WO2005018850A1 - Verfahren zum umformen eines werkstücks und umformvorrichtung - Google Patents

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WO2005018850A1
WO2005018850A1 PCT/EP2004/006502 EP2004006502W WO2005018850A1 WO 2005018850 A1 WO2005018850 A1 WO 2005018850A1 EP 2004006502 W EP2004006502 W EP 2004006502W WO 2005018850 A1 WO2005018850 A1 WO 2005018850A1
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WO
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striking tool
speed
impact
workpiece
striking
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PCT/EP2004/006502
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French (fr)
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Stelios Katsibardis
Kai SPÄTH
Original Assignee
Langenstein & Schemann Gmbh
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    • B21J7/32—Drives for hammers; Transmission means therefor for power hammers operated by rotary drive, e.g. by electric motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21J7/00—Hammers; Forging machines with hammers or die jaws acting by impact
    • B21J7/20—Drives for hammers; Transmission means therefor
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    • Y10T29/53—Means to assemble or disassemble
    • Y10T29/53039—Means to assemble or disassemble with control means energized in response to activator stimulated by condition sensor

Definitions

  • the invention relates to a method for shaping a workpiece and a shaping device, in particular for use in the method or for carrying out the method.
  • press machines Numerous methods and devices are available for forming workpieces.
  • the workpieces are brought into contact with suitable tools that provide the forces required for the process.
  • the press machines generally differ in path, force and work-bound press machines.
  • the work-related forming devices or press machines in particular the screw presses.
  • the defining characteristic of these work-related press machines is the work capacity E, which is fully implemented for each work cycle.
  • the spindles are driven by a flywheel that is positively or non-positively connected, or directly by a motor.
  • the rotary movement is converted into a straight plunger movement via a steep multiple thread.
  • the kinetic energy of the flywheel, spindle and plunger is completely converted into useful and lost work.
  • the energy conversion is characterized by the impact efficiency ⁇ s. (Lexicon of production engineering, process engineering, ed. Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag).
  • An electric drive motor preferably an asynchronous motor, is generally used as the drive for the spindle or the flywheel.
  • asynchronous motor is generally used as the drive for the spindle or the flywheel.
  • a screw press is disclosed in the publication DE 34 44 240 C2, in which the speed and thus the speed of the ram are widely used. Chen is adjustable, and thus also forming work with relatively little work capacity such as edge upsetting can be carried out.
  • the screw press comprises a flywheel with its own drive, which has a pre-speed at the beginning of the tappet stroke, which can be connected to the drive disk of the spindle via a disk coupling and which comes to a standstill at the end of the forming process and is uncoupled from the spindle.
  • the spindle, including the spindle drive disc also has its own drive, which also serves to return the plunger. For the working stroke, the spindle is now accelerated by the spindle drive, preferably to a maximum, and then reduced to the synchronous speed required for the clutch with the flywheel at the end of the idle stroke.
  • DE 38 41 852 AI describes a drive arrangement for driving a threaded spindle of a screw press, in which the threaded spindle is coupled to a constantly rotating drive disk via a differential or superposition gear.
  • a shaft of the gearbox is braked for coupling.
  • Appropriate control and regulation of the braking can vary the speed and torque and thus the pressing force and lifting speed during the cycle.
  • the braking energy can be tapped and used, for example, for the ram return stroke.
  • a striking tool strikes during a striking movement from a predetermined or predeterminable starting position with a predetermined or predeterminable impact speed on the workpiece located on a carrier and the speed of the striking tool during the striking movement becomes dependent on the position of the striking tool and controlled or regulated depending on the specified impact speed.
  • the forming device according to claim 29, in particular for use in the method or for carrying out the method according to claim 1 or one of the claims dependent on claim 1 comprises at least one carrier for a workpiece, at least one striking tool, at least one drive device for moving the striking tool relative to the carrier and at least one position measuring device for determining the position of the striking tool, an initial position of the striking tool being adjustable or set for shaping the workpiece, and a control and regulating device being provided which controls the speed of the striking tool during a striking movement as a function of the position and regulates that a predetermined or predefinable impact speed on the workpiece is reached.
  • the striking movement is the preferably axial movement of the striking tool (or: ram) in the direction of the workpiece, specifically from an initial position until it collides with the workpiece.
  • the height difference that the striking tool passes through during the striking movement from the starting position to the impact on the workpiece is the stroke of the striking tool, also referred to below as the working stroke or striking stroke.
  • the striking tool is generally returned to a predetermined end position.
  • the height difference that the striking tool travels during this return movement is also referred to below as the return stroke.
  • the speed of the striking tool during the striking movement is a measure of the available kinetic energy (E).
  • the kinetic energy in the event of an impact, which results from the impact speed of the striking tool is also referred to below as forming energy.
  • the forming energy is largely converted into useful work when it hits the workpiece, which deforms the workpiece.
  • the energy loss or the resulting loss of energy is introduced into the recoil of the striking tool, among other things.
  • a core idea of the invention is that the speed of the striking tool during the striking movement can be controlled or regulated depending on the position of the striking tool in order to achieve a desired or predetermined impact speed.
  • the position (x ) of the striking tool is therefore the variable.
  • the impact speed of the striking tool is a constant, however, its value can be chosen arbitrarily.
  • the striking tool is therefore accelerated or decelerated, depending on which position (or: position) it is currently in, in order to finally reach the predetermined impact speed.
  • the starting position (x (t 0 )) of the striking tool can be determined and set depending on the predetermined impact speed, for example if the striking movement is to be carried out at a constant speed or constant acceleration, or depending on the requirements of the workflow.
  • the method according to the invention therefore has the advantage that a desired impact speed or the resulting forming energy can be achieved within a framework specified by the physical laws, regardless of the initial position set, and that, within certain limits, a desired initial position is set equally can, regardless of the specified impact speed.
  • the forming process can be used very flexibly.
  • At least one position of the impact tool can be measured or determined in order to determine the speed during the impact movement as a function of the position of the impact tool.
  • the value of the at least one position of the striking tool and the predetermined impact speed can then be used to calculate the speed values during the striking movement.
  • the position of the striking tool is preferably determined using a suitable position measuring device which transmits the position value to a control and regulating unit for controlling or regulating the striking tool.
  • a suitable position measuring device which transmits the position value to a control and regulating unit for controlling or regulating the striking tool.
  • This makes it possible, on the one hand, to determine a specific position, for example the starting position, and then to calculate the speed curve which is necessary, or which is the most favorable or optimum, in order to achieve the predetermined impact speed.
  • the striking tool is then controlled or regulated to these speed values during the striking movement.
  • control or regulation can also take place in real time, in that the current position is always is measured or determined and the speed is then calculated accordingly with the measured instantaneous position values, preferably by numerical differentiation, and is controlled or regulated.
  • the position of the striking tool according to the invention within the shaping device is known at all times has the further advantage that it enables repetitive work. It is particularly advantageous if, for example, the starting position of the striking tool and / or the position after a return movement of the striking tool is measured or determined by means of the position measuring device. If, for example, the tolerance of the striking tool's return movement is too great, i.e. the actual return stroke is greater or smaller than the predetermined height difference, so this is detected by the position measuring device and used to determine the speed course of a subsequent working stroke, so that the striking tool again hits the workpiece at exactly the predetermined impact speed.
  • the position of the impact tool is measured or determined by the impact after the workpiece has been deformed. If a workpiece is machined several times in the device, the height of the workpiece changed by the deformation can be recorded and the subsequent working stroke can be extended, for example, by this distance, so that the forming energy transferred to the workpiece is always constant.
  • the striking tool is accelerated from the starting position to the predetermined impact speed.
  • the starting position is set lower than a maximum starting position.
  • the striking tool When striking, the striking tool can generally run through a maximum working stroke predetermined by the forming device from a maximum starting position, after which the greatest or maximum impact speed and thus the maximum forming energy is reached. Due to the possible position detection of the striking tool, the The plunger or the striking tool can also be moved from any position within the maximum working stroke, so that a working stroke is smaller than the maximum working stroke. The highest attainable impact speed or forming energy is then lower than the maximum impact speed or forming energy.
  • the striking tool is accelerated from the starting position and braked when a predetermined position between the starting position and the workpiece is reached, in order to achieve the predetermined impact speed.
  • the speed is thus varied over the stroke length so that, for example, it is also possible to generate low impact speeds or forming energies from a high starting position and with a large working stroke.
  • the striking tool is first accelerated with a maximum acceleration to a maximum speed, which is reached in the predetermined position between the starting position and the workpiece, from which the striking tool is then braked to the desired impact speed, which is lower than the maximum speed.
  • a very high starting position can now be selected, for example when machining the end face of very large or long workpieces, in order to facilitate the insertion of the workpiece into the carrier.
  • a high starting position of the striking tool can be advantageous in order to facilitate the feeding. From this high starting position you can then the method according to the invention, depending on the requirement, both high and very low forming energies are generated.
  • the speed of the striking tool is controlled or regulated during the striking movement in such a way that the shortest possible working stroke time is achieved with any starting position.
  • This can be achieved by means of the open-loop and closed-loop control device, which mathematically optimizes the speed of the impact tool depending on the position and the specified impact speed of the impact tool in such a way that the shortest possible stroke time is achieved.
  • the control and regulation of the speed of the striking tool is preferably carried out with a control device that controls and regulates a variable-speed drive motor of a drive device for the striking tool.
  • a frequency converter unit which controls and regulates the speed and the direction of rotation of the drive motor is preferably used as the control and regulating device. It is particularly advantageous if the frequency converter unit uses a microprocessor to determine the speed curve of the drive motor during the impact movement as a function of a predetermined impact speed and a predetermined starting position and / or a position determined by means of a position measuring device.
  • the impact tool is raised after the impact into a predetermined or predeterminable end position by a return movement.
  • the return movement to the end position is preferably carried out in the reverse direction of rotation of the drive motor.
  • the striking tool can be raised hydraulically or pneumatically using telescopic rods. The pressure required for this can be generated, for example, when the tappet strikes by compressing a liquid or a gas in a suitable chamber. It is particularly advantageous if the speed of the striking tool is controlled and regulated as a function of the position of the striking tool during the return movement into the end position.
  • Optimal control and regulation of the speed of the striking tool is provided by the frequency converter unit, whose microprocessor determines the speed curve during the stroke as a function of the predetermined end position and / or a position determined by the position measuring device.
  • This control and regulation option can be used when retrieving the striking tool by means of the drive motor.
  • the starting position of the striking tool for the working stroke is selected as the end position of a return stroke.
  • the optimum lifting time and forming energy are always achieved.
  • the end position of the return stroke can then be selected in particular depending on the workpiece to be machined and / or on the desired impact speed in the subsequent impact movement.
  • the striking tool is accelerated away from the workpiece or carrier during the return movement into the end position and braked by means of the drive motor when a predetermined position is reached between the workpiece or the carrier on the one hand and the end position on the other hand.
  • the impact tool is then braked completely by a mechanical braking device.
  • This precise speed control during the return stroke or the resulting exact end position of the striking tool is particularly advantageous, for example, if the workpiece is moved with the striking tool upwards into the end position and is removed in the end position.
  • the workpiece can then always be removed and removed with high accuracy with the aid of a removal device, for example a gripping tool.
  • the striking tool is accelerated when accelerating with a predetermined constant acceleration.
  • the impact tool is braked with a predetermined constant braking acceleration even when braking. This ensures a high level of accuracy and an energy-saving method of working.
  • the amount of the constant starting acceleration and the constant braking acceleration can, for example, each be selected depending on the direction of movement of the striking tool, that is to say depending on whether it carries out a striking movement or a return movement. The effect of gravity on the striking tool can then be taken into account and the acceleration selected accordingly.
  • the drive motor is switched without torque before the impact of the striking tool on the workpiece and / or is uncoupled in the drive device. This avoids loads on the motor and the control device that can be generated by current and voltage peaks that occur.
  • the drive motor can usually be switched instantaneously via the frequency converter unit. The instantaneous switching or uncoupling takes place, for example, on a signal from the position measuring device shortly before the impact, so that if possible no forming energy is lost.
  • the drive motor is operated as a generator while the impact tool is being braked by means of the drive motor.
  • the energy generated by the generator during braking can then be fed back into the power grid.
  • the position of the striking tool in the shaping device is preferably determined by means of at least one, in particular non-contact position transmitter, in particular an optical or magnetic or inductive and preferably incremental position transmitter.
  • a forming device which is designed as a screw press and in which the drive motor works in the drive device of the screw press.
  • the drive motor then preferably drives a flywheel directly, which in turn sets a spindle coupled to it in rotation.
  • the spindle interacts with the striking tool, preferably via a thread, so that it is moved by the rotation of the spindle depending on the direction of rotation towards or away from the workpiece or carrier.
  • the shaping device designed in particular for use in the method or for carrying out the method according to the present invention comprises at least one carrier for the workpiece, at least one striking tool, at least one drive device for moving the striking tool relative to the carrier and at least one position measuring device for determining the position of the striking tool within the shaping device, a starting position of the striking tool being adjustable or set for shaping the workpiece, and a control and regulating device being provided which controls and regulates the speed of the striking tool as a function of the position during a working stroke, so that a predetermined or Predefinable impact speed on the workpiece is reached.
  • the forming device is preferably a screw press. However, it is also conceivable to design the forming device as another work-bound forming machine or press machine, for example a hammer, or as a force-bound press machine such as a hydraulic press.
  • the forming devices then differ essentially in the Crete configuration of the drive device. A large number of possible drives can be controlled with suitable means so that the speed can be varied over the stroke. By using the Heilmes device, this is also possible from any starting position.
  • the drive device preferably comprises a variable-speed drive motor, in particular an asynchronous motor being able to be used. Furthermore, the drive device comprises a flywheel, which is coupled to a spindle and is driven by the drive motor.
  • a frequency converter unit is used as the control and regulating device, which controls and regulates the drive motor speed and possibly also the direction of rotation of the drive motor.
  • the frequency converter unit preferably comprises a microprocessor.
  • the desired values for the respective starting position and the speed can be entered into a memory belonging to the microprocessor.
  • the values detected by the position measuring device are also transmitted to the microprocessor as a signal. From these values, the processor then determines or calculates the necessary or cheapest speed curve during a striking movement.
  • an end position for the striking tool is preferably also adjustable or set.
  • the end position is also stored in the memory associated with the microprocessor, so that the processor can also calculate the course of the return movement.
  • the return movement is preferably carried out by changing the direction of rotation of the drive motor.
  • a mechanical braking device for holding the striking tool in the end position.
  • the mechanical braking device or brake then acts when the end position is reached For example, on the flywheel and holds it, which also stops the striking tool in its movement.
  • the position measuring device preferably comprises a conventional and in particular non-contact position transmitter, in particular an optical, magnetic or inductive and preferably incremental position transmitter.
  • FIG la shows a simplified representation of an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 1b shows the method according to FIG.
  • FIG. 5 shows a speed-time diagram which represents real, measured speed-time profiles in the method according to the invention.
  • FIG. 6 shows an advantageous embodiment of a forming device for Implementation of the method according to the invention.
  • FIG. 1 a and FIG. 1 b show a simple forming device with an impact tool, in particular a plunger 1, a drive device 2 and a carrier 3, on which a workpiece 4 is arranged.
  • the position of the plunger is determined using a position sensor (not shown here, see FIG. 6).
  • the initial speeds of the ram v 0a , v ob , v 0c , v 0d are 0 m / s in all associated starting positions H 0a , H ob , H 0c , H od .
  • the plunger 1 moves downward towards the workpiece 4 located on the carrier 3 in the device. When the plunger 1 has reached the workpiece 4, it impacts with an impact velocity V A _ > v Ab , v AC) V Ad (FIG Ib).
  • the starting position H 0a , H ob , H 0c , H od of the plunger 1 can be set as desired.
  • two workpieces of different sizes or heights could be machined with the same impact speed v A , which results from the same working stroke ⁇ H, or by accelerating from different starting positions H 0a , H ob , H 0c , H od different impact speeds v Aa , v Ab , v Ac _ v Ad can be achieved.
  • the maximum working stroke ⁇ H a is reached from the initial position H 0a and, with continuous acceleration, leads to a maximum impact velocity v Aa and the associated maximum forming energy.
  • Any lower starting positions H 0b , H 0c can also be set. However, the lower the initial position is selected, the lower the maximum impact velocity that can be achieved (v Ab > v Ac ) with continuous acceleration.
  • the tappet 1 can preferably be accelerated with constant starting acceleration and constant braking acceleration, which can each have different amounts of acceleration.
  • the method is not limited to this variant, since acceleration and braking acceleration do not necessarily have to be constant.
  • FIG. 1 a shows the partial working strokes ⁇ H dl and ⁇ H d2 and the braking position H d between the acceleration and braking process only from the maximum starting position (H 0a - H od ).
  • a speed curve with acceleration and deceleration processes is advantageous in practice, for example, when large or long workpieces have to be inserted into the machine and therefore a lot of space must be available below the ram.
  • the course of the speed over the ram stroke, both the working stroke and the return stroke, is determined by a control and regulating unit, preferably a microprocessor unit in a frequency converter unit (not shown here), which is accommodated in the drive device 2.
  • a control and regulating unit preferably a microprocessor unit in a frequency converter unit (not shown here)
  • At least the starting position H 0a , H 0b , H 0c , H od and the desired impact velocity v Aa , v Ab , v Ac _ v Ad must be specified.
  • the amount of the starting acceleration and the braking acceleration can be specified or can be specified or preset.
  • the open-loop and closed-loop control device then calculates the speed curve over the height of the working stroke or partial working stroke .DELTA.H a , .DELTA.H b , .DELTA.H C or .DELTA.H dl and .DELTA.H d2 , so that overall to achieve the desired impact speed v Aa , v Ab , v ACj v Ad given the given values for the acceleration and braking acceleration, the shortest possible stroke time results.
  • the result can be a speed curve with continuous acceleration, or the control and regulating device determines a braking position H d , from which the plunger 1 is braked until it hits.
  • the return stroke is only indicated by the arrow in FIGS. 1a and 1b.
  • the plunger 1 is moved back into its starting position H 0a , H ob , H 0c , H od or into any other end position by means of the drive device 2.
  • H d which is also determined by the control and regulating unit, so that it has approximately the speed 0 m / s in its end position.
  • the position H d from which the tappet 1 is braked depends on the desired end position and possibly also on the recoil of the tappet 1.
  • FIG. 2 shows theoretical speed-time curves with constant acceleration from different starting positions H 0a , H ob , H 0c .
  • the ram is accelerated with a constant acceleration from the initial position H 0a , H 0b , H 0c to the maximum impact speed v Aa , v Ab , v Ac for a maximum forming energy (100%).
  • This maximum impact velocity v Aa , v Ab , v Ac is designated in the diagram with v E100% (H 0a ), v E100% (H 0b ), v E100% (H 0c ).
  • the time span until the maximum impact velocity v E100% is reached corresponds to the total duration of the working stroke t Ges from the respective starting position H 0a , H obj H 0c , where t 0 is always equal to 0 s.
  • the diagram shows that from the different starting positions H 0a , H 0b , H 0c with constant acceleration, different maximum impact speeds v E100% (H 0a ), v E100 o / o (H ob ), v E100% (H 0c ) can be achieved and the higher the starting position, the higher the impact speed.
  • the total duration of the working stroke t Ges increases with increasing starting position H 0a , H ob _ H 0c .
  • FIG. 3 shows theoretical speed-time profiles with constant acceleration and subsequent constant braking to a constant impact speed.
  • a constant impact velocity v A is now to be generated from the same initial positions H 0a , H ob , H 0c as in FIG. 2, from which, for example, only 10% of the maximum forming energy result, ie v A equals v E10 " / o ( H 0a , H ob , H 0c ).
  • a known constant acceleration and braking acceleration a known impact speed and a known starting position, the total duration of the working stroke t and the working stroke time t l3 or the braking position at which the braking process must take place can be determined for each starting position using the equations of motion.
  • the method according to the invention now also enables different impingement speeds to be generated from a constant starting position, depending on the requirement.
  • 4 shows three theoretical speed-time profiles for achieving different impact speeds from a constant starting position.
  • the initial position corresponds to the maximum initial position H 0a
  • the ram is accelerated constantly from the initial position H 0a until it hits the workpiece.
  • the duration of this working stroke is indicated in the diagram with t Ges (100%).
  • FIG. 5 shows three real, measured speed-time profiles of the method according to the invention, which are comparable to the theoretical speed-time profiles shown in FIG.
  • the working stroke or the starting position can be assumed to be the same size for all curves A, B, C.
  • different impact speeds or different forming energies were chosen for the forming processes, which are designated 100%, 50% and 10% and are assigned to curves A, B, C.
  • the force-time curves ⁇ , ⁇ , ⁇ are superimposed on the speed-time curves when the plunger hits the workpiece at the respective time of impact.
  • Curve A shows the speed-time curve for an acceleration to the maximum speed to reach the maximum forming energy.
  • the ram is accelerated from the starting position via the curve section K1 until it reaches the maximum possible impact speed v E100% in the curve section K2.
  • the curve section K3 illustrates the braking of the tappet by the loss of energy in the event of an impact. Part of the energy is brought into the forming process. The remaining energy is at least partially converted into a recoil of the ram (K4). The remaining amount of speed in curve A (100%) is due to this recoil.
  • the plunger is then moved in a controlled manner in the direction of the end position by means of the drive motor, which is usually only switched on or coupled again after the impact and recoil.
  • the plunger is first accelerated to a predetermined position, which is shown in the curve section K5.
  • the tappet is braked by the motor. This position or the associated time by which it is represented in this and the following curves and the maximum speed reached at this time is described in curve section K6.
  • the tappet is braked by the drive motor until it reaches a very low speed (K7). If the ram has reached the predetermined end position, a mechanical brake also engages, which can be seen from curve section 8. The ram is braked to exactly 0 m / s by the mechanical brake and held in the end position. By gripping the mechanical brake, the amount of brake acceleration is changed, which is shown in K8 as a small bulge in the curve.
  • the power surge occurs at the exact moment when the ram hits the workpiece. This can be seen in the illustration by the fact that the maximum of ⁇ is at a time shortly after the desired impact speed has been reached. This also applies to the force surges ß and ⁇ in the other curves.
  • Curve B shows the speed-time curve for an acceleration to a speed to reach 50% of the maximum forming energy with a constant working stroke. This means that the plunger is first accelerated (Kl) until a predetermined position with a predetermined maximum speed v max is reached (K9) and then braked to the desired impact speed v E50Vo (K2). The reduction in speed during the braking process shows curve section K10. The desired impact velocity v E50 o / o is then again reached in the curve section K2. The further course of curve B (50%) corresponds to the course of curve A (100%). The plunger is braked by the impact (K3) and pushed back (K4). The drive motor then engages and guides the plunger by accelerating (K5, K6) and braking (K7) to the end position in which the mechanical brake brings the plunger to a standstill (K8).
  • Curve C (10%) shows the speed-time curve for an acceleration to a speed to reach 10% of the maximum forming energy with a constant working stroke.
  • the curve shape is comparable to that of B (50%).
  • the desired impact speed v E10 o / o is lower, so that the first step is to accelerate to a lower maximum speed v max than at B (50%) (Kl, K9) and slow down over a longer period of time (K10).
  • the total length of the working stroke is therefore slightly longer than that of B (50%).
  • FIG. 6 shows a shaping device according to the invention which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the plunger 1 is driven by a spindle 5.
  • the spindle 5 has a steep thread 9 in which a tappet nut 8 fastened to the tappet 1 runs.
  • the spindle 5 is coupled to a flywheel 6, which is driven directly by a drive motor 7, as a rule an asynchronous motor which is variable in its direction of rotation.
  • the flywheel 6 and the spindle 5 coupled to it are now rotated via the drive motor.
  • the rotational speed of the flywheel 6 and the spindle 5 is set via the speed of the drive motor 7.
  • a frequency converter unit with a microprocessor (not shown here) is provided for controlling and regulating the speed.
  • the rotation of the spindle 5 is transmitted to the plunger 1 via the spindle nut 8 and the plunger 1 is thereby moved towards or away from the carrier 3.
  • the speed of the drive motor 7 is a measure of the speed of the plunger
  • a workpiece (not shown here) can be applied to the carrier 3, so that the ram impacts with a predetermined impact speed.
  • the drive motor 7 Shortly before the impact, the drive motor 7 is switched off, so that the control and regulating device is protected against damage or impairment by voltage and current peaks which can arise in the event of an impact.
  • the drive motor 7 switched on again and the plunger 1 raised back to its end position.
  • the position of the plunger 1 is determined or measured in a contactless manner, preferably by means of an magnetic, incremental position transmitter 10.
  • the measured values can be transmitted to the frequency converter unit and to an external control and regulating device.
  • the measured values are used by the frequency converter unit, for example, to determine the speed or speed profile of the ram 1, which is necessary for an optimal forming process or for reaching the specified end position.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen wenigstens eines Werkstücks und eine Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens, die wenigstens einen Träger (3) für ein Werkstück, wenigstens ein Schlagwerkzeug, wenigstens eine Antriebseinrichtung (2) zum Bewegen des Schlagwerkzeugs relativ zum Träger (3) und wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs umfasst, wobei zum Umformen des Werkstücks (4) eine Ausganglage des Schlagwerkzeugs einstellbar ist und wobei eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während einer Schlagbewegung steuert und regelt. Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung prallt ein Schlagwerkzeug während einer Schlagbewegung aus einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit auf das auf einer Träger (3) befindliche Werkstück (4) und die Geschwindigkeit auf das auf einem Träger befindliche Werkstück und die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung wird abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs und abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit gesteuert oder geregelt.

Description

Verfahren zum Umformen eines Werkstücks und Umformvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks sowie eine Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in dem Verfah- ren oder zur Durchführung des Verfahrens.
Für das Umformen von Werkstücken stehen zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung. In Pressmaschinen werden die Werkstücke mit geeigneten Werkzeugen in Eingriff gebracht, die die für den Vorgang not- wendigen Kräfte zur Verfügung stellen. Die Pressmaschinen unterscheiden sich generell in weg, kraft- und arbeitgebundene Pressmaschinen. Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang die arbeitgebundenen Umformvorrichtungen bzw. Pressmaschinen, insbesondere die Spindelpressen. Die bestimmenden Kenngrößen dieser arbeitgebundenen Pressmaschi- nen ist das Arbeitsvermögen E, das bei jedem Arbeitsspiel vollständig umgesetzt wird.
In einer Spindelpresse sind die Spindeln mit einem form- oder kraftschlüssig verbundenen Schwungrad oder auch direkt motorisch angetrieben. Die Drehbewegung wird über ein steilgängiges Mehrfachgewinde in eine geradlinige Stößelbewegung umgesetzt. Beim schlagartigen Auftreffen des Stößels auf das Werkstück wird die kinetische Energie von Schwungrad, Spindel und Stößel vollständig in Nutz- und Verlustarbeit umgewandelt. Die Energieumsetzung ist durch den Schlagwirkungsgrad ηs gekennzeichnet. (Lexikon Pro- duktionstechnik Verfahrenstechnik, Hrsg. Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag).
Als Antrieb für die Spindel bzw. das Schwungrad wird in der Regel ein elektrischer Antriebsmotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor eingesetzt. Um ein optimales Betriebsverhalten, sprich Antriebsleistung, Stromaufnahme, Wirkungsgrad, flexible Einsatzmöglichkeiten und kurze Hubzeiten zu erhalten, ist es wünschenswert die Spindelpresse bzw. den Stößelhub entsprechend zu steuern und zu regeln.
In der Druckschrift DE 34 44 240 C2 ist eine Spindelpresse offenbart, bei der die Drehzahl und damit die Geschwindigkeit des Stößel in weiten Berei- chen regelbar ist, und somit auch Umformarbeiten mit relativ geringem Arbeitsvermögen wie z.B. Kantenstauchen durchgeführt werden können. Die Spindelpresse umfasst ein Schwungrad mit eigenem Antrieb, das zu Beginn des Stößelhubs eine Vordrehzahl aufweist, das über eine Scheibenkupplung mit der Antriebsscheibe der Spindel verbindbar ist und das am Ende des Umformvorgangs etwa zum Stillstand kommt und von der Spindel abgekuppelt wird. Die Spindel samt Spindelantriebsscheibe verfügt ebenfalls über einen eigenen Antrieb, der zugleich auch zum Rückführen des Stößels dient. Für den Arbeitshub wird nun die Spindel mittels des Spindelantriebs be- schleunigt, vorzugsweise maximal, und dann auf die am Ende des Leerhubs für die Kupplung mit dem Schwungrad erforderliche Gleichlaufgeschwindigkeit heruntergeregelt.
Wird der größte Teil des Stößelhubs mit höherer Geschwindigkeit, bei noch getrennter Kupplung durchfahren, so lassen sich mit der in DE 34 44 240 offenbarten Spindelpresse kurze Taktzeiten erzielen. Allerdings sind bei dieser Aus führungs form zwei Antriebsmotoren mit hoher Leistung notwendig, was zu einem hohen Strombedarf führen kann. Bei nicht exakter Regelung der Geschwindigkeiten kann durch den Kupplungsvorgang zudem Energie verloren gehen.
DE 38 41 852 AI beschreibt eine Antriebsanordnung zum Antrieb einer Gewindespindel einer Spindelpresse, bei der die Ankupplung der Gewindespindel an eine ständig rotierende Antriebsscheibe über ein Differential- bzw. Überlagerungsgetriebe erfolgt. Zum Ankuppeln wird eine Welle des Getriebes abgebremst. Durch entsprechende Steuerung und Regelung der Abbremsung lassen sich Drehzahl und Drehmoment und damit Presskraft und Hubgeschwindigkeit während des Zyklus variieren. Zudem kann die Bremsenergie abgegriffen und beispielsweise für den Stößelrückhub nutzbar gemacht werden.
Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass eine ständig rotierende Antriebsscheibe notwendig ist, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Ein weiterer Nachteil ist die große Drehzahldifferenz zwischen Spindel und An- triebsscheibe beim Kuppeln, was Energieverbrauch und Kupplungsverschleiß bedeutet. Eine direkt angetriebene Spindelpresse ist in DE 195 45 004 AI offenbart. Hier wird ein optimales Betriebs verhalten dadurch erreicht, dass zur Verbesserung der Energiebilanz und für eine genauere Regelung des Weg-Zeit- Verlaufes ein drehzahlvariabler Antrieb bestehend aus einem Drehstroma- synchronmotor und einem Frequenzsteller bzw. Stromrichter eingesetzt wird. Die erforderliche Umformenergie wird durch Variation der Drehzahl angepasst. Der Drehzahl-Zeit-Verlauf der Spindel lässt sich durch eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung des Antriebs variieren.
Durch Variation des Drehzahl-Zeit- Verlaufs lassen sich zum Erreichen der jeweils gewünschte Umformenergie relativ kurze Hubzeiten realisieren. Allerdings bleiben durch die Mechanik verursachte Toleranzen, beispielsweise beim Rückhub des Stößels oder Toleranzen in den Werkstücken unberücksichtigt, was sich zum einen auf die Genauigkeit des Umformprozesses aus- wirkt und andererseits auch zu einem Energieverlust führen kann.
Eine weitere direkt angetriebene Spindelpresse ist in der auf der Internetseite hinterlegten Lasco-Firmenzeitschrift „Upgrade" (Ausgabe: Dezember 2000) beschrieben. Als Beispiel wird ein Umformvorgang mit geringer Um- formenergie aufgezeigt. Der Antriebsmotor mit Frequenzumrichter beschleunigt die beweglichen Massen, also Schwungrad und mit diesem gekoppelte Spindel, auf eine der maximalen Energie entsprechenden Drehzahl. Der Stößel wird dadurch mit maximaler Geschwindigkeit bis kurz vor Beginn des Umformvorganges abwärts getrieben, um dann generatorisch gebremst mit der vorgewählten Geschwindigkeit den Umformvorgang zu beginnen. Der Rückhub erfolgt durch Reversieren des Antriebes. Etwa auf halber Rückhubhöhe wird wiederum generatorisch gebremst und die Antriebselemente werden so verzögert, dass die mechanische Bremse im oberen Totpunkt lediglich als Parkbremse arbeitet.
In dieser vorangehend beschriebenen Spindelpresse lassen sich wie bei der in DE 195 45 004 AI offenbarten Spindelpresse zum Erreichen der jeweils gewünschte Umformenergie relativ kurze Hubzeiten realisieren. Allerdings bleiben durch die Mechanik verursachte Toleranzen, beispielsweise beim Rückhub des Stößels oder Toleranzen in den Werkstücken ebenfalls unberücksichtigt, da die Geschwindigkeit des Stößels bzw. die Drehzahl des An- triebsmotors und die Lage des Stößels, in der er abgebremst wird, je nach Werkstück fest vorgegeben sind.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks sowie eine Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens, bereitzustellen, bei denen die vorgenannten Nachteile beim Stand der Technik wenigstens teilweise überwunden oder zumindest vermindert werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Umformen eines Werkstücks gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Umformvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 29.
Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Umformen wenigstens eines Werkstücks, prallt ein Schlagwerkzeug während einer Schlagbewegung aus einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit auf das auf einem Träger befindliche Werkstück und die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung wird abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs und ab- hängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit gesteuert oder geregelt.
Die Umformvorrichtung gemäß Anspruch 29, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder eines der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche umfasst wenigstens einen Träger für ein Werkstück, wenigstens ein Schlagwerkzeug, wenigstens eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Schlagwerkzeugs relativ zum Träger und wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs, wobei zum Umformen des Werkstücks eine Ausgangla- ge des Schlagwerkzeugs einstellbar oder eingestellt ist und wobei eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während einer Schlagbewegung in Abhängigkeit der Lage so steuert und regelt, dass eine vorgegebene oder vorgebbare Auftreffgeschwindigkeit auf dem Werkstück erreicht wird. Die Schlagbewegung ist die vorzugsweise axiale Bewegung des Schlagwerkzeugs (oder: Stößels) in Richtung des Werkstücks und zwar aus einer Ausgangslage heraus bis zum Zusammenprall mit dem Werkstück. Die Höhendifferenz, die das Schlagwerkzeug während der Schlagbewegung von der Ausgangslage bis zum Aufprall auf dem Werkstück durchläuft, ist der Hub des Schlagwerkzeugs, im Folgenden auch mit Arbeitshub bzw. Schlaghub bezeichnet. Nach dem Umformvorgang wird das Schlagwerkzeug in der Regel in eine vorbestimmte Endlage zurückgefahren. Die Höhendifferenz, die das Schlagwerkzeug während dieser Rückholbewegung durchläuft wird im Folgenden auch als Rückhub bezeichnet.
Die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung ist ein Maß für die zur Verfügung stehende Bewegungsenergie (E). Die Bewegungsenergie ist proportional zu dem Produkt aus der Masse (m) des Schlag- Werkzeugs und dem Quadrat der Geschwindigkeit (v) des Schlagwerkzeugs (E = Ya mv2). Da die Masse des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung konstant ist, spielt also vor allem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs bzw. die Ausgangslage oder der Arbeitshub und die Beschleunigung (Bewegungsgleichungen) des Schlagwerkzeugs eine entscheidende Rolle für die beim Aufprall zur Verfügung stehende Bewegungsenergie. Die Bewegungsenergie beim Aufprall, die aus der Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs resultiert, wird im Folgenden auch als Umformenergie bezeichnet.
Die Umformenergie wird bei dem Aufprall auf das Werkstück zu einem gro- ßen Teil in Nutzarbeit umgewandelt, wodurch das Werkstück verformt wird. Die Verlustenergie bzw. die daraus resultierende Verlustarbeit wird unter anderem in den Rückstoß des Schlagwerkzeugs eingebracht.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist nun, dass die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs gesteuert oder geregelt werden kann, um eine gewünschte bzw. vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen. Das bedeutet in anderen Worten, dass die momentane Geschwindigkeit (v(t)) des Schlagwerkzeugs eine Funktion der momentanen Lage (x(t)) des Schlagwerkzeugs ist (v (t) = v (x(t)) . Die Lage (x) des Schlagwerkzeugs ist hier also die Variable. Die Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs ist eine Konstante, die jedoch in ihrem Wert beliebig gewählt werden kann. Das Schlagwerkzeug wird demnach, je nachdem in welcher Lage (oder: Position) es sich gerade befindet, beschleunigt oder abgebremst, um schlussendlich die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen.
Dabei kann die Ausgangslage (x(t0)) des Schlagwerkzeugs abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit, beispielsweise wenn die Schlagbewegung mit einer konstanten Geschwindigkeit oder einer konstanten Beschleunigung durchgeführt werden soll, oder abhängig von den Erfordernissen des Arbeitsablaufes bestimmt und eingestellt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung hat also den Vorteil, dass eine gewünschte Auftreffgeschwindigkeit bzw. daraus resultierende Umformenergie in einem durch die physikalischen Gesetzmäßigkeiten vorgegebenen Rahmen, unabhängig von der eingestellten Ausgangslage erreicht werden kann, und dass gleichermaßen, innerhalb gewisser Grenzen, eine gewünschte Ausgangslage eingestellt werden kann, unabhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit. Dadurch ist das Umformverfahren sehr flexibel einsetzbar.
Um die Geschwindigkeit während der Schlagbewegung als Funktion der Lage des Schlagwerkzeugs zu ermitteln kann in einer vorteilhaften Ausführungs- form wenigstens eine Lage des Schlagwerkzeugs gemessen oder bestimmt werden. Mit dem Wert der wenigstens einen Lage des Schlagwerkzeugs und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit können dann die Geschwindig- keitswerte während der Schlagbewegung berechnet werden.
Die Lage des Schlagwerkzeugs wird vorzugsweise mit einer geeigneten Lagemesseinrichtung bestimmt, die den Lagewert an eine Steuerungs- und Regelungseinheit zur Steuerung oder Regelung des Schlagwerkzeugs überträgt. Dadurch ist es zum einen möglich eine bestimmte Lage, beispielsweise die Ausgangslage, zu bestimmen und dann den zum Erreichen der vorgegeben Auftreffgeschwindigkeit notwendigen oder günstigsten bzw. optimalen Geschwindigkeitsverlauf zu berechnen. Das Schlagwerkzeug wird dann während der Schlagbewegung auf diese Geschwindigkeitswerte zu gesteuert oder ge- regelt. Andererseits kann auch eine Steuerung oder Regelung in Echtzeit erfolgen, indem während der Schlagbewegung stets die momentane Lage ge- messen oder bestimmt wird und die Geschwindigkeit dann entsprechend mit den gemessenen momentanen Lagewerten berechnet wird, vorzugsweise durch numerisches Differenzieren, und gesteuert oder geregelt wird.
Dass die Lage des Schlagwerkzeugs gemäß der Erfindung innerhalb der Umformvorrichtung jederzeit bekannt ist, hat den weiteren Vorteil, dass ein wiederholgenaues Arbeiten ermöglicht wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn beispielsweise mittels der Lagemesseinrichtung die Ausgangslage des Schlagwerkzeugs und/oder die Lage nach einer Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs gemessen oder bestimmt wird. Sollte nun beispielsweise bei der Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs eine zu große Toleranz auftreten, d.h. der tatsächliche Rückhub ist größer oder kleiner als die vorgegebene Höhendifferenz, so wird diese durch die Lagemesseinrichtung erfasst und zur Bestimmung des Geschwindigkeits Verlaufs eines darauffolgenden Arbeitshubs genutzt, so dass das Schlagwerkzeug wiederum mit genau der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit auf dem Werkstück aufprallt.
Bei mehrmaligem Aufprallen des Schlagwerkzeugs auf dasselbe Werkstück ist es vorteilhaft, wenn die Lage des Schlagwerkzeugs nach der Verformung des Werkstücks durch den Aufprall gemessen oder bestimmt wird. So kann bei mehrmaliger Bearbeitung eines Werkstücks in der Vorrichtung die durch die Verformung veränderte Höhe des Werkstücks erfasst und der darauffolgende Arbeitshub beispielweise um diese Wegstrecke verlängert werden, so dass die auf das Werkstück übertragene Umformenergie stets konstant ist.
In einer besonders vorteilhaften Aus führungs form wird das Schlagwerkzeug aus der Ausgangslage auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit beschleunigt. Zum Erreichen einer Auftreffgeschwindigkeit niedriger als eine maximale Auftreffgeschwindigkeit kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die Aus- gangslage niedriger als eine maximale Ausgangslage eingestellt wird.
Das Schlagwerkzeug kann bei seiner Schlagbewegung in der Regel aus einer maximalen Ausgangslage einen durch die Umformvorrichtung vorgegebenen maximalen Arbeite hub durchlaufen, nach dem die größte bzw. maximale Auftreffgeschwindigkeit und damit die maximale Umformenergie erreicht wird. Aufgrund der möglichen Lageerfassung des Schlagwerkzeugs kann der Stößel bzw. das Schlagwerkzeug aber auch von jeder beliebigen Lage oder Position innerhalb des maximalen Arbeitshubs aus gefahren werden, so dass sich ein Arbeitshub kleiner dem maximalen Arbeitshub ergibt. Dabei ist dann die höchste erreichbare Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie geringer als die maximale Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie.
Das ist insbesondere in Anwendungen mit flachen Werkstücken und/oder niedriger erforderlicher Umformenergie von besonderem Vorteil. Bei Beschleunigen aus der Ausgangslage wird dann beim Aufprall auf das Werk- stück gerade die erwünschte Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie erreicht. Der kurze Arbeitshub bringt einerseits sehr kurze Hubzeiten mit sich, wodurch sich sehr kurze Taktzeiten erzielen lassen, andererseits kann dadurch auch Energie eingespart werden.
Insbesondere vorteilhaft ist es auch, wenn das Schlagwerkzeug aus der Ausgangslage beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage zwischen der Ausgangslage und dem Werkstück abgebremst wird, um die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen. Die Geschwindigkeit wird also über die Hublänge so variiert, so dass beispielsweise auch aus einer hohen Ausgangslage und bei einem großen Arbeitshub das Erzeugen niedriger Auftreffgeschwindigkeiten bzw. Umformenergien möglich ist. Um dennoch eine kurze Arbeitshubzeit zu erzielen wird das Schlagwerkzeug zunächst möglichst mit einer maximalen Anfahrbeschleunigung auf eine maximale Geschwindigkeit beschleunigt, die in der vorbestimmten Lage zwischen der Ausgangslage und dem Werkstück erreicht wird, ab der das Schlagwerkzeug dann bis auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit abgebremst wird, die niedriger als die maximale Geschwindigkeit ist.
In der Praxis kann nun beispielsweise beim Bearbeiten der Stirnseite sehr großer bzw. langer Werkstücke eine sehr hohe Ausgangslage gewählt werden, um das Einführen des Werkstücks in den Träger zu erleichtern. Auch beim Einsatz automatischer Zuführeinrichtungen für die Werkstücke, beispielsweise Robotern mit Greifern oder automatischen Greifwerkzeugen, kann eine hohe Ausgangslage des Schlagwerkzeugs von Vorteil sein, um die Zu- führung zu erleichtern. Aus dieser hohen Ausgangslage können dann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, je nach Anforderung, sowohl hohe als auch sehr niedrige Umformenergien erzeugt werden.
Ferner ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung so gesteuert oder geregelt wird, dass bei beliebiger Ausgangslage die kürzest mögliche Arbeitshubzeit erreicht wird. Das lässt sich mittels der Steuerungs- und Regelungseinrich- tung realisieren, die den Geschwindigkeits erlauf des Schlagwerkzeugs abhängig von der Lage und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs rechnerisch so optimiert, dass möglichst die kürzeste Hubzeit erreicht wird.
Die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs erfolgt vorzugsweise mit einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung, die ei- nen drehzahlvariablen Antriebsmotor einer Antriebseinrichtung für das Schlagwerkzeug steuert und regelt.
Als Steuerungs- und Regelungseinrichtung wird vorzugsweise eine Frequenzumrichtereinheit verwendet, die die Drehzahl und die Drehrichtung des Antriebsmotors steuert und regelt. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Frequenzumrichtereinheit mit Hilfe eines Mikroprozessors den Drehzahlverlauf des Antriebsmotors während der Schlagbewegung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Ausgangslage und/oder einer mittels einer Lagemesseinrichtung bestimmten Lage be- stimmt.
In einer besonders vorteilhaften Aus führungs form des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Schlagwerkzeug nach dem Aufprall durch eine Rückholbewegung in eine vorgegebene oder vorgebbare Endlage zurückgehoben. Die Rückholbewegung in die Endlage erfolgt vorzugsweise bei umgekehrter Drehrichtung des Antriebsmotors. Es sind jedoch auch andere Methoden denkbar das Schlagwerkzeug in die Endlage zu bringen. So kann beispielsweise das Schlagwerkzeug mittels Teleskopstangen hydraulisch oder pneumatisch zurückgehoben werden. Der hierfür notwendige Druck lässt sich bei- spielweise bei der Schlagbewegung des Stößels durch Zusammenpressen einer Flüssigkeit oder eines Gases in einer geeigneten Kammer erzeugen. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Rückholbewegung in die Endlage abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs gesteuert und geregelt wird. Eine optimale Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeug ist dabei durch die Frequenzumrichtereinheit gegeben, deren Mikroprozessor den Drehzahlverlauf während des Hubs in Abhängigkeit der vorgegebenen Endlage und/oder einer mittels der Lagemesseinrichtung bestimmten Lage bestimmt. Diese Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit kann beim Rückholen des Schlagwerkzeugs mittels des Antriebsmotors eingesetzt werden.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn als Endlage eines Rückhubs die Ausgangslage des Schlagwerkzeugs für den Arbeitshub gewählt wird. Vor allem, wenn mehrere gleiche Werkstücke nacheinander bearbeitet werden sollen, wird so stets die optimale Hubzeit und Umformenergie erreicht. Es ist je- doch auch möglich das Schlagwerkzeug in eine beliebige andere Endlage zu fahren. Das kann von Vorteil sein, wenn nacheinander verschieden Werkstücke bearbeitet werden sollen. Die Endlage des Rückhubs kann dann insbesondere abhängig vom zu bearbeitenden Werkstück und/oder von der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit bei der darauffolgenden Schlagbewegung gewählt werden.
In einer besonders vorteilhaften Aus führungs form wird das Schlagwerkzeug bei der Rückholbewegung in die Endlage vom Werkstück oder Träger weg beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage zwischen dem Werkstück oder dem Träger einerseits und der Endlage andererseits mittels des Antriebsmotors abgebremst. Bei Erreichen der Endlage wird das Schlagwerkzeug dann durch eine mechanische Brems einrichtung vollständig abgebremst. Diese Steuerung- und Regelung der Geschwindigkeit bei der Rückholbewegung hat den Vorteil, dass das Schlagwerkzeug sehr genau in die Endlage gefahren werden kann, gleichzeitig aber diese Endlage sehr schnell erreicht. Des Weiteren wird die Gefahr vermindert, dass die mechanische Bremseinrichtung schnell verschleißt oder dass der Überlauf bzw. die Toleranz des Rückhubes zu groß ist, wie es bei zu hoher Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs bei Erreichen der Endlage der Fall sein kann. Diese genaue Geschwindigkeitsregelung beim Rückhub bzw. die daraus resultierende genaue Endlage des Schlagwerkzeugs ist zum Beispiel besonders vorteilhaft, wenn das Werkstück mit dem Schlagwerkzeug mit nach oben in die Endlage gefahren wird und in der Endlage abgenommen wird. Das Werk- stück kann dann stets mit hoher Genauigkeit mit Hilfe einer Abführeinrich- tung, beispielsweise einem Greifwerkzeug, abgenommen und abgeführt werden.
In einer besonders zweckmäßigen Aus führungs form wird das Schlagwerk- zeug beim Beschleunigen mit einer vorgegebenen konstanten Anfahrbeschleunigung beschleunigt. Vorzugsweise wird das Schlagwerkzeug auch beim Abbremsen mit einer vorgegebenen konstanten Bremsbeschleunigung abgebremst. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit und gleichzeitig eine energiesparende Arbeitsweise erreicht. Der Betrag der konstanten Anfahrbe- schleunigung und der konstanten Bremsbeschleunigung kann beispielsweise jeweils abhängig von der Bewegungsrichtung des Schlagwerkzeugs, also je nachdem, ob es eine Schlagbewegung oder eine Rückholbewegung durchführt, gewählt werden. Dabei kann dann beispielsweise auch die Wirkung der Schwerkraft auf das Schlagwerkzeug berücksichtigt und die Beschleunigung entsprechend ausgewählt werden.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Antriebsmotor vor dem Aufprall des Schlagwerkzeugs auf das Werkstück momentlos geschaltet und/oder in der Antrieb seinrichtung abgekuppelt wird. Dadurch werden Belastungen für den Motor und die Steuerungs- und Regelungseinrichtung vermieden, die durch auftretende Strom- und Spannungsspitzen erzeugt werden können. Momentlos schalten lässt sich der Antriebsmotor in der Regel über die Frequenzumrichtereinheit. Das momentlos Schalten oder Abkuppeln erfolgt beispielsweise auf ein Signal der Lagemes seinrichtung kurz vor dem Auf- prall, so dass möglichst keine Umformenergie verloren geht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird während dem Abbremsen des Schlagwerkzeugs mittels des Antriebsmotors der Antriebsmotor als Generator betrieben. Die während des Abbrems ens durch den Generator gewonnene Energie kann dann in das Stromnetz zurückgespeist werden. Die Lage des Schlagwerkzeugs in der Umformvorrichtung wird vorzugsweise mittels wenigstens eines, insbesondere berührungslosen Positionsgebers, insbesondere eines optischen oder magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgebers bestimmt. Der Vorteil dieser Me- thode ist, dass die Messung berührungslos durchgeführt werden kann und die Mes seinrichtung somit an einer sicheren Position in der Maschine angebracht werden kann.
In einer vorteilhaften Aus führungs form des Verfahrens gemäß der Erfin- düng wird eine Umformvorrichtung verwendet, die als Spindelpresse ausgeführt ist, und bei der der Antriebsmotor in der Antrieb seinrichtung der Spindelpresse arbeitet. Der Antriebsmotor treibt dann vorzugsweise direkt ein Schwungrad an, das wiederum eine mit diesem gekoppelte Spindel in rotati- on versetzt. Die Spindel wirkt so mit dem Schlagwerkzeug zusammen, vor- zugsweise über ein Gewinde, dass dieses durch die Rotation der Spindel abhängig von der Drehrichtung zum Werkstück bzw. Träger hin oder von diesen weg bewegt wird.
Die insbesondere für den Einsatz in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung konzipierte Umformvorrichtung umfasst wenigstens einen Träger für das Werkstück, wenigstens ein Schlagwerkzeug, wenigstens eine Antrieb seinrichtung zum Bewegen des Schlagwerkzeugs relativ zum Träger und wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs innerhalb der Umform- Vorrichtung, wobei zum Umformen des Werkstücks eine Ausganglage des Schlagwerkzeugs einstellbar oder eingestellt ist und wobei eine Steuerungsund Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während eines Arbeitshubs in Abhängigkeit der Lage steuert und regelt, so dass eine vorgegebene oder vorgebbare Auftreffgeschwin- digkeit auf dem Werkstück erreicht wird.
Die Umformvorrichtung ist vorzugsweise eine Spindelpresse. Es ist aber auch denkbar, die Umformvorrichtung als eine andere arbeitgebundene Umformmaschine bzw. Pressmaschine, beispielsweise ein Hammer, oder als eine kraftgebundene Pressmaschinen wie eine Hydraulikpresse auszubilden. Die Umformvorrichtungen unterscheiden sich dann im Wesentlichen in der kon- kreten Ausgestaltung der Antreib seinrichtung. Eine Vielzahl möglicher Antriebe lassen sich mit geeigneten Mitteln so steuern- und regeln, dass die Geschwindigkeit über den Hub variiert werden kann. Durch den Einsatz der Lagemes seinrichtung ist das dann auch aus jeder beliebigen Ausgangslage heraus möglich.
Wird nun die Umformvorrichtung zur Durchführung des er f i dungs gemäßen Verfahrens als Spindelpresse ausgeführt, so umfasst die Antriebseinrichtung vorzugsweise einen drehzahlvariablen Antriebsmotor, wobei insbesondere ein Asynchronmotor zum Einsatz kommen kann. Weiterhin umfasst die Antriebseinrichtung ein Schwungrad, das mit einer Spindel gekoppelt ist und vom Antriebsmotor angetrieben wird.
In einer besonders vorteilhaften Aus führungs form der Umformvorrichtung wird als Steuerungs- und Regelungs einrichtung eine Frequenzumrichtereinheit eingesetzt, die die Antriebsmotordrehzahl und eventuell auch die Drehrichtung des Antriebsmotors steuert und regelt. Die Frequenzumrichtereinheit umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor. In einen dem Mikroprozessor zugehörigen Speicher können unter anderem die gewünschten Werte für die jeweilige Ausgangslage und die Geschwindigkeit eingegeben werden. Auch die von der Lagemesseinrichtung erfassten Werte werden als Signal an den Mikroprozessor übermittelt. Aus diesen Werten bestimmt bzw. berechnet der Prozessor dann denn notwendigen bzw. günstigsten Drehzahlverlauf während einer Schlagbewegung.
Für die Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs von dem Werkstück oder Träger ist vorzugsweise zudem eine Endlage für des Schlagwerkzeug einstellbar oder eingestellt. Die Endlage wird ebenfalls in dem dem Mikroprozessor zugehörigen Speicher eingespeichert, so dass der Prozessor auch den Verlauf der Rückholbewegung berechnen kann. Die Rückholbewegung erfolgt vorzugsweise über Ändern der Drehrichtung des Antriebsmotors.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn zum Festhalten des Schlagwerkzeugs in der Endlage eine mechanische Brems einrichtung vorgesehen ist. Die mecha- nische Brems einrichtung bzw. Bremse wirkt dann bei Erreichen der Endlage beispielsweise auf das Schwungrad und hält dieses fest, wodurch auch das Schlagwerkzeug in seiner Bewegung gestoppt wird.
Die Lagemesseinrichtung umfasst vorzugsweise einen herkömmlichen und insbesondere berührungslosen Positionsgeber, insbesondere einen optischen, magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgeber.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und un- ter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
FIG la eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung,
FIG lb das Verfahren gemäß FIG la bei durchgeführter Schlagbewegung,
FIG 2 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit- Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung darstellt,
FIG 3 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung und anschließender konstanter Abbremsung auf eine konstante Auftreffgeschwindigkeit aus unters chiedlichen Ausgangslagen darstellt,
FIG 4 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit- Verläufe zum Erreichen verschiedener Auftreffgeschwindigkeiten aus einer konstanten Ausgangslage darstellt,
FIG 5 ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das reale, gemessene Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei dem Verfahren gemäß der Erfindung darstellt.
FIG 6 eine vorteilhafte Aus führungs form einer Umformvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den FIG 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG la und FIG lb ist das Umformverfahren gemäß der Erfindung stark vereinfacht dargestellt. Zur Veranschaulichung zeigen FIG la und FIG lb eine einfache Umformvorrichtung mit einem Schlagwerkzeug, insbesondere einem Stößel 1, einer Antrieb seinrichtung 2 und einem Träger 3, auf dem ein Werkstück 4 angeordnet ist. Die Lage des Stößels wird mit einem Positionsgeber bestimmt (hier nicht dargestellt, vgl. FIG 6). Der Stößel 1 wird von der Antrieb seinrichtung 2 aus einer Ausgangslage H0a, Hob, H0c, Hod (H0a = Hod > Hob > H0c), heraus beschleunigt (FIG la). Die Anfangsgeschwindigkeiten des Stößels v0a, vob, v0c, v0d sind in allen zugehörigen Ausgangslagen H0a, Hob, H0c, Hod gleich 0 m/s. Der Stößel 1 bewegt sich bei der Vorrichtung nach unten auf das auf dem Träger 3 befindliches Werkstück 4 zu. Hat der Stößel 1 das Werkstück 4 erreicht prallt er mit einer Auftreffgeschwindigkeit V A_> vAb, vAC) VAd auf (FIG lb).
Die Ausgangslage H0a, Hob, H0c, Hod des Stößels 1 kann beliebig eingestellt werden. So könnten beispielweise auch zwei unterschiedlich große bzw. hohe Werkstücke mit der gleichen Auftreffgeschwindigkeit vA, die aus demselben Arbeitshub ΔH resultiert, bearbeitet werden oder durch Beschleunigen aus den unterschiedlichen Ausgangslagen H0a, Hob, H0c, Hod unterschiedliche Auf- treffgeschwindigkeiten vAa, vAb, vAc_ vAd erreicht werden. Der maximale Arbeitshub ΔHa wird aus der Ausgangslage H0a erreicht und führt bei kontinuierlicher Beschleunigung zu einer maximalen Auftreffgeschwindigkeit vAa und der damit verbundenen maximalen Umformenergie. Es lassen sich auch beliebig niedrigere Ausgangslagen H0b, H0c einstellen. Je niedriger die Aus- gangslage gewählt wird, desto niedriger ist dann allerdings auch die maximal erreichbare Auftreffgeschwindigkeit (vAb > vAc) bei kontinuierlicher Beschleunigung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ebenfalls möglich, den Stößel 1 in Richtung auf das Werkstück 4 aus einer Ausgangslage Hod zunächst zu beschleunigen und nach einem vorbestimmten ersten Teilarbeitshub ΔHdl bzw. in einer vorbestimmten Höhe bzw. Lage Hd, im Folgenden auch als Abbremslage bezeichnet, für einen vorbestimmten zweiten Teilarbeitshub ΔHd2 abzubremsen, so dass eine Auftreffgeschwindigkeit vAd eingestellt bzw. die daraus resultierende Umformenergie erzeugt wird, die kleiner der aus der Ausgangslage Hod maximal möglichen ist.
Der Stößel 1 kann vorzugsweise mit konstanter Anfahrbeschleunigung und konstanter Bremsbeschleunigung beschleunigt werden, die jeweils verschiedene Beträge der Beschleunigung besitzen können. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diese Variante beschränkt, da Anfahrbeschleunigung und Bremsbeschleunigung nicht zwingend konstant sein müssen.
In FIG la ist sind die Teilarbeitshübe ΔHdl und ΔHd2 sowie die Abbremslage Hd zwischen Anfahrbeschleunigungs- und Abbremsvorgang nur aus der ma- ximalen Ausgangslage (H0a — Hod) dargestellt. Der Stößel 1 kann aber auch aus allen anderen Ausgangslagen (Hob, H0c = Hod) zunächst beschleunigt und ab einer vorbestimmten und normalerweise zu der in FIG la verschiedenen Lage Hd abgebremst werden.
Ein Geschwindigkeitsverlauf mit Anfahrbeschleunigungs- und Abbremsvorgang ist in der Praxis beispielsweise dann von Vorteil, wenn große oder lange Werkstücke in die Maschine eingesetzt werden müssen und daher unterhalb des Stößels viel Platz zur Verfügung stehen muss. Der Stößel 1 wird dann beispielsweise in die maximale Ausgangslage H0a = Hod gefahren und nach dem Einlegen des Werkstücks 4 zunächst beschleunigt und anschließend auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit vAd abgebremst. Werden flache Werkstücke 4 bearbeitet, wird die Auftreffgeschwindigkeit vAa, vAb, vAc in der Regel einfach durch Beschleunigen aus der jeweils notwendigen Ausgangslage H0a, Hob, H0c erzeugt.
Der Geschwindigkeitsverlauf über den Stößelhub, sowohl Arbeitshub als auch Rückhub wird von einer Steuer- und Regeleinheit, vorzugsweise eine Mikroprozessoreinheit in einer Frequenzumrichtereinheit bestimmt (hier nicht dargestellt) die in der Antrieb seinrichtung 2 untergebracht ist. Dabei sind zumindest die Ausgangslage H0a, H0b, H0c, Hod und die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit vAa, vAb, vAc_ vAd vorzugeben. Weiterhin kann der Betrag der Anfahrbeschleunigung und der Bremsbeschleunigung vorgegeben werden oder vorgegeben bzw. voreingestellt sein. Die Steuerungs- und Rege- lungs einrichtung berechnet dann den Geschwindigkeitsverlauf über die Höhe des Arbeitshubs bzw. Teilarb eitshubs ΔHa, ΔHb, ΔHC bzw. ΔHdl und ΔHd2, so dass sich insgesamt zum Erreichen der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit vAa, vAb, vACj vAd bei den vorgegebenen Werten für die Anfahrbeschleunigung und die Bremsbeschleunigung, möglichst die kürzeste Hubzeit ergibt. Dabei kann das Ergebnis ein Geschwindigkeits verlauf mit kontinuierlicher Anfahrbeschleunigung sein oder die Steuerungs- und Regelungseinrichtung bestimmt eine Abbremslage Hd, ab der der Stößel 1 bis zum Auftreffen abgebremst wird.
Der Rückhub ist in den FIG la und lb lediglich durch den Pfeil angedeutet. Nach dem Aufprall auf dem Werkstück 4 wird der Stößel 1 mittels der Antriebseinrichtung 2 wieder in seine Ausgangslage H0a, Hob, H0c, Hod oder in eine beliebige andere Endlage zurückgefahren. Dazu wird er zunächst beschleunigt und in einer ebenfalls von der Steuer- und Regeleinheit bestimm- ten Lage Hd abgebremst, so dass er in seiner Endlage annähernd die Geschwindigkeit 0 m/s besitzt. Die Lage Hd, ab der der Stößel 1 abgebremst wird, ist abhängig von der gewünschten Endlage und eventuell auch vom Rückstoß des Stößels 1.
FIG 2 zeigt theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung aus verschiedenen Ausgangslage H0a, Hob, H0c. Der Stößel wird mit einer konstanten Anfahrbeschleunigung aus der Ausgangslage H0a, H0b, H0c auf die maximale Auftreffgeschwindigkeit vAa, vAb, vAc für eine maximale Umformenergie (100%) beschleunigt. Diese maximale Auftreffgeschwin- digkeit vAa, vAb, vAc ist im Diagramm mit vE100% (H0a), vE100% (H0b), vE100% (H0c) bezeichnet. Die Zeitspanne bis die maximale Auftreffgeschwindigkeit vE100% erreicht ist entspricht der Gesamtdauer des Arbeitshubs tGes aus der jeweiligen Ausgangslage H0a, Hobj H0c, wobei t0 immer gleich 0 s ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass aus den verschiedenen Ausgangslagen H0a, H0b, H0c bei kon- stanter Anfahrbeschleunigung jeweils verschieden hohe maximale Auftreffgeschwindigkeiten vE100% (H0a), vE100o/o (Hob), vE100% (H0c) erzielt werden können und zwar je höher die Ausgangslage desto höher die Auftreffgeschwindigkeit. Die Gesamtdauer des Arbeitshubs tGes verlängert sich mit steigender Ausgangs- !age H0a, Hob_ H0c.
FIG 3 zeigt theoretische Geschwindigkeits-Zeit- Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung und anschließender konstanter Abbremsung auf eine konstante Auftreffgeschwindigkeit. Es soll nun aus den gleichen Ausgangslagen H0a, Hob, H0c wie bei FIG 2 eine konstante Auftreffgeschwindigkeit vA erzeugt werden, aus der beispielsweise nur 10% der maximalen Umformenergie resultie- ren, also vA gleich vE10„/o (H0a, Hob, H0c). Bei bekannter konstanter Anfahrbeschleunigung und Bremsbeschleunigung, bekannter Auftreffgeschwindigkeit und bekannter Ausgangslage lässt sich zu jeder Ausgangslage über die Bewegungsgleichungen die Gesamtdauer des Arbeitshubs t und die Arbeitshubzeit tl3 bzw. die Abbremslage bestimmen, zu der der Abbremsvorgang erfolgen muss. Das Ergebnis eines solchen idealisierten Geschwindigkeits-Zeit-Verlaufs ist in FIG 3 dargestellt. Die maximalen Geschwindigkeiten vmax (H0a), vmax (Hob), vmax (H0c) werden nach den Arbeitshubzeiten tt (H0a), tt (Hob), tα (H0c) erreicht. Danach wird der Stößel mit der Bremsbeschleunigung abgebremst und trifft nach der Gesamtdauer des Arbeitshubs tGes (H0a), tGes (Hob), tGes (H0c) mit der Geschwindigkeit vE10% auf dem Werkstück auf. Aus FIG 3 ist ersichtlich, je höher die Ausgangslage H0a, Hob, H0c gewählt wird, desto länger ist. die Gesamtdauer des Arbeitshubs tGes bis zum Erreichen der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit vE10o/o Des Weiteren verlängert sich mit erhöhter Aus gangslage H0a, Hob, H0c auch die Arbeitshubzeit (H0a), tt (Hob), t (H0c) bis der Abbrems- Vorgang eingeleitet wird und die maximale Geschwindigkeit des Stößels vmax (Ho,), vmax (Hob), vmax (H0c) nimmt zu.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht nun zudem aus einer konstanten Ausgangslage je nach Anforderung verschiedene Auftreffgeschwin- digkeiten zu erzeugen. In FIG 4 sind drei theoretische Geschwindigkeits-Zeit- Verläufe zum Erreichen jeweils verschiedener Auftreffgeschwindigkeiten aus einer konstanten Ausgangslage dargestellt. Die Ausgangslage entspricht der maximalen Ausgangslage H0a Um die der maximalen Umformenergie entsprechende Auftreffgeschwindigkeit vE100% zu erreichen wird der Stößel aus der Aus- gangslage H0a heraus bis zum Aufprall auf das Werkstück konstant beschleunigt. Die Dauer dieses Arbeitshubs ist im Diagramm mit tGes (100%) bezeichnet. Soll nun aus derselben Ausgangslage H0a lediglich eine Auftreffgeschwindigkeit vE50% erreicht werden, die 50% der maximalen Umformenergie entspricht, so wird der Stößel zunächst auf vmax (50%) beschleunigt und ab einer vorbestimmten Lage bzw. Zeit auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit vE50o/o abgebremst. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, das dieser Vorgang länger dauert (tGes (50%)), als die Beschleunigung auf 100% der Umformenergie. Die dritte Kurve zeigt das Anfahren einer Auftreffgeschwindigkeit vE10 , die lediglich 10% der maximalen Umformenergie entspricht, ebenfalls aus der Ausgangslage H0a. Die maximale Geschwindigkeit vmax (10%) ist in diesem Fall niedriger als beim Erzeugen der 50%-igen Umformenergie und die Gesamtdauer des Arbeitshubs tGes (10%) ist nochmals länger. Der Zusammenhang zwischen Umformenergie E und Geschwindigkeit v lässt sich in idealer Weise mit E = ^ mv2 angeben. Die Geschwindigkeit v ist daher proportional zu der Wurzel aus E.
FIG 5 zeigt drei reale, gemessene Geschwindigkeits-Zeit- Verläufe des Verfahrens gemäß der Erfindung, die mit den in FIG 4 dargestellten theoretischen Geschwindigkeits-Zeit- Verläufen vergleichbar sind. Der Arbeitshub bzw. die Ausgangslage kann bei allen Kurven A, B, C als gleich groß angenommen werden. Für die Umformprozesse wurden jedoch unterschiedliche Auftreffgeschwindigkeiten bzw. unterschiedliche Umformenergien gewählt, die mit 100%o, 50%, und 10% bezeichnet und den Kurven A, B, C zugeordnet sind. Zudem ist den Geschwindigkeits-Zeit-Verläufen jeweils der Kraftstoß α, ß, γ beim Auftreffen des Stößels auf das Werkstück bei der jeweiligen Auftreff zeit überlagert.
Die Kurve A (100%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit- Verlauf für eine Beschleunigung auf die maximale Geschwindigkeit zum Erreichen der maximalen Umformenergie. Der Stößel wird aus der Ausgangslage über den Kurvenabschnitt Kl beschleunigt, bis er die maximal mögliche Auftreffgeschwin- digkeit vE100% im Kurvenabschnitt K2 erreicht. Der Kurvenabschnitt K3 verdeutlicht das Abbremsen des Stößels durch den Energieverlust beim Aufprall. Ein Teil der Energie wird in den Umformvorgang eingebracht. Die restliche Energie wird zumindest teilweise in einen Rückstoß des Stößels umgesetzt (K4). Der Restbetrag der Geschwindigkeit in der Kurve A(100%) ist auf diesen Rückstoß zurückzuführen. Anschließend wird der Stößel mittels des Antriebsmotors, der in der Regel erst nach dem Aufprall und Rückstoß wieder eingeschaltet bzw. angekuppelt wird kontrolliert in Richtung der Endlage gefahren. Dabei wird der Stößel zunächst bis zu einer vorbestimmten Lage beschleunigt, was der Kurvenab- schnitt K5 zeigt. Bei Erreichen der vorbestimmten Lage wird der Stößel mittels des Motors gebremst. Diese Lage bzw. die dazugehörige Zeit, durch die sie in dieser und in den folgenden Kurven dargestellt wird, und die zu dieser Zeit erreichte maximale Geschwindigkeit beschreibt der Kurvenabschnitt K6. Nach Erreichen der vorbestimmten Lage wird der Stößel mittels des An- triebsmotors abgebremst, bis er eine sehr geringe Geschwindigkeit erreicht (K7). Ist der Stößel in der vorbestimmten Endlage angekommen greift zusätzlich eine mechanische Bremse, was aus Kurvenabschnitt 8 ersichtlich ist. Durch die mechanische Bremse wird der Stößel auf genau 0 m/s abgebremst und in der Endlage gehalten. Durch das Greifen der mechanischen Bremse wird der Betrag der Bremsbeschleunigung verändert, was sich in K8 als kleine Ausbuchtung im Kurvenverlauf darstellt.
Der Kraftstoß erfolgt genau zu dem Zeitpunkt, bei dem der Stößel auf dem Werkstück aufprallt. In der Darstellung ist das daran zu sehen, dass das Maximum von α bei einer Zeit kurz nach Erreichen der gewünschten Auf- treffgeschwindigkeit liegt. Das trifft auch auf die Kraftstöße ß und γ in den weiteren Kurven zu.
Die Kurve B (50%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Be- schleunigung auf eine Geschwindigkeit zum Erreichen von 50% der maximalen Umformenergie bei konstantem Arbeitshub. Das bedeutet, der Stößel wird zunächst beschleunigt (Kl) bis eine vorbestimmte Lage mit einer vorbestimmten maximalen Geschwindigkeit vmax erreicht ist (K9) und anschließend auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit vE50Vo (K2) abgebremst. Die Verringerung der Geschwindigkeit während des Abbremsvorgangs zeigt Kurvenabschnitt K10. Im Kurvenabschnitt K2 wird dann wiederum die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit vE50o/o erreicht. Der weitere Verlauf der Kurve B (50%) entspricht dem Verlauf der Kurve A (100%). Der Stößel wird durch den Aufprall abgebremst (K3) und zurückgestoßen (K4) . Anschließend greift der Antriebsmotor und führt den Stößel durch Beschleunigen (K5, K6) und Abbremsen (K7) in die Endlage, in der die mechanische Bremse den Stößel zum Stillstand bringt (K8).
Die Kurve C (10%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Be- schleunigung auf eine Geschwindigkeit zum Erreichen von 10% der maximalen Umformenergie bei ebenfalls konstantem Arbeitshub. Der Kurvenverlauf ist vergleichbar mit dem von B (50%). Die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit vE10o/o ist jedoch niedriger, so dass zunächst auf eine niedrigere maximale Geschwindigkeit vmax als bei B (50%) beschleunigt wird (Kl, K9) und über einen längeren Zeitraum abgebremst werden muss (K10). Die Gesamtdauer des Arbeitshubs ist dadurch im Vergleich zu B (50%) unwesentlich länger.
In FIG 6 ist eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung dargestellt, die sich besonders zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung eignet. Der Stößel 1 wird über eine Spindel 5 angetrieben. Dazu verfügt die Spindel 5 über ein steilgängiges Gewinde 9 in dem eine am Stößel 1 befestigte Stößelmutter 8 läuft. Die Spindel 5 ist mit einem Schwungrad 6 gekoppelt, das von einem Antriebsmotor 7, in der Regel ein drehzahlvariabler in seiner Drehrichtung veränderbarer Asynchronmotor, direkt angetrieben wird. Über den Antriebsmotor wird nun das Schwungrad 6 und die mit diesem gekoppelte Spindel 5 in Rotation versetzt. Die Rotationsgeschwindigkeit von Schwungrad 6 und Spindel 5 wird über die Drehzahl des Antriebsmotors 7 eingestellt. Für Steuerung- und Regelung der Drehzahl ist eine Frequenzumrichtereinheit mit einem Mikroprozessor (hier nicht dargestellt) vorgesehen. Die Rotation der Spindel 5 wird über die Spindelmutter 8 auf den Stößel 1 übertragen und dieser dadurch in Richtung auf den Träger 3 zu oder von diesem weg bewegt. Dabei ist die Drehzahl des Antriebsmotors 7 ein Maß für die Geschwindigkeit des Stößels 1.
Auf den Träger 3 kann ein Werkstück (hier nicht dargestellt) aufgebracht sein, auf dass der Stößel mit vorgegebener Auftreffgeschwindigkeit aufprallt. Kurz vor dem Aufprall wird der Antriebsmotor 7 ausgeschaltet, so dass die Steuer- und Regeleinrichtung vor Beschädigung bzw. Beeinträchtigung durch Spannungs- und Stromspitzen, die beim Aufprall entstehen können, ge- schützt ist. Nach dem Aufprall bzw. Rückstoß des Stößels 1 wird der An- triebsmotor 7 wieder eingeschaltet und der Stößel 1 zurück in seine Endlage gehoben.
Die Lage des Stößels 1 wird berührungslos, vorzugsweise mittels eines a- gnetischen, inkrementalen Positionsgebers 10 bestimmt bzw. gemessen. Die Messwerte können an die Frequenzumrichtereinheit und an eine externe Steuer- und Regeleinrichtung übertragen werden. Die gemessenen Werte nutzt die Frequenzumrichtereinheit, um beispielsweise den Drehzahl- bzw. den Geschwindigkeitsverlauf des Stößels 1 zu ermitteln, der für einen opti- malen Umformprozess oder zum Erreichen der vorgegeben Endlage notwendig ist.
Bezugszeichenliste
1 Stößel
2 Antrieb s einrichtung
3 Träger
4 Werkstück
5 Spindel
6 Schwungrad
7 Antriebsmotor
8 Spindelmutter
9 Gewinde
10 Positionsgeber
"θ s "-ob, H0c_ Hod Ausgangslage
ΔHa, ΔHb, ΔHC, Arbeitshub
Hd Abbremslage
ΔHdl> ΔHd2 Teilarb eitshub
Vo. voa3 vob, v0c Anfangsges chwindigkeit vA,vAa, vAb, vAc, vAd Auftreffgeschwindigkeit
V EIOO%> V E5O%J V EIO% Auftreffgeschwindigkeit bei 100%, 50%, 10% Umformenergie vmax, vmaxd maximale Geschwindigkeit toa tι, ^es Arbeitshubzeit α, ß, γ Kraftstoß
Kl bis K10 Kurvenabschnitte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Umformen wenigstens eines Werkstücks (4), bei dem ein Schlagwerkzeug (1) während einer Schlagbewegung aus ei- ner vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage (H0a, Hob, H0c) mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit (vAa, vAb, vAc, vAd) auf das auf einem Träger (3) befindliche Werkstück (4) prallt und bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Schlagbewegung abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs (1) und abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (vAa, vAb, vAc, vAd) gesteuert oder geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens eine Lage des Schlagwerkzeugs (1) gemessen oder bestimmt wird und mit dem wenigstens einen Lagewert des Schlagwerkzeugs (1) und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (vAa, vAb, vAc, vAd) die Geschwindigkeits erte während der Schlagbewegung berechnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Lagewert des Schlagwerkzeugs (1) an eine Steuerungs- und Regelungs einrichtung zur Steuerung oder Regelung des Schlagwerkzeugs (1) übertragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die Ausgangslage (H0a, H0b, H0c) des Schlagwerkzeugs (1) und/oder die Lage nach einer Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs (1) gemessen oder bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4„ bei dem die Lage des Schlagwerkzeugs (1) nach der Verformung des Werkstücks (4) durch den Aufprall gemessen oder bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Schlagwerkzeug (1) aus der Ausgangslage (H0a, H0b, H0c) auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit (vAa, vAb, vAc) beschleunigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Ausgangslage (Hob, H0c) niedriger als eine maximale Ausgangslage (H0a) eingestellt wird zum Erreichen einer Auftreffgeschwindigkeit (vAb, vAc) niedriger als eine maximale Auftreffgeschwindigkeit
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8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Schlagwerkzeug (1) aus der Ausgangslage (Hod) beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage (Hd) zwischen der Ausgangslage (Hod) und dem Werkstück (4) abgebremst wird, um die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit (vAd) zu erreichen.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Schlagbewegung so gesteuert oder geregelt wird, dass bei beliebiger Ausgangslage (H0a, Hob, H0c> Hod) die kürzest mögliche Arbeitshubzeit (tGes) erreicht wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) mit der Steuerungs- und Regelungseinrichtung erfolgt, die einen drehzahlvariablen Antriebsmotor (7) in einer Antriebseinrichtung (2) für das Schlagwerkzeug steuert und regelt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als Steuerungs- und Regelungs einrichtung eine Frequenzum- richtereinheit verwendet wird, die die Drehzahl und die Drehrichtung des Antriebsmotors (7) steuert und regelt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem die Frequenzumrichtereinheit, insbesondere mit Hilfe eines Mikroprozessor den Drehzahlverlauf des Antriebsmotors (7) während der Schlagbewegung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (vAa, vAb, vAc, vAd) und einer vorgegebenen Ausgangslage (H0a, H0b, H0c) und/oder einer mittels einer Lagemesseinrichtung gemessenen oder bestimmten Lage bestimmt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlagwerkzeug (1) nach dem Aufprall durch eine Rückholbewegung in eine vorgegebene oder vorgebbare Endlage zurückgehoben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Rückholbewegung in die Endlage bei umgekehrter Drehrichtung des Antriebsmotors (7) erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Rückholbewegung in die Endlage abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs (1) gesteuert und geregelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, in Rückbeziehung auf Anspruch 11 oder einen der auf Anspruch 11 rückbezogenen Ansprüche, bei dem die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) mit der Frequenzumrichtereinheit erfolgt, die den Drehzahlverlauf während des Rückhubs in Abhängigkeit der vorgegebenen Endlage und/oder einer mittels der Lagemesseinrichtung bestimmten Lage bestimmt.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, bei dem als Endlage eines Rückhubs die Ausgangslage (H0a, Hob, H0c) des Schlagwerkzeugs (1) für den Arbeitshub (ΔHa, ΔHb, ΔHC) gewählt wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Endlage des Rückhubs abhängig vom zu bearbeitenden Werkstück (4) und/oder von der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit (y Aa> v Ab> V ACJ v Ad) bei der darauffolgenden Schlagbewegung gewählt wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, bei dem das Schlagwerkzeug (1) bei der Rückholbewegung in die Endlage vom Werkstück oder Träger weg beschleunigt wird und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage (Hd) zwischen dem Werkstück (4) oder dem Träger (3) einerseits und der Endlage andererseits mittels des Antriebsmotors (7) generatorisch abgebremst wird.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19, bei dem das Schlagwerkzeug (1) bei Erreichen der Endlage durch eine mechanische Bremseinrichtung vollständig abgebremst wird.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkstück (4) mit dem Schlagwerkzeug (1) in die Endlage gefahren wird und in der Endlage vom Schlagwerkzeug (1) abgenom- men wird.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlagwerkzeug (1) beim Beschleunigen mit einer vorgegebenen konstanten Anfahrbeschleunigung beschleunigt wird.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlagwerkzeug (1) beim Abbremsen mit einer vorgegebenen konstanten Bremsbeschleunigung abgebremst wird.
24. Verfahren nach Anspruch 10 oder einen der auf Anspruch 10 rückbezogenen Ansprüche, bei dem der Antriebsmotor (7) vor dem Aufprall des Schlagwerkzeugs (1) auf das Werkstück (4) momentlos geschaltet und/oder in der Antriebseinrichtung (2) abgekuppelt wird.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während dem Abbremsen des Schlagwerkzeugs (1) mittels des Antriebsmotors (7) der Antriebsmotor (7) als Generator betrieben wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die während des Abbremsens durch den Generator gewonnene Energie in das Stromnetz zurückgespeist wird.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lage des Schlagwerkzeugs (1) mittels wenigstens eines, insbesondere berührungslosen, Positionsgebers bestimmt wird, insbesondere eines optischen oder magnetischen oder induktiven und vor- zugsweise inkrementalen Positionsgebers.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Umformvorrichtung verwendet wird, die eine Spindelpresse ist, und bei der der Antriebsmotor (7) in der Antriebseinrichtung (2) der Spindelpresse arbeitet und direkt ein Schwungrad (6) antreibt, das eine mit diesem gekoppelte Spindel (5) in Rotation versetzt.
29. Umformvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend a) wenigstens einen Träger (3) für ein Werkstück (4), b) wenigstens ein Schlagwerkzeug (1), c) wenigstens eine Antrieb seinrichtung (2) zum Bewegen des Schlagwerk- zeugs (1) relativ zum Träger (3) und d) wenigstens eine Lagemes seinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs (1), e) wobei zum Umformen des Werkstücks (4) eine Ausganglage (H0a, Hob, H0c) des Schlagwerkzeugs (1) einstellbar oder eingestellt ist und f) wobei eine Steuerungs- und Regelungs einrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während einer Schlagbewegung in Abhängigkeit der Lage so steuert und regelt, dass eine vorgegebene oder vorgebbare Auftreffgeschwindigkeit (vAa, vAb, vAc, vAd) auf dem Werkstück (4) erreicht wird.
30. Umformvorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Antrieb seinrichtung (2) einen drehzahlvariablen Antriebsmotor (7) umfasst, insbesondere einen Asynchronmotor.
31. Umformvorrichtung nach Anspruch 29 oder Anspruch 30, wobei die Antrieb seinrichtung (2) ein Schwungrad (6), das mit einer Spindel (5) gekoppelt ist und vom Antriebsmotor (7) angetrieben wird oder antreibbar ist umfasst.
32. Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 31, wobei als Steuerungs- und Regelungs einrichtung eine Frequenzumrichtereinheit einem Mikroprozessor vorgesehen ist zur Steuerung und Regelung der Antriebsmotordrehzahl.
33. Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 32, wobei für die Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs (1) von dem Werkstück (4) oder Träger (3) eine Endlage für das Schlagwerkzeug (1) einstellbar oder eingestellt ist.
34. Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 33, wobei der Antriebsmotor (7) in seiner Drehrichtung umkehrbar ist zum Zurückheben des Schlagwerkzeugs (1).
35. Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 34, wobei eine mechanische Bremseinrichtung vorgesehen ist zum Festhalten des Schlagwerkzeug (1) bei Erreichen der Endlage.
36. Umformvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 29 bis 35, wobei die Lagemesseinrichtung einen, insbesondere berührungslosen Positionsgeber, insbesondere einen optischen oder magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgeber, umfasst.
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