DE10362061B4 - Walzmaschine mit Permanentmagnet-Motor und Verwendung solch einer Walzmaschine - Google Patents

Abstract

Walzmaschine mit a) wenigstens zwei rotierbaren oder rotierenden, mit Werkzeugen bestückbaren oder bestückten Walzen zum Umformen eines zwischen den Walzen anordenbaren oder angeordneten Werkstücks, b) wenigstens einem Antrieb zum Antreiben der Walzen, wobei c) der wenigstens eine Antrieb wenigstens einen Permanentmagnet-Motor umfasst. d) wobei jeder Walze wenigstens ein Antrieb zugeordnet ist zum unabhängigen Antreiben der Walzen e) wobei die Walzmaschine als Querkeilwalzmaschine ausgebildet ist und f) aufgrund des drehzahlsteuerbaren und reversierbaren Antriebs auch als Reckwalzmaschine einsetzbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Walzmaschine sowie eine Verwendung solch einer Walzmaschine.
• 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 1 477 088 C 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 Walzenpaares 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, eine neue Walzmaschine sowie eine Verwendung solch einer Walzmaschine anzugeben.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Walzmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Verwendung solch einer Walzmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
• Die Walzmaschine gemäß Anspruch 1 umfasst wenigstens zwei rotierende, mit Werkzeugen versehene (bestückte) Walzen zum Umformen eines zwischen den Walzen anordenbaren oder angeordneten Werkstücks und wenigstens einen Antrieb zum Antreiben der Walzen, der einen Permanentmagnet-Motor aufweist.
• 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.
• Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Walzmaschine ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Walzmaschine eine Profilquerwalzmaschine 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 vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1:1 und 1:1,5 gewählt. Ein solcher Antrieb ist also insbesondere mechanisch synchronisiert über das Getriebe
• 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 symmetrischen Umformvorgangs vergleichsweise gering ist und somit die Synchronisation der Antriebe begünstigt ist.
• Vorzugsweise ist auch vorgesehen, dass die Rotationsgeschwindigkeit, insbesondere der Winkelgeschwindigkeit, Drehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit, wenigstens einer der Walzen in Abhängigkeit von der Drehposition wenigstens einer der Walzen gesteuert oder geregelt wird mittels einer entsprechenden Steuer- oder Regeleinrichtung.
• 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.
• 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 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 überwiegend, 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.
• 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 Übertragungsverhältnis 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 angeordnet. 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 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 Arbeitswalzen 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 6B, 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.
• 9 und 10 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 9 und 10 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.
• Bezugszeichenliste

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

Claims (10)

1. Walzmaschine mit a) wenigstens zwei rotierbaren oder rotierenden, mit Werkzeugen bestückbaren oder bestückten Walzen zum Umformen eines zwischen den Walzen anordenbaren oder angeordneten Werkstücks, b) wenigstens einem Antrieb zum Antreiben der Walzen, wobei c) der wenigstens eine Antrieb wenigstens einen Permanentmagnet-Motor umfasst. d) wobei jeder Walze wenigstens ein Antrieb zugeordnet ist zum unabhängigen Antreiben der Walzen e) wobei die Walzmaschine als Querkeilwalzmaschine ausgebildet ist und f) aufgrund des drehzahlsteuerbaren und reversierbaren Antriebs auch als Reckwalzmaschine einsetzbar ist.
2. Walzmaschine nach Anspruch 1, bei der jeder Permanentmagnet-Motor auf die Nenndrehzahl zum Betrieb der Walze(n) innerhalb eines maximalen Drehwinkelintervalls von höchstens 3° beschleunigt oder verzögert.
3. Walzmaschine nach Anspruch 1, bei der jeder Permanentmagnet-Motor auf die Nenndrehzahl zum Betrieb der Walze(n) innerhalb eines maximalen Drehwinkelintervalls von höchstens 2,2° oder höchstens 1° oder höchstens 0,5° beschleunigt oder verzögert.
4. Walzmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der wenigstens ein Permanentmagnet-Motor ein Nenndrehmoment zwischen etwa 5.000 Nm und etwa 80.000 Nm, insbesondere zwischen etwa 35.000 Nm und etwa 60.000 Nm, aufweist.
5. Walzmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der jeder Permanentmagnet-Motor eine Nenndrehzahl zwischen 20 U/min und 800 U/min, insbesondere zwischen 30 U/min und 500 U/min, aufweist.
6. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens ein Permanentmagnet-Motor ein Torque-Motor ist.
7. Walzmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der wenigstens ein Antrieb einen Umrichter zum Versorgen des Motors mit elektrischer Energie aufweist.
8. Walzmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend wenigstens eine Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen oder Bestimmen der Drehposition wenigstens einer der Walzen.
9. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Walzen im Querschnitt keilförmige oder dreieckförmige Profilwerkzeuge aufweisen, die entlang des Umfangs in ihrer radialen Abmessung in einer Richtung zunehmen und/oder schräg zur Drehachse der zugehörigen Walze verlaufen.
10. Verwendung einer Walzmaschine nach Anspruch 1 als Querkeilwalzmaschine und als Reckwalzmaschine.

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