DE2951716C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pressen von Formkörpern konstanter Dichte und Höhe aus Metallpulver mit einer Presse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß Pulver unterschiedliche Teilchengrößen (Primärteilchen, Kristallite, Sekundärteilchen und Agglomerate) aufweisen und daß ferner Verarbeitungseinflüsse wie Vibrationen niedriger und hoher Frequenz sowie hygroskopische Agglomeration zur Streuung des Verhältnisses Gewicht/Volumen führen.

Bekannt sind Pulverpressen mit mechanischen Antrieben, überwiegend Kurbel-, Exzenter- und Kniehebelpressen, wobei durch die gegebenen Konstruktionsmerkmale der untere Totpunkt des Oberstempels zwangsläufig definiert ist.

Die dem Matrizenhohlraum je Arbeitstakt volumetrisch zugeführten Pulvermengen sind im geringen Maße unterschiedlich. Die Formteile werden daher zwar mit ausreichender Höhengenauigkeit als Ergebnis des definierten unteren Totpunktes erzeugt, jedoch können ihre Dichten jeweils unterschiedlich große sein.

Es ist auch bekannt, daß hydraulisch angetriebene Pressen mit linearen Bewegungsabläufen des Oberstempels, sofern Festanschläge im Oberstempel nicht vorhanden sind, Formteile gleicher Dichte als Funktion des ausgeübten Preßdruckes produzieren, jedoch Formteile mit unterschiedlichen Höhen ergeben können als Ergebnis der druckabhängigen Abschaltung des Verdichtungsvorganges.

Aus der DE-AS 22 51 832 ist es darüber hinaus bekannt, Einflüsse, die sich aus einer unzureichenden Materialzufuhr ergeben, auszuschalten, und zwar durch eine Bestimmung der maximalen Preßkraft und einer Begrenzung der Füllvolumensteuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Gren­ zen schwankende Fülldichte des Pulvers auszugleichen und Formteile mit konstanter Dichte und Höhe zu erzeugen. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 2 beschrieben. Der Anspruch 3 enthält eine vorzugsweise Ausgestaltung dieser Vorrichtung.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Diagramm der Dichte einiger Metallpulver in Abhängigkeit vom Preßdruckanstieg,

Fig. 2a eine Presse in Füllstellung,

Fig. 2b diese Presse in Preßstellung und

Fig. 2c diese Presse in Abzugstellung.

Fig. 1 stellt das Verhalten von 3 Metallpulvern beim Verdichten in einer Matrize dar. Es können daraus folgende Zusammenhänge abgeleitet werden: das Verpressen der Pulverteilchen bei kleinen spezifischen Preßdrücken von 500 MN/m² kommt einem Zusammendrücken gleich, mit zunehmender Zusammenpressung jedoch steigt der notwen­ dige Preßdruck rasch an und daraus folgt, daß zwischen der relativen Dichte und dem Kraftanstieg ein gesetz­ mäßiger Zusammenhang besteht.

Der Energieverbrauch zur Überwindung der Kohäsionskräfte, zur Verformung der Teilchen sowie zur Überwindung der elastischen und plastischen Spannungen im Formteil ist proportional der Dichte.

Der Druckanstieg während der Verdichtung hat im wesent­ lichen folgende Ursachen:

• rasche Zunahme der Kohäsionskräfte durch Verringerung des Berührungsabstandes der Teilchen
• Verfestigung mit zunehmender Gestaltsänderung und Steigerung der inneren Reibung im Formteil durch Lösen bereits bestehender, zusammen­ hängender Partikel.

Es folgt ferner aus Fig. 1, daß die Preßkurve nach Er­ reichen mittlerer Dichten abflacht und sich asymptotisch der erreichbaren Materialdichte nähert.

Nachfolgend soll nun die Presse und deren Funktion be­ schrieben werden.

Der Oberstempel 1 überträgt während seiner Abwärtsbe­ wegung die zum Verdichten notwendige Energie auf die Pulversäule 18. Die Hubbewegung des Oberstempels 1 ist von einem Kurbeltrieb 29 abgeleitet, der auf den oberen Pressentisch 16 wirkt. Die auf- und abbewegliche Matrize 2 nimmt das zu verpressende Pulver 18 auf und bestimmt das Profil des fertigen Preßteiles. Die Ma­ trize 2 ist von unten durch den schiebend eingepaßten Unterstempel 30 verschlossen. Der Unterstempel 30 ist unbeweglich und stützt beim Verdichten die Pulver­ säule 18 gegen den beweglichen Oberstempel 1 ab.

Für das Füllen der Matrize wird diese von unten nach oben in die Füllstellung bewegt. Um das fertige Preß­ teil freizugeben, ist die Matrize 2 so weit abwärts zu bewegen, daß sie mit der Oberkante des Unterstempels 30 auf einer Ebene steht. Schließlich wird die Matrize 2, die mit dem Schlitten 6 verbunden ist, während des Verdichtens nach unten bewegt, wobei ein Kräfteaustausch zwischen Matrize und Pulversäule 18 entsteht.

Die Aufwärtsbewegung der Matrize 2 in Füllstellung ( Fig. 2a) kommt dadurch zustande, daß der Kolben 7 des Hydraulikzylinders 8 eine Zugkraft auf den Hebel 10 ausübt und die Kurvenscheibe 5 gleichzeitig gedreht wird. Der Hebel 10 kann jedoch den Schlitten 6 nur in dem Maße nach oben bewegen, wie die Kurvenscheibe 5 der Rolle 9 den Weg nach oben freigibt. Die Aufwärts­ bewegung des Schlittens 6 und somit auch der Matrize 2 ist dann beendet, wenn der Kolben 7 oben am Boden des Zylinders 8 anschlägt. Die Kurvenscheibe 5 dreht dann weiter und hebt von der Rolle 9 ab. Der Zylinder 8 ist über das Gelenk 4 mit der Spindel 3 verbunden. Mit dem Stellgetriebe 25 kann die Spindel 3 mitsamt dem ange­ koppelten Zylinder 8 auf- und abverfahren werden. Da­ durch ist es möglich, den Weg des Schlittens 6 und der Matrize 2 zwischen 0 und dem durch den Hub der Kurven­ scheibe 5 gegebenen Maximum zu verändern.

Die Abwärtsbewegung der Matrize 2 zum Entformen des fertigen Preßteiles wird vom unmittelbaren Eingriff der Kurvenscheibe 5 mit der an Schlitten 6 befindlichen Rolle 9 abgeleitet. Der Hebel 10 schwenkt dabei nach unten und zieht den Kolben (7) aus dem Zy­ linder (8) heraus. Aus dem Kolbenstangenraum (32) des Zylinders (8) wird dabei Druckflüssigkeit verdrängt.

Das Mitbewegen der Matrize (2) während des Verdichtens der Pulversäule (18) verursacht allein der Kolben (7) des Zylinders (8), indem er ausfährt. Dabei schwenkt der Hebel (10) nach unten und zieht den Schlitten (6) mit der Matrize (2) abwärts. Die Art dieser Matrizen­ bewegung und der Verlauf der Krafteinwirkung der Matri­ ze (2) auf die Pulversäule (18) bestimmt die hydrauli­ sche Regelung (27), die den Förderstrom und den Arbeits­ druck der Pumpe (28) beeinflußt.

Der Schlitten (6), der die Matrize (2) trägt, kann wäh­ rend des Preßvorganges auf mechanischen Anschlag gefah­ ren werden, indem die Rolle (13) auf den größeren Ra­ dius der Kurvenscheibe (11) aufsetzt. Mit dem Stellge­ triebe (12) läßt sich die Rolle (13) nach oben und un­ ten verfahren. Somit kann die Lage des mechanischen Anschlages innerhalb der Matrizenabwärtsbewegung belie­ big gewählt werden.

Der Verfahrensablauf, der den Einsatz der vorbeschrie­ benen mechanischen Pulverpresse notwendig macht, gestal­ tet sich beispielsweise folgendermaßen:

Ausgegangen wird von der Füllstellung der Presse (Fig. 2a) in der sich der Oberstempel (1) mit dem oberen Pressentisch (16) in der oberen Endstellung befindet, die sich aus der oberen Totpunktlage des Kurbeltriebes (29) ergibt. Die Matrize (2) steht ebenfalls in der obe­ ren Endstellung, in welcher der Kolben (7) oben am Bo­ den des Zylinders (8) anliegt. Die Kurvenscheibe (5) hat eine Winkelstellung erreicht, in der sie zunächst nicht auf die Rolle (9) und den Schlitten (6) einwir­ ken kann. Die Kurvenscheibe (11) befindet sich in ei­ ner Winkelstellung, bei der gerade der Anfang ihres größeren Radius unter der Mittelachse der Rolle (13) steht. Zwischen der Kurvenscheibe (11) und der Rolle (13) besteht noch ein vorgegebener Abstand.

Während des Zeitraumes, in dem sich der Kurbeltrieb (29) im Bereich des oberen Totpunktes bewegt, ist der Abstand zwischen dem Oberstempel (1) und der Matrize (2) groß genug, um mit einer bezüglich ihres Antriebs nicht näher beschriebenen Fülleinrichtung (35) die Pul­ versäule (18) in die Matrizenöffnung einzubringen. Da­ nach nähert sich der Oberstempel (1) der Matrize (2), taucht in deren Öffnung ein und drück die Pulversäu­ le (18) so lange zusammen, bis der Kurbeltrieb (29) den unteren Totpunkt erreicht hat.

Von dem Zeitpunkt an, in dem der Oberstempel (1) die Pulversäule (18) berührt, werden die Oberstempel (1) und der Unterstempel (30) zunehmend durch den wegab­ hängig ansteigenden Verformungswiderstand der Pulver­ säule (18) belastet. Der Maximalwert dieser Belastung ist erreicht, wenn der Kurbeltrieb (29) den unteren Totpunkt bzw. die Preßstellung (Fig. 2b) durchläuft. Der Druckmesser (15) registriert den Anstieg der Be­ lastung am Oberstempel (1), indem er den Druckanstieg in dem eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen (17) fort­ laufend als elektrische Werte an die Steuerung (22) weitergibt. Den Anstieg der Belastung am Unterstempel (30) gibt der Druckmesser (31) fortlaufend als elek­ trische Werte an die Steuerung (22) weiter. Die durch die Druckmesser (15) und (31) registrierten Werte ord­ net die Steuerung (22) den am Wegmesser (14) während des Verdichtungsweges gemessenen Wegeinheiten zu. Aus der Zuordnung von Kraft- und Wegeinheiten formt die Steuerung (22) eine digitale Signalfolge, die dem Ver­ lauf der Energieaufnahme des Preßteils entspricht. Die Steuerung (22) gibt diese digitale Signalfolge in den Speicher (21), wo ein Vergleich mit einer über die Pro­ grammvorwahl (20) eingegebenen und gespeicherten werk­ stückspezifischen Signalfolge stattfindet. Stimmen bei­ de Signalfolgen überein, erhält der Impulsgeber (23) kein Steuersignal. Der Schrittmotor (24), das Stellge­ triebe (25) und die Spindel (3) bleiben unverändert, so daß beim nächsten Arbeitstakt der Pulverpresse das gleiche Pulvervolumen (18) wie beim vorausgegangenen Arbeitstakt vorbereitet wird. Stimmen die fest gespei­ cherte und die beim Verdichten der Pulversäule (18) ge­ bildete Signalfolge nicht überein, gibt die Steuerung (22) entsprechend der Richtung und der Größe der Abwei­ chung Signale an den Impulsgeber (23), damit der Schritt­ motor (24) über das Stellgetriebe (25) die Spindel (3) zu einem geeigneten Zeitpunkt vor dem Erreichen der Füllstellung des nächsten Arbeitstaktes sinngemäß ver­ fahren kann. Dadurch wird die Höhenlage des über das Gelenk (4) angekoppelten Zylinders (8) verändert, so daß der Kolben (7) je nach Art der Signale der Steue­ rung (22 ) die Matrize (2) auf einem höheren oder tie­ feren Niveau in Füllstellung (Fig. 2a) anhält, wenn er oben am Boden des Zylinders (8) zum Anschlag kommt. Ermittelt die Steuerung (22) beim Vergleich der fest gespeicherten Signalfolge mit der aus der Druck-Weg- Messung stammenden Signalfolge eine unzulässig große Abweichung, wird die Pulverpresse nach Beendigung des noch laufenden Arbeitsspiels über den Störschaltkreis (33) zum Stillstand gebracht.

Das preßtechnisch notwendige Mitbewegen der Matrize (2) und das gleichzeitige Ausüben von Kräften durch die Ma­ trize (2) auf die Pulversäule (18) geschieht teilweise durch Mitverwendung der Geräte und Funktionen, die auch für die oben beschriebene automatische Druck-Weg-Messung und Füllhöhenregulierung erforderlich sind.

Dem Speicher (21) ist über die Programmvorwahl (20) zu­ sätzlich eine werkstückspezifische, digitale Signalfol­ ge für das preßtechnisch richtige Verhalten der Matrize (2) während des Verdichtens der Pulversäule (18) einge­ geben worden. Die Steuerung (22) verwendet die vom Weg­ messer (14) eingehenden elektrischen Signale zum Ver­ gleich mit dieser im Speicher (21) vorhandenen spezifi­ schen Signalfolge. Aus dem Vergleich formt die Steuerung (22) das für den Proportionalverstärker (26) benötigte Eingangssignal. Das Ausgangssignal des Proportionalver­ stärkers (26) wirkt auf die hydraulische Regelung (27), die den Druck und den Förderstrom des Aggregates (28) so beeinflußt, daß das Verhalten der Matrize während des Verdichtens der Pulversäule (18) dem vorgegebenen Pro­ gramm entspricht. Der Wegmesser (19) meldet der Steue­ rung (22) Abweichungen der Matrizenbewegung vom vorge­ gebenen Programm. Sind diese Abweichungen unzulässig groß, wird die Pulverpresse durch ein Signal der Steuerung (22) auf den Störschaltkreis (33) am Ende des laufenden Ar­ beitsspiels zum Stillstand gebracht.

Wenn das Werkstück wie im Ausführungsbeispiel eine Form hat, die durch eine feste Stufe (34) in der Matrizenöff­ nung gebildet wird, muß die Matrize (2) kurz bevor der Oberstempel (1) die Preßstellung (Fig. 2b) erreicht hat, auf einen mechanischen Anschlag gefahren werden. Nur so ist gewährleistet, daß die Höhe der Werkstückstufe in den geforderten engen Toleranzgrenzen gefertigt werden kann. Den mechanischen Anschlag bildet der größere Ra­ dius der Kurvenscheibe (11) auf den die Rolle (13) kurz vor der Preßstellung (Fig. 2a) aufsetzt. Entsprechend der gewünschten Lage der Stufe im Werkstück, muß die Rolle (13) über das Stellgetriebe (12) eingestellt wer­ den.

Nachdem die Preßstellung (Fig. 2b) durchfahren ist, hebt der Oberstempel (1) vom Werkstück ab und bewegt sich aufwärts. Gleichzeitig hat die Kurvenscheibe (5) eine Winkelstellung erreicht, in der sie wieder mit der Rolle (9) in Berührung kommt. Dadurch wird der Schlit­ ten (6) mit der Matrize (2) nach unten geschoben. Da der Schlitten (6) an den Hebel (10) angekoppelt ist, schwenkt dieser nach unten und zieht den Kolben (7) aus dem Zylinder (8) heraus. Dabei ist die hydraulische Re­ gelung so geschaltet, daß aus dem Kolbenstangenraum (32) des Zylinders (8) Druckflüssigkeit abströmen und auf der Gegenseite zufließen kann. Die Kurvenscheibe (11) hat sich mit ihrem größeren Radius aus dem Bereich der Rol­ le (13) gedreht, so daß das Gestell (6) an seiner Ab­ wärtsbewegung nicht mehr gehindert wird. Wenn die Kur­ venscheibe (5) mit ihrem größeren Radius die Rolle (9) erreicht hat, stehen die Matrize (2) und der Unterstem­ pel (30) auf gleicher Höhe und das Werkstück ist ent­ formt. Die Matrize (2) befindet sich jetzt in Abzugsstel­ lung (Fig. 2c). Die hydraulische Regelung (27) gibt sofort den Förderstrom des Aggregates (28) mit Arbeits­ druck auf den Kolbenstangenraum (32) des Zylinders (8). Der Kolben (7) versucht den Hebel (10) nach oben zu schwen­ ken. Über den Schlitten (6) wird die Rolle (9) gegen die Kurvenscheibe (5) gedrückt. Die Rolle (9) läuft auf dem Außenprofil der drehenden Kurvenscheibe (5) bis der Kol­ ben (7) oben am Boden des Zylinders (8) zum Anschlag kommt. Die Matrize (2) steht jetzt wieder in Füllstellung (Fig. 2a). Die Kurvenscheibe (5) dreht weiter und hebt von der Rolle (9) ab. Der Kurbeltrieb (29) durchläuft mit dem oberen Pressentisch (16) und dem Oberstempel (1) den oberen Totpunkt. Die Steuerung (22) und die angekoppelten Geräte sind auf das nächste Arbeitsspiel vorbereitet, das nun beginnt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Pressen von Formkörpern mit zumindest einer Stufe und mit konstanter Dichte und Höhe aus Metallpulver mit einer Presse, die einen beweglichen Oberstempel aufweist, dessen Hub einstellbar ist, mit einer bewegbaren Matrize mit ebenfalls einstellbarem Hub und einem festen Unterstempel, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Kraft, die der Oberstempel und/oder Unterstempel während des Verdichtungsvorgangs auf das Metallpulver ausübt, gemessen und in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Weg des oder der Stempel in einen Datenspeicher elektronisch eingegeben wird, daß die gemessenen Daten jeweils mit den im Datenspeicher vorliegenden Sollwerten des wegabhängigen Kraftverlaufes beim Pressen eines Formkörpers mit der gewünschten Dichte verglichen werden und daß bei einer Abweichung der gemessenen Daten von den Sollwerten das Füllvolumen der Matrize beim nächsten Arbeitsspiel verändert wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Verwendung einer Presse, bei der die Hubbewegung der Matrize mittels einer umlaufenden Kurvenscheibe erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberjoch (16) des Oberstempels (1) eine Druckmeßeinrichtung (15, 17) und der Oberstempel (1) einen als Linearpotentiometer oder dergleichen ausgebildeten Wegmesser (14) aufweisen, welche elektrisch mit einem Datenspeichergerät (22) verbunden sind, daß an das Datenspeichergerät (22) ein Stellmotor (24) angeschlossen ist, der mechanisch mit einer Höhenverstelleinrichtung (25) für die Matrize (2) in Verbindung steht, und daß die Höhenverstelleinrichtung einen verstellbaren Anschlag (7, 8) aufweist, welcher das Füllvolumen der Matrize (2) festlegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenverstelleinrichtung (25) aus einem Spindelteil besteht, dessen Spindel mit einem Hydraulikzylinder (8) verbunden ist und in dem ein in Hubrichtung der Matrize bewegbarer Kolben (7) geführt ist, dessen Kolbenstange an einem Ende eines Hebels (10) angelenkt ist, und daß an diesem Hebel (10) das die Matrize (2) aufnehmende Pressengestell angelenkt ist.