesondere von der jeweiligen Materialpaarung.
Die Längenverkürzung ΔL des adaptronischen Stellgliedes 4 selbst sowie die Verzögerung der Bewegung des tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors 3 reduzieren wiederum die Kontaktkraft.
Hierdurch nimmt die Längenänderung ΔL des adaptronischen Stellgliedes 4 ab. Damit verändert sich auch die kraftproportionale Stellgröße S.
Aufgrund der entsprechend veränderten kraftproportionalen Stellgröße S beschleunigt die Regeleinheit 9 wiederum die Bewegung des tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors 3 über den Verzögerungsfaktor R_v.
Vorliegend bilden der Vorschubaktor 3 und das adaptronische Stellglied 4 dementsprechend bei dem ersten Ausführungsbeispiel einen seriellen Kraftschluß und eine entgegengerichtete Kraftanstiegsfunktion in einem geschlossenen Regelkreis.
Dabei wird vorliegend die Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes 4 neben der Prozeßkraft des Vorschubaktors 3 durch eine frei programmierbare Aktorfunktion des adaptronischen Stellgliedes 4 determiniert, d. h. der Längenänderung im System wirkt eine elektrische und/oder magnetische und/oder thermische Stellgröße gedämpft entgegen.
Hierzu kann die Regeleinheit 9 einen entsprechenden Korrekturwert R_s an das adaptronische Stellglied 4 ausgeben, wobei der Korrekturwert R_s von der Prozesskraft und dementsprechend von der kraftproportionalen Stellgröße und/oder von den Eigenschaften des jeweils vorliegenden Werkstück – Werkzeug – Systems abhängen kann.
Alternativ oder kumulativ mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel könnte die Stellgröße S auch energieproportional sein. Ansonsten entsprechend die Merkmale eines Verfahrens mit einem derartigen geschlossenen Energieregelkreises denen des vorstehenden Ausführungsbeispiels.
Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung sind insbesondere zur intermittierenden Bewegungssteuerung eines tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors verwendbar, wobei eine derartige intermittierende Bewegungssteuerung vorzugsweise beim partiellen Umformen, wie z. B. dem Bohrungsdrückverfahren, vorteilhaft anwendbar ist. So führt die Anwendung des vorliegenden Verfahrens durch die relative Bewegungssteuerung der axialen Länge der radialen Andrückrollen zur axialen Lage des Stempelwerkzeuges zu einer Prozeßkraft- und/oder Energiereduzierung mittels einer Schwingungsüberlagerung, ohne die Präzision oder Produktivität einzuschränken.
Zusätzlich ermöglicht die Verwendung des vorliegenden Verfahrens beim Bohrungsdrücken die Bearbeitung von Werkstücken mit einem größeren Längen/Durchmesser-Verhältnis als bei statischen Bearbeitungsverfahren, da die resultierenden Form- und Lageabweichungen bohrungsgedrückter Werkstücke maßgeblich von der Knicksteifigkeit und der axialen Bearbeitungskraft abhängig sind.
Die vorstehende Beschreibung offenbart gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel insbesondere eine Vorrichtung zur intermittierenden Bewegungssteuerung eines lage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors, wobei ein adaptronisches Stellglied seriell zu einem Vorschubaktor angeordnet ist und mit diesem einen geschlossenen Kraftregelkreis bildet.
Alternativ zu diesem ersten Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung zur intermittierenden Bewegungssteuerung eines tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors ein adaptronisches Stellglied seriell zum Vorschubaktor aufweisen, wobei das adaptronische Stellglied mit dem Vorschubaktor einen geschlossenen Energieregelkreis bildet.
Diese beiden Ausführungsbeispiele können auch in der Art kombiniert werden, daß ein geschlossener Kraft- und Energieregelkreis entsteht.
Weiterhin können alternativ zu diesen Ausführungsbeispielen das adaptronische Stellglied und der Vorschubaktor parallel angeordnet sein (vgl. das zweite Ausführungsbeispiel).
Wie vorstehend erläutert, kann das adaptronische Stellglied wahlweise auf einem piezoelektronischen, magnetostriktiven, elektrostriktiven, magnetorheologischen, e lektrorheologischen oder magnetischen Formgedächtnis-Wirkprinzip oder deren Kombination basieren.
Desweiteren kann die statische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes entsprechend der Steifigkeit der Kontaktstelle (des Gesamtsystems wie vorstehend erläutert) über die Amplitude des Hubes des adaptronischen Stellgliedes angepaßt werden.
Zudem kann die dynamische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes über die Amplitude und die Frequenz des adaptronischen Stellgliedes angepaßt werden.
Die vorstehende Beschreibung offenbart zudem ein Verfahren zur intermittierenden Bewegungssteuerung eines tage- und/oder kraftgeregelten Vorschubaktors, wobei die Eigenschaften des adaptronischen Stellgliedes als Kraft-, Weg- und/oder Energiefunktion frei programmierbar sind.
Dabei kann eine frequenzmodulierte und/oder pulsweitenmodulierte Bewegung erzeugt werden.
Auch ermöglichen die Kontaktkräfte eine Selbstoptimierung der Schwingungsfrequenz und/oder des Hubes durch die Regeleinrichtung, beispielsweise nach den Optimierungskriterien Geschwindigkeit oder Produktivitätsmaximum, oder kraft- oder Energieminimum.
In Anwendung des Verfahrens als Bohrungsdrückverfahren führt die relative Bewegungssteuerung der axialen Lage der radialen Andrückrollen zur axialen Lage des Stempelwerkzeuges zu einer Prozeßkraft- oder Energiereduzierung mittels der vorliegenden Schwingungsüberlagerung.
In Anwendung des vorliegenden Verfahrens wird beim Bohrungsdrückverfahren die Bearbeitung von Werkstücken mit größeren Längen/Durchmesser-Verhältnissen als am statischen Bearbeitungsverfahren ermöglicht, insbesondere da bei Bohrungsdrückverfahren die relative Bewegungssteuerung der Lage der radialen Andrückrollen, bezogen auf die Werkstückachse, mit einer Schwingungsüberlagerung beaufschlagt wird.
Mit den vorliegenden Ausführungsbeispielen wird insbesondere ein Verfahren zur intermittierenden Bewegungssteuerung eines lagegeregelten Vorschubaktors zur Verfügung gestellt, bei welchem der Hub und/oder die Kraft und/oder die Energie im ge schlossenen Regelkreis durch den Hub eines adaptronischen Stellgliedes frei programmierbar sind.
Mit den vorliegenden Ausführungsbeispielen kann insbesondere eine Vorrichtung zur intermittierenden Bewegungssteuerung eines lagegeregelten Vorschubaktors zur Verfügung gestellt werden, bei welcher ein integriertes, adaptronisches Stellglied anstelle von mechanischen/fluidischen Stellgliedern verwendet wird, bei dem die Schwingungsfrequenz nicht von der Trägheit des Vorschubaktors abhängt, bei dem die Schwingungsfrequenz in einem Bereich von 0,1 bis 50 kHz liegt und mit der gleichzeitig große Kontaktkräfte über mehrere kN erzeugt werden können.
In 3 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur adaptiven Kraft-/Lageregelung mit Selbstoptimierung dargestellt. Das Verfahren wird exemplarisch anhand eines NC-Steuerungsprogramms für eine Bohrungsdrückmaschine beschrieben (ohne jedoch auf diese Anwendung beschränkt zu sein).
Das NC Programm zum Bohrungsdrücken bewegt das Werkzeug 2 durch Steuerung des Vorschubaktors 3 in Kontakt mit dem Werkstück 1. Wird als Vorschubaktor 3 beispielsweise ein Hydraulikzylinder bzw. ein System mehrerer Hydraulikzylinder verwendet, steuert das NC Programm eine Längenveränderung des bzw. der Zylinder. Wird als Vorschubaktor 3 ein (Linear-) Antriebssystem verwendet, so steuert das NC Programm die Verlagerung des Schlittens des (Linear-) Antriebs. Es sind jedoch auch andere Vorschubaktoren verwendbar, deren Stellweg bzw. Hub S und/oder Bewegungsgeschwindigkeit v und/oder Prozeßkraft F steuerbar sind.
Anschließend vergleicht das NC-Programm die durch das adaptronische Stellglied gemessene bzw. bestimmte Kontaktkraft mit einem Schwellwert (als Kraftregelungsbetriebsart,).
Dadurch wird eine Kraftbegrenzung zum Aufbau der erforderlichen Deformationszone zwischen den drei äußeren Andrückrollen der Bohrungsdrückmaschine und vor der Stempelstirn gebildet.
Ein programmiertes CNC-Ereignis schaltet von dieser Kraftregelung in eine Betriebsart Lageregelung um und ermöglicht einen Umdrehungsvorschub der drei Radialrollen (Andrückrollen) mit einem definierten, synchronisierten Abstand "a" zur Stempelstirn.
Das NC-Steuerungssystem beruht auf der Lagesteuerungsbetriebsart "S-Steuerung" und der Betriebsart zur Steuerung der axialen und radialen Prozesskräfte "F-Steuerung".
Das NC-Steuerungssystem umfaßt eine Einrichtung zur Ermittlung einer Abweichung der Prozeßkraft, welche einen tatsächliche Betrag der Prozesskraft F mit einem Soll-Betrag der Prozeßkraft F_Soll und eine tatsächliche Frequenz f der Prozesskraft mit einer Soll-Frequenz f_Soll der Prozesskraft vergleicht, um hierdurch die adaptiven Parameter "%F" und "%f" zu ermitteln (als Teil des Kraftregelung).
Das NC-Steuerungssystem umfaßt weiterhin eine Einrichtung zur Anpassung der Prozeßkraft. Während des Lageregelungsbetriebsart steuert dieser FO–Adapter eine Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Vorschubaktors "%v" und während des Kraftregelungsprogramms steuert dieser FO-Adapter die Änderung des Betrags "%F" der Prozesskraft und der Frequenz "%f" der Prozesskraft.
Das NC-Steuerungssystem verwendet das vorliegende System zur Oszillation der Prozesskraft (FO-System) in Verbindung mit einem lernfähigen, wissensbasiertes Prozeßsteuerungs-System, in dem der Betrag und die Frequenz der Prozesskraft durch das Selbstoptimierungssystem in Übereinstimmung gebracht wird mit den dynamischen Eigenschaften des Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis insgesamt – einschließlich des Bohrungsdrückvorgangs und wechselnder Werkstofffestigkeiten.
Bei Ermittlung eines tatsächlichen Energieverbrauchs entlang aller in den Umformvorgang einbezogenen Achsen ermöglicht das Selbstoptimierungssystem das vorliegende FO-System, das Bohrungsdrücken bei für den Bohrungsdrückvorgang minimal notwendigen Energieaufwand durchzuführen. Dabei wird das optimale Ergebnis (=Energieminimum) durch adaptive Steuerung des Betrags und der Frequenz der Prozesskraft erreicht.

Claims

Vorrichtung zum Umformen eines Werkstückes (1) mit einem Werkzeug (2) und einer Vorschubeinrichtung, mit der ein Werkzeug (2) in ein Werkstück drückbar ist, wobei die Vorschubeinrichtung einen Vorschubaktor (3) und ein adaptronisches Stellglied (4) aufweist, und der Vorschubaktor (3) und das adaptronische Stellglied (4) einen geschlossenen Kraft- und/oder Energieregelkreis miteinander bilden zur Erzeugung einer intermittierenden Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das adaptronische Stellglied (4) vorgesehen ist, eine Kontaktkraft zwischen Werkstück (1) und Werkzeug (2) und/oder einen Energieeintrag an der Kontaktstelle zwischen diesen zu messen und eine der Kontaktkraft und/oder dem Energieeintrag entsprechende Stellgröße an eine Regeleinheit auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das adaptronische Stellglied (4) vorgesehen ist, sich in Abhängigkeit einer ansteigenden Kontaktkraft und/oder eines ansteigenden Energieeintrages zu verkürzen und in Abhängigkeit einer sich verringernden Kontaktkraft und/oder eines sich verringernden Energieeintrages eine vorherige Verkürzung aufgrund ansteigender Kontaktkraft oder ansteigenden Energieeintrages zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Regeleinheit vorgesehen ist, eine Vorschubgeschwindigkeit des Vorschubaktors (3) abhängig von der vom adaptronischen Stellglied (4) erzeugten Stellgröße zu verändern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Vorschubaktor (3) tage- oder kraftgeregelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das adaptronische Stellglied und der Vorschubaktor seriell und/oder parallel angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das adaptronische Stellglied (4) eine frei programmierbare Kraft- und/oder Weg- und/oder Energiefunktion aufweist, so daß eine Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes (4) durch eine elektrische und/oder thermische und/oder magnetische Stellgröße dämpfbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine statische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes (4) entsprechend einer Steifigkeit der Kontaktstelle zwischen Werkstück (1) und Werkzeug (2) über eine Amplitude einer Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes (4) anpaßbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine dynamische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes (4) über eine Amplitude und eine Frequenz einer Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes (4) anpaßbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das adaptronische Stellglied (4) auf einem piezoelektrischen, magnetostriktiven, elektrostriktiven, magnetorheologischen, elektrorheologischen oder magnetischen Formgedächtnis-Wirkprinzip oder auf einer Kombination dieser Wirkprinzipien beruht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei durch die intermittierende Bewegung eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Hub erzeugbar ist, um die Kontaktkraft und/oder den Energieeintrag zwischen Werkzeug (2) und Werkstück (1) zu optimieren.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtung als Massivumformmaschine, insbesondere als Bohrungsdrückmaschine zur Herstellung rotationssymmetrischer Hohlteile, ausgebildet ist, welche einen axial verstellbaren Stempel und vorzugsweise mehrere, umfänglich verteilte, radial und axial verstellbare Andrückrollen aufweist, wobei das Werkstück (1) in einer an einer Spindel der Bohrungsdrückmaschine angeordneten Spanneinrichtung aufgenommen ist und um seine Längsachse rotiert, und wobei die Andrückrollen drehbar gelagert sind und deren Drehzentrum zusammen mit dem synchron zur Spindel rotierenden Stempel eine Translationsbewegung entlang einer Umformensachse ausführen, so daß durch die an einer Mantelfläche des Werkstückes abwälzenden Andrückrollen und den gleichzeitig axial wirkenden Formstempel aus dem Werkstück eine Hohlform ausgeformt wird, indem der verdrängte Werkstoff entgegen der Vorschubrichtung axial abfließt und eine Napfwand ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Regeleinheit eine relative Bewegungssteuerung einer axialen und/oder radialen Lage der radialen Andrückrollen zu einer axialen Lage des Stempels vornimmt, wodurch eine Schwingungsüberlagerung erzeugt wird, um die Kontaktkraft oder den Energieeintrag zu optimieren.
Verfahren zum Umformen eines Werkstückes (1) mit einem Werkzeug (2), wobei das Werkzeug (2) in das Werkstück (1) gedrückt wird, und wobei eine Kontaktkraft zwischen Werkzeug (2) und Werkstück (1) oder ein Energieeintrag in das Werkstück (1) erfaßt, eine der Kontaktkraft oder dem Energieeintrag entsprechende Stellgröße bestimmt und eine Vorschubbewegung mit der Stellgröße korreliert wird, um eine intermittierende Bewegung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Werkstück (1) und das Werkzeug (2) mit einer Vorschubeinrichtung relativ zueinander bewegt werden, die einen Vorschubaktor (3) und ein adaptronisches Stellglied (4) aufweist, wobei bei ansteigender Kontaktkraft und/oder ansteigendem Energieeintrag eine Länge des adaptronischen Stellgliedes verkürzt wird und abhängig von der Stellgröße eine Geschwindigkeit der Vorschubbewegung verringert wird, wodurch die Kontaktkraft oder der Energieeintrag abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei bei entsprechend abnehmender Kontaktkraft und/oder entsprechend abnehmendem Energieeintrag eine vorherige Längenverkürzung reduziert und die Geschwindigkeit der Vorschubbewegung wieder erhöht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine statische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes (4) entsprechend einer Steifigkeit einer Kontaktstelle zwischen Werkzeug (2) und Werkstück (1) über eine Amplitude einer Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes (4) angepaßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei eine dynamische Steifigkeit des adaptronischen Stellgliedes (4) über eine Amplitude und eine Frequenz der Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes (4) angepaßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Eigenschaften des adaptronischen Stellgliedes (4) als Kraft-, Weg- und/oder Energiefunktion frei programmierbar sind.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei einer Längenänderung des adaptronischen Stellgliedes (4) eine elektrische und/oder magnetische und/oder thermische Stellgröße als Dämpfung entgegenwirkt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei eine frequenzmodulierte und/oder pulsweitenmodulierte intermittierende Bewegung der Vorschubeinrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die intermittierende Bewegung eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Hub erzeugt, um die Kontaktkräfte und/oder den Energieeintrag zwischen Werkzeug und Werkstück zu optimieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, mit einer adaptiven Steuerung von Vorschubaktor und adaptronischen Stellglied mit einer Selbstoptimierung nach den Optimierungskriterien oder Kraft- oder Energieminimum.