DE102009041720A1

DE102009041720A1 - Cold forging device for metal surfaces, has lifting unit which is supported at its one end in bearing element, where impact head is arranged at opposite end of lifting unit

Info

Publication number: DE102009041720A1
Application number: DE200910041720
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Klamser; Peter Dr. Linden; Alexander Tschürtz; Johannes M.Sc. Wied
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2010-05-06

Abstract

The cold forging device (1) has a lifting unit which is supported at its one end in a bearing element. An impact head (2) is arranged at the opposite end of the lifting unit. An actuating unit is arranged in the lifting unit for carrying out the lifting of the impact head. The actuating unit has a piezoelectric stack-actuator (4) which is coupled operatively with a spring-mass-system. Independent claims are included for the following: (1) a cold forging plant for cold forging treatment of metal work pieces; (2) a method for treatment of metal surfaces using a cold forging device; and (3) a method for cold forging treatment of metal work pieces using a cold forging plant.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kaltschmiedevorrichtung zur Bearbeitung von Metalloberflächen, eine Kaltschmiedeanlage zur Kaltschmiedbearbeitung von Metallwerkstücken, sowie ein Verfahren zur Bearbeitung von Metalloberflächen beziehungsweise Metallwerkstücken.The The invention relates to a cold forging apparatus for processing of metal surfaces, a cold forging plant for cold forging Metal workpieces, and a method of processing of metal surfaces or metal workpieces.

Zur mechanischen Bearbeitung metallischer Oberflächen wird ein sogenanntes inkrementelles Kaltschmieden eingesetzt, um durch Beeinflussung der Eigenspannungen die Festigkeit zu steigern, die Härte an der Oberfläche zu erhöhen sowie die Oberfläche einzuglätten beziehungsweise zu strukturieren oder die Reibeigenschaften zu optimieren.to mechanical machining of metallic surfaces a so-called incremental cold forging used to Influence of residual stresses to increase strength, hardness to increase the surface as well as the surface smooth out or structure or the Optimize friction properties.

Aus dem Stand der Technik sind dazu elektromagnetische oder magnetostriktive sowie Ultraschallsysteme bekannt, wobei elektromagnetische Systeme einen hohen Verschleiß und geringen Wirkungsgrad, geringe Standzeiten, eine starke Erwärmung und geometrische Abweichungen bei der Bearbeitung der Metalloberflächen aufweisen, während Ultraschallsysteme einen geringen Energieeintrag pro Schlag und damit eine geringe Wirksamkeit zeigen.Out The prior art are to electromagnetic or magnetostrictive as well as ultrasound systems known, wherein electromagnetic systems high wear and low efficiency, low Service life, a strong warming and geometric deviations during processing of the metal surfaces while ultrasound systems a low energy input per impact and thus a low Show effectiveness.

Ein System mit elektromagnetischem Antrieb ist in der DE 10 2006 033 004 A1 beschrieben, die eine elektromechanische Klopfvorrichtung und ein Klopfverfahren zur Bearbeitung, Glättung und Kaltverfestigung der Oberfläche von Werkzeugen, Maschinen und anderen Teilen beansprucht. Ein Schlagkopf ist dabei an einem axialen Träger, der einen ferromagnetischen Teil besitzt, befestigt, wobei ein erstes Magnetfeld den Träger in einer Ruhelage hält, während ein zweites Magnetfeld, erzeugt von einer Spule durch einen Wechselstrom oder einen gepulsten Gleichstrom, den Schlagkopf in Schwingungen mit definierter Schlagfrequenz, Schlagamplitude und Nulldurchgang versetzt. Diese Klopfvorrichtung erlaubt eine variable Anpassung der Schlagfrequenz und der Schlagamplitude sowie eine variable Anpassung der Nulllage, beziehungsweise des Nulldurchgangs an die örtliche Form, die Wandstärke und den Härtegrad der zu bearbeitenden Teile.A system with electromagnetic drive is in the DE 10 2006 033 004 A1 which claims an electromechanical knocking apparatus and a knocking method for machining, smoothing and work hardening the surface of tools, machines and other parts. A percussion head is attached to an axial support having a ferromagnetic portion, with a first magnetic field holding the support in a rest position, while a second magnetic field generated by a coil through an alternating current or a pulsed direct current vibrates the impact head defined beat frequency, beat amplitude and zero crossing offset. This knocking device allows a variable adjustment of the beat frequency and the impact amplitude and a variable adjustment of the zero position, or the zero crossing to the local shape, the wall thickness and the degree of hardness of the parts to be machined.

Ultraschallsysteme zur Bearbeitung von Metalloberflächen sind unter anderem aus der US 646 7321 B2 , der US 2008 0035 627 A1 und der WO 2007 060 284 A1 bekannt.Ultrasonic systems for processing metal surfaces are among others from the US 646 7321 B2 , of the US 2008 0035 627 A1 and the WO 2007 060 284 A1 known.

Systeme, die auf piezoelektrischen Antrieben basieren, wurden bislang aufgrund ihres geringen Hubes, der im Bereich von 1 mm Hub pro 1000 mm Piezostapel liegt, als ungeeignet betrachtet.systems, based on piezoelectric drives, have so far due their small stroke, which is in the range of 1 mm stroke per 1000 mm piezo stack is considered inappropriate.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine Kaltschmiedevorrichtung bereitzustellen, die bei einem hohen Wirkungsgrad einen geringen Verschleiß aufweist, keine starke Erwärmung hervorruft und die geometrischen Abweichungen bei der Oberflächenbehandlung minimiert.outgoing From this prior art, it is desirable to have a Cold forging device to provide a high efficiency low wear, no excessive heating and the geometrical deviations in the surface treatment minimized.

Diese Aufgabe wird durch eine Kaltschmiedevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is by a cold forging device with the features of claim 1.

Weiterhin besteht die Aufgabe, eine Kaltschmiedeanlage zur Bearbeitung von Metallwerkstücken zu schaffen, die eine größere Variabilität der Prozessparameter erlaubt, und die eine optimierte Einstellung der drei Hauptparameter Hubkraft, Hubamplitude und Hubfrequenz für die Oberflächenbearbeitung gestattet.Farther the task is to create a cold forging machine for machining To create metal workpieces that are larger Variability of the process parameters allowed, and the one optimized setting of the three main parameters lifting force, stroke amplitude and stroke frequency for surface treatment allowed.

Diese Aufgabe wird durch eine Kaltschmiedeanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.These Task is accomplished by a cold forging plant with the characteristics of Claim 4 solved.

Ferner ist es wünschenswert, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Metalloberflächen beziehungsweise Metallwerkstücke durch Kaltschmieden ohne die zuvor genannten Nachteile bearbeitet werden können.Further it is desirable to provide a method with the metal surfaces or metal workpieces processed by cold forging without the aforementioned drawbacks can be.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Bearbeitung von Metalloberflächen mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch das Verfahren zur Kaltschmiedbearbeitung von Metallwerkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.These The object is achieved by the method for processing metal surfaces with the features of claim 6 and by the method for cold forging of metal workpieces having the features of claim 12 solved.

Weiterbildungen der jeweiligen Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.further developments the respective objects are in the subclaims executed.

Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf eine Kaltschmiedevorrichtung zur mechanischen Bearbeitung von Metalloberflächen. Diese Kaltschmiedevorrichtung besteht aus einer Hubeinrichtung, die am einen Ende in einem Lagerelement gelagert ist, und aus einem Schlagkopf, der am anderen gegenüberliegenden Ende der Hubeinrichtung angeordnet ist. Zur Ausführung eines Hubs des Schlagkopfs weist die Hubeinrichtung ein Betätigungsmittel auf, das einen Piezostapel-Aktuator umfasst, der mit einem Feder-Masse-System operativ gekoppelt ist. Eine derartige Kaltschmiedevorrichtung bietet den Vorteil, einen Piezostapel-Aktuator zum inkrementellen Kaltschmieden verwenden zu können, dessen Ausdehnungsamplitude schon bei Anlegen einer kleinen elektrischen Spannung mit einer gewünschten Pulsfrequenz erzeugt wird.A First embodiment relates to a cold forging device for mechanical processing of metal surfaces. These Cold forging device consists of a lifting device, the one end is mounted in a bearing element, and a striking head, which is arranged at the other opposite end of the lifting device. To execute a stroke of the impact head, the lifting device an actuating means having a piezo stack actuator which is operatively coupled to a spring-mass system. A Such cold forging device offers the advantage of a piezo stack actuator to use for incremental cold forging, its expansion amplitude even when applying a small electrical voltage with a desired pulse rate is generated.

Durch die Erweiterung des Piezostapel-Aktuators um das Feder-Masse-System wird der Nachteil eines geringen Hubs von 0,1% überwunden. Die Schlagkraft der Kaltschmiedevorrichtung wird damit in erster Linie durch die Rückstellkraft der Feder bestimmt. Dadurch bietet die erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung einen hohen Wirkungsgrad mit gutem Bearbeitungsergebnis bei einem geringen Verschleiß.By extending the piezo stack actuator to the spring-mass system, the disadvantage of a small stroke of 0.1% is overcome. The power of the cold forging device is thus determined primarily by the restoring force of the spring. As a result, the cold according to the invention offers Forging device high efficiency with good machining result with low wear.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Schlagkopf gegen die zu bearbeitende Oberfläche vorgespannt, während der Piezostapel-Aktuator dazu verwendet wird, durch Ausdehnung seiner Länge bei Auslösen eines elektrischen Impulses die Feder noch etwas stärker zu komprimieren, so dass bei einem Nulldurchgang der Pulsfrequenz, wenn der Piezostapel-Aktuator in seinen Ruhezustand übergeht, die Feder teilweise entspannt und der Schlagkopf mit größerer Kraft gegen die Metalloberfläche getrieben wird. Hierdurch wird das Bearbeitungsergebnis weiter verbessert.In A preferred embodiment of the invention is the Impact head biased against the surface to be machined, while the piezo stack actuator is used to Extension of its length when an electrical pulse is triggered to compress the spring a bit more, so that at a zero crossing of the pulse frequency when the piezo stack actuator goes into its dormant state, the spring partially relaxed and the impact head with greater force against the metal surface is driven. This further improves the processing result.

In einer weiteren Ausführungsform wird die durch eine an den Piezostapel-Aktuator angelegte Wechselspannung erzeugte elektrische Pulsfrequenz durch eine Steuerungsvorrichtung definiert, die die Kopplung des Piezostapel-Aktuators mit dem Feder-Masse-System zur Ausführung des Hubs des Schlagkopfs steuert.In a further embodiment is by a to the Piezo stack actuator applied AC voltage generated electrical Pulse rate defined by a control device that the Coupling of the piezo stack actuator with the spring-mass system for Execution of the stroke of the impact head controls.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in das Feder-Masse-System zusätzlich noch ein Dämpfer integriert. Hierdurch wird der Rückstoß des aufschlagenden Schlagkopfes so abgedämpft, dass die Stoßenergie weitestgehend in Form von Deformationsenergie im zu bearbeitenden Werkstück verbleibt. Der Anteil der Energie, die in das Komprimieren der Feder geht, ist dabei relativ klein. Somit wird das Bearbeitungsergebnis an der Metalloberfläche und deren Qualität erheblich verbessert.In a particularly preferred embodiment of the invention is in the spring-mass system additionally a damper integrated. This will be the recoil of the impacting Impact head so dampened that the impact energy largely in the form of deformation energy in the processed Workpiece remains. The share of energy in the Compressing the spring is relatively small. Thus, will the processing result on the metal surface and its Quality significantly improved.

Schließlich wird eine Kaltschmiedeanlage zur Bearbeitung von Metallwerkstücken offenbart, die eine erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung umfasst. Die Kaltschmiedevorrichtung ist dabei zur geführten Anordnung an das Metallwerkstück an einer Führungsvorrichtung befestigt.After all becomes a cold forging plant for machining metal workpieces discloses comprising a cold forging apparatus according to the invention. The cold forging device is guided to the guided arrangement to the metal workpiece on a guide device attached.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Führungsvorrichtung eine Bearbeitungsmaschine sowie ein Industrieroboter oder ein Manipulator sein. Damit kann ein günstiges Verhältnis der drei Hauptparameter Hubkraft, Hubamplitude und Hubfrequenz eingestellt werden, beziehungsweise es kann eine günstige Bandbreite dieser drei Hauptparameter erreicht werden, die für den exakten Bearbeitungserfolg ohne große geometrische Abweichungen entscheidend sind. Während mit der Bearbeitungsmaschine zweidimensionale Flächen von Werkstücken ausgezeichnet bearbeitet werden können, können mittels des Roboters besonders vorteilhaft dreidimensionale Konturen wie beispielsweise bei einer Kugel oder bei komplexen Werkstückfreiformen abgefahren und in jedweder Raumlage bearbeitet werden. Bei der Verwendung einer Bearbeitungsmaschine kann diese stationär und starr angeordnet sein, wobei die Bearbeitung in vertikaler Richtung nach unten ausgeführt und das Werkstück unter der Bearbeitungsmaschine hindurch verfahren wird. Ebenfalls ist es denkbar, das Werkstück unbeweglich anzuordnen und dieses mit einer horizontal verfahrbaren Bearbeitungsmaschine abzufahren und zu bearbeiten. Des Weiteren ist auch eine Verfahrbarkeit von Werkstück und Bearbeitungsmaschine zueinander denkbar, wodurch aufgrund der Überlagerung deren Verfahrbewegungen die zu bearbeitenden Stellen des Werkstücks schneller erreicht werden können.In In another embodiment, the guide device a processing machine and an industrial robot or a manipulator be. This can be a favorable ratio of three main parameters: lifting force, stroke amplitude and stroke frequency or it can be a cheap bandwidth These three main parameters are achieved for the exact machining success without large geometric deviations are decisive. While with the processing machine two-dimensional surfaces of workpieces excellent can be edited by means of the robot particularly advantageous three-dimensional contours such as with a sphere or with complex workpiece freeforms be traveled and edited in any spatial position. When using A processing machine can be stationary and rigid be arranged, with the processing in the vertical direction running down and the workpiece under the machine is moved through. It is also conceivable, the workpiece immovable to arrange and this with a horizontally movable Depart machine and edit processing machine. Furthermore is also a movability of workpiece and processing machine conceivable to each other, which due to the superposition of their Traveling movements the points of the workpiece to be machined can be reached faster.

Zudem erfüllt die erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung in der Kaltschmiedeanlage in Verbindung mit dem Industrieroboter die Anforderungen nach Rundlauf, mechanischer Festigkeit sowie der Steuerbarkeit der Prozess- beziehungsweise Hauptparameter. Infolge dessen eignet sich die erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung insbesondere für die Anwendung mit Bearbeitungsmaschinen sowie Industrierobotern oder Manipulatoren.moreover meets the cold forging device according to the invention in the cold forging plant in conjunction with the industrial robot the requirements for concentricity, mechanical strength and the Controllability of the process or main parameters. As a result of which the cold forging device according to the invention is suitable especially for use with machine tools as well Industrial robots or manipulators.

Die Führungsvorrichtung weist ein Lager auf, in dem die Verbindungsstange des Schlagkopfes, die diesen mit dem Piezostapel-Aktuator starr verbindet, mit engem Spiel geführt ist. Hierdurch werden ein Durchbiegung einer weichen Feder des Feder-Masse-Systems und eine Schwenkung eines in das System gegebenenfalls integrierten Dämpfers bei einer räumlichen Bewegung der Führungsvorrichtung, insbesondere eines Roboters, aufgefangen, so dass immer die gewünschte Stelle der Werkstückoberfläche bearbeitet und dadurch ein besonders präzises Arbeitsergebnis erreicht wird.The Guide device has a bearing in which the connecting rod the impact head, this rigid with the piezo stack actuator connects, is conducted with close play. This will be a deflection of a soft spring of the spring-mass system and a pivoting of an optionally integrated into the system Damper during a spatial movement of the guide device, especially a robot, collected so that always the desired Workpiece surface machined and thereby achieving a particularly precise work result becomes.

Weiterhin wird ein Verfahren zur Bearbeitung von Metalloberflächen offenbart, das eine erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung verwendet. Dabei wird der Schlagkopf gegenüber der zu bearbeitenden Metalloberfläche angeordnet. Wird nun eine elektrische Pulsfrequenz an den Piezostapel-Aktuator angelegt, so dehnt sich dieser während eines Amplitudendurchgangs der Pulsfrequenz aus, während er bei einem Nulldurchgang der Pulsfrequenz in seinen Ursprungszustand zurückkehrt, so dass es zur Schwingungserrregung des Schlagkopfes kommt. Die Vergrößerung der Längenausdehnung während eines Amplitudendurchgangs bewirkt eine Kompression der Feder und entsprechend eine Zunahme der Rückstellkraft der Feder. Kehrt nun der Piezostapel-Aktuator während eines Nulldurchgangs in seine Ursprungslängenausdehnung zurück, so entspannt sich die Feder teilweise, das heißt, die Rückstellkraft wird freigesetzt und als Beschleunigungskraft auf den Schlagkopf und von diesem auf die zu bearbeitende Metalloberfläche übertragen, wenn der Schlagkopf die zu bearbeitende Metalloberfläche kontaktiert.Farther becomes a method of machining metal surfaces discloses a cold forging device according to the invention used. The impact head is opposite to the machined Metal surface arranged. Will now be an electrical Pulse frequency applied to the piezo stack actuator, so it expands this during an amplitude passage of the pulse frequency while at a zero crossing of the pulse rate returns to its original state, causing it to vibrational excitation the blow head is coming. The enlargement of the longitudinal extent during amplitude passage causes compression the spring and, accordingly, an increase in the restoring force the feather. Now, the piezo stack actuator returns during a Zero crossing back into its original length extent, so the spring relaxes partially, that is, the restoring force is released and as an acceleration force on the impact head and transferred from this to the metal surface to be processed, when the impact head is the metal surface to be processed contacted.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Vorspannen der Hubeinrichtung gegen die Oberfläche des Werkstücks, wobei die Feder des Systems vorkomprimiert wird. Bei der Längenausdehnung des Piezostapel-Aktuators wird somit die Feder des Feder-Masse-Systems noch weiter komprimiert, wodurch die Rückstellkraft zur Werkstückoberfläche bei der Rückkehr des Piezostapel-Aktuators in seine Ausgangslage vergrößert wird. Hierdurch werden tiefere Schichten der Werkstückoberfläche erfasst, so dass das Bearbeitungsergebnis deutlich verbessert wird.In In a preferred embodiment, the method comprises a biasing of the lifting device against the surface of the workpiece, with the spring of the system precompressed becomes. In the length expansion of the piezo stack actuator Thus, the spring of the spring-mass system is compressed even further, whereby the restoring force to the workpiece surface upon return of the piezo stack actuator to its starting position is enlarged. This will make deeper layers the workpiece surface detected, so that the machining result significantly is improved.

Bevorzugt wird in einer weiteren Ausführung des Verfahrens ein Dämpfer in das Feder-Masse-System eingekoppelt, der den Rückstoss des Schlagkopfes dämpft und damit das System in dieser Richtung sehr steif macht. Hierdurch wird weniger Arbeit in das Komprimieren der Feder über den teilelastischen Rückstoss des Schlagkopfes geleistet sondern dafür mehr Energie im Werkstück zur Deformation belassen, was dem Bearbeitungsergebnis erheblich zu Gute kommt.Prefers In a further embodiment of the method, a damper is used coupled into the spring-mass system, the recoil of the impact head dampens and thus the system in this direction very stiff. This will do less work in compressing the spring over the partially elastic recoil of the Schlagkopfes done but for more energy in the workpiece to the deformation, what the processing result considerably to benefit.

Um die Hubamplitude des Schlagkopfs zu erhöhen, kann in einer Ausführungsform des Verfahrens beim Anlegen der elektrischen Pulsfrequenz die Eigenfrequenz des FederMasse-Dämpfer-Systems berücksichtigt und eine Resonanz des Schwingsystems ausgenutzt werden, indem eine elektrische Pulsfrequenz als Erregerfrequenz eingestellt wird, die eine Resonanz mit der Eigenfrequenz erzeugt, und damit eine Amplitudenerhöhung der Schlagkopfes zur Folge hat, respektive eine Resonanz-Hubamplitude erzeugt.Around can increase the stroke amplitude of the impact head, in one Embodiment of the method when applying the electrical Pulse rate considered the natural frequency of the spring mass damper system and a resonance of the vibration system are exploited by a electrical pulse rate is set as the excitation frequency, the generates a resonance with the natural frequency, and thus an increase in amplitude the impact head results, respectively, a resonance stroke amplitude generated.

In einer alternativen Ausführungsform kann das Schwingsystem als Tiefpassfilter verwendet werden, indem eine obere Grenzfrequenz des Feder-Masse-Dämpfer-Systems eingestellt wird. Dies erfolgt durch Abstimmen der Feder, des Dämpfers und der Masse zueinander über die Auswahl der Federkonstante, der Dämpfungskonstante sowie der Masse. Durch das als Tiefpass fungierende Schwingsystem kann eine maximale elektrische Pulsfrequenz eingekoppelt werden, die der oberen Grenzfrequenz entspricht. Damit wird auch eine maximale Hubfrequenz des Schlagkopfes mit dem damit verbundenen Energieeintrag ermöglicht.In an alternative embodiment, the vibration system be used as a low pass filter by an upper cutoff frequency of the spring-mass damper system. this happens by tuning the spring, damper and mass to each other the selection of the spring constant, the damping constant as well as the mass. By acting as a low-pass vibration system a maximum electrical pulse frequency can be injected, which corresponds to the upper limit frequency. This will also be a maximum Stroke frequency of the impact head with the associated energy input allows.

Zudem kann in einer Ausführungsform des Verfahrens eine Dämpfungseigenschaft des Dämpfers eingestellt werden, um den teilelastischen Rückstoß des Schlagkopfs von der Metalloberfläche nach dem Schlag zu minimieren.moreover In one embodiment of the method, a damping characteristic of the damper are adjusted to the partially elastic Recoil of the impact head from the metal surface to minimize after the blow.

Schließlich bezieht sich eine Ausführungsform auf ein Verfahren zur Kaltschmiedebearbeitung von Metallwerkstücken in einer erfindungsgemäßen Kaltschmiedeanlage. Dazu wird die Kaltschmiedevorrichtung durch die Führungsvorrichtung der Anlage gegenüber dem zu bearbeitenden Metallwerkstück so angeordnet, dass der Schlagkopf entweder direkt an der Metalloberfläche zur Anlage oder in einem Abstand zu liegen kommt, der kleiner ist als die höchste Amplitude des schwingenden Schlagkopfes. Anschließend wird die Metalloberfläche des Metallwerkstücks entsprechend dem oben genannten Verfahren bearbeitet, wobei die Führungsvorrichtung die Kaltschmiedevorrichtung, beziehungsweise deren Schlagkopf entlang des zu bearbeitenden Metallwerkstücks führt. Wie oben schon geschildert, ist auch die Bewegung des Werkstückes entlang der Führungsvorrichtung möglich.After all An embodiment relates to a method for Cold forging of metal workpieces in one cold forging system according to the invention. This will be the cold forging device through the guide device the plant against the metal workpiece to be machined arranged so that the impact head either directly on the metal surface to the plant or to come at a distance which is smaller as the highest amplitude of the swinging head. Subsequently becomes the metal surface of the metal workpiece processed according to the above method, wherein the Guide device, the cold forging device, respectively their impact head along the metal workpiece to be machined leads. As already described above, the movement is also of the workpiece along the guide device possible.

Die genannten und weitere Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.The mentioned and other advantages of the invention will be apparent from the following Description with reference to the accompanying figure.

Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.Of the Reference to the figure in the description is for assistance the description and the easier understanding of the Object. Objects or parts of objects, which are essentially the same or similar be provided with the same reference numerals. The figure is just one schematic representation of an embodiment of the invention.

1 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung. 1 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of the cold forging apparatus according to the invention.

Die erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung dient zur Bearbeitung von Metalloberflächen, wobei sich Kaltschmieden auf eine Arbeitstemperatur im Bereich der Raumtemperatur bezieht, sich die Metalloberfläche jedoch während der Bearbeitung durch die Ener gie des Umformprozesses auf bis zu 150°C erwärmen kann. Durch das inkrementelle Kaltschmieden können enge Maßtoleranzen erreicht werden. Um nun durch die mechanische Bearbeitung der metallischen Oberflächen beispielsweise eine Festigkeitssteigerung durch Beeinflussung der Eigenspannungen, eine Härtesteigerung an der Oberfläche, eine Einglättung beziehungsweise eine Strukturierung der Oberfläche oder eine Optimierung der Reibeigenschaften zu erreichen, kann die erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung eingesetzt werden, insbesondere als Kaltschmiedeanlage, wenn die Kaltschmiedevorrichtung von einer Führungsmaschine, beziehungsweise einer Bearbeitungsmaschine oder einem Industrieroboter geführt wird.The Cold forging device according to the invention is used for working metal surfaces, whereby cold forging refers to a working temperature in the range of room temperature, However, the metal surface during processing heat up to 150 ° C by the energy of the forming process can. Due to the incremental cold forging can close Dimensional tolerances are achieved. Order now by the mechanical Processing of the metallic surfaces, for example an increase in strength by influencing the residual stresses, a hardness increase on the surface, a Einlättung or a structuring of the surface or To achieve an optimization of the friction properties, the inventive Cold forging device can be used, in particular as cold forging plant, when the cold forging device of a guiding machine, or a processing machine or an industrial robot to be led.

Die Kaltschmiedevorrichtung 1, wie sie in 1 dargestellt ist, besteht aus einer Hubeinrichtung, die im Gehäuse 12 untergebracht und vertikal orientiert ist, und aus einem Schlagkopf 2, der am unteren Ende der Hubeinrichtung aus dem Gehäuse 12 durch ein Lager 11 geführt herausragt. Ein solcher Schlagkopf 2 kann abnehmbar mit der Hubeinrichtung verbunden sein, so dass je nach gewünschter Härte oder Form des Schlagkopfs oder auch nach dessen Beschädigung dieser ausgetauscht werden kann. Die Hubrichtung des Schlagkopfs 2 in Richtung der Metalloberfläche 10 ist durch den Doppelpfeil h angedeutet.The cold forging device 1 as they are in 1 is shown, consists of a lifting device in the housing 12 housed and oriented vertically, and from a percussion head 2 , which at the lower end of the lifting device from the housing 12 through a warehouse 11 stands out. Such a impact head 2 can be removably connected to the lifting device, so that depending on the desired hardness or shape of the impact head or even after its damage this can be replaced. The stroke direction of the impact head 2 in the direction of the metal surface 10 is indicated by the double arrow h.

Die Hubeinrichtung der Kaltschmiedevorrichtung 1 besteht erfindungsgemäß aus einem Piezostapel-Aktuator 4, an den eine elektrische Leitung 9 angeschlossen ist, und an den sich nach unten über ein hier als Verbindungsstange ausgebildetes Trägerelement der Schlagkopf 2 anschließt. Oberhalb des Piezostapel-Aktuators 4 ist das Feder-Masse-Dämpfer-System 5, 6, 7 angeordnet, wobei der Piezostapel-Aktuator 4 zunächst direkt mit der Masse 6 gekoppelt ist, die oberhalb des Piezostapel-Aktuators 4 angeordnet ist. Über der Masse 6 sind parallel geschaltet die Feder 5 und der Dämpfer 7 angeordnet, die wiederum über beispielsweise ein Kugelgelenk 3 am oberen Rand des Gehäuses 12 befestigt sind, welches wiederum selbst zur vorteilhaften Durchführung des Kaltschmiedeverfahrens an einem Industrieroboter oder einer Bearbeitungsmaschine 13 befestigt sein kann. Diese Bearbeitungsmaschine, respektive der Industrieroboter, kann vorteilhaft zugleich eine Führungsvorrichtung sein, so dass die Kaltschmiedevorrichtung derart über der Metalloberfläche 10 des Werkstücks platziert werden kann, dass die Bearbeitung maßgenau durchgeführt werden kann.The lifting device of the cold forging device 1 consists according to the invention of a piezo stack actuator 4 to which an electrical line 9 is connected, and at the down on a trained here as a connecting rod carrier element of the impact head 2 followed. Above the piezo stack actuator 4 is the spring mass damper system 5 . 6 . 7 arranged, wherein the piezo stack actuator 4 first directly with the mass 6 is coupled, the above the piezo stack actuator 4 is arranged. About the crowd 6 are connected in parallel the spring 5 and the damper 7 arranged, in turn, via, for example, a ball joint 3 at the top of the case 12 are attached, which in turn itself for the advantageous implementation of the cold forging method on an industrial robot or a processing machine 13 can be attached. This processing machine, or the industrial robot, may advantageously be a guide device at the same time, so that the cold forging device is above the metal surface 10 of the workpiece can be placed so that the machining can be performed accurately.

Die elektrische Pulsfrequenz, die zur Erregung der Schwingung des Piezostapel-Aktuators 4 über die elektrische Leitung 9 eingekoppelt wird, kann durch eine nicht dargestellte Steuerungsvorrichtung derart zeitlich gepulst sein, dass die elektrische Erregerfrequenz immer mit der Hubamplitude der Klopfbewegung in Resonanz zusammentrifft, die mit der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Dämpfer-Systems 5, 6, 7 zusammenhängt, wodurch letztendlich die Schlagwirkung vergrößert wird.The electrical pulse frequency used to excite the vibration of the piezo stack actuator 4 over the electrical line 9 can be pulsed by a control device, not shown, such that the electrical excitation frequency always coincides with the stroke amplitude of the knocking motion in resonance, with the natural frequency of the spring-mass-damper system 5 . 6 . 7 related, which ultimately increases the impact effect.

Alternativ kann das System als Tiefpassfilter betrieben werden. Der Betrieb des Schwingsystems als Tiefpassfilter oder als Resonanzkörper hängt von den wählbaren Erregungsparametern, beziehungsweise der eingesteuerten Pulsfrequenz, und den wählbaren Schwingungseigenschaften des Systems ab, die von der Größe der Masse 6, der Federkonstanten der Feder 5 und den Dämpfungseigenschaften des Dämpfers 7 abhängen. Die Funktion eines Tiefpassfilters, die sich aus der richtigen Abstimmung zwischen der Feder 5, der Masse 6 und dem Dämpfer 7 ergibt, die die Grenzfrequenz bestimmen, wodurch hohe Pulsfrequenzen bis zur Grenzfrequenz eingesteuert und dadurch hohe Energien in Folge großer Schlaggeschwindigkeit zur Verfügung gestellt werden.Alternatively, the system can be operated as a low-pass filter. The operation of the vibration system as a low-pass filter or as a resonator depends on the selectable excitation parameters, or the set pulse frequency, and the selectable vibration characteristics of the system, the size of the mass 6 , the spring constant of the spring 5 and the damping characteristics of the damper 7 depend. The function of a low-pass filter resulting from the correct tuning between the spring 5 , the crowd 6 and the damper 7 results, which determine the cutoff frequency, whereby high pulse frequencies are controlled up to the cutoff frequency and thereby high energies are made available as a result of high impact speed.

In erster Linie wird die Schlagkraft des Schlagkopfes 2 durch die Rückstellkraft der Feder 5 bestimmt, beziehungsweise durch deren Vorspannung und die zusätzliche Spannung durch den Piezo-Hub. Um die Schlagkraft weiter zu steigern, wird die Rückstellkraft der Feder 5 durch die Gewichtskraft der Masse 6 verstärkt. Um zusätzlich die gesamte kinetische Energie des Schlagkopfes 2 möglichst vollständig zur Deformationsarbeit an der Metalloberfläche 10 zu nutzen, ist der parallel zur Feder 5 angeordnete Dämpfer 7 vorgesehen, der die durch den halbelastischen Stoß aufgelöste Rückwärtsbewegung des Schlagkopfes 2 nach dem Stoß dämpft. Die für die Rückwärtsbewegung zur Verfügung stehende kinetische Energie wird somit gedämpft und kann dadurch zumindest teilweise den Energieeintrag in die Metalloberfläche 10 vergrößern.First and foremost is the striking power of the striking head 2 by the restoring force of the spring 5 determined, or by their bias and the additional voltage through the piezo-hub. To further increase the impact force, the restoring force of the spring 5 by the weight of the mass 6 strengthened. In addition, the total kinetic energy of the impact head 2 as completely as possible for deformation work on the metal surface 10 to use, which is parallel to the spring 5 arranged dampers 7 provided, the resolved by the semi-elastic shock reverse movement of the impact head 2 after the shock dampens. The available for the backward movement kinetic energy is thus damped and can thereby at least partially the energy input into the metal surface 10 enlarge.

Um nun eine Metalloberfläche 10 zu bearbeiten, wird die Kaltschmiedevorrichtung 1, geführt von der Bearbeitungsmaschine 13, direkt mit dem Schlagkopf 2 an der Werkstückoberfläche 10 vorgespannt angeordnet. Das heißt, dass die Feder 5 komprimiert wurde und dadurch eine Rückstellkraft in Richtung der Metalloberfläche 10 bereitstellt. Wird nun während eines elektrischen Impulses Spannung an den Piezostapel-Aktuator 4 angelegt, so wird durch dessen sich vergrößernde vertikalen Längsausdehnung die Kaltschmiedevorrichtung 1 leicht angehoben und die Feder 5 dabei noch etwas stärker komprimiert, wobei dieser durch den Piezostapel-Aktuator 4 hervorgerufene Hub gegen die Wirkung des Dämpfers 7 und der Gewichtskraft der Masse 6 sowie der Rückstellkraft der Feder 5 arbeitet. Während des Nulldurchgangs der Pulsfrequenz dann ist der Piezostapel-Aktuator 4 deaktiviert, das heißt, er kehrt in seine ursprüngliche Längenausdehnung zurück, so dass sich die Feder 5 teilweise entspannt, die Rückstellkraft der Feder also teil weise freigesetzt wird und den Schlagkopf 2 in Richtung der Metalloberfläche 10 des Werkstücks treibt. Erfindungsgemäß hängen sowohl Schlagkraft und Hub als auch Frequenz von der Wahl von Feder 5, Masse 6 und Dämpfer 7 ab, da die Schlagstärke sich aus der Federkraft und der Gewichtskraft der Masse zusammensetzt.Now a metal surface 10 to process, the cold forging device 1 , led by the processing machine 13 , directly with the blow head 2 on the workpiece surface 10 biased arranged. That means that the spring 5 was compressed and thereby a restoring force in the direction of the metal surface 10 provides. Will now during an electrical pulse voltage to the piezo stack actuator 4 created by its increasing vertical longitudinal extent of the cold forging device 1 slightly raised and the spring 5 doing something more compressed, this by the piezo stack actuator 4 caused stroke against the action of the damper 7 and the weight of the mass 6 and the restoring force of the spring 5 is working. During the zero crossing of the pulse rate then the piezo stack actuator is 4 deactivated, that is, he returns to its original longitudinal extent, so that the spring 5 partially relaxed, so the restoring force of the spring is partially released and the impact head 2 in the direction of the metal surface 10 of the workpiece drives. According to the invention, both impact force and stroke as well as frequency depend on the choice of spring 5 , Dimensions 6 and dampers 7 Since the impact strength is composed of the spring force and the weight of the mass.

Über die Steuerung der elektrischen Impulsfrequenz, mit der der Piezostapel-Aktuator 4 zur Schwingung angeregt wird, können ferner diese drei Parameter der Hubkraft, Hubamplitude und Hubfrequenz beeinflusst werden, indem das gesamte Schwingsystem entweder unter Ausnutzung der Resonanz mit einer Hubamplitudenerhöhung verwendet wird oder bei Nutzung als Tiefpassfilter eine maximale Pulsfrequenz eingesteuert und eine dementsprechend hohe kinetische Energie der Deformationsarbeit zur Verfügung gestellt wird.By controlling the electrical pulse frequency with which the piezo stack actuator 4 is excited to vibrate, these three parameters of the lifting force, stroke amplitude and stroke frequency can be further influenced by the entire oscillating system is either using the resonance with a Hubamplitudenerhöhung or used when used as a low-pass filter a maximum pulse rate and a correspondingly high kinetic energy of the deformation work is made available.

Damit ist die erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung mit dem piezoelektrischen Antrieb hinsichtlich der Bandbreite der Prozessparameter gegenüber elektromagnetischen, magnetostriktiven oder Ultraschall basierten Antrieben überlegen. Dies trifft insbesondere in Verbindung mit Bearbeitungsmaschinen sowie Industrierobotern zu. Der um das FederMasse-Dämpfer-System erweiterte piezoelektrische Antrieb stellt unter geringem Verschleiß einen hohen Wirkungsgrad bereit, so dass die Vorrichtung lange Standzeiten aufweist, da in der Hubeinrichtung keine starke Erwärmung stattfindet. Insbesondere in Verbindung mit dem Industrieroboter als Führungsvorrichtung kann die mechanische Oberflächenbehandlung unter minimierten geometrischen Abweichungen durchgeführt werden.Thus, the cold forging apparatus according to the invention with the piezoelectric drive is out visibly superior to the range of process parameters compared to electromagnetic, magnetostrictive or ultrasonic based drives. This is especially true in connection with processing machines and industrial robots. The extended to the spring mass damper system piezoelectric actuator provides low wear high efficiency, so that the device has long life, as in the lifting device does not take place strong heating. In particular in connection with the industrial robot as a guiding device, the mechanical surface treatment can be carried out with minimized geometric deviations.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006033004 A1 [0004]
- US 6467321 B2 [0005]
US 20080035627 A1 [0005]
- WO 2007060284 A1 [0005]

Claims

Cold forging device ( 1 ) for metal surfaces ( 10 ), the device ( 1 ) - a lifting device, which at one end in a bearing element ( 3 ) is mounted, and - arranged at the other opposite end of the lifting device impact head ( 2 ), wherein in the lifting device, an actuating means for performing strokes of the impact head ( 2 ), characterized in that the actuating means comprises a piezo stack actuator ( 4 ) equipped with a spring-mass system ( 5 . 7 ) is operatively linked.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the piezo stack actuator ( 4 ) with a control device for the controlled coupling of the piezo stack actuator ( 4 ) with the spring-mass system ( 5 . 7 ) connected is.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the spring-mass system ( 5 . 7 ) in addition a damper ( 6 ) includes.

Cold forging plant for cold forging of metal workpieces, characterized in that the plant a cold forging ( 1 ) for metal surfaces ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, and a guide device ( 13 ) for the guided arrangement of the cold forging device ( 1 ) on the metal workpiece.

Cold forging plant according to claim 4, characterized in that the guiding device ( 13 ) an industrial robot, a processing machine ( 13 ) or a manipulator.

Method for processing metal surfaces ( 10 ) using a cold forging device ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, comprising the steps: - arranging the impact head ( 2 ) against the metal surface to be processed ( 10 ), - applying a voltage to the piezo stack actuator ( 4 ) and providing a pulse frequency, - increasing the linear expansion of the piezo stack actuator ( 4 ) during an amplitude passage of the pulse frequency and return of the piezo stack actuator ( 4 ) in an original length extent during a zero crossing of the pulse frequency for vibration excitation of the impact head ( 2 ), - transferring to the metal surface ( 10 ) directed from the vibration excitation resulting acceleration force of the impact head ( 2 ) on the metal surface ( 10 ).

Method according to claim 6, comprising the step: - pretensioning the lifting device by compressing the spring ( 5 ) of the spring-mass system ( 5 . 7 ) providing a restoring force of the spring ( 5 ) in the direction of the metal surface ( 10 ).

Method according to one of claims 6 or 7, characterized in that a damper ( 6 ) is coupled into the spring-mass system, which the recoil of the impact head ( 2 ) damped.

Method according to claim 8, comprising the steps: - taking into account a natural frequency of the spring-mass-damper system ( 5 . 6 . 7 upon application of the voltage to provide the pulse frequency, setting the pulse frequency so that resonance occurs with the natural frequency, and generating an increased resonance stroke amplitude of the impact head 2 ).

Method according to claim 8 or 9, comprising the steps of: - setting a limit frequency of the spring-mass-damper system ( 5 . 6 . 7 ) as a low-pass filter by tuning - a spring constant of the spring ( 5 ), - a damping constant of the damper ( 6 ), - the crowd ( 7 ), - controlling a maximum electrical pulse frequency, which corresponds to the cutoff frequency, and - generating a maximum stroke frequency of the impact head ( 2 ).

Method according to at least one of claims 8 to 10, comprising the steps of: setting a damping property of the damper ( 7 ) for minimizing a partially elastic recoil of the impact head ( 2 ) from the metal surface ( 10 ).

A method of cold forging metal workpieces using a cold forging apparatus according to claim 4 or 5, comprising the steps of: - placing the cold forging apparatus ( 1 ) by the guiding device ( 13 ) against the metal workpiece to be machined, wherein the impact head ( 2 ) directly on the metal surface ( 10 ) to the plant or at a distance which is smaller than the highest amplitude of the oscillating impact head ( 2 ), - performing a method according to at least one of claims 6 to 11.