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Die Erfindung betrifft ein Keiltriebwerkzeug nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Bei der Fertigung von Bauteilen in Pressprozessen können Umform-, Abstell- oder Beschnittvorgänge notwendig sein, welche nicht in Arbeitsrichtung des Pressenstößels ausgeführt werden können. Für diese Vorgänge kommen Schieber- bzw. Keiltriebwerkzeuge (auch Keiltrieb genannt) zum Einsatz, die in Stahl- oder Stahlgussbauweise ausgeführt sind.
Keiltriebe existieren als Normalien bei verschiedenen Normalienherstellern oder werden auch als Sonderkonstruktion ausgeführt.
Das Keiltriebwerkzeug besteht gemäß VDI-Richtlinie 3386 aus einem Treiber und einem Schieber. Der Treiber leitet die Presskraft und die Pressenbewegung auf den Schieber um, wobei der Schieber anschließend die eigentliche Operation ausführt. Die Rückholung des Schiebers erfolgt in der Praxis meist durch Federkraft in Form von Schraubendruckfeder oder Gasdruckfeder oder durch pneumatische oder hydraulische Antriebe. Zudem kommen sognannte Zwangsrückholungen bei Schiebern, welche am Oberteil hängend befestigt sind, sowie bei Abkantschiebern als auch bei Beschneide- und Lochschiebern zum Einsatz, wenn bei einem Nicht-Rücklauf Werkzeugbruch droht. Durch neue Pressentechnologien und Antriebskonzepte wie zum Beispiel die Servo-Direct-Technologie sind immer höhere Produktionsgeschwindigkeiten möglich (Osakada, K.; Mori, K.; Altan, T.; Groched, P.: Mechanical servo press technology for metal forming, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 60 (2), S. 651-672, 2011). Extreme Beschleunigungen in der Rückzugsgeschwindigkeit erhöhen die Produktivität aber auch den Verschleiß einiger Baugruppen wie dem Keiltrieb, der starken Beschleunigungsbeziehungsweise Verzögerungskräften unterliegt.
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Dabei ergeben sich beim Einsatz von insbesondere großen Schiebern aus Stahl folgende Problemstellungen:
- 1) Infolge von hohen Rückhubgeschwindigkeiten des Werkzeugs können die Stoßdämpfungsglieder aus Polyurethan (PUR) im Endanschlag des Schieberkörpers nicht mehr ausreichend sein, um die im Auftreffstoß wirkenden Belastungen hinreichend zu dämpfen. Es kann zu einem harten Anschlag auf die Festanschläge kommen, wobei dabei Stahl auf Stahl trifft, was zur Beschädigung des Keiltriebs als Ganzem führen kann. Durch die hervorgerufene starke Erwärmung der PUR-Federn entsteht zudem ein hoher Verschleiß der Federn/Dämpfer, einhergehend mit einer verringerten Standzeit.
- 2) Die für den Rückhub des Schiebers erforderliche Beschleunigungskraft, durch Antriebe, wie zum Beispiel Gasdruckfedern, kann insbesondere bei sehr schnellen Multiservo-Pressen nicht ausreichend sein, wodurch Bauteil-Kollisionen zwischen Schieber-Werkzeug, wie zum Beispiel Schneidstempel und Werkzeugmatrize auftreten können.
- 3) Ein weiteres Problem besteht in der Belastung der Schieberführungen, wobei dies insbesondere bei hängenden Keilschiebern auftritt. Die am Oberteil befestigten Schieber „hängen“ außerhalb des Werkzeugkontaktes in den Deckleisten der Führungen. Problematisch ist, dass die Schieberdämpfungsebene in den meisten Fällen nicht mit der Massenschwerpunktsebene des Schiebers übereinstimmt. Vor allem beim Einfahren des Schiebers in die Dämpfer kommt es zu einer hohen Momentenbelastung an den Deckleisten der Führungen, wodurch Deckleisten brechen beziehungsweise Schraubverbindungen versagen.
- 4) Der Schalldruck, der durch das Rückfahren in den Anschlag erzeugt wird, ist größer als der Schalldruck, der durch die eigentliche Umformoperation erzeugt wird, was ein gesundheitliches Risiko für den bedienenden Mitarbeiter darstellt.
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Die beschriebenen Problemstellungen hängen maßgeblich von der kinetischen Energie des Schiebers im Rückhub, das heißt von der Schiebergeschwindigkeit und -masse, ab.
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In der Druckschrift
DE 10 2006 034 974 A1 wird eine Überwachung der Rückstelleinrichtung eines Keiltriebwerkzeuges beschrieben, um deren Funktion zu gewährleisten und bei Versagen einen möglichen Werkzeugbruch trotz Zwangsrückholung zu vermeiden. Die Überwachung erfolgt mittels einer signalgebenden Vorrichtung, die ein Signal abgibt, wenn die Rückstelleinrichtung unwirksam geworden ist.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2005 029 140 B4 ist eine Werkzeugbefestigung für ein Keiltriebwerkzeug bekannt, wobei das Keiltriebwerkzeug ein Schieberelement und ein Treiberelement aufweist, wobei die Werkzeugbefestigungseinrichtung zumindest eine Verbindungseinrichtung zum form- und/oder kraftschlüssigen Verbinden mit dem Schieber- und Treiberelement des Keiltriebs aufweist.
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Die Druckschrift
DE 603 02 207 T2 beschreibt einen Keiltrieb und ein Verfahren zur Ausrichtung und Befestigung eines Werkzeuges.
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Hierbei ist das Keilschieber-Stoßdämpfungsglied so konfiguriert, dass es einen Stoß abschwächt, der bei der Rückführung des Keilschiebers in die Ausgangsstellung entsteht.
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Für den Bereich der Normteilschieber werden für die Komponenten Treiber, Schieberkörper und Schieberbett eine Kombination aus Stahl und einem Sphäroguss eingesetzt.
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Im Lastenheft für Kaufteilschieber werden zudem die Rahmenbedingungen und der Konstruktionsaufbau derartiger Schieber gemäß VDI im Lastenheft für Kaufteilschieber wie folgt festgelegt:
- • Standzeit 1 Mio. Hübe bei angegebener maximaler Herstellerangabe (Kraft, Hub)
- • bei Defekten wird Ersatz beziehungsweise Reparatur innerhalb von 24 Stunden garantiert
- • Austauschbarkeit von Verschleißteilen (Gasdruckfedern, Gleitplatten, Prismenführungen usw. vom freigegebenen Lieferanten nach VDI)
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Zudem ist beim funktionellen Aufbau zu beachten, dass eine Demontierbarkeit des Schiebers und einzelner Komponenten wie zum Beispiel Gasdruckfeder oder Stoßdämpfungsvorrichtung gegeben ist.
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Die Geschwindigkeit, welche sich aus der Hubzahl ergibt, sollte im Sinne der Produktivität unverändert bleiben oder erhöht werden, wodurch eine Massereduzierung das bevorzugte Mittel zur Problembehebung darstellt.
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Der Stand der Technik im Bereich der Keiltriebwerkzeuge befasst sich jedoch mit konstruktiven Weiterentwicklungen für Keiltriebwerkzeuge aus Metallen, wodurch eine Massereduzierung nicht oder nur gering möglich ist. Zur Reduzierung der auftretenden Massenträgheitskräfte wird stattdessen als Lösungsansatz eine Verbesserung der Kinematik angestrebt.
Diese wurde durch eine parallelogrammartig verlaufende Keilschieberbewegung realisiert, welche über zwei am Werkzeugoberteil gelagerte Pleuel erfolgte. Die, den Stand der Technik bildenden Druckschriften beschäftigen sich ebenfalls mit der Ausführung der Kinematik beziehungsweise der Anlaufkurve der Keiltriebeinheit, wie in der Druckschrift
DE 76 28 010 U1 , sowie mit der Auslegung der Führung in Form von beispielsweise Prismenführungen gemäß den Druckschriften
DE 197 53 549 C2 und
DE 10 2007 045 703 A1 sowie der Ausführung der Zwangsrückholung, wie in der Druckschrift
DE 10 2006 036 654 B4 beschrieben.
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Abseits der Keiltrieb-Anwendung wird gemäß der Druckschrift
EP 1714866 A1 eine Zugvorspannung genutzt, um Flugzeugtragflügel aus einem Faserverbundwerkstoff bei gleicher Knick- und Beulsteifigkeit leichter zu bauen. Der Flügel wird dabei in Spannweitenrichtung vorgespannt. Die Druckschrift
US 4,725,021 A beschäftigt sich mit einer Zugvorspannung innerhalb des Flugzeugtragflügels in Richtung der Tragflächen, indem aufblasbare Röhren aus Leichtbau- und Festigkeitsgründen axial zur Spannweite integriert sind. Auch innerhalb der Flugzeugtragstruktur werden Teile, die unter anderem aus Faserverbundwerkstoff bestehen können, unter Zug vorgespannt, um die Struktur- und Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen. Ein derartiges Verfahren ist in der Druckschrift
EP 0941922 A1 beschrieben.
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Eine Zugvorspannung gemäß der Druckschrift
US 3,246,394 A kommt außerdem zum Einsatz, um einen vorwiegend axial unter Druck belasteten metallischen Raketentank aufgrund der wirkenden Beschleunigungen beim Start bei gleicher Strukturfestigkeit leichter bauen zu können. Dabei wird ausgenutzt, dass die ertragbaren Zugspannungen der Tankmantelfläche ein Vielfaches größer sind als die ertragbaren Druckspannungen. Die Zugspannung in Umfangsrichtung der Tankmantelfläche wird über ein Hebelsystem von Druckstreben gelöst, das die axiale Drucklast in eine radiale Drucklast auf die Tankmantelfläche umwandelt.
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Ein auf Zug- und Druck beanspruchtes Bauteil aus CFK stellt eine Übergangskupplung dar, die für Schienenfahrzeuge entwickelt wurde (Kroll, L., Seidlitz, H., Ulke-Winter, L. et al.: Erste CFK-Kupplung für Schienenfahrzeuge, Lightweight Design Vol. 5, S. 38-43, 2012). Anstatt von Stahl wurden für alle Bauteile dieser Kupplung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff eingesetzt. Zum Teil wurde noch Titan als Verstärkung des CFK verwendet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Keiltriebwerkzeug zu entwickeln, welches einen einfachen konstruktiven Aufbau und eine Massereduzierung bei gleicher Steifigkeit und Festigkeit im Vergleich zu einem konventionellen Keiltriebwerkzeug aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß soll die Masse des Schiebers reduziert werden, wobei die Massereduzierung des Schiebers durch den Einsatz eines Faser-Kunststoff-Verbundes, wie zum Beispiel kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), erzielt werden, da dieser Werkstoffverbund gegenüber Metallen über ein deutlich höheres Leichtbaupotential verfügt. Zur Einschätzung des Leichtbaupotentials eines Werkstoffes dienen die spezifische Steifigkeit und die spezifische Festigkeit. Die spezifische Steifigkeit von CFK ist bis zu zehnmal höher im Vergleich zu Stahl und die spezifische Festigkeit beträgt bis zum Fünffachen gegenüber von Stahl. Weiterhin weisen CFK-Bauteile bei richtiger Dimensionierung eine deutlich höhere Lebensdauer unter schwingender Beanspruchung auf als vergleichbare metallische Bauteile. Eine weitere positive Eigenschaft für den Einsatzzweck ist die hohe werkstoffimmanente Dämpfung von einem Faser-Kunststoff-Verbund, die schallreduzierend wirkt und die Anschlagskräfte weiter herabsetzt.
Die technische Herausforderung ist beim Einsatz des Faser-Kunststoff-Verbundes in einem Schieber in der nahezu ausschließlichen Druckbelastung der Komponente zu sehen (Ausnahme bildet der Lastfall beim Abstreifen des Schneidstempels). Faserverstärkte Kunststoffe verfügen in Faserlängsrichtung über eine hervorragende Zugfestigkeit und Zugsteifigkeit. Bei Druckbelastung ist die Festigkeit jedoch sehr gering, da der Druck weitestgehend über den Matrixwerkstoff aufgenommen wird.
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Das erfindungsgemäße Keiltriebwerkzeug findet für die Fertigung von Bauteilen in Pressverfahren Anwendung, wobei das Keiltriebwerkzeug einen Schieber, einen Treiber und ein Schieberbett aufweist. Der Schieber ist derart ausgebildet, dass er eine Vorspanneinrichtung aufweist, wobei die Vorspanneinrichtung in den Schieber einsetzbar oder integriert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Schieber eine Tragstruktur aus einem faserverstärkten Werkstoff auf.
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Die Vorspanneinrichtung ist derart ausgestaltet, dass die auf den Schieber einwirkende Druckbeanspruchung mittels der Vorspanneinrichtung kompensierbar ist. So kann bei gleicher Steifigkeit und Festigkeit des Schiebers eine Gewichtsreduktion erreicht werden.
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Bei der Herstellung oder Inbetriebnahme des Schiebers wird dazu die Zug-Vorspannung mit Hilfe einer Faser-Kunststoff-Verbund-Struktur in Form der Vorspanneinrichtung in den Schieber eingebracht, die bei von außen einwirkenden Druckbeanspruchungen diese kompensiert.
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Die Vorspanneinrichtung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung in Form eines Kerns ausgebildet, wobei der Kern wenigstens einen geschlossenen Hohlkörper aufweist, der aus einem faserverstärkten Werkstoff oder einer Kombination eines faserverstärkten Werkstoffes mit wenigstens einem weiteren Werkstoff besteht.
Vorzugsweise ist der weitere Werkstoff ein Metall.
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Die Vorspanneinrichtung ist in Form wenigstens eines Druckbehälters ausgebildet, wobei auch mehrere Druckbehälter Anwendung finden können. Der wenigstens eine Druckbehälter ist mittels eines gasförmigen und/oder flüssigen Medium und/oder einem Feststoff gefüllt. Die Befüllung erfolgt mittels einer Druckerzeugungseinheit, wobei diese in dem Keiltriebwerkzeug verbaut sein kann derart, dass die Hubbewegung des Keiltriebs zur Gasverdichtung und Förderung nutzbar ist.
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Der Druckbehälter ist einteilig oder mehrteilig ausgebildet derart, dass bei einer mehrteiligen Ausbildung eine Mantelfläche des Druckbehälters aus einem faserverstärkten Werkstoff besteht. Beispielsweise können die sichtbaren Stirnflächen aus einem Metall und die Mantelfläche aus einem faserverstärkten Werkstoff bestehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckbehälter von einem metallischen Rahmen zumindest bereichsweise umgeben derart, dass sich der Druckbehälter unter Einbringung eines Druckes im Inneren an den Rahmen anlegt. An dem Rahmen können Wirkflächen wie Gleitflächen und/oder Lasteinleitungselemente befestigbar sein.
Durch das Einbringen eines Innendrucks in den Behälter wird der faserverstärkte Werkstoff zugvorgespannt und legt sich an den umgebenden Metallrahmen an, so dass dieser von innen gestützt wird. Die Vorspannung darf nur so groß sein, dass die von außen einwirkende Druckbeanspruchung den Behälter nicht zerstört.
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Vorzugsweise weist der Druckbehälter eine Druckanzeige und/oder eine Befülleinheit auf, um den Innendruck ablesen zu können und bei Bedarf einstellen zu können. Die Befülleinheit ist vorzugsweise in Form der Druckerzeugungseinheit ausgebildet.
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Vorteilhafterweise weist der Schieber metallische Lasteinleitungselemente und Gleitflächen auf. Des Weiteren kann der Schieber Mittel zur Zustandsüberwachung in Form von Temperatursensoren und/oder Dichtheitssensoren und/oder Rissdetektoren aufweisen, wobei die Mittel in den Schieber oder Druckbehälter integriert sind.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Keiltriebwerkzeuges besteht in einer Massereduzierung des Schiebers. So werden die PUR-Federn oder Dämpferelemente im Endanschlag des Schiebers aufgrund der leichteren Bauweise des Schiebers geringer belastet, wodurch sich die Standzeit dieser Elemente erhöht. Bei gleicher Rückhubgeschwindigkeit und reduzierter Masse des Schiebers wird die Stoßbelastung auf den gesamten Keiltrieb reduziert, das Risiko eines Hartanschlags in Form von Stahl auf Stahl gemindert und die Standzeit des Keiltriebs erhöht.
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Durch den leichter ausgeführten Schieber ist eine geringere Kraft für die Beschleunigung des Schiebers beim Rückhub des Schiebers erforderlich. Antriebe, wie zum Beispiel Gasdruckfedern, können in Folge dessen kleiner dimensioniert werden. Zudem sinkt das Risiko von Bauteil-Kollisionen beim Rückhub. Insbesondere kann der Schieber rechtzeitig zurückgefahren werden bevor das Umformwerkzeug öffnet.
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Des Weiteren werden die Schieberführungen und Aufnahmen wie beispielsweise am Treiber durch die Gewichtseinsparung geringer belastet, wodurch die Standzeit dieser Komponenten erhöht werden kann.
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Aufgrund der werkstoffimmanenten Dämpfung von faserverstärkten Werkstoffen wird die Schallemission während der Umform- oder Schneidoperation und beim Erreichen des Endanschlags gedämpft. Weiterhin wird dadurch auch die Anschlagskraft im Endanschlag gedämpft, wodurch sich die Belastungen auf den gesamten Keiltrieb verringern.
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Das Prinzip der Bauteilverstärkung kann in Umformwerkzeugen, Produktionsmaschinen, Montagezentren, Prüfständen oder sonstigen Bauteilen eingesetzt werden, bei denen die beschriebenen Eigenschaften relevant sind und die im Betrieb mit Druckkräften beaufschlagt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
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Es zeigen:
- 1 die Integration eines zylindrischen Druckbehälters in den Schieber eines Keiltriebwerkzeuges,
- 2 einen gemäß 1 zugehörigen Druckbehälter,
- 3 die Integration eines Form-Druckbehälters in den Schieber eines Keiltriebwerkzeuges,
- 4 einen gemäß 3 zugehörigen Form-Druckbehälter,
- 5 die Integration mehrerer zylindrischer oder Form-Druckbehälter in den Schieber eines Keiltriebwerkzeuges,
- 6 mehrere gemäß 5 zugehörige Druckbehälter.
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Ein Keiltriebwerkzeug in unterschiedlichen Ausgestaltungen ist in den 1, 3, 5 dargestellt. Das Keiltriebwerkzeug weist einen Schieber 1 auf, der auf einem Schieberbrett 2 verfahrbar angeordnet ist. Der Schieber 1 ist in Form eines Keils ausgebildet und weist an seiner Seite eine Öffnung für eine Vorspanneinrichtung 3 auf. Des Weiteren weist das Keiltriebwerkzeug eine auf dem Schieber 1 angeordnete Schieberführung 4 sowie einen Treiber 5 auf.
Der Schieber 1 kann als oben hängend wie in den Figuren dargestellt oder untenstehend ausgeführt sein, wie Keiltriebe üblicherweise ausgeführt werden.
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Die 1 bis 6 zeigen ein Keiltriebwerkzeug mit drei Ausgestaltungsvarianten einer Vorspanneinrichtung 3 in Form eines Druckbehälters. Der Druckbehälter 3 ist mittels eines gasförmigen und/oder flüssigen Medium und/oder einem Feststoff gefüllt, wobei die mittels des Innendrucks erzeugte Vorspannung im Druckbehälter 3 nur so groß sein darf, dass die von außen einwirkende Druckbeanspruchung den Druckbehälter 3 nicht zerstört.
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In den Schieber 1 können ein oder mehrere Vorspanneinrichtungen 3 in Form von Druckbehältern 3 mit unterschiedlichen Formen und inneren Aufbauten integriert sein. Dabei kann der Druckbehälter 3 eine einlagige Wandung aus einem Werkstoff oder mehrlagige Wandungen aus mehreren Werkstoffen aufweisen.
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Gemäß 1 und 2 ist der Druckbehälter in Form eines zylindrischen Druckbehälters 3 ausgebildet. Der Schieber 1 weist eine seitliche Öffnung auf, in die der zylindrische Druckbehälter einsetzbar ist.
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In den 3 und 4 ist eine alternative Ausgestaltung eines einzelnen Druckbehälters 3 zum Einsatz in einem Schieber 1 dargestellt. Der Druckbehälter 3 ist in seiner Form an den Schieber 1 angepasst und korrespondierend zu dem Schieber 1 keilförmig ausgestaltet. Für eine bessere Druckverteilung sind die Ecken abgerundet.
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Die 5 und 6 zeigen eine Ausgestaltung eines Keiltriebwerkzeuges mit einem keilförmigen Schieber 1 und mehreren Vorspanneinrichtungen 3 in Form von Druckbehältern. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind in den Schieber 1 drei Druckbehälter 3 eingesetzt, wobei Größe und Durchmesser der einzelnen Behälter unterschiedlich sein können.
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Die Druckbehälter 3 gemäß den 1 bis 6 können mit einer Druckanzeige und/oder einer Befülleinheit versehen sein. So kann der in dem Druckbehälter 3 herrschende Innendruck abgelesen und bei Bedarf eingestellt werden.
Das Einstellen des Innendruckes erfolgt mittels einer Druckerzeugereinheit, die zum Befüllen des Behälters oder der Behälter auch direkt in das Keiltriebwerkzeug verbaut sein kann. Es ist zudem möglich, die Hubbewegung des Keiltriebs zur Gasverdichtung und Förderung in den Druckbehälter 3 zu nutzen.
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Des Weiteren können auch Sensoren zur Zustandsüberwachung des Druckbehälters 3, wie beispielsweise Temperatursensoren, Dichtheitssensoren oder Rissdetektoren, in den Schieber oder Druckbehälter integriert werden.
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Mit den beschriebenen Ausgestaltungsvarianten lassen sich die Masse, Steifigkeit, Festigkeit sowie die mechanische als auch akustische Dämpfungseigenschaft des Schiebers variieren. Die den Schieber umgebenden Komponenten, wie zum Beispiel Schieberbett, Schieberführung und Treiber können unterschiedlich ausgeführt sein. So kann die Schieberführung zum Treiber zum Beispiel eine Säulen- oder Plattenführung sein und direkt stoffschlüssig am Schieber angebunden oder als separates Teil ausgeführt sein. Auch ein Rollenschieber ist denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schieber
- 2
- Schieberbett
- 3
- Vorspanneinrichtung
- 4
- Schieberführung
- 5
- Treiber
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006034974 A1 [0005]
- DE 102005029140 B4 [0006]
- DE 60302207 T2 [0007]
- DE 7628010 U1 [0013]
- DE 19753549 C2 [0013]
- DE 102007045703 A1 [0013]
- DE 102006036654 B4 [0013]
- EP 1714866 A1 [0014]
- US 4725021 A [0014]
- EP 0941922 A1 [0014]
- US 3246394 A [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Osakada, K.; Mori, K.; Altan, T.; Groched, P.: Mechanical servo press technology for metal forming, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 60 (2), S. 651-672, 2011 [0002]
- Kroll, L., Seidlitz, H., Ulke-Winter, L. et al.: Erste CFK-Kupplung für Schienenfahrzeuge, Lightweight Design Vol. 5, S. 38-43, 2012 [0016]
