DE102021119874A1

DE102021119874A1 - Fertigungswerkzeug, verfahren zum bestimmen eines verschleisszustands und verwendung eines pneumatischen sensors

Info

Publication number: DE102021119874A1
Application number: DE102021119874.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Menzl; Maximilian Lorenz; Christian Donhauser; Matthias Strauss
Original assignee: Hochschule Fuer Angewandte Wissenschaften Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Hochschule Fuer Angewandte Wss Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Fuer Angewandte Wissenschaften Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Hochschule Fuer Angewandte Wss Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02
Also published as: EP4377026A1; WO2023006753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fertigungswerkzeug (1), insbesondere ein Umformwerkzeug und/oder ein Trennwerkzeug. Das Fertigungswerkzeug (1) umfasst ein entlang seiner Längsachse (L) bewegbar gelagertes Aktivelement (2) mit einem als Bearbeitungsabschnitt (6), insbesondere als Umformabschnitt und/oder Trennabschnitt ausgebildetem, distalen Ende. Des Weiteren umfasst das Fertigungswerkzeug (1) ein Passivelement (3; 4; 5) mit einer Ausnehmung (9). Die Ausnehmung (9) weist eine Querschnittskontur auf, die der Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts (6) entspricht, und in die der Bearbeitungsabschnitt (6) im Betrieb des Fertigungswerkzeugs (1) eintaucht. Ferner umfasst das Fertigungswerkzeug (1) zumindest einen an oder in dem Passivelement (3; 4; 5) aufgenommenen pneumatischen Sensor (7). Der pneumatische Sensor (7) weist einen Erfassungsbereich auf, der in die Ausnehmung (9) hineinreicht. Der zumindest eine pneumatische Sensor (7) erfasst dabei einen Staudruck innerhalb der Ausnehmung (9). Schließlich umfasst das Fertigungswerkzeug (1) eine Auswerteeinheit, mittels der aus dem erfassten Staudruck ein Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts (6) abgeleitet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Verschleißzustands sowie eine Verwendung eines pneumatischen Sensors.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Fertigungswerkzeug, insbesondere ein Umformwerkzeug und/oder ein Trennwerkzeug, mit einem pneumatischen Sensor, ein Verfahren zum Bestimmen eines Verschleißzustands sowie eine Verwendung eines pneumatischen Sensors zum Bestimmen eines Verschleißzustands.
HINTERGRUND
Fertigungswerkzeuge, insbesondere Umformwerkzeuge und/oder Trennwerkzeuge wie beispielsweise Stanzwerkzeuge, umfassen bewegbar gelagerte Aktivelemente mit einem als Bearbeitungsabschnitt ausgebildetem Ende. Bei der Verwendung der Fertigungswerkzeuge verschleißt der Bearbeitungsabschnitt, insbesondere mit zunehmender Betriebsdauer des Aktivelements bzw. Bearbeitungsabschnitts. Dieser Verschleiß hat zur Folge, dass das Umformen und/oder Trennen der umzuformenden und/oder zu trennenden Teile an Genauigkeit einbüßt, so dass die umgeformten und/oder getrennten Teile nicht mehr den Vorgaben entsprechen und unter Umständen als Ausschussteile zu verwerfen sind. Bei zu starkem Verschleiß ist ferner beispielsweise ein Bruch des Aktivelements möglich, was zu einer Beschädigung des gesamten Fertigungswerkzeugs und einem länger andauernden Produktionsausfall führen kann. Daher ist ein Überwachen des Verschleißzustands und/oder eines Spontanversagens des Bearbeitungsabschnitts bei Fertigungswerkzeugen von großer Bedeutung.
Dieses Überwachen kann beispielsweise von Bedienpersonal des Fertiungswerkzeugs durchgeführt werden, dies allerdings nur, wenn das Fertigungswerkzeug nicht in Betrieb ist und unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen. Es ist also keine laufende Überwachung möglich, der Betrieb des Fertigungswerkzeugs muss zur Überwachung unterbrochen werden und die Prüfung muss vom Bedienpersonal durchgeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit, den Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts zu bestimmen, ist durch die Messung der Stempelkraft oder des Stempeldrucks des Aktivelements, beispielsweise mittels Piezo-Sensoren, gegeben. Diese Messungen liefern allerdings nur ein recht ungenaues Ergebnis.
Darüber hinaus kann das vom Fertigungswerkzeug beim Umformen und/oder Trennen abgegebene Geräusch gemessen und analysiert werden. Veränderungen des Geräuschs deuten dabei auf einen Verschleiß des Bearbeitungsabschnitts hin. Da hier eine Vielzahl von Einflussparametern auf das Geräusch vorliegt, liefert eine Messung des abgegebenen Geräuschs lediglich eine recht ungenaue Information über den Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts.
Des Weiteren kann der Verschleiß des Bearbeitungsabschnitts im Betrieb des Fertigungswerkzeugs mittels optischer Sensoren bestimmt werden. Aufgrund von Verunreinigungen, die bei Umformwerkzeugen regelmäßig anzutreffen sind, können solche optische Sensoren allerdings schnell verschmutzen, wodurch die Funktion oder Messgenauigkeit negativ beeinflusst wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fertigungswerkzeug sowie ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Verschleißzustands eines Bearbeitungsabschnitts vorzuschlagen, die insbesondere die oben genannten Nachteile überwinden, also robust und genau sind sowie den Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts während des laufenden Betriebs bestimmen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Fertigungswerkzeug, insbesondere ein Umformwerkzeug und/oder ein Trennwerkzeug wie beispielsweise ein Stanzwerkzeug. Das Fertigungswerkzeug ist dabei insbesondere ein Werkzeug zum Umformen und/oder Trennen von heiß- oder kaltverformbaren Werkstoffen.
Das Fertigungswerkzeug umfasst ein Aktivelement und ein Passivelement. Das Aktivelement ist dabei entlang seiner Längsachse bewegbar gelagert. Das Aktivelement ist beispielsweise ein Stempel. Ein distales Ende des Aktivelements ist als Bearbeitungsabschnitt ausgebildet, wobei als „distales Ende“ des Aktivelements dasjenige Ende des Aktivelements zu verstehen ist, das im Betrieb des Fertigungswerkzeugs, d.h. wenn das Aktivelement im Fertigungswerkzeug angeordnet ist bzw. wenn mittels des Aktivelements ein umzuformendes oder zu trennendes Werkstück umgeformt oder getrennt wird, dem umzuformenden und/oder zu trennenden Werkstück zugewandt ist. Die Formulierung „ein distales Ende des Aktivelements ist als Bearbeitungsabschnitt ausgebildet“ soll auch eine Ausführungsform mit einschließen, bei der der Bearbeitungsabschnitt nicht unmittelbarer Bestandteil des Aktivelements ist (also bei der Bearbeitungsabschnitt und Aktivelement nicht einstückig ausgebildet sind), sondern der Bearbeitungsabschnitt ein eigenständiges Bauteil ist, welches im Betrieb des Fertigungswerkzeugs am dem Werkstück zugewandten Ende des Aktivelements beispielsweise über ein Verbindungsmittel, insbesondere über ein Geschwindigkeitsübersetzungsmittel, mit dem besagten Ende des Aktivelements verbunden ist und so zusammen mit dem Aktivelement und dem Verbindungsmittel eine kinematische Kette ausbildet, in der der Bearbeitungsabschnitt das „distale Ende“ darstellt. Die Verwendung eines Geschwindigkeitsübersetzungsmittels kann vor allem in solchen Fällen von Vorteil sein, in denen zum Umformen und/oder Trennen des Werkstücks besonders hohe Relativgeschwindigkeiten des Bearbeitungsabschnitts gegenüber dem Werkstück erforderlich sind; vorzugsweise bewegt sich dann der Bearbeitungsabschnitt schneller als das Aktivelement, beispielsweise mindestens doppelt so schnell. Der Bearbeitungsabschnitt ist dabei insbesondere als eine Schneide, als Stanzmesser, als Prägestempel und/oder als Biegestempel ausgebildet. Im Betrieb des Fertigungswerkzeugs wird das Aktivelement entlang seiner Längsachse bewegt und ein Werkstück wird mittels des Bearbeitungsabschnitts umgeformt und/oder getrennt.
Das Passivelement ist ein Element, gegenüber dem das Aktivelement bewegbar ist; es umfasst eine Ausnehmung. Eine Querschnittskontur der Ausnehmung entspricht dabei der Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass eine Querschnittskontur der Ausnehmung und eine Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts derart ausgebildet sind, dass sich der Bearbeitungsabschnitt im Betrieb des Fertigungswerkzeugs zumindest abschnittsweise in die Ausnehmung hinein und aus der Ausnehmung heraus bewegen kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden besagten Querschnittskonturen im Wesentlichen identisch (unter Berücksichtigung etwaiger Fertigungstoleranzen und/oder eines Schneidspalts). Ist eine Querschnittskontur der Ausnehmung beispielsweise kreisförmig, so ist die Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts gemäß der bevorzugten Ausführungsform ebenfalls kreisförmig, insbesondere kreisförmig mit im Wesentlichen identischen Krümmungsradius, ausgebildet. Im Betrieb des Fertigungswerkzeugs taucht der Bearbeitungsabschnitt des Aktivelements in die Ausnehmung des Passivelements ein, wodurch insbesondere ein Werkstück umgeformt und/oder getrennt wird, das zwischen dem Passivelement und dem Aktivelement angeordnet ist. Damit ein Eintauchen des Aktivelements in die Ausnehmung möglich ist, ist ein Querschnitt des in die Ausnehmung eintauchenden Teils des Bearbeitungsabschnitts kleiner als ein Querschnitt der Ausnehmung. Ganz insbesondere wird aus dem Werkstück ein Teil mit einer Querschnittskontur, die der Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts entspricht, ausgestanzt. Abhängig vom verwendeten Aktivelement und der damit verbundenen Ausgestaltung des Bearbeitungsabschnitts kann beispielsweise ein Ausstanzen und/oder ein Prägen erfolgen. Im Fall des Prägens weist der Bearbeitungsabschnitt keine Schneide auf (das Aktivelement ist dann vielmehr als Prägestempel ausgebildet) und wird das unter Einwirkung des Bearbeitungsabschnitts stehende Teil des Werkstücks nicht von diesem abgetrennt sondern unter Wahrung einer stoffschlüssigen Verbindung zum Rest des Werkstücks lediglich aus seiner ursprünglichen Lage in eine andere Lage gegenüber dem Rest des Werkstücks verbracht.
Des Weiteren umfasst das Fertigungswerkzeug zumindest einen an oder in dem Passivelement aufgenommenen, pneumatischen Sensor. Unter einem pneumatischen Sensor wird dabei ein Sensor verstanden, der dazu ausgebildet ist, Druckluft an einer vorgegebenen Stelle einzubringen und einen durch diese Druckluft erzeugten Staudruck zu erfassen. Der pneumatische Sensor hat dabei einen Erfassungsbereich, der in die Ausnehmung des Passivelements hineinreicht. Der pneumatische Sensor ist also dazu ausgebildet, einen Staudruck innerhalb der Ausnehmung zu erfassen.
Im Betrieb des Fertigungswerkzeugs ergibt sich eine zeitliche Änderung des Staudrucks innerhalb der Ausnehmung. Diese zeitliche Änderung kommt insbesondere daher, dass sich die Teile des Aktivelements, die sich im Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors befinden, im Verlauf eines Fertigungszyklus ändern. Insbesondere ist der pneumatische Sensor dabei derart platziert, dass sich der Bearbeitungsabschnitt zumindest zeitweise im Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors befindet. Durch die Verwendung von mehreren pneumatischen Sensoren kann dabei der Verschleißzustand von mehreren Bereichen des Fertigungswerkzeugs bestimmt werden.
Ferner umfasst das Fertigungswerkzeug eine Auswerteeinheit. Diese Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, aus dem erfassten Staudruck einen Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts abzuleiten. Je größer dabei der Verschleiß des Bearbeitungsabschnitts, desto weniger vom Bearbeitungsabschnitt befindet sich zu einem gegebenen Zeitpunkt eines Fertigungszyklus im Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors und desto geringer ist der Staudruck, der sich ausbildet. Durch die Auswertung des Staudrucks lässt sich also der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts bestimmen. Die Auswerteeinheit umfasst beispielsweise eine Schnittstelle zum Empfangen der von dem pneumatischen Sensor erzeugten Signale und eine Recheneinheit, die diese Signale auswertet. Bei der Auswertung wird beispielsweise der gemessene zeitabhängige Staudruck mit einer Referenzkurve des Staudrucks für einen neuen, nicht verschlissenen Bearbeitungsabschnitt verglichen und die Differenz als Maß für den Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts verwendet.
Der pneumatische Sensor kann dabei, wie zuvor beschrieben, im laufenden Betrieb des Fertigungswerkzeugs eingesetzt werden, so dass zur Bestimmung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts kein Unterbrechen des Betriebs des Fertigungswerkzeugs notwendig ist. Des Weiteren kann mit einem pneumatischen Sensor der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts mit einer guten Präzision bestimmt werden. Und schließlich werden durch die Druckluft des pneumatischen Sensors Verunreinigungen vom pneumatischen Sensor weggeblasen, so dass dadurch keine Verfälschung des Messergebnisses durch Verunreinigungen ei ntritt.
In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst das Passivelement eine Stanzmatrize. Das heißt, für das Trennen eines Werkstücks befindet sich das Werkstück zunächst zwischen dem Aktivelement und der Stanzmatrize. Das Aktivelement wird daraufhin derart bewegt, dass zumindest der Bearbeitungsabschnitt des Aktivelements in die Ausnehmung der Stanzmatrize eintaucht, wodurch ein Teil, dessen Querschnittskontur der Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts und der Ausnehmung entspricht, aus dem Werkstück ausgestanzt wird. Die Anordnung des pneumatischen Sensors in der Stanzmatrize hat dabei den Vorteil, dass die Stanzmatrize meist unbeweglich ist und so lediglich die Bewegung des Aktivelements bei der Auswertung berücksichtigt werden muss. Alternativ ist oder umfasst das Passivelement eine Führungsplatte. Die Führungsplatte ist im Betrieb des Fertigungswerkzeugs auf einer einer Stanzmatrize gegenüberliegenden Seite des Werkstücks angeordnet und dient dazu, das Aktivelement zu führen, insbesondere senkrecht zu dessen Bewegungsrichtung. Alternativ ist oder umfasst das Passivelement eine Niederhalteplatte, die ausgebildet ist, im Betrieb des Fertigungswerkzeugs das Werkstück zwischen derselben und einer Stanzmatrize festzuhalten während das Aktivelement das Werkstück umformt und/oder ein Teil des Werkstücks ausstanzt.
Ferner können auch mehrere pneumatische Sensoren derart angeordnet sein, dass sich einige davon in der Stanzmatrize, andere in der Führungsplatte und/oder andere in der Niederhalteplatte befinden. So kann an verschiedenen Punkten der Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts eine Bestimmung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts durchgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen ist der zumindest eine pneumatische Sensor in einem Totpunkt einer Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts, der im Passivelement liegt, angeordnet. Der Totpunkt kann dabei beispielsweise ein Totpunkt der Relativbewegung von Führungsplatte und Aktivelement sein. Das heißt, der pneumatische Sensor ist an einem der Punkte angeordnet, an dem der Bearbeitungsabschnitt im Betrieb des Fertigungswerkzeugs in seiner Bewegung umkehrt. Diese Bewegungsumkehr meint insbesondere einen Wechsel der Bewegungsrichtung des Bearbeitungsabschnitts von einer auf das umzuformende und/oder zu trennende Werkstück hin gerichteten Bewegung zu einer von dem umzuformenden und/oder zu trennenden Werkstück weg gerichteten Bewegung bzw. umgekehrt. An diesem Totpunkt bewegt sich der Bearbeitungsabschnitt besonders langsam und kurzfristig überhaupt nicht, so dass eine präzise Bestimmung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts möglich ist.
Der pneumatische Sensor kann auch an anderen, vorgegebenen Punkten im Passivelement angeordnet sein. An diesen Punkten ist dann die Geschwindigkeit des Bearbeitungsabschnitts, wenn er den pneumatischen Sensor passiert, nicht null und diese Geschwindigkeit ist bei der Auswertung des erfassten Staudrucks zu berücksichtigen. Zur Erfassung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts kann allerdings auch ein Maschinenstopp angefordert werden, wobei beim Maschinenstopp das Aktivelement derart platziert wird, dass sich der Bearbeitungsabschnitt im Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors befindet.
In einigen Ausführungsformen ist der zumindest eine pneumatische Sensor direkt im Passivelement eingebaut. Das heißt, im Passivelement befindet sich für jeden pneumatischen Sensor eine Bohrung, in die der pneumatische Sensor genau aufnehmbar ist. Unter „Bohrung“ wird dabei allgemeine eine längliche Aussparung verstanden. Des Weiteren ist es denkbar, dass in diese Aussparung Leitungen, beispielsweise in Form von Schläuchen, eingebracht werden. So wird die Steifigkeit und Belastbarkeit des Passivelements nur minimal beeinträchtigt.
In einigen Ausführungsformen ist der zumindest eine pneumatische Sensor in ein Sensorgehäuse eingebaut. Das heißt, das Passivelement weist eine Aussparung auf, die zumindest der Größe des Sensorgehäuses entspricht, und der zumindest eine pneumatische Sensor befindet sich in diesem Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse kann dabei beispielsweise als Teil der Führungsplatte fungieren. Es können sich mehrere pneumatische Sensoren in einem Sensorgehäuse befinden und/oder es können mehrere Sensorgehäuse zur Aufnahme von mehreren pneumatischen Sensoren vorgesehen sein. Die Einbringung des pneumatischen Sensors in das Sensorgehäuse ist kostengünstig möglich. Des Weiteren ist ein Austausch eines pneumatischen Sensors, beispielsweise im Falle eines Defekts des pneumatischen Sensors, einfach durchführbar. Schließlich bietet die Anordnung des pneumatischen Sensors in einem Sensorgehäuse eine große Flexibilität, da die pneumatischen Sensoren innerhalb des Sensorgehäuses weitgehend frei angeordnet werden können.
In einigen Ausführungsformen ist der zumindest eine pneumatische Sensor in Bezug auf das Passivelement beweglich gelagert. Zur genauen Messung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts kann der pneumatische Sensor mit dem Bearbeitungsabschnitt mitgeführt werden. Das heißt, für einen vorgegebenen Zeitabschnitt ist die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem pneumatischen Sensor und dem Bearbeitungsabschnitt geringer als die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Passivelement und dem Bearbeitungsabschnitt. Insbesondere ist die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem pneumatischen Sensor und dem Bearbeitungsabschnitt, zumindest zeitweise, null, das heißt, die Bewegung von pneumatischem Sensor und Bearbeitungsabschnitt erfolgt synchron. Durch die geringen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen pneumatischem Sensor und Bearbeitungsabschnitt bzw. durch eine identische Geschwindigkeit von pneumatischem Sensor und Bearbeitungsabschnitt lassen sich besonders genaue Messungen des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts durchführen. Die bewegliche Lagerung des pneumatischen Sensors kann dabei über eine Feder erfolgen. Zum Mitführen des pneumatischen Sensors mit dem Umformabschnitt erfolgt die bewegliche Lagerung des pneumatischen Sensors bevorzugt über eine mechanische Kopplung, die die Bewegung des Aktivelements zumindest teilweise an den pneumatischen Sensor weitergibt und/oder über einen Stellmotor, der den pneumatischen Sensor zumindest teilweise mit dem Bearbeitungsabschnitt mitführt.
In einigen Ausführungsformen ist der zumindest eine pneumatische Sensor ein Ringsensor und/oder ein Rachensensor. Alternativ oder zusätzlich dazu umfasst der zumindest eine pneumatische Sensor eine Düse oder eine Bohrung. Bei mehreren pneumatischen Sensoren können diese auch unterschiedlich ausgeführt sein, beispielsweise um mit unterschiedlichen Genauigkeiten zu messen oder um unterschiedliche Verschleißzustände zu erfassen.
In einigen Ausführungsformen beträgt eine Ortsauflösung des zumindest einen pneumatischen Sensors kleiner oder gleich 4 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 1 µm besonders bevorzugt kleiner oder gleich 0,3 µm. So lässt sich der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts mit einer guten Präzision bestimmen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Verschleißzustands eines Bearbeitungsabschnitts eines Aktivelements eines Fertigungswerkzeugs. Dabei handelt es sich beim Fertigungswerkzeug insbesondere um ein Umformwerkzeug und/oder ein Trennwerkzeug und beim Bearbeitungsabschnitt insbesondere um eine Schneide oder ein Stanzmesser. Ferner weist das Fertigungswerkzeug ein Passivelement mit einer Ausnehmung auf, in die der Bearbeitungsabschnitt im Betrieb des Fertigungswerkzeugs eintaucht.
Bei dem Verfahren wird über zumindest einen pneumatischen Sensor Druckluft in die Ausnehmung des Passivelements eingebracht. Der so entstehende Staudruck innerhalb der Ausnehmung wird von dem pneumatischen Sensor erfasst und über den erfassten Staudruck wird der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts ermittelt. Dabei ist der Bearbeitungsabschnitt, wenn er nicht verschlissen ist, nahe (d.h. mit geringem Abstand, beispielsweise im Bereich von 2 µm bis 5 µm) am pneumatischen Sensor, so dass sich ein hoher Staudruck ausbildet. Ist der Bearbeitungsabschnitt jedoch bereits verschlissen, so fehlen Teile des Bearbeitungsabschnitts, insbesondere an einer Kante des Bearbeitungsabschnitts. Aufgrund dieser fehlenden Teile ist der Bearbeitungsabschnitt damit weiter (d.h. mit größerem Abstand, beispielsweise im Bereich von 20 µm bis 100 µm) vom pneumatischen Sensor entfernt als beim unverschlissenen Bearbeitungsabschnitt, so dass sich im Vergleich zum unverschlissenen Bearbeitungsabschnitt ein geringerer Staudruck ausbildet. Über diesen Unterschied im Staudruck kann der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts ermittelt werden. Diese Ermittlung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts ist im laufenden Betrieb des Fertigungswerkzeugs möglich und unempfindlich gegenüber Verschmutzungen.
In einigen Ausführungsformen wird die Druckluft senkrecht zu einer Längsachse, entlang der das Aktivelement bewegbar gelagert ist, eingebracht. So lässt sich ein Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors besonders leicht bestimmen und die Auswertung des erfassten Staudrucks wird vereinfacht.
In einigen Ausführungsformen folgt der zumindest eine pneumatische Sensor zumindest teilweise der Bewegung des Bearbeitungsabschnitts. Durch eine im Wesentlichen synchrone Bewegung von pneumatischem Sensor und Bearbeitungsabschnitt lässt sich der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts besonders genau bestimmen. Der pneumatische Sensor kann dabei mechanisch mit dem Bearbeitungsabschnitt mitgeführt werden. Alternativ dazu kann der pneumatische Sensor dem Bearbeitungsabschnitt auch separat gesteuert folgen, beispielsweise über einen elektrischen Motorantrieb und eine entsprechende Steuerung.
In einigen Ausführungsformen wird das Verfahren nach einer vorgegebenen Anzahl an Hüben des Aktivelements durchgeführt. Eine vorgegebene Anzahl größer als eins ist dabei insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Durchführung des Verfahrens nicht in einem Normalbetrieb des Fertigungswerkzeugs erfolgt, beispielsweise, wenn das Aktivelement zur Durchführung des Verfahrens angehalten wird oder wenn das Verfahren nur dann durchgeführt wird, wenn sich kein Werkstück im Fertigungswerkzeug befindet. Insbesondere wenn davon auszugehen ist, dass sich ein Verschleiß nicht plötzlich sondern eher allmählich einstellt, kann der Messaufwand so erheblich reduziert werden.
Vorzugsweise wird die vorgegebene Anzahl an Hüben mit steigendem Verschleiß des Bearbeitungsabschnitts und/oder mit steigender Betriebsdauer des Bearbeitungsabschnitts verringert. Es ist also beispielsweise möglich, bei einem neuen, unverschlissenen Bearbeitungsabschnitt eine große vorgegebene Anzahl an Hüben, z.B. 20, zu wählen, da hier von keinem schnellen Verschleiß auszugehen ist. Ist der Bearbeitungsabschnitt jedoch schon verschlissen bzw. länger im Betrieb, so wird die vorgegebene Anzahl an Hüben verringert, um den Zeitpunkt, an dem der Bearbeitungsabschnitt aufgrund von zu hohem Verschleiß ausgetauscht werden muss, genauer zu erfassen.
In einigen Ausführungsformen wird zur Durchführung des Verfahrens die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Bearbeitungsabschnitts gegenüber einem Betriebszustand des Fertigungswerkzeugs, in dem keine Bestimmung eines Verschleißzustands erfolgt, verringert. Durch das Verringern der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung des Bearbeitungsabschnitts ist eine genauere Bestimmung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts möglich. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die vorgegebene Anzahl an Hüben, nach der das Verfahren durchgeführt wird, größer als eins ist, damit zwischen Hüben mit Messung des Verschleißzustands auch Hübe mit voller Geschwindigkeit des Fertigungswerkzeugs erfolgen können, so dass eine hohe Produktivität des Fertigungswerkzeugs erzielt wird.
In einigen Ausführungsformen wird bei Erkennen eines vorgegebenen Verschleißzustands eine Warnung ausgegeben und/oder ein Nothalt des Fertigungswerkzeugs durchgeführt. Die Ausgabe einer Warnung bzw. das Durchführen eines Nothalts kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit von weiteren Parametern des Fertigungswerkzeugs erfolgen, beispielsweise der Geschwindigkeit und/oder der Hublänge des Bearbeitungsabschnitts oder der erforderlichen Genauigkeit des Umform- und/oder Trennprozesses. So kann zum Beispiel bei einem schnelleren Bearbeitungsabschnitt auch eher ein Brechen des Bearbeitungsabschnitts zu erwarten sein als bei einem langsameren Bearbeitungsabschnitt. Ebenso muss bei einer höheren erforderlichen Genauigkeit Umform- und/oder Trennprozesses unter Umständen der Bearbeitungsabschnitt schon bei einem geringeren Verschleißzustand ausgetauscht werden als bei einem Umform- und/oder Trennprozess, bei dem die Anforderungen an die Genauigkeit nicht so hoch sind. Durch das Vorsehen der Ausgabe einer Warnung bzw. des Durchführens eines Nothalts kann möglicherweise auch eine Arbeitsschutzvorgabe/-richtlinie erfüllt werden; so kann durch einen Nothalt beispielsweise vermieden werden, dass im Falle eines Brechens des Bearbeitungsabschnitts im Betrieb des Fertigungswerkzeugs Personen, die sich im Umfeld des Fertigungswerkzeugs aufhalten, verletzt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines pneumatischen Sensors zum Bestimmen eines Verschleißzustands eines Bearbeitungsabschnitts eines Aktivelements eines Fertigungswerkzeugs. Diese Bestimmung erfolgt mittels Einbringen von Druckluft in eine Ausnehmung eines Passivelements des Fertigungswerkzeugs und Erfassen eines Staudrucks in der Ausnehmung. Der Staudruck hängt dabei von der Entfernung von im Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors gelegenen Objekten zum pneumatischen Sensor ab, wobei diese Entfernung bei zunehmendem Verschleiß des Bearbeitungsabschnitts größer und damit der Staudruck geringer wird. So kann mittels des pneumatischen Sensors der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts im laufenden Betrieb des Fertigungswerkzeugs bestimmt werden, wobei der pneumatische Sensor gegenüber Verschmutzungen unempfindlich ist.
Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform auch aus einer Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch erzielt werden kann.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
Figurenliste
Dabei zeigt:

1 einen schematischen Querschnitt durch ein Fertigungswerkzeug;
2 eine schematische Ansicht eines Bearbeitungsabschnitts;
3 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs;
4 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs;
5 einen schematischen Querschnitt einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs;
6 einen schematischen Querschnitt einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs;
7 einen schematischen Querschnitt einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs;
8 einen schematischen Querschnitt einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs; und
9 einen schematischen Querschnitt einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen entweder gleiche Elemente oder Elemente mit gleichwertigen Funktionen. Elemente, die schon beschrieben wurden, werden nicht notwendigerweise in den nachfolgenden Figuren noch einmal beschrieben.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Fertigungswerkzeug 1, das als Trennwerkzeug ausgebildet ist. Das Fertigungswerkzeug 1 umfasst ein entlang seiner Längsachse L bewegbar gelagertes Aktivelement 2, das hier als Stempel ausgebildet ist.
Das Aktivelement 2 wird in einer Führungsplatte 3 geführt, so dass eine Bewegung des Aktivelements 2 in einer Richtung senkrecht zur Längsachse L des Aktivelements 2 unterbunden ist. An die Führungsplatte 3 grenzt eine Niederhalteplatte 4 an, die während des Trennprozesses ein hier nicht dargestelltes Werkstück zwischen der Niederhalteplatte 4 und einer Stanzmatrize 5 fixiert. Durch die Abwärtsbewegung des Aktivelements 2 wird aus dem fixierten Werkstück ein Teil herausgestanzt, dessen Querschnittskontur einer Querschnittskontur eines an einem distalen Ende des Aktivelements 2 ausgebildeten Bearbeitungsabschnitts 6 entspricht.
Eine Detailansicht des Bearbeitungsabschnitts 6 des Aktivelements 2 ist in 2 dargestellt. Der gezeigte Bearbeitungsabschnitt 6 weist dabei schon Verschleiß auf, der durch die schraffierten Flächen angedeutet ist. Verschleiß führt dazu, dass das Ergebnis des Trennprozesses schlechter wird, so dass ab einem bestimmten Verschleißzustand ein Austausch des Bearbeitungsabschnitts 6 notwendig wird, um die gewünschte Qualität des Trennprozesses zu erhalten. Des Weiteren ist es auch möglich, dass der Bearbeitungsabschnitt 6 bei einem bestimmten Verschleißzustand bricht, wobei die Bruchstücke dann andere Teile des Fertigungswerkzeugs 1 oder sich im Umfeld des Fertigungswerkzeugs aufhaltende Personen beschädigen können. Auch aus diesem Grund ist es vorteilhaft, den Bearbeitungsabschnitt 6 auszutauschen bevor ein solcher Bruch des Bearbeitungsabschnitts 6 erfolgt.
Dazu wird der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts 6 bestimmt. Eine erste Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs 1, mit dem sich der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts 6 bestimmen lässt, ist in 3 dargestellt. Dabei sind in der Niederhalteplatte 4 zwei pneumatische Sensoren 7 angeordnet. Hierzu wurde die Niederhalteplatte 4 mit Bohrungen versehen, die auch als Druckluftleitungen 8 fungieren. „Bohrungen“ werden dabei allgemein als längliche Aussparungen verstanden. Des Weiteren können in diese Aussparungen Leitungen, beispielsweise in Form von Schläuchen, eingebracht werden.
Die Anzahl der pneumatischen Sensoren 7 beträgt mindestens eins, es kann jedoch auch eine größere Anzahl an pneumatischen Sensoren 7 verwendet werden, wobei dadurch der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts 6 entlang der Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts 6 besser erfasst wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die pneumatischen Sensoren 7 an einem oberen Totpunkt der Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts 6 angeordnet. An diesem oberen Totpunkt ist die Geschwindigkeit des Bearbeitungsabschnitts 6 gering und kurzfristig null, so dass eine genaue Bestimmung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts 6 möglich ist.
Zur Bestimmung des Verschleißzustands wird dabei über die Druckluftleitung 8 Druckluft in eine Ausnehmung 9 der Niederhalteplatte 4 eingebracht. Je nachdem, welcher Teil des Bearbeitungsabschnitts 6 dabei in einen Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors 7 hineinreicht und wie nah dieser Teil des Bearbeitungsabschnitts 6 am pneumatischen Sensor 7 ist, wird ein unterschiedlich großer Staudruck ausgebildet. Je neuer und unverschlissener dabei der Bearbeitungsabschnitt 6 ist, desto näher ist er am pneumatischen Sensor 7 und desto größer ist der ausgebildete Staudruck. Zeigt der Bearbeitungsabschnitt 6 hingegen schon Verschleiß, dann ist der Abstand zum pneumatischen Sensor 7 größer und der ausgebildete Staudruck geringer.
Der Staudruck wird mittels des pneumatischen Sensors 7 erfasst und anschließend mittels einer Auswerteeinheit (nicht abgebildet) ausgewertet, wobei aus dem erfassten Staudruck auf einen Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts 6 geschlossen wird.
Derart lässt sich der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts 6 im laufenden Betrieb des Fertigungswerkzeugs 1 bestimmen. Die Bestimmung erreicht dabei eine hohe Präzision und die pneumatischen Sensoren 7 werden von Verschmutzungen nicht beeinträchtigt, zumal mögliche Verschmutzungen durch die Druckluft weggeblasen werden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs 1. In dieser Ausführungsform sind die pneumatischen Sensoren 7jeweils in ein Sensorgehäuse 10, das sich in der Niederhalteplatte 4 befindet, eingebaut. So lassen sich die pneumatischen Sensoren 7, beispielsweise im Falle eines Defekts, leichter austauschen. Des Weiteren können so die pneumatischen Sensoren 7 relativ einfach neu positioniert werden, beispielsweise, wenn der Hub des Aktivelements 2 geändert wird und sich somit der obere Totpunkt der Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts 6 verändert.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs 1 sind die Sensorgehäuse 10 am werkstückseitigen Ende der Niederhalteplatte 4 angeordnet. Durch eine derartige Anordnung können die pneumatischen Sensoren 7 besonders nah am Werkstück angeordnet werden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs 1, bei der die Sensorgehäuse 10 über Federn 11 an der Niederhalteplatte 4 gelagert sind. Hierdurch wird eine Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem pneumatischen Sensor 7 und dem Bearbeitungsabschnitt 6 verringert, so dass eine noch genauere Messung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts 6 ermöglicht ist.
Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs 1 sind die Sensorgehäuse 10 über einen nur schematisch dargestellten Stellmotor 12 an der Niederhalteplatte 4 gelagert. Dabei wird der Stellmotor 12 derart betrieben, dass die Bewegungen des Bearbeitungsabschnitts 6 und der pneumatischen Sensoren 7 über einen Bereich der Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts 6 synchron laufen, d.h. eine Relativgeschwindigkeit zwischen pneumatischem Sensor 7 und Bearbeitungsabschnitt 6 beträgt vorzugsweise null. So ist eine besonders gute Bestimmung des Verschleißzustands des Bearbeitungsabschnitts 6 möglich. Alternativ zum Stellmotor 12 kann auch eine mechanische Kopplung den synchronen Verlauf der pneumatischen Sensoren 7 mit dem Bearbeitungsabschnitt 6 bewerkstelligen.
Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs 1 sind die pneumatischen Sensoren 7 in Bohrungen der Stanzmatrize 5 angeordnet. Wiederum werden „Bohrungen“ dabei allgemein als längliche Aussparungen verstanden. Des Weiteren können in diese Aussparungen Leitungen, beispielsweise in Form von Schläuchen, eingebracht werden. Die Anordnung wird dabei derart gewählt, dass sich die pneumatischen Sensoren 7 in einem unteren Totpunkt der Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts 6 befinden. Durch die Anordnung der pneumatischen Sensoren 7 in der Stanzmatrize 5 sind die pneumatischen Sensoren 7 ortsfest, was die Auswertung der Signale der pneumatischen Sensoren 7 vereinfacht.
Die in 9 dargestellte Ausführungsform eines Fertigungswerkzeugs 1 unterscheidet sich von der in 8 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die pneumatischen Sensoren 7 jeweils in ein Sensorgehäuse 10 eingebaut sind. So lassen sich die pneumatischen Sensoren 7, beispielsweise im Falle eines Defekts, leichter austauschen. Des Weiteren können so die pneumatischen Sensoren 7 relativ einfach neu positioniert werden, beispielsweise, wenn der Hub des Aktivelements 2 geändert wird und sich somit der untere Totpunkt der Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts 6 verändert.
Bei weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsformen können die pneumatischen Sensoren 7 auch in der Führungsplatte 3 angeordnet sein. Ferner ist es möglich, dass die pneumatischen Sensoren 7 an verschiedenen Stellen des Passivelements des Fertigungswerkzeugs 1, also in der Stanzmatrize 5, in der Niederhalteplatte 4 und/oder der in Führungsplatte 3, angeordnet sind.

Claims

Fertigungswerkzeug, insbesondere Umformwerkzeug und/oder Trennwerkzeug, umfassend ein entlang seiner Längsachse (L) bewegbar gelagertes Aktivelement (2) mit einem als Bearbeitungsabschnitt (6), insbesondere als Umformabschnitt und/oder Trennabschnitt, ausgebildetem, distalen Ende; ein Passivelement (3; 4; 5) mit einer Ausnehmung (9), die eine Querschnittskontur aufweist, die der Querschnittskontur des Bearbeitungsabschnitts (6) entspricht, und in die der Bearbeitungsabschnitt (6) im Betrieb des Fertigungswerkzeugs (1) eintaucht; zumindest einen an oder in dem Passivelement (3; 4; 5) aufgenommenen, pneumatischen Sensor (7) mit einem Erfassungsbereich, wobei der Erfassungsbereich des pneumatischen Sensors (7) in die Ausnehmung (9) hineinreicht und der zumindest eine pneumatische Sensor (7) ausgebildet ist, einen Staudruck innerhalb der Ausnehmung (9) zu erfassen; und eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, aus dem erfassten Staudruck einen Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts (6) abzuleiten.
Fertigungswerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Passivelement (3; 4; 5) eine Stanzmatrize (5), eine Führungsplatte (3) und/oder eine Niederhalteplatte (4) ist oder umfasst.
Fertigungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zumindest eine pneumatische Sensor (7) in einem Totpunkt einer Hubbewegung des Bearbeitungsabschnitts (6), der im Passivelement (3; 4; 5) liegt, angeordnet ist.
Fertigungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zumindest eine pneumatische Sensor (7) in Bezug auf das Passivelement (3; 4; 5) beweglich gelagert ist, insbesondere über eine Feder (11), eine mechanische Kopplung und/oder einen Stellmotor (12).
Fertigungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zumindest eine pneumatische Sensor (7) ein Ringsensor und/oder ein Rachensensor ist.
Fertigungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Ortsauflösung des zumindest einen pneumatischen Sensors (7) kleiner oder gleich 4 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 1 µm besonders bevorzugt kleiner oder gleich 0,3 µm beträgt.
Verfahren zum Bestimmen eines Verschleißzustands eines Bearbeitungsabschnitts (6) eines Aktivelements (2) eines Fertigungswerkzeugs (1), wobei über zumindest einen pneumatischen Sensor (7) Druckluft in eine Ausnehmung (9) eines Passivelements (3; 4; 5) des Fertigungswerkzeugs (1) eingebracht wird; ein Staudruck innerhalb der Ausnehmung (9) erfasst wird; und über den erfassten Staudruck der Verschleißzustand des Bearbeitungsabschnitts (6) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Druckluft senkrecht zu einer Längsachse (L), entlang der das Aktivelement (2) bewegbar gelagert ist, eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zumindest eine pneumatische Sensor (7) zumindest teilweise der Bewegung des Bearbeitungsabschnitts (6) folgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Verfahren nach einer vorgegebenen Anzahl an Hüben des Aktivelements (2) durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die vorgegebene Anzahl an Hüben mit steigendem Verschleiß des Bearbeitungsabschnitts (6) und/oder mit steigender Betriebsdauer des Bearbeitungsabschnitts (6) verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei zur Durchführung des Verfahrens die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Bearbeitungsabschnitts (6) gegenüber einem Betriebszustand des Fertigungswerkzeugs (1), in dem keine Bestimmung eines Verschleißzustands erfolgt, verringert wird.
Verwendung eines pneumatischen Sensors (7) zum Bestimmen eines Verschleißzustands eines Bearbeitungsabschnitts (6) eines Aktivelements (2) eines Fertigungswerkzeugs (1) mittels Einbringen von Druckluft in eine Ausnehmung (9) eines Passivelements (3; 4; 5) des Fertigungswerkzeugs (1) und Erfassen eines Staudrucks in der Ausnehmung (9).