DE2951716A1

DE2951716A1 - Verfahren und vorrichtung zum pressen von formkoerpern

Info

Publication number: DE2951716A1
Application number: DE19792951716
Authority: DE
Inventors: Franz 5143 Wassenberg Kühl; Siegfried Radewahn; Hans 4050 Mönchengladbach Rennertz
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1981-07-02
Also published as: DE2951716C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pressen von
Formkörpern konstanter Dichte und Höhe aus Metallpulver mit einer Presse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchfürhung des Verfahrens.
Es ist bekannt, daß Pulver unterschiedlicher Teilchengrößen (Primärteilchen, Kristallite, Sekundärteilchen und Agglomerate) aufweisen und daß ferner Verarbeitungseinflüsse wie Vibrationen niedriger und hoher Frequenz, hygroskopische Agglomeration, zur Streuung des Verhältnisses Gewicht/Volumen führen.
Bekannt sind Pulverpressen mit mechanischen Antrieben, überwiegend Kurbel-, Exzenter- und Kniehebelpressen, wobei durch die gegebenen Konstruktionsmerkmale der untere Totpunkt des Oberstempels zwangsläufig definiert ist.
Die dem Matrizenhohlraum je Arbeitstakt volumetrisch zugeführten Pulvermengen sind im geringen Maße unterschiedlich. Die Formteile werden daher zwar mit ausreichender Höhengenauigkeit als Ergebnis des definierten unteren Totpunktes erzeugt, Jedoch können ihre Dichten Jeweils unterschiedlich groß sein.
Es ist auch bekannt, daß hydraulisch angetriebene Pressen mit linearen Bewegungsabläufen des Oberstempels, sofern Festanschläge im Oberstempel nicht vorhanden sind, Formteile gleicher Dichte als Funktion des ausgeübten Preßdruckes produzieren, jedoch Formteile mit unterschiedlichen Höhen ergeben können, als Ergebnis der druckabhängigen Abschaltung des Verdichtungsvorganges.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Grenzen schwankende Fülldichte des Pulvers auszugleichen und Formteile mit konstanter Dichte und Höhe zu erzeugen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 2 beschrieben. Der Anspruch 3 enthält eine vorzugsweise Ausgestaltung dieser Vorrichtung.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Dabei zeigt: Fig. 1 ein Diagramm der Dichte einiger Metallpulver in Abhängigkeit vom Presßdruckanstieg, Fig. 2a eine Presse in Füllstellung, Fig. 2b diese Presse in Preßstellung und Fig. 2c diese Presse in Abzugstellung.
Figur 1 stellt das Verhalten von 3 Metallpulvern beim Verdichten in einer Matrize dar. Es können daraus folgende Zusammenhänge abgeleitet werden: das Verpressen der Pulverteilchen bei kleinen spezifischen Preßdrücken 2 von 500 MN/m2 kommt einem Zusammendrücken gleich, mit zunehmender Zusammenpressung jedoch steigt der notwendige Preßdruck rasch an und daraus folgt, daß zwischen der relativen Dichte und dem Kraftanstieg ein gesetzmäßger Zusammenhang besteht.
Der Energieverbrauch zur Uberwindung der Kohäsionskräfte, zur Verformung der Teilchen sowie zur Uberwindung der elastischen und plastischen Spannungen im Formteil ist proportional der Dichte.
Der Druckanstieg während der Verdichtung hat im wesentlichen folgende Ursachen: rasche Zunahme der Kohäsionskräfte durch Verringerung des Berührungsabstandes der Teilchen Verfestigung mit zunehmender Gestaltsänderung und Steigung der inneren Reibung im Formteil durch Lösen bereits bestehender, zusammenhängender Partikel.
Es folgt ferner aus Figur 1, daß die Preßkurve nach Erreichen mittlerer Dichten abflacht und sich asymptotisch der erreichbaren Materialdichte nähert.
Nachfolgend soll nun die Presse und deren Funktion beschrieben werden.
Der Oberstempel 1 überträgt während seiner Abwärtsbewegung die zum Verdichten notwendige Energie auf die Pulversäule 18. Die Hubbewegung des Oberstempels 1 ist von einem Kurbeltrieb 29 abgeleitet, der auf den oberen Pressentisch 16 wirkt. Die auf- und abbewegliche Matrize 2 nimmt das zu verpressende Pulver 18 auf und bestimmt das Profil des fertigen Preßteiles. Die Matrize 2 ist von unten durch den schiebend eingepaßten Unterstempel 30 verschlossen. Der Unterstempel 30 ist unbeweglich und stützt beim Verdichten die Pulversäule 18 gegen den beweglichen Oberstempel 1 ab.
Für das Füllen der Matrize wird diese von unten nach oben in die Füllstellung bewegt. Um das fertige Preßteil freizugeben, ist die Matrize 2 soweit abwärts zu bewegen, daß sie mit der Oberkante des Unterstempels 30 auf einer Ebene steht. Schließlich wird die Matrize 2, die mit dem Schlitten 6 verbunden ist, während des Verdichtens nach unten bewegt, wobei ein Kräfteaustausch zwischen Matrize und Pulversäule 18 entsteht.
Die Aufwärtsbewegung der Matrize 2 in Füllstellung (Figur 2a) kommt dadurch zustande, daß der Kolben 7 des Hydraulikzylinders 8 eine Zugkraft auf den Hebel 10 ausübt und die Kurvenscheibe 5 gleichzeitig gedreht wird. Der Hebel 10 kann Jedoch den Schlitten 6 nur in dem Maße nach oben bewegen, wie die Kurvenscheibe 5 der Rolle 9 den Weg nach oben freigibt. Die Aufwärtsbewegung des Schlittens 6 und somit auch der Matrize 2 ist dann beendet, wenn der Kolben 7 oben am Boden des Zylinders 8 anschlägt. Die Kurvenscheibe 5 dreht dann weiter und hebt von der Rolle 9 ab. Der Zylinder 8 ist über das Gelenk 4 mit der Spindel 3 verbunden. Mit dem Stellgetriebe 25 kann die Spindel 3 mitsamt dem angekoppelten Zylinder 8 auf und ab verfahren werden. Dadurch ist es möglich, den Weg des Schlittens 6 und der Matrize 2 zwischen 0 und dem durch den Hub der Kurvenscheibe 5 gegebenen Maximum zu verändern.
Die Abwärtsbewegung der Matrize 2 zum Entformen des fertigen Preßteiles wird vom unmittelbaren Eingriff der Kurvenscheibe 5 mit der an Schlitten 6 befindlichen Rolle 9 abgeleitet. Der Hebel 10 schwenkt dabei nach unten und zieht den Kolben (7) aus dem Zylinder (8) heraus. Aus dem Kolbenstangenraum (32) des Zylinders (8) wird dabei Druckflüssigkeit verdrängt.
Das Mitbewegen der Matrize (2) während des Verdichtens der Pulversäule (18) verursacht allein der Kolben (7) des Zylinders (8), indem er ausfährt. Dabei schwenkt der Hebel (10) nach unten und zieht den Schlitten (6) mit der Matrize (2) abwärts. Die Art dieser Matrizenbewegung und der Verlauf der Krafteinwirkung der Matrize (2) auf die Pulversäule (18) bestimmt die hydraulische Regelung (27), die den Förderstrom und den Arbeitsdruck der Pumpe (28) beeinflußt.
Der Schlitten (6), der die Matrize (2) trägt, kann während des Preßvorganges auf mechanischen Anschlag gefahren werden, indem die Rolle (13) auf den gröBeren Redius der Kurvenscheibe (11) aufsetzt. Mit dem Stellgetriebe (12) läßt sich die Rolle (13) nach oben und unten verfahren. Somit kann die Lage des mechanischen Anschlages innerhalb der Matrizenabwärtsbewegung beliebig gewählt werden.
Der Verfahrensablauf, der den Einsatz der vorbeschriebenen mechanischen Pulverpresse notwendig macht, gestaltet sich beispielsweise folgendermaßen: Ausgegangen wird von der Füllstellung der Presse (Figur 2a) in der sich der Oberstempel (1) mit dem oberen Pressentisch (16) in der oberen Endstellung befindet, die sich aus der oberen Totpunktlage des Kurbeltriebes (29) ergibt. Die Matrize (2) steht ebenfalls in der oberen Endstellung, in welcher der Kolben (7) oben am Boden des Zylinders (8) anliegt. Die Kurvenscheibe (5) hat eine Winkelstellung erreicht, in der sie zunächst nicht auf die Rolle (9) und den Schlitten (6) einwirken kann. Die Kurvenscheibe (11) befindet sich in einer Winkelstellung, bei der gerade der Anfang ihres größeren Radius unter der Mittelachse der Rolle (13) steht. Zwischen der Kurvenscheibe (11) und der Rolle (13) besteht noch ein vorgegebener Abstand.
Während des Zeitraumes, in dem sich der Kurbeltrieb (29) im Bereich des oberen Totpunktes bewegt, ist der Abstand zwischen dem Oberstempel (1) und der Matrize (2) groß genug, um mit einer bezüglich ihres Antriebs nicht näher beschriebenen Fülleinrichtung (35) die Fulversäule (18)in die Matrizenöffnung einzubringen. Danach nähert sich der Oberstempel (1) der Matrize (2), taucht in deren Öffnung ein und drückt die Pulversäule (18) solange zusammen, bis der Kurbeltrieb (29) den unteren Totpunkt erreicht hat.
Von dem Zeitpunkt an, in dem der Oberstempel (1) die Pulversäule (18) berührt, werden der Oberstempel (1) und der Unterstempel (30) zunehmend durch den wegabhängig ansteigenden Verformungswiderstand der Pulversäule (18) belastet. Der Maximalwert dieser Belastung ist erreicht, wenn der Kurbeltrieb (29) den unteren Totpunkt bzw. die Preßstellung (Figur 2b) durchläuft.
Der Druckmesser (15) registriert den Anstieg der Belastung am Oberstempel (1), indem er den Druckanstieg in dem eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen (17) fortlaufend als elektrische Werte an die Steuerung (22) weitergibt. Den Anstieg der Belastung am Unterstempel (30) gibt der Druckmesser (31) fortlaufend als elektrische Werte an die Steuerung (22) weiter. Die durch die Druckmesser (15) und (31) registrierten Werte ordnet die Steuerung (22) den am Wegmesser (14) während des Verdichtungsweges gemessenen Wegeinheiten zu. Aus der Zuordnung von Kraft- und Wegeinheiten formt die Steuerung (22) eine digitale Signalfolge, die dem Verlauf der Energieaufnahme des Preßteils entspricht. Die Steuerung (22) gibt diese digitale Signalfolge in den Speicher (21), wo ein Vergleich mit einer über die Programmvorwahl (20) eingegebenen und gespeicherten werkstückspezifischen Signalfolge stattfindet. Stimmen beide Signalfolgen überein, erhält der Impulsgeber (23) kein Steuersignal. Der Schrittmotor (24), das Stellgetriebe (25) und die Spindel (3) bleiben unverändert, so daß beim nächsten Arbeitstakt der Pulverpresse das gleiche Pulvervolumen (18) wie beim vorausgegangenen Arbeitstakt vorbereitet wird. Stimmen die fest gespeicherte und die beim Verdichten der Pulversäule (18) gebildete Signalfolge nicht überein, gibt die Steuerung (22) entsprechend der Richtung und der Größe der Abweichung Signale an den Impulsgeber (23), damit der Schrittmotor (24) über das Stellgetriebe (25) die Spindel (3) zu einem geeigneten Zeitpunkt vor dem Erreichen der Füllstellung des nächsten Arbeitstaktes sinngemäß verfahren kann. Dadurch wird die Höhenlage des über das Celenk (4) angekoppelten Zylinders (8) verändert, so daß der Kolben (7) Je nach Art der Signale der Steuerung (22) die Matrize (2) auf einem höheren oder tieferen Niveau in Füllstellung (Figur 2a) anhält, wenn er oben am Boden des Zylinders (8) zum Anschlag kommt.
Ermittel die Steuerung (22) beim Vergleich der fest gespeicherten Signalfolge mit der aus der Druck-Weg-Messung stammenden Signalfolge eine unzulässig große Abweichung, wird die Pulverpresse nach Beendigung des noch laufenden Arbeitsspiels über den Störschaltkreis (33) zum Stillstand gebracht.
Das preßtechnisch notwendige Mitbewegen der Matrize (2) und das gleichzeitige Ausüben von Kräften durch die Matrize (2) auf die Pulversäule (18) geschieht teilweise durch Mitverwendung der Geräte und Fuktionen, die auch für die oben beschriebene automatische Druck-Weg-Messung und Füllhöhenregulierung erforderlich sind.
Dem Speicher (21) ist über die Programmvorwahl (20) zusätzlich eine werkstückspezifische, digitale Signalfolge für das preßtechnisch richtige Verhalten der Matrize (2) während des Verdichtens der Pulversäule (18) eingegeben worden. Die Steuerung (22) verwendet die vom Wegmesser (14) eingehenden elektrischen Signale zum Vergleich mit dieser im Speicher (21) vorhandenen spezifischen Signalfolge. Aus dem Vergleich formt die Steuerung (22) das für den Proportionalverstärker (26) benötigte Eingangssignal. Das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers (26) wirkt auf die hydraulische Regelung (27), die den Druck und den Förderstrom des Aggregates (28) so beeinflußt, daß das Verhalten der Matrize während des Verdichtens der Pulversäule (18) dem vorgegebenen Programm entspricht. Der Wegmesser (19) meldet der Steuerrung (22) Abweichungen der Matrizenbewegung vom vorgegebenen Programm. Sind diese Abweichungen unzulässig groß, wird die Pulverpresse durch ein Signal der Steuerung (22) auf den Störschaltkreis (33) am Ende des laufenden Arbeitsspiels zum Stillstand gebracht.
Wenn das Werkstück wie im Ausführungsbeispiel eine Form hat, die durch eine feste Stufe (34) in der Matrizenöffnung gebildet wird, muß die Matrize (2) kurz bevor der Oberstempel (1) die Preßstellung (Figur 2b) erreicht hat, auf einen mechanischen Anschlag gefahren werden. Nur so ist gewährleistet, daß die Höhe der Werkstückstufe in den geforderten engen Toleranzgrenzen gefertigt werden kann. Den mechanischen Anschlag bildet der größere Radius der Kurvenscheibe (11) auf den die Rolle (13) kurz vor der Preßstellung (Figur 2a) aufsetzt. Entsprechend der gewünschten Lage der Stufe im Werkstück, muß die Rolle (13) über das Stellgetriebe (12) eingestellt werden.
Nachdem die Preßstellung (Figur 2b) durchfahren ist, hebt der Oberstempel (1) vom Werkstück ab und bewegt sich aufwärts. Gleichzeitig hat die Kurvenscheibe (5) eine Winkelstellung erreicht, in der sie wieder mit der Rolle (9) in Berührung kommt. Dadurch wird der Schlitten (6) mit der Matrize (2) nach unten geschoben. Da der Schlitten (6) an den Hebel (10) angekoppelt ist, schwenkt dieser nach unten und zieht den Kolben (7) aus dem Zylinder (8) heraus. Dabei ist die hydraulische Regelung so geschaltet, daß aus dem Kolbenstangenraum (32) des Zylinders (8) Druckflüssigkeit abströmen und auf der Gegenseite zufließen kann. Die Kurvenscheibe (11) hat sich mit ihrem größeren Radius aus dem Bereich der Rolle (13) gedreht, so daß das Gestell (6) an seiner Abwärtsbewegung nicht mehr gehindert wird. Wenn die Kurvenscheibe (5) mit ihrem größeren Radius die Rolle (9) erreicht hat, stehen die Matrize (2) und der Unterstempel (30) auf gleicher Höhe und das Werkstück ist entformt. Die Matrize (2) befindet sich Jetzt in Abzugsstellung (Figur 2c). Die hydraulische Regelung (27) gibt sofort den Förderstrom des Aggregates (28) mit Arbeitsdruck auf den Kolbenstangenraum (32) des Zylinders (8).
Der Kolben (7) versucht den Hebel (10) nach oben zu schwenken. Uber den Schlitten (6) wird die Rolle (9) gegen die Kurvenscheibe (5) gedrückt. Die Rolle (9) läuft auf dem Außenprofil der drehenden Kurvenscheibe (5) bis der Kolben (7) oben am Boden des Zylinders (8) zum Anschlag kommt. Die Matrize (2) steht Jetzt wieder in Füllstellung (Figur 2a). Die Kurvenscheibe (5) dreht weiter und hebt von der Rolle (9) ab. Der Kurbeltrieb (29) durchläuft mit dem oberen Pressentisch (16) und dem Oberstempel (1) den oberen Totpunkt. Die Steuerung (22) und die angekoppelten Geräte sind auf das nächste Arbeitsspiel vorbereitet, das nun beginnt.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Pressen von Formkörpern Patentansprüche: 1. Verfahren zum Pressen von Formkörpern konstanter Dichte und Höhe aus pulverförmigen Massen mit einer Presse, die einen beweglichen Oberstempel aufweist, dessen Hub einstellbar ist, mit einer bewegbaren Matrize mit ebenfalls einstellbarem Hub und einem festen Unterstempel, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der Kraft, die der Oberstempel und/oder Unterstempel während des Verdichtungsvorganges auf das Metallpulver ausübt, gemessen und in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Weg des oder der Stempel in einen Datenspeicher elektronisch eingegeben wird, daß die gemessenen Daten jeweils mit den im Datenspeicher vorliegenden Sollwerten für die gewünschte Dichte des Formkörpers verglichen werden, und daß bei einer Abweichung der gemessenen Daten von dem Sollwert des Füllvolumens der Matrize in dem Sinne verändert wird, daß bei einem gegenüber dem Sollwert abweichenden Kraftanstieg das Füllvolumen verändert wird.
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, unter Verwendung einer Presse, bei der die Hubbewegung der Matrize mittels einer umlaufenden Kurvenscheibe erzeugt wird, dadurch gekennzeiche net, daß das Oberjoch (16) des Oberstempels (1) eine Druckmeßeinrichtung (15,17) und der Oberstempel (1) einen als Linearpotentiometer oder dergleichen ausgebildeten Wegmesser (14) aufweisen, welche elektrisch mit einem Datenspeichergerät (22) verbunden sind, daß an das Datenspeichergerät (22) ein Stellmotor (24) angeschlossen ist, der mechanisch mit einer Höhenverstelleinrichtung (25) für die Matrize (2) in Verbindung steht und daß die Höhenverstelleinrichtung einen verstellbaren Anschlag (7,8) aufweist, welcher das Füllvolumen der Matrize (2) festlegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenverstelleinrichtung (25) aus einem Spindelteil besteht, dessen Spindel mit einem Hydraulikzylinder (8) verbunden ist und in dem ein in Hubrichtung der Matrize bewegbarer Kolben (7) geführt ist, dessen Kolbenstange an einem Ende eines Hebels (10) angelenkt ist und daß an diesem Hebel (10) das die Matrize (2) aufnehmende Pressengestell angelenkt ist.