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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen, insbesondere zum
Kaltverformen, hierbei insbesondere zum Kaltfließpressen, eines Werkstücks, die
ein Umformwerkzeug und eine Vorschubeinrichtung, durch die eine
Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Umformwerkzeug erzeugbar
ist, aufweist, wobei die Vorrichtung eine mit der Vorschubeinrichtung
zusammenwirkende Frequenzerzeugungseinrichtung aufweist, durch welche die
von der Vorschubeinrichtung erzeugte Relativbewegung zwischen Werkstück und Umformwerkzeug derart
modulierbar ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Werkstück und/oder
das Umformwerkzeug in Vorschubrichtung einen ersten Hubweg durchläuft, in
einem darauffolgenden Rückwärtshub eine
Bewegung des Umformwerkzeugs und/oder des Werkstücks in einer der Vorschubrichtung
entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der
EP
1 003 616 der Anmelderin bekannt. Derartige Vorrichtungen
und Verfahren werden zum Beispiel zum Verzahnen von wellenartigen
Teilen eingesetzt: Bei massiven Wellen können durch die bekannte Vorrichtung Außenverzahnungen
und bei rohrartigen Wellen sowohl Außen- als auch Innenverzahnungen
erzeugt werden. Die in der vorgenannten Druckschrift beschriebene
Vorrichtung besitzt den Vorteil, dass durch den frequenzmodulierten
Vorschub eine Reduzierung der Presskraft um bis zu ca. 50 % gegenüber einem
konventionellen Axialformen bzw. einem Fließpressen erzielt werden kann.
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Bei
der bekannten Vorrichtung tritt aber weiterhin das grundlegende
Problem auf, dass am Beginn der herzustellenden Struktur (der Verzahnung) ein
Kopfkreis und und/oder ein umgeformter Durchmesser immer etwas kleiner
als der diesem Anfangsbereich in Vorschubrichtung nachfolgende Bereich des
Werkstücks
ausgebildet wird. Dies ist durch das Fließverhalten des umzuformenden
Werkstoffs bedingt und wirkt sich insbesondere bei Bauteilen mit sehr
eng tolerierten Maßen
nachteilig aus. Ein weiteres Problem bei der Herstellung von Strukturen
auf oder in wellenartigen Bauteilen stellt die so genannte Bugwelle
dar, die nach der Umformung am Auslauf der Struktur auftritt, insbesondere
dann, wenn die Struktur in einem Freistich endet.
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Die
eingangs beschriebene bekannte Vorrichtung besitzt des weiteren
den Nachteil, dass das Umformwerkzeug in der Regel nur eine ungenügende Standzeit
aufweist. Dies ist dadurch bedingt, dass bei der bekannten Vorrichtung
während
des gesamten Umformvorgangs, also in jedem einzelnen Umformschritt,
ein gleichbleibender Vorwärtshub
und ein gleichbleibender Rückwärtshub durchlaufen
werden, das heißt,
dass die Hubwege in Vorwärtsrichtung
und diejenigen in Rückwärtsrichtung
jeweils stets gleich groß sind.
Dies hat zur Folge, dass immer die gleichen Bereiche des Umformwerkzeugs
in Wirkeingriff mit dem zu bearbeitenden Werkstück treten.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Verbesserung des
Umformergebnisses und/oder der Standzeit des Umformwerkzeugs erzielt
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gelöst, dass
die Frequenzerzeugungseinrichtung die Vorschubeinrichtung derart
moduliert, dass die Hubwege der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe mindestens zweier
aufeinanderfolgender, jeweils aus einem Vorwärtshub und einem Rückwärtshub bestehender Umformschritte
der Vorrichtung unterschiedlich sind.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
bewirken nun einerseits, dass eine Erhöhung der Standzeit des Umformwerkzeugs
erzielbar ist: Die unterschiedlichen Hubwege der einzelnen aufeinanderfolgenden Umformschritte
bewirken, dass sich die Krafteinwirkung auf die Umformzonen des
Umformwerkzeugs bei jedem Umformschritt jeweils anders darstellt
als beim vorhergehenden Umformschritt. Dies hat zur Folge, dass
entsprechende Werkzeugpartien nicht – wie bei den bekannten Vorrichtungen – kontinuierlich beansprucht
werden, sondern dass in vorteilhafter Art und Weise sich die entsprechenden
Belastungsfälle
(Druck-, Zug- und Biegelast sowie abrasive Belastung) auf unterschiedliche
Bereiche des Umformwerkzeugs verteilen. Hierdurch wird in vorteilhafter Art
und Weise eine erhöhte
Standzeit erreicht. Andererseits ist es durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
möglich,
die Umformschritte situationsadequat den jeweiligen Bearbeitungserfordernissen
anzupassen, so dass eine verbesserte Bearbeitungsqualität erzielbar
ist.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die innerhalb
einer bestimmten, vom Umformwerkzeug bei der Umformung des Werkstücks zu durchlaufenden
Umformlänge
durchgeführten
Umformschritte eine nicht-kontinuierliche, chaotische Verteilung
der Hubwege der einzelnen Umformschritte aufweist. Eine derartige
Maßnahme besitzt
den Vorteil, dass hierdurch die Standzeit des Umformwerkzeugs deutlich
erhöht
wird, da sich die Krafteinwirkung auf Umformzonen des Umformwerkzeugs
bei jedem Umformschritt etwas anders darstellt als beim vorangehenden
Umformschritt, so dass sich die bei der Umformung des Werkstücks auftretenden
Belastungsfälle
des Umformwerkzeugs ebenfalls chaotisch verteilen, mit der Folge,
dass nicht stets die gleichen Umformzonen, sondern unterschiedliche
Umformzonen des Umformwerkzeugs beaufschlagt sind.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Frequenzerzeugungseinrichtung die Vorschubeinrichtung derart
moduliert, dass der vom Umformwerkzeug bei der Bearbeitung eines
Werkstücks
in dessen Axialrichtung verlaufende Umformweg in mindestens zwei
Umformzonen mit unterschiedlichen Hubwegen des Vorwärtshubs und/oder
des Rückwärtshubs
der einzelnen Umformschritte aufgeteilt ist. Eine derartige Maßnahme erlaubt
es in vorteilhafter Art und Weise, dass die einzelnen Umformschritte
auf die in einer bestimmten Umformzone auftretenden, speziellen
Umformbedingungen adaptiert werden können, das heißt, dass
die Hubwege einer bestimmten Abfolge von Umformschritten derart
festgelegt werden, dass in einer bestimmten Umformzone ein möglichst
optimales Bearbeitungsergebnis erreicht wird.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen
zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden.
Es zeigen:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung, und
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung.
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Das
in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum
Umformen, insbesondere zum Kaltverformen, hierbei insbesondere zum
Kaltfließpressen,
eines Werkstücks 2 weist
ein Umformwerkzeug 3 auf, das im hier dargestellten Fall als
eine Verformungsmatrize ausgebildet ist. Das Umformwerkzeug 3 ist
durch eine Vorschubeinrichtung 5 relativ zum Werkstück 2 bewegbar.
Diese erzeugt also eine Relativbewegung zwischen Umformwerkzeug 3 und
dem in einen Spanneinheit 7 eingespannten Werkstück 2.
Wird das Umformwerkzeug 3 durch die Vorschubeinrichtung 5 in
ihrer Vorschubrichtung P gegen das in dem hier gezeigten Fall ortsfest
eingespannte Werkstück 2 bewegt,
so tritt das Werkstück 2 in
das Umformwerkzeug 3 ein und wird in an sich bekannter
Art und Weise umgeformt.
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Bei
der Vorrichtung
1 ist nun vorgesehen, dass die in Vorschubrichtung
P verlaufende Bewegung durch eine auf die Vorschubeinrichtung
5 einwirkende
Frequenzerzeugungseinrichtung
10 derart modifiziert wird,
dass das Umformwerkzeug
3 in Vorschubrichtung P eine hubartige
Bewegung ausführt, bei
der vorgesehen ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Umformwerkzeug
3 um
einen ersten Hubweg vorwärts
bewegt wird, das Umformwerkzeug
3 in einem daran anschließenden Rückwärtshub durch
die Vorschubeinrichtung
5 um einen zweiten Hubweg zurückgezogen
wird. In einem weiteren ersten Hubweg des dem vorstehend beschriebenen Umformschritt
folgenden Umformschritts wird das Umformwerkzeug
3 wieder
nach vorne bewegt, und zwar über
den Endpunkt des Vorwärtshubs
des vorangehenden Umformschrittes hinaus. Durch diese hammerartige
Beaufschlagung des Werkstücks
2 durch
das Umformwerkzeug
3 wird in vorteilhafter Art und Weise
erreicht, dass das Umformwerkzeug
3 vor seinem Auftreffen
auf den im nächsten
Umformschritt zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks
2 eine
höhere
kinetische Energie aufweist, als dies bei einer kontinuierlichen
Kaftbeaufschlagung der Fall ist. Eine derartige Vorrichtung ist
aus der
EP 1 003 616
B1 der Anmelderin bekannt und muss daher nicht mehr näher beschrieben
werden.
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Bezüglich des
weiteren konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung 1 und ihrer
Arbeitsweise wird auf die vorgenannte europäische Patentschrift verwiesen
und deren Offenbarung durch diese Inbezugnahme zum Gegenstand dieser
Anmeldung gemacht.
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Bei
der hier beschriebenen Vorrichtung
1 ist nun vorgesehen,
dass sich die Hubwege der Vorwärtshübe und/oder
der Rückwärtshübe der einzelnen
Umformschritte voneinander unterscheiden. Dies ist der wesentliche
Unterschied zu der aus der
EP
1 003 616 B1 bekannten, vorstehend beschriebenen Vorrichtung,
bei der vorgesehen war, dass die Vorwärtshübe und die Rückwärtshübe der einzelnen Umformschritte
jeweils einen gleichen Hubweg aufgewiesen haben. Eine derartige
Vorgangsweise besitzt nun im Hinblick auf die Fertigungsqualität und/oder
auf die Standzeit des Umformwerkzeugs
3 nennenswerte Vorteile:
Gemäß einer
bevorzugten ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Hubweg
der Vorwärtshübe und/oder
der Rückwärtshübe der einzelnen
Umformschritte eine nicht-kontinuierliche, chaotische Verteilung
aufweist. Bevorzugt wird hierbei, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung
10 eine
so genannte Fuzzy-Logik
11 zur Bestimmung der jeweiligen
Vorwärtshübe und/oder
Rückwärtshübe der einzelnen Umformschritte
aufweist.
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Diese
Vorgehensweise besitzt den Vorteil, dass hierdurch die Standzeit
des Umformwerkzeugs 3 deutlich erhöht wird, da die Krafteinwirkung
auf Umformzonen des Umformwerkzeugs 3 sich bei jedem Umformschritt
etwas anders darstellt als beim vorangehenden Umformschritt: Die
bei der Umformung des Werkstücks 2 auftretenden
Belastungsfälle
des Umformwerkzeugs 3 (insbesondere Druck-, Zug- und Biegebelastung
sowie eine abrasive Belastung) sind aufgrund der nicht-kontinuierlichen,
chaotischen Abfolge der Hubwege der einzelnen Vorwärtshübe und/oder
Rückwärtshübe der einzelnen
Umformschritte ebenso chaotisch verteilt, wodurch sich auch die
Belastung der einzelnen Umformzonen des Umformwerkzeugs 3 chaotisch
verteilt.
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Es
wird daher bevorzugt, dass die Fuzzy-Logik 11 der Frequenzerzeugungseinrichtung 10 die Vorwärtshübe und/oder
die Rückwärtshübe der einzelnen
Umformschritte so programmiert, dass sich über eine sich in Axialrichtung
erstreckende Umformlänge
des Werkstücks 2 im
wesentlichen keine gleichen Hubwege ergeben. Diese Vorgehensweise
besitzt den Vorteil, dass hierdurch eine Verteilung der Belastungskräfte auf
das Umformwerkzeug 3 erreicht wird.
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Die
vorstehend beschriebene Vorgangsweise ist auch dazu geeignet, für ein Entfernen
des Werkstücks 2 aus
dem Umformwerkzeug 3 eingesetzt zu werden. Die dabei durchzuführende Vorgangsweise
ergibt sich für
den Fachmann einfach dadurch, indem er die Rückfahr-Richtung des Umformwerkzeugs 3 als „Vorwärtsrichtung" im Sinne der vorstehenden
Beschreibung auffasst.
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Gemäß einer
zweiten bevorzugten Weiterbildung des vorstehend beschriebenen Funktionsprinzips
der Vorrichtung 1 ist vorgesehen, dass die Frequenzmodulation der
Vorschubeinrichtung 5 derart durchgeführt wird, dass der vom Umformwerkzeug 3 bei
der Bearbeitung des Werkstücks 2 in
dessen Axialrichtung verlaufende Umformweg in mindestens zwei Umformzonen
aufgeteilt wird und innerhalb dieser einzelnen Umformzonen der Hubweg
der Vorwärtshübe und/oder
der Rückwärtshübe der zu
der jeweiligen Umformzone korrelierten Umformschritte derart festgelegt
wird, dass ein verbessertes Umformverhalten des Umformwerkzeugs 3 erzielt
wird: Um zum Beispiel den eingangs beschriebenen Problemen bei der
Herstellung des Kopfkreises einer Verzahnung entgegenzuwirken, wird
bei der Umformung des Werkstücks 2 in
dieser Umformzone vorgesehen, dass die Frequenzmodulation der Vorschubeinrichtung 5 durch
die Frequenzerzeugungseinrichtung 10 derart erfolgt, dass
der für
eine Umformung an und für
sich erwünschte
gute Werkstoffluss bewusst verhindert oder zumindest verringert
wird. Dies bewirkt ein besseres Füllen des Kopfkreises sowohl
bei einer Außen-
als auch bei einer Innenverzahnung. Auch wird bei Einziehungen das
Wegtauchen des Durchmessers des umzuformenden Werkstücks 2 hierdurch
verhindert oder zumindest reduziert.
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Nach
dem Umformen dieser ersten Umformzone wird dann in einer daran anschließenden zweiten
Umformzone vorzugsweise wieder wie vorstehend beschrieben mit einer
nichtkontinuierlichen, chaotischen Modulation des Umformwerkzeugs 3 gearbeitet.
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Natürlich ist
diese Vorgangsweise nicht auf zwei Umformzonen beschränkt. Es
ist grundsätzlich möglich, beliebig
viele unterschiedlichen Umformzonen vorzusehen, um damit die Länge der
Vorwärtshübe und/oder
der Rückwärtshübe der mit
einer bestimmten Umformzone korrelierten Umformschritte situationsadequat
den dabei auftretenden Bearbeitungserfordernissen und/oder den zu
erzielenden Bearbeitungsergebnissen anzupassen. Es ist zum Beispiel
möglich,
dass am Ende des vom Umformwerkzeug 3 zu durchlaufenden
Umformwegs – zur Vermeidung
oder Reduzierung der eingangs beschriebenen „Bugwelle" – die
Frequenzerzeugungseinrichtung 10 die Vorschubrichtung 5 derart
moduliert, dass das Umformwerkzeug 3 bei den entsprechenden
Umformschritten nur einen sehr kleinen Hubweg in Vorwärtsrichtung
und einen noch kleineren Hubweg in Rückwärtsrichtung durchführt, so dass ein
Hinausschieben des Werkstoffmaterials über den Endbereich der Verzahnung
vermieden oder zumindest reduziert wird.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1' stimmt im wesentlichen
mit der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels überein,
so dass gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen werden
können
und nicht mehr näher beschrieben
werden müssen.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen
besteht darin, dass bei der Vorrichtung 1 das Umformwerkzeug 3 ortsfest
angeordnet ist, während
das Werkstück 2 axialverschieblich
zum Umformwerkzeug 3 ist. Demzufolge wirkt die Vorschubeinrichtung 5 und
die mit ihr zusammenarbeitende Frequenzerzeugseinrichtung 10 auf
das Werkstück 2 oder
auf die das Werkstück 2 spannende
Spanneinheit 7 ein.
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Natürlich ist
auch eine Kombination zwischen den beiden vorgenanten Ausführungsbeispielen
möglich,
das heißt,
dass sowohl das Umformwerkzeug 3 als auch das Werkstück 2 von
der Vorschubeinrichtung 5 zur Erzeugung einer entsprechenden
Relativbewegung zwischen Werkstück 2 und
Umformwerkzeug 3 bewegt werden.