专利名称：具有用于上模单元的偏心曲柄传动装置的压力机和工作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来压制粉末形物质、特别是金属粉末的压力机，至少带有一按权利要求1前序部分的用于驱动上模单元的具有连杆以及曲柄轴的偏心曲柄传动装置，本发明还涉及使这种压力机工作的方法。
在金属粉末和金属陶瓷粉末压制技术中多年来一直采用机械式粉末压力机以制造粉末压制品。这些通常做成偏心压力机或肘杆压力机的机械压力机的特征是在工作循环期间在强烈地渐进的压制力分布的情况下在冲模运动的正弦形变化过程中的高的工作速度。对于制造特别复杂的成形零件优先采用其冲压模通过液压活塞／油缸系统带动的粉末压力机。结合相应的电子控制装置单个冲压模在压制力和压制行程方面可以按最佳的方式这样地控制，使得形成这样的压制品，尽管它的形状复杂在其整个成形体内密度仍然是完全恒定的。但是与机械压力机相比液压压力机通常工作速度低，也就是循环时间较长，并且能耗大得多。
由形成这一类型的DE 41 14 880 A1已知一种用于压制粉末形物质的压力机，它做成具有一用于压力机上模的运动的驱动电机的机械式偏心压力机。用于上模的偏心驱动装置的曲轴与一齿轮不可相对旋转地连接，该齿轮由一蜗杆传动装置带动，它在其一侧由一电机带动旋转。在工作过程中电机和曲轴的旋转方向不变。对于阴模的运动设有一液压活塞／油缸系统。这种已知压力机的特点是，它具有一编码开关，它扫描上模的工作位置，并向压力机的电子控制装置输送相应的信号。其次设有一变频器，它作用于驱动电机并由电子控制装置得到调节信号，使得可以控制驱动运动。上模安装在一压力测量油缸内，并可沿压制方向运动，其中上模的液压移动由压力机电子控制装置操纵。通过机械驱动的偏心压力机和附加的冲压模的液压驱动装置的组合应该达到，也可以成批大量地制造在其造型方面要求非常高的粉末压制品，其中应该保证尺寸的一致性和压制品密度的均匀性。
本发明的目的是将这一类型的压力机改进如下，使得由机械压力机已知的和对于压制粉末的压缩有利的正弦形运动和渐进的力的变化和由比较方便的液压驱动技术造成的在压力机高度的灵活性和在冲压模的速度和位置的可重复性很高的情况下更接近于理想过程的压制过程方面的优点相结合。这种压力机的能耗与其能够产生的驱动力相比应该是小的。压制参数可以方便地调整，以优化运动过程和功率需求。此外应该提供一种使这种压力机工作的方法。
这个任务通过具有在权利要求1中规定的特征的压力机来解决。在从属权利要求中给出了这种压力机的优良的改进结构。按本发明的用于这种压力机的工作方法通过独立权利要求14和15的特征来表明。
为了驱动其上模单元按本发明的压力机具有一偏心曲柄传动装置，它至少包含一连杆(通常成对设置)，其一端与上模单元连接，另一端与一曲轴偏心连接。与曲轴的连接例如可以通过一偏心轮实现。一齿轮与曲轴不可相对旋转地连接。该齿轮可由至少一个、最好是两个驱动蜗杆带动旋转，蜗杆适宜于设置在曲轴的径向相对位置上，并至少由一个电机，最好分别由一个单独的电机驱动。该压力机的运动过程由一电子控制装置操纵。本发明显著的特征是，该电子控制装置安排曲轴的逆向运行。这里曲轴最好在小于180°的角度范围内旋转。齿轮相应的反向旋转由于通过连杆的力的传递带动上模单元上下运动，也就是在压制位置和上／下料位置之间往复运动。与普通的带偏心曲柄传动装置的机械压力机不同在按本发明的压力机的情况下曲轴不作整圈旋转。
由于使得可以高动态性能地驱动的液压马达相对于其结构体积而言特别高的扭矩密度和比较小的旋转扭矩GD2，相对于驱动电机来说优先采用液压马达。通过分别带有单独的驱动马达的双蜗杆传动结构由于通过蜗杆传动力的转换可以在比较小的结构体积时在曲轴上产生两倍大的扭矩，而齿轮或蜗杆传动装置上的负荷并没有增加。
如果控制装置这样安排，使得压力机的两个液压马达在其在液压介质回路中的连接方面可以可选择地切换成并联和串联，特别合适。在并联的情况下两个液压马达分别流过一半的流量，而在串联的情况下分别流过全部的流量。这意味着在不改变液压装置的情况下可以调整到正常工作速度和两倍这么高的速度。后者特别是在压制结构高度低的小零件时特别有利。
其次如果压力机包含一可通过液压油缸按轨迹控制受控地移动的阴模，就像在液压压力机中原理上已知的那样，是有利的。此外压力机可以包括一可液压操纵的模具适配器。对于这种情况适宜于配设一中央电机，它驱动用于上模单元的油泵和另一个用于阴模液压缸和／或液压操纵的模具适配器的油泵。
为了测量上模单元当时的位置最好采用间接或者尤其是直接测量的电子测量系统。例如可以设置一个用来测量支承上模单元的压力机上锤头实际位置的电子路程测量系统，或者一个用来测量曲轴实际角度位置的电子转角编码器。
按本发明的、其压制模具零件的运动受电子控制装置操纵的压力机的优点在于特别是通过液压的用简单的方法在流量和压力方面非常容易施加影响的液压介质流可以对偏心曲柄传动装置的驱动施加直接的影响。也就是说在偏心曲柄传动装置上的速度还有扭矩都可以用液压非常方便和准确地施加影响。此外有利的是，通过偏心曲柄传动装置达到在压力机可以产生的压制力方面的很大的传动比。必要的压制力自然地在上模单元的下死点区域内达到最大值。但是正好在压力机的这个位置驱动力和压制力之间的传动比也达到最大值。这使得对于压力机的驱动所必需的驱动功率与设计得具有同样的最大压制力的液压压力机相比可以选择得小得多。因此压制循环期间总的能耗也小得多。
按本发明的压力机允许比通常由电机驱动的机械式连续运转偏心曲柄压力机少的循环时间。如果压力机控制装置这样地调整，使冲程每次在明显到达偏心曲柄传动装置的上死点以前便终止并接着反向，这就是可能的。在通常的机械压力机中必须始终完全走完这段路程。
普通机械压力机的循环时间主要由在取出压制品时必要的流程决定。其中特别是在脱除阴模时必须保持竖向反力，它由安置在上模驱动单元内的液压油缸／活塞系统产生。在连续运行时该油缸／活塞系统必须根据上模驱动单元的退回运动作移出运动以保持竖向反力，并在脱除阴模后尽快重新退回起始位置。这不是要求一个特别高效的(昂贵的)液压装置就是要求压力机的基本速度(转速)与对于油缸／活塞系统的运动的时间需求相匹配。在按本发明的压力机中上模驱动单元的速度在下死点区域内可以毫无问题地大大减少，或者甚至有时保持为零，直至压制品取出为止。由此对于为了竖向反力的油缸运动的液压费用可以保持很小。在成形以后上模驱动单元可以用可能的最大速度退回到其起始位置。
如果在上模单元的下死点区域内这样地调整行程，使下死点超越一小段路程，那么按本发明的压力机同样得到优良的运行。也就是说压力机在略微超过180°(绝对角度)的曲柄角区域内工作。在到达终点以后由于压力机原理上的逆向运行在180°时强制地重新超越死点。这意味着在每个工作循环中以特别简单的方式方法在下死点以最大压制力两次压制。这在一定的压制零件中有特别的优点。
下面借助于实施例对本发明作较详细的说明。它们表示
图1通过按本发明的压力机的一个示意横截面，和图2本压力机的特征值相对于曲柄转角的变化曲线。
在图1的图示中涉及按本发明的压力机的一个示意剖视图，其中仅仅表示上模单元2(也就是压力机的上锤头，上模单元安装在它上面)的驱动装置。在根据待制压制品的形状不同固定一个或几个上冲模的上模单元2可滑动地安装在压力机的机座1上。压制品在由阴模9和牢固支承在压力机机座1内的下冲模单元8围成的空心型腔内产生，在压制时上冲模压入该型腔。合适地设置一机械调整装置10，通过它调整上模单元2的起始位置和终点位置。上模单元2通过连杆3借助于可旋转地支承在机座1内的曲轴4带动。在曲轴4旋转时得到对于上模单元2的近似于正弦形的速度变化。一做成蜗轮的齿轮5与曲轴不可旋转地连接。连杆3通过偏心轮与曲轴4连接，偏心轮可以与齿轮5做成一体。在齿轮5的左侧和右侧相对于曲轴中心线径向相对地设有双蜗杆传动装置6．1、6．2的蜗杆。两个蜗杆分别由一液压马达7．1、7．2驱动。在曲轴4上装有一未画出的电子转角脉冲编码器，用它可以间接地检测上模单元2的实际位置。为了上模单元2的运动设有一同样未具体画出的液压系统，它同时保证其他液压驱动的模具部分(例如阴模、下冲模单元或模具适配器)的供油。压力机零件的全部运动由一在图1中未画出的电子控制装置操纵，它根据转角脉冲编码器或采用的直接测量系统的测量值控制液压系统的阀和泵。
在图1的示意图中偏心曲柄传动装置设置在机座1的下部，在按本发明的压力机的实际结构中偏心曲柄传动装置设置在上模单元2的上方，也就是压力机的顶部更为有利。这不改变基本的工作原理。
按本发明的压力机的工作方式可以说明如下蜗杆传动装置6．1和6．2的两个蜗杆通过液压马达7．1和7．2用由油泵输送的液压介质供给动力，并且根据蜗杆传动装置6．1、6．2的传动比在齿轮5上产生一个扭矩，并使曲轴4相应地转动。电子控制装置设计成这样，使得通过液压马达7．1、7．2旋转方向的切换在曲轴4上得到一个在例如120°角度范围内的可逆旋转运动。在相应地选择液压马达7．1，7．2的转数的情况下曲柄传动装置运动到直至下死点区域内。压力机的控制装置可以这样地安排，使得根据需要在连杆3下死点的每一侧达到一个压制终点位置。在这种情况下压制位置的绝对死点在本身的工作行程内越过一次，然后在开始“空行程”时再越过一次，使得产生两次压制。通过将曲轴的旋转缩短到明显小于180°的范围内避免了必须完整地走过正弦形运动曲线的比较费时间的波谷和／或波峰区的必要性。由此可以毫无困难地节省约30-50％的循环时间。这种可能性只存在于本发明意义上的可逆运行中，而不存在于带有普通偏心驱动装置的压力机中，这种压力机通常进行整圈旋转。根据需要可以通过改变液压介质的流量通过蜗杆传动装置6．1，6．2很大的传动比和连杆3的曲柄效应在比较适中的上模单元2的速度时产生很大的压制力，这有利于粉末的压缩。用来开启压制模和取出压制品的上模单元2运动通过液压马达7．1，7．2旋转方向的转换造成。液压马达7．1，7．2可以相应的阀门连接线路有选择地并联或串联连接在液压介质回路中。前者比较适合于工作行程(压缩)，后者特别适合于空行程(压制件成形)。在液压泵流量不变的情况下这意味着，空行程以工作行程一半的力，但是快一倍地进行。也就是说按本发明的压力机以优良的方式将具有大的压制力的慢的工作行程和具有小的力的快速返回行程相组合。用这种方法在整个压制循环期间可以比普通的液压压力机均匀得多地利用压力机的驱动功率。当然在需要时并联或串联也可以在整个压制循环期间保持不变，后者特别适合于在具有较小高度的、只需要用较小压制力的压制件时达到高的生产率。原则上按本发明的压力机也可以像普通的机械压力机那样连续运转，也就是驱动马达不必反向运行。这里始终得到工作速度容易匹配的优点。对于本压力机适宜于配备一电子控制装置，它允许作具有可自由编程地调节的位置和速度的轨迹控制。
图1的右上方表示上模单元2走过的路程相对于时间的正弦形变化曲线，在所选的例子中曲轴转角为180°，其中上模单元2从上死点OT向下死点UT运动。为此(压缩行程)所需要的时间用tv表示。因为接着的从下死点UT向上死点OT的退回运动不是以液压马达7．1，7．2的并联，而是串联进行，虽然曲轴4的转角相同，但是由于液压泵的流量不变，需要的时间变少了，它等于tr。因此正弦曲线的第二部分在时间轴方向相应地压扁了。在图中通过点划线和+／-号表示，上模单元的终点位置可以在死点的正或负方向变化。粉末在压制模内压缩的工作行程部分用A表示。
图2中作为一个实施例表示按本发明的压力机的一些特征值随偏心曲柄传动装置的曲柄转角α的变化曲线。其中仅仅分别表示曲柄转角α从130°到约180°(下死点)区域内的那一段。所选的例子牵涉到从130°到180°的曲柄转角范围对应于上模单元40mm行程的压力机。因此图2中的行程曲线给出上模单元离下死点的距离。这段行程大致对应于压力机中实际的压制过程，也就是粉末压缩阶段。
用F表示的曲线表示在有压制件的情况下实际压制力的变化，该压制件具有此压力机可加工的最大高度。随着粉末越来越强烈的压缩这个压制力F从曲柄转角α约为140°开始急剧增大，直至在下死点时为2340KN的数值。
曲轴上的从属于当时的压制力的扭矩Md在所选择的压力机的尺寸关系的情况下当曲柄转角为140°时其大小为7125Nm。然后扭矩急剧上升，在约160°时达到其最大值45500Nm。在扭矩最大值时压制力为1225KN。在达到最大值以后曲柄转角α继续增加时扭矩急剧下降，在下死点扭矩为0，而压制力达到其最大值。曲轴上的扭矩直接正比于液压马达的扭矩，因此也正比于液压压力。可以看出，在中等压制力时已经接近于最大扭矩，对于压制力的继续增加不仅不要求扭矩加大，而且这个扭矩在下死点甚至下降为0。这种力的变化通常对于粉末压力机是典型的，并且待制压制件的高度越大，这种情况越突出。相反扭矩曲线的变化对于具有偏心曲柄传动装置的压力机是典型的。扭矩曲线Md下面的面积代表在压制品压缩时所做的功。
在以图2的特性为基础的实施例中在扭矩最大值(45500Nm)时齿轮5上的切向力仅为364KN，而实际上作用在压制品上的压制力F为1225KN。也就是说这表明，在工作行程的这个位置在给定的压力机和待压制粉末的条件下与实际压制力(1225KN)相比力的变换比为1∶3．37，与最终压制力(2340KN)相比为1∶6．43。在图2中同样表示了可能的最大力变换比V随曲柄转角α的变化曲线。特别是在到达下死点前的最后几度区域内力变换比得到急剧的增大。当曲柄转角α为165°时V值为1∶3，在175°时已经为1∶10，在177．5°时达到约1∶20的数值。这种比例在制造具有很小压制行程的压制件时可以实际地利用和实现。在这种情况下为了达到在上述例子中所提到的2340KN的最大压制力在曲柄传动装置的齿轮上只需要约116KN的切向力。这大致仅仅为在上述例子中具有大的压制品高度的压制品时所需364KN切向力的1／3。因此对于制造较低的压制件也只需要降低到约1／3的驱动功率。粉末压力机通常的工作区域在压制力变换比的两个所述的极端值约1∶6和约1∶20之间。与按本发明的压力机相比具有智能化的随载荷和速度的调节装置的带有用于压制模具的直接活塞驱动的普通液压压力机需要至少高三倍的功率。
鉴于按本发明的压力机的灵活性还应该指出，通过液压泵流量的改变可以毫无问题地改变压力机的基本速度以及在各个循环区段之内的速度。为此的控制装置费用是很小的。通过适当地连接液压阀在必要时可以在压制循环内加入停顿时间，但是或者也可以在时间上缩短空行程。
采用由本发明推荐的用于粉末压制时上模单元的驱动装置特别有利，这种压力机的其他运动(阴模、模具适配器)同样也由液压驱动，并具有一用于液压装置的共同的主驱动电机。这样做特别合适，因为上模单元和阴模的功率需求不是同时的而是分先后的，中央驱动装置较大的惯性矩对于克服上模单元在曲柄转角在约160°的区域内和随后在下死点(曲柄转角180°)处摆脱阴模时的功率尖峰是必要的。按本发明的压力机提供一种正弦形的运动和力的变化曲线，使得待制压制品可以有很高的精度，具有高的效率，在可制造的零件方面特别灵活，明显地提高生产率，并在制造工艺方面带来很大进步。
图形标记表1机座6．1，6．2蜗杆传动装置2上模单元7．1，7．2马达3连杆8 下冲模4曲轴9 阴模5齿轮10调整装置
权利要求
1．用于压制粉末状物质、特别是金属粉末的压力机，具有一用于驱动上模单元(2)的至少具有一个连杆(3)以及一个曲轴(4)和一个与曲轴不可相对旋转地连接的齿轮(5)的偏心曲柄传动装置，其中齿轮(5)可以通过至少一个蜗杆传动装置(6．1，6．2)由至少一个马达(7．1，7．2)驱动，压力机还具有一电子控制装置，其特征在于电子控制装置适应于曲轴(4)的可逆运行。
2．按权利要求1的压力机，其特征在于控制装置适应于在工作行程和空行程期间使曲轴(4)在小于180°的角度范围内旋转。
3．按权利要求1或2的压力机，其特征在于设有两套蜗杆传动装置(6．1，6．2)。
4．按权利要求3的压力机，其特征在于蜗杆传动装置(6．1，6．2)可分别由单独的马达(7．1，7．2)驱动。
5．按权利要求1至4之任一项的压力机，其特征在于至少有一个马达(7．1，7．2)做成液压马达。
6．按权利要求3至5之任一项的压力机，其特征在于两套蜗杆传动装置(6．1，6．2)相对于齿轮(5)的旋转轴位于径向相对的位置处。
7．按权利要求1至6之任一项的压力机，其特征在于电子控制装置适应于，为了到达压制终点位置(工作行程的终点)越过下死点一小段距离。
8．按权利要求5至7之任一项的压力机，其特征在于电子控制装置适应于，两个液压马达(7．1，7．2)在其液压介质供给方面可以有选择地切换成并联和串联。
9．按权利要求1至8之任一项的压力机，其特征在于该压力机包含一阴模(9)，它可以通过液压缸可控地移动。
10．按权利要求1至9之任一项的压力机，其特征在于该压力机包含一可液压操纵的模具适配器。
11．按权利要求9至10之任一项的压力机，其特征在于设有一中央电机，以共同驱动用于用来驱动上模单元(2)的液压马达(7．1，7．2)的压力供给以及用于阴模(9)的液压缸和／或可液压操纵的模具适配器的油泵。
12．按权利要求1至11之任一项的压力机，其特征在于设有一电子路程测量系统，以检测上模单元(2)的实际位置。
13．按权利要求1至11之任一项的压力机，其特征在于设有一电子转角脉冲编码器，以检测曲轴(4)的实际位置。
14．按权利要求1至13之任一项的压力机的运行方法，其特征在于上模单元(2)的行程分别在即将到达偏心曲柄传动装置的上和／或下死点之前反向。
15．按权利要求1至13之任一项的压力机的运行方法，其特征在于上模单元(2)的行程这样地调整，使得越过偏心曲柄传动装置的下死点一小段路程。
全文摘要
本发明涉及一种用于压制粉末状物质,特别是金属粉末的压力机,设有一具有至少一个连杆(3)以及一个曲轴(4)和一个与曲轴不可相对旋转地连接的齿轮(5)的、用来驱动上模单元(2)的偏心曲柄传动装置,其中齿轮(5)可通过至少一个蜗杆传动装置(6.1,6.2)由至少一个马达(7.1,7.2)驱动,该压力机还设有一电子控制装置。其中电子控制装置适应于曲轴(4)的可逆运行。
文档编号B30B1/28GK1289676SQ00128820
公开日2001年4月4日 申请日期2000年9月22日 优先权日1999年9月24日
发明者诺贝特·尼斯, 马蒂亚斯·霍尔特豪森, 贝恩德·霍恩, 尼古劳斯·霍彭坎普斯 申请人:Sms德马格股份公司