EP0773846A1 - Vorrichtung zur herstellung von presskörpern - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung von presskörpern

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EP0773846A1
EP0773846A1 EP95925708A EP95925708A EP0773846A1 EP 0773846 A1 EP0773846 A1 EP 0773846A1 EP 95925708 A EP95925708 A EP 95925708A EP 95925708 A EP95925708 A EP 95925708A EP 0773846 A1 EP0773846 A1 EP 0773846A1
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EP
European Patent Office
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die
punches
punch
way
control
Prior art date
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Application number
EP95925708A
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English (en)
French (fr)
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EP0773846B1 (de
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Rainer Link
Klaus Vossen
Matthias Holthausen
Norbert Nies
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Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP0773846B1 publication Critical patent/EP0773846B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/08—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of toothed articles, e.g. gear wheels; of cam discs
    • B22F5/085—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of toothed articles, e.g. gear wheels; of cam discs with helical contours
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/08—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of toothed articles, e.g. gear wheels; of cam discs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B11/00—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/005—Control arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B11/00—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/02—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a ram exerting pressure on the material in a moulding space
    • B30B11/04—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a ram exerting pressure on the material in a moulding space co-operating with a fixed mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a device for the production of compacts with zylindför ige Hauptformieri ⁇ and helical Nebe ⁇ formeleme ⁇ ten according to the preamble of claim 1.
  • a device for the production of compacts with zylindför ige Hauptformieri ⁇ and helical Nebe ⁇ formeleme ⁇ ten according to the preamble of claim 1.
  • it is the manufacture of helical gears, in which the helical teeth are to be regarded as secondary form elements.
  • the freely rotatably mounted lower punch is constantly engaged with the profile of the molding space and therefore inevitably rotates when there are linear relative movements between the lower punch and the die plate in the pressing cycle.
  • a rotational movement corresponding to the helical teeth is forced on the upper punch from the outside during the pressing cycle in accordance with its depth of penetration, in order to reduce the friction between the outer surfaces of the upper punch and the mold space of the die.
  • a gear transmission is provided which is driven via a mechanical link control corresponding to the desired helical toothing of the pressing body.
  • the link control includes so-called link cores, which on the one hand are rigidly connected to a guide plate and on the other hand are positively and slidably guided in the coaxially arranged drive wheels of the gear transmission.
  • the guide plate is temporarily firmly coupled to the die plate and moved together with it.
  • the so-called pull-off method is used to mold the pressed body produced.
  • the object of the invention is therefore to improve a generic device in such a way that the mentioned problem of friction is also solved satisfactorily with regard to the bottom, the tool and retrofitting effort required for the production of different pressed bodies should remain as low as possible.
  • An essential feature of the invention is that the upper and lower punches directly involved in the shaping of the helical secondary form elements of the pressing body to be produced (for example, in the case of gearwheels with a plurality of toothings which lie axially one behind the other! Form space of the die are guided by an electronic control.
  • the rotary movement of the lower and upper punches depending on their immersion depth in the mold space is no longer carried out by a mechanical coupling of linear and rotary drive, i.e.
  • an embodiment of the invention provides that the axial and rotary movement of the stamp is position-controlled. To determine the respective axial and rotary position, appropriate sensors (e.g.
  • the electronic control for the sequence of movements of the upper punch or dies can be set up in such a way that only a purely linear movement takes place outside the mold space of the die and that the required rotational movement in the press cycle only begins immediately upon immersion in the mold space.
  • the position or torque control only comes into force when the upper punch has reached the stop. This prevents damage to the tool during immersion.
  • Position control of the movement sequences is not always necessary to implement the invention.
  • the rotary drives of the upper and lower punches are set in the pressing phase in such a way that the tooth flanks of the punches and the die jacket touch as far as possible only on the side which, in the absence of a rotary drive while the punches are retracted into the die cavity, would otherwise be a direct mutual would not be exposed to friction.
  • the torque applied from the outside thus acts in the direction of the rotational movement otherwise forced by the shape.
  • x ⁇ s. cot ß o where s is the tool play in the forehead cut. For example, for a 30 toothing and a tool play of 0.03 mm, this results in x ⁇ .0.05 mm.
  • the molding of the pressed body produced by the ejection process can in principle be carried out without the use of rotary drives. However, it is recommended to use the rotary actuators in (partially) in the opposite way to that for the compression process. This ensures the greatest possible protection of the tool and the compact.
  • Hydraulic drives should be used for the linear movement of the upper and lower punches (or the die, if applicable).
  • the rotary drives can also be operated hydraulically. In some cases, they can also be pneumatic.
  • Electromotive rotary drives are particularly recommended, in particular electric stepper or servo motors.
  • the invention can be carried out expediently in connection with a CNC-controlled powder press. It is particularly advantageous to design the essential mechanical parts of the device according to the invention (punch, die, rotary drives) as an exchangeable unit in the form of a tool adapter in order to enable particularly short changeover times.
  • the invention has the great advantage that it enables the production of, for example, helical toothed gears with extremely low tool wear, since the friction in the area of the tooth flanks during the pressing phase and also during the shaping is limited to a minimum can be.
  • the retrofitting effort can also be significantly reduced compared to previously known pressing tools, since only program-technical precautions (no production of link cores) are required to effect the rotary drives.
  • the device according to the invention enables the production of compacts which have a significantly more uniform density distribution than was previously possible.
  • the device according to the invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiment of a metal powder press shown schematically in elevation in the single figure.
  • This hydraulic press has a press frame 16 which is equipped with an upper piston 14 and a lower piston 15. Approximately in the middle of the press frame 16, a die 1 is mounted in a stationary and rotationally fixed manner. An upper plunger 2 is rotatably mounted in the upper piston 14 and a lower plunger 3 in the lower piston 15.
  • the upper punch 2 is resiliently supported against the pressing direction by a prestressed spring 9, which presses the receiving device for the upper punch 2 in the pressing direction against a fixed stop.
  • the spring force of the spring is in any case significantly less than the maximum pressing force that occurs for the respective tool, so that the upper punch is in contact with the stop as early as possible at the start of the pressing process.
  • the jacket of the die 1 and the two punches 2, 3 have mutually corresponding helical teeth.
  • two measuring systems 10, 11 are provided, which can be designed, for example, as an incremental measuring rod or linear potentiometer.
  • a rotary drive 5 or 7 is attached to each of the two pistons 14, 15 (for example, an electric servo motor), the current angle of rotation position of which can be continuously recorded by means of a combined angle and torque measurement system 12 or 13.
  • the punches 2, 3 have measuring devices 12a, 13a for detecting the torsional moment that occurs.
  • the two rotary drives 5, 7 are each connected via a spur gear with one of the two punches 2 and 3 in terms of drive technology.
  • the press shown also has an electronic control 8 (framed in dashed lines), which is hierarchically structured and consists of a CNC main processor 21, a control unit 19 and 20 for the linear movement of the upper piston 14 and the lower piston 15 and there is one control unit 17 and 18 for the rotary movement of the two punches 2 and 3, respectively.
  • the input / output unit of the CNC main processor 21 for controlling and setting up the press by the operating personnel is designated by 22.
  • the information technology linkage of the electronic components and sensors is symbolically represented by corresponding arrows.
  • the two control units 19, 20 are each subordinate to the CNC main processor 21 and the control units 17, 18 for the rotary movement as slave to one of the two control units 19 and 20 for the linear piston movement.
  • the control unit 19 is subordinate to the control unit 20 (submaster), that is to say that the movement of the upper piston 14 and thus the movement of the upper plunger 2 was used as a reference variable for the movement sequence.
  • the combined angle and torque measuring system 12 forms, together with the rotary drive 5 and the control unit 17, a closed control loop, whereby. the control unit 17 receives its setpoint from the control unit 19 of the linear drive of the piston 14 in accordance with its current axial position detected by the displacement measuring system 10.
  • the CNC main processor 21 takes over higher-level regulation and control functions as well as the processing of the specification data for the part to be manufactured.
  • a dashed line indicates which main functional parts of the device according to the invention can be combined in the form of a tool adapter to form an easily replaceable structural unit which can be connected to upper and lower pistons 14, 15.
  • the illustrated press works as follows:
  • the lower punch 3 After shaping a press body, the lower punch 3 is moved position-controlled according to the helix angle of the helical gear to be manufactured using the rotary drive 7 on the basis of the actual values determined by the position measuring system 11 and the angle measuring system 12 into the filling position.
  • the lower punch 3 remains immersed in the mold space of the die 1.
  • the upper stamp 3 is located above the molding space.
  • the upper punch 2 is moved downwards in a position-controlled manner by means of the control unit 19 on the basis of the data from the displacement measuring system 10.
  • a coordinated rotary movement of the upper punch 2 is initiated via the control unit 17, the angle measuring system 12 and the rotary drive 5, so that the relative rotational position of the upper punch 2 to the toothing contour of the mold space of the die 1 permits the upper punch 2 to be immersed in the mold space without contact.
  • This begins the actual pressing phase in which the steel powder introduced is compacted.
  • the lower piston 3 and the upper piston 2 move in opposite directions into the mold space, the rotary drives 7 and 5, respectively, to minimize the friction between the stem 2, 3 and the die 1.
  • the two angle measuring systems 12, 13 are also set up as instrument clusters for detecting the drive torque, torque control can also take place in addition or as an alternative to the position control of the rotary drive 5, 7 as a function of the axial position of the punches 2, 3.
  • the drive system of the upper punch 2 is switched over to form the pressed body, ie the upper punch 2 is moved out of the molding space linearly and in a rotationally position-controlled manner according to the contour of the press body, with the lower piston 3 likewise being moved upward in a correspondingly position-controlled manner. until its upper end face is flush with the top of the die 1, so that the compact is exposed (ejection process).
  • the compact can be held under a desired load.

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Preßkörperπ
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Preßkörpern mit zylinderför igen Hauptformelementeπ und schraubenlinienförmigen Nebeπformelemeπten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Beispielsweise handelt es sich um die Herstellung schrägverzahnter Zahnräder, bei denen die Schrägverzahnung als Nebenformelemente anzusehen ist.
Aus der EP 0 528761 AI ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, die zur Herstellung von Preßkörpern beispielsweise in Form von schrägverzahnten Zahnrädern aus Metallpulver dient. Diese bekannte Metallpulverpresse weist einen linear verfahrbaren Oberkolben auf, in dem ein um die (in Preßrichtuπg liegende) Längsachse drehbarer Oberstempel gelagert ist, und einen gegen einen unteren Anschlag ebenfalls linear verfahrbaren Unterkolben, in dem ein UnterStempel drehbar gelagert ist. Weiterhin ist eine Matrizenplatte vorgesehen, die den Formhohlraum bildet und ebenfalls im Preßzyklus linear verfahrbar ist. Der drehbare Unterstempel und der drehbare Oberstempel weisen jeweils ein mit dem Verzahnungsprofil (Schrägverzahnung) des Matrizenmantels (d.h. des Formraums) korrespondierendes Verzahnungsprofil auf. Der frei drehbar gelagerte Unterstempel ist ständig mit dem Profil des Formraums im Eingriff und dreht sich daher entsprechend zwangsläufig, wenn es im Preßzyklus zu linearen Relativbewegungen zwischen Unterstempel und Matrizenplatte kommt. Im Unterschied hierzu wird dem Oberstempel während des Preßzykluses entSDrechend seiner Eindringtiefe eine der Schrägverzahnung entsprechende rotatorische Bewegung von außen aufgezwungen, um die Reibung zwischen den Mantelflächen des Oberstempels und des Formraums der Matrize zu vermindern. Hierzu ist ein Zahnradgetriebe vorgesehen, das über eine der gewünschten Schrägverzahnung des Preßkörpers entsprechende mechanische Kulissensteuerung angetrieben wird. Die Kulissensteuerung beinhaltet sogenannte Kulissenkerne, die einerseits mit einer Führungsplatte starr verbunden und andererseits formschlüssig und gleitend in den koaxial angeordneten Antriebsrädern des Zahnradgetriebes geführt sind. Während des Preßzyklusses wird die FUhrungsplatte zeitweilig fest an die Matrizenplatte angekoppelt und gemeinsam mit dieser bewegt. Zum Ausformen des erzeugten Preßkörpers wird das sogenannte Abzugsverfahren angewendet.
Diese bekannte Metallpulverpresse erfordert erheblichen mechanischen Bauaufwand und auch beträchtlichen Umrüstaufwand, da für jeden unterschiedlichen Preßkörper über den speziellen Werkzeugsatz (Matrize sowie Ober- und Unterstempel) hinaus auch ein dem Preßkörper entsprechender Satz an Kulissenkernen bereitgestellt und ausgewechselt werden muß. Hinzu kommt der Aufwand für die Führungsplatte und die maschinell betätigbare Verriegelungseinrichtung zur starren Ankopplung der Führungsplatte an die Matrizenplatte. Weiterhin ist anzumerken, daß das Reibungsproblem zwischen dem nicht von außen zwangsangetriebenen Unterstempel (hinsichtlich dessen Drehbewegung) und der Matrize nach wie vor besteht. Dies hat nicht nur in diesem Bereich erhöhten Werkzeugverschleiß zur Folge, sondern führt auch zu inhomogenen Dichteverteilungeπ im Preßkörper.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß die erwähnte Reibungsproblematik auch hinsichtlich des Uπterste pels befriedigend gelöst wird, wobei der erforderliche Werkzeug- und Umrüstaufwand für die Herstellung unterschiedlicher Preßkörper möglichst niedrig bleiben soll.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte 'Weiterbildungen der Erfindung sind in αen Unteransprüchen 2 bis 15 angegeben.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß die an der Formgebung der schraubenlinienförmigen Nebenformelemente des zu erzeugenden Preßkörpers unmittelbar beteiligten Ober- und Unterstempel (z.B. bei Zahnrädern mit mehreren axial hintereinander!legenden Verzahnungen können entsprechend mehrere Unter- oder Oberstempel erforderlich sein) in ihrer Bewegung im Formraum der Matrize durch eine elektronische Steuerung geführt sind. Die rotatorische Bewegung der Unter-und Oberstempel in Abhängigkeit von ihrer Eintauchtiefe in den Formraum erfolgt also nicht mehr durch eine mechanische Kopplung von linearem und rotatorischem Antrieb, d.h. nicht mehr allein durch das Reiben der Stempelkontur am Matrizenmaπtel wie bei dem die eine Breitseite formenden Unterstempel der Presse gemäß EP 0 528761 AI oder durch mechanisches Abtasten eines Kulissenkerns wie bei dem die andere Breitseite formenden Oberstempel dieser bekannten Presse, sondern wird durch einen elektronisch geregelten separaten (mechanisch entkoppelten) Drehantrieb sichergestellt. Das bedeutet, daß die während der linearen Bewegung gleichzeitig stattfindende Drehbewegung (entsprechend der Steigung der schraubenlinienförmigen Nebenformelemente) mit einer Genauigkeit erfolgen muß, die innerhalb des Werkzeugspiels der Verzahnung (zwischen den Stempeln und der Matrize) liegt. Dementsprechend sieht eine Ausführuπgsform der Erfindung vor, daß die axiale und rotatorische Bewegung der Stempel positionsgeregelt erfolgt. Zur Ermittlung der jeweiligen axialen und rotatorischen Position sind entsprechende Sensoren (z.B. Linearpotentiometer oder Inkrementalmeßstäbe für die lineare Bewegung bzw. Drehwinkelgeber für die Rotation) vorzusehen, in diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß zweckmäßigerweise die Matrize ortsfest in der verwendeten Pulverpresse gehalten wird und Ober- und Unterstempel linear und rotatorisch bewegt werden. Es sind aber auch selbstverständlich Abwandlungen im Sinne einer kinematischen Umkehr möglich, indem beispielsweise die Matrize drehfest gehalten, aber wie bei der Presse gemäß EP 0528761 AI linear mitbewegt wird, wobei der Unterstempel ortsfest, aber drehbewegt ist, während der Oberstempel linear und rotatorsich bewegt wird. Grundsätzlich könnte auch die Matrize rotatorisch bewegt werden. Dieser Fall kann zusätzlich zu einer Rotierbarkeit des oder der Unter- und Oberstempel sinnvoll sein, wenn z.B. Mehrfachzahnräder, also Preßkörper mit mehreren axial hintereinander liegenden, unterschiedlich breiten Verzahnungen (oder mit unterschiedlichem Schrägungswinkel) erzeugt werden sollen. Zusätzlich zu den erwähnten Unter- und Oberstempeln können in bekannter Weise auch Kernstempel vorgesehen werden, die mittels Hilfsantrieben bewegt werden können und beispielsweise zur Ausbildung einer Nabe an einem Zahnrad dienen, damit das Zahnrad auf eine Welle aufgezogen werden kann.
Die elektronische Steuerung für den Bewegungsablauf des oder der Oberstempel kann so eingerichtet sein, daß außerhalb des Formraums der Matrize nur eine rein lineare Bewegung stattfindet und daß die erforderliche Rotationsbewegung im Preßzyklus erst unmittelbar mit dem Eintauchen in den Formraum einsetzt. In diesem Fall empfiehlt es sich, den oder die Oberstempel mit einer vergleichsweise weichen federnden Lagerung, die durch einen Anschlag begrenzt ist, zu versehen, um für den Beschleunigungsvorgang beim Starten der rotarischen Bewegung einen ausreichenden Zeitraum zur Verfügung zu stellen. Die Positions- bzw. Drehmomentregelung tritt erst dann in Kraft, wenn der Oberstempel auf den Anschlag gefahren ist. Damit wird eine Werkzeugbeschädigung beim Eintauchen vermieden.
Zur Durchführung der Erfindung ist eine Positionsregelung der Bewegungsabläufe nicht immer erforderlich. Alternativ oder zusätzlich zur Positionsregelung kann aucn vorgesehen sein, daß die rotatorischen Bewegungsabläufe der Ober- und Unterstempel (relativ zur Matrize) mit fest vorgegebenen, beispielsweise zeitlich konstanten Drehmomentwerten erfolgen. Die Drehantriebe der Ober- und Unterstempel werden dabei in der Preßphase so eingestellt, daß die Zahnflanken von Stempeln und Matrizenmantel sich möglichst weitgehend nur auf der Seite berühren, die bei Fehlen eines Rotationsaπtriebs während des Einfahrens der Stempel in den Formraum der Matrize sonst einer unmittelbaren gegenseitigen Reibung nicht ausgesetzt wären. Das von außen aufgebrachte Drehmoment wirkt also in Richtung der sonst durch die Form erzwungenen Drehbewegung. In Abwandlung hierzu kann es auch zweckmäßig sein, die Drehmomente der Rotationsantriebe in Abhängigkeit von der aktuell erreichten Preßkraft oder der erreichten Eintauchtiefe (axiale Position) der Stempel zu regeln, d.h. mit zunehmender Preßkraft zu steigern. Besonders vorteilhaft ist es, das Torsionsmoment an den Stempeln zu messen und das Antriebsdrehmoment gerade auf einen solchen Wert einzustellen, bei dem die Reibungsverluste im Lager- und Antriebssystem kompensiert werden. Das bedeutet, daß das Torsionsmoment an den Stempeln dann gegen Null geht. Es empfiehlt sich, die Drehantriebe der Stempel im allerletzten Abschnitt x der Preßphase, d.h. kurz vor Erreichen der Preßendstellung vollständig abzuschalten, um Risse durch Torsionsspanπungen zu vermeiden. Bei einem Schrägungswinkel ß der Verzahnung muß dieser Abschnitt x folgende Bedingung erfüllen:
x ^ s . cot ß o Dabei ist s das Werkzeugspiel im Stirnschnitt. Für eine 30 -Verzahnung und ein Werkzeugspiel von 0,03 mm ergibt sich somit beispielsweise x ^.0,05 mm.
Das Ausformen des erzeugten Preßkörpers nach dem Ausstoßverfahren kann zwar im Grundsatz ohne Einschaltung von Drehantriebeπ vorgenommen werden. Es empfiehlt sich jedoch, hierbei die Drehantriebe in (teilweise) entsprechend umgekehrter Weise wie für den Verdichtungsvorgang einzusetzen. Dies gewährleistet eine größtmögliche Schonung des Werkzeugs und des Preßlings.
Für die lineare Bewegung der Ober- und Unterstempel (bzw. der ggf. bewegten Matrize) sollten Hydraulikantriebe eingesetzt werden. Die Rotationsantriebe können ebenfalls hydraulisch betätigt sein. Sie können in manchen Fällen auch pneumatisch ausgebildet sein. Besonders empfehlenswert sind elektromotorische Drehantriebe, insbesondere elektrische Schritt- oder Servomotoren. Die Erfindung läßt sich zweckmäßig in Verbindung mit einer CNC-gesteuerten Pulverpresse ausführen. Besonders vorteilhaft ist es, die wesentlichen mechanischen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Stempel, Matrize, Drehantriebe) als austauschbare Einheit in Form eines Werkzeugadapters zu gestalten, um besonders kurze Umrüstzeiten zu ermöglichen.
Die Erfindung hat den großen Vorteil, daß sie die Herstellung z.B. schrägverzahπter Zahnräder unter extrem geringem Werkzeugverschleiß ermöglicht, da die Reibung im Bereich der Zahnflanken während der Preßphase und auch während des Ausformens auf ein Minimum begrenzt werden kann. Der Umrüstaufwand kann ebenfalls gegenüber bisher bekannten Preßwerkzeugen wesentlich vermindert werden, da zur Bewirkung der rotatorischen Antriebe lediglich programmtechnische Vorkehrungen (keine Anfertigung von Kulissenkernen) erforderlich sind. Dies führt darüber hinaus, wenn die jeweilige Pulverσresse in üblicher Weise zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Preßkörper vorgesehen ist, trotz des für die Drehantriebe und die Meß- und Regeltechnik erforderlichen Mehraufwandes zu substanziellen
Iπvestltionskosteneinsparungen. Schließlich ist hervorzuheben, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Herstellung von Preßkörpern ermöglicht, die eine deutlich gleichmäßigere Dichteverteilung aufweisen, als dies bisher möglich war.
Anhand des in der einzigen Figur schematisch im Aufriß dargestellten Ausführungsbeispiels einer Metallpulverpresse wird die erfindungsgemäße Vorrichtung nachfolgend näher erläutert.
Diese hydraulische Presse weist einen Pressenrahmen 16 auf, der mit einem Oberkolbeπ 14 und einem Unterkolben 15 bestückt ist. Etwa in der Mitte des Pressenrahmens 16 ist eine Matrize 1 orts- und drehfest gelagert. Im Oberkolben 14 ist ein Oberstempel 2 und im Unterkolben 15 ein Unterstempel 3 jeweils drehbar gelagert. Der Oberstempel 2 ist durch eine vorgespannte Feder 9, die die Aufnahmevorrichtung für den Oberstempel 2 in Preßrichtung gegen einen festen Anschlag drückt, gegen die Preßrichtung nachgiebig gelagert. Die Federkraft der Feder, deren Einfederung durch einen Anschlag begrenzt ist, ist in jedem Fall deutlich kleiner als die maximal auftretende Preßkraft für das jeweilige Werkzeug, so daß der Oberstempel möglichst schon zu Beginn des Preßvorgangs auf Anschlag steht. Der Mantel der Matrize 1 und die beiden Stempel 2, 3 weisen eine miteinander korrespondierende Schrägverzahnung auf. Zur hochgenauen Ermittlung der jeweiligen linearen Position der beiden Kolben 14, 15 und somit auch der damit verbundenen Stempel 2 bzw. 3 sind zwei Wegmeßsysteme 10, 11 vorgesehen, die z.B. als Inkrementalmeßstab oder Linearpotentiometer ausgebildet sein können. An den beiden Kolben 14, 15 ist jeweils ein Drehantrieb 5 bzw. 7 befestigt (z.B. elektrischer Servomotor), dessen aktuelle Drehwinkelstellung mittels eines kombinierten Winkel- und Drehmomentenmeßsystems 12 bzw. 13 fortlaufend erfaßbar ist. Die Stempel 2, 3 verfügen über Meßeinrichtungen 12a, 13a zur Erfassung des auftretenden Torsioπsmomentes. Die beiden Drehantriebe 5, 7 sind jeweils über ein Stirnradgetriebe mit einem der beiden Stempel 2 bzw. 3 antriebstechnisch verbunden. Zur Positionierung der beiden Kolben 14, 15 der Presse sind zwei Servoproportionalventile 4, 6 vorgesehen. Schließlich weist die dargestellte Presse noch eine elektronische Steuerung 8 (gestrichelt eingerahmt) auf, die in sich hierarchisch aufgebaut ist und aus einem CNC-Hauptprozessor 21, jeweils einer Regeleinheit 19 bzw. 20 für die lineare Bewegung des Oberkolbens 14 bzw. des Unterkolbens 15 und jeweils einer Regeleinheit 17 bzw. 18 für die Drehbewegung der beiden Stempel 2 bzw. 3 besteht. Die Ein-/Ausgabeeinheit des CNC-Hauptprozessors 21 zur Steuerung und Einrichtung der Presse durch das Bedienpersonal ist mit 22 bezeichnet. Die informationstechnische Verknüpfung der elektronischen Baueinheiten und Sensoren ist durch entsprechende Pfeile symbolisch dargestellt. Die beiden Regeleinheiten 19, 20 sind dem CNC-Hauptprozessor 21 und die Regeleinheiten 17, 18 für die Drehbewegung als slave jeweils einer der beiden Regeleinheiten 19 bzw. 20 für die lineare Kolbenbewegung untergeordnet. Die Regeleinheit 19 ist im dargestellten Beispiel als Master der Regeleinheit 20 (Submaster) untergeordnet, d.h. daß die Bewegung des Oberkolbens 14 und damit die Bewegung des Oberstempels 2 als Führungsgröße für den Bewegungsablauf zugrunde gelegt wurde. Das kombinierte Winkel- und Drehmomentmeßsystem 12 bildet zusammen mit dem Drehantrieb 5 und der Regeleinheit 17 einen geschlossenen Regelkreis, wobei. die Regeleinheit 17 ihren Sollwert jeweils von der Regeleinheit 19 des Linearantriebs des Kolbens 14 entsprechend dessen aktueller vom Wegmeßsystem 10 erfaßten axialen Position erhält. Entsprechendes gilt für die funktionsgleichen Baueinheiten für den Antrieb des Unterstempels 3, wobei dessen lineare Position in Abhängigkeit von der linearen Position des Oberstempels 2 geregelt wird. Der CNC-Hauptprozessor 21 übernimmt übergeordnete Regel- und Kontrollfunktionen sowie die Verarbeitung der Vorgabedaten für das jeweils herzustellende Teil. Innerhalb des Pressenrahmens 16 ist durch eine gestrichelte Uπrahimmg angedeutet, welche Hauptfunktionsteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Werkzeugadapters zu einer leicht auswechselbaren, mit Ober- und Unterkolben 14, 15 verbindbaren Baueinheit zusammengefaßt sein können.
Die Arbeitsweise der dargestellten Presse ist wie folgt:
Nach Ausformen eines Preßkörpers wird der Unterstempel 3 entsprechend dem Schrägungswinkel des herzustellenden schrägverzahnten Zahnrads unter Einsatz des Drehantriebs 7 positionsgeregelt aufgrund der durch das Wegmeßsystem 11 und das WinkelmeßSystem 12 festgestellten Istwerte in die FüllStellung nach unten gefahren. Der Unterstempel 3 bleibt dabei in den Formraum der Matrize 1 eingetaucht. Der Oberstempel 3 befindet sich oberhalb des Formraums. Nach Befüllung des Formraums mit Stahlpulver wird der Oberstempel 2 mittels der Regeleinheit 19 anhand der Daten des Wegmeßsystems 10 positionsgeregelt nach unten gefahren. Gleichzeitig wird über die Regeleinheit 17, das Winkelmeßsystem 12 und den Drehaπtrieb 5 eine koordinierte Drehbewegung des Oberstempels 2 eingeleitet, so daß die relative Drehstellung des Oberstempels 2 zur Verzahnungskontur des Formraums der Matrize 1 ein berührungsloses Eintauchen des Oberstempels 2 in den Formraum gestattet. Damit beginnt die eigentliche Preßphase, in der das eingebrachte Stahlpulver verdichtet wird. Hierzu werden bei ortsfest bleibender Matrize 1 gleichzeitig der Unterkolben 3 und der Oberkolben 2 gegensinnig in den Formraum hineingefahren, wobei die Drehantriebe 7 bzw. 5 für eine Minimierung der Reibung zwischen den Stemueln 2, 3 und der Matrize 1 sorgen. Da die beiden Winkelmeßsysteme 12, 13 als Kombiinstrumente auch zur Erfassung des Antriebsdrehmoments eingrichtet sind, kann zusätzlich oder alternativ zur Positionsregelung des Drehantriebs 5, 7 auch eine Drehmomentregelung in Abhängigkeit von der axialen Position der Stempel 2, 3 erfolgen. Nach Erreichen der Preßendstellung wird zum Ausformen des erzeugten Preßkörpers das AntriebsSystem des Oberstempels 2 umgeschaltet, d. h. der Oberstempel 2 wird linear und rotatorisch positionsgeregelt entsprechend der Kontur des Preßkörpers aus dem Formraum herausgefahren, wobei gleichzeitig der Unterkolben 3 ebenfalls entsprechend positionsgeregelt weiter nach oben gefahren wird, bis seine obere Stirnfläche bündig mit der Oberseite der Matrize 1 steht, der Preßkörper also freigelegt ist (Ausstoßverfahren). Während des Ausformens kann dςr Preßkörper gezielt unter einer gewünschten Auflast gehalten werden.

Claims

nPatentansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung von Preßkörpern mit zylinderförmigen Hauptformelementen und schraubenlinienförmigen Nebenformelementen aus pulverförmigem Material, insbesondere aus Metallpulver, mit einer Matrize (1) und mit mindestens einem um seine Längsachse drehbar gelagerten Oberstempel (2) sowie mindestens einem um seine Längsachse drehbar gelagerten Unterstempel (3), wobei die Stempel (Oberstempel (2) und Unterstempel (3)) axial relativ zur Matrize (1) motorisch angetrieben verfahrbar sind und der mindestens eine Oberstempel (2) zur Erzielung einer schraubenlinienförmigen Bewegung zusätzlich zu seinem Axialantrieb rotatorisch um seine Längsachse angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung (3) vorgesehen ist, daß der mindestens eine Unterstempel (3) ebenfalls rotatorisch angetrieben ist und daß die motorischen Rotationsantriebe der Stempel (2, 3) jeweils von den Antrieben für die Axialbewegung der Stempel (2, 3) mechanisch entkoppelt sind und separat durch die Steuerung (8) regelbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß das Eintauchen des mindestens einen Oberstempels (2) in den Foππraum der Matrize (1) hinsichtlich der axialen und der rotatorischen Bewegung positionsgeregelt erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß der mindestens eine Oberstempel (2) bis zum Eintauchen in den Formraum der Matritze (1) nur linear (d.h. ohne Drehbewegung) bewegt wird, und daß der mindestens eine Oberstempel (2) axial gefedert gelagert ist (Federung 9).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß die Rotationsbewegungen der Stempel (2, 3) während des Verdichtungsvorgangs positionsgeregelt erfolgen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß die Rotationsbewegungen der Stempel (2, 3) während des Verdichtungsυorgangs mit vorgegeDenen Drehmomentwerten erfolgen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß die Drehmomentwerte jeweils in Abhängigkeit von der aktuellen Preßkraft, dem aktuellen Torsionsmoment oder der axialen Position der betreffenden Stempel (2, 3) geregelt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß die Rotationsbewegungen der Stempel (2, 3) jeweils mit einem zeitlich konstanten Drehmomentwert erfolgen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß die Rotationsantriebe der Stempel (2, 3) entsprechend dem Steigungswinkel der Schraubenlinie und dem Werkzeugspiel zwischen dem jeweiligen Ober- (2) und Uπterstempel (3) einerseits und der Matrize (1) andererseits kurz vor Erreichen der Preßendstellung abgeschaltet werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8) in der Weise eingerichtet ist, daß die Rotationsbewegungen der Stempel (2, 3) für das Befüllen der Matrize (1) und das Ausformen des Preßkörpers steuerungstechnisch in teilweise entsprechend umgekehrter Weise wie für das Verdichten erfolgt (Ausstoßverfahren).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialantriebe der Stempel (2, 3) hydraulisch sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rotationsbewegungen hydraulische oder pneumatische Antriebe vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rotationsbewegungen elektromotorische Antriebe (5, 6), insbesondere elektrische Schritt- oder Servomotoren vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil einer CNC-gesteuerten Pulverpresse ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ihre mechanischen Teile (1, 2, 3) einen in eine Presse einsetzbaren Werkzeugadaptor bilden.
15. Vorrrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Matritze (1) starr gelagert ist.
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