DE102015016773A1

DE102015016773A1 - Verfahren zum Bearbeiten und zur Formgebung metallischer und anderer Werkstoffe

Info

Publication number: DE102015016773A1
Application number: DE102015016773.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten und zur Formgebung metallischer und anderer Werkstoffe bei einer Werkzeugmaschine mit einem im Bereich des Maschinentisches angeordneten Antriebssystems. Aufgabe ist, durch ein verändertes Fertigungsverfahren und durch Umgestaltung der Pressenstruktur die Ausstoßleistung und die Prozesssicherheit bei gesicherter Teilequalität zu erhöhen, die Investitions- und Betriebskosten zu senken, den energetischen Aufwand zu reduzieren sowie das Einsatzgebiet auf nichtmetallisches Teilesortiment zu erweitern. Erfindungsgemäß wird das Oberwerkzeug als Spann- und Klemmeinrichtung ausgeführt und vom Oberwerkzeughalter mittels an ihm wirkverbundenen Maschinenelementen schnell und geräuscharm von der Werkstückentnahmeposition in die stationäre Werkstückspannstellung gebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten und zur Formgebung metallischer und anderer Werkstoffe bei einer Werkzeugmaschine mit einem im Bereich des Maschinentisches angeordneten Antriebssystems
Stand der Technik
Der ständige Druck auf die Erhöhung der Ausstoßleistung bei gesicherter Teilequalität und der ständige Kostendruck sowohl beim Betreiber wie auch beim Hersteller von Werkzeugmaschinen der Umformtechnik erfordern immer wieder weitere Überlegungen im weltweiten Wettbewerb.
Es ist bekannt, dass mit zweifachwirkenden Ziehpressen Ziehteile in hoher Qualität herstellbar sind. Derartige Ziehpressen eignen sich auch bei erhöhten Hubzahlen, wenn zur Sicherung reproduzierbarer Blechhalterkräfte und zur Reduzierung des Auftreffstoßes im Blechhalter kurzhübige Arbeitszylinder eingesetzt werden, wie in DE 40 06 101 A1 vorgeschlagen. Leider ist die Ausstoßleistung einer Pressenanlage mit einer zweifachwirkenden Ziehpresse als Kopfpresse begrenzt, weil das mit einer zweifachwirkenden Ziehpresse umgeformte Werkstück vor der weiteren Bearbeitung in den Folgepressen gewendet werden muss. Bei Einsatz einer einfachwirkenden Kopfpresse kann das Wenden des Ziehteiles zwischen der Kopf- und der ersten Folgepresse entfallen. Doch sind tiefgreifende Veränderungen nicht nur am Antrieb und am Ziehstößel als oberer Werkzeughalter, sondern auch am Kissen im Tisch als unterer Werkzeughalter insbesondere für die Synchronisierung des bewegten Ober- und des ruhenden Werkzeugunterteils vor dem Ziehprozess erforderlich.
Um den qualitätsmindernden Einfluss des Auftreffstoßes beim Angleich des Ober- und des Unterwerkzeuges mit eingelegtem Werkstück zu mindern, wurden zunächst Kurbelpressen durch aufwendigere Gelenkpressen ersetzt. Weitere Veränderungen waren jedoch erforderlich, um einen moderaten Angleichsprozess bei ständiger Steigerung der Hubzahlen zu sichern.
In DE 41 12 942 A1 , in EP 0 716 916 A1 und in DE 39 35 011 A1 wurde vorgeschlagen, die Bewegungscharakteristik des oberen Werkzeughalters in der Angleichsphase mit dem unteren Werkzeughalter temporär deutlich zu verändern. Die konstruktiven Auswirkungen im Stößelbereich und vor allem die steuerungstechnischen Aufwände zur Sicherung einer reproduzierbaren und stabilen Klemmung des Werkstückes vor dem Umformprozess im gesamten Ziehtiefen- und Hubzahlbereich sind beachtlich.
Durch EP 00 74 421 A1 , DE 38 07 683 A1 , DE 196 39 220 A1 , DE 196 39 222 A1 u. a. wurden Lösungen bekannt, die das als Kissen ausgebildete und ruhende Unterwerkzeug aktiv vor dem Ziehprozess beschleunigen. Auch bei diesen Ausführungen sind hochsensible Anforderungen an die Steuerung insbesondere bei der Synchronisierung des vorbeschleunigten Kissens und des bewegten Stößels im gesamten Ziehtiefen- und Hubzahlbereich sowie der variablen Kissenkraft zu erfüllen.
Einfachwirkende Kopfpressen in Pressenanlagen sind oft mit hydraulischen Verdrängerkissen ausgerüstet, denen zusätzlich die Aufgabe zukommt, vor dem eigentlichen Ziehvorgang nach den Prinzipien der Steuer- und Regeltechnik einen moderaten Angleichsvorgang zwischen Ober- und Unterwerkzeug mit eingelegtem Blechteil in allen Ziehtiefen-, Kissenkraft- und Hubzahlbereichen zu realisieren, wie in EP 0 330 718 A1 , DE 195 41 693 A1 , DE 42 18 914 A1 u. a. vorgeschlagen.
Kissen im Tisch, die nach dem servo-hydraulischen Verdrängerprinzip arbeiten, benötigen zur Gewährleistung der Prozesssicherheit den Einsatz einer hochsensiblen Gerätetechnik der Elektronik und der Hydraulik, da der erforderliche Blechhaltekraftverlauf unabhängig von der Hubzahl, der Ziehtiefe und der Ziehgeschwindigkeit sowie der problemlose Wiederanlauf nach Kurzzeitstörungen gewährleistet sein muss.
Einfachwirkende Pressen, die beim Ziehen gegen das Kissen im Tisch arbeiten, erfordern eine erhöhte Antriebsleistung des Antriebsmotors, wenn hydraulische Verdrängerkissen bzw. gesteuerte Pneumatikkissen eingesetzt werden, da der Stößel mit Oberwerkzeug während des gesamten Ziehvorganges neben der Umformkraft auch noch zusätzlich die erforderliche Kraft zum Klemmen des Werkstückes aufbringen muss. Diese auf dem gesamten Ziehweg wirkende Klemmkraft erhöht den energetischen Aufwand und wird irreversibel in Wärme umgesetzt. Kühleinrichtungen sind erforderlich, die die Anschlussleistung der Anlage weiter erhöhen.
Zur Vermeidung der ungenutzten Klemmarbeit beim passiven Ziehen sind mehrere Vorschläge bekanntgeworden. In DE 40 28 921 A1 , DE 41 00 716 A1 , DE 41 01 606 A1 , DE 41 21 869 A1 , WO 2012/139566 A2 wurden Lösungen vorgeschlagen, das Werkstück zwischen dem oberen und dem unteren Teil der instationären Blechhaltung vor Ziehbeginn zu synchronisieren und zu verklemmen und dann zu verformen. Die bekannten Lösungen erfordern nicht nur einen erheblichen Aufwand in der Fertigung, für die Montage, für Geräte und deren Steuerung, sondern binden bei einem breiten Teilesortiment mit niedrigen Losgrößen qualifizierte Aufwände bis zum ersten Gutteil. Der zusätzliche Platzbedarf reduziert die Zugängigkeit zur Anlage.
Aufgabenstellung
Aufgabe und Vorteil der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein verändertes Fertigungsverfahren und durch Umgestaltung der Pressenstruktur die Ausstossleistung und die Prozesssicherheit bei gesicherter Teilequalität weiter zu erhöhen, die Investitions- und Betriebskosten zu senken, den energetischen Aufwand zu reduzieren sowie das Einsatzgebiet um nichtmetallisches Teilesortiment zu erweitern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere detaillierte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, das unbearbeitete Werkstück stationär zu klemmen und bei stationärer Klemmung mittels eines im Maschinentischbereich angeordneten Antriebssystems herzustellen, indem der obere Stößel als Blechhalterstößel zum Blechhalten ausgebildet ist und von einem im Unterflur angeordneten Antrieb während des Schließhubes unbelastet zum Stillstand und in Spannstellung gebracht werden kann und dass nach der stationären und stabilen Verspannung des unbearbeiteten Werkstückes das als Unterwerkzeug ausgebildete aktive Ziehwerkzeug die Verformung durchführt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung entstehen insbesondere beim Betreiber u. a. folgende Vorteile:
Durch die erfindungsgemäße Veränderung des Wirkprinzips und der Verfahrensschritte für die Teileherstellung erhöht sich die Prozeßsicherheit, weil die Anzahl und die Dauer von Kurzzeitstörungen auf Grund des robusten und anspruchslosen Fertigungsverfahrens gesenkt werden, wodurch sich der Nutzungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit erhöht. Darüber hinaus ist auf Grund des veränderten Prozessablaufess und der einfachen Maschinenstruktur eine deutliche Erhöhung der üblichen Ausstoßleistung möglich. Die mit der Erfindung vorgeschlagene Veränderung des Fertigungsverfahrens erfordert nicht mehr den Antrieb vom Kopfstück mit seinen Antriebselementen, wie Kupplung, Bremse, Schwungrad, Zahnradgetriebe und Hebelsystem, wodurch sich die Bauhöhe der Anlage deutlich reduziert. Die Antriebsleistung der Anlage kann gesenkt werden, weil dominant nur die Arbeit zur Teileherstellung aufgebracht werden muß. Die Aufwände für die beim Stand der Technik übliche instationäre Blechklemmung für den Angleichsprozeß entfallen. Die Aufwände zur Realisierung einer energiearmen Blechklemmung beim Passivziehen entfallen ebenfalls. Der Anspruch einer soliden Führung des Blechhalterstößels ist untergeordnet.
Durch den veränderten Fertigungsablauf ergeben sich Möglichkeiten, sowohl metallische als auch andere Werkstücke und auch Tailored Blanks effizient umzuzuformen.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgendem näher beschrieben.
Es zeigen
1a Weg-Zeit-Diagramm des Blechhalterstößels und des Ziehstößels bei stationärer Werkstückklemmung eines unbearbeiteten Blechteiles
1b Weg-Zeit-Diagramm des Blechhalterstößels und des Ziehstößels bei instationärer Werkstückklemmung eines Blechteiles beim Stand der Technik.
2 Wirkmechanismus beim erfindungsgemäßen Verfahrensablauf für die metallische Blechumformung.
3 Wirkmechanismus beim erfindungsgemäßen Verfahrensablauf für die metallische Blechumformung mit 2. Umformstufe zur Versteifung eines Blechbodens.
4 Wirkmechanismus beim erfindungsgemäßen Verfahrensablauf für die metallische Blechumformung mit Blechklemmung durch synchronisierte Servoantriebe und aktivwirkendes Pneumatikkissen als Ziehstößel
5 Wirkmechanismus beim erfindungsgemäßen Verfahrensablauf für die metallische Blechumformung mit mechanisch synchronisierter und servomotorisch angetriebener Blechklemmung einer Mehrstößelpresse mit Ziehstößel nach 2
Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Wirkmechanismus nach dem Weg Zeitverlauf nach 1a dargestellt.
Das Oberwerkzeug 1 ist als Blechhalter ausgebildet und am Biechhalterstößel 9 befestigt. Der Blechhalterstößel 9 ist über Führungselemente 7 mit Antriebselementen des Maschinentisches 12 wirkverbunden.
Im Maschinentisch 12 sind zum schnellen Heben und Senken des Blechhalterstößels 9 und zum stationären Verspannen des zum Umformen eingelegten Blechteiles 2 bevorzugt mehrere Kurbeltriebpaare, bestehend aus mindestens zwei Pleuels 10 und mindestens zwei Exzenterwellen 11 angeordnet, die über Schneckenradgetriebe 16 und über ein Mittelgetriebe 18 bevorzugt von einem Hydromotor 19 angetrieben werden.
Das zum Umformen des Werkstückes 2 erforderliche Ziehwerkzeug 5 ist auf dem Ziehstößel 15 befestigt. Der zum Umformen im Maschinentisch 12 geführte Ziehstößel 15 wird von an ihm befestigten Kolbenstangen 14 der Arbeitszylinder 13 angetrieben.
Das erforderliche Antriebsaggregat 42, bestehend aus einer Hydraulikpumpe 20, einem Hydraulikspeicher 25 mit Ölbehälter 26 und die entsperrbaren Rückschlagventile 21, 22, 23, 24 zum Betreiben des Ziehstößels 15 einerseits und der Hydromotor 19 zum Antrieb des Oberwerkzeughalters 9 andererseits sind unter Flur angeordnet.
Für komplizierte Ziehteile und zum Streckziehen sind im Maschinentisch 12 und bzw. oder im Ziehstößel 15 Kurzhubzylinder 27 bzw. 28 einsetzbar. Sie sind während des Umformprozesses sowohl einzeln als auch in Gruppen aktiv und mit geringstem Anspruch steuer- bzw. regelbar.
Nach dem Einlegen des unbearbeiteten Werkstückes 2 auf den stationären Blechhaltering 3 wird der Hydromotor 19 aktiviert. Mit hoher Geschwindigkeit ziehen die Exzenter mittels der am Maschinentisch 12 dreh- bzw. schwenkbar gelagerten Exzenterwellen 11 und mittels der Pleuels 10 den unterausbalancierten und unbelasteten Oberwerkzeughalter 9 mit dem Oberwerkzeug 1 auf das Werkstück 2 und verspannen es stationär über den Ziehring 3 mit dem Maschinentisch 12. Durch Öffnen der Ventile 21 und 23 wird der aktive Umformprozess eingeleitet. Die Druckkolben 14 der Hydraulikzylinder 13 wirken auf den Ziehstößel 15, der sich mit dem Ziehwerkzeug 6 nach oben bewegt und dadurch das verspannte und unbearbeitete Werkstück 2 in das Oberwerkzeug 1 drückt und zum Werkstück 2 verformt. Nach dem Schließen der Ventile 21 und 23 und Öffnen der Ventile 22 und 24 erreicht der Ziehstößel 16 schnell seine Ausgangslage. Zeitgleich hebt auch der Oberwerkzeughalter 9 vom Werkstück 2 ab und eilt in seine Werkstückentnahmeposition 44. Das fertiggeformte Werkstück 2 kann zur weiteren Bearbeitung entnommen werden.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 zeigt das geschlossene Werkzeug nach dem Wirkprinzip nach 2 mit einem in einer 2. Stufe umgeformten Werkstück 2 bei Beibehaltung der stationären Klemmung in der Werkstückspannstellung 43. Die 2. Umformstufe beginnt, nachdem das Ziehwerkzeug 5 das Werkstück 2 in das obere Werkzeug 1 gedrückt hat. über nicht dargestellte Steuerelemente wirkt der Stempel 32, durch die Arbeitszylinder 33 angetrieben, auf das Werkstück 2.
Das Ausführungsbeispiel nach 4 zeigt bei Beibehaltung der stationären Werkstückklemmung die Möglichkeit, mittels des am Maschinentisch 12 angeordneten Antriebsaggregat den Blechhalterstößel 9 durch Verstellantrieb 36 mit mindestens einem Servomotorantrieb 37 schnell zu heben und zu senken. Seine Antriebsleistung wird durch die steuerbare Ausbalancierung, bestehend aus dem Kolben 29, den entsperrbaren Rückschlagventilen 30, 31 und den Druckluftbehältern 45 und 46 optimiert.
Nach dem Schließen des Blechhalterstößels 9 durch den Servomotorantrieb 37 wird das Werkstück 2 gespannt und der Umformprozess eingeleitet, indem das Ventil 24 öffnet. Die gespeicherte Druckluft im Pneumatikkolben 39 wirkt auf den Pneumatikzylinder 38 und dieser auf den Ziehstößel 15. Die im Werkzeugwechseltisch 34 geführten Druckbolzen 35 schieben den im Unterwerkzeug 6 geführten Ziehwerkzeug 5 in das Oberwerkzeug 1 und verformen das eingespannte Werkstück 2.
Eine weitere Erhöhung der Rücklaufgeschwindigkeit des Ziehwerkzeuges 5 ist möglich, wenn anstatt des Druckspeichers 25 der alternative Einsatz eines pneumo-hydraulischen Druckübersetzers 40 wirksam wird.
Das Ausführungsbeispiel nach 5 zeigt eine Möglichkeit des erfindungsgemäßen Antriebs des Blechhalterstößels 9 der Kopfpresse und für die Folgepressen zur Fertigbearbeitung bei einer Mehrstößelpresse. Bei der dargestellten Variante sind die Oberwerkzeughalter 9 im Maschinentischbereich 12 formschlüssig über Getriebe 41 und Wellen 17 wirkverbunden und werden durch einen Servoantrieb 37 synchron geöffnet und geschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Oberwerkzeug
2: Werkstück
3: Blechhalterring
4: Klemmbolzen
5: Ziehwerkzeug
6: Unterwerkzeug
7: Zug- und Führungselemente
8: Führung Oberwerkzeughalter
9: Oberwerkzeughalter
10: Pleuel
11: Exzenterwelle
12: Maschinentisch
13: Arbeitszylinder zum Ziehstößel
14: Kolbenstange zum Ziehstößel
15: Ziehstößel
16: Schneckenrad
17: Verbindungswelle
18: Mittelgetriebe
19: Hydromotor
20: Hydraulikpumpe
21: Entsperrbares Rückschlagventil
22: Entsperrbares Rückschlagventil
23: Entsperrbares Rückschlagventil
24: Entsperrbares Rückschlagventil
25: Speicher
26: Ölwanne
27: Kurzhubzylinder im Ziehstößel
28: Kurzhubzylinder
29: Kolben zum Gewichtsausgleich
30: Entsperrbares Rückschlagsventil
31: Entsperrbares Rückschlagsventil
32: 2. Ziehstößel
33: Arbeitszylinder
34: Werkzeugwechseltisch
35: Druckbolzen
36: Verstellantrieb
37: Servomotor
38: Pneumatikzylinder
39: Pneumatikkolben
40: Pneumo-hydraulischer Druckübersetzer
41: Getriebe
42: Antriebssystem
43: Werkstückspannstellung
44: Werkstückentnahmeposition
45: Druckluftbehälter
46: Druckluftbehälter

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 4006101 A1 [0003]
DE 4112942 A1 [0005]
EP 0716916 A1 [0005]
DE 3935011 A1 [0005]
EP 0074421 A1 [0006]
DE 3807683 A1 [0006]
DE 19639220 A1 [0006]
DE 19639222 A1 [0006]
EP 0330718 A1 [0007]
DE 19541693 A1 [0007]
DE 4218914 A1 [0007]
DE 4028921 A1 [0010]
DE 4100716 A1 [0010]
DE 4101606 A1 [0010]
DE 4121869 A1 [0010]
WO 2012/139566 A2 [0010]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten und zur Formgebung metallischer und anderer Werkstoffe und Werkzeugmaschine mit einem im Bereich des Maschinentisches (12) angeordneten Antriebssystems (42) für den verfahrensorientierten Kraftfluß und Bewegungsablauf der Funktionselemente zwecks Realisierung der Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug (1) als Spann- und Klemmeinrichtung ausgeführt ist und vom Oberwerkzeughalter (9) mittels an ihm wirkverbundenen Maschinenelementen, bestehend aus mindestens zwei Zugelementen (7), mindestens zwei Pleuels (10) und mindestens zwei Exzenterwellen (11) schnell und geräuscharm von der Werkstückentnahmeposition (43) in die stationäre Werkstückspannstellung (44) gebracht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Maschinentisch (12) geführte untere Werkzeughalter (15) mit dem Unterwerkzeug (5) die Bearbeitung des stationär gespannten Werkstückes (2) durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im geschlossenen Werkzeug weitere Bearbeitungsstufen (3, Pos. 32) ausführbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeinsatz zum Heben und Schließen des Oberwerkzeughalters (9) mit Oberwerkzeug (1) mittels eines Schwenkantriebs, bestehend aus mindestens zwei Pleuels (10) und mindestens zwei Exzenterwellen (11), sowie einer steuerbaren Ausbalancierung, bestehend aus den Kolben zum Gewichtsausgleich (29), den entsperrbaren Rückschlagventilen (30 und 31) und den Druckluftbehältern (45 und 46) minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsbedarf zum schnellen Heben und Senken des oberen Oberwerkzeughalters (9) und Oberwerkzeug (1) mittels eines Servomotors (37) und einer steuerbaren Ausbalancierung, bestehend aus dem Kolben zum Gewichtsausgleich (29), den entsperrbaren Rückschlagventilen (30 und 31) und den Druckluftbehältern (45 und 46) minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitversatz zwischen Werkstückspannen und Ziehbeginn sowie Ziehende und Werkstückentspannen programmierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Programmierbarkeit der zeitvarianten Druck-, Geschwindigkeits- und Wegverläufe des Ziehwerkzeuges (5) und durch Variabilität des Druckverlaufes beim stationären Blechhalten die werkstoffspezifischen Eigenschaften und Einflußgrößen beim Umformen von metallischen und anderen Werkstoffen (z. B. Kunststoff) berücksichtigt werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrstößelpressen der obere Werkzeughalter (9) der Kopfpresse zum stationären Blechhalten und die oberen Werkzeughalter der Folgepressen mit Aktivwerkzeugen zur Fertigstellung der Werkstücke betreibbar sind.