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Die
Erfindung betrifft einen selbstausrichtenden Niederhalter, der beim
kontinuierlichen Umformen von Halbzeug mit veränderlicher
Breite zu längsorientierten Produkten Anwendung findet.
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Durch
Profilwalzen können ausgehend von geometrisch einfachen
Halbzeugen geometrisch komplexe, längsorientierte Bauteile
hergestellt werden. Das Werkstück wird dabei durch ein
stationäres Werkzeugsystem, in dem mehrere Walzen angeordnet
sind, geführt. Das Werkzeugsystem formt dabei das translatorisch
bewegte Bauteil innerhalb diskreter Stufen bis hin zur gewünschten
Endgeometrie um. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 10039768 A1 bekannt.
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Auch
durch Walzprofilieren lassen sich aus geometrisch einfachen Halbzeugen,
zumeist Blechen oder Bändern, geometrisch komplexere, längsorientierte
Bauteile herstellen.
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In
jüngerer Zeit besteht der Bedarf auch Bauteile zu erzeugen,
die über der Längsachse veränderliche
Querschnitte aufweisen. Ein solches Verfahren ist aus der
DE 100 11 755 A1 bekannt.
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Zur
Führung des Halbzeugs und zur Verhinderung von ungewünschten
Verwölbungen des Werkstückes werden bei solchen
Verfahren Niederhaltersysteme eingesetzt.
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Solange
Halbzeuge mit über der Länge unveränderlichen
Querschnitten erzeugt werden sollen, existieren zahlreiche Lösungen
zur Führung des Werkstücks und zur Verwölbungsbehinderung.
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Beispielsweise
ist aus der
US 2929626 eine Niederhaltevorrichtung
bekannt in der das Halbzeug von Klemmbacken während der
Vorschubbewegung gehalten wird.
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Ein
vergleichbarer Ansatz wird in der
PCT/EP2008/006167 verfolgt.
Auch hier erfassen Klemmbacken das Halbzeug und werden mit dem Halbzeug
in Vorschubrichtung transportiert. Die Beschreibung enthält
den Hinweis, dass hier auch Werkstücke mit in Längsrichtung
veränderlichen Querschnittsgeometrien verarbeitet werden
können.
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Nachteil
der vorgenannten Lösungen ist, dass die Bereiche des Halbzeugs,
die nicht im Bereich der Klemmbacken sind, nicht niedergehalten werden.
Dies führt bei in Längsrichtung des Bauteils inhomogenen
Spannungs- und Deformationszuständen zu ungewollten Deformationen.
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Eine
Weiterentwicklung offenbart die
EP 1640084 A2 . Hier ist eine Vorrichtung
beschrieben bei der das Halbzeug von mehreren hintereinander angeordneten
Klemmbacken gehalten wird und die Klemmbacken in Vorschubrichtung
des Materials kontinuierlich bewegt werden. Bei dieser Lösung
ist allerdings kein Ansatz bekannt, wie auch Halbzeuge mit in Längsrichtung
veränderlichen Querschnitten geführt und niedergehalten
werden können. Außerdem erfordert diese Lösung
einen erheblichen Bauraum in Längsrichtung und damit einen
großen Platzbedarf.
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Es
sind auch Niederhaltevorrichtungen bekannt, die nicht in Längsrichtung
verschiebbar in der Umformanlage angeordnet sind.
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So
ist aus der
DE 2521620 eine
Vorrichtung bekannt in der durch Antriebe Rollen in eine neue Position
quer zur Profilrichtung gebracht werden können. Die Rollen übernehmen
die Aufgabe des Niederhaltens und Führens. Nachteilig an
dieser Lösung ist die Notwendigkeit zu zusätzlichen
Antrieben, die mit dem Antrieb in Profillängsrichtung gekoppelt
werden müssen. Nachteilig ist auch, dass die Rollen zwar
in Längsrichtung abwälzen, in Querrichtung aber
durch Gleitreibung ihre Position relativ zum Werkstück ändern
müssen. Dies kann zu ungewünschten Oberflächenfehlern
führen. Schließlich hat diese Lösung
auch den Nachteil, dass die Rollen bei Profilen mit Flanschen nicht
der Kante zwischen Steg und Flansch folgen können, weil
dann eine Kollision zwischen Rolle und Flansch entstehen würde.
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In
[1] wird ein stationäres Niederhaltesystem genutzt, welches
ein in der Breite veränderliches Profil vor dem Ein- und
nach dem Auslauf in eine flexible Profilierstufe über Gleitplatten
in Richtung senkrecht zur Profilierrichtung fixiert. Es ist dahingehend
nachteilig ausgeführt, dass eine Verschiebung der Niederhalteelemente
in Breitenrichtung nur durch Energiezufuhr von außen zu
bewerkstelligen ist. Denn ein entsprechender Mechanismus erlaubt
es zwar, die Position der Gleitplatten in Breitenrichtung des Bauteils
zu variieren. Dafür ist allerdings eine Steuer- und Antriebseinheit
erforderlich. Zwar wird bei dieser Lösung eine großflächige
Abstützung erreicht, ein Nachteil ist aber die Gestaltung
der Reibpaarung Niederhalteelemente und Werkstück. Die
vorliegende Gleitreibung führt bei steigender Niederhaltekraft
in Normalenrichtung zu einem hohen Reibwiderstand, der ein Verfahren
der Gleitplatten erschwert und auch zu ungewollten Spuren auf dem
Werkstück führen kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung
zu schaffen, die ein Werkstück beim Ein- und Auslauf in
bzw. aus einem Umformgerüst in mindestens einer Richtung senkrecht
zur Vorschubrichtung unterstützt und somit die Ausbildung
unerwünschter Deformationen in dieser mindestens einen
Richtung unterbindet. Bei Profilen sollen hierdurch beispielsweise
ungewollte Verwölbungen des Profilbodens in den Bereichen
von Querschnittsveränderungen vermieden werden. Die erfindungsgemäßen
Niederhalteelemente sollen dem Querschnittsverlauf an den Kanten
des Bauteils möglichst eng folgen können um auch
an den Kanten eine Abstützung zu ermöglichen.
Für die Verfahrbewegung der Niederhalteelemente soll keine
eigene Steuer- und Antriebseinheit notwendig sein.
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Diese
Aufgabenstellung löst eine Vorrichtung gemäß der
Lehre des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäßen Niederhalteelemente sind in
der Breitenrichtung des Werkstücks verfahrbar. Sie sind
ferner auch in Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung und senkrecht
zur Breitenrichtung drehbar. Dadurch können sie einem in
Vorschubrichtung veränderlich ausgebildeten Kantenverlauf
im Werkstück folgen. Die Reibpaarung Niederhalteelement,
Werkstück basiert vorzugsweise auf Rollreibung. Damit können
die Reibwiderstände auch bei hohen Niederhaltekräften
in vertikaler Richtung minimiert werden.
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Die
Breitenverstellung und Drehung der Niederhalteelemente erfolgt selbstausrichtend.
Dazu spannen Federelemente die Niederhalteelemente vor. Die Vorspannung
kann entweder zwischen zwei gegenüber liegenden Niederhalteelementen
oder zwischen einem Niederhalteelement und einem ortsfesten Gestell
in Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung erfolgen. Als Federelemente
können insbesondere mechanische, pneumatische oder hydraulische
Federsysteme genutzt werden. Die Federn können über
lineare, progressive oder degressive Kennlinien verfügen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Federkräfte
einstellbar und somit beispielsweise an die Eigenschaften des Werkstückwerkstoffs
anpassbar.
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Die
Bewegung der vorgespannten Niederhalteelemente ist durch Geometrieelemente
an dem umzuformenden Werkstück begrenzt. Als solche Geometrieelemente
kommen beispielsweise Blechkanten oder Bauteilflansche in Frage.
Die Begrenzung kann durch Anschlagen der Niederhalteelemente selbst
oder durch Anschlagen von mit den Niederhalteelementen verbundenen
Bauteilen an den Geometrieelementen des Werkstücks erfolgen.
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Die
notwendige Drehung der Niederhalteelemente wird erfindungsgemäß entweder
durch zwei im Wesentlichen parallel ausgerichtete, zueinander versetzte
Federn mit linearer Wirkung oder durch eine Drehfeder realisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Drehung
selbstausrichtend ohne Unterfederung. Hier wirken die aus der Reibung zwischen
Werkstück und Niederhalteelement resultierenden Kräfte
selbstausrichtend.
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Die
Niederhaltekraft kann durch eine eingebrachte Vorspannung oder eine
externe Kraft aufgebracht werden. Bei ersterem Ansatz kann beispielsweise
eine Schraubverbindung gewählt werden. Letzterer Ansatz
ist mit Hilfe von Hydraulik- oder Pneumatikzylindern erzeugbar.
Selbstverständlich können auch andere bekannte
mechanische, magnetische oder elektrische Antriebselemente verwandt werden.
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Anstelle
der Federwirkung kann auch ein Antrieb genutzt werden. Als solcher
Antrieb kommt beispielsweise ein angetriebenes Spindel-Mutter System
in frage. Aber grundsätzlich sind auch andere elektrische,
hydraulische oder pneumatische Aktoren denkbar. Die Begrenzung der
Bewegung des Niederhalteelementes in Breitenrichtung kann dann über die Berücksichtigung
der relevanten Geometrieelemente an den Bauteilen in der Steuerung
oder eine Erfassung des Anschlags durch einen Sensor bewirkt werden.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert werden. Es zeigen:
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1:
Isometrische Ansicht und Frontansicht des Niederhaltesystems für
ein gespaltenes Profil mit ober- bzw. unterseitig angeordneten flexiblen
Niederhalteelementen
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2:
Isometrische Ansicht und Frontansicht des Niederhaltesystems für
ein breitenveränderliches Profil mit einseitig flexibel
ausgeführtem Niederhaltesystem und einer zusätzlichen
Rollenbahn zur vertikalen Fixierung
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3:
Prinzipdarstellung einer sequentiellen Anordnung mehrerer Niederhalteelemente
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4:
Prinzipdarstellung einer Anbindung mehrerer Niederhalteelemente
pro Führungselement
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5:
Prinzipdarstellung einer konturierten Kugelplatte als Niederhalteelement
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6:
Aufbringen der Horizontalkraft durch gegenseitiges Verspannen der
Führungselemente
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7:
Aufbringen der Horizontalkraft durch Einsatz eines Tasters an der
Blechbandkante
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8:
Möglichkeiten der Aufbringung und Variation der Niederhaltekraft
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1 zeigt
eine Ausführung eines flexiblen Niederhaltesystems zur
vertikalen Fixierung von Profilen mit variabler Breite. Das Portal
(1) ist als O-Gestell ausgeführt, wobei die Führungssäulen
(2) derart gestaltet sind, dass z. B. über ein
Gewinde (3) eine variable Höhe der oberen Deckplatte
(4) eingestellt werden kann. Mit Hilfe dieser Verstellung
ist es möglich, die Vertikalkraft der Niederhalteelemente
(5a, 5b) auf das Werkstück (6)
zu variieren.
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Die
obere Deckplatte trägt eine Führung (7a),
welche als Schwalbenschwanzführung, Prismenführung
oder zylindrische Führung umgesetzt sein kann. Weitere
bekannte Ausführungen hierfür sind ebenfalls denkbar.
Die beiden Führungsschlitten (8a, 8b)
tragen die Niederhalteelemente (5a, 5b), welche
mit Hilfe eines Verbindungsstücks (9a) und durch
geeignete Mittel (10) an die Führungsschlitten (8a, 8b)
angebunden werden.
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Die
beiden Führungsschlitten (8a, 8b) werden über
geeignete Elemente (11) miteinander verspannt, sodass auf
die Schlitten eine Druckkraft aufgebracht wird, welche jeden der
beiden Führungsschlitten in Richtung des nächstgelegenen
Flansches (12a, 12b) des Profils bewegt. Hierzu
können Federelemente, elektrische, pneumatische oder hydraulische
Aktoren eingesetzt werden.
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Die
Niederhalteelemente (5a, 5b) sind in 1 als
Rollen ausgeführt, welche in dem Verbindungsstück
(9a) um die z-Achse drehbar gelagert sind. Andere Niederhalteelemente
sind ebenfalls denkbar und in weiteren Ausführungsbeispielen
dargestellt. Zur Realisierung eines variierenden Breitenabstands
bei gleichzeitiger Aufbringung einer Vertikalkraft zum Niederhalten
des Bleches, ist die Reibpaarung zwischen Blech und Niederhalteelement
in der dargestellten Erfindung basierend auf Rollreibung umgesetzt.
Des Weiteren kommt der Drehbarkeit des Niederhalteelements (5a, 5b)
um die z-Achse eine entscheidende Bedeutung zu, da nur hierdurch
eine Breitenvariation bei gleichzeitiger Rollreibung zu realisieren
ist. Die Breite der Niederhalteelemente (5a, 5b)
ist beliebig auszuführen, vorzugsweise ist in den schmalen
Bereichen des breitenveränderlichen Profils eine maximale Überdeckung
der Blechbreite anzustreben, um eine größtmögliche Stützwirkung
in den Mittenbereichen des Werkstücks (13) zu
erreichen.
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Aufgrund
der Symmetrie der Profile, sowohl in der xy-Blechebene, als auch
yz-Ebene, ist eine entsprechende Spanneinheit auch an die Grundplatte
(13) anzubinden, um das Blech in beiden Richtungen vertikal
fixieren zu können. Diese zweite Baugruppe ist vom Aufbau
analog zu dem Niederhaltesystem, welches an die obere Deckplatte
angebunden wird und ist aus einer Führung (7b),
zwei Führungsschlitten (8c, 8d), Verbindungsstücken
(9b) und Niederhalteelementen (5c, 5d)
aufgebaut. Beide Niederhalteeinheiten müssen nicht zwangsläufig
baugleiche Systemelemente aufweisen.
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Die
Rolle, welche in der dargestellten Ausführung der Erfindung
als Niederhalteelement (5a, 5b, 5c, 5d)
Verwendung findet, weist einen Versatz von horizontaler und vertikaler
Drehachse auf, sodass bei einer Vorschubbewegung des Bleches ein Schleppeffekt
des Niederhalteelements (5a, 5b, 5c, 5d)
auftritt. Die Rolle wird dem horizontalen Verlauf der Vertikalachse
nachgezogen.
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Durch
das Aufbringen einer Kraft auf die Führungsschlitten in
Richtung des nächstliegenden Flansches (12a, 12b)
des Profils, kommt es zu einem Andrücken der Seitenfläche
des Niederhalteelements (5a, 5b, 5c, 5d)
an den entsprechend nächstliegenden Flansch (12a, 12b).
Die Niederhalteelemente (5a, 5b, 5c, 5d)
folgen dem Verlauf des Flansches bei sich ändernder Blechbreite
aufgrund der auf die Führungsschlitten wirkenden statischen Druckkraft
und dem rotatorischen Freiheitsgrad der Niederhalteelemente um die
Vertikalachse – die Breitenanpassung geschieht aufgrund
der Kraft auf die Führungsschlitten selbsteinstellend.
Um ein stabiles Anliegen des Niederhalteelements am jeweiligen Flansch
zu gewährleisten, ist ein zusätzliches Spannelement
(14) vorzusehen. Dieses kann beispielsweise als Torsionsfeder
ausgeführt sein. Hierdurch wird die vertikale Drehachse
der Niederhalteelemente (5a, 5b, 5c, 5d)
mit einem Torsionsmoment beaufschlagt, welches in Verbindung mit
der Druckkraft auf die Führungsschlitten (8a, 8b, 8c, 8d)
in Horizontalrichtung zu einem dauerhaften, stabilen Anliegen des Niederhalteelements
an dem Biegeschenkel führt.
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2 zeigt
den Einsatz der Erfindung in einer Anlage zum flexiblen Walzprofilieren.
Das Walzprofilieren ist nach
DIN 8582 dem Bereich
der Kaltumformung zuzuordnen und wird in den Bereich der Verfahren
zur Blechumformung eingeteilt. Gemäß den während
der Umformung herrschenden Spannungszuständen zählt
das Walzprofilieren zu den Biegeumformverfahren mit drehender Werkzeugbewegung
[2]. Das Blechband wird auf der Umformstrecke durch sequentiell
angeordnete Gerüste stufenweise eingeformt. Die Formgebung
erfolgt durch die in den Gerüsten montierten und zumeist angetriebenen
Ober- und Unterrollen. Die Herstellung von Profilbauteilen mit über
der Längsachse veränderlichen Querschnitten mittels
Walzprofilieren erfordert ein Werkzeugsystem, welches rotatorische und
translatorische Freiheitsgrade bereitstellt. Dieses Verfahren ist
aus
DE 100 11 755
A1 bekannt. Das genannte Verfahren erweitert das Werkzeugsystem zum
Walzprofilieren von Profilen konstanten Querschnitts um eine Drehachse
sowie einen translatorischen Freiheitsgrad, sodass die Einformung
von Profilen mit flexibel verlaufender Biegekante ermöglicht wird.
In den Bereichen der Profilquerschnittsänderung kommt es
aufgrund von Einflüssen aus den Zug-, Druckbereichen im
aufzustellenden Flansch ebenfalls zu Bodenaufwölbungen.
Dieses Phänomen kann ebenfalls durch die eingangs dargestellte
Erfindung und das zugrunde liegende Wirkprinzip vermieden werden.
Der Aufbau des Niederhaltersystems ist ähnlich dem eingangs
vorgestellten System. Die Niederhalteelemente sind über
Verbindungsstücke, Führungsschlitten und Führung
an der oberen Deckplatte angebracht und durch ein entsprechendes
Federelement gemäß dem zuvor dargestellten Mechanismus selbstjustierend
gegeneinander verspannt. Die untere Führungseinheit wird
in diesem Fall durch einen stationären Gegenhalter (
15),
beispielsweise eine Rolleneinheit oder eine Kettenraupe, ersetzt,
welche als vertikale Abstützung dient. Diese ist aufgrund
der wegfallenden Symmetrie in der xy-Blechebene zweckmäßig
und muss keine Funktion zur Breitenanpassung aufweisen.
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Zur
Realisierung einer größeren abgestützten
Blechfläche lassen sich mehrere Niederhalteelemente, wie
in 1 dargestellt, sequentiell hintereinander anordnen.
Hierdurch wird der abgestützte Blechbereich vergrößert
und die Niederhaltefunktion des Niederhalters optimiert. 3 zeigt
das Prinzip dieser Ausführungsform basierend auf der Erfindung in 1.
Die Größe von oberer Deckplatte und Grundplatte
nimmt in diesem Fall zu, mehrere Niederhalter bestehend aus Führung,
Führungsschlitten, Verbindungsstück und Niederhalteelement
werden in das Niederhalterportal über die genannten Funktionselemente
integriert.
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Eine
weitere Ausführungsform in 4 sieht vor,
mehrere Niederhalteelemente an einen Führungsschlitten
anzubinden, wobei die einzelnen Niederhalteelemente in diesem Fall
mittels einer zusätzlichen Aufnahme (16) verbunden
und über ein entsprechend angepasstes Verbindungsstück
an den Führungsschlitten angebunden werden. Hierdurch wird
ebenfalls eine Vergrößerung der niedergehaltenen
Fläche erreicht. Auch in diesem Fall besteht die Möglichkeit,
mehrere Einheiten gemäß 4 sequentiell
anzuordnen.
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Des
Weiteren besteht gemäß der erfindungsgemäßen
Lehre die Ausführungsvariante, eine flächige,
auf Rollreibung basierende Vertikalkraft mittels Kugelplatten (17)
einzubringen. 5 zeigt dieses Ausführungsbeispiel.
Als Niederhalteelemente sind Platten vorgesehen, in der drehbar
gelagerte Kugeln (18) eingebracht sind. Ist die Kontur
der Platten dem Verlauf der Bandkanten angepasst, wird die Abstützung
in den flexiblen Übergangsbereichen des Profils optimiert.
Die Kontur der Niederhalteplatte muss allerdings nicht zwangsläufig
der Blechkontur entsprechen.
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Bezüglich
der Ausführung der Selbstzentrierung der Niederhalteelemente
bestehen mehrere Möglichkeiten der Ausführung. 6 zeigt
zum einen die Erfindung, bei der die Niederhalteelemente zueinander
verspannt werden, sodass sie eine Druckkraft erfahren und somit
an den Flansch bzw. Biegeschenkel gedrückt werden.
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Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit, wie in 7 dargestellt,
den horizontalen Verlauf der Niederhalteelemente an den Verlauf
der Blechbandkante über einen mechanischen Taster (19)
oder elektrischen Sensor zu koppeln. In diesem Fall besteht je nach
Ausführung die Möglichkeit, die Horizontalkraft vom
Profiläußeren aufzubringen.
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Bezüglich
der Aufbringung und Variation der Vertikalkraft, mit der das Blech
vertikal fixiert wird, bestehen mehrere Ausführungsvarianten.
Einerseits können die Portalsäulen in 8 ohne
Verstellmöglichkeit ausgeführt sein. Ein Verspannen
der Niederhalteelemente gegen das zu fixierende Blech ist in diesem
Fall nur über die Modifikation des Niederhalteelementmaße
bzw. der Führungssäulen möglich. Darüber
hinaus besteht die Möglichkeit, eine Vertikalkraftänderung
durch eine Höhenverstellung des Portals zu realisieren.
Dies kann mit Hilfe mechanischer (20), elektromechanischer,
pneumatischer oder hydraulischer Aktoren (21) realisiert
werden.
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Abhängig
vom Antriebskonzept einer Gesamtanlage besteht die Möglichkeit,
die Rollenbahn des Niederhalters zusätzlich anzutreiben.
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Alle
beschriebenen Ausführungsvarianten sind bezüglich
der Blechsymmetrie in der xy-Ebene sowohl gemäß der
Anordnung aus 1 ausführbar, ebenso
aber auch gemäß der Anordnung in 2.
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- 1
- Niederhalterportal
- 2
- Führungssäule
- 3
- Gewinde
- 4
- Obere
Deckplatte
- 5a,
5b, 5c, 5d
- Niederhalteelemente
- 6
- Werkstück
- 7a,
7b
- Führung
- 8a,
8b, 8c, 8d
- Führungsschlitten
- 9a,
9b
- Verbindungsstück
- 10
- Verbindungselemente
- 11
- Aktiver
Aktor bzw. passive Feder
- 12a,
12b
- Flansch
des Spaltprofils
- 13
- Grundplatte
- 14
- Zusätzliches
Spannelement
- 15
- Stationärer
Gegenhalter
- 16
- Zusätzliche
Niederhalteelementaufnahme
- 17
- Kugelplatte
- 18
- Drehbar
gelagerte Kugel
- 19
- Mechanischer
Taster
- 20
- Mechanischer
Verstellmechanismus
- 21
- Elektrischer,
pneumatischer oder Hydraulischer Aktor
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- [1] Groche, P.; Zettler, A.: Grundlagen und Auslegungsmethoden
für flexible Profilierprozesse
- [2] DIN 8586: Klassifizierung der Biegeverfahren. Beuth-Verlag,
Berlin, 1996
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10039768
A1 [0002]
- - DE 10011755 A1 [0004, 0038]
- - US 2929626 [0007]
- - EP 2008/006167 [0008]
- - EP 1640084 A2 [0010]
- - DE 2521620 [0012]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 8582 [0038]
- - Groche, P.; Zettler, A.: Grundlagen und Auslegungsmethoden
für flexible Profilierprozesse [0046]
- - DIN 8586: Klassifizierung der Biegeverfahren. Beuth-Verlag,
Berlin, 1996 [0046]