Pressengetriebenes Werkzeugmodul, insbesondere eine pressengetriebene Querstanz- oder Biegeeinheit
Die Erfindung betrifft ein pressengetriebenes Werkzeugmodul, insbesondere eine pressengetriebene Querstanz- oder Biege- ein eit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Werkzeugmodule sind beispielsweise aus dem Pros- oektblatc "MILFAB" der Danly Deutschland GmbH bekannt. Sie besitzen einen Stößel, an dem ein Werkzeug, beispielsweise ein Stanz- oder Biegewerkzeug anbringbar ist. Der Stößel ist in einer Führungsbuchse eines Grundkörpers verschiebbar gelager-. Die Verschieberichtung ist durch die Anordnung der Führungsbuchse vorgegeben und verlauf- horizontal. Parallel zum Stößel ist entweder innerhalb oder außerhalb des Grund- körpers eine Schraubenfeder angebracht und mit dem Stößel derart gekoppelt, daß sie der Verschiebung des Stößels entgegenwirkt und als Rückstellfeder dient. Der Stößel wird an seiner dem Werkzeug abgewandten Stirnseite von einem Kipphebel betätigt. Dieser ist schwenkbar im Grundkörper
gelagert und wird von einem Pressenstößel vertikal beauf¬ schlagt. Durch die Abwärtsbewegung des Pressenstößels beim Arbeitshub schwenkt der Kipphebel um seine Achse und drückt dabei den das Werkzeug tragenden Stößel in horizontaler Richtung nach vorne. Nach Beendigung des Stanz- oder Biege¬ vorgangs erfolgen der Rückhub des Pressenstößels sowie die Rückstellbewegung des das Werkzeug tragenden Stößels infolge der Wirkung der Rückholfeder. Die Rückholfeder ist deshalb erforderlich, weil der Pressenstößel nicht mit dem Kipphebel fest verbunden ist. Vielmehr hat im allgemeinen der Pressen¬ stößel im Bereich seiner oberen Totpunktlage keine Be¬ rührung mit dem Kipphebel.
Derartige Werkzeugmodule haben eine weite Verbreitung gefun¬ den, da sie universell in allen gängigen Pressen einsetzbar sind. Sie werden dort an der gewünschten Stelle fixiert. Hierzu sind am Grundkörper verschiedene Befestigungsmöglich¬ keiten, wie z.B. Bohrungen, Paßfedernuten oder Absätze angeordnet.
Dennoch weisen sie eine Reihe von Nachteilen auf. So unter¬ liegt der als kraftumlenkendes Organ wirkende Kipphebel einem sehr starken Verschleiß, weil die Schwenkachse die übertragenen hohen Kräfte aufnehmen muß. Dies betrifft weiterhin die mit dem Pressenstößel und dem das Werkzeug tragenden Stößel in Berührung stehenden Gleitflächen des Kipphebels. Auch bieten derartige Werkzeugmodule hinsicht¬ lich ihrer Anordnungsmöglichkeit im Falle einer erforderli¬ chen Mehrfachanordnung wenig Flexibilität, da in der Regel jeweils nur ein Kipphebel durch den Pressenstößel betätigbar ist. Deshalb sind häufig aufwendige Konstruktionen erforder¬ lich, um gleichzeitig mehrere Werkzeuge durch einen zentra¬ len Kipphebel zu betätigen. Eine einmal vorgewählte geome¬ trische Konfiguration muß in der Regel beibehalten werden,
selbst geringfügige Modifikationen in der Geometrie erfor¬ dern die Sonderanfertigung eines neuen Werkzeugmoduls.
Der vorliegenden Erfindung lag deshalb das Problem zugrunde, ein pressengetriebenes Werkzeugmodul der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist. Insbesondere sollte ein pressengetrie¬ benes Werkzeugmodul geschaffen werden, bei welchem die Kraftumlenkung, d.h. die Umlenkung des durch den Pressen¬ stößel bewirkten vertikalen Krafteintrags in eine hiervon beliebig abweichende Richtung sicher möglich und gleichzei¬ tig ein Höchstmaß an Flexibilität gewährleistet ist.
Dieses Problem wird gelöst durch ein pressengetriebenes Werkzeugmodul, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Kraftumlenkung nicht mehr mechanisch, sondern hydraulisch zu realisieren. Hierbei wird die kinetische Energie des Pressenstößels dazu benutzt, ein Hydraulikmedium jeweils kurzzeitig unter Hoch¬ druck zu setzen, so daß der gewünschte Stanz- oder Biegevor¬ gang ausgeführt werden kann.
Zwar ist es auch schon bekannt geworden, beispielsweise aus der DE 26 00 948 B2, einen Hydraulikzylinder zur Formgebung zu benutzen, wobei ein im Zylinder verschiebbarer Arbeits¬ kolben mit einer Kolbenstange ein Werkzeug trägt. Zum An¬ trieb wird eine Hydraulikflüssigkeit verwendet, die von einem separaten Hydraulikaggregat unter Druck gesetzt wird. Derartige Hydraulikaggregate sind jedoch nicht von einer Presse antreibbar, sondern besitzen in der Regel Elektromo-
toren. Um den für einen Stanz- oder Biegevorgang aufzubrin¬ genden Druck statisch aufzubringen, ist es erforderlich, eine sehr hohe Leistung zu installieren. Dies ist unökono¬ misch, da der für die Bearbeitung erforderliche Maximaldruck lediglich kurzfristig, d.h. impulsartig benötigt wird. In der genannten Druckschrift wird deshalb eine aufwendige Konstruktion vorgeschlagen, bei der über einen Hilfskolben gesteuert eine schlagartige, hohe Krafteinwirkung durch Freigabe einer gespeicherten Energie bewirkt wird. Abgesehen von dem hierzu erforderlichen technischen Aufwand läßt sich eine derartige Konstruktion nicht mit einer vorhandenen Presse betreiben, sondern erfordert eine komplette Umkonfi- guration der Bearbeitungsstation mit Hydraulikaggregaten.
Im Gegensatz hierzu kann beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung die vorhandene Presse weiter benutzt werden, so daß eine flexible Umrüstung durch Einsatz anderer Werkzeug¬ module, also auch herkömmlicher Module, bei Bedarf möglich ist.
Insbesondere bietet das erfindungsgemäße Werkzeugmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, die das Werkzeug tragende Arbeitseinheit und die das Hydraulikmedium unter Druck setzende Krafteinheit in räumlicher Trennung voneinander anzubringen wobei beide Teileinheiten durch eine Hochdruckleitung verbunden werden. Auf diese Weise ist es möglich, gleichzeitig mehrere Arbeitseinheiten durch eine einzige gemeinsame Krafteinheit zu betätigen. Ohne nennens¬ werten Aufwand kann die Position jeder Arbeitseinheit verän¬ dert werden. Insbesondere läßt sich auch die Richtung der Bearbeitung nicht nur rein horizontal, sondern hiervon abweichend in jeder beliebigen Winkellage realisieren.
Im übrigen ergibt sich eine äußerst einfache Handhabung des
Werkzeugmoduls dadurch, daß das Hydraulikmedium im wesentli¬ chen drucklos in der Krafteinheit eingebracht ist und ledig¬ lich jeweils für eine kurze Zeitspanne unter Hochdruck gesetzt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Arbeitseinheit ein Gasfederelement als Rückstell¬ feder integriert, welches ohne zusätzlichen Platzbedarf innerhalb des Zylinderraums sowie gegebenenfalls innerhalb des Kolbens und der Kolbenstange integriert ist. Bei Anwen¬ dungsfällen mit relativ geringen Rückstellkräften kann auch eine Schraubenfeder als preisgünstige Alternative vorgesehen werden. -.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels nähert erläu¬ tert. Dort werden auch weitere Vorteile im Detail erläutert. Es zeigen
Figur 1 - Schnittdarstellung des Werkzeugmoduls, Pressen¬ stößel im oberen Totpunkt und
Figur 2 - Schnittdarstellung des Werkzeugmoduls, Pressen¬ stößel im unteren Totpunkt.
Das Werkzeugmodul besteht aus zwei Teileinheiten, nämlich einem Arbeitszylinder A und einem Kraftzylinder K.
Der Arbeitszylinder A weist einen Grundkörper 33 mit einer zylindrischen Bohrung auf. In der zylindrischen Bohrung ist ein Arbeitskolben 10 verschiebbar angeordnet. Am Arbeitskol-
ben 10 ist eine Kolbenstange 9 angebracht, welche stirnεei- tig ein Werkzeug 18 in Form eines Stempels trägt. Die Kol¬ benstange 9 ist ebenfalls verschieblich in einer Lagerbuchse 11 geführt, die den Grundkörper 33 abschließt. Die Führungs¬ buchse 11 ist mit dem Grundkörper 33 verschraubt. Die Füh¬ rungsbuchse 11 ragt mit einem Absatzsteg 34 in das Innere der Zylinderbohrung des Grundkörpers 33 hinein. Im Überlap¬ pungsbereich zwischen dem Grundkörper 33 und der Lagerbuchse 11 ist ein Dichtring 35 angebracht, dessen Funktion nachste¬ hend näher erläutert wird. Der Verschiebeweg des Arbeitskol¬ bens 10 wird einerseits begrenzt durch das stirnseitige Anliegen am Grundkörper 33 und andererseits durch das Anlie¬ gen am Absatzsteg 34 der Lagerbuchse 11. Der Abstand zwi¬ schen diesen beiden Endlagen ist der Hub HA des Arbeits¬ kolbens 10 und entspricht damit dem Betrag der maximalen Verschiebung des Werkzeugs 18. Gleichzeitig wird hierdurch der Arbeitsraum 22 als Axialabschnitt der Zylinderbohrung des Grundkörpers 33 definiert.
Der Arbeitskolben 10 ist mit einer Hochdruckdichtung 5 versehen, so daß der Arbeitsraum 22 an dieser Stelle zwi¬ schen dem Arbeitskolben 10 und der Zylinderbohrung des Grundkörpers 33 hochdruckabgedichtet ist.
Der Kraftzylinder K weist einen Basisblock 1 auf, auf dem ein Führungsblock 2 aufgesetzt und mit diesem dicht ver¬ schraubt ist. Der Führungsblock 2 besitzt eine Durchgangs¬ bohrung, in die die Gleitbuchse 27 eingesetzt ist. Die Gleitbuchse 27 übernimmt die Führung einer Kolbenstange 3, die an einem Tauchkolben 23 befestigt ist. Die die Kolben¬ stange 3 aufnehmende Bohrung geht im Inneren des Führungs¬ blocks 2 in eine zylindrische Bohrung größeren Durchmessers über, die mit einem Innengewinde 36 versehen ist. Das Innen¬ gewinde 36 ist im Eingriff mit einem Außengewinde 37, das an
einem nach oben weisenden Absatzring 38 des Basisblocks 1 angebracht ist.
Im Basisblock ist eine Zylinderbohrung angebracht, die im wesentlichen den Verdrängerraum 24 darstellt und nach oben hin in die Zylinderbohrung des Führungsblocks 2 übergeht. Der Durchmesser der Zylinderbohrung des Führungsblocks 2 ist größer als der Außendurchmesser des Tauchkolbens 23, so daß zwischen dem Tauchkolben 23 und dem Führungsblock 2 ein Ringraum 26 verbleibt. Im Bereich des Absatzrings 38 ist der Durchmesser der Zylinderbohrung auf den Durchmesser des Tauchkolbens 23 abgestimmt.
Nach unten hin nimmt der Durchmesser der Zylinderbohrung im Basisblock 1 geringfügig nach Art eines Einstichs zu. Von hier aus geht eine Bohrung 25 ab, die den Verdrängerraum 24 mit dem Arbeitsraum 22 des Arbeitszylinders A verbindet. Der Verdrängerraum 24, die Bohrung 25, der Arbeitsraum 22 sowie Teile des Ringraums 23 sind mit Hydraulikmedium M gefüllt. Es handelt sich hierbei um ein Öl mittlerer Viskosität.
In der in Figur 1 skizzierten Stellung des Tauchkolbens 23 hat der Ringraum 26 Verbindung mit dem Verdrängerraum 24, so daß sich eine durchgehende Flüssigkeitssäule vom Verdränger¬ raum 24 zum Ringraum 26 einstellt. In dieser Position kann über das hier nicht näher dargestellte Einfüllventil 10 Hydraulikmedium M ergänzt werden. Zur Erleichterung des Einfüllvorgangs ist eine in den Arbeitsraum 22 mündende Entlüftungsbohrung 30 vorgesehen, die mit einer Entlüftungs¬ schraube 12 dicht verschließbar ist. Durch das Befüllen steigt der Flüssigkeitspegel im Kraftzylinder nach oben, bis schließlich der gesamte Ringraum 26 gefüllt ist und damit die Funktion eines Vorratsraumε für das Hydraulikmedium M
hat. In einer hiervon abweichenden Position des Verdränger¬ kolbens 23, wie sie beispielsweise durch Figur 2 charakte¬ risiert ist, ist der Vorratsraum 26 vom Verdrängerraum 24 getrennt. Hierfür sorgt eine Hochdruck-Ringdichtung 4, die im Absatzring 38 des Basisblocks 1 gelagert ist und den Tauchkolben 23 dicht umschließt.
Im Arbeitszylinder A ist ein Gasfederelement integriert. Hierzu wird der Ringraum benutzt, der in radialer Richtung zwischen der Kolbenstange 9 und der Zylinderbohrung des Arbeitszylinders A und in axialer Richtung zwischen dem Arbeitskolben 10 und der Lagerbuchse 11 liegt. Dieser Be¬ reich wird gasdicht dadurch gestaltet, daß der Arbeitskolben 10 mit einer Gasdichtung 6 und die Lagerbuchse 11 mit der Gasdichtung 7 versehen ist, welche den Übergang von der Kolbenstange 9 zur Lagerbuchse 11 abdichtet. Weiterhin dichtet die oben erwähnte Dichtung 35 den Übergang vom Grundkörper 33 zur Lagerbuchse 11. Der Ringraum 31 ist mit Stickstoffgas unter hohem Druck gefüllt. Eine Verschiebung des Arbeitszylinders 10 aus der in Figur 1 dargestellten Ausgangsposition heraus nach rechts verkleinert das Volumen des Ringraums 31, das darin befindliche Gas wird kompri¬ miert. Bei einer Entlastung des Arbeitskolbens 10 entspannt sich das Gas und drückt den Arbeitskolben 10 in seine Aus¬ gangsposition zurück. Um den Druckanstieg infolge der Ver¬ schiebebewegung im Ringraum 31 zu begrenzen, werden das Innere des Kolbens 10 und der Kolbenstange 9 weitgehend aufgebohrt, so daß sich ein gemeinsamer Hohlraum 32 ergibt, der über eine Bohrung 16 zum Ringraum 31 Verbindung hat. Somit sind der Hohlraum 32 und die Bohrung 16 ebenfalls mit Gas gefüllt. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Hohlraums läßt sich die gewünschte Federcharakteristik erzielen. Dies ermöglicht eine äußerst kompakte Bauweise, da das Gasfederelement vollständig im Inneren des Arbeitszylin-
ders A integriert ist.
Die Gasfüllung kann durch ein nicht näher dagestelltes Gasventil 8 eingebracht bzw. bei Bedarf ergänzt werden.
Die Funktionsweise des Werkzeugmoduls wird nachstehend im Detail erläutert:
Der Ausgangspunkt als Beginn eines Bearbeitungszykluses ist in Figur 1 dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen Stanzvorgang, bei dem ein Loch in ein Werkstück 20 gestanzt werden soll. Das Werkstück 20 ist von einer Matrize 21 gehalten, die ihrerseits an einer Stützplatte 19 befestigt ist.
Ein Pressenstößel 17 einer hier nicht dargestellten Presse befindet sich in seiner oberen Totpunktlage. Das Werkzeug 18 befindet sich in zurückgezogener Position, wobei der Ar¬ beitskolben 10 infolge der Wirkung des Gasfederelements stirnseitig im Inneren der Zylinderbohrung des Grundkörpers 33 anliegt. Hierdurch wird über das Hydraulikmedium M der Verdrängerkolben 23 gegen die Schulter des Führungsblocks 2 gedrückt gehalten. Der Verdrängerkolben 23 hat keine Be¬ rührung mit der Hochdruck-Ringdichtung 4, so daß sich eine durchgehende Flüssigkeitssäule im Verdrängerraum 24 und im Vorratsraum 26 ausgebildet hat.
Nunmehr beginnt der Pressenstößel 17 seine Abwärtsbewegung und trifft auf die Kolbenstange 3 auf. Durch die weitere Abwärtsbewegung des Pressenstößels 17 wird über die Kolben¬ stange 3 der Verdrängerkolben 23 vertikal nach unten gezwun¬ gen. Er gerät dabei nach kurzer Wegstrecke in Kontakt mit der Hochdruck-Ringdichtung 4, so daß von da ab der Verdrän¬ gerraum 24 zum Vorratsraum 26 hin abgedichtet ist. Durch die
weitere Abwärtsbewegung des Tauchkolbens 23 erhöht sich der Druck des Hydraulikmediums M, das sich im Verdrängerraum 24 und in der Bohrung 25 befindet. Beim weiteren Druckanstieg wird zunächst der Arbeitskolben 10 gegen die Wirkung des Gasfederungselements (in der Darstellung gemäß Figur 1 und 2) nach rechts verschoben. Der Druckaufbau in dem Hydraulik¬ medium M bewegt sich zunächst im Niederdruckbereich, da lediglich der Arbeitskolben 10 eine Verschiebebewegung vollführt und damit das Werkzeug 18 zustellt.
Beim Auftreffen des Werkzeugs 18 auf das Werkstück 20 steigt der Druck im Hydraulikmedium M schlagartig an, da der Tauch¬ kolben 23 durch den Pressenstößel 17 weiter nach unten gezwungen wird, der Arbeitskolben 10 jedoch infolge des Anliegens des Werkzeugs 18 am Werkstück 20 in seiner Posi¬ tion verharrt. Der Druck steigt weiter so lange an, bis die zum Stanzen erforderliche Kraft aufgebaut ist und das Werk¬ zeug schlagartig in die Matrize eindringt. Das Eindringen in die Matrize wird durch das Anliegen des Arbeitskolbens am Absatzsteg 34 der Lagerbuchse 11 begrenzt. Dies entspricht der in Figur 2 dargestellten Position.
Der Pressenstößel 17 hat seine unterste Position, den unte¬ ren Totpunkt (U.T.) erreicht und ist im Begriff, seine Bewegungsrichtung umzukehren und sich nach oben zu bewegen. Hierdurch wird dem Verdrängerkolben 23 ermöglicht, in seine Ausgangsposition zurückzukehren. Da die Kolbenstange 3 nicht mit dem Pressenstößel 17 verbunden ist, wird der Rückhub des Tauchkolbens 23 durch den Rückhub des Arbeitskolbens 10 bewirkt. Hierfür sorgt das integrierte Gasfederelement, welches infolge der Verschiebung des Arbeitszylinders 10 komprimiert wurde und nunmehr wieder expandieren kann. Infolge der Expansion wird der Arbeitskolben 10 stirnseitig zur Anlage an der Zylinderbohrung in dem Grundkörper 33
gebracht, so daß erneut die in Figur 1 angedeutete Position erreicht wird.
Stirnseitig am Führungsblock 2 ist ein höhenjustierbarer mechanischer Anschlag 15 angebracht, der als Hubbegrenzung für den Pressenstößel 17 und damit für den Verdrängerkolben 23 dient. Er soll verhindern, daß der Tauchkolben 23 verse¬ hentlich zu tief in den Verdrängerraum 24 eindringt und dadurch den Druck im Hydraulikmedium M auf einen unzulässig hohen Wert ansteigen läßt. Damit sind Bedienungsfehler praktisch ausgeschlossen. Zusätzlich kann in Hydraulikmedium (M) führenden Bereichen, beispielsweise im Bereich der Bohrung 25, eine hier nicht dargestellte Berstsicherung vorgesehen werden.
Von oben mündet in den Vorratsraum 26 eine Druckausgleichs¬ bohrung 29, die mit einem Niederdruckventil 13 verschlossen ist. Das Niederdruckventil 13 sorgt für einen Druckaus¬ gleich, sofern der infolge der Verschiebebewegung des Tauch¬ kolbens 23 erzeugte Über- oder Unterdruck vorbestimmte Grenzen übersteigt. Auch verhindert es ein Überfüllen mit Hydraulikmedium M.
Ohne Funktionseinbuße ist auch eine räumlich getrennte Anordnung von Kraftzylinder K und Arbeitszylinder A möglich, wobei die Bohrung 25 durch eine Hochdruckleitung zu ersetzen ist. Auch kann an dem Kraftzylinder K eine Vielzahl von Arbeitszylindern A angeschlossen werden, deren Hochdrucklei¬ tungen entweder einzeln oder über eine Mehrfachkupplung mit dem Kraftzylinder gekoppelt werden. Insbesondere bei Verwen¬ dung einer flexiblen Leitung als Hochdruckleitung läßt sich eine völlig variable und freizügig zu gestaltende Konfigura¬ tion verwirklichen.
In einem konkreten Fall wurden die folgenden Druck- und Größenverhältnisse bestimmt.
In der in Figur 1 dargestellten Position befindet sich Öl mittlerer Viskosität unter Umgebungsbedingungen im Verdrän¬ gerraum 24 und im Vorratsraum 26. Im Gasfederelement befin¬ det sich Stickstoffgas unter einem Druck von 100 bar. Wäh¬ rend des Bearbeitungsvorgangs steigt der Öldruck auf maximal 400 bar an, der Druck im Gasfederungselement erreicht etwa 140 bar.
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F I G U R E N L E G E N D E
Basisbiock 25 Bohrung, Hochdrucklei Führungsblock 26 Vorratsraum Kolbenstange 27 Gleitbuchse Hochdruck-Ringdichtung 28 Stirn läche Hochdruckdichtung 29 Druckausgleichsbohrun Gasdichtung 30 Entlüftungsbohrung Gasdichtung 31 Ringraum Gasventil 32 Hohlraum Kolbenstange 33 Grundkδrper Arbeitskolben 34 Absatzsteg Lagerbuchse 35 Dichtring Entlüftungsschraube 36 Innengewinde Niederdruckventil 37 Außengewinde Einfüllventil •38 Absatzring Anschlag Bohrung Pressenstößel A Arbeitszylinder Werkzeug K Kr ftzylinder Stützträger M Hydraulikmedium Werkstück Matrize Arbeitsraum H. Hub des Tauchkolben Arbeitskolbens Verdrängerraum H K Hub des Tauchkolbens
ERSATZBLATT