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Die Erfindung betrifft eine Pressmaschine zum Pressen von Werkstücken und ein Verfahren zum Pressen von Werkstücken.
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Zum Pressen von Werkstücken bei der Kaltumformung, insbesondere bei der Blechumformung, oder Warmumformung, insbesondere beim Schmieden von metallischen schmiedbaren Werkstoffen, sind verschiedene Umformmaschinen (Pressmaschinen) bekannt (siehe beispielsweise VDI-Lexikon Band Produktionstechnik Verfahrenstechnik, Herausgeber: Hiersig, VDI-Verlag, 1995, Seiten 1107 bis 1113. Wenigstens ein Stößel mit einem ersten Presswerkzeug der Pressmaschine wird von einem Antrieb angetrieben und relativ zu einem zweiten Presswerkzeug der Pressmaschine bewegt, so dass zwischen den Presswerkzeugen das Werkstück durch Presskräfte umgeformt werden kann.
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Die in der Regel weggebunden arbeitenden mechanischen Pressen nutzen mechanische Antriebe, beispielsweise Servomotorantriebe, mit verschiedensten Übersetzungsmechanismen, beispielsweise Exzenterantrieben (Exzenterpressen) oder Kniehebelantrieben (Kniehebelpressen). Die Umformkraft oder Stößelkraft ist abhängig von dem Weg oder der Stellung des Stößels.
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Durch die bei Pressvorgängen auftretenden hohen Kräfte werden die mechanischen Komponenten von mechanischen Pressen stark belastet, wodurch deren Leistungsfähigkeit begrenzt wird. Außerdem ist im Allgemeinen eine Gewichtskompensation des Stößels erforderlich.
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Die in der Regel kraftgebunden arbeitenden hydraulischen Pressen nutzen einen hydraulischen Antrieb mittels eines hydraulischen Mediums wie Öl oder Wasser, dessen Druckenergie von in Hydraulikzylindern laufenden Kolben in mechanische Umformarbeit umgesetzt wird. Die Stößelkraft entspricht dem Produkt von hydraulischem Druck und Kolbenfläche und ist weitgehend unabhängig von der Stellung des Stößels. Der hydraulische Antrieb des Kolbens kann ein unmittelbarer Pumpenantrieb mit einer motorangetriebenen regelbaren Pumpe (siehe z. B.
DE 196 80 008 C1 ) oder auch ein hydraulischer Speicherantrieb mit Druckspeicher und motorangetriebener Pumpe zum Herstellen des Drucks in dem Druckspeicher sein. Der technische und energetische Aufwand für leistungsgeregelte hydraulische Pumpen ist allerdings relativ hoch.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine neue Pressmaschine und ein neues Pressverfahren zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Pressmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Unter Bewegungsverlauf wird insbesondere ein Weg-Zeit-Verlauf oder Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf oder Geschwindigkeits-Weg-Verlauf oder Kraft-Zeit-Verlauf oder Kraft-Weg-Verlauf verstanden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren
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1 eine hydraulische Pressmaschine mit einem Exzenterantrieb, bei der der Arbeitskolben in einer oberen Stellung ist, in einem Schaltbild
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2 die Pressmaschine gemäß 1, bei der der Arbeitskolben in einer unteren Stellung ist,
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3 eine hydraulische Pressmaschine mit einem Pumpenantrieb für den Arbeitskolben, wobei der Arbeitskolben in einer oberen Stellung ist, in einem Schaltbild und
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4 die Pressmaschine gemäß 3, bei der der Arbeitskolben in einer unteren Stellung ist,
jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In allen Ausführungsbeispielen der hydraulischen Pressmaschine gemäß 1 bis 4 umfasst diese einen Stößel 10 und eine hydraulische Stößelantriebseinheit 1 mit einem hydraulischen Arbeitskolben 2, der in einem zugehörigen, mit hydraulischem Medium M gefüllten Hydraulik- oder Arbeitszylinder 3 axial zur Arbeitsachse A hydraulisch beweglich ist. Ein im Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Arbeitszylinders 3 angepasster und gegen die Innenfläche des Arbeitszylinders 3 abgedichteter erster Kolbenbereich 21 des Arbeitskolbens 2 trennt dabei – zumindest innerhalb von Leckagetoleranzen – druckdicht einen unteren Zylinderraum 32 des Arbeitszylinders 3 von einem oberen Zylinderraum 31. Durch den unteren Zylinderraum 32 verläuft ein im Außendurchmesser kleiner als der erste Kolbenbereich 21 gestalteter, hier als Kolbenstange ausgebildeter zweiter Kolbenbereich 22 des Arbeitskolbens 2, so dass nur der den zweiten Kolbenbereich 22 umgebende ringförmige oder hohlzylindrische Bereich des unteren Zylinderraumes 32 mit dem hydraulischen Medium M gefüllt ist.
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Der Arbeitskolben 2 bewegt den daran angekoppelten oder befestigten Stößel 10 der Pressmaschine, an dem sich ein Presswerkzeug 15 befindet. Dadurch kann das Presswerkzeug 15 in einzelnen Arbeitschritten in einer Pressbewegung oder in einer Pressrichtung P auf ein nicht dargestelltes zu pressendes Werkstück, das sich auf einem zweiten, nicht dargestellten Presswerkzeug befindet, zu bewegt und in einer anschließenden Rückholbewegung wieder von diesem weg oder entgegengesetzt zur Pressrichtung bewegt werden.
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Bei einer Vorwärtsbewegung des Arbeitskolbens 2 entlang der Arbeitsachse A, die in der Pressrichtung P erfolgt, vergrößert sich das Volumen V1 des oberen Zylinderraumes 31 und verkleinert sich das Volumen V2 des unteren Zylinderraumes 32 und bei der entgegengesetzt zur Pressrichtung P gerichteten Rückholbewegung des Arbeitskolbens 2 verkleinert sich das Volumen V1 des oberen Zylinderraumes 31 und vergrößert sich das Volumen V2 des unteren Zylinderraumes 32 wieder.
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1 zeigt eine obere Stellung des Arbeitskolbens 2, bei der der erste Kolbenbereich 21 einen Abstand x1 von der oberen Wand des Arbeitszylinders 3 hat, und 2 eine untere Stellung des Arbeitskolbens 2, bei der der erste Kolbenbereich 21 einen Abstand x2 von der oberen Wand des Zylinders 3 hat, wobei die Differenz Δx = x2 – x1 den maximalen Arbeitshub oder maximalen Weg des Arbeitskolbens 2 entlang der Arbeitsachse A darstellt. Die entsprechende Volumendifferenz beim maximalen Arbeitshub Δx beträgt ΔV1 = ΔxA1 im oberen Zylinderraum 31, wobei A1 der Flächeninhalt der oberen wirksamen Querschnittsfläche des Kolbenbereichs 21 des Arbeitskolbens 2 ist, und ΔV2 = ΔxA2 im unteren Zylinderraum 32, wobei A2 der Flächeninhalt der unteren, ringförmig den Kolbenbereich 22 umgebenden wirksamen Querschnittsfläche des Kolbenbereichs 21 des Arbeitskolbens 2 ist. Der an den Arbeitskolben 2 gekoppelte Stößel 10 legt entsprechend einen axialen Weg oder vertikalen Hub zwischen einer oberen Position z1 (bei Abstand x1 des Arbeitskolbens) und einer unteren Position z2 (bei Abstand x2 des Arbeitskolbens 2) zurück, was einem maximalen vertikalen Arbeitshub Δz = z2 – z1 des Stößels 10 entspricht.
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Allgemein gesprochen, umfasst die Stößelantriebseinheit 1 einen in einer Arbeitskammer, die im Ausführungsbeispiel als Arbeitszylinder 3 ausgebildet ist, hydraulisch geführten Arbeitskörper, der im Ausführungsbeispiel als Antriebskolben 2 ausgebildet ist, der die Arbeitskammer in eine erste, vorzugsweise obere, Teilkammer und eine zweite, vorzugsweise untere, Teilkammer trennt. Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel angegebene Ausbildung und Anordnung der Arbeitskammer und ihrer Teilkammern und des Arbeitskolbens beschränkt. Beispielsweise ist auch ein von einem Zylinder abweichender Querschnitt, eine horizontale Anordnung oder Bewegung oder auch eine andere Form des Arbeitskörpers oder auch eine, beispielsweise sternförmige oder über 90° gekreuzte Anordnung mehrerer Arbeitskörper und Arbeitskammern mit jeweiligen Stößeln zum gemeinsamen Bearbeiten eines Werkstücks möglich.
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An den oberen Zylinderraum 31 ist ein steuerbares Ventil 4 hydraulisch angeschlossen, das zwischen den oberen Zylinderraum 31 und einen Mediumspeicher 5 für das hydraulische Medium M geschaltet ist. Steueranschlüsse zum Öffnen und Schließen des Ventils 4 sind mit S1 und S2 bezeichnet. Im geöffneten Zustand des Ventils 4 kann abhängig von der anliegenden Druckdifferenz Medium M vom oder in den Mediumspeicher 5 strömen, im geschlossenen Zustand des Ventils 4 dagegen nicht.
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Zwischen den Mediumspeicher 5 und den oberen Zylinderraum 31 ist ferner eine Fördereinheit 60 einer Servopumpe 6 hydraulisch geschaltet. Die hydraulische Verbindungsleitung zwischen der Servopumpe 6 und dem oberen Zylinderraum 31 ist mit 36 bezeichnet. Die Fördereinheit 60, beispielsweise eine Förderschnecke oder ein Förderpumpenrad oder ein Innenzahnrad einer Innenzahnradpumpe, ist mittels einer Abtriebswelle 62 eines Servomotors 61 antreibbar und zwar in beiden Förderrichtungen durch Umkehr der Drehrichtung der Abtriebswelle 62 des Servomotors 61 wie dargestellt. Der Servomotor 61 ist über eine elektrische Leitung 56 mit einem elektrischen Umrichter 55 verbunden, der wiederum über eine elektrische Leitung 53 mit der Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist.
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An den unteren Zylinderraum 32 des Antriebszylinders 3 ist über eine hydraulische Verbindungsleitung 37 eine weitere Servopumpe 7 angeschlossen. Zwischen die Verbindungsleitung 37 und den Mediumspeicher 5 ist die Fördereinheit 70 der zweiten Servopumpe 7 geschaltet, die wieder über eine Abtriebswelle 72 von einem Servomotor 71 in der Förderrichtung umschaltbar angetrieben ist, wobei insbesondere der Servomotor 71 in seiner Drehrichtung reversierbar ist. Der Servomotor 71 ist über eine elektrische Leitung 57 mit dem Umrichter 55 verbunden.
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In die Verbindungsleitung 37 ist ein dem vorderen Zylinderraum 32 zugeordneter Druckmessumformer 14 geschaltet, der über eine Leitung 54 mit der Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist.
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Soweit nicht anders erwähnt, sind in den 1 bis 4 elektrische Leitungen gestrichelt gezeichnet und hydraulische Leitungen mit durchgezogenen Linien und mechanische Verbindungen ebenfalls mit durchgezogenen Linien. Der Begriff Leitung oder Steuerleitung umfasst sowohl drahtgebundene als auch drahtlose, z. B. optische oder funkgestützte, Übertragungs- oder Verbindungsstrecken.
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In die hydraulischen Verbindungsleitungen 36, 37 und 39 ist jeweils ferner ein Rückschlagventil 44 geschaltet, das mit dem Mediumspeicher 5 verbunden ist und die jeweilige Servopumpe 6, 7, 16 und 17 vor Leerlauf schützt.
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Schließlich ist dem oberen Zylinderraum 31 und dem unteren Zylinderraum 32 je eine Überlastsicherungseinrichtung 13 zugeordnet, die mit dem Mediumspeicher 5 verbunden ist und den Hydraulikdruck begrenzen zum Schutz der dem Hydraulikdruck ausgesetzten Komponenten vor Überlastung.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 steht der obere Zylinderraum 31 des Arbeitszylinders 3 über einen Verbindungskanal 38 mit einem Antriebszylinderraum 82 eines Antriebszylinders 80 einer Antriebseinheit 8 für den Arbeitskolben 2 in hydraulischer Verbindung. Antriebszylinderraum 82 und Verbindungskanal 38 sind ebenfalls mit hydraulischem Medium M gefüllt. Das Volumen V3 des Antriebszylinderraumes 82 ist durch einen im Antriebszylinder 80 axial beweglichen und über ein Pleuel, insbesondere eine Pleuelstange, 98 einer Exzentereinheit 9 angetriebenen Antriebskolben 81 veränderbar. Das Pleuel 98 verbindet mechanisch den Antriebskolben 81 mit einem Exzenter 92 auf einer Exzenterscheibe 91. Die Exzenterachse E des Exzenters 92 läuft exzentrisch in einem Radius r um eine Drehachse D der Exzenterscheibe 91 bei deren Drehung um einen Drehwinkel φ. Als Drehantrieb für die Exzenterscheibe 91 ist ein Antriebsmotor 18, insbesondere ein Torquemotor mit einem hohen Drehmoment, vorgesehen, der, vorzugsweise über ein Getriebe 19, die Exzenterscheibe 91 antreibt bei reversierbarer Drehrichtung des Antriebsmotors 18 oder des Getriebes 19 und der über eine elektrische Leitung 58 mit dem Umrichter 55 verbunden ist.
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In der Stellung gemäß 1 liegt die Exzenterachse E auf einer Horizontalen H durch die Drehachse D und das Pleuel 98 verläuft im Wesentlichen vertikal zwischen Exzenter 92 und dem Antriebskolben 81. In der Stellung gemäß 2 ist die Exzenterscheibe 91 mit dem Exzenter 92 um einen Drehwinkel φ = 90° weiter gedreht und die Exzenterachse E liegt nun auf einer Vertikalen V, die durch die Drehachse D verläuft, und zwar unterhalb der Drehachse D, so dass nun das Pleuel 98 schräg zwischen Exzenter 92 und dem Antriebskolben 81 verläuft. Die Drehachse D kann aber auch genau senkrecht oberhalb der Mitte des Antriebskolbens 81 liegen.
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Aus dieser Exzenterbewegung der Exzentereinheit 9 resultiert eine axiale Bewegung des Antriebskolbens 81. Der Abstand des Antriebskolbens 81 von der unteren Wand des Antriebszylinders 80 ist in 1 mit y1 bezeichnet und in 2 mit y2, wobei y1 > y2. Die Differenz Δy = y1 – y2 zwischen den Stellungen in 1 und 2 ist der maximale Arbeitshub des Antriebskolbens 81 und entspricht antriebsseitig der Exzenterdrehung des Exzenters 92 um den Drehwinkel φ = 90° einerseits und abtriebsseitig dem maximalen Arbeitshub Δx des Arbeitskolbens 2 und entsprechend dem maximalen Arbeitshub Δz des Stößels 10 andererseits.
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Der maximale Arbeitshub Δy und auch die erzielbare Press- oder Umformkraft ist abhängig vom Radius r des Exzenters 92, vom gewählten oder eingestellten maximalen Drehwinkel φ und von der Länge des Pleuels 98, die nachfolgend auch alle als Exzenterparameter bezeichnet werden. Die diesem maximalen Arbeitshub Δy entsprechende Volumendifferenz des Volumens V3 des Antriebszylinderraumes 82 beträgt ΔV3 = ΔyA3, wobei A3 der Flächeninhalt der unteren wirksamen Querschnittsfläche des Antriebskolbens 81 ist.
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Dadurch ändert sich der Druck im Medium M und/oder es fließt, bei Verkleinerung des Volumens V3 durch Bewegung des Antriebskolbens 81 in 1 und 2 nach unten, Medium M von dem Antriebszylinderraum 82 über den Verbindungskanal 38 in den unteren Zylinderraum 31 des Arbeitszylinders 3 oder umgekehrt.
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Die Fläche A3 des Antriebskolbens 81 ist in der Regel kleiner gewählt als die obere Fläche A1 des Arbeitskolbens 2, wobei das Verhältnis je nach der gewünschten Kraftübersetzung, die über den im Wesentlichen gleichen Druck proportional ist zu den jeweiligen Flächen, bestimmt ist.
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Die Antriebseinheit 8 und die Exzentereinheit 9 mit dem Antriebsmotor 18 bilden gemeinsam eine erste hydraulische Fördereinrichtung, die hydraulisch einerseits an die erste Teilkammer der Arbeitskammer und andererseits an den Mediumspeicher angeschlossen ist und in der Förderrichtung reversierbar ist und einen mechanisch-hydraulischen Hybridantrieb darstellt. Diese Ausführung leistet hohe Umformkräfte auch oder gerade am Ende des Pressweges (wegen der variablen Übersetzung der sinusförmigen Kinematik) bei ansteigenden Umformkräften und ist auch zum Stauchen oder zum Kaltumformen oder zum Halten des Stößels in bestimmten kraftbelasteten Positionen, z. B. bei der Wärmebehandlung (Annealing) oder für Fließvorgänge im Werkstück, besonders geeignet Die Servopumpe 7 ist ein Ausführungsbeispiel für eine zweite hydraulische Fördereinrichtung, die hydraulisch einerseits an die zweite Teilkammer der Arbeitskammer und andererseits an den Mediumspeicher angeschlossen ist und in der Förderrichtung reversierbar ist.
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Die Servopumpe 6 bildet dagegen eine dritte hydraulische Fördereinrichtung, die hydraulisch einerseits an die erste Teilkammer der Arbeitskammer und andererseits an den Mediumspeicher angeschlossen ist und in der Förderrichtung reversierbar ist. Diese durch die Servopumpe 6 gebildete dritte hydraulische Fördereinrichtung dient in erster Linie zum Ausgleich von Leckagen im hydraulischen System, die durch den Exzenterantrieb wegen des begrenzten Hubes nur begrenzt ausgeglichen werden können, kann aber zusätzlich auch zur Unterstützung der ersten Fördereinrichtung beim Pressen herangezogen werden.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und 4 ist anstelle des Exzenterantriebs 9 und der Antriebseinheit 8 als erste Fördereinrichtung eine Servopumpe 17 vorgesehen mit einer Fördereinheit 170, die wieder über eine Abtriebswelle 172 von einem Servomotor 171, der über eine Leitung 57 mit dem Umrichter 55 verbunden ist, angetrieben wird und in beiden Förderrichtungen betreibbar ist. Die Servopumpe 17 ist an einer Seite über eine hydraulische Verbindungsleitung 39 mit der hinteren Zylinderkammer 31 des Arbeitszylinders 3 verbunden und an der anderen Seite mit dem Mediumspeicher 5. In der Verbindungsleitung 39 ist ein Druckmessumformer 12 vorgesehen zum Messen des Drucks in der Verbindungsleitung 39 und damit auch des hinteren Zylinderraums 31, wobei der Druckmessumformer 12 wieder über die Leitung 52 mit der Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist. Die zweite Fördereinrichtung ist weiterhin mit der Servopumpe 7 gebildet.
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Die mit der Servopumpe 6 bzw. 16 gebildete dritte hydraulische Fördereinrichtung dient in dieser Ausführungsform gemäß 3 und 4 nun zur Unterstützung der rein hydraulischen ersten Fördereinrichtung und arbeitet in Parallelschaltung zu dieser beim Pressen, so dass sich die Fördervolumina addieren.
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Die axiale Position des Stößels 10 (oder auch des Arbeitskolbens 2) entlang des Arbeitshubes wird mittels einer zugehörigen Positionsmesseinrichtung oder mittels eines Wegmessgebers 11 gemessen, der über eine Leitung 51 mit einer Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist.
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Die Kontrolleinrichtung 50 ist auch mit einem Steueranschluss S1 des steuerbaren Ventils 4 über eine Leitung verbunden, um dieses von dem geöffneten in den geschlossenen oder einen weniger weit geöffneten Zustand zu bringen oder umgekehrt.
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Die Kontrolleinrichtung 50 ist zur Kontrolle, insbesondere zum Steuern und/oder Regeln und/oder Überwachen, der Arbeitsabläufe und einzelnen Komponenten der Umformmaschine vorgesehen.
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Die Kontrolleinrichtung 50 kontrolliert (oder: steuert oder regelt) über den Umrichter 55 den Antriebsmotor 18 der ersten hydraulischen Fördereinrichtung (8, 9) und den Servomotor 71 der zweiten hydraulischen Fördereinrichtung oder Servopumpe 7 und über den Steueranschluss S1 das steuerbare hydraulische Ventil 4 zur automatischen Steuerung oder Regelung der Volumenströme und Drücke sowie der Strömungsrichtung des hydraulischen Mediums zwischen dem Mediumspeicher 5 und der ersten Teilkammer (31) der Arbeitskammer (3) und zwischen dem Mediumspeicher 5 und der zweiten Teilkammer (32) der Arbeitskammer. Diese Steuerung der Volumenströme, Drücke und Strömungsrichtung des hydraulischen Mediums durch die Kontrolleinrichtung 50 erfolgt in Abhängigkeit von der mittels der Stößelpositionsmesseinrichtung 11 gemessenen Stößelposition des Stößels 10 und von gespeicherten oder gewünschten Bewegungsabläufen des Stößels und/oder ggf. von Eingabeinformationen von Benutzern. Die Kontrolleinrichtung 50 arbeitet somit in einem hydraulisch offenen Regel- oder Steuerkreis und muss die beiden Fördereinrichtungen genau aufeinander abgestimmt ansteuern.
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Der Umrichter 55 umfasst vorzugsweise einen nicht näher dargestellten Energiezwischenspeicher, mit dem in einer Prozessphase generatorisch erzeugte elektrische Energie wenigstens eines der Fördermotoren zwischengespeichert und in einer darauffolgenden oder spätere Prozessphase genutzt wird zum motorischen Betrieb wenigstens eines der Fördermotoren, vorzugsweise des jeweils anderen Fördermotors der jeweils anderen Fördereinrichtung. Als Energiezwischenspeicher des Umrichters kann insbesondere wenigstens ein Kondensator in einem Zwischenkreis des Umrichters oder in einem an den Zwischenkreis angekoppelten Kondensatormodul oder kinetischen Energiespeicher verwendet werden.
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Als Energiezwischenspeichersysteme kann ein an sich von der Fa. Siemens in den SIMOTION Steuerungen für Servopressen mit Direktantrieb des Stößels über Servo-Torquemotoren eingesetztes SINAMICS Energiemanagementsystem (vgl. SIMOTION-Prospekt E20001-A660-P620 aus dem Jahre 2008, erhältlich über www.siemens.de/umformtechnik) verwendet werden, das entsprechend für die Servoantriebe (60, 70, 18, 170) der vorliegenden hydraulischen Pressmaschine angepasst wird.
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Ein Verfahren zum Pressen eines Werkstückes unter Einsatz der Pressmaschine gemäß der Erfindung, insbesondere gemäß den 1 und 2 oder 3 und 4, umfasst die folgenden Verfahrenschritte oder Teilphasen jedes Arbeitsschrittes oder Arbeitszyklus, die mittels der Kontrolleinrichtung 50 kontrolliert werden:
- 1. ein Freilauf (oder: Leerhub)
- 2. ein Presshub
- 3. ein Entspannen (oder: Dekompressionsvorgang)
- 4. ein kontrollierter Rückhub
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Bei dem unter Punkt 1 genannten Freilauf oder Leerhub des Arbeitskolbens 2 und damit des Stößels 10 bewegt oder senkt sich der Arbeitskolben 2 im Zylinder 3 unter der Einwirkung der Schwerkraft nach unten, wobei das Ventil 4 durch die Kontrolleinrichtung 50 wenigstens teilweise geöffnet wird, um einen vergleichsweise großen Volumenstrom von hydraulischem Medium M aus dem Mediumspeicher 5 in den oberen Zylinderraum 31 nachströmen zu lassen, und die von der Kontrolleinrichtung 50 angesteuerte zweite Fördereinrichtung, die Servopumpe 7, Medium M aus dem unteren Zylinderraum 32 in den Mediumspeicher 5 abpumpt. Es kann alternativ oder zusätzlich auch die Servopumpe 6 hydraulisches Medium M in den oberen Zylinderraum 31 nachpumpen.
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Bevorzugt steuert die Kontrolleinrichtung 50 mittels des Umrichters 55 Fördervolumenstrom oder Förderdruck der zweiten Fördereinrichtung, der Servopumpe 7, so, dass die Bewegung des Arbeitskolbens 2 gebremst oder auch beschleunigt wird gemäß einem vorgegebenen Bewegungsverlauf, insbesondere Weg-Zeit-Verlauf oder Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf oder Geschwindigkeits-Weg-Verlauf oder Kraft-Zeit-Verlauf oder Kraft-Weg-Verlauf, wobei der Arbeitskolben 2 sich zu einem im vorgegebenen Bewegungsablauf vorgegebenen Startpunkt innerhalb einer im Bewegungsablauf vorgesehenen oder sich daraus ergebenden Zeit bewegt. Der Startpunkt ist grundsätzlich ein beliebiger Punkt zwischen den beiden Endpunkten des maximalen Arbeitshubes Δx entsprechend einem Startpunkt des Stößels 10 zwischen den beiden Endpunkten des maximalen Arbeitshubes Δz des Stößels 10.
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In der Ausführungsform gemäß 3 und 4 ohne Exzentereinheit kann der Leerhub auch entfallen, d. h. der Startpunkt für den Arbeitshub ganz oben liegen oder der Gesamthub gleich dem Arbeitshub sein.
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Die Bewegung des Arbeitskolbens 2 und damit des Stößels 10 während des Freilaufs oder Leerhubs wird von der Kontrolleinrichtung 50 mit den Positionswerten der Positionsmesseinrichtung 11 abgeglichen und entsprechend angepasst oder geregelt durch Steuern des Ventils 4 und der Servopumpe 7 und ggf. auch der Servopumpe 6.
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Bevorzugt ist der Startpunkt für den Arbeitshub ein Punkt, bei dem das Presswerkzeug 15 in Kontakt mit dem Werkstück tritt und somit abgebremst wird, was von der Kontrolleinrichtung 50 durch die Wegmessung mittels der Positionsmesseinrichtung 11 erkannt oder überwacht wird.
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Während des Freilaufes oder Leerhubes steht der Torquemotor 18 (1 und 2) oder Servomotor 171 (3 und 4) still, das Ventil 4 ist geöffnet und die Servopumpe 7 arbeitet. Durch das Aufsetzen des Presswerkzeuges 15 auf dem Werkstück und das Stoppen der Servopumpe 7 wird die Freilauf- oder Leerhubbewegung des Arbeitskolbens 2 beim Startpunkt des Arbeitshubes gestoppt.
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Nun beginnt die Kontrolleinrichtung 50 mit dem unter Punkt 2 genannten Presshub, der den eigentlichen Pressvorgang darstellt und während dem der hydraulische Druck und damit die Presskräfte aufgebaut werden. Dem Presshub liegt wieder ein hinterlegter vorgegebener Bewegungs- oder Kraftverlauf zugrunde, der ab dem Startpunkt durchfahren wird.
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Die Kontrolleinrichtung 50 setzt für den Presshub über den Umrichter 55 den Torquemotor 18 des Exzenterantriebs 9 (1 und 2) oder den Servomotor 171 (3 und 4) in Betrieb und schließt das Ventil 4. Über den Exzenterantrieb 9 und die Antriebseinheit 8 (1 und 2) oder den Servomotor 171 (3 und 4) wird im hinteren Zylinderraum 31 des Arbeitszylinders 3 ein Arbeitsdruck aufgebaut, der den Stößel 10 und das daran befestigte Presswerkzeug 15 für den Pressvorgang nach unten in oder gegen das Werkstück drückt und das Werkstück in das zweite Werkzeug presst. Das Drehmoment des Torquemotors 18 und die Exzenterparameter sowie die Kraftübersetzung über die Antriebseinheit 8 (1 und 2) oder das Drehmoment des Servomotors 171 (3 und 4) bestimmen die Presskraft während des Presshubs. Der Arbeitshub oder Pressweg des Stößels 10 während des Presshubes kann durch die Einstellung des Drehwinkels φ eingestellt werden (Hubverstellung) (1 und 2) oder über den Drehwinkel des Servomotors 171 (3 und 4).
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Die Pressbewegung des Arbeitskolbens 2 oder Stößels 10 folgt wieder einem in der Kontrolleinrichtung 50 vorgegebenen Bewegungsverlauf, wobei wieder die Wegmessung über die Positionsmesseinrichtung 11 eine Information über die Lage des Stößels 10 liefert, die über die Kontrolleinrichtung 50 und den Umrichter 55 zur Steuerung des Torquemotors 18 (1 und 2) oder des Servomotors 171 (3 und 4) verwendet wird, so dass der Stößel 10 weggesteuert angetrieben werden kann. Es ist aber alternativ auch möglich, eine druckabhängige Steuerung vorzusehen oder eine Wegsteuerung mit einer Druckobergrenze. Man kann für das Drehmoment des jeweiligen Antriebsmotors eine Obergrenze einstellen (Druckobergrenze) oder einen Drehmomentverlauf wegabhängig vorgeben (druckabhängige Steuerung). Beim Torquemotor 18 erfolgt die Drehmomentvorgabe vorzugsweise dynamisch, damit die Exzenter-Kinematik berücksichtigt wird. Bei Winkeln φ nahe der 90°, also im unteren Punkt, kann mit dem gleichen Drehmoment am Torquemotor 18 ein höherer Hydraulikdruck erzeugt werden.
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Die Servopumpe 7 wird während des Presshubs drehmomentarm geschaltet oder der Servomotor 71 wird nicht mit Strom beaufschlagt, sondern erzeugt generatorisch aufgrund des durch die Fördereinheit 70 strömenden aus dem unteren Zylinderraum 32 verdrängten Mediums einen Generatorstrom, dessen Ladung oder Energie vom Umrichter 55 zwischengespeichert wird.
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Wenn z. B. der Stößel 10 unter dem Arbeitsdruck beim Presshub in einer bestimmten Stellung verweilen muss, z. B. für Fließvorgänge im Werkstück, kann die Servopumpe 6 bzw. 16 eingeschaltet werden/bleiben, um Leckagen durch Nachfüllen von hydraulischem Medium M aus dem Mediumspeicher 5 in den oberen Zylinderraum 31 auszugleichen (Leckagepumpe).
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Der Presshub ist beendet, wenn gemäß 2 der Stößel 10 seine untere Endposition erreicht (unterer Totpunkt).
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Nachdem der Stößel 10 nun seinen unteren Endpunkt erreicht hat, beginnt die Kontrolleinrichtung 50 sogleich die Rückholbewegung. Diese beginnt zunächst mit einem passiven Vorgang, dem unter Punkt 3 genannten Entspannen oder Dekompressionsvorgang, bei dem sich das hydraulische Medium M um das Kompressionsvolumen, das abhängig von der Kompressibilität des Mediums M ist, wieder entspannt. Das Ventil 4 bleibt geschlossen. Der Torquemotor 18 (1 und 2) oder der Servomotor 171 (3 und 4) wird drehmomentarm geschaltet, d. h. er lässt sich leicht drehen, die Dekompression des hydraulischen Mediums M bewegt den Antriebskolben 81 nach oben und über die Exzenterscheibe 9 wird der Torquemotor 18 in entgegen gesetzter Richtung bewegt (1 und 2) oder die Servopumpe 170 wird in entgegen gesetzte Richtung zusammen mit dem Servomotor 171 gedreht (3 und 4) und speist generatorisch Energie in den Umrichter 55 und dessen Energiezwischenspeicher.
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Schließlich erfolgt als vierter und letzter Schritt der unter 4. genannte kontrollierte Rückhub, bei dem die Servopumpe 7 wieder von der Kontrolleinrichtung 50 über den Umrichter 55 in Betrieb genommen wird, jedoch in umgekehrter Förderrichtung wie beim Freilauf, wobei die zwischengespeicherte Energie vom Umrichter 55 wiederverwendet wird. Die Servopumpe 7 pumpt hydraulisches Medium M über die Leitung 37 aus dem Mediumspeicher 5 in den unteren Zylinderraum 32 und erhöht dort den Druck. Ferner wird das Ventil 4 wieder geöffnet. Der Arbeitskolben 2 und der Stößel 10 wird dadurch mittels der Servopumpe 7 wieder zurück in die Ausgangslage oder auch in eine andere Ausgangslage zurückgehoben. Durch das offene Ventil 4 strömt dadurch verdrängtes hydraulisches Medium M aus dem hinteren Zylinderraum 31 in den Mediumspeicher 5.
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In allen Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 ist dem unteren Zylinderraum 31 ein Druckmessumformer 12 zugeordnet zum Überwachen und Messen des Drucks. Die Signale des Druckmessumformers 12 werden über eine Leitung 52 an die Kontrolleinrichtung 50 übermittelt. In 1 und 2 ist der Druckmessumformer einer Verbindungsleitung 38 zwischen einem Antriebszylinderraum der Antriebseinheit 8 und dem hinteren Zylinderraum 31 zugeordnet, während er in den 3 und 4 der hydraulischen Leitung 39 zwischen der Servopumpe 17 und dem hinteren Zylinderraum 31 zugeordnet ist.
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Der Druckmessumformer 12 misst den Druck zur Steuerung oder Regelung des Druckes insbesondere für den Arbeitshub. Der Druckmessumformer 14 misst den Druck am vorderen Zylinderraum 32 insbesondere auch für Überwachungsfunktion, z. B. ob das Werkstück in Kontakt mit dem Presswerkzeug ist oder auch gar nicht entgegengehalten wird, was sich an dem Unterscheiden des Grenzwertes für den Druck zeigen würde.
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Ferner ist es auch möglich, den Leerhub oder Freilauf in Schritt 1 wegzulassen, beispielsweise nur für einen Schlichthub als Arbeitshub, bei dem dann nur der Exzenter arbeitet, was z. B. beim Recken vorkommt.
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Ein Vorteil der Pressmaschine und des Pressverfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass der Arbeitshub oder der obere Arbeitspunkt oder der untere Arbeitspunkt des Arbeitshubes beliebig einstellbar innerhalb des Gesamthubes oder maximalen Arbeitshubes sind und dass an jeder Stelle des Hubes durch die Überdruckventile gegen Überlast gesichert gearbeitet werden kann. Ferner ist keine Gewichtkompensation des Stößels erforderlich wie bei mechanischen Exzenterpressen. Der Antrieb über die Exzentereinheit liefert im unteren Todpunkt oder unteren Arbeitspunkt große Drehmomente bei kleinerer Antriebsleistung als bei hydraulischen Pressen. Es ist keine leistungsgeregelte Hydraulikpumpe erforderlich. Ferner ist auch kein Schwungrad erforderlich und der Exzenter kann auch nur in einem Teilwinkelbereich arbeiten.
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Die Servopumpe 6 bzw. 16 dient insbesondere zum Ausgleich von Leckagen im Hydrauliksystem und kann zusätzliches hydraulisches Medium in das hydraulische System pumpen aus dem Mediumspeicher 5.
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Die Servopumpen 6, 7, 16 und 17 sind insbesondere hydraulische Servopumpen, beispielsweise Axialkolbenpumpen, angetrieben mit lagegeregelten Servomotoren 61, 71 und 171, die die Pumpenrotoren oder -kolben festhalten, und ausgestattet mit einem hydraulischen Ausgleichsreservoir, insbesondere dem Mediumspeicher 5.
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Grundsätzlich kann anstelle von Kolben und Zylindern auch eine andere Gestalt für die hydraulischen Elemente gewählt werden, so dass dann allgemeiner von Kammern statt Zylindern und Teilkammern statt Zylinderbereichen oder von Körpern anstelle von Kolben gesprochen werden kann. Ferner sind auch andere hydraulische Fördereinrichtungen anstelle der dargestellten Servopumpen und Antriebseinheit 8 möglich.
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Das hydraulische Medium M kann ein Öl oder auch Wasser oder eine Mischung daraus oder auch eine sogenannte HFA-Emulsion sein. Das Kompressionsvolumen ist bei Öl in der Regel höher als bei Wasser und kann beispielsweise um die 2 Volumenprozent bei 300 bar betragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stößelantriebseinheit
- 2
- Arbeitskolben
- 3
- Arbeitszylinder
- 4
- Ventil
- 5
- Mediumspeicher
- 6, 7, 16, 17
- Servopumpe
- 8
- Antriebseinheit
- 9
- Exzentereinheit
- 10
- Stößel
- 11
- Wegmesser
- 12
- Druckmessumformer (Pressen)
- 13
- Überlastsicherungseinrichtung
- 14
- Druckmessumformer (Heben)
- 15
- Presswerkzeug
- 18
- Antriebsmotor (Torquemotor)
- 19
- Getriebe
- 21, 22
- Kolbenbereich
- 31, 32
- Zylinderraum
- 36, 37
- Verbindungsleitung
- 38
- Verbindungskanal
- 39
- Verbindungsleitung
- 44
- Rückschlagventil
- 50
- Kontrolleinrichtung
- 51, 52
- Leitung
- 53, 54
- Leitung
- 55
- Umrichter mit Zwischenkreis
- 56, 57
- Leitung
- 58
- Leitung
- 60, 70, 170
- Fördereinheit
- 61, 71, 171
- Servomotor
- 62, 72, 172
- Abtriebswelle
- 80
- Antriebszylinder
- 81
- Antriebskolben
- 82
- Antriebszylinderraum
- 91
- Exzenterscheibe
- 92
- Exzenter
- 98
- Verbindungspleuel
- A
- Arbeitsachse
- M
- hydraulisches Medium
- H
- Horizontale
- V
- Vertikale
- D
- Drehachse
- E
- Exzenterachse
- r
- Radius
- φ
- Drehwinkel
- x1, x2
- Höhe
- Δx
- Hub
