-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Werkstückes und
eine Walzmaschine zum Durchführen
des Verfahrens.
-
Zum
Umformen von Werkstücken
aus einer Ausgangsform in eine gewünschte Zwischenform (Halbzeug,
Vorformen) oder Endform (Fertigprodukt, Fertigformen) sind neben
vielen anderen Verfahren auch Walzverfahren bekannt, die zu den
Druckumformverfahren gezählt
werden. Beim Walzen wird das Werkstück (Walzgut) zwischen zwei
rotierenden Walzen angeordnet und durch Ausüben eines Umformdrucks durch
die rotierenden Walzen in seiner Form verändert. Beim Profilwalzverfahren
sind Werkzeugprofile am Umfang der Walzen angeordnet, die die Erzeugung
entsprechender Profile im Werkstück ermöglichen.
Beim Flachwalzen wirken die zylindrischen oder kegeligen Außenflächen der
Walzen unmittelbar auf das Werkstück.
-
Bezüglich der
Relativbewegung der Werkzeuge oder Walzen einerseits und des Werkstückes andererseits
unterteilt man Walzverfahren in Längswalzen, Querwalzen und Schrägwalzen.
Beim Längswalzen
wird das Werkstück
senkrecht zu den Drehachsen der Walzen in einer translatorischen
Bewegung und meist ohne Drehung durch den Zwischenraum zwischen
den Walzen (Walzenspalt) bewegt. Beim Querwalzen bewegt sich das
Werkstück nicht
translatorisch bezüglich
der Walzen oder deren Drehachsen, sondern dreht sich nur um seine
eigene Achse, die üblicherweise
eine Hauptträgheitsachse, insbesondere
die Symmetrieachse bei einem rotationssymmetrischen Werkstück, ist.
Bei Kombination beider Bewegungsarten beim Längswalzen und beim Querwalzen
spricht man von Schrägwalzen.
Die Walzen stehen dabei in der Regel schräg zueinander und zum Werkstück, das
translatorisch und rotatorisch bewegt wird.
-
Profilquerwalzmaschinen,
bei denen zwei Walzen mit am Außenumfang
angeordneten keilförmigen
Profilwerkzeugen um zueinander parallele Drehachsen gleichsinnig
rotieren, bezeichnet man mitunter auch als Querkeilwalzen. Die Werkzeuge weisen
dabei eine keilförmige
oder im Querschnitt dreieckförmige
Geometrie auf und können
entlang des Umfangs in ihrer radialen Abmessung in einer Richtung
zunehmen und/oder schräg
zur Drehachse der Walzen verlaufen.
-
Diese
Querkeilwalzen oder Profilquerwalzen erlauben ein vielfältiges Umformen
von Werkstücken in
hoher Präzision
oder Maßgenauigkeit.
Infolge der von den keilförmigen
Werkzeugen auf das Werkstück ausgeübten Druckkraft
wird dabei die Materialverteilung im Werkstück während des Umlaufs der Walzen durch
einen Fließvorgang
im Werkstück
verändert. Die
keilförmigen
Werkzeuge können
umlaufende Nuten und andere Verjüngungen
in dem rotierenden Werkstück
erzeugen. Durch den axialen Versatz in Umfangsrichtung oder die
schräge
Anordnung der Werkzeugkeile relativ zur Drehachse können beispielsweise
axial zur Drehachse sich ändernde Strukturen
und Verjüngungen
im Werkstück
erzeugt werden. Durch die Zunahme oder Abnahme des Außendurchmessers
der Werkzeugkeile beim Verlauf um die Drehachse können in
Kombination mit der schrägen
Anordnung axial verlaufende Schrägen und
kontinuierliche Übergänge zwischen
zwei Verjüngungen
unterschiedlichen Durchmessers im Werkstück erzeugt werden. Die Keilform
der Werkzeuge erlaubt die Herstellung feiner Strukturen durch die
Keilaußenkanten
oder -außenflächen. Besonders geeignet
sind Querkeilwalzen zum Herstellen von langgestreckten, rotationssymmetrischen
Werkstücken
mit Einschnürungen
oder Erhöhungen
wie Nocken oder Rippen.
-
Die
Umformdruckkraft sowie die Umformtemperatur sind abhängig von
dem Werkstoff, aus dem das Werkstück besteht, sowie von den Anforderungen
an die Maßgenauigkeit
und Oberflächenqualität nach der
Umformung. Insbesondere bei Eisen- oder Stahlwerkstoffen wird üblicherweise
die Umformung beim Walzen bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, um
die zum Umformen erforderliche Umformbarkeit oder Fließfähigkeit
des Werkstoffes zu erreichen. Diese, insbesondere beim Schmieden auftretenden,
Temperaturen können
bei einer sogenannten Kaltumformung im Bereich von Raumtemperatur,
bei einer Halbwarmumformung zwischen 550°C und 750°C und bei einer sogenannten
Warmumformung oberhalb 900°C
liegen. Die Umform- oder
Schmiedetemperatur wird üblicherweise
auch in einen Temperaturbereich gelegt, in dem Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge im Werkstoff
ablaufen und auch unerwünschte
Phasenumwandlungen vermieden werden.
-
Es
sind Querkeilwalzmaschinen (oder: Profilquerwalzmaschinen) bekannt,
bei denen die Werkstücke
zu Beginn des Walzprozesses mittels einer Positioniereinrichtung,
die zwei Positionierträger
(sogenannte Leitlineale) umfasst, in eine Ausgangsposition zwischen
den beiden Walzen, die üblicherweise der
geometrischen Mitte oder der Mitte des Walzenspaltes entspricht,
positioniert. Nun werden die Positionierträger der Positioniereinrichtung
zurückgezogen,
so dass sich das Werkstück
frei zwischen den Walzen dreht und zwischen den Werkzeugen in die gewünschte Form
geknetet wird. Nach diesem Walz- oder Knetvorgang und der entsprechenden
Fertigstellung des Werkstückes
wird das Werkstück über eine
Aussparung im rotierenden Walzwerkzeug erfasst und ausgeworfen.
-
Aus
DE 1 477 088C ist
eine Querkeilwalzmaschine bekannt zum Querwalzen von Rotationskörpern oder
flachen Werkstücken
mit zwei in gleicher Drehrichtung rotierenden Arbeitswalzen, auf
deren Walzenflächen
Keilwerkzeuge austauschbar angeordnet sind. Die Keilwerkzeuge weisen
jeweils keil- oder
dreieckförmig
verlaufende, vom Walzenmantel aus bis zu einer dem herzustellenden
Werkstück
angepassten Höhenendlage
ansteigende, durch Rändelung
oder auf andere Weise aufgeraute Reduktionsleisten und im gleichen
Abstand zum Walzenmantel verlaufende, keilförmige glatte Formflächen mit
Kalibriereffekt auf. Die Keilwerkzeuge sind als Verformungssegmente
ausgebildet und verlaufen nur über
einen Teilumfang der zugehörigen
Walzenoberfläche.
Am Werkstück
bewegen sich die einander zugewandten Oberflächen und Werkzeuge der beiden Arbeitswalzen
gegenläufig
oder gegensinnig zueinander.
-
Die
EP 1 256 399 A1 offenbart
eine Querwalzmaschine mit zwei parallel betriebenen Modulen von
jeweils zwei in gleicher Drehrichtung rotierenden Walzen, die halbschalenförmig ausgebildete
Werkzeuge mit radial vorstehenden Werkzeugkeilen auf ihrer Umfangsfläche aufweisen,
wobei die Umformung eines Werkstücks
nur die Drehung um den halben Umfang eines Wal zenpaares erfordert.
Alle vier Walzen werden von nur einem Antriebsmotor über jeweils
eine dazwischengeschaltete Getriebeeinheit und Antriebswelle angetrieben.
-
Aus
der
DE 195 26 071
A1 ist eine Vorrichtung zum Walzen von Profilen in ein
Werkstück,
insbesondere Querwalzen, Längswalzen
und Schrägwalzen
von Gewinden, Rändelungen,
Zahnwalzprofile oder dergleichen, bekannt mit zwei Umformwalzen,
die um zueinander parallele Drehachsen im gleichen Umlaufsinn rotiert
werden und jeweils von einem zugehörigen Antrieb mit Antriebsmotor
angetrieben werden, wobei jedem Antrieb eine Bremseinrichtung zugeordnet
ist.
-
Die
DE 21 31 300 B offenbart
eine Querwalzmaschine mit zwei achsparallel horizontal übereinander
liegenden Profilwalzen zum Formen und Ablängen drehsymmetrischer Werkstücke, bei
der die Profilwalzen die Werkstücke
aneinander diametral gegenüberliegenden
Umfangstellen berühren
und die untere Profilwalze eine Ausnehmung zum Abführen der
gewalzten und abgelängten
Werkstücke
aus dem Walzspalt aufweist.
-
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zum
Umformen von Werkstücken
und eine neue Walzmaschine, mit der dieses Verfahren durchführbar ist,
anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gemäß der Erfindung gelöst mit den
Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Das
Verfahren zum Umformen eines Werkstücks umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Anordnen des Werkstücks zwischen wenigstens zwei
rotierenden, mit Werkzeugen versehenen (bestückten) Walzen und
- b) Einstellen (Steuern oder Regeln) der Rotationsgeschwindigkeit,
wenigstens einer der Walzen in Abhängigkeit von der Drehposition
wenigstens einer der Walzen.
-
Unter
dem Begriff „Umformen" wird dabei jede
Umwandlung der Form eines Werkstückes
in eine andere Form verstanden, wie auch eingangs beschreiben, einschließlich Vorformen
und Fertigformen.
-
Die
Aufgabe wird hinsichtlich der Walzmaschine gemäß der Erfindung gelöst mit den
Merkmalen des Anspruchs 30.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sowie der Walzmaschine
ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. Anspruch 30 jeweils abhängigen Ansprüchen.
-
In
einer ersten Ausführungsform
wird oder ist die Abhängigkeit
der Rotationsgeschwindigkeit der Walzen von der Drehposition der
Walze(n) abhängig vom
bearbeiteten Werkstück
gewählt.
Dazu wird ein an das Werkstück
angepasster optimaler Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit vorab
ermittelt und dann beim Umformen des Werkstücks eingestellt.
-
Das
Verfahren umfasst im Allgemeinen wenigstens drei Verfahrensschritte
oder Prozessphasen. In einer ersten Prozessphase wird das Werkstück zwischen
den Walzen positioniert. In einer zweiten Prozessphase wird das
Werkstück
zwischen den drehenden Werkzeugen der Walzen umgeformt. In einer
dritten Prozessphase wird das Werkstück wieder aus dem Zwischenraum
zwischen den Walzen entnommen oder ausgeworfen. Im zeitlichen Ablauf
dieser drei Prozessphasen ändert
sich natürlich auch
fortlaufend der Drehwinkel oder die Winkelposition der Walzen.
-
Es
kann nun die Rotationsgeschwindigkeit in unterschiedlichen Prozessphasen
und/oder auch innerhalb einer Prozessphase variiert werden.
-
In
einer Variante des Verfahrens wird die Rotationsgeschwindigkeit
der Walzen in der ersten Prozessphase wenigstens im Mittel geringer
gewählt
als während
der zweiten Prozessphase.
-
In
einer alternativen oder zusätzlichen
Variante wird die Rotationsgeschwindigkeit der Walzen während der
zweiten Prozessphase zumindest im Mittel größer gewählt als während der dritten Prozessphase.
Vorzugsweise wird das Werkstück
während der
ersten Prozessphase mittels einer Positioniereinrichtung automatisch
zwischen den Walzen positioniert.
-
Zu
Beginn der zweiten Prozessphase wird das Werkstück vorzugsweise von einer Ausnehmung in
den Werkzeugen wenigstens einer Walze erfasst und dann während der
zweiten Prozessphase zwischen den Werkzeugen der beiden Walzen gewalzt. Die
Rotationsgeschwindigkeit wird nun in einer vorteilhaften Ausführungsform
nach Erfassen des Werkstückes
durch die Ausnehmung in den Werkzeugen der Walze(n) erhöht.
-
Vorzugsweise
wird weiter zu Beginn der dritten Prozessphase das Werkstück von einer
Ausnehmung in den Werkzeugen wenigstens einer Walze erfasst und
aus dem Zwischenraum zwischen den Walzen ausgeworfen. Vor dem Erfassen
des Werkstückes
durch die weitere Ausnehmung in der oder den Walze(n) wird nun die
Rotationsgeschwindigkeit der Walzen vorzugsweise vermindert.
-
Die
Rotationsgeschwindigkeiten beim Erfassen des Werkstückes zu
Beginn der zweiten Prozessphase und beim Erfassen des Werkzeuges
zum Ende der zweiten Prozessphase sind insbesondere etwa gleich.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Rotationsgeschwindigkeit während der zweiten Prozessphase
zumindest teilweise konstant gehalten.
-
Die
Rotationsgeschwindigkeit der Walze(n) kann aber auch in der zweiten
Prozessphase verändert
werden, insbesondere, wenn mehrere Werkzeuge auf der Walze nacheinander
in verschiedenen Teilprozessphasen der zweiten Prozessphase das Werkstück bearbeiten.
Beispielsweise kann die Rotationsgeschwindigkeit zu Beginn einer
Teilprozessphase reduziert werden.
-
Die
Rotationsgeschwindigkeit kann auch während der ersten Prozessphase
und der Positionierung des Werkstückes zumindest teilweise konstant
gehalten werden.
-
Die
Rotationsgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung der Walzen werden
bzw. wird wenigstens in Winkel- oder Zeitabschnitten, vorzugsweise über wiegend,
im Wesentlichen gleich zueinander eingestellt, können aber auch wenigstens abschnittsweise
unterschiedlich zueinander eingestellt werden.
-
Die
aktuelle Drehposition der Walze(n) kann aus der Ausgangsposition
oder Referenzposition der Walze(n) und dem Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit
rechnerisch ermittelt werden. Vorzugsweise wird aber die Drehposition
der Walze(n) mittels wenigstens einer Positionserfassungseinrichtung
bestimmt. Die Positionserfassungseinrichtung umfasst vorzugsweise
wenigstens einen Winkelpositionsinkrementalgeber oder einen Absolutwertgeber
und/oder einen optischen, magnetischen, induktiven oder Ultraschall-Winkelpositionsgeber.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Walzmaschine
eine Profilquexwalzmaschine oder Querkeilwalzmaschine. Aufgrund
des drehzahlsteuerbaren und reversierbaren Antriebs ist die Walzmaschine
oder Querkeilwalzmaschine auch als Reckwalzmaschine oder kurz Reckwalze
einsetzbar.
-
Der
Permanentmagnet-Motor beschleunigt vorzugsweise auf die Nenndrehzahl
zum Betrieb der Walzen innerhalb eines Drehwinkels von maximal 3°, 2,2°, 1° oder 0,5°. Ferner
weist der Permanentmagnet-Motor vorzugsweise ein Nenndrehmoment
zwischen etwa 5.000 Nm und etwa 80.000 Nm, insbesondere zwischen
etwa 35.000 Nm und etwa 60.000 Nm, auf und/oder eine Nenndrehzahl
zwischen etwa 20 U/min und 800 U/min, insbesondere etwa 30 U/min
oder 500 U/min.
-
In
einer Weiterbildung der Walzmaschine umfasst der Antrieb neben dem
wenigstens einen Permanentmagnet-Motor wenigstens ein Getriebe zur Übertragung
des Drehmoments oder der Drehbewegung des Permanentmagnet-Motors
auf die wenigstens zwei Walzen. Das Getriebe umfasst insbesondere
wenigstens ein mit der Abtriebswelle des Permanentmagnet-Motors
gekoppeltes zentrales Antriebszahnrad sowie zwei mit dem Antriebszahnrad
in Eingriff stehende oder bringbare und mit jeweils einer der Walzen
gekoppelte Walzenzahnräder.
Das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes vom Antriebsmotor auf jede der Walzen ist dann im Allgemeinen
gleich und vor zugsweise in einem Bereich zwischen 1 : 1 und 1 :
1,5 gewählt.
Ein solcher Antrieb ist also insbesondere mechanisch synchronisiert über das
Getriebe Als Walzenantriebe kommen neben Antrieben mit PM-Motoren
auch hydraulische Antriebe und/oder elektrische Antriebe mit anderen
Motoren, insbesondere mit Synchron- oder Asynchronmotoren und/oder
Induktionsmotoren, in Frage. Bei unabhängigen Antrieben für die Walzen
werden dagegen die Walzen elektronisch synchronisiert oder gesteuert, insbesondere über Umrichter,
die beispielsweise eine Netzspannung von 400 V und 50 Hz in eine Wechselspannung
oder einen Wechselstrom geeigneter Amplitude und Frequenz umrichten.
Hier ist besonders vorteilhaft, dass bei Querkeilwalzen die Kraftbelastung
auf beide Motoren wegen des symmetrischen Aufbaus der Werkzeuge/Walzen und/oder
des syrmmetrischen Umformvorgangs vergleichsweise gering ist und
somit die Synchronisation der Antriebe begünstigt ist.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren
-
1 eine
Walzmaschine mit zwei Walzen und einem gemeinsamen Antrieb in einer
teilweise geschnittenen Längsansicht,
-
2 die
Walzmaschine gemäß 1 in
einer teilweise geschnittenen Draufsicht von oben,
-
3 die
Walzmaschine gemäß 1 und 2 in
einer Seitenansicht,
-
4 die
beiden Arbeitswalzen einer Walzmaschine im Querschnitt vor Einbringen
des Werkstückes,
-
5 die
beiden Arbeitswalzen der Walzmaschine beim Einbringen des Werkstückes,
-
6 die
Arbeitswalzen mit dem bearbeiteten Werkstück im Querschnitt,
-
7 die
beiden Arbeitswalzen beim Auswerfen des Werkstückes und
-
8 eine
mögliche
Abhängigkeit
der Winkelgeschwindigkeit einer Arbeitswalze vom Drehwinkel in einem
Diagramm
-
9 eine
weitere mögliche
Abhängigkeit der
Winkelgeschwindigkeit einer Arbeitswalze vom Drehwinkel in einem
Diagramm
-
10 eine
Ausführungsform
einer Walzmaschine mit zwei Walzen und unabhängigen Antrieben für die Walzen
in einer teilweise geschnitten Längsansicht
und
-
11 die
Walzmaschine gemäß 10 in einer
Seitenansicht. jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende
Teile und Größen sind in
den 1 bis 11 mit denselben Bezugszeichen
versehen.
-
Die
in den 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform
einer als Querkeilwalze oder Querkeilwalzmaschine ausgebildeten
Walzmaschine 1 umfasst eine erste Arbeitswalze 2,
die um eine Rotationsachse A rotierbar oder rotierend ist und eine
zweite Arbeitswalze 3, die um eine Rotationsachse B rotierbar
oder rotierend ist. Der Drehsinn beider Arbeitswalzen 2 und 3 ist
mit den dargestellten Pfeilen veranschaulicht und gleich. Die Rotationsachsen
A und B sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, im
Beispiel der 1 bis 3 in Richtung der
Schwerkraft gesehen übereinander,
so dass auch die Arbeitswalzen 2 und 3 übereinander
angeordnet sind. Die Arbeitswalzen weisen eine im Wesentlichen zylindrische
Außenfläche auf.
Der Abstand zwischen den zylindrischen Außenflächen der beiden Arbeitswalzen 2 und 3 ist
mit W bezeichnet.
-
An
der Außenfläche oder
Mantelfläche
der Arbeitswalzen 2 und 3 sind jeweils im Querschnitt keilförmige Werkzeuge 20 und 21 bzw. 30 und 31 befestigt,
insbesondere verspannt. In der dargestellten Ausführungsform
sind die Werkzeuge 20 und 21 der ersten Arbeitswalze 2 und
die Werkzeuge 30 und 31 der zweiten Arbeitswalze 3 jeweils
schräg
und unter einem Winkel zu der jeweiligen Drehachse A und B angeordnet,
wobei die Werkzeuge 20 und 21 der Arbeitswalze 2 bezüglich der
zwischen den beiden Walzen parallel zu den Drehachsen verlaufenden,
die geometrische Mitte definierenden Mittelachse M axial in den
im Wesentlichen gleichen Positionen angeordnet sind. Die Werkzeuge 20 und 21 sowie 30 und 31 nehmen
in Umfangsrichtung gesehen in ihrem Querschnitt zu, wobei die Zunahme
des Querschnittes bei den Werkzeugen 20 und 21 in
der gleichen Drehrichtung oder Orientierung ist und bei den Werkzeugen 30 und 31 der
zweiten Arbeitswalze 3 entgegengesetzt oder gegensinnig
zu der zu den Werkzeugen 20 und 21 der ersten
Arbeitswalze 2 ist.
-
Jede
Arbeitswalze 2 und 3 ist in einer aus zwei Teilen
bestehenden Halteeinrichtung lösbar
gehalten und kann aus der Halteeinrichtung in deren entriegelten
Zustand herausgenommen werden zum Auswechseln der Werkzeuge 20 und 21 bzw. 30 und 31 oder
der gesamten Arbeitswalzen 2 und 3 mit den Werkzeugen 20 und 21 bzw. 30 und 31.
Die Halteeinrichtung für
die Arbeitswalze 2 ist mit 12 bezeichnet und die
Halteeinrichtung für
die Arbeitswalze 3 mit 13. Ein in 1 und 2 links
angeordnete erste Teil 12A der Halteeinrichtung 12 umfasst
eine konische Aufnahme 14 zum Aufnehmen eines sich axial zur
Drehachse A nach außen
von der Arbeitswalze 2 erstreckende kegelstumpfförmigen Fortsatzes 24 (Wellenstumpf).
Der zweite Teil 12B umfasst entsprechend eine Aufnahme 15 zur
Aufnahme eines entsprechenden konisch sich von der Arbeitswalze 2 weg
verjüngenden
und axial zur Drehachse A verlaufenden Fortsatzes 25 der
Arbeitswalze 2. Unter der resultierenden Keil- und Klemmwirkung
ist die Arbeitswalze 2 fest in den Aufnahmen 14 und 15 der Halteeinrichtung 12 verspannt,
wobei die axiale Kraft auf die Aufnahme 15 in Richtung
der Drehachse A zur Arbeitswalze 2 hin zur Halterung der
Arbeitswalze 2 von einer Feder 16 oder einem sonstigen
eine axiale Kraft ausübenden
Element erzeugt wird. Die Aufnahmen 14 und 15 sind
drehsymmetrisch zur Drehachse A ausgebildet und in nicht näher bezeichneten Drehlagern
gelagert.
-
Die
Aufnahme 14 setzt sich als Hohlwelle axial zur Drehachse
A fort und weist in ihrem von der Arbeitswalze 2 abgewandten
Endbereich ein Zahnrad 18 auf, das ebenso wie ein entsprechendes Zahnrad 19,
das der zweiten Arbeitswalze 3 zugeordnet ist, mit einem
Steuerzahnrad (Ritzel, Antriebszahnrad) 5 in Eingriff steht.
Das Zahnrad 18, das zum Antrieb der ersten Arbeitswalze 2 über die
Halteeinrichtung 12 dient, greift dabei von oben in das
Steuerzahnrad 5 und das Zahnrad 19, das mit der
zweiten Arbeitswalze 3 über
die Halteeinrichtung 13 gekoppelt ist, greift von unten
in das Steuerzahnrad 5.
-
Das
Steuerzahnrad 5 ist nun über eine Abtriebswelle 45 mit
einem Antriebsmotor 4 gekoppelt. Das Steuerzahnrad 5,
die Abtriebswelle 45 und der – nicht dargestellte – Rotor
des Antriebsmotors 4 sind dabei um eine gemeinsame Rotationsachse
R rotierbar oder rotierend. Der aus dem Antriebsmotor 4,
der Abtriebswelle 45 und dem Steuerzahnrad 5 aufgebaute
Antrieb für
die Zahnräder
(Walzenzahnräder) 18 und 19 und
damit die synchron mit den Zahnrädern 18 und 19 drehenden
Arbeitswalzen 2 und 3 ist somit ein Direktantrieb.
-
Die
vom Antriebsmotor 4 geleistete mechanische Leistung entspricht
dem Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit oder Kreisfrequenz ω, wobei
die Kreisfrequenz ω gleich
dem Produkt aus 2π und
der Drehzahl n ist. Der Antriebsmotor 4 ist vorzugsweise
ein Torque-Motor und weist ein hohes Drehmoment auch bei vergleichsweise
kleiner Drehzahl n des Antriebsmotors 4 zum Erzeugen der
erforderlichen Antriebsleistung für die Antriebswalzen 2 und 3 auf.
-
Das
Ubertragungsverhältnis
von dem Steuerzahnrad 5 auf die Zahnräder 18 und 19 kann
somit im Bereich um 1 gewählt
werden, insbesondere zwischen etwa 1 : 1 und etwa 1 : 2. Bei einem Übertragungsverhältnis von
2 drehen sich die Antriebswalzen 2 und 3 doppelt
so schnell wie das Steuerzahnrad 5 und der Antriebsmotor 4,
bei einem Übertragungsverhältnis von
1 : 1 genau so schnell. Typische Drehzahlen der Arbeitswalzen 2 und 3 liegen
zwischen etwa 10 Umdrehungen pro Minute (U/min) und etwa 40 U/min,
typischerweise bei 15 U/min.
-
Mit
einem derart niedrigtourigen oder mit geringer Drehzahl drehender
Antriebsmotor 4 kann nun eine sehr dynamische Anpassung
oder Steuerung oder Regelung der Drehzahl der Arbeitswalzen 2 und 3 realisiert
werden.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Antriebsmotors 4 ist ein Permanentmagnet-Motor, bei dem,
in der Regel auf dem Rotor, Permanentmagnete (Dauermagnete) angeordnet
sind, die einen sich im durch Elektromagnete oder Wicklungen erzeugten Induktionsfeld
des Stators drehenden magnetischen Fluss erzeugen, wobei durch Wechselwirkung
des magnetischen Flusses der Permanentmagnete und dem Induktionsfeld
die Drehung des Rotors auf der Grundlage des Induktionsprinzips
oder elektromotorischen Prinzips entsteht. Im Allgemeinen ist ein Torque-Motor
ein Synchronmotor, das heißt
der Rotor dreht sich synchron mit dem rotierenden magnetischen Fluss.
Die Induktionswicklungen des Stators sind in der Regel mit den Phasen
eines Drehstromanschlusses verbunden und um 120° zueinander versetzt angeord net.
Vorzugsweise werden Permanentmagnete mit einem möglichst hohen Energieprodukt
eingesetzt, beispielsweise Seltenerd-Kobalt-Magnete. Der Stator
weist dazu in der Regel einen Eisenkern mit dem Dreiphasenwicklungspaket auf,
während
der Rotor einen zylindrischen Eisenkern mit den Permanentmagneten
aufweist. Ein solcher Torque-Motor kann ein Drehmoment von bis zu 80.000
Nm aufweisen. Das hohe Drehmoment bewirkt auch eine sehr schnelle
Drehbeschleunigung. Insbesondere kann der Permanentmagnetmotor oder
Torque-Motor die Walzen innerhalb eines Drehwinkels von nur 1°, vorzugsweise
sogar nur 0,5°,
auf die Nenndrehzahl, beispielsweise 30 U/min beschleunigen. Diese
hohe Dynamik oder Drehbeschleunigung des Torque-Motors erlaubt eine
sehr dynamische Steuerung der Drehzahl.
-
Die
Steuerung oder Regelung der Drehzahl n der zueinander und synchron
rotierenden Arbeitswalzen 2 und 3 wird nun gemäß der Erfindung
mit einem besonderen Steuerverfahren oder Regelverfahren an den
Walzprozess angepasst. Dazu wird die Drehzahl n oder Winkelgeschwindigkeit ω der Arbeitswalzen 2 und 3 an
die jeweilige Drehstellung oder Winkelposition φ der Arbeitswalzen 2 und 3 angepasst
und in Abhängigkeit
von dieser Drehposition φ gesteuert. Damit
kann abhängig
vom jeweiligen Prozess, der jeweiligen Walzmaschine und vor allem
abhängig
vom zu bearbeitenden Werkstück
die Umformung durch die Arbeitswalzen 2 und 3 durch
Steuern der Drehzahl n oder der Winkelgeschwindigkeit ω = dφ/dt optimiert
werden.
-
Die 4 bis 7 zeigen
nun einen möglichen
Ablauf eines Walzprozesses mit einer solchen drehpositionsabhängigen Drehzahlsteuerung
oder -regelung bei einem Werkstück 10.
Eine Positioniereinrichtung für
das Werkstück 10 ist
mit 60 bezeichnet und umfasst zwei relativ zueinander bewegliche Positionierteile
(Leitlineale) 61 und 62.
-
4 zeigt
eine Stellung der Arbeitswalzen 2 und 3 vor dem
Einbringen des Werkstückes.
Die gleichsinnigen Drehrichtungen der beiden Walzen 2 und 3 um
die jeweiligen Drehachsen A und B sind mit entsprechenden Pfeilen
gekennzeichnet. In dem Werkzeug 20, das segmentartig um
die Außenfläche der
Arbeitswalze 2 und um die Drehachse A verläuft, ist
eine Aussparung 23 vorgesehen. In der zweiten Arbeitswalze 3 ist
ebenfalls im segmentartigen Werkzeug 30 eine weitere Aussparung 33 vorgesehen.
-
Das
Werkstück 10 wird
nun mittels zweier Leitlineale einer nicht weiter dargestellten
Positioniereinrichtung in eine Position zwischen den Arbeitswalzen 2 und 3 beigebracht,
in der es von der Aussparung 23 im Werkzeug 20 der
ersten Arbeitswalze 2 erfasst wird. Diese Prozessphase
mit eingebrachtem Werkzeug 10 in der Ausgangsposition zeigt 5.
Am Werkstück 10 bewegen
sich die einander zugewandten Oberflächen der Arbeitswalzen 2 und 3 gegensinnig
oder entgegengesetzt zueinander.
-
Bei
der weiteren Drehung der Arbeitswalzen 2 und 3 zueinander
wird nun das Werkstück 10 zwischen
die Werkzeuge 20 und 30 gebracht und unter dem
Druck der Werkzeuge 20 und 30, die einen geringeren
Abstand w zueinander aufweisen als der ursprüngliche Durchmesser des Werkstückes 10 in
einen kleineren Durchmesser verbracht. Der nach der Umformung entstandene
verkleinerte Durchmesser (Einstich) des Werkstückes 10 an der im
Querschnitt gezeigten Stelle entspricht weitgehend dem minimalen
Abstand w zwischen den Werkzeugen 20 und 30 der
Arbeitswalzen 2 und 3. Eine Stellung der Arbeitswalzen 2 und 3 mit
dem dazwischenliegenden gekneteten Werkstück 10 während des
eigentlichen Walzprozesses ist in 6 gezeigt.
-
In 7 schließlich ist
die Stellung der Arbeitswalzen 2 und 3 veranschaulicht,
bei der das Werkstück 10 in
die Aussparung 33 des Werkzeugs 30 der zweiten
Arbeitswalze 3 hineinfällt
und, bei weiterer Drehung der Arbeitswalze 3, aus dem Zwischenraum
zwischen Arbeitswalzen 2 und 3 ausgeworfen wird.
-
Man
kann also in dem Walzprozess grundsätzlich drei Prozessphasen unterscheiden,
nämlich einer
ersten Prozessphase zur Vorbereitung des Walzprozesses und Positionierung
des Werkstückes in
der Ausgangsstellung, also einer Prozessphase, die in den 4 und 5 gezeigt
ist, ferner einer zweiten Prozessphase, während der der eigentliche Walzprozess
stattfindet und das Werkstück
zwischen Werkzeugen der beiden Arbeitswalzen umgeformt wird, entsprechend 6,
und schließlich
einer dritten Prozessphase, während
der das Werkstück
wieder aus den Werkzeugen entnommen wird, entsprechend 7.
-
8 zeigt
nun ein Diagramm, in dem die Drehzahl n der Arbeitswalzen 2 und 3 als
direktes Maß für die Rotationsgeschwindigkeit
in der Maßeinheit
Hertz (Hz) = 1/s oder angegeben in Umdrehungen pro Sekunde (oder
auch: Umdrehungen pro Minute) über
der Drehstellung oder dem Drehwinkel φ der Arbeitswalze 2 aufgetragen
ist. Es sind neun aufeinanderfolgende Winkelpositionen φ1 bis φ9 auf der φ-Achse eingezeichnet
und zwischen den Winkelpositionen φ1 und φ9 die Drehzahl n als Funktion
n (φ) des
Drehwinkels φ aufgetragen.
Die sich dadurch ergebende Kurve ist mit K bezeichnet. Diese Kurve
K ist wiederum in sieben Teilkurven K1 bis K7 aufgeteilt, wobei
die erste Teilkurve K1 zwischen den Winkelpositionen φ1 und φ2, die zweite
Teilkurve K2 zwischen den Winkelpositionen φ2 und φ3, die dritte Teilkurve K3
zwischen den Winkelpositionen φ3
und φ4,
die vierte Teilkurve K4 zwischen den Winkelpositionen φ4 und φ5, die fünfte Teilkurve
K5 zwischen den Winkelpositionen φ5 und φ6, die sechste Teilkurve K6
zwischen den Winkelpositionen φ6
und φ7
und die siebente Teilkurve K7 zwischen den Winkelpositionen φ7, und φ8 verläuft. Die
erste Teilkurve K1 und die zweite Teilkurve K2 zeigen einen möglichen
zeitlichen Verlauf der Drehzahl n der Arbeitswalzen 2 und 3 in
der zwischen den Winkelpositionen φ1 und φ3 liegenden ersten Prozessphase
zur Vorbereitung und Positionierung des Werkstückes 10. Zwischen den
Winkelpositionen φ1
und φ2
wird in einem recht steilen Anstieg gemäß der Teilkurve K1 die Drehzahl von
0 auf eine erste Drehzahl n1 > 0
erhöht
und dann zwischen den Winkelpositionen φ2 und φ3 im Wesentlichen konstant
gehalten, entsprechend der Teilkurve K2. In dem Zeitraum zwischen φ2 und φ3, entsprechend
der Teilkurve K2, wird das Werkstück 10 zwischen den
Arbeitswalzen 2 und 3 positioniert und schließlich etwa
zum Winkelposition φ3
von der Aussparung 23 des Werkzeuges 20 der ersten
Arbeitswalze 2 erfasst.
-
Die
Winkelposition φ3
ist nun die Winkelposition der ersten Drehwalze 2, bei
der das Werkstück 10 in
der Aussparung 23 fixiert ist und der Walzprozess beginnen
kann. Es sei dabei angemerkt, dass die Winkelposition oder Drehstellung
der zweiten Arbeitswalze 3 direkt mit der Winkelposition
der Arbeitswalze 2 korreliert ist und sich synchron, jedoch
gegensinnig mit der Winkelposition der ersten Arbeitswalze ändert, wobei
die Drehung der Arbeitswalzen 2 und 3 zueinander
gleichsinnig erfolgt. Deshalb genügt es, die Drehposition der
ersten Arbeitswalze 2 zu betrachten. Es könnte natürlich genau
so die Winkelposition der zweiten Arbeitswalze 3 als Variable oder
Parameter genommen werden, von der die Drehzahl n abhängig gemacht
wird. Es genügt
jedenfalls, an einer der beiden Arbeitswalzen 2 oder 3 eine Positionserfassungseinrichtung
vorzusehen zur Bestimmung des Drehwinkels φ relativ zu einer Referenz-
oder Nullposition φ0,
die in den 4 bis 7 nach unten
gewählt
und eingezeichnet ist.
-
Bei
Erreichen der Winkelposition φ3
und dem Einrasten des Werkstückes 10 in
der Aussparung 23 wird nun die Drehzahl n zwischen der
Winkelposition φ3
und einer darauffolgenden Winkelposition φ4 schnell erhöht im Kurvenabschnitt
K3 mit einer entsprechend hohen Drehbeschleunigung oder Steigung
der Kennlinie K. Zur Winkelposition φ4 ist dann eine höhere Drehzahl
n2 erreicht, auf der die Drehzahl n während der Teilkurve K4 bis
zu einer neuen Winkelposition φ6
gehalten wird. Diese Teilkurve K4 zwischen den Winkelpositionen φ4 und φ6 markiert
den eigentlichen Walzprozess. Die 6 zeigt
eine Momentaufnahme dieses Walzausschnittes zur Winkelposition φ5 der Arbeitswalze 2.
-
Kurz
bevor die Aussparung 33 des Werkzeuges 30 der
zweiten Arbeitswalze 3 das Werkstück 10 erreicht, wird
zu einem vor der zugehörigen
Winkelposition φ7
der ersten Arbeitswalze 2 liegenden Winkel φ6 der ersten
Arbeitswalze 2 die Drehzahl n wieder während der Teilkurve K5 herabgesetzt,
vorzugsweise wieder mit einer hohen Bremsbeschleunigung und dann
mit einer niedrigeren Bremsbeschleunigung, entsprechend einer flacheren
Steigung in der Teilkurve K6 zwischen den Winkelpositionen φ7 und φ8 weiter
erniedrigt. Es wird also das Auswerfen des Werkstückes bei
einer niedrigeren Drehzahl n und einer niedrigeren Drehbeschleunigung
durchgeführt, um
das Werkstück
schonend auszuwerfen. Das Auswerfen des Werkstückes ist am Ende der Teilkurve K6
bei der Winkelposition φ8
der ersten Arbeitswalze 2 beendet und die Drehzahl n wird
nun bei der Beendigung des Bearbeitungsprozesses dieses Werkstückes 10 zwischen
den Drehwinkeln φ8
und φ9
entsprechend der Teilkurve K7 wieder auf Drehzahl n = 0 Hz zurückgefahren.
Ein Arbeitszyklus oder ein Umformprozess ist somit beendet.
-
Selbstverständlich können auch
andere winkelpositionsabhängige
Profile der Drehzahl n gefahren werden. So ist es auch möglich, die
beiden Arbeitswal zen 2 und 3 während Teilphasen des Prozesses
mit zueinander unterschiedlichen Drehzahlen oder sogar unterschiedlicher
Drehrichtung zu drehen. Ferner kann abhängig von der Zahl und Anordnung
der Werkzeuge auf den Arbeitswalzen das Profil n (φ) gesteuert
werden.
-
9 zeigt
eine Abhängigkeit
n (φ),
bei der während
des Umformprozesses ein komplizierteres Profil gefahren wird. Zunächst wird
ausgehend von der Winkelstellung φ0 und einer Drehzahl n = n2
abgebremst auf eine Drehzahl n1 bei einer Winkelstellung φ1. Diese
Drehzahl n1 wird bis zu einer Winkelstellung φ2 beibehalten und dann wird
wieder auf die Drehzahl n2 bei der Winkelstellung φ3 beschleunigt und
diese Drehzahl n2 bis zur Winkelstellung φ4 aufrechterhalten. Diese Absenkung
der Drehzahl n ist beim Einfädeln
oder Ergreifen des Werkstückes 10 von
Vorteil. Für
eine erste Umformphase mit einem ersten Werkzeug wird nun zwischen
den Winkelstellungen φ4
und φ5
von einer Drehzahl n2 auf eine größere Drehzahl n8 beschleunigt
und diese Drehzahl n8 bis zu einer Winkelstellung φ6 aufrechterhalten. Sodann
wird wieder abgebremst von der Drehzahl n8 auf eine Drehzahl n5
zwischen den Winkelstellungen φ6
und φ7.
Die Drehzahl n5 wird zwischen den Winkelstellungen φ7 und φ8 aufrechterhalten
und dann wird zwischen φ8
und φ9
wieder auf eine Drehzahl n7 beschleunigt, die wieder während einer
Plateau-Phase zwischen φ9 und φ10 aufrechterhalten
wird. Diese Plateau-Phase zwischen φ9 und φ10 mit der Drehzahl n7 entspricht
einer weiteren Umformphase mit einem weiteren Werkzeug. Schließlich wird
wieder abgebremst von der Drehzahl n7 auf eine Drehzahl n4 zwischen
den Winkelstellungen φ10
und φ11,
die Drehzahl n4 bis zur Winkelstellung φ12 aufrechterhalten und dann
wieder auf eine Drehzahl n6 im Intervall zwischen φ12 und φ13 beschleunigt.
Die Drehzahl n6 wird bis zur Winkelstellung φ14 konstant gehalten. Dann
wird nochmals auf eine maximale Drehzahl n9 zwischen den Winkelstellungen φ14 und φ16 beschleunigt
und die Drehzahl n9 während
einer letzten Umformphase zwischen φ16 und φ17 beibehalten. Schließlich wird
am Ende des Umformprozesses zwischen φ17 und φ18 abgebremst auf die ursprüngliche
Drehzahl n2. Es gilt 0 < n1 < n2 < n3 < n4 < n5 < n6 < n7 < n8 < n9.
-
Wie
die Profile gemäß 8 und 9 zeigen,
erlaubt die winkelabhängige
Drehzahlsteuerung gemäß der Erfindung
eine Vielzahl angepasster Walzendrehbewegungen für unterschiedliche Prozesse, Werkzeuge
und Werkstücke.
-
1 und 3 zeigen
ferner ein Schneckenrad 9, das mit dem Zahnrad 18 für die Arbeitswalze 2 gekoppelt
ist und eine Verstellung oder Einstellung der relativen Winkelposition
der Arbeitswalze 2 relativ zur Arbeitswalze 3 ermöglicht.
Damit können
in Anpassung an unterschiedliche Werkzeuge oder auch zur Korrektur
die Winkelpositionen der Arbeitswalzen 2 und 3 relativ
zueinander eingestellt werden.
-
Zum
Einstellen oder Korrigieren des Zahnspiels oder Zahneingriffes zwischen
den Walzenzahnrädern 18 und 19 sowie
dem zentralen Steuerzahnrad 5 kann ferner ein nicht dargestellter
Verstellantrieb vorgesehen sein, der den Rotationsantrieb mit dem
Permanentmagnet-Motor 4 sowie dem Getriebe mit der Abtriebswelle 45 und
dem Steuerzahnrad 5 relativ zu den beiden Walzenzahnrädern 18 und 19 bewegen
kann. Dadurch kann ein asymmetrischer Eingriff oder Zahnflankenspiel
korrigiert werden. Ferner ist es auch möglich, getrennte Antriebe zum
Verstellen der Walzen 2 und 3 mit ihren Walzenzahnrädern 18 und 19 vorzusehen,
so dass der Zahneingriff der Walzenzahnräder 18 und 19 zum zentralen
Steuerzahnrad 5 jeweils unabhängig voneinander eingestellt
werden kann.
-
Die
Halteeinrichtungen 12 und 13 der beiden Arbeitswalzen 2 und 3 sind
von einer Trägereinrichtung 6 getragen
und in dieser gelagert oder verankert. Die Trägereinrichtung 6 umfasst
vier säulenartige
Trägerelemente 6A bis 6D,
die in einer rechteckigen Anordnung angeordnet sind und auf einer
gemeinsamen Bodenplatte 6E, die auf dem Boden 50 abgestützt ist,
montiert oder befestigt. In jedem der Trägerelemente 6A bis 6D ist
eine zugehöriger Zuganker 7A bis 7B vertikal
in der Längsrichtung
des jeweiligen Trägerelements
angeordnet, der unten an der Trägerplatte 6E befestigt
ist und oben mittels einer zugehörigen
Gegenmutter, vorzugsweise einer hydraulisch betätigten Gegenmutter (9B, 9C in 3),
vorgespannt ist. Dabei wird unter die Hydraulikmutter ein geschlitztes
Unterlagringsegment gelegt, wenn die Hydraulikmutter im gelösten Zustand ist
und dann durch Anlegen des hydraulischen Druckes die Mutter auf
das Unterlagsringsegment gepresst. Dadurch kann die Trägereinrichtung,
die das Gestell der Walzmaschine bildet, unter eine bestimmte Zugspannung
gesetzt werden. Dies führt
zu einer Versteifung des Walzengerüstes.
-
10 und 11 zeigen
eine weitere Ausführungsform
einer Querkeilwalzmaschine 1, bei der. im Unterschied zu
der Ausführungsform
gemäß 1 bis 3 ein
erster Antrieb 42 für
die erste Arbeitswalze 2 und ein zweiter, vom ersten Antrieb 42 unabhängiger Antrieb 43 für die zweite
Arbeitswalze 3. Jeder Antrieb 42 und 43 umfasst
einen zugehörigen
Permanentmagnet-Motor 44 und 45 und ein – nicht
näher dargestelltes – Getriebe,
beispielsweise ein, insbesondere dreistufiges, Zahnradgetriebe, zum Übertragen
des Drehmoments des Motors auf die zugehörige Arbeitswalze 2 bzw. 3.
Das Untersetzungsverhältnis
jedes Getriebes kann beispielsweise 1:35 betragen. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel gemäß 10 und 11 sind
die Drehachse C der Abtriebswelle des Permanentmagnet-Motors 44 des ersten
Antriebs 42 und die Drehachse D der Abtriebswelle des Permanentmagnet-Motors 45 des
zweiten Antriebs 43 orthogonal zu den Drehachsen A und
B der jeweiligen Arbeitswalzen 2 und 3 gerichtet
und die Motoren entsprechend seitlich am Walzengerüst angeordnet.
-
Jeder
der Permanentmagnet-Motoren 44 und 45 wird elektronisch,
insbesondere über
einen Umrichter, angesteuert. Dadurch können die Arbeitswalzen 2 und 3 entweder
elektronisch synchron oder auch asynchron angetrieben werden.
-
- 1
- Walzmaschine
- 2,3
- Arbeitswalze
- 4
- Antriebsmotor
- 5
- Steuerzahnrad
- 6
- Trägereinrichtung
- 6A
bis 6D
- Trägerelement
- 6E
- Bodenplatte
- 7A
bis 7D
- Zuganker
- 8A
bis 8D
- Führung
- 9
- Schneckenrad
- 9B,
9C
- Gegenmutter
- 10
- Werkstück
- 12
- Halteeinrichtung
- 12A,
12B
- Teil
- 13
- Halteeinrichtung
- 13A,
13B
- Teil
- 14,
15
- Aufnahme
- 16
- Feder
- 18,
19
- Zahnrad
- 20,
21
- Werkzeug
- 23
- Aussparung
- 24,
25
- Fortsatz
- 30,
31
- Werkzeug
- 33
- Aussparung
- 42,
43
- Rotationsantrieb
- 45
- Abtriebswelle
- 46,
47
- Rotationsantriebsgetriebe
- 50
- Boden
- 60
- Positioniereinrichtung
- 61,
62
- Positionierteile
- A,
B
- Drehachse
- C,
D
- Antriebsachse
- G
- Gravitationskraft
- M
- Mittelachse
- P
- Positionierachse
- R
- Rotationsachse
- w
- Werkzeugabstand
- W
- Walzenabstand