Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Presse zum Tiefziehen,
umfassend: sich zueinander hin- und herbewegende Spannteile zum festen
Einspannen eines Metallblech-Rohlings zwischen ihnen mit einer bestimmten
Kraft; mindestens zwei gegeneinander gerichtete Spannzylinder, welche mit
jedem zugehörigen Spannteil verbunden sind und dieses bewegen; ein
Werkzeugteil über welches der Metallblech-Rohling geformt wird; und eine
Antriebseinheit, welche zur Formung des Metallblech-Rohlings betreibbar ist, um eine
relative Bewegung zwischen einerseits dem Werkzeugteil und andererseits den
Spannteilen zu realisieren.
Technischer Hintergrund
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Es sind aus dem Stand der Technik zahlreiche unterschiedliche Konstruktionen
von hydraulischen Pressen zum Tiefziehen von Blechmaterial bekannt. In diesen
Pressen wird von einem Positionierring und einem Spannring Gebrauch
gemacht, zwischen welchen der Metallblech-Rohling mit einer bestimmten Kraft
fest eingespannt wird. Der in dieser Weise fest gehaltene Blech-Rohling wird
zusammen mit dem Spannring und dem Positionierring über ein Werkzeug nach
unten verlagert, wobei das Blechmaterial radial nach innen gezogen und
gleichzeitig über das Werkzeug geformt wird.
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Der Spannring ist an einem beweglichen Stempel befestigt, welcher in der Regel
durch einen oder mehrere Zylinder betätigt wird. Um eine bestimmte Spannkraft
zwischen dem Spannring und dem Positionierring in der Weise zu realisieren,
daß der Metallblech-Rohling in der erforderlichen Weise gehalten werden kann
und verhindert wird, daß er sich beim Ziehen nach innen zum Werkzeug hin
verzieht, wird der Positionierring an einem Positionierzylinder angeordnet,
welcher bestrebt ist, den Positionierring in eine Richtung zu bewegen, welche der
Richtung der Bewegung des Spannringes entgegengesetzt ist. Wenn der
Spannring dadurch zusammengedrückt wird, wird der Positionierring in einer
Bewegung gegen die Wirkung des Positionierzylinders gezogen. Damit dieser nicht
reißt, wird ein hydraulisches Fluid vom Positionierzylinder über eine Drossel
freigesetzt, welche die Gegenkraft steuert, die der Positionierzylinder erzeugt.
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Die Verschiebung des Positionierringes gegen diese Kraft, welche der
Positionierzylinder erzeugt, erfordert eine beträchtliche Energie, welche im
wesentlichen dem Produkt aus der Spannkraft gegenüber dem Metallblech-Rohling und
der Hublänge der Bewegung des Positionierringes entspricht. Diese gesamte
Energie wird in dem Drucksteuerungs-Drosselventil gedrosselt und geht dadurch
verloren. Bei vielen Anwendungen hat die enthaltene Energie, welche auf diese
Weise verlorengeht, dieselbe Größenordnung oder sie ist größer als die Energie,
welche für die tatsächliche Formung des Metallblech-Rohlings erforderlich ist.
Konstruktive Aufgabe
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die einleitend beschriebene
Vorrichtung so zu konstruieren, daß sich eine Möglichkeit bietet, den
Energieverbrauch in einer hydraulischen Presse zum Tiefziehen wesentlich zu
reduzieren. Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die
Vorrichtung so zu konstruieren, daß die Einspannung des Metallblech-Rohlings
während des Formungsvorganges ordnungsgemäß erfolgt, ohne daß eine
wesentliche Leistung ausgeführt wird. Die Erfindung stellt sich weiterhin die Aufgabe,
eine Vorrichtung zu schaffen, welche einfach und wirtschaftlich herstellbar ist,
und welche eine hohe funktionelle Zuverlässigkeit aufweist.
Lösung
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Die Aufgaben, welche die Grundlage der vorliegenden Erfindung bilden, werden
gelöst, wenn die im Oberbegriff beschriebene Vorrichtung dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Arbeitsvolumen der Spannzylinder, welche miteinander
verbunden sind, ein einziges gemeinsames Volumen bilden, welches vom übrigen
hydraulischen System getrennt ist, und daß eine Druckhalteeinrichtung mit
diesem Volumen gekoppelt ist, um die bestimmte Spannkraft zu realisieren.
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Unter der Voraussetzung, daß die beiden gegeneinander gerichteten
Spannzylinder in dieser Weise miteinander verbunden sind, werden diese während
ihrer Bewegung keinerlei wirkliche Leistung erfordern. Jenes Volumen des
hydraulischen Fluides, welches aus dem einen Zylinder herausgedrückt wird,
fließt in den anderen Zylinder, um diesen zu füllen. Die einzige Leistung, welche
in diesem Beispiel erforderlich ist, entsteht durch Reibung und
Strömungsverluste.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die
Gesamtfläche der Spannzylinder, welche auf jedes Spannteil wirkt, im
wesentlichen gleich.
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Diese Merkmale ermöglichen eine Gestaltung und eine Konstruktion, welche
besonders einfach ist.
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Weitere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, wenn sie eines
oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale enthält, die in den anliegenden
Patentansprüchen 3 bis 7 dargelegt sind.
Kurze Beschreibung der anliegenden Zeichnungen
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll im weiteren unter
besonderer Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert
werden. Die anliegenden Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 stellt schematisch eine hydraulische Presse zum Tiefziehen in der
Ausgangsposition vor dem Arbeitshub dar;
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Fig. 2 zeigt die hydraulische Presse nach Fig. 1, bei welcher der Stempel
sich in Kontakt mit dem Werkstück abgesenkt hat; und
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Fig. 3 zeigt die Presse entsprechend den Fig. 1 und 2, nachdem der
Arbeitshub ausgeführt wurde.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungform
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In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 jeweils den unteren und oberen
Bereich des Gestelles einer hydraulischen Presse entsprechend einer
Ausführungsform der Erfindung. Das Gestell umfaßt weiterhin einen Tisch 3 auf
welchem ein Werkzeug 4 ruht, über welchem ein Metallblech-Rohling 5 geformt
werden soll. Der Blechrohling 5 ruht auf einem Positionierring 6, welcher über
eine Anzahl von Säulen 7 oder andere geeignete Verbindungseinrichtungen mit
der Kolbenstange oder dem Stößel 8 in einem Positionierzylinder oder einem
anderen Spannzylinder 9 verbunden ist. Der Spannzylinder ist auf dem unteren
Bereich 1 des Gestells befestigt und dadurch ortsfest.
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Der beschriebene Bereich der Presse macht deutlich, daß der untere
Spannzylinder oder der Positionierzylinder den Positionierring 6 in vertikaler Richtung
bewegen können.
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Im oberen Bereich 2 des Gestells der Presse sind zwei Arbeitszylinder 10 und 11
angeordnet, deren nach unten gerichtete Kolbenstangen oder Stößel mit einem
Stempel 12 verbunden sind, welcher an seiner Unterseite einen Spannring 13
oder ein zweites Werkzeugteil trägt.
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Obwohl dies aus den Zeichnungen nicht erkennbar ist, kann die
erfindungsgemäße Presse auch geeignete Führungen zur Führung des Stempels 12
umfassen, die quer zu seiner Bewegungsrichtung, welche in der dargestellten
Ausführungsform vertikal verläuft, angeordnet sind.
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Zwischen den beiden Arbeitszylindern 10 und 11 ist ein oberer Spannzylinder 14
angeordnet, dessen Zweck darin besteht, eine Kraft gegen den Stempel 12
auszuüben, wobei die Kraft dazu dient, ein festes Einspannen des Metallblech-
Rohlings 5 zwischen dem Positionierring 6 und dem Spannring 13 zu
gewährleisten. Beide Arbeitszylinder 10 und 11 dienen dazu, eine Kraft auf den Stempel
12 auszuüben, wobei die Kraft so bemessen ist, daß sie eine tatsächliche
Formarbeit beim Formen des Blechrohlings 5 über das Werkzeugteil 4 ausübt.
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Der obere Spannzylinder 14 ist über eine Leitung 15 mit einem hydraulischen
System (welches in den Zeichnungen nicht detailliert dargestellt ist) in der
Presse verbunden. Dementsprechend sind beide Arbeitszylinder 10 und 11 über
Leitungen 17 und 18 mit dem hydraulischen System 16 verbunden.
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Der untere Spannzylinder 9 ist über eine Leitung 19 mit dem Ventil 20
verbunden, welches seinerseits mit dem hydraulischen System 16 verbunden ist. Die
Leitung 19 ist an eine Zweigleitung 21 angeschlossen, welche mit einem
Drucksensor 22 und einem den Druck steuernden Drosselventil 23 verbunden ist, das
unter dem Einfluß von Signalen vom Drucksensor 22 gesteuert wird, und
welches in den Speichertank des hydraulischen Systems 16 für das hydraulische
Fluid mündet.
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Wenn die in Fig. 1 dargestellte Presse sich unter Anwendung bekannter
Technologien in Funktion befindet, wird das Ventil 20 geöffnet und hydraulisches
Fluid wird über die Leitung 19 zum unteren Spannzylinder 9 so zugeführt, daß
die Kolbenstange oder deren Stößel 8 in die in Fig. 1 dargestellte Position
angehoben wird. Danach wird das Ventil 20 geschlossen, so daß das
Arbeitsvolumen 24 im Spannzylinder nur über das Drucksteuer-Drosselventil 23 mit
seiner äußeren Umgebung verbunden ist.
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Sobald ein Metallblech-Rohling 5 auf dem Positionierring 6 angeordnet ist, wird
den Arbeitszylindern 10 und 11 und dem oberen Spannzylinder 14 hydraulisches
Fluid zugeführt, so daß der Stempel 12 durch eine freie Hubbewegung in
Richtung nach unten bewegt wird. Wenn der Spannring 13 den Metallblech-Rohling 5
berührt, nimmt der Druck im System rasch zu, und es wird auch ein Druck im
Arbeitsvolumen 24 des unteren Spannzylinders 9 aufgebaut. Wenn der Druck in
diesem Arbeitsvolumen den im Drucksensor 22 festgesetzten Wert erreicht hat,
wird der Metallblech-Rohling 5 mit einer bestimmten Kraft fest gespannt
gehalten. Die Bewegung des Stempels 12 setzt sich nach unten fort, wodurch das
Metallblechmaterial zwischen dem Spannring 13 und dem Positionierring 6
radial nach innen gezogen wird, um über dem Werkzeugteil 4 geformt zu werden.
Gleichzeitig wird der Positionierring 6 nach unten gedrückt, wodurch bewirkt
wird, daß sich das Arbeitsvolumen 24 reduziert, und aus diesem Grund das
hydraulische Fluid durch das Drucksteuerventil 23 nach außen gedrückt wird.
Bei diesem zwangsläufigen Herausdrücken des hydraulischen Fluides wird eine
große Menge an Energie durch dieses Ventil vernichtet.
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Wenn der Arbeitshub beendet ist, wird der Stempel 12 in die Ausgangsposition
nach Fig. 1 angehoben, und gleichzeitig wird das Ventil 20 geöffnet, und das
hydraulische Fluid wird dem unteren Spannzylinder 9 so zugeführt, daß dieser in
die in Fig. 1 dargestellte Position zurückkehrt, wobei das fertiggestellte
Metallblechteil dann angehoben oder von dem Werkzeugteil 4 abgezogen wird.
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Die Leitung 21, welche den unteren Spannzylinder 9 mit dem Drucksensor 22
verbindet, sowie das Drucksteuerventil 23 befinden sich ebenfalls in Verbindung
mit einem Ventil 25, welches seinerseits über eine Leitung 27 mit der Leitung 15
zum oberen Spannzylinder 14 verbunden ist. Die Leitung 15 ist weiterhin mit
einer Verbindung 26 zum hydraulischen System 16 versehen, und diese
Verbindung 26 ist in der Weise konstruiert, daß sie blockiert und geschlossen
werden kann.
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Die Arbeitsvolumen in den beiden gegeneinander gerichteten Spannzylindern 9
und 14 sind zumindest während der Formungsphase in geeigneter Weide so
miteinander verbunden, daß diese zusammen ein einziges gemeinsames Volumen
von hydraulischem Fluid bilden, welches durch die Leitungen 15, 27, 21 und 19
strömen kann. Dieses gemeinsame Volumen von hydraulischem Fluid wird vom
hydraulischen System 16 getrennt gehalten und an der Verbindung 26
abgesperrt, indem diese Verbindung blockiert wird. In derselben Weise wird das
Ventil 20 geschlossen gehalten, so daß die Verbindung über dieses Ventil zum
hydraulischen System 16 ebenfalls blockiert ist. Infolgedessen ist das
gemeinsame Volumen im wesentlichen in sich abgeschlossen und vom Rest des
hydraulischen Systems getrennt.
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Um einen bestimmten Druck im gemeinsamen Volumen des hydraulischen
Fluides für beide Spannzylinder 9 und 14 aufrechtzuerhalten, ist eine
Druckhalteeinrichtung mit einer Pumpe 28 mit dem gemeinsamen Volumen z. B. zur
Leitung 19 verbunden. Diese Pumpe ist für einen geringen Durchfluß
dimensioniert, und sie soll nur einen Durchfluß erzeugen, welcher ausreicht, irgendwelche
möglichen Leckagen zu kompensieren und zusätzlich einen geringen Steuerfluß
durch das Drucksteuerventil 23 zu bewirken.
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Bei Ausführung eines Arbeitshubes wird das Ventil 25 in der Anfangsphase
geschlossen gehalten, während das Ventil 20 geöffnet ist, um die Zuführung von
hydraulischem Fluid zum unteren Spannzylinder 9 zu ermöglichen, so daß dieser
in die in Fig. 1 dargestellte Position zurückgeführt wird. Wenn dies erfolgt ist,
wird das Ventil 20 geschlossen.
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Als alternative Möglichkeit zum Anheben des Positionierringes 6 in die
Ausgangsposition nach Fig. 1 kann angegeben werden, daß die Pumpe 28
gleichzeitig mit großer Kapazität gestartet wird, wenn das Ventil 20 geschlossen
gehalten wird. In diesem Fall wird die Pumpe 28 in der Folge die Rückkehr des
Positionierringes 6 in die Ausgangsposition bewirken. Idealerweise ist die Pumpe
28 in diesem Fall mit einer variablen Auslenkung versehen, wobei während der
Rückstellfunktion die maximale Kapazität der Pumpe genutzt wird.
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Sobald ein Blechrohling 5 auf dem Positionierring 6 angeordnet ist, wird
hydraulisches Fluid zu den drei Zylindern 10, 11 und 14 zugeführt, die mit der
Leitung 12 so verbunden sind, daß der Stempel 12 sich schnell nach unten
bewegt, bis er in Berührung mit dem Metallblech-Rohling 5 kommt. In diesem
Moment wird die Verbindung 26 gleichzeitig blockiert, wenn das Ventil 25
geöffnet und das Ventil 20 geschlossen wird, sofern dies nicht bereits zu einem
früheren Zeitpunkt erfolgt ist. Weiterhin wird die Pumpe 28 auf einen geringen
Durchfluß umgeschaltet.
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In der Situation, welche nunmehr eintritt und in Fig. 2 dargestellt ist, werden
die Arbeitsvolumen in den beiden gegeneinander gerichteten Spannzylindern 14
und 9 über die Leitungen 15 und 27, das Ventil 25 und die Leitungen 21 und 19
miteinander verbunden. Dieses gemeinsame Volumen ist von der äußeren
Umgebung abgeschlossen und wird durch die Druckhalteeinrichtung auf einem
bestimmten Druck gehalten. Wenn die Formungsphase ordnungsgemäß beginnt,
indem zusätzliches hydraulisches Fluid zu den beiden Arbeitszylindern 10 und 11
aus dem hydraulischen System 16 zugeführt wird, verschiebt sich der Spannring
6 in Richtung nach unten, was dazu führt, das hydraulisches Fluid vom
Arbeitsvolumen des unteren Spannzylinders 9 über die Leitungen 19 und 21, das Ventil
25 und die Leitungen 27 und 15 zu dem Arbeitsvolumen im oberen
Spannzylinder 14 strömt. Außer der Reibungsenergie und den Durchflußverlusten wird
während dieser Bewegung keine Energie verbraucht.
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Indem das abgeschlossene gemeinsame Volumen durch die Funktion der
Druckhalteeinrichtung auf einem bestimmten Druck gehalten wird, kann eine
bestimmte Spannkraft gleichzeitig gegen den Metallblech-Rohling 5
aufrechterhalten werden.
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Die Druckhalteeinrichtung ist in der Weise konstruiert, daß sie zum
abgeschlossenen gemeinsamen Volumen eine geringe Menge von hydraulischem Fluid
zuführen kann, wobei dieser Zufluß den Zweck hat, mögliche Leckagen
auszugleichen und einen den Druck steuernden geringen Durchfluß durch das
Drucksteuerventil 23 zu bewirken.
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Fig. 3 zeigt die Endposition, nachdem der Formungsvorgang abgeschlossen ist.
In dieser Position ist das Ventil 25 wiederum geschlossen, und der Stempel 12 ist
in die Ausgangsposition nach Fig. 1 angehoben. Danach (oder möglicherweise
zum Teil gleichzeitig mit dem Anheben des Stempels 12) wird hydraulisches
Fluid zum unteren Spannzylinder 9 entweder durch Ansteigen des Durchflusses
von der Pumpe 28 oder durch Öffnen des Ventiles 20 und Zuführung vom
hydraulischen System 16 zugeführt. Beim Anheben des Positionierringes 6 wird
der geformte Blechrohling von dem Werkzeugteil 4 abgehoben, und die Presse
kehrt in die in Fig. 1 dargestellte Ausgangsposition zurück.
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In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird eine Druckhalteeinrichtung
mit einer Pumpe 28 mit variabler Auslenkung oder mit variablem Durchfluß
verwendet. Diese Einrichtung umfaßt auch ein Drucksteuerventil 23 und einen
Drucksensor 22 zur Steuerung dieses Ventiles. In dieser Ausführungsform ist es
auch zweckdienlich, daß die wirksamen Kolbenflächen der beiden Spannzylinder
9 und 14 gleich groß sind. Wenn eine Mehrzahl von Spannzylindern, die parallel
zueinander wirken, eingesetzt werden, ist die Gesamtsumme der Kolbenflächen
auf beiden Seiten gleich.
Beschreibung von alternativen Ausführungsformen
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Vorstehend wurde dargelegt, daß die Druckhalteeinrichtung eine Pumpe 28
umfaßt. Weil der Durchfluß, welchen die Pumpe 28 während der Formungsphase
ordnungsgemäß erzeugen muß, sehr begrenzt ist, kann die Pumpe durch einen
hydraulischen Fluidspeicher ersetzt werden, wobei dieser Speicher auf einem
Druck gehalten wird, welcher gleich oder vorzugsweise etwas größer als der
Druck ist, welcher am Drucksensor 22 eingestellt ist. In diesem Fall kann der
Druck im Speicher in geeigneter Weise, z. B. über einen Druckkonverter, von
einer Hauptpumpe, die in dem hydraulischen System 16 vorhanden ist, erzeugt
werden.
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Bei noch einer weiteren Alternative kann der Spannzylinder - der untere
Spannzylinder 9 in der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform - welcher
wahrend der Formungsphase unter Druck gesetzt wird, eine etwas größere
Kolbenfläche als der obere Spannzylinder 14 besitzen. Dies führt dazu, daß das
Volumen des hydraulischen Fluides, welches während der Formungsphase
zwangsläufig aus dem unteren Spannzylinder ausgestoßen wird, größer ist als
das Volumen an hydraulischem Fluid, welches im oberen Spannzylinder 14
aufgenommen wird. In diesem Beispiel kann der Überschuß dazu benutzt werden,
mögliche Leckagen auszugleichen und zusätzlich den Drucksteuerungsfluß durch
das Drucksteuerventil 23 aufrechtzuerhalten. Bei dieser Alternative sind somit
die Pumpe 28 und der zuvor beschriebene Speicher überflüssig.