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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Windungskörpers.
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Ein Windungskörper bezeichnet eine dreidimensionale geometrische Struktur, bei der ein langgestrecktes Element (insbesondere Draht) mit einer oder mehreren Windungen schraubenlinienförmig um eine Windungsachse geführt ist. Windungskörper spielen im Stand der Technik vor allem als Spulen und Federelemente eine bedeutende Rolle.
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Spulen werden schraubenlinienförmig aus einem elektrisch leitenden Draht (insbesondere Kupferdraht) gewickelt. Um den Draht auf die ferromagnetischen Kerne von dynamoelektrischen Maschinenteilen, wie etwa Ankern oder Statoren, zu wickeln, werden üblicherweise Drahtwickelmaschinen eingesetzt. Von einem als Flyer bezeichneten rotierenden Arm wird dabei der Draht abgewickelt. Der Flyer rotiert wiederholt um den Kern und deponiert dabei Drahtwindungen, um vollständige Spulen oder Spulengruppen zu bilden (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Spulenwickeltechnik).
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Federelemente sind Maschinenelemente, die in zahlreichen Anwendungsbereichen in großen Stückzahlen und unterschiedlichen Ausgestaltungen benötigt werden. Schraubenfedern, die auch als gewundene Torsionsfedern bezeichnet werden, werden in der Regel aus Federdraht hergestellt und je nach der bei der Nutzung vorliegenden Belastung als Zugfedern oder Druckfedern ausgelegt. Zur Herstellung von links- und rechtsgewickelten Schraubenfedern zylindrischer, konischer, doppelkonischer, konkaver oder sonstiger Form mit gleichmäßiger oder variabler Steigung werden heute üblicherweise numerisch gesteuerte mehrachsige Federbiege- bzw. Federwindemaschinen eingesetzt (siehe http://www.drahtmagazin.de/draht-fachartikel/biegen-und-winden-mit-cnc_12673_de/).
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Aus
DE 43 06 895 C1 ,
DE 43 45 483 A1 ,
US 1 989 750 A ,
DE 10 2006 040 163 A1 ,
EP 0 965 399 A2 und
DE 889 888 B sind jeweils Herstellungsverfahren bzw. -vorrichtungen bekannt, um Windungskörper in der Form von Schraubenfedern oder Ringen zu erzeugen, deren Drahtquerschnitte zwar jeweils über die gesamte Drahtlänge einheitlich, jedoch durch entsprechende Umformwerkzeuge in einen vom runden Ausgangsquerschnitt abweichenden, profilierten Querschnitt überführt worden sind.
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Zur Herstellung von Spulen bzw. Spulengruppen (z. B. für Elektromotoren) und von Schraubenfedern werden im häufigsten und einfachsten Fall Runddrähte verwendet. Um anwendungsbezogen höhere Bauteilqualitäten zu erzielen, kann es jedoch erforderlich sein, wenigstens abschnittweise keine runden Drahtquerschnitte im Windungskörper (Spule oder Schraubenfeder) zu haben. Viereckige oder ähnliche Querschnitte bieten hier - wie im Nachfolgenden näher erläutert - deutliche Vorteile.
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Werden bei der Spulenherstellung Drähte mit kreisrundem Querschnitt (Runddrähte) verwendet, verbleiben auch bei der dichtest möglichen Packung zwischen den aneinandergrenzenden Windungen des Runddrahtes freie Zwischenräume. Diese Zwischenräume bedingen eine verminderte Packungsdichte der Drahtwindungen und somit einen begrenzten Füllfaktor des Spulenraums mit Draht. Dies wirkt sich wiederum negativ auf den Wirkungsgrad und somit die erreichbare Leistung der jeweiligen elektrischen Maschine aus.
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Mit der niedrigen Packungsdichte bzw. dem niedrigen Füllfaktor geht auch eine schlechte Wärmeableitung der aus Runddraht gewickelten Spule einher. Um ein Motorgehäuse optimal zu füllen und dessen Bauraum optimal auszunutzen, sodass auf der Spulenseite relativ viel Drahtmaterial (z. B. Kupfer oder Aluminium) für den elektromagnetischen Betrieb der jeweiligen elektrischen Maschine bzw. des jeweiligen Elektromotors zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft die Spule in Drahtlängsrichtung wenigstens abschnittsweise mit einem veränderten (insbesondere rechteckigen oder sonstigen unrunden) Drahtquerschnitt zu versehen.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere von Vorteil, die Querschnittsfläche des Drahtes im Verlauf der Windungen entlang der Spulenlängsachse kontinuierlich zu verändern, d. h. kontinuierlich zu vergrößern oder zu verkleinern. Durch diese kontinuierliche Veränderung der Querschnittsfläche wird es möglich, die Spule an einen zur Verfügung stehenden Bauraum (z. B. eine Nut) optimal anzupassen, um so einen möglichst hohen Füllfaktor zu erzielen.
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Auch bei z. B. im Kraftfahrzeugbau als Druckfedern eingesetzten Schraubenfedern lassen sich durch Nutzung eines unrunden Drahtquerschnittes beachtliche Vorteile realisieren. So lässt sich der Außendurchmesser der Schraubenfeder und damit eines umgebenden Bauteiles (z. B. eines Mantelrohres) verringern und / oder eine höhere Federkraft und / oder eine höhere Lebensdauer erreichen, da der für die Schraubenfeder zur Verfügung stehende Raum innerhalb des umgebenden Bauteiles (z. B. des Mantelrohres) besser vom Drahtmaterial der Schraubenfeder ausgenutzt werden kann, indem das Gesamtvolumen eines unrunden Formdrahtes der Schraubenfeder größer vorgesehen wird als bei Einsatz eines entsprechenden Runddrahtes.
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Auch lässt sich die aus unrundem Formdraht hergestellte Schraubenfeder (insbesondere Schraubendruckfeder) leichter und billiger mit der nötigen Präzision wickeln, als es bei Verwendung eines Runddrahtes der Fall ist. Des Weiteren kann durch eine sich in Drahtlängsrichtung kontinuierlich verändernde Querschnittsfläche der Schraubenfeder die Federkennlinie in gewünschter Weise angepasst werden, beispielsweise um einen stufenlos progressiven Verlauf im Kraft-Weg-Diagramm zu erhalten.
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Trotz der vorerläuterten bedeutenden technologischen Vorteile von Windungskörpern mit einem wenigstens abschnittsweise in Drahtlängsrichtung veränderten (z. B. rechteckigen oder sonstigen unrunden) Drahtquerschnitt sind bislang für ihre Herstellung keine großserientauglichen Verfahren und Vorrichtungen verfügbar. Vielmehr kann bislang ein veränderter (insbesondere unrunder) Drahtquerschnitt im Regelfall nur unter Anwendung einer Sondervorrichtung bzw. eines Sonderverfahrens, wie beispielsweise durch Erodieren oder durch zerspanende Bearbeitung (z. B. Fräsen, Unrund-Drehen, Unrund-Schleifen) eines Runddrahtes, erhalten werden. Erst in einem davon separaten nachfolgenden Umformschritt wird der im Querschnitt veränderte (z. B. partiell unrunde) Draht zum gewünschten Windungskörper (Spule oder Federelement) gewunden bzw. gebogen. Eine derart komplexe Prozesskette macht die Herstellung des Windungskörpers aber zu einem sehr aufwendigen und somit teuren Unterfangen.
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In Anbetracht der vorgenannten Nachteile liegt die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es erlauben, einen Windungskörpers mit einem (wenigstens abschnittsweise) veränderten (insbesondere unrunden) Drahtquerschnitt auf einfache und somit kostengünstige Weise herzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Windungskörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung eines Windungskörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Windungskörpers aus einem in einer Zuführrichtung zugeführten Draht umfasst einen Umformschritt, bei dem auf den Draht bei einem Ziehen oder einem Pressen durch wenigstens ein Querschnittsumformwerkzeug eine Querschnittsänderung aufgebracht wird, und einen Umformschritt, bei dem der Draht um eine Windungsachse gebogen wird, wobei die beiden vorgenannten Umformschritte in beliebiger Reihenfolge und Anzahl ausgeführt werden, um einen Windungskörper mit mehreren Windungen und einem veränderten Drahtquerschnitt zu erhalten.
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Der in der Erfindung verfolgte Ansatz zur Steigerung der Effizienz in der Fertigung von Windungskörpern mit einem gegenüber dem runden Ausgangsquerschnitt veränderten Drahtquerschnitt besteht darin, die Herstellung auf zwei Umformschritte aufzuteilen. In einem ersten Umformschritt wird eine Querschnittsänderung des Drahtes mittels Ziehens oder Pressens durch ein Querschnittsumformwerkzeug erzeugt und in einem zweiten Umformschritt wird ein Biegen des Drahtes um die Windungsachse zur Erzeugung eines Windungsabschnittes oder einer vollen Windung mittels eines entsprechenden Biegewerkzeuges vorgenommen. Beide vorgenannten Umformschritte können in beliebiger Reihenfolge zueinander durchgeführt und in beliebiger Anzahl wiederholt werden. So können entlang einer Windung die beiden Umformschritte Querschnittsänderung und Biegen in einer bestimmten, an die herzustellende Windungsform und an den herzustellenden Drahtquerschnittsverlauf angepassten Abfolge durchgeführt werden. Diese Abfolge wird dann im Fall eines in Richtung der Windungsachse gleichmäßig aufgebauten Windungskörpers für jede Windung identisch wiederholt oder im Fall eines in Richtung der Windungsachse ungleichmäßig aufgebauten Windungskörpers von Windung zu Windung oder von Windungsgruppe zu Windungsgruppe abgeändert. Vorstellbar ist auch eine gleichzeitige Ausführung beider Umformschritte durch ein kombiniertes Querschnittsumform- und Biegewerkzeug.
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Gegenüber konventionellen Verfahren zur Herstellung von Spulen oder Federn mit zumindest abschnittsweise verändertem (insbesondere unrundem) Drahtquerschnitt muss auf kein spezialisiertes Sonderverfahren (z. B. auf Zerspanungs- oder Erodiertechniken) zurückgegriffen werden. Der Windungskörper wird erfindungsgemäß allein durch eine umformende Bearbeitung eines Runddrahtes erhalten.
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Die für die beiden Umformschritte benötigten Umformwerkzeuge (Querschnittsumformwerkzeug und Biegewerkzeug) können auf einer einzigen Umformmaschine zusammengefasst werden, wodurch sich die Maschinen- bzw. Werkzeugkosten ebenso wie die Herstellzeit (Fertigungszeit) erheblich reduzieren lassen. Durch gesteuertes Verstellen des Querschnittsumformwerkzeuges und / oder des Biegewerkzeuges können (z. B. hinsichtlich Werkstoff und / oder Geometrie und / oder Windungsanzahl) unterschiedliche Windungskörper mit minimalem Aufwand auf ein und derselben Umformmaschine hergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kommt in vorteilhafter Weise ohne ein kostenintensives Zerspanen oder Erodieren und einen damit einhergehenden Materialverlust aus. Aufgrund der aus dem Umformen resultierenden ununterbrochenen Faserverläufe weisen die hergestellten Windungskörper (z. B. Spulen oder Federelemente) zudem eine sehr hohe Festigkeit und Robustheit auf.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der durch das Querschnittsumformwerkzeug gezogene oder gepresste Draht in Drahtlängsrichtung wenigstens abschnittsweise mit einem unrunden, insbesondere mit einem ovalen und / oder einem rechteckförmigen und / oder einem abgerundet rechteckförmigen und / oder einem trapezförmigen Drahtquerschnitt versehen.
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Die unrunde Querschnittsgeometrie des Drahtes wird beim Ziehen oder Pressen des Runddrahtes durch eine entsprechende formgebende Öffnung des Querschnittsumformwerkzeuges erzielt, wodurch eine gewünschte Umformung des Drahtes in Form einer Querschnittsabnahme erreicht wird. Vor dem Ziehen oder Pressen kann der Draht allerdings auch einer Wärmebehandlung unterworfen werden, um zum Beispiel ein günstiges metallographisches Zieh- bzw. Pressgefüge zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird das Querschnittumformwerkzeug beim Durchziehen oder Durchpressen des runden Drahtes derart verstellt, dass der Draht mit einem sich in Drahtlängsrichtung verändernden, insbesondere kontinuierlich verändernden Drahtquerschnitt ausgebildet wird.
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Die Verstellung des Querschnittsumformwerkzeuges kann derart erfolgen, dass Werkzeugelemente des Querschnittsumformwerkzeuges während des Zieh- oder Pressvorganges in radialer Richtung des Drahtes relativ zueinander bewegt, d. h. aufeinander zu- oder voneinander wegbewegt werden. Durch die radiale Verstellbewegung der Werkzeugelemente werden der formgebende Zwischenraum zwischen den einzelnen Werkzeugelementen und folglich auch der durch diesen Zwischenraum gezogene oder gepresste Querschnitt des Drahtes verändert.
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Gemäß noch einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird auf den Draht beim Ziehen oder Pressen durch das Querschnittsumformwerkzeug gleichzeitig eine Längenänderung aufgebracht, sodass der nach dem Querschnittsumformwerkzeug erhaltene Drahtquerschnitt im Flächeninhalt vergrößert oder verkleinert ist.
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Der Flächeninhalt des kreisförmigen Ausgangsquerschnittes des Runddrahtes muss demzufolge vorteilhafterweise nicht identisch mit dem Flächeninhalt des unrunden Endquerschnittes des gezogenen oder gepressten Formdrahtes sein. Durch Überlagerung mit einer axialen Streck- oder Stauchkraft wird beim Ziehen bzw. Pressen des Drahtes durch das Querschnittsumformwerkzeug gleichzeitig eine Längenänderung des Drahtes bewirkt, wodurch eine Querschnittsverkleinerung oder -vergrößerung des erhaltenen Formdrahtes kompensiert werden kann. Auf diese Weise kann ein Windungskörper mit einem bezüglich des Flächeninhalts in Drahtlängsrichtung kontinuierlich zu- oder abnehmendem Drahtquerschnitt erzeugt werden. Ein solcher Drahtquerschnittsverlauf gestattet es, zum Beispiel den Windungskörper (insbesondere eine Spule für eine elektrische Maschine) optimal an ein begrenztes Bauraumvolumen anzupassen und somit einen möglichst hohen Füllfaktor zu erreichen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Biegewerkzeug derart eingestellt wird, dass im Windungskörper ein Windungsabstand von Null oder einem vorbestimmten Wert größer Null hergestellt wird.
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Mittels des Biegewerkzeuges können somit verschiedene Steigungen (Spalte zwischen den benachbarten Windungen) des Windungskörpers eingestellt werden. Auch ist es durch eine variable Steuerung des Biegewerkzeuges möglich, einen Windungskörper mit einer entlang seiner Längserstreckung veränderlichen Steigung zu versehen. In Kombination mit einer mittels eines steuerbaren Querschnittsumformwerkzeuges realisierten variablen Drahtquerschnittsgeometrie lassen sich beispielsweise Federelemente mit einer nahezu beliebigen progressiven oder degressiven Kennlinie und geringen Einbauhöhe herstellen.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querschnittsänderung und das Biegen des Drahtes als in Drahtlängsrichtung kontinuierlich oder diskontinuierlich aufeinanderfolgende Verfahrensschritte durchgeführt werden.
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Indem die beiden Umformschritte, nämlich zur Querschnittsänderung des Drahtes und zum Biegen des Drahtes um die Windungsachse, als in einer Drahtzuführrichtung kontinuierlich aufeinanderfolgende Verfahrensschritte ausgeführt werden, können Windungskörper mit wenigstens abschnittsweise unrundem Drahtquerschnitt in besonders zeitsparender und somit wirtschaftlicher Weise sowohl in Kleinstmengen als auch in Großserien hergestellt werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass bei der Querschnittsänderung und / oder beim Biegen des Drahtes diskontinuierlich gearbeitet wird. So kann der Querschnitt eines Drahtabschnittes (ggf. ein- oder mehrstufig) in diskontinuierlicher Arbeitsweise dadurch umgeformt werden, dass der zugeführte Draht zunächst positioniert und anschließend die Drahtzuführbewegung gestoppt wird. Im gestoppten Zustand wird auf den zugeführten und positionierten Drahtabschnitt ein Hub ausgeübt, um ihn (z. B. unter Ausbildung eines rechteckförmigen Drahtquerschnittes) durch das Querschnittsumformwerkzeug zu pressen. Die diskontinuierliche Arbeitsweise gewährleistet eine hohe Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit des Pressvorganges. Erst danach wird die Drahtzuführung wieder gestartet, um am Draht den nächsten Umformschritt (Querschnittsänderung oder Biegen) durchzuführen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Querschnittsänderung und / oder das Biegen des Drahtes in mehreren Stufen, indem mehrere Querschnittsumformwerkzeuge und / oder mehrere Biegewerkzeuge in Drahtlängsrichtung hintereinander geschaltet werden.
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Beim Ziehen, Pressen oder Biegen des Drahtes in mehreren Stufen ist ein größerer Umformgrad erzielbar als bei einem entsprechenden einstufigen Umformprozess. Mittels einer geeigneten Gestaltung der einzelnen Umformwerkzeuge und der somit nach jeder Umformstufe erhaltenen Zwischenformen des Drahtes kann zudem in der Endform des Drahtes ein besonders günstiger (unverletzter) Faserverlauf selbst bei komplexen Formen erzeugt werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Windungskörpers, die insbesondere zur Durchführung eines vorbeschriebenen Verfahrens geeignet ist, umfasst eine Drahtzuführung zur Zuführung eines Drahtes in einer Zuführrichtung, wenigstens ein Querschnittsumformwerkzeug zur Querschnittsänderung des durch das Querschnittsumformwerkzeug gezogenen oder gepressten Drahtes und wenigstens ein Biegewerkzeug zum Biegen des Drahtes um eine Windungsachse.
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Die Reihenfolge und Anzahl der Querschnittsumform- und Biegewerkzeuge in Zuführrichtung des Drahtes werden in der erfindungsmäßen Vorrichtung geeignet gewählt, damit durch sie der gewünschte Windungskörper (mit der gewünschten Windungsform und dem gewünschten Drahtquerschnittsverlauf) erzeugt werden kann. Eine derart gestaltete Vorrichtung ist sehr einfach aufgebaut und daher mit vergleichsweise niedrigen Anschaffungskosten verbunden. Die Vorrichtung benötigt im einfachsten Fall lediglich zwei Werkzeugeinheiten: ein Querschnittsumformwerkzeug zur Querschnittsänderung des Drahtes und ein Biegewerkzeug zum Biegen des Drahtes in mehreren Windungen um die Windungsachse. Diese beiden Umformwerkzeuge können in einer einzigen Umformmaschine miteinander kombiniert werden, wodurch zu einer bedeutenden Verkleinerung und einfacheren Realisierung des Windungskörper-Herstellungssystems beigetragen wird. Die Anordnung von Querschnittsumformwerkzeug und Biegewerkzeug kann an die jeweiligen Anbindungsmöglichkeiten der Umformmaschine angepasst werden. Prinzipiell kann die Querschnittsänerung des Drahtes sowohl vor als auch erst nach dem Biegen des Drahtes erfolgen.
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Außerdem zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch ihre hohe Flexibilität aus, da sie in der Lage ist, sowohl in Bezug auf die geometrischen Parameter (z. B. Drahtquerschnittsgeometrie oder Windungsanzahl) als auch in Bezug auf das eingesetzte Drahtmaterial (z. B. Kupfer oder Aluminium) sehr unterschiedliche Windungskörper zu erzeugen. Über eine entsprechende Steuerung können das Querschnittsumformwerkzeug und das Biegewerkzeug (auch noch während des Zieh- oder Pressvorganges) derart verstellt werden, dass im Windungskörper die gewünschte (evtl. auch veränderliche) Drahtquerschnitts- und Windungsgeometrie erhalten wird.
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Erfindungsgemäß umfasst das Querschnittsumformwerkzeug mehrere in einem bestimmten Winkelabstand voneinander um den Umfang des Drahtes angeordnete Werkzeugelemente. Der Draht wird in axialer Zieh- oder Pressrichtung durch das Querschnittsumformwerkzeug gezogen bzw. gepresst. Der formgebende Zwischenraum zwischen den einzelnen Werkzeugelementen bestimmt dabei die Querschnittsgeometrie des gezogenen oder gepressten Formdrahtes. Indem die Werkzeugelemente in ihrem Abstand zueinander verstellbar ausgeführt werden, kann auf einfache Weise eine Veränderung dieses Zwischenraums und somit der erzeugten Querschnittsgeometrie des Drahtes herbeigeführt werden.
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Weiter ist erfindungsgemäß wenigstens ein Werkzeugelement in radialer Richtung quer zur Zieh- oder Pressrichtung des Drahtes verstellbar.
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Aufgrund dieser radialen Verstellbarkeit wird es möglich, die radiale Position der den Drahtumfang kontaktierenden Aktiv- bzw. Wirkfläche des Werkzeugelements derart zu verändern, dass über eine vorgebbare Längserstreckung des Drahtes eine gewünschte Umformkraft auf den Draht ausgeübt wird. Beispielsweise kann in einer solchen Anordnung der Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Werkzeugelementen vergrößert oder verkleinert werden, wodurch die durch diesen Abstand definierte Querschnittsabmessung des Drahtes einfach eingestellt werden kann.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist wenigstens ein Werkzeugelement in radialer Richtung quer zur Zieh- oder Pressrichtung des Drahtes ortsfest gehalten.
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Durch die ortsfeste Ausführung des Werkzeugelements ist der Draht entlang des von diesem Werkzeugelement kontaktierten Umfangsabschnittes in seiner Endform genau festgelegt, ohne dass es einer Verstellung des Werkzeugelements bedarf.
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Insbesondere kann nach einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung das Umformwerkzeug vier in rechtem Winkel zueinander um den Umfang des Drahtes angeordnete Werkzeugelemente umfassen.
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Diese Ausgestaltung des Querschnittsumformwerkzeuges erlaubt es in besonders einfacher Weise, auf den zugeführten Runddraht eine Querschnittsänderung aufzubringen. Die vier jeweils radial nach innen gewandten Flächen der in Drahtumfangsrichtung um 90° voneinander beabstandeten Werkzeugelemente bilden Aktiv- bzw. Wirkflächen, die auf den Draht beim Durchlaufen von vier Seiten her einen gleichmäßigen Umformdruck ausüben. Durch eine radiale Verstellung der Werkzeugelemente kann der gegenseitige Abstand und somit der formgebende Zwischenraum zwischen diesen Aktiv- bzw. Wirkflächen (auch noch im Verlaufe des Zieh- bzw. Pressvorganges) zur entsprechenden Anpassung der Drahtquerschnittsgeometrie variiert werden.
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Vorzugsweise können alle vier Werkzeugelemente in radialer Richtung quer zur Zieh- oder Pressrichtung des Drahtes verstellbar sein.
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Insbesondere werden die beiden bezüglich der Drahtlängsachse diametral gegenüberliegenden Werkzeugelemente jeweils gleichzeitig aufeinander zu- bzw. voneinander wegbewegt, um die in dieser radialen Richtung verlaufende Querschnittsabmessung des Drahtes schnell einstellen zu können. In Kombination mit einer entsprechenden kompensierenden Drahtlängenänderung sind auf diese Weise beliebige rechteckförmige Querschnitte des gezogenen bzw. gepressten Drahtes realisierbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei einander gegenüberliegende Werkzeugelemente in radialer Richtung quer zur Zieh- oder Pressrichtung des Drahtes verstellbar sind und die anderen beiden einander gegenüberliegenden Werkzeugelemente in radialer Richtung quer zur Zieh- oder Pressrichtung des Drahtes ortsfest gehalten sind.
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Somit wird eine Querschnittsabmessung des gezogenen bzw. gepressten Formdrahtes durch den zwischen den beiden ortsfesten Werkzeugelementen vorliegenden Abstand festgelegt. Die andere, hierzu um 90° versetzte Querschnittsabmessung des gezogenen bzw. gepressten Formdrahtes ist hingegen durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstandes zwischen den beiden beweglichen Werkzeugelementen beliebig einstellbar. Eine dadurch hervorgerufene Veränderung des Querschnittsflächeninhalts des erzeugten Formdrahtes kann über eine Längenänderung des zugeführten Runddrahtes kompensiert werden.
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In einer weiteren, nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform können alle vier Werkzeugelemente in radialer Richtung quer zur Zieh- oder Pressrichtung des Drahtes ortsfest gehalten sein.
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In einem solchen Fall ist das Querschnittsumformwerkzeug als ein mehrteiliges starres Zieh- bzw. Presswerkzeug ausgestaltet. Ein solcher Werkzeugaufbau ist besonders einfach, da keinerlei Motorik zur Erzeugung einer Werkzeugbewegung vorgesehen sein muss. Die Einstellung einer anderen Drahtquerschnittsgeometrie kann einfach durch Austausch des Querschnittsumformwerkzeuges erfolgen. Im Gegensatz zu bekannten einteiligen Ziehwerkzeugen (z. B. Ziehdüsen) müssen im mehrteiligen Querschnittsumformwerkzeug der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bedarfsfall nur einzelne, verschleißbehaftete Werkzeugelemente ausgewechselt werden.
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Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Werkzeugelement als um eine Innenachse drehbares Werkzeugelement, insbesondere als Rolle oder Walze ausgeführt ist.
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Indem die Werkzeugelemente als drehbar gelagerte Werkzeugelemente (z. B. als Rollen oder Walzen) ausgebildet sind, kann gegenüber in Zieh- oder Pressrichtung feststehenden Werkzeugelementen eine effektivere Umformung mit einem höheren Umformgrad erreicht werden. Außerdem wird die Drahtbewegung durch Verminderung der Reibung während des Zieh- bzw. Pressvorganges erleichtert.
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Gemäß noch einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Querschnittsumformwerkzeug zwei Werkzeugelemente, wobei das erste Werkzeugelement im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig und das zweite Werkzeugelement im Querschnitt im Wesentlichen flach ausgebildet ist und wobei die im Querschnitt offene Seite des ersten Werkzeugelements vom zweiten Werkzeugelement überdeckt ist, sodass zwischen den Werkzeugelementen ein Freiraum zum Durchziehen oder Durchpressen des Drahtes verbleibt.
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Eine solche Werkzeuganordnung zeichnet sich durch ihren äußerst einfachen Aufbau aus, da sie lediglich zwei Werkzeugelemente erfordert. Das U-förmig ausgebildete Werkzeugelement und das flach ausgebildete Werkzeugelement begrenzen dabei zwischen sich einen in Umfangsrichtung nahezu vollständig geschlossenen rechteckförmigen Freiraum, durch welchen der Runddraht zu einem Formdraht mit rechteckförmigem Querschnitt gezogen oder gepresst wird. Eine Änderung der Querschnittsgeometrie des Drahtes kann allein durch die radiale Verstellbewegung eines dieser beiden Werkzeugelemente bewirkt werden. Infolge dieser radialen Verstellbewegung wird der Abstand zwischen den Werkzeugelementen und somit der formgebende Freiraum vergrößert oder verkleinert, was wiederum zu einer entsprechenden Querschnittsvergrößerung oder -verkleinerung des durch diesen Freiraum gezogenen oder gepressten Drahtes führt.
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren weitere Details und Varianten bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung erläutert. Dabei zeigen:
- 1 Draufsicht auf einen erfindungsgemäß hergestellten Windungskörper einschließlich senkrechten Schnittansichten längs der Schnittlinien A-A und B-B;
- 2a bis 2f alternative Drahtquerschnitte für den Windungskörper längs der Schnittlinie A-A der 1;
- 3a bis 3e alternative Drahtquerschnitte für den Windungskörper längs der Schnittlinie B-B der 1;
- 4a und 4b verschiedene Reihenfolgen der im erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführten Umformschritte;
- 5a und 5b ein- und mehrstufige Prozessabfolge bei einer im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgenden Querschnittsänderung des Drahtes; und
- 6a bis 6d, verschiedene Ausführungsbeispiele eines in der erfindungsgemäßen Vor-6g und 6h richtung eingesetzten Querschnittsumformwerkzeuges jeweils in einer Schnittansicht senkrecht zur Drahtlängsrichtung; und
- 6e und 6f zwei Ausführungsbeispiele eines nicht in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Querschnittsumformwerkzeuges jeweils in einer Schnittansicht senkrecht zur Drahtlängsrichtung.
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In 1 ist ein Windungskörper 1 dargestellt, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt worden ist. Ein solcher Windungskörper 1 besteht aus einem Draht 2', der in fünf übereinanderliegenden Windungen W1, W2, W3, W4, W5 um eine zentrale, senkrecht aus der Zeichenebene heraustretende Windungsachse WA gebogen ist. Im gezeigten Beispiel verlaufen die einzelnen Windungen W1, W2, W3, W4, W5 in Draufsicht mit einer gleichbleibenden, annähernd rechteckigen Form um die Windungsachse W, sodass der Windungskörper 1 insgesamt eine annähernd quaderförmige Gestalt erhält. Die Windungen W1, W2, W3, W4, W5 weisen nur eine geringe Steigung auf, sodass sie spaltfrei aufeinanderzuliegen kommen. Durch eine entsprechend steuerbare Verstellung des zum Biegen des Drahtes 2' eingesetzten Biegewerkzeuges 5 lassen sich jedoch auch andere (z. B. zylindrische oder konische) Formen und Steigungen der Windungen W1, W2, W3, W4, W5 realisieren. Im Bedarfsfall kann die Windungsform und -steigung in Richtung der Windungsachse WA des Windungskörpers veränderlich eingestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind nicht auf die die Herstellung des in 1 gezeigten Windungskörpers 1 beschränkt. Insbesondere ist die Erfindung im Hinblick auf die Windungsanzahl des erzeugten Windungskörpers keinen Beschränkungen unterlegen. Lediglich aus Veranschaulichungsgründen wird in 1 auf die Darstellung eines Windungskörpers 1 mit fünf Windungen W1, W2, W3, W4, W5 zurückgegriffen.
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Der in 1 gezeigte Windungskörper 1 kann insbesondere als Spule eingesetzt werden. Aus diesem Grund ragen in 1 die beiden Drahtenden weit genug aus dem schraubenlinienförmig umlaufenden Windungskörper 1 heraus, um eine elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Jedoch ist es auch vorstellbar, einen Windungskörper als technisches Federelement, insbesondere als Schraubendruckfeder oder Schraubenzugfeder einzusetzen.
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Windungskörper (wie z. B. Spulen oder Federelemente) werden im Regelfall aus Runddraht 2 gebogen, wobei dann aber zwangsläufig Zwischenräume zwischen den kreisförmigen
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Drahtquerschnitten verbleiben. Um einen höheren Füllfaktor zu erreichen, sind mehreckige, bevorzugt rechteckförmige Drahtquerschnitte empfehlenswert. Solche unrunden Drahtquerschnitte ermöglichen die Realisierung von annähernd 100%igen Füllfaktoren.
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Dementsprechend handelt es sich bei dem in 1 zum Windungskörper 1 gebogenen Draht um einen Formdraht 2', d. h. um einen Draht, der wenigstens abschnittsweise einen unrunden Drahtquerschnitt aufweist. Wie aus der senkrechten Schnittansicht längs der Schnittlinie A-A ersichtlich, sind entlang einer langen Seite des quaderförmigen Windungskörpers 1 die übereinanderliegenden Windungen W1, W2, W3, W4, W5 jeweils mit einem flachen rechteckförmigen Drahtquerschnitt ausgebildet. Aufgrund des rechteckförmigen Drahtquerschnittes werden den Füllfaktor beeinträchtigende Zwischenräume zwischen den Drahtwindungen W1, W2, W3, W4, W5 eliminiert. Dadurch finden im Bereich der langen Seite des Windungskörpers 1 alle Windungen W1, W2, W3, W4, W5 Platz in einem beschränkten Einbauraum, z. B. in einer Aufnahmenut eines Stators oder Rotors. Die dazu senkrechte schmale Seite des Windungskörpers 1 ist keinen räumlichen Restriktionen in Bezug auf den Einbauraum unterlegen, weshalb die Windungen W1, W2, W3, W4, W5 in diesem Bereich (siehe senkrechte Schnittansicht längs der Schnittlinie B-B) jeweils ihren kreisförmigen Ausgangsquerschnitt beibehalten haben.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Querschnittsänderung des Runddrahtes 2 und das Biegen des Drahtes 2, 2' um die Windungsachse WA mittels mehrerer (kontinuierlich oder diskontinuierlich aufeinanderfolgender) Umformschritte. Zur Querschnittänderung wird der Draht 2 durch die formgebende Öffnung eines Querschnittsumformwerkzeuges 3 gezogen oder gepresst. Vor oder nach dieser Querschnittsänderung wird der Draht (Runddraht 2 oder Formdraht 2') durch ein Biegewerkzeug 3 um die Windungsachse WA gebogen. Beide Umformschritte sind in beliebiger Reihenfolge und Anzahl miteinander kombinierbar.
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Hierbei wird der Draht 2 von einer Drahtzuführung immer in einer gleichbleibenden Zuführrichtung bewegt. Die einzelnen Umformschritte müssen somit so angeordnet werden, dass die gewünschte Windungsform und der gewünschte Drahtquerschnitt sukzessive entstehen. Eine Windung W1, W2, W3, W4, W5 des in 1 exemplarisch dargestellten Windungskörpers 1 wird demnach durch die Abfolge der Umformschritte Biegen um 90° → Biegen um 90° → Querschnittsänderung → Biegen um 90° → Biegen um 90° → Querschnittsänderung hergestellt. Diese Abfolge von Umformschritten wird für jede der fünf Windungen W1, W2, W3, W4, W5 wiederholt.
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Die Querschnittsänderung und das Biegen des zugeführten Drahtes 2 können sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich sowie ggf. ein- oder mehrstufig durchgeführt werden. In einer diskontinuierlichen Arbeitsabfolge zur Querschnittsänderung eines Drahtabschnittes wird die Zuführung des Drahtes 2 nach erfolgter Drahtpositionierung gestoppt. Anschließend erfolgt bei gestoppter Drahtzuführung der Umformschritt zur Querschnittsänderung, indem der Drahtabschnitt durch ein Querschnittsumformwerkzeug 3 gezogen oder gepresst wird. Erst nach abgeschlossenem Zieh- oder Pressvorgang wird der Stopp der Drahtzuführung wieder aufgehoben und der Draht läuft weiter, um dem nächsten Umformschritt (Querschnittsänderung oder Biegen) unterzogen zu werden.
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Im Gegensatz zu bekannten spanenden oder erodierenden Sonderverfahren zur Fertigung unrunder Drahtquerschnitte lassen sich durch das erfindungsgemäß vorgesehene Ziehen oder Pressen des Runddrahtes 2 durch das Querschnittsumformwerkzeug 3 erheblich kürzere Prozesszeiten und ein hoher Materialausnutzungsgrad (keine Materialverluste) erreichen. Außerdem kann durch das (insbesondere mehrstufige) Ziehen oder Pressen des Runddrahtes 2 zum gewünschten (zumindest partiell) unrunden Formdraht 2', 2", 2'" ein günstiger Faserverlauf im Formdraht 2', 2", 2'" erzeugt werden, sodass die Rissempfindlichkeit gesenkt und die Bauteilsicherheit erhöht wird.
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Durch den vorbeschriebenen (ein- oder mehrstufigen) Zieh- oder Pressprozess lassen sich nahezu beliebige Drahtquerschnittsgeometrien herstellen. Mithilfe einer steuerbaren Verstellbewegung von Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d, die die formgebende Öffnung in radialer Richtung begrenzen (vgl. 6a bis 6h), kann sogar ein sich entlang der Drahtlängsrichtung L (von Windung zu Windung) verändernder, insbesondere kontinuierlich verändernder Drahtquerschnitt eingestellt werden.
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Die in den beiden Schnittansichten längs der Schnittlinien A-A und B-B der 1 dargestellten Drahtquerschnitte für die einzelnen Windungen W1, W2, W3, W4, W5 an der langen und schmalen Seite des quaderförmigen Windungskörpers 1 sind daher als rein exemplarisch aufzufassen. Um die hohe Formenvielfalt, die sich in Bezug auf die Drahtquerschnittsgeometrien durch das erfindungsgemäße Querschnittsumformwerkzeug 3 erreichen lässt, zu verdeutlichen, sind in 2a bis 2f und 3a bis 3e weitere Beispiele für Drahtquerschnittsgeometrien aufgezeigt, die längs der Schnittlinien A-A und B-B des Windungskörpers 1 gemäß 1 vorliegen können. Dabei können die in 2a bis 2f dargestellten, längs der Schnittlinie A-A vorliegenden Drahtquerschnitte mit den in 3a bis 3e dargestellten, längs der Schnittlinie B-B vorliegenden Drahtquerschnitten in beliebiger Weise kombiniert sein.
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So kann gemäß 2a und 3a der Drahtquerschnitt an der langen und schmalen Seite des Windungskörpers 1 anstatt eines (in 1 gezeigten) kreis- oder rechteckförmigen Querschnittes einen ovalen Querschnitt aufweisen. Gemäß 2d und 3c ist es möglich, die Windungen W1, W2, W3, W4, W5 des Windungskörpers 1 mit einem rechteckigen Drahtquerschnitt zu formen, wobei die einander gegenüberliegenden Schmalseiten des Querschnittes jeweils abgerundet sind. Ein solcher Drahtquerschnitt ist bspw. durch ein in 6e bis 6h gezeigtes Querschnittsumformwerkzeug 3 erzeugbar.
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Wie 2b, 2e und 3d entnehmbar ist, kann der Drahtquerschnitt von Windung zu Windung variieren. Gemäß 2b ist in einer ersten Windung W1 des hergestellten Windungskörpers 1 der kreisförmige Ausgangsquerschnitt des Runddrahtes 2 beibehalten, während die nachfolgenden Windungen W2, W3, W4, W5 jeweils mit einem flachen rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet sind. Ein solcher Querschnittsverlauf, der gegenüber dem ursprünglichen Runddraht 2 nur partiell eine Querschnittsänderung aufweist, kann über eine variable Steuerung des Querschnittsumformwerkzeuges 3 während des Zieh- oder Pressvorganges realisiert werden.
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Ebenfalls ist es gemäß 2e und 3d möglich, die Windungen W1, W2, W3, W4, W5 jeweils mit einem trapezförmigen Drahtquerschnitt auszubilden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 2e und 3d verändert sich zudem die Breite und Höhe des trapezförmigen Drahtquerschnittes kontinuierlich in Drahtlängsrichtung L. Die Änderungen der Trapezbreite und Trapezhöhe verhalten sich dabei umgekehrt proportional zueinander. Dies bedeutet, dass, während die Breite des trapezförmigen Drahtquerschnittes in Drahtlängsrichtung L von Windung zu Windung kontinuierlich zunimmt, die Höhe des trapezförmigen Drahtquerschnittes in derselben Drahtlängsrichtung L von Windung zu Windung in gleichem Maße kontinuierlich abnimmt. Im Ergebnis wird somit über die gesamte Längserstreckung des Windungskörpers 1 ein gleichbleibender Flächeninhalt des trapezförmigen Drahtquerschnittes erhalten. Dieser in Drahtlängsrichtung L gleichbleibende Flächeninhalt des Drahtquerschnittes kann z. B. im Fall einer Spule von Vorteil sein, damit jede Windung W1, W2, W3, W4, W5 eine konstante Stromdichte bereitstellen kann.
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Durch die von Windung zu Windung kontinuierlich zunehmende Breite des trapezförmigen Drahtquerschnittes erhält der Windungskörper 1 gemäß 2e und 3d an seiner Außenseite eine sich konisch erweiternde Form. Diese Form kann dazu ausgenutzt werden, um den Windungskörper 1 (z. B. die Spule) in einen formkomplementär zum Windungskörper 1 gestalteten, sich konisch verjüngenden Einbauraum (z. B. in die Aufnahmenut eines Stators oder Rotors) einzufügen. Dadurch kann ein optimaler (nahezu 100%iger) Füllfaktor erreicht werden.
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Wenngleich nicht dargestellt, ist es dennoch ebenso möglich, den Drahtquerschnitt des Windungskörpers 1 derart zu gestalten, dass sein Flächeninhalt in Drahtlängsrichtung L ab- oder zunimmt. Eine solche Zu- oder Abnahme des Querschnittsflächeninhalts kann durch eine entsprechende Längenänderung (Streckung oder Stauchung) des Drahtes 2, 2', 2", 2'" während des Zieh- oder Pressvorganges ausgeglichen werden.
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Auch ist es im Gegensatz zu dem in 2c und 3b gezeigten Windungsverlauf, bei dem die rechteckförmigen Drahtquerschnitte der Windungen W1, W2, W3, W4, W5 jeweils spaltfrei zueinander angeordnet sind, gemäß 2f und 3e möglich, die Steigung der Windungen W1, W2, W3, W4, W5 zu erhöhen. Infolge dieser erhöhten Steigung wird zwischen den einzelnen Windungen W1, W2, W3, W4, W5 ein freier Spalt gebildet. Durch eine steuerbare Verstellung des eingesetzten Biegewerkzeuges 5 kann eine definierte (im Bedarfsfall entlang der Windungsachse WA sogar veränderliche) Steigung der Windungen W1, W2, W3, W4, W5 eingestellt werden.
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4a und 4b veranschaulichen schematisch zwei mögliche Verfahrensabfolgen für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Windungskörpers 1. Die durch das Querschnittsumformwerkzeug 3 erzeugte Querschnittsänderung des Runddrahtes 2 und das durch das Biegewerkzeug 5 vorgenommene Biegen des Drahtes 2, 2', 2", 2'" um die Windungsachse WA sind jeweils stark vereinfacht als Blöcke dargestellt. So kann gemäß 4a die Querschnittsänderung des Drahtes 2 vor dem Biegen erfolgen, indem aus dem Runddraht 2 zunächst ein Formdraht 2', 2", 2'" mit einem (zumindest partiell) unrunden Drahtquerschnitt geformt wird und anschließend aus diesem Formdraht 2', 2", 2'" mittels des Biegewerkzeuges ein Windungsabschnitt oder eine Windung gebogen wird. Alternativ kann in Übereinstimmung mit 4b zunächst ein Windungsabschnitt oder eine Windung aus einem runden Draht 2 gebogen werden und anschließend der kreisförmige Drahtquerschnitt in einen unrunden Drahtquerschnitt umgeformt werden.
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In 5a erfolgt die Querschnittsänderung des Runddrahtes 2 (mit einem kreisförmigen Ausgansquerschnitt) zu einem Formdraht 2' (mit einem flachen rechteckförmigen Endquerschnitt) in einem einstufigen Zieh- bzw. Pressprozess. Hierzu wird der Runddraht 2 in Drahtlängsrichtung L durch die formgebende Öffnung eines einzigen Querschnittsumformwerkzeuges 3 gezogen der gepresst. Die formgebende Öffnung des Querschnittsumformwerkzeuges 3 entspricht in ihrer Querschnittsgeometrie dem (in der Schnittansicht längs der Schnittlinie D-D dargestellten) herzustellenden rechteckförmigen Drahtquerschnitt. Nach der Querschnittsänderung kann der erhaltene Formdraht 2' unmittelbar dem Biegewerkzeug 5 zugeführt werden, um daraus den gewünschten Windungskörper 1 (z. B. wie in 1) herzustellen.
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In 5b wird zur Querschnittsänderung des Drahtes 2, 2', 2", 2'" ein mehrstufiger Zieh- bzw. Pressprozess angewandt. Zur Minimierung des Zieh- bzw. Pressaufwandes (geringere Umformkraft pro Umformstufe) und zum Erreichen eines insgesamt höheren Umformgrades werden in der mit der Zieh- bzw. Pressrichtung übereinstimmenden Drahtlängsrichtung L drei Querschnittsumformwerkzeuge 3a, 3b, 3c hintereinander geschaltet. Beim Durchziehen oder Durchpressen des Runddrahtes 2 (mit einem kreisförmigem Ausgangsquerschnitt gemäß der Schnittansicht längs der Linie C-C) durch das in Drahtzuführrichtung (siehe dicker Pfeil in 5b) gesehen erste Querschnittsumformwerkzeug 3a wird auf den Runddraht 2 eine erste Querschnittsänderung aufgebracht. Dabei wird der Runddraht 2 zu einem Formdraht 2' umgeformt, dessen Querschnittsform gegenüber dem herzustellenden Endquerschnitt eine Zwischenform darstellt. Dieser Formdraht 2' wird anschließend durch ein in Drahtlängsrichtung L nachfolgendes zweites Querschnittsumformwerkzeug 3b gezogen oder gepresst. Hierdurch wird ein Formdraht 2" mit einer Querschnittform erhalten, die dem endgültig herzustellenden Drahtquerschnitt (gemäß der Schnittansicht längs der Linie D-D) zwar näherkommt, jedoch diesbezüglich immer noch eine Zwischenform darstellt. Erst nachdem dieser Formdraht 2" durch ein abschließendes, drittes Querschnittsumformwerkzeug 3c gezogen bzw. gepresst worden ist, liegt ein Formdraht 2'" vor, dessen Querschnitt den gewünschten rechteckförmigen Endquerschnitt (gemäß der Schnittansicht längs der Linie D-D) aufweist.
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Die Umformkraft pro Umformstufe ist beim Mehrfachzug gemäß 5b geringer als beim Einfachzug gemäß 5a, da zur Erlangung der beiden Zwischenformen ein geringerer Umformgrad aufgebracht werden muss. In einer Umformmaschine können die drei Querschnittsumformwerkzeuge 3a, 3b, 3c in Drahtlängsrichtung L kontinuierlich unmittelbar hintereinander geschaltet werden, sodass der Mehrfachzug zudem nur mit einem unerheblichen zeitlichen Mehraufwand verbunden ist.
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Abschließend wird der nach dem letzten Querschnittsumformwerkzeug 3c erhaltene, mit dem rechteckförmigen Endquerschnitt (gemäß der Schnittansicht längs der Linie D-D) versehene Formdraht 2'" einem Biegewerkzeug 5 zugeführt, mittels welchem der Formdraht 2'" um eine zentrale Windungsachse WA zur Herstellung einer vollen Windung oder eines Windungsabschnittes gebogen wird.
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6a bis 6h zeigen in schematischer Weise verschiedene Ausführungsvarianten eines in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommenden Querschnittsumformwerkzeuges 3. Allen Ausführungsvarianten gemein ist, dass das Querschnittsumformwerkzeug 3 jeweils aus mehreren (wenigstens zwei) Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d besteht, die in gleichmäßigem Winkelabstand zueinander um den Umfang des umzuformenden Drahtes 2 herum angeordnet sind und die zwischen sich eine formgebende Öffnung einschließen.
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Die jeweils radial nach innen auf die formgebende Öffnung hin gerichteten Flächen der einzelnen Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d stellen Aktiv- bzw. Wirkflächen dar, die auf den Umfang des durch diese Öffnung gezogenen oder gepressten Drahtes 2' einen radialen Umformdruck ausüben und so in radialer Richtung zu einer Verformung des Drahtquerschnittes führen. Aus dem zugeführten Runddraht 2 mit einem kreisförmigen Ausgangsquerschnitt wird auf diese Weise ein Formdraht 2' mit einem in Drahtlängsrichtung L wenigstens abschnittsweise unrunden Drahtquerschnitt geformt. Das Ziehen bzw. Pressen des Drahtes 2, 2' durch das Querschnittsumformwerkzeug 3 wird meist als Kaltumformung durchgeführt, wobei häufig in Übereinstimmung zu 5b durch Hintereinanderreihung mehrerer Querschnittsumformwerkzeuge 3a, 3b, 3c mehrere Zieh- bzw. Pressschritte in einer Umformmaschine unmittelbar aufeinanderfolgend ausgeführt werden.
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Zum Ziehen des Drahtes 2, 2' wird eine Zieheinrichtung (z. B. eine Ziehscheibe oder Ziehtrommel) verwendet, mittels derer der Draht 2' erfasst und durch das Querschnittsumformwerkzeug 3 gezogen wird. Zum Pressen des Drahtes 2, 2' wird zunächst (z. B. über einen Stempel) ein Druck aufgebaut, der (z. B. über ein Druckübertragungsmittel) auf den umzuformenden Draht 2 übertragen wird, um diesen durch die formgebende Öffnung des Querschnittsumformwerkzeuges 3 zu drücken.
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Die von den Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d begrenzte formgebende Öffnung dient zur Aufnahme und Umformung des Drahtes 2, 2'. Der Draht 2, 2' wird hierzu in einer mit der Drahtlängsrichtung L übereinstimmenden Zieh- oder Pressrichtung (in 6a bis 6h jeweils nach oben aus der Zeichenebene heraus) durch die Öffnung des Querschnittsumformwerkzeuges 3 gezogen oder gepresst, sodass der Draht 2, 2' eine zur Innenkontur der Öffnung komplementäre Außenform annimmt.
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In 6a bis 6f setzt sich das Umformwerkzeug 3 jeweils aus vier zueinander in rechtem Winkel um den Umfang des Drahtes 2, 2' angeordneten Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d zusammen. Diese vier Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d begrenzen zwischen sich eine in Umfangsrichtung nahezu vollständig geschlossene rechteckförmige Öffnung, durch welche der umzuformende Draht 2 in (aus der Zeichenebene heraus weisender) Drahtlängsrichtung L gezogen oder gepresst wird.
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In 6a bis 6d befinden sich die Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d des Querschnittsumformwerkzeuges 3 jeweils in einer Stellung, in der die Abstände zwischen den einander gegenüberliegenden Werkzeugelementen 4a, 4c und 4b, 4d jeweils dem Durchmesser des zugeführten Runddrahtes 2 entsprechen. Infolgedessen wird kein Umformdruck radial auf den Runddraht 2 ausgeübt und der Runddraht 2 ist beim Durchziehen bzw. Durchpressen durch das Querschnittsumformwerkzeug 3 keiner Formänderung unterworfen.
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Um eine Querschnittsänderung auf den durchgezogenen oder durchgepressten Draht 2' aufzubringen, sind in 6a und 6b jedoch alle vier Umformwerkzeuge 4a, 4b, 4c, 4d in radialer Richtung R jeweils senkrecht zur Drahtlängsachse verstellbar. Diese radiale Verstellbarkeit wird in den Figuren jeweils durch Doppelpfeile symbolisiert. Werden die horizontal links und rechts des Drahtes 2 angeordneten Werkzeugelemente 4b, 4d in radialer (horizontaler) Richtung R zueinander verstellt, dann führt dies zu einer Änderung des horizontalen Abstandes zwischen den beiden Werkzeugelementen 4b, 4d und folglich zu einer entsprechenden Änderung der horizontalen Querschnittsabmessung (Breite) des durchgezogenen oder durchgepressten Drahtes 2'. Werden hingegen die vertikal unterhalb und oberhalb des Drahtes 2 angeordneten Werkzeugelemente 4a, 4c in radialer (vertikaler) Richtung R zueinander verstellt, dann führt dies zu einer Änderung des vertikalen Abstandes zwischen den beiden Werkzeugelementen 4a, 4c und folglich zu einer entsprechenden Änderung der vertikalen Querschnittsabmessung (Höhe) des durchgezogenen oder durchgepressten Drahtes 2'.
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Durch eine gesteuerte Verstellung der vier Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d können daher im gezogenen oder gepressten Formdraht 2' die beiden Querschnittsabmessungen (Höhe, Breite) seines rechteckförmigen Querschnittes in beliebiger Weise eingestellt werden. Dabei muss der Flächeninhalt des eingestellten rechteckförmigen Drahtquerschnittes mit dem des kreisförmigen Ausgangsquerschnittes nicht übereinstimmen. In Kombination mit einer entsprechenden Längenänderung (Streckung oder Stauchung) des Drahtes 2, 2' kann der Querschnittsflächeninhalt des gezogenen oder gepressten Drahtes 2' gegenüber dem Querschnittsflächeninhalt des zugeführten Runddrahtes 2 ab- bzw. zunehmen.
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In 6c und 6d sind in Abwandlung zu 6a und 6b die zwei in horizontaler Richtung diametral gegenüberliegenden Werkzeugelemente 4b, 4d jeweils ortsfest gehalten. Die beiden anderen in vertikaler Richtung diametral gegenüberliegenden Werkzeugelemente 4a, 4c sind hingegen jeweils weiterhin in radialer (vertikaler) Richtung R verstellbar, was wiederum durch entsprechende Doppelpfeile symbolisiert wird.
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Aufgrund der ortsfesten Ausführung der beiden in horizontaler Richtung gegenüberliegenden Werkzeugelemente 4b, 4d ist die entsprechende Querschnittsabmessung (Breite) des gezogenen oder gepressten Drahtes 2' durch den festen horizontalen Abstand zwischen den beiden Werkzeugelementen 4b, 4d vorgegeben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel stimmt dieser feste horizontale Abstand mit dem Durchmesser des zugeführten Runddrahtes 2 überein. Daher erfolgt in horizontaler Richtung keine querschnittsverengende Umformung des zugeführten Runddrahtes 2.
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Die beiden anderen, gegenüber den ortsfesten Werkzeugelementen 4b, 4d um 90° versetzten Werkzeugelemente 4a, 4c können allerdings in radialer (vertikaler) Richtung R aufeinander zu- oder voneinander wegbewegt werden. Infolge dieser radialen (vertikalen) Verstellbewegung kann der vertikale Abstand zwischen den beiden Werkzeugelementen 4a, 4c und somit die vertikale Querschnittsabmessung (Höhe) des durchgezogenen oder durchgepressten Drahtes 2' variabel eingestellt werden.
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In 6e und 6f sind alle vier Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d ortsfest gehalten. Das Querschnittsumformwerkzeug 3 stellt demzufolge ein mehrteiliges starres Zieh- bzw. Presswerkzeug dar, durch welches der Draht 2, 2' hindurchgezogen bzw. -gepresst wird. Die von den Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d radial nach innen begrenzte Öffnung legt beim Durchziehen bzw. Durchpressen den erzeugten Drahtquerschnitt fest, ohne dass eine motorische Verstellung von Werkzeugelementen erforderlich ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 6e und 6f ist zwischen den beiden in horizontaler Richtung gegenüberliegenden Werkzeugelementen 4b, 4d ein Abstand vorgesehen, der dem Durchmesser des zugeführten Runddrahtes 2 entspricht. Demzufolge erfährt der kreisförmige Ausgangsquerschnitt des Runddrahtes 2 in horizontaler Richtung keine Umformung und eine Breite des gezogenen oder gepressten Drahtes 2' stimmt mit dem Durchmesser des zugeführten Runddrahtes 2 überein. Die beiden anderen in vertikaler Richtung gegenüberliegenden Werkzeugelemente 4a, 4c weisen hingegen einen Abstand voneinander auf, der deutlich kleiner gewählt ist als der Durchmesser des zugeführten Runddrahtes 2. Somit wird der Runddraht 2 beim Ziehen oder Pressen durch das Querschnittsumformwerkzeug 3 mit einer den Drahtquerschnitt abflachenden vertikalen Druckkraft beaufschlagt. Dabei wird die Höhe des gezogenen oder gepressten Drahtes 2' auf ein dem vertikalen Abstand der beiden Werkzeugelemente 4a, 4c entsprechendes Maß reduziert. Im Ergebnis wird mit der starren Werkzeuganordnung nach 6e und 6f ein abgeflachter rechteckförmiger Drahtquerschnitt erzeugt, der an den einander gegenüberliegenden Schmalseiten jeweils abgerundet ist.
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Die Ausführungsbeispiele nach 6b, 6d und 6f unterscheiden sich von den jeweils vorhergehenden Ausführungsbeispielen nach 6a, 6c und 6e lediglich dahingehend, dass bei den zuerst genannten Ausführungsbeispielen die Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d jeweils als um eine Innenachse I drehbare Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d, insbesondere als Rollen oder Walzen ausgebildet sind, wohingegen bei den zuletzt genannten Ausführungsbeispielen die Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d in Zieh- oder Pressrichtung feststehend (also nicht drehbar) ausgeführt sind. Demzufolge wird in den Ausführungsbeispielen nach 6b, 6d und 6f der Runddraht 2 in die Öffnung zwischen den jeweils entgegengesetzt umlaufenden Rollen oder Walzen eingeführt, von den Rollen oder Walzen erfasst und durch Reibkräfte zwischen ihnen hindurchgezogen, wobei eine Querschnittsabnahme auf das Maß des Rollen- bzw. Walzenabstandes erfolgt.
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Das Ziehen oder Pressen mit rotierenden Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d (z. B. Rollen oder Walzen) ist insbesondere bei höher verfestigenden oder schwer umformbaren Drahtmaterialien wegen der günstigeren Reibung vorzuziehen. Mittels Ziehens oder Pressens durch rotierende Rollen oder Walzen wird die Ausbildung schwieriger Formen (auch scharfer Ecken) mit einem geringeren Gesamtumformgrad ermöglicht, als es beim Ziehen oder Pressen durch in Zieh- bzw. Pressrichtung starre (nicht rotierende) Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d der Fall ist. Allerdings kann beim Ziehen oder Pressen durch eine von starren (nicht rotierenden) Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d begrenzte formgebende Öffnung eines Querschnittsumformwerkzeuges 3 gemäß 6a, 6c und 6e eine höhere Maßgenauigkeit erzielt werden.
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In der Werkzeuganordnung nach 6g und 6h umfasst das Querschnittsumformwerkzeug 3 lediglich zwei Werkzeugelemente 4a, 4b, wobei das erste Werkzeugelement 4a im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig und das zweite Werkzeugelement 4b im Querschnitt im Wesentlichen flach ausgebildet ist und wobei die im Querschnitt offene Seite des ersten Werkzeugelements 4a vom zweiten Werkzeugelement 4b überdeckt ist, sodass zwischen den beiden Werkzeugelementen 4a, 4b ein rechteckförmige Öffnung zum Durchziehen oder Durchpressen des Drahtes 2, 2' verbleibt.
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Zur Veränderung des Öffnungsquerschnittes zwischen den beiden Werkzeugelementen 4a, 4b und somit zur Veränderung des durch diesen Öffnungsquerschnitt bestimmten gezogenen oder gepressten Drahtquerschnittes kann (wie in 6g durch Doppelpfeile symbolisiert) das flache Werkzeugelement in radialer (vertikaler) Richtung R nach oben vom U-förmigen Werkzeugelement 4a weg- oder nach unten auf das U-förmige Werkzeugelement 4a zubewegt werden. Alternativ kann (wie in 6h durch Doppelpfeile symbolisiert) das U-förmige Werkzeugelement 4a zur Querschnittsänderung in radialer (vertikaler) Richtung nach unten vom flachen Werkzeugelement 4b weg- oder nach oben auf das flache Werkzeugelement 4b zubewegt werden.
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Analog zu 5b kann es sinnvoll sein, mehrere Querschnittsumformwerkzeuge 3a, 3b, 3c (jeweils bestehend aus mehreren drahtumfangsseitig angeordneten Werkzeugelementen 4a, 4b, 4c, 4d, insbesondere Rollen oder Walzen) hintereinander in der Prozesskette anzuordnen und anschließend den Draht 2, 2', 2", 2'" hierdurch zu ziehen oder zu pressen. Die bei der Umformung im Eingriff mit der Drahtumfangsfläche befindlichen Aktiv- bzw. Wirkflächen der Werkzeugelemente 4a, 4b, 4c, 4d sind dabei derart gestaltet, dass sich der Drahtquerschnitt kontinuierlich von der Ausgangs- oder n-ten Zwischenform bis zur End- oder n+1-ten Zwischenform entwickelt.
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Die beiden zur umformenden Herstellung des Windungskörpers 1 benötigen Umformwerkzeuge (Querschnittsumformwerkzeug 3 und Biegewerkzeug 5) können in einer einzigen Umformmaschine miteinander kombiniert werden. Somit fallen vorteilhafterweise nur geringe Maschinen- bzw. Werkzeugkosten an. Insbesondere kann auf die im Stand der Technik zur Fertigung von Spulen oder Federn mit unrunden Drahtquerschnitten erforderlichen Sondermaschinen (z. B. Unrund-Schleifmaschinen oder Erodiermaschinen) gänzlich verzichtet werden. Durch Kopplung mit einer übergeordneten Steuerung kann das Querschnittsumformwerkzeug 3 derart verstellt werden, dass ein sich in Drahtlängsrichtung L verändernder (insbesondere kontinuierlich verändernder) unrunder Drahtquerschnitt eingestellt wird. Der Flächeninhalt dieses eingestellten Drahtquerschnittes muss dabei nicht identisch mit dem Flächeninhalt des kreisförmigen Ausgangsquerschnittes sein. Durch eine dem Zieh- oder Pressvorgang überlagerte Streckung oder Stauchung des Drahtes 2, 2', 2", 2'" kann eine Querschnittszunahme oder -abnahme im gepressten oder gezogenen Draht 2', 2", 2'" verwirklicht werden. Auch kann durch eine variable Steuerung des Biegewerkzeuges 5 eine in Richtung der Windungsachse WA veränderliche (insbesondere kontinuierlich veränderliche) Form und / oder Steigung der Windungen W1, W2, W3, W4, W5 eingestellt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich somit (z. B. hinsichtlich Werkstoff, Geometrie, Windungsanzahl) sehr unterschiedliche Windungskörper 1 mit einem wenigstens abschnittsweise veränderten (insbesondere unrunden) Drahtquerschnitt herstellen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in allen industriellen Bereichen, in denen solche Windungskörper 1 benötigt werden, insbesondere in der Spulen- und Federfertigung vorteilhaft zum Einsatz kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windungskörper
- 2
- Runddraht (vor Querschnittsänderung)
- 2', 2", 2"'
- gezogener oder gepresster Draht (nach Querschnittsänderung)
- 3, 3a ... 3c
- Querschnittsumformwerkzeug
- 4a ... 4d
- Werkzeugelemente
- 5
- Biegewerkzeug
- W1 ... W5
- Windungen
- WA
- Windungsachse
- L
- Drahtlängsrichtung
- R
- radiale Richtung
- A
- Windungsabstand
- I
- Innenachse
