(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料を圧縮するためのプレスであって、上パンチユニットを備え、クランクシャフトと、該クランクシャフトと一緒に回転するように結合された歯車と、前記上パンチユニットと前記クランクシャフトとの間に接続されている連接棒とを有する、前記上パンチユニットを駆動するための偏心クランク機構をさらに備え、各々が前記歯車と駆動可能に係合されている２つの液圧式モータをさらに有しており、前記上パンチユニットの行程が、前記偏心クランク機構の上死点および下死点のうちの少なくとも１つに到達する各直前に逆転されるように前記クランクシャフトの動作を逆転するために前記偏心クランク機構に操作的に接続されている電子制御装置をさらに備え、前記電子制御装置は、どのように前記モータに液圧媒体を供給するかによって前記２つの液圧式モータを選択的に並列または直列に接続するように構成されているとともに、作業行程および無負荷行程の間に前記クランクシャフトが１８０°よりも少ない角度範囲で回転するように、前記クランクシャフトの回転を制御すべく構成されており、前記作業行程では前記２つの液圧式モータが並列に接続され、前記無負荷行程では前記２つの液圧式モータが直列に接続されていることを特徴とするプレス。
【請求項２】
前記電子制御装置は、作業行程の終点に対応するプレス限界位置に到達するために前記偏心クランク機構の下死点をわずかに通過するように、前記偏心クランク機構を制御すべく構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のプレス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つの連接棒とクランクシャフトとを有する、上パンチユニット（Oberstempeleinheit）の駆動用偏心クランク機構を備えた粉末状材料、特に金属粉末を圧縮するためのプレスに関し、かつこのプレスの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粉末金属圧縮技術および金属セラミック粉末圧縮技術において、圧粉体を形成するための機械的な粉末圧縮が長年用いられている。通常、偏心プレスまたはトグルレバープレスとして形成される機械的プレスは、作業サイクルの間、プレス力が著しく累進的に推移する、正弦状のパンチ運動経過での高い作業速度を特徴とする。特に複雑な成形品を形成するために、プレス工具が油圧ピストン・シリンダ系によって動かされる粉末プレスが好んで用いられる。相応の電子制御装置と組み合わせることにより、個々のプレス工具はプレス力とプレス行程に関して最適に制御されるので、その複雑な形状にもかかわらず成形体容積の内部の密度がほぼ一定であることを特徴とする圧粉体が生じる。一般に、油圧プレスは機械的プレスと比べて作業速度が比較的低く、したがってサイクル時間が比較的長く、エネルギー消費量が著しく大きい。
【０００３】
ＤＥ４１１４８８０Ａ１により公知の、粉末材料を圧縮するためのプレスは、プレスの上パンチユニットを駆動するための電気駆動モータを有する機械的偏心プレスとして構成されている。上パンチ用の偏心駆動装置のクランクシャフトは、歯車と一緒に回転するように結合されている。この歯車はウォーム歯車装置によって駆動され、ウォーム歯車装置自体は電気モータによって回転する。電気モータとクランクシャフトの回転方向は、運転中変化しない。ダイ（母型）を動かすために、油圧ピストン・シリンダユニットが設けられている。この公知のプレスの特徴は、コード化スイッチ（Codierschalter）を有していることである。コード化スイッチは上パンチユニットの作業位置を走査し、相応の信号をこのプレスの電子制御装置に送る。さらに、周波数変換器が設けられていて、これは電気駆動モータに作用し、かつ電子制御装置から位置信号を受け取るので、駆動運動が制御可能となる。上パンチユニットは圧力測定シリンダ内に支承されていて、プレス方向に変位可能である。この場合、上パンチユニットの油圧による変位は電子プレス制御によって案内される。この機械的に駆動される偏心プレスとプレス工具の追加的な油圧駆動装置との組み合わせにより、この形状形成の点でも非常に要求の高い圧粉体を大量に生産できるようにする。この場合、圧縮体の均一な寸法および密度が保証されていなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式のプレスを改良して、機械的プレスで公知の、かつプレス粉末の圧縮にとって有利な正弦状の運動経過および累進的な力推移と、比較的単純な油圧駆動技術によって生ぜしめる、プレスの高いフレキシビリティーおよび理想的な経過に近いプレス経過に関する利点とを組み合わせ、しかも速度およびプレス工具の位置の高い再現性を提供することである。このプレスのエネルギー消費は、当該エネルギーにより生じうる駆動力に比較して小さくなければならない。プレスパラメータは、運動経過と出力需要を最適化するために、簡単に調節可能でなければならない。さらに、このプレスを駆動するための方法を示す。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明により請求項１の特徴部に記載された特徴を有するプレスによって解決される。本発明の有利な構成が、請求項２以下に記載されている。
【０００６】
本発明によるプレスは、上パンチユニットを駆動するために偏心クランク機構を有している。この偏心クランク機構は、少なくとも１つの連接棒（通常は対で配置されている）を有しており、この連接棒はその一方の端部では上パンチユニットと、他方の端部ではクランクシャフトと偏心的に結合されている。クランクシャフトとの結合は、たとえば偏心板を介して実現できる。クランクシャフトには、１つの歯車が一緒に回転するように結合されている。この歯車は、少なくとも１つの、好ましくは２つのウォーム歯車装置によって回転可能に駆動される。これらのウォーム歯車装置は、好適には、クランクシャフトを基準にして直径上で向かい合っていて、それ自体は少なくとも１つのモータによって、好ましくはそれぞれ独立のモータによって駆動される。このプレスの運動経過は、電子制御装置によって操作される。本発明の本質的な特徴は、この電子制御装置がクランクシャフトを可逆運転できるよう調整されていることである。この場合、クランクシャフトは１８０°よりも少ない角度範囲で回転するのが好ましい。歯車の可逆回転に応じて、上パンチユニットは、連接棒による力の伝達の結果として上下に移動する。すなわちプレス位置と装入／突出し位置との間で往復移動する。偏心クランク機構を有する慣用の機械的プレスとは異なり、本発明によるプレスのクランクシャフトは完全な回転を行わない。
【０００７】
構成容積（Bauvolumen）を基準として、高い動的駆動を可能にする油圧モータのトルク密度が非常に高く、かつ揺動モーメントＧＤ2が比較的小さいために、電気駆動モータよりも油圧モータを使用することが優先される。それぞれ別個の駆動モータを有する２つのウォーム歯車装置を配置することにより、構成容積が比較的小さくても、ウォーム歯車装置による力の伝達によってクランクシャフトに２倍大きいトルクを形成でき、しかも歯車もしくはウォーム歯車装置において歯にかかる負荷が増すことはない。
【０００８】
プレスの２つの好ましい油圧モータが、油圧媒体の回路への挿入に関して、選択的に、並行または直列に接続可能であるように制御装置が調整されていることは、特に好適である。並行接続の場合は２つの油圧モータにそれぞれ半分の流量がモータを通過するが、直列接続の場合は２つのモータに全流量が通過する。このことは、同じ油圧ユニットを、通常の作業速度または２倍高い作業速度に調節できることを意味する。後者の速度は、特に、全高の低い比較的小型の部材を圧縮する場合に非常に有利である。
【０００９】
さらにこのプレスは、有利には、油圧プレスにおいて基本的に公知のように、油圧シリンダによって軌道制御（Bahnsteuerung）で案内されて移動できるダイを有している。さらにこのプレスは、油圧操作可能な工具アダプタを有してよい。これらの場合に、上パンチユニット用の油圧ポンプと、ダイの油圧シリンダ用の別の油圧ポンプおよび／または油圧操作可能な工具アダプタを駆動する、中央電気モータを設けることが好適である。
【００１０】
上パンチユニットのその都度の位置を把握するために、間接的検出または好ましくは直接的検出が可能な電子測定系を使用することが推奨される。たとえば、上パンチユニットを受容しているプレスのアッパーラムのその都度の位置を検出するための電子距離測定系を設けるか、またはクランクシャフトのその都度の角位置を検出するための電子回転角センサも設けることができる。
【００１１】
プレス工具部材の運動が電子制御装置によって案内される、本発明によるプレスの特別の利点は、好ましくは単純な油圧的な手段で容積流および圧力に関して非常に簡単に影響を与えることのできる油圧媒体の流れにより、偏心クランク機構の駆動に直接影響を与え得ることである。したがって、偏心クランク機構の速度およびトルクは、油圧的に非常に簡単かつ正確に影響を与えることができる。さらに、偏心クランク機構により、プレスによって生じうるプレス力に関して著しい伝動比が達成されることが有利である。必要とされるプレス力は、当然のことながら、上パンチユニットの下方死点の範囲で最大である。しかし、まさにプレスのこの位置で、駆動力とプレス力との間の伝動比も最大である。その結果として、プレス駆動に必要とされる駆動力は、等しい最大プレス力を備えた油圧プレスと比較して、はるかに小さく選択できる。そうすることによって、プレスサイクルの間の全エネルギー消費もはるかに小さい。
【００１２】
本発明によるプレスは、通常電気モータによって駆動され通過する機械的偏心クランクプレスのサイクル時間を下回るサイクル時間を可能にする。このことは、行程がそれぞれ偏心クランク機構の上方死点に到達するかなり手前で終了し、次いで逆転するように、プレス制御を調整することによって可能である。通常の機械的プレスでは、この距離は常に完全に通過しなければならない。
【００１３】
慣用の機械的プレスのサイクル時間は、主として圧縮成形物を取り出すのに必要な手順によって決まる。この手順には、特にダイを抜き取る間、上パンチ駆動ユニット内に支承された油圧シリンダ・ピストン系（システム）によってもたらされる保持力を維持することが含まれる。連続運転において、このシリンダ・ピストン系は、上パンチ駆動ユニットの後退運動に応じて保持力を維持するために進出運動を行い、ダイを抜き取った後で再び急速に初期位置に戻らなければならない。このことは特に高性能の（高価な）油圧装置を要するか、またはプレスの基本速度（回転数）をシリンダ・ピストン系の運動に対する所要時間に適合させることを要求する。本発明によるプレスにおいて、上パンチ駆動ユニットの速度を下方死点の範囲で大幅に下げることが問題なくでき、さらには成形品を取り去るまで暫定的に、ゼロに維持することができる。こうすることによって、保持力を形成するためのシリンダ運動の油圧コストを非常に小さく押さえることができる。離型後、上パンチ駆動ユニットを可能な最大速度で初期位置に引き戻すことができる。
【００１４】
本発明によるプレスの同様に有利な運転は、行程が上パンチユニットの下方死点の範囲で、下方死点をわずかだけ通過するように調整されていることによって得られる。すなわち、プレスは、１８０°（絶対角度）をわずかに上回る所定のクランク角の範囲でも駆動される。プレスは基本的に可逆運転であるため、最終点に到達した後、１８０°で死点を強制的に通過させられる。このことは、下方死点で最大プレス力を有する二重プレスが各作業サイクルで極めて単純に行われることを意味する。これは特定のプレス成形品において格別有利である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明によるプレスの概略的な断面図である。ここでは上パンチユニット２（すなわち上パンチユニット内に収容されているプレスのアッパーラム（Oberbaeren））の駆動装置だけが示されている。形成すべきプレス体の形状に応じて１つ以上の上パンチを保持している上パンチユニット２は、プレスの機枠１に摺動可能に支承されている。プレス体はダイ９と、プレスの機枠１内に、たとえば動かないように支持されている下パンチユニット８とによって包囲されたキャビティ（鋳型空隙部）内で形成される。このキャビティ内に、プレス時に上パンチが進入する。上パンチユニット２の初期位置および最終位置を調節できる機械的な調節装置１０が設けられていることが好適である。連接棒３を介して、上パンチユニット２は機枠１内に回転可能に支承されたクランクシャフト４によって動かされる。クランクシャフト４が回転すると、上パンチユニット２に対してほぼ正弦状の速度推移が生じる。
ウォーム歯車として形成された歯車５は、クランクシャフト４と一緒に回転するように結合されている。連接棒３は、歯車５と一体的に形成した偏心板１１を介してクランクシャフト４と結合している。歯車５の左と右には、２つのウォーム歯車装置６．１、６．２が、クランクシャフト４の中軸を基準にして直径上で向き合って配置されている。これらのウォーム歯車は、それぞれ油圧モータ７．１、７．２によって駆動される。クランクシャフト４には、電子回転角センサ（図示しない）が収容されている。電子回転角センサを用いて、上パンチユニット２のその都度の位置を間接的に検出できる。上パンチユニット２を動かすために、油圧系（詳しく図示しない）が設けられており、かつ油圧駆動される他のプレス工具部材（たとえばダイ、下パンチユニットまたは工具アダプタ）に確実に伝達されるようになっている。プレス部材のすべての運動は、図１には示していない電子制御装置によって案内される。この電子制御装置は、上記電子回転角センサまたは使用される直接的な測定系の測定値に基づいて、油圧モータを含む油圧系のバルブおよびポンプを制御する。
【００１６】
図１に概略で機枠１の下側部分に偏心クランク機構が示されているのに対し、本発明によるプレスを実用的に形成する際には、偏心クランク機構を上パンチユニット２の上方に、すなわちプレスの先端に配置する方がはるかに有利であろう。これは基本的な機能形態を全然変えるものではない。
【００１７】
以下に、本発明のプレスの作業方法を説明する。
ウォーム歯車装置６．１および６．２の２つのウォーム歯車は、油圧ポンプで送られる油圧媒体で負荷される油圧モータ７．１、７．２を介してウォーム歯車装置６．１、６．２の伝動比に応じて歯車５のトルクと、クランクシャフト４の相応の回転運動とを生じさせる。電子制御装置（図示しない）は、油圧モータ７．１、７．２の回転方向を切り替えて、たとえば１２０°の角範囲でクランクシャフト４に可逆的な回転運動が生じるように設計されている。油圧モータ７．１、７．２の回転数を相応に選択すると、クランク機構は下方死点の範囲まで移動する。
プレス制御は、必要に応じてプレス最終位置が連接棒３の下方死点の向こう側で到達されるように調整できる。この場合は、プレス位置の絶対的死点が本来の作業工程で１回通過され、さらに「アイドルストローク（無負荷工程：Leertaktes）」の初めにもう１回通過されるので、二重プレスが行われる。クランクシャフト４の回転を１８０°よりも著しく小さい範囲に短縮することによって、正弦状運動曲線の比較的時間のかかる谷および／または頂点を完全に通過するという必要がなくなる。これによりサイクル時間の約３０〜５０％が直ちに節約できる。このような可能性は、本発明における可逆運転においてのみ存在し、規則的な回転を行う通常の偏心駆動によるプレスでは存在しない。
【００１８】
必要に応じて、油圧媒体の容積流を変えることにより、ウォーム歯車装置６．１、６．２の強いトルク伝動比と、連接棒３のクランク作用とにより、上パンチユニット２の比較的中位の速度で高いプレス力が得られる。これは粉末の圧縮にとって好都合である。プレス型を開いてプレス体を露出させるための上パンチユニット２の運動は、油圧モータ７．１、７．２の回転方向を切り替えることによって引き起こされる。油圧モータ７．１、７．２はバルブを相応に切り替えることにより、選択的に並行接続または直列接続により油圧回路に投入され得る。並行接続は特に作業行程（圧縮）に推奨され、直列接続は特に無負荷行程（プレス成形品の離型）に推奨される。油圧ポンプの吐出し量が一定だと、無負荷行程は本来の作業行程の半分の力で、しかし２倍の速さで進行する。したがって、本発明によるプレスは、プレス力が大きく低速の作業速度と、プレス力が小さく高速の戻り速度とを有利に組み合わせる。このようにすることによって、プレスの駆動出力はプレスサイクルの継続時間にわたって、通常の油圧プレスの場合よりも著しく均一に利用できる。もちろん、必要に応じて、全プレスサイクルを通して並行接続または直列接続を変えずに維持することもできる。直列接続は、高さが比較的小さく、比較的わずかなプレス力で十分なプレス成形品において、特に高い生産力を達成するために推奨される。本発明によるプレスは基本的に通常の機械的プレスと同様に連続運転において、すなわち駆動モータを逆転させずに駆動することもできる。この場合、さらに作業速度を簡単に適合できるという利点が生じる。プレスのために、位置と速度を自由にプログラム制御できる軌道制御を可能にする電子制御装置が設けられている。
【００１９】
図１の右上には、上パンチユニット２が通過した距離の正弦状推移が時間との関係で示されている。選択した例では、クランクシャフト回転は１８０°であり、上パンチユニット２は上方死点ＯＴから下方死点ＵＴに移動する。このために必要な時間（圧縮行程）は、ｔvで表す。これに続く下方死点ＵＴから上方死点ＯＴへの戻り運動は、油圧モータ７．１、７．２の並行接続ではなく、直列接続で行われるので、クランクシャフト４の回転の大きさは等しいが、油圧ポンプの吐出し量が一定のため所要時間は小さくなり、ｔrにすぎない。それゆえ正弦曲線の第二部分は、時間軸の方向で相応に凹んでいる。グラフ内の破線および記号＋／−は、上パンチユニットの最終位置が死点の範囲で正または負の方向に変化できることを意味している。プレス型内で粉末が圧縮される作業行程の部分は、Ａで示す。
【００２０】
図２は、実施例において偏心クランク機構のクランク角αと本発明によるプレスの若干の特性値の推移との関係を表している。この場合、グラフは１３０°〜約１８０°（下方死点）のクランク角αの範囲でのみ示されている。選択した例は、１３０°〜１８０°のクランク角範囲が上パンチユニットの移動距離４０ｍｍに対応するプレスに関するものである。したがって図２で移動距離を示す曲線ｓは、上パンチユニットと下方死点との間隔を表している。この移動距離は、プレス内における実際のプレス作業、すなわちプレス圧縮の段階にほぼ対応している。
【００２１】
Ｆで表す曲線は、プレスによって加工可能な最大高さを有する代表的なプレス体における実際のプレス力の推移を表している。粉末圧縮が増大するにつれて、プレス力Ｆは約１４０°のクランク角α以降、下方死点における２３４０ｋＮの値まで著しく上昇する。
【００２２】
クランクシャフトにおいてそれぞれのプレス力に対応しているトルクＭdは、プレスの所定の寸法比においてクランク角１４０°で７１２５Ｎｍである。このときトルクは急上昇し、約１６０°で最大値４５５００Ｎｍに達する。プレス力は最大トルク１２２５ｋＮである。最大値に到達した後、トルクはクランク角αがさらに増大するにつれて著しく減少し、下方死点ではゼロになり、一方、プレス力は最大値に達する。クランクシャフトにおけるトルクは、油圧モータのトルクに、したがって油圧に直接比例する。ここで分かるように、すでに中位のプレス力で、最大トルクが存在し、プレス力がそれ以上上昇してもトルクは増大する必要がないだけでなく、トルクは下方死点でゼロまで下降する。この力の推移は、一般に粉末プレスに典型的であり、製造すべきプレス成形品の高さが大きければ大きいほど顕著である。これに対して、トルク曲線の推移は偏心クランク機構を有するプレスに典型的である。トルク曲線Ｍdの下の面は、プレス体の圧縮時に行われる仕事を表している。
【００２３】
図２の基礎をなす実施例の状況において、歯車５における接線力は最大トルク（４５５００Ｎｍ）で３６４ｋＮに過ぎないが、実際にプレス成形品に作用するプレス力Ｆは１２２５ｋＮである。すなわち、作業行程のこの箇所では、プレスおよび圧縮されるべき粉末の所定の条件のもとで、力の伝動比は実際のプレス力（１２２５ｋＮ）に対して１：３．３７、最終プレス力（２３４０ｋＮ）に対して１：６．４３である。図２に、可能な最大の力の伝動比Ｖがクランク角αとの関係でも示されている。特に下方死点に到達する前の最終角度の範囲では、力の伝動比Ｖが強い累進的上昇を示す。クランク角αが１６５°の場合、値Ｖは１：３、１７５°では１：１０、１７７．５°では約１：２０である。このような状況は非常に短いプレス距離でプレス成形品を製造する際に実用的に利用し、実現できる。このような場合、上記の例で示された最大プレス力２３４０ｋＮを達成するために、クランク機構の歯車における接線力約１１６ｋＮのみが必要である。これは、前記の例の高さの大きいプレス体で必要な接線力３６４ｋＮの約３分の１に過ぎない。それゆえに、相応に低いプレス成形品の製造のために、約３分の１にまで減少した駆動力のみ必要である。プレス力の伝動比の２つの前記極端値、すなわち約１：６と約１：２０との間に粉末プレスの通常の作業範囲がある。本発明によるプレスと比較して、プレス工具自体を直接ピストンで駆動する通常の油圧プレスは、インテリジェントな負荷・速度対応制御により少なくとも３倍大きい出力を要するであろう。
【００２４】
本発明によるプレスのフレキシビリティーに関してさらに指摘すると、油圧ポンプにおける吐出し量の変化により、プレスの速度および個々のサイクル部分内の速度を直接変更することが問題なく可能である。これに要する制御コストは最小限ですむ。必要に応じて油圧バルブを相応に切り替えることによって、プレスサイクルに停止時間を組み入れたり、無負荷行程の時間を短縮したりもできる。
【００２５】
本発明により提案された駆動装置を、粉末プレスで次のような上パンチユニットのためのに使用すると特に有利である。すなわち、上パンチユニットの他の運動面（ダイ、工具アダプタ）も同様に油圧的に駆動され、当該上パンチユニットは、油圧装置用の共通の主駆動モータを有している。このことが特に好適である理由は、第１に、上パンチユニットとダイに対する所要出力が原則として同時にではなく、相前後して発生するからであり、第２に、クランク角約１６０°の範囲において、かつ後には下方死点（クランク角１８０°）において、ダイを引き離す際に、上パンチユニットにおける出力ピークを解消するために、中央駆動装置のより大きい揺動モーメントが必要となるからである。本発明によるプレスは、正弦状の運動および力の推移を引き起こし、製造されるプレス体で高い精度を可能にし、高い効率を有しており、製造される成形品に関して極めてフレキシブルであり、生産力を著しく高め、製造技術に重要な進歩をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプレスの概略的な断面図である。
【図２】プレスの性値とクランク角度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  機枠
２  上パンチユニット
３  連接棒
４  クランクシャフト
５  歯車
６．１、６．２  ウォーム歯車装置
７．１、７．２  モータ
８  下ユニット
９  ダイ（母型）
１０  調節装置
１１  偏心板
【図１】
0003723727.tif 000002
【図２】
0003723727.tif 000003