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Hochdruck-Vorrichtung
DieErfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drücke. Es sind bereits verschiedene Vor- schläge zum Bau derartiger Vorrichtungen gemacht worden. Je nach dem beabsichtigten Verwendungs- zweck weisen die bekannten Konstruktionen die unterschiedlichsten Merkmale auf. So sind z. B. Hoch- druck-Körper bekanntgeworden, die als Presswerkzeuge für das Fliess- und Strangpressen von kalten und warmen Werkstoffen dienen. Hierhin gehören beispielsweise die Presswerkzeuge für die moderne Schraubenfertigung. Weiter sind zahlreiche Vorschläge für den Bau von Pressmatrizen für Metall- und keramische Pulver gemacht worden, sowie für das Kalt-und Warmpressen von Hartmetall-Ansätzen. Schliesslich sei noch an die in der chemischen Industrie gebräuchlichen Hochdruck-Körper erinnert.
Die vorliegende Erfindung ist auf alle diese bekannten Konstruktionen anwendbar.
In neuerer Zeit hat die Technik des Baues von Hochdruck-Körpern bzw. Vorrichtungen zum Erzeugen hoher Drücke weitere Impulse erhalten, insbesondere durch die Arbeiten von Bridgeman u. a. Vorrichtungen zur Erzeugung extrem hoher Drücke (in derGrössenordnung von 1000 kp/mm2) sind beispielsweise bei der Umwandlung von thermodynamisch stabilen Modifikationen von Elementen und Verbindungen in unter normalen Bedingungen thermodynamisch instabile Modifikationen dieser Stoffe von Interesse.
Hierhin gehört insbesondere die Umwandlung von Graphit in Diamant.
Bei den bisher bekanntgewordenen Vorrichtungen zur Erzeugung hoher Drücke besteht der eigentliche Hochdruck-Hohlkörper aus einer meist zylinderförmigen Hülse aus Hartmetall, die von einem oder mehreren Stahlringen umgeben ist, welche aufgeschrumpft oder konisch ineinander gepresst sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Pressform, deren Aussendurchmesser ein Vielfaches des Formhohldurchmessers ist. Bei Pressformen, deren Formhohldurchmesser etwa gleich der Höhe ist, nimmt sie die Gestalt einer Scheibe von geringer Höhe und grossem Durchmesser an. Die beiden Pressstempel, die vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung in das Innere des Presshohles eingeführt werden, bestehen aus Stahl oder Hartmetall.
Bei Drücken über 400 kpjmm2 müssen die Hartmetallstempel ebenfalls von Stahlringen umgeben sein, so dass auch die Pressstempel eine ähnliche scheibenförmigeGestalt erhalten wie die Pressform selbst. In der chemischen Industrie werden für hohe Gas- und Flüssigkeitsdrücke relativ dünnwandige dichte Gefässe grosser Abmessung von Stahlscheiben umgeben oder mit Stahlbändern umwickelt.
Allen bisher bekanntgewordenen Konstruktionen derartiger Vorrichtungen ist gemeinsam, dass die durch den Innendruck auftretenden radialen Druck-Kräfte in unzweckmässiger Weise und unter mangel- hafter Ausnutzung des Werkstoffes auf die äusseren Stützringe übertragen werden und dadurch in der Belastbarkeit bzw. im erreichbaren Druck beschränkt sind. Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der diese Mängel abgestellt sind. Die Vorrichtung besteht in Übereinstimmung
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linderförmige Hochdruck-Körper gebunden.
Die neue Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der radial gerichteten Druck-Kräftevom Hochdruckkörper auf den Stützring mehrere kreisscheibensegmentförmige Drucküberträger konzentrisch um den Hochdruck-Körper angeordnet und so weit voneinander entfernt sind, dass sie sich auch bei der stärksten auftretenden Druckbeanspruchung und damit der grösstmöglichen Querdehnung in Umfangsrichtung gegenseitig nicht berühren. Die Drucküberträger sind entweder bereits im Ruhezustand der Vorrichtung angespannt, d. h. sie stehen auch dann unter Druck-
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spannung, wenn im Innern des Formhohles kein erhöhter Druck herrscht, oder sie stehen nur während des Auftretens des Innendruckes im Formhohl, also während der Arbeit, unter mechanischer Spannung.
Die Erfindung erlaubt eine vielfältige, den verschiedensten Verwendungszwecken angepasste Aus- gestaltung. Es können die erfindungsgemäss angegebenen Drucküberträger aussen und der Stützring innen leicht konisch geformt sein, wie dies auch bei den bisher bekannten Ringen der Fall war. Für den Fall, dass die Drucküberträger dauernd unter mechanischer Spannung stehen sollen, werden sie ebenso wie die bisher bekannten Ringe vor Benutzung der Vorrichtung festhaftend ineinander gepresst.
Für den Fall, dass sich die Spannung, unter der die Drucküberträger stehen sollen, erst während der Druckerzeugung im Hochdruck-Hohlkörper aufbauen soll, werden die Teile zwar ebenfalls mit konisch geneigten Wänden hergestellt, aber noch nicht vollständig ineinander gedrückt. Dies geschieht vielmehr erst, wenn das Presshohl mit einem zu pressenden Werkstoff gefüllt ist und die Pressstempel in das Innere des Hochdruck-Körpers gedrückt werden. Gleichzeitig mit diesen werden also die mit konisch geneigten Wänden ausgestatteten Segmente in den äusseren Ring hinein gepresst. Auf diese Vorrichtungseinzelheit wird weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung der beiliegenden Zeichnung noch einmal näher eingegangen. Die Konizität der Teile richtet sich in bekannter Weise nach den in Betracht kommenden Reibungskoeffizienten.
Erfindungsgemäss sind also die einzelnen Drucküberträger in gewissem Abstand voneinander angeordnet, damit sie sich bei der Druckübertragung nicht gegenseitig berühren. Für die Herstellung der Vorrichtung ist es am einfachsten, wenn als Drucküberträger eine Ringscheibe dient, die durch Schlitze, welche vom äusseren Umfang ausgehend bis fast zum inneren Umfang reichen, in mehrere Segmente geteilt ist.
Dadurch, dass die Scheibe nicht völlig durchsägt wird, dass also die Schlitze nicht ganz bis zum inneren Umfang reichen, haften die einzelnen Segmente am inneren Umfang der Ringscheibe, also in unmittelbarer Nähe des Hochdruck-Körpers aneinander.
Eine besonders günstige Druckübertragung und damit eine besonders gleichmässige Beanspruchung des äusseren Stützringes wird erreicht, wenn die Höhe des äusseren Stützringes grösser ist als die Höhe des Hochdruck-Körpers und sich dementsprechend die Höhe der Drucküberträger vom Hochdruck-Körper zum Stützring hin stetig vergrössert. Es ist erfindungsgemäss möglich, auf einen besonderen Hochdruck-Körper, also etwa eine Hülse aus Hartmetall, ganz zu verzichten, wenn die Segmente bzw. die Schlitze so ausgeführt sind, dass sich die Segmente in der Nähe ihres inneren Umfanges berühren und so einen geschlossenen Hohlraum bilden.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung lässt sich leicht rechnerisch überschlagen, wie im folgenden für den Fall gezeigt wird, dass kein besonderer Hochdruck-Hohlkörper vorhanden ist : Es gilt die Gleichung i . d . li = 2 s. a zul. la.
Hierin bedeuten :
Pi Innendruck li Länge des Hochdruck-Körpers la Länge des Stützringes s Wandstärke des Stützringes 0 zul zulässige Spannung im Ring d Durchmesser des Hochdruck-Raumes.
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dann eine annähernd gleichmässige Spannungsverteilung über den Querschnitt des Ringes erreicht wird. (Da = Aussendurchmesser des Ringes ; D = Innendurchmesser des Ringes.) Es würde also im angenommenen
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Beispiel Da = Di + 2. 2, 5 d = 1, 5 Di und Di = 10 d sein. Die Druckbelastung des Stützringes durch die
Segmente ist damit nur 1/10 des Innendruckes Pi. Dies ist für die Höhe der Belastbarkeit der Vorrichtung sowie auch für deren Lebensdauer von entscheidender Bedeutung.
Die Druckübertragung auf den Aussen- ring kann noch günstiger gestaltet werden, wenn die Höhe des Stützringes grösser gewählt wird als die Höhe des Hochdruck-Körpers und die Höhe der Drucküberträger vom Hochdruck-Körper zum Stützring hin stetig ver- grössert wird. Ausgehend von den beschriebenen Merkmalen der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es möglich, diese in wesentlichen Punkten noch bedeutend zu verbessern. Eine der möglichen Verbesserungen besteht darin, dass der Stützring durch eine Anzahl von Tellerfedern ersetzt wird, die in bestimmter, unten näher beschriebener Weise angeordnet sind.
Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung besteht darin, dass zwischen Stützring und Drucküberträ- gern eine ringförmige, radial wirkende hydraulische Pressvorrichtung eingeschaltet ist. Zu diesem Zweck ist der druckaufnehmende Aussenring innen rinnenförmig ausgearbeitet. Die so entstehende ringförmige
Rinne ist durch einen verhältnismässig dünnwandigen elastischen Ring unter Einfügung von Dichtungsele- menten dichtschliessend abgeschlossen. In das Innere dieses Ringes sind die druckübertragenden Segmente eingepasst. Der aus der Rinne und dem sie abschliessenden Ring gebildete Hohlraum ist mit einem Druck- mittel gefüllt und steht durch eine Bohrung mit einem Druckerzeuger in Verbindung.
Auf diese Weise ist es möglich, über das hydraulische Medium eine Kraft von aussen über den elastischen Ring auf die Drucküber- träger einwirken zu lassen, die der vom Inneren der Vorrichtung her wirkenden Kraft entgegengesetzt ist.
Um diese und einige weitere Merkmale der erfindungsgemässen Vorrichtung näher zu erläutern, wird auf die beigefügten Zeichnungen hingewiesen. Diese stellen die erfindungsgemässe Vorrichtung schema- tisch dar und lassen den prinzipiellen Aufbau sowie wesentliche Merkmale derselben erkennen.
Fig. 1 stellt einen Querschnitt und Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe Vorrichtung dar,
In Fig. 3 ist ein schematisierter Querschnitt durch eine andere Ausführungsart der Vorrichtung wiederge- geben. Fig. 4 ist ein Querschnitt und Fig. 5 die dazu gehörende Draufsicht der erfindungsgemässen Vor- richtung mit hydraulischer Gegendruckerzeugung.
In Fig. 1 ist zunächst in vereinfachter Form ein Querschnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung wiedergegeben, wie sie als Pressform für Metall- oder sonstige Pulver dienen könnte. Bei 1 ist der rohr- förmige eigentliche Hochdruck-Körper zu erkennen, der üblicherweise aus Hartmetall besteht. Es kann aber auch in besonderen Fällen ein anderer harter Werkstoff, etwa ein durch Kaltverformung oder Wär- mebehandlung gehärteter Stahl od. dgl. verwendet werden. In den Hochdruck-Körper 1 werden die bei- den Pressstempel 2 und 3 eingeführt und bilden so im Innern des Hochdruck-Körpers das Presshohl 4. In diesem Presshohl befindet sich-in der Zeichnung nicht dargestellt-das zu pressende Material, welches infolge der beim Einführen der beiden Pressstempel 2 und 3 entstehenden Volumenverringerung zusammengepresst wird.
Bei 5 sind die bereits oben näher beschriebenen kreisscheibensegmentförmigen Drucküberträger zu erkennen, die konzentrisch um den Hochdruck-Körper 1 angeordnet sind. Unter der Wirkung des beim Zusammenpressen der Stempel 2 und 3 im Innern des Presshohles 4 entstehenden Druckes, versucht sich die Wandung des Hochdruck-Körpers 1 nach aussen aufzuweiten. Der hiedurch entstehende radiale Pressdruck wird über die Drucküberträger 5 auf den Stützring 6 übertragen.
In Fig. 2, welche eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe Vorrichtung zeigt, ist zu erkennen, dass die einzelnen Drucküberträger 5 die Form von Kreisscheibensegmenten aufweisen. Die einzelnen Segmente sind so weit voneinander entfernt, dass sie sich auch bei der stärksten auftretenden Druckbeanspruchung und damit der grösstmöglichen Querdehnung in Umfangsrichtung gegenseitig nicht berühren können. Praktisch bedeutet das, dass zwischen den einzelnen Segmenten Zwischenräume, nämlich die besagten Schlitze vorhanden sind, die in Fig. 2 bei 7 angedeutet sind.
Um die Drucküberträger einfacher herstellen zu können, wird vorgeschlagen, von einer Kreisscheibe auszugehen und diese vom äusseren Umfang her nach innen einzuschlitzen. Die Breite der Schlitze richtet sich naturgemäss nach der Dehnung, die die Segmente beim Zusammenpressen der Vorrichtung erfahren. Die Schlitze sollten nicht breiter als unbedingt nötig sein. Sie können auf funkenerosivem Wege oder durch Schneiden mit einem Elektronenstrahl hergestellt werden, wenn ein üblicher Sägeschnitt zu breit sein sollte.
Im linken Teil der Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Schlitze 7 nicht vollständig bis zum innern Umfang der Kreisscheibe, also bis zur Wandung des Hochdruck-Körpers 1 reichen, sondern ein kleines Stück kürzer sind.
Für den Fall, dass die Drucküberträger 5 bereits im Ruhestand der Vorrichtung angespannt sein sollen, wie dies bei Verwendung einer Hartmetallbuchse als Hochdruck-Körper erforderlich ist, werden diese zwischen den Hochdruckhohlkörper l und den äusseren Stützring 6 eingepresst. Für den Fall, dass die Stützkör-
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per erst während der Druckentstehung im Innern des Presshohles angespannt werden sollen, werden sie gleichzeitig mit dem Pressstempel 3 eingepresst. Dieser zuletzt geschilderte Fall ist in der rechten Hälfte der Fig. l dargestellt. Damit das Zusammenpressen der Teile leichter vonstatten geht, sind die konischen
Flächen mit geeigneten Schmiermitteln, etwa Molybdändisulfid überzogen.
Es kann praktisch von Vorteil sein, den Stützring 6 durch eine Anzahl von Tellerfedern zu ersetzen, wie dies in Fig. 3 bei 9 angedeutet ist. Die Tellerfedern sind so angeordnet, dass sie beim Zusammenpres- sen angespannt werden, wodurch eine Verkleinerung ihres Innendurchmessers in bekannter Weise eintritt.
Aus Fig. 3 ist zu erkennen, dass zur Verstärkung des so gebildeten Stützringes nicht nur jeweils eine Tel- lerfeder benutzt wird, sondern dass jeweils ein ganzes Paket - im dargestellten Beispiel je vier - derarti- ger an sich bekannter Tellerfedern eingesetzt werden. Das Zusammenpressen der Tellerfedern erfolgt im gewählten Beispiel durch die Pressbacken 10 einer Pressvorrichtung. Die gleichen Pressbacken drücken auch die Pressstempel 2 und 3 in das Innere der Hochdruckform 1 hinein.
Aus Fig. 3 ist ebenfalls zu ersehen, dass in diesem Fall die Höhe der Hochdruckform 1 geringer ge- wählt wurde als die Höhe des Stützringes, der im gewählten Beispiel durch die Tellerfedern 9 gebildet wird. Die kreisscheibensegmentförmigen Drucküberträger 5 zeigen daher eine Höhe, die von innen-also der dem Hochdruckhohlkörper zugewandten Seite - nach aussen - also der den Tellerfedern 9 zugewand- ten Seite - stetig zunimmt. In Fig. 3 ist zu erkennen, dass im Falle der Verwendung derartiger Tellerfe- dem der gesamte Pressweg der Pressstempel 2 und 3 nicht grösser sein kann, als der Spannweg der Tellerfedern. Es ist aber auch möglich, die Tellerfedern durch entsprechend ausgestaltete Vorrichtungen, etwa Spannbacken, dauernd und unabhängig von der Stellung der Pressstempel anzuspannen.
Die in Fig. 3 dargestellten Tellerfedern können durch an sich bekannte Ringspannfedern ersetzt wer- den. Allerdings müssen diese konzentrisch von einem Stützring umgeben sein. Auch in diesem Fall ist es möglich, die Ringspannfedern so anzuordnen, dass sie entweder dauernd vorgespannt oder erst beim Einpressen der Pressstempel in das Innere des Hochdruck-Körpers gleichzeitig axial gepresst werden.
Da bei Anordnung eines Stützringes in der Regel ein Teil des Innendruckes vom Hochdruckkörper 1 bzw. seiner Wandung aufgenommen werden muss, ist es zur Entlastung der Wandung wesentlich vorteilhafter, insbesondere bei hohen Drücken eine hydraulisch arbeitende, radial wirkende Pressvorrichtung, wie sie in Fig. 4 in vereinfachter Weise im Querschnitt und in Fig. 5 in vereinfachter Weise in der Draufsicht dargestellt ist, zu verwenden.
Zunächst sei die linke Seite der Fig. 4 und 5 beschrieben. Bei 1 ist wieder die Wandung des eigentlichen Hochdruck-Körpers angedeutet, der mit seiner Aussenseite gegen die Drucküberträger 5 abgestützt ist. Im dargestellten Beispiel besteht der Drucküberträger 5 aus verschiedenen Teilen, die in der Zeichnung mit 10,11 und 12 bezeichnet sind. Die Teile bestehen entsprechend ihrer Druckbeanspruchung aus Werkstoffen mit verschieden hoher Festigkeit, z. B. Teil 10 aus Hartmetall, Teil 11 aus Werkzeugstahl und Teil 12 aus Baustahl. In den Zeichnungen sind acht Segmente als Drucküberträger gezeigt, es kann aber auch eine andere Anzahl vorgesehen werden.
Zur günstigeren Gestaltung der Druckspannungsverteilung und zur Verringerung der elastischen Kürzung in den Segmenten 5 in radialer Richtung, wird zweckmässigerweise die Stärke der Drucküberträger von der Hochdruckform zum äusseren Stützring hin stetig vergrössert, wie dies oben beschrieben wurde.
Bei 7 in Fig. 5 ist zu erkennen, dass die Breite der Schlitze zwischen den Segmenten 5 nach innen hin kleiner werden kann. Wie oben bereits geschildert, ist es auch möglich, dass sich die Segmentteile 10 in der Nähe des Hochdruck-Körpers 1 auf einer gewissen Strecke berühren, wie in Fig. 5 übertrieben bei 28 dargestellt. Dadurch kann in gewissen Anwendungsfällen der Hochdruck-Körper l entfallen.
Der Hochdruck-Körper 1 ist im rechten Teil der Fig. 4 in gleicher Länge wie die Segmentteile 10 dargestellt. In diesem Fall wird mit Stempeln gearbeitet (s. Fig. 1, Teil 2 und 3), die aus Stahl oder Hartmetall bestehen. Im linken Teil der Fig. 4 ist eine Hochdruckform dargestellt, die länger ist als die Segmentteile 10. Sie besteht aus einem verformbaren Werkstoff z. B. Stahl und wird von Stempeln, die wenigstens den gleichen Durchmesser haben wie die Hochdruckform 1 aussen, von beiden Seiten in den durch die Segmentteile10 gebildeten Hohlraum hineingedrückt. Das im Hohlraum des Hochdruck-Körpers 1 befindliche Pressgut wird dabei allseitig unter hohen Druck gesetzt, da sich die Hochdruckform 1 nicht nur in der Höhe verkleinert, sondern auch im Innendurchmesser.
Bei 12 ist ein geschlossener Ring mit verhältnismässig geringer Wandstärke zu erkennen, der gegen die Drucküberträger anliegt. Der Ring 13 besteht aus elastischem Werkstoff, etwa vergütetem Bau- oder Werkzeugstahl oder auch einem andern geeigneten Metall, etwa Bronze od. dgl. Es kommen aber auch Graphit oder relativ harte Kunststoffe in Frage. Gegen den äusseren Umfang des Ringes 13 ist eir. innen rinnenförmig ausgearbeiteter Ring 14 dichtschliessend angelegt. Durch rinnenförmige Ausarbeitung dieses Ringes,
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