Antriebstechnik für mechanische Pressen

Pressentechnik - Teil 2

Die Antriebstechnik einer Presse bestimmt nicht nur deren Funktionalität, sondern ist gleichzeitig auch Namensgeber für eine ganze Pressenfamilie. Begriffe wie: mechanische Presse, hydraulische Presse oder Spindelpresse sagen zwar nichts über Pressenformen oder Anwendungsbereiche aus, sind aber das erste und wichtigste Unterscheidungsmerkmal im Sprachgebrauch. Entsprechend der verwendeten Antriebstechnik werden Pressen auch in Weggebundene, Kraftgebundene und Arbeitsgebundene Maschinen unterteilt.

06. Dezember 2003
Das Prinzip eines viergliedrigen Gelenkantriebs
Bild 1: Antriebstechnik für mechanische Pressen (Das Prinzip eines viergliedrigen Gelenkantriebs)

Bei mechanischen Pressen wird die Preßkraft von Hebelsystemen erzeugt, die das Drehmoment des Antriebs umsetzen. Die bekannteste und am häufigsten verwendete Antriebstechnik ist der Exzenter- beziehungsweise Kurbelantrieb. Die Drehbewegung des Exzenterrads wird hier über einen Pleuel in eine Linearbewegung umgewandelt, wobei die Außermittigkeit des Exzenters den Stößelhub bestimmt. Charakteristisch für Exzenterantriebe ist der sinusförmige Verlauf der Stößelbewegung. Hier sind Abwärtsbewegung und Aufwärtsbewegung gleichförmig, was einerseits eine sehr universelle Einsatzfähigkeit ermöglicht, andererseits aber die Verwendung bei anspruchsvollen Umformoperationen ausschließt. Durch seine einfache Kinematik bietet der Exzenterantrieb bei Schneidoperationen in der Folgeverbundfertigung große Vorteile, zumal dieses System extrem steif und sehr verschleißarm ist. Nachteilig sind die hohe Auftreffgeschwindigkeit in der unteren Endlage und die begrenzte Einsatzfähigkeit bei großen Hüben.

KurbelantriebKurbelantriebe wie etwa der Längswellenantrieb einer Schmiedepresse verfügen über die gleichen Eigenschaften wie Exzenterantriebe. Auch hier wird der Stößelhub durch die Außermittigkeit der Kurbelwelle bestimmt und auch der sinusförmige Verlauf der Stößelbewegung ist gleich wie beim Exzenterantrieb. Diese Antriebsart wird beispielsweise bei kleinen Schneidautomaten eingesetzt und in extremer Dimensionierung bei schnelllaufenden Schmiedepressen

Gelenkantriebe

Für anspruchsvolle Umformoperationen wie beispielsweise in der Karosseriefertigung, eignen sich Exzenter- und Kurbelantriebe mit ihrer sinusförmigen Bewegung nicht. Da bei diesen Produktprozessen das Oberwerkzeug mit reduzierter Geschwindigkeit auf dem Unterwerkzeug mit dem eingelegten Werkstück aufsetzen soll, sind hier andere Systeme erforderlich. Mehrgliederige Gelenkantriebe wie sie heute in mechanischen Großpressen allgemein eingesetzt werden, ermöglichen eine differenzierte Abwärtsgeschwindigkeit insbesondere im unteren Hubbereich und eine hohe Aufwärtsgeschwindigkeit zum Öffnen der Werkzeuge. Erreicht wird dieser Bewegungsablauf durch die überlagernde Bewegung des Exzenterrads mit dem Doppelhebel. Mit diesem System sind sehr große Hübe und eine deutlich reduzierte Auftreffgeschwindigkeit des Stößels auf dem Unterwerkzeug realisierbar, wobei durch Veränderung der Hebel individuelle Bewegungsabläufe gestaltet werden können. Kinematik und Bewegungsablauf sind bei Großpressen konstruktiv festgelegt und können nicht verändert werden. Dies gilt übrigens auch für den Stößelhub der bei Großpressen anders als bei Kleinpressen nicht verändert werden kann.

Achtgliedrige Gelenkantriebe

Achtgliedrige Gelenkantriebe wie sie in den Ziehstufen von großen Sauger- Transferpressen eingesetzt werden, sind zweifellos die technisch anspruchvollsten Komponenten im Pressenbau. Bei diesem System überlagern sich zwei Exzentersysteme mit diversen Hebelkonzepten. Während die vorne liegende Kinematik eine reine Steuerfunktion ausübt, wird von den dahinter liegenden Exzenterrädern und Pleueln der eigentliche Umformprozeß ausgeführt. Dieses anspruchsvolle Antriebskonzept wird immer dann gewählt, wenn der Stößel mit deutlich reduzierter Geschwindigkeit im unteren Hubbereich bewegt werden soll, was einen exakten Ziehvorgang ermöglicht. Auch die Stößel- Stillstandsphase in oberer Endlage, bei Transferpressen mit Crossbar-Technik zwingend erforderlich, wird über den Gelenkantrieb eingeleitet. Ein Exzenterversatz im Kinematiksystem sorgt hier dafür, daß der Stößel in oberer Endlage kurz stillsteht, obwohl die Antriebswelle kontinuierlich weiterdreht. Dieser ungewöhnliche Bewegungszyklus ist notwendig um den Saugerbalken Zeit zur Teileentnahme beziehungsweise zur Teilerzuführung zu geben. Nur mit diesem Stop and Go- Betrieb ist es möglich, Sauger- Transferpressen im kontinuierlichen Produktionsbetrieb zu fahren, also ohne Auskuppeln der Antriebswelle.

Hauptantrieb und Schwungrad

Zu den Kernkomponenten eines mechanischen Pressenantriebs zählen der Antriebsmotor, das Schwungrad, die Kupplung und die Bremse. Als Hauptmotoren werden insbesondere Gleichstrommotoren, aber auch frequenzgeregelte Drehstrommotoren eingesetzt. Die Besonderheit mechanischer Pressenantriebe liegt ja darin, daß der Hauptmotor nicht die Antriebswelle antreibt, sondern ein Schwungrad, das als rotierender Energiespeicher dient.

Der Hauptmotor auf die maximale Arbeitsleistung der Presse ausgelegt, treibt über Flachriemen oder Breitband- Keilriemen das Schwungrad an das am Ende der Hauptantriebswelle positioniert ist. Die verwendeten Gleichstrommotoren sind so ausgelegt, daß sie Drehzahlveränderungen wie sie beim Produktzyklus auftreten, problemlos kompensieren können. Wenn im Produktionsbetrieb Arbeitsleistung abgefordert wird, reduziert sich die Drehzahl des Schwungrads, da ja Antriebsenergie verbraucht wurde. Entsprechend dem Drehzahlabfall der bis zu 20 Prozent betragen kann, beschleunigt der Hauptmotor das Schwungrad wieder einschließend wieder auf seine Nenndrehzahl. Dieser Zyklus: Drehzahlabfall-Drehzahlaufbau findet bei jedem Arbeitszyklus statt und erfordert deshalb ein flexibles und belastbares Antriebssystem.

Das Schwungrad - das bei Großpressen schon mal einen Durchmesser nahe der 3.000 mm Marke haben kann und bis zu 25 Tonnen wiegt, bestimmt auch das Arbeitsvermögen einer mechanischen Presse. Bei der Schwungradauslegung sind Nutzenergie und Drehzahlabfall die entscheidenden Auswahlkriterien. Im Hinblick auf das Arbeitsvermögen der Presse, das ja von der Schwungmasse und der Drehzahl bestimmt wird, wäre eine hohe Schwungraddrehzahl von Vorteil.

Kupplung und Bremse, vor allem aber die anspruchsvollen Lagerungskonzepte reduzieren die Drehzahlen großer Schwungräder allerdings auf circa 500 U/min. Das Abbremsen des rotierenden Schwungrads bis zum Stillstand, erfolgt normalerweise durch die Gegenstrombremse des Antriebsmotors und bei Bedarf zusätzlich durch eine pneumatisch betätigte Schwungradbremse in circa 30 Sekunden.

Kupplung und BremseDas Übertragen des Schwungrad-Drehmomentes auf die Getriebewelle wird bei mechanischen Pressen über hydraulisch- oder pneumatisch betätigte Kupplungssysteme ausgeführt, während das Abbremsen des Stößels nach dem Auskuppeln über federkraftbetätigte Bremsen erfolgt. Als wesentlichstes Sicherheitselement einer mechanischen Presse müssen Kupplung und Bremse hohe Anforderungen bezüglich Funktion und Wirkzeit erfüllen. Dies bedeutet, daß die bewegten Massen einer Großpresse nach 200 bis 300 Millisekunden zum Stillstand kommen müssen bei kleineren Pressen sogar innerhalb von 100 bis 150 Millisekunden. Hohe Anforderungen werden auch an die Kupplung gestellt, welche nach dem Zuschalten das ganze Antriebssystem inklusive Stößel und Werkzeug von Null auf Betriebsgeschwindigkeit beschleunigen muß. Kupplung und Bremse sind so aufgebaut, daß eine funktionale Sicherheit gewährleistet ist. Bei geschlossener Kupplung ist die Bremse zwangsläufig geöffnet, während bei geschlossener Bremse die Kupplung geöffnet ist. Eine Sicherheitssteuerung in bi-funktionaler Ausführung stellt sicher, daß die Kupplungs-/Bremsfunktion auch beim Ausfall eines Schaltventils noch gewährleistet ist. Sicherheitssteuerungen müssen grundsätzlich den geltenden Normen und Vorschriften entsprechen insbesondere der Europanorm EN- 692.

Pneumatik oder Hydraulik

Während die Bremswirkung aus Sicherheitsgründen durch mechanische Federkraft erzeugt wird, können Kupplungssysteme wahlweise hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden. Pneumatische Kupplungen in Ein- oder Mehrscheibenbauart haben sich in der Praxis bewährt und werden insbesondere im Kleinpressenbetrieb bevorzugt eingesetzt. Nachteilig bei pneumatischen Kupplungssystemen ist der Verschleiß der Reibbeläge vor allem bei hoher Schalthäufigkeit. Hydraulische Kupplungs- und Bremskombinationen arbeiten dagegen nahezu verschleißfrei und ermöglichen ein weit höhere Schaltbelastung als dies mit pneumatischen Systemen möglich ist. Zum Kuppeln und Bremsen werden hier Sinterlamellen eingesetzt, die über ein Öl- Kühlsystem versorgt werden. Beim Kupplungsvorgang werden die Innenlamellen, die mit der Antriebswelle verbunden sind über einen Hydraulikkolben gegen die Außenlamellen gedrückt, die sich mit dem Schwungrad drehen. Durch diesen Anpreßeffekt der Lamellen erfolgen zwischen Schwungrad und Antriebswelle eine kraftschlüssige Verbindung und damit eine Übertragung des Drehmoments. Beim Bremsvorgang wird der Kolben von Druckfedern gegen die Bremslamellen gedrückt, welche dann den Bremsvorgang ausführen, während die Kupplung das Schwungrad der Antriebswelle trennt. Kupplungs- /Bremskombinationen werden vor allem in großen Pressen eingesetzt. Hier ist das Kupplungsgehäuse mit seinen Außenlamellen direkt mit dem Schwungrad verbunden, während die Innenlamellen auf der Antriebswelle angeordnet sind. Zur Aufnahme des Bremsmoments stützt sich das Topfgehäuse mit den äußeren Bremslamellen am Pressenkörper ab.

Erschienen in Ausgabe: 10/2003