EP0839638B1 - Verfahren zur Herstellung von Kopfflächen von mit zylindrischen Druckrollen zusammenwirkenden Stempeln für Rundlaufpressen und nach diesem Verfahren hergestellte Stempel - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kopfflächen von mit zylindrischen Druckrollen zusammenwirkenden Stempeln für Rundlaufpressen gemäß dem Merkmal im Oberbegriff von Patentanspruch 1 und nach dem Verfahren hergestellte Stempel gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 3.
• Aus der DE 195 02 596 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kraft-Weg-Diagramms der Preßstempel einer Rundläufer-Tablettenpresse (Rundlaufpresse) bekannt, bei dem mit einem minimalen Meßaufwand unter Produktionsbedingungen die Kompressionscharakteristik des auf einer Rundläuferpresse verpreßten Materials ermittelt werden kann. Hierbei wird der Verlauf der Preßkraft mindestens eines Preßstempels in Winkelschritten gemessen und im Rechner gespeichert. Eine Umdrehung des Rotors entspricht z.B. 3.600 Winkelimpulsen. Jedem dieser Impulse wird eine Kraft zugeordnet und entsprechend im Rechner abgespeichert. Ferner werden im Rechner die theoretischen Werte für den Weg des Preßstempels gespeichert. Diese sind über entsprechende geometrische Beziehungen zu errechnen. Ausschlaggebend für diesen theoretischen Wert sind der Durchmesser der Druckrolle, die Form des Stempelkopfes und die Relativlage dieser Teile zueinander.Im Rechner ist eine Korrekturtabelle gespeichert, die wesentliche Einflußgrößen auf den tatsächlichen Stempelweg berücksichtigt, wie die Auffederung der Tablettenpresse und die Abplattung von Stempel und Druckrolle durch die Hertzsche Pressung. Sowohl die Auffederung als auch die Hertzsche Pressung sind abhängig von der von der Druckrolle auf den Preßstempel aufgebrachten Preßkraft. Es werden somit kraftabhängige Korrekturfaktoren ermittelt, die von den theoretischen Werten für den Stempelweg abzuziehen sind, um den tatsächlichen Stempelweg zu ermitteln. Da der Stempelkopf lediglich im Umfangsbereich einen Radius aufweist, in der Mitte jedoch plan ist, ist die Größe der Hertzschen Pressung abhängig von der Relativlage des Stempelkopfes zur Druckrolle. Die Korrekturwerte berücksichtigen daher die Abhängigkeit der Hertzschen Abplattung von der Winkelstellung des Preßstempels. Mit mathematischen Methoden kann für jeden Drehwinkel die vertikale Bewegung eines Stempelpaares berechnet werden, wobei der theoretische Gesamtweg um die Gesamtauffederung der Tablettenpresse und um die Hertzsche Abplattung zwischen Stempelkopf und Druckrolle korrigiert werden muß
• Bei diesem bekannten Verfahren wird die übliche Kopfform von Stempeln für Rundlaufpressen zugrundegelegt, nämlich die kreisförmige, abgeflachte und abgeplattete mittlere Plateaufläche und der im Querschnitt einen Radius aufweisende Randbereich. Für geringere Preßkräfte sind diese bekannten Stempelkopfformen ausreichend, um im Dauerbetrieb den erforderlichen Preßkräften an der Kontaktstelle zwischen der Druckrolle und dem Stempel zu genügen. Dabei besitzt der Stempelkopf die kreisförmige Plateaufläche, an die sich die torusförmige Einlauffläche anschließt. Im höchsten Punkt der Torusfläche kommt es bei maximaler Preßkraft zu einer punktförmigen Berührung zwischen der zylinderförmigen Druckrolle und der in zwei Ebenen gewölbten Torusfläche des Stempelkopfes und damit zu einer relativ hohen Hertzschen Pressung, dem Hauptparameter für die übertragbare Kraft zwischen den beiden Paarungskörpern, Stempelkopf und Druckrolle. Dadurch wird die Preßkraft der Rundlaufpresse begrenzt.
• Aufgrund der bei hohen Preßkräften auftretenden Pittingbildung bei der Paarung Stempelkopf-Druckrolle ist eine Grenze der zulässigen Preßkräfte mit den bekannten Stempelkopfformen heute schon erreicht und schon teilweise überschritten. Zur Erhöhung der zulässigen Preßkräfte bei zukünftigen Entwicklungen der technischen Rundlaufpressen sind die bekannten Stempelkopfformen mit der punktförmigen Berührungsstelle nicht mehr wesentlich entwicklungsfähig. Unter der Annahme einer Preßkraft von 80 kN und einer herkömmlichen Stempelkopfform ergibt sich am Übergang der Torusfläche in die Plateaufläche bei ausgeführten Stempeln in der Kontaktzone von Stempelkopf und Druckrolle eine Hertzsche Pressung von über 4300 N/mm², die einer maximal zulässigen Hertzschen Pressung für die Paarung von Stempelkopf und Druckrolle entspricht.
• Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, die Paarung von Stempelkopf und zylindrischer Druckrolle so auszugestalten, daß hohe Hertzsche Pressungen vermieden werden, sowie einen entsprechenden Stempel bereitzustellen.
• Durch Patent Abstracts of Japan, vol. 017, no. 409 (entsprechend JP 05 084 277 A) ist bekannt, daß Verschleiß verringert werden kann indem der kontakt punkt durch Kontaktlinie ersetzt wird.
• Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die beim Einwirken der zylindrischen Druckrolle auf den Stempel durch die momentanen Kontaktpunkte zwischen Stempelkopf und zylindrischer Druckrolle verlaufenden Mantellinien der zylindrischen Druckrolle auf der Kopffläche des Stempels mittels eines Werkzeuges als aufeinanderfolgende Berührungslinienschar ausgebildet werden. Die erfindungsgemäße Stempelkopfform besitzt in allen Eingriffsstellungen zwischen zylindrischer Druckrolle und Stempelkopf eine Linienberührung zwischen Stempelkopf und Druckrolle unter Vermeidung örtlicher minimaler Krümmungsradien des Stempelkopfes mit einer wesentlich kleineren Hertzschen Pressung, wodurch insgesamt eine bedeutsam größere Preßkraft zugelassen werden kann.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kopffläche von Stempeln für Rundlaufpressen so gestaltet, daß nach einer gewollten Eintauchfunktion des Stempels in die Matrize in allen Eingriffsstellen zwischen Druckrolle und Stempelkopf eine Linienberührung zwischen der Druckrolle und dem Stempelkopf stattfindet und in keiner Eingriffsstellung ein örtlich minimaler Krümmungsradius vorhanden ist. Dabei wird der Stempelkopf nach einer beliebigen, zu wählenden Eintauchfunktion in Abhängigkeit vom Drehwinkel so hergestellt,daß die momentanen Mantellinien der zylindrischen Druckrolle in den momentanen Berührungsstellen von Stempelkopf und Druckrolle auf den Stempel durch geeignete Werkzeugbewegungen übertragen werden. Damit entsteht durch kontinuierlichen Übergang von einer Eingriffsstellung zur folgenden Eingriffsstellung auf der Oberseite des Stempelkopfes zwar eine in zwei Ebenen gekrümmte Oberfläche, deren Krümmungsradius längs der Berührungslinie aber unendlich groß ist. Diese Oberfläche erfüllt einerseits das vorgegebene Eintauchverhalten des Stempels in die Matrize beim Durchdrehen des Stempels unter der Druckrolle, andererseits kommt es in jeder Eingriffsstellung zu einer Linienberührung zwischen Stempelkopf und zylindrischer Druckrolle mit einer relativ geringen Hertzschen Pressung selbst bei hoher Preßkraft, da örtliche minimale Krümmungsradien vermieden werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Oberfläche des Stempelkopfes in Abhängigkeit von den Berührungslinien der zylindrischen Druckrolle radial-linear ausgeformt, so daß der Berührungskontakt zwischen der zylindrischen Druckrolle und dem Stempelkopf ausschließlich in radial-linearen Berührungslinien erfolgt. Hierdurch werden punktförmige Berührungen und damit große Hertzsche Pressungen und aus diesen folgende Auskolkungen (Pittingbildung) vermieden.
• Der erfindungsgemäß ausgebildete Stempel für Rundlaufpressen mit einer mit zylindrischen Druckrollen zusammenwirkenden Stempelkopffläche ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelkopffläche eine aufeinanderfolgende Berührungslinienschar aufweist, die aus den durch die momentanen Kontaktpunkte zwischen Stempelkopf und zylindrischer Druckrolle verlaufenden momentanen Mantellinien der zylindrischen Druckrolle auf der Kopffläche des Stempels ausgebildet ist. Bei beliebigen Einlaufkurven der Stempelköpfe in die Druckrollen findet somit ausschließlich eine Linienberührung statt, wobei der Krümmungsradius längs einer Berührungslinie zum Pressenmittelpunkt hin abnimmt. Dadurch entsteht längs dieser momentanen Berührungslinie eine zum Pressenmittelpunkt hin größere Hertzsche Pressung als an der Stempelaußenkante.
• In weiterer Ausbildung der Erfindung ist unter der Voraussetzung einer kippsteifen Druckrollenlagerung die Berührungslinienschar zu der zum Drehmittelpunkt der Rundlaufpresse gerichteten Seite des Stempelkopfes um wenige hundertstel Millimeter geneigt ausgebildet. Dabei entsteht im unbelasteten Zustand der Paarung von Druckrolle und Stempelkopf ein Klaffen auf der zur Pressenmitte, d.h. dem Drehmittelpunkt zugeneigten Stempelkopfseite, während bei Belastung eine nahezu gleichmäßige Hertzsche Pressung über der gesamten Eingriffslinie entsteht und dadurch eine maximale Tragfähigkeit der Paarung Druckrolle-Stempelkopf ermöglicht wird.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

die prinzipielle Vorderansicht (obere Darstellung) und die prinzipielle Draufsicht (untere Darstellung) der Paarung Stempelkopf/zylindrische Druckrolle einer Rundlaufpresse,

Fig. 2

die perspektivische Ansicht einer plateaulosen Stempelkopffläche gemäß der Erfindung,

Fig. 3

die Draufsicht auf die Stempelkopffläche nach Fig. 2,

Fig. 4

die der Fig. 2 entsprechende perspektivische Ansicht mit grafisch dargestelltem maximalen und minimalen Krümmungsradius und

Fig. 5

ein Diagramm des Krümmungsradius und der Hertzschen Pressung über dem Stempelkopfquerschnitt.

• In Fig. 1 ist der geometrische Zusammenhang zwischen der Einlaufkurve des Stempels 1 in die nicht dargestellte Matrize und der zur Erzeugung der Kopffläche 2 des Stempels 1 notwendigen Werkzeugbahn für ein zylindrisches Werkzeug 3 dargestellt. Die zur Fertigung dieser Kopffläche 2 notwendigen Werkzeugbewegungen ergeben sich z.B. für einen Stempel 1 mit Plateaufläche und einem kreisförmigen Stempeleinlauf in die Druckrolle 4 in Abhängigkeit von dem Werkstückdreh-winkel δ : $${\text{x}}_{\text{druck}}{\text{(δ)=r}}_{\text{flug}}\text{*sinδ}$$ $${\text{x}}_{\text{hilf}}{\text{(δ)=x}}_{\text{druck}}{\text{(δ)r}}_{\text{plateau}}$$ $${\text{y}}_{\text{hilf}}\text{(δ)=}\sqrt{{\text{(r}}_{\text{einlauf}}{\text{+r}}_{\text{druck}}{\text{)}}^{\text{2}}{\text{-x}}_{\text{hilf}}{\text{(δ)}}^{\text{2}}}$$ $${\text{y}}_{\text{druck}}{\text{(δ)=y}}_{\text{hilf}}{\text{(δ)-r}}_{\text{einlauf}}$$ $${\text{für x}}_{\text{druck}}{\text{(δ) < r}}_{\text{plateau}}\text{gilt}$$ $${\text{β(δ)=0, sonst β(δ)=arctan(x}}_{\text{hilf}}{\text{(δ)/y}}_{\text{hilf}}\text{(δ))}$$ $${\text{x}}_{\text{werkzeug}}{\text{(δ)=y}}_{\text{druck}}{\text{(δ)-r}}_{\text{druck}}\text{*cosβ(δ)}$$ mit

δ-

Werkstückdrehwinkel

r_plateau -

Plateauradius

r_einlauf -

Einlaufradius

r_druck -

Druckrollenradius

r_werkzeug -

Werkzeugradius

x_werkzeug -

x-Koordinate des Werkzeuges = f(δ)

y_werkzeug -

y-Koordinate des Werkzeuges = f(δ)

• Mit den Koordinaten δ, x_Werkzeug, Y_Werkzeug ist eine Fertigung der Stempelkopfkontur bei z.B. kreisförmiger Einlaufkurve möglich.
• In Fig. 1 sind in der oberen Darstellung die Drehachse 5 der Druckrolle 4 und die Drehachse 6 des Werkzeuges 3 und in der unteren Darstellung der Drehmittelpunkt 7 des auf dem Flugkreisradius 8 rotierenden Stempels 1 dargestellt. Die beim Einwirken der zylindrischen Druckrolle 4 auf den Stempel 1 durch die momentanen Kontaktpunkte 9 zwischen dem Stempel 1 und der Druckrolle 4 verlaufenden momentanen Mantellinien 10 der Druckrolle 4 auf der Kopffläche 2 des Stempels 1 werden mittels des Werkzeuges 3 als aufeinanderfolgende Berührungslinienschar 11 ausgebildet.
• Die Fig. 2 zeigt die perspektivische Ansicht auf die Kopffläche 2 des plateaulosen Stempelkopfes 1 mit der Berührungslinienschar 11 aus den Berührungslinien 10. Auch hier ist der Flugkreisradius 8 dargestellt. Dabei sind mit dünnen Linienzügen der Ausgangszylinder 12 für den Stempel 1 und der Flugkreisradius 8 dargestellt, auf dem die Stempel 1 um den Drehmittelpunkt 7 der Rundlaufpresse umlaufen. Aus dem Ausgangszylinder 12 werden mittels des Werkzeuges 3, z.B. ein zylindrisches Schleif- oder Fräswerkzeug, die Mantellinien 10 herausgearbeitet, wobei die frühere Punktberührung mittels der durchgehenden Mantellinien 10 in eine reine Linienberührung umgesetzt ist. Die frühere Torusform des Stempelkopfes ist durch eine gewölbte Form mit geraden Mantellinien 10 ersetzt.
• Die Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf die Kopf fläche 2 des Stempels 1 mit der Mantellinienschar 11. In der Fig. 4 ist für diejenige Eingriffslinie 10, bei welcher die maximale Preßkraft zwischen Druckrolle 4 und Stempel 1 beim Preßvorgang auftritt, der Verlauf der Krümmungsradien 14 längs der Eingriffslinie 10 aufgetragen. Für die dem Drehmittelpunkt 7 (Pfeil 13) der Rundlaufpresse zugeneigte Seite des Stempels 1 treten die kleineren Krümmungsradien 14 entlang dieser ausgewählten Eingriffslinie 10 auf. Diese Geometrie des Stempelkopfes 2 führt auf der zum Drehmittelpunkt 7 gerichteten Innenseite des Stempels 1 wegen des geringeren resultierenden Krümmungsradius (minimaler Krümmungsradius 14_min) von Druckrolle 4 und Stempel 1 auf dieser Seite des Stempels 1 zu einer höheren Hertzschen Pressung als auf der Außenseite des Stempels 1. Zum Ausgleich sind die zu erzeugenden Eingriffslinien 10 mit einer geringen Neigung so gefertigt, daß bei unbelasteter Paarung von Druckrolle 4 und Stempel 1 auf der Innenseite des Stempels 1 ein Klaffen auftritt und bei maximaler Preßkraft ein nahezu gleichmäßiger Verlauf der Hertzschen Pressung unter der Berührungslinie 10 entsteht.
• Die Fig. 5 zeigt das Diagramm über der Berührungslinie 10 der maximalen Preßkraft von 300 kN den Verlauf des Krümmungsradius 14 des Stempels 1, den Verlauf der Hertzschen Pressung 15 ohne Neigungskorrektur und den Verlauf der Hertzschen Pressung 16 mit Neigungskorrektur einer ausgeführten Paarung von Druckrolle 4 und Stempel 1. Deutlich ist das wesentliche Absenken der maximalen Hertzschen Pressung trotz höherer Preßkraft und das zusätzliche Absenken der örtlichen maximalen Hertzschen Pressung an der Stempelinnenkante durch die vorgenommene Korrektur bei gleicher Gesamtbelastung zu erkennen.Die Korrektur beträgt 0,7 µm/mm.
BEZUGSZEICHENLISTE

1

Stempel

2

Kopffläche

3

Werkzeug

4

Druckrolle

5

Drehachse der Druckrolle

6

Drehachse des Werkzeuges

7

Drehmittelpunkt der Presse

8

Flugkreisbahn

9

Kontaktpunkt

10

Mantellinie

11

Mantellinienschar

12

Ausgangszylinder

13

Pfeil zum Drehmittelpunkt der Presse

14

Krümmungsradius

15

Hertzsche Pressung ohne Neigungskorrektur

16

Hertzsche Pressung mit Neigungskorrektur

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Kopfflächen (2) von mit zylindrischen Druckrollen (4) zusammenwirkenden Stempeln (1) für Rundlaufpressen,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die beim Einwirken der zylindrischen Druckrolle (4) auf den Stempel (1) durch die momentanen Kontaktpunkte zwischen der Kopffläche (2) des Stempels (1) und der zylindrischen Druckrolle (4) verlaufenden momentanen Mantellinien (10) der zylindrischen Druckrolle (4) auf der Kopffläche (2) des Stempels (1) mittels eines Werkzeuges (3) als aufeinanderfolgende Berührungslinienschar (11) ausgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungslinienschar (11) zu der zum Drehmittelpunkt (7) der Rundlaufpresse gerichteten Seite des Stempels (1) um wenige hundertstel Millimeter geneigt ausgebildet wird.
3. Stempel (1) für Rundlaufpressen mit einer mit zylindrischen Druckrollen (4) zusammenwirkenden Kopffläche (2), hergestellt gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopffläche (2) des Stempels (1) eine aufeinanderfolgende Berührungslinienschar (11) aufweist, die aus den durch die momentanen Kontaktpunkte zwischen der Kopffläche (2) des Stempels (1) und der zylindrischen Druckrolle (4) verlaufenden momentanen Mantellinien (10) der zylindrischen Druckrolle (4) auf der Kopffläche (2) des Stempels (1) ausgebildet ist.
4. Stempel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungslinienschar (11) zu der zum Drehmittelpunkt (7) der Rundlaufpresse gerichteten Seite des Stempels (1) um wenige hundertstel Millimeter geneigt ausgebildet ist.