DE19922105A1 - Umformmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren und Maschine zum Axial-Umformwalzen oder Prägen von Werkstücken, wobei auf einer gemeinsamen Achse zwei Rotore angebracht sind, die synchron angetrieben werden und deren Stirnflächen um einen Winkel alpha zueinander geneigt sind. An jedem Rotor sind eine gleiche Anzahl von ein oder mehreren Umformwerkzeugen angeordnet, die stirnseitig zusammenwirken. Der Arbeitshub entsteht durch die Neigung der rotierenden Stirnflächen zueinander.

Description

Das Umformen, Kalibrieren und Prägen einzelner Werkstücke wird in der Regel mit Maschinen gemacht, auf denen die Werkzeuge und Gesenke eine hin- und hergehende Bewegung machen. Solche Umform-Pressen sind wegen der Hubwege und der damit verbundenen Bewegung, von im allgemeinen schweren Massen, in der Geschwindigkeit und damit bei der Hubzahl je Minute begrenzt. Der Rückhub des Pressen- oder Gesenkstössels bedeutet Leerlauf für die Maschine. Diese Zeit ist jedoch notwendig für den Werkstückwechsel im Werkzeug.

Die Erfindung erfüllt nun die Forderung aus dem taktweisen einen kontinuierlichen Arbeitsprozeß zu machen. Der hin- und hergehende Pressen-Gesenkstössel wird durch zwei synchron angetriebene Axial-Umformwalzen ersetzt. Im Gegensatz zu bekannten Walzeinrichtungen, bei denen der Werkstoff oder das Werkstück mit dem Umfang der Walzen umgeformt wird, erfolgt hierbei die Umformung an den Stirnseiten der Walzen. Die beiden Axial-Umformwalzen sind jede für sich auf einer gemeinsamen Achse gelagert und werden jede für sich synchron zueinander angetrieben, wobei jedoch die Antriebsbewegung von einer gemeinsamen Quelle, beispielsweise von einem Elektromotor, ausgehen kann.

Die beiden Axial-Umformwalzen sind leicht zueinander geneigt, so daß die beiden direkt gegenüberliegenden Stirnseiten der Walzen sich an einem Punkt ihres Außendurchmessers berühren und die diametral gegenüberliegende Stelle um etwas mehr als die Höhe des Rohteiles das umzuformende Werkstück auseinanderklafft. Bei gleichsinniger, synchroner Drehung der beiden Walzen gleichen Durchmessers bewegt sich, in der Seitenansicht betrachtet, ein Punkt am Walzenumfang vom Ausgangspunkt, wo die Walzen am weitesten auseinanderstehen, entlang einer sich keilförmig verjüngenden Bahn, nach einer Drehung um 180°, bis zur Berührung mit dem entsprechenden Punkt am Umfang der gegenüberliegenden Walze. Diese Schließbewegung, bei der zweiten Drehung um 180° ist dies eine Öffnungsbewegung, entspricht dem Stösselhub einer Hubpresse.

Am Außenumfang der Axial-Umformwalzen sind jeweils genau gegenüberliegend mehrere Werkzeuge am Umfang verteilt angeordnet, die sich bei Berührung der Walzen zu einem geschlossenen Hohlraum, der der Form des Werkstückes entspricht, schließt. Abhängig vom Durchmesser der Axial-Umformwalzen und der Größe der Werkstücke bzw. Werkzeuge können mehr Werkzeuge angeordnet werden, so daß je Walzenumdrehung entsprechend viele Werkstücke umgeformt werden. Zum Beispiel würden bei einer Walzendrehzahl von 500 Umdrehungen pro Minute und 6 Werkzeugen gleichmäßig am Umfang verteilt 3000 Werkstücke pro Minute umgeformt werden.

Die Zuführung der Rohteile und Abführung der Fertigteile kann ebenfalls kontinuierlich, beispielsweise mittels sich drehender, scheibenförmiger Fördereinrichtungen, geschehen. Die Zuführ- und Abführstellen in und aus den Umformwerkzeugen liegen vorteilhaft symmetrisch ca. 20°-40° links und rechts von der Stelle, wo die Axial-Umformwalzen am weitesten klaffen, so daß sich in der Draufsicht gesehen ein etwa U-förmiger Durchlauf der Werkstücke durch die engste Stelle der Walzen ergibt.

Die beiden Werkzeughälften bewegen sich nicht parallel gegeneinander, sondern führen dabei scharnierartig eine leichte Kippbewegung während des Schließ- und Öffnungsvorganges aus. Diese Kippbewegung, die maximal gleich dem Öffnungswinkel zwischen den beiden Axial-Umformwalzen entspricht, muß bei der Formgestaltung der Umfangs-Konturflächen im Werkzeug berücksichtigt werden. Preß- und Gesenkformen mit nicht kreisförmigen und nicht zylindrischen bzw. geraden Flächen können berechnet und auf NC-gesteuerten Maschinen hergestellt werden.

Es ist aber auch möglich, die Umformwerkzeuge kippbar auszuführen, so daß Werkzeugformen, wie bei Hubpressen üblich, verwendet werden können. Mittels Kugelpfannen als Werkzeuglagerungen kann eine sphärische Kippfreiheit ermöglicht werden. Sehr oft genügt es, wenn beiden Werkzeughälften in tangentialer Richtung parallel zueinander stehen. Dies kann mit einem Kippgelenk erreicht werden, wobei die Lage der Werkzeughälften zwangsweise gesteuert werden kann.

Der Umformmaschine müssen einzelne Rohteile zugeführt werden, die aus umform­ baren Werkstoffen bestehen. Die Umformbarkeit kann deutlich verbessert werden, wenn, wie zum Beispiel bei Stahl, im Halbwarm- oder Warmbereich gearbeitet wird. Die am Außenumfang der Axial-Umformwalzen angebrachten Werkzeuge lassen sich mit geeigneten Maßnahmen wirkungsvoll kühlen.

Sinnvoll wird die erfindungsgemäße Umformmaschine für die Massenteilfertigung verwendet, da die Produktivität sehr hoch ist. Auf der selben Maschine sollten vorteilhaft in den Abmessungen ähnliche Teile verarbeitet werden, bei denen auch die Rohteile vergleichbar hoch sind.

Die erfindungsgemäße Maschine ist in der Abb. 1-6 beschrieben.

Fig. 1 Seitenansicht, teilweise im Schnitt, mit Abstützung der Druckkräfte auf der Welle

Fig. 2 Seitenansicht, teilweise im Schnitt, mit Abstützung der Axial­ kräfte am Gestell

Fig. 3 Umformwerkzeug sphärisch gelagert

Fig. 4 Umformwerkzeug in Tangentialrichtung pendelnd zwangsgeführt

Fig. 5 Werkstückzu- und Abführung mit Einstoßer

Fig. 6 Werkstückzuführung mittels Taschenscheibe

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht die Umformmaschine aus einer Achse 1, die in einem Gestell 2 gelagert ist. Auf der Achse 1 sind zwei Rotore 3 drehbar gelagert, die über Zahnräder 4 von einer gemeinsamen Ritzelwelle 5 in gleicher Drehrichtung synchron angetrieben werden. Die Rotore 3 sind jeweils mittels Radiallager 6 und einem besonders hoch belastbarem Axiallager 7, das sich axial über eine Mutter 8 auf der Achse abstützt, drehbar gelagert. Die für beide Rotore 3 gemeinsame Achse 1 ist genau symmetrisch um den Winkel α hälftig geknickt. Der Winkel α bestimmt sich aus dem durch die Höhe der Rohteile vorgegebenem Öffnungsmaß H und dem Teilkreisdurchmesser der Umformwerkzeuge 9. Die Achse 1 kann aus einem Stück bestehen, oder in der Mitte zusammengeflanscht sein. Die Rotore 3 sind axial gegeneinander so angestellt, dass sie an der durch die Schrägstellung um α bedingten engsten Stelle vollkommen aneinander anliegen. Die Mittellinien der beiden Hälften der Umformwerkzeuge 9 bilden an dieser Stelle eine Linie. Die Öffnungshöhe H verringert sich entlang einer halben Drehung der Rotore 3 auf den Betrag 0 und die beiden Hohlräume der Umformwerkzeuge 9 schließen die Form der Werkstücke nach dem Axial-Umformwalzvorgang ein.

Die Umformkräfte stützen sich als Kippkraft über die Radiallager und die Axialkraft über die Muttern 8 symmetrisch auf der Achse 1 ab, so dass ein in sich vollkommen geschlossener Kräftefluß entsteht. Während der Drehung der auf den Rotoren 3 befestigten Werkzeugträger 10 in die engste Stelle umschließen die beiden Werkzeughälften 9 das Rohteil zunehmend, bis diese geschlossen sind und das Rohteil die Werkzeugform vollkommen ausfüllt und damit die gewünschte Werkstückform erhält. Für den in der Regel vorhandenen Materialüberschuß des Rohteils muss im Umformwerkzeug ein Freiraum vorhanden sein, wo es hinfließen kann.

Bevorzugte Anwendung findet das Axialumformwalzen bei ringförmigen Teilen, wo der Materialüberschuß sich in Form einer schmalen Innenwulst ansammelt, die bei der Weiterverarbeitung entfernt wird. Die Werkzeughälften 9 müssen nicht gleich und beide auch keine Hohlräume, wie in der Fig. 1 dargestellt, sein.

Eine Werkzeughälfte kann also auch aus einer glatten Fläche bestehen oder auch erhaben sein.

Fig. 2 zeigt im Prinzip die gleiche Umformmaschine mit dem Unterschied, dass hier die beim Umformprozeß auftretenden Axialkräfte am Maschinengestell über das Axiallager 7 und den Stützring 35 abgestützt werden. Dies setzt ein sehr kräftig dimensioniertes und an möglichst drei Seiten geschlossenes Gestell voraus, deren Hälften 2 und 11 mit ausreichend bemessenen Schrauben und Zugankern zusammengehalten werden. Bei sehr großen Axialkräften bekommt diese Ausführung den Vorzug, da dass Muttergewinde 8 in Fig. 1 nur eine begrenzte Kraft aufnehmen kann.

In Fig. 2 ist auch gezeigt, dass zur Montage der Umformmaschine, in einer Gestellhälfte, ein zur Ritzelwelle 5 achsparalleler Flansch 12 vorhanden sein muss. Dargestellt ist in Fig. 2 ein für sehr hohe zu übertragende Drehmomente besonders geeigneter zentrischer Schneckenradantrieb 13. Dieser ist hier wegen der einfacheren Darstellung in der senkrechten Schnittebene gezeigt, er kann aber vorteilhaft zu dieser Ebene geschwenkt sein.

Die in Fig. 1 und 2 beispielhaft dargestellten Umformwerkzeuge 9 sind fest mit den Werkzeughaltern 10 verbunden. Das bedeutet, die Mittellinien der beiden Werkzeughälften 9 machen während der Drehung von H zur engsten Stelle eine räumliche Kippbewegung um den Winkel α zueinander. Das bedeutet, dass während der halben Rotordrehung bis zum vollständigen Schließen der beiden Werkzeughälften, an der engsten Stelle, wo sich beide Rotore berühren, diese über das Werkstück klappen und die in Drehrichtung vordere Hälfte des Werkstückes fertigformen. Umgekehrt klappen beim Öffnen der beiden Werkzeughälften, während der zweiten Hälfte der Rotordrehung, die Werkzeughälften auseinander und formen die zweite Hälfte des Werkstückes fertig. Der Umformvorgang ist somit von einer Walzbewegung überlagert. Um Partien am Werkstück die nahezu zylindrisch oder parallel zur Werkzeugachse sind in die geforderte Form zu bringen, muss die Werkzeugkontur korrigiert werden. Die am tiefsten über bzw. in das Werkstück eintauchenden Werkzeugkanten bewegen sich der Klappbewegung folgend entlang eines flachen Kreisbogens. Um eine Kollision zwischen angestrebter Werkstückform und Werkzeug zu vermeiden müssen sich deshalb Hohlformen der Umformwerkzeuge axial nach aussen leicht tulpenförmig erweitern. Diese Formkorrektur ist unterschiedlich, je nachdem in welchem Abstand sie sich zur Drehachse befindet.

Als Alternative dazu werden, wie in Fig. 3 dargestellt, die Werkzeugaufnahmen 14 als Halbkugeln ausgeführt, die in Kugelpfannen in den Werkzeughaltern 10 allseitig kippbar gelagert sind, wobei der Werkzeugmittelpunkt ortsfest ist. Die beiden Werkzeugaufnahmen 14, 14a werden durch federnde Elemente 15, 15a in den Haltern 10, 10a in einer vorbestimmten Ausgangslage gehalten. Die Reibung in der Kugelpfanne kann reduziert werden durch ein Schmiersystem, bestehend aus einer oder mehrerer Schmiernuten 19 und einem Bohrungssystem 20, durch das das Schmiermittel zugeführt wird. Die sphärisch beweglichen Werkzeugaufnahmen 14, 14a richten sich jeweils zueinander so aus, dass die Kippkräfte null sind.

Diese Werkzeugausführung ermöglicht, dass die vorbestimmte Ausgangslage, z. B. das Zuführen der Rohteile erleichtert und dass bei planparallelen Rohteilen die beiden Umformwerkzeuge, während des Umformvorgangs senkrecht zueinander ausgerichtet bleiben.

Während des Schließens der Hälften der Umformwerkzeuge erfolgt die Verkippung dieser zu einem ganz erheblichen Anteil in tangentialer Richtung. Dies wird bei der in Fig. 4 dargestellten Werkzeugausführung ausgenützt. Das Schwenken der Werkzeughälften nur um eine radiale Drehachse erlaubt es, auf relativ einfache Weise die Werkzeuge nach dem für die jeweilige Umformung günstigsten Ablauf zwangsweise zu steuern. Die Steuerbewegung wird über einen Hebel 15, an dessen Quertraverse 16 zwei Kurvenrollen 17 befestigt sind, die auf der um den Rotor 3 angeordneten Glockenkurve 33 abrollen, auf die Werkzeugaufnahme 18 mit halbzylindrischer Außenform übertragen. Die gleiche Betätigungsvorrichtung ist an der gegenüberliegenden Werkzeugaufnahme 18a angebracht. Die zylindrische Schwenklagerung hat Schmiernuten 19, in die durch ein Bohrungssystem 20 Schmiermittel gedrückt wird.

Das Zu- und Abführen der Werkstücke 21, 22 in die Umformwerkzeuge 9 der sich drehenden Rotore 3 wird in den Fig. 5 und Fig. 6 beispielhaft dargestellt. Bei der linearen Zuführung in Fig. 5 werden die Rohteile 21 in einer Schiene geordnet hintereinanderliegend taktweise vor den Zuführschieber 24 transportiert, der z. B. von einem hydraulischen oder pneumatischen Zylinder betätigt, das Rohteil 21 in die Position 25 schiebt, wo es vom sich vorbeibewegenden Umformwerkzeug 9 mitgenommen wird. Um den Einlegevorgang sicher zu machen wird das Rohteil 21 während des Vorschiebens durch ein an der Einlegevorrichtung angebrachtes, in Werkzeugbereich nach unten gebogenes Federblech 26, in die eine Werkzeughälfte gedrückt. Das umgeformte Teil 22 wird an der Entladestelle mittels eines Abstreifers 27 aus dem Rotorbereich gefördert und einer Ablaufrinne 28 zugeführt. Zum Entladen des fertigen Teils 22 sind im Umformwerkzeug federnde Abdrückbolzen bekannter Ausführung angebracht.

Besonders bei schneller Zuführfolge der Rohteile 21 ist eine Beladeeinrichtung mit einer Taschenscheibe 29, wie in Fig. 6 gezeigt, vorteilhaft. Der Teilkreis der Aufnahmen 30 für die Rohteile 21 in der Taschenscheibe 29, tangiert den Teilkreis der Werkzeuge 9 an der Einlegestelle. Die beiden Teilkreise bewegen sich in die gleiche Richtung und mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit. Die Bewegungen sind so aufeinander abgestimmt, dass zum selben Zeitpunkt die aufeinanderfolgenden Werkzeuge 9 und Taschen 30 mit den Rohteilen 21 in der Einlegestelle 31 sich überdecken. Ein schrägstehendes Blechteil 32 drückt dabei das Rohteil 21 in die eine Werkzeughälfte 9. Anstelle des Blechteils 32 kann auch eine keilförmige Leiste angebracht sein, bei dem die Schräge die dem Rohteil zugewandte Seite ist. Die Taschenscheibe 29 kann auch mit einem größeren Teilkreisdurchmesser ausgeführt werden, wenn gleichzeitig die tangentialen Abstände der Taschen 30 kleiner sind als die tangentialen Abstände der Werkzeuge 9. Die radiale Begrenzungen der Taschen 30 müssen dann in Drehrichtung entsprechend den unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgestaltet sein, Taschenschräge 34, um ein Verklemmen der Werkstücke 21 zwischen Werkzeug 9 und Tasche 30 zu verhindern.

Die Umformmaschine kann sowohl mit vertikaler also auch, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, waagrechter Rotoranordnung ausgeführt sein. Die Anzahl der Werkzeuge am Rohrumfang kann, abhängig vom Rotordurchmesser, dem Werkstückdurchmesser und damit den Abmessungen der Werkzeughalter und den erforderlichen Umformkräften, von eins bis acht und mehr betragen. Je Rotorumdrehung werden der Anzahl der Werkzeuge entsprechend viele Werkstücke erzeugt, sodass sehr hohe Stückleistungen, die weit über denen mit bekannten Umformmaschinen erreichbaren liegen, produziert werden.

Im allgemeinen ist es von Vorteil, die sich aus der Anzahl der Werkzeuge mal Rotordrehzahl ergebenden, periodischen Drehmomentspitzen des Antriebs zu mindern bzw. zu glätten, dazu können die Rotore konstruktiv so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig als Schwungmasse wirken.

Die Synchronisation der beiden Rotore zueinander wird in den Abbildungen Fig. 1 und 2 durch einen gemeinsamen Antrieb, der gleichzeitig beide Rotore antreibt, erreicht. Es ist jedoch auch möglich nur einen Rotor anzutreiben und den dagegenstehenden zweiten Rotor über eine Stirnverzahnung mitzubewegen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Umformen oder Prägen von Werkstücken, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an den mit einem Winkel α zueinander geneigten Stirn­ flächen von auf einer gemeinsamen Achse angeordneten, synchron ange­ triebenen Rotoren ein oder mehrere Umformwerkzeuge angeordnet sind, wobei jedes Umformwerkzeug auf der einen Stirnfläche mit einem Um­ formwerkzeug auf der anderen Stirnfläche zusammenwirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen kontinµierlich abläuft und getrennte Zu- und Abführpositionen für ein lage­ richtiges und schonendes Handling der Werkstücke bei hoher Stückleistung vorhanden sind.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer gemeinsamen Achse, die etwa in der Mitte um den Winkel α geknickt ist, zwei Rotore drehbar gelagert angebracht sind, die synchron und in gleicher Drehrichtung von einem gemeinsamen Antrieb angetrieben werden, und dass sich an der engsten Stelle die Stirnseiten, bzw. die auf den Rotoren befestigten Werkzeuge, berühren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α um den die Achse geknickt ist, bzw. die Stirnflächen der Rotore zur Mittelebene schräg stehen, so groß ist, dass in Nähe der weitesten auseinanderklaffenden Stelle am Rotorumfang eine Öffnung vorbestimmter Größe H entsteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden leicht zueinander schrägstehenden Stirnflächen der Rotore mit einer Stirnver­ zahnung drehfest verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformwerkzeuge in den Werkzeughaltern sphärisch gelagert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformwerkzeuge in den Werkzeughaltern kippbar gelagert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformwerkzeuge in den Werkzeughaltern über Hebel und Kurven­ scheibe zwangsweise verkippt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstellen der Umformwerkzeuge in den Werkzeughaltern mit einer Zwangsschmierung versehen sind.