Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Preßkörpern mit zylinderförmigen Hauptformelementen und schraubenlinienförmigen Nebenformelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Beispielsweise handelt es sich um die Herstellung schrägverzahnter Zahnräder, bei denen die Schrägverzahnung als Nebenformelemente anzusehen ist.
Aus der EP 0 528 761 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, die zur Herstellung von Preßkörpern beispielsweise in Form von schrägverzahnten Zahnrädern aus Metallpulver dient. Diese bekannte Metallpulverpresse weist einen linear verfahrbaren Oberkolben auf, in dem ein um die (in Preßrichtung liegende) Längsachse drehbarer Oberstempel gelagert ist, und einen gegen einen unteren Anschlag ebenfalls linear verfahrbaren Unterkolben, in dem ein Unterstempel drehbar gelagert ist. Weiterhin ist eine Matrizenplatte vorgesehen, die den Formhohlraum bildet und ebenfalls im Preßzyklus linear verfahrbar ist. Der drehbare Unterstempel und der drehbare Oberstempel weisen jeweils ein mit dem Verzahnungsprofil (Schrägverzahnung) des Matrizenmantels (d.h. des Formraums) korrespondierendes Verzahnungsprofil auf. Der frei drehbar gelagerte Unterstempel ist ständig mit dem Profil des Formraums im Eingriff und dreht sich daher entsprechend Zwangsläufig, wenn es im Preßzyklus zu linearen Relativbewegungen zwischen Unterstempel und Matrizenplatte kommt. Im Unterschied hierzu wird dem Oberstempel während des Preßzykluses entsprechend seiner Eindringtiefe eine der Schrägverzahnung entsprechende rotatorische Bewegung von außen aufgezwungen, um die Reibung zwischen den Mantelflächen des Oberstempels und des Formraums der Matrize zu vermindern. Hierzu ist ein Zahnradgetriebe vorgesehen, das über eine der gewünschten Schrägverzahnung des Preßkörpers entsprechende mechanische Kulissensteuerung angetrieben wird. Die Kulissensteuerung beinhaltet sogenannte Kulissenkerne, die einerseits mit einer Führungsplatte starr verbunden und andererseits formschlüssig und gleitend in den koaxial angeordneten Antriebsrädern des Zahnradgetriebes geführt sind. Während des Preßzyklusses wird die Führungsplatte zeitweilig fest an die Matrizenplatte angekoppelt und gemeinsam mit dieser bewegt. Zum Ausformen des erzeugten Preßkörpers wird das sogenannte Abzugsverfahren angewendet.
Diese bekannte Metallpulverpresse erfordert erheblichen mechanischen Bauaufwand und auch beträchtlichen Umrüstaufwand, da für jeden unterschiedlichen Preßkörper über den speziellen Werkzeugsatz (Matrize sowie Ober- und Unterstempel) hinaus auch ein dem Preßkörper entsprechender Satz an Kulissenkernen bereitgestellt und ausgewechselt werden muß. Hinzu kommt der Aufwand für die Führungsplatte und die maschinell betätigbare Verriegelungseinrichtung zur starren Ankopplung der Führungsplatte an die Matrizenplatte. Weiterhin ist anzumerken, daß das Reibungsproblem zwischen dem nicht von außen zwangsangetriebenen Unterstempel (hinsichtlich dessen Drehbewegung) und der Matrize nach wie vor besteht. Dies hat nicht nur in diesem Bereich erhöhten Werkzeugverschleiß zur Folge, sondern führt auch zu inhomogenen Dichteverteilungen im Preßkörper.
Aus der Veröffentlichung Quality control through process monitoring of rotary forming press
(Metal Powder Industries Federation, Band 6, 6. - 11. Mai 1994, S. 125 - 137) ist eine in ihren Bewegungen elektronisch gesteuerte Presse für das sog. Rotationspreßverfahren bekannt. Eine solche Presse dient zur Nachbehandlung von bereits gesinterten pulvermetallurgisch hergestellten Formkörpern, um diese auf eine Dichte im Bereich von 95 - 98 % der theoretisch möglichen Dichte des jeweiligen Materials zu bringen. Die spezielle Bauweise dieser Pressen ermöglicht die Erzeugung örtlich extrem hoher Preßdrücke im Preßwerkzeug bei vergleichsweise niedriger Gesamtpreßkraft der Presse. Hierzu wird ein taumend rotierendes Oberstempelwerkzeug eingesetzt, das örtlich begrenzt extrem hohe Druckkräfte auf das Werkstück aufbringen kann, um dieses gezielt zu verdichten. Es findet sich in dieser Veröffentlichung kein Hinweis darauf, zur Herstellung von Preßkörpern mit zylinderförmigen Hauptformelementen und schraubenlinienförmigen Nebenformelementen aus pulverförmigem Material die Bewegung der an der Formgebung der schraubenlinienförmigen Nebenformelemente des zu erzeugenden Preßkörpers unmittelbar beteiligten Ober- und Unterstempel im Formraum der Matrize durch die elektronische Steuerung zu führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß die erwähnte Reibungsproblematik auch hinsichtlich des Unterstempels befriedigend gelöst wird, wobei der erforderliche Werkzeug- und Umrüstaufwand für die Herstellung unterschiedlicher Preßkörper möglichst niedrig bleiben soll.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 15 angegeben.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, daß die an der Formgebung der schraubenlinienförmigen Nebenformelemente des zu erzeugenden Preßkörpers unmittelbar beteiligten Ober- und Unterstempel (z.B. bei Zahnrädern mit mehreren axial hintereinanderliegenden Verzahnungen können entsprechend mehrere Unter- oder Oberstempel erforderlich sein) in ihrer Bewegung im Formraum der Matrize durch eine elektronische Steuerung geführt sind. Die rotatorische Bewegung der Unter-und Oberstempel in Abhängigkeit von ihrer Eintauchtiefe in den Formraum erfolgt also nicht mehr durch eine mechanische Kopplung von linearem und rotatorischem Antrieb, d.h. nicht mehr allein durch das Reiben der Stempelkontur am Matrizermantel wie bei dem die eine Breitseite formenden Unterstempel der Presse gemäß EP 0 528 761 A1 oder durch mechanisches Abtasten eines Kulissenkerns wie bei dem die andere Breitseite formenden Oberstempel dieser bekannten Presse, sondern wird durch einen elektronisch geregelten separaten (mechanisch entkoppelten) Drehantrieb sichergestellt. Das bedeutet, daß die während der linearen Bewegung gleichzeitig stattfindende Drehbewegung (entsprechend der Steigung der schraubenlinienförmigen Nebenformelemente) mit einer Genauigkeit erfolgen muß, die innerhalb des Werkzeugspiels der Verzahnung (zwischen den Stempeln und der Matrize) liegt. Dementsprechend sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, daß die axiale und rotatorische Bewegung der Stempel positionsgeregelt erfolgt. Zur Ermittlung der jeweiligen axialen und rotatorischen Position sind entsprechende Sensoren (z.B. Linearpotentiometer oder Inkrementalmeßstäbe für die lineare Bewegung bzw. Drehwinkelgeber für die Rotation) vorzusehen. in diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß zweckmäßigerweise die Matrize ortsfest in der verwendeten Pulverpresse gehalten wird und Ober- und Unterstempel linear und rotatorisch bewegt werden. Es sind aber auch selbstverständlich Abwandlungen im Sinne einer kinematischen Umkehr möglich, indem beispielsweise die Matrize drehfest gehalten, aber wie bei der Presse gemäß EP 0 528 761 A1 linear mitbewegt wird, wobei der Unterstempel ortsfest, aber drehbewegt ist, während der Oberstempel linear und rotatorsich bewegt wird. Grundsätzlich könnte auch die Matrize rotatorisch bewegt werden. Dieser Fall kann zusätzlich zu einer Rotierbarkeit des oder der Unter- und Oberstempel sinnvoll sein, wenn z.B. Mehrfachzahnräder, also Preßkörper mit mehreren axial hintereinander liegenden, unterschiedlich breiten Verzahnungen (oder mit unterschiedlichem Schrägungswinkel) erzeugt werden sollen. Zusätzlich zu den erwähnten Unter- und Oberstempeln können in bekannter Weise auch Kernstempel vorgesehen werden, die mittels Hilfsantrieben bewegt werden können und beispielsweise zur Ausbildung einer Nabe an einem Zahnrad dienen, damit das Zahnrad auf eine Welle aufgezogen werden kann.
Die elektronische Steuerung für den Bewegungsablauf des oder der Oberstempel kann so eingerichtet sein, daß außerhalb des Formraums der Matrize nur eine rein lineare Bewegung stattfindet und daß die erforderliche Rotationsbewegung im Preßzyklus erst unmittelbar mit dem Eintauchen in den Formraum einsetzt. In diesem Fall empfiehlt es sich, den oder die Oberstempel mit einer vergleichsweise weichen federnden Lagerung, die durch einen Anschlag begrenzt ist, zu versehen, um für den Beschleunigungsvorgang beim Starten der rotarischen Bewegung einen ausreichenden Zeitraum zur Verfügung zu stellen. Die Positions- bzw. Drehmomentregelung tritt erst dann in Kraft, wenn der Oberstempel auf den Anschlag gefahren ist. Damit wird eine Werkzeugbeschädigung beim Eintauchen vermieden.
Zur Durchführung der Erfindung ist eine Positionsregelung der Bewegungsabläufe nicht immer erforderlich. Alternativ oder zusätzlich zur Positionsregelung kann auch vorgesehen sein, daß die rotatorischen Bewegungsabläufe der Ober- und Unterstempel (relativ zur Matrize) mit fest vorgegebenen, beispielsweise zeitlich konstanten Drehmomentwerten erfolgen. Die Drehantriebe der Ober- und Unterstempel werden dabei in der Preßphase so eingestellt, daß die Zahnflanken von Stempeln und Matrizenmantel sich möglichst weitgehend nur auf der Seite berühren, die bei Fehlen eines Rotationsantriebs während des Einfahrens der Stempel in den Formraum der Matrize sonst einer unmittelbaren gegenseitigen Reibung nicht ausgesetzt wären. Das von außen aufgebrachte Drehmoment wirkt also in Richtung der sonst durch die Form erzwungenen Drehbewegung. In Abwandlung hierzu kann es auch zweckmäßig sein, die Drehmomente der Rotationsantriebe in Abhängigkeit von der aktuell erreichten Preßkraft oder der erreichten Eintauchtiefe (axiale Position) der Stempel zu regeln, d.h. mit zunehmender Preßkraft zu steigern. Besonders vorteilhaft ist es, das Torsionsmoment an den Stempeln zu messen und das Antriebsdrehmoment gerade auf einen solchen Wert einzustellen, bei dem die Reibungsverluste im Lager- und Antriebssystem kompensiert werden. Das bedeutet, daß das Torsionsmoment an den Stempeln dann gegen Null geht. Es empfiehlt sich, die Drehantriebe der Stempel im allerletzten Abschnitt × der Preßphase, d.h. kurz vor Erreichen der Preßendstellung vollständig abzuschalten, um Risse durch Torsionsspannungen zu vermeiden. Bei einem Schrägungswinkel β der Verzahnung muß dieser Abschnitt × folgende Bedingung erfüllen:
Dabei ist s das Werkzeugspiel im Stirnschnitt. Für eine 30 °-Verzahnung und ein Werkzeugspiel von 0,03 mm ergibt sich somit beispielsweise × ≤ 0,05 mm.
Das Ausformen des erzeugten Preßkörpers nach dem Ausstoßverfahren kann zwar im Grundsatz ohne Einschaltung von Drehantrieben vorgenommen werden. Es empfiehlt sich jedoch, hierbei die Drehantriebe in (teilweise) entsprechend umgekehrter Weise wie für den Verdichtungsvorgang einzusetzen. Dies gewährleistet eine größtmögliche Schonung des Werkzeugs und des Preßlings.
Für die lineare Bewegung der Ober- und Unterstempel (bzw. der ggf. bewegten Matrize) sollten Hydraulikantriebe eingesetzt werden. Die Rotationsantriebe können ebenfalls hydraulisch betätigt sein. Sie können in manchen Fällen auch pneumatisch ausgebildet sein. Besonders empfehlenswert sind elektromotorische Drehantriebe, insbesondere elektrische Schritt- oder Servomotoren. Die Erfindung läßt sich zweckmäßig in Verbindung mit einer CNC-gesteuerten Pulverpresse ausführen. Besonders vorteilhaft ist es, die wesentlichen mechanischen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Stempel, Matrize, Drehantriebe) als austauschbare Einheit in Form eines Werkzeugadapters zu gestalten, um besonders kurze Umrüstzeiten zu ermöglichen.
Die Erfindung hat den großen Vorteil, daß sie die Herstellung z.B. schrägverzahnter Zahnräder unter extrem geringem Werkzeugverschleiß ermöglicht, da die Reibung im Bereich der Zahnflanken während der Preßphase und auch während des Ausformens auf ein Minimum begrenzt werden kann. Der Umrüstaufwand kann ebenfalls gegenüber bisher bekannten Preßwerkzeugen wesentlich vermindert werden, da zur Bewirkung der rotatorischen Antriebe lediglich programmtechnische Vorkehrungen (keine Anfertigung von Kulissenkernen) erforderlich sind. Dies führt darüber hinaus, wenn die jeweilige Pulverpresse in üblicher Weise zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Preßkörper vorgesehen ist, trotz des für die Drehantriebe und die Meß- und Regeltechnik erforderlichen Mehraufwandes zu substanziellen Investitionskosteneinsparungen. Schließlich ist hervorzuheben, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Herstellung von Preßkörpern ermöglicht, die eine deutlich gleichmäßigere Dichteverteilung aufweisen, als dies bisher möglich war.
Anhand des in der einzigen Figur schematisch im Aufriß dargestellten Ausführungsbeispiels einer Metallpulverpresse wird die erfindungsgemäße Vorrichtung nachfolgend näher erläutert.
Diese hydraulische Presse weist einen Pressenrahmen 16 auf, der mit einem Oberkolben 14 und einem Unterkolben 15 bestückt ist. Etwa in der Mitte des Pressenrahmens 16 ist eine Matrize 1 orts- und drehfest gelagert. Im Oberkolben 14 ist ein Oberstempel 2 und im Unterkolben 15 ein Unterstempel 3 jeweils drehbar gelagert. Der Oberstempel 2 ist durch eine vorgespannte Feder 9, die die Aufnahmevorrichtung für den Oberstempel 2 in Preßrichtung gegen einen festen Anschlag drückt, gegen die Preßrichtung nachgiebig gelagert. Die Federkraft der Feder, deren Einfederung durch einen Anschlag begrenzt ist, ist in jedem Fall deutlich kleiner als die maximal auftretende Preßkraft für das jeweilige Werkzeug, so daß der Oberstempel möglichst schon zu Beginn des Preßvorgangs auf Anschlag steht. Der Mantel der Matrize 1 und die beiden Stempel 2, 3 weisen eine miteinander korrespondierende Schrägverzahnung auf. Zur hochgenauen Ermittlung der jeweiligen linearen Position der beiden Kolben 14, 15 und somit auch der damit verbundenen Stempel 2 bzw. 3 sind zwei Wegmeßsysteme 10, 11 vorgesehen, die z.B. als Inkrementalmeßstab oder Linearpotentiometer ausgebildet sein können. An den beiden Kolben 14, 15 ist jeweils ein Drehantrieb 5 bzw. 7 befestigt (z.B. elektrischer Servomotor), dessen aktuelle Drehwinkelstellung mittels eines kombinierten Winkel- und Drehmomentenmeßsystems 12 bzw. 13 fortlaufend erfaßbar ist. Die Stempel 2, 3 verfügen über Meßeinrichtungen 12a, 13a zur Erfassung des auftretenden Torsionsmomentes. Die beiden Drehantriebe 5, 7 sind jeweils über ein Stirnradgetriebe mit einem der beiden Stempel 2 bzw. 3 antriebstechnisch verbunden. Zur Positionierung der beiden Kolben 14, 15 der Presse sind zwei Servoproportionalventile 4, 6 vorgesehen. Schließlich weist die dargestellte Presse noch eine elektronische Steuerung 8 (gestrichelt eingerahmt) auf, die in sich hierarchisch aufgebaut ist und aus einem CNC-Hauptprozessor 21, jeweils einer Regeleinheit 19 bzw. 20 für die lineare Bewegung des Oberkolbens 14 bzw. des Unterkolbens 15 und jeweils einer Regeleinheit 17 bzw. 18 für die Drehbewegung der beiden Stempel 2 bzw. 3 besteht. Die Ein-/Ausgabeeinheit des CNC-Hauptprozessors 21 zur Steuerung und Einrichtung der Presse durch das Bedienpersonal ist mit 22 bezeichnet. Die informationstechnische Verknüpfung der elektronischen Baueinheiten und Sensoren ist durch entsprechende Pfeile symbolisch dargestellt. Die beiden Regeleinheiten 19, 20 sind dem CNC-Hauptprozessor 21 und die Regeleinheiten 17, 18 für die Drehbewegung als slave jeweils einer der beiden Regeleinheiten 19 bzw. 20 für die lineare Kolbenbewegung untergeordnet. Die Regeleinheit 19 ist im dargestellten Beispiel als Master der Regeleinheit 20 (Submaster) untergeordnet, d.h. daß die Bewegung des Oberkolbens 14 und damit die Bewegung des Oberstempels 2 als Führungsgröße für den Bewegungsablauf zugrunde gelegt wurde. Das kombinierte Winkel- und Drehmomentmeßsystem 12 bildet zusammen mit dem Drehantrieb 5 und der Regeleinheit 17 einen geschlossenen Regelkreis, wobei die Regeleinheit 17 ihren Sollwert jeweils von der Regeleinheit 19 des Linearantriebs des Kolbens 14 entsprechend dessen aktueller vom Wegmeßsystem 10 erfaßten axialen Position erhält. Entsprechendes gilt für die funktionsgleichen Baueinheiten für den Antrieb des Unterstempels 3, wobei dessen lineare Position in Abhängigkeit von der linearen Position des Oberstempels 2 geregelt wird. Der CNC-Hauptprozessor 21 übernimmt übergeordnete Regel- und Kontrollfunktionen sowie die Verarbeitung der Vorgabedaten für das jeweils herzustellende Teil. Innerhalb des Pressenrahmens 16 ist durch eine gestrichelte Umrahmung angedeutet, welche Hauptfunktionsteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Werkzeugadapters zu einer leicht auswechselbaren, mit Ober- und Unterkolben 14, 15 verbindbaren Baueinheit zusammengefaßt sein können.
Die Arbeitsweise der dargestellten Presse ist wie folgt:
Nach Ausformen eines Preßkörpers wird der Unterstempel 3 entsprechend dem Schrägungswinkel des herzustellenden schrägverzahnten Zahnrads unter Einsatz des Drehantriebs 7 positionsgeregelt aufgrund der durch das Wegmeßsystem 11 und das Winkelmeßsystem 12 festgestellten Istwerte in die Füllstellung nach unten gefahren. Der Unterstempel 3 bleibt dabei in den Formraum der Matrize 1 eingetaucht. Der Oberstempel 3 befindet sich oberhalb des Formraums. Nach Befüllung des Formraums mit Stahlpulver wird der Oberstempel 2 mittels der Regeleinheit 19 anhand der Daten des Wegmeßsystems 10 positionsgeregelt nach unten gefahren. Gleichzeitig wird über die Regeleinheit 17, das Winkelmeßsystem 12 und den Drehantrieb 5 eine koordinierte Drehbewegung des Oberstempels 2 eingeleitet, so daß die relative Drehstellung des Oberstempels 2 zur Verzahnungskontur des Formraums der Matrize 1 ein berührungsloses Eintauchen des Oberstempels 2 in den Formraum gestattet. Damit beginnt die eigentliche Preßphase, in der das eingebrachte Stahlpulver verdichtet wird. Hierzu werden bei ortsfest bleibender Matrize 1 gleichzeitig der Unterkolben 3 und der Oberkolben 2 gegensinnig in den Formraum hineingefahren, wobei die Drehantriebe 7 bzw. 5 für eine Minimierung der Reibung zwischen den Stempeln 2, 3 und der Matrize 1 sorgen. Da die beiden Winkelmeßsysteme 12, 13 als Kombiinstrumente auch zur Erfassung des Antriebsdrehmoments eingrichtet sind, kann zusätzlich oder alternativ zur Positionsregelung des Drehantriebs 5, 7 auch eine Drehmomentregelung in Abhängigkeit von der axialen Position der Stempel 2, 3 erfolgen. Nach Erreichen der Preßendstellung wird zum Ausformen des erzeugten Preßkörpers das Antriebssystem des Oberstempels 2 umgeschaltet, d. h. der Oberstempel 2 wird linear und rotatorisch positionsgeregelt entsprechend der Kontur des Preßkörpers aus dem Formraum herausgefahren, wobei gleichzeitig der Unterkolben 3 ebenfalls entsprechend positionsgeregelt weiter nach oben gefahren wird, bis seine obere Stirnfläche bündig mit der Oberseite der Matrize 1 steht, der Preßkörper also freigelegt ist (Ausstoßverfahren). Während des Ausformens kann der Preßkörper gezielt unter einer gewünschten Auflast gehalten werden.