DE19947689C2 - Presse mit Exzenterkurbeltrieb für Oberstempeleinheit und Betriebsverfahren - Google Patents
Presse mit Exzenterkurbeltrieb für Oberstempeleinheit und BetriebsverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Presse zum Verpressen pulverförmiger Massen,
insbesondere von Metallpulver, mit einem mindestens ein Pleuel sowie eine
Kurbelwelle aufweisenden Exzenterkurbeltrieb für den Antrieb einer
Oberstempeleinheit gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein
Verfahren zum Betrieb dieser Presse.
In der Pulvermetall- und Metallkeramikpulverpresstechnik werden seit vielen Jahren
mechanische Pulverpressen zur Herstellung von Pulverpresslingen eingesetzt. Diese
üblicherweise als Exzenterpressen oder Kniehebelpressen ausgebildeten
mechanischen Pressen zeichnen sich durch eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit bei
sinusförmigem Verlauf der Stempelbewegung bei stark progressivem
Presskraftverlauf während des Arbeitszyklus aus. Zur Herstellung besonders
komplizierter Formteile werden bevorzugt Pulverpressen eingesetzt, deren
Presswerkzeuge durch hydraulische Kolben/Zylinder-Systeme bewegt werden. In
Verbindung mit entsprechenden elektronischen Steuerungen lassen sich die
einzelnen Presswerkzeuge hinsichtlich Presskraft und Pressweg in optimaler Weise
so steuern, daß Presslinge entstehen, die sich trotz ihrer komplizierten Form durch
eine weitestgehend konstante Dichte innerhalb des Formkörpervolumens
auszeichnen. Im Vergleich zu mechanischen Pressen haben hydraulische Pressen
jedoch im allgemeinen eine geringere Arbeitsgeschwindigkeit, also längere
Zykluszeiten, und weisen einen deutlich höheren Energieverbrauch auf.
Aus der gattungsbildenden DE 41 14 880 A1 ist eine Presse zum Verpressen
pulverförmiger Massen bekannt, die als mechanische Exzenterpresse mit einem
elektrischen Antriebsmotor für die Bewegung des Oberstempels der Presse
ausgebildet ist. Die Kurbelwelle des Exzenterantriebs für den Oberstempel ist mit
einem Zahnrad drehfest verbunden, das von einem Schneckentrieb bewegt wird, der
seinerseits von einem Elektromotor gedreht wird. Die Drehrichtung des Elektromotors
und der Kurbelwelle ändern sich während des Betriebs nicht. Für die Bewegung der
Matrize ist ein hydraulisches Kolben/Zylinder-System vorgesehen. Die Besonderheit
dieser bekannten Presse liegt darin, daß sie einen Codierschalter aufweist, der die
Arbeitsstellung des Oberstempels abtastet und ein entsprechendes Signal an die
elektronische Steuerung dieser Presse liefert. Ferner ist ein Frequenzumrichter
vorhanden, der auf den elektrischen Antriebsmotor wirkt und von der elektronischen
Steuerung Stellsignale erhält, so daß die Antriebsbewegung steuerbar ist. Der
Oberstempel ist in einem Druckmeßzylinder gelagert und in Pressrichtung
verschiebbar, wobei diese hydraulische Verschiebung des Oberstempels von der
elektronischen Pressensteuerung geführt wird. Durch diese Kombination einer
mechanisch angetriebenen Exzenterpresse mit zusätzlichen hydraulischen Antrieben
von Presswerkzeugen soll erreicht werden, daß auch in ihrer Formgestaltung sehr
anspruchsvolle Pulverpresslinge bei hoher Stückzahl herstellbar sind, wobei
gleichbleibende Abmessungen und gleiche Dichte der Presslinge gewährleistet sein
sollen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Presse der gattungsgemäßen Art
dahingehend weiterzubilden, daß der von den mechanischen Pressen bekannte und
für das Verdichten des Presspulvers vorteilhafte sinusförmige Bewegungs- und
progressive Kraftverlauf verbunden wird mit den durch eine vergleichsweise einfache
hydraulische Antriebstechnik bewirkten Vorteilen hinsichtlich hoher Flexibilität der
Presse und eines dem idealen Verlauf nahekommenden Pressverlaufs bei hoher
Reproduzierbarkeit von Geschwindigkeit und Position der Presswerkzeuge. Der
Energieverbrauch dieser Presse soll in Relation zu den von ihr erzeugbaren
Antriebskräften klein sein. Die Pressparameter sollen zur Optimierung des
Bewegungsablaufs und des Leistungsbedarfs auf einfache Weise einstellbar sein.
Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Betrieb dieser Presse angegeben werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Presse mit den im Patentanspruch 1
angegebenen Merkmalen. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte
Weiterbildungen dieser Presse angegeben. Ein erfindungsgemäßes
Betriebsverfahren für diese Presse ist durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche 14 bzw. 15 gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Presse weist für den Antrieb ihrer Oberstempeleinheit einen
Exzenterkurbeltrieb auf, der mindestens ein Pleuel (üblicherweise paarweise angeordnet)
beinhaltet, das an seinem einen Ende mit der Oberstempeleinheit und an seinem anderen
Ende exzentrisch mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Die Verbindung mit der Kurbelwelle
kann beispielsweise über eine Exzenterscheibe realisiert sein. Mit der Kurbelwelle ist ein
Zahnrad drehfest verbunden. Dieses Zahnrad ist von mindestens einem, vorzugsweise von
zwei Antriebsschnecken drehbar, die sich zweckmäßig diametral bezüglich der Kurbelwelle
gegenüberliegen und ihrerseits von mindestens einem Motor, vorzugsweise jeweils von
einem separaten Motor angetrieben werden. Die Bewegungsabläufe dieser Presse werden
von einer elektronischen Steuerung geführt. Wesentliches Kennzeichen der Erfindung ist es,
daß diese elektronische Steuerung auf einen Reversierbetrieb der Kurbelwelle eingerichtet
ist. Vorzugsweise wird die Kurbelwelle dabei über einen Winkelbereich von weniger als 180°
gedreht. Entsprechend der reversierenden Drehung des Zahnrads bewegt sich die
Oberstempeleinheit infolge der Kraftübertragung durch das Pleuel auf und ab, also zwischen
Pressstellung und Einfüll/Auswurf-Stellung hin und her. Im Unterschied zu üblichen
mechanischen Pressen mit Exzenterkurbeltrieb führt die Kurbelwelle im Fall der
erfindungsgemäßen Presse also keine vollständigen Umdrehungen aus.
Wegen der auf das Bauvolumen bezogen besonders hohen Drehmomentdichte und des
vergleichsweise kleinen Schwungmoments GD2 von Hydraulikmotoren, die einen
hochdynamischen Antrieb ermöglichen, werden diese gegenüber dem Einsatz elektrischer
Antriebsmotoren bevorzugt. Durch die Anordnung von zwei Schneckentrieben mit jeweils
separatem Antriebsmotor lassen sich bei vergleichsweise kleinem Bauvolumen wegen der
Kraftübersetzung durch die Schneckentriebe doppelt so hohe Drehmomente an der
Kurbelwelle erzeugen, ohne daß die Zahnbelastungen am Zahnrad bzw. den
Schneckentrieben sich erhöhen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steuerung so eingerichtet ist, daß die vorzugsweise
zwei Hydraulikmotoren der Presse bezüglich ihrer Einschaltung in den Kreislauf des
Hydraulikmittels wahlweise parallel oder hintereinander schaltbar sind. Im Falle der
Parallelschaltung geht bei zwei Hydraulikmotoren jeweils die halbe Durchflußmenge durch
den Motor, während bei einer Hintereinanderschaltung durch beide Motoren jeweils der volle
Mengenstrom hindurchläuft. Das bedeutet bei
unverändertem Hydraulikaggregat die Einstellmöglichkeit einer normalen bzw. einer
doppelt so hohen Arbeitsgeschwindigkeit. Letzteres ist insbesondere bei der
Verpressung kleinerer Teile mit niedriger Bauhöhe von ganz besonderem Vorteil.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Presse eine Matrize beinhaltet, die durch
Hydraulikzylinder in Bahnsteuerung kontrolliert verfahrbar ist, wie dies bei
Hydraulikpressen grundsätzlich bekannt ist. Ferner kann die Presse einen hydraulisch
betätigbaren Werkzeugadapter umfassen. Für diese Fälle ist es zweckmäßig, einen
zentralen elektrischen Motor vorzusehen, der eine Hydraulikpumpe für die
Oberstempeleinheit und eine weitere Hydraulikpumpe für die Hydraulikzylinder der
Matrize und/oder den hydraulisch betätigbaren Werkzeugadapter antreibt.
Zur Erfassung der jeweiligen Ortsposition der Oberstempeleinheit empfiehlt sich der
Einsatz elektronischer Meßsysteme für eine indirekte oder vorzugsweise direkte
Ermittlung. Beispielsweise kann ein elektronisches Wegmeßsystem zur Erfassung der
aktuellen Position des Oberbären der Presse, der die Oberstempeleinheit aufnimmt,
oder auch ein elektronischer Drehwinkelgeber zur Erfassung der aktuellen
Winkelstellung der Kurbelwelle vorgesehen sein.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Presse, deren Bewegungen ihrer
Presswerkzeugteile von der elektronischen Steuerung geführt werden, besteht darin,
daß vorzugsweise über den hydraulisch mit einfachen Mitteln hinsichtlich
Volumenstrom und Druck sehr leicht zu beeinflussenden Strom des Hydraulikmittels
ein unmittelbarer Einfluß auf den Antrieb des Exzenterkurbeltriebs genommen werden
kann. Sowohl die Geschwindigkeit als auch das Drehmoment am Exzenterkurbeltrieb
lassen sich also hydraulisch sehr leicht und genau beeinflussen. Darüber hinaus ist es
von Vorteil, daß durch den Exzenterkurbeltrieb eine erhebliche Übersetzung
hinsichtlich der von der Presse erzeugbaren Presskraft erreicht wird. Die benötigte
Presskraft ist naturgemäß im Bereich des unteren Totpunkts der Oberstempeleinheit
am größten. Gerade in dieser Stellung der Presse ist aber das
Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebskraft und Presskraft auch am größten. Das
führt dazu, daß die für den Pressantrieb benötigte Antriebsleistung im Vergleich zu
einer mit gleicher maximaler Presskraft ausgestatteten hydraulischen Presse
wesentlich geringer gewählt werden kann. Dadurch ist auch der gesamte
Energieverbrauch während eines Presszyklusses wesentlich geringer.
Die erfindungsgemäße Presse erlaubt Zykluszeiten, die noch unter derjenigen einer in
üblicher Weise elektromotorisch angetriebenen durchlaufenden mechanischen
Exzenterkurbelpresse liegen. Dies ist dann möglich, wenn die Pressensteuerung so
eingestellt wird, daß der Hub jeweils deutlich vor Erreichen des oberen Totpunkts des
Exzenterkurbeltriebs beendet und anschließend umgekehrt wird. Bei einer üblichen
mechanischen Presse muß dieser Weg immer voll durchfahren werden.
Die Zykluszeit einer herkömmlichen mechanischen Presse wird wesentlich
mitbestimmt durch die notwendigen Abläufe beim Freilegen des Preßlings. Hierzu
gehört insbesondere die notwendige Aufrechterhaltung einer Auflastekraft während
des Abziehens der Matrize, die durch ein in die Oberstempelantriebseinheit
untergebrachtes hydraulisches Zylinder/Kolben-System aufgebracht wird. Im
Durchlaufbetrieb muß dieses Zylinder/Kolben-System entsprechend der
Rückbewegung der Oberstempelantriebseinheit eine Ausfahrbewegung zur
Aufrechterhaltung der Auflastekraft durchführen und nach Abziehen der Matrize
möglichst schnell wieder in die Ausgangsposition zurückfahren. Dies erfordert
entweder eine besonders leistungsfähige (teure) Hydraulik oder aber eine Anpassung
der Grundgeschwindigkeit (Drehzahl) der Presse an den Zeitbedarf für die Bewegung
des Zylinder/Kolben-Systems. Bei der erfindungsgemäßen Presse kann problemlos
die Geschwindigkeit der Oberstempelantriebseinheit im Bereich des unteren
Totpunktes stark reduziert oder sogar zeitweilig auf Null gehalten werden, bis der
Preßling freigelegt ist. Hierdurch kann der hydraulische Aufwand für die
Zylinderbewegungen für die Auflastekraft sehr klein gehalten werden. Nach dem
Ausformen kann die Oberstempelantriebseinheit mit der maximal möglichen
Geschwindigkeit in ihre Ausgangsstellung zurückgefahren werden.
Ein ebenfalls vorteilhafter Betrieb der erfindungsgemäßen Presse ergibt sich dann,
wenn der Hub im Bereich des unteren Totpunktes der Oberstempeleinheit so
eingestellt wird, daß der untere Totpunkt um ein kleines Stück überfahren wird. Die
Presse wird also im Bereich eines Kurbelwinkels betrieben, der geringfügig über 180°
(absoluter Winkel) liegt. Nach Erreichen des Endpunktes wird wegen des
grundsätzlich reversierenden Betriebes der Presse der Totpunkt bei 180°
zwangsläufig erneut überfahren. Das bedeutet, daß auf eine äußerst einfache Art und
Weise ein doppeltes Pressen mit maximaler Presskraft am unteren Totpunkt bei jedem
Arbeitszyklus stattfindet. Dies hat bei bestimmten Pressteilen einen besonderen
Vorteil.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Presse
und
Fig. 2 den Verlauf charakteristischer Größen der Presse in Abhängigkeit vom
Kurbelwinkel.
Bei der Darstellung in Fig. 1 handelt es sich um eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Presse im Schnittbild, wobei lediglich der Antrieb einer
Oberstempeleinheit 2 (d. h. des Oberbären der Presse, in dem die Oberstempeleinheit
gelagert ist) wiedergegeben ist. Diese Oberstempeleinheit 2, in der je nach der Form
des herzustellenden Presskörpers ein oder mehrere Oberstempel gehalten werden,
ist in einem Maschinengestell 1 der Presse gleitend gelagert. Der Preßkörper wird in
dem von einer Matrize 9 und einer im Maschinengestell 1 der Presse z. B. fest
abgestützten Unterstempeleinheit 8 eingeschlossenen Formhohlraum erzeugt, in den
der oder die Oberstempel beim Pressen eintauchen. Zweckmäßigerweise ist eine
mechanische Verstelleinrichtung 10 vorgesehen, über die die Ausgangs- und
Endposition der Oberstempeleinheit 2 einstellbar sind. Über ein Pleuel 3 wird die
Oberstempeleinheit 2 mittels einer im Maschinengestell 1 drehbar gelagerten
Kurbelwelle 4 bewegt. Beim Drehen der Kurbelwelle 4 ergibt sich für die
Oberstempeleinheit 2 ein annähernd sinusförmiger Geschwindigkeitsverlauf. Ein als
Schneckenrad ausgebildetes Zahnrad 5 ist mit der Kurbelwelle 4 drehfest verbunden.
Das Pleuel 3 ist mit der Kurbelwelle 4 über eine Exzenterscheibe verbunden, die
einstückig mit dem Zahnrad 5 ausgeführt sein kann. Links und rechts des Zahnrads 5
sind zwei sich bezüglich der Mittelachse der Kurbelwelle 4 diametral gegenüberliegende
Schnecken zweier Schneckentriebe 6.1, 6.2 angeordnet. Die beiden Schnecken
werden jeweils von einem Hydraulikmotor 7.1, 7.2 angetrieben. An der Kurbelwelle 4
ist ein nicht dargestellter elektronischer Drehwinkelgeber untergebracht, mit dessen
Hilfe indirekt die aktuelle Position der Oberstempeleinheit 2 detektierbar ist. Zur
Bewegung der Oberstempeleinheit 2 ist ein hydraulisches Drucksystem vorgesehen,
das ebenfalls nicht näher dargestellt ist und auch die Versorgung weiterer hydraulisch
angetriebener Preßwerkzeugteile (z. B. Matrize, Unterstempeleinheit oder
Werkzeugadapter) sicherstellt. Sämtliche Bewegungen der Pressenteile werden von
einer nicht in Fig. 1 wiedergegebenen elektronischen Steuerung geführt, die die
Ventile und Pumpen des Hydrauliksystems auf der Grundlage der Meßwerte des
Drehwinkelgebers oder der verwendeten direkten Meßsysteme steuert.
Während die schematische Darstellung der Fig. 1 den Exzenterkurbeltrieb im unteren
Teil des Maschinengestells 1 vorsieht, dürfte es bei der praktischen Ausführung einer
erfindungsgemäßen Presse vielfach vorteilhafter sein, den Exzenterkurbeltrieb
oberhalb der Oberstempeleinheit 2, also in der Spitze der Presse anzuordnen. Dies
ändert an der grundsätzlichen Funktionsweise nichts.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Presse läßt sich wie folgt beschreiben:
Die beiden Schnecken der Schneckentriebe 6.1 und 6.2 werden über die Hydraulikmotoren 7.1, 7.2 mit dem von einer Hydraulikpumpe geförderten Hydraulikmittel beaufschlagt und bewirken entsprechend der Getriebeübersetzung der Schneckentriebe 6.1, 6.2 ein Drehmoment am Zahnrad 5 und eine entsprechende Drehbewegung der Kurbelwelle 4. Die elektronische Steuerung ist so ausgelegt, daß sich durch Schaltung der Drehrichtung der Hydraulikmotoren 7.1, 7.2 eine reversierende Drehbewegung an der Kurbelwelle 4 über einen Winkelbereich von z. B. 120° ergibt. Bei entsprechender Wahl der Anzahl an Umdrehungen der Hydraulikmotoren 7.1, 7.2 fährt der Kurbeltrieb bis in den Bereich des unteren Totpunktes. Die Steuerung der Presse kann so eingerichtet werden, daß je nach Bedarf eine Preßendstellung jenseits des unteren Totpunktes des Pleuels 3 erreicht wird. In diesem Fall wird dann der absolute Totpunkt der Pressstellung einmal im eigentlichen Arbeitstakt und dann noch einmal zu Beginn des "Leertaktes" überfahren, so daß eine Doppelpressung bewirkt wird. Durch Verkürzung der Drehung der Kurbelweile auf einen Bereich von deutlich unter 180° wird die Notwendigkeit vermieden, das relativ zeitraubende Tal und/oder die Bergspitze der sinusförmigen Bewegungskurve komplett durchfahren zu müssen. Damit läßt sich ohne weiteres etwa 30-50% der Zykluszeit einsparen. Eine solche Möglichkeit besteht nur bei einem Reversierbetrieb im Sinne der vorliegenden Erfindung, nicht aber bei Pressen mit dem üblichen Exzenterantrieb, der regelmäßig vollständige Umdrehungen ausführt. Je nach Bedarf läßt sich durch Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikmittels durch die starke Drehmomentübersetzung der Schneckentriebe 6.1, 6.2 und die Kurbelwirkung des Pleuels 3 eine hohe Presskraft bei vergleichsweise mäßiger Geschwindigkeit der Oberstempeleinheit 2 erzeugen, was für die Verdichtung des Pulvers günstig ist. Die Bewegung der Oberstempeleinheit 2 zum Öffnen der Pressform und zum Freilegen des Presskörpers wird durch Umschaltung der Drehrichtung der Hydraulikmotoren 7.1, 7.2 bewirkt. Die Hydraulikmotoren 7.1, 7.2 können durch entsprechende Ventilschaltungen wahlweise in Parallel- oder Hintereinanderschaltung in den Hydraulikmittelkreislauf eingeschaltet werden. Ersteres empfiehlt sich insbesondere für den Arbeitstakt (Verdichtung), letzteres besonders für den Leertakt (Ausformen des Preßteils). Bei gleichbleibendem Förderstrom der Hydraulikpumpe bedeutet dies, daß der Leertakt mit halber Kraft, aber doppelt so schnell abläuft wie der eigentliche Arbeitstakt. Die erfindungsgemäße Presse kombiniert also in vorteilhafter Weise eine langsame Arbeitsfahrt mit großer Presskraft und eine schnelle Rückfahrt mit geringerer Kraft. Die Antriebsleistung der Presse kann auf diese Weise über die Dauer des Preßzyklus deutlich gleichmäßiger genutzt werden, als dies bei einer üblichen hydraulischen Presse der Fall ist. Selbstverständlich kann bei Bedarf die Parallel- oder die Hintereinanderschaltung auch während des gesamten Preßzyklus unverändert beibehalten werden, letzteres empfiehlt sich besonders zur Erzielung einer hohen Produktionsleistung bei Preßteilen mit vergleichsweise geringer Höhe, für die geringere Preßkräfte ausreichend sind. Zweckmäßigerweise wird für die Presse eine elektronische Steuerung vorgesehen, die eine Bahnsteuerung mit frei programmierbaren geregelten Positionen und Geschwindigkeiten erlaubt.
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Rechts oben ist in Fig. 1 der sinusartige Verlauf des von der Oberstempeleinheit 2
zurückgelegten Weges in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Im gewählten Beispiel
beträgt die Kurbelwellendrehung 180°, wobei sich die Oberstempeleinheit 2 vom oberen
Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT bewegt. Die hierfür (Verdichtungshub) benötigte Zeit
ist mit tv bezeichnet. Da die anschließende Rückbewegung vom unteren Totpunkt UT in den
oberen Totpunkt OT nicht in hydraulischer Parallel-, sondern Hintereinanderschaltung der
Hydraulikmotoren 7.1, 7.2 vorgenommen wird, liegt zwar
eine gleich große Drehung der Kurbelwelle 4 vor, aber der Zeitbedarf ist aufgrund des
konstanten Förderstroms der Hydraulikpumpe kleiner geworden und beträgt nur noch
tr. Der zweite Teil der Sinuskurve ist daher in Richtung der Zeitachse entsprechend
gestaucht. Durch strichpunktierte Linien sowie die Zeichen +/- ist in der Grafik
angedeutet, daß die Endlage der Oberstempeleinheit 2 im Bereich der Totpunkte in
positive oder negative Richtung variiert werden kann. Der Teil des Arbeitstaktes, in
dem das Pulver in der Pressform verdichtet wird, ist mit A bezeichnet.
In Fig. 2 sind im Sinne eines Ausführungsbeispiels in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel
α des Exzenterkurbeltriebs die Verläufe einiger Kennwerte einer erfindungsgemäßen
Presse wiedergegeben. Dabei ist nur jeweils der Ausschnitt im Bereich des
Kurbelwinkels α von 130° bis etwa 180° (unterer Totpunkt) wiedergegeben. Das
ausgewählte Beispiel bezieht sich auf eine Presse, bei der der Kurbelwinkelbereich
von 130° bis 180° einem Verfahrweg der Oberstempeleinheit 2 um 40 mm entspricht.
Die Kurve s des Verfahrwegs in Fig. 2 gibt somit den Abstand der
Oberstempeleinheit 2 von dem unteren Totpunkt an. Dieser Verfahrweg entspricht etwa
dem tatsächlichen Pressvorgang in der Presse, also der Phase der Pulververdichtung.
Die mit F bezeichnete Kurve gibt den Verlauf der tatsächlichen Presskraft bei einem
repräsentativen Presskörper wieder, der die von der Presse verarbeitbare maximale
Höhe aufweist. Mit zunehmender Pulververdichtung steigt diese Presskraft F ab etwa
einem Kurbelwinkel α von 140° stark an bis auf einen Wert von 2340 kN im unteren
Totpunkt.
Das zur jeweiligen Presskraft gehörende Drehmoment Md an der Kurbelwelle hat unter
den gegebenen Abmessungsverhältnissen der Presse bei einem Kurbelwinkel α von
140° eine Größe von 7125 Nm. Das Drehmoment steigt dann steil an und erreicht bei
etwa 160° sein Maximum mit einem Wert 45500 Nm. Die Presskraft beträgt im
Drehmomentmaximum 1225 kN. Nach Erreichen des Maximums fällt das
Drehmoment bei weiter zunehmendem Kurbelwinkel α stark ab und beträgt im
unteren Totpunkt Null, während die Presskraft ihren Höchstwert erreicht. Das
Drehmoment an der Kurbelwelle ist direkt proportional zum Drehmoment der
Hydraulikmotoren und somit zum Hydraulikdruck. Man erkennt, daß schon bei einer
mittleren Presskraft das höchste Drehmoment anliegt und für die weitere Steigerung
der Presskraft nicht nur keine Erhöhung des Drehmoments erforderlich ist, sondern
dieses Drehmoment sogar bis auf Null im unteren Totpunkt absinkt. Dieser
Kraftverlauf ist allgemein typisch für Pulverpressen und um so ausgeprägter, je größer
die Höhe der herzustellenden Pressteile ist. Der Verlauf der Drehmomentenkurve ist
dagegen typisch für eine Presse mit Exzenterkurbeltrieb. Die Fläche unter der
Drehmomentkurve Md ist repräsentativ für die bei der Verdichtung des Presskörpers
geleistete Arbeit.
Unter den Verhältnissen des der Fig. 2 zugrunde liegenden Ausführungsbeispiels
beträgt die Tangentialkaft am Zahnrad 5 im Drehmomentmaximum (45500 Nm)
lediglich 364 KN, während die tatsächlich auf den Pressling einwirkende Presskraft F
bei 1225 kN liegt. Das bedeutet also, daß an dieser Stelle des Arbeitstaktes unter den
gegebenen Bedingungen der Presse und des zu verpressenden Pulvers eine
Kraftübersetzung im Verhältnis zur aktuellen Preßkraft (1225 kN) von 1 : 3,37 und im
Verhältnis zur Endpreßkraft (2340 kN) von 1 : 6,43 vorliegt. Die maximal mögliche
Kraftübersetzung V ist in Fig. 2 ebenfalls in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α
dargestellt. Insbesondere im Bereich der letzten Winkelgrade vor Erreichen des
unteren Totpunkts ergibt sich ein stark progressiver Anstieg für die Kraftübersetzung
V. Bei einem Kurbelwinkel α von 165° liegt der Wert von V bei 1 : 3, bei 175° bereits bei
1 : 10 und erreicht bei 177,5° den Wert von etwa 1 : 20. Solche Verhältnisse lassen sich
bei der Herstellung von Pressteilen mit sehr geringem Pressweg auch praktisch
nutzen und realisieren. In einem solchen Fall wäre für das Erreichen der in
vorstehendem Beispiel geschilderten maximalen Presskraft von 2340 kN lediglich eine
Tangentialkraft am Zahnrad 5 des Kurbeltriebs von etwa 116 kN erforderlich. Das wäre
etwa lediglich 1/3 der notwendigen Tangentialkraft von 364 kN bei dem Presskörper
des vorstehenden Beispiels mit großer Presskörperhöhe. Dementsprechend wäre für
die Herstellung entsprechend niedriger Pressteile auch nur eine auf etwa 1/3
reduzierte Antriebsleistung erforderlich. Zwischen den beiden genannten
Extremwerten des Übersetzungsverhältnisses der Presskraft von etwa 1 : 6 und etwa
1 : 20 liegt der übliche Arbeitsbereich einer Pulverpresse. Im Vergleich zur
erfindungsgemäßen Presse würde eine übliche hydraulische Presse mit direktem
Kolbenantrieb für die Presswerkzeuge selbst mit einer intelligenten last- und
geschwindigkeitsabhängigen Regelung noch mindestens einen 3-fach höheren
Leistungsbedarf haben.
Im Hinblick auf die Flexibilität der erfindungsgemäßen Presse ist noch darauf
hinzuweisen, daß durch Fördermengenänderung an der Hydraulikpumpe eine
unmittelbare Änderung der Grundgeschwindigkeit der Presse sowie der
Geschwindigkeiten innerhalb einzelner Zyklusabschnitte problemlos möglich ist. Der
Steuerungsaufwand hierfür ist minimal. Durch entsprechendes Schalten der
Hydraulikventile können bei Bedarf Stillstandszeiten in den Presszyklus eingebaut
oder aber auch Leerhübe zeitlich verkürzt werden.
Mit besonderem Vorteil wird der durch die Erfindung vorgeschlagene Antrieb für die
Oberstempeleinheit bei Pulverpressen eingesetzt, deren sonstige Bewegungsebenen
(Matrize, Werkzeugadapter) ebenfalls hydraulisch angetrieben sind und die einen
gemeinsamen Hauptantriebsmotor für die Hydraulik besitzen. Dies ist besonders
deswegen zweckmäßig, weil der Leistungsbedarf für die Oberstempeleinheit und die
Matrize in der Regel nicht gleichzeitig sondern nacheinander anstehen und das
größere Schwungmoment eines zentralen Antriebs zum Abbau der Leistungsspitze an
der Oberstempeleinheit im Bereich eines Kurbelwinkels von etwa 160° und später am
unteren Totpunkt (Kurbelwinkel 180°) beim Losreißen der Matrize förderlich ist. Die
erfindungsgemäße Presse liefert einen sinusförmigen Bewegungs- und Kraftverlauf,
ermöglicht eine hohe Genauigkeit beiden zu erzeugenden Presskörpern, hat einen
hohen Wirkungsgrad, ist im Hinblick auf die herstellbaren Teile äußerst flexibel, erhöht
die Produktionsleistung deutlich und bringt einen wesentlichen Fortschritt in der
Fertigungstechnologie.
1
Maschinengestell
2
Oberstempeleinheit
3
Pleuel
4
Kurbelwelle
5
Zahnrad
6.1
,
6.2
Schneckentrieb
7.1
,
7.2
Motor
8
Unterstempel
9
Matrize
10
Verstelleinrichtung
Claims (15)
1. Presse zum Verpressen pulverförmiger Massen, insbesondere von Metallpulver,
mit einem mindestens ein Pleuel (3) sowie eine Kurbelwelle (4) und ein mit
dieser drehfest verbundenes Zahnrad (5) aufweisenden Exzenterkurbeltrieb für
den Antrieb einer Oberstempeleinheit (2), wobei das Zahnrad (5) über
mindestens einen Schneckentrieb (6.1, 6.2) von mindestens einem Motor (7.1,
7.2) antreibbar ist, und mit einer elektronischen Steuerung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Steuerung auf einen Reversierbetrieb der Kurbelwelle (4)
eingerichtet ist.
2. Presse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung darauf eingerichtet ist, daß während des Arbeits- und
Leerhubs die Kurbelwelle (4) über einen Winkelbereich von weniger als 180°
gedreht wird.
3. Presse nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Schneckentriebe (6.1, 6.2) vorgesehen sind.
4. Presse nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schneckentriebe (6.1, 6.2) jeweils von separaten Motoren (7.1, 7.2)
antreibbar sind.
5. Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mindestens eine Motor (7.1, 7.2) als Hydraulikmotor ausgebildet ist.
6. Presse nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Schneckentriebe (6.1, 6.2) sich bezüglich der Drehachse des
Zahnrads (5) diametral gegenüberliegen.
7. Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Steuerung darauf eingerichtet ist, daß der untere Totpunkt des
Exzenterkurbeltriebs zum Erreichen der Preßendstellung (Ende des Arbeitshubs) um
ein kleines Stück überfahren wird.
8. Presse nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Steuerung darauf eingerichtet ist, daß die beiden
Hydraulikmotoren (7.1, 7.2) hinsichtlich ihrer Hydraulikmittelversorgung wahlweise
parallel oder hintereinander schaltbar sind.
9. Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Presse eine Matrize (9) umfaßt, die durch Hydraulikzylinder kontrolliert
verfahrbar ist.
10. Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Presse einen hydraulisch betätigbaren Werkzeugadapter umfaßt.
11. Presse nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein zentraler Elektromotor vorgesehen ist zum gemeinsamen Antrieb der
Hydraulikpumpen für die Druckversorgung der Hydraulikmotoren (7.1, 7.2) für den
Antrieb der Oberstempeleinheit (2) sowie für die Hydraulikzylinder der Matrize (9)
und/oder den hydraulisch betätigbaren Werkzeugadapter.
12. Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein elektronisches Wegmeßsystem zur Erfassung der aktuellen Position der
Oberstempeleinheit (2) vorgesehen ist.
13. Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein elektronischer Drehwinkelgeber zur Erfassung der aktuellen Stellung
der Kurbelwelle (4) vorgesehen ist.
14. Verfahren zum Betrieb einer Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hub der Oberstempeleinheit (2) jeweils kurz vor Erreichen des oberen
und/oder unteren Totpunktes des Exzenterkurbeltriebs umgekehrt wird.
15. Verfahren zum Betrieb einer Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hub der Oberstempeleinheit (2) so eingestellt wird, daß der untere
Totpunkt des Exzenterkurbeltriebs um ein kleines Stück überfahren wird.
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