DE19753949A1

DE19753949A1 - Flexible Umformpresse mit steuerbarer nichtlinearer Stößelbewegung

Info

Publication number: DE19753949A1
Application number: DE1997153949
Authority: DE
Inventors: Rolf Koesters; Marius-Joan Rotarescu; E Doege
Original assignee: DOEGE
Current assignee: DOEGE
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2017-12-06
Also published as: DE19753949C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine flexible Umformpresse mit steuerbarer nichtlinearer Stößelbewegung unter Anwendung eines numerisch ge steuerten Parallelkinematikantriebes, der durch sechs aktive li neare Aktoren eine Bewegung des Stößels in der Form ermöglicht,

- daß sich der Stößel im Arbeitsraum der Umformpresse auf einer beliebigen Leitlinie bewegen kann
- und daß sich der Stößel gegenüber der mittleren Achse des Paral lelkinematikantriebes um einen begrenzten Winkel neigen läßt.

Die Umformpresse eignet sich für inkrementelle Umformverfahren, die eine lokale, wiederholte Kraftbeanspruchung auf das Werkstück ausüben und hierdurch eine spanlose Formgebung von schmelzmetall urgisch oder pulvermetallurgisch hergestellten Metallen im kalten, halbwarmen oder warmen Zustand ermöglichen.

Stand der Technik

Verschiedene Umformpressen mit nichtlinearer Werkzeugbewegung sind bekannt. Hier sind insbesondere die Taumelpressen zu nennen, bei denen das Werkstück durch eine taumelnde Abwärtsbewegung des Werk zeuges umgeformt wird. Das Taumelpressen ist ein inkrementelles Umformverfahren. Das Werkstück wird hier zwischen zwei Werkzeug- oder Gesenkteilen umgeformt, die, im Gegensatz zum klassischen achsparallelen Preßverfahren, gegeneinander eine abwälzende tau melnde Bewegung ausführen. Wegen der nur partiellen Berührung des Werkzeuges mit dem Werkstück kann das Werkstück bei der Taumelbe wegung mit wesentlich geringerer Preßkraft plastifiziert werden, so daß wesentlich größere Umfarmgrade und eine genauere Ausformung dem Matrizenkontur bei vergleichbarer Gesamtpreßkraft erzielt wer den können. Ebenso ermöglicht die geringe Kontaktfläche die Aus übung hoher lokaler Drücke, die zu einer besseren Kompaktierung bei pulvermetallurgischen Prozessen führen. Pressen- bzw. Werk zeugkonzepte zum Taumelpressen sind z. B. aus den Patenten PL 51954, WO 93/01906, EP 0516222 A2 bekannt.

Bei den bekannten Taumelpressen mit mechanischem Antrieb der Tau melbewegung sind folgende konstruktions- oder konzeptbedingte Li mitierungen zu nennen:

Die Stößelkippbewegung kann unterschiedlichen Leitlinien folgen (wie z. B. in Patent WO 93/01906 beschrieben), die allerdings eine Regelmäßigkeit oder Symmetrie um die Antriebsachse aufweisen. Die se Regelmäßigkeit oder Symmetrie beschränkt die Anwendung dieses Preßverfahrens auf nicht längliche Werkstücke bzw. Teile.

Die mechanisch angetriebenen Pressen dienen entweder dem Zweck des taumelnden Pressens oder dem Zweck des klassischen achsparallelen Pressens. Eine variable Kombination beider Verfahren mit flexibler Taumel- und Vorschubbewegungsüberlagerung ist mit den bekannten Umformpressen nicht möglich.

Das sich in der Lagerung des Stößels einstellende Kippmoment kann nur über das Pressengestell abgefangen werden. Dies führt je nach Steifigkeit des Pressengestells zu einer mehr oder minder großen Formabweichung am Werkstück. Eine Kompensation dieser Verformung ist nicht realisierbar, da sich das Kippmoment nicht mit einer steuerbaren Kraftrichtung deckt.

Die hohen bewegten außermittigen Massen erfordern eine große Stei figkeit des Pressengestells. Außerdem ist hierdurch hoher Aufwand bezüglich der schwingungsarmen Aufstellung der Presse notwendig.

Durch die Taumelbewegung sind aufwendige Lagerungen mit Schlitten führungen und sehr groß dimensionierten Kugel- oder Zylinderrol lenlagern notwendig, die den sich taumelnd bewegenden Stößel im Führungsgestell lagern. Diese aufwendigen Lagerungen bringen hohe Fertigungskosten mit sich, da es sich in der Regel um Sonderanfer tigungen handelt und keine gleichartigen Baugruppen in der Presse vorhanden sind.

Durch die festgelegte Kinematik der mechanisch angetriebenen Pres sen kann die lokale dynamische Werkzeugbelastung nicht gesteuert werden und zeigt große Abweichungen über den Umformweg. Hierdurch können vor allem zu Ende des Umformvorgangs lokal hohe dynamische Werkzeugbelastungen auftreten.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, die angegebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Umformpresse zu schaffen, die eine flexible gesteuerte nichtlineare Stößelbewegung durchführen kann. Die Umformpresse ermöglicht auch eine, variable Kombination der Verfahren Taumelpressen und klassisches achsparal leles Pressen. Das Antriebskonzept der Presse ist eine durch nume rische Kontrolle (NC) gesteuerte Parallelkinematik. Eine Parallel kinematik ist eine geschlossene kinematische Kette zwischen einem festen Gestell und einer beweglichen Plattform (bekannt in der Mechanik als Stewart-Plattform). Bekannte Anwendungen der Parallel kinematik sind Prüfstände, Fräsmaschinen und Positioniereinheiten.

Die Realisierung der Umformpresse mit Parallelkinematikantrieb erfolgt durch die Ersetzung des durch starre Gleitlager am Pres sengestell geführten Stößels (bei herkömmlichen Pressen) durch einen durch sechs Aktoren 1-6 an das Gestell gekoppelten Stößel 7. Durch die unabhängige Ansteuerung der sechs Aktoren kann der Stö ßel in drei translatorische und um zwei rotatorische Achsen bewegt werden. Der Arbeitsraum des Stößels ist hierbei durch die minimale und maximale Länge der Aktoren begrenzt. Innerhalb des Arbeitsrau mes kann der Stößel auf beliebigen Leitlinien bewegt werden.

Jeder Aktor 5-10 ist ein stabförmiger Antrieb, der als Hydrau likzylinder oder Spindeltrieb ausgeführt sein kann. Bestandteil dieses Aktors ist weiterhin eine Längenmeßeinrichtung, die es er laubt, die Längenänderung des Aktors zu messen und an die Pressen steuerung zurückzuführen. Die Einheit aus Hydraulik- bzw. Spindel trieb und Längenmeßeinrichtung wird im folgenden Aktor genannt.

Mit der Erfindung ist es möglich, dem translatorischen senkrechten Stößelvorschub eine wippende oder taumelnde Bewegung sowie eine translatorische Bewegung senkrecht zum Stößelvorschub zu überla gern. Die Umformpresse ermöglicht durch ihren modularen Aufbau die Verwendung von Baugruppen sowie durch die Anordnung und Ausführung der Aktoren als Parallelkinematik einen aktiven Ausgleich der Auf federung. Mit dieser Erfindung, können somit alle Umformverfahren durchgeführt werden, die auf einer klassischen achsparallelen Um formpresse oder auf einer Taumelpresse durchgeführt werden. Wei terhin ist mit dieser Presse eine beliebige Kombination dieser beiden Preßverfahren möglich. Auch kann mit dieser Erfindung der Vorteil der Anwendung des Taumelpressens, die größere Kompaktie rung beim Pressen von pulvermetallurgischen Bauteilen, auf Werk stücke mit länglicher Bauform übertragen werden, da neben einer taumelnden Werkzeugbewegung auch eine wippende Werkzeugbewegung möglich ist. Weiterhin ermöglicht der Pressenantrieb einen Wechsel des Obergesenkes ohne zusätzliche Peripherieeinrichtungen, unter der Voraussetzung, daß sich das Austauschwerkzeug im Arbeitsraum des Stößels befindet.

Die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile werden mit der Erfindung wie folgt gelöst:
Die angewendete Parallelkinematik ermöglicht eine Bewegung des Stößels während der Umformung mit beliebiger Außermittigkeit (gegenüber der mittleren Achse der Parallelkinematik), mit einer Neigung in beliebiger Richtung oder auch nur mit einer translato rischen Bewegung. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, sowohl die Lage des Kraftangriffsortes als auch die Richtung des Kraftan griffs des Werkzeugs auf das Werkstück während der Umformung zu steuern.

Durch die Lagerung an den Aktoren wird der Stößel nur über Zug- und Druckkräfte mit dem Pressengestell gekoppelt. Das Pressenge stell kann ebenfalls als Stabwerk ausgelegt werden, in dem nach Möglichkeit nur Zug- und Druckkräfte wirken sollen. Es brauchen daher weder von den Säulen des Gestells noch vom Antrieb Kippmo mente aufgefangen werden. Hierdurch können die notwendigen Quer schnitte bei Erzielung einer vergleichbaren Steifigkeit deutlich verringert werden.

Durch die Befestigung des Stößels an den sechs Aktoren kann auf aufwendige und verschleißanfällige Gleitführungen für den Stößel verzichtet werden. Zusätzlich bietet sich die Möglichkeit, die sechs Aktoren konstruktiv baugleich auszuführen, wodurch sich die Herstellkosten deutlich verringern lassen.

Durch die Realisierung des Antriebes über Aktoren mit Längsbewe gung sind die um die mittleren Achse rotierenden Massen deutlich verringert.

Die sich durch die endliche Steifigkeit der Aktoren ergebende kraftabhängige Auffederung läßt sich aktiv über die Steuerung kom pensieren.

Da für Preßvorgänge in der Regel hohe Genauigkeiten und kurze Taktzeiten gefordert werden, kommt der Steuerung eine hohe Bedeu tung zu. Die Möglichkeit, durch die getrennte Ansteuerung der ein zelnen Aktoren beliebige Bewegungen des Stößels zu realisieren, kann dazu genutzt werden, hohe dynamische Belastungen des Werkzeu ges zu reduzieren.

Kurze Beschreibung der Figuren

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Antriebes der Umformpresse in zwei Ansichten schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 die räumliche Ansicht der sechs Aktoren mit Stößel, Ober- und Untergesenk ohne umgebendes Gestell im Ausgangszu stand.

Fig. 2 die Aufsicht der sechs Aktoren mit Stößel, Ober- und Un tergesenk ohne umgeben des Gestell im Ausgangszustand.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Im wesentlichen besteht die Presse aus einem äußeren Gestell, ei nem Stößel 7, der durch sechs Aktoren 1-6 mit dem Gestell verbun den ist und an dem das Obergesenk 8 befestigt wird, einem Unterge senk 9, das, auf dem Pressentisch befestigt ist, der wiederum mit dem äußeren Gestell verbunden ist, sowie einer numerischen Pres sensteuerung zur Steuerung bzw. Regelung der Aktoren.

Das Gestell kann durch Standardprofile als Stabfachwerk ausgeführt sein. Die Aktoren können als Hydraulikzylinder oder Spindeltriebe ausgeführt sein und verfügen zusätzlich über eine Längenmeßein richtung, die die momentane Länge des Aktors an die angeschlossene Steuerung zurückführt. Jeweils drei Aktoren, sind stößelseitig in der unteren Plattformebene 10 und gestellseitig in der unteren Gestellebene 11 und jeweils drei Aktoren stößelseitig in der obe ren Plattformebene 12 und gestellseitig in der oberen Gestellebe ne 13 befestigt. Die Befestigungspunkte können als Kardangelenke oder als Kugelgelenke ausgeführt sein. Die Ebenen 10 und 12 sowie die Ebenen 11 und 13 sind jeweils parallel zueinander, wobei der Abstand zwischen den Plattformebenen 10 und 12 sowie zwischen den Gestellebenen 11 und 13 identisch ist. Hierdurch ist ebenfalls die Ausgangslänge der Aktoren identisch. In der Aufsicht (Fig. 2) ist zu erkennen, daß in der Ausgangsstellung, in der alle Aktoren die gleiche Länge haben, sich das Ober- und Untergesenk zentriert auf der mittlere Achse der Parallelkinematik 14 befinden.

Werden alle Aktoren von der Ausgangsstellung ,ausgehend um das gleiche Maß verlängert, bewegt sich der Stößel kauf der mittleren Achse 14 und der Vorgang entspricht dem klassischen achsparallelen Pressen. Durch eine entsprechend unabhängige Ansteuerung der ein zelnen Aktoren 1-6 kann dieser Bewegung eine beliebige taumelnde, wippende oder translatorische Bewegung überlagert werden. Die Stö ßelbewegung, die sich bei der entsprechenden Veränderung einzelner Aktorenlängen ergibt, kann mathematisch im voraus bestimmt und in die Pressensteuerung integriert werden. Die kraftabhängigen ela stischen Stauchungen oder Verlängerungen der Aktoren können eben falls mit Hilfe dieser Steuerung kompensiert werden. Die für eine Wegsteuerung vor allem bei Hydraulikzylindern notwendige Längen meßeinrichtung mißt jeweils für jeden Aktor die Abstandsänderung zwischen beiden Lagerpunkten, wodurch die Lageregelung des Stößels in fünf Achsen möglich ist (drei translatorische Achsen, zwei ro tatorische Achsen).

Bezugszeichenliste

1-6

Aktoren

7

Stößel

8

Obergesenk

9

Untergesenk

10

Stößel. Untere Plattformebene

11

Untere Gestellebene

12

Stößel. Obere Plattformebene

13

Obere Gestellebene

14

Mittlere Achse der Parallelkinematik

Claims

1. Flexible Umformpresse mit nichtlinearer Stößelbewegung unter Anwendung eines numerisch gesteuerten Parallelkinematikantrie bes in der Mechanik auch als Stewart-Plattform bezeichnet, da durch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise sechs, am Pres sengestell befestigte Aktoren (1-6) einen Stößel (7) im Ar beitsraum auf einer beliebigen Leitlinie bewegen und die hier durch geeignet ist, Umformverfahren, die sich durch achsparal lele Stößelbewegung kennzeichnen, mit Umformverfahren, die sich durch eine taumelnde oder wippende Stößelbewegung kennzeichnen, flexibel zu kombinieren.

2. Flexible Umformpresse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gleitführungen des Stößels im Pressengestell entfallen.

3. Flexible Umformpresse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß durch eine an den Aktoren integrierte Längen meßeinrichtung die steifigkeitsbedingten Verlängerungen bzw. Verkürzungen der Aktoren durch Rückführung der Meßsignale an die Pressensteuerung steuerungstechnisch kompensiert werden können.

4. Verwendung der flexiblen Umformpresse nach Anspruch 1 bis 3 zur in krementellen Umformung von schmelzmetallurgisch hergestellten Metallen in kaltem, halbwarmen oder warmen Zustand.

5. Verwendung der flexiblen Umformpresse nach Anspruch 1 bis 3 zum Nachverdichten von vorverdichteten kompakten oder länglichen, Pulverpreßlingen.

6. Verwendung der flexiblen Umformpresse nach Anspruch 1 bis 3 zum Kalibrieren von Werkstücken, die aus Pulver gepreßt und an schließend gesintert wurden.