WO2012104384A1 - Pressmaschine und verfahren zum pressen von werkstücken - Google Patents

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WO2012104384A1
WO2012104384A1 PCT/EP2012/051789 EP2012051789W WO2012104384A1 WO 2012104384 A1 WO2012104384 A1 WO 2012104384A1 EP 2012051789 W EP2012051789 W EP 2012051789W WO 2012104384 A1 WO2012104384 A1 WO 2012104384A1
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chamber
hydraulic
working
conveyor
pressing
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PCT/EP2012/051789
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Lothar Bauersachs
Herbert Rüger
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Langenstein & Schemann Gmbh
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    • B21J9/10Drives for forging presses
    • B21J9/12Drives for forging presses operated by hydraulic or liquid pressure
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    • B21J9/20Control devices specially adapted to forging presses not restricted to one of the preceding subgroups
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B1/00Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen
    • B30B1/32Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by plungers under fluid pressure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30PRESSES
    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B13/00Methods of pressing not special to the use of presses of any one of the preceding main groups
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    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/16Control arrangements for fluid-driven presses

Definitions

  • the invention relates to a press machine for pressing workpieces and a method for pressing workpieces.
  • press machines For pressing workpieces during cold forming, in particular during sheet metal forming, or hot forming, in particular when mixing metallic, suitable materials, various forming machines (press machines) are known (see, for example, VDI Lexikon Band elegantstechnik Maschinenstechnik , Publisher: Hiersig, VDI-Verlag, 1995, pages 1107 to 1113). At least one ram with a first pressing tool of the pressing machine is driven by a drive and moved relative to a second pressing tool of the pressing machine, so that the workpiece can be deformed by pressing forces between the pressing tools.
  • the usually wegG working mechanical presses use mechanical drives, such as servomotor drives, m it with various transmission mechanisms, such as eccentric (eccentric) or toggle (press toggle).
  • mechanical drives such as servomotor drives, m it with various transmission mechanisms, such as eccentric (eccentric) or toggle (press toggle).
  • eccentric (eccentric) or toggle (press toggle) such as eccentric (eccentric) or toggle (press toggle).
  • the forming force or ram force is dependent on the path or the position of the plunger.
  • the normally force-operated hydraulic presses use a hydraulic drive by means of a hydraulic medium, such as oil or water, whose pressure energy is converted into mechanical forming work by moving rods in hydraulic cylinders.
  • the ram force corresponds to the product of hydraulic pressure and piston surface and is largely independent. depending on the position of the pestle.
  • the hydraulic drive of the piston can be an immediate pump drive with a motor-driven controllable pump (see eg DE 19680008 CT) or also a hydraulic accumulator drive with accumulator and motor-driven pump for establishing the pressure in the pressure accumulator.
  • the technical and energy costs for power-controlled hydraulic pumps is relatively high.
  • the object of the invention is now to provide a new pressing machine and a new pressing method available.
  • FIG. 1 shows a hydraulic pressing machine with an eccentric drive, in which the working piston is in an upper position, in one
  • FIG 2 shows the pressing machine according to FIG 1, wherein the working piston
  • FIG. 3 shows a hydraulic pressing machine with a pump drive for the working piston, wherein the working piston is in an upper position, in a circuit diagram and 4 shows the pressing machine according to FIG. 3, in which the working piston is in a lower position, in each case shown schematically.
  • Corresponding parts and sizes are provided in the Figures 1 to 4 with the same reference numerals.
  • this comprises a plunger 10 and a hydraulic ram drive unit 1 with a hydraulic working piston 2, which is hydraulically movable in an associated, filled with hydraulic medium M hydraulic or working cylinder 3 axially to the working axis A.
  • a in the outer diameter of the inner diameter of the working cylinder 3 adapted and sealed against the inner surface of the working cylinder 3 first piston portion 21 of the working piston 2 separates - at least within leakage tolerances - pressure tight a lower cylinder chamber 32 of the working cylinder 3 from an upper cylinder chamber 31.
  • the working piston 2 moves the tappet 10 of the pressing machine 1, which is coupled thereto or fastened, to which a pressing tool 15 is located.
  • the pressing tool 15 can be moved in individual working steps in a pressing movement or in a pressing direction P to a workpiece, not shown, which is located on a second, not shown pressing tool, and in a subsequent return movement away from this or opposite to the pressing direction to be moved.
  • the tappet 10 coupled to the working piston 2 accordingly places an axial path or vertical stroke between an upper position zl (at distance xl of the working piston) and a lower position z2 (at distance x2 of the working piston 2), which corresponds to a maximum vertical working stroke ⁇ z2 - zl of the plunger 10 corresponds.
  • the ram drive unit 1 comprises a hydraulically guided in a working chamber, which is designed in the embodiment as a working cylinder 3, which is designed in the embodiment as a drive piston 2, the working chamber in a first, preferably upper, partial chamber and a second preferably lower, sub-chamber separates.
  • the invention is not limited to the embodiment and arrangement of the working chamber and its sub-chambers and of the working piston specified in the exemplary embodiment.
  • a cross section deviating from a cylinder, a horizontal arrangement or movement or else another shape of the working body or else an arrangement, for example star-shaped or crossed over 90 °, of a plurality of working bodies and working bodies is also possible. chambers with respective plungers for the common machining of a workpiece possible.
  • a controllable valve 4 is hydraulically connected to the upper cylinder space 31 and is connected between the upper cylinder space 31 and a medium reservoir 5 for the hydraulic medium M. Control connections for opening and closing the valve 4 are denoted by Sl and S2. In the open state of the valve 4, depending on the applied pressure difference, medium M can flow from or into the medium reservoir 5, but not in the closed state of the valve 4.
  • a delivery unit 60 of a servo pump 6 is also hydraulically connected.
  • the hydraulic connection line between the power steering pump 6 and the upper cylinder chamber 31 is designated 36.
  • the feed unit 60 for example a screw conveyor or wisdompumpenrad or an internal gear of an internal gear pump is driven by an output shaft 62 of a servomotor 61 and that in both directions by reversing the direction of rotation of the output shaft 62 of the servo motor 61 as shown.
  • the servomotor 61 is connected via an electrical line 56 to an electrical converter 55, which in turn is connected to the control device 50 via an electrical line 53.
  • a further servo pump 7 is connected via a hydraulic see connecting line 37.
  • the delivery unit 70 of the second servo pump 7 is connected, which is again driven via an output shaft 62 by a servomotor 71 in the conveying direction switchable, in particular the servomotor 71 is reversible in its direction of rotation.
  • the servomotor 71 is connected via an electrical line 57 to the inverter 55.
  • the connecting line 37 is a the front cylinder chamber 32 zugeordne- ter pressure transmitter 14 connected, which is connected via a line 54 to the control device 50.
  • FIGS. 1 to 4 electrical lines are shown by dashed lines and hydraulic lines by solid lines and mechanical connections likewise by solid lines.
  • the term line or control line includes both wired and wireless, e.g. As optical or radio-based, transmission or connection routes.
  • a check valve 44 is further connected in each case, which is connected to the medium reservoir 5 and the respective servo pump 6, 7 and 17 protects against idling.
  • the upper cylinder chamber 31 and the lower cylinder chamber 32 each associated with an overload protection device 13 which is connected to the medium reservoir 5 and limit the hydraulic pressure to protect the components exposed to the hydraulic pressure from overloading.
  • the upper cylinder space 31 of the working cylinder 3 is hydraulically connected via a connecting channel 38 to a drive cylinder space 82 of a drive cylinder 80 of a drive unit 8 for the working piston 2.
  • Drive cylinder space 82 and connecting channel 38 are also filled with hydraulic medium M.
  • the volume V3 of the drive cylinder space 82 can be changed by a drive piston 81 that is axially movable in the drive cylinder 80 and driven by a connecting rod, in particular a connecting rod, 98 of an eccentric unit 9.
  • the connecting rod 98 mechanically connects the drive piston 81 with an eccentric 92 on an eccentric disk 91.
  • the eccentric axis E of the eccentric 92 runs eccentrically in a radius r about an axis of rotation D of the eccentric disk 91 as it rotates through an angle of rotation ⁇ .
  • a rotary drive for the eccentric 91 is a drive motor 18, in particular a torque motor with a ho hen torque provided, which, preferably via a transmission 19, the eccentric 91 drives in reversible direction of rotation of the drive motor 18 or the transmission 19 and which is connected via an electrical line 58 to the inverter 55.
  • the eccentric axis E lies on a horizontal H through the axis of rotation D and the connecting rod 98 extends substantially vertically between the eccentric 92 and the drive piston 81.
  • the eccentric 91 with the eccentric 92 to a Rotation angle ⁇ 90 ° further rotated and the eccentric axis E is now on a vertical V, which passes through the axis of rotation D, below the axis of rotation D, so that now the connecting rod 98 extends obliquely between eccentric 92 and the drive piston 81.
  • the axis of rotation D can also lie exactly vertically above the center of the drive piston 81.
  • the distance of the drive piston 81 from the lower wall of the drive cylinder 80 is designated in Figure 1 with yl and in Figure 2 with y2, where yl> y2.
  • the maximum working stroke Ay and the achievable pressing or forming force is dependent on the radius r of the eccentric 92, the selected or set maximum rotation angle ⁇ and the length of the connecting rod 98, which are also referred to as eccentric parameters below.
  • the area A3 of the drive piston 81 is usually selected smaller than the upper surface AI of the working piston 2, wherein the ratio is determined depending on the desired power ratio, which is proportional to the respective surfaces over the substantially equal pressure.
  • the drive unit 8 and the eccentric unit 9 with the drive motor 18 together form a first hydraulic conveyor, which is hydraulically connected on the one hand to the first sub-chamber of the working chamber and on the other hand to the medium storage and reversible in the conveying direction and is a mechanical-hydraulic hybrid drive.
  • This embodiment also provides high forming forces at or at the end of the press travel (due to variable sinusoidal kinematics translation) with increasing forming forces, and is also suitable for upsetting or cold forming or holding the ram in certain force loaded positions, e.g.
  • the servo pump 7 is an embodiment of a second hydraulic conveyor, which is hydraulically connected on the one hand to the second sub-chamber of the working chamber and on the other hand to the medium storage and reversible in the conveying direction.
  • the servo pump 6 forms a third hydraulic delivery device, which is hydraulically connected on the one hand to the second sub-chamber of the working chamber and on the other hand to the medium reservoir and can be reversed in the conveying direction.
  • This formed by the servo pump 6 third hydraulic conveyor is used primarily to compensate for leaks in the hydraulic system, which can only be compensated by the eccentric limited because of the limited stroke, but can also in addition be used to assist or as part of the first conveyor during pressing.
  • a servo pump 17 is provided as a first conveyor with a conveyor unit 170, which again via an output shaft 172 by a servomotor 171, which via a line 57 is connected to the inverter 55, is driven and is operable in both conveying directions.
  • the power steering pump 17 is connected to the rear cylinder chamber 31 of the power cylinder 3 on one side via a hydraulic connection line 39 and to the medium reservoir 5 on the other side.
  • a pressure transducer 12 for measuring the pressure in the communication line 39 and thus also the rear cylinder chamber 31, wherein the pressure transducer 12 is again connected via the line 52 to the control device 50.
  • the second conveyor is further formed with the servo pump 7.
  • the third hydraulic conveyor formed with the servo pump 6 is used in this embodiment according to FIG 3 and 4 now to support the purely hydraulic first conveyor and works in parallel with this during pressing, so that add the delivery volumes.
  • the axial position of the plunger 10 (or the working piston 2) along the working stroke is measured by means of an associated position measuring device or by means of a Wegmessgebers 11 which is connected via a line 51 to a control device 50.
  • the control device 50 is for checking, in particular for controlling and / or rules and / or monitoring, the workflows and individual components of the forming machine provided.
  • the control device 50 controls (or: controls or regulates) via the inverter 55 the drive motor 18 of the first hydraulic conveyor (8, 9) and the servo motor 71 of the second hydraulic conveyor or servo pump 7 and via the control port Sl the controllable hydraulic valve 4 for automatic Control or regulation of the flow rates and pressures and the flow direction of the hydraulic medium between see the medium reservoir 5 and the first sub-chamber (31) of the working chamber (3) and between the medium reservoir 5 and the second sub-chamber (32) of the working chamber.
  • the inverter 55 preferably comprises a non-illustrated intermediate energy storage, with the generator in a process phase regenerated electric energy at least one of the conveyor motors and used in a subsequent or later process phase for motor operation of at least one of the conveyor motors, preferably the respective other conveyor motor each other conveyor.
  • at least one capacitor in an intermediate circuit of the converter or in a capacitor module or kinetic energy store coupled to the intermediate circuit can be used as the energy buffer of the converter.
  • the SINAMICS energy management system (see SIMOTION brochure E20001-A660-P620 from 2008, available at www.siemens.com) can be used as energy buffer storage systems by the company Siemens in the SIMOTION controls for servo presses with direct drive of the ram via servo torque motors. forming technology) adapted for the servo drives (60, 70, 18, 170) of the present hydraulic press machine.
  • a method for pressing a workpiece using the press machine according to the invention comprises the following method steps or partial phases of each work step or work cycle which are controlled by means of the control device 50:
  • the valve 4 is at least partially opened by the control device 50 to a comparatively large volume flow of hydraulic medium M from the medium reservoir 5 to flow into the upper cylinder chamber 31, and the second conveyor, controlled by the control device 50, the servo pump 7, pumping medium M from the lower cylinder chamber 32 into the medium reservoir 5.
  • the servo pump 6 can also re-pump the hydraulic medium M into the upper cylinder chamber 31.
  • control device 50 controls by means of the converter 55 flow rate or delivery pressure of the second conveyor, the servo pump 7, so that the movement of the working piston 2 is braked or accelerated according to a predetermined course of motion, in particular path-time course or speed-time course or speed-course course or force-time course or force-displacement curve, wherein the working piston 2 moves to a predetermined starting point in the predetermined movement within a time provided in the movement or resulting time.
  • the starting point is basically an arbitrary point between the two end points of the maximum working stroke ⁇ corresponding to a starting point of the plunger 10 between the two end points of the maximum working stroke ⁇ of the plunger 10.
  • the idle stroke can also be dispensed with; H. the starting point for the working stroke are at the top or the total stroke is equal to the working stroke.
  • the movement of the working piston 2 and thus of the plunger 10 during the freewheel or idle stroke is adjusted by the control device 50 with the position values of the position measuring device 11 and adjusted accordingly or controlled by controlling the valve 4 and the servo pump 7 and possibly also the Servo pump 6.
  • the starting point for the working stroke is a point at which the pressing tool 15 comes into contact with the workpiece and is thus decelerated, which is detected or monitored by the control device 50 by the displacement measurement by means of the position measuring device 11.
  • the torque motor 18 (FIG. 1 and FIG. 2) or servomotor 171 (FIG. 3 and FIG. 4) stops, the valve 4 is opened and the servo pump 7 operates.
  • the freewheel or Leerhubterrorism the working piston 2 at the starting point of the working stroke is GE stops.
  • the control device 50 sets for the pressing stroke on the inverter 55, the torque motor 18 of the eccentric 9 (FIG 1 and FIG 2) or the servo motor 171 (FIG 3 and FIG 4) in operation and closes the valve 4.
  • a working pressure is built up in the rear cylinder space 31 of the working cylinder 3, which pushes the plunger 10 and the pressing tool 15 fastened thereto into or against the pressing process Press the workpiece and press the workpiece into the second tool.
  • the working stroke or pressing travel of the plunger 10 during the pressing stroke can be adjusted by adjusting the rotation angle ⁇ (stroke adjustment) (FIG. 1 and FIG. 2) or via the rotation angle of the servomotor 171 (FIG. 3 and FIG. 4).
  • the pressing movement of the working piston 2 or plunger 10 follows again a predetermined course of the control device 50, again the distance measurement via the position measuring device 11 provides information about the position of the plunger 10, via the control device 50 and the inverter 55 for controlling the torque motor 18th (FIG 1 and FIG 2) or the ser- dermotor 171 (FIG 3 and FIG 4) is used, so that the plunger 10 can be driven away controlled.
  • a pressure-dependent control or a travel control with a pressure upper limit.
  • the torque input is preferably dynamic, so that the eccentric kinematics is taken into account. At angles ⁇ near the 90 °, ie in the lower point, a higher hydraulic pressure can be generated with the same torque on the torque motor 18.
  • the servo pump 7 is switched to low-torque during the press stroke or the servo motor 71 is not energized, but generates generator due to the flowing through the feed unit 70 from the lower cylinder chamber 32 displaced medium a generator current whose charge or energy is cached by the inverter 55.
  • the servo pump 6 can be turned on / remain to compensate for leakage by refilling hydraulic medium M from the medium reservoir 5 in the upper cylinder chamber 31 (leakage pump).
  • the pressing stroke is ended when, according to FIG. 2, the tappet 10 reaches its lower end position (bottom dead center).
  • the control device 50 After the plunger 10 has now reached its lower end point, the control device 50 immediately begins the return movement. This first begins with a passive process, the relaxation or decompression process mentioned under point 3, in which the hydraulic medium M is relieved by the compression volume, which is dependent on the compressibility of the medium M.
  • the valve 4 remains closed.
  • the torque motor 18 (FIG. 1 and FIG. 2) or the servomotor 171 (FIG. 3 and FIG. 4) is switched with little torque, ie it can be rotated easily.
  • the decompression of the hydraulic medium M moves the drive piston 81 upwards and over the eccentric disk 9, the torque motor 18 is moved in the opposite direction (FIG. 1 and FIG.
  • the fourth and last step is the controlled return stroke mentioned under 4., in which the servo pump 7 is again put into operation by the control device 50 via the converter 55, but in the reverse conveying direction as in the case of the freewheel, wherein the buffered energy is reused by the converter 55 becomes.
  • the servo pump 7 pumps hydraulic medium M via the line 37 from the medium reservoir 5 into the lower cylinder chamber 32 and increases the pressure there. Further, the valve 4 is opened again. The working piston 2 and the plunger 10 is thereby lifted back by means of the servo pump 7 back into the starting position or in another starting position. As a result of the open valve 4, displaced hydraulic medium M flows out of the rear cylinder chamber 31 into the medium reservoir 5.
  • a pressure transmitter 12 is assigned to the lower cylinder chamber 31 for monitoring and measuring the pressure.
  • the signals of the pressure transmitter 12 are transmitted to the control device 50 via a line 52.
  • the pressure transducer is assigned to a connecting line 38 between a drive cylinder space of the servo pump 17 and the rear cylinder chamber 31, while in FIGS. 3 and 4 it is assigned to the hydraulic line 37 between the servo pump 17 and the rear cylinder chamber 31.
  • the pressure transducer 12 measures the pressure for controlling or regulating the pressure, in particular for the working stroke.
  • the pressure transducer 14 measures the pressure at the front cylinder chamber 32 in particular also for monitoring function, for. Example, whether the workpiece is in contact with the pressing tool or is not held up at all, which would be reflected in the distinction of the limit value for the pressure.
  • An advantage of the Pressmaschi ne and the pressing method according to the invention is that the working stroke or the upper operating point of the lower working point of the working stroke arbitrarily settable bar within the total stroke or maximum working si nd and the overload is secured at each point of the stroke by the Pressure relief valves can be worked. Furthermore, no weight compensation of the plunger is required as with mechanical exciter presses. The drive over the Exzenterei beauty supplies in the lower dead point or lower operating point large torques with smaller drive power than hyd raulischen presses. There is no power-controlled hydraulic pump required. Furthermore, no flywheel is required and the eccentric can only work in a Tei lwinkel Kunststoff.
  • the servo pump 6 is used, in particular, to compensate for leaks in the hydraulic system and can supply additional hydraulic medium to the hydraulic system pump from the accumulator 5.
  • the servo pumps 6, 7 and 17 are in particular hydraulic servo pistons, for example axial piston pumps, driven by position-controlled servomotors 61, 71 and 171, which hold the pump rotors or pistons, and equipped with a hydraulic compensation reservoir, in particular the storage 5.
  • the hydraulic medium around M can be an oil or else water or a mixture thereof or else a so-called HFA emulsion.
  • the compression volume is usually higher with oil than with water and can be, for example, around 2 vol.% At 300 bar.

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Abstract

Pressen von Werkstücken mittels einer Pressmaschine, bei dem ein Arbeitszyklus, der mittels der Kontrolleinrichtung (50) unter Berücksichtigung der mittels der Positionsmesseinrichtung bestimmten Positionswerte kontrolliert wird, einen Presshub, einen Dekompressionsvorgang und einen kontrollierten Rückhub umfasst, wobei a) beim Presshub die erste Fördereinrichtung Medium (M) aus dem Mediumspeicher (5) in die erste Teilkammer (31) zum Aufbau eines hydraulischen Pressdrucks fördert und das Ventil (4) geschlossen wird und das Presswerkzeug gegen das Werkstück gepresst wird, b) beim Dekompressionsvorgang das Ventil geschlossen ist und die erste Fördereinrichtung ausgeschaltet oder drehmomentarm geschaltet ist, c) beim kontrollierten Rückhub die zweite Fördereinrichtung hydraulisches Medium aus dem Mediumspeicher (5) in die zweite Teilkammer fördert und das Ventil wieder geöffnet wird, so dass der Arbeitskörper und der Stössel wieder zurück in die Ausgangslage oder auch in eine andere Ausgangslage gehoben werden und durch das offene Ventil (4) verdrängtes hydraulisches Medium (M) aus der zweiten Teilkammer in den Mediumspeicher strömt.

Description

PRESSMASCHINE UND VERFAHREN ZUM PRESSEN VON WERKSTÜCKEN Besch reibu ng Die Erfi ndung betrifft ei ne Pressmaschi ne zum Pressen von Werkstücken und ein Verfahren zum Pressen von Werkstücken .
Zum Pressen von Werkstücken bei der Kaltumform ung, insbesondere bei der Blechumform ung, oder Warm umform ung, i nsbesondere bei m Schm ieden von metallischen schm ied baren Werkstoffen, sind verschiedene Umformmaschinen (Pressmaschi nen) bekannt (siehe beispielsweise VDI-Lexikon Band Produktionstechnik Verfahrenstechnik, Herausgeber: Hiersig, VDI-Verlag, 1995, Seiten 1107 bis 1113). Wenigstens ein Stößel m it einem ersten Presswerkzeug der Pressmaschine wird von ei nem Antrieb angetrieben und relativ zu einem zwei- ten Presswerkzeug der Pressmaschi ne bewegt, so dass zwischen den Presswerkzeugen das Werkstück d urch Presskräfte umgeformt werden kann.
Die in der Regel weggebunden arbeitenden mechanischen Pressen nutzen mechanische Antriebe, beispielsweise Servomotorantriebe, m it verschiedensten Übersetzungsmechanismen, beispielsweise Exzenterantrieben (Exzenterpressen) oder Kniehebelantrieben (Kniehebel pressen). Die Umformkraft oder Stößelkraft ist abhängig von dem Weg oder der Stellung des Stößels.
Durch die bei Pressvorgängen auftretenden hohen Kräfte werden die mechani- sehen Komponenten von mechanischen Pressen stark belastet, wodurch deren Leistungsfähigkeit begrenzt wird . Außerdem ist im Allgemei nen eine Gewichtskompensation des Stößels erforderl ich .
Die in der Regel kraftgebunden arbeitenden hydraulischen Pressen nutzen ei- nen hydraul ischen Antrieb mittels ei nes hydraul ischen Med iums wie Öl oder Wasser, dessen Druckenergie von i n Hyd raul ikzyli ndern laufenden Kol ben in mechanische Umformarbeit umgesetzt wird . Die Stößelkraft entspricht dem Prod ukt von hydraulischem Druck und Kol benfläche und ist weitgehend unab- hängig von der Stellung des Stößels. Der hydraulische Antrieb des Kolbens kann ein unmittelbarer Pumpenantrieb mit einer motorangetriebenen regelbaren Pumpe (siehe z.B. DE 19680008 CT) oder auch ein hydraulischer Speicherantrieb mit Druckspeicher und motorangetriebener Pumpe zum Herstellen des Drucks in dem Druckspeicher sein. Der technische und energetische Aufwand für leistungsgeregelte hydraulische Pumpen ist allerdings relativ hoch.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine neue Pressmaschine und ein neues Pressverfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Pressmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Unter Bewegungsverlauf wird insbesondere ein Weg-Zeit-Verlauf oder
Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf oder Geschwindigkeits-Weg-Verlauf oder Kraft- Zeit-Verlauf oder Kraft-Weg-Verlauf verstanden. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren
FIG 1 eine hydraulische Pressmaschine mit einem Exzenterantrieb, bei der der Arbeitskolben in einer oberen Stellung ist, in einem
Schaltbild
FIG 2 die Pressmaschine gemäß FIG 1, bei der der Arbeitskolben
ner unteren Stellung ist,
FIG 3 eine hydraulische Pressmaschine mit einem Pumpenantrieb für den Arbeitskolben, wobei der Arbeitskolben in einer oberen Stellung ist, in einem Schaltbild und FIG 4 die Pressmaschine gemäß FIG 3, bei der der Arbeitskolben in einer unteren Stellung ist, jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den FIG 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In allen Ausführungsbeispielen der hydraulischen Pressmaschine 1 gemäß FIG 1 bis 4 umfasst diese einen Stößel 10 und eine hydraulische Stößelantriebseinheit 1 mit einem hydraulischen Arbeitskolben 2, der in einem zugehörigen, mit hydraulischem Medium M gefüllten Hydraulik- oder Arbeitszylinder 3 axial zur Arbeitsachse A hydraulisch beweglich ist. Ein im Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Arbeitszylinders 3 angepasster und gegen die Innenfläche des Arbeitszylinders 3 abgedichteter erster Kolbenbereich 21 des Arbeitskolbens 2 trennt dabei - zumindest innerhalb von Leckagetoleranzen - druck- dicht einen unteren Zylinderraum 32 des Arbeitszylinders 3 von einem oberen Zylinderraum 31. Durch den unteren Zylinderraum 32 verläuft ein im Außendurchmesser kleiner als der erste Kolbenbereich 21 gestalteter, hier als Kolbenstange ausgebildeter zweiter Kolbenbereich 22 des Arbeitskolbens 2, so dass nur der den zweiten Kolbenbereich 22 umgebende ringförmige oder hohl- zylindrische Bereich des unteren Zylinderraumes 32 mit dem hydraulischen Medium M gefüllt ist.
Der Arbeitskolben 2 bewegt den daran angekoppelten oder befestigten Stößel 10 der Pressmaschine 1, an dem sich ein Presswerkzeug 15 befindet. Dadurch kann das Presswerkzeug 15 in einzelnen Arbeitschritten in einer Pressbewegung oder in einer Pressrichtung P auf ein nicht dargestelltes zu pressendes Werkstück, das sich auf einem zweiten, nicht dargestellten Presswerkzeug befindet, zu bewegt und in einer anschließenden Rückholbewegung wieder von diesem weg oder entgegengesetzt zur Pressrichtung bewegt werden.
Bei einer Vorwärtsbewegung des Arbeitskolbens 2 entlang der Arbeitsachse A, die in der Pressrichtung P erfolgt, vergrößert sich das Volumen VI des oberen Zylinderraumes 31 und verkleinert sich das Volumen V2 des unteren Zylinder- raumes 32 und bei der entgegengesetzt zur Pressrichtung P gerichteten Rückholbewegung des Arbeitskolbens 2 verkleinert sich das Volumen VI des oberen Zylinderraumes 31 und vergrößert sich das Volumen V2 des unteren Zylinderraumes 32 wieder.
FIG 1 zeigt eine obere Stellung des Arbeitskolbens 2, bei der der erste Kolbenbereich 21 einen Abstand xl von der oberen Wand des Arbeitszylinders 3 hat, und FIG 2 eine untere Stellung des Arbeitskolbens 2, bei der der erste Kolbenbereich 21 einen Abstand x2 von der oberen Wand des Zylinders 3 hat, wobei die Differenz Δχ = x2 - xl den maximalen Arbeitshub oder maximalen Weg des Arbeitskolbens 2 entlang der Arbeitsachse A darstellt. Die entsprechende Volumendifferenz beim maximalen Arbeitshub Δχ beträgt AVI = Δχ AI im oberen Zylinderraum 31, wobei AI der Flächeninhalt der oberen wirksamen Querschnittsfläche des Kolbenbereichs 21 des Arbeitskolbens 2 ist, und AV2 = Δχ A2 im unteren Zylinderraum 32, wobei A2 der Flächeninhalt der unteren, ringförmig den Kolbenbereich 22 umgebenden wirksamen Querschnittsfläche des Kolbenbereichs 21 des Arbeitskolbens 2 ist. Der an den Arbeitskolben 2 gekoppelte Stößel 10 legt entsprechend einen axialen Weg oder vertikalen Hub zwischen einer oberen Position zl (bei Abstand xl des Arbeitskolbens) und einer unteren Position z2 (bei Abstand x2 des Arbeitskolbens 2) zurück, was einem maximalen vertikalen Arbeitshub Δζ = z2 - zl des Stößels 10 entspricht.
Allgemein gesprochen, umfasst die Stößelantriebseinheit 1 einen in einer Arbeitskammer, die im Ausführungsbeispiel als Arbeitszylinder 3 ausgebildet ist, hydraulisch geführten Arbeitskörper, der im Ausführungsbeispiel als Antriebskolben 2 ausgebildet ist, der die Arbeitskammer in der eine erste, vorzugsweise obere, Teilkammer und eine zweite, vorzugsweise untere, Teilkammer trennt. Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel angegebene Ausbildung und Anordnung der Arbeitskammer und ihrer Teilkammern und des Arbeitskolbens beschränkt. Beispielsweise ist auch ein von einem Zylinder abweichender Querschnitt, eine horizontale Anordnung oder Bewegung oder auch eine andere Form des Arbeitskörpers oder auch eine, beispielsweise sternförmige oder über 90° gekreuzte Anordnung mehrerer Arbeitskörper und Arbeits- kammern mit jeweiligen Stößeln zum gemeinsamen Bearbeiten eines Werkstücks möglich.
An den oberen Zylinderraum 31 ist ein steuerbares Ventil 4 hydraulisch ange- schlössen, das zwischen den oberen Zylinderraum 31 und einen Mediumspeicher 5 für das hydraulische Medium M geschaltet ist. Steueranschlüsse zum Öffnen und Schließen des Ventils 4 sind mit Sl und S2 bezeichnet. Im geöffneten Zustand des Ventils 4 kann abhängig von der anliegenden Druckdifferenz Medium M vom oder in den Mediumspeicher 5 strömen, im geschlossenen Zustand des Ventils 4 dagegen nicht.
Zwischen den Mediumspeicher 5 und den oberen Zylinderraum 31 ist ferner eine Fördereinheit 60 einer Servopumpe 6 hydraulisch geschaltet. Die hydraulische Verbindungsleitung zwischen der Servopumpe 6 und dem oberen Zylin- derraum 31 ist mit 36 bezeichnet. Die Fördereinheit 60, beispielsweise eine Förderschnecke oder ein Förderpumpenrad oder ein Innenzahnrad einer Innen- zahnradpumpe, ist mittels einer Abtriebswelle 62 eines Servomotors 61 antreibbar und zwar in beiden Förderrichtungen durch Umkehr der Drehrichtung der Abtriebswelle 62 des Servomotors 61 wie dargestellt. Der Servomotor 61 ist über eine elektrische Leitung 56 mit einem elektrischen Umrichter 55 verbunden, der wiederum über eine elektrische Leitung 53 mit der Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist.
An den unteren Zylinderraum 32 des Antriebszylinders 3 ist über eine hydrauli- sehe Verbindungsleitung 37 eine weitere Servopumpe 7 angeschlossen. Zwischen die Verbindungsleitung 37 und den Mediumspeicher 5 ist die Fördereinheit 70 der zweiten Servopumpe 7 geschaltet, die wieder über eine Abtriebswelle 62 von einem Servomotor 71 in der Förderrichtung umschaltbar angetrieben ist, wobei insbesondere der Servomotor 71 in seiner Drehrichtung re- versierbar ist. Der Servomotor 71 ist über eine elektrische Leitung 57 mit dem Umrichter 55 verbunden.
In die Verbindungsleitung 37 ist ein dem vorderen Zylinderraum 32 zugeordne- ter Druckmessumformer 14 geschaltet, der über eine Leitung 54 mit der Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist.
Soweit nicht anders erwähnt, sind in den FIG 1 bis 4 elektrische Leitungen ge- strichelt gezeichnet und hydraulische Leitungen mit durchgezogenen Linien und mechanische Verbindungen ebenfalls mit durchgezogenen Linien. Der Begriff Leitung oder Steuerleitung umfasst sowohl drahtgebundene als auch drahtlose, z. B. optische oder funkgestützte, Übertragungs- oder Verbindungsstrecken.
In die hydraulischen Verbindungsleitungen 36, 37 und 39 ist jeweils ferner ein Rückschlagventil 44 geschaltet, das mit dem Mediumspeicher 5 verbunden ist und die jeweilige Servopumpe 6, 7 und 17 vor Leerlauf schützt. Schließlich ist dem oberen Zylinderraum 31 und dem unteren Zylinderraum 32 je eine Überlastsicherungseinrichtung 13 zugeordnet, die mit dem Mediumspeicher 5 verbunden ist und den Hydraulikdruck begrenzen zum Schutz der dem Hydraulikdruck ausgesetzten Komponenten vor Überlastung. In dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 und 2 steht der obere Zylinderraum 31 des Arbeitszylinders 3 über einen Verbindungskanal 38 mit einem Antriebszylinderraum 82 eines Antriebszylinders 80 einer Antriebseinheit 8 für den Arbeitskolben 2 in hydraulischer Verbindung. Antriebszylinderraum 82 und Verbindungskanal 38 sind ebenfalls mit hydraulischem Medium M gefüllt.
Das Volumen V3 des Antriebszylinderraumes 82 ist durch einen im Antriebszylinder 80 axial beweglichen und über ein Pleuel, insbesondere eine Pleuelstange, 98 einer Exzentereinheit 9 angetriebenen Antriebskolben 81 veränderbar. Das Pleuel 98 verbindet mechanisch den Antriebskolben 81 mit einem Exzenter 92 auf einer Exzenterscheibe 91. Die Exzenterachse E des Exzenters 92 läuft exzentrisch in einem Radius r um eine Drehachse D der Exzenterscheibe 91 bei deren Drehung um einen Drehwinkel φ. Als Drehantrieb für die Exzenterscheibe 91 ist ein Antriebsmotor 18, insbesondere ein Torquemotor mit einem ho- hen Drehmoment, vorgesehen, der, vorzugsweise über ein Getriebe 19, die Exzenterscheibe 91 antreibt bei reversierbarer Drehrichtung des Antriebsmotors 18 oder des Getriebes 19 und der über eine elektrische Leitung 58 mit dem Umrichter 55 verbunden ist.
In der Stellung gemäß FIG 1 liegt die Exzenterachse E auf einer Horizontalen H durch die Drehachse D und das Pleuel 98 verläuft im Wesentlichen vertikal zwischen Exzenter 92 und dem Antriebskolben 81. In der Stellung gemäß FIG 2 ist die Exzenterscheibe 91 mit dem Exzenter 92 um einen Drehwinkel φ = 90° weiter gedreht und die Exzenterachse E liegt nun auf einer Vertikalen V, die durch die Drehachse D verläuft, und zwar unterhalb der Drehachse D, so dass nun das Pleuel 98 schräg zwischen Exzenter 92 und dem Antriebskolben 81 verläuft. Die Drehachse D kann aber auch genau senkrecht oberhalb der Mitte des Antriebskolbens 81 liegen.
Aus dieser Exzenterbewegung der Exzentereinheit 9 resultiert eine axiale Bewegung des Antriebskolbens 81. Der Abstand des Antriebskolbens 81 von der unteren Wand des Antriebszylinders 80 ist in FIG 1 mit yl bezeichnet und in FIG 2 mit y2, wobei yl > y2. Die Differenz Ay = yl - y2 zwischen den Stellun- gen in FIG 1 und FIG 2 ist der maximale Arbeitshub des Antriebskolbens 81 und entspricht antriebsseitig der Exzenterdrehung des Exzenters 92 um den Drehwinkel φ = 90° einerseits und abtriebsseitig dem maximalen Arbeitshub Ax des Arbeitskolbens 2 und entsprechend dem maximalen Arbeitshub Az des Stößels 10 andererseits.
Der maximale Arbeitshub Ay und auch die erzielbare Press- oder Umformkraft ist abhängig vom Radius r des Exzenters 92, vom gewählten oder eingestellten maximalen Drehwinkel φ und von der Länge des Pleuels 98, die nachfolgend auch alle als Exzenterparameter bezeichnet werden. Die diesem maximalen Arbeitshub Ay entsprechende Volumendifferenz des Volumens V3 des Antriebszylinderraumes 82 beträgt AV3 = Ay A3, wobei A3 der Flächeninhalt der unteren wirksamen Querschnittsfläche des Antriebskolbens 81 ist. Dadurch ändert sich der Druck im Medium M und/oder es fließt, bei Verkleinerung des Volumens V3 durch Bewegung des Antriebskolbens 81 in FIG 1 und 2 nach unten, Medium M von dem Antriebszylinderraum 82 über den Verbindungskanal 38 in den unteren Zylinderraum 31 des Arbeitszylinders 3 oder umgekehrt.
Die Fläche A3 des Antriebskolbens 81 ist in der Regel kleiner gewählt als die obere Fläche AI des Arbeitskolbens 2, wobei das Verhältnis je nach der gewünschten Kraftübersetzung, die über den im Wesentlichen gleichen Druck proportional ist zu den jeweiligen Flächen, bestimmt ist.
Die Antriebseinheit 8 und die Exzentereinheit 9 mit dem Antriebsmotor 18 bilden gemeinsam eine erste hydraulische Fördereinrichtung, die hydraulisch einerseits an die erste Teilkammer der Arbeitskammer und andererseits an den Mediumspeicher angeschlossen ist und in der Förderrichtung reversierbar ist und einen mechanisch-hydraulischen Hybridantrieb darstellt. Diese Ausführung leistet hohe Umformkräfte auch oder gerade am Ende des Pressweges (wegen der variablen Übersetzung der sinusförmigen Kinematik) bei ansteigenden Umformkräften und ist auch zum Stauchen oder zum Kaltumformen oder zum Hal- ten des Stößels in bestimmten kraftbelasteten Positionen, z.B. bei der Wärmebehandlung (Annealing) oder für Fließvorgänge im Werkstück, besonders geeignet Die Servopumpe 7 ist ein Ausführungsbeispiel für eine zweite hydraulische Fördereinrichtung, die hydraulisch einerseits an die zweite Teilkammer der Arbeitskammer und andererseits an den Mediumspeicher angeschlossen ist und in der Förderrichtung reversierbar ist.
Die Servopumpe 6 bildet dagegen eine dritte hydraulische Fördereinrichtung, die hydraulisch einerseits an die zweite Teilkammer der Arbeitskammer und andererseits an den Mediumspeicher angeschlossen ist und in der Förderrich- tung reversierbar ist. Diese durch die Servopumpe 6 gebildete dritte hydraulische Fördereinrichtung dient in erster Linie zum Ausgleich von Leckagen im hydraulischen System, die durch den Exzenterantrieb wegen des begrenzten Hubes nur begrenzt ausgeglichen werden können, kann aber zusätzlich auch zur Unterstützung oder als Teil der ersten Fördereinrichtung beim Pressen herangezogen werden.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 3 und FIG 4 ist anstelle des Exzente- rantriebs 9 und der Antriebseinheit 8 als erste Fördereinrichtung eine Servo- pumpe 17 vorgesehen mit einer Fördereinheit 170, die wieder über eine Abtriebswelle 172 von einem Servomotor 171, der über eine Leitung 57 mit dem Umrichter 55 verbunden ist, angetrieben wird und in beiden Förderrichtungen betreibbar ist. Die Servopumpe 17 ist an einer Seite über eine hydraulische Verbindungsleitung 39 mit der hinteren Zylinderkammer 31 des Arbeitszylinders 3 verbunden und an der anderen Seite mit dem Mediumspeicher 5. In der Verbindungsleitung 39 ist ein Druckmessumformer 12 vorgesehen zum Messen des Drucks in der Verbindungsleitung 39 und damit auch des hinteren Zylinderraums 31, wobei der Druckmessumformer 12 wieder über die Leitung 52 mit der Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist. Die zweite Fördereinrichtung ist weiterhin mit der Servopumpe 7 gebildet.
Die mit der Servopumpe 6 gebildete dritte hydraulische Fördereinrichtung dient in dieser Ausführungsform gemäß FIG 3 und 4 nun zur Unterstützung der rein hydraulischen ersten Fördereinrichtung und arbeitet in Parallelschaltung zu dieser beim Pressen, so dass sich die Fördervolumina addieren.
Die axiale Position des Stößels 10 (oder auch des Arbeitskolbens 2) entlang des Arbeitshubes wird mittels einer zugehörigen Positionsmesseinrichtung oder mittels eines Wegmessgebers 11 gemessen, der über eine Leitung 51 mit einer Kontrolleinrichtung 50 verbunden ist.
Die Kontrolleinrichtung 50 ist auch mit einem Steueranschluss Sl des steuerbaren Ventils 4 über eine Leitung 59 verbunden, um dieses von dem geöffne- ten in den geschlossenen oder einen weniger weit geöffneten Zustand zu bringen oder umgekehrt.
Die Kontrolleinrichtung 50 ist zur Kontrolle, insbesondere zum Steuern und/oder Regeln und/oder Überwachen, der Arbeitsabläufe und einzelnen Komponenten der Umformmaschine vorgesehen.
Die Kontrolleinrichtung 50 kontrolliert (oder: steuert oder regelt) über den Umrichter 55 den Antriebsmotor 18 der ersten hydraulischen Fördereinrichtung (8, 9) und den Servomotor 71 der zweiten hydraulischen Fördereinrichtung oder Servopumpe 7 und über den Steueranschluss Sl das steuerbaren hydraulischen Ventil 4 zur automatischen Steuerung oder Regelung der Volumenströme und Drücke sowie der Strömungsrichtung des hydraulischen Mediums zwi- sehen dem Mediumspeicher 5 und der ersten Teilkammer (31) der Arbeitskammer (3) und zwischen dem Mediumspeicher 5 und der zweiten Teilkammer (32) der Arbeitskammer. Diese Steuerung der Volumenströme, Drücke und Strömungsrichtung des hydraulischen Mediums durch die Kontrolleinrichtung 50 erfolgt in Abhängigkeit von der mittels der Stößelpositionsmesseinrichtung 11 gemessenen Stößelposition des Stößels 10 und von gespeicherten oder gewünschten Bewegungsabläufen des Stößels und/oder ggf. von Eingabeinformationen von Benutzern. Die Kontrolleinrichtung 50 arbeitet somit in einem hydraulisch offenen Regel- oder Steuerkreis und muss die beiden Fördereinrichtungen genau aufeinander abgestimmt ansteuern.
Der Umrichter 55 umfasst vorzugsweise einen nicht näher dargestellten Energiezwischenspeicher, mit dem in einer Prozessphase generatorisch erzeugte elektrische Energie wenigstens eines der Fördermotoren zwischengespeichert und in einer darauffolgenden oder spätere Prozessphase genutzt wird zum mo- torischen Betrieb wenigstens eines der Fördermotoren, vorzugsweise des jeweils anderen Fördermotors der jeweils anderen Fördereinrichtung. Als Energiezwischenspeicher des Umrichters kann insbesondere wenigstens ein Kondensator in einem Zwischenkreis des Umrichters oder in einem an den Zwischenkreis angekoppelten Kondensatormodul oder kinetischen Energiespeicher verwendet werden. Als Energiezwischenspeichersysteme kann ein an sich von der Fa. Siemens in den SIMOTION Steuerungen für Servopressen mit Direktantrieb des Stößels über Servo-Torquemotoren eingesetztes SINAMICS Energiemanagementsystem (vgl . SIMOTION-Prospekt E20001-A660-P620 aus dem Jahre 2008, erhältlich über www.siemens.de/umformtechnik) verwendet werden, das entsprechend für die Servoantriebe (60, 70, 18, 170) der vorliegenden hydraulischen Pressmaschine angepasst wird.
Ein Verfahren zum Pressen eines Werkstückes unter Einsatz der Pressmaschine gemäß der Erfindung, insbesondere gemäß den FIG 1 und 2 oder FIG 3 und 4, umfasst die folgenden Verfahrenschritte oder Teilphasen jedes Arbeitsschrittes oder Arbeitszyklus, die mittels der Kontrolleinrichtung 50 kontrolliert werden :
1. ein Freilauf (oder: Leerhub)
2. ein Presshub
3. ein Entspannen (oder: Dekompressionsvorgang) 4. ein kontrollierter Rückhub
Bei dem unter Punkt 1 genannten Freilauf oder Leerhub des Arbeitskolbens 2 und damit des Stößels 10 bewegt oder senkt sich der Arbeitskolben 2 im Zylinder 3 unter der Einwirkung der Schwerkraft nach unten, wobei das Ventil 4 durch die Kontrolleinrichtung 50 wenigstens teilweise geöffnet wird, um einen vergleichsweise großen Volumenstrom von hydraulischem Medium M aus dem Mediumspeicher 5 in den oberen Zylinderraum 31 nachströmen zu lassen, und die von der Kontrolleinrichtung 50 angesteuerte zweite Fördereinrichtung, die Servopumpe 7, Medium M aus dem unteren Zylinderraum 32 in den Medium- Speicher 5 abpumpt. Es kann alternativ oder zusätzlich auch die Servopumpe 6 hydraulisches Medium M in den oberen Zylinderraum 31 nachpumpen. Bevorzugt steuert die Kontrolleinrichtung 50 mittels des Umrichters 55 Fördervolumenstrom oder Förderdruck der zweiten Fördereinrichtung, der Servopumpe 7, so, dass die Bewegung des Arbeitskolbens 2 gebremst oder auch beschleunigt wird gemäß einem vorgegebenen Bewegungsverlauf, insbesondere Weg-Zeit-Verlauf oder Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf oder Geschwindigkeits- Weg-Verlauf oder Kraft-Zeit-Verlauf oder Kraft-Weg-Verlauf, wobei der Arbeitskolben 2 sich zu einem im vorgegebenen Bewegungsablauf vorgegebenen Startpunkt innerhalb einer im Bewegungsablauf vorgesehenen oder sich daraus ergebenden Zeit bewegt. Der Startpunkt ist grundsätzlich ein beliebiger Punkt zwischen den beiden Endpunkten des maximalen Arbeitshubes Δχ entsprechend einem Startpunkt des Stößels 10 zwischen den beiden Endpunkten des maximalen Arbeitshubes Δζ des Stößels 10.
In der Ausführungsform gemäß FIG 3 und FIG 4 ohne Exzentereinheit kann der Leerhub auch entfallen, d. h. der Startpunkt für den Arbeitshub ganz oben liegen oder der Gesamthub gleich dem Arbeitshub sein.
Die Bewegung des Arbeitskolbens 2 und damit des Stößels 10 während des Freilaufs oder Leerhubs wird von der Kontrolleinrichtung 50 mit den Positions- werten der Positionsmesseinrichtung 11 abgeglichen und entsprechend ange- passt oder geregelt durch Steuern des Ventils 4 und der Servopumpe 7 und ggf. auch der Servopumpe 6.
Bevorzugt ist der Startpunkt für den Arbeitshub ein Punkt, bei dem das Press- Werkzeug 15 in Kontakt mit dem Werkstück tritt und somit abgebremst wird, was von der Kontrolleinrichtung 50 durch die Wegmessung mittels der Positionsmesseinrichtung 11 erkannt oder überwacht wird.
Während des Freilaufes oder Leerhubes steht der Torquemotor 18 (FIG 1 und FIG 2) oder Servomotor 171 (FIG 3 und FIG 4) still, das Ventil 4 ist geöffnet und die Servopumpe 7 arbeitet. Durch das Aufsetzen des Presswerkzeuges 15 auf dem Werkstück und das Stoppen der Servopumpe 7 wird die Freilauf- oder Leerhubbewegung des Arbeitskolbens 2 beim Startpunkt des Arbeitshubes ge- stoppt.
Nun beginnt die Kontrolleinrichtung 50 mit dem unter Punkt 2 genannten Presshub, der den eigentlichen Pressvorgang darstellt und während dem der hydraulische Druck und damit die Presskräfte aufgebaut werden. Dem Presshub liegt wieder ein hinterlegter vorgegebener Bewegungs- oder Kraftverlauf zugrunde, der ab dem Startpunkt durchfahren wird.
Die Kontrolleinrichtung 50 setzt für den Presshub über den Umrichter 55 den Torquemotor 18 des Exzenterantriebs 9 (FIG 1 und FIG 2) oder den Servomotor 171 (FIG 3 und FIG 4) in Betrieb und schließt das Ventil 4. Über den Exzenterantrieb 9 und die Antriebseinheit 8 (FIG 1 und FIG 2) oder den Servomotor 171 (FIG 3 und FIG 4) wird im hinteren Zylinderraum 31 des Arbeitszylinders 3 ein Arbeitsdruck aufgebaut, der den Stößel 10 und das daran befestigte Presswerkzeug 15 für den Pressvorgang nach unten in oder gegen das Werkstück drückt und das Werkstück in das zweite Werkzeug presst. Das Drehmoment des Torquemotors 18 und die Exzenterparameter sowie die Kraftübersetzung über die Antriebseinheit 8 (FIG 1 und FIG 2) oder das Drehmoment des Servomotors 171 (FIG 3 und FIG 4) bestimmen die Presskraft während des Presshubs. Der Arbeitshub oder Pressweg des Stößels 10 während des Presshubes kann durch die Einstellung des Drehwinkels φ eingestellt werden (Hubverstellung) (FIG 1 und FIG 2) oder über den Drehwinkel des Servomotors 171 (FIG 3 und FIG 4). Die Pressbewegung des Arbeitskolbens 2 oder Stößels 10 folgt wieder einem in der Kontrolleinrichtung 50 vorgegebenen Bewegungsverlauf, wobei wieder die Wegmessung über die Positionsmesseinrichtung 11 eine Information über die Lage des Stößels 10 liefert, die über die Kontrolleinrichtung 50 und den Umrichter 55 zur Steuerung des Torquemotors 18 (FIG 1 und FIG 2) oder des Ser- vomotors 171 (FIG 3 und FIG 4) verwendet wird, so dass der Stößel 10 weggesteuert angetrieben werden kann. Es ist aber alternativ auch möglich, eine druckabhängige Steuerung vorzusehen oder eine Wegsteuerung mit einer Druckobergrenze. Man kann für das Drehmoment des jeweiligen Antriebsmo- tors eine Obergrenze einstellen (Druckobergrenze) oder einen Drehmomentverlauf wegabhängig vorgeben (druckabhängige Steuerung). Beim Torquemotor 18 erfolgt die Drehmomentvorgabe vorzugsweise dynamisch, damit die Exzenter-Kinematik berücksichtigt wird . Bei Winkeln φ nahe der 90°, also im unteren Punkt, kann mit dem gleichen Drehmoment am Torquemotor 18 ein höherer Hydraulikdruck erzeugt werden.
Die Servopumpe 7 wird während des Presshubs drehmomentarm geschaltet oder der Servomotor 71 wird nicht mit Strom beaufschlagt, sondern erzeugt generatorisch aufgrund des durch die Fördereinheit 70 strömenden aus dem unteren Zylinderraum 32 verdrängten Mediums einen Generatorstrom, dessen Ladung oder Energie vom Umrichter 55 zwischengespeichert wird.
Wenn z. B. der Stößel 10 unter dem Arbeitsdruck beim Presshub in einer be- stimmten Stellung verweilen muss, z. B. für Fließvorgänge im Werkstück, kann die Servopumpe 6 eingeschaltet werden/bleiben, um Leckagen durch Nachfüllen von hydraulischem Medium M aus dem Mediumspeicher 5 in den oberen Zylinderraum 31 auszugleichen (Leckagepumpe). Der Presshub ist beendet, wenn gemäß FIG 2 der Stößel 10 seine untere Endposition erreicht (unterer Totpunkt).
Nachdem der Stößel 10 nun seinen unteren Endpunkt erreicht hat, beginnt die Kontrolleinrichtung 50 sogleich die Rückholbewegung. Diese beginnt zunächst mit einem passiven Vorgang, dem unter Punkt 3 genannten Entspannen oder Dekompressionsvorgang, bei dem sich das hydraulische Medium M um das Kompressionsvolumen, das abhängig von der Kompressibilität des Mediums M ist, wieder entspannt. Das Ventil 4 bleibt geschlossen. Der Torquemotor 18 (FIG 1 und FIG 2) oder der Servomotor 171 (FIG 3 und FIG 4) wird drehmo- mentarm geschaltet, d. h. er lässt sich leicht drehen, die Dekompression des hydraulischen Mediums M bewegt den Antriebskolben 81 nach oben und über die Exzenterscheibe 9 wird der Torquemotor 18 in entgegen gesetzter Richtung bewegt (FIG 1 und FIG 2) oder die Servopumpe 170 wird in entgegen gesetzte Richtung zusammen mit dem Servomotor 171 gedreht (FIG 3 und FIG 4) und speist generatorisch Energie in den Umrichter 55 und dessen Energiezwischenspeicher. Schließlich erfolgt als vierter und letzter Schritt der unter 4. genannte kontrollierte Rückhub, bei dem die Servopumpe 7 wieder von der Kontrolleinrichtung 50 über den Umrichter 55 in Betrieb genommen wird, jedoch in umgekehrter Förderrichtung wie beim Freilauf, wobei die zwischengespeicherte Energie vom Umrichter 55 wiederverwendet wird. Die Servopumpe 7 pumpt hydraulisches Medium M über die Leitung 37 aus dem Mediumspeicher 5 in den unteren Zylinderraum 32 und erhöht dort den Druck. Ferner wird das Ventil 4 wieder geöffnet. Der Arbeitskolben 2 und der Stößel 10 wird dadurch mittels der Servopumpe 7 wieder zurück in die Ausgangslage oder auch in eine andere Ausgangslage zurückgehoben. Durch das offene Ventil 4 strömt dadurch verdräng- tes hydraulisches Medium M aus dem hinteren Zylinderraum 31 in den Mediumspeicher 5.
In allen Ausführungsbeispielen gemäß FIG 1 bis FIG 4 ist dem unteren Zylinderraum 31 ein Druckmessumformer 12 zugeordnet zum Überwachen und Mes- sen des Drucks. Die Signale des Druckmessumformers 12 werden über eine Leitung 52 an die Kontrolleinrichtung 50 übermittelt. In FIG 1 und 2 ist der Druckmessumformer einer Verbindungsleitung 38 zwischen einem Antriebszylinderraum der Servopumpe 17 und dem hinteren Zylinderraum 31 zugeordnet, während er in den FIG 3 und 4 der hydraulischen Leitung 37 zwischen der Ser- vopumpe 17 und dem hinteren Zylinderraum 31 zugeordnet ist.
Der Druckmessumformer 12 misst den Druck zur Steuerung oder Regelung des Druckes insbesondere für den Arbeitshub. Der Druckmessumformer 14 misst den Druck am vorderen Zylinderraum 32 insbesondere auch für Überwachungs- funktion, z. B. ob das Werkstück in Kontakt mit dem Presswerkzeug ist oder auch gar nicht entgegengehalten wird, was sich an dem Unterscheiden des Grenzwertes für den Druck zeigen würde. Ferner ist es auch möglich, den Leerhub oder Freilauf in Schritt 1 wegzulassen, beispielsweise nur für einen Schlichthub als Arbeitshub, bei dem dann nur der Exzenter arbeitet, was z. B. bei m Recken vorkommt. Ein Vorteil der Pressmaschi ne und des Pressverfahrens gemäß der Erfi ndung besteht darin, dass der Arbeitshub oder der obere Arbeitspunkt der untere Arbeitspunkt des Arbeitshubes beliebig einstell bar innerhalb des Gesamthubes oder maximalen Arbeitshubes si nd und das Überlast sich an jeder Stelle des Hubes gesichert durch die Überdruckventile gearbeitet werden kann. Ferner ist keine Gewichtkompensation des Stößels erforderl ich wie bei mechanischen Ex- zeterpressen . Der Antrieb über die Exzenterei nheit liefert im unteren Tod punkt oder unteren Arbeitspunkt große Drehmomente bei kleinerer Antriebsleistung als bei hyd raulischen Pressen . Es ist keine leistungsgeregelte Hydraulikpum pe erforderl ich . Ferner ist auch kein Schwungrad erforderlich und der Exzenter kann auch nur i n einem Tei lwinkelbereich arbeiten .
Die Servopumpe 6 dient insbesondere zum Ausgleich von Leckagen i m Hydrauli ksystem und kann zusätzliches hydraul isches Medi um in das hyd raulische System pum pen aus dem Med iumspeicher 5.
Die Servopumpen 6, 7 und 17 sind insbesondere hyd raul ische Servopum pen, beispielsweise Axialkolbenpumpen, angetrieben m it lagegeregelten Servomotoren 61, 71 und 171, d ie die Pumpenrotoren oder -kolben festhalten, und ausgestattet mit einem hydraulischen Ausgleichsreservoir, i nsbesondere dem Me- di umspeicher 5.
Grundsätzlich kann anstelle von Kolben und Zylindern auch eine andere Gestalt für die hydraulischen Elemente gewählt werden, so dass dann al lgemeiner von Kammern statt Zylindern und Teilkam mern statt Zylinderbereichen oder von Körpern anstelle von Kolben gesprochen werden kann .
Ferner sind auch andere hyd raulische Förderei nrichtungen anstelle der dargestellten Servopumpen und Antriebsei nheit 8 mög lich. Das hydraulische Medi um M kann ei n Öl oder auch Wasser oder eine Mischung daraus oder auch eine sogenannte HFA-Emulsion sein. Das Kompressionsvolumen ist bei Öl i n der Regel höher als bei Wasser und kann beispielsweise um die 2 Vol umenprozent bei 300 bar betragen.
Bezugszeichen liste
1 Stößelantriebseinheit
2 Arbeitskolben
3 Arbeitszylinder
4 Rücklaufventil
5 Mediumspeicher
6, 7 Servopumpe
8 Antriebseinheit
9 Exzentereinheit
10 Stößel
11 Wegmesser
12 Druckmessumformer (Pressen)
13 Überlastsicherungseinrichtung
14 Druckmessumformer (Heben)
15 Presswerkzeug
18 Antriebsmotor (Torquemotor)
19 Getriebe
21, 22 Kolbenbereich
31, 32 Zylinderraum
36, 37 Verbindungsleitung
38 Verbindungskanal
39 Verbindungsleitung
44 Überdruckventil
50 Kontrolleinrichtung
51, 52 Leitung
53, 54 Leitung
55 Umrichter mit Zwischenkreis
56, 57 Leitung
58, 59 Leitung
60, 70 Fördereinheit
61, 71 Servomotor 62, 72 Abtriebswelle
80 Antriebszylinder
81 Antriebskolben
82 Antriebszylinderraum
91 Exzenterscheibe
92 Exzenter
98 Verbindungspleuel
A Arbeitsachse
M hydraulisches Medium
H Horizontale
V Vertikale
D Drehachse
E Exzenterachse r Radius
φ Drehwinkel xl, x2 Höhe
Δχ Hub

Claims

Patentansprüche
1. Pressmaschine zum Pressen von Werkstücken mit
a) wenigstens zwei Presswerkzeugen und wenigstens einem Stößel (10), an dem wenigstens eines der Presswerkzeuge (15) angeordnet ist und der zum Pressen von Werkstücken Arbeitsbewegungen mit einem zugehörigen Arbeitshub ausführt, bei denen wenigstens zwei Presswerkzeuge aufeinander zu bewegt werden,
b) wenigstens einer hydraulischen Stößelantriebseinheit für den Stößel mit wenigstens einem in einer mit hydraulischem Medium gefüllten Arbeitskammer (3) bewegten oder bewegbaren Arbeitskörper (2), der eine erste Teilkammer (31) und eine zweite Teilkammer (32) der Arbeitskammer voneinander trennt, wobei der Stößel (10) mit dem Arbeitskörper (2) gekoppelt ist,
c) wenigstens einer Stößelpositionsmesseinrichtung (11) zum direkten oder indirekten Messen der Position des Stößels (10) zumindest entlang des Arbeitshubes,
d) wenigstens einem Mediumspeicher (5) zum Speichern von hydraulischem Medium,
e) wenigstens einer ersten hydraulischen Fördereinrichtung (60,8,9), die hydraulisch an die erste Teilkammer (31) der Arbeitskammer und vorzugsweise auch an den Mediumspeicher (5) angeschlossen ist und in der Förderrichtung reversierbar ist,
f) wenigstens einer zweiten hydraulischen Fördereinrichtung (70), die hydraulisch einerseits an die zweite Teilkammer (32) der Arbeitskammer und andererseits an den Mediumspeicher (5) angeschlossen ist und in der Förderrichtung reversierbar ist,
g) wenigstens einem steuerbaren hydraulischen Ventil (4), das hydraulisch zwischen die erste Teilkammer (31) der Arbeitskammer und den Mediumspeicher (5) geschaltet ist und zwischen einem geschlossenen Zustand und einem offenen Zustand umschaltbar ist,
h) einer Kontrolleinrichtung (50), die mit der Stößelpositionsmesseinrichtung (11) verbunden ist und die mit der ersten hydraulischen Förderein- richtung (60) und der zweiten hydraulischen Fördereinrichtung (70) und dem steuerbaren hydraulischen Ventil (4) in Wirkverbindung steht und die durch Ansteuern der ersten hydraulischen Fördereinrichtung (60) und der zweiten hydraulischen Fördereinrichtung (70) und des steuerba- ren hydraulischen Ventils (4) die Volumenströme und Drücke sowie die
Strömungsrichtung des hydraulischen Mediums (M) zwischen dem Mediumspeicher (5) und der ersten Teilkammer (31) der Arbeitskammer und zwischen dem Mediumspeicher (5) und der zweiten Teilkammer (32) der Arbeitskammer automatisch abhängig von der gemessenen Stößelpositi- on und gespeicherten oder gewünschten Bewegungsabläufen des Stößels (10) und/oder von Eingabeinformationen von Benutzern kontrolliert.
2. Pressmaschine nach Anspruch 1 mit wenigstens einem oder einer beliebige Kombination der folgenden Merkmale:
a) die Arbeitskammer ist als Arbeitszylinder (3) ausgebildet,
b) der Arbeitskörper ist als Arbeitskolben (2) ausgebildet,
c) die erste Teilkammer und die zweite Teilkammer der Arbeitskammer bilden eine obere und untere Teilkammer der Arbeitskammer,
d) der Arbeitskörper (2) ist vertikal bewegt oder bewegbar,
e) der Stößel (10) ist mit einer Unterseite des Arbeitskolbens (2) gekoppelt.
Pressmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die erste hydraulische Fördereinrichtung wenigstens einen ersten elektrischen Fördermotor (61) umfasst und die zweite hydraulischen Fördereinrichtung wenigstens einen zweiten elektrischen Fördermotor (71) umfasst und bei der die Fördermotoren über elektrische Leitungen mit einem Umrichter (55) verbunden sind, der mit der Kontrolleinrichtung (50) verbunden ist, wobei die Fördermotoren vom wenigstens einen Umrichter hinsichtlich Drehzahl einerseits und Drehmoment oder elektrischer Leistung andererseits individuell ansteuerbar sind. Pressmaschine nach Anspruch 3, bei der der Umrichter (55) einen Energiezwischenspeicher umfasst, mit dem in einer Prozessphase generatorisch erzeugte elektrische Energie wenigstens eines der Fördermotoren zwischengespeichert und in einer darauffolgenden oder spätere Prozessphase genutzt wird zum motorischen Betrieb wenigstens eines der Fördermotoren, vorzugsweise des jeweils anderen Fördermotors der jeweils anderen Fördereinrichtung, wobei insbesondere der Energiezwischenspeicher des Umrichters wenigstens einen Kondensator in einem Zwischenkreis des Umrichters umfasst.
Pressmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste hydraulische Fördereinrichtung (60) hydraulisch unmittelbar, d.h. ohne zwischen geschaltete Ventile oder Drosseln, an die erste Teilkammer (31) der Arbeitskammer angeschlossen ist und bei der die zweite hydraulische Fördereinrichtung (70) hydraulisch unmittelbar, d.h. ohne zwischen geschaltete Ventile oder Drosseln, an die zweite Teilkammer (32) der Arbeitskammer angeschlossen ist.
Pressmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste hydraulische Fördereinrichtung wenigstens einen Antriebskolben (81) umfasst, der an eine mit hydraulischem Medium gefüllte Antriebskammer (82) angrenzt und relativ zur Antriebskammer bewegt oder bewegbar ist unter Vergrößerung oder Verkleinerung deren Volumens, wobei die Antriebskammer (82) hydraulisch mit der ersten Teilkammer (31) der Arbeitskammer der Stößelantriebseinheit verbunden ist,
und bei der erste hydraulische Fördereinrichtung wenigstens eine Exzen tereinheit (9) umfasst, die wenigstens einen um eine Drehachse (D) innerhalb eines vorgegebenen Drehwinkelbereichs drehbaren, vorzugsweise an einer Exzenterscheibe angeordneten, Exzenter (92) aufweist, der über eine mechanische Verbindung, insbesondere wenigstens ein Pleuel (98), mit dem Antriebskolben (81) verbunden ist und diesen in dessen Bewegung gegenüber der Antriebskammer antreibt, wobei der Drehwin- kelbereich für den Exzenter insbesondere in einem dem Antriebskolben zugewandten Bereich angeordnet ist.
Verfahren zum Pressen von Werkstücken mittels einer Pressmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Arbeitszyklus, der mittels der Kontrolleinrichtung (50) unter Berücksichtigung der mittels der Positionsmesseinrichtung bestimmten Positionswerte kontrolliert wird, einen Presshub, einen Dekompressionsvorgang und einen kontrollierten Rückhub umfasst, wobei
beim Presshub die erste Fördereinrichtung Medium (M) aus dem Mediumspeicher (5) in die erste Teilkammer (31) zum Aufbau eines hydraulischen Pressdrucks fördert und das Ventil (4) geschlossen wird und das Presswerkzeug gegen das Werkstück gepresst wird,
beim Dekompressionsvorgang das Ventil geschlossen ist und die erste Fördereinrichtung ausgeschaltet oder drehmomentarm geschaltet ist, beim kontrollierten Rückhub die zweite Fördereinrichtung hydraulisches Medium aus dem Mediumspeicher (5) in die zweite Teilkammer fördert und das Ventil wieder geöffnet wird, so dass der Arbeitskörper und der Stößel wieder zurück in die Ausgangslage oder auch in eine andere Ausgangslage gehoben werden und durch das offene Ventil (4) verdrängtes hydraulisches Medium M aus der zweiten Teilkammer in den Mediumspeicher strömt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Arbeitszyklus zusätzlich einen Freilauf vor dem Presshub umfasst, wobei
beim Freilauf sich der Arbeitskörper (2) in der Arbeitskammer (3) unter der Einwirkung der Schwerkraft nach unten bewegt, wobei das Ventil (4) durch die Kontrolleinrichtung (50) wenigstens teilweise geöffnet wird und die von der Kontrolleinrichtung 50 angesteuerte zweite Fördereinrichtung (7) Medium (M) aus der zweiten Teilkammer (32) in den Mediumspeicher (5) fördert,
und/oder
wobei beim Freilauf der Fördervolumenstrom oder Förderdruck der zwei- ten Fördereinrichtung und/oder das Öffnen des Ventils (4) so gesteuert wird, dass die Bewegung des Arbeitskörpers (2) gebremst oder auch beschleunigt wird gemäß einem vorgegebenen Bewegungsverlauf, wobei der Arbeitskörper sich zu einem Startpunkt bewegt, der insbesondere einem Punkt, bei dem ein Presswerkzeug in Kontakt mit dem Werkstück tritt, was insbesondere von der Kontrolleinrichtung (50) durch die Wegmessung mittels der Positionsmesseinrichtung (11) erkannt oder überwacht wird,
und/oder
wobei beim Freilauf die erste Fördereinrichtung still steht, das Ventil (4) geöffnet ist und die zweite Fördereinrichtung in Betrieb ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem
beim Presshub die zweite Fördereinrichtung generatorisch elektrische Energie erzeugt, die in dem Energiezwischenspeicher des Umrichters zwischengespeichert wird und beim anschließenden kontrollierten Rückhub wieder verwendet wird, und/oder bei dem beim Dekompressions- vorgang die erste Fördereinrichtung generatorisch elektrische Energie erzeugt, die in dem Energiezwischenspeicher des Umrichters zwischengespeichert wird und beim kontrollierten Rückhub von der zweiten Fördereinrichtung wieder verwendet wird.
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