DE19814487A1 - Schließvorrichtung für Ur- und Umformwerkzeuge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschließen von Urform- und Umformwerkzeugen in einfach wirkenden Maschinen mit einer definierten Schließkraft, die eine anschließende weitgehend lastfreie Bewegung der Urform- und Umformwerkzeuge für die Durchführung der Urform- oder Umformoperation ermöglicht. Die Vorrichtung besteht aus einem Druckmedium zum Bereitstellen der Schließkraft, vorzugsweise Hydrauliköl oder mechanische Federn, Koppelgliedern zur Übertragung der Schließkraft zwischen den zu schließenden Werkzeugelementen und Führungselementen zur Führung von Werkzeugbestandteilen während der Umformung. Die Vorrichtung kann sowohl in Maschinen integriert werden als auch im Werkzeugsystem realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine mechanische oder hydraulische Schließvorrichtung für Ur- und Umformwerkzeuge nach dem genannten Anspruch.

Für eine Reihe von Umformverfahren wie Pulverpressen, Präzisionsschmieden Thixoschmieden, Spritzpressen oder Urformverfahren wie Spritzgießen ist das vollständige Schließen der abbildenden Hohlform notwendig. Kann das Schließen der einzelnen Formbestandteile aufgrund der Werkstückgeometrie nicht ausschließlich durch die Stempelbewegung erfolgen, so sind besondere Schließvorrichtungen nötig. Solche Schließvorrichtungen sind aus einer Reihe von Patenten und Veröffentlichungen bekannt.

So ist aus der Zeitschrift Umformtechnik 1/98, Seite 30-31 eine Vorrichtung bekannt, in der die untere Werkzeughälfte eines Präzisionsschmiedewerkzeuges durch Federn abgestützt wird, die nach dem Auftreffen des Oberwerkzeuges auf das Unterwerkzeug durch die weitere Stößelbewegung zusammengedrückt werden und so die zum Schließen der beiden Werkzeughälften gegen den in der Gravur herrschenden Werkzeuginnendruck notwendige Schließkraft bereitstellen. Aus US 4,796,459 ist eine Vorrichtung zum Massivumformen bekannt, bei der Werkzeughälften durch nachgebende Hydraulikkissen während der Stößelbewegung verschlossen werden. Durch Regelung des Hydraulikdruckes kann der Schließdruck des Gesenkes dem während der Umformung herrschenden Innendruck angepaßt werden.

Bei beiden Vorrichtungen wird die Schließkraft für die Verriegelung der Werkzeughohlform durch die Kompression mechanischer oder hydraulischer Federelemente durch den Maschinenstößel erzeugt, wobei die der Stößelbewegung entgegengerichtete Schließkraft durch die Federkennlinien oder die Hydraulikkennlinien bestimmt wird. Die zum Schließen notwendige Schließarbeit, die als Verlustenergie bei jedem Umformvorgang anfällt, entspricht hierbei der Federarbeit der Federelemente. Da der Schließdruck für die Formgebung in geschlossenen Hohlformen größer als der zum jeweiligen Zeitpunkt herrschende Innendruck sein muß, müssen die Federelemente während der gesamten Formgebung die entsprechende Schließkraft zur Verfügung stellen, weshalb beispielsweise beim Massivumformen die Schließenergie deutlich über der effektiven Umformenergie liegen kann und so das mögliche Bauteilspektrum einer Umformaschine stark eingrenzt wird.

G. Stock stellt in "Alternative Verfahren zur Verbesserung des Tiefziehergebnisses auf einfachwirkenden Pressen", Dissertation, Fakultät für Maschinenwesen der Universität Hannover 1995; ein Tiefziehwerkzeug vor, daß mit kombinierten Dämpfungs-Spann- Elementen ein sanftes Schließen zwischen Ziehring und Niederhalter und das Einstellen eines definierten Niederhalterdruckes ermöglicht. Vorteilhaft bei dieser Vorrichtung ist die Tatsache, daß beide Werkzeugteile unter Last verriegelt werden und so die Schließkraft gespeichert wird, ohne weiterhin vom Maschinenantrieb aufgebracht werden zu müssen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die begrenzte Schließkraft, da diese durch Hydraulikzylinder erzeugt wird, die in die Dämpfungs-Spann-Elemente integriert sind und aus diesem Grund in ihrer Größe eingeschränkt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schließvorrichtung anzubieten, die zum einen eine zeitliche Entkopplung der Vorgänge Werkzeugschließen und Ausformen ermöglicht und zum anderen den Schließarbeitsbedarf durch eine Verriegelung der unter Last geschlossenen Hohlform deutlich reduziert, so daß auch Formgebungsoperationen mit einem sehr hohen Werkzeuginnendruck wie beispielsweise Fließpressen durchgeführt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Beschreibung der Vorrichtung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Anhand eines durch Zeichnungen dargestellten, neuartigen Ausführungsbeispiels soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der in die Umformmaschine integriertenerfindungsgemäßen Schließvorrichtung,

Fig. 2 die Wirkungsweise der Schließvorrichtung und die Funktion der einzelnen Elemente beispielhaft für einen Massivumformprozeß und

Fig. 3 ein Kraft-Weg-Diagramm für einen Schließ- und Umformvorgang.

Gemäß Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Schließvorrichtung 1 aus einem am Maschinenstößel 2 befestigten Querjoch 3 mit einer der Anzahl der Zugstangen 5 entsprechenden Zahl Kupplungen 6. Die mit den Zugstangen 5 verbundenen Kolben 23 laufen in Zylindern 22, wobei die Zylinder 22 über Ventile 18 und Rohrleitungen 17 mit dem Druckspeicher 21, dem Ausgleichszylinder 27 und den Schließzylindern 16 verbunden sind. In den Schließzylindern 16 sind die Kolben 12 beweglich angeordnet, die über die Säulen 11 und die Führungsbuchsen 13 axial geführt sind und die vertikale Bewegung der unteren Werkzeughälfte 7 mit dem Gesenkeinsatz 8 ermöglichen. In dem Ausgleichszylinder 27 ist ein Kolben 24 koaxial angeordnet, der über eine Kolbenstange 25 axial geführt wird und sich über eine Feder 26 am Gehäuse abstützt. Als Druckmedium wird in der vorgestellten Variante vorzugsweise Hydrauliköl verwendet. Der Gesenkeinsatz 8 bildet gemeinsam mit dem am Querjoch 3 befestigten Oberwerkzeug 4 und dem koaxial im Unterwerkzeug und im Gesenkeinsatz angeordneten Preßstempel 15, der sich während der Umformung auf dem Pressentisch 14 abstützt, die Hohlform 10, die am Ende der Umformung vollständig durch das umgeformte Werkstück 9 ausgefüllt ist.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Zu Beginn eines Arbeitstaktes bewegt sich der Stößel 2 mit dem Querjoch 3 und dem Oberwerkzeug 4 auf die untere Werkzeughälfte, bestehend aus dem Unterwerkzeug 7 und dem Gesenkeinsatz 8, zu. In die untere Werkzeughälfte ist das Werkstück 9 eingelegt und befindet sich auf dem ortsfesten Preßstempel 15. Die Kolben 12 befinden sich in ihrer Ausganglage, die Ventile 18 sind geschlossen, in den Zylindern 16 der Rohrleitung 17 und dem Druckzylinder 21 herrscht ein einstellbarer Anfangsdruck und die Kupplungen 6 sind geöffnet, so daß das Querjoch 3 relativ zu den Zugstangen 5 beweglich ist. Durch das Auftreffen des Oberwerkzeuges 4 auf den Gesenkeinsatz 8 ist die Hohlform 10 vollständig geschlossen (Fig. 2b).

Entsprechend der weiteren Stößelbewegung werden das geschlossene Werkzeug, die Säulen 11 und die Kolben 12 gegen den in den Zylindern 16 herrschenden Anfangsdruck um den Weg 29 nach unten bewegt, wodurch der Druck in den Zylindern 16, der Rohrleitung 17 und dem Druckbehälter 21 ansteigt (Fig. 2c). Bei Erreichen des für das zuverlässige Schließen der Hohlform notwendigen Schließdruckes in den Zylindern 16 öffnen die Ventile 18, gleichzeitig schließen die Kupplungen 6, so daß die aus den Zylindern 16 verdrängte Hydraulikflüssigkeit auf die Oberseite der in den Zylindern 23 befindlichen Kolben 22 gelangt. Hierdurch wird auf die Kolben 23 eine dem herrschenden Schließdruck des Hydrauliksystems entsprechende Kraft ausgeübt, die über die Zugstangen 5, die Kupplungen 6 und das Querjoch 3 auf das Oberwerkzeug 4 übertragen wird. Die Wirkfläche der Kolben 23 entspricht dabei der Wirkfläche der Kolben 12, so daß das Volumen und damit der Druck im Hydrauliksystem konstant bleibt. Auf diese Weise sind das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug gegeneinander hydraulisch verriegelt und können bei Vernachlässigung der Reibung lastfrei der Stößelbewegung folgen. Durch die Relativbewegung der geschlossenen Hohlform 10 zum feststehenden Preßstempel 15 wird das Rohteil 9 zwischen dem Preßstempel 15 und dem Oberwerkzeug 4 gestaucht und füllt die Hohlform 10. Am Ende der Umformung befindet sich der Stößel im unteren Totpunkt (Fig. 2d). Jetzt öffnet das Ventil 20 (Fig. 2e). Hierdurch wird der Kolben 24 im Ausgleichszylinder 27 mit Druck beaufschlagt und bewegt sich gegen die Kraft der Feder 26 bis ein Kräftegleichgewicht herrscht. Hierdurch wird der Druck im Hydrauliksystem gesenkt und die mechanischen Belastungen der Schließvorrichtung reduziert. Durch die Rückhubbewegung des Stößels 2 werden die Zugstangen 5 und die Kolben 23 in ihre Ausgangslage gebracht. Bei Erreichen der Ausgangslage der Kolben 23 und der Zugstangen 5 schließen die Ventile 18 und die Kupplungen 6 öffnen sich, womit die Verriegelung des Systems gelöst ist. Der Kolben 24 im Ausgleichszylinder 27 wird durch die Kraft der Feder 26 in seine Ausgangslage bewegt. Der verbleibende Restdruck im hydraulischen System bewirkt, daß die Kolben 12 das Unterwerkzeug über die Säulen 11 in die Ausgangsposition drücken und der Anfangsdruck wieder hergestellt ist.

Der in der oben dargestellten Version beschriebene Ausgleichszylinder 27 und das Ventil 20 stellen eine Ergänzung der Vorrichtung dar. Sie senken die mechanischen Belastungen der Vorrichtung durch eine schnelle Entspannung der Verriegelung. Die Vorrichtung ist jedoch auch ohne den Ausgleichszylinder 27 und das Ventil 20 funktionsfähig.

In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Säulen 11 und die Schließzylinder 16 im ortsfesten Pressentisch angeordnet während das Querjoch 3 mit den Kupplungen 6 am Stößel befestigt ist. Eine kinematische Umkehr dieser Anordnung oder Schließzylinder an Stößel und Tisch sind jedoch ebenfalls möglich.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umformen von Blechen durch Tiefziehen verwendet, so stützt sich über die Säulen 11 und die Kolben 12 ein Niederhalter ab, wobei durch das erfindungsgemäße hydraulische Verspannen die Niederhalterkraft zwischen dem Ziehring, der am Querjoch befestigt ist, und dem Niederhalter eingestellt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl gemäß Fig. 1 in eine Maschine integriert werden als auch als seperater Einschub zur Nachrüstung bestehender Maschinen realisiert werden.

Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 in eine Maschine integriert, so können die Säulen 11 hydraulisch durch das Absenken des Druckes im Hydrauliksystem über ein nicht dargestelltes Ventil in den Pressentisch 14 abgesenkt werden, um den Einbau von konventionellen Werkzeugen zu ermöglichen, für die keine Schließvorrichtung benötigt wird.

Werden für die erfindungsgemäße Vorrichtung mechanische Federn anstelle des Hydrauliksystems verwendet, so sind diese vorzugsweise zwischen dem Unterwerkzeug und einem fest mit der Zugstange verbundenen Widerlager angeordnet. Während der Federkomprimierung ist die Zugstange über eine Kupplung mit dem Gestell verbunden, so daß sich die Federn über die Widerlager und die Zugstangen am Gestell abstützen. Zwischen der Zugstange und dem Stößel besteht keine Verbindung.

Ist die notwendige Schlißkraft erreicht, wird die Zugstange vom Gestell entkoppelt und mit dem Stößel verkoppelt. Auf diese Weise wird das Federwiderlager mit dem Stößel gekoppelt und der Stößel bei seiner weiteren Bewegung von der Federkraft und somit von weiterer Federarbeit entlastet, wobei die Schließkraft in Form der komprimierten Federn zur Aufrecherhaltung des Schließdruckes gespeichert ist.

In Fig. 3 wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdeutlicht. Es ist ein Kraft-Weg-Diagramm dargestellt, in dem die Maschinen kraft über dem Stößelweg für den in Fig. 2 schematisch dargestellten Umformprozeß aufgetragen ist, wobei 30 der Verlauf der effektiven Umformkraft ist. Es wird angenommen, daß die benötigte Schließkraft zum zuverlässigen Schließen der Hohlform den Betrag der maximalen Umformkraft aufweisen muß. Wird zum Schließen der Form ein Federsatz gemäß der Zeitschrift Umformtechnik 1/98, Seite 30-31 verwendet, so ist der Verlauf der Schließkraft durch die Linie 31 beschrieben. Da die Maschine Schließkraft und Umformkraft zeitgleich bereitstellen muß, ist der Verlauf der gesamten Maschinenkraft entsprechend der Kurve 35, wobei der Spitzenwert durch 34 gekennzeichnet ist. Wird nun die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schließen der Hohlform verwendet, so entspricht der Verlauf der zum Erzeugen des Schließdruckes notwendigen Kraft der Kurve 32, wobei die Gesamtbelastung der Maschine nur die Hälfte der herkömmlichen Lösung beträgt, da das Schließen der Hohlform zeitlich von der Umformung entkoppelt wird und durch das Öffnen der Ventile 18 der Stößel keine weitere Kraft aufbringen muß. Da zudem keine Federarbeit über den gesamten Umformweg verrichtet werden muß, sinkt der Energieverbrauch pro Umformung deutlich.

Bezugszeichenliste

1

Schließvorrichtung

2

Maschinenstößel

3

Querjoch

4

Oberwerkzeug

5

Zugstange

6

Kupplung

7

Unterwerkzeug

8

Gesenkeinsatz

9

Werkstück

10

Hohlform

11

Säule

12

Kolben

13

Führungsbuchse

14

Pressentisch

15

Preßstempel/Unterstempel

16

Zylinder

17

Rohrleitung

18

Ventil

19

Bohrung

20

Ventil

21

Druckspeicher

22

Zylinder

23

Kolben

24

Kolben

25

Kolbenstange

26

Feder

27

Zylinder

28

Umformmaschine

29

Schließweg

30

Umformkraft

31

Schließkraftverlauf einer herkömmlichen Lösung

32

Erfindungsgemäßer Schließkraftverlauf

33

Spitzenwert

34

Spitzenwert

35

Resultierende Gesamtkraft

36

Stößelweg

37

Stößelweg

38

Stößelweg

39

Schließarbeit

40

Umformarbeit

41

Schließarbeit

Claims (4)

1. Schließvorrichtung zum Verschließen von Urform- und Umformwerkzeugen vorzugsweise in einfach wirkenden Maschinen mit einer einstellbaren Schließkraft, die durch die Komprimierung hydraulischer oder mechanischer Federelemente während der Maschinenstößelbewegung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der notwendigen Schließkraft in den Zylindern 16 durch das Öffnen der Ventile 18 und die Kopplung der Kolben 23 über die Zugstangen 5 und die Kupplungen 6 mit dem Stößel 2 das Volumen und der Druck in dem Hydrauliksystem konstant bleiben, wodurch die Aufrechterhaltung der Schließkraft zwischen den Hohlformhälften 4 und 8 gewährleistet wird und der Maschinenantrieb durch die Rückkopplung der Schließkraft über die Kolben 23, die Zugstangen 5, die Kupplungen 6 und das Querjoch 3 auf den Stößel 2 von der Schließkraft und somit weiterer Schließarbeit vollständig entlastet wird, wodurch eine lastfreie Bewegung des verriegelten Werkzeuges ermöglicht wird.

2. Schließvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische Federn für die Aufbringung der Schließkraft verwendet werden, die sich bei der Komprimierung über ein Widerlager und eine Kupplung am Pressengestell abstützen und bei Erreichen der notwendigen Schließkraft über die Entkopplung des Widerlagers vom Gestell und die Kopplung des Widerlagers an den Stößel über Zugstangen und Kupplungen gemäß Anspruch 1 in ihrem komprimierten Zustand bleiben, wodurch die Aufrechterhaltung der Schließkraft zwischen den Hohlformhälften gewährleistet wird und der Maschinenantrieb durch die Rückkopplung der Schließkraft auf den Stößel von der Schließkraft und somit von weiter Schließarbeit vollständig entlastet wird, wodurch eine lastfreie Bewegung des verriegelten Werkzeuges ermöglicht wird.

3. Schließvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umformung von Blechen durch Tiefziehen die Säulen 11 und die Kolben 12 den Niederhalter stützen, wobei durch das erfindungsgemäße hydraulische Verspannen die Niederhalterkraft zwischen dem Ziehring, der am Querjoch befestigt ist, und dem Niederhalter eingestellt wird.

4. Schließvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber Fig. 1 die Kinematik umgekehrt ist, indem die Säulen 11 und die Kolben 12 am Stößel befestigt sind.