VERFAHREN ZUM UMFORMEN EINES WERKSTÜCKS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks. Ein solches Verfahren ist aus der US-A-5 587 633 bekannt.

[0002] Für das Umformen von Werkstücken stehen zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung. In Pressmaschinen werden die Werkstücke mit geeigneten Werkzeugen in Eingriff gebracht, die die für den Vorgang notwendigen Kräfte zur Verfügung stellen. Die Pressmaschinen unterscheiden sich generell in weg, kraft- und arbeitgebundene Pressmaschinen. Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang die arbeitgebundenen Umformvorrichtungen bzw. Pressmaschinen, insbesondere die Spindelpressen. Die bestimmenden Kenngrößen dieser arbeitgebundenen Pressmaschinen ist das Arbeitsvermögen E, das bei jedem Arbeitsspiel vollständig umgesetzt wird.

[0003] In einer Spindelpresse sind die Spindeln mit einem form- oder kraftschlüssig verbundenen Schwungrad oder auch direkt motorisch angetrieben. Die Drehbewegung wird über ein steilgängiges Mehrfachgewinde in eine geradlinige Stößelbewegung umgesetzt. Beim schlagartigen Auftreffen des Stößels auf das Werkstück wird die kinetische Energie von Schwungrad, Spindel und Stößel vollständig in Nutz- und Verlustarbeit umgewandelt. Die Energieumsetzung ist durch den Schlagwirkungsgrad ηs gekennzeichnet. (Lexikon Produktionstechnik Verfahrenstechnik, Hrsg. Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag).

[0004] Als Antrieb für die Spindel bzw. das Schwungrad wird in der Regel ein elektrischer Antriebsmotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor eingesetzt. Um ein optimales Betriebsverhalten, sprich Antriebsleistung, Stromaufnahme, Wirkungsgrad, flexible Einsatzmöglichkeiten und kurze Hubzeiten zu erhalten, ist es wünschenswert die Spindelpresse bzw. den Stößelhub entsprechend zu steuern und zu regeln.

[0005] In der Druckschrift DE 34 44 240 C2 ist eine Spindelpresse offenbart, bei der die Drehzahl und damit die Geschwindigkeit des Stößel in weiten Bereichen regelbar ist, und somit auch Umformarbeiten mit relativ geringem Arbeitsvermögen wie z.B. Kantenstauchen durchgeführt werden können. Die Spindelpresse umfasst ein Schwungrad mit eigenem Antrieb, das zu Beginn des Stößelhubs eine Vordrehzahl aufweist, das über eine Scheibenkupplung mit der Antriebsscheibe der Spindel verbindbar ist und das am Ende des Umformvorgangs etwa zum Stillstand kommt und von der Spindel abgekuppelt wird. Die Spindel samt Spindelantriebsscheibe verfügt ebenfalls über einen eigenen Antrieb, der zugleich auch zum Rückführen des Stößels dient. Für den Arbeitshub wird nun die Spindel mittels des Spindelantriebs beschleunigt, vorzugsweise maximal, und dann auf die am Ende des Leerhubs für die Kupplung mit dem Schwungrad erforderliche Gleichlaufgeschwindigkeit heruntergeregelt.

[0006] Wird der größte Teil des Stößelhubs mit höherer Geschwindigkeit, bei noch getrennter Kupplung durchfahren, so lassen sich mit der in DE 34 44 240 offenbarten Spindelpresse kurze Taktzeiten erzielen. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform zwei Antriebsmotoren mit hoher Leistung notwendig. was zu einem hohen Strombedarf führen kann. Bei nicht exakter Regelung der Geschwindigkeiten kann durch den Kupplungsvorgang zudem Energie verloren gehen.

[0007] DE 38 41 852 A1 beschreibt eine Antriebsanordnung zum Antrieb einer Gewindespindel einer Spindelpresse, bei der die Ankupplung der Gewindespindel an eine ständig rotierende Antriebsscheibe über ein Differential- bzw. Überlagerungsgetriebe erfolgt. Zum Ankuppeln wird eine Welle des Getriebes abgebremst. Durch entsprechende Steuerung und Regelung der Abbremsung lassen sich Drehzahl und Drehmoment und damit Presskraft und Hubgeschwindigkeit während des Zyklus variieren. Zudem kann die Bremsenergie abgegriffen und beispielsweise für den Stößelrückhub nutzbar gemacht werden.

[0008] Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass eine ständig rotierende Antriebsscheibe notwendig ist, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Ein weiterer Nachteil ist die große Drehzahldifferenz zwischen Spindel und Antriebsscheibe beim Kuppeln, was Energieverbrauch und Kupplungsverschleiß bedeutet.

[0009] Eine direkt angetriebene Spindelpresse ist in DE 195 45 004 A1 offenbart. Hier wird ein optimales Betriebsverhalten dadurch erreicht, dass zur Verbesserung der Energiebilanz und für eine genauere Regelung des Weg-Zeit-Verlaufes ein drehzahlvariabler Antrieb bestehend aus einem Drehstromasynchronmotor und einem Frequenzsteller bzw. Stromrichter eingesetzt wird. Die erforderliche Umformenergie wird durch Variation der Drehzahl angepasst. Der Drehzahl-Zeit-Verlauf der Spindel lässt sich durch eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung des Antriebs variieren.

[0010] Durch Variation des Drehzahl-Zeit-Verlaufs lassen sich zum Erreichen der jeweils gewünschte Umformenergie relativ kurze Hubzeiten realisieren. Allerdings bleiben durch die Mechanik verursachte Toleranzen, beispielsweise beim Rückhub des Stößels oder Toleranzen in den Werkstücken unberücksichtigt, was sich zum einen auf die Genauigkeit des Umformprozesses auswirkt und andererseits auch zu einem Energieverlust führen kann.

[0011] Eine weitere direkt angetriebene Spindelpresse ist in der auf der Internetseite hinterlegten Lasco-Firmenzeitschrift "Upgrade" (Ausgabe: Dezember 2000) beschrieben. Als Beispiel wird ein Umformvorgang mit geringer Umformenergie aufgezeigt. Der Antriebsmotor mit Frequenzumrichter beschleunigt die beweglichen Massen, also Schwungrad und mit diesem gekoppelte Spindel, auf eine der maximalen Energie entsprechenden Drehzahl. Der Stößel wird dadurch mit maximaler Geschwindigkeit bis kurz vor Beginn des Umformvorganges abwärts getrieben, um dann generatorisch gebremst mit der vorgewählten Geschwindigkeit den Umformvorgang zu beginnen. Der Rückhub erfolgt durch Reversieren des Antriebes. Etwa auf halber Rückhubhöhe wird wiederum generatorisch gebremst und die Antriebselemente werden so verzögert, dass die mechanische Bremse im oberen Totpunkt lediglich als Parkbremse arbeitet.

[0012] In dieser vorangehend beschriebenen Spindelpresse lassen sich wie bei der in DE 195 45 004 A1 offenbarten Spindelpresse zum Erreichen der jeweils gewünschte Umformenergie relativ kurze Hubzeiten realisieren. Allerdings bleiben durch die Mechanik verursachte Toleranzen, beispielsweise beim Rückhub des Stößels oder Toleranzen in den Werkstücken ebenfalls unberücksichtigt, da die Geschwindigkeit des Stößels bzw. die Drehzahl des Antriebsmotors und die Lage des Stößels, in der er abgebremst wird, je nach Werkstück fest vorgegeben sind.

[0013] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks bereitzustellen, bei denen die vorgenannten Nachteile beim Stand der Technik wenigstens teilweise überwunden oder zumindest vermindert werden.

[0014] Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Umformen eines Werkstücks gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Umformvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 29.

[0015] Bei dem Verfahren zum Umformen wenigstens eines Werkstücks, prallt ein Schlagwerkzeug während einer Schlagbewegung aus einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit auf das auf einem Träger befindliche Werkstück und die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung wird abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs und abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit gesteuert oder geregelt.

[0016] Die Schlagbewegung ist die vorzugsweise axiale Bewegung des Schlagwerkzeugs (oder: Stößels) in Richtung des Werkstücks und zwar aus einer Ausgangslage heraus bis zum Zusammenprall mit dem Werkstück. Die Höhendifferenz, die das Schlagwerkzeug während der Schlagbewegung von der Ausgangslage bis zum Aufprall auf dem Werkstück durchläuft, ist der Hub des Schlagwerkzeugs, im Folgenden auch mit Arbeitshub bzw. Schlaghub bezeichnet. Nach dem Umformvorgang wird das Schlagwerkzeug in der Regel in eine vorbestimmte Endlage zurückgefahren. Die Höhendifferenz, die das Schlagwerkzeug während dieser Rückholbewegung durchläuft wird im Folgenden auch als Rückhub bezeichnet.

[0017] Die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung ist ein Maß für die zur Verfügung stehende Bewegungsenergie (E). Die Bewegungsenergie ist proportional zu dem Produkt aus der Masse (m) des Schlagwerkzeugs und dem Quadrat der Geschwindigkeit (v) des Schlagwerkzeugs (E = ½mv²). Da die Masse des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung konstant ist, spielt also vor allem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs bzw. die Ausgangslage oder der Arbeitshub und die Beschleunigung (Bewegungsgleichungen) des Schlagwerkzeugs eine entscheidende Rolle für die beim Aufprall zur Verfügung stehende Bewegungsenergie. Die Bewegungsenergie beim Aufprall, die aus der Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs resultiert, wird im Folgenden auch als Umformenergie bezeichnet.

[0018] Die Umformenergie wird bei dem Aufprall auf das Werkstück zu einem großen Teil in Nutzarbeit umgewandelt, wodurch das Werkstück verformt wird. Die Verlustenergie bzw. die daraus resultierende Verlustarbeit wird unter anderem in den Rückstoß des Schlagwerkzeugs eingebracht.

[0019] Ein Kerngedanke der Erfindung ist nun, dass die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs gesteuert oder geregelt werden kann, um eine gewünschte bzw. vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen. Das bedeutet in anderen Worten, dass die momentane Geschwindigkeit (v(t)) des Schlagwerkzeugs eine Funktion der momentanen Lage (x(t)) des Schlagwerkzeugs ist (v (t) = v (x(t)). Die Lage (x) des Schlagwerkzeugs ist hier also die Variable. Die Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs ist eine Konstante, die jedoch in ihrem Wert beliebig gewählt werden kann. Das Schlagwerkzeug wird demnach, je nachdem in welcher Lage (oder: Position) es sich gerade befindet, beschleunigt oder abgebremst, um schlussendlich die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen.

[0020] Dabei kann die Ausgangslage (x(t₀)) des Schlagwerkzeugs abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit, beispielsweise wenn die Schlagbewegung mit einer konstanten Geschwindigkeit oder einer konstanten Beschleunigung durchgeführt werden soll, oder abhängig von den Erfordernissen des Arbeitsablaufes bestimmt und eingestellt werden.

[0021] Das Verfahren gemäß der Erfindung hat also den Vorteil, dass eine gewünschte Auftreffgeschwindigkeit bzw. daraus resultierende Umformenergie in einem durch die physikalischen Gesetzmäßigkeiten vorgegebenen Rahmen, unabhängig von der eingestellten Ausgangslage erreicht werden kann, und dass gleichermaßen, innerhalb gewisser Grenzen, eine gewünschte Ausgangslage eingestellt werden kann, unabhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit. Dadurch ist das Umformverfahren sehr flexibel einsetzbar.

[0022] Um die Geschwindigkeit während der Schlagbewegung als Funktion der Lage des Schlagwerkzeug zu ermitteln kann in einer vorteilhaften Ausführungsform wenigstens eine Lage des Schlagwerkzeugs gemessen oder bestimmt werden. Mit dem Wert der wenigstens einen Lage des Schlagwerkzeugs und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit können dann die Geschwindigkeitswerte während der Schlagbewegung berechnet werden.

[0023] Die Lage des Schlagwerkzeugs wird vorzugsweise mit einer geeigneten Lagemesseinrichtung bestimmt, die den Lagewert an eine Steuerungs- und Regelungseinheit zur Steuerung oder Regelung des Schlagwerkzeugs überträgt. Dadurch ist es zum einen möglich eine bestimmte Lage, beispielsweise die Ausgangslage, zu bestimmen und dann den zum Erreichen der vorgegeben Auftreffgeschwindigkeit notwendigen oder günstigsten bzw. optimalen Geschwindigkeitsverlauf zu berechnen. Das Schlagwerkzeug wird dann während der Schlagbewegung auf diese Geschwindigkeitswerte zu gesteuert oder geregelt. Andererseits kann auch eine Steuerung oder Regelung in Echtzeit erfolgen, indem während der Schlagbewegung stets die momentane Lage gemessen oder bestimmt wird und die Geschwindigkeit dann entsprechend mit den gemessenen momentanen Lagewerten berechnet wird, vorzugsweise durch numerisches Differenzieren, und gesteuert oder geregelt wird.

[0024] Dass die Lage des Schlagwerkzeugs gemäß der Erfindung innerhalb der Umformvorrichtung jederzeit bekannt ist, hat den weiteren Vorteil, dass ein wiederholgenaues Arbeiten ermöglicht wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn beispielsweise mittels der Lagemesseinrichtung die Ausgangslage des Schlagwerkzeugs und/oder die Lage nach einer Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs gemessen oder bestimmt wird. Sollte nun beispielsweise bei der Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs eine zu große Toleranz auftreten, d.h. der tatsächliche Rückhub ist größer oder kleiner als die vorgegebene Höhendifferenz, so wird diese durch die Lagemesseinrichtung erfasst und zur Bestimmung des Geschwindigkeitsverlaufs eines darauffolgenden Arbeitshubs genutzt, so dass das Schlagwerkzeug wiederum mit genau der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit auf dem Werkstück aufprallt.

[0025] Bei mehrmaligem Aufprallen des Schlagwerkzeugs auf dasselbe Werkstück ist es vorteilhaft, wenn die Lage des Schlagwerkzeugs nach der Verformung des Werkstücks durch den Aufprall gemessen oder bestimmt wird. So kann bei mehrmaliger Bearbeitung eines Werkstücks in der Vorrichtung die durch die Verformung veränderte Höhe des Werkstücks erfasst und der darauffolgende Arbeitshub beispielweise um diese Wegstrecke verlängert werden, so dass die auf das Werkstück übertragene Umformenergie stets konstant ist.

[0026] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Schlagwerkzeug aus der Ausgangslage auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit beschleunigt. Zum Erreichen einer Auftreffgeschwindigkeit niedriger als eine maximale Auftreffgeschwindigkeit kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die Ausgangslage niedriger als eine maximale Ausgangslage eingestellt wird.

[0027] Das Schlagwerkzeug kann bei seiner Schlagbewegung in der Regel aus einer maximalen Ausgangslage einen durch die Umformvorrichtung vorgegebenen maximalen Arbeitshub durchlaufen, nach dem die größte bzw. maximale Auftreffgeschwindigkeit und damit die maximale Umformenergie erreicht wird. Aufgrund der möglichen Lageerfassung des Schlagwerkzeugs kann der Stößel bzw. das Schlagwerkzeug aber auch von jeder beliebigen Lage oder Position innerhalb des maximalen Arbeitshubs aus gefahren werden, so dass sich ein Arbeitshub kleiner dem maximalen Arbeitshub ergibt. Dabei ist dann die höchste erreichbare Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie geringer als die maximale Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie.

[0028] Das ist insbesondere in Anwendungen mit flachen Werkstücken und/oder niedriger erforderlicher Umformenergie von besonderem Vorteil. Bei Beschleunigen aus der Ausgangslage wird dann beim Aufprall auf das Werkstück gerade die erwünschte Auftreffgeschwindigkeit bzw. Umformenergie erreicht. Der kurze Arbeitshub bringt einerseits sehr kurze Hubzeiten mit sich, wodurch sich sehr kurze Taktzeiten erzielen lassen, andererseits kann dadurch auch Energie eingespart werden.

[0029] Insbesondere vorteilhaft ist es auch, wenn das Schlagwerkzeug aus der Ausgangslage beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage zwischen der Ausgangslage und dem Werkstück abgebremst wird, um die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit zu erreichen. Die Geschwindigkeit wird also über die Hublänge so variiert, so dass beispielsweise auch aus einer hohen Ausgangslage und bei einem großen Arbeitshub das Erzeugen niedriger Auftreffgeschwindigkeiten bzw. Umformenergien möglich ist. Um dennoch eine kurze Arbeitshubzeit zu erzielen wird das Schlagwerkzeug zunächst möglichst mit einer maximalen Anfahrbeschleunigung auf eine maximale Geschwindigkeit beschleunigt, die in der vorbestimmten Lage zwischen der Ausgangslage und dem Werkstück erreicht wird, ab der das Schlagwerkzeug dann bis auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit abgebremst wird, die niedriger als die maximale Geschwindigkeit ist.

[0030] In der Praxis kann nun beispielsweise beim Bearbeiten der Stirnseite sehr großer bzw. langer Werkstücke eine sehr hohe Ausgangslage gewählt werden, um das Einführen des Werkstücks in den Träger zu erleichtern. Auch beim Einsatz automatischer Zuführeinrichtungen für die Werkstücke, beispielsweise Robotern mit Greifern oder automatischen Greifwerkzeugen, kann eine hohe Ausgangslage des Schlagwerkzeugs von Vorteil sein, um die Zuführung zu erleichtern. Aus dieser hohen Ausgangslage können dann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, je nach Anforderung, sowohl hohe als auch sehr niedrige Umformenergien erzeugt werden.

[0031] Ferner ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Schlagbewegung so gesteuert oder geregelt wird, dass bei beliebiger Ausgangslage die kürzest mögliche Arbeitshubzeit erreicht wird. Das lässt sich mittels der Steuerungs- und Regelungseinrichtung realisieren, die den Geschwindigkeitsverlauf des Schlagwerkzeugs abhängig von der Lage und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit des Schlagwerkzeugs rechnerisch so optimiert, dass möglichst die kürzeste Hubzeit erreicht wird.

[0032] Die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs erfolgt vorzugsweise mit einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung, die einen drehzahlvariablen Antriebsmotor einer Antriebseinrichtung für das Schlagwerkzeug steuert und regelt.

[0033] Als Steuerungs- und Regelungseinrichtung wird vorzugsweise eine Frequenzumrichtereinheit verwendet, die die Drehzahl und die Drehrichtung des Antriebsmotors steuert und regelt. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Ftequenzumrichtereinheit mit Hilfe eines Mikroprozessors den Drehzahlverlauf des Antriebsmotors während der Schlagbewegung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Ausgangslage und/oder einer mittels einer Lagemesseinrichtung bestimmten Lage bestimmt.

[0034] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Schlagwerkzeug nach dem Aufprall durch eine Rückholbewegung in eine vorgegebene oder vorgebbare Endlage zurückgehoben. Die Rückholbewegung in die Endlage erfolgt vorzugsweise bei umgekehrter Drehrichtung des Antriebsmotors. Es sind jedoch auch andere Methoden denkbar das Schlagwerkzeug in die Endlage zu bringen. So kann beispielsweise das Schlagwerkzeug mittels Teleskopstangen hydraulisch oder pneumatisch zurückgehoben werden. Der hierfür notwendige Druck lässt sich beispielweise bei der Schlagbewegung des Stößels durch Zusammenpressen einer Flüssigkeit oder eines Gases in einer geeigneten Kammer erzeugen.

[0035] Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während der Rückholbewegung in die Endlage abhängig von der Lage des Schlagwerkzeug gesteuert und geregelt wird. Eine optimale Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeug ist dabei durch die Ftequenzumrichtereinheit gegeben, deren Mikroprozessor den Drehzahlverlauf während des Hubs in Abhängigkeit der vorgegebenen Endlage und/oder einer mittels der Lagemesseinrichtung bestimmten Lage bestimmt. Diese Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit kann beim Rückholen des Schlagwerkzeugs mittels des Antriebsmotors eingesetzt werden.

[0036] Besonders zweckmäßig ist es, wenn als Endlage eines Rückhubs die Ausgangslage des Schlagwerkzeugs für den Arbeitshub gewählt wird. Vor allem, wenn mehrere gleiche Werkstücke nacheinander bearbeitet werden sollen, wird so stets die optimale Hubzeit und Umformenergie erreicht. Es ist jedoch auch möglich das Schlagwerkzeug in eine beliebige andere Endlage zu fahren. Das kann von Vorteil sein, wenn nacheinander verschieden Werkstücke bearbeitet werden sollen. Die Endlage des Rückhubs kann dann insbesondere abhängig vom zu bearbeitenden Werkstück und/oder von der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit bei der darauffolgenden Schlagbewegung gewählt werden.

[0037] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Schlagwerkzeug bei der Rückholbewegung in die Endlage vom Werkstück oder Träger weg beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage zwischen dem Werkstück oder dem Träger einerseits und der Endlage andererseits mittels des Antriebsmotors abgebremst. Bei Erreichen der Endlage wird das Schlagwerkzeug dann durch eine mechanische Bremseinrichtung vollständig abgebremst. Diese Steuerung- und Regelung der Geschwindigkeit bei der Rückholbewegung hat den Vorteil, dass das Schlagwerkzeug sehr genau in die Endlage gefahren werden kann, gleichzeitig aber diese Endlage sehr schnell erreicht. Des Weiteren wird die Gefahr vermindert, dass die mechanische Bremseinrichtung schnell verschleißt oder dass der Überlauf bzw. die Toleranz des Rückhubes zu groß ist, wie es bei zu hoher Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs bei Erreichen der Endlage der Fall sein kann.

[0038] Diese genaue Geschwindigkeitsregelung beim Rückhub bzw. die daraus resultierende genaue Endlage des Schlagwerkzeugs ist zum Beispiel besonders vorteilhaft, wenn das Werkstück mit dem Schlagwerkzeug mit nach oben in die Endlage gefahren wird und in der Endlage abgenommen wird. Das Werkstück kann dann stets mit hoher Genauigkeit mit Hilfe einer Abführeinrichtung, beispielsweise einem Greifwerkzeug, abgenommen und abgeführt werden.

[0039] In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird das Schlagwerkzeug beim Beschleunigen mit einer vorgegebenen konstanten Anfahrbeschleunigung beschleunigt. Vorzugsweise wird das Schlagwerkzeug auch beim Abbremsen mit einer vorgegebenen konstanten Bremsbeschleunigung abgebremst. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit und gleichzeitig eine energiesparende Arbeitsweise erreicht. Der Betrag der konstanten Anfahrbeschleunigung und der konstanten Bremsbeschleunigung kann beispielsweise jeweils abhängig von der Bewegungsrichtung des Schlagwerkzeugs, also je nachdem, ob es eine Schlagbewegung oder eine Rückholbewegung durchführt, gewählt werden. Dabei kann dann beispielsweise auch die Wirkung der Schwerkraft auf das Schlagwerkzeug berücksichtigt und die Beschleunigung entsprechend ausgewählt werden.

[0040] Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der Antriebsmotor vor dem Aufprall des Schlagwerkzeugs auf das Werkstück momentlos geschaltet und/oder in der Antriebseinrichtung abgekuppelt wird. Dadurch werden Belastungen für den Motor und die Steuerungs- und Regelungseinrichtung vermieden, die durch auftretende Strom- und Spannungsspitzen erzeugt werden können. Momentlos schalten lässt sich der Antriebsmotor in der Regel über die Frequenzumrichtereinheit. Das momentlos Schalten oder Abkuppeln erfolgt beispielsweise auf ein Signal der Lagemesseinrichtung kurz vor dem Aufprall, so dass möglichst keine Umformenergie verloren geht.

[0041] In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird während dem Abbremsen des Schlagwerkzeugs mittels des Antriebsmotors der Antriebsmotor als Generator betrieben. Die während des Abbremsens durch den Generator gewonnene Energie kann dann in das Stromnetz zurückgespeist werden.

[0042] Die Lage des Schlagwerkzeugs in der Umformvorrichtung wird vorzugsweise mittels wenigstens eines, insbesondere berührungslosen Positionsgebers, insbesondere eines optischen oder magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgebers bestimmt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Messung berührungslos durchgeführt werden kann und die Messeinrichtung somit an einer sicheren Position in der Maschine angebracht werden kann.

[0043] In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird eine Umformvortichtung verwendet, die als Spindelpresse ausgeführt ist, und bei der der Antriebsmotor in der Antriebseinrichtung der Spindelpresse arbeitet. Der Antriebsmotor treibt dann vorzugsweise direkt ein Schwungrad an, das wiederum eine mit diesem gekoppelte Spindel in rotation versetzt. Die Spindel wirkt so mit dem Schlagwerkzeug zusammen, vorzugsweise über ein Gewinde, dass dieses durch die Rotation der Spindel abhängig von der Drehrichtung zum Werkstück bzw. Träger hin oder von diesen weg bewegt wird.

[0044] Die insbesondere für den Einsatz in dem Verfahren oder zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung konzipierte Umformvorrichtung umfasst wenigstens einen Träger für das Werkstück, wenigstens ein Schlagwerkzeug, wenigstens eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Schlagwerkzeugs relativ zum Träger und wenigstens eine Lagemesseinrichtung zur Bestimmung der Lage des Schlagwerkzeugs innerhalb der Umformvorrichtung, wobei zum Umformen des Werkstücks eine Ausganglage des Schlagwerkzeugs einstellbar oder eingestellt ist und wobei eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs während eines Arbeitshubs in Abhängigkeit der Lage steuert und regelt, so dass eine vorgegebene oder vorgebbare Auftreffgeschwindigkeit auf dem Werkstück erreicht wird.

[0045] Die Umformvorrichtung ist vorzugsweise eine Spindelpresse. Es ist aber auch denkbar, die Umformvorrichtung als eine andere arbeitgebundene Umformmaschine bzw. Pressmaschine, beispielsweise ein Hammer, oder als eine kraftgebundene Pressmaschinen wie eine Hydraulikpresse auszubilden. Die Umformvorrichtungen unterscheiden sich dann im Wesentlichen in der konkreten Ausgestaltung der Antreibseinrichtung. Eine Vielzahl möglicher Antriebe lassen sich mit geeigneten Mitteln so steuern- und regeln, dass die Geschwindigkeit über den Hub variiert werden kann. Durch den Einsatz der Lagemesseinrichtung ist das dann auch aus jeder beliebigen Ausgangslage heraus möglich.

[0046] Wird nun eine Umformvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Spindelpresse ausgeführt, so umfasst die Antriebseinrichtung vorzugsweise einen drehzahlvariablen Antriebsmotor, wobei insbesondere ein Asynchronmotor zum Einsatz kommen kann. Weiterhin umfasst die Antriebseinrichtung ein Schwungrad, das mit einer Spindel gekoppelt ist und vom Antriebsmotor angetrieben wird.

[0047] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Umformvorrichtung wird als Steuerungs- und Regelungseinrichtung eine Frequenzumrichtereinheit eingesetzt, die die Antriebsmotordrehzahl und eventuell auch die Drehrichtung des Antriebsmotors steuert und regelt. Die Frequenzumrichtereinheit umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor. In einen dem Mikzoprozessor zugehörigen Speicher können unter anderem die gewünschten Werte für die jeweilige Ausgangslage und die Geschwindigkeit eingegeben werden. Auch die von der Lagemesseinrichtung erfassten Werte werden als Signal an den Mikroprozessor übermittelt. Aus diesen Werten bestimmt bzw. berechnet der Prozessor dann denn notwendigen bzw. günstigsten Drehzahlverlauf während einer Schlagbewegung.

[0048] Für die Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs von dem Werkstück oder Träger ist vorzugsweise zudem eine Endlage für des Schlagwerkzeug einstellbar oder eingestellt. Die Endlage wird ebenfalls in dem dem Mikroprozessor zugehörigen Speicher eingespeichert, so dass der Prozessor auch den Verlauf der Rückholbewegung berechnen kann. Die Rückholbewegung erfolgt vorzugsweise über Ändern der Drehrichtung des Antriebsmotors.

[0049] Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn zum Festhalten des Schlagwerkzeugs in der Endlage eine mechanische Bremseinrichtung vorgesehen ist. Die mechanische Bremseinrichtung bzw. Bremse wirkt dann bei Erreichen der Endlage beispielsweise auf das Schwungrad und hält dieses fest, wodurch auch das Schlagwerkzeug in seiner Bewegung gestoppt wird.

[0050] Die Lagemesseinrichtung umfasst vorzugsweise einen herkömmlichen und insbesondere berührungslosen Positionsgeber, insbesondere einen optischen, magnetischen oder induktiven und vorzugsweise inkrementalen Positionsgeber.

[0051] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.

[0052] Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

FIG 1a

eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung,

FIG 1b

das Verfahren gemäß FIG 1a bei durchgeführter Schlagbewegung,

FIG 2

ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung darstellt,

FIG 3

ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung und anschließender konstanter Abbremsung auf eine konstante Auftreffgeschwindigkeit aus unterschiedlichen Ausgangslagen darstellt,

FIG 4

ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe zum Erreichen verschiedener Auftreffgeschwindigkeiten aus einer konstanten Ausgangslage darstellt,

FIG 5

ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, das reale, gemessene Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei dem Verfahren gemäß der Erfindung darstellt,

FIG 6

eine vorteilhafte Ausführungsform einer Umformvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

[0053] Einander entsprechende Teile und Größen sind in den FIG 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0054] In FIG 1a und FIG 1b ist das Umformverfahren gemäß der Erfindung stark vereinfacht dargestellt. Zur Veranschaulichung zeigen FIG 1a und FIG 1b eine einfache Umformvorrichtung mit einem Schlagwerkzeug, insbesondere einem Stößel 1, einer Antriebseinrichtung 2 und einem Träger 3, auf dem ein Werkstück 4 angeordnet ist. Die Lage des Stößels wird mit einem Positionsgeber bestimmt (hier nicht dargestellt, vgl. FIG 6). Der Stößel 1 wird von der Antriebseinrichtung 2 aus einer Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, H_0d (H_0a = H_0d > H_0b > H_0c), heraus beschleunigt (FIG 1a). Die Anfangsgeschwindigkeiten des Stößels v_0a, v_0b, v_0c, v_0d sind in allen zugehörigen Ausgangslagen H_0a, H_0b, H_0c, H_0d gleich 0 m/s. Der Stößel 1 bewegt sich bei der Vorrichtung nach unten auf das auf dem Träger 3 befindliches Werkstück 4 zu. Hat der Stößel 1 das Werkstück 4 erreicht prallt er mit einer Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad auf (FIG 1b).

[0055] Die Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, H_0d des Stößels 1 kann beliebig eingestellt werden. So könnten beispielweise auch zwei unterschiedlich große bzw. hohe Werkstücke mit der gleichen Auftreffgeschwindigkeit v_A, die aus demselben Arbeitshub ΔH resultiert, bearbeitet werden oder durch Beschleunigen aus den unterschiedlichen Ausgangslagen H_0a, H_0b, H_0c, H_0d unterschiedliche Auftreffgeschwindigkeiten v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad erreicht werden. Der maximale Arbeitshub ΔH_a wird aus der Ausgangslage H_0a erreicht und führt bei kontinuierlicher Beschleunigung zu einer maximalen Auftreffgeschwindigkeit v_Aa und der damit verbundenen maximalen Umformenergie. Es lassen sich auch beliebig niedrigere Ausgangslagen H_0b, H_0c einstellen. Je niedriger die Ausgangslage gewählt wird, desto niedriger ist dann allerdings auch die maximal erreichbare Auftreffgeschwindigkeit (v_Ab > v_Ac) bei kontinuierlicher Beschleunigung.

[0056] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ebenfalls möglich, den Stößel 1 in Richtung auf das Werkstück 4 aus einer Ausgangslage H_od zunächst zu beschleunigen und nach einem vorbestimmten ersten Teilarbeitshub ΔH_d1 bzw. in einer vorbestimmten Höhe bzw. Lage H_d, im Folgenden auch als Abbremslage bezeichnet, für einen vorbestimmten zweiten Teilarbeitshub ΔH_d2 abzubremsen, so dass eine Auftreffgeschwindigkeit v_Ad eingestellt bzw. die daraus resultierende Umformenergie erzeugt wird, die kleiner der aus der Ausgangslage H_0d maximal möglichen ist.

[0057] Der Stößel 1 kann vorzugsweise mit konstanter Anfahrbeschleunigung und konstanter Bremsbeschleunigung beschleunigt werden, die jeweils verschiedene Beträge der Beschleunigung besitzen können. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diese Variante beschränkt, da Anfahrbeschleunigung und Bremsbeschleunigung nicht zwingend konstant sein müssen.

[0058] In FIG 1a ist sind die Teilarbeitshübe ΔH_d1 und ΔH_d2 sowie die Abbremslage H_d zwischen Anfahrbeschleunigungs- und Abbremsvorgang nur aus der maximalen Ausgangslage (H_0a = H_0d) dargestellt. Der Stößel 1 kann aber auch aus allen anderen Ausgangslagen (H_0b, H_0c = H_0d) zunächst beschleunigt und ab einer vorbestimmten und normalerweise zu der in FIG 1a verschiedenen Lage H_d abgebremst werden.

[0059] Ein Geschwindigkeitsverlauf mit Anfahrbeschleunigungs- und Abbremsvorgang ist in der Praxis beispielsweise dann von Vorteil, wenn große oder lange Werkstücke in die Maschine eingesetzt werden müssen und daher unterhalb des Stößels viel Platz zur Verfügung stehen muss. Der Stößel 1 wird dann beispielsweise in die maximale Ausgangslage H_0a = H_0d gefahren und nach dem Einlegen des Werkstücks 4 zunächst beschleunigt und anschließend auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_Ad abgebremst. Werden flache Werkstücke 4 bearbeitet, wird die Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac in der Regel einfach durch Beschleunigen aus der jeweils notwendigen Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c erzeugt.

[0060] Der Geschwindigkeitsverlauf über den Stößelhub, sowohl Arbeitshub als auch Rückhub wird von einer Steuer- und Regeleinheit, vorzugsweise eine Mikroprozessoreinheit in einer Frequenzumrichtereinheit bestimmt (hier nicht dargestellt) die in der Antriebseinrichtung 2 untergebracht ist.

[0061] Dabei sind zumindest die Ausgangslage H_0a H_0b, H_0c, H_0d, und die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad vorzugeben. Weiterhin kann der Betrag der Anfahrbeschleunigung und der Bremsbeschleunigung vorgegeben werden oder vorgegeben bzw. voreingestellt sein. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung berechnet dann den Geschwindigkeitsverlauf über die Höhe des Arbeitshubs bzw. Teilarbeitshubs ΔH_a, ΔH_b, ΔH_c bzw. ΔH_d1 und ΔH_d2, so dass sich insgesamt zum Erreichen der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad bei den vorgegebenen Werten für die Anfahrbeschleunigung und die Bremsbeschleunigung, möglichst die kürzeste Hubzeit ergibt. Dabei kann das Ergebnis ein Geschwindigkeitsverlauf mit kontinuierlicher Anfahrbeschleunigung sein oder die Steuerungs- und Regelungseinrichtung bestimmt eine Abbremslage H_d, ab der der Stößel 1 bis zum Auftreffen abgebremst wird.

[0062] Der Rückhub ist in den FIG 1a und 1b lediglich durch den Pfeil angedeutet. Nach dem Aufprall auf dem Werkstück 4 wird der Stößel 1 mittels der Antriebseinrichtung 2 wieder in seine Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, H_0d oder in eine beliebige andere Endlage zurückgefahren. Dazu wird er zunächst beschleunigt und in einer ebenfalls von des Steuer- und Regeleinheit bestimmten Lage H_d abgebremst, so dass er in seiner Endlage annähernd die Geschwindigkeit 0 m/s besitzt. Die Lage H_d, ab der der Stößel 1 abgebremst wird, ist abhängig von der gewünschten Endlage und eventuell auch vom Rückstoß des Stößels 1.

[0063] FIG 2 zeigt theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung aus verschiedenen Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c. Der Stößel wird mit einer konstanten Anfahrbeschleunigung aus der Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c auf die maximale Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac für eine maximale Umformenergie (100%) beschleunigt. Diese maximale Auftreffgeschwindigkeit v_Aa, v_Ab, v_Ac ist im Diagramm mit v_E100% (H_0a), v_E100% (H_0b), v_E100% (H_0c) bezeichnet. Die Zeitspanne bis die maximale Auftreffgeschwindigkeit v_E100% erreicht ist entspricht der Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges aus der jeweiligen Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c, wobei t₀ immer gleich 0 s ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass aus den verschiedenen Ausgangslagen H_0a, H_0b, H_0c bei konstanter Anfahrbeschleunigung jeweils verschieden hohe maximale Auftreffgeschwindigkeiten v_E100% (H_0a), v_E100% (H_0b), v_E100% (H_0c) erzielt werden können und zwar je höher die Ausgangslage desto höher die Auftreffgeschwindigkeit Die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges verlänger sich mit steigender Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c.

[0064] FIG 3 zeigt theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe bei konstanter Anfahrbeschleunigung und anschließender konstanter Abbremsung auf eine konstante Auftreffgeschwindigkeit. Es soll nun aus den gleichen Ausgangslagen H_0a H_0b, H_0c wie bei FIG 2 eine konstante Auftxeffgeschwindigkeit V_A erzeugt werden, aus der beispielsweise nur 10% der maximalen Umformenergie resultieten, also v_A gleich v_E10% (H_0a, H_0b, H_0c). Bei bekannter konstanter Anfahrbeschleunigung und Bremsbeschleunigung, bekanntet Auftreffgeschwindigkeit und bekannter Ausgangslage lässt sich zu jeder Ausgangslage über die Bewegungsgleichungen die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_ges und die Arbeitshubzeit t₁, bzw. die Abbremslage bestimmen, zu der der Abbremsvorgang erfolgen muss. Das Ergebnis eines solchen idealisierten Geschwindigkeits-Zeit-Verlaufs ist in FIG 3 dargestellt. Die maximalen Geschwindigkeiten v_max (H_0a), v_max (H_0b), v_max (H_0c werden nach den Arbeitshubzeiten t₁ (H_0a), t₁ (H_0b), t₁ (H_0c) erreicht. Danach wird der Stößel mit der Bremsbeschleuniguag abgebremst und trifft nach der Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges (H_0a), t_Ges, (H_0b), t_Ges (H_0c) mit der Geschwindigkeit v_E10% auf dem Werkstück auf. Aus FIG 3 ist ersichtlich, je höher die Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c gewählt wird, desto länger ist.die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges bis zum Erreichen der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit v_E10% Des Weiteren verlängert sich mit erhöhter Ausgangslage H_0a, H_0b, H_0c auch die Arbeitshubzeit (H_0a), t₁ (H_0b), t₁ (H_0c bis der Abbremsvorgang eingeleitet wird und die maximale Geschwindigkeit des Stößels v_max (H_0a) v_max (H_0b), v_max (H_0c) nimmt zu.

[0065] Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht nun zudem aus einer konstanten Ausgangslage je nach Anforderung verschiedene Auftreffgeschwindigkeiten zu erzeugen. In FIG 4 sind drei theoretische Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe zum Erreichen jeweils verschiedener Aufueffgeschwindigkeiten aus einer konstanten Ausgangslage dargestellt. Die Ausgangslage entspricht der maximalen Ausgangslage H_0a. Um die der maximalen Umformenergie entsprechende Auftreffgeschwindigkeit v_E100% zu erreichen wird der Stößel aus der Ausgangslage H_0a, heraus bis zum Aufprall auf das Werkstück konstant beschleunigt. Die Dauer dieses Arbeitshubs ist im Diagramm mit t_Ges (100%) bezeichnet. Soll nun aus derselben Ausgangslage H_0a, lediglich eine Auftreffgeschwindigkeit V_E50% erreicht werden, die 50% der maximalen Umformenergie entspricht, so wird der Stößel zunächst auf v_max (50%) beschleunigt und ab einer vorbestimmten Lage bzw. Zeit auf die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit v_E50% abgebremst. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, das dieser Vorgang länger dauert (t_ges (50%)), als die Beschleunigung auf 100% der Umformenergie. Die dritte Kurve zeigt das Anfahren einer Auftreffgeschwindigkeit v_B10%, die lediglich 10% der maximalen Umformenergie entspricht, ebenfalls aus der Ausgangslage H_0a. Die maximale Geschwindigkeit v_max (10%) ist in diesem Fall niedriger als beim Erzeugen der 50%-igen Umformenergie und die Gesamtdauer des Arbeitshubs t_Ges (10%) ist nochmals länger. Der Zusammenhang zwischen Umformenergie E und Geschwindigkeit v lässt sich in idealer Weise mit E = ½mv² angeben. Die Geschwindigkeit v ist daher proportional zu der Wurzel aus E.

[0066] FIG 5 zeigt drei reale, gemessene Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe des Verfahrens gemäß der Erfindung, die mit den in FIG 4 dargestellten theoretischen Geschwindigkeits-Zeit-Verläufen vergleichbar sind. Der Arbeitshub bzw. die Ausgangslage kann bei allen Kurven A, B, C als gleich groß angenommen werden. Für die Umformprozesse wurden jedoch unterschiedliche Auftreffgeschwindigkeiten bzw. unterschiedliche Umformenergien gewählt, die mit 100%, 50%, und 10% bezeichnet und den Kurven A, B, C zugeordnet sind. Zudem ist den Geschwindigkeits-Zeit-Verläufen jeweils der Kraftstoß α, β, γ beim Auftreffen des Stößels auf das Werkstück bei der jeweiligen Auftreffzeit überlagert.

[0067] Die Kurve A (100%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Beschleunigung auf die maximale Geschwindigkeit zum Erreichen der maximalen Umformenergie. Der Stößel wird aus der Ausgangslage über den Kurvenabschnitt K1 beschleunigt, bis er die maximal mögliche Auftreffgeschwindigkeit v_E100% im Kurvenabschnitt K2 erreicht. Der Kurvenabschnitt K3 verdeutlicht das Abbremsen des Stößels durch den Energieverlust beim Aufprall. Ein Teil der Energie wird in den Umformvorgang eingebracht. Die restliche Energie wird zumindest teilweise in einen Rückstoß des Stößels umgesetzt (K4). Der Restbetrag der Geschwindigkeit in der Kurve A(100%) ist auf diesen Rückstoß zurückzuführen.

[0068] Anschließend wird der Stößel mittels des Antriebsmotors, der in der Regel erst nach dem Aufprall und Rückstoß wieder eingeschaltet bzw. angekuppelt wird kontrolliert in Richtung der Endlage gefahren. Dabei wird der Stößel zunächst bis zu einer vorbestimmten Lage beschleunigt, was der Kurvenabschnitt K5 zeigt. Bei Erreichen der vorbestimmten Lage wird der Stößel mittels des Motors gebremst. Diese Lage bzw. die dazugehörige Zeit, durch die sie in dieser und in den folgenden Kurven dargestellt wird, und die zu dieser Zeit erreichte maximale Geschwindigkeit beschreibt der Kurvenabschnitt K6. Nach Erreichen der vorbestimmten Lage wird der Stößel mittels des Antriebsmotors abgebremst, bis er eine sehr geringe Geschwindigkeit erreicht (K7). Ist der Stößel in der vorbestimmten Endlage angekommen greift zusätzlich eine mechanische Bremse, was aus Kurvenabschnitt 8 ersichtlich ist. Durch die mechanische Bremse wird der Stößel auf genau 0 m/s abgebremst und in der Endlage gehalten. Durch das Greifen der mechanischen Bremse wird der Betrag der Bremsbeschleunigung verändert, was sich in K8 als kleine Ausbuchtung im Kurvenverlauf darstellt.

[0069] Der Kraftstoß α erfolgt genau zu dem Zeitpunkt, bei dem der Stößel auf dem Werkstück aufprallt. In der Darstellung ist das daran zu sehen, dass das Maximum von α bei einer Zeit kurz nach Erreichen der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit liegt. Das trifft auch auf die Kraftstöße β und γ in den weiteren Kurven zu.

[0070] Die Kurve B (50%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Beschleunigung auf eine Geschwindigkeit zum Erreichen von 50% der maximalen Umformenergie bei konstantem Arbeitshub. Das bedeutet, der Stößel wird zunächst beschleunigt (K1) bis eine vorbestimmte Lage mit einer vorbestimmten maximalen Geschwindigkeit v_max erreicht ist (K9) und anschließend auf die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_B50%, (K2) abgebremst. Die Verringerung der Geschwindigkeit während des Abbremsvorgangs zeigt Kurvenabschnitt K10. Im Kurvenabschnitt K2 wird dann wiederum die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit v_B50% erreicht. Der weitere Verlauf der Kurve B (50%) entspricht dem Verlauf der Kurve A (100%). Der Stößel wird durch den Aufprall abgebremst (K3) und zurückgestoßen (K4). Anschließend greift der Antriebsmotor und führt den Stößel durch Beschleunigen (K5, K6) und Abbremsen (K7) in die Endlage, in der die mechanische Bremse den Stößel zum Stillstand bringt (K8).

[0071] Die Kurve C (10%) zeigt den Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf für eine Beschleunigung auf eine Geschwindigkeit zum Erreichen von 10% der maximalen Umformenergie bei ebenfalls konstantem Arbeitshub. Der Kurvenverlauf ist vergleichbar mit dem von B (50%). Die gewünschte Auftreffgesclzwindigkeit v_E10% ist jedoch niedriger, so dass zunächst auf eine niedrigere maximale Geschwindigkeit v_max als bei B (50%) beschleunigt wird (K1, K9) und über einen längeren Zeitraum abgebremst werden muss (K10). Die Gesamtdauer des Arbeitshubs ist dadurch im Vergleich zu B (50%) unwesentlich länger.

[0072] In FIG 6 ist eine Umformvorrichtung dargestellt, die sich besonders zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung eignet. Der Stößel 1 wird über eine Spindel 5 angetrieben. Dazu verfügt die Spindel 5 über ein steilgängiges Gewinde 9 in dem eine am Stößel 1 befestigte Stößelmutter 8 läuft. Die Spindel 5 ist mit einem Schwungrad 6 gekoppelt, das von einem Antriebsmotor 7, in der Regel ein drehzahlvariabler in seiner Drehrichtung veränderbarer Asynchronmotor, direkt angetrieben wird. Über den Antriebsmotor wird nun das Schwungrad 6 und die mit diesem gekoppelte Spindel 5 in Rotation versetzt. Die Rotationsgeschwindigkeit von Schwungrad 6 und Spindel 5 wird über die Drehzahl des Antriebsmotors 7 eingestellt. Für Steuerung- und Regelung der Drehzahl ist eine Frequenzumrichtereinheit mit einem Mikroprozessor (hier nicht dargestellt) vorgesehen. Die Rotation der Spindel 5 wird über die Spindelmutter 8 auf den Stößel 1 übertragen und dieser dadurch in Richtung auf den Träger 3 zu oder von diesem weg bewegt. Dabei ist die Drehzahl des Antriebsmotors 7 ein Maß für die Geschwindigkeit des Stößels 1.

[0073] Auf den Träger 3 kann ein Werkstück (hier nicht dargestellt) aufgebracht sein, auf dass der Stößel mit vorgegebener Auftreffgeschwindigkeit aufprallt. Kurz vor dem Aufprall wird der Antriebsmotor 7 ausgeschaltet, so dass die Steuer- und Regeleinrichtung vor Beschädigung bzw. Beeinträchtigung durch Spannungs- und Stromspitzen, die beim Aufprall entstehen können, geschützt ist. Nach dem Aufprall bzw. Rückstoß des Stößels 1 wird der Antriebsmotor 7 wieder eingeschaltet und der Stößel 1 zurück in seine Endlage gehoben.

[0074] Die Lage des Stößels 1 wird berührungslos, vorzugsweise mittels eines magnetischen, inkrementalen Positionsgebers 10 bestimmt bzw. gemessen. Die Messwerte können an die Frequenzumrichtereinheit und an eine externe Steuer- und Regeleinrichtung übertragen werden. Die gemessenen Werte nutzt die Frequenzumrichtereinheit, um beispielsweise den Drehzahl- bzw. den Geschwindigkeitsverlauf des Stößels 1 zu ermitteln, der für einen optimalen Umformprozess oder zum Erreichen der vorgegeben Endlage notwendig ist.

Bezugszeichenliste

[0075] 

1

Stößel

2

Antriebseinrichtung

3

Träger

4

Werkstück

5

Spindel

6

Schwungrad

7

Antriebsmotor

8

Spindelmutter

9

Gewinde

10

Positionsgeber

H_0a, H_0b, H_0c, H_0d

Ausgangslage

ΔH_a, ΔH_b, ΔH_c,

Arbeitshub

H_d

Abbremslage

ΔH_d1, ΔH_d2

Teilarbeitshub

v₀, v_0a, v_0b, v_0c

Anfangsgeschwindigkeit

v_A,V_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad

Auftreffgeschwindigkeit

v_E100%, v_E50%, v_E10%

Auftreffgeschwindigkeit bei 100%, 50%, 10% Umformenergie

V_max, v_maxd

maximale Geschwindigkeit

t₀, t₁, t_Gcs

Arbeitshubzeit

α, β, γ

Kraftstoß

K1 bis K10

Kurvenabschnitte

Ansprüche

1. Verfahren zum Umformen wenigstens eines Werkstücks (4),

a) bei dem ein Schlagwerkzeug (1) während einer Schlagbewegung aus einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c mit einer vorgegebenden oder vorgebbaren Auftreffgeschwindigkeit (v_Ac, v_Ab, v_Ac, v_Ad) auf das auf einem Träger (3) befindlich Werkstück (4) prallt und

b) bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Schlagbewegung abhängig von der Lage des Schlagwerkzeugs (1) und abhängig von der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ae, v_Ad) gesteuert oder geregelt wird,

c) wobei die momentane Lage des Schlagwerkzeugs (1) während der Schlagbewegung stets gemessen wird und mit den gemessenen momentanen Lagewerten des Schlagwerkzeugs (1) und der vorgegebenen Auftreffgeschwindigkeit (v_As, v_Ab, v_Ac, v_Ad die Geschwindigkeitswerte während der Schlagbewegung berechnet werden,

d) bei dem das Schlagwerkzeug (1) aus der Ausgangslage (H_0d) beschleunigt und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage (H_d zwischen der Ausgangslage (H_0d) und dem Werkstück (4) abgebremst wird, um die vorgegebene Auftreffgeschwindigkeit (v_Ad) zu erreichen,

e) bei dem das Schlagwerkzeug (1) nach dem Aufprall durch eine Rückholbewegung in eine vorgegebene oder vorgebbare Endlage zurückgehoben wird,

f) bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Rückholbewegung in die Endlage abhängig von den Lage des Schlagwerkzeuges (1) gesteuert oder geregelt wird und

g) bei dem die Endlage des Rückhubs von der Ausgangslage der zuvor durchgeführten Schlagbewegung verschieden ist und bei dem die Endlage abhängig vom zu bearbeitenden Werkstück (4) und/oder von der gewünschten Auftreffgeschwindigkeit (v_As, v_Ab, v_Ac, v_Ad) bei der darauffolgenden Schlagbewegung gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem wenigstens eine Lage des Schlagwerkzeugs (1), insbesondere die Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c) des Schlagwerkzeugs (1) und/oder die Lage nach einer Rückholbewegung des Schlagwerkzeugs (1) oder die Lage des Schlagwerkzeug (1) nach der Verformung des Werkstücks (4) durch den Aufprall, gemessen oder bestimmt wird und mit dem wenigtens einen Lagewert des Schlagwerkzeugs (1) und der vorgegebenen Auftteffgeschwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) die Geschwindigkeitswerte während der Schlagbewegung berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 ,
bei dem der Lagewert des Schlagwerkzeug (1) an eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung des Schlagwerkzeugs (1) übertragen wird und bei dem die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) mit der Steuerungs- und Regelungseinrichtung erfolgt, die einen drehzahlvariablen Antriebsmotor (7) in einer Antriebseinrichtung (2) für das Schlagwerkzeug steuert und regelt und bei dem als Steuerungs- und Regelungseinrichtung eine Frequenzumrichtereinheit verwendet wird, die die Drehzahl und die Drehrichtung des Antriebsmotors (7) steuert und regelt, wobei vorzugsweise der Antriebsmotor (7) vor dem Aufprall des Schlagwerkzeugs (1) auf das Werkstück (4) momentlos geschaltet und/oder in der Antriebseinrichtung (2) abgekuppelt wird und/oder während dem Abbremsen des Schlagwerkzeugs (1) mittels des Antriebsmotors (7) der Antriebsmotor (7) als Generator betrieben wird und die während des Abbremsen durch den Generator gewonnene Energie in das Stromnetz zurückgespeist wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem das Schlagwerkzeug (1) aus der Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c) auf die vorgegebene Auftreffgescbwindigkeit (v_Aa, v_Ab, v_Ac beschleunigt wird und bei dem die Ausgangslage (H_0b, H_0c) niedriger als eine maximale Ausgangslage (H_0a) eingestellt wird zum Erreichen einer Auftreffgeschwindigkeit (v_Ab, v_Ac) niedriger als eine maximale Auftteffgeschwindigkeit (v_Aa),

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Geschwindigkeit des Schlagwerkzeugs (1) während der Schlagbewegung so gesteuert oder geregelt wird, dass bei beliebiger Ausgangslage (H_0a, H_0b, H_0c, H_0d) die kürzest mögliche Arbeitshubzeit (t_Ges) erreicht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem das Schlagwerkzeugs (1) bei der Rückholbewegung in die Endlage vom Werkstück oder Trigger weg beschleunigt wird und bei Erreichen einer vorbestimmten Lage (H_d) zwischen dem Werkstück (4) oder dem Träger (3) einerseits und der Endlage andererseits mittels des Antriebsmotors (7) generatorisch abgebremst wird und/oder bei Erreichen der Endlage durch eine mechanische Bremseinrichtung vollständig abgebremst wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schlagwerkzeug (1) beim Beschleunigen mit einer vorgegebenen konstanten Anfahrbeschleunigung beschleunigt wird und/oder beim Abbremsen mit einer vorgegebene konstanten Bremsbeschleunigung abgebremst wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Umformvorrichtung verwender wird, die eine Spindelpresse ist, und bei der der Antriebsmotor (7) in der Antriebseinrichtung (2) der Spindelpresse arbeitet und direkt ein Schwungrad (6) antreibt, das eine mit diesem gekoppelte Spindel (5) in Rotation versetzt.

Claims

1. A method of shaping at least one work piece (4) wherein

(a) a striking tool (1) bounces against the work piece (4) located on a work piece holder (3) during a striking movement from a predetermined or predeterminable initial position (H_0a, H_0b, H_0c) at a predetermined or predeterminable impact velocity (V_Aa, V_Ab, V_Ac, V_Ad), and

(b) wherein the velocity of said striking tool (1) is controlled or regulated during the striking movement as a function of the position of said striking tool (1) and in dependence on the predetermined impact velocity (v_Aa, v_Ab, V_Ac, V_Ad),

(c) with the instantaneous position of said striking tool (1) during the striking movement being permanently measured and with the values of the instantaneous position of said striking tool (1) as measured and said predetermined impact velocity (v_Aa, v_Ab, v_AC, v_Ad) being used to compute the velocity values during the striking movement,

(d) wherein said striking tool (1) is accelerated out of the initial position (H_0d) and is decelerated when a predetermined position (H_d) between said initial position (H_0d) and said work piece (4) is reached in order to achieve said predetermined impact velocity (v_Ad)

(e) wherein said striking tool (1) is elevated and returned into a predetermined or predeterminable final position by a returning movement after the impact,

(f) wherein the velocity of said striking tool (1) is controlled or regulated during the returning movement into said final position as a function of the position of said striking tool (1), and

(g) wherein the final position of the returning stroke is different from the initial position of the previously performed striking movement and wherein the final position is selected as a function of the work piece (4) to be processed and/or the desired impact velocity (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) during the subsequent striking movement.

2. The method according to Claim 1,
wherein at least one position of said striking tool (1), in particular the initial position (H_0a, H_0b, H_0c, H_0d) of said striking tool (1) and/or the position after a returning movement of said striking tool (1) or the position of said striking tool (1) after shaping of said work piece (4) is measured or determined by the impact and the velocity values are computed by using said at least one positional value of said striking tool (1) and said predetermined impact velocity (v_Aa, V_Ab, V_Ac, V_Ad) during the striking movement.

3. The method according to Claim 2,
wherein the positional value of said striking tool (1) is transmitted to a control and regulator unit for control or regulation of said striking tool (1), and wherein the control and regulation of the velocity of said striking tool (1) is performed by means of said control and regulator unit that controls and regulates a speed-variable driving motor (7) in a driving means (2) for said striking tool, and wherein a frequency converter unit is employed as control and regulator unit, which controls and regulates the rotational speed and the sense of rotation of said driving motor (7), with said driving motor (7) being preferably switched without momentum and/or decoupled in said driving means (2) prior to the impact of said striking tool (1) on said work piece (4), and/or with said driving motor (7) being operated as generator by means of said driving motor (7) during deceleration of said striking tool (1) while the energy produced during deceleration by said generator is fed back into the mains supply network.

4. The method according to any of the preceding Claims,
wherein the speed of said striking tool (1) is accelerated from said initial position (H_0a, H_0b, H_0c) to said predetermined impact velocity (V_Aa, V_Ab, _VAc, V_Ad) and wherein said initial position (H_0b, H_0c) is set to a level lower than a maximum initial position (H_0a) for achieving an impact velocity (V_Ab, V_Ac) lower than a maximum impact velocity (v_Aa)_.

5. The method according to Claim 5,
wherein the velocity of said striking tool (1) during the striking movement is controlled or regulated in such a manner that the shortest working stroke cycle possible (t_Ges) will be achieved with any initial position (H_0a, H_0b, H_0c, H_0c) possible.

6. The method according to any or several of the preceding Claims,
wherein said striking tool (1) is accelerated during the returning movement into said final position away from said tool or tool holder and, when a predetermined position (H_d) between said work piece (4) or said tool holder (3), on the one hand, and said final position, on the other hand, is reached, is decelerated by a generator function by means of said driving motor (7), and/or is completely decelerated by a mechanical braking means when said final position is reached.

7. The method according to any or several of the preceding Claims,
wherein said striking tool (1) is accelerated at a predetermined constant starting acceleration and/or is decelerated in braking at a predetermined constant braking acceleration.

8. The method according to any or several of the preceding Claims,
wherein a shaping device is employed which is a screw press, and wherein said driving motor (7) operates in the driving means (2) of said screw press and drives a flywheel (6) directly that causes a spindle (5) to rotate which is coupled to said flywheel.

Revendications

1. Procédé de façonnage d'au moins une pièce à travailler (4),

a) dans lequel, lors d'un mouvement de percussion, un outil de percussion (1) partant d'une position de départ (H_0a, H_0b, H_0c) prédéfinie ou prédéfinissable à une vitesse d'impact (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) heurte la pièce à travailler (4) située sur un support (3), et

b) dans lequel la vitesse de l'outil de percussion (1) lors du mouvement de percussion est commandée ou régulée en fonction de la position de l'outil de percussion (1) et en fonction de la vitesse d'impact prédéfinie (v_Aa, v_Ab, V_Ac, v_Ad),

c) dans lequel la position instantanée de l'outil de percussion (1) est mesurée en continu lors du mouvement de percussion, et les valeurs de vitesse lors du mouvement de percussion sont calculées à l'aide des valeurs de position instantanée mesurées de l'outil de percussion (1) et de la vitesse d'impact prédéfinie (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad),

d) dans lequel l'outil de percussion (1) est accéléré à partir de la position de départ (H_0d), et lorsqu'il atteint une position prédéterminée (H_d) entre la position de départ (H_0d) et la pièce à travailler (4), il est freiné afin d'atteindre la vitesse d'impact prédéfinie (v_Ad),

e) dans lequel, après l'impact, l'outil de percussion (1) est relevé par un mouvement de rappel vers une position finale prédéfinie ou prédéfinissable,

f) dans lequel, lors du mouvement de rappel vers la position finale, la vitesse de l'outil de percussion (1) est commandée ou régulée en fonction de la position de l'outil de percussion (1), et

g) dans lequel la position finale de la course de retour est différente de la position de départ du mouvement de percussion effectué précédemment, et dans lequel la position finale est sélectionnée en fonction de la pièce à travailler (4) et/ou de la vitesse d'impact souhaitée (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad) lors du mouvement de percussion consécutif.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel au moins une position de l'outil de percussion (1), en particulier la position de départ (H_0a, H_0b, H_0c) de l'outil de percussion (1) et/ou la position après un mouvement de rappel de l'outil de percussion (1) ou la position de l'outil de percussion (1) après la déformation de la pièce à travailler (4) par l'impact, est mesurée ou déterminée, et les valeurs de vitesse lors du mouvement de percussion sont calculées à l'aide de ladite au moins une valeur de position de l'outil de percussion (1) et de la vitesse d'impact prédéfinie (v_Aa, v_Ab, v_Ac, v_Ad).

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la valeur de position de l'outil de percussion (1) est transmise à un dispositif de commande et de régulation pour commander ou réguler l'outil de percussion (1), et dans lequel la commande et la régulation de la vitesse de l'outil de percussion (1) s'effectue avec le dispositif de commande et de régulation qui commande et régule un moteur d'entraînement à régime variable (7) dans un dispositif d'entraînement (2) pour l'outil de percussion, et dans lequel on utilise en tant que dispositif de commande et de régulation une unité de convertisseur de fréquence qui commande et régule le régime et le sens de rotation du moteur d'entraînement (7), dans lequel le moteur d'entraînement (7) est de préférence commuté sans couple avant l'impact de l'outil de percussion (1) sur la pièce à travailler (4) et/ou est découplé dans le dispositif d'entraînement (2) et/ou le moteur d'entraînement (7) est exploité en tant que générateur pendant le freinage de l'outil de percussion (1) au moyen du moteur d'entraînement (7), et l'énergie récupérée par le générateur pendant le freinage est réinjectée dans le réseau électrique.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'outil de percussion (1) est accéléré à partir de la position de départ (H_0a, H_0b, H_0c) jusqu'à la vitesse d'impact prédéfinie (v_Aa, v_Ab, v_Ac), et dans lequel la position de départ (H_0b, H_0c) est réglée plus basse qu'une position de départ maximale (H_0a) pour atteindre une vitesse d'impact (v_Ab, v_Ac) inférieure à une vitesse d'impact maximale (v_Aa).

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors du mouvement de percussion, la vitesse de l'outil de percussion (1) est commandée ou régulée de telle sorte que pour une position de départ quelconque (H_0a, H_0b, H_0c, H_0d), le temps de course de travail le plus court possible (t_Ges) est atteint.

6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel, lors du mouvement de rappel vers la position finale, l'outil de percussion (1) est accéléré en s'éloignant de la pièce à travailler ou du support, et lorsqu'il atteint une position prédéterminée (H_d) entre la pièce à travailler (4) ou le support (3) d'une part et la position finale d'autre part, il est freiné en mode générateur au moyen du moteur d'entraînement (7) et/ou lorsqu'il atteint la position finale, il est freiné complètement par un dispositif de freinage mécanique.

7. Procédé selon une ou plusieurs des revendications précédentes, dans lequel, lors de l'accélération, l'outil de percussion (1) est accéléré avec une vitesse de démarrage constante prédéfinie et/ou lors du freinage, il est freiné par une accélération de freinage constante prédéfinie.

8. Procédé selon une ou plusieurs des revendications précédentes, dans lequel un dispositif de façonnage est utilisé qui est une presse à vis, et dans lequel le moteur d'entraînement (7) fonctionne dans le dispositif d'entraînement (2) de la presse à vis et entraîne directement un volant (6) qui fait tourner une vis (5) couplée à celui-ci.

Zeichnung