BINHACK, Fritz (Zum kleinen Feld 2, Bretten-Ruit, 75015, DE)
Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Umformen, insbesondere zum Kaltverformen, hierbei insbesondere zum Kaltfließpressen, eines Werkstücks (2), die ein Umformwerkzeug (3) und eine Vorschubeinrichtung (5), durch die eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (2) und dem Umformwerkzeug (3) erzeugbar ist, aufweist, wobei die Vorrichtung (1) eine mit der Vorschubeinrichtung (5) zusammenwirkende Frequenzerzeugungseinrichtung (10) aufweist, durch welche die von der Vorschubrichtung (5) erzeugte Relativbewegung zwischen Werkstück (2) und Umformwerkzeug (3) derart modulierbar ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Werkstück (2) und/oder das Umformwerkzeug (3) in Vorschubrichtung (P) einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung des Umformwerkzeugs (3) und/oder des Werkstücks (2) in einer der Vorschubrichtung (P) entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung (10) die Vorschubeinrichtung (5) derart moduliert, dass die Hubwege der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe mindestens zweier aufeinanderfolgender, jeweils aus einem Vorwärtshub und einem Rückwärtshub bestehender Umformschritte der Vorrichtung (1) unterschiedlich sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung (10) eine Fuzzy-Logik (11) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb einer bestimmten, vom Umformwerkzeug (3) bei der Umformung des Werkstücks (2) zu durchlaufenden Umformlänge durchgeführten Umformschritte eine nicht-kontinuierliche, chaotische Verteilung der Hubwege der einzelnen Umformschritte aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung (10) die Vorschubeinrichtung (5) derart moduliert, dass die vom Umformwerkzeug (3) bei der Bearbeitung des Werkstücks (2) in dessen Axialrichtung verlaufende Umformlänge in mindestens zwei Umformzonen mit unterschiedlichen Hubwegen des Vorwärtshubs und/oder des Rückwärtshubs der einzelnen Umformschritte aufgeteilt ist.
5. Verfahren zum Umformen eines Werkstücks (2), bei dem durch eine Vorschubeinrichtung (5) eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (2) und einem Umformungswerkzeug (3) erzeugt wird, wobei die von der Vorschubeinrichtung (5) erzeugte Relativbewegung zwischen dem Werkstück (2) und dem Umformwerkzeug (3) derart moduliert wird, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem in Vorschubrichtung (P) das Werkstück (2) und/oder das Umformwerkzeug (3) einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung des Umformwerkzeugs (3) und/oder des Werkstücks (2) in einer zu der Vorschubrichtung (P) entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durch eine Frequenzerzeugungseinrichtung (10) derart moduliert wird, dass die Hubwege der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe mindestens zweier aufeinanderfolgender, jeweils aus einem Vorwärtshub und einem Rückwärtshub bestehender Umformschritte unterschiedlich sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung (10) eine Fuzzy-Logik verwendet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Frequenzerzeugungseinrichtung (10) eine Abfolge von nichtkontinuierlichen, chaotischen Umformschritten erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Frequenzerzeugungseinrichtung (10) die Vorschubeinrichtung (5) derart moduliert wird, dass der vom Umformwerkzeug (3) bei der Bearbeitung des Werkstücks (2) in dessen Axialrichtung verlaufende Umformweg in mindestens zwei Umformzonen mit unterschiedlichen Hubwegen des Vorwärtshubs und/oder des Rückwärtshubs der einzelnen Umformschritte aufgeteilt wird. |
Vorrichtung und Verfahren zum Umformen eines Werkstücks
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen, insbesondere zum Kaltverformen, hierbei insbesondere zum Kaltfließpressen, eines Werkstücks, die ein Umformwerkzeug und eine Vorschubeinrichtung, durch die eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Umformwerkzeug erzeugbar ist, aufweist, wobei die Vorrichtung eine mit der Vorschubeinrichtung zusammenwirkende Frequenzerzeugungseinrichtung aufweist, durch welche die von der Vorschubeinrichtung erzeugte Relativbewegung zwischen Werkstück und Umformwerkzeug derart modulierbar ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Werkstück und/oder das Umformwerkzeug in Vorschubrichtung einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung des Umformwerkzeugs und/oder des Werkstücks in einer der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist, sowie ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks, bei dem durch eine Vorschubeinrichtung eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und
einem Umformwerkzeug erzeugt wird, wobei die von der Vorschubeinrichtung erzeugte Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Umformwerkzeug derart moduliert wird, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem in Vorschubrichtung das Werkstück und/oder das Umformwerkzeug einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauffolgenden Rückwärtshub eine Bewegung des Umformwerkzeugs und/oder des Werkstücks in einer zu der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchgeführt wird.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der EP 1 003 616 B1 der Anmelderin bekannt. Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden zum Beispiel zum Verzahnen von wellenartigen Teilen eingesetzt: Bei massiven Wellen können durch die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren Außenverzahnungen und bei rohrartigen Wellen sowohl Außen- als auch Innenverzahnungen erzeugt werden. Die in der vorgenannten Druckschrift beschriebene Vorrichtung und das entsprechende Verfahren besitzen den Vorteil, dass durch den frequenzmodulierten Vorschub eine Reduzierung der Presskraft um bis zu ca. 50 % gegenüber einem konventionellen Axialformen bzw. einem Fließpressen erzielt werden kann.
Bei der bekannten Vorrichtung und bei dem bekannten Verfahren tritt aber weiterhin das grundlegende Problem auf, dass am Beginn der herzustellenden Struktur (der Verzahnung) ein Kopfkreis und und/oder ein umgeformter Durchmesser immer etwas kleiner als der diesem Anfangsbereich in Vorschubrichtung nachfolgende Bereich des Werkstücks ausgebildet wird. Dies ist durch das Fließverhalten des umzuformenden Werkstoffs bedingt und wirkt sich insbesondere bei Bauteilen mit sehr eng tolerierten Maßen nachteilig aus. Ein weiteres Problem bei der Herstellung von Strukturen auf oder in wellenartigen Bauteilen stellt die so genannte Bugwelle dar, die nach der Umformung am Auslauf der Struktur auftritt, insbesondere dann, wenn die Struktur in einem Freistich endet.
Die eingangs beschriebene bekannte Vorrichtung und das genannte Verfahren besitzen des weiteren den Nachteil, dass das Umformwerkzeug in der Regel nur eine ungenügende Standzeit aufweist. Dies ist dadurch bedingt, dass bei der bekann-
ten Vorrichtung und bei dem bekannten Verfahren während des gesamten Umformvorgangs, also in jedem einzelnen Umformschritt, ein gleichbleibender Vorwärtshub und ein gleichbleibender Rückwärtshub durchlaufen werden, das heißt, dass die Hubwege in Vorwärtsrichtung und diejenigen in Rückwärtsrichtung jeweils stets gleich groß sind. Dies hat zur Folge, dass immer die gleichen Bereiche des Umformwerkzeugs in Wirkeingriff mit dem zu bearbeitenden Werkstück treten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Verbesserung des Umformergebnisses und/oder der Standzeit des Umformwerkzeugs erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung die Vorschubeinrichtung derart moduliert, dass die Hubwege der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe mindestens zweier aufeinanderfolgender, jeweils aus einem Vorwärtshub und einem Rückwärtshub bestehender Umformschritte der Vorrichtung unterschiedlich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Vorschubeinrichtung durch die Frequenzerzeugungseinrichtung derart moduliert wird, dass die Hubwege der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe mindestens zweier aufeinanderfolgender, jeweils aus einem Vorwärtshub und einem Rückwärtshub bestehender Umformschritte unterschiedlich sind.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirken nun einerseits, dass eine Erhöhung der Standzeit des Umformwerkzeugs erzielbar ist: Die unterschiedlichen Hubwege der einzelnen aufeinanderfolgenden Umformschritte bewirken, dass sich die Krafteinwirkung auf die Umformzonen des Umformwerkzeugs bei jedem Umformschritt jeweils anders darstellt als beim vorhergehenden Umformschritt. Dies hat zur Folge, dass entsprechende Werkzeugpartien nicht - wie bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren - kontinuierlich beansprucht werden, sondern dass in vorteilhafter Art und Weise sich die entsprechenden Belastungsfälle (Druck-, Zug- und Biegelast
sowie abrasive Belastung) auf unterschiedliche Bereiche des Umformwerkzeugs verteilen. Hierdurch wird in vorteilhafter Art und Weise eine erhöhte Standzeit erreicht. Andererseits ist es durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen möglich, die Umformschritte situationsadequat den jeweiligen Bearbeitungserfordernissen anzupassen, so dass eine verbesserte Bearbeitungsqualität erzielbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die innerhalb einer bestimmten, vom Umformwerkzeug bei der Umformung des Werkstücks zu durchlaufenden Umformlänge durchgeführten Umformschritte eine nicht-kontinuierliche, chaotische Verteilung der Hubwege der einzelnen Umformschritte aufweist. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass hierdurch die Standzeit des Umformwerkzeugs deutlich erhöht wird, da sich die Krafteinwirkung auf Umformzonen des Umformwerkzeugs bei jedem Umformschritt etwas anders darstellt als beim vorangehenden Umformschritt, so dass sich die bei der Umformung des Werkstücks auftretenden Belastungsfälle des Umformwerkzeugs ebenfalls chaotisch verteilen, mit der Folge, dass nicht stets die gleichen Umformzonen, sondern unterschiedliche Umformzonen des Umformwerkzeugs beaufschlagt sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung die Vorschubeinrichtung derart moduliert, dass der vom Umformwerkzeug bei der Bearbeitung eines Werkstücks in dessen Axialrichtung verlaufende Umformweg in mindestens zwei Umformzonen mit unterschiedlichen Hubwegen des Vorwärtshubs und/oder des Rückwärtshubs der einzelnen Umformschritte aufgeteilt ist. Eine derartige Maßnahme erlaubt es in vorteilhafter Art und Weise, dass die einzelnen Umformschritte auf die in einer bestimmten Umformzone auftretenden, speziellen Umformbedingungen adaptiert werden können, das heißt, dass die Hubwege einer bestimmten Abfolge von Umformschritten derart festgelegt werden, dass in einer bestimmten Umformzone ein möglichst optimales Bearbeitungsergebnis erreicht wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
Figur 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, und
Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung.
Das in Figur 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Umformen, insbesondere zum Kaltverformen, hierbei insbesondere zum Kaltfließpressen, eines Werkstücks 2 weist ein Umformwerkzeug 3 auf, das im hier dargestellten Fall als eine Verformungsmatrize ausgebildet ist. Das Umformwerkzeug 3 ist durch eine Vorschubeinrichtung 5 relativ zum Werkstück 2 bewegbar. Diese erzeugt also eine Relativbewegung zwischen Umformwerkzeug 3 und dem in einen Spanneinheit 7 eingespannten Werkstück 2. Wird das Umformwerkzeug 3 durch die Vorschubeinrichtung 5 in ihrer Vorschubrichtung P gegen das in dem hier gezeigten Fall ortsfest eingespannte Werkstück 2 bewegt, so tritt das Werkstück 2 in das Umformwerkzeug 3 ein und wird in an sich bekannter Art und Weise umgeformt.
Bei der Vorrichtung 1 ist nun vorgesehen, dass die in Vorschubrichtung P verlaufende Bewegung durch eine auf die Vorschubeinrichtung 5 einwirkende Frequenzerzeugungseinrichtung 10 derart modifiziert wird, dass das Umformwerkzeug 3 in Vorschubrichtung P eine hubartige Bewegung ausführt, bei der vorgesehen ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Umformwerkzeug 3 um einen ersten Hubweg vorwärts bewegt wird, das Umformwerkzeug 3 in einem daran anschließenden Rückwärtshub durch die Vorschubeinrichtung 5 um einen zweiten Hubweg zurückgezogen wird. In einem weiteren ersten Hubweg des dem vorstehend beschriebenen Umformschritt folgenden Umformschritts wird das Umformwerkzeug 3 wieder nach vorne bewegt, und zwar über den Endpunkt des Vorwärtshubs des vorangehenden Umformschrittes hinaus. Durch diese hammerartige Beaufschlagung des Werkstücks 2 durch das Umformwerkzeug 3 wird in vorteilhafter Art und Weise erreicht, dass das Umformwerkzeug 3 vor seinem Auftreffen auf den im nächsten Umformschritt zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks 2 eine
höhere kinetische Energie aufweist, als dies bei einer kontinuierlichen Kraftbeaufschlagung der Fall ist. Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP 1 003 616 B1 der Anmelderin bekannt und muss daher nicht mehr näher beschrieben werden.
Bezüglich des weiteren konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung 1 und ihrer Arbeitsweise wird auf die vorgenannte europäische Patentschrift verwiesen und deren Offenbarung durch diese Inbezugnahme zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht.
Bei der hier beschriebenen Vorrichtung 1 ist nun vorgesehen, dass sich die Hubwege der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe der einzelnen Umformschritte voneinander unterscheiden. Dies ist der wesentliche Unterschied zu der aus der EP 1 003 616 B1 bekannten, vorstehend beschriebenen Vorrichtung und dem entsprechenden Verfahren, bei denen vorgesehen war, dass die Vorwärtshübe und die Rückwärtshübe der einzelnen Umformschritte jeweils einen gleichen Hubweg aufgewiesen haben. Eine derartige Vorgangsweise besitzt nun im Hinblick auf die Fertigungsqualität und/oder auf die Standzeit des Umformwerkzeugs 3 nennenswerte Vorteile:
Gemäß einer bevorzugten ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Hubweg der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe der einzelnen Umformschritte eine nicht-kontinuierliche, chaotische Verteilung aufweist. Bevorzugt wird hierbei, dass die Frequenzerzeugungseinrichtung 10 eine so genannte Fuzzy-Logik 11 zur Bestimmung der jeweiligen Vorwärtshübe und/oder Rückwärtshübe der einzelnen Umformschritte aufweist.
Diese Vorgehensweise besitzt den Vorteil, dass hierdurch die Standzeit des Umformwerkzeugs 3 deutlich erhöht wird, da die Krafteinwirkung auf Umformzonen des Umformwerkzeugs 3 sich bei jedem Umformschritt etwas anders darstellt als beim vorangehenden Umformschritt: Die bei der Umformung des Werkstücks 2 auftretenden Belastungsfälle des Umformwerkzeugs 3 (insbesondere Druck-, Zug- und Biegebelastung sowie eine abrasive Belastung) sind aufgrund der nicht-kontinuierlichen, chaotischen Abfolge der Hubwege der einzelnen Vorwärtshübe und/oder Rückwärts-
hübe der einzelnen Umformschritte ebenso chaotisch verteilt, wodurch sich auch die Belastung der einzelnen Umformzonen des Umformwerkzeugs 3 chaotisch verteilt.
Es wird daher bevorzugt, dass die Fuzzy-Logik 11 der Frequenzerzeugungseinrichtung 10 die Vorwärtshübe und/oder die Rückwärtshübe der einzelnen Umformschritte so programmiert, dass sich über eine sich in Axialrichtung erstreckende Umformlänge des Werkstücks 2 im wesentlichen keine gleichen Hubwege ergeben. Diese Vorgehensweise besitzt den Vorteil, dass hierdurch eine Verteilung der Belastungskräfte auf das Umformwerkzeug 3 erreicht wird.
Die vorstehend beschriebene Vorgangsweise ist auch dazu geeignet, für ein Entfernen des Werkstücks 2 aus dem Umformwerkzeug 3 eingesetzt zu werden. Die dabei durchzuführende Vorgangsweise ergibt sich für den Fachmann einfach dadurch, indem er die Rückfahr-Richtung des Umformwerkzeugs 3 als „Vorwärtsrichtung" im Sinne der vorstehenden Beschreibung auffasst.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Weiterbildung des vorstehend beschriebenen Funktionsprinzips der Vorrichtung 1 ist vorgesehen, dass die Frequenzmodulation der Vorschubeinrichtung 5 derart durchgeführt wird, dass der vom Umformwerkzeug 3 bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 in dessen Axialrichtung verlaufende Umformweg in mindestens zwei Umformzonen aufgeteilt wird und innerhalb dieser einzelnen Umformzonen der Hubweg der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe der zu der jeweiligen Umformzone korrelierten Umformschritte derart festgelegt wird, dass ein verbessertes Umformverhalten des Umformwerkzeugs 3 erzielt wird: Um zum Beispiel den eingangs beschriebenen Problemen bei der Herstellung des Kopfkreises einer Verzahnung entgegenzuwirken, wird bei der Umformung des Werkstücks 2 in dieser Umformzone vorgesehen, dass die Frequenzmodulation der Vorschubeinrichtung 5 durch die Frequenzerzeugungseinrichtung 10 derart erfolgt, dass der für eine Umformung an und für sich erwünschte gute Werkstoffluss bewusst verhindert oder zumindest verringert wird. Dies bewirkt ein besseres Füllen des Kopfkreises sowohl bei einer Außen- als auch bei einer Innenverzahnung. Auch wird
bei Einziehungen das Wegtauchen des Durchmessers des umzuformenden Werkstücks 2 hierdurch verhindert oder zumindest reduziert.
Nach dem Umformen dieser ersten Umformzone wird dann in einer daran anschließenden zweiten Umformzone vorzugsweise wieder wie vorstehend beschrieben mit einer nicht-kontinuierlichen, chaotischen Modulation des Umformwerkzeugs 3 gearbeitet.
Natürlich ist diese Vorgangsweise nicht auf zwei Umformzonen beschränkt. Es ist grundsätzlich möglich, beliebig viele unterschiedlichen Umformzonen vorzusehen, um damit die Länge der Vorwärtshübe und/oder der Rückwärtshübe der mit einer bestimmten Umformzone korrelierten Umformschritte situationsadequat den dabei auftretenden Bearbeitungserfordernissen und/oder den zu erzielenden Bearbeitungsergebnissen anzupassen. Es ist zum Beispiel möglich, dass am Ende des vom Umformwerkzeug 3 zu durchlaufenden Umformwegs - zur Vermeidung oder Reduzierung der eingangs beschriebenen „Bugwelle" - die Frequenzerzeugungseinrichtung 10 die Vorschubrichtung 5 derart moduliert, dass das Umformwerkzeug 3 bei den entsprechenden Umformschritten nur einen sehr kleinen Hubweg in Vorwärtsrichtung und einen noch kleineren Hubweg in Rückwärtsrichtung durchführt, so dass ein Hinausschieben des Werkstoffmaterials über den Endbereich der Verzahnung vermieden oder zumindest reduziert wird.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung V stimmt im wesentlichen mit der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels überein, so dass gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen werden können und nicht mehr näher beschrieben werden müssen. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen besteht darin, dass bei der Vorrichtung 1 das Umformwerkzeug 3 ortsfest angeordnet ist, während das Werkstück 2 axialverschieblich zum Umformwerkzeug 3 ist. Demzufolge wirkt die Vorschubeinrichtung 5 und die mit ihr zusammenarbeitende Frequenzerzeugseinrichtung 10 auf das Werkstück 2 oder auf die das Werkstück 2 spannende Spanneinheit 7 ein.
Natürlich ist auch eine Kombination zwischen den beiden vorgenanten Ausführungsbeispielen möglich, das heißt, dass sowohl das Umformwerkzeug 3 als auch das Werkstück 2 von der Vorschubeinrichtung 5 zur Erzeugung einer entsprechenden Relativbewegung zwischen Werkstück 2 und Umformwerkzeug 3 bewegt werden.