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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ziehmaschine zum Kaltumformen eines länglich ausgedehnten Werkstücks mit einer Ziehmatrize und einer Zieheinrichtung mit einer relativ zu der Ziehmatrize bewegbaren Klemmeinrichtung zum Greifen des Werkstücks.
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Nahtlose Metallrohre, -stäbe und -profile, insbesondere aus Edelstahl oder Kupfer, werden mit beliebigen Außen- bzw. Innendurchmessern und Wandstärken durch Kaltziehen hergestellt. Dazu werden Innen- und Außenkonturen sowie Wandstärken mit geringen Toleranzen definiert, sodass die auf diese Weise gefertigten Rohre, Stäbe und Profile eine hohe Qualität aufweisen. Beispielsweise wird beim Rohrziehen ein bereits rohrförmiges Halbzeug auf einer Ziehmaschine, auch als Ziehbank bezeichnet, kalt so umgeformt, dass es die gewünschten Maße erhält.
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Das Ziehen ermöglicht aber nicht nur eine präzise und beinahe beliebige Dimensionierung des fertigen Produkts, sondern die kalte Umformung bewirkt auch eine Verfestigung des Werkstoffs, d.h. seine Streckgrenze und Festigkeit werden erhöht, während gleichzeitig seine Dehnungswerte kleiner werden. Diese Optimierung der Materialeigenschaften ist für viele Anwendungszwecke, beispielsweise in der Hochdruck- und Medizintechnik, dem Flugzeugbau, aber auch im allgemeinen Maschinenbau, ein erwünschter Effekt des Ziehens von Rohren, Stäben und Profilen.
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In Abhängigkeit von dem verwendeten Werkzeug unterscheidet man beim Ziehen von Rohren den sogenannten Hohlzug, den Kernzug und den Stangenzug. Während beim Hohlzug lediglich der Außendurchmesser des Rohres in einem als Ziehmatrize (auch Ziehring, Ziehhohl oder Ziehstein) bezeichneten Werkzeug reduziert wird, werden beim Kernzug und Stangenzug auch der Innendurchmesser sowie die Wanddicke des gezogenen Rohrs durch einen Ziehkern definiert.
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Beim Kernzug bildet ein mittels einer Kernstange fixierter oder durch seine Kalibrierung in der Umformzone sich selbst einstellender, dann als fliegend bezeichneter, Kern mit dem Ziehring einen Ringspalt, durch den das umzuformende Rohr oder Profil gezogen wird. Auf diese Weise werden Außen- und Innendurchmesser und somit auch die Wandstärke bzw. -dicke reduziert und in einen engen Toleranzbereich gebracht. Zudem stellt das Kernziehen eine Glättung der Außen- und Innenoberflächen des gezogenen Rohrs bereit.
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Bei Ziehmaschinen zum Kaltumformen von länglich ausgedehnten Werkstücken verwendet man zum Einen Geradeaus-Ziehmaschinen (diese werden häufig auch als Geradeaus-Ziehbänke bezeichnet), welche zur Herstellung und Bearbeitung von relativ kurzen Werkstücken oder solchen mit großen Querschnitten verwendet werden. Ein Werkstück wird dabei am Anfang des Werkstücks von einer Klemmeinrichtung gegriffen und durch die Ziehmatrize gezogen. Da die Klemmeinrichtung im Wesentlichen über die komplette Zuglänge hinweg mit ein und derselben Stelle des Werkstücks in Eingriff bleibt, ist die Längenbeschränkung bei solchen Geradeaus-Ziehmaschinen offenkundig.
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Dem gegenüber erlauben es kontinuierliche Ziehmaschinen, auch als Konti-Ziehmaschinen bezeichnet, grundsätzlich, größere Längen eines Werkstücks zu verarbeiten. Die Funktionsweise einer kontinuierlichen Ziehmaschine beruht darauf, dass mehrere Zieheinrichtungen das Werkstück in der Weise fortbewegen, dass immer zumindest eine Klemmeinrichtung mit dem Werkstück in Eingriff ist, sodass in dieses eine Zugkraft übertragen werden kann.
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Eine weit verbreitete Bauart der Konti-Ziehmaschine besitzt zwei über eine spezielle Kulissenwalze (auch Kurvenscheibe genannt) gesteuerte Klemmeinrichtungen. Andere Bauformen weisen als Klemmeinrichtungen Klemmbacken, die auf zwei gegeneinander montierten und synchron laufenden Ketten montiert sind, auf.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Antriebskonzepte für Ziehmaschinen weisen alle den Nachteil auf, dass sich Zugkräfte und -geschwindigkeiten nur schlecht wählen oder gar regeln lassen. Zudem sind die Antriebskonzepte für kontinuierliche Ziehmaschinen aufwändig und verschleißintensiv.
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Dem gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Ziehmaschine mit einem vereinfachten Antrieb bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ziehmaschine zum Kaltumformen eines länglich ausgedehnten Werkstücks mit einer Ziehmatrize und einer Zieheinrichtung mit einer relativ zu der Ziehmatrize bewegbaren Klemmeinrichtung zum Greifen des Werkstücks gelöst, wobei die Zieheinrichtung einen elektromechanischen Linearantrieb aufweist, welcher so eingerichtet und angeordnet ist, dass er im Betrieb der Ziehmaschine die Klemmeinrichtung relativ zu der Ziehmatrize bewegt.
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Wenn in der vorliegenden Anmeldung von einem länglich ausgedehnten Werkstück die Rede ist, so handelt es sich hierbei vorzugsweise um Stangen oder Drähte, Rohre und Profile. Es versteht sich, dass die Ziehmatrize als Werkzeug zum Umformen des Werkstücks die äußere Form des Werkstücks nach der Umformung definiert.
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Während die Ziehmatrize den äußeren Umfang des Werkstücks nach der Umformung definiert, kann zusätzlich beim Umformen von hohlen länglich ausgedehnten Werkstücken, d.h. insbesondere Rohren und Hohlprofilen, ein zweites Werkzeug vorgesehen sein, das innerhalb des umzuformenden Werkstücks angeordnet ist. Ein solches zweites Werkzeug zum Kaltumformen durch Ziehen ist entweder ein fliegender Stopfen oder Dorn oder der Stopfen oder Dorn ist an einer Stange im Inneren des Werkstücks gehaltert.
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Das Prinzip einer Ziehmaschine beruht darauf, dass ein umzuformendes Werkstück von der Auslaufseite her durch die Ziehmatrize hindurchgezogen wird, wobei das Werkstück vor dem Umformen einen größeren Umfang aufweist als die Ziehmatrize.
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Folglich ist es erforderlich, dass auslaufseitig, d.h. in Zug- oder Bewegungsrichtung des Werkstücks hinter der Ziehmatrize, eine Zugkraft in das Werkstück eingeleitet werden kann. Dazu verfügt die Ziehmaschine über eine Zieheinrichtung mit einer relativ zu der Ziehmatrize bewegbaren Klemmeinrichtung. Die Klemmeinrichtung greift während dem Ziehen das Werkstück und leitet eine Zugkraft ein.
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Erfindungsgemäß verfügt die Zieheinrichtung über einen elektromechanischen Linearantrieb, welcher so eingerichtet und angeordnet ist, dass er im Betrieb der Ziehmaschine die Klemmeinrichtung relativ zu der Ziehmatrize bewegt. Somit wird die Motorkraft über die Klemmeinrichtung direkt in das Werkstück eingetragen.
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Unter einem elektromechanischen Linearantrieb im Sinne der vorliegenden Erfindung werden alle Linearmotoren und Linearaktoren verstanden, die ohne Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung einen geeigneten Verfahrweg sowie eine ausreichende Positioniergenauigkeit ermöglichen. Dies sind neben Linearmotoren mit elektrodynamischem Wirkprinzip Linearaktoren mit piezoelektrischem, elektrostatischem, elektromagnetischem, magnetrestriktivem oder thermoelektrischem Wirkprinzip.
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Ein solcher elektromechanischer Linearantrieb, insbesondere ein Linearmotor, weist den Vorteil auf, dass er direkt auf die Klemmeinrichtung wirkt sowie berührungslos und somit fast vollständig verschleißfrei arbeitet. Zudem sind die bereitgestellte Motorkraft sowie die Geschwindigkeit der Linearbewegung gut einstellbar und gegebenenfalls regelbar. Eine Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung der Klemmeinrichtung über Getriebe, Spindel, etc. entfällt. So wird auch die Anzahl der mechanischen Komponenten deutlich reduziert, was unter anderem die durch Lagerhaltung von Ersatzteilen entstehenden Kosten reduziert.
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Linearantriebe können in sehr kompakter Bauweise konstruiert werden und vermindern dann gegenüber einem herkömmlichen Antrieb der Zieheinrichtung die Baugröße der gesamten Ziehmaschine.
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Mit Hilfe eines solchen direkten elektromechanischen Linearantriebs sind im Wesentlichen beliebige Verfahrwege realisierbar.
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Eine Klemmeinrichtung zum Greifen des Werkstücks im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist jede Einrichtung, welche mit dem Werkstück in Eingriff bringbar ist, sodass die Einleitung einer Zugkraft in das Werkstück möglich ist, um das Werkstück durch die Ziehmatrize hindurchzuziehen. Die Art der konkreten Realisierung der Klemmeinrichtung wird dabei insbesondere auch von der Art der Ziehmaschine abhängen.
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Die erfindungsgemäße Ziehmaschine ist in einer Ausführungsform eine Geradeaus-Ziehmaschine. Diese greift das umzuformende Werkstück vorzugsweise an einem Ende davon mit der Klemmeinrichtung und zieht das Werkstück durch die Matrize.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Ziehmaschine eine kontinuierliche Ziehmaschine. Insbesondere bei einer solchen kontinuierlichen Ziehmaschine ist es von Vorteil, wenn die Klemmeinrichtung in einer Ausführungsform ein Spannzylinder ist. Ein solcher Spannzylinder, welchen man auch als Spannfutter bezeichnet, ermöglicht es, ein länglich ausgedehntes Werkstück im Wesentlichen an jedem Punkt entlang seiner Längsausdehnung zu greifen, da er das Werkstück im Wesentlichen konzentrisch umgibt. Daher ist ein solcher Spannzylinder insbesondere für kontinuierliche Ziehmaschinen geeignet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Spannzylinder hydraulisch oder pneumatisch betätigbar, sodass er automatisiert das Rohr greifen und wieder freigeben kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein solcher Spannzylinder für die erfindungsgemäße Ziehmaschine eine im Wesentlichen hohlzylindrische Spannhülse mit einer inneren Mantelfläche und einer Zylinderachse auf, wobei die innere Mantelfläche zumindest einen Spannabschnitt aufweist, dessen Oberfläche in axialer Richtung einen Winkel mit der Zylinderachse einschließt und mindestens zwei Spannbackenträger, wobei jeder Spannbackenträger eine Außenfläche und eine der Außenfläche gegenüberliegend angeordnete, sich im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse erstreckende Klemmfläche aufweist, wobei die Außenfläche und die Klemmfläche einen Keil definieren und wobei die Spannhülse parallel zu Zylinderachse und relativ zu den Spannbackenträgern derart verschiebbar ist, dass der Spannabschnitt der Spannhülse mit der Außenfläche der Spannträger in Eingriff tritt und im Betrieb der Ziehmaschine die Klemmfläche gegen das Werkstück drückt.
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Ein solcher Spannzylinder eignet sich insbesondere zum Spannen und Ziehen von rohr- und stabförmigen Werkstücken.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist eine kontinuierliche Ziehmaschine mindestens zwei elektromechanische Linearantriebe mit jeweils mindestens einer Klemmeinrichtung auf. Durch die Bereitstellung zweier elektromechanischer Linearantriebe, welche jeweils eine Klemmeinrichtung antreiben und damit insbesondere abwechselnd das Werkstück ziehen können, lässt sich ein kontinuierlicher Zug des Werkstücks durch die Ziehmatrize realisieren.
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Dazu ist es zweckmäßig, wenn die Ziehmaschine in einer Ausführungsform eine Steuerung aufweist, die mit den elektromechanischen Linearantrieben und den Klemmeinrichtungen verbunden ist und die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb der Ziehmaschine die elektromechanischen Linearantriebe und die Klemmeinrichtungen so ansteuert, dass immer eine der Klemmeinrichtungen mit dem Werkstück in Eingriff ist, während eine andere der Klemmeinrichtungen außer Eingriff mit dem Werkstück ist, wobei die Klemmeinrichtung, welche in Eingriff mit dem Werkstück ist, von dem zugehörigen elektromechanischen Linearantrieb durch die Matrize gezogen wird. Es versteht sich, dass in einer solchen Ausführungsform vorzugsweise der elektromechanische Linearantrieb, dessen Klemmeinrichtung sich außer Eingriff mit dem Werkstück befindet, in seine Ausgangsposition zurückfährt, während der andere elektromechanische Linearantriebe gerade das Werkstück zieht.
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Erreicht der ziehende Linearantrieb seine der Ziehmatrize abgewandte Endposition, so wird die von ihm gezogene Klemmeinrichtung geöffnet, die Klemmeinrichtung des anderen elektromechanischen Linearantriebs wird in Eingriff mit dem Werkstück gebracht und beginnt, dieses weiter zu ziehen.
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Bei entsprechender Steuerung und Regelung zweier Linearantriebe und der von diesen gezogenen Klemmeinrichtungen wird das Werkstück in einer Ausführungsform ohne Stillstand kontinuierlich durch die Ziehmatrize gezogen.
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Wenn im Sinne der vorliegenden Anmeldung von zwei Linearantrieben gesprochen wird, so bedeutet dies, dass zwei Ziehschlitten vorhanden sind. Dabei gibt es Ausführungsformen, in welchen jeder der Ziehschlitten auf jeweils einer eigenen Bahn oder Führungsschiene läuft. In anderen Ausführungsformen können beide Ziehschlitten unabhängig voneinander auf ein und derselben Bahn oder Bank verfahren werden.
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Wenn im Sinne der vorliegenden Anmeldung von einer Verbindung der Steuerung mit den Linearantrieben und den Klemmeinrichtungen die Rede ist, so ist hiermit eine steuernde Verbindung gemeint, wobei diese beispielsweise durch elektrische, pneumatische oder hydraulische Steuerleitungen bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die elektromechanischen Linearantriebe so eingerichtet und angeordnet, dass sich im Betrieb der Ziehmaschine ihre Verfahrwege in Zugrichtung nicht überschneiden. Auf diese Weise kann einer der Linearantriebe das Werkstück ziehen, während der andere mit der zugehörigen Klemmeinrichtung ungehindert in seine Ausgangslage zurückkehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figur deutlich.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ziehmaschine zum Ziehen eines Edelstahlrohrs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist schematisch eine Draufsicht auf eine Konti-Ziehmaschine 1 zum Ziehen eines qualitativ hochwertigen Edelstahlrohrs 2 dargestellt. Die wesentlichen Elemente der Ziehmaschine 1 sind zwei Zieheinrichtungen 18, 19 sowie die Ziehwerkzeuge 7, 8. Dabei verfügt jede der Zieheinrichtungen 18, 19 über jeweils einen Linearmotor 3, 4, einen von dem Linearmotor 3, 4 angetriebenen Ziehschlitten 5, 6 und einen Spannzylinder 12, 13 auf dem jeweiligen Ziehschlitten 5, 6.
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In der dargestellten Ausführungsform sind in der Umform- oder Prozesszone 9 der Ziehmaschine eine Ziehmatrize 7 sowie ein Ziehkern 8 angeordnet. Während die Ziehmatrize dazu dient, den Außenumfang des Rohrs 2 zu definieren, definiert der Ziehkern 8 den Innendurchmesser des Rohrs 2. Der Ziehkern 8 ist an einer Kernstange 10 gehalten, die wiederum an einem Kernstangenhalter 11 aufgenommen ist und sich durch die Luppe, d.h. den noch nicht umgeformten Teil des Edelstahlrohrs 2, hindurch bis in die Prozesszone 9 der Ziehmaschine 1 erstreckt.
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Auf jedem der Ziehschlitten 5, 6 ist jeweils ein Spannzylinder 12, 13 angeordnet, der das Rohr 2 konzentrisch umgreift und dieses somit in Zugrichtung (diese ist mit dem Pfeil 14 in 1 bezeichnet) zieht.
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Die Ziehmaschine 1 verfügt zudem über eine zentrale Ablaufsteuerung 15, welche über Steuerleitungen mit den Linearmotoren 3, 4 sowie den Hydrauliksteuerungen für die Spannzylinder 12, 13 verbunden ist.
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Um ein detailliertes Verständnis des Ziehprozesses zu ermöglichen, wird nun anhand der Skizze aus 1 der Ablauf des Ziehens einer Luppe zu dem fertig reduzierten Edelstahlrohr 2 beschrieben.
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Zunächst wird eine Luppe mit Hilfe einer Anordnung von Zuführrollen (nicht dargestellt) über die dann gegenüber der Zugrichtung 14 ausgelenkte Kernstange 10 geschoben. In diesem Zustand ist der Ziehkern 8 von der Kernstange 10 abgenommen. Nach dem Aufschieben der Luppe auf die ausgelenkte Kernstange 10 wird der Ziehkern auf die Kernstange 10 aufgeschraubt und diese zurückverschwenkt, sodass die Kernstange 10 im Wesentlichen parallel zur Ziehrichtung 14 ist.
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Das vordere, d.h. werkzeugseitige, Ende der Luppe wird dann in dem Spannzylinder 13 des Zugschlittens 6 der ersten Zieheinrichtung 19 aufgenommen und von dem Spannzylinder 13 eingeklemmt bzw. gegriffen. In diesem Stadium des Ziehprozesses befindet sich der Ziehschlitten 6 des zweiten Linearmotors 4 in seiner werkzeugseitigen Endposition 16, d.h. im Fall der Skizze aus 1 ganz rechts, der Prozesszone 9 benachbart.
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Die zum Umformen benötigte Zugkraft wird dann von dem Linearmotor 4 aufgebracht und das Rohr auf diese Weise durch den zwischen Ziehmatrize 7 und Ziehkern 8 gebildeten Ringspalt gezogen. Dabei schiebt sich das Rohr 2 in Zugrichtung 14 voran bis es sich durch den Spannzylinder 12 auf dem Ziehschlitten 5 der zweiten Zieheinrichtung 18 hindurcherstreckt.
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Erreicht der Ziehschlitten 6 des zweiten Linearmotors 4 seine der Prozesszone 9 abgewandte, d.h. in der 1 linke Endposition 17, so veranlasst die Steuerung 15 die Öffnung des Spannzylinders 13 sowie gleichzeitig das Schließen des Spannzylinders 12 der zweiten Zieheinrichtung 18. Gleichzeitig fängt der Ziehschlitten 12 der zweiten Zieheinrichtung 18 an, das Rohr 2 weiter in Zugrichtung 14 durch die Prozesszone 9 zu ziehen. Dabei bewegt sich der Ziehschlitten 5 der zweiten Zieheinrichtung 18 von dessen erster, der Prozesszone 9 am nächsten gelegenen Endposition 20 in dessen zweite Endposition 21. Gleichzeitig kehrt der Ziehschlitten 6 der ersten Zieheinrichtung 19 in seine Ausgangsposition, d.h. in seine erste Endposition 16, zurück.
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Dieses Wechselspiel zwischen den beiden Zieheinrichtungen 18, 19 wiederholt sich solange, bis das Rohr 2 über seine gesamte Länge durch den Ringspalt zwischen Ziehmatrize 7 und Ziehkern 8 gezogen wurde.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
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Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ziehmaschine
- 2
- Rohr
- 3, 4
- Linearmotor
- 5, 6
- Ziehschlitten
- 7
- Ziehmatrize
- 8
- Ziehkern
- 9
- Prozesszone
- 10
- Kernstange
- 11
- Kernstangenhalter
- 12, 13
- Spannzylinder
- 14
- Zugrichtung
- 15
- Steuerung
- 16, 17
- Endpositionen des Ziehschlittens 6
- 18, 19
- Zieheinrichtungen
- 20, 21
- Endpositionen des Ziehschlittens 5
