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Die Erfindung betrifft ein Schlagwerkzeug zum Festklopfen der Oberflächen von Werkzeugen, insbesondere von Umformwerkzeugen, mit wenigstens einem Klopfstößel und wenigstens einem mit dem Klopfstößel verbundenen Schwingungsgeber.
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Derartige Schlagwerkzeuge dienen insbesondere der mechanischen Oberflächenbearbeitung von Umform- und Ziehwerkzeugen zur Kaltverfestigung, Einglättung und Strukturierung ihrer metallischen Oberflächen. Der aktuelle Stand der Technik wird in der im Jahre 2011 von Herrn Johannes Wied an der Technischen Universität Darmstadt verfassten Dissertation „Oberflächenbehandlung von Umformwerkzeugen durch Festklopfen” wiedergegeben. In dieser Dissertation werden drei Festklopfsysteme beschrieben, nach denen der Schwingungsgeber entweder elektrodynamisch mit einer in einem rotationssymmetrischen Magnetfeld angeordneten stromdurchflossenen Spule, piezoelektrisch mit einem Stapelaktor oder pneumatisch mit einem gepulsten Druckluftgeber arbeitet. Das elektrodynamische Festklopfsystem erfordert den nachteilig kostenintensiven Einsatz leistungsfähiger Hochfrequenzumrichter. Die mit dem piezoelektrischen Festklopfsystem erzeugten Schwingungen weisen in ihrer Größe deutlich begrenzte Schwingungsamplituden auf, so dass ein nachteilig kostenintensiver Einsatz von Vorspanneinrichtungen oder Schwingungsverstärkern unvermeidbar ist. Die mit dem pneumatischen Festklopfsystem erzeugten Schwingungen weisen aufgrund der inkompressiblen Eigenschaften von Luft nach oben begrenzte Schwingungsfrequenzen auf, so dass sich der Einsatz der pneumatischen Lösung zur Bearbeitung der großflächigen Oberflächen von Umform- und Tiefziehwerkzeugen zeitintensiv und damit auch kostspielig gestaltet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schlagwerkzeug der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, welches eine effiziente Behandlung großflächiger metallischer Oberflächen ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Schutzanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Schlagwerkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der Schwingungsgeber wenigstens ein Wegeventil aufweist, dass der Klopfstößel mit dem Arbeitskolben eines doppeltwirkenden Zylinders verbunden ist, und dass der doppeltwirkende Zylinder an die Arbeitsanschlüsse des Wegeventils angeschlossen ist. Aufgrund der bei doppeltwirkenden Zylindern wechselseitig aktiv mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Arbeitskolben erlauben diese das Fahren hoher Hubgeschwindigkeiten und damit die Erzeugung hochfrequenter Schwingungen bei vorteilhaft großen Schwingungsamplituden. Die wechselseitige Ansteuerung des Arbeitskolbens erfolgt über das an die Arbeitsanschlüsse des doppeltwirkenden Zylinders angeschlossene Wegeventil, dessen Steuerglied die Arbeitsanschlüsse aufweisende Durchflusswege sperrt und freigibt.
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Das zur wechselseitigen Ansteuerung des Arbeitskolbens geeignete Wegeventil ist vorzugsweise ein 4/2-Wegeventil mit vier Durchflusswegen und zwei Schaltstellungen. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, andere zur wechselseitigen Ansteuerung des Arbeitskolbens geeignete Wegeventile einzusetzen.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mit den Zylinderwandungen des doppeltwirkenden Zylinders das Ventilgehäuse des Wegeventils ausgebildet. Damit weist das erfindungsgemäße Schlagwerkzeug eine besonders kompakte Bauform auf, die zum Anschließen der Arbeitsanschlüsse des Wegeventils an den doppeltwirkenden Zylinder auf den Einsatz empfindlicher Rohr- und Schlauchleitungen verzichten kann.
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Nach einer anderen besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Wegeventil wenigstens ein als Rotor ausgebildetes Steuerglied auf. Im Gegensatz zu den bei den bekannten Wegeventilen vielfach als Schieber ausgebildeten Steuergliedern weist das als Rotor ausgebildete Steuerglied eine vorteilhaft hohe Laufruhe sowie vorteilhafte kurze Schaltzeiten auf.
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Zum Generieren besonders hoher Schwingungsfrequenzen weisen die Arbeitsanschlüsse des Wegeventils jeweils eine Gruppe von Zulauföffnungen auf, wobei die Zulauföffnungen jeder Gruppe über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Auf diese Weise werden mit jeder Umdrehung des Rotors mehrere Schaltvorgänge generiert.
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Eine besonderes effiziente Ausnutzung des von einer Druckquelle zur Verfügung gestellten Druckmediums ist dadurch erreicht, dass die Abflüsse des Wegeventils eine Gruppe von Abflussöffnungen aufweisen, wobei die Abflussöffnungen jeder Gruppe ebenfalls über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Abflussöffnungen jeder Gruppe sowie auch die Zulauföffnungen jeder Gruppe sind vorzugweise in einer einen Kreisring ausbildenden Reihe angeordnet, wobei die Zulauföffnungen einer Gruppe mit den Abflussöffnungen einer anderen Gruppe vorzugsweise gemeinsam eine alternierende Reihe ausbilden. Für das erfindungsgemäße Schlagwerkzeug würde es wenigstens zwei solcher Reihen bedürfen, deren Abstand zueinander das Maß für den maximalen Hub des Arbeitskolbens ist. Der tatsächliche Hub kann jedoch durch Anschläge begrenzt sein, die zwischen dem Arbeitskolben und dem Ventilgehäuse hergestellt sind. Die Anschläge können fest oder verstellbar ausgebildete Pufferteile oder Stoßdämpfer aufweisen. Zu den Pufferteilen zählen insbesondere auch schlagbelastbare Schraubendruckfedern mit rechteckigem Federdrahtdurchmesser.
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Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung weist das als Rotor ausgebildete Steuerglied eine mit einer standardisierten Werkzeugschnittstelle einer Motorspindel zusammenwirkende Werkzeugaufnahme auf. Diese dient der Aufnahme der von der Motorspindel zur Verfügung gestellten kinetischen Energie, so dass die Ansteuerung des doppeltwirkenden Zylinders über das Wegeventil vollständig mechanisch erfolgt. Damit ist die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Schlagwerkzeuges im Wesentlichen von der überaus hohen Betriebssicherheit des die Motorspindel antreibenden Elektromotors abhängig. Die Werkzeugaufnahmen standardisierter Werkzeugschnittstellen sind insbesondere der Steilkegel SK, der Hohlschaftkegel HSK sowie die von Drehmaschinen bekannten VDI-Aufnahmen.
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Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist das Wegeventil wenigstens einen an der Werkzeugaufnahme seines Steuergliedes ausgebildeten Druckmittelanschluss auf, wobei der Druckmittelanschluss mit den Kühlmittelanschlüssen standardisierter Werkzeugschnittstellen zusammenwirkende Kupplungsstrukturen hat. Damit besteht vorteilhaft die Möglichkeit, die an vielen Werkzeugmaschinen bereits vorhandenen Kühlmittelanschlüsse als Druckquelle für das Wegeventil zu nutzen. Der Druckaufbau erfolgt vorzugsweise über die vorhandenen Kühlmittelpumpen. Grundsätzlich liegt es im Rahmen der Erfindung, vorhandene Kühlmittelpumpen gegen leistungsstärkere Kühlmittelpumpen auszutauschen.
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Nach einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Abflüsse über einen Abflusskanal miteinander verbunden, der wenigstens eine auf einen Bearbeitungskopf des Klopfstößels ausgerichtete Freistrahlöffnung aufweist. Neben der Funktion des Kühlmittels als Druckmedium für das Wegeventil bietet die Freistrahlöffnung die Möglichkeit, das Kühlmittel entsprechend seiner bestimmungsgemäßen Verwendung zusätzlich zur Kühlung der zu bearbeitenden Oberflächen einzusetzen. Außerdem können die zu bearbeitenden Oberflächen während ihrer Oberflächenbehandlung mit Additiven veredelt werden, die dem Kühlmittel beigemengt sind. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das die Abflüsse des Wegeventils verlassende Druckmedium ohne einen Kontakt mit den zu bearbeitenden Oberflächen aus dem Arbeitsbereich des Wegeventils heraus zu leiten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1: eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Schlagwerkzeuges im Teilschnitt; und
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2: eine perspektivische Detailzeichnung eines Steuergliedes für das Schlagwerkzeug gemäß 1.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schlagwerkzeug mit einem Klopfstößel 1 und einem mit dem Klopfstößel 1 verbundenen Schwingungsgeber, der als Wegeventil 2 ausgebildet ist. Der Klopfstößel 1 ist mit dem Arbeitskolben 3 eines doppeltwirkenden Zylinders 4 verbunden, wobei der doppeltwirkende Zylinder 4 an die Arbeitsanschlüsse 5, 6 des Wegeventils 2 angeschlossen ist. Der Arbeitskolben 3 ist zwischen zwei Schraubenfedern 7, 8 federelastisch im Hubraum des doppeltwirkenden Zylinders 4 gehalten. Mit der Zylinderwandung des doppeltwirkenden Zylinders 4 ist das Ventilgehäuse 9 des Wegeventils 2 ausgebildet. Das Wegeventil 2 weist ein als becherförmiger Rotor ausgebildetes Steuerglied 10 auf, in dessen Innenraum das Ventilgehäuse 9 gehalten ist. Die Arbeitsanschlüsse 5, 6 des Wegeventils 2 weisen jeweils eine Gruppe von Zulauföffnungen 11, 12 auf, wobei die Zulauföffnungen 11, 12 jeder Gruppe über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In äquivalenter Weise weisen die Abflüsse 13, 14 des Wegeventils 2 jeweils eine Gruppe von Abflussöffnungen 15, 16 auf, wobei die Abflussöffnungen 15, 16 jeder Gruppe ebenfalls über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Das als Rotor ausgebildete Steuerglied 10 weist eine mit einer nicht dargestellten standardisierten Werkzeugschnittstelle einer Motorspindel zusammenwirkende Werkzeugaufnahme 17 auf. Das Wegeventil 2 weist einen an der Werkzeugaufnahme 17 seines Steuergliedes 10 ausgebildeten Druckmittelanschluss 18 auf. Die Abflüsse 13, 14 sind über einen ringspaltförmigen Abflusskanal 19 miteinander verbunden, der mehrere auf einen Bearbeitungskopf 20 des Klopfstößels 1 ausgerichtete Freistrahlöffnungen 21, 22 aufweist. Verschlussstopfen 23 sowie eine Verschlusshülse 24 dienen der Ausbildung der aus Bohrkanälen hergestellten Arbeitsanschlüsse 5, 6.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Steuergliedes 10 gemäß 1. Die Detailansicht verdeutlicht, dass die Arbeitsanschlüsse 5, 6 sowie die Abflüsse 13, 14 in zwei kreisringförmigen Reihen 25, 26 angeordnet sind, wobei die Arbeitsanschlüsse 5 bzw. 6 einer ersten Gruppe und die Abflüsse 13 bzw. 14 einer zweiten Gruppe in den Reihen 25, 26 miteinander alternieren. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
