DE10332888B3

DE10332888B3 - Verfahren zum Umformen eines Werkstücks und Umformvorrichtung

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Publication number: DE10332888B3
Application number: DE10332888A
Authority: DE
Inventors: Stelios Katsibardis; Kai SPÄTH
Original assignee: Langenstein and Schemann GmbH
Current assignee: Langenstein and Schemann GmbH
Priority date: 2003-07-19
Filing date: 2003-07-19
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-07-20
Also published as: DE502004010855D1; WO2005018850A1; EP1646462B1; DE10332888C5; EP1646462A1; US20080110009A1; US20060117542A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen wenigstens eines Werkstücks und eine Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens, die wenigstens einen Träger für ein Werkstück, wenigstens ein Schlagwerkzeug, wenigstens eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Schlagwerkzeugs relativ zum Träger und wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs umfasst, wobei zum Umformen des Werkstücks eine Ausgangslage des Schlagwerkzeugs einstellbar ist und wobei eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während einer Schlagbewegung steuert und regelt. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung prallt ein Schlagwerkzeug während einer Schlagbewegung aus einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit auf das auf einem Träger befindliche Werkstück und die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung wird abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs und abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit gesteuert oder geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks sowie eine Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens.
Für das Umformen von Werkstücken stehen zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung. In Pressmaschinen werden die Werkstücke mit geeigneten Werkzeugen in Eingriff gebracht, die die für den Vorgang notwendigen Kräfte zur Verfügung stellen. Die Pressmaschinen unterscheiden sich generell in weg, kraft- und arbeitgebundene Pressmaschinen. Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang die arbeitgebundenen Umformvorrichtungen bzw. Pressmaschinen, insbesondere die Spindelpressen. Die bestimmenden Kenngrößen dieser arbeitgebundenen Pressmaschinen ist das Arbeitsvermögen E, das bei jedem Arbeitsspiel vollständig umgesetzt wird.
In einer Spindelpresse sind die Spindeln mit einem form- oder kraftschlüssig verbundenen Schwungrad oder auch direkt motorisch angetrieben. Die Drehbewegung wird über ein steilgängiges Mehrfachgewinde in eine geradlinige Stößelbewegung umgesetzt. Beim schlagartigen Auftreffen des Stößels auf das Werkstück wird die kinetische Energie von Schwungrad, Spindel und Stößel vollständig in Nutz- und Verlustarbeit umgewandelt. Die Energieumsetzung ist durch den Schlagwirkungsgrad ηs gekennzeichnet. (Lexikon Produktionstechnik Verfahrenstechnik, Hrsg. Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag).
Als Antrieb für die Spindel bzw. das Schwungrad wird in der Regel ein elektrischer Antriebsmotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor eingesetzt. Um ein optimales Betriebsverhalten, sprich Antriebsleistung, Stromaufnahme, Wirkungsgrad, flexible Einsatzmöglichkeiten und kurze Hubzeiten zu erhalten, ist es wünschenswert die Spindelpresse bzw. den Stößelhub entsprechend zu steuern und zu regeln.

In der Druckschrift DE 34 44 240 C2 ist eine Spindelpresse offenbart, bei der die Drehzahl und damit die Geschwindigkeit des Stößel in weiten Bereichen regelbar ist, und somit auch Umformarbeiten mit relativ geringem Arbeitsvermögen wie z.B. Kantenstauchen durchgeführt werden können. Die Spindelpresse umfasst ein Schwungrad mit eigenem Antrieb, das zu Beginn des Stößelhubs eine Vordrehzahl aufweist, das über eine Scheibenkupplung mit der Antriebsscheibe der Spindel verbindbar ist und das am Ende des Umformvorgangs etwa zum Stillstand kommt und von der Spindel abgekuppelt wird. Die Spindel samt Spindelantriebsscheibe verfügt ebenfalls über einen eigenen Antrieb, der zugleich auch zum Rückführen des Stößels dient. Für den Arbeitshub wird nun die Spindel mittels des Spindelantriebs beschleunigt, vorzugsweise maximal, und dann auf die am Ende des Leerhubs für die Kupplung mit dem Schwungrad erforderliche Gleichlaufgeschwindigkeit heruntergeregelt.

Wird der größte Teil des Stößelhubs mit höherer Geschwindigkeit, bei noch getrennter Kupplung durchfahren, so lassen sich mit der in DE 34 44 240 C2 offenbarten Spindelpresse kurze Taktzeiten erzielen. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform zwei Antriebsmotoren mit hoher Leistung notwendig. was zu einem hohen Strombedarf führen kann. Bei nicht exakter Regelung der Geschwindigkeiten kann durch den Kupplungsvorgang zudem Energie verloren gehen.

DE 38 41 852 A1 beschreibt eine Antriebsanordnung zum Antrieb einer Gewindespindel einer Spindelpresse, bei der die Ankupplung der Gewindespindel an eine ständig rotierende Antriebsscheibe über ein Differential- bzw. Überlagerungsgetriebe erfolgt. Zum Ankuppeln wird eine Welle des Getriebes abgebremst. Durch entsprechende Steuerung und Regelung der Abbremsung lassen sich Drehzahl und Drehmoment und damit Presskraft und Hubgeschwindigkeit während des Zyklus variieren. Zudem kann die Bremsenergie abgegriffen und beispielsweise für den Stößelrückhub nutzbar gemacht werden.

Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass eine ständig rotierende Antriebsscheibe notwendig ist, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Ein weiterer Nachteil ist die große Drehzahldifferenz zwischen Spindel und Antriebsscheibe beim Kuppeln, was Energieverbrauch und Kupplungsverschleiß bedeutet.

Eine direkt angetriebene Spindelpresse ist in DE 195 45 004 A1 offenbart. Hier wird ein optimales Betriebsverhalten dadurch erreicht, dass zur Verbesserung der Energiebilanz und für eine genauere Regelung des Weg-Zeit-Verlaufes ein drehzahlvariabler Antrieb bestehend aus einem Drehstromasynchronmotor und einem Frequenzsteller bzw. Stromrichter eingesetzt wird. Die erforderliche Umformenergie wird durch Variation der Drehzahl angepasst. Der Drehzahl-Zeit-Verlauf der Spindel lässt sich durch eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung des Antriebs variieren.

Durch Variation des Drehzahl-Zeit-Verlaufs lassen sich zum Erreichen der jeweils gewünschten Umformenergie relativ kurze Hubzeiten realisieren. Allerdings bleiben durch die Mechanik verursachte Toleranzen, beispielsweise beim Rückhub des Stößels oder Toleranzen in den Werkstücken unberücksichtigt, was sich zum einen auf die Genauigkeit des Umformprozesses auswirkt und andererseits auch zu einem Energieverlust führen kann.

Eine weitere direkt angetriebene Spindelpresse ist in der auf der Internetseite hinterlegten Lasco-Firmenzeitschrift „Upgrade" (Ausgabe: Dezember 2000) beschrieben. Als Beispiel wird ein Umformvorgang mit geringer Umformenergie aufgezeigt. Der Antriebsmotor mit Frequenzumrichter beschleunigt die beweglichen Massen, also Schwungrad und mit diesem gekoppelte Spindel, auf eine der maximalen Energie entsprechenden Drehzahl. Der Stößel wird dadurch mit maximaler Geschwindigkeit bis kurz vor Beginn des Umformvorganges abwärts getrieben, um dann generatorisch gebremst mit der vorgewählten Geschwindigkeit den Umformvorgang zu beginnen. Der Rückhub erfolgt durch Reversieren des Antriebes. Etwa auf halber Rückhubhöhe wird wiederum generatorisch gebremst und die Antriebselemente werden so verzögert, dass die mechanische Bremse im oberen Totpunkt lediglich als Parkbremse arbeitet.

In dieser vorangehend beschriebenen Spindelpresse lassen sich wie bei der in DE 195 45 004 A1 offenbarten Spindelpresse zum Erreichen der jeweils gewünschten Umformenergie relativ kurze Hubzeiten realisieren. Allerdings bleiben durch die Mechanik verursachte Toleranzen, beispielsweise beim Rückhub des Stößels oder Toleranzen in den Werkstücken ebenfalls unberücksichtigt, da die Geschwindigkeit des Stößels bzw. die Drehzahl des Antriebsmotors und die Lage des Stößels, in der er abgebremst wird, je nach Werkstück fest vorgegeben sind.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks sowie eine Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens, bereitzustellen, bei denen die vorgenannten Nachteile beim Stand der Technik wenigstens teilweise überwunden oder zumindest vermindert werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Umformen eines Werkstücks gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Umformvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 29.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Umformen wenigstens eines Werkstücks, prallt ein Schlagwerkzeug während einer Schlagbewegung aus einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit auf das auf einem Träger befindliche Werkstück und die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung wird abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs und abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit gesteuert oder geregelt.

Die Umformvorrichtung gemäß Anspruch 29, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder eines der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche umfasst wenigstens einen Träger für ein Werkstück, wenigstens ein Schlagwerkzeug, wenigstens eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Schlagwerkzeugs relativ zum Träger und wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs, wobei zum Umformen des Werkstücks eine Ausganglage des Schlagwerkzeugs einstellbar oder eingestellt ist und wobei eine Steue rungs- und Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während einer Schlagbewegung in Abhängigkeit der Lage so steuert und regelt, dass eine vorgegebene oder vorgebbare Auftreffgeschwindigkeit auf dem Werkstück erreicht wird.

Die Schlagbewegung ist die vorzugsweise axiale Bewegung des Schlagwerkzeugs (oder: Stößels) in Richtung des Werkstücks und zwar aus einer Ausgangslage heraus bis zum Zusammenprall mit dem Werkstück. Die Höhendifferenz, die das Schlagwerkzeug während der Schlagbewegung von der Ausgangslage bis zum Aufprall auf dem Werkstück durchläuft, ist der Hub des Schlagwerkzeugs, im Folgenden auch mit Arbeitshub bzw. Schlaghub bezeichnet. Nach dem Umformvorgang wird das Schlagwerkzeug in der Regel in eine vorbestimmte Endlage zurückgefahren. Die Höhendifferenz, die das Schlagwerkzeug während dieser Rückholbewegung durchläuft wird im Folgenden auch als Rückhub bezeichnet.

Die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung ist ein Maß für die zur Verfügung stehende Bewegungsenergie (E). Die Bewegungsenergie ist proportional zu dem Produkt aus der Masse (m) des Schlagwerkzeugs und dem Quadrat der Geschwindigkeit (v) des Schlagwerkzeugs (E = ½ mv²). Da die Masse des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung konstant ist, spielt also vor allem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs bzw. die Ausgangslage oder der Arbeitshub und die Beschleunigung (Bewegungsgleichungen) des Schlagwerkzeugs eine entscheidende Rolle für die beim Aufprall zur Verfügung stehende Bewegungsenergie. Die Bewegungsenergie beim Aufprall, die aus der Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs resultiert, wird im Folgenden auch als Umformenergie bezeichnet.

Die Umformenergie wird bei dem Aufprall auf das Werkstück zu einem großen Teil in Nutzarbeit umgewandelt, wodurch das Werkstück verformt wird. Die Verlustenergie bzw. die daraus resultierende Verlustarbeit wird unter anderem in den Rückstoß des Schlagwerkzeugs eingebracht.

Ein Kerngedanke der Erfindung ist nun, dass die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs gesteuert oder geregelt werden kann, um eine gewünschte bzw. vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen. Das bedeutet in anderen Worten, dass die momentane Geschwindigkeit (v(t)) des Schlagwerkzeugs eine Funktion der momentanen Lage (x(t)) des Schlagwerkzeugs ist (v(t) = v(x(t)). Die Lage (x) des Schlagwerkzeugs ist hier also die Variable. Die Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs ist eine Konstante, die jedoch in ihrem Wert beliebig gewählt werden kann. Das Schlagwerkzeug wird demnach, je nachdem in welcher Lage (oder: Position) es sich gerade befindet, beschleunigt oder abgebremst, um schlussendlich die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen.

Dabei kann die Ausgangslage (x(t₀)) des Schlagwerkzeugs abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit, beispielsweise wenn die Schlagbewegung mit einer konstanten Geschwindigkeit oder einer konstanten Beschleunigung durchgeführt werden soll, oder abhängig von den Erfordernissen des Arbeitsablaufes bestimmt und eingestellt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat also den Vorteil, dass eine gewünschte Auftreffgeschwindigkeit bzw. daraus resultierende Umformenergie in einem durch die physikalischen Gesetzmäßigkeiten vorgegebenen Rahmen, unabhängig von der eingestellten Ausgangslage erreicht werden kann, und dass gleichermaßen, innerhalb gewisser Grenzen, eine gewünschte Ausgangslage eingestellt werden kann, unabhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit. Dadurch ist das Umformverfahren sehr flexibel einsetzbar.

Um die Geschwindigkeit während der Schlagbewegung als Funktion der Lage des Schlagwerkzeugs zu ermitteln kann in einer vorteilhaften Ausführungsform wenigstens eine Lage des Schlagwerkzeugs gemessen oder bestimmt werden. Mit dem Wert der wenigstens einen Lage des Schlagwerkzeugs und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit können dann die Geschwindigkeitswerte während der Schlagbewegung berechnet werden.

Die Lage des Schlagwerkzeugs wird vorzugsweise mit einer geeigneten Lagemesseinrichtung bestimmt, die den Lagewert an eine Steuerungs- und Regelungseinheit zur Steuerung oder Regelung des Schlagwerkzeugs überträgt. Dadurch ist es zum einen möglich eine bestimmte Lage, beispielsweise die Ausgangslage, zu bestimmen und dann den zum Erreichen der vorgegeben Auftreffgeschwindigkeit notwendigen oder günstigsten bzw. optimalen Geschwindigkeitsverlauf zu berechnen. Das Schlagwerkzeug wird dann während der Schlagbewegung auf diese Geschwindigkeitswerte zu gesteuert oder geregelt. Andererseits kann auch eine Steuerung oder Regelung in Echtzeit erfolgen, indem während der Schlagbewegung stets die momentane Lage gemessen oder bestimmt wird und die Geschwindigkeit dann entsprechend mit den gemessenen momentanen Lagewerten berechnet wird, vorzugsweise durch numerisches Differenzieren, und gesteuert oder geregelt wird.

Dass die Lage des Schlagwerkzeugs gemäß der Erfindung innerhalb der Umformvorrichtung jederzeit bekannt ist, hat den weiteren Vorteil, dass ein wiederholgenaues Arbeiten ermöglicht wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn beispielsweise mittels der Lagemesseinrichtung die Ausgangslage des Schlagwerkzeugs und/oder die Lage nach einer Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs gemessen oder bestimmt wird. Sollte nun beispielsweise bei der Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs eine zu große Toleranz auftreten, d.h. der tatsächliche Rückhub ist größer oder kleiner als die vorgegebene Höhendifferenz, so wird diese durch die Lagemesseinrichtung erfasst und zur Bestimmung des Geschwindigkeitsverlaufs eines darauffolgenden Arbeitshubs genutzt, so dass das Schlagwerkzeug wiederum mit genau der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit auf dem Werkstück aufprallt.

Bei mehrmaligem Aufprallen des Schlagwerkzeugs auf dasselbe Werkstück ist es vorteilhaft, wenn die Lage des Schlagwerkzeugs nach der Verformung des Werkstücks durch den Aufprall gemessen oder bestimmt wird. So kann bei mehrmaliger Bearbeitung eines Werkstücks in der Vorrichtung die durch die Verformung veränderte Höhe des Werkstücks erfasst und der darauffolgende Arbeitshub beispielweise um diese Wegstrecke verlängert werden, so dass die auf das Werkstück übertragene Umformenergie stets konstant ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Schlagwerkzeug aus der Ausgangslage auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit beschleunigt. Zum Erreichen einer Auftreffgeschwindigkeit niedriger als eine maximale Auftreffgeschwindigkeit kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die Ausgangslage niedriger als eine maximale Ausgangslage eingestellt wird.

Das Schlagwerkzeug kann bei seiner Schlagbewegung in der Regel aus einer maximalen Ausgangslage einen durch die Umformvorrichtung vorgegebenen maximalen Arbeitshub durchlaufen, nachdem die größte bzw. maximale Auftreffgeschwindigkeit und damit die maximale Umformenergie erreicht wird. Aufgrund der möglichen Lageerfassung des Schlagwerkzeugs kann der Stößel bzw. das Schlagwerkzeug aber auch von jeder beliebigen Lage oder Position innerhalb des maximalen Arbeitshubs aus gefahren werden, so dass sich ein Arbeitshub kleiner dem maximalen Arbeitshub ergibt. Dabei ist dann die höchste erreichbare Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie geringer als die maximale Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie.

Das ist insbesondere in Anwendungen mit flachen Werkstücken und/oder niedriger erforderlicher Umformenergie von besonderem Vorteil. Bei Beschleunigen aus der Ausgangslage wird dann beim Aufprall auf das Werkstück gerade die erwünschte Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie erreicht. Der kurze Arbeitshub bringt einerseits sehr kurze Hubzeiten mit sich, wodurch sich sehr kurze Taktzeiten erzielen lassen, andererseits kann dadurch auch Energie eingespart werden.

Insbesondere vorteilhaft ist es auch, wenn das Schlagwerkzeug aus der Ausgangslage beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage zwischen der Ausgangslage und dem Werkstück abgebremst wird, um die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen. Die Geschwindigkeit wird also über die Hublänge so variiert, so dass beispielsweise auch aus einer hohen Ausgangslage und bei einem großen Arbeitshub das Erzeugen niedriger Auftreffgeschwindigkeiten bzw. Umformenergien möglich ist. Um dennoch eine kurze Arbeitshubzeit zu erzielen wird das Schlagwerkzeug zunächst möglichst mit einer maximalen Anfahrbeschleunigung auf eine maximale Geschwindigkeit beschleunigt, die in der vorbestimmten Lage zwischen der Ausgangslage und dem Werkstück erreicht wird, ab der das Schlagwerkzeug dann bis auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit abgebremst wird, die niedriger als die maximale Geschwindigkeit ist.

In der Praxis kann nun beispielsweise beim Bearbeiten der Stirnseite sehr großer bzw. langer Werkstücke eine sehr hohe Ausgangslage gewählt werden, um das Einführen des Werkstücks in den Träger zu erleichtern. Auch beim Einsatz automatischer Zuführeinrichtungen für die Werkstücke, beispielsweise Robotern mit Greifern oder automatischen Greifwerkzeugen, kann eine hohe Ausgangslage des Schlagwerkzeugs von Vorteil sein, um die Zuführung zu erleichtern. Aus dieser hohen Ausgangslage können dann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, je nach Anforderung, sowohl hohe als auch sehr niedrige Umformenergien erzeugt werden.

Ferner ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung so gesteuert oder geregelt wird, dass bei beliebiger Ausgangslage die kürzest mögliche Arbeitshubzeit erreicht wird. Das lässt sich mittels der Steuerungs- und Regelungseinrichtung realisieren, die den Geschwindigkeitsverlauf des Schlagwerkzeugs abhängig von der Lage und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs rechnerisch so optimiert, dass möglichst die kürzeste Hubzeit erreicht wird.

Die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs erfolgt vorzugsweise mit einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung, die einen drehzahlvariablen Antriebsmotor einer Antriebseinrichtung für das Schlagwerkzeug steuert und regelt.

Als Steuerungs- und Regelungseinrichtung wird vorzugsweise eine Frequenzumrichtereinheit verwendet, die die Drehzahl und die Drehrichtung des Antriebsmotors steuert und regelt. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Frequenzumrichtereinheit mit Hilfe eines Mikroprozessors den Drehzahlverlauf des Antriebsmotors während der Schlagbewegung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Ausgangslage und/oder einer mittels einer Lagemesseinrichtung bestimmten Lage bestimmt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Schlagwerkzeug nach dem Aufprall durch eine Rückholbewegung in eine vorgegebene oder vorgebbare Endlage zurückgehoben. Die Rückholbewegung in die Endlage erfolgt vorzugsweise bei umgekehrter Drehrichtung des Antriebsmotors. Es sind jedoch auch andere Methoden denkbar das Schlagwerkzeug in die Endlage zu bringen. So kann beispiels weise das Schlagwerkzeug mittels Teleskopstangen hydraulisch oder pneumatisch zurückgehoben werden. Der hierfür notwendige Druck lässt sich beispielweise bei der Schlagbewegung des Stößels durch Zusammenpressen einer Flüssigkeit oder eines Gases in einer geeigneten Kammer erzeugen.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Rückholbewegung in die Endlage abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs gesteuert und geregelt wird. Eine optimale Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeug ist dabei durch die Frequenzumrichtereinheit gegeben, deren Mikroprozessor den Drehzahlverlauf während des Hubs in Abhängigkeit der vorgegebenen Endlage und/oder einer mittels der Lagemesseinrichtung bestimmten Lage bestimmt. Diese Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit kann beim Rückholen des Schlagwerkzeugs mittels des Antriebsmotors eingesetzt werden.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn als Endlage eines Rückhubs die Ausgangslage des Schlagwerkzeugs für den Arbeitshub gewählt wird. Vor allem, wenn mehrere gleiche Werkstücke nacheinander bearbeitet werden sollen, wird so stets die optimale Hubzeit und Umformenergie erreicht. Es ist jedoch auch möglich das Schlagwerkzeug in eine beliebige andere Endlage zu fahren. Das kann von Vorteil sein, wenn nacheinander verschiedene Werkstücke bearbeitet werden sollen. Die Endlage des Rückhubs kann dann insbesondere abhängig vom zu bearbeitenden Werkstück und/oder von der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit bei der darauffolgenden Schlagbewegung gewählt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Schlagwerkzeug bei der Rückholbewegung in die Endlage vom Werkstück oder Träger weg beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage zwischen dem Werkstück oder dem Träger einerseits und der Endlage andererseits mittels des Antriebsmotors abgebremst. Bei Erreichen der Endlage wird das Schlagwerkzeug dann durch eine mechanische Bremseinrichtung vollständig abgebremst. Diese Steuerung- und Regelung der Geschwindigkeit bei der Rückholbewegung hat den Vorteil, dass das Schlagwerkzeug sehr genau in die Endlage gefahren werden kann, gleichzeitig aber diese Endlage sehr schnell erreicht. Des Weiteren wird die Gefahr vermindert, dass die mechanische Bremseinrichtung schnell verschleißt oder dass der Überlauf bzw. die Toleranz des Rückhubes zu groß ist, wie es bei zu hoher Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs bei Erreichen der Endlage der Fall sein kann.

Diese genaue Geschwindigkeitsregelung beim Rückhub bzw. die daraus resultierende genaue Endlage des Schlagwerkzeugs ist zum Beispiel besonders vorteilhaft, wenn das Werkstück mit dem Schlagwerkzeug mit nach oben in die Endlage gefahren wird und in der Endlage abgenommen wird. Das Werkstück kann dann stets mit hoher Genauigkeit mit Hilfe einer Abführeinrichtung, beispielsweise einem Greifwerkzeug, abgenommen und abgeführt werden.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird das Schlagwerkzeug beim Beschleunigen mit einer vorgegebenen konstanten Anfahrbeschleunigung beschleunigt. Vorzugsweise wird das Schlagwerkzeug auch beim Abbremsen mit einer vorgegebenen konstanten Bremsbeschleunigung abgebremst. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit und gleichzeitig eine energiesparende Arbeitsweise erreicht. Der Betrag der konstanten Anfahrbeschleunigung und der konstanten Bremsbeschleunigung kann beispielsweise jeweils abhängig von der Bewegungsrichtung des Schlagwerkzeugs, also je nachdem, ob es eine Schlagbewegung oder eine Rückholbewegung durchführt, gewählt werden. Dabei kann dann beispielsweise auch die Wirkung der Schwerkraft auf das Schlagwerkzeug berücksichtigt und die Beschleunigung entsprechend ausgewählt werden.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Antriebsmotor vor dem Aufprall des Schlagwerkzeugs auf das Werkstück momentlos geschaltet und/oder in der Antriebseinrichtung abgekuppelt wird. Dadurch werden Belastungen für den Motor und die Steuerungs- und Regelungseinrichtung vermieden, die durch auftretende Strom- und Spannungsspitzen erzeugt werden können. Momentlos schalten lässt sich der Antriebsmotor in der Regel über die Frequenzumrichtereinheit. Das momentlos Schalten oder Abkuppeln erfolgt beispielsweise auf ein Signal der Lagemesseinrichtung kurz vor dem Aufprall, so dass möglichst keine Umformenergie verloren geht.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird während dem Abbremsen des Schlagwerkzeugs mittels des Antriebsmotors der Antriebsmotor als Generator betrieben. Die während des Abbremsens durch den Generator gewonnene Energie kann dann in das Stromnetz zurückgespeist werden.

Die Lage des Schlagwerkzeugs in der Umformvorrichtung wird vorzugsweise mittels wenigstens eines, insbesondere berührungslosen Positionsgebers, insbesondere eines optischen oder magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgebers bestimmt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Messung berührungslos durchgeführt werden kann und die Messeinrichtung somit an einer sicheren Position in der Maschine angebracht werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird eine Umformvorrichtung verwendet, die als Spindelpresse ausgeführt ist, und bei der der Antriebsmotor in der Antriebseinrichtung der Spindelpresse arbeitet. Der Antriebsmotor treibt dann vorzugsweise direkt ein Schwungrad an, das wiederum eine mit diesem gekoppelte Spindel in Rotation versetzt. Die Spindel wirkt so mit dem Schlagwerkzeug zusammen, vorzugsweise über ein Gewinde, dass dieses durch die Rotation der Spindel abhängig von der Drehrichtung zum Werkstück bzw. Träger hin oder von diesen weg bewegt wird.

Die insbesondere für den Einsatz in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung konzipierte Umformvorrichtung umfasst wenigstens einen Träger für das Werkstück, wenigstens ein Schlagwerkzeug, wenigstens eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Schlagwerkzeugs relativ zum Träger und wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs innerhalb der Umformvorrichtung, wobei zum Umformen des Werkstücks eine Ausganglage des Schlagwerkzeugs einstellbar oder eingestellt ist und wobei eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während eines Arbeitshubs in Abhängigkeit der Lage steuert und regelt, so dass eine vorgegebene oder vorgebbare Auftreffgeschwindigkeit auf dem Werkstück erreicht wird.

Die Umformvorrichtung ist vorzugsweise eine Spindelpresse. Es ist aber auch denkbar, die Umformvorrichtung als eine andere arbeitgebundene Umformmaschine bzw. Pressmaschine, beispielsweise ein Hammer, oder als eine kraftgebundene Pressmaschine wie eine Hydraulikpresse auszubilden. Die Umformvorrichtungen unterscheiden sich dann im Wesentlichen in der konkreten Ausgestaltung der Antreibseinrichtung. Eine Vielzahl möglicher Antriebe lassen sich mit geeigneten Mitteln so steuern- und regeln, dass die Geschwindigkeit über den Hub variiert werden kann. Durch den Einsatz der Lagemesseinrichtung ist das dann auch aus jeder beliebigen Ausgangslage heraus möglich.

Wird nun die Umformvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Spindelpresse ausgeführt, so umfasst die Antriebseinrichtung vorzugsweise einen drehzahlvariablen Antriebsmotor, wobei insbesondere ein Asynchronmotor zum Einsatz kommen kann. Weiterhin umfasst die Antriebseinrichtung ein Schwungrad, das mit einer Spindel gekoppelt ist und vom Antriebsmotor angetrieben wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Umformvorrichtung wird als Steuerungs- und Regelungseinrichtung eine Frequenzumrichtereinheit eingesetzt, die die Antriebsmotordrehzahl und eventuell auch die Drehrichtung des Antriebsmotors steuert und regelt. Die Frequenzumrichtereinheit umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor. In einen dem Mikroprozessor zugehörigen Speicher können unter anderem die gewünschten Werte für die jeweilige Ausgangslage und die Geschwindigkeit eingegeben werden. Auch die von der Lagemesseinrichtung erfassten Werte werden als Signal an den Mikroprozessor übermittelt. Aus diesen Werten bestimmt bzw. berechnet der Prozessor dann denn notwendigen bzw. günstigsten Drehzahlverlauf während einer Schlagbewegung.

Für die Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs von dem Werkstück oder Träger ist vorzugsweise zudem eine Endlage für das Schlagwerkzeug einstellbar oder eingestellt. Die Endlage wird ebenfalls in dem dem Mikroprozessor zugehörigen Speicher eingespeichert, so dass der Prozessor auch den Verlauf der Rückholbewegung berechnen kann. Die Rückholbewegung erfolgt vorzugsweise über Ändern der Drehrichtung des Antriebsmotors.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn zum Festhalten des Schlagwerkzeugs in der Endlage eine mechanische Bremseinrichtung vorgesehen ist. Die mechanische Bremseinrichtung bzw. Bremse wirkt dann bei Erreichen der Endlage beispielsweise auf das Schwungrad und hält dieses fest, wodurch auch das Schlagwerkzeug in seiner Bewegung gestoppt wird.

Die Lagemesseinrichtung umfasst vorzugsweise einen herkömmlichen und insbesondere berührungslosen Positionsgeber, insbesondere einen optischen, magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgeber.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1a eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung,
1b das Verfahren gemäß 1a bei durchgeführter Schlagbewegung,
2 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung darstellt,
3 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung und anschließender konstanter Abbremsung auf eine konstante Auftreffgeschwindigkeit aus unterschiedlichen Ausgangslagen darstellt,
4 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe zum Erreichen verschiedener Auftreffgeschwindigkeiten aus einer konstanten Ausgangslage darstellt,
5 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das reale, gemessene Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei dem Verfahren gemäß der Erfindung darstellt,
6 eine vorteilhafte Ausführungsform einer Umformvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1a und 1b ist das Umformverfahren gemäß der Erfindung stark vereinfacht dargestellt. Zur Veranschaulichung zeigen 1a und 1b eine einfache Umformvorrichtung mit einem Schlagwerkzeug, insbesondere einem Stößel 1, einer Antriebseinrichtung 2 und einem Träger 3, auf dem ein Werkstück 4 angeordnet ist. Die Lage des Stößels wird mit einem Positionsgeber bestimmt (hier nicht dargestellt, vgl. 6). Der Stößel 1 wird von der Antriebseinrichtung 2 aus einer Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, H_0d (H_0a = H_0d > H_0b > H_0c), heraus beschleunigt (1a). Die Anfangsgeschwindigkeiten des Stößels v_0a, v_0b, v_0c, v_0d sind in allen zugehörigen Ausgangslagen H_0a, H_0b, H_0c, H_0d gleich 0 m/s. Der Stößel 1 bewegt sich bei der Vorrichtung nach unten auf das auf dem Träger 3 befindliche Werkstück 4 zu. Hat der Stößel 1 das Werkstück 4 erreicht prallt er mit einer Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad auf (1b).
Die Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, H_0d des Stößels 1 kann beliebig eingestellt werden. So könnten beispielweise auch zwei unterschiedlich große bzw. hohe Werkstücke mit der gleichen Auftreffgeschwindigkeit v_A, die aus demselben Arbeitshub ΔH resultiert, bearbeitet werden oder durch Beschleunigen aus den unterschiedlichen Ausgangslagen H_0a, H_0b, H_0c, H_0d unterschiedliche Auftreffgeschwindigkeiten v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad erreicht werden. Der maximale Arbeitshub ΔH_a wird aus der Ausgangslage H_0a erreicht und führt bei kontinuierlicher Beschleunigung zu einer maximalen Auftreffgeschwindigkeit v_Aa und der damit verbundenen maximalen Umformenergie. Es lassen sich auch beliebig niedrigere Ausgangslagen H_0b, H_0c einstellen. Je niedriger die Ausgangslage gewählt wird, desto niedriger ist dann allerdings auch die maximal erreichbare Auftreffgeschwindigkeit (v_Ab > v_Ac) bei kontinuierlicher Beschleunigung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ebenfalls möglich, den Stößel 1 in Richtung auf das Werkstück 4 aus einer Ausgangslage H_0d zunächst zu beschleunigen und nach einem vorbestimmten ersten Teilarbeitshub ΔH_d1 bzw. in einer vorbestimmten Höhe bzw. Lage H_d, im Folgenden auch als Abbremslage bezeichnet, für einen vorbestimmten zweiten Teilarbeitshub ΔH_d2 abzubremsen, so dass eine Auftreffgeschwindigkeit v_Ad eingestellt bzw. die daraus resultierende Umformenergie erzeugt wird, die kleiner der aus der Ausgangslage H_0d maximal möglichen ist.
Der Stößel 1 kann vorzugsweise mit konstanter Anfahrbeschleunigung und konstanter Bremsbeschleunigung beschleunigt werden, die jeweils verschiedene Beträge der Beschleunigung besitzen können. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diese Variante beschränkt, da Anfahrbeschleunigung und Bremsbeschleunigung nicht zwingend konstant sein müssen.
In 1a ist sind die Teilarbeitshübe ΔH_d1, und ΔH_d2 sowie die Abbremslage H_d zwischen Anfahrbeschleunigungs- und Abbremsvorgang nur aus der maximalen Ausgangslage (H_0a = H_0d) dargestellt. Der Stößel 1 kann aber auch aus allen anderen Ausgangslagen (H_0b, H_0c = H_0d) zunächst beschleunigt und ab einer vorbestimmten und normalerweise zu der in 1a verschiedenen Lage H_d abgebremst werden.
Ein Geschwindigkeitsverlauf mit Anfahrbeschleunigungs- und Abbremsvorgang ist in der Praxis beispielsweise dann von Vorteil, wenn große oder lange Werkstücke in die Maschine eingesetzt werden müssen und daher unterhalb des Stößels viel Platz zur Verfügung stehen muss. Der Stößel 1 wird dann beispielsweise in die maximale Ausgangslage H_0a = H_0d gefahren und nach dem Einlegen des Werkstücks 4 zunächst beschleunigt und anschließend auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_Ad abgebremst. Werden flache Werkstücke 4 bearbeitet, wird die Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac in der Regel einfach durch Beschleunigen aus der jeweils notwendigen Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c erzeugt.
Der Geschwindigkeitsverlauf über den Stößelhub, sowohl Arbeitshub als auch Rückhub wird von einer Steuer- und Regeleinheit, vorzugsweise eine Mikroprozessoreinheit in einer Frequenzumrichtereinheit bestimmt (hier nicht dargestellt) die in der Antriebseinrichtung 2 untergebracht ist.
Dabei sind zumindest die Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, H_0d und die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad vorzugeben. Weiterhin kann der Betrag der Anfahrbeschleunigung und der Bremsbeschleunigung vorgegeben werden oder vorgegeben bzw. voreingestellt sein. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung berechnet dann den Geschwindigkeitsverlauf über die Höhe des Arbeitshubs bzw. Teilarbeitshubs ΔH_a, ΔH_b, ΔH_c bzw. ΔH_d1 und ΔH_d2, so dass sich insgesamt zum Erreichen der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad bei den vorgegebenen Werten für die Anfahrbeschleunigung und die Bremsbeschleunigung, möglichst die kürzeste Hubzeit ergibt. Dabei kann das Ergebnis ein Geschwindigkeitsverlauf mit kontinuierlicher Anfahrbeschleunigung sein oder die Steuerungs- und Regelungseinrichtung bestimmt eine Abbremslage H_d, ab der der Stößel 1 bis zum Auftreffen abgebremst wird.
Der Rückhub ist in den 1a und 1b lediglich durch den Pfeil angedeutet. Nach dem Aufprall auf dem Werkstück 4 wird der Stößel 1 mittels der Antriebseinrichtung 2 wieder in seine Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, H_0d oder in eine beliebige andere Endlage zurückgefahren. Dazu wird er zunächst beschleunigt und in einer ebenfalls von der Steuer- und Regeleinheit bestimmten Lage H_d abgebremst, so dass er in seiner Endlage annähernd die Geschwindigkeit 0 m/s besitzt. Die Lage H_d, ab der der Stößel 1 abgebremst wird, ist abhängig von der gewünschten Endlage und eventuell auch vom Rückstoß des Stößels 1.
2 zeigt theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung aus verschiedenen Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c. Der Stößel wird mit einer konstanten Anfahrbeschleunigung aus der Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c auf die maximale Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac für eine maximale Umformenergie (100%) beschleunigt. Diese maximale Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac ist im Diagramm mit v_E100% (H_0a), v_E100% (H_0b), v_E100% (H_0c) bezeichnet. Die Zeitspanne bis die maximale Auftreffgeschwindigkeit v_E100% erreicht ist entspricht der Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges aus der jeweiligen Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, wobei t₀ immer gleich 0 s ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass aus den verschiedenen Ausgangslagen H_0a, H_0b, H_0c bei konstanter Anfahrbeschleunigung jeweils verschieden hohe maximale Auftreffgeschwindigkeiten v_E100% (H_0a), v_E100% (H_0b), v_E100% (H_0c) erzielt werden können und zwar je höher die Ausgangslage desto höher die Auftreffgeschwindigkeit. Die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges verlängert sich mit steigender Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c.
3 zeigt theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung und anschließender konstanter Abbremsung auf eine konstante Auftreffgeschwindigkeit. Es soll nun aus den gleichen Ausgangslagen H_0a, H_0b, H_0c wie bei 2 eine konstante Auftreffgeschwindigkeit v_A erzeugt werden, aus der beispielsweise nur 10% der maximalen Umformenergie resultieren, also v_A gleich v_E10% (H_0a, H_0b, H_0c). Bei bekannter konstanter Anfahrbeschleunigung und Bremsbeschleunigung, bekannter Auftreffgeschwindigkeit und bekannter Ausgangslage lässt sich zu jeder Ausgangslage über die Bewegungsgleichungen die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_ges und die Arbeitshubzeit t₁, bzw. die Abbremslage bestimmen, zu der der Abbremsvorgang erfolgen muss. Das Ergebnis eines solchen idealisierten Geschwindigkeits-Zeit-Verlaufs ist in 3 dargestellt. Die maximalen Geschwindigkeiten v_max (H_0a), v_max (H_0b), v_max (H_0c) werden nach den Arbeitshubzeiten t₁ (H_0a), t₁ (H_0b), t₁ (H_0c) erreicht. Danach wird der Stößel mit der Bremsbeschleunigung abgebremst und trifft nach der Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges (H_0a), t_Ges (H_0b), t_Ges (H_0c) mit der Geschwindigkeit v_E10% auf dem Werkstück auf. Aus 3 ist ersichtlich, je höher die Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c gewählt wird, desto länger ist die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges bis zum Erreichen der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit v_E10%. Des Weiteren verlängert sich mit erhöhter Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c auch die Arbeitshubzeit (H_0a), t₁ (H_0b), t₁ (H_0c) bis der Abbremsvorgang eingeleitet wird und die maximale Geschwindigkeit des Stößels v_max (H_0a), v_max (H_0b), v_max (H_0c) nimmt zu.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht nun zudem aus einer konstanten Ausgangslage je nach Anforderung verschiedene Auftreffgeschwindigkeiten zu erzeugen. In 4 sind drei theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe zum Erreichen jeweils verschiedener Auftreffgeschwindigkeiten aus einer konstanten Ausgangslage dargestellt. Die Ausgangslage entspricht der maximalen Ausgangslage H_0a. Um die der maximalen Umformenergie entsprechende Auftreffgeschwindigkeit v_E100% zu erreichen wird der Stößel aus der Ausgangslage H_0a heraus bis zum Aufprall auf das Werkstück konstant beschleunigt. Die Dauer dieses Arbeitshubs ist im Diagramm mit t_Ges (100%) bezeichnet. Soll nun aus derselben Ausgangslage H_0a lediglich eine Auftreffgeschwindigkeit v_E50% erreicht werden, die 50% der maximalen Umformenergie entspricht, so wird der Stößel zunächst auf v_max (50%) beschleunigt und ab einer vorbestimmten Lage bzw. Zeit auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit v_E50% abgebremst. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, das dieser Vorgang länger dauert (t_Ges (50%)), als die Beschleunigung auf 100% der Umformenergie. Die dritte Kurve zeigt das Anfahren einer Auftreffgeschwindigkeit v_E10%, die lediglich 10% der maximalen Umformenergie entspricht, ebenfalls aus der Ausgangslage H_0a. Die maximale Geschwindigkeit v_ma _x (10%) ist in diesem Fall niedriger als beim Erzeugen der 50%-igen Umformenergie und die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges (10%) ist nochmals länger. Der Zusammenhang zwischen Umformenergie E und Geschwindigkeit v lässt sich in idealer Weise mit E = ½ mv² angeben. Die Geschwindigkeit v ist daher proportional zu der Wurzel aus E.
5 zeigt drei reale, gemessene Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe des Verfahrens gemäß der Erfindung, die mit den in 4 dargestellten theoretischen Geschwindigkeits-Zeit-Verläufen vergleichbar sind. Der Arbeitshub bzw. die Ausgangslage kann bei allen Kurven A, B, C als gleich groß angenommen werden. Für die Umformprozesse wurden jedoch unterschiedliche Auftreffgeschwindigkeiten bzw. unterschiedliche Umformenergien gewählt, die mit 100%, 50%, und 10% bezeichnet und den Kurven A, B, C zugeordnet sind. Zudem ist den Geschwindigkeits-Zeit-Verläufen jeweils der Kraftstoß α, β, γ beim Auftreffen des Stößels auf das Werkstück bei der jeweiligen Auftreffzeit überlagert.
Die Kurve A (100%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Beschleunigung auf die maximale Geschwindigkeit zum Erreichen der maximalen Umformenergie. Der Stößel wird aus der Ausgangslage über den Kurvenabschnitt K1 beschleunigt, bis er die maximal mögliche Auftreffgeschwindigkeit v_E100% im Kurvenabschnitt K2 erreicht. Der Kurvenabschnitt K3 verdeutlicht das Abbremsen des Stößels durch den Energieverlust beim Auf prall. Ein Teil der Energie wird in den Umformvorgang eingebracht. Die restliche Energie wird zumindest teilweise in einen Rückstoß des Stößels umgesetzt (K4). Der Restbetrag der Geschwindigkeit in der Kurve A(100%) ist auf diesen Rückstoß zurückzuführen.
Anschließend wird der Stößel mittels des Antriebsmotors, der in der Regel erst nach dem Aufprall und Rückstoß wieder eingeschaltet bzw. angekuppelt wird kontrolliert in Richtung der Endlage gefahren. Dabei wird der Stößel zunächst bis zu einer vorbestimmten Lage beschleunigt, was der Kurvenabschnitt K5 zeigt. Bei Erreichen der vorbestimmten Lage wird der Stößel mittels des Motors gebremst. Diese Lage bzw. die dazugehörige Zeit, durch die sie in dieser und in den folgenden Kurven dargestellt wird, und die zu dieser Zeit erreichte maximale Geschwindigkeit beschreibt der Kurvenabschnitt K6. Nach Erreichen der vorbestimmten Lage wird der Stößel mittels des Antriebsmotors abgebremst, bis er eine sehr geringe Geschwindigkeit erreicht (K7). Ist der Stößel in der vorbestimmten Endlage angekommen greift zusätzlich eine mechanische Bremse, was aus Kurvenabschnitt 8 ersichtlich ist. Durch die mechanische Bremse wird der Stößel auf genau 0 m/s abgebremst und in der Endlage gehalten. Durch das Greifen der mechanischen Bremse wird der Betrag der Bremsbeschleunigung verändert, was sich in K8 als kleine Ausbuchtung im Kurvenverlauf darstellt.
Der Kraftstoß α erfolgt genau zu dem Zeitpunkt, bei dem der Stößel auf dem Werkstück aufprallt. In der Darstellung ist das daran zu sehen, dass das Maximum von α bei einer Zeit kurz nach Erreichen der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit liegt. Das trifft auch auf die Kraftstöße β und γ in den weiteren Kurven zu.
Die Kurve B (50%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Beschleunigung auf eine Geschwindigkeit zum Erreichen von 50% der maximalen Umformenergie bei konstantem Arbeitshub. Das bedeutet, der Stößel wird zunächst beschleunigt (K1) bis eine vorbestimmte Lage mit einer vorbestimmten maximalen Geschwindigkeit v_max erreicht ist (K9) und anschließend auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_E50% (K2) abgebremst. Die Verringerung der Geschwindigkeit während des Abbremsvorgangs zeigt Kurvenabschnitt K10. Im Kurvenabschnitt K2 wird dann wiederum die ge wünschte Auftreffgeschwindigkeit v_E50% erreicht. Der weitere Verlauf der Kurve B (50%) entspricht dem Verlauf der Kurve A (100%). Der Stößel wird durch den Aufprall abgebremst (K3) und zurückgestoßen (K4). Anschließend greift der Antriebsmotor und führt den Stößel durch Beschleunigen (K5, K6) und Abbremsen (K7) in die Endlage, in der die mechanische Bremse den Stößel zum Stillstand bringt (K8).
Die Kurve C (10%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Beschleunigung auf eine Geschwindigkeit zum Erreichen von 10% der maximalen Umformenergie bei ebenfalls konstantem Arbeitshub. Der Kurvenverlauf ist vergleichbar mit dem von B (50%). Die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_E10% ist jedoch niedriger, so dass zunächst auf eine niedrigere maximale Geschwindigkeit v_max als bei B (50%) beschleunigt wird (K1, K9) und über einen längeren Zeitraum abgebremst werden muss (K10). Die Gesamtdauer des Arbeitshubs ist dadurch im Vergleich zu B (50%) unwesentlich länger.
In 6 ist eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung dargestellt, die sich besonders zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung eignet. Der Stößel 1 wird über eine Spindel 5 angetrieben. Dazu verfügt die Spindel 5 über ein steilgängiges Gewinde 9 in dem eine am Stößel 1 befestigte Stößelmutter 8 läuft. Die Spindel 5 ist mit einem Schwungrad 6 gekoppelt, das von einem Antriebsmotor 7, in der Regel ein drehzahlvariabler in seiner Drehrichtung veränderbarer Asynchronmotor, direkt angetrieben wird. Über den Antriebsmotor wird nun das Schwungrad 6 und die mit diesem gekoppelte Spindel 5 in Rotation versetzt. Die Rotationsgeschwindigkeit von Schwungrad 6 und Spindel 5 wird über die Drehzahl des Antriebsmotors 7 eingestellt. Für Steuerung- und Regelung der Drehzahl ist eine Frequenzumrichtereinheit mit einem Mikroprozessor (hier nicht dargestellt) vorgesehen. Die Rotation der Spindel 5 wird über die Spindelmutter 8 auf den Stößel 1 übertragen und dieser dadurch in Richtung auf den Träger 3 zu oder von diesem weg bewegt. Dabei ist die Drehzahl des Antriebsmotors 7 ein Maß für die Geschwindigkeit des Stößels 1.
Auf den Träger 3 kann ein Werkstück (hier nicht dargestellt) aufgebracht sein, auf dass der Stößel mit vorgegebener Auftreffgeschwindigkeit aufprallt. Kurz vor dem Aufprall wird der Antriebsmotor 7 ausgeschaltet, so dass die Steuer- und Regeleinrichtung vor Beschädigung bzw. Beeinträchtigung durch Spannungs- und Stromspitzen, die beim Aufprall entstehen können, geschützt ist. Nach dem Aufprall bzw. Rückstoß des Stößels 1 wird der Antriebsmotor 7 wieder eingeschaltet und der Stößel 1 zurück in seine Endlage gehoben.
Die Lage des Stößels 1 wird berührungslos, vorzugsweise mittels eines magnetischen, inkrementalen Positionsgebers 10 bestimmt bzw. gemessen. Die Messwerte können an die Frequenzumrichtereinheit und an eine externe Steuer- und Regeleinrichtung übertragen werden. Die gemessenen Werte nutzt die Frequenzumrichtereinheit, um beispielsweise den Drehzahl- bzw. den Geschwindigkeitsverlauf des Stößels 1 zu ermitteln, der für einen optimalen Umformprozess oder zum Erreichen der vorgegeben Endlage notwendig ist.

1: Stößel
2: Antriebseinrichtung
3: Träger
4: Werkstück
5: Spindel
6: Schwungrad
7: Antriebsmotor
8: Spindelmutter
9: Gewinde
10: Positionsgeber
H_0a, H_0b, H_0c, H_0d: Ausgangslage
ΔH_a, ΔH_b, ΔH_c: Arbeitshub
H_d: Abbremslage
ΔH_d1, ΔH_d2: Teilarbeitshub
v₀, v_0a, v_0b, v_0c: Anfangsgeschwindigkeit
v_A, v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad: Auftreffgeschwindigkeit
v_E100%, v_E50%, v_E10%: Auftreffgeschwindigkeit bei 100%, 50%, 10%
E: Umformenergie
v_max, v_maxd: maximale Geschwindigkeit
t₀, t₁, t_Ges: Arbeitshubzeit
α, β, γ: Kraftstoß
K1 bis K10: Kurvenabschnitte

Claims

Verfahren zum Umformen wenigstens eines Werkstücks (4), bei dem ein Schlagwerkzeug (1) während einer Schlagbewegung aus einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c) mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) auf das auf einem Träger (3) befindliche Werkstück (4) prallt und bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Schlagbewegung abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs (1) und abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens eine Lage des Schlagwerkzeugs (1) gemessen oder bestimmt wird und mit dem wenigstens einen Lagewert des Schlagwerkzeugs (1) und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) die Geschwindigkeitswerte während der Schlagbewegung berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Lagewert des Schlagwerkzeugs (1) an eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung des Schlagwerkzeugs (1) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c) des Schlagwerkzeugs (1) und/oder die Lage nach einer Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs (1) gemessen oder bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Lage des Schlagwerkzeugs (1) nach der Verformung des Werkstücks (4) durch den Aufprall gemessen oder bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Schlagwerkzeug (1) aus der Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c) auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac) beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Ausgangslage (H_0b, H_0c) niedriger als eine maximale Ausgangslage (H_0a) eingestellt wird zum Erreichen einer Auftreffgeschwindigkeit (v_Ab, v_Ac) niedriger als eine maximale Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa).
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Schlagwerkzeug (1) aus der Ausgangslage (H_0d) beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage (H_d) zwischen der Ausgangslage (H_0d) und dem Werkstück (4) abgebremst wird, um die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit (v_Ad) zu erreichen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Schlagbewegung so gesteuert oder geregelt wird, dass bei beliebiger Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c, H_0d) die kürzest mögliche Arbeitshubzeit (t_Ges) erreicht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) mit der Steuerungs- und Regelungseinrichtung erfolgt, die einen drehzahlvariablen Antriebsmotor (7) in einer Antriebseinrichtung (2) für das Schlagwerkzeug steuert und regelt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als Steuerungs- und Regelungseinrichtung eine Frequenzumrichtereinheit verwendet wird, die die Drehzahl und die Drehrichtung des Antriebsmotors (7) steuert und regelt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Frequenzumrichtereinheit, insbesondere mit Hilfe eines Mikroprozessor den Drehzahlverlauf des Antriebsmotors (7) während der Schlagbewegung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) und einer vorgegebenen Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c) und/oder einer mittels einer Lagemesseinrichtung gemessenen oder bestimmten Lage bestimmt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlagwerkzeug (1) nach dem Aufprall durch eine Rückholbewegung in eine vorgegebene oder vorgebbare Endlage zurückgehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Rückholbewegung in die Endlage bei umgekehrter Drehrichtung des Antriebsmotors (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Rückholbewegung in die Endlage abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs (1) gesteuert und geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, in Rückbeziehung auf Anspruch 11 oder einen der auf Anspruch 11 rückbezogenen Ansprüche, bei dem die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) mit der Frequenzumrichtereinheit erfolgt, die den Drehzahlverlauf während des Rückhubs in Abhängigkeit der vorgegebenen Endlage und/oder einer mittels der Lagemesseinrichtung bestimmten Lage bestimmt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, bei dem als Endlage eines Rückhubs die Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c) des Schlagwerkzeugs (1) für den Arbeitshub (ΔH_a, ΔH_b, ΔH_c) gewählt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Endlage des Rückhubs abhängig vom zu bearbeitenden Werkstück (4) und/oder von der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) bei der darauffolgenden Schlagbewegung gewählt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, bei dem das Schlagwerkzeug (1) bei der Rückholbewegung in die Endlage vom Werkstück oder Träger weg beschleunigt wird und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage (H_d) zwischen dem Werkstück (4) oder dem Träger (3) einerseits und der Endlage andererseits mittels des Antriebsmotors (7) generatorisch abgebremst wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19, bei dem das Schlagwerkzeug (1) bei Erreichen der Endlage durch eine mechanische Bremseinrichtung vollständig abgebremst wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkstück (4) mit dem Schlagwerkzeug (1) in die Endlage gefahren wird und in der Endlage vom Schlagwerkzeug (1) abgenommen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlagwerkzeug (1) beim Beschleunigen mit einer vorgegebenen konstanten Anfahrbeschleunigung beschleunigt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlagwerkzeug (1) beim Abbremsen mit einer vorgegebenen konstanten Bremsbeschleunigung abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder einen der auf Anspruch 10 rückbezogenen Ansprüche, bei dem der Antriebsmotor (7) vor dem Aufprall des Schlagwerkzeugs (1) auf das Werkstück (4) momentlos geschaltet und/oder in der Antriebseinrichtung (2) abgekuppelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während dem Abbremsen des Schlagwerkzeugs (1) mittels des Antriebsmotors (7) der Antriebsmotor (7) als Generator betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die während des Abbremsens durch den Generator gewonnene Energie in das Stromnetz zurückgespeist wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lage des Schlagwerkzeugs (1) mittels wenigstens eines, insbesondere berührungslosen, Positionsgebers bestimmt wird, insbesondere eines optischen oder magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgebers.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Umformvorrichtung verwendet wird, die eine Spindelpresse ist, und bei der der Antriebsmotor (7) in der Antriebseinrichtung (2) der Spindelpresse arbeitet und direkt ein Schwungrad (6) antreibt, das eine mit diesem gekoppelte Spindel (5) in Rotation versetzt.
Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend a) wenigstens einen Träger (3) für ein Werkstück (4), b) wenigstens ein Schlagwerkzeug (1), c) wenigstens eine Antriebseinrichtung (2) zum Bewegen des Schlagwerkzeugs (1) relativ zum Träger (3) und d) wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs (1), e) wobei zum Umformen des Werkstücks (4) eine Ausganglage (H_0a, H_0b, H_0c) des Schlagwerkzeugs (1) einstellbar oder eingestellt ist und f) wobei eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während einer Schlagbewegung in Abhängigkeit der Lage so steuert und regelt, dass eine vorgegebene oder vorgebbare Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) auf dem Werkstück (4) erreicht wird.
Umformvorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Antriebseinrichtung (2) einen drehzahlvariablen Antriebsmotor (7) umfasst, insbesondere einen Asynchronmotor.
Umformvorrichtung nach Anspruch 29 oder Anspruch 30, wobei die Antriebseinrichtung (2) ein Schwungrad (6), das mit einer Spindel (5) gekoppelt ist und vom Antriebsmotor (7) angetrieben wird oder antreibbar ist, umfasst.
Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 31, wobei als Steuerungs- und Regelungseinrichtung eine Frequenzumrichtereinheit mit einem Mikroprozessor vorgesehen ist zur Steuerung und Regelung der Antriebsmotordrehzahl.
Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 32, wobei für die Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs (1) von dem Werkstück (4) oder Träger (3) eine Endlage für das Schlagwerkzeug (1) einstellbar oder eingestellt ist.
Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 33, wobei der Antriebsmotor (7) in seiner Drehrichtung umkehrbar ist zum Zurückheben des Schlagwerkzeugs (1).
Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 34, wobei eine mechanische Bremseinrichtung vorgesehen ist zum Festhalten des Schlagwerkzeug (1) bei Erreichen der Endlage.
Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 35, wobei die Lagemesseinrichtung einen, insbesondere berührungslosen Positionsgeber, insbesondere einen optischen oder magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgeber, umfasst.