DE102012012575A1

DE102012012575A1 - Zahndruckrolle und Profildruckrolle für eine Rundläuferpresse

Info

Publication number: DE102012012575A1
Application number: DE201210012575
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: DE102012012575B4

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine profilierte Druckrolle für eine Rundläuferpresse mit einem Rotor und seiner Rotorachse (24) und einer oder mehreren Druckrolleneinheiten, in denen Druckrollen gelagert sind. Die wirksame Mantelfläche der Druckrolle wird durch ein Werkzeug mit den dem Stempelkof angepassten Abmessungen in Anlehnung an ein Zahnrad so geformt, dass die Pressbewegungen der Stempel (15) unter der Zahndruckrolle (17) so gestaltet werden, dass im zeitlichen Verlauf der Gesamtpresskraft eine zeitlich konstante Gesamtpresskraft entsteht, so dass es zu keiner Schallanregung der Rundläuferpresse durch die Presskräfte kommt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rundläuferpresse mit einem Gestell, einem Rotor mit Antrieb, mindestens zweier Druckrolleneinheiten und einem Gehäuse. Bekannt sind Rundläuferpresse, die aus einem Gestell, einem Rotor mit Antrieb, oberen und unteren Druckrolleneinheiten, welche die obere und die untere zylindrische Druckrolle führen, einem Gestellgehäuse, Eckverbindern und einer Kopfplatte bestehen, Die im Pressprozess auftretenden statischen und dynamischen Kräfte werden über die Stempel, die Druckrolleneinheiten in die Kopfplatte und das Gestell unmittelbar eingeleitet.
Die bekannten Rundläuferpressen weisen einige Nachteile auf. Die im Pressprozess auftretenden statischen und dynamischen Kräfte werden über die Stempel, die Druckrolleneinheiten in die Kopfplatte und das Gestell unmittelbar eingeleitet und erregen diese membranartigen Bauteile durch die zeitlich veränderlichen Anteile der Presskräfte, Reibkräfte und Umfangskräfte zu Schwingungen, die damit zu erheblichen Lärmemissionen führen. Eine Rundläuferpresse der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 197 05 094 C1 vorbekannt. Um die Einleitung der inneren dynamischen Kräfte in die Kopfplatte und das Gestell zu verringern, sind alle Antriebsbaugruppen auf einer biegesteifen Grundplatte vereinigt und die Druckrolleneinheiten von der Kopfplatte und dem Gestell isoliert auf der Grundplatte angeordnet. Durch eine sehr weiche Lagerung dieser Grundplatte im Gestell wird eine überkritische Anregung dieser Grundplatte durch die verbleibenden unausgeglichenen Massenkräfte erreicht. Durch diese passive Maßnahme kommt es zu einer starken Schwingungsdämpfung und damit zu einer wesentlichen Geräuschreduzierung dieser Rundläuferpresse, ohne die Ursache der Schwingunserregung zu verringern. Durch den Einsatz kegelförmiger Druckrollen nach DE 1 627 966 C wird eine geringe zeitliche Verlängerung der Eingriffszeit von Einzelstempel und Druckrolle und damit eine etwas geringere Kraftänderungsgeschwindigkeit bewirkt. Damit gelingt nur eine geringe Absenkung der Schallemission. Eine Rundläuferpresse wird nach EP 0 726 139 A1 durch eine Schallschutzhaube akustisch isoliert. Dies führt jedoch zu einer wesentlichen Beschränkung in der Handhabung dieser Rundläuferpressen.
Die bekannten Paarungen Stempel – zylindrische Druckrolle weisen bei Kontakt bis zum Erreichen der Plateaufläche eine Punktberührung auf, die zu erheblichen Hertzschen Pressungen als Maß der mechanischen Beanspruchung dieser Bauteile führen und damit zur Grübchenbildung und zur Zerstörung von Stempel und/oder Druckrolle führen kann. Große Hertzsche Pressungen der Paarung Stempel-Druckrolle werden im Wesentlichen durch den geringen Einlaufradius der Stempel und durch die Punktberührung in der Ein- und Auslaufphase des Stempels in den Druchrollenbereich verursacht. Der Übergang des Einlaufradius und der Plateaufläche erfolgt im Allgemeinen durch Herstellung und Nachsetzen der Stempel bei Verschleiß bedingt nicht tangential, so dass es zusätzlich zu sehr kleinen wirksamen Stempelradien an dieser hochbelasteten Berührungsstelle kommt. Durch den Einsatz spezieller drehgesicherter Stempelkopfformen nach DE 196 46 536 C1 wird während der gesamten Eingriffszeit des Stempels eine Linienberührung von Stempel und zylindrischer Druckrolle und ein tangentialer Übergang von Einlaufradius und Plateaufläche erreicht. Dadurch werden sehr große Presskräfte zulässig. Diese Kopfform ist für ungeführte Stempel nicht einsetzbar und erfordert außerdem eine Rollenführung der Stempel. Durch den Einsatz von Stempeln mit veränderlichem Einlaufradius und einem tangentialen Übergang des Einlaufradius in die Plateaufläche nach EP 2 269 813 A2 wird der wirksame Einlaufradius bei der maximalen Presskraft erhöht und damit die Hertzsche Pressung gesenkt, die Punktberührung von Stempel und Druckrolle bleibt jedoch erhalten. Durch den veränderlichen und damit verringerten Einlaufradius am Rande des Stempelkopfes werden jedoch große Hertzsche Pressungen während der Stempelführung in den Stempelführungskurven erzeugt. In dieser Phase der Stempelbewegung wird der Stempel durch eine reine Gleitbewegung geführt.
Die von den Tablettenherstellern geforderte Druckhaltezeit beim Pressen von problematischen Tablettenmaterialien kann durch die vorhandene Plateaufläche am Stempel oft nicht ausreichend erreicht werden, da sich die Berührungslänge der Paarung der gekrümmten Körper Stempel-Druckrolle entsprechend der sich ändernden Sehnenlänge beim Überfahren der kreisförmigen Stempelplateaufläche durch die Druckrolle ändert. Damit ändern sich die Hertzsche Pressung und die daraus resultierende Verformung und dadurch steigt die sich ergebende Gesamtsteifigkeit des Verformungssystems Rundläuferpresse bis zur Berührung auf der Plateaumitte und fällt dann wieder ab. Diese Berührungsverläufe führen zur erheblichen Zunahme und Abnahme der Gesamtsteife des Pressensystems während der Berührung auf der Plateaufläche des Stempels. Durch Verformung, Spiel und durch Fertigungstoleranzen kommt es zur Unparallelität von Druckrollenachse und der Normalen der Plateaufläche, es kommt zu einer Kantenberührung der Druckrolle am Rande der Plateaufläche mit dem Stempel, die zu einer Zusatzbewegung des Stempels innerhalb des Verformungsgesamtsystems führt, mit der Folge, dass sich die Presskraft von Beginn des Einlaufs der Druckrolle auf die Plateaufläche bis zur Mitte stark erhöht und dann wieder stark abfällt. Im Gesamtergebnis kommt es nicht zur geforderten konstanten Presskraft während des Kontaktes von Druckrolle und Stempel in dieser Berührungsphase. Die Länge der Druckhaltezeit wird durch den Plateaudurchmesser des Stempels festgelegt. Dieser lässt sich bei bekannten Stempeln aus geometrischen Gründen nicht mehr steigern.
Durch die vom Bauraum von Rundläuferpressen vorgegebenen Abmessungen lassen sich die Abmessungen der Druckrollen nicht erhöhen. Durch die geometrischen Abmessungen von Druckrolle und Stempel und das stark nichtlineare Kompressions- und Dekrompressionsverhalten des typischen Tablettenmaterials kommt es zu starken zeitlichen Spitzen in dem benötigten Antriebsmoment für den Rotor. Als Konsequenz führt dies zu einem großen Spitzen- und Effektivmoment der Antriebseinheit, die zur Überdimensionierung des gesamten Antriebsstranges im Verhältnis zur erforderlichen Tablettenpressarbeit führt und bei gegebenen Antriebsmomenten zur Beschränkung der möglichen Tablettenarbeit führen kann. Diese momentanen Spitzenantriebsmomente werden durch die Massenträgheitsmomente des sich drehenden Rotors auch bei höheren Rotordrehzahlen dynamisch kaum ausgeglichen.
Durch leicht schwankende Füllung der Matrizen mit dem Füllmaterial und fester Einstellung des Druckrollenabstandes kommt es zu schwankenden Maximalpresskräften und damit zu einer unterschiedlichen Tablettenhärte. Nach DE 198 28 004 B4 wird nach Messung der gemessenen Tablettenarbeit und Vergleich mit einer vorgegebenen Tablettenarbeit der Druckrollenabstand und damit die Steghöhe der Hauptdruckrolleneinheit und/oder die Füllhöhe verstellt, sodass es über mehrere Stempel zu einem mittleren Ausgleich der Tablettenarbeit und damit zu einer Verminderung der Schwankung der Tablettenhärte kommt. Durch die Trägheit der vorgesehenen Verstellung über Stellmotore und die relativ geringe Eigenfrequenz des Schwingungssystems Verstellmotor-Druckrolleneinheit kann keine phasengetreue momentane Verstellung insbesondere für höhere Stempeleingriffsfrequenzen während des Stempelkontaktes erzielt werden.
Ausgehend von dem erläuterten Stand liegt der Erfindung zugrunde, eine Rundläuferpresse der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine wesentliche Reduzierung der Geräuschemission, eine wesentliche Reduzierung der Hertzschen Pressung, eine wesentliche Verringerung des Spitzen- und Effektivantriebsmomentes, eine Verlängerung der Druckhaltezeit bei konstanter Presskraft während dieser Druckhaltezeit und eine konstante Presskraft bei schwankender Matrizenfüllung für jeden einzelnen Pressstempel ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgaben durch den Gegenstand von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in abhängigen Ansprüchen der Beschreibung und den Figuren. Für eine Rundläuferpresse der eingangs genannten Art löst die Erfindung die Aufgaben dadurch, dass die wirksame Mantelfläche der Druckrolle profiliert wird und diese Profilierung im Grundsatz mit einem räumlichen Werkzeug mit den angepassten Abmessungen der Stempelkopfform erfolgt. Die Druckrolle wird in Anlehnung an eine Kegelradverzahnung mit einem zeitlich konstanten Übersetzungsverhältnis der ganzzahligen Stempelzahl des Rotors und einer gewählten ganzzahligen Druckrollenzähnezahl gefertigt, wobei das Werkzeug auf dem Teilkreisdurchmesser des Rotors bei einer gewählten, veränderlichen Höhe in Achsrichtung des Rotors in Abhängigkeit von dem Rotorwinkel β geführt wird, während die zu fertigende Druckrolle in einer ausgewählten Achsrichtung der Druckrolle mit dem durch die Vorgabe der Rotor- und der Druckrollenzähnezahl gewählten Übersetzungsverhältnis wie in der Rundläuferpresse gedreht wird. Die Höhe des Werkzeuges in Abhängigkeit von der Rotorstellung wird durch Versuche oder durch ein komplexes Verformungsmodell einer Rundläuferpresse nach gewählten Kriterien ermittelt und vorgegeben. Durch die Anwendung derartig profilierter, Zahnrädern ähnlichen Zahndruckrollen ist nahezu jeder gewünschte zeitliche Verlauf der Presskraft des Einzelstempels und der Summe aller momentan im Eingriff befindlicher Stempel erzielbar. Vorgegeben wird der Verlauf nach dem Ziel der Verbesserung des Verhaltens der Rundläuferpresse (Schallemissionsverringerung, Druckhaltezeitverlängerung, Spitzen- oder Effektivmomentsenkung des Antriebes oder Kombinationen der Kriterien). Wegen der Anpassung der Werkzeugkontur an die Stempelkopfkontur wird während des gesamten Kontaktes von Stempel und Druckrolle eine Linienberührung und damit bei Belastung eine sehr geringe Hertzsche Pressung erreicht. Durch diese Profilierung der Druckrolle zu einer Zahndruckrolle können sehr große fiktive Druckrollendurchmesser bezogen auf zylindrische Druckrollen bei üblichen Abmessungen der Druckrolle erreicht werden, gleichzeitig können für den Einlauf und den Auslauf des Stempels in den Druckrollenbereich vorteilhafterweise unterschiedliche fiktive, auch veränderliche Druckrollendurchmesser verwirklicht werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, für den Sonderfall der Wahl der Druckrollenzähnezahl z = 0 die Zahndruckrolle in einer Profildruckrolle ausarten zu lassen, bei der am gesamten Umfang das gleiche Profil vorhanden ist. Hierbei kommt es jedoch zu einer Punktberührung von Stempel und Druckrolle mit Ausnahme der unteren bzw. der oberen Totpunktstellung des Unter- oder Oberstempels. Ein vorteilhafter unterschiedlicher fiktiver Druckrollendurchmesser für den Ein- und Auslaufbereich ist nicht erreichbar. Dafür ist die Fertigung ökonomischer als die Fertigung einer Zahndruckrolle.
Die Größe des Plateaudurchmessers und damit die Druckhaltezeit wird nicht mehr durch die Abmessungen der Stempel begrenzt und die unterschiedliche Steife und die Zusatzbewegungen durch Kantentragen mit der damit verbundenen Presskraftänderung im Druckhaltebereich wird vermieden, die Stempelkopfform kann nahezu beliebig gewählt werden, da der zeitliche Presskraft- und Momentenverlauf vorwiegend durch die profilierte Druckrolle bestimmt wird. Eine Vorgabe einer Plateaufläche am Stempel ist nicht erforderlich. Damit kann fast der gesamte Stempelkopfdurchmesser mit einer Kugelkalotte und dadurch mit einem größeren Radius versehen werden, wodurch die Hertzsche Pressung bei der Punktberührung mit Stempel und Profildruckrolle beim Preßvorgang und bei der Führung des Stempels in den Stempelführungskurven verringert wird. Ein kugelförmiges Werkzeug läßt in einfachster Weise eine Zirkularbewegung des Werkzeuges während der Bearbeitung zu, so dass Maß- und Formabweichungen des Werkzeuges durch Verschleiß und Nachsetzen des Profiles ausgeglichen werden können und vermeidet zusätzlich ein Schneiden über die Achse mit der dabei unvermeidlichen und problematischen Schnittgeschwindigkeit v = 0 m/min.
Nach einer weiteren Ausgestaltung können ein oder mehrere Aktoren mit höchster Eigenfrequenz und Steife in den Kraftfluß (Pressmaterial-Stempel-Druckrolle-Druckrolleneinheit-Kraftmessdose-Kopfplatte/Gestell) eingefügt werden, die eine eventuell verbleibende geringe Schwankung der Gesamtpresskraft geregelt oder gesteuert ausgleichen. Somit sind die eingesetzten Zahndruckrollen/Profildruckrollen auch bei unterschiedlichen Pressregimen optimal einsetzbar und müssen nicht für jedes Pressregime angepasst und gewechselt werden. Die Eigenfrequenz des vorzugsweise eingesetzten Piezoaktors als Feder einerseits und der Druckrolleneinheit als zu bewegender Masse andererseits muss wesentlich höher als die höchste Zahneingriffsfrequenz der Rundläuferpresse sein, damit dieses Schwingungssystem den Regel- bzw. Steuerungsvorgaben der Rundläuferpresse hochdynamisch ohne wesentliche Phasenverschiebung und Resonanzüberhöhungen folgen kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung können die Druckkörper als Druckrolle oder als Druckachse ausgeführt werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1a den zeitlichen Stempelkraftverlauf F der Einzelstempel und den Momentenverlauf M des Antriebes in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz zylindrischer Druckrollen nach dem Stand der Technik als Bezugsgröße,
1b den zeitlichen Gesamtstempelkraftverlauf F in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz zylindrischer Druckrollen nach dem Stand der Technik als Bezugsgröße,
1c die typische Anordnung einer zylindrischen Druckrolle und der Stempel im Rotor nach dem Stand der Technik,
2a den zeitlichen Stempelkraftverlauf F der Einzelstempel und den Momentenverlauf M des Antriebes in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz einer Zahndruckrolle,
2b den zeitlichen Gesamtstempelkraftverlauf F in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz einer Zahndruckrolle,
2c die Anordnung einer Zahndruckrolle, deren Achse zur Horizontalen geneigt ist und der Stempel im Rotor und in einer Explosionsdarstellung die Anordnung einer Zahndruckrolle mit einer horizontalen Achsrichtung,
3a den zeitlichen Stempelkraftverlauf F der Einzelstempel und den Momentenverlauf M des Antriebes in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz einer Profildruckrolle,
3b den zeitlichen Gesamtstempelkraftverlauf F in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz einer Profildruckrolle,
3c die Anordnung einer Profildruckrolle, deren Achse zur Horizontalen geneigt ist und der Stempel im Rotor und in einer Explosivdarstellung die Anordnung einer Profildruckrolle mit einer horizontalen Achsrichtung,
4a den zeitlichen Stempelkraftverlauf F der Einzelstempel und den Momentenverlauf M des Antriebes in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz einer Profildruckrolle und eines im Kraftfluss befindlichen geregelten Piezoaktors,
4b den zeitlichen Gesamtstempelkraftverlauf F in Abhängigkeit vom Rotorwinkel β für ein vorgegebenes typisches Pressregime beim Einsatz einer Profildruckrolle und der Regelauswirkung eines im Kraftfluss befindlichen Piezoaktors,
4c die Anordnung einer Profildruckrolle, deren Achse zur Horizontalen geneigt ist und der Stempel im Rotor und in einer Explosionsdarstellung die Anordnung einer Profildruckrolle mit einer horizontalen Achsrichtung,
5 das Wirkprinzip zur Fertigung einer Zahndruckrolle, deren Achse zur Horizontalen geneigt ist und des Werkzeugs, dessen Kontur an die des zugehörigen Stempels angepasst ist in verschiedenen Bearbeitungsstellungen,
6 eine fertige Zahndruckrolle mit einem Stempel in perspektivischer Ansicht,
7a die Fertigung eines feststehenden Werkstückes (Zahndruckrolle) nach der Fertigstellung der vierten Zahnlücke und die räumliche Bewegung des Profilwerkzeuges auf einer CNC-Werkzeugmaschine mit 5-Achsen-Steuerung,
7b die Zahnlückenoberfläche der Zahnlücke mit der Bahn des Werkzeugmittelpunktes, die durch die Bewegung des Werkzeuges erzeugt wird,
7c einen Stempel mit den zugehörigen Tragbildern für verschiedene Eingriffsstellungen eines Stempels,
8a die Fertigung eines feststehenden Werkstückes (Zahndruckrolle) nach der Fertigstellung der vierten Zahnlücke und die räumliche Bewegung des kugelförmigen Profilwerkzeuges auf einer CNC-Werkzeugmaschine mit 3-Achsen-Steuerung,
8b die Zahnlückenoberfläche der Zahnlücke mit der Bahn des Werkzeugmittelpunktes, die durch die Bewegung des Werkzeuges erzeugt wird,
9 das Wirkprinzip zur Fertigung einer Profildruckrolle, deren Achse zur Horizontalen geneigt ist und deren Fertigungsdrehzahl wesentlich größer als die Drehzahl des Teilkreises ist und des Werkzeugs, dessen Kontur an die des zugehörigen Stempels angepasst ist in verschiedenen Bearbeitungsstellungen auf einer CNC-Werkzeugmaschinen mit 5-Achsen-Steuerung,
10 eine fertige Profildruckrolle mit einem Stempel in perspektivischer Ansicht,
11 die Fertigung einer Profildruckrolle auf einer CNC-Drehmaschine,
12 die Gegenüberstellung eines bekannten EU-Stempels rechts mit Einlaufradius und Plateaufläche und einem Stempel mit einer Kugelkalotte als Kopfform links,
13 den Bewegungsverlauf eines Stempels in den Kontaktstellungen mit der Druckrolle während der Pressphasen nach dem Stand der Technik und beim Einsatz einer Zahndruckrolle mit unterschiedlichen fiktiven Druckrollendurchmessern beim Ein- und Auslauf des Stempels in den Druckrollenbereich, und die durch diese unterschiedlichen Bewegungen hervorgerufenen Presskräfte als Funktion der Zeit,
14 die obere Druckrollenstation mit einer geneigten, wälzgelagerten Profildruckrolle und Stempeln mit Kugelkalottenkopfform, einem Rotor mit einer oberen Stempelführung, dem in dem Kraftfluss befindlichen Piezoaktor und einer oberen Kraftmessdose einschließlich der Steghöhenverstellung, die in der Kopfplatte gelagert ist,
15 die obere Druckrollenstation mit einer geneigten, wälzgelagerten Profildruckachse und Stempeln mit einer typischen Kopfform, einem Rotor mit einer oberen Stempelführung, dem in dem Kraftfluss befindlichen Piezoaktor und einer oberen Kraftmessdose einschließlich der Steghöhenverstellung, die in der Kopfplatte gelagert ist,
16 die typische Anordnung einer waagerecht angeodneten Zahndruckrolle und der Stempel im Rotor.
Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände. Die Diagramme sind alle mit dem gleichen Pressregime (Tablettenmaterial, Maximalverdichtung, Tablettenfläche, Füllhöhe, Stempelzahl, Teilkreisdurchmesser usw.) berechnet worden.
In 1a ist über dem Rotorwinkel β der Verlauf der Einzelstempelkräfte 10, das notwendige Antriebsmoment 11 sowie das Effektivmoment 12 dargestellt. Deutlich zeigen sich nach dem Einlauf der ersten gefüllten Matrize die inkonstante Druckhaltezeit im Presskraftverlauf trotz eines großen Plateaudurchmessers und die starke zeitliche Schwankung im Momentenverlauf des Antriebes. In 1b ist die Gesamtpresskraft 13 dargestellt. Deutlich zeigen sich nach dem Einlauf der ersten gefüllten Matrize der stark schwankende Gesamtpresskraftverlauf, der zu einer großen Schallemission führt, da diese zeitlich veränderliche Kraft direkt das Gestell und die Kopfplatte zu Schwingungen als Membran anregt. In 1c ist eine zylindrische Druckrolle 14 einschließlich der Stempel 15 mit der für den Stand der Technik typischen horizontalen Lage der Druckrollenachse dargestellt.
In der 2a ist im Verlauf des Antriebsmomentes 11 und des Effektivmomentes 12 die wesentliche Verringerung im Vergleich zum Stand der Technik nach 1a zu erkennen. Dadurch kann bei gleicher installierter Antriebsleistung eine wesentlich größere Tablettenarbeit im Vergleich zu Rundläuferpressen entsprechend dem Stand der Technik verpresst werde. Der Verlauf der Einzelstempelkräfte 10 zeigt ein ausgeprägtes Gebiet der konstanten Druckhaltekraft. Die Gesamtpresskraft 13 zeigt in der 2b nach dem Einlauf des ersten Stempels in die Zahndruckrolle 16 einen konstanten zeitlichen Verlauf, so dass es zu keiner Schwingungsanregung durch diese Kräfte kommen kann. Im dargestellten Beispiel wurde die Stempelbewegung durch eine zylindrische Druckrolle mit einem fiktiven Einlaufdurchmesser von d = 450 mm und einem fiktiven Auslaufdurchmesser von d = 1300 mm verwirklicht. Derart große und unterschiedliche zylindrische Druckrollendurchmesser für Stempeleinlauf und Stempelauslauf sind in ausgeführten Rundläuferpressen nicht zu verwirklichen. In der 2c ist eine Zahndruckrolle 16 mit einem Neigungswinkel von 60° einschließlich der Stempel 15 und in einer Explosionsdarstellung eine Zahndruckrolle mit horizontaler Achsrichtung dargestellt. Durch Neigung der Druckrollenachse wird der die Güte der Bewegungsübertragung kennzeichnende minimale Übertragungswinkel 40 nach 12 gegenüber einer horizontalen Achsanordnung stark verbessert.
In der 3a ist im Verlauf des Antriebsmomentes 11 und des Effektivmomentes 12 die wesentliche Verringerung im Vergleich zum Stand der Technik nach 1a zu erkennen. Dadurch kann bei gleicher installierter Antriebsleistung eine wesentlich größere Tablettenarbeit im Vergleich zu Rundläuferpressen entsprechend dem Stand der Technik verpresst werden Der Verlauf der Einzelstempelkräfte 10 zeigt ein ausgeprägtes Gebiet der nahezu konstanten Druckhaltekraft. Die Gesamtpresskraft 13 zeigt in der 3b nach dem Einlauf des ersten Stempels in die Zahndruckrolle 16 einen nur gering schwankenden zeitlichen Verlauf, so dass es nur zu einer geringen Schwingungsanregung und damit zur geringen Schallemission durch diese Kraft kommen kann. Im dargestellten Beispiel wurde die Stempelbewegung einer zylindrischen Druckrolle mit einem fiktiven Druckrollendurchmesser von d = 850 mm verwirklicht. Ein derart großer Druckrollendurchmesser ist in ausgeführten Rundläuferpressen nicht verwirklichbar. In der 3c ist eine Profildruckrolle 19 mit einem Neigungswinkel von 60° einschließlich der Stempel 15 und in einer Explosionsdarstellung eine Profildruckrolle mit horizontaler Achsrichtung dargestellt. Durch Neigung der Druckrollenachse wird der die die Güte der Bewegungsübertragung kennzeichnende minimale Übertragungswinkel 40 nach 12 gegenüber einer horizontalen Achsanordnung stark verbessert. Deutlich zeigt sich nach dem Einlauf der ersten gefüllten Matrize der zeitlich gering schwankende Gesamtpresskraftverlauf, der zu einer geringeren Schallemission durch die anregende Presskraft führt im Vergleich zu Rundläuferpressen entsprechend dem Stand der Technik.
In der 4a ist im Verlauf des Antriebsmomentes 11 und des Effektivmomentes 12 die wesentliche Verringerung im Vergleich zum Stand der Technik nach 1a zu erkennen. Dadurch kann bei gleicher installierter Antriebsleistung eine wesentlich größere Tablettenarbeit im Vergleich zu Rundläuferpressen entsprechend dem Stand der Technik verpresst werden Der Verlauf der Einzelstempelkräfte 10 zeigt ein ausgeprägtes Gebiet der konstanten Druckhaltekraft. Die Gesamtpresskraft 13 zeigt in der 4b nach dem Einlauf des ersten Stempels und dem Einsatz des geregelten Piezoaktors in der Druckrolleneinheit der Profildruckrolle 16 einen konstanten zeitlichen Verlauf, so dass es zu keiner Schwingungsanregung durch diese Kraft kommen kann. Im dargestellten Beispiel wurde eine Stempelbewegung durch eine zylindrische Druckrolle mit einem fiktiven Druckrollendurchmesser von d = 850 mm verwirklicht. Ein derart großer Druckrollendurchmesser ist in ausgeführten Rundläuferpressen nicht zu verwirklichen. Die notwendige periodische Korrekturbewegung 20 der Druckrolleneinheit zur Erzielung einer zeitlich konstanten Gesamtkraft 13 der Druckrolle von ca. ±21 μm kann durch einen handelsüblichen Piezoaktor mit ausreichend hoher Eigenfrequenz ausgeführt werden. Deutlich zeigt sich nach dem Einlauf der ersten gefüllten Matrize der zeitlich konstante Verlauf der Gesamtpresskraft, der zu keiner Schallemission durch eine Presskraftanregung im Vergleich zu Rundläuferpressen entsprechend der Anwendung einer Profildruckrolle ohne geregeltem Piezoaktor nach 3b führt In 4c ist eine Profildruckrolle 19 mit einem Neigungswinkel von 60° einschließlich der Stempel 15 und in einer Explosionsdarstellung eine Profildruckrolle mit horizontaler Achsrichtung dargestellt. Durch Neigung der Druckrollenachse wird der die die Güte der Bewegungsübertragung kennzeichnende minimale Übertragungswinkel 40 nach 12 gegenüber einer horizontalen Achsanordnung stark verbessert.
In 5 ist gezeigt, wie eine Zahndruckrolle 16 prinzipiell auf einer CNC-Werkzeugmaschine mit 5-Achsen-Steuerung gefertigt werden kann.
In 6 ist eine komplett gefertigte Zahndruckrolle 11 mit einem Stempel 15 in perspektivischer Ansicht dargestellt.
In 7a ist die Fertigung einer feststehenden Zahndruckrolle 16 auf einer CNC-Werkzeugmaschine mit 5-Achsen-Steuerung dargestellt. Die x-y-z-Koordinaten 25 des Werkzeuges 29 und die zeitlich veränderlichen Schwenkwinkel 59 der Werkzeugachse in der x-z-Ebene und die zeitlich veränderlichen Schwenkwinkel 60 in der y-z-Ebene sind aus den Relativbewegungen des Werkzeuges 29 in Bezug auf die sich drehende Zahndruckrolle 16 in der 5 zu berechnen. Die durch diese Werkzeugbewegung 32 vom Werkzeug 29 erzeugte Zahnlückenoberfläche 31 kann mit geometrischen Berechnungen aus der Werkzeugbewegung 32, den Schwenkwinkeln 59 der Werkzeugachse in der x-z-Ebene und dem Schwenkwinkel 60 der Werkzeugachse in der y-z-Ebene berechnet werden und ist in 7b dargestellt. Mit Hilfe dieser Zahnlückenoberfläche ist die Fertigung der Zahnlücken auch ohne Formwerkzeug 29 durch Abzeilen dieser Zahnlückenoberfläche 31 mit anderen geeigneten Werkzeugen mit hinreichender Genauigkeit möglich. Die Übereinstimmung der Kontur des Werkzeuges 29 mit der Kontur des zugehörigen Stempels 15 führt zu einer Linienberührung des Stempels 15 in allen Eingriffsstellungen, wie 7c mit der Darstellung der Tragbilder 33 eines Stempels für verschiedene Eingriffsstellungen zeigt.
In 8a ist die einfachere Fertigung einer feststehenden Zahndruckrolle 16 für einen Stempel 41 mit Kugelkalottenkopfform auf einer CNC-Werkzeugmaschine mit 3-Achsensteuerung dargestellt. Die x-y-z-Koordinaten 25 des Werkzeuges 29 sind aus den Relativbewegungen des Werkzeuges 29 in Bezug auf die sich drehende Zahndruckrolle 16 in der 5 zu berechnen. Die durch diese Werkzeugbewegung 32 vom Werkzeug 29 erzeugte Zahnlückenoberfläche 31 kann mit geometrischen Berechnungen aus der Werkzeugbewegung 32 berechnet werden und ist in 7b dargestellt. Da es keine Vorzugsachsrichtung einer Kugel gibt, sind keine Schwenkwinkel der Werkzeugachse zu berücksichtigen und ein zeitlich konstanter Schwenkwinkel kann aus technologischer Sicht festgelegt werden, dadurch können bei spanender Bearbeitung ungünstige Schnittbedingungen beim Schnitt über die Achse mit der Schnittgeschwindigkeit v = 0 m/min vermieden werden. Nach 8b ist die durch das kugelförmige Werkzeug erzeugte Zahnlückenoberfläche 31 zu erkennen. Mit dieser Zahnlückenoberfläche ist die Fertigung der Zahnlücken auch ohne Formwerkzeug 29 durch Abzeilen dieser Fläche 31 mit anderen geeigneten Werkzeugen mit hinreichender Genauigkeit möglich.
In 9 ist gezeigt, wie eine Profildruckrolle 18 grundsätzlich auf einer CNC-Werkzeugmaschine mit 5-Achsen-Steuerung gefertigt werden kann. Hierbei wird die Relativbewegung des Werkzeuges 23 zur Profildruckrolle 18 auf der Werkzeugmaschine der Relativbewegung des Stempels 15 bezüglich der Druckrolle in der Rundläuferpresse nachvollzogen, wobei die Drehzahl 22 der Profildruckrolle 18 ähnlich einem Drehen auf einer Drehmaschine wesentlich höher als die Drehzahl des Teilkreisdurchmessers ist. Das Werkzeug wird auf der Bahn des Teikreises in den x-y-Koordinaten geführt. Die z-Koordinate der Werkzeugbewegung 25 in Abhängigkeit von den x-y-Koordinaten wird aus Versuchen oder aus Modellberechnungen der Verformung einer Rundläuferpresse entsprechend dem Optimierungskriterium gewonnen.
In 10 ist eine komplett gefertigte Profildruckrolle 18 mit einem Stempel 15 in perspektivischer Ansicht dargestellt.
In 11 ist die einfachere Fertigung einer Profildruckrolle auf einer CNC-Drehmaschine gezeigt, wobei der Drehmeißel 35 die Kontur erzeugt, die nach Koordinatentransformation und geometrischen Berechnungen aus der Bewegung und der Kopfform des zugeordneten Werkzeuges 23 nach 9 zu ermitteln ist.
In 12 ist ein Stempel 42 nach dem Stand der Technik rechts und ein Stempel 41 mit der Kopfform einer Kugelkalotte links dargestellt. Die Druckhaltezeit wird beim Einsatz von Zahndruck- oder Profildruckrollen nicht mehr durch die Größe der Plateaufläche sondern durch die Gestalt der Zahn- oder Profildruckrollen erzeugt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, eine Plateaufläche zur Erzielung einer Druckhaltezeit am Stempel zu installieren. Der gesamte Stempelkopfdurchmesser kann mit einem sehr viel größeren Kugelradius als es dem Einlaufradius bei Stempeln nach dem Stand der Technik entspricht, versehen werden. Dadurch sinkt die Hertzsche Pressung beim Pressvorgang und bei der Führung des Stempels in den Stempelführungskurven beim Einsatz von Profildruckrollen von Stempel 41 und Druckrolle 37 erheblich im Vergleich zu der Paarung nach dem Stand der Technik. Definitionsgemäß ist der Übertragungswinkel 40 als Kriterium der Güte der Übertragung einer Kraft 36 in eine Bewegung 38 als Winkel zwischen der Normalen 39 auf die Bewegungsrichtung 38 und der Richtung der Kraft 36 dargestellt.
In 13 sind die Bewegungen 55 eines Stempels auf dem Rotorteilkreis 26 in den Kontaktstellungen mit den fiktiven Druckrollen 61 während der Pressphasen nach dem Stand der Technik und die Bewegungen 56 eines Stempels beim Einsatz einer Zahndruckrolle gegenübergestellt, wobei die z-Koordinate 25 wesentlich überhöht dargestellt ist Deutlich ist die längere Kontaktzeit des Stempels 15 mit einer Zahndruckrolle gegenüber einer Paarung eines Stempels mit einer Zylinderdruckrolle zu erkennen. Gleichzeitig sind die durch diese unterschiedlichen Bewegungen hervorgerufenen Presskräfte 57, 58 als Funktion der Zeit dargestellt.
In 14 ist die obere Druckrollenstation 46 mit Führungssäule 53 und mit einer auf der Druckrollenachse 47 in Wälzlagern 52 geneigten Profildruckrolle 18, einem Rotor 43 mit einer oberen Stempelführung 45 und Stempeln 41 mit Kugelkalottenkopfform, einem in dem Kraftfluss befindlichen Piezoaktor 49 mit einer weichen Dichtung 48 und einer oberen Kraftmessdose 50 einschließlich der Steghöhenverstellung, die in der Kopfplatte 54 gelagert ist, dargestellt. Die Maximalabmessungen von Zahndruck- oder Profildruckrollen entsprechen in etwa denen der zylindrischen Druckrollen nach dem Stand der Technik.
In 15 ist die obere Druckrollenstation 46 mit einer in Wälzlagern 52 gelagerten und geneigten Profildruckachse 52, einem Rotor 43 mit einer oberen Stempelführung 45 und Stempeln 62 mit einer typischen Kopfform, einem in dem Kraftfluss befindlichen Piezoaktor 49 mit einer weichen Dichtung 48 und einer oberen Kraftmessdose 50 einschließlich der Steghöhenverstellung, die in der Kopfplatte 54 gelagert ist, dargestellt. Die Maximalabmessungen von Zahndruck- oder Profildruckachsen entsprechen in etwa denen der zylindrischen Druckrollen nach dem Stand der Technik.
Bezugszeichenliste

10: Einzelstempelkraft
11: Antriebsmoment
12: Effektivmoment
13: Gesamtkraft
14: Zylinderdruckrolle
15: Oberstempel
16: Zahndruckrolle geneigt
17: Zahndruckrolle horizontal
18: Profildruckrolle geneigt
19: Profildruckrolle horizontal
20: Korrektur
21: Druckrollenachse
22: Druckrollendrehrichtung
23: Werkzeugzustellung
24: Rotorachse
25: Werkzeugmaschinenkoordinatenkreuz
26: Rotorteilkreis
27: Neigungswinkel
28: Horizontale
29: Profilwerkzeug
30: Zahnlücke
31: Zahnlückenoberfläche
32: Werkzeugmittelpunktkurve
33: Tragbild
34: Profilkontur
35: Hartmetallmeissel
36: Presskraftrichtung
37: Druckrolle allgemein
38: Bewegungsrichtung
39: Normale der Bewegungsrichtung
40: Übertragungswinkel
41: Stempel mit Kugelkalottenkopf
42: Stempel mit EU-Kopfkontur
43: Rotor
44: Matrizenplatte
45: Stempelführung oben
46: Druckrolleneinheit
47: Druckrollenachse
48: Dichtung weich
49: Piezoaktor
50: Kraftmessdose mit Steghöhenverstellung
51: Führungsplatte
52: Wälzlager
53: Führungssäule
54: Kopfplatte
55: Stempelbewegung (nach Stand der Technik)
56: Stempelbewegung (Zahndruckrolle)
57: Gesamtkraft = f(t) nach Stand der Technik
58: Gesamtkraft = f(t) für eine Zahndruckrolle
59: Schwenkwinkel in der x-z-Ebene
60: Schwenkwinkel in der y-z-Ebene
61: Profildruckachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information 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 19705094 C1 [0002]
DE 1627966 C [0002]
EP 0726139 A1 [0002]
DE 19646536 C1 [0003]
EP 2269813 A2 [0003]
DE 19828004 B4 [0006]

Claims

Zahndruckrolle (16) für eine Rundläuferpresse, umfassend eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung der Zahndruckrolle (16) auf der wirksamen Mantelfläche angeordneten Zahnlücken (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung ganzzahlig ist und die Form der Zahnlücke (30) durch ein räumliches Werkzeug (29) hergestellt wird, dessen Abmessungen aus der Stempelkopfform der zugeordneten Stempel (15) abgeleitet ist und dessen Relativbewegung (23) zur Zahndruckrolle auf dem Teilkreis (26) des zugehörigen Rotors entsprechend einem gewählten zeitlich konstanten Übersetzungsverhältnis so geführt wird, dass die gewünschte Bewegung (23) des Stempels (15) in die Matrize im unbelasteten Zustand nachvollzogen wird.
Zahndruckrolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugbewegungen (23) nach verschiedenen Kriterien (Schallemission, Effektivantriebsmoment, Spitzenantriebsmoment, Druckhaltezeit oder deren Kombinationen) optimiert werden.
Zahndruckrolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung der Zahndruckrolle z = 0 gewählt wird und sich dadurch in ihrer äußeren Form als Profildruckrolle (18) ohne Zahnlücken darstellt.
Rundläuferpresse umfassend eine oder mehrere Druckrolleneinheiten (46) mit im Kraftfluss angeordneten und geregelten oder gesteuerten Aktoren (49), vorzugsweise Piezoaktoren, deren Eigenfrequenz aus der Federsteife und der zu bewegenden Masse wesentlich hoher ist als die höchste im Betriebszustand sich ergebende Zahneingriffsfrequenz und deren Bewegungen unter Last so geregelt oder gesteuert werden, dass sie ein Optimierungsziel (Reduzierung der Schallemission, Reduzierung des Effektivantriebsmomentes, Reduzierung des Spitzenantriebsmoment, Konstanz der Maximalpresskraft) sofort während des Pressvorganges ohne wesentliche zeitliche Verzögerung durch Phasenverschiebung und Resonanzüberhöhung verwirklichen.
Stempel (41) für eine Rundläuferpresse, umfassend eine Kopfform einer Kugelkalotte ohne Plateaufläche, dessen Radius unter Beachtung des minimalen Übertragungswinkels beim Pressen und des maximalen Neigungswinkels der zugehörenden Stempelführungskurven so groß gewählt wird, dass es zu keinem Kantentragen führt.