用于通过使用高动能进行材料加工的冲击单元和方法与流程

本发明涉及一种用于通过使用高动能进行材料加工的方法的冲击单元，包括用于将高动能转移到要加工的坯体/工具的柱塞，连接到设置来驱动所述柱塞的系统压力的驱动腔，设置来控制到所述驱动腔的流量的阀装置，以及用于调节所述阀装置的控制系统，其中所述控制系统直接或间接连接到传感器，所述阀装置通过该传感器由所述柱塞与第一次冲击相关联地控制，以便减少或断开在柱塞上的力，从而阻止伴随动能主要部分的附加后续冲击，以及涉及一种方法，其中与所述已执行冲击相关联地采取一步骤，该步骤阻止所述柱塞伴随动能主要部分实现回弹以便避免因为回弹带来的负作用。

背景技术：

在高速加工时，使用高动能来形成和/或加工材料体。与高速加工相关联地，使用冲击机，其中压力机柱塞具有比常规加工时实质上更高的动能。压力机柱塞通常具有比常规压力机大100倍或更高的速度，以便执行横切和冲孔，金属部件成形，粉末压制等相似操作。在高速加工中，存在不同多种原理以实现达到该技术提供的优点所需要的高动能。已经开发出加速冲击体的大量不同机器和方法，例如，如WO9700751所示。所有这些机器共同的是，无论它们为了加速是否使用了空气、油、弹簧、空气燃料混合物、爆炸剂或机电方式，已经表明它原理上已经触发非控过程，其导致冲击体加速朝向工具，并且此后它已经在一定时间之后以某种方式使冲击体运动回来。并且，加速力在第一次冲击之后已经连续作用到冲击体，其已经导致在第一次冲击之后已经发生多次冲击。这些附加的冲击，再次冲击是不利的并且通常是直接有害的。并且在使用成形工具的这种情况下，例如在成形图案化板时，成形工具不实现与坯体两次或更多次接触是极其重要的，因为那样存在不满足板的公差的风险。

因此，已经确定原理上毫无例外地，在高速进程中使要加工的工件承受超过一次的冲击是有缺点的。这适用于无论是否横切、同步成形或是粉末压缩的问题。当是横切问题时，附加不利冲击会导致过度工具磨损和不利毛刺。在冲孔时，会发生沾污、粘结、毛刺和工具磨损。在同步成形时，存在发生不利材料改变的风险，冲孔会破裂，并且坯体会在模具中不利地被夹硬，其结果导致成形力随着模具磨损而增加。在利用易碎材料例如陶瓷、硬金属等进行粉末压缩时，第二次冲击会损坏已经在第一次冲击中管理产生的连续体。在软粉末举例而言例如铜和铁的粉末压缩时，如果冲击多次，密度将确实连续增加，但是坯体在模具中由于增加次数的冲击而被夹持地非常硬，其导致不利的磨损。先前没有将焦点放在该问题上的事实的可行原因可能是这些进程非常快速并且在多数情况下不能够被观察到，并且因此再次冲击的有害作用似乎无法解释。此外，使得能够在第一次冲击之后进行中断加速冲击体所需要的非常短暂回复期间同样表示着复杂性。如果借由某种气体加速冲击体，原理上在技术方面已经不可能在第一次和第二次冲击之间的短时间(通常在2到50毫秒之间)期间减少在驱动腔中的压力。借由液压，它是技术上可能的，但是市场上的大多数阀必须花费太长的调节时间才能够使用在可能需要的较短调节时间内，通常在20毫秒内调节。关于弹簧机器，相当明显有些难以形成在几个毫秒内消解弹簧偏压的机械设备。如上指示，大多数已知液压高速机械装备有阀机构，其不能够被足够快地调节来阻止前进的油，并且因此在柱塞的驱动腔内产生的压力。对此的原因是由于高流量(300到1000升/分钟)的液压阀通常需要相对较长的调节时间。这继而取决于如下事实，阀体，很简单，必须移动相对较长的距离以便将产生足够大的开口面积以便油穿过它的时候压力没有太大的下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于消除、或者至少最小化上面提及的问题，其利用根据权利要求1、5和12的方法和冲击单元来实现。

得益于本发明，提供了一种方法和一种设备，它们在高速加工时可以以比先前已经知晓的产生更高的质量的方式来使用。

根据本发明的一个方面，非常大的优势是能够尽可能快地改变流量，并且因此在驱动腔中的压力，能够调节柱塞到它的开始位置用于下一次冲击。获得具有最短路径和最高流量的最佳方案。优化尺寸的水槽管道系统和水槽累积器提供快速和高效的压力减少并且促使柱塞的返回，即柱塞可以被“抓住”，不会获得两次冲击/两次回弹。

根据本发明的另一个方面，使用一个或多个通断阀，优选地根据插装阀的原理来控制冲击进程，与其他替代方法相比，其优点在于可以提供更低成本并且还提供在较大流量时允许快速调节的优点。

根据本发明的又一个方面，一个或多个返回阀，其提供更快清空驱动腔并且缓解其他阀的优点。

根据本发明的附加方面，使用至少一个累积器，优选地所谓高流量累积器，其设置在非返回阀处，连接到水槽，其提供减少系统中的压力峰值并且更快清空驱动腔的优点。

根据本发明的又一个方面，适当地，比系统压力更高的导引压力连接到导引阀，其导致更快地闭合通断/插装阀，其表示更快清空驱动腔并且其还保证通断/插装阀除了冲击时保持闭合。

根据本发明的一个方面，与形成图案化板相关联地采取一步骤，该步骤防止成形工具多于一次地接触要加工的坯体。

根据本发明的另一个方面，该步骤包括在发生冲击之前，良好限定的保持力将上部工具元件按压向要加工的坯体，通过该力不允许上部工具元件在冲击之后向上回弹，其防止在坯体上的有害回弹。

根据本发明的又一个方面，该步骤包括在冲击之后将空气吹入上部工具元件与坯体之间，空气形成空气包，导致上部工具元件在回弹时不到达坯体并且因此防止在坯体上的破坏。

根据本发明的附加方面，该步骤包括设置衰减/弹性元件连接到上部工具元件并且该元件向上施加弹性力向上部工具元件，其足够大以防止上部工具元件在回弹时到达坯体。

附图说明

下面，以参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1表示根据本发明的冲击单元的原理图；

图2至图5表示冲击单元的四个不同工作周期；

图6表示根据本发明的工具方案；

图7表示根据本发明的替代工具方案；

图8表示根据本发明的又一替代工具方案；

图9表示冲击进程的图表；以及

图10表示真实冲击的冲击进程的图表。

具体实施方式

图1表示用于在本发明的优选实施例中的冲击单元S的基本液压图表，其中没有点的交叉导管不连通。附图表示包括容纳直通工作柱塞2的圆柱形壳体1的冲击单元S。优选地，柱塞2在它的两个端部轴颈连接有第一轴承20和第二轴承21。在柱塞中部还具有第三轴承22，表示形成两个腔，驱动腔11和第二腔10。柱塞2旨在将高动能转移到坯体/工具用于高速加工。驱动腔11经由第一管道L1连接到阀部件5，压力控制通/断阀，优选地插装阀。插装阀5经由管道L3连接到导引压力pP，经由一阀，优选地经由导引阀7。该术语导引阀是指满足控制通断/插装阀5的功能的某种类型的阀，其优选地包括多路径阀，其借由相当小的液压流量可以快速地调节通/断阀以用于较大的流量。此外，插装阀5经由管道L2连接到系统压力pS。插装阀5还连接到压力累积器5’以便在加速时在实现驱动腔11中的快速压力增加。并且导引阀7连接到压力累积器7’，其有助于更快地清空驱动腔11。第二腔10经由管道L2连接到系统压力pS。图表还包括控制系统9、传感器6、伺服阀90和非返回阀91。非返回阀91连接到水槽累积器91’以在压力减少时有助于更快清空。

上述提及的三个轴承20、21、22优选地具有相互不同的直径，其表示柱塞2在驱动腔11和第二腔10中的相应有效面积不同。柱塞2在驱动腔中受到油影响的有效面积大于在第二腔10中的有效面积A_kolvu。在第二腔10中优选地总存在系统压力pS。驱动腔11的压力pA可以显著地小于系统压力pS以使柱塞2保持平衡。下面的关系对于使柱塞2保持平衡是有效的，其中m_kolv是柱塞2的质量并且g是重力加速度：

为了能够安全和快速地操作插装阀5，优选地使用导引压力pP，其大于系统压力pS。

冲击单元S的工作周期可分成四个部分：定位、加速、冲击和返回运动，为了表示在不同情况下于图2、图3和图5中的不同管道中存在的压力，根据下列符号来表示压力：pP＝----，pS＝·····，p_regler＝xxxxx，p_tank＝++++++，其中优选地pP＞pS＞p_regler＞p_tank。

在图2中，示出步骤定位，其中控制系统9借由伺服阀90使柱塞2与坯体/工具4保持预选定距离。柱塞2的当前距离由传感器6测量，并且借由调节功能，通过调节在管道L1中的压力p_regler，控制系统9借由伺服阀90来调节柱塞2到选定位置。如果柱塞2距离坯体/工具4太远，将增加压力p_regler，并且因此使柱塞2移动以靠近该工具。如果柱塞2太靠近坯体/工具4，那么将减少压力p_regler，并且因此增加到该工具的距离。当柱塞2处于预选定距离时，它根据上述平衡条件保持平衡。压力pX是存在于管道L4中并且作用在插装阀锥的操作面积Ax上的压力。导引阀7被放置在最大负操作状态P→B)中，以使pX＝pP，并且因此保持插装阀5闭合。这样保证它不进入到驱动腔11的系统压力pS。非返回阀91在定位期间被闭合并且放入中心位置中。

在图3中示出加速步骤，其中调节功能未激活，当导引阀7正向地(稍微)开启((B→T)时，伺服阀90同时被放入中心位置中，以便插装阀锥的操作面积Ax连接到水槽8。然后，压力pX将下降并且插装阀5开启，因为阀锥的另一侧处的压力较大，其表示获得瞬时连接到在驱动腔11中的系统压力pS。通过在驱动腔11中的系统压力pS，当满足下式时，获得组合向下导向的力：

其表示柱塞2向下快速地加速，通常具有远远高于10m/s的合成速度，通常大于12m/s。插装阀5因此将系统压力pS与第一管道L1连接，以便加压驱动腔11，并且然后还经由L1和L2将在腔之间的流体路径连接，以便于已经从低级腔10转移的油可以流到驱动腔11。得益于插装阀5连接到压力累积器5’的事实，在驱动腔11中达到了压力快速增加。非返回阀91在加速期间被闭合并且放置在中心位置中。

图4表示冲击步骤。柱塞2冲击要加工的坯体/工具4并且通过它自身的弹性和坯体/工具的弹性获得某种返回运动/回弹。由于柱塞2具有大约恒定的加速，直到它冲击坯体/工具4，因此冲击速度取决于在加速之前定位时到坯体/工具4的距离。

图5表示返回运动步骤。在冲击之后，必须快速地减少在驱动腔11中的压力pA，以便柱塞2不再被向下推动并且冒着进行第二次冲击的风险。导引阀7被放置到负向开启位置，以便插装阀锥的操作面积Ax获得压力pP并且移动向闭合位置。非返回阀91被放置到正向最大位置以便驱动腔11连接到水槽8，其中在第二腔10中的系统压力pS驱动柱塞2远离坯体/工具4。(在这种情况下可以替代地开启到负向最大位置，其给出了相同的功能，因为开口P和T连接，并且开口A和B连接)。调节功能被激活，其表示伺服阀负向地开启(A→T)以减少在驱动腔11中的压力并且以根据步骤定位控制柱塞2到确定的开始位置。开始位置不需要每次冲击都相同而是可以改变的。借由传感器6，其与控制系统9保持可通信，可以感测柱塞2的位置，并且在一定时间周期之后或者在柱塞的预定位置时给控制系统9一信号，其影响如上所述的不同阀。导引阀7与非返回阀91一样因此连接到累积器7’、91’，它们有助于更快清空驱动腔11。

尽可能快地清空驱动腔11以能够调节柱塞2到开始位置用于下一次冲击是非常有利的。得益于上面描述的设计，获得了具有短路径和高流量、水槽管道系统和水槽累积器的最优尺寸设计的方案，其导致快速和高效的压力减少和柱塞2的返回，即柱塞2可以被“抓住”，不会获得两次冲击/两次回弹。“高流量”式的水槽累积器(通常装备有盘式阀)是优选的，以便能够处理较大/较快流量，优选地，至少900升/分钟(l/min)，更优选地，至少1,000L/min。合适地调适累积器(或一个以上)以便避免它/它们到达底部的风险，即应该确定尺寸以便某些辅助空间还保持最大需求。

根据上面所述借由伺服功能在冲击之前执行对柱塞位置的调节。控制系统9给予伺服阀90和导引阀7动态控制，其通过基于冲击单元的模型、距离－时间函数、选定冲击长度等动态地计算时间控制来影响插装阀5的冲击。从该计算的输出给出了柱塞2花费多长时间到达冲击头41，并且此后它使用作为闭合阀的输入。对相应冲击单元S调适调节算法的参数选择。优选地，可以在计算开始参数之后调适。它是极快进程的问题，其提供十分之一毫秒的控制精度。

因此，压力累积器的功能首先保证在快速进程期间油是足够的。如果没有压力累积器，将会需要更大的泵以能够满足在较短时间内产生的较大流量。当要清空驱动腔时，水槽累积器通过使它们能够临时地填满油来缓解系统。在减少压力之前也可以花费更长的时间，因为必须通过水槽管道清空到水槽8的油，除了较长路径之外还具有在软管中存在某些阻力的缺点。

图9表示指示在冲击进程中不同工作周期发生时的图表。在图表的X轴上，示出时间，单位为ms，并且在图表的Y轴上，示出冲击体的位置，单位为mm。连续线表示根据本发明执行的冲击，而破折线表示常规冲击如何产生。可以发现在第一时间流逝期间两个曲线彼此伴随，即从冲击的开始位置T₀到冲击完成以及在返回运动期间实现精确的相同加速和运动。根据常规方法，此后发生多次再冲击，其会导致不利结果。根据本发明，避免了这样的冲击，因为在驱动腔11中流量快速改变，并且可以执行快速清空。根据上面描述，在T₀，加速从此开始，在T₁，发生冲击，在T₂，抓住柱塞2并且发生返回运动，并且在T₃，根据上面描述，发生柱塞2的重新定位。

图10表示当柱塞2的质量为250kg并且平台和工具的质量为12吨时真实冲击的图表。在图表的X轴上，示出时间，单位为ms，并且在图表的Y轴上，示出柱塞的位置，单位为mm。开始位置标记为T₀，即这里开始加速，在T₁，发生冲击，在T₂，抓住柱塞2，并且在T₃，发生柱塞2的重新定位，即从开始(T₀)到抓住柱塞2(T₂)的时间为35ms。

根据机器尺寸和冲击参数，从开始加速(T₀)到由控制系统重新控制柱塞2(T₂)之间的时间可以在2到500ms的范围内。下面更优选的时间范围取决于柱塞2的质量：

－柱塞的质量达到25kg。优选时间范围为2到50ms，更优选地为在30ms以下。

－柱塞的质量为25至250kg。优选时间范围为4到150ms，更优选地为在80ms以下。

－柱塞的质量超过250kg。优选时间范围为8到300ms，更优选地为在150ms以下。

平台和工具的质量有利地大于柱塞2的质量以便柱塞2将在冲击时回弹。如果平台和工具的质量等于或稍微小于柱塞2的质量，也可以这样实践本发明，但是通常前者是优选的。图6表示根据本发明避免双次回弹的工具方案4的侧面观察的剖视图。附图表示工具组，包括下部工具元件42、上部工具元件40、以及设置在上部工具元件顶部上的冲击头41，其中工具元件40、42可相对于彼此移动。工具元件40、42通常包括朝向要加工的坯体的图案化表面，但是它们也可以是平滑的。要加工的材料400设置在下部工具元件42与上部工具元件40之间。工具组设置在未示出的工具壳体中，工具壳体设置在静止或移动平台上。取决于完成的产品/板400看起来像什么，工具元件40、42的至少一个通常包括雕版40A、42A，它们与完成的产品/板400一致。下部工具元件42优选静止的并且包括衬垫，而上部工具元件40是朝向衬垫冲击的冲头，要成形的坯体400设置在它们之间。在如图6所示的情况中，冲击头41压向上部工具40，其继而以良好限定的保持力F(优选地数吨及以上，取决于成形工件需要的压力/能量)按压抵靠坯体400。该力F如此大以致于在冲击之后不允许工具向上回弹。由于具有非常高动能的柱塞2冲击向所述冲击头41，通过工具元件40、42冲击向彼此，发生板400的成形。工具40和冲击头41由弹簧力适当地按压抵靠坯体400。冲击头41和上部工具元件40还可以是集成单元，其将表示需要保持它们连接然后被消除。在图案化板400的成形时，如果成形工具4不与坯体两次或以上接触是有利的，因为存在不满足板400的公差的风险。

图7表示防止对要成形的坯体400回弹的替代实施例。附图表示工具壳体43的一部分，容纳包括下部工具元件42、上部工具元件40、以及设置在上部工具元件顶部上的冲击头41的工具升降机，其中工具元件可相对于彼此移动。工具升降机以良好限定的保持力按压抵靠坯体400的外周，并且要成形的材料/板400设置在工具元件40、42之间。上部工具元件40的上部包括在每侧上向上延伸的边界47。工具壳体43构造为具有相对凹部46以便通过对着冲击头41冲击柱塞2，边界47在冲击时获得向下移动的空间。在形成板400时，对着所述冲击头41以非常高的动能冲击柱塞2。上部工具元件40在冲击之后向上回弹，并且空气，替代地某些其他气体，经由在工具壳体43中的通道44，45被吹入形成在上部工具元件40与板400之间的空间(见箭头44A，45A)。被吹入空间48的空气形成空气包，其防止上部工具元件40在它再次落下时抵达板400。

图8表示成形工具4的又一替代实施例，其在生产弯板时使用是有利的，当材料如此薄以致于如果将使用在图6中描述的工具方案4时，材料已经完全由外力F处理。在所示示例中，减震/弹性元件优选地设置在凹部46中，在工具壳体43与上部工具元件的边界47之间。元件49施加弹性力向上抵靠上部工具元件的边界47，弹性力足够小以致于将不会妨碍成形(然而，它给出了阻力以致于它比如果没有它时需要更多的成形能量)。在坯体400成形时，柱塞2以非常高的动能对着所述冲击头41进行冲击。在成形之后，当柱塞2、冲击头41和上部工具元件40已经离开坯体400时，弹性力足够大以防止上部工具元件40再次抵达坯体400。

参考图6至图8描述的工具方案的不同实施方案，可以意识到他们同样可以应用于申请分案的主题。

本发明不限于上面的描述，而是可以在下面权利要求范围内改变。例如，应该认识到在所描述示例中阀和累积器的数量以及它们的尺寸可以改变，数量和尺寸取决于机器的尺寸。在描述中，插装阀描述为示例，但是应该认识到，也可以使用其他快速阀。本领域的技术人员认识到本发明思想还包括除了上面描述的材料加工之外的其他材料加工，例如，冲孔，横切，折弯，以及压缩粉末，并且冲击单元可以反向以便柱塞向上冲击，而不是向下，如所描述。还可以冲击单元与平台放置在弹性底座上，以便平台可以移动。这样，平台可以获得与柱塞的加速相反方向的运动。虽然在附图中没有示出任何弹簧的插装阀，但是本领域的技术人员认识到本发明构思包括插装阀无论它具有还是不具有弹簧。