EP0703022B1 - Verfahren zum Spalten einer Ronde aus Metall - Google Patents

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EP0703022B1
EP0703022B1 EP95113252A EP95113252A EP0703022B1 EP 0703022 B1 EP0703022 B1 EP 0703022B1 EP 95113252 A EP95113252 A EP 95113252A EP 95113252 A EP95113252 A EP 95113252A EP 0703022 B1 EP0703022 B1 EP 0703022B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gap
energy beam
cleaving
blank
circular metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP95113252A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0703022A1 (de
Inventor
Hans H. Reichhardt
Karl-Heinz Köstermeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leifeld GmbH and Co
Original Assignee
Leifeld GmbH and Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Leifeld GmbH and Co filed Critical Leifeld GmbH and Co
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Application granted granted Critical
Publication of EP0703022B1 publication Critical patent/EP0703022B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H1/00—Making articles shaped as bodies of revolution
    • B21H1/02—Making articles shaped as bodies of revolution discs; disc wheels
    • B21H1/04—Making articles shaped as bodies of revolution discs; disc wheels with rim, e.g. railways wheels or pulleys

Definitions

  • the invention relates to a method for splitting a Round plate made of metal, the splitting of the circumference of the round plate from the inside towards a steadily increasing deepening and The gap is widened.
  • the invention further relates to a device for performing the method the preamble of claim 15.
  • Splitting a round plate made of metal using a splitting roller on a press machine is a well known and common one Forming process in the field of spinning technology (see e.g. BE-A-714 551).
  • This splitting is used to produce rotationally symmetrical parts, for example of pulleys. It is suitable also for press parts with a central hub area.
  • the split is usually at the beginning of a transformation, which is carried out in several steps, with the Split the circumferential area of the round plate into two wings which is followed by further pushing operations or other processing steps can be reshaped. Corresponding the desired or required material distribution on the two wings of the peripheral area the splitting takes place either symmetrically or also asymmetrical.
  • the object is achieved according to the invention solved in that at least the area of the gap bottom with an energy beam for heating and / or splitting locally is applied.
  • the energy beam also be selected and set so that this Detach material from the material structure of the round blank, melted or evaporated.
  • this Detach material from the material structure of the round blank, melted or evaporated.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is that the energy beam is a laser or is a plasma jet. While a laser beam is high energy A plasma beam also shows light Matter particles on. In contrast to the very precise but elaborate lasers can be done with a plasma beam high energy transfer with relatively little effort can be achieved.
  • the blank becomes the one required for the mechanical shaping of the blank Effort reduced significantly.
  • the with the invention performed material distributions on the two wings of the split circumferential area the round blank can thus be a desired one or approach the required distribution much better. This also leads to an improved quality of the the further deformations produced workpieces.
  • splitting and / or expanding the round blank rolls lower hardness can be used or alternatively essential extended service life of the rollers achievable, which saves time and costs can be saved.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides for the heating of the round blank in the gap area through the energy beam until the metal softens takes place and that the round blank in the softened state by a Splitting roll is split and expanded. With this configuration the process of splitting takes place Rounds through the splitting roll, but the splitting process through the softening caused by the energy beam of the metal with much lower forces can.
  • An alternative preferred embodiment of the method according to the invention suggests that the heating of the round blank in the gap area through the energy beam to liquefaction or Evaporation of the metal takes place and so through the energy beam immediately the gap is generated and that the Gap is widened by an expanding roller.
  • the design of the process itself becomes the gap itself generated by the energy beam, so that only a widening of the gap by means of a widening roll is also required is, which causes the mechanical forming forces be reduced to a minimum.
  • the heated area on the Inert gas is applied to the blank.
  • the protective gas becomes the heated or melted area on the blank shielded from the surrounding atmosphere. This will undesirable oxide formation in the melted material avoided.
  • the protective gas can be supplied locally through a nozzle limited supply. Furthermore, the whole Process under a protective gas atmosphere, for example in a protective gas room.
  • the energy beam is a water cutting jet is.
  • the water cutting jet performs a defined Direction in the splitting process.
  • a converging focused energy beam is used, the Energy beam itself or the focusing of the energy beam so that the focus is always on the The bottom of the gap is, and the gap is continuously widened is that the focused energy beam is shadow-free reached the bottom of the gap.
  • a converging laser beam will also ensures that areas of the blank or a device, the unintentionally out of focus from the laser beam are only slightly warmed, so that damage or accidents are avoided here.
  • Angular distance between 10 ° and 90 ° before the splitting or expanding roll meets the round blank.
  • the optimal concrete one in individual cases Angular distance depends, for example, on the speed of rotation the round blank when splitting, according to the thermal conductivity and reflective properties of the metal from which the round plate exists, and according to the power of the laser, and is expediently determined in practice by tests.
  • the energy beam can essentially be during splitting in the radial direction or alternatively essentially in Tangent direction of the round plate meet this, one another alternative is that the energy beam during splitting at a variable angle on the Ronde hits.
  • the concrete selection is based the optimal impact angle for the individual application according to the material properties and forming properties the round blank to be formed and is in the Practice can best be determined by experiment.
  • an energy beam with a oval or rectangular beam cross-section and one accordingly oval or rectangular focus is applied the longer axis of the oval or rectangle being longitudinal of the gap. While splitting the energy beam is tracked by a tracking device in such a way that the energy beam always focuses on the gap bottom is.
  • the second part of the task, regarding a device to carry out the process is based on a Device with a spinning machine, which at least one drivable spindle with a chuck to hold the Ronde and at least one at least in the radial direction of the Blank has adjustable slit and / or expanding roll, solved in that at least one device for generation a focusable energy beam is provided, which at least locally applied to the area of the gap base for heating and / or splitting.
  • the device for carrying out the method is advantageous a known press with conventional Components that are only used to carry out the process to be supplemented with at least one beam generating device is.
  • This addition requires a relatively minor one additional technical effort, which makes the device at relatively low cost to implement the method according to the invention can be enabled.
  • this one non-contact the temperature of which Energy beam hit area of the round blank as well as performance and / or focusing and / or positioning the beam generating device, has controlling and monitoring measuring and control device.
  • a measuring and control device it is ensured that always for the respective forming required amount of heat exactly in the round blank, in particular is introduced into the gap bottom, so that it not to overheat or too little warming can come.
  • Preferred embodiments of the invention consist in that as a beam generating device, a laser, a plasma beam generator or a water cutting jet device is provided.
  • a preheater especially a Induction system, is provided for heating the blank.
  • the round blank can reach a temperature of several 100 ° C be preheated so that when exposed to a laser beam the desired one without long delays Changes in structure.
  • a laser beam generator one or more Laser beams generated at different locations can be conducted via control devices.
  • optical Guiding devices such as glass fibers or mirrors can be used in this way Laser beams from a single laser beam generator, for example to several splitting devices according to the invention, be directed.
  • Several laser beams can be used here simultaneously or alternately a single laser beam the different devices. Consequently can be the number of necessary costly laser beam generators be reduced.
  • An advantageous embodiment of the invention exists also in that on the round blank, especially in the area of A coating to reduce reflection, for example graphite.
  • a coating to reduce reflection for example graphite.
  • FIG. 1 of the drawing shows a press machine Device 1 for splitting a round blank 5.
  • the device 1 has a spindle 2, which is shown in section and which by means of a feed 21, the here is covered, the blank 5 carries torsion-proof.
  • the device 1 comprises a splitting and expanding roller 3, which is rotatably mounted on a roll holder 31.
  • the axis of rotation 30 of the roller 3 runs parallel to the Axis of rotation 20 of the spindle 2.
  • the roller 3 is with the roller holder 31 on a support 33 in the radial direction of the round blank 5 movable in the direction of the arrow 39.
  • Below the support 33 is part of a machine bed 32 which Device 1 indicated.
  • FIG. 1 also shows a laser 4 as Beam generating device on one on the roll holder 31 attached further support 41 in the direction of the movement arrow 49 is movable.
  • a converging energy or laser beam 40 can be generated, which strikes the round blank 5 in a focus 40 '.
  • the laser 4 is with his support 41 over a not shown Adjusting device adjustable so that the laser beam 40th also essentially always in the radial direction of the round blank 5 runs and is aligned with the gap bottom.
  • a prefabricated blank 5 here a flat, circular metal disc
  • the spindle 2 is then rotated together with the round blank 5, such as this is indicated by the movement arrow 28.
  • the laser 40 is turned on, whereby the laser beam 40 is generated with its focus 40 '.
  • the Nip roll 3 by moving the roll holder 31 on the Support 33 delivered to the right to circumference 50 of the round blank 5.
  • the arrangement of the laser 4 in immediate Neighborhood to nip roll 3 by the laser beam 40 transferred thermal energy relatively close to the engagement area the split roll 3 with the circular blank 5 so that a premature heat drain is excluded.
  • Figure 2 of the drawing shows two alternative configurations of the device 1, these alternative configurations differ from the device 1 according to FIG. 1 in that that the laser 4 or 4 'is now independent of the Splitting or expanding roller 3 is movable.
  • the device 1 according to FIG. 2 is also a spinning machine, which is shown here schematically in sections.
  • the spindle 2 is again in the right part of the illustration recognizable, on which the blank 5 is arranged non-rotatably.
  • To the left of the round blank 5 is the splitting and expanding roll 3 visible on her roll holder 31 by means of the support 33 relative to the machine bed 32 in the radial direction of the Ronde 5 is movable.
  • the direction of travel is here perpendicular to the direction of travel of the roll holder 31 and selected to the axis of the spindle 2.
  • the position of the laser 4 relative to the round blank 5 is selected such that the laser beam 40 that can be generated by the laser 4 essentially tangentially meets the circumference 50 of the round blank 5.
  • the gap 51 is circumferential 50 of the circular blank 5 has already been produced in part, the Laser 40 by moving along its support 43 so it is tracked that the focus 40 ′ of the laser beam 40 always hits the bottom 52 of the gap 51.
  • An alternative arrangement and orientation is based on a Second laser 4 'shown in the upper right part of Figure 2.
  • By appropriate tracking of the Lasers 4 'along its own support provided here 43 is achieved in this embodiment that the focus 40 'of the laser beam 40 always on the bottom 52 of the gap 51 hits.
  • the device can 1 can also be equipped with two lasers 4 and 4 ', if necessary.
  • the laser beam 40 can with appropriate power not just a softening of the round 5 forming Metal can be achieved, but also if necessary Liquefaction or evaporation in the laser beam 40 or its focus 40 'hit areas.
  • the gap 51 in the circumference 50 of the round blank 5 is then executed generated directly by the laser beam 40, then the role 3 here only the function of an expanding role which widens the gap and thus ensures that the converging laser beam 40 even when the Gap 51 without shading to the bottom 52 of the gap 51 can reach.
  • expedient still means for the removal of the liquefied and / or vaporized metal to be provided in the drawing are not specifically shown.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spalten einer Ronde aus Metall, wobei das Spalten vom Umfang der Ronde aus nach innen hin unter stetig zunehmender Vertiefung und Aufweitung des Spaltes erfolgt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Das Spalten einer Ronde aus Metall mittels einer Spaltrolle auf einer Drückmaschine ist ein bekanntes und verbreitetes Umformverfahren im Bereich der Drücktechnik (siehe z.B. BE-A-714 551). Dieses Spalten wird zur Herstellung von rotationssymetrischen Teilen, beispielsweise von Riemenscheiben, eingesetzt. Es eignet sich auch für Drückteile mit einem zentralen Nabenbereich. Das Spalten steht dabei meistens am Anfang einer Umformung, die in mehreren Schritten vorgenommen wird, wobei durch das Spalten der Umfangsbereich der Ronde in zwei Flügel geteilt wird, die nachfolgend durch weitere Drückoperationen oder andere Bearbeitungsschritte weiter umgeformt werden. Entsprechend der gewünschten oder erforderlichen Materialverteilung auf die beiden Flügel des Umfangsbereiches erfolgt dabei das Spalten entweder symmetrisch oder auch asymmetrisch.
Als nachteilig ist bei dem bekannten Verfahren des Spaltens einer Ronde aus Metall mittels einer Spaltrolle auf einer Drückmaschine anzusehen, daß für den Spaltvorgang sehr hohe Kräfte in Radialrichtung auf die Ronde ausgeübt werden müssen. Insbesondere bei Ronden aus einem einerseits relativ dünnen und andererseits relativ harten Material, z.B. Stahl, kommt es dabei leicht zu Ungenauigkeiten im Verlauf des Spaltes, wodurch sich Abweichungen von der gewünschten Materialverteilung auf die beim Spalten entstehenden Flügel des Umfangsbereiches ergeben. Besonders groß ist das Risiko von derartigen Abweichungen bei asymmetrischen Spalten, da hier die zwischen der Spaltrolle und der Ronde wirkenden Kräfte unsymmetrisch sind, was Fehler beim Spaltvorgang begünstigt. Außerdem müssen die Spaltrollen aus sehr hartem und damit teurem Werkstoff gefertigt werden, um ausreichende Standzeiten zu erreichen. Dennoch unterliegen Spaltrollen bei dem bekannten Spaltverfahren einem hohen Verschleiß, was relativ häufige Nachbearbeitung oder Ersatz der Spaltrollen erforderlich macht.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Spalten einer Ronde aus Metall sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die eine höhere Genauigkeit des Spaltvorganges und damit eine verbesserte Produktqualität ermöglichen und bei denen längere Standzeiten der eingesetzten Werkzeuge, insbesondere der mit der Ronde zusammenwirkenden Rollen, erreicht werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest der Bereich des Spaltgrundes mit einem Energiestrahl zum Erwärmen und/oder Spalten lokal beaufschlagt wird.
Durch die Verwendung eines Energiestrahles werden am Spaltgrund weitgehend die hohen Spannungen vermieden, welche normalerweise bei einem herkömmlichen, rein mechanischen Spaltvorgang auftreten. Die Wirkung des Energiestrahles kann einerseits darin bestehen, daß dieser den Bereich des Spaltgrundes an einer eng begrenzten Stelle stark erwärmt. Hierdurch kommt es zu Gefügeerweichungen des Rondenwerkstoffs. Dies verhindert den Aufbau von Gefügespannungen und das Auftreten von Kaltverfestigungen. Des weiteren ermöglicht der erweichte Werkstoff einen schnelleren und leichteren mechanischen Spaltvorgang.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Energiestrahl auch so ausgewählt und eingestellt sein, daß dieser Material aus dem Werkstoffgefüge der Ronde herauslöst, aufgeschmolzen oder verdampft. Bei einem derartigen sehr energiereichen Strahl wird das Spalten, d.h. das Trennen der beiden Rondenhälften, durch den Energiestrahl selbst ausgeführt. Lediglich die Aufweitung wird bei diesem Verfahren dann noch mechanisch durchgeführt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Energiestrahl ein Laser- oder ein plasmastrahl ist. Während ein Laserstrahl hochenergetisches Licht darstellt, weist ein plasmastrahl zusätzlich Materiepartikel auf. Im Gegensatz zum sehr präzisen aber aufwendigen Laser kann mit einem Plasmastrahl bei einem relativ geringen Aufwand eine hohe Energieübertragung erreicht werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Spalten vom Umfang der Ronde aus nach innen hin unter stetig zunehmender Vertiefung und Aufweitung des Spaltes erfolgt und daß kombiniert und gleichzeitig mittels thermisch wirksamer Laserstrahlung die Ronde im Spaltbereich lokal erwärmt und mechanisch gespalten und/oder aufgeweitet wird.
Durch die erfindungsgemäß gleichzeitig mit der mechanischen Einwirkung erfolgende Einwirkung der Laserstrahlung auf die Ronde wird der für das mechanische Umformen der Ronde erforderliche Kraftaufwand wesentlich vermindert. Hierdurch werden alle Nachteile, die auf die Ausübung hoher Kräfte zurückzuführen sind, vermieden und es wird eine verbesserte Genauigkeit beim Spaltvorgang erreicht. Die mit dem erfindungsgemäß durchgeführten Verfahren erreichbaren Materialverteilungen auf die beiden Flügel des gespaltenen Umfangsbereiches der Ronde lassen sich somit einer gewünschten oder erforderlichen Verteilung wesentlich besser annähern. Dies führt auch zu einer verbesserten Qualität der durch die weiteren Umformungen erzeugten Werkstücke. Gleichzeitig sind für das Spalten und/oder Aufweiten der Ronde Rollen geringerer Härte einsetzbar oder alternativ wesentlich verlängerte Standzeiten der Rollen erreichbar, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Erwärmung der Ronde im Spaltbereich durch den Energiestrahl bis zur Erweichung des Metalls erfolgt und daß die Ronde im erweichten Zustand durch eine Spaltrolle gespalten und aufgeweitet wird. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der Spaltvorgang der Ronde durch die Spaltrolle, wobei der Spaltvorgang aber durch die mittels des Energiestrahls bewirkte Erweichung des Metalls mit wesentlich geringeren Kräften erfolgen kann.
Eine alternative bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, daß die Erwärmung der Ronde im Spaltbereich durch den Energiestrahl bis zur Verflüssigung oder Verdampfung des Metalls erfolgt und so durch den Energiestrahl unmittelbar der Spalt erzeugt wird und daß der Spalt durch eine Aufweitrolle aufgeweitet wird. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird der Spalt selbst unmittelbar durch den Energiestrahl erzeugt, so daß lediglich noch ein Aufweiten des Spaltes durch eine Aufweitrolle erforderlich ist, wodurch die mechanischen Umformkräfte auf ein Minimum reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es vorteilhaft, daß zumindest der erwärmte Bereich an der Ronde mit Schutzgas beaufschlagt wird. Durch das Schutzgas wird der erwärmte oder aufgeschmolzene Bereich an der Ronde von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt. Hierdurch wird eine unerwünschte Oxidbildung in dem aufgeschmolzenen Werkstoff vermieden. Das Schutzgas kann durch eine Düse lokal begrenzt zugeführt werden. Des weiteren kann das gesamte Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einem Schutzgasraum, durchgeführt werden.
Bei einer bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist es von Vorteil, daß der Energiestrahl ein Wasserschneidstrahl ist. Durch diesen sehr feinen Hochdruck-Wasserstrahl werden Materialpartikel aus dem Rondenwerkstoff zur Spaltenbildung herausgetrennt. In Kombination mit einer mechanischen Aufweitrolle leistet der Wasserschneidstrahl eine definierte Richtung beim Spaltvorgang.
Um mittels der Laserstrahlung die Wärmeenergie gezielt in einen gewünschten, relativ kleinräumigen Bereich der Ronde einbringen zu können, kann vorgesehen sein, daß ein konvergierender fokussierter Energiestrahl verwendet wird, wobei der Energiestrahl selbst oder die Fokussierung des Energiestrahls so nachgeführt wird, daß der Fokus stets auf dem Grund des Spaltes liegt, und wobei der Spalt stetig so aufgeweitet wird, daß der fokussierte Energiestrahl abschattungsfrei bis zum Grund des Spaltes gelangt. Durch die Verwendung eines konvergierenden Laserstrahls wird außerdem sichergestellt, daß Bereiche der Ronde oder einer Vorrichtung, die unbeabsichtigt außerhalb des Fokus von dem Laserstrahl getroffen werden, nur in geringem Maße erwärmt werden, so daß hier Schäden oder Unfälle vermieden werden.
Um zu vermeiden, daß die von dem Energiestrahl in die Ronde eingebrachte Wärmeenergie vor dem Kontakt des erwärmten Rondenbereiches mit der Spalt- und/oder Aufweitrolle zu stark abfließt, kann vorgesehen sein, daß in Umfangsrichtung der Ronde gesehen der Energiestrahl in einem Winkelabstand zwischen 10° und 90° vor der Spalt- oder Aufweitrolle auf die Ronde trifft. Der im Einzelfall optimale konkrete Winkelabstand richtet sich beispielsweise nach der Drehbeschwindigkeit der Ronde beim Spalten, nach der Wärmeleitfähigkeit und Reflexionseigenschaft des Metalls, aus dem die Ronde besteht, und nach der Leistung des Lasers, und wird in der Praxis zweckmäßig durch Versuche festgelegt.
Der Energiestrahl kann während des Spaltens im wesentlichen in Radialrichtung oder alternativ im wesentlichen in Tangentialrichtung der Ronde auf diese treffen, wobei eine weitere Alternative darin besteht, daß der Energiestrahl während des Spaltens unter einem variablen Winkel auf die Ronde trifft. Auch hier richtet sich die konkrete Auswahl des für den einzelnen Anwendungsfall optimalen Auftreffwinkels nach den Materialeigenschaften und Umformeigenschaften der jeweils umzuformenden Ronde und wird in der Praxis am besten durch Versuche zu ermitteln sein.
Um die Fläche, auf welcher von dem Energiestrahl Wärmeenergie in die Ronde eingebracht wird, möglichwst gut dem Verlauf des zu erzeugenden bzw. gerade erzeugten Spaltes anzupassen, wird vorgeschlagen, daß ein Energiestrahl mit einem ovalen oder rechteckigen Strahlquerschnitt und einem entsprechend ovalen oder rechteckigen Fokus angewendet wird, wobei die längere Achse des Ovals oder Recktecks in Längsrichtung des Spaltes verläuft. Während des Spaltens wird der Energiestrahl durch eine Nachführeinrichtung so nachgeführt, daß der Energiestrahl stets auf den Spaltgrund fokussiert ist.
Der zweite Teil der Aufgabe, betreffend eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wird ausgehend von einer Vorrichtung mit einer Drückmaschine, welche mindestens eine drehantreibbare Spindel mit einem Futter zur Aufnahme der Ronde und mindestens eine wenigstens in Radialrichtung der Ronde zustellbare Spalt- und/oder Aufweitrolle aufweist, dadurch gelöst, daß mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung eines fokussierbaren Energiestrahls vorgesehen ist, der zumindest den Bereich des Spaltgrundes zum Erwärmen und/oder Spalten lokal beaufschlagt.
Vorteilhaft ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine an sich bekannte Drückmaschine mit üblichen Komponenten, die lediglich zur Ausführung des Verfahrens mit wenigstens einer Strahlerzeugungseinrichtung zu ergänzen ist. Diese Ergänzung erfordert einen relativ geringen zusätzlichen technischen Aufwand, wodurch die Vorrichtung mit relativ geringen Kosten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens befähigt werden kann.
Bevorzugte Anordnungen der Spalt- und/oder Aufweitrolle und des Lasers sind in den Ansprüchen 16, 17 und 18 angegeben.
Weiterhin kann für die Vorrichtung vorgesehen sein, daß diese eine berührungslos arbeitende, die Temperatur des von dem Energiestrahl getroffenen Bereiches der Ronde erfassende sowie eine die Leistung und/oder Fokussierung und/oder Positionierung der Strahlerzeugungseinrichtung erfassende, steuernde und überwachende Meß- und Steuereinrichtung aufweist. Mittels einer solchen Meß- und Steuereinrichtung wird sichergestellt, daß stets die für die jeweilige Umformung erforderliche Wärmemenge exakt in die Ronde, insbesondere in den Spaltgrund, eingebracht wird, so daß es nicht zu Überhitzungen oder zu einer zu geringen Erwärmung kommen kann.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Vorrichtung eine CNC-Steuerung aufweist und daß die vorgenannte Meß- und Steuereinrichtung in die CNC-Steuerung integriert ist. Heutige Drückmaschinen sind praktisch immer mit einer CNC-Steuerung ausgestattet, die mit relativ geringem Aufwand hinsichtlich zusätzlicher Meßeinrichtungen und zusätzlicher Programmteile zur Integration der Meß- und Steuereinrichtung für die Erfassung, Steuerung und Überwachung der Temperatur des von dem Energiestrahl getroffenen Bereiches der Ronde sowie der Leistung, Fokussierung und Positionierung der Strahlerzeugungseinrichtung erweiterbar ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, daß als Strahlerzeugungseinrichtung ein Laser, ein Plasmastrahlerzeuger oder eine Wasserschneidstrahl-Einrichtung vorgesehen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Vorwärmeinrichtung, insbesondere eine Induktionsanlage, zum Aufwärmen der Ronde vorgesehen ist. Die Ronde kann auf eine Temperatur von mehreren 100° C vorgewärmt werden, so daß bei Beaufschlagung mit einem Laserstrahl sich ohne lange Verzögerungszeiten die gewünschte Gefügeveränderung einstellt.
Bei einer anderen Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß ein Laserstrahlerzeuger einen oder mehrere Laserstrahlen erzeugt, die an unterschiedliche Einsatzstellen über Leiteinrichtungen leitbar sind. Durch optische Leiteinrichtungen, wie Glasfasern oder Spiegel, können so Laserstrahlen aus einem einzigen Laserstrahlerzeuger, beispielsweise zu mehreren erfindungsgemäßen Spaltvorrichtungen, geleitet werden. Hierbei können mehrere Laserstrahlen gleichzeitig oder ein einziger Laserstrahl alternierend zu den unterschiedlichen Vorrichtungen geleitet werden. Somit kann die Anzahl der notwendigen kostenintensiven Laserstrahlerzeuger reduziert werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht auch darin, daß auf die Ronde, insbesondere im Bereich des Spaltgrundes eine Beschichtung zur Reflexionsminderung, beispielsweise Graphit, aufgebracht wird. Für eine effiziente Einbringung von Energie in das Werkstück mittels Laser ist eine geringe Reflexion des Laserstrahls an die Werkstückoberfläche nötig. Zur Reduktion der Reflexion wird erfindungsgemäß eine Beschichtung mit einem matten und schwarzen Mittel aufgebracht. Als besonders zweckmäßig hat sich hierbei Graphitpulver herausgestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
eine erste Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Darstellung und
Fig. 2
zwei geänderte Ausführungen der Vorrichtung ebenfalls in schamtischer Darstellung.
Figur 1 der Zeichnung zeigt eine als Drückmaschine ausgeführte Vorrichtung 1 zum Spalten einer Ronde 5. Die Vorrichtung 1 weist eine Spindel 2 auf, die im Schnitt dargestellt ist und welche mittels eines Futters 21, das hier verdeckt ist, die Ronde 5 verdrehfest trägt.
Weiterhin umfaßt die Vorrichtung 1 eine Spalt- und Aufweitrolle 3, die an einem Rollenhalter 31 drehbar gelagert ist. Dabei verläuft die Drehachse 30 der Rolle 3 parallel zur Drehachse 20 der Spindel 2. Die Rolle 3 ist mit dem Rollenhalter 31 auf einem Support 33 in Radialrichtung der Ronde 5 im Sinne des Bewegungspfeiles 39 verfahrbar. Unterhalb des Supports 33 ist ein Teil eines Maschinenbettes 32 der Vorrichtung 1 angedeutet.
Schließlich zeigt die Figur 1 noch einen Laser 4 als Strahlerzeugungseinrichtung , der auf einem auf dem Rollenhalter 31 angebrachten weiteren Support 41 im Sinne des Bewegungspfeiles 49 verfahrbar ist. Mittels des Lasers 4 ist ein konvergierender Energie- oder Laserstrahl 40 erzeugbar, der in einem Fokus 40' auf die Ronde 5 trifft. Der Laser 4 ist mit seinem Support 41 über eine nicht dargestellte Justiereinrichtung so einstellbar, daß der Laserstrahl 40 ebenfalls im wesentlichen stets in Radialrichtung der Ronde 5 verläuft und auf den Spaltgrund ausgerichtet ist.
Bei Durchführung des Verfahrens zum Spalten einer Ronde wird zunächst eine vorgefertigte Ronde 5, hier eine flache, kreisringförmige Metallscheibe, auf das Futter 21 an der Spindel 2 aufgesetzt und dort gegen Verdrehung gesichert, beispielsweise mittels eines Gegenhalters. Die Spindel 2 wird dann zusammen mit der Ronde 5 in Drehung versetzt, wie dies durch den Bewegungspfeil 28 angegeben ist. Außerdem wird der Laser 40 eingeschaltet, wodurch der Laserstrahl 40 mit seinem Fokus 40' erzeugt wird. Gleichzeitig wird die Spaltrolle 3 durch Verfahren des Rollenhalters 31 auf dem Support 33 nach rechts hin zum Umfang 50 der Ronde 5 zugestellt.
Durch den von dem Laser 4 erzeugten Laserstrahl wird das die Ronde 5 bildende Metall am Umfangsbereich 50 der Ronde erwärmt und dadurch erweicht, wodurch die zum Umfang 50 hin zugestellte Spaltrolle 3 vergleichsweise leicht in das Metall eindringen und so einen Spalt 51 erzeugen kann. Unter weiterer Drehung der Ronde 5 im Sinne des Drehpfeiles 28 und weiterer Zustellung der Spaltrolle 3, die sich im Sinne des Drehpfeiles 38 passiv dreht, wird der Spalt 51 zunehmend vertieft und aufgeweitet. Dadurch, daß der Laser 4 auf dem Rollenhalter 31 der Spaltrolle 3 sitzt, wird der Fokus 40' des Laserstrahles 40 ohne weitere Maßnahmen stetig so nachgeführt daß er stets auf den Grund 52 der Nut 51 trifft. Hierdurch wird eine optimale Einleitung der vom Laserstrahl 40 übertragenen Wärmeenergie in den Umfangsbereich 50 der Ronde 5 erreicht.
Weiterhin wird durch die Anordnung des Lasers 4 in unmittelbarer Nachbarschaft zur Spaltrolle 3 die vom Laserstrahl 40 übertragene Wärmeenergie relativ nah am Eingriffsbereich der Spaltrolle 3 mit der Ronde 5 eingebracht, so daß ein vorzeitiger Wärmeabfluß ausgeschlossen wird.
Nach der vorangehend beschriebenen Erzeugung des Spaltes 51 kann dann die Ronde 5 mittels weiterer Umformungen zu einem fertigen Werkstück bearbeitet werden.
Figur 2 der Zeichnung zeigt zwei alternative Ausgestaltungen der Vorrichtung 1, wobei diese alternativen Ausgestaltungen sich von der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 dadurch unterscheiden, daß der Laser 4 bzw. 4' nun unabhängig von der Spalt- oder Aufweitrolle 3 verfahrbar ist.
Auch die Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 ist eine Drückmaschine, die hier in Ausschnitten schematisch dargestellt ist. Im rechten Teil der Darstellung ist wieder die Spindel 2 erkennbar, auf der die Ronde 5 verdrehfest angeordnet ist. Links von der Ronde 5 ist wieder die Spalt- und Aufweitrolle 3 sichtbar, die an ihrem Rollenhalter 31 mittels des Supports 33 relativ zum Maschinenbett 32 in Radialrichtung der Ronde 5 verfahrbar ist. Oberhalb der Rolle 3 ist ein erster Laser 4 dargestellt, der hier unabhängig vom Rollenhalter 31 an einem eigenen Support 43 im Sinne der Bewegungspfeile 49 verfahrbar ist. Die Richtung der Verfahrbarkeit ist hier senkrecht zur Richtung der Verfahrbarkeit des Rollenhalters 31 und zur Achse der Spindel 2 gewählt. Weiterhin ist die Lage des Lasers 4 relativ zur Ronde 5 so gewählt, daß der von dem Laser 4 erzeugbare Laserstrahl 40 im wesentlichen tangential auf den Umfang 50 der Ronde 5 trifft.
Bei der Darstellung in Figur 2 ist der Spalt 51 im Umfang 50 der Ronde 5 schon zu einem Teil hergestellt, wobei der Laser 40 durch Verfahren entlang seines Supports 43 so nachgeführt wird, daß der Fokus 40' des Laserstrahls 40 stets auf den Grund 52 des Spaltes 51 trifft.
Eine alternative Anordnung und Ausrichtung ist anhand eines Zweiten Lasers 4' im oberen rechten Teil der Figur 2 gezeigt. Bei dieser Ausführung der Vorrichtung 1 ist der Laser 4' in Radialrichtung der Ronde 5 ausgerichtet und in seiner Längsrichtung und in einer Richtung parallel zu dem von ihm erzeugbaren Laserstrahl 40 im Sinne des Bewegungspfeiles 49 verfahrbar. Durch entsprechende Nachführung des Lasers 4' entlang seines hier vorgesehenen eigenen Supports 43 wird auch bei dieser Ausführung erreicht, daß der Fokus 40' des Laserstrahles 40 stets auf den Grund 52 des Spaltes 51 trifft.
Außer mit einem einzelnen Laser 4 oder 4' kann die Vorrichtung 1 auch mit zwei Lasern 4 und 4' ausgestattet sein, falls dies erforderlich ist.
Mittels des Laserstrahles 40 kann bei entsprechender Leistung nicht nur eine Erweichung des die Ronde 5 bildenden Metalles erreicht werden, sondern bei Bedarf auch dessen Verflüssigung oder Verdampfung in den vom Laserstrahl 40 bzw. dessen Fokus 40' getroffenen Bereichen. Bei dieser Ausführung wird dann der Spalt 51 im Umfang 50 der Ronde 5 unmittelbar durch den Laserstrahl 40 erzeugt, wobei dann die Rolle 3 hier lediglich noch die Funktion einer Aufweitrolle hat, die den Spalt aufweitet und so dafür sorgt, daß der konvergierende Laserstrahl 40 auch bei Vertiefung des Spaltes 51 abschattungsfrei bis zum Grund 52 des Spaltes 51 gelangen kann. Bei der zuletzt beschriebenen Ausführung sind zweckmäßig noch Mittel zur Abführung des verflüssigten und/oder verdampften Metalles vorzusehen, die in der Zeichnung nicht eigens dargestellt sind.

Claims (24)

  1. Verfahren zum Spalten einer Ronde (5) aus Metall, bei dem vom Umfang (50) der Ronde (5) aus nach innen hin eine Spaltung und eine mechanische Aufweitung des Spaltes (51) erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest der Bereich des Spaltgrundes (52) mit einem Energiestrahl (40) zum Erwärmen und/oder Spalten lokal beaufschlagt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Energiestrahl (40) ein Laser- oder ein Plasmastrahl ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Spalten vom Umfang (50) der Ronde (5) aus nach innen hin unter stetig zunehmender Vertiefung und Aufweitung des Spaltes (51) erfolgt und
    daß kombiniert und gleichzeitig mittels thermisch wirksamer Laserstrahlung die Ronde (5) im Spaltbereich lokal erwärmt und mechanisch gespalten und/oder aufgeweitet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Erwärmung der Ronde (5) im Spaltbereich durch den Energiestrahl (40) bis zur Erweichung des Metalls erfolgt und daß die Ronde (5) im erweichten Zustand durch eine Spaltrolle (3) gespalten und aufgeweitet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Erwärmung der Ronde (5) im Spaltbereich durch den Energiestrahl (40) bis zur Verflüssigung oder Verdampfung des Metalls erfolgt und so durch den Energiestrahl (40) unmittelbar der Spalt (51) erzeugt wird und
    daß der Spalt (51) durch eine Aufweitrolle (3) aufgeweitet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest der erwärmte Bereich an der Ronde (5) mit Schutzgas beaufschlagt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Energiestrahl (40) ein Wasserschneidstrahl ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein konvergierender, fokussierter Energiestrahl (40) verwendet wird, wobei der Energiestrahl (40) oder die Fokussierung des Energiestrahls (40) so nachgeführt wird, daß der Fokus (40') stets auf dem Grund (50) des Spaltes (51) liegt, und wobei der Spalt (51) stetig so aufgeweitet wird, daß der fokussierte Laserstrahl (40) abschattungsfrei bis zum Grund (52) des Spaltes (51) gelangt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in Umfangsrichtung der Ronde (5) gesehen der Energiestrahl (40) in einem Winkelabstand zwischen 10 und 90 Grad vor der Spalt- oder Aufweitrolle (3) auf die Ronde (5) trifft.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Energiestrahl (40) während des Spaltens im wesentlichen in Radialrichtung der Ronde (5) auf diese trifft.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Energiestrahl (40) während des Spaltens im wesentlichen in Tangentialrichtung der Ronde (5) auf diese trifft.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Energiestrahl (40) während des Spaltens unter einem variablen Winkel auf die Ronde (5) trifft.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Energiestrahl (40) mit einem ovalen oder rechteckigen Strahlquerschnitt und einem entsprechend ovalen oder rechteckigen Fokus (40') angewendet wird, wobei die längere Achse des Ovals oder Rechtecks in Längsrichtung des Spaltes (51) verläuft.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß auf die Ronde (5), insbesondere im Bereich des Spaltgrundes (52), eine Beschichtung zur Reflexionsminderung, beispielsweise Graphit, aufgebracht wird.
  15. Vorrichtung zum Spalten einer Ronde (5) aus Metall, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    mit einer Drückmaschine, welche mindestens eine drehantreibbare Spindel (2) mit einem Futter (21) zur Aufnahme der Ronde (5) und mindestens eine wenigstens in Radialrichtung der Ronde (5) zustellbare Spalt- und/oder Aufweitrolle (3) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens eine Einrichtung (4, 4') zur Erzeugung eines fokussierbaren Energiestrahls vorgesehen ist, der zumindest den Bereich des Spaltgrundes (52) zum Erwärmen und/oder Spalten lokal beaufschlagt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Spalt- und/oder Aufweitrolle (3) und die Strahlerzeugungseinrichtung (4, 4') auf einem gemeinsamen Support (33) angeordnet sind.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Strahlerzeugungseinrichtung (4, 4') entlang einer in Längsrichtung des von ihm erzeugbaren Strahls (40) verlaufenden Achse relativ zu der Spalt- und/oder Aufweitrolle (3) verfahrbar ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Spalt- und/oder Aufweitrolle (3) und die Strahlerzeugungseinrichtung (4, 4') auf je einem eigenen Support (33, 43) angeordnet und unabhängig voneinander verfahrbar sind.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine berührungslos arbeitende, die Temperatur des von dem Energiestrahl (40) getroffenen Bereiches der Ronde (5) erfassende sowie eine die Leistung und/oder Fokussierung und/oder Positionierung der Strahlerzeugungseinrichtung (4, 4') erfassende, steuernde und überwachende Meß- und Steuereinrichtung vorgesehen ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine CNC-Steuerung vorgesehen ist und daß die Meß- und Steuereinrichtung in die CNC-Steuerung integriert ist.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Strahlerzeugungseinrichtung (4, 4') ein Laser- oder ein Plasmastrahlerzeuger ist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Strahlerzeugungseinrichtung (4, 4') eine Wasserschneidstrahl-Einrichtung ist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Vorwärmeinrichtung, insbesondere eine Induktionsanlage, zum Aufwärmen der Ronde (5) vorgesehen ist.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 21,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Laserstrahlerzeuger einen oder mehrere Laserstrahlen erzeugt, die über Leiteinrichtungen an unterschiedliche Einsatzstellen leitbar sind.
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