DE102013002495A1 - Cold forging device for working on surface of e.g. cylinder barrel of connecting rod in combustion engine during coating process, has operation volume performing activation of knocking element and in connection with knocking element - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kaltschmiedevorrichtung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a cold forging device according to the closer defined in the preamble of
Aus der deutschen Patentschrift
In der gattungsgemäßen
Obwohl in der gattungsgemäßen deutschen Offenlegungsschrift ausgeführt ist, dass die Kaltschmiedevorrichtung entsprechend klein ausgebildet ist und dadurch relativ steile Bearbeitungswinkel zu einer beschichteten Oberfläche ermöglicht, entsteht dennoch die Problematik, dass das Klopfelement bei der Bearbeitung von Innenflächen wie beispielsweise Lageraugen in Pleueln, Zylinderbohrungen oder dergleichen, immer noch in einem deutlich von der Senkrechten abweichenden Winkel auf die Oberflächenbeschichtung trifft. Hierdurch werden neben der gewünschten Verdichtung Scherkräfte auf die Oberflächenschicht ausgeübt, welche zu einer Beeinträchtigung der Oberflächenschicht und schlimmstenfalls zu einem partiellen Ablösen derselben von dem sie tragenden Substratwerkstoff führen können.Although it is stated in the German patent publication that the cold forging device is designed to be correspondingly small and thereby allows relatively steep machining angles to a coated surface, the problem still arises that the knocking element may be used in the machining of inner surfaces such as, for example, bearing eyes in connecting rods, cylinder bores or the like, still hits the surface coating at an angle that differs significantly from the vertical. As a result, shear forces are exerted on the surface layer in addition to the desired compression, which can lead to an impairment of the surface layer and at worst to a partial detachment of the same from the supporting substrate material.
Bereits aus der
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Kaltschmiedevorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass diese insbesondere die Bearbeitung von Innenflächen sehr einfach, schnell und mit hoher Bearbeitungsqualität gewährleistet.The object of the present invention is now to further develop a cold forging device such that it in particular ensures the processing of inner surfaces very easily, quickly and with high quality machining.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of
Bei der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung ist es nun so, dass das wenigstens eine Klopfelement senkrecht zur Längsachse der Aufnahme radial beweglich ausgebildet ist. Diese spezielle Ausgestaltung, bei welcher sich das Klopfelement senkrecht zur Längsachse der Aufnahme radial bewegt, ermöglicht ein Eintauchen der sehr klein ausführbaren Klopfelemente beispielsweise in das Lagerauge eines Pleuels durch eine Bewegung der Klopfvorrichtung entlang der Längsachse der Aufnahme. Nachdem die Klopfvorrichtung entsprechend positioniert ist, können die Klopfelemente durch eine Druckbeaufschlagung des Betätigungsvolumens direkt radial bewegt werden. Somit erfolgt eine direkte Betätigung des wenigstens einen Klopfelements durch die Druckbeaufschlagung, beispielsweise mit Druckluft des Betätigungsvolumens in radialer Richtung, also in der gewünschten Bewegungsrichtung des Klopfelements. Daher kann auf eine mechanische Umlenkung verzichtet werden. Hierdurch wird Verschleiß an der Vorrichtung vermieden und es wird mehr Energie für den eigentlichen Klopfvorgang frei, da die zu überwindenden Reibungskräfte sehr viel geringer sind, als sie es bei einer mechanischen Umlenkung einer axial zur Längsachse wirkenden Kraft in die radiale Richtung wären. Die Klopfelemente werden so effizient radial nach außen bewegt und klopfen bzw. hämmern die Innenfläche beispielsweise eines Zylinders oder eines Lagerauges, z. B. in einem Pleuel, sicher und zuverlässig mit einer senkrechten oder annähernd senkrechten Schlagrichtung auf die entsprechende Oberfläche auftreffende Bewegung. Hierdurch werden Scherkräfte vermieden und die Gefahr einer Beeinträchtigung der Haftung zwischen einer zu bearbeitenden Oberflächenschicht und dem Trägersubstrat dieser Schicht wird minimiert.In the case of the cold forging apparatus according to the invention, it is now the case that the at least one knocking element is designed to be radially movable perpendicular to the longitudinal axis of the receptacle. This special embodiment, in which the knocking member moves radially perpendicular to the longitudinal axis of the receptacle, allows immersion of the very small executable knocking elements, for example in the bearing eye of a connecting rod by a movement of the knocking device along the longitudinal axis of the recording. After the knocking device has been appropriately positioned, the knocking elements can be moved directly radially by pressurizing the actuating volume. Thus, a direct actuation of the at least one knocking element by the pressurization, for example, with compressed air of the actuating volume in the radial direction, ie in the desired direction of movement of the knocking element. Therefore, can be dispensed with a mechanical deflection. This will Avoiding wear on the device and it is more energy for the actual knocking free because the frictional forces to be overcome are much lower than they would be in a mechanical deflection of an axial force to the longitudinal axis in the radial direction. The knocking elements are so efficiently moved radially outward and knock or hammer the inner surface, for example, a cylinder or a bearing eye, z. B. in a connecting rod, safe and reliable with a vertical or approximately perpendicular direction of impact on the corresponding surface incident movement. As a result, shear forces are avoided and the risk of impairing the adhesion between a surface layer to be processed and the carrier substrate of this layer is minimized.
Eine solche direkte Betätigung des Klopfelements ist besonders einfach, da hier die über den Druck eingebrachte Leistung größtenteils in den zum Klopfen genutzten Impuls umgewandelt wird. Mechanische verlustbehaftete Umlenkungen der Kraftrichtung werden so eingespart und es wird ein sehr kompakter Aufbau erreicht, welcher die Klopfelemente mit hoher Kraft und bei entsprechender Ansteuerung sehr schnell bewegt. Hierdurch lässt sich die Bearbeitungsqualität steigern und die zur Bearbeitung notwendige Zeit minimieren.Such a direct actuation of the tapping element is particularly simple, since the power introduced via the pressure is largely converted into the pulse used for tapping. Mechanical lossy deflections of the direction of force are thus saved and it is achieved a very compact design, which moves the knocking elements with high force and with appropriate control very fast. As a result, the processing quality can be increased and minimize the time required for processing.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass mehrere radial bewegliche Klopfelemente über den Umfang verteilt angeordnet sind. Der Einsatz mehrerer Klopfelemente, welche radial beweglich und um den Umfang verteilt angeordnet sind, erlaubt eine Verkürzung der Prozesszeiten, da hierdurch sehr effizient die Innenfläche von Bohrungen oder dergleichen verdichtend nachbearbeitet werden kann. Die Anzahl der Klopfelemente steht dabei im direkten Verhältnis zur Bearbeitungszeit. Dabei ist im Allgemeinen ein Kompromiss aus einem möglichst großen Betätigungsweg und damit einer hohen Klopfkraft sowie beispielsweise bei einer pneumatischen Betätigung einen möglichst großen Kolbenquerschnitt zur Realisierung der hohen Klopfkraft sowie einer möglichst hohen Anzahl von Klopfelementen zur Verminderung der Bearbeitungsdauer zu finden.In a particularly favorable embodiment of the cold forging device according to the invention, it is provided that a plurality of radially movable knocking elements are arranged distributed over the circumference. The use of a plurality of knocking elements, which are arranged radially movable and distributed around the circumference, allows a shortening of the process times, as this very efficient, the inner surface of holes or the like can be reworked compacting. The number of knocking elements is in direct proportion to the processing time. In general, a compromise of the largest possible actuation path and thus a high knocking force and, for example, in a pneumatic actuation the largest possible piston cross section to realize the high knocking force and the highest possible number of knocking elements to reduce the processing time to find.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung sieht es als besonders günstigen Kompromiss vor, dass drei radial bewegliche Klopfelemente um den Umfang verteilt angeordnet sind. Diese Anzahl von drei, idealerweise um 120 Grad zueinander versetzten Klopfelemente, stellt einen idealen Kompromiss im oben beschriebenen Sinn dar. Außerdem gewährleistet die Verwendung der drei um 120 Grad versetzt angeordneten Klopfelemente eine Selbstzentrierung der Kaltschmiedevorrichtung, sodass der Aufwand bei der Positionierung vergleichsweise gering gehalten werden kann, und eine eventuelle Dezentrierung durch die zeitgleiche Betätigung der drei Klopfelemente selbsttätig kompensiert wird.A very advantageous development of the cold forging apparatus according to the invention provides a particularly favorable compromise in that three radially movable knocking elements are arranged distributed around the circumference. This number of three, ideally 120 degrees offset to each other knocking elements, represents an ideal compromise in the sense described above. In addition, the use of the three offset by 120 degrees arranged knocking ensures self-centering of the cold forging device, so that the cost of positioning are kept relatively low can, and a possible decentration is automatically compensated by the simultaneous operation of the three knock elements.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung ist es vorgesehen, dass jedes der Klopfelemente eine Klopfspitze und ein Kolbenelement aufweist, wobei die Klopfspitze radial außen angeordnet ist, und auf der der Klopfspitze abgewandten Seite radial innen das Kolbenelement angeordnet ist, welches eine Kolbenfläche aufweist, wobei die Kolbenfläche mit einem dem Druck beaufschlagbaren Betätigungsvolumen in Verbindung steht. Ein solcher Aufbau des Klopfelements mit Klopfspitze und Kolbenelement ist besonders effizient, da es einen einfachen und effektiven Austausch der Klopfspitze ermöglicht, ohne dass hierfür unmittelbar in das Werkzeug eingegriffen werden muss. Das Kolbenelement, welches zur optimalen Kraftentwicklung vergleichsweise präzise in der Vorrichtung angeordnet werden muss, muss zum Austausch der Klopfsitze somit nicht demontiert werden, was einen erheblichen Vorteil darstellt.In a particularly advantageous embodiment of the cold forging apparatus according to the invention, it is provided that each of the knocking elements has a knocking tip and a piston element, wherein the knocking tip is arranged radially on the outside, and on the side facing away from the knocking tip the piston element is arranged radially inward, which has a piston surface. wherein the piston surface is in communication with a pressure actuatable actuating volume. Such a construction of the tapping element with tapping tip and piston element is particularly efficient, since it allows a simple and effective replacement of the tapping tip, without having to intervene directly in the tool. The piston element, which has to be arranged comparatively precisely in the device for optimum force development, therefore does not have to be dismantled for replacement of the knock seats, which represents a considerable advantage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass das Betätigungsvolumen über eine, bevorzugte integrierte, Betätigungseinrichtung abwechselnd mit einer Druckquelle, z. B. einen Druckspeicher, und der Umgebung verbindbar ist. Hierdurch kann durch die Betätigungseinrichtung ein pulsierender Druck in dem Betätigungsvolumen erzielt werden, was in einer klopfenden Bewegung der Klopfelemente resultiert. Insbesondere die bevorzugte Integration der Betätigungseinrichtung in die Kaltschmiedevorrichtung gemäß der Erfindung ist dabei von entscheidendem Vorteil, da lediglich eine Druckluftversorgung der Kaltschmiedevorrichtung, beispielsweise über ihre Werkzeugaufnahme, wie es allgemein bekannt und üblich ist, erfolgen muss. Das Pulsieren des Drucks wird dann innerhalb der Kaltschmiedevorrichtung erzeugt, sodass eine sehr einfache und effiziente Steuerung der Klopffrequenz innerhalb der Kaltschmiedevorrichtung möglich ist. Externe pulsierende Druckspeicher, wie sie beispielsweise bei dem im gattungsgemäßen Stand der Technik beschriebenen Aufbau notwendig sind, können hier entfallen, was einen erheblichen Vorteil darstellt, da eine typischerweise ohnehin übliche Druckluftversorgung ausreicht.In an advantageous embodiment of the cold forging device according to the invention, it is provided that the actuating volume via a, preferred integrated, actuating device alternately with a pressure source, for. B. a pressure accumulator, and the environment is connectable. As a result, a pulsating pressure in the actuating volume can be achieved by the actuating device, resulting in a knocking movement of the knocking elements. In particular, the preferred integration of the actuator in the cold forging device according to the invention is of crucial advantage, since only a compressed air supply to the cold forging device, for example via their tool holder, as is well known and common must be done. The pulsation of the pressure is then generated within the cold forging device, so that a very simple and efficient control of the knocking frequency within the cold forging device is possible. External pulsating pressure accumulator, as they are necessary, for example, in the structure described in the generic state of the art, can be omitted here, which represents a significant advantage, since a typically already customary compressed air supply is sufficient.
In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass die Betätigungseinrichtung ein angetriebenes Schaltrad aufweist, welches über wenigstens eine, insbesondere radial verlaufende, Bohrung je nach Winkelstellung des Schaltrads das Betätigungsvolumen mit der Druckquelle einerseits oder der Umgebung andererseits verbindet. Das angetriebene Schaltrad kann dabei durch die Antriebsdrehzahl angesteuert werden, sodass die Frequenz der Druckbeaufschlagung und Entlastung des Betätigungsvolumens und damit letztlich die Klopffrequenz des wenigstens einen Klopfelements einfach und effizient beeinflusst werden kann, ohne die Notwendigkeit einer Druckveränderung und einer damit verbundenen Beeinflussung der Klopfkraft. Besonders günstig ist es dabei, wenn das Schaltrad über einen pneumatischen Motor angetrieben wird, welcher aus derselben Druckquelle mit Druckluft versorgt wird, wie das Schaltrad und Betätigungsvolumen der Kaltschmiedevorrichtung.In an advantageous development thereof, it is provided that the actuating device has a driven ratchet wheel which connects the actuating volume with the pressure source on the one hand or the environment on the other hand via at least one, in particular radially extending, bore depending on the angular position of the ratchet wheel. The driven ratchet can thereby by the Drive speed can be controlled so that the frequency of pressurization and discharge of the actuating volume and thus ultimately the knock frequency of the at least one knock element can be easily and efficiently influenced without the need for a pressure change and an associated influence on the knocking force. It is particularly advantageous if the ratchet wheel is driven by a pneumatic motor, which is supplied from the same pressure source with compressed air, such as the ratchet wheel and operating volume of the cold forging device.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung kann es vorgesehen sein, dass die Betätigungseinrichtung anstelle ihrer Ausgestaltung als Schaltrad als wenigstens ein Ventil ausgebildet ist. Ein solches Ventil kann vorzugsweise als elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigtes Ventil aufgebaut sein. Es kann insbesondere in einer ersten Ventilstellung das Betätigungsvolumen mit der Druckquelle verbinden und in der anderen Ventilstellung eine Verbindung zwischen dem Betätigungsvolumen und der Umgebung herstellen, sodass in der ersten Ventilstellung eine Druckbeaufschlagung des Betätigungsvolumens und damit ein Ausfahren des wenigstens einen Klopfelements erfolgt, während in der anderen Ventilstellung das Klopfelement über das Rückstellelement zurückgestellt und die Luft an die Umgebung abgegeben wird. Der Einsatz eines entsprechenden Ventils ermöglicht dabei eine Ansteuerung beispielsweise über die Maschinensteuerung, sodass die gewünschte Frequenz des wenigstens einen Klopfelements sehr einfach vorgewählt und sehr schnell und effizient verändert werden kann. Da die Maschinensteuerung typischerweise weiß, in welcher Position sich die Maschine bzw. die von ihr gehalterte Kaltschmiedevorrichtung gerade befindet, kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Ventils, und dies gilt insbesondere dann, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung jedem der Klopfelemente ein eigenes Betätigungsvolumen mit jeweils wenigstens einem Ventil zugeordnet ist, eine sehr exakte positionsabhängige Ansteuerung des jeweiligen Ventils und damit des jeweiligen Klopfelements erfolgen. Hierdurch können unterschiedliche Muster, beispielsweise Kreuz-, Kästchen-, Linien- und/oder Treppenstrukturen, an der zu verdichtenden Oberfläche erzeugt werden. Je nach Vorschub und Bewegung der Kaltschmiedevorrichtung durch die Maschine lassen sich diese Muster beispielsweise senkrecht, waagrecht oder bei einer Kombination von Vorschub und Rotation um die Längsachse der Aufnahme auch schräg realisieren. Hierdurch entsteht die Möglichkeit, sehr flexibel eine vorteilhafte Gestaltung der zu verdichtenden Oberfläche vorzunehmen, um so beispielsweise auf unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich des Schmierfilms, der Krafteinleitung, des Verschleißes oder dergleichen sehr gezielt eingehen zu können.In a further very favorable embodiment of the cold forging apparatus according to the invention, provision may be made for the actuating device to be designed as at least one valve instead of its design as a ratchet wheel. Such a valve may preferably be constructed as an electromagnetically or piezoelectrically actuated valve. It can in particular in a first valve position connect the actuating volume with the pressure source and establish a connection between the actuating volume and the environment in the other valve position, so that in the first valve position, a pressurization of the actuating volume and thus an extension of the at least one knocking element takes place while in the other valve position, the knocking element reset on the return element and the air is released to the environment. The use of a corresponding valve allows a control, for example via the machine control, so that the desired frequency of the at least one tapping element can be very easily pre-selected and changed very quickly and efficiently. Since the machine control typically knows in which position the machine or the cold forging device supported by it is currently located, this can be achieved by a corresponding actuation of the valve, and this is especially true if, according to an advantageous development of the invention, each of the knocking elements has its own actuating volume each associated with at least one valve, carried out a very precise position-dependent control of the respective valve and thus the respective knocking element. As a result, different patterns, such as cross, box, line and / or stair structures, are generated on the surface to be compacted. Depending on the feed and movement of the cold forging machine by the machine, these patterns can be realized for example vertically, horizontally or obliquely with a combination of feed and rotation about the longitudinal axis of the recording. This creates the possibility of very flexible to make an advantageous design of the surface to be compacted so as to be able to respond very selectively, for example, to different requirements with respect to the lubricating film, the introduction of force, wear or the like.
Das wenigstens ein rückstellendes Element, welches bei Verbindung des Betätigungsvolumens mit der Umgebung oder einem unter geringerem Druck stehenden Bereich das Rückstellen des Klopfelements ermöglicht, kann dabei in an sich bekannter Art und Weise als Federelement ausgebildet sein. Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Rückstellelement in Form von sich abstoßenden, insbesondere ringförmig ausgebildeten, Magneten ausgebildet ist. Ein solcher Aufbau, beispielsweise aus zwei Magnetringen, welche so ausgestaltet sind, dass diese sich gegenseitig abstoßen, ermöglicht, im Gegensatz zu einer Rückstellfeder, eine sehr reibungsarme Rückstellung, welche über die gesamte Lebensdauer der Kaltschmiedevorrichtung hinweg vollkommen wartungsfrei arbeitet, während Rückstellfedern gegebenenfalls verschleißen und/oder brechen können und dann ausgetauscht werden müssten. Für die magnetische Rückstellung haben sich dabei insbesondere Magnete auf der Basis von seltenen Erden, beispielsweise Neodymmagnete (NdFeB) in den Versuchen der Erfinder bewährt.The at least one restoring element which, when the actuating volume is connected to the surroundings or a region under a lower pressure, enables the return of the tapping element, can be designed as a spring element in a manner known per se. According to a very favorable embodiment of the cold forging device according to the invention, however, it may also be provided that the at least one restoring element is designed in the form of repelling, in particular ring-shaped, magnets. Such a structure, for example, of two magnetic rings, which are designed so that they repel each other, allows, in contrast to a return spring, a very low-friction recovery, which works completely maintenance-free over the entire life of the cold forging device, while return springs wear out, if necessary / or can break and then have to be replaced. Magnets on the basis of rare earths, for example neodymium magnets (NdFeB), have proven particularly useful in the experiments of the inventors for the magnetic return.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben istFurther advantageous embodiments of the cold forging apparatus according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
In der Darstellung der
In der in
Die Funktionalität des Schaltrads
In der Schnittdarstellung gemäß der Linie V-V in
Alternativ zu dieser zusammengesetzten Ausführung kann auch eine einteilige Ausführung von Klopfspitze
Zwischen dem Kolbenelement
Prinzipiell lässt sich der Aufbau des Klopfkopfs
Die Darstellung der
Eine weitere Ausführungsform ist in der Darstellung der
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen waren dabei immer Federelemente
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |