EP3380314B1 - Verfahren zum betrieb einer presse, insbesondere einer schmiedekurbelpresse - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer presse, insbesondere einer schmiedekurbelpresse Download PDF

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EP3380314B1
EP3380314B1 EP16801194.8A EP16801194A EP3380314B1 EP 3380314 B1 EP3380314 B1 EP 3380314B1 EP 16801194 A EP16801194 A EP 16801194A EP 3380314 B1 EP3380314 B1 EP 3380314B1
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press
servo drive
mass
mass system
pressing force
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Markus Bieg
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L Schuler GmbH
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    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B1/00—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen
    • B30B1/26—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by cams, eccentrics, or cranks
    • B30B1/266—Drive systems for the cam, eccentric or crank axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J9/00—Forging presses
    • B21J9/10—Drives for forging presses
    • B21J9/18—Drives for forging presses operated by making use of gearing mechanisms, e.g. levers, spindles, crankshafts, eccentrics, toggle-levers, rack bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J9/00—Forging presses
    • B21J9/10—Drives for forging presses
    • B21J9/20—Control devices specially adapted to forging presses not restricted to one of the preceding subgroups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/14—Control arrangements for mechanically-driven presses
    • B30B15/148—Electrical control arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a press according to claim 1 or 2.
  • a servo press is known in which the ram kinematics are influenced to select or determine a movement sequence, with the downward speed of the ram or the upward speed of the ram being changed, for example, in order to facilitate part transport.
  • the method according to the invention for operating a crank press, with at least 80% of its nominal pressing force for forming, in particular for forging workpieces such as in particular a forging crank press provides for the press with a servo drive and between the servo drive and a workpiece, which is arranged during operation of the press equip moving mass system, wherein a mass of the mass system is formed at least by a ram and at least by a drive shaft, wherein the mass system at least temporarily from the servo drive is driven, with the servo drive providing a maximum of 80% of the nominal pressing force for a forming process and the mass of the mass system being accelerated by the servo drive before the forming process in such a way that at least 100% of the nominal pressing force is available during the forming process.
  • the method according to the invention for operating a crank press for forming, in particular for forging workpieces such as in particular a forging crank press, provides for the press to be equipped with a servo drive and a mass system which is arranged between the servo drive and a workpiece and moves during operation of the press, with a mass of the mass system is formed by at least one ram and at least one drive shaft, the mass system being driven at least temporarily by the servo drive, the increased nominal pressing force being provided proportionately by the servo drive and the mass system, and the difference between 80% nominal pressing force and at least 100% Rated pressing force is compensated by increasing the speed of the mass of the mass system and / or by increasing the mass of the mass system.
  • the method provides for the mass system to be used the forming process delivered energy to a subsequent forming process by the servo drive again. This enables continuous, uninterrupted operation of the press.
  • crankshaft is driven by the servo drive, with the ram being driven by the crankshaft and with the servo drive applying to the crankshaft outside and during the forming process at most a torque which is at least 20% less than the torque at 100% nominal pressing force.
  • the servo drive and its converter can be dimensioned significantly smaller than servo drives and converters of presses with comparable nominal pressing forces.
  • an inherent centrifugal mass of the press is formed by the ram and in particular by the ram and the drive shaft and preferably also by an additional mass. As a result, sufficient mass is available for storing energy, which can also be increased by retrofitting existing presses when using an additional mass.
  • the workpiece is formed proportionately by the drive power of the servo drive and proportionately with the release of kinetic energy from the mass system. This makes it possible to dimension the servo drive small in relation to the nominal power of the press.
  • the servo drive provides a maximum of 80% of the nominal pressing force of the press for a forming process and that the mass system, as a result of acceleration by the servo drive, provides at least 20% of the nominal pressing force of the press for the forming process.
  • the servo drive and an electrical converter connected upstream of it are cost-effective components when measured against the nominal pressing force of the press.
  • a diagram D1 is shown in which a speed DZ of a servo drive specified in revolutions per minute is plotted against a position ST of a ram for a press, the press starting from a position I in which the ram is at top dead center OT1. From a standstill, the speed DZ of the servo drive is continuously increased to 75 rpm, whereby the kinetic energy contained in a mass system downstream of the servo drive builds up and increases. From a position II of the tappet, which is about 50 mm before its reversal point or bottom dead center UT1, the speed of 75 rpm is maintained.
  • a in the figure 2 second diagram D2 shown how the ram passes the top dead center OT2 at the beginning of a second cycle at a speed of the servo drive of 10 rpm and thus already full of energy.
  • the servo drive then revs up to a speed of 75 rpm, further increasing the kinetic energy of the mass system.
  • the subsequent further procedure is the same as that for the figure 1 further procedure described.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Press Drives And Press Lines (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Control Of Presses (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Presse gemäß Anspruch 1 bzw. 2.
  • Aus der DE 10 2009 049 146 B3 ist eine Servopresse bekannt, bei welcher zur Auswahl oder Bestimmung eines Bewegungsablaufs auf die Stößelkinematik Einfluss genommen wird, wobei z.B. die Abwärtsgeschwindigkeit des Stößels oder die Aufwärtsgeschwindigkeit des Stößels verändert wird, um einen Teiletransport zu erleichtern.
  • Aus der CN 203 267 237 U ist ein Schwungrad-Energiespeicher für eine Presse bekannt, welcher einfach und kompakt im Aufbau ist, welcher eine hohe Energiespeichereffizienz aufweist, welcher das Schwungrad verwendet, um den im Stand der Technik eingesetzten Hochleistungskondensator für die Energiespeicherung zu ersetzen, und welcher offensichtlich die Produktionskosten senkt.
  • Aus der US 2005/189900 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Kurbelpresse gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem Stößel bekannt, der durch eine Antriebseinrichtung in einer Arbeitsrichtung hin und her bewegbar ist, wobei die Antriebseinrichtung wenigstens einen Servomotor aufweist, der an eine Steuereinrichtung angeschlossen und mit dem Stößel treibend verbunden ist, und mit wenigstens einer drehbar gelagerten Schwungmasse, die mit dem Servomotor verbunden ist, wobei das Schwungmoment der Schwungmasse so gering bemessen ist, dass die Presse mit Reversierung des Servomotors zur Durchführung von Pressenhüben betreibbar ist.
  • Schließlich ist aus der DE 10 2013 105 468 A1 1 ein Verfahren zur Steuerung einer Presse mit einem elektrischen Antriebsmotor bekannt, der über ein Pressengetriebe mit variabler Getriebeübersetzung mit einem in Hubrichtung zwischen einem oberen Umkehrpunkt und einem unteren Umkehrpunkt bewegbar gelagerten Stößel verbunden ist und mit einer Steuereinrichtung, die den elektrischen Antriebsmotors steuert oder regelt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorgeben einer maximalen Presskraft für die Presse, weiterhin Bestimmen eines positionsabhängigen Maximaldrehmoments für den elektrischen Antriebsmotor abhängig von der maximalen Presskraft und der Getriebeübersetzung und schließlich Steuern oder Regeln des elektrischen Antriebsmotors, derart dass die vom Stößel ausgeübte Presskraft über die gesamten Hubbewegung kleiner ist als die maximale Presskraft.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb vorzuschlagen, welches ermöglicht, den Servoantrieb und dessen Umrichter trotz vergleichsweise hoher Leistung der Presse klein und damit kostengünstig zu dimensionieren.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 2 gelöst. In den jeweiligen Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Kurbelpresse, mit wenigstens 80% ihrer Nennpresskraft zum Umformen, insbesondere zum Schmieden von Werkstücken wie insbesondere einer Schmiedekurbelpresse, sieht vor, die Presse mit einem Servoantrieb und einem zwischen dem Servoantrieb und einem Werkstück angeordnetem, sich im Betrieb der Presse bewegendes Massensystem auszustatten, wobei eine Masse des Massensystems wenigstens durch einen Stößel und wenigstens durch eine Antriebswelle gebildet ist, wobei das Massensystem wenigstens zeitweise von dem Servoantrieb angetrieben wird, wobei von dem Servoantrieb maximal 80% der Nennpresskraft für einen Umformvorgang zur Verfügung gestellt wird und wobei die Masse des Massensystems durch den Servoantrieb vor dem Umformvorgang derart beschleunigt wird, dass beim Umformvorgang mindestens 100% der Nennpresskraft zur Verfügung stehen. Hierdurch ist es möglich, den Servoantrieb in seiner maximalen Leistung im Vergleich zu einer maximalen Nennpresskraft der Presse zu klein zu dimensionieren. Hierdurch werden der Servoantrieb und ein diesem vorgeschalteter elektrischer Umrichter gemessen an der Nennpresskraft der Presse zu kostengünstigen Bauteilen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Kurbelpresse zum Umformen, insbesondere zum Schmieden von Werkstücken wie insbesondere einer Schmiedekurbelpresse, siehe vor, die Presse mit einem Servoantrieb und einem zwischen dem Servoantrieb und einem Werkstück angeordnetem, sich im Betrieb der Presse bewegenden Massensystem auszustatten, wobei eine Masse des Massensystems wenigstens durch einen Stößel und wenigstens durch eine Antriebswelle gebildet ist, wobei das Massensystem wenigstens zeitweise von dem Servoantrieb angetrieben wird, wobei die erhöhte Nennpresskraft anteilig von dem Servoantrieb und dem Massensystem bereitgestellt wird und wobei die Differenz zwischen 80% Nennpresskraft und wenigstens 100% Nennpresskraft durch eine Erhöhung der Drehzahl der Masse des Massensystems und/oder durch eine Erhöhung der Masse des Massensystems ausgeglichen wird. Hierdurch ist es möglich, den Servoantrieb in seiner maximalen Leistung im Vergleich zu einer maximalen Nennpresskraft der Presse zu klein zu dimensionieren. Hierdurch werden der Servoantrieb und ein diesem vorgeschalteter elektrischer Umrichter gemessen an der Nennpresskraft der Presse zu kostengünstigen Bauteilen. Weiterhin sieht das Verfahren vor, dem Massensystem seine bei dem Umformvorgang abgegebene Energie bis zu einem nachfolgenden Umformvorgang durch den Servoantrieb wieder zuzuführen. Hierdurch ist ein kontinuierlicher, unterbrechungsfreier Betrieb der Presse möglich.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, die Presse als kontinuierlich umlaufende Presse zu betrieben. Hierdurch kann eine dynamische Energie, welche das Massensystem am Ende eines Zyklus aufweist, in einen nachfolgenden Zyklus übernommen werden.
  • Es ist auch vorgesehen, dass die Kurbelwelle von dem Servoantrieb angetrieben wird, wobei der Stößel von der Kurbelwelle angetrieben wird und wobei von dem Servoantrieb auf die Kurbelwelle außerhalb und während des Umformvorgangs höchstens ein Drehmoment aufgebracht wird, welches mindestens 20% kleiner als das Drehmoment bei 100% Nennpresskraft ist. Bei Anwendung eines derartigen Verfahrens lassen sich der Servoantrieb und dessen Umrichter signifikant kleiner dimensionieren als Servoantriebe und Umrichter von Pressen mit vergleichbaren Nennpresskräften.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine Eigenschwungmasse der Presse durch den Stößel und insbesondere durch den Stößel und die Antriebswelle und vorzugsweise auch noch durch eine Zusatzmasse gebildet wird. Hierdurch steht zur Speicherung von Energie eine ausreichende Masse zur Verfügung, welche bei Verwendung einer Zusatzmasse auch an bestehenden Pressen im Wege einer Nachrüstung erhöhbar ist.
  • Es ist weiterhin vorgesehen, für den Umformvorgang die in dem Massensystems enthaltene Bewegungsenergie zu nutzen und nicht die jeweils erforderliche, volle Umformenergie aus einem elektrischen Netz zu beziehen. Hierdurch kann das Massensystem einen erheblichen Energieanteil zur Verfügung stellen.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, bei einem wenigstens 80% der Nennleistung der Presse erfordernden Umformvorgang das Werkstück anteilig durch eine Antriebsleistung des Servoantriebs und anteilig unter Abgabe kinetischer Energie des Massensystems umzuformen. Hierdurch ist es möglich, den Servoantrieb im Verhältnis zur Nennleistung der Presse klein zu dimensionieren.
  • Es ist vorgesehen, dass von dem Massensystem bei der Umformung wenigstens kinetische Energie im Umfang von 20% der Nennleistung der Presse abgegeben wird. Hierdurch trägt das Massensystem erheblich zur Umformung bei.
  • Bei der Presse ist es vorgesehen, dass der Servoantrieb maximal 80% einer Nennpresskraft der Presse für einen Umformvorgang zur Verfügung stellt und dass das Massensystem in Folge einer Beschleunigung durch den Servoantrieb, wenigstens 20% der Nennpresskraft der Presse für den Umformvorgang zur Verfügung stellt. Hierdurch ist es möglich, in Bezug auf eine Nennpresskraft der Presse eine Unterdimensionierung des Servoantriebs bezüglich seiner maximalen Leistung vorzunehmen. Hierdurch werden der Servoantrieb und ein diesem vorgeschalteter elektrischer Umrichter gemessen an der Nennpresskraft der Presse zu kostengünstigen Bauteilen.
  • Schließlich ist es vorgehsehen den Servoantrieb mit der Antriebwelle zu verbinden. Hierdurch ist dieser direkt an das Massensystem angeschlossen und kann unmittelbar auf diese einwirken.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
    • Hierbei zeigt:
    • Figur 1:
    ein Diagramm, bei welchem für eine Presse eine Drehzahl eines Servoantriebs über einer Stellung eines Stößels abgetragen ist, wobei die Presse aus einer Stellung anläuft, in welcher der Stößel im oberen Totpunkt steht und
    Figur 2:
    ein Diagramm, bei welchem für die Presse wieder die Drehzahl des Servoantriebs über der Stellung des Stößels abgetragen ist, wobei die Presse aus einer Stellung weiterläuft, in welcher - in Fortsetzung des im dem ersten Diagramm gezeigten Ablaufs - der Stößel den oberen Totpunkt bei einer Drehzahl von 10 U/min passiert.
  • In der Figur 1 ist ein Diagramm D1 gezeigt, bei welchem für eine Presse eine in Umdrehungen pro Minute angegebene Drehzahl DZ eines Servoantriebs über einer Stellung ST eines Stößels abgetragen ist, wobei die Presse aus einer Stellung I anläuft, in welcher der Stößel im oberen Totpunkt OT1 steht. Aus dem Stillstand heraus wird die Drehzahl DZ des Servoantriebs kontinuierlich auf 75 U/min erhöht, wobei sich hierbei auch eine in einem dem Servoantrieb nachgelagerten Massensystem enthaltene Bewegungsenergie aufbaut und erhöht. Ab einer Stellung II des Stößels, welche etwa 50 mm vor dessen Umkehrpunkt bzw. unteren Totpunkt UT1 liegt, wird die Drehzahl von 75 U/min beibehalten. Während eines Umformprozesses UFP1, welcher etwa beginnt, wenn der Stößel 1,5 mm vor seinem unteren Totpunkt UT1 steht und welcher etwa endet, wenn der Stößel etwa 2,5 mm bis 4,5 mm hinter seinem unteren Totpunkt UT1 steht, fällt die Drehzahl DZ von 75 U/min auf 60 U/min um 20% ab, da für den Umformprozess neben der von dem Servoantrieb zur Verfügung gestellten Energie auch in dem Massensystem gespeicherte Energie benötigt wird. Anschließend fällt die Drehzahl DZ des Servoantriebs weiter ab, da unter Verwendung des Servoantriebs eine Energierückspeisung erfolgt, um ein ausreichendes Zeitfenster für einen Teiletransport und eine Pfleger des Gesenks sicher zu stellen. Während der Energierückspeisung wird der Servoantrieb als Generator betrieben. Sobald der Teiletransport und die Pflege des Gesenks abgeschlossen sind, wird dem Massensystem ab einer Stellung III des Stößels - noch bevor dieser wieder den oberen Totpunkt OT2 erreicht - durch eine Erhöhung der Drehzahl des Servoantriebs wieder Energie zugeführt.
  • Entsprechend zeigt ein in der Figur 2 gezeigtes zweites Diagramm D2 wie der Stößel den oberen Totpunkt OT2 zu Beginn eines zweiten Zyklus bei einer Drehzahl des Servoantriebs von 10 U/min und damit bereits energiegeladen passiert. In dem in der Figur 2 gezeigten zweiten Zyklus dreht der Servoantrieb dann wieder auf eine Drehzahl von 75 U/min hoch und erhöht hierbei weiter die Bewegungsenergie des Massensystems. Der nachfolgende, weitere Ablauf gleicht dem zu der Figur 1 beschrieben weiteren Ablauf. Um den unteren Totpunkt UT2 herum erfolgt wieder ein starker Drehzahlabfall, da das Massensystem Energie abgibt. Anschließend sinkt die Drehzahl durch Energierückspeisung ebenfalls wieder weiter ab und wird dann wieder erhöht, damit der Stößel den oberen Totpunkt OT3 bei einer Drehzahl des Servoantriebs von 10 U/min durchläuft.
    • Bezugszeichenliste:
    • D1
    erstes Diagramm
    D2
    zweites Diagramm
    DZ
    Drehzahl des Servoantriebs
    OT1
    oberer Totpunkt im ersten Zyklus
    OT2
    oberer Totpunkt im zweiten Zyklus
    ST
    Stellung des Stößels
    UFP1
    Umformprozess im ersten Zyklus
    UFP2
    Umformprozess im zweiten Zyklus
    UT1
    unterer Totpunkt im ersten Zyklus
    UT2
    unterer Totpunkt im zweiten Zyklus
    I
    erste Stellung des Stößels im ersten Zyklus
    II
    zweite Stellung des Stößels im ersten Zyklus
    III
    dritte Stellung des Stößels im ersten Zyklus

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Kurbelpresse mit wenigstens 80% ihrer Nennpresskraft zum Umformen, insbesondere zum Schmieden von Werkstücken wie insbesondere eine Schmiedekurbelpresse,
    - wobei die Presse einen Servoantrieb und ein zwischen dem Servoantrieb und einem Werkstück angeordnetes, sich im Betrieb der Presse bewegendes Massensystem umfasst,
    - wobei eine Masse des Massensystems wenigstens durch einen Stößel und wenigstens durch eine Antriebswelle gebildet ist,
    - wobei das Massensystem wenigstens zeitweise von dem Servoantrieb angetrieben wird,
    - wobei von dem Servoantrieb maximal 80% der Nennpresskraft für einen Umformvorgang zur Verfügung gestellt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Masse des Massensystems durch den Servoantrieb vor dem Umformvorgang derart beschleunigt wird, dass beim Umformvorgang wenigstens mindestens 100% der Nennpresskraft zur Verfügung stehen.
  2. Verfahren zur Erhöhung der Nennpresskraft einer Kurbelpresse zum Umformen, insbesondere zum Schmieden von Werkstücken wie insbesondere eine Schmiedekurbelpresse,
    - wobei die Presse einen Servoantrieb und ein zwischen dem Servoantrieb und einem Werkstück angeordnetes, sich im Betrieb der Presse bewegendes Massensystem umfasst,
    - wobei eine Masse des Massensystems wenigstens durch einen Stößel und wenigstens durch eine Antriebswelle gebildet ist,
    - wobei das Massensystem wenigstens zeitweise von dem Servoantrieb angetrieben wird,
    - wobei die erhöhte Nennpresskraft anteilig von dem Servoantrieb und dem Massensystem bereitgestellt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Differenz zwischen 80% Nennpresskraft und wenigstens 100% Nennpresskraft durch eine Erhöhung der Drehzahl der Masse des Massensystems und/oder durch eine Erhöhung der Masse des Massensystems ausgeglichen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Massensystem seine bei dem Umformvorgang abgegebene Energie bis zu einem nachfolgenden Umformvorgang durch den Servoantrieb wieder zugeführt wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Presse als kontinuierlich umlaufende Presse betrieben wird,
    - wobei eine Energie, welche in dem Massensystem am Ende eines Zyklus enthalten ist, durch einen kontinuierlichen Lauf der Presse in einen nachfolgenden Zyklus übernommen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Kurbelwelle von dem Servoantrieb angetrieben wird,
    - dass der Stößel von der Kurbelwelle angetrieben wird und
    - dass von dem Servoantrieb auf die Kurbelwelle außerhalb und während des Umformvorgangs höchstens ein Drehmoment aufgebracht wird, welches bei maximal 80% eines erforderlichen Drehmoments liegt.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenschwungmasse der Presse durch den Stößel und insbesondere durch den Stößel und die Antriebswelle und vorzugsweise eine Zusatzmasse gebildet wird.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die in dem Massensystem enthaltene Bewegungsenergie zu nutzen und nicht die jeweils erforderliche, volle Umformenergie aus einem elektrischen Netz zu beziehen.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem wenigstens 80% der Nennleistung der Presse erfordernden Umformvorgang das Werkstück anteilig durch eine Antriebsleistung des Servoantriebs und anteilig unter Abgabe kinetischer Energie des Massensystems umgeformt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet wobei von dem Massensystem bei der Umformung wenigstens im Umfang von 20% der Nennleistung der Presse kinetische Energie abgegeben wird.
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