(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末状材料から円筒形成形部分と螺旋状成形部分とを有する成形体を製造する装置であって、雌型（１）と、自身の長手軸線を中心に回転可能に支承されている１つの上部パンチ（２）と、自身の長手軸線を中心に回転可能に支承されている下部パンチ（３）とを具備し、前記上部パンチ（２）と前記下部パンチ（３）とは前記雌型（１）に対して軸線方向で相対的に電動機により駆動されて走行可能であり、１つの上部パンチ（２）は、螺旋状成形部分を形成するために自身の軸線方向駆動装置の他に自身の長手軸線を中心に回転駆動されるような装置において、
電子制御装置（８）が設けられ、
１つの前記下部パンチ（３）も回転駆動され、
前記パンチ（２，３）の電動機による回転駆動装置がそれぞれ、前記パンチ（２，３）の軸線方向駆動装置と機械的な結合がなく、別個に前記制御装置（８）により制御可能であり、前記雌型（１）の成形空間の中での、製造する成形体の螺旋状成形部材の成形部に直接的に関与する前記上部パンチ（２）及び前記下部パンチ（３）の運動が、前記電子制御装置（８）により制御され、該制御装置（８）により１つの前記上部パンチ（２）が前記雌型（１）の成形空間の中に潜込み、軸線方向運動及び回転運動に関して位置制御が行われるようになっており、かつ前記制御装置（８）により、圧縮動作の間の前記パンチ（２，３）の回転運動の位置制御が行われるようになっているとともに、前記制御装置（８）により、１つの前記上部パンチ（２）が前記雌型（１）の成形空間の中に潜込むまでは線形でのみすなわち回転運動無しに動かされるように制御が行われ、１つの前記上部パンチ（２）が軸線方向にばね（９）のばね力により力が印加されていることを特徴とする成形体を製造する装置。
【請求項２】
前記制御装置（８）により、圧縮動作の間の前記パンチ（２，３）の回転運動の制御が所定トルク値で行われることを特徴とする請求項１に記載の成形体を製造する装置。
【請求項３】
前記制御装置（８）により、所定トルク値がプレス力実際値又はねじりモーメント実際値又は前記パンチ（２，３）の軸線方向に依存して制御されることを特徴とする請求項２に記載の成形体を製造する装置。
【請求項４】
前記制御装置（８）により、前記パンチ（２，３）の回転運動の制御がそれぞれ常に一定のトルク値で行われることを特徴とする請求項２に記載の成形体を製造する装置。
【請求項５】
前記制御装置（８）により、前記パンチ（２，３）の回転駆動装置が、螺旋の傾斜角と、前記上部パンチ（２）及び前記下部パンチ（３）と前記雌型（１）との間の工具遊びとに対応して、プレス終了位置に到達する直前にスイッチオフされるように制御されることを特徴とする請求項４に記載の成形体を製造する装置。
【請求項６】
前記制御装置（８）により、前記雌型（１）を充填するためと成形体を排出するためとの前記上部パンチ（２）の回転運動が、圧縮のための回転運動に対して逆に行われることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１つの請求項に記載の成形体を製造する装置。
【請求項７】
前記パンチ（２，３）の軸線方向駆動装置が、前記電動機に代えて液圧式であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１つの請求項に記載の成形体を製造する装置。
【請求項８】
回転運動のために、前記電動機に代えて液圧式又は空圧式の駆動装置が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１つの請求項に記載の成形体を製造する装置。
【請求項９】
回転運動のために、電動機形駆動装置が電気ステッピングモータ又はサーボモータであることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１つの請求項に記載の成形体を製造する装置。
【請求項１０】
成形体を製造する装置がＣＮＣ制御形粉末プレスの一部であることを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１つの請求項に記載の成形体を製造する装置。
【請求項１１】
成形体を製造する装置の前記雌型（１）、前記上部パンチ（２）及び前記下部パンチ（３）が、プレスの中に設置可能な工具アダプタの形の交換可能なユニットとして形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１つの請求項に記載の成形体を製造する装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、請求項１の前段に記載の円筒形主成形部材と螺旋状副成形部材とより成る成形体を製造する装置に関する。例えば、はすば歯部が副成形部分と見なされるはすば歯車を製造することに関する。
ヨーロッパ特許出願公開第ＥＰ０５２８７６１Ａ１号公報から、例えばはずば歯車の形の成形体を金属粉末から製造するために用いられる冒頭に記載の形式の装置が公知である。この公知の金属粉末プレスは、その中に、（プレス方向に位置する）長手軸線を中心に回転可能な上部パンチが支承されている線形走行可能な上部ラムと、その中に下部パンチが回転可能に支承され、下部ストッパに向かって同様に線形走行可能な下部ラムを有する。更に成形空間を形成し、同様にプレス中に線形走行可能である雌型プレートが設けられている。回転可能下部パンチと回転可能な上部パンチとはそれぞれ、雌型母面（すなわち成形空間）の歯部横断面（はすば歯車）に対応するそれぞれ１つの歯部横断面を有する。自由に回転可能に支承されている下部パンチは常に成形空間の横断面輪郭に係合し、従って、プレス中に下部パンチと雌型プレートとの間の線形相対運動が開始すると対応して強制的に回転する。これと異なり上部パンチにはその侵入深度に対応して、上部パンチの母面と雌型の成形空間の母面との間の摩擦を低減するために、はすば歯車に対応する回転運動が外部から強制される。これを実現するために成形体の所望のはすば歯車に対応する機械的なリンク装置を介して駆動される歯車伝動装置が設けられている。リンク装置はリンクブロックを有し、リンクブロックは一方では案内プレートにしっかりと接続され、他方、歯車伝動装置の同軸に配置されている駆動歯車の中に形状がぴったり合うことによる結合で滑動的に案内されている。プレスの間に案内プレートは一時的に雌型プレートにしっかりと連結され、雌型プレートと一緒に運動する。製造された成形体を排出するために排出過程が利用される。
この公知の金属粉末プレス法は、非常に大きい機械的構造規模を必要とし、大幅に大きい構造組変えの労力をも必要とする。何故ならばそれぞれの異なる成形体に対して特別の工具組（雌型及び上部パンチ及び下部パンチ）を交換することにとどまらず、成形体に対応するリンクブロック組をも準備し交換しなければならないからである。その上、案内プレートと、案内プレートを雌型プレートに剛性構造的に連結するための機械的に作動可能なロック装置のコストも加わる。更に、（回転運動の面で）外部から強制駆動されない下部パンチと、雌型との間の摩擦の問題が依然として存在する。これによりこの領域内での工具摩耗が激化するだけでなく、成形体の中の密度分布が非均一になる。
本発明の課題は、冒頭に記載の形式の装置を改善して、前述の摩擦の問題が下部パンチの面でも充分に解決され、その際、異なる成形体の製造のための所要の工具及び構造変更の規模及びコストはできるだけ小さいままであるようにすることにある。
この課題は請求項１の特徴部分に記載の特徴を有する冒頭に記載の形式の装置により解決される。本発明の有利な実施の形態は態様項２〜１１に記載されている。
本発明の重要な特徴は、製造する成形体の螺旋形部品の成形に直接的に関与する上部パンチ及び下部パンチの、雌型の線形空間の中での運動が、電子制御装置により制御されることにある。従って、成形空間の中への上部パンチ及び下部パンチの潜込み深度に依存しても上部パンチ及び下部パンチの回転運動は、もはや線形駆動装置と回転駆動装置との機械的連結によって行われるのではない。すなわち、もはやヨーロッパ特許出願公開第ＥＰ０５２８７６１Ａ１号公報に記載のプレスの広幅側面を成形する下部パンチの場合のように雌型母面におけるパンチ輪郭の摩擦のみによって行われるのではなく、又は、この公知のプレスの他方の広幅側面を成形する上部パンチの場合のようにリンクブロックの機械的に走査することにより行われるのではなく、電気的に制御された独立の（機械的に結合されていない）回転駆動を保証することによって行われる。これは、線形運動の間に同時に行われる（螺旋状部品の上昇に対応する）回転運動が、（パンチと雌型との間の）歯部の工具の遊びの範囲内の精度で行われなければならないことを意味する。これに対応して本発明の１つの実施の形態では、パンチの軸線方向運動及び回転運動が位置制御されて行われる。軸線方向位置及び回転位置を求めるために、対応するセンサ（例えば線形運動のためには線形ポテンショメータ又は測長用リニアエンコーダ又は回転のためには回転角信号発生器）を設ける。これに関連して、発明を実施するために好ましくは、雌型が定置で、使用される粉末プレスの中に保持され、上部パンチ及び下部パンチが線形及び回転的に動かされることに注意されたい。しかし勿論、運動力学的逆にする変形も可能である。すなわち例えば雌型は回転不能に保持されるが、しかしヨーロッパ特許出願公開第ＥＰ０５２８７６１Ａ１号公報に記載のプレスの場合のように線形に動かされ、下部パンチは定置であるがしかし回転運動され、上記パンチは線形及び回転的に動かされることも可能である。これを、下部パンチ又は上部パンチの回転可能性に加えて実現すると、例えば多重歯車、すなわち複数の軸線方向に順次に位置し異なる幅を有する歯部を有する（又は異なる傾斜角を有する）成形体を製造する場合に有利である。前述の下部パンチ及び上部パンチに加えて公知のように補助駆動装置により動かされるコアパンチを設けることもでき、例えば歯車にハブを形成するために用いられ、これにより歯車に軸を通すことが可能となる。
１つの上部パンチの運動のための電子制御装置は、雌型の成形空間の外部ではただ１つの純粋な線形運動で行われ、プレス中での所要の回転運動は成形空間の中への潜込みと直接的に一緒に初めて開始するように構成されることが可能である。この場合、比較的軟らかいばね弾力性が印加されストッパにより制限されている１つの上部パンチを設け、これにより回転運動の開始の際の加速動作のために充分な時間を提供することが推奨される。位置制御又はトルク制御は、上部パンチがストッパに衝突すると初めて開始する。これにより潜込みの際の工具損傷が回避される。
本発明を実施するために運動経過の位置制御は常に必要である訳ではない。位置制御に対して代替的又は付加的に、（雌型に対して相対的な）上部パンチ又は下部パンチの回転運動が、固定した所定の例えば時間的に一定のトルク値で行われることも可能である。この場合、上部パンチ及び下部パンチの回転駆動装置はプレスフェーズにおいての調整は、パンチの歯面と雌型の母面とが、雌型の成形空間の中へのパンチの進入の間に回転駆動装置が故障した際にこの調整が行われない場合に直接的に相互の摩擦にさらされない側でのみ、できるだけ大幅に接触するように行われる。すなわち、外部から印加されるトルクは、この調整が行われない場合には形状により強制される回転運動の方向に作用する。この変形例では回転駆動装置のトルクを、実際に到達したプレス力に依存して制御するか、又はパンチの到達した潜込み振動（軸線方向位置）に依存して制御する、すなわちプレス力の増加と共に回転駆動装置のトルクを増加すると好適である。パンチにおけるねじりモーメントを測定し、駆動トルクを、支承装置及び駆動装置の中の摩擦損失を補償する値に丁度調整すると特に有利である。これは、パンチにおけるねじりモーメントが零に向かうことを意味する。パンチの回転駆動装置をプレスフェーズの最後の区間ｘで、すなわちプレス終了位置への到達直前に完全にスイッチオフし、これによりねじり応力により亀裂を防止することが推奨される。歯部傾斜角βにおいてはこの区間ｘが次の条件を満足しなければならない。
ｘ≦ｓ・ｃｏｔβ
ただしｓは横方向（transverse）での工具遊びである。従って３０°の歯部と０．０３ｍｍの工具遊びのときは例えばｘ≦０．０５ｍｍである。
製造された成形体の取り出しが基本的に回転駆動装置のスイッチオン無しに行うことができるのは確かであるが、回転駆動装置を、圧縮工程の場合と（部分的に）逆方向に使用することが推奨される。これは、工具又はプレス成形体の可及的最大の保護を保証する。
上部パンチ及び下部パンチ（又は場合に応じて、動かされる雌型）の線形運動のために液圧式駆動装置を使用すると有利である。回転駆動装置も電動機に代えて液圧式に作動することもある。多くの場合に回転駆動装置は電動機に代えて空圧式に形成することもある。とりわけ推奨するのは電動機形回転駆動装置、とりわけ電気ステッピングモータ又はサーボモータである。本発明はＣＮＣ制御形粉末プレスと組合せて使用でき、有利である。本発明の装置の実質的に機械的な部分（パンチ、雌型、回転駆動装置）を、工具アダプタの形の交換可能なユニットとして形成し、これによりとりわけ短い構造改変時間を可能にすると特に有利である。
本発明の最大の利点は本発明が非常に僅かな工具摩耗ではすば歯車の製造を可能にすることにある、何故ならばプレスフェーズの間及び成形の間の歯面の領域内の摩擦を最小に制限できるからである。構造改変労力も、公知のプレス工具に比して大幅に低減できる、何故ならば回転駆動するためにプログラムを準備することしか必要でなく、リンクブロックの製作は不要であるからである。これにより、それぞれの粉末プレスが通常のように多数の異なる成形体の製造のために設けられている場合、回転駆動装置及び測定及び制御技術に必要な追加コストにもかかわらず投資コストを大幅に節約できる。最後に、本発明の装置は、従来可能よりも極めて均一な密度分布を有する成形体の製造を可能にすることを強調する。
ただ１つの図に略示されている金属粉末プレスの実施の形態に基づいて本発明の装置を以下に詳細に説明する。
この液圧プレスは上部ラム１４と下部ラム１５を備える枠体１６を有する。枠体１６のほぼ中間に雌型１が定置でかつ回転不能に支承される。上部ラム１４の中には上部パンチ２が回転可能に支承され、下部ラム１５の中には下部パンチ３が回転可能に支承されている。上部パンチ２は、プレス装置の中の上部パンチ２のための収容装置を定置ストッパに押圧するバイアス緊張されているばね９により、プレス装置にしなやかに力が印加されている。ばねのばね運動距離はストッパにより制限されている。ばねのばね力はいずれにせよ、それぞれの工具のための最大発生プレス力に比して大幅に小さく設定されている。従って上部パンチは速やかにプレス動作の開始時にはすでにストッパの位置に位置する。雌型１の母面と双方のパンチ２，３とは、互いに対応するはすば歯車を有する。ラム１４，１５の線形位置を求め、ひいては、これらの連動するパンチ２又は３の線形位置を求めるために２つの距離測定装置１０，１１が設けられている。距離測定装置１０，１１は例えば測長用リニアエンコーダ又は線形ポテンショメータとして形成することも可能である。ラム１４，１５にはそれぞれ回転駆動装置５又は７が固定され（例えば電気サーボモータ）、駆動装置５又は７の実際の回転角位置は組合せ角度及びトルク測定装置１２又は１３により連続的に検出可能である。パンチ２，３は、発生するねじりモーメントを検出する測定装置１２ａ，１３ａを有する。回転駆動装置５，７はそれぞれ平歯車を介して２つのパンチ２，３のうちの１つに駆動技術的に接続されている。プレスのラム１４，１５を位置決めするために２つのサーボ比例弁４，６が設けられている。最後に、図示のプレスは電子制御装置８（破線により包囲されている）を有する。電子制御装置８は自身の中で階層的に構成され、ＣＮＣ主プロセッサ２１と、上部ラム１４又は下部ラム１５の線形運動ための調整器１９又は２０と、パンチ２又は３の回転運動のためのそれぞれ１つの調整器１７又は１８とから成る。操作員によるプレスの制御及び調整のためのＣＮＣ主プロセッサの入出力装置は２２により示されている。電子構成要素とセンサとの情報技術的接続は、対応する矢印により示されている。線形ラム運動のための両調整器１９，２０はＣＮＣ主プロセッサのスレイブとして、そして回転運動のための調整器１７，１８は、線形ラム運動のための調整器１９，２０のうちの１つにスレイブとして従属されている。調整器１９は図示の例では調整器２０のマスタである。すなわち、上部ラム２０の運動と、ひいては上部パンチ２の運動とは運動経過のための基準量とされている。組合せ角度及びトルク測定装置１２は回転駆動装置５及び調整器１７と共働して閉ループ制御回路を形成し、調整器１７はその目標値をそれぞれラム１４の線形駆動装置の調整器１９から、距離測定装置１０により検出された軸線方向の実際位置に対応して受取る。同様のことが、下部パンチ３の駆動装置のための同一機能構成要素にも当てはまり、下部パンチの線形位置は、上部パンチ２の線形位置に依存して閉ループ制御される。ＣＮＣ主プロセッサ２１は、優先される閉ループ制御及び開ループ制御機能と、製造する部品のためのプリセットデータの処理の役割を引受ける。枠体１６の中で破線の囲みにより、工具アダプタの形の本発明の装置の主機能部品が容易に交換可能であり、上部ラム及び下部ラム１４，１５に接続可能なユニットに統合されることが可能であることが示されている。
図示のプレスの動作を以下に説明する。
成形体を排出した後、下部パンチ３は、製造するはすば歯車の傾斜角に対応して回転駆動装置７の使用の下に位置制御されて、距離測定装置１１と角度測定装置１２とにより求められた実際値に基づいて下方へ動かされて充填位置に到達する。その際に下部パンチは雌型１の成形空間の中に位置したままである。上部パンチ２は成形空間の上方に位置する。成形空間を鋼粉末により充填した後、上部パンチ２は調整器１９により距離測定装置１０のデータに基づいて位置制御されて下方へ向かって動かされる。同時に、制御器１７と角度測定装置１２と回転駆動装置５を介して、上部パンチの調整された回転運動が導入され、雌型１の成形空間の歯部輪郭に対する上部パンチ２の相対運動により上部パンチ２が成形空間の中に潜込むことが可能となる。これにより、持込まれた鋼粉末が圧縮される実際のプレスフェーズが開始する。これを実現するために、雌型１が定置のままである状態で同時に下部ラム３と上部ラム２とが互いに反対の方向で成形空間の中に入込み、その際、回転駆動装置７又は５は、パンチ２，３と雌型１との間の摩擦を最小化することを保証する。角度測定装置１２，１３は組合せ装置として駆動トルクの検出にも用いることができるので、回転駆動装置５，７の位置制御に対して付加的又は代替的にトルク制御も、パンチ２，３の軸線方向位置に依存して行うことができる。プレス終位置に到達した後、製造された成形体を排出するために上部パンチ２の駆動装置が切換えられる。すなわち上部パンチ２は、成形体の輪郭に対応して線形かつ回転的に位置制御されて成形空間から出る。その際、同時に下部ラム３も、下部ラム３の上部端面が雌型１の上面と同一の平面内に位置するまで、対応して位置制御されて更に上方へ動かされる。成形体が露出すると終了する。排出の間に成形体は的確に所望の負荷が印加されて保持される。
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