DE4109407A1 - Vorrichtung zum praezisionsschmieden auf einfachwirkenden umformmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Präzisionsschmieden auf einfachwirkenden Umformmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, Zahnräder, insbesondere Kegelrä­ der, wie sie in Differentialgetrieben von Kraftfahrzeugen verwendet werden, durch Präzisionsschmieden herzustellen. Die Vorteile des Präzisionsschmiedens gegenüber der konven­ tionellen spanenden Fertigung sind die geringere Fertigungs­ zeit und die höhere Festigkeit bei gleichen Abmaßen. Der eigentliche Präzisionsschmiedevorgang verläuft wie folgt: Das vorgewärmte Rohteil wird in eine Gesenkhälfte eingelegt. Das Gesenk wird geschlossen, wobei noch keine Umformung auftritt. Die Umformung wird durch einen Preßstempel vollzo­ gen, der durch einen Kanal in dem Gesenk, in den Gesenkhohl­ raum so weit eindringt, bis die Gravur vollständig ausge­ füllt ist. Während der Umformung müssen von der Umformma­ schine zweierlei Kräfte zur Verfügung gestellt werden: Die Preßstempelkraft, d. h. die eigentliche Umformkraft und die Gesenkschließkraft, die sicherstellt, daß sich das Gesenk aufgrund des während der Umformung entstehenden Innendruckes nicht öffnet, was zur Bildung eines Grates und somit zum Ausschuß führen würde. Aus diesem Grund werden Präzisions­ schmiedeverfahren wie das oben beschriebene bislang nur auf doppeltwirkenden Umformmaschinen durchgeführt. Es handelt sich hierbei um doppeltwirkende Hydraulik- oder Exzenter­ pressen.

Beide Maschinen sind teurer als die entsprechen­ den einfachwirkenden Varianten. Zudem eignet sich keine der beiden Maschinen in optimaler Weise zur Durchführung des Präzisionsschmiedeverfahrens in der Massenfertigung, wie z. B. bei der Herstellung von PKW-Differential-Kegelrädern. Die Gründe hierfür werden im folgenden erläutert.

Bei der Hydraulikpresse werden die Kräfte durch den Druck einer Hydraulikflüssigkeit auf entsprechende Kolben aufgebracht. Ein großer Hydraulikkolben sorgt für die Schließkraft der Gesenkhälften, während ein kleinerer die für die Umformung benötigte Preßstempelkraft aufbringt. Der Druck wird durch einen Kompressor erzeugt. Der Vorteil dieser kraftgebunden arbeitenden Maschine liegt darin, daß die auftretenden Kräfte konstant gehalten werden können, was zu gleichbleibenden Schmiedeergebnissen führt. Der Nachteil besteht darin, daß bei gleichbleibender Kompressorleistung der geförderte Volumenstrom mit zunehmendem Druck immer kleiner wird, was bedeutet, daß die Vorschubgeschwindigkeit immer geringer wird. Dies führt zu einer langsamen Umformung und zu einer entsprechend großen Druckberührzeit. Eine große Druckberührzeit erhöht den Verschleiß des Gesenks, wodurch dessen Standzeit verringert wird.

Exzenterpressen arbeiten schneller als Hydraulik­ pressen. Ihr Nachteil in bezug auf die Verwendung des Präzi­ sionsschmiedeverfahrens liegt darin, daß der Preßstempelhub durch die konstruktiv bedingte Exzentrizität der Maschine fest vorgegeben ist. Dies wird kurz erläutert: Aus ferti­ gungstechnischen Gründen ist es nicht möglich, exakt volu­ mengleiche Schmiederohlinge herzustellen. Da aber zum einen das Gesenk stets geschlossen bleiben muß und auch keine Ausgleichsräume (die zur Gratbildung führen würden) besitzt, zum anderen der Preßstempel so weit vorgeschoben werden muß, daß die Gravur vollständig ausgefüllt wird, folgt, daß sich der Preßstempelhub variabel den Rohlingen mit ihren unterschiedlichen Volumina anpassen muß. Auch für den Fall von Längenveränderungen bei der Umformmaschine aufgrund von Wärmedehnung gilt diese Forderung. Natürlich ließe sich bei geeigneter Konstruktion die elastische Verformbarkeit des Preßstempels (oder der ganzen Umformmaschine) zur Hubvaria­ tion des Preßstempels ausnutzen. Es könnten jedoch in keinem Falle die an der Umformung beteiligten Kräfte konstant gehalten werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Ort so auszubilden, daß das Präzisionsschmiedeverfahren auf nahezu allen ein­ fachwirkenden Umformmaschinen verwendet werden kann, wobei für eine Massenfertigung zum einen eine möglichst große Umformgeschwindigkeit erreichbar sein soll und zum anderen die Möglichkeit gegeben sein soll, die maximal auftretenden Kräfte genau einzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht in er­ ster Linie aus zwei längsverschieblich gelagerten Hydraulik­ kolben und einem Vorrichtungsgehäuse, in dem sich beide Kolben befinden. Die Kolben sind unterschiedlich groß. Der kleinere Kolben - der Preßstempelkolben - ist mit dem Preß­ stempel verbunden, der durch einen Kanal im größeren Kolben - dem Werkzeugkolben - aus der Vorrichtung herausgeführt wird. Der Preßstempelkolben ist kleiner als der Werkzeugkol­ ben, da die Umformkraft geringer ist als die Werkzeug­ schließkraft. Die Unterseite der beiden Kolben steht mit einer Hydraulikflüssigkeit in Verbindung. Das Flüssigkeits­ volumen unter dem Werkzeugkolben steht mit dem Flüssigkeits­ volumen unter dem Preßstempelkolben in Verbindung.

Zur Verwendung der Vorrichtung wird diese auf dem Maschinentisch einer einfachwirkenden Umformmaschine so montiert, daß der Preßstempel nach oben weist. Das Gesenk wird auf dem Werkzeugkolben so montiert, daß der über die Kolbenoberfläche hinausragende Preßstempel in den Kanal, der sich in einer der beiden Gesenkhälften befindet (Unterge­ senk), hineinragt. Bei der Umformung drückt der Pressen­ stößel der Umformmaschine das Gesenk und damit den Werkzeug­ kolben nach unten. Der Werkzeugkolben verdrängt dabei Hy­ draulikflüssigkeit. Die Flüssigkeit strömt unter den Preß­ stempelkolben und bewirkt, daß der Kolben und damit auch der Preßstempel steigt. Da die Volumenströme unter dem Werkzeug­ kolben und unter dem Preßstempelkolben gleich groß sind, die Fläche des Preßstempelkolbens jedoch kleiner ist als die des Werkzeugkolbens, ist die absolute Preßstempelgeschwindigkeit größer als die absolute Werkzeugkolbengeschwindigkeit, die mit der Geschwindigkeit des Pressenstößels identisch ist. Dem Eindringen des Preßstempels in den Gesenkhohlraum und damit der eigentlichen Umformung, wirkt die Umformkraft entgegen. Es baut sich also unter dem Preßstempelkolben ein Druck auf, der zu jedem Zeitpunkt so groß ist, daß der Preßstempel die benötigte Umformkraft aufbringen kann. Da die Flüssigkeit unter dem Preßstempelkolben mit der unter dem Werkzeugkolben in Verbindung steht, wirkt dieser Druck gleichzeitig auch auf die Werkzeugkolbenfläche. Die Preß­ stempelkraft und die Werkzeugschließkraft steigen also zeitgleich und proportional zur benötigten Umformkraft. Das Verhältnis von Preßstempelkraft zu Werkzeugschließkraft ist nur durch das geometrische Flächenverhältnis der beiden Kolben bestimmt und somit konstant.

In den Patentansprüchen 2 und 3 sind zwei Mög­ lichkeiten der Lagerung des Preßstempelkolbens angegeben. Wird der Preßstempelkolben nach Anspruch 2 im Vorrichtungs­ gehäuse gelagert, so addieren sich die absolute Werkzeugkol­ bengeschwindigkeit und die absolute Preßstempelkolbenge­ schwindigkeit zur relativen Geschwindigkeit des Preßstempels zum Gesenk. Wird der Preßstempelkolben nach Anspruch 3 in dem Werkzeugkolben gelagert, so ergibt sich die relative Geschwindigkeit des Preßstempels zum Gesenk aus der Diffe­ renz von Preßstempelkolbengeschwindigkeit und Werkzeugkol­ bengeschwindigkeit. Da aber die Preßstempelkolbengeschwin­ digkeit größer ist als die Werkzeugkolbengeschwindigkeit, ist auch bei dieser Lagerung des Preßstempelkolbens die Eindringgeschwindigkeit des Preßstempels in das Gesenk größer als die absolute Pressenstößelgeschwindigkeit, die ja mit der Geschwindigkeit des Werkzeugkolbens identisch ist. Die Lagerung des Preßstempelkolbens im Vorrichtungsgehäuse ergibt also die größtmögliche Umformgeschwindigkeit.

In den Patentansprüchen 4 bis 7 sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung angegeben. Der Ablauf eines Umformvorganges soll unter Berücksichtigung der Lehren nach den Patentansprüchen 4, 5, 6 und 7 näher erläutert werden. Der Pressenstößel drückt über das Gesenk den Werkzeugkolben immer weiter nach unten, wobei der Preßstempelkolben immer weiter steigt und der Preßstempel immer weiter in den Gesenkhohlraum eindringt. Die zur Umformung benötigte Kraft nimmt mit dem Weg, den der Preßstempel in den Gesenkhohlraum eindringt und der ein Maß für den Umformungsgrad ist, zu. Der Flüssigkeitsdruck in der Vorrichtung steigt dabei proportional zur Umformkraft. Der Druckanstieg erfolgt so lange, bis der an den Druckbegren­ zungsventilen eingestellte Nenndruck erreicht ist. Die Ventile öffnen dann und entlassen Hydraulikflüssigkeit aus der Vorrichtung in einen Vorratsbehälter. Eine weitere Abwärtsbewegung des Werkzeugkolbens führt dann zu keinem weiteren Druckanstieg. Der Umformvorgang ist dann beendet, und die Kolben werden auf ihre Ausgangsposition zurückge­ stellt. Dies geschieht mittels geeigneter Rückstellvorrich­ tungen. Der Flüssigkeitsverlust, der bei Erreichen des Nenndruckes durch das Öffnen der Druckbegrenzungsventile auftritt, wird dabei über eine Verbindung zum Vorratsbehäl­ ter ausgeglichen. Die Verbindung ist mit einem Rückschlag­ ventil gegen Flüssigkeitsaufnahme beim Arbeitshub gesichert.

Zusammengefaßt sind die Vorteile des Präzisions­ schmiedens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der Fertigung mit doppeltwirkenden Umformmaschinen folgende:

• - Anwendbarkeit auf nahezu allen einfachwirkenden Umformma­ schinen (Flexibilität, Kosteneinsparungen).
• - Hohe Umformgeschwindigkeit (Kosteneinsparungen).
• - Die auftretenden Kräfte sind genau einstellbar (gleich­ bleibende Schmiedeergebnisse).
• - Hinzu kommt, daß die Hydraulikflüssigkeit im entlasteten Zustand entspannt ist, was die Vorrichtung wartungsfreund­ lich macht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrich­ tung zum Präzisionsschmieden auf einer einfachwirkenden Umformmaschine,

Fig. 2 und 3 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem im Vorrichtungsgehäuse gelagerten Preßstempelkolben und

Fig. 4 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem im Werkzeugkolben gelagerten Preßstempel­ kolben.

Gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Präzisions­ schmieden, die auf dem Maschinentisch einer einfachwirkenden Umformmaschine mit Gesenk 26a, 26b montiert ist. Das Gesenk 26a, 26b befindet sich auf einem Werkzeugkolben 2. Beim Umformen drückt ein Pressenstößel 27 das Gesenk und den Werkzeugkolben 2 nach unten. Der Werkzeugkolben 2 drückt Hydraulikflüssigkeit unter einen Preßstempelkolben 5. Ein Preßstempel 3 steigt nach oben. Die Preßstempelgeschwindig­ keit relativ zum Gesenk ist größer als die Pressenstößelge­ schwindigkeit. Die Geschwindigkeiten von Gesenk und Preß­ stempel sind entgegengesetzt. Der Flüssigkeitsdruck in der Vorrichtung steigt proportional zur Umformkraft. Druckbe­ grenzungsventile 11 legen den maximalen Druck fest. Die Vorrichtung arbeitet schneller als die Umformmaschine und ermöglicht gleichbleibende Schmiedeergebnisse, da die Maxi­ malkräfte konstant bleiben. Werkzeugkolben 2 und Preßstem­ pelkolben werden nach Beendigung des Umformvorganges mittels geeigneter Rückstellvorrichtungen 24, 25 in ihre Ausgangspo­ sitionen zurückbewegt. Die weiteren Bauteile der Vorrichtung werden nachfolgend anhand der weiteren Figuren beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Präzisions­ schmieden, bei der ein Werkzeugkolben 2 im Vorrichtungsge­ häuse 1 verschieblich gelagert ist. Ein Preßstempel 3 ist über eine Verbindungsstange 4 mit einem Preßstempelkolben 5 verbunden. Preßstempelkolben 5, Verbindungsstange 4, Preß­ stempel 3 und Werkzeugkolben 2 sind mittig zueinander ange­ ordnet, d. h. daß ihre Mittelachsen identisch sind. Der Preßstempelkolben 5 ist in einem zylindrischen Hohlraum 6, der unterhalb des Werkzeugkolbens 2 liegt und durch eine Gehäuseplatte 7 vom Arbeitsraum 8 des Werkzeugkolbens 2 getrennt ist, verschieblich gelagert. Der Preßstempel 3 wird mittels der Verbindungsstange 4 oben aus der Vorrichtung herausgeführt. Die Verbindungsstange 4 durchdringt dabei die Gehäuseplatte 7 und ragt in einen Kanal im Werkzeugkolben 2. Die Spitze des Preßstempels 3 befindet sich oberhalb der oberen Werkzeugkolbenfläche. Ein Arbeitsraum 8 unter dem Werkzeugkolben steht mit einem Arbeitsraum 9 unter dem Preßstempelkolben durch Bohrungen 10 in Verbindung. Die Arbeitsräume 8 und 9 sowie die Verbindungsbohrungen 10 sind mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Um den Strömungsquer­ schnitt groß zu gestalten, sollten möglichst viele Verbin­ dungsbohrungen vorhanden sein. Wird beim Arbeitshub der Nenndruck erreicht, so öffnet ein Druckbegrenzungsventil 11 und entläßt Hydraulikflüssigkeit aus dem Arbeitsraum 8 über eine Zuleitung 12 in einen Vorratsbehälter 13. Das Nachströ­ men des Flüssigkeitsvolumens aus dem Vorratsbehälter 13 in den Arbeitsraum 8 geschieht bei der Rückstellung der Kolben über eine Zuleitung 14, wobei ein Rückschlagventil 15 öff­ net. Als Rückstellungsvorrichtungen sind in diesem Beispiel Schraubenfedern verwendet. Eine Schraubenfeder 16 dient zur Rückstellung des Preßstempelkolbens 5. Sie befindet sich in dem zylindrischen Hohlraum 6 und stützt sich an der Obersei­ te des Preßstempelkolbens 5 und an der Unterseite der Gehäu­ seplatte 7 ab. Der zylindrische Hohlraum 6 ist über Verbin­ dungskanäle 17 mit der Umgebung verbunden. Die Kanäle ermög­ lichen einen Luftvolumenausgleich im Hohlraum 6. Die Rück­ stellung des Werkzeugkolbens 2 geschieht mit Hilfe einer Schraubenfeder 18, die sich im Arbeitsraum 8 befindet und sich an der Unterseite des Werkzeugkolbens 2 und der Ober­ seite der Gehäuseplatte 7 abstützt.

Die Rückstellgeschwindigkeit kann mittels Dros­ selrückschlagventilen, die in die Verbindungsbohrungen 10 eingebaut werden können, beeinflußt werden. Es ist dann sinnvoll, die Ventile so einzubauen, daß sie beim Arbeitshub vollständig geöffnet sind und dem Flüssigkeitsstrom nur einen geringen Widerstand entgegensetzen. Strömt die Flüs­ sigkeit bei der Rückstellung in entgegengesetzter Richtung, so schließen die Ventile bis auf einen kleinen Querschnitt.

Es baut sich ein Druck auf, der der Rückstellung entgegen­ wirkt.

Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtungsvariante, bei der die Kolbenanordnung die gleiche ist wie die bei der Vorrichtung aus Fig. 2. Bei der Preßstempelkolben-Rückstell­ vorrichtung handelt es sich jedoch nicht um eine mechanische Feder, sondern um eine hydraulische Rückstellvorrichtung, bei der der Druck eines in einem Druckspeicher 22 befindli­ chen Gases auf eine Flüssigkeit übertragen wird, die mit einer Fläche auf der Oberseite des Preßstempelkolbens 5 in Verbindung steht. In Fig. 3 wird die druckbeaufschlagte Fläche durch einen Zylinder 19, der sich zwischen dem Preß­ stempelkolben 5 und der Verbindungsstange 4 befindet und dessen Durchmesser kleiner ist als der des Preßstempelkol­ bens, abgegrenzt. Die druckbeaufschlagte Fläche steht mit einem Flüssigkeitsvolumen 20 in Verbindung, welches wiederum über eine Leitung 21 mit dem Druckspeicher 22 verbunden ist.

Die Fig. 4 zeigt eine Vorrichtungsvariante mit im Werkzeugkolben 2 gelagertem Preßstempelkolben 5. Die Unter­ schiede zur oben beschriebenen Variante werden kurz darge­ stellt. Die gesamte Preßstempeleinheit, bestehend aus Preß­ stempel 3, Verbindungsstange 4 und Preßstempelkolben 5 befindet sich samt zylindrischem Hohlraum 6 und Preßstempel­ kolben-Rückstellfeder 16 innerhalb des Werkzeugkolbens 2. Anstelle der Verbindungsbohrungen 10 der oben beschriebenen Variante tritt hier zweckmäßigerweise eine zentrale Bohrung 7 im Werkzeugkolbenboden, deren Durchmesser fast so groß sein kann wie der des Preßstempelkolbens 5. Sollen auch hier zur Beeinflussung des Rückstellvorganges Drosselrückschlagventi­ le eingesetzt werden, müssen anstelle der strömungsgünstigen großen Bohrung 10 mehrere kleine Bohrungen treten, in die die Ventile eingebaut werden können.

Anders als dargestellt können der Vorratsbehälter 13, das Druckbegrenzungsventil 11 und das Rückschlagventil 15 sowie die Leitungen 12 und 14 innerhalb des Vorrichtungs­ gehäuses 1 untergebracht werden.

Des weiteren ist es möglich, die Hydraulikflüs­ sigkeit z. B. durch Verwendung eines Druckspeichers anstelle des Vorratsbehälters 13 vorzuspannen. Eine Rückstellvorrich­ tung für den Werkzeugkolben kann dann entfallen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Präzisionsschmieden auf einfachwirken­ den, einen Pressenstößel aufweisenden Umformmaschinen mit einem die Umformung durchführenden, einseitig in einen Hohlraum eines Gesenks eindringenden Preßstempel, gekenn­ zeichnet durch einen durch den Pressenstößel (27) betätig­ baren Werkzeugkolben (2), auf dessen einer Seite das Gesenk (26a, 26b) angeordnet ist und dessen andere Seite mit einem Flüssigkeitsvolumen (8) in Verbindung steht, und einem mit dem Preßstempel (3) in Wirkverbindung stehen­ den Preßstempelkolben (5), der mit einem Flüssigkeitsvolumen (9) in Verbindung steht, das mit dem Flüssigkeitsvolumen (8) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempelkolben (5) im Vorrichtungsgehäuse (1) geführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempelkolben (5) in dem Werkzeugkolben (2) geführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkolben (2) und der Preßstempelkolben (5) von Rückstellvorrichtungen (24, 25) beaufschlagbar sind, die die Kolben (2, 5) nach Beendigung des Umformvorganges in ihre Ausgangspositionen zurückbewegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellvorrichtungen mechanische Federn oder Flüssigkeitsfedern oder Gasfedern sind, die innerhalb der Vorrichtung angebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfedern mit externen Druckspeichern und einer Flüssigkeit als Druckübertragungsmedium arbeiten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellvorrichtungen mit Kompressoren arbeiten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur exakten Einstellung der bei der Umformung auftreten­ den Kräfte der maximal mögliche Druck der Hydraulikflüssig­ keit durch Druckbegrenzungsventile (11), die bei jedem Arbeitshub eine gewisse Flüssigkeitsmenge in einen Vorrats­ behälter (13) entlassen, festgelegt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Öffnen der Druckbegrenzungsventile (11) aus den Flüssigkeitsvolumina (Arbeitsräumen) (8, 9) entlas­ sene Flüssigkeitsvolumen über eine Verbindung (14) mit dem Vorratsbehälter (13), die mittels Rückschlagventilen (15) gegen Flüssigkeitsaufnahme gesichert ist, nachgesaugt wird.