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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen, bei dem ein offener
Raum einer Druckerzeugungseinrichtung durch einen Kolben von außen abschließbar und
von innen planparallel verringerbar ist, um eine Komprimierung einer
von der Umgebung abgegrenzten Luftmenge zu erreichen und damit einen Überdruck
zum Umformen zu erzielen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Fertigungssystem zur Durchführung des
Verfahrens zum Umformen.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 101 36 860
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen
bekannt. Dabei wird eine in einem Raum abgegrenzte Luftmenge durch
einen Kolben komprimiert um einen Umformdruck bzw. Überdruck
auf ein Werkstück
auszuüben.
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Der
Umformvorgang des dort beschriebenen Verfahren kann im Prinzip auch
in ein vollautomatisches Fertigungssystem eingeschlossen sein, das wenigstens
sowohl ein sich am Antrieb des Systems beteiligtes Geradschubgetriebe
und eine zur Luftkomprimierung dienende Druckerzeugungseinrichtung
als auch die der Automatisierungstechnik zugehörigen Einrichtungen zur Werkstückbehandlung, wie
ein modular aufgebautes Vorratsmagazin mit einem Schieber für Ausgabe
und Zufuhr der Werkstücke
zur Druckerzeugungseinrichtung, umfassen.
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Nachteilig
bei dem bekannten Verfahren und der Vorrichtung ist, dass zwischen
der dem Getriebe zum Antrieb des Kolbens zugeführten Energie und der für die Umformung
benötigten
Energie relativ hohe Energieverluste entstehen.
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Nachteilig
ist auch, dass die in der Druckerzeugungseinrichtung komprimierte
Luft sich nutzlos erhitzt. Deswegen kann beim bekannten Verfahren die
Arbeit, die zum Umformen aufgewandt wird, nicht restlos als Nutzarbeit
entnommen werden. Nur ein Bruchteil der aufgewandten Arbeit wird
in Nutzarbeit verwandelt.
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Nachteilig
ist auch, dass sich engere Toleranzen, insbesondere bei der Fertigung
von Werkstücken
mit komplizierter Geometrie aus schwierig umzuformenden Werkstoffen,
wegen des von diesen Verfahren verhältnismäßig niedrigen erzielbaren Druckes
nicht einhalten lassen. Eine weitere Druckerhöhung ist wegen der übermäßigen Lufterhitzung
nicht zweckmäßig
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Weiterhin
ist aus der
DD 57 097 ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Explosionsumformen bekannt. Dabei
wird ein Werkstück
bzw. eine Ronde lose ohne Niederhalter über eine in einem Explosionsgefäß befindliche
zum Werkstück
hin offene Hohlform gelegt und über
dem Werkstück
wird ein in einem Druckübertragungsmittel
angeordneter Explosionskörper
gezündet,
wobei eine Folie das Druckübertragungsmittel
von dem Werkstück
und der Hohlform trennt.
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Die
Verwendung eines Explosionskörpers bzw.
einer Sprengladung zur Umformung ist auch aus der
DE 32 26 821 A1 bekannt.
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Nachteilig
ist, dass die Explosionskörper
naturgemäß immer
nur einmal verwendbar sind und immer neu platziert werden müssen und
dass ihre Handhabung aufwendig und gefährlich ist.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und vollautomatisches
Fertigungssystem zum Umformen so zu schaffen, das die aufgeführten Nachteile
vermeidet.
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Darstellung der Erfindung
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Das
Verfahren zum Umformen gemäß Anspruch
1 sowie das Fertigungssystem gemäß Anspruch
2 lösen
diese Aufgabe.
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Dadurch,
dass die in der Druckerzeugungseinrichtung abgegrenzte Luft bis
zu einem Grad komprimiert wird, bei dem sich ein in der Luft zerstäubter Brennstoff
entzündet,
breitet sich schlagartig eine durch Explosion entstehende Druckwelle
aus. Aufgrund der höheren
Umformgeschwindigkeit wird es möglich
die Umformbarkeit der Werkstücke
zu steigern. Als Folge davon entstehen beim erfindungsgemäßen Verfahren
die für
das Explosivumformen bekannten Vorteile:
- – der Umformvorgang
kann mit einem Schneidvorgang gekoppelt sein womit Arbeitsgänge und Werkzeugkosten
eingespart werden können,
- – hohe
Abbildungsgenauigkeit, die engere Toleranzen ermöglicht und
- – die
Fertigung von Werkstücken
mit komplizierter Geometrie und aus schwierig umzuformenden insbesondere
hitzbeständigen
und hochfesten Werkstoffen ist realisierbar.
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Außerdem ergibt
sich beim erfindungsgemäßen Verfahren
auch ein weiterer Vorteil gegenüber dem
bekannten Explosivumformen, dass keine Explosivstoffe zur Verwendung
erforderlich sind. Damit entfallen strenge Sicherheitsbestimmungen
sowie ein hoher Kostenaufwand, die mit der Nutzung gefährliche
Explosivstoffe verbunden sind. Stattdessen ist bei der vorliegenden
Erfindung ein flüssiger Brennstoff,
wie Dieselkraftstoff, zur Verwendung vorgesehen.
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Die
in der Druckerzeugungseinrichtung verdichtete Luft ist, um die Zündung des
Brennstoffs zu gewährleisten,
im Gegensatz zum bekannten Verfahren viel stärker komprimiert. Hier zeigt
sich noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, da kein Verlust
von Energie wegen unnötig
erhitzter Luft vorliegt.
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Weiter
wird ein kompaktes Fertigungssystem zum Umformen zur Verfügung gestellt,
das sich in der Intensität
seiner Wirkungsweise selbst antreibt und bei dem die Luftkomprimierung
vom eigentlichen Verfahrensvorgang durch Umwandlungsschritte erzeugt wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass das Fertigungssystem zu einer funktionellen
Baueinheit aufgebaut ist, die ähnlich
einer Kolbenmaschine nach dem Prinzip eines Selbstzündemotors
funktioniert, wobei die Druckerzeugungseinrichtung die Funktion einer
Kolbeneinheit übernimmt.
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Die
kompakte Bauform ermöglicht
für das
erfindungsgemäße Verfahren
und das zugehörigen Fertigungssystem
ein einfaches und auch kostengünstiges
Umformen. Außerdem
wird der im System erzeugte Überdruck
direkt dem Werkstück
zugeführt und
damit vollständig
ausgenutzt.
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Des
Weiteren ist das Fertigungssystem selbst gleichzeitig ein Energieproduzent
und Konsument. Die Energie im System wird in einer sehr kurzen Zeitspanne
zwischen der Erzeugung und dem Verbrauch in nützliche Arbeit umgewandelt.
Als ein Ergebnis davon wird das Energiepotential in seiner ursprünglichen
Höhe vom
Energieverbraucher aufgenommen und wird in Form des Druckes zur
Verwendung gestellt, was eine Umsetzung der erzeugten Energie in
andere Formen ausschließt.
Das führt zu
einem kürzeren
Verfahrensverlauf.
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Des
Weiteren eröffnet
die Erfindung auch die Möglichkeit,
die mit dem Explosivumformen vorgenommene Fertigung in ein vollautomatisches
System einzuschließen.
Dadurch wird sowohl die Flexibilität des Verfahrens und die Leistungsfähigkeit
für diese Formänderungsart
noch weiter erhöht
als auch die Betriebssicherheit verbessert.
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Selbstverständlich ist
es beim erfindungsgemäßen Verfahren
auch möglich,
sowohl dickwandige aus den üblichen
Werkstoffarten bestehende Werkstücke
als auch solche umzuformen, die vor der Wirkung der in der Brennkammer
herrschenden hohen Temperatur angemessen beschützt werden müssen. Diese
können
z.B. mit einer sublimationskühlenden Beschichtungsmasse
bedeckt oder einfach mit einer feuerbeständigen Substanz beschichten
werden.
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Vorteilhafte
Merkmale entwickeln den Erfindungsgegenstand weiter und sind jeweils
in den Unteransprüchen
enthalten.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine Draufsicht auf ein schematisch und stark vereinfacht vorgestelltes
Fertigungssystem zum Umformen entlang der Linie I-I von 2 geschnitten,
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2:
einen der 1 entsprechenden Schnitt durch
die geknickte Ebene A-A mit Teilausrissen der Hubstellung des Kolbens
der Druckerzeugungseinrichtung im linken Feld der Zeichnung als Ausgangsposition
seines Umformvorgangs und im rechten Zeichnungsfeld als Endzustand
des Umformvorgangs das Hubende des Kolbens, wobei der das Mittelfeld
besetzende Kurbeltrieb des Systems nicht dargestellt ist,
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3:
einen der 2 entsprechenden Querschnitt
durch die Ebene B-B im Teilausschnitt.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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1 und 2 zeigen
eine Darstellung eines Schemas mit den wichtigsten Teilen eines
vollautomatischen Fertigungssystems zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Umformen, welches zugleich ein Schema eines Antriebs ist. Das System
weist ein Geradschubkurbelgetriebe 1, das ein Sternkurbelgetriebe
ist, und die mit diesem durch ihre Kolben 2 verbundenen
Druckerzeugungseinrichtungen 3 auf. Das System ist um eine
vertikale Achse in Vorder- und Draufsicht aufgebaut und stellt eine verbrennungsmotorähnliche
Baueinheit dar.
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Das
Kurbelgetriebe 1 des Systems ist für eine Übertragung von dem durch die
Explosion erzeugten Überdruck
in arbeitsleistenden Druckerzeugungseinrichtungen 3 bei
denen sich die Explosion momentan ereignet zu anderen arbeitbenötigten Druckerzeugungseinrichtungen,
wo die Luftkomprimierung stattfinden kann, eingerichtet.
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Das
Kurbelgetriebe 1 kann durch ein anderes Getriebe ersetzt
werden, das eine kreisförmige Bewegung
vom drehbaren Element 5 in eine oszillierende Bewegung
der Kolben 2 in den Druckerzeugungseinrichtungen 3 und
auch die umgekehrte Umwandlung der Bewegungen leistet.
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Wie
aus 1 und 2 folgt, lässt sich die Produktivität des Systems
durch die Anzahl der Pleuel des Kurbeltriebs bzw. der Druckerzeugungseinrichtungen 3 definieren.
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Im
allgemeinen Fall ist eine geeignete Zahl von Stößeln 7, bei der die
Betriebsbeanspruchung des Systems ausgehalten wird, direkt an ein
drehbares Element 5 oder indirekt an solches als Bestandteil einer
Kopplungseinheit 6 des Kurbelgetriebes 1 bzw. Geradschubgetriebes
angeschlossen.
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Somit
ist das System im Bezug auf seine qualitativen Verhältnisse
durch die zur Verfügung
stehenden Getriebearten ausbaubar und seine quantitativen Leistungsverhältnisse
sind durch die Anzahl der im Getriebe vorhandenen Stößel bestimmbar.
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Der
Innenraum jedes Körpers 10 und
jeder Druckerzeugungseinrichtung 3 bildet, wenn er vom Kolben 2 abgeschlossen
wird, eine Brennkammer 8, wo die Luftkomprimierung geschieht
und sich explosiv im Anschlag entlädt. Dabei ergibt sich beim
vorliegenden System, dass die Antriebs- und Umformfunktionen ineinander
integrierbar sind und miteinander verflochten sind.
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Der
Verlauf des Umformvorganges ist so strukturiert, dass ein in den
Brennkammern 8 entstehender, allseitig wirkender Überdruck
direkt auf das Werkstück 9 einwirkt,
um dieses zu umformen und in die entgegengesetzte Richtung die Bewegung der Kolben 2 der
Druckerzeugungseinrichtungen verursacht, von der nützliche
Drehmomente im Kurbelgetriebe 1 ausgelöst werden. Nachfolgend ändern dadurch
die Kolben gegensinnig zur ersten Richtung ihre Bewegung. Damit
kann die Luftkomprimierung von neuem erzeugt werden, was eine automatische Funktionsweise
des Systems bewirkt, die dem Prinzip eines Verbrennungsmotors entspricht.
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Die
Druckerzeugungseinrichtungen 3 treten bei diesem System
im Vergleich zum üblichen
Motor ähnlich
einer Kolbeneinheit und ihre Bestandteile, der Kolben 2 und
der Körper 10,
dementsprechend ähnlich
einem Kolben und einer Zylinderbuchse des Motors auf.
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Um
das System zur Fertigung verschiedenster Werkstücke universell anwenden zu
können,
sind der Kolben 2 und der Körper 10 als Bestandteile
der Druckerzeugungseinrichtungen 3 paarweise modular aufgebaut.
Zudem ist der Kolben 2 für seine einfache und rasche
Auswechslung mittels eines Stiftes 11 mit dem Stößel 7 gekoppelt
und wird damit gegen Verdrehung gesichert. Die beiden verbundenen
Teile sind durch ihre zylindrischen zueinander passenden Oberflächen 12 miteinander
zentriert.
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Außerdem enthält das System
zur Stößelführung vorgesehene
Führungsbahnen 13,
die zur festen Installation des Systems auf der Auflage 14 aufliegen
und mittels Schrauben 15 mit dem Tisch 16 verbunden
sind. Dabei ist das Kurbelgehäuse 17 des Systems
durch eine, seinem Umriss entsprechende Ausnehmung (nicht dargestellt)
des Tisches 16 durchgeführt,
während
die Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtungen 3 an eine Stützwand 18 angelegt
sind. Die hochstehenden und hochbeanspruchten Außenseiten der Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtungen 3 werden in der in 1 gezeigten
Weise platzsparend umfasst.
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Wie
es aus der 1 ersichtlich ist, liegen die
Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtungen 3 in den Verlängerungsachsen
der einzelnen Zweige 4 des sternförmigen Systems. Wobei die Stellungen der
Körper 10 so
bestimmt sind, dass ihre Symmetrieachsen mit den Symmetrieachsen
der Führungsbahnen 13 von
den Stößeln 7 zusammenfallen.
Dabei wird eine kontinuierliche, geführte Bewegung der Kolben 2 zu
den Körpern 10 der
Druckerzeugungseinrichtungen gewährleistet.
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Eine
Kopplungseinheit 6 stellt mit den Haupt- 19 und
vier Nebenpleueln 20 einen indirekten Kontakt der Stößel 7 zum
drehbaren Element 5 her, das eine Kurbelwelle ist und eine
Gegenmasse 21 aufweist. Die Pleuel 19, 20 sind über ein
Bolzengelenk 22 mit den Stößeln 7 verbunden.
Den Kolben 2 sind Stopf- und Dichtungsringe 23 zugeordnet.
Die Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtungen 3 weisen eine den Einlass
des Brennstoffes dienende Düse 24 auf. Alternativ
können
auch die Stopf- und Dichtungsringe 23 den Körpern 10 zugeordnet
werden.
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Die
Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtungen 3 weisen auf dem Boden des
Innenraums Hohlformen 25 zum Umformen auf, sowie Dichtungen 26.
Die Dichtungen 26 werden verwendet, um die Brennkammern 8 im
Laufe des Verfahrens abgedichtet zu halten, sofern die Körper 10 ein
mittig platziertes Durchgangsloch 27 aufweisen, durch welches jede
der Brennkammern mit Luft versorgt wird. Der durch das Loch 27 in
Richtung der offenen Seite des Körpers
fließende
Luftstrom übernimmt
die Funktion eines Auswerfers und dient auch zum Spülen des
Innenraums des Körpers 10 mit
frischer Luft. Damit werden gleichzeitig sowohl die Fertigteile 28 aus
den Formen 25 befreit als auch Rauchgasreste ausgeblasen
und die Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtungen 3 abgekühlt.
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Ergänzend zur
Luftkühlung
der Körper 10 der Druckerzeugungseinrichtungen 3 als
heißeste
Teile des Systems kann dieses mit einer Wasserkühlung versorgt werden.
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Um
die Werkstücke 9 an
den Boden der Brennkammern 8 zu befördern und unter diesen befindliche
Luftreste abzusaugen, muss der Luftstrom in die entgegengesetzte
Richtung umgeschaltet werden. Zu diesem Zweck weist auch die Stützwand 18 noch
weitere durchlaufende Löcher
auf, die an derselben Ebene, wie das Loch 27 der Körper 10 ausgebildet
sind und welche zusammen einen Luftkanal 29 bilden. Das
Wechseln der Luftstromrichtungen kann im Takt des Arbeitszykluses
des Systems über
eine Regeleinrichtung (nicht dargestellt) mechanisch oder elektronisch
gesteuert werden oder in Kombination mit bekannten anderen Regelsystemen,
betätigt
werden.
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Das
vorliegende Fertigungssystem ist mit den modular aufgebauten Operationssystemen
der Automatisierungstechnik ausgerüstet, die in den Verfahrensvorgang
zum Umformen organisch eingeordnet sind und die das System zur vollautomatischen Fertigung
entwickeln.
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Die 2 und 3 zeigen
nur zur Werkstückbehandlung
dienende Vorratsmagazine 30 mit Werkstückschiebern 31. Die
Zufuhr- und Abfuhreinrichtungen sowie die Transporthilfsmittel sind
nicht dargestellt.
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Die
Magazine 30 sind an jedem der Zweige 4 von oben
an dem Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtung 3 angelegt. Bei der Bestimmung
der Stellungen der Magazine ist berücksichtig, dass der Schieber 31 sich
in der Ebene der vom Körper 10 der Druckerzeugungseinrichtung 3 offenen
Seite bewegen kann, welche zur Aufnahme der vom Schieber ausgegebenen
flachen Werkstücke 9 mit
zwei zylinderförmigen
Anschlägen,
die als Stifte 32 ausgebildet sind, versehen ist. Die Ausgabe
der Werkstücke 9 aus
dem Vorratsmagazin 30 folgt unter der Mitwirkung einer
im seinen Raum untergebrachten Druckfeder 33. Die Abfuhr
der Fertigteile 28 aus der Bearbeitungszone ist durch die
im Tisch 16 angeordneten Durchlassöffnungen 34 vorgesehen.
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Das
System funktioniert nach dem Prinzip eines Zweitakt-Dieselmotors. Beim
Beharrungszustand des Systems, wie er in 1 und 2 gezeigt
ist, wird die in dem betreffenden Zweig 4 des Systems in
dem die Luft komprimiert wird, 4 die von der Umgebung abgesonderte
Luftmenge so hoch verdichtet, dass ein durch die Düse 24 in
die Brennkammer 8 von einem Zerstäuber (nicht dargestellt) unter
hohem Druck hineingespritzter flüssiger
Brennstoff von selbst gezündet
wird. Von dem durch die verursachte Explosion entstehenden und allseitig sich
ausbreitenden Überdruck
wird einerseits in direkter weise ein in der Brennkammer befindliches Werkstück 9 geformt
und andererseits der Kolben 2 weg geschoben und aus dem
Körper 10 der
Druckerzeugungseinrichtung 3 herausgeworfen. Zum denselben
Zeitpunkt wird das Fertigteil 28 unter den Luftstromdruck
in eine zwischen dem Kolben 2 und dem Körper 10 entstehende
Lücke 35 aus
dem Innenraum des Körpers 10 ausgestoßen und
rutscht nachfolgend wegen seiner Schwerkraft durch die Durchlassöffnung 34 im
Tisch 16 nach unten. Dabei tritt reine Luft in die hintere
Seite des Innenraums der Druckerzeugungseinrichtung ein und spült durch
diese hindurch. Nähe
des Umkehrpunktes des Kolbens 2 wird der Luftstrom gestoppt
und das neue Werkstück 9 mittels
des abwärts
gehenden Schiebers 31 aus dem Magazin 30 zum Anschlag über die
Stifte 32 niedergedrückt
und festgehalten. Dies ist in 2 links
verdeutlicht.
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Der
Werkstückschieber 31 bleibt
in seiner Lage unbewegt bis zum Beginn des Luftstromrichtungswechsels.
Danach kehrt der Schieber in seine Ausgangslage zurück und das
losgelassene Werkstück
wird unter der Wirkung des Vakuums in den Innenraum der Druckerzeugungseinrichtung 3 gesaugt und
schmiegt sich an seinen Boden. Die Dauer des Luftabsaugens ist zeitlich
mit der Bewegung des Kolbens 2 so abgestimmt, dass zum
Moment der von durch den Kolben 2 bewirkten Abdeckung des
offenen Innenraums der Druckerzeugungseinrichtung 3, der
Luftstrom im Kanal 29 wieder gestoppt wird. Nach einer
weiteren Bewegung des in die Brennkammer eingedrungenen Kolbens
wird die dort befindliche Luftmenge soweit komprimiert, wie es schon
vorangehend geschrieben wurde, und der in der Brennkammer 8 zerstäubte Brennstoff
wird gezündet.
Damit wird ein in der Brennkammer 8 vorhandenes Werkstück 9 gefertigt
und der Zyklus in diesem erörterten
Zweig 4 des Systems abgeschlossen und selbsttätig von
neuem gestartet.
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Um
das Fertigteil 28 aus dem Innenraum des Körpers 10,
bei der zur Verfügung
stehenden zu ihrer Aufnahme genügten
Größe der veränderbaren
Lücke 35,
herausgestoßen
werden kann, wird gleich nach dem herausgehenden Kolben die Luftstromrichtung im
Luftkanal 29 nochmals umgeschaltet.
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Der
Kurbeltrieb 1 gewährleistet
ein unterbrochenes Pendeln der Kolben 2 zwischen den Ausgangs-
und Endpositionen des Verfahrens und lässt deswegen eine wartungsfreie
Wiederholung des Zykluses in allen fünf Zweigen 4 des Systems
zu. Im durchlaufenden Betrieb des Systems werden für eine Umdrehung
der frei schwebenden Kurbelwelle 5 vollautomatisch immer
fünf Werkstücke im Takt
des in den Druckerzeugungseinrichtungen geschehenden Zykluses alternierend
bearbeitet.
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Das
Fertigungssystem zum vollautomatischen Umformen ist offen für eine rein
mechanische oder alternativ mit Sensoren und einer Prozessorsteuerung
nach dem Stand der Technik versehene elektronische Ansteuerung.
Im ersten Fall wird die Bewegung der Steuerwellen (nicht dargestellt)
von der Kurbellwelle abgeleitet, im zweiten Fall werden die entsprechenden
Organe des Systems, ausgehend von den vorzugebenden Steuerbefehlen
des Computerprogramms durch die Kommandosignale der die Schritte
des Verfahrens überwachten
Sensoren, automatisch betätigt.
Dabei melden die Sensoren entweder ausgeführte Signale für die nachfolgende
Steuerung oder eventuell auftretende Fehler zurück.