Umformmaschine zum Drücken/Drückwalzen und Verfahren zum Drücken/ Drückwalzen
Die Erfindung betrifft eine Umformmaschine zum Drücken/Drückwalzen eines Werkstücks mit einem Maschinenbett, einem Spindelstock, einer an dem Spindelstock drehbar gelagerten Hauptspindel mit einem Drückwalzdorn, welcher zur Aufnahme des Werkstücks vorgesehen ist, einem Support, welcher mindestens ein Bearbeitungswerkzeug trägt, und welcher relativ zur Hauptspindel in einer Längsrichtung des Maschinenbetts axial verschiebbar ist, einem Hauptspindelantrieb zum drehenden Antreiben der Hauptspindel und einem Vorschubantrieb zum Verschieben des Supports.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Drücken/Drückwalzen eines Werkstücks, bei welchem das Werkstück an einem an einer Hauptspindel befestigten Drückwalzdorn angeordnet wird, die Hauptspindel durch einen oder mehrere Hauptspindelantriebe angetrieben wird und ein Support, an welchem mindestens ein Bearbeitungswerkzeug angeordnet ist, gegenüber dem Drückwalzdorn zum Drücken/Drückwalzen des Werkstücks verfahren wird.
Drücken und Drückwalzen sind spanlose Umformverfahren, bei denen ein zumeist rotationssymmetrisches Werkstück (Rohling) durch eine oder mehrere gegen seine Außenumfangsfläche anliegende Drückrollen beziehungsweise Drückwalzrollen über einen im Rotation versetzten Drückwalzdorn mit einer vorgegebenen Kontur gedrückt beziehungsweise abgestreckt wird. Dabei findet während der Bearbeitung ein Axialvorschub der Drückrollen gegenüber dem Werkstück statt. Das Werkstück wird gegen die Außenkontur des Drückwalzdorns gedrückt und zu einer gewünschten Kontur konturiert, wobei auch ein Reduzieren der Wandstärke stattfinden kann (Drück-
walzen). Unter den genannten Umformverfahren kann insbesondere auch das sogenannte Fließdrücken oder Streckfließdrücken verstanden werden.
Eine gattungsgemäße Drückmaschine geht beispielsweise aus der DE 30 41 267 A1 hervor.
Bei bekannten Drück- oder Drückwalzmaschinen wird die Hauptspindel durch einen Hauptspindelmotor über einen Keilriemen, ein Getriebe oder einen Zahnriemenantrieb angetrieben. Dabei sind Antriebsleistungen bis zu 300 kW einsetzbar. Über mehrere Getriebestufen im Spindelkasten können Drehmomente bis ca. 40.000 Nm erreicht werden.
Derartige Antriebe haben den Nachteil, dass Getriebestufen kostenintensiv sind und sich der Wirkungsgrad durch Reibungsverluste innerhalb der Getriebestufen verschlechtert. Üblicherweise werden aufwändige Schmier- und Kühlsysteme installiert.
Bei großen zu bearbeitenden Werkstücken und bei hohen Wandstärkenreduzierungen müssen erhebliche Leistungen zur Umformung aufgebracht werden. Insbesondere sind erhebliche Leistungen zum Drehen des Drückwalzdorns und zum Vorschub des Supports, an welchem die Bearbeitungswerkzeuge, insbesondere Drückrollen, angeordnet sind, erforderlich. Bei bekannten Antrieben des Drückwalzdorns und des Supports bestehen obere Leistungsgrenzen.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Umformmaschine zum Drücken/Drückwalzen eines Werkstücks und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, welche zur Bereitstellung von hohen Umformleistungen und zur Bearbeitung von großen Werkstücken bei einer möglichst einfachen Gestaltung der Umformmaschine geeignet sind.
Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Umformmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , zum anderen durch eine Umformmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Weiter wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 18 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Umfornnnnaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptspindelantrieb mindestens zwei Antriebsmotoren mit jeweils einem Antriebsritzel aufweist und dass die Hauptspindel ein oder mehrere Antriebszahnräder aufweist, welche durch die Antriebsritzel der Antriebsmotoren antreibbar sind.
Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, die Leistung zum Antreiben der Hauptspindel durch mehrere Antriebsmotoren bereitzustellen. Damit können zur Bereitstellung von großen Drehmomenten mehrere kleinere Motoren vorgesehen werden, die in größeren Stückzahlen am Markt angeboten und somit kostengünstiger sein können.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Umformmaschine besteht darin, dass ein auf das Antriebszahnrad der Hauptspindel wirkendes Antriebsmoment (Gesamtantriebsmoment) in mehrere, insbesondere zwei, Teilantriebsmomente aufgeteilt wird. Das Antriebszahnrad kann somit anstelle einer im Wesentlichen punktuellen, hohen Gesamtbelastung mehreren, deutlich geringeren Teilbelastungen ausgesetzt werden. Die punktuelle Belastung des Antriebszahnrades kann hierdurch deutlich reduziert werden. Hierdurch können beispielsweise die Anforderungen an das Material oder die Abmessungen des Zahnrades reduziert und somit Kosten gespart werden.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist es, die mindestens zwei Antriebsmotoren parallel zu betreiben. Hierzu wird das auf der Hauptspindel vorgesehene Antriebszahnrad durch die den Antriebsmotoren zugeordneten Antriebsritzel zum Antreiben der Hauptspindel gleichzeitig angetrieben.
Nach der Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass die Antriebsritzel und/oder die Antriebsmotoren symmetrisch zu dem Antriebszahnrad der Hauptspindel angeordnet sind. Unter einer symmetrischen Anordnung ist hierbei insbesondere eine Anordnung mit in Bezug auf das Antriebszahnrad äquidistanten Antriebsritzeln bzw. Antriebsmotoren zu verstehen. Auch kann hierunter eine rotationssymmetrische Anordnung mit Bezug auf eine Rotationsachse des Antriebszahnrads zu verstehen sein. Bei zwei Antriebsritzeln bzw. Antriebsmotoren sind diese demnach um 180° zueinander versetzt, bei drei um 120° zueinander versetzt usw. angeordnet. Durch die symmetrische Anordnung findet eine möglichst große Entlastung des Antriebszahnrads statt. Durch die versetzte Anordnung der Antriebsritzel bzw. Antriebsmotoren werden die
einzelnen Drehmomente der Antriebsmotoren an unterschiedlichen Stellen des Antriebszahnrades eingeleitet. Durch einen Master-Slave-Betrieb wird eine gleichmäßige Drehmomentbelastung der einzelnen Motore sichergestellt. Dies hat den Vorteil, dass die Zahnradbreite und damit auch das Zahnradgewicht und das damit einhergehende Schwungmoment (GD2) beziehungsweise das Trägheitsmoment der Umformmaschine wesentlich verringert wird. Dies wirkt sich unter anderem positiv auf das Hochfahren beziehungsweise Abbremsen der Maschine aus.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsritzel jeweils auf einer Motorausgangswelle des entsprechenden Antriebsmotors angeordnet sind und dass die Antriebsritzel unmittelbar mit dem Antriebszahnrad der Hauptspindel in Eingriff stehen. Bei dieser Anordnung der Antriebe ist eine exakte Drehzahlsynchronisation gegeben. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Übersetzung i von 1 :10 erreicht, was eine Spindeldrehzahl von 0 bis 200 min."1 ergeben kann. Bei einer Spindeldrehzahl von 0 bis 50 min."1 wird ein konstantes Drehmoment von ca. 50.000 Nm erreicht. Auch Drehmomente von über 100.000 Nm lassen sich realisieren. Die direkte Koppelung von Antriebsmotor und Hauptspindel verzichtet auf mehrere Getriebestufen, welche im Allgemeinen kostenintensiv und verschleißanfällig sind. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dahingehend, dass die üblicherweise im Getriebe dissipierte Energie (Reibungsverluste) als zusätzliche Antriebsenergie für die Hauptspindel zur Verfügung steht. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Antriebs ist somit besonders gut. Zudem kann auf aufwändige Schmier- und Kühlsysteme zur Schmierung und Kühlung eines Getriebes verzichtet werden.
Nach der Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass die Antriebsmotoren als langsam drehende Motoren, insbesondere als Drehstrom-Asynchron-Motoren, ausgebildet sind. Derartige Motoren besitzen bei kleinen Drehzahlen ein hohes Nennmoment. Sie bieten daher den Vorteil, dass keine oder nur eine geringe Drehzahlübersetzung zur Übertragung der Leistung vom Motorausgang an die Hauptspindel erforderlich ist. Insbesondere kann die Übersetzung als eine lediglich einstufige Übersetzung ausgeführt sein. Getriebe- bzw. Übersetzungsverluste können somit deutlich minimiert werden. Langsam drehende Drehstrom-Asynchron-Motoren eignen sich insbe-
sondere zur Bereitstellung von großen und zeitlich konstanten Drehmomenten. So sind Drehmomente von über 100.000 Nm realisierbar.
Eine weitere erfindungsgemäße Umformmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschubantrieb mehrere Antriebseinheiten aufweist, welche in einem Gantry- Betrieb betreibbar sind. Im Gegensatz zu einer einzigen, zentralen Antriebseinheit hat eine Mehrzahl von Antriebseinheiten zum Antreiben des Supports den Vorteil, dass die Antriebsleistung aufgeteilt wird. Eine einzelne Antriebseinheit hat daher nur einen Bruchteil der gesamten Antriebsleistung zur Verfügung zu stellen. Hierdurch kann die Gesamtantriebsleistung auf einfache Art und Weise erhöht werden.
Um hochpräzise Zylinderrohre zu fertigen, müssen die Antriebseinheiten im Gleichlauf betrieben werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Antriebseinheiten in einem sogenannten Gantry-Betrieb gefahren werden. Bei einem Gantry-Betrieb folgen zum Beispiel ein oder mehrere Antriebe synchron einer führenden Antriebseinheit und stellen somit einen symmetrischen Vorschub bei zum Teil unterschiedlichen Antriebsmomenten sicher.
Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass mindestens vier Antriebseinheiten vorgesehen sind. Für eine präzise Bearbeitung des Werkstücks ist es erforderlich, dass die axialen Vorschübe, welche durch die Antriebseinheiten bereitgestellt werden, mit großer Positioniergenauigkeit möglichst symmetrisch in das System eingeleitet werden. Die axiale Relativbewegung des Drückwalzdornes zur Drückrolle kann über ein Verfahren des Supports, ein Verfahren der Hauptspindel über den Spindelstock oder durch eine Kombination von beiden erfolgen. Der Spindelstock kann auch als Spindelkasten bezeichnet werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass vier Antriebseinheiten eine besonders zuverlässige und genaue Einleitung der Vorschubkräfte in den Support oder den Spindelstock mit der Hauptspindel ermöglichen. Eine spezielle Regelungstechnik sorgt für den erforderlichen Gleichlauf der Antriebseinheiten.
Im Hinblick auf die erforderliche synchrone Einleitung der Vorschubkräfte ist es besonders bevorzugt, dass die Antriebseinheiten gleich ausgebildet sind. Eine gleiche Ausführung der Antriebseinheiten hat zudem den Vorteil, dass Lagerhaltungs- und Reparaturkosten der Antriebseinheiten reduziert werden können.
Um Kippmomente auf den Support oder den Spindelstock beim axialen Verfahren möglichst zu reduzieren, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Antriebseinheiten symmetrisch um eine Maschinenachse der Umformmaschine herum angeordnet sind. Unter einer Maschinenachse ist insbesondere eine Achse zu verstehen, welche durch eine Rotationsachse der Hauptspindel verläuft. Diese Achse bildet auch das Symmetriezentrum der auf den Support durch die Bearbeitung des Werkstücks wirkenden Kräfte. Eine derartige symmetrische Anordnung der Antriebseinheiten unterstützt somit eine zuverlässige Führung des Supports oder des Spindelstocks am Maschinenbett.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umformmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten jeweils eine Kugelgewindespindel aufweisen und dass die Kugelgewindespindeln zueinander parallel angeordnet sind. Kugelgewindeantriebe eignen sich durch ihre hohe Präzision zur exakten Positionierung des Supports. Vorzugsweise sind 4 Kugelgewindetriebe vorgesehen, welche über einen Gantry-Verband synchronisiert sind. Über eine CNC-Steuerung werden die Antriebe drehwinkelsynchron oder positionsgenau betrieben. Alternativ kann auch ein Antrieb mit einem Planetenrollen-Gewindetrieb vorgesehen sein.
Insbesondere im Zusammenhang mit besonders langen Kugelgewindespindeln ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass mindestens eine Kugelgewindespindel mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt ist, dass ein erster Teil der Kugelgewindespindel in einem belasteten Arbeitsbereich und ein zweiter, kleinerer Teil der Kugelgewindespindel in einem unbelasteten Arbeitsbereich angeordnet ist und dass der zweite Teil der Kugelgewindespindel zur Abstützung des ersten Teils der Kugelgewindespindel vorspannbar ist. Unter einem belasteten Arbeitsbereich ist hierbei insbesondere ein Bereich zwischen dem Spindelstock und dem Support zu verstehen. Der zweite Teil der Kugelgewindespindel hat die Funktion einer Abstützung. Die Abstützung des ersten Teils wird durch Vorspannung des zweiten, unbelasteten Teils erreicht.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass zur Positionskontrolle und/oder Positionsregelung des Supports am zweiten Teil der Kugelgewindespindel ein Drehgeber/Messsystem angeordnet ist. Drehgeber/Messsystem, auch bekannt als Inkrementalgeber, ermög-
liehen eine hochgenaue Erfassung von Lageänderungen, die sowohl die Wegstrecke als auch -richtung erfassen können.
Zur Bearbeitung von besonders langen Werkstücken müssen die Kugelgewindespindeln eine große Länge aufweisen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass zur Abstützung mindestens einer Kugelgewindespindel eine Kalottenabstützung vorgesehen ist. Durch eine derartige Abstützung wird ein Durchhängen der Kugelgewindespindel reduziert. Dies führt zu einem präziseren Vortrieb und einer präziseren Führung des Supports. Die Qualität der Werkstückbearbeitung kann somit erhöht werden. Die Ausführung als Kalottenabstützung ist deshalb vorteilhaft, weil diese eine geringe Reibung verursacht und günstig herstellbar ist.
Die Kalottenabstützung kann als mitfahrende oder auch als durchgängige Kalottenabstützung ausgeführt sein. Alternativ kann auch ein System mit drehender Mutter und vorgereckter (vorgespannter) Spindel eingesetzt werden, um die Positioniergenauigkeit des Supports zu erhöhen.
Aufgrund des hohen Drehmomentes ist an der Hauptspindel eine Werkzeugaufnahme in Anlehnung an DIN 55027 zur Aufnahme eines Drückwalzdorns der Größe 20 oder größer, in verstärkter Ausführung - im Gegensatz zur üblichen und bekannten Größe 15 - vorgesehen. Zur Übertragung großer Drehmomente ist gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Hauptspindel das Drehmoment formschlüssig auf den Drückwalzdorn überträgt. Die formschlüssige Verbindung zwischen Drückwalzdorn und Hauptspindel kann insbesondere zusätzlich zu einer reibschlüssigen Verbindung vorgesehen sein. Für die reibschlüssige Verbindung ist die an der Hauptspindel vorgesehene Werkzeugaufnahme als Konusaufnahme ausgebildet.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der formschlüssigen Verbindung ist dadurch gegeben, dass die formschlüssige Verbindung zwischen Drückwalzdorn und Hauptspindel als Hirth-Verzahnung realisiert ist. Diese befindet sich sowohl an der Stirnseite der Werkzeugaufnahme als auch an der Stirnseite des Drückwalzdorns. Durch die Hirth-Verzahnung kann in besonders vorteilhafter und zuverlässiger Weise
die Kombination einer formschlüssigen und einer reibschlüssigen Verbindung realisiert werden.
Um auch bei hohen Drehmomenten den Drückwalzdorn sicher an der Hauptspindel zu halten, ist es bevorzugt, dass eine Ausstoßereinrichtung mit einem Druckkopf oder Drehzufuhr und ein Reitstock mit einer Andrückverlängerung vorgesehen sind, mittels welchen der Drückwalzdorn auf die Hauptspindel spannbar ist. Durch jeweilige Axialkräfte der Ausstoßereinrichtung mit dem Druckkopf/Drehzufuhr und des Reitstocks mit der Andrückverlängerung kann der Drückwalzdorn auf einen Konus der Werkzeugaufnahme gespannt werden und beim Umformen mit hohen Drehmomenten sicher gehalten werden. Auch während eines Werkstückwechsels kann der Drückwalzdorn auf diese Weise gehalten werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass ein Reitstock mit einer Reitstockspindel vorgesehen ist, dass zwischen Hauptspindel und Reitstockspindel eine Drehzahlsynchronisation einstellbar ist und dass diese Drehzahlsynchronisation auf einen drehmomentgesteuerten Betrieb umstellbar ist. Hierdurch können besonders hohe Umformleistungen erzielt werden. Die Maschine wird vorzugsweise im drehmomentgesteuerten Betrieb gefahren. Durch angetriebene Drückrollen bzw. Drückwalzrollen kann das zur Verfügung gestellte Drehmoment während des Umformvorganges weiter erhöht werden. Vorzugsweise wird die Umfangsgeschwindigkeit der Rolle zum Bearbeitungsdurchmesser synchronisiert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es bevorzugt, das Drückrollen und/oder Radialeinheiten des Supports relativ zueinander verstellbar gelagert sind und dass die Drückrollen und/oder die Radialeinheiten mittels einer Stelleinrichtung axial unter Last verstellbar sind. In dem Support sind mehrere Rollen oder Radialeinheiten linear verstellbar gelagert. Die Verstellbarkeit ist vorzugsweise in axialer Richtung, kann jedoch auch in radialer Richtung vorgesehen sein. Die Radialeinheiten sind Lagerelemente, in welchen die Drückrollen drehbar gelagert sind. Über entsprechende Stelleinrichtungen, welche Linearantriebe aufweisen können, können die einzelnen Rollen oder Radialeinheiten zueinander verstellt und justiert werden. Dabei kann mindestens eine Radialeinheit indirekt über einen Stabilisierungsrahmen abgestützt werden. Die Verstellung erfolgt vorzugsweise unter Last, also im laufenden Umformbetrieb, so dass sehr präzise Umformungen erzielt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Drücken/Drückwalzen des Werkstücks ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptspindelantrieb mindestens zwei Antriebsmotoren mit jeweils einem Antriebsritzel aufweist und dass die Hauptspindel ein Antriebszahnrad aufweist, welches durch die Antriebsritzel der Antriebsmotoren angetrieben wird. Durch diese Art des Antriebs können besonders große Drehmomente bereitgestellt werden, wie in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Umformmaschine beschrieben.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass der Support und/oder der Spindelstock mittels mehrerer Antriebseinheiten, welche in einem Gant- ry-Verband betrieben werden, verfahren wird. Auch hier ergeben sich die in Verbindung mit der entsprechenden Umformmaschine aufgezeigten Vorteile.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Umformmaschine aus Sicht einer Bedienerseite;
Fig. 2 eine schematische Ansicht von oben der in Fig. 1 gezeigten Umformmaschine;
Fig. 3 eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten Umformmaschine;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 gezeigten Umformmaschine entlang der Schnittlinie A - B;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 gezeigten Umformmaschine entlang der Schnittlinie C - D;
Fig. 6 eine schematische Detailquerschnittansicht bei einem erfindungsgemäßen Umformen mit vier Druckrollen; und
Fig. 7 eine Querschnittansicht nur der Drückrollen von Figur 6.
Figuren 1 bis 5 zeigen eine erfindungsgemäße Umformmaschine 1 in unterschiedlichen Ansichten. Die Umformmaschine 1 weist ein Maschinenbett 10 mit einem hierauf gelagerten Spindelstock 20 auf. Der Spindelstock 20, welcher auch als Spindel-
kästen bezeichnet werden kann, ist fest oder axial verfahrbar gelagert. An dem Maschinenbett 10 ist weiterhin ein Support 30 parallel zu einer Maschinenachse 8 der Umformmaschine verschiebbar geführt. In Längsrichtung aus Sicht des Spindelstocks 20 gesehen hinter dem Support 30 befindet sich ein Reitstock 40, welcher in der gezeigten Ausführungsform einen ersten Reitstockkörper 44 und einen zweiten Reitstockkörper 45 aufweist. Erster Reitstockkörper 44 und zweiter Reitstockkörper 45 sind über eine Vorschubeinrichtung 46 miteinander gekoppelt. Der Reitstock 40 kann aber auch einteilig ausgebildet sein. Bei axial verschiebbarem Spindelkasten wird der Reitstock 40 vorzugsweise verschiebbar an den Spindelstock 20 gekoppelt. Dadurch wird ein Verdrängen des Reitstocks 40 vermieden, wodurch eine besonders effiziente Umformung möglich ist.
Zur Erhöhung der Stabilität der Umformmaschine 1 , dessen Belastungen mit zunehmender Größe des Werkstücks erheblich zunehmen, ist oberhalb des Maschinenbetts 10 im Wesentlichen parallel zu der Maschinenachse 8 und zu einer Längsrichtung des Maschinenbetts 10 eine Traverse 50 vorgesehen. Diese erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Maschinenbetts 10. An mindestens einem Ende ist die Traverse 50 fest über mindestens eine Traversenabstützung 51 , mit dem Maschinenbett 10 verbunden. Bei einer Ausführung mit festem Spindelstock 20 kann dieser als Traversenabstüzung dienen.
An dem Spindelstock 20 ist eine Hauptspindel 22 drehbar gelagert angeordnet. Auf der Hauptspindel 22 befindet sich ein Drückwalzdorn 24 zur Aufnahme eines umzuformenden Werkstücks 5. In seiner unbearbeiteten Form (Rohling) ist das umzuformende Werkstück 5 vorzugsweise ein zylinderförmiger Körper ohne Boden, welcher auch als Zylinderrohr oder Zylinderbüchse bezeichnet werden kann.
Die Hauptspindel 22 ist durch einen Hauptspindelantrieb 23 drehend angetrieben. Der Hauptspindelantrieb 23 weist in der gezeigten Ausführungsform zwei Antriebsmotoren 23a und 23b auf, welche mit gleichem Abstand zu der Maschinenachse 8 angeordnet sind. Die Antriebsmotoren 23a und 23b befinden sich unterhalb der Maschinenachse 8 und spiegelsymmetrisch zu einer vertikalen Maschinenmit- telebene 9, welche durch die Maschinenachse 8 verläuft. Die Maschinenachse 8 stellt insbesondere eine Längsachse der Umformmaschine 1 dar, die durch eine Rotationsachse der Hauptspindel 22 verläuft.
Zur Bearbeitung des auf den Drückwalzdorn 24 aufgeschobenen Werkstücks 5 sind an dem Support 30 über dem Werkzeugträger 25 mehrere Bearbeitungswerkzeuge 26 befestigt. Die Bearbeitungswerkzeuge 26 sind als Drückrollen oder Drückwalzrollen ausgebildet und werden durch Zustellen in Spindel-Radialrichtung mit dem Umfang des Werkstücks 5 in Eingriff gebracht. Durch die so aufgebrachten Kräfte findet ein Kaltumformvorgang des Werkstücks 5 statt. Zusätzlich zu der radialen Zustellung findet ein axialer Vorschub der Drückrollen bzw. Drückwalzrollen statt. Hierzu wird der Support 30 in der in Fig. 1 gezeigten Darstellung nach links verfahren und das umgeformte Material fließt in einem sogenannten Gegenlaufverfahren nach rechts, in einem sogenannten Gleichlaufverfahren nach links. An dem Support 30 sind drei jeweils um 120° versetzte Bearbeitungswerkzeuge 26 angeordnet. Vorzugsweise können vier jeweils um 90° versetzte Bearbeitungswerkzeuge 26 vorgesehen sein, welche eine noch bessere Kraftaufteilung ermöglichen.
Zum axialen Verfahren des Supports 30 ist ein Vorschubantrieb vorgesehen. Dieser weist in der dargestellten Ausführungsform vier Antriebseinheiten auf. Die Antriebseinheiten sind als Kugelgewindeantriebe ausgeführt, die im sogenannten Gantry- Verband betrieben werden können. Durch den hierdurch erreichten Gleichlauf der Antriebseinheiten wird sichergestellt, dass die Antriebseinheiten die Vorschübe symmetrisch in den Support einbringen.
Eine Antriebseinheit weist jeweils eine Kugelgewindespindel 14 und einen Kugelgewindespindelantrieb 16 auf. Jeweils zwei gegenüberliegende Kugelgewindespindeln 14 mit ihren entsprechenden Kugelgewindespindelantrieben 16 sind rotationssymmetrisch um die Maschinenachse 8 angeordnet. Alle Antriebseinheiten haben den gleichen Abstand von der Maschinenachse 8. Im Querschnitt gesehen (vgl. Fig. 2) befinden sich die Kugelgewindespindeln 14 in einem oberen und unteren Bereich der Umformmaschine 1 , wobei jeweils zwei Kugelgewindespindeln 14 spiegelsymmetrisch zu der Maschinenmittelebene 9 angeordnet sind. Die Kugelgewindespindelantriebe 16 sind in vertikaler Hinsicht in einem etwa mittleren Bereich seitlich der Maschinenachse 8 konzentriert. Dabei sind jeweils zwei Kugelgewindespindelantriebe 16 spiegelsymmetrisch zu der Maschinenmittelebene 9 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel werden vier Gewindespindelantriebe mit insgesamt 3000 kN Vorschubkraft eingesetzt. Um beispielsweise aus einer Stahlbüchse mit 50 mm
Wandstärke und 3000 mm Länge ein Zylinderrohr von 12 m Länge und mit einer Endwanddicke von 12,5 mm herzustellen, ist vorgesehen, dies in ein bis zwei Überläufen mit je einer Wandstärkenreduzierung von 50% und mehr durchzuführen. Derartige Strecklängen waren mit bisher bekannten, einteiligen Kugelgewindeantrieben oder Planetenrollengewindeantrieben in der geforderten Größe und Genauigkeit bisher nicht möglich.
Zur Erfassung der Lage des Supports 30 ist ein Messsystem/Drehgeber 32 vorgesehen. Die durch diesen erzielbare präzise Lagebestimmung ist geeignet, die Positionskontrolle oder Positionsregelung des Supports 30 zu verbessern.
Zum Erfassen der Länge eines im Gegenlaufverfahren gewalzten Werkstückes 5 während der Umformung ist die Umformmaschine 1 mit einem Strecklängenerfas- sungsmesssystem 58 ausgerüstet. Das Strecklängenerfassungsmesssystem 58 weist einen Messwagen 59 auf, welcher ein Kompaktmodul trägt und an einer Schiene 52 entlang der Traverse 50 längs verschiebbar geführt ist.
Der Reitstock 40 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Reitstockkörper 44 und einen zweiten Reitstockkörper 45 auf. An dem zweiten Reitstockkörper 45 ist in Verlängerung der Hauptspindel 22, auf Höhe der Maschinenachse 8, eine Reitstockspindel 41 mit einer Werkzeugaufnahme, insbesondere für eine Andrückverlängerung 47, drehbar gelagert angeordnet. Die Reitstockspindel 41 wird durch einen vorzugsweise gleichen Spindelantrieb, wie er auch für die Hauptspindel 22 eingesetzt wird, angetrieben. Hierdurch wird eine kostengünstige Lagerhaltung erreicht. Ein Reitstockspindelantrieb 43 ist in Fig. 2 gezeigt.
Der Drückwalzdorn 24 ist drehfest, insbesondere durch eine axiale Hirth- Verzahnung, mit der Hauptspindel 22 verbunden. Durch Verfahren des Reitstocks 40, insbesondere des zweiten Reitstockkörpers 45, kann die Reitstockspindel 41 bzw. die Andrückverlängerung 47 axial gegen den Drückwalzdorn 24 bzw. das Werkstück 5 (Zylinderrohr) angepresst werden. Eine axiale und radiale Anpresskraft ist den Erfordernissen entsprechend einstellbar. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine sichere formschlüssige Verbindung zwischen Hauptspindel 22 und Drückwalzdorn 24 auch während des Umform prozesses bei hohen Drehmomenten gewährleistet ist.
Zum Ausstoßen des Drückwalzdorns 24 und/oder des Werkstücks 5 ist am Spindelstock 20 eine Ausstoßereinrichtung 18 vorgesehen. Die Ausstoßereinrichtung 18 ist mit einem Druckkopf ausgestattet und kann in Verbindung mit der Andrückverlängerung 47 zusätzlich dazu verwendet werden, den Drückwalzdorn 24 auf die Hauptspindel 22 zu spannen und - auch bei großen Drehmomenten - sicher auf dieser zu halten. Auch kann die Ausstosseinrichtung 18 für andere Zusatzfunktionen eingesetzt werden, etwa zur Betätigung von Verschiebe- oder Spreizwerkzeugen.
Zur Abstützung des Drückwalzdorns 24, der Reitstockspindel 41 und/oder des Werkstücks 5 können mehrere Abstützeinrichtungen 56 mit Rollenkörpern 54 vorgesehen, welche zur Aufnahme axialer und radialer Drehbewegungen sowie Rotationsbewegungen geeignet sind. Bei großen Werkstückdurchmessern kann die Abstützeinrichtung 56 entfallen.
Fig. 2 und Fig. 5 zeigen die in Fig. 1 dargestellte Umformmaschine 1 in einer Ansicht von oben. Um einen Durchgangsbereich für das Werkstück 5 durch den Reitstock 40 bereitzustellen, ist angedeutet, dass die Reitstockspindel 41 , die Andrückverlängerung 47 und der Reitstockspindelantrieb 43 radial zur Maschinenachse 8 in einen seitlichen Bereich der Umformmaschine 1 verfahrbar sind.
Fig. 3 zeigt eine Frontansicht der Umformmaschine 1 . Zur Verhinderung des Austritts von Kühlemulsion ist eine Kapselung 66 des Arbeitsraumes vorgesehen.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht der Umformmaschine 1 entlang der Schnittlinie A - B von Fig. 1 . Drei Bearbeitungswerkzeuge 26 in der Form von Drückrollen bzw. Drückwalzrollen sind jeweils um 120° zueinander versetzt um den Drückwalzdorn 24 herum angeordnet. Am Supportgehäuse sind drei Abstreifvorrichtungen 28 zum Abstreifen des fertig bearbeiteten Werkstücks 5 vom Drückwalzdorn 24 ebenfalls um je 120° zueinander versetzt angeordnet. Durch die symmetrische Anordnung der Abstreifvorrichtungen 28 wird ein Verkanten des Werkstücks 5 beim Abstreifen vom Drückwalzdorn 24 verhindert.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie C - D von Fig. 1 . Die Reitstockspindel 41 ist an einem Spindelschlitten 62 angeordnet. Der Spindelschlitten 62 ist entlang einer Schlittenführung 63 verschiebbar. Hierzu sind an dem Spindelschlitten 62 mehrere Führungswagen oder Führungsschuhe 64 angeordnet. Die
Reitstockspindel 41 wird mit dem Spindelschlitten 62 aus einem Bereich der Maschinenachse 8 herausgefahren.
In den Figuren 6 und 7 ist bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Umformmaschine mit insgesamt vier Drückrollen 35a, 35b, 35c und 35d schematisch gezeigt, welche ein rohrförmiges Werkstück 5 an einem Drückwalzdorn 24 umformen. Die vier Drückrollen 35 sind dabei um 90° zueinander um die Rotationsachse des Drückwalzdorn 24 versetzt und verteilt um den Umfang des Werkstücks 5 angeordnet. Dabei weisen die einzelnen Drückrollen 35 hinsichtlich ihrer axialen und radialen Position Unterschiede zueinander auf, so dass die vier Drückrollen 35 jeweils unterschiedliche Umformschritte vornehmen.
Die erste voreilende Drückrolle 35a hat eine in axialer Richtung vorauseilende und eine radial außenliegenede Position. Zudem weist die erste Drückrolle 35a eine konische Rollenumfangsflache 36 auf, welche zu einer Rollenachse, die parallel zur Rotationsachse des Werkstücks 5 ist, einen ersten flachen Neigungswinkel auf. Die Position der zweiten Drückrolle 35b und der dritten Drückrolle 35c weisen jeweils eine in axialer und radialer Richtung weiter rückversetzte Position auf, um entsprechend weitere Umformschritte vorzunehmen. Dabei nimmt der Neigungswinkel der Rollenumfangsflache 36 zur Rollenachse jeweils weiter zu.
Die vierte und letzte Drückrolle 35d ist in axialer Richtung nacheilend und weist in radialer Richtung die innenliegende Position auf, welche den Enddurchmesser für das Werkstück 5 vorgibt. Der Einlaufwinkel der vierten Drückrolle 35d ist am stärksten zur Rollenachse geneigt, um eine gewünschte Drückwalzumformung und Materi- alverdängung vorzunehmen. Jede der Drückrollen ist außerdem mit einer Freifläche 37 versehen. Diese sorgt für ein Glätten der auslaufenden Materialoberfläche.
Je nach umzuformenden Werkstoff ist der Übergang von der Rollenumfangsfläche 36 zur Freifläche 37 mit einem mehr oder weniger großem Radius versehen. Sehr große Radien können dabei auch die konische Fläche 36 ersetzen.
Der Support 30 ist bevorzugt als Rahmenkonstruktion ausgeführt, um die hohen Umformkräfte sicher aufnehmen zu können. Der erforderliche Axialversatz der Drückrollen 35 lässt sich vorzugsweise über Stellspindeln und/oder verschiebbare Rollenlagerungen, manuell einstellen. Vorgesehen ist auch eine automatische Rollen-Axial-
Verschiebung, die ein Verschieben der Rollen bzw. des Axialversatzes im Prozess und/oder unter Last ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform nutzt die vorhandenen axialen Vorschubantriebe des Supports. Dabei wird dann eine mehrteilige Ausführung des Supportes eingesetzt, die wiederum untereinander über Axialführungen verbunden werden.
Denkbar ist auch der Einsatz eines zusätzlichen, axial leicht versetzt fahrenden Stabilisierungsrahmens, der die Kräfte der Radialeinheiten mit Drückrollen indirekt über den Maschinenrahmen aufnimmt und den Maschinenrahmen so gegen Auffedern stabilisiert.