DE102017113503A1 - Umformmaschine und Druckumformverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umformmaschine mit einem Maschinengestell und wenigstens einer an dem Maschinengestell befestigten Werkzeugaufnahme zum Aufnehmen eines Umformwerkzeugs, wobei die Umformmaschine zum Einwirken mit wenigstens einer Umformkraft von wenigstens einem Umformwerkzeug auf ein Werkstück und zum Aufnehmen von wenigstens einer Gegenkraft der Umformkraft über die Werkzeugaufnahmen auf das Maschinengestell ausgebildet ist, und mit einer Bewegungsabläufe der Umformmaschine steuernden Maschinensteuerung sowie ein entsprechendes Umformverfahren. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Umformmaschine mir erhöhter Präzision zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Druckumformmaschine gelöst, die wenigstens einen Kraftsensor zur Erfassung der wenigstens einen Umformkraft während des Umformverfahrens aufweist und deren Maschinensteuerung ausgebildet ist zum Erfassen wenigstens einer Umformkraft oder eines Umformkraftverlaufs über den Kraftsensor, zum Vergleichen der Umformkraft oder des Umformkraftverlaufs mit einer Standard-Umformkraft oder einem Standard-Umformkraftverlauf sowie zum Ansteuern eines aus dem Vergleich resultierenden, korrigierten Zustellbewegungsverlaufs.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umformmaschine mit einem Maschinengestell und wenigstens einer an dem Maschinengestell befestigten Werkzeugaufnahme zum Aufnehmen eines Umformwerkzeugs, wobei die Umformmaschine zum Einwirken mit wenigstens einer Umformkraft von wenigstens einem Umformwerkzeug auf ein Werkstück und zum Aufnehmen von wenigstens einer Gegenkraft der Umformkraft über die Werkzeugaufnahmen auf das Maschinengestell ausgebildet ist, und mit einer Bewegungsabläufe der Umformmaschine steuernden Maschinensteuerung. Die Erfindung betrifft auch ein Druckumformverfahren zur Herstellung eines Werkstücks bei dem ein Werkstückrohling auf einer Umformmaschine unter Krafteinwirkung von Umformwerkzeugen auf den Werkstückrohling hergestellt wird, wobei das Druckumformverfahren von einer Maschinensteuerung der Umformmaschine gesteuert wird. Insbesondere betrifft die Erfindung die Kaltumformung von Werkstücken aus Metall und auch Kunststoff.
• Umformmaschinen und Umformverfahren, beispielsweise Druckumformverfahren sind etablierte Formgebungsverfahren für Kunststoffe und Metalle. Anders als bei zerspanenden Verfahren findet bei Umformverfahren und Druckumformverfahren kein Materialabtrag statt. Das bereitgestellte Material wird vollständig zur Herstellung des Werkstücks durch plastische Formänderung desselben verwendet. Mit Umformverfahren wird eine hohe Präzision bei günstigen Kosten erreicht. Häufig führt das Umformen zudem zu verbesserten Materialeigenschaften, wie es weitläufig vom Schmieden bekannt ist. Zu den Umformverfahren gehört auch das Walzen, beispielsweise zur Herstellung von Folien, Profilen, Verzahnungen und Gewinden. Umformmaschinen weisen Maschinengestelle auf, die große Umformkräfte aufnehmen können. Der Begriff Maschinengestell umfasst auch solche massiven Maschinengestelle, die als Maschinenbetten bezeichnet werden können. Jeder Kraft ist während des Umformvorgangs eine gleich große Gegenkraft entgegengesetzt. Eine auf ein Maschinengestell einwirkende Gegenkraft führt in der Regel auch zu einer kleinen, elastischen Verformung des Maschinengestells. Variationen von Materialeigenschaften von Werkstückrohlingen können zu unterschiedlich großen Umformungen im Ergebnis gleicher Umformverfahren führen. Auch variierende Temperaturen, z.B. von Umformwerkzeugen können zu Geometrievariationen an umgeformten Werkstücken führen. Diese Fehlermechanismen treten insbesondere bei großen Werkstücken aus harten bzw. festen Materialien auf.
• Werkstoffeigenschaften schwanken naturgemäß von Herstellungscharge zu Herstellungscharge. Auch innerhalb einer Herstellungscharge können Werkstoff-Abweichungen von Werkstück zu Werkstück vorkommen. Beeinflusst wird das Umformergebnis im Übrigen auch durch Verschleiß, Temperatur und dergleichen einer Maschine und deren Werkzeuge. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Umformmaschine und ein Druckumformverfahren zu schaffen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeiden und die eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Präzision bei der Herstellung von Werkstücken durch Umformung ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch eine oben angegebene Umformmaschine, insbesondere Druckumformmaschine gelöst, die weiterhin die Merkmale aufweist, dass die Umformmaschine wenigstens einen Kraftsensor zur Erfassung der wenigstens einen Umformkraft während des Umformverfahrens aufweist und die Maschinensteuerung ausgebildet ist zum Erfassen wenigstens einer Umformkraft oder eines Umformkraftverlaufs über den Kraftsensor, zum Vergleichen der Umformkraft oder des Umformkraftverlaufs mit einer Standard-Umformkraft oder einem Standard-Umformkraftverlauf sowie zum Ansteuern eines aus dem Vergleich resultierenden, korrigierten Zustellbewegungsverlaufs.
• Eine Zustellbewegung eines Umformwerkzeugs in Richtung eines zu bearbeitenden Werkstückes führt zum Einwirken einer Umformkraft auf das Werkstück und in der Folge zu einer plastischen Umformung des Werkstücks. Die Werkzeugaufnahme des Umformwerkzeugs kann auf einem Vorschubschlitten befestigt sein, der wiederum mit dem Maschinengestell bzw. dem Maschinenbett verbunden ist. Bei einer definiert vorgegebenen Zustellbewegung auf nominell gleiche Werkstücke bzw. Werkstückrohlinge können unterschiedliche Umformkräfte auftreten. Ursachen für variierende Umformkräfte können variierende Materialeigenschaften von Werkstück zu Werkstück und/oder von Werkstück-Charge zu Werkstück-Charge sein. Aber auch Maschinenparameter, insbesondere z.B. mit der Betriebsdauer der Maschine variierende Temperaturen können zu Positionsabweichungen von Sollpositionen des Umformwerkzeuges und in der Folge zu variierenden Umformkräften führen. Auftretende Umformkräfte können mit geeigneten, Kraftsensoren enthaltenden Messgeräten von der Maschinensteuerung erfasst werden. Die Maschinensteuerung kann die Umformkräfte nicht nur erfassen und abspeichern sondern auch darauf angemessen reagieren. Die Maschinensteuerung der erfindungsgemäßen Umformmaschine vergleicht eine oder mehrere gemessene Umformkräfte mit einem oder mehreren vergleichbaren Referenzwerten vergleichbarer Umformkräfte.
• Mehrere Messwerte der Umformkraft können zu einer Funktion der Umformkraft von einer Bezugsgröße, insbesondere der Werkstücküberrollung zusammengefasst werden. Diese Funktion wird auch als Umformkraftverlauf bezeichnet. Eine Bezugnahme im Walzprozess auf die Werkstücküberrollungen für dessen Parametrisierung und Visualisier hat gegenüber einem Bezug auf die Zeit den Vorteil, dass bei Änderung der Drehzahl die Parametrierung im Wesentlichen übernommen werden kann. In anderen Umformprozessen als Roll-Prozessen gibt es entsprechende prozessbezogene Bezugsgrößen.
• Ein jeweils gemessener Umformkraftverlauf kann mit einem Standard-Umformkraftverlauf verglichen werden. Der Standard-Umformkraftverlauf ist der Umformkraftverlauf, der unter Standardbedingungen an einem Standard-Werkstück gemessen wird, wobei das Material des Standard-Werkstücks unter anderem auch die nominelle Härte des verwendeten Materials haben kann. Wird von der Maschinensteuerung eine größere Umformkraft bzw. ein Umformkraftverlauf mit zumindest zeitweise größeren Umformkräften als in dem Standard-Umformkraftverlauf ermittelt, so kann die Ursache z.B. darin bestehen, dass ein Werkstück mit größerer als der nominellen Härte bearbeitet wird. Entsprechend kann auch eine kleinere gemessene Umformkraft festgestellt werden, deren Ursache in einer geringeren Werkstückhärte liegt. Auf die geringere Werkstückhärte kann mit angepassten, insbesondere kleineren Zustellbewegungen reagiert werden.
• Eine andere mögliche Ursache einer Abweichung kann darin liegen, dass die Umformmaschine gerade angelaufen und noch nicht warmgelaufen ist. Aus dem durchgeführten Vergleich kann die Maschinensteuerung einen anderen Zustellbewegungsverlauf als den Standard-Zustellbewegungsverlauf fahren, um die festgestellte Abweichung zu korrigieren. Dabei kann unmittelbar auf mindestens eine gemessene Umformkraft reagiert werden, indem die Werkzeugzustellung zumindest zeitweise entsprechend geregelt wird. Je nach verwendetem Umformverfahren kann ein einzelner Messwert der Umformkraft als Regelgröße verwendet werden oder es können mehre Messwerte gemittelt werden oder die Auswahl eines relevanten Kraftmesswerts kann in Abhängigkeit von anderen Messwerten bestimmt werden.
• Es kann aber auch zeitversetzt zunächst in einem Zeitabschnitt ein Umformkraftverlauf nur gemessen werden, daraus für einen späteren Abschnitt des Druckumformverfahrens ein anderer Zustellverlauf berechnet werden und mit diesem korrigierten Zustellverlauf letztlich ein Werkstück mit erhöhter Präzision hergestellt werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Umformmaschine kann es sich um eine Walzmaschine handeln, wobei von der Maschinensteuerung ein von dem Standard-Umformkraftverlauf abweichender Umformkraftverlauf während eines Eindring- und Zustell-Teilverfahrensschrittes eines Druckumformverfahrens erfassbar ist und wobei während eines Kalibrier- und Halteverfahrensschrittes des selben Druckumformverfahrens eine korrigierte Zustellbewegung durchführbar ist, um Standardmaße hergestellter Werkstücke trotz zeitweilig abweichender Kräfte zu erreichen.
• Das auf der Walzmaschine durchgeführte Walzverfahren kann in mehrere Teilschritte unterteilt werden. In dem Eindring- und Zustell-Teilverfahrensschritt wird die Form des herzustellenden Werkstücks, beispielsweise eines Ringes oder eines Zahnrads zunächst grob hergestellt. In diesem Teilschritt kann eine große Umformung durch radialen und/oder axialen Materialfluss in dem Werkstück vorgesehen sein. In einem späteren Kalibrier- und Halteverfahrensschritt wird hingegen wenig umgeformt aber die Zielkontur bzw. das gewünschte Funktionsmaß des Werkstückes genau produziert.
• Während des Eindring- und Zustell-Teilverfahrensschrittes darf die Geschwindigkeit der Zustellung nur bis zu einem zulässigen Maximalwert erhöht werden. In diesem Teilverfahrensschritt gemessene Messwerte der Umformkraft können zur Ermittlung von Materialeigenschaften und/oder zur Sicherstellung der Einhaltung erlaubter Umformkräfte verwendet werden.
• Korrekturen von Abweichungen der Geometrie des Werkstücks können vorteilhaft im Kalibrier- und Halteverfahrensschritt durchgeführt werden, da in diesem Teilschritt die endgültige Form festgelegt wird. Die Definiertheit der endgültigen Form umgeformter Werkstücke mit geringen Streuungen ist ein Qualitätsmerkmal, das beispielsweise über ein „Zweikugelmaß“, einen Flankendurchmesser oder über ein ähnliches Funktionsmaß und dessen Streuungen bestimmt werden kann.
• Die Walzmaschine kann zum Rollen von Gewinden, Rillen, Verzahnungen oder von sonstigen Profilen, z.B. glatten Ringen ausgebildet sein. Die Gewinde oder Verzahnungen können z.B. Helix-förmig wie bei einer Schraube oder linear wie bei einer Zahnstange benötigt werden. Gewinde, Rillen oder Verzahnungen und ähnliche Geometrien kämmen in einem späteren Produkt oft mit passenden invers geformten Strukturen. Für eine ordnungsgemäße Funktion des Produkts, z.B. eines Getriebes, sind präzise gewalzte Funktionsmaße aller Komponenten des Getriebes erforderlich. Dabei kann die Walzmaschine eine Querwalzmaschine zur Herstellung rotationssymmetrischer Profile, beispielsweise zur Herstellung von Verzahnungen sein. Bei der Querwalzmaschine werden Walzwerkzeuge quer zu einer Rotationsachse des Werkstücks bewegt, beispielsweise, um auf dem Werkstück eine umfängliche Verzahnung mit zur Werkstückachse parallelen oder schrägen Zähnen herzustellen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Querwalzmaschine eine CNC-gesteuerte Maschine zum Rundbackenquerwalzen oder Flachbackenquerwalzen. Die Abkürzung CNC steht dabei bekanntlich für „Computerized Numerical Control“. Die CNC gesteuerte Maschine verfügt über gute antriebstechnische Voraussetzungen, um den gewünschten korrigierten Zustellbewegungsverlauf auf Anweisung durch die Maschinensteuerung hin auszuführen. Es gibt sowohl CNC-gesteuerte Walzmaschinen, die Flachwerkzeuge bzw. Flachbacken verwenden als auch Walzmaschinen für Rundwerkzeuge bzw. Rundbacken. Die erfindungsgemäße Umformmaschine kann aber auch eine herkömmliche Walzmaschine ohne CNC-Steuerung sein.
• Der Kraftsensor der erfindungsgemäßen Umformmaschine kann ein direkter Kraftsensor oder ein indirekter Kraftsensor sein, der die Kraft insbesondere über einen piezoelektrischen Sensor, einen Dehnungsmessstreifen oder optisch ermittelt. Unter einem direkten Kraftsensor ist beispielsweise ein piezoelektrischer Drucksensor zu verstehen, auf den eine Druckkraft oder ein Torsionsmoment direkt einwirkt. Mit einem Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise die Verwölbung eines Trägers, auf dem der aufgeklebte Dehnungsmessstreifen gedehnt wird, als ein indirektes Maß einer Kraft gemessen werden. Der Kraftsensor kann ein beliebiger geeigneter Sensor sein, der z.B. eine elektrische, mechanische oder optische Messgröße nutzt, um die Kraft zu messen. Es können auch mehrere gleiche oder verschiedene Kraftsensoren vorhanden sein.
• Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein oben angegebenes Druckumformverfahren gelöst, bei dem in wenigstens einem Teilschritt des Umformverfahrens eine Umformkraft oder ein Umformkraftverlauf gemessen und von der Maschinensteuerung mit einer Standard-Umformkraft oder einem Standard-Umformkraftverlauf verglichen wird und daraus resultierend eine Umformkraft-Abweichung oder ein Umformkraft-Abweichungsverlauf ermittelt wird und bei dem in wenigstens einem Teilschritt des Druckumformverfahrens aus der Umformkraft-Abweichung oder dem Umformkraft-Abweichungsverlauf ein korrigierter Zustellbewegungsverlauf abgeleitet wird.
• Das erfindungsgemäße Druckumformverfahren beinhaltet nicht nur das Messen auftretender Kräfte sondern auch geeignete Reaktionen bei Abweichungen der Messwerte von typischen Messwerten bzw. Standard-Messwerten, die an einem Standard-Werkstück unter StandardBedingungen gemessen werden. Als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht dabei trotz zwischenzeitlicher Abweichungen angewendeter Umformkräfte ein Werkstück mit korrekten Funktionsmaßen. In die genaue Durchführung der Korrektur des Zustellbewegungsverlaufs des Umformwerkzeugs fließt das Fachwissen des Fachmanns, einschließlich von Belastungsgrenzen von Werkstücken und Werkzeugen und von Ursachen und Erkennungsmöglichkeiten einzelner Ursachen von Kraftabweichungen ein. Beispielsweise können Ausweichbewegungen des Umformwerkzeugs bzw. des Maschinengestells ausgeregelt werden und/oder das Umformverfahren kann an Schwankungen von Materialparametern wie z.B. Härte, Duktilität, Viskosität angepasst werden. Die Korrekturmaßnahme wird in verschiedenen Ausgestaltungen des Verfahrens unmittelbar oder zeitversetzt vorgenommen.
• In dem erfindungsgemäßen Druckumformverfahren kann in wenigstens einem Teilschritt des Druckumformverfahrens ein Anstieg oder eine Unstetigkeit des Umformkraftverlaufs bestimmt und verarbeitet werden. Unter dem Begriff Anstieg ist nicht nur ein positiver Anstieg sondern auch ein negativer Anstieg, also ein Abfall subsummiert. Somit können aus Kraftverläufen, z.B. aus überrollungsabhängigen Messwerten des oder der Kraftsensoren, verschiedene Parameter bestimmt werden, anhand derer auf die genauen Ursachen der aufgetretenen Abweichung geschlossen werden kann, sodass auch differenzierte Gegenmaßnahmen gegen Auswirkungen der Abweichungen auf Eigenschaften des hergestellten Werkstücks ergriffen werden können. Beispielsweise kann aus einem Anstieg eines Kraftverlaufes auf eine Duktilität des Werkstücks geschlossen werden. Aus einer Unstetigkeit kann auf eine schwankende Festigkeit eines Werkstücks und/oder auf einen Verschleiß der Maschine geschlossen werden. Bei Unstetigkeiten, die auf schadhafte Werkstücke hindeuten, kann eine angemessene Reaktion auch darin bestehen, die fehlerhaften Werkstücke auszusortieren.

Claims (8)

1. Umformmaschine mit einem Maschinengestell und an dem Maschinengestell angeordneten Werkzeugaufnahmen, wobei die Umformmaschine zum Einwirken mit wenigstens einer Umformkraft von wenigstens einem Umformwerkzeug auf ein Werkstück und zum Aufnehmen von wenigstens einer Gegenkraft der Umformkraft über die Werkzeugaufnahmen auf das Maschinengestell ausgebildet ist, und mit einer Bewegungsabläufe der Umformmaschine steuernden Maschinensteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformmaschine wenigstens einen Kraftsensor zur Erfassung der wenigstens einen Umformkraft während eines auf der Umformmaschine durchgeführten Umformverfahrens aufweist und die Maschinensteuerung ausgebildet ist zum - Erfassen wenigstens einer Umformkraft oder eines Umformkraftverlaufs über den Kraftsensor, - Vergleichen der Umformkraft oder des Umformkraftverlaufs mit einer Standard-Umformkraft oder einem Standard-Umformkraftverlauf sowie - Ansteuern eines aus dem Vergleich resultierenden, korrigierten Zustellbewegungsverlaufs.
2. Umformmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umformmaschine eine Walzmaschine ist und dass von der Maschinensteuerung ein von dem Standard-Umformkraftverlauf abweichender Umformkraftverlauf während eines Eindring- und Zustellteilverfahrensschrittes eines Druckumformverfahrens erfassbar ist und während eines Kalibrier- und Halteverfahrensschrittes des selben Druckumformverfahrens eine korrigierte Zustellbewegung durchführbar ist, um Standardmaße hergestellter Werkstücke trotz zeitweilig abweichender Kräfte zu erreichen.
3. Umformmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformmaschine eine Walzmaschine und die Walzmaschine zum Rollen von Profilen, insbesondere von Gewinden, Verzahnungen oder Rillen ausgebildet ist.
4. Umformmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzmaschine eine Querwalzmaschine zur Herstellung rotationssymmetrischer Profile, insbesondere zur Herstellung von runden Gewinden, Verzahnungen oder Rillen ist.
5. Umformmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querwalzmaschine eine CNC gesteuerte Maschine zum Rundbackenquerwalzen oder Flachbackenquerwalzen ist.
6. Umformmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor ein direkter Kraftsensor oder ein indirekter Kraftsensor ist, der die Kraft insbesondere über eine piezoelektrische Größe, einen Dehnungsmessstreifen oder optisch ermittelt.
7. Druckumformverfahren zur Herstellung eines Werkstücks bei dem ein Werkstückrohling auf einer Umformmaschine unter Krafteinwirkung von Umformwerkzeugen auf den Werkstückrohling hergestellt wird, wobei das Druckumformverfahren von einer Maschinensteuerung der Umformmaschine, insbesondere einer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gesteuert wird dadurch gekennzeichnet, dass dass in wenigstens einem Teilschritt des Druckumformverfahrens eine Umformkraft oder ein Umformkraftverlauf gemessen und von der Maschinensteuerung mit einer Standard-Umformkraft oder einem Standard-Umformkraftverlauf verglichen wird und daraus resultierend eine Umformkraft-Abweichung oder ein Umformkraft-Abweichungsverlauf ermittelt wird und dass in wenigstens einem Teilschritt des Druckumformverfahrens aus der Umformkraft-Abweichung oder dem Umformkraft-Abweichungsverlauf ein korrigierter Zustellbewegungsverlauf abgeleitet wird.
8. Druckumformverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Teilschritt des Druckumformverfahrens ein Anstieg oder eine Unstetigkeit des Umformkraftverlaufs bestimmt und verarbeitet wird.