DE3110433A1 - Verfahren und vorrichtung zum umformen von insb. metallischen werkstuecken, wie verzahnungen, wellen, zylindrischen laufflaechen u.a. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens zum Umformen von insbesondere metallischen Werkstücken, wie Verzahnungen, Wellen, zylindrischen Laufflächen u.a., wobei die Umformung des Werkstückes durch Beaufschlagen desselben mit einer Walzkraft mindestens eines Werkzeuges erfolgt,und das Werkzeug mit einer Profilierung für eine dem Werkstück aufzuzwingende Werkzeuggeometrie ausgestattet ist sowie diese Profilie-

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rung bzvi/. Werkzeuggeometrie auf dem Wege insbesondere einer kalten Walzumformung auf das Werkstück übertragen wird, und zwar in der Art, daß während der Einwirkung der Walzkraft auf das Werkstück dessen Werkstoff im Bereich der jeweiligen, auf das Werkstück einwirkenden Profilierung zum Auffließen gebracht wird, und mindestens ein Teil dieses aufgeflossenen Werkstoffes zusammen mit dem übrigen, von der Profilierung kaum noch erfaßten Werkstoff den Grad der Profilierung und somit auch die dem jeweiligen Umforvorgang eigene Werkzeuggeometrie am Werkstück abbildet.

Bei der Herstellung verschiedener, insbesondere in größeren Stückzahlen widerkehrender Artikel, wie beispielsweise Verzahnungen, Wellen u.a., ist es bekannt, diese aus einem Rohling durch Umformung herzustellen und den Umformvorgang als einen sogenannten kalten Walzvorgang auszuführen. Der Rohling, der je nach Art des herzustellenden Artikels aus einem plastifizierbaren Kunststoff oder einem walkbaren Metall bestehen kann, wird zum Zwecke dessen Umformung zwischen mindestens ein auf ihn einwirkendes Werkzeug und ein Widerlager eingebracht, und es wird dieses Werkzeug mit einer Walzkraft so lange beaufschlagt, bis eine am Werkzeug sich befindende Profilierung sich nach und nach am Rohling bzw. an dem daraus herstellbaren Artikel abgebildet hat. Das Werkzeug und gegebenenfalls auch das die gleiche Geometrie bzw. Profilierung wie das Werkzeug aufweisende Widerlager ist dabei auf einer Führung gelagert und in Richtung der auf das Werkstück wirkenden Walzkraft verschieblich geführt. Durch diese Verschiebbarkeit des Werkzeuges und gegebenenfalls auch des ebenfalls als Werkzeug ausgeführten Widerlagers werden die an diesen angebrachten Profilierungen nach und nach in das anfangs als Rohling vorliegende Werkstück eingedrückt, wobei während des Eindrückens dieser Profilierungen eine von diesen entsprechend der einwirkenden Walzkraft verdrängte Menge an Werkstoff um die jeweilige

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Profilierung auffließt und sich um diese am Werkstück anlegt. Der Grad des Auffließens ist dabei eine Funktion aus Um.formbarkeit des Werkstoffes, Größe der Walzkraft, \i/ie auch Einvi/irkungszeit derselben auf das Werkstück, vi/obei während des Umformvorganges diese Funktionen unveränderbar auf das Werkstück zur Einwirkung kommen.

Ein bekanntes Verfahren zum Umformen von insbesondere Werkstücken, wie Zahnräder, Steckwellen u. a., nebst einer dafür geeigneten Vorrichtung wirkt in der Art, daß ein zwischen Werkzeug und Widerlager eingebrachtes Werkstück von diesen in eine Walzzone eingezogen und dort durch Beaufschlagen mindestens des einen Werkzeuges mit einer Walzkraft entsprechend umgeformt wird. Das Werkstück, das als Rohling oder als ein schon vorbearbeitetes Teil zwischen die es umformenden Werkzeuge eingezogen wird, wird von diesen analog der eingestellten Walzkraft mehr oder weniger stark gewalzt und dabei vorzugsweise um dessen Rotationsachse gedreht, so daß die Werkzeuge bzw. deren Profilierungen um den ganzen Mantel des Werkstückes auf dieses einwirken. Nach Beendigung dieser Einwirkungsphase wird das Werkstück, z. B. der fertige Artikel, aus der Walzzone ausgetragen und je nach weiterer Behandlung dieses Artikels als Fertigteil oder AnschluOteil ausgesondert oder einer Nachbehandlung, z. B. Wärmebehandlung od. a., unterzogen. Bei dieser Art der Umformung wird es jedoch als nachteilig angesehen, daß nach entsprechender Einstellung der Werkzeuge auf das zu bearbeitende Werkstück keine weiteren Maßnahmen auf den Umformvorgang getroffen werden, so daß bedingt durch die differenzierten Dimensionen der Rohlinge auch differenzierte Dimensionen an den Fertigteilen auftreten, wodurch die Ausschußquote erhöht und insbesondere die Nachbehandlung solcher Werkstükke erschwert wird. Hinzu kommt, daß ein solches Verfahren nicht überall zum Umformen von Werkstücken nach der kalten Umformung eingesetzt werden kann, weil dieses sehr stark von der Güte der zu bearbeitenden Charge der Rohlinge und

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den geforderten Toleranzvi/erten der Endfertigung bz\i/. Endumformung abhängt, so daß schon kleinere Unregelmäßigkeiten in der Charge, mangels Einhaltung der Toleranzwerte, hohe Ausschußquoten verursachen können. Aus diesen Gründen ist ein solches Verfahren nur bedingt für Massenproduktionen geeignet, besonders dann, wenn es gilt, den Umfang der Nachbehandlung der Werkstücke stark zu reduzieren oder gar aufzuheben (vgl. De-PS 12 04 615).

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, wodurch die Herstellung von Werkstücken selbst mit engen Toleranzen und möglichst ohne, zumindest aber ohne einen großen Anteil einer notwendigen Nachbehandlung derselben, möglich ist und welches Verfahren bei Beibehaltung der Konfiguration einer Werkzeuggeometrie die Herstellung von Werkstücken verschiedener Werkstoffe auch mit gleichen Werkzeugen erlaubt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe verfahrenstechnisch dadurch gelöst, daß während des Umformvorganges des Werkstückes eine diesem und dem Vorgang zugeordnete Größe laufend gemessen wird, und die Größe dieser Messung aus dem zeitlichen Verlauf derselben die zeitliche Einflußnahme verschiedener Parameter des Umformvorganges, insbesondere in bezug auf Werkstoff, Werkzeuggeometrie, Walzkraftaufbringung, Umfangskraft und Drehzahl u.a., steuert, und zwar ao lange, bis die dem Werkstück aufzuzwingende Geometrie mindestens eines die Walzkraft auf das Werkstück ausübenden Werkzeuges im jeweils vorgegebenen Umformvorgang sich an diesem Werkstück abgebildet hat.

Eine zum Durchführen eines solchen Verfahrens sich besonders eignende Vorrichtung besteht aus mindestens einem eine Profilierung aufweisenden Werkzeug und mindestens einem diesem Werkzeug entgegen wirkenden Widerlager, wobei mindestens das Werkzeug auf einem Lager verschiebbar geführt und dieses

Werkzeug mit einer Walzkraft für das Umformen eines zwischen Werkzeug und Widerlager einzubringenden Werkstückes beaufschlagbar ist sowie mindestens das Werkzeug mit einer auf das Werkstück zu übertragenden Profilierung nach Art einer dem Werkstück aufzuzwingenden Werkzeuggeometrie ausgestattet ist und welches sich dadurch auszeichnet, daß zwischen Widerlager und Werkzeug eine MeQeinrichtung für das Messen des Umformvorganges des Werkstückes vorgesehen und diese Meßeinrichtung mit einer Meßsonde ausgestattet ist, welche Messungen am Werkstück mindestens während seiner Umformung erlaubt und die mit einer Steuerung verbunden ist, an der die einzelnen von der Meßsonde ermittelten Meßwerte Parametern des Umformvorganges eingebbar sind und welche Steuerung mit Funktionen auslösenden Antriebsmitteln, insbesondere für die zeitliche Einwirkung derselben auf den Umformvorgang, verbunden ist.

Durch diese Maßnahmen wird eine Möglichkeit zum Umformen von Werkstücken aufgezeigt, die nicht nur eine breite Anwendung dieser Erkenntnisse auf eine Vielzahl von Werkstükken und Werkstoffarten erlaubt, sondern auch dazu beiträgt, die Anwendbarkeit des Verfahrens und der hierzu vorgeschlagenen Vorrichtung nach einfach erkennbaren und regelbaren Parametern hinsichtlich des Umformuorganges auszulegen und zum Einsatz zu bringen. Die Anwendung dieser Maßnahmen hat gezeigt, daß entgegen anderer Lesarten, das Verhalten eines Werkstoffes während dessen Umformung im wesentlichen von vier Parametern bzw. Einflußgrößen abhängt, nämlich von der charakteristischen Eigenschaft des umzuformenden Werkstoffes des Werkstückes, von der Geometrie der zum Umformen verwendeten Werkzeuge, von den Parametern der verwendeten Vorrichtung, wie etwa der möglichen Drehzahl, Walzkraft u.a. und dem Prinzip der Vorrichtung, ob bei dieser das Werkstück und/oder das jeweilige Werkzeug bewegt wird. Diese hier aufgezeigten Maßnahmen ermöglichen auch auf einfache Weise Kombinationen dieser Parameter, wobei je nach deren

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Kombination eine jeweils charakteristische Zeitabhängigkeit des Umformvorganges resultiert, welche nach den Merkmalen der Erfindung auf verschiedenen Wegen gemessen und das Meßergebnis zur Steuerung der einzelnen Parameter, insbesondere die der Vorrichtung, eingesetzt werden kann. Solche Messungen können z. B. die zeitliche Veränderung der entstehenden Geometrie am Werkstück und/oder den zeitlichen Ablauf der von der Walzkraft ausgelösten Reaktionskraft des umgeformten Werkstoffes gegen die diesen umformenden Geometrie des jeweiligen Werkzeuges bedeuten.

Die Möglichkeit der Erfassung dieser verschiedenen, zeitlichen Verläufe und somit Parameter des Umformvorganges erlaubt eine exakte Verfolgung des jeweiligen Umformvorganges, wodurch es auch möglich wird, die gewünschte, optimale Geometrie an einem Werkstück für jedes Werkstück mit gleicher Werkstoffart mit unterschiedlichen Kombinationen der einzelnen Parameter der Vorrichtung, je nach dem, was zweckmäßiger ist, zu erreichen. Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß nach Festlegung einer bestimmten Kombination der Parameter der Vorrichtung, gegebenenfalls auch des Verfahrens, beispielsweise für eine spezielle schraubenförmige Geometrie eines Werkstückes und des hierfür geeigneten Werkstoffes ein charakteristischer Kurvenverlauf zum einen aus der zeitlichen Veränderung der entstehenden Geometrie des Werkstückes und zum anderen aus dem zeitlichen Verlauf der Reaktionskraft des umgeformten Werkstoffes gegen die diesen umformende Geometrie des Werkzeuges resultiert, die auf einfache Weise Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Werkstückes erlaubt. Ergeben sich nur Abweichungen, z. B. der der Massenproduktion von Schrauben, von den vorgegebenen, optimalen Kurvenverläufen nach vorstehender Ableitung, dann kann auf einfache und schnelle Weise geschlossen werden, daß entweder der Durchmesser des vorbearbeitenen Rohlings außerhalb einer zulässigen Toleranz lag oder daß eine andere Werkstoffcharge zur Bearbeitung bzw. Umformung kam.

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Die optimalen Zeitverläufe des Umformvorganges können dabei entweder als Ganzes in einer Steuerung, z. B. einem Mikroprozessor, gespeichert sein oder es können Teile dieser Zeitverläufe (z. B. Minimal-Mäximalwerte) in der Vorrichtung selbst, z. B. deren die Walzkraft aufbringenden System, wie etwa der Hydraulik, abgelegt sein. Dieses Festhalten der optimalen Werte hat den Vorteil, daß im Fall einer Abweichung des während der Umformung gemessenen Kurvenverlaufes von den in der Steuerung bzw. Vorrichtung gespeicherten Werten das Werkstück sofort als Ausschußteil erkannt wird und dieses als solches unverzüglich ausgesondert oder in der Vorrichtung nicht weiter bearbeitet wird. Auf diese Weise kann die Effizenz der Vorrichtung verbessert und die Quote von mit Mängeln behafteter Werkstücke in der fertigen Charge reduziert werden.

In den Zeichnungen ist eines der möglichen Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht auf eine Vorrichtung mit einem zwischen Werkzeugen sich befindenden Werkstück und die den Umformvorgang entsprechend festgelegter Parameter ermöglichenden Funktionsteilen,

Fig. 2 eine Ansicht auf die Vorrichtung gem. Fig. 1 mit nur Betonung der Werkzeuge und eines zwischen ihnen angeordneten Werkstückes, wobei nur die von der Kinematik beeinflußten Teile in Ansicht und Draufsicht dargestellt sind,

Fig. 3 einen Längsmittelschnitt durch je ein nur teilweise dargestelltes Werkzeug und Werkstück mit im Werkstück bereits abgebildeter Profilierung,

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Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht auf eine an ein Werkstück angesetzte Meßeinrichtung und die das Werkstück umformenden Werkzeuge lediglich angedeutet,

Fig. 5 ein Diagramm, aufgetragen über den Vorschub zur Eindringzeit für einen charakteristischen Zeitverlauf des Eindringweges der Werkzeuge in Werkstücke verschiedenartiger Werkstoffart, wobei die Werkstoffarten mit C 15; C 25; C 45 und C 60 angegeben sind,

Fig. 6 ein Diagramm,' aufgetragen über den Außendurchmesser eines Werkstückes zur Umformzeit über den Weg-Zeit-Verlauf mit Angaben von zulässigen Toleranzbreiten,

Fig. 7 ein Diagramm, aufgetragen über die Walzkraft F in N (Newten) und die Umformzeit in Sekunden mit Angaben eines zulässigen Toleranzwertes für den Kraft-Zeit-Verlauf,

Fig. 8 ein Diagramm, aufgetragen über den Werkstückdurchmesser in mm und die Walzkraft F in N sowie die Umformzeit in Sekunden für Kraft-Weg-Zeit-Verläufe,

Fig. 9 eine Anordnung von Vorrichtung und Prozeßrechner mit Vor- und Rückkoppelung derselben sowie Bildschirm, Bedienkonsole und Magneteingaben und

Fig. 10 ein Diagramm, aufgetragen über Leistungsverlauf der Umformung P und Umformzeit t für einige Werkstoffe mit Auftragung einer Leistungsspitze.

Eine Vorrichtung 1 zum Umformen von Werkstücken 2, insbesondere walkbaren Metallen, wie Stahl, Messing, Aluminium u.a., wird im wesentlichen von zwei Werkzeugen 3, 4 mit auf ihnen angeordneten und auf das Werkstück zu übertragenden Profilierungen 5, den sogenannten Werkzeuggeometrien, gebildet,

von denen mindestens das eine Werkzeug 4 auf einer in Wirkrichtung 6 des Werkzeuges auf das Werkstück 2 verschiebbaren Welle 7 angeordnet ist. Das andere Werkzeug 3, welches dem ersten als Widerlager dient, kann wie das erste Werkzeug 4 ebenfalls auf einer in Wirkrichtung 6 verschiebbaren Welle 8 oder auf einer unverschiebbaren Welle aufgezogen sein. Zwischen diesen Werkzeugen 3, 4 ist das jeweils umzuformende Werkstück 2 eingelegt, welches je nach Art dessen Umformvorganges zwischen den Werkzeugen bewegt oder zumindest während der Einwirkung der Werkzeuge auf dieses, fallweise angehalten wird. Die auf den .Werkzeugen 3, 4 angebrachten Profilierungen 5 kann je nach der auf das Werkstück 2 zu übertragenden Geometrie der Werkzeuge als eine Verzahnung oder als eine glatte Zylinderlauffläche ausgeführt sein, oder es können Kombinationen solcher Profilierungen als Geometrien der Werkzeuge vorgesehen sein.

Oberhalb des von den Werkzeugen 3, 4 erfaßten Werkstückes 2 ist eine Meßeinrichtung 9 angeordnet, die gem. der Darstellung in Fig. 4 als eine elektro/mechanisch arbeitende Einrichtung ausgeführt ist. Diese Meßeinrichtung 9 wird im wesentlichen von mindestens einem Stab 10 mit einem an diesem befestigten Meßblech 11, wie auch einem Fühlstift 12 gebildet, welche auskragend an einer Platte 13 der Meßeinrichtung tauchend geführt sind. Der Stab 10 oder bei mehrfacher Anordnung die Stäbe bilden mit dem Meßblech 11 vorzugsweise ein Joch, gegen deren Jochbalken, der vom Meßblech gebildet wird, der Fühlstift 12 abgestützt ist. Während die an der Platte 13 der Meßeinrichtung 9 geführten Enden des Stabes 10 bzw. der Stäbe reibungsarm, vorzugsweise in Kugelbüchsen 14, geführt sind, ist das in dieser Platte geführte Ende des Fühlstiftes 12 in einem induktiven Wegtaster 15, ebenfalls reibungsarm, geführt, so daß ein vom Fühlstift zurückgelegter Weg beim Austauchen desselben aus der Platte und Eintauchen des Meßbleches 11 in eine Profilierung 16 des Werkstükkes 2 dieser Weg als Meßwert der Eintauchtiefe und somit als

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Meßwert der Umformung des Werkstückes 2 der nachgeschalteten Meßeinrichtung 9 eingegeben wird. Ein solcher Meßwert kann vor Beginn der Umformung, während derselben oder nach Abschluß derselben am Werkstück 2 abgenommen werden, oder er kann während der ganzen Einspannung bzw. Umformung des Werkstückes laufend ermittelt und der Meßeinrichtung 9 eingegeben werden. Das Erfassen dieses Meßwertes geschieht dabei insbesondere während der Umformung des Werkstückes 2 in der Weise, daß das an den Stäben 10 befestigte und vorzugsweise geschliffene Meßblech 11 in die jeweilige, von den Werkzeugen 3, 4 in das Werkstück 2 eingedrückte Profilierung 16 eingetaucht wird und dabei die Eintauchtiefe der Profilierung laufend ermittelt. Soll zusätzlich zur Tiefe der Profilierung 16 auch die Steilheit 17 der Kanten an dieser, beispielsweise einer dem Werkstück 2 aufzuzwingenden Verzahnung, ermittel werden, so kann hierzu ein dem herzustellenden Profil besser angepaßte Meßblech 11, z. B. ein Keil, verwendet werden, so daß mit zunehmender Eintauchtiefe auch die sonstigen Parameter des dem Werkstück 2 zu gebenden Profils ermittelt werden können, die durch das Auffließen des Werkstoffes um die jeweilige Profilierung entstehen.

Diese, vorzugsweise laufend am Werkstück 2 gemessenen Meßwerte, werden über den Fühlstift 12 und dem diesem nachgeschalteten, induktiven Wegtaster 15 einer diesem wiederum nachgeschalteten Steuerung, übermittelt, die im wesentlichen von einem Prozeßrechner 18, einem diesem wiederum nachgeschalteten Regler 19 und den die Werkzeuge 3, 4 betätigenden Antrieben 20, 21 gebildet wird. Der Rechner, dem die optimalen Sollwerte eines Umformvorganges vorher eingegeben sein können, errechnet die etwaigen Differenzwerte zwischen diesen Sollwerten und den über die Meßeinrichhtung 9 ermittelten Istwerten und leitet über den Regler 19 die etwaig notwendig werdenden Korrekturen ein, die dieser wiederum, als Änderung gen der Parameter, der Vorrichtung 1, z. B. Erhöhung oder Erniedrigung der Walzkraft, Änderung der Drehzahl u.a., insbesondere auf die Antriebe 20, 21 der Werkzeuge 3, 4 eingibt

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und dort gegebenenfalls die entsprechend notwendige Korrekturschritte einleitet. Im Fall, daß die ermittelten Meßwerte einen gravierenden Hangel am Werkstück 2 erkennen lassen und dieser durch Änderung der Parameter innerhalb vorher festgelegter Toleranzgrenzen nicht behoben werden kann, wird das Werkstück als Ausschuß erkannt und als solcher sofort ausgesondert, so daß schon in einem frühen Stadium der Umformung weitere Umformvorgänge an diesem eingestellt werden.

Um dabei dem Werkstück 2 eine dem jeweiligen Umformvorgang

eigene Geometrie geben zu können, sind die das Werkstück umformenden Werkzeuge 3, 4 ebenfalls mit einer entsprechenden Geometrie versehen, wobei diese je nach Art derselben, als die Profilierung 5 einer Verzahnung, zylindrische Lauffläche oder als Kombination derselben ausgeführt sein kann. Nimmt man als Profilierung 5 eine Verzahnung, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, so sind die Zähne dieser Profilierung am Mantel eines auf einer Welle 7, 8 aufgezogenen Rades des Werkzeuges 3, 4 vorgesehen. Das Werkstück 2, welches in seinem Rohteilzustand 22, z. B. zylindrisch ausgeführt ist, wird zwischen die Werkzeuge 3, 4 eingegeben und durch das Aufpressen, mindestens des einen Werkzeuges, z.B. 4, gegen dieses, entsprechend profiliert. Dabei wird durch die auf das eine oder auf beide Werkzeuge 3, 4 wirkende Walzkraft die Profilierung 5 jedes Werkzeuges allmählich in das Werkstück 2 eingedrückt, wobei während des Eindrückens der jeweiligen Profilierung in das Werkstück der um diese Profilierung, d. h. den entsprechenden Zahn, sich befindende Werkstoff zum Auffließen gebracht wird, und zwar soweit, daß zum einen am Werkstück eine Vertiefung, z. B. eine Zahnlücke 23, und zum anderen eine Erhöhung, z. B. eine Zahnflanke 24, entsteht. Die Zahnflanke 24 wird dabei von dem aus der Zahnlücke 23 verdrängten Werkstoff gebildet, wobei diese je nach Tiefe der Zahnlücke eine hohe oder weniger hohe Flanke aufweisen kann. Die Eindringtiefe S von Null 0 zu S r S. der Profilierung 5 des Werkzeuges 3, 4 in das Werkstück 2 ent-

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spricht der Flankenhöhe der einzelnen Zähne des Werkzeuges und der Walzkraft, mit der diese in das Werkstück eingepreßt werden. Die Beschaffenheit der am Werkstück 2 sich abbildenden Profilierrung 16 ist dabei so gut, daß selbst nach einer Wärmebehandlung des Werkstückes 2 zum Zwecke dessen Vergütung oder Entspannung dieses kaum einer weiteren Nachbehandlung bedarf. Was die Werkzeuge 3, 4 selbst anbelangt, so sind diese auf einem Maschinenfundament 25 drehbar gelagert, und es ist mindestens das eine Werkzeug 4 auf einer in Wirkrichtung 6 der Walzkraft verschiebbaren Lagerung 26 auf diesem Maschinenfundament, angeordnet. Analog dieser Anordnung der Werkzeuge 3, 4, die vorzugsweise als Rollwerkzeuge ausgeführt sind, wirkt bei fester Anordnung des einen Werkzeuges 3 dieses als sogenanntes Widerlager, während das andere Werkzeug 4 das Arbeitswerkzeug ist. In Fällen aber, wo es z. B. auf schnelle Umformvorgänge ankommt, werden beide Werkzeuge 3, 4 in Walzrichtung verschiebbar auf dem Maschinenfundament 25 angeordnet, so daß während des Umformvorganges diese auf einander sich bewegen und somit gegeneinander wirken. Das zwischen den Werkzeugen 3, 4 sich befindende Werkstück 2 kann entweder an einem eigenen Antrieb angeschlossen sein, oder es kann allein vom Reibungsschluß der auf dieses wirkenden Werkzeuge mitgenommen werden. Die Drehrichtung 27 der Werkzeuge 3, 4 ist bei einem solchen Reibungsschluß eine im Uhrzeigersinn verlaufende, so daß das Werkstück 2 gegen diesen Uhrzeigersinn umläuft.

Die Durchführung des erfindungsgemäOen Verfahrens ist wie folgt:

Wie oben bereits ausgeführt, entsteht die Geometrie am Werkstück 2 dadurch, daß das jeweilige Werkzeug 3, 4 in dieses eindringt und der Werkstoff des Werkstückes um die in dieses eindringende Profilierung auffließt. Dabei ergeben sich folgende Nessungen in bezug auf die Zeitabhängigkeit des Umformvorganges, die mit der Umformung zeitgleich sind, und zwar,

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a) die zeitliche Veränderung der entstehenden Geometrie am Werkstück 2,

b) der zeitliche Verlauf der Reaktionskraft des umgeformten Werkstoffes des Werkstückes 2 gegen die umformende Geometrie des Werkzeuges 3, 4.

Bei der Durchführung nach der Voraussetzung gem. obigem Merkmal a) ergibt sich, daß die Messung des zeitabhängigen Entstehens der Geometrie des Werkstückes 2 bei der oben aufgezeigten Vorrichtung 1 in einfachster Form dadurch realisiert werden kann, daß das geschliffene Meßblech 11 auf dem noch unbearbeiteten Rohteil 22 des Werkstückes aufliegt. Wird das Rohteil 22 umgeformt, dann fließt, wie bereits ausgeführt, dessen Werkstoff seitlich der eindringenden Profilierung des Werkstückes 3, 4 auf. Das Meßblech 11 wird dadurch radial von dem Mittelpunkt M. des Werkstückes weggedrückt. Der auf dem Meßblech 11 angeordnete, bzw. angelegte Fühlstift 12 des induktiven Wegtasters 15 wird ausgelenkt und die daraus resultierende Spannungsänderung des induktiven Tasters ist eine analoge Meßgröße zu dem zurückgelegten Weg S=O zu S = S, der Eindringtiefe. Die Umwandlung dieser analogen Meßgröße in digitale Werte erzeugt einen Kurvenverlauf aus dem Vorschub (S) in bezug auf Werkstoff (f) und Einwirkungszeit (t) somit die Gleichung s = f (t). Die Fig. 5 zeigt solche charakteristische Weg-Zeit-Verläufe für verschiedene Werkstoffe, wie C 15; C 25; C 45; C 60, bezogen auf den Eindringweg S₁ in mm der Werkzeuge 3, 4 in das bzw. die Werkstücke 2.

Die Aussagekraft dieser Kurven beruht darauf, daß zunächst der Durchmesser des Rohlings 22 des angelieferten Werkstücks 2 festgestellt werden kann. Der gesamte Kurvenverlauf ist für die bearbeitende Geometrie der Werkzeuge 3, 4, den bearbeiteten Werkstoff und die eingestellten Parameter der Vor-

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richtung 1 charakteristisch. Der Maximalwert dieser Kurven (Außendurchmesser des fertigen Werkstücks 2) wird so glei chermaßen erfaßt, wie der Ausgangsdurchmesser des Rohteils 22. Für die Beurteilung der Umformung liegen demnach zu jedem Abschnitt des Geschehens, nämlich vor der Bearbeitung, während der Bearbeitung und nach der Bearbeitung, ein oder mehrere, klar definierte, gemessene Ist-Meßwerte vor. Die dazugehörigen Soll-Werte können entweder in einem Mikroprozessor der Steuerung 18 abgelegt sein oder aber über Minimal-Maximalwertschaltungen in der Vorrichtung 1 selbst eingegeben sein.

Der Vergleich von Ist- und Soll-Wert zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Umformung, also vor, während, nach derselben, ist innerhalb frei wählbarer Toleranzen das Entscheidungskriterium für die jeweilige Aussage "Werkstück - gut" oder "Werkstück - Ausschuß".

Bei der Durchführung nach der Voraussetzung gem. Merkmal b) dieser Aussage ergibt sich, daß der zeitliche Verlauf der Reaktionskraft des umgeformten Werkstoffes über Dehnungen an Teilen des Maschinenrahmens 25, über Dehnungen an den Werkzeugen 3, 4, über Kraftmeßlager an den Werkzeughalterungen (z. B. Spindeln) und in der walzkrafterzeugenden Maschinenmechanik oder -hydraulik 21 gemessen werden kann. Der gemessene Zeit-Verlauf der Walzkraft in bezug auf Vorschub und Zeit, d. h. F = f(t), für eine spezielle Geometrie des Werkzeuges 3, 4, einen bestimmten Werkstoff des Rohlings und eine Einstellkombination der Parameter der Vorrichtung 1, wie z.B. Drehzahl, Walzkraft, ist charakteristisch für die jeweilige Umformung bzw. den Umformvorgang. Ein solcher charakteristischer Kraft-Zeit-Verlauf ist in Fig. 6 dargestellt.

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Wie schon unter der Voraussetzung a) beschrieben, kann ein Soll-Zeit-Verlauf des Kraftverlaufs in einem Mikroprozessor abgelegt sein, oder es können Minimal-Maximalwerte in der Vorrichtung 1 bzw. Maschinenmechanik, -hydraulik 21 der Umformmaschine 25 selbst vorhanden bzw. eingegeben sein. Der Vergleich solcher Soll-Ist-Werte entscheidet auch hier über "Werkstück - gut" oder "Werkstück - Ausschuß".

Die Darstellung dieser Voraussetzung gem. Merkmal b) für den Kraft-Zeit-Verlauf ergibt sich aus Fig. 7, die eine Kurve der Umformung in Abhängigkeit von der Walzkraft, angegeben in N (Newten) und der Zeit S (Sekunden), aufweist. Auch aus dieser Kurve ist erkennbar, daß die Umformung des Werkstückes 2 innerhalb eines Toleranzfeldes (schraffiertes Band) vorgenommen wurde, dessen Maximal- und Minimalwerte nicht überschritten wurden.

Analog den vorstehenden Ausführungen sind auch Kombinationen der Voraussetzungen nach den Merkmalen a) und b) möglich, so beispielsweise die Kombination

c) aus Messung der Geometrie des Werkstückes 2/ Werkzeuges 3, 4 und Verlauf der einwirkenden Walzkraft.

Für spezielle Umformungen kann es sinnvoll sein, sowohl die Zeitabhängigkeit der Geometrieänderung des bearbeiteten Werkstoffes zu messen als auch den dabei resultierenden Zeit-Verlauf der Reaktionskraft des bearbeiteten Werkstoffes. Die Fig. 8 zeigt solche Kurvenverläufe für s = f (t) und F = f (t), wobei (S ) die Eindringtiefe in bezug auf Werkstoff (f) und Zeit (t) und (F) die Walzkraft ebenfalls in bezug auf Werkstoff (f) und Zeit (t) zeigen.

Auch in einem solchen Fall können die Soll-Kurvenverläufe s = f (t) und F r f (t) als Ganzes oder als Minimal-Maximalwerte in einem Mikroprozessor oder in einfachen Minimal-Maximalschaltungen in der Vorrichtung 1 selbst abgelegt sein.

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Auch dieser Vergleich von Soll-Ist-Werten entscheidet über die Güte des Werkstückes 2 und somit auch über "Werkstück - gut" oder "Werkstück - Ausschuß".

Analog diesen Erkenntnissen zu den gemessenen Kurven bzw. Entscheidungskriterien nach S = f (t) und F = f (t), woraus die Aussage "Werkstück - gut" bzw. "Werkstück - Ausschuß" resultiert, können auch weitere Entscheidungskriterien aus diesen Kurven abgeleitet werden. So können beispielsweise Aussagen darüber gemacht werden, wie etwa:

d) welche sind die optimalen Einstelldaten der Maschine bzw. Vorrichtung 1, z. B. in bezug auf Walzkraft, Drehzahl, für eine spezielle Umformung, d. h. einer Geometrie des Werkzeuges 3, 4 oder Werkstoff des Rohlings 22?

e) wie sollte die Walzkraft und Drehzahl der Werkzeuge

3, 4 während der Umformung geregelt werden, damit keine Leistungsspitzen an der Vorrichtung 1 auftreten?

Zur Beantwortung der unter dem Merkmal d) aufgeworfenen Fragen ergibt sich, daß nach dem vorbeschriebenen Aufbau der Messung am Werkstück 2 und Messung verschiedener Geometrien und Werkstoffe auch eine große Zahl von Kurven s = f (t) und F = f (t) bei verschiedenen Kombinationen der Parameter, insbesondere der Vorrichtung 1, vorliegt, so daß aus dem Vergleich dieser Kurvenverläufe abgeleitet werden kann, welche Kurve bzw. welche Parameter für die optimalen Einstelldaten für die jeweilige Umformung eines Werkstückes ist bzw. sind. Wird die Umformung z. B. mit einer ansteuerbaren Umformmaschine bzw. Vorrichtung 1, z. B. gem. Fig. 1, verbunden mit einem Prozeßrechner 18 durchgeführt, so kann dieser Rechner die verschiedenen Kurvenverläufe s = f (t) und F = f (t) erfassen und messen sowie mit abgelegten oder durch die

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Messungen selbst berechneten Kurvenverläufen, ζ. B. Hagnetaufzeichnungen 28, 29, vergleichen. Vereinfacht ausgedrückt kann gesagt werden, daß bei einer solchen Maschinen-Rechner-Konstellation diese beispielsweise von Versuchslauf zu Versuchslauf dazulernt, und letztendlich daraus die optimale Einstellung der einzelnen Parameter, wie beispielsweise die Kombination der Vorrichtung 1 und der zeitliche Verlauf der Umformung, resultiert.

Wie im Merkmal e) bereits erkannt wurde, resultiert aus einer starren Einstellung von Walzkraft und Drehzahl, beide Größen werden konstant eingestellt, ein Leistungs-Verlauf der Umformung28 nach P = f (t), der mit einer Leistungsspitze 30 während der Umformung beginnt. Dabei bedeutet (P) die Leistung der Umformung und (F) bzw. (t) die Werkstoffart bzw. Walzzeit. Diese Leistungsspitzen 30 müssen aber von den Werkzeugen 3, 4 ertragen werden, was sehr standfeste und aufwendige Werkzeuge erfordert. Die Standzeit dieser auch teuren Werkzeuge 3, 4 wird durch diese Leistungsspitzen 30 erheblich beeinträchtigt. Wird nun, was schon zu Merkmal d) beschrieben, eine Vorrichtung 1 bzw. eine Walzmaschinen-Rechner-Konstellation gemäß der Erfindung eingesetzt, so würde der Rechner 18 Kurven s = d (t), F = f (t) messen, aufnehmen und mit abgelegten oder durch die Messung selbst berechneten Kurvenverläufen P = f (t) vergleichen. Nach Maßgabe von z.B. eines festgelegten Leistungsverlaufs P = f (t) ohne Leistungsspitzen 30, würde der Rechner 18 die Vorrichtung 1 und somit deren Walzkraft, Drehzahl oder deren anderen Parameter so regeln, daß keine Leistungsspitzen mehr auftreten,s·Kurve 31·

Um solche Leistungsspitzen zu vermeiden, wird mit der Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung ein Kurvenverlauf 31 der Umformung gefahren oder zumindest angenähert, wie er in Fig. 10 strichliert dargestellt ist. Ein solcher Kurvenverlauf 31 kann für die verschiedenen Werkstoffarten, wie sie in dieser Fig. angegeben sind, gelten^ _so beispielsweise für C - 15, C - 35, C - 45 und C - 60.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE

   flT)Verfahren zum Umformen von insbesondere metallischen Werkstücken, u/ie Verzahnungen, Wellen, zylindrischen Laufflächen u.a., wobei die Umformung des Werkstückes durch Beaufschlagen desselben mit einer Walzkraft mindestens eines Werkzeuges erfolgt, und das Werkzeug mit einer Profilierung für eine dem Werkstück aufzuzwingende Werkzeuggeometrie ausgestattet ist, spwie diese Profilierung bzw. Werkzeuggeometrie auf dem Wege insbesondere einer kalten Walzumformung auf das Werkstück übertragen wird, und zwar in der Art, daß während der Einwirkung der Walzkraft auf das Werkstück dessen Werkstoff im Be-

   reich der bzw. Werkzeuggeometrie auf dem Wege insbesondere einer kalten Walzumformung auf das Werkstück übertragen wird, und zwar in der Art, daß während der Einwirkung der jeweiligen, auf das Werkstück einwirkenden Profilierung zum Auffließen gebracht wird, und mindestens ein Teil dieses aufgeflossenen Werkstoffes zusammen mit dem übrigen, von der Profilierung kaum noch erfaßten Werkstoff den Grad der Profilierung und somit auch die dem jeweiligen Umformvorgang eigene Werkzeuggeometrie.am Werkstück abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß während des Umformvorganges des Werkstückes eine diesem und dem Vorgang zugeordnete Größe laufend gemessen wird, und die Größe dieser Messung aus dem zeitlichen Verlauf derselben die zeitliche Einflußnahme verschiedener Parameter des Umformvorganges, insbesondere in bezug auf Werkstoff, Werkzeuggeometrie, Walzkraftaufbringung, Umfangskraft und Drehzahl u.a., steuert, und zwar so lange, bis die dem Werkstück aufzuzwingende Geometrie mindestens eines die Walzkraft auf das Werkstück ausübenden Werkzeuges im jeweils vorgegebenen Umformvorgang sich an diesem Werkstück abgebildet hat.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Umformvorgang während der Umformung eines Werkstückes eine Größe gemessen wird, deren zeitlicher Verlauf die zeitliche Einflußnahme der verschiedenen Parameter der Umformung regelt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf des Umformvorganges von den diesen beeinflussenden Parametern, wie Eigenschaften des Werkstoffes, Geometrie des Werkzeuges, Auslegung der Walzkraft, Einwirkung der Walzkraft auf das Werkstück, wie auch Bewegung des Werkstückes und/oder mindestens eines der Werkzeuge an der Walzkraft, beeinflußbar ist, und daß

   alle diese den Umformvorgang beeinflussenden Parameter nach GröGe und zeitlicher Einwirkung auf das Werkstück von der an diesem laufend ermittelten GröGe der erfolgten, zeitlichen Umformung regelbar sind.
4. 4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-3, bestehend aus mindestens einem eine Profilierung aufweisenden Werkzeug und mindestens einem diesem Werkzeug entgegen wirkenden Widerlager, wobei mindestens das Werkzeug auf einem Lager verschiebbar geführt und dieses Werkzeug mit einer Walzkraft für das Urnformen eines zwischen Werkzeug und Widerlager einzubringenden Werkstückes beaufschlagbar ist sowie mindestens das Werkzeug mit einer auf das Werkstück zu übertragenden Profilierung nach Art einer dem Werkstück aufzuzwingenden Werkzeuggeometrie ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daG zwischen Widerlager (3) und Werkzeug

   (4) eine MeGeinrichtung (9) für das Messen des Umformvorganges des Werkstückes (2) vorgesehen und diese Meßeinrichtung mit einer Meßsonde (11, 12) ausgestattet ist, welche Messungen am Werkstück mindestens während seiner Umformung erlaubt und die mit einer Steuerung (18) verbunden ist, an der die einzelnen von der Meßsonde ermittelten Meßwerte bzw. Parameter des Umformvorganges eingebbar sind und welche Steuerung mit Funktionen auslösenden Antriebsmitteln (20, 21), insbesondere für die zeitliche Einwirkung derselben auf den Umformvorgang, verbunden ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (9) mechanisch und die Meßsonde für das Feststellen der zeitlichen Umformung des Werkstückes (2) als ein Meßblech (11) ausgeführt sowie dieses an mindestens einem Stab (10) angebracht und an einem Fühlstift (12) angelehnt ist, und der Stab als auch der Fühlstift in einer Platte (13) der MeGeinrichtung tauchend

   geführt sind, und daß für die Führung des Stabes an der Platte eine reibungsarme Büchse (Kugelbüchse 14) und für die Führung des Fühlstiftes an der Platte ein induktiver Wegtaster (15) vorgesehen ist, wie auch der Wegtaster der Meßeinrichtung an der die Parameter des Umformvorganges auslösenden Steuerung (18) angeschlossen ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß die Meßeinrichtung (9) elektrisch und die Meßsonde (11, 12) für das Feststellen der zeitlichen Umformung des Werkstückes (2) als ein fotoelektrischer Wegmesser ausgeführt sowie dieser an einem Halter kardanisch aufgehängt ist und dieser Halter an einer Platte (13) der Meßeinrichtung tauchend geführt ist, und daß für die Führung dieses Halters an der Platte ein reibungsarmer Axialtrieb vorgesehen ist, v/ie auch der Wegmesser der Meßeinrichtung an der die Parameter des Umformvorganges auslösenden Steuerung angeschlossen ist.
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (13) der Meßeinrichtung (9) über dem umzuformenden Werkstück (2) angeordnet ist und die die zeitliche Messung des Umformvorganges aufnehmende Meßsonde (11, 12) in der lotrechten Längsmittelebene des Werkstückes über der ausgeführten Profilierung in diesem Werkstück angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

   daß das Widerlager (3) von einem die gleiche Profilierung wie das bewegbare Werkzeug (4) aufweisenden Werkzeug gebildet wird und dieses Widerlager bzw. Werkzeug um eine Achse (8) drehbar gelagert ist.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, wobei auch das als Widerlager dienende Werkzeug auf einem Lager ver-

   schiebbar geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
   Heßeinrichtung (9) auf einer Führung, axial verschiebbar geführt, angeordnet ist, und daß für das synchrone Verschieben dieser Meßeinrichtung auf dieser Führung die
   Meßeinrichtung mit einem von der Verschiebung mindestens des einen Werkzeuges (3., 4) abhängigen Antrieb verbunden ist.