DE10024499B4

DE10024499B4 - Gasdruckzylinder, insbesondere in der Art einer Stickstofffeder

Info

Publication number: DE10024499B4
Application number: DE2000124499
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof.Dr.-Ing. Siegert; Dirk Dipl.-Ing. Haller
Original assignee: Forschungsgesellschaft Umformtechnik mbH
Current assignee: Stromsholmen AB
Priority date: 2000-05-21
Filing date: 2000-05-21
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2020-05-22
Also published as: DE10024499A1

Abstract

Gasdruckzylinder, insbesondere in der Art einer Stickstofffeder (1), mit einem Zylinder (Z), der aus einem Boden (1a), einer Zylinderwandung (1b) und einem Deckel (1c) gebildet wird, sowie einem im Zylinder (Z) geführten Kolben (2), der den Innenraum des Zylinders (Z) in Richtung zum Boden (1a) in eine untere Kammer (3) und in Richtung zum Deckel (1c) in eine obere Kammer (4) unterteilt, sowie mit einer am Kolben (2) angeordneten und durch eine Bohrung im Deckel (1c) reichende Kolbenstange (9), wobei die Steuerung des Kraftverlaufes durch ein im Zylinder (Z) angeordnetes Steuerelement erfolgt, welches bei einer Vorhubbewegung des Kolbens (2), aus einer am Deckel (1c) befindlichen Position in Richtung zum Boden (1a), an einer definierten Wegposition eine Verbindung zwischen unterer Kammer (3) und oberer Kammer (4) herstellt und somit den Kraftverlauf verringert oder konstant hält, oder die Verbindung zwischen unterer Kammer (3) und oberer Kammer (4) unterbricht und somit den Kraftverlauf...

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasdruckzylinder, insbesondere in der Art einer Stickstofffeder nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Der Gasdruckzylinder findet vorzugsweise bei der Aufbringung der Niederhalterkraft in Umformwerkzeugen bei der Blechumformung Anwendung. Nach DE 195 21 525 C2 ist ein gattungsgemäßes Gasdruckzylindersystem bekannt, bei welchem ebenfalls durch Einsatz von Stickstoff-Federsystemen, die Niederhalterkraft erzeugt wird. Dazu wird ein steuer- bzw. regelbares Drosselventil in die Zeitung eingebaut, so daß der Druck in der oberen Druckkammer in Abhängigkeit von der Stößelgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit mit der die Kolbenstange abwärts bewegt wird, stufenlos eingestellt werden kann. Die Anordnung des steuer- bzw. regelbaren Drosselventils in der Verbindungsleitung zwischen oberer und unterer Druckkammer ermöglicht dabei eine gezielt degressive Federkennlinie. Bei Vorgabe einer Funktion:

Blechkanteneinlauf über dem Ziehweg;
und/oder: Reibungskraftverlauf über dem Ziehweg;
und/oder: Stempelkraftverlauf über dem Ziehweg;
und/oder: maximal zulässige Faltenhöhe des zwischen Niederhalter und Matrize geführten Blechs beim Tiefziehen über dem Ziehweg

soll es damit möglich sein, Regelkreise aufzubauen, die den Druck im oberen Zylindervolumen und damit die Federkraft bzw. die Niederhalterkraft beim Tiefziehen über dem Ziehweg (Stempelweg) regeln. Zur Realisierung dieser Lösung sind jedoch viele, teure Bauteile nötig. Ventile mit ausreichend großen Durchgangsöffnungen müssen, um hohe Schaltkräfte bei schnellen Schaltzeiten aufzubringen, große Magnete aufweisen und benötigen daher einen großen Einbauraum. Weiterhin ist die Ventilsteuerung durch die einzusetzende Elektrik und Elektronik störanfällig und es ist eine Stromversorgung notwendig. Weiterhin werden an den Bediener der Maschine durch die hohen Variationsmöglichkeiten erhöhte Anforderungen gestellt und es kann leicht aufgrund der Komplexität des Systems zu Fehlbedienungen kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine völlig autonom und unabhängig funktionierende Stickstofffeder mit steuerbar veränderbarem Kraftverlauf in Vorhubrichtung zu entwickeln, die eine geringe Bauhöhe aufweißt, keine externen Bauteile und somit keinen zusätzlichen Bauraum benötigt, zuverlässig arbeitet eine Fehlbedienung ausschließt, und einen schnelle Rückhubbewegung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.

Der Gasdruckzylinder, der insbesondere in der Art eines Stickstofffeder ausgebildet sein kann, besteht bekannter Weise aus einem Zylinder Z, der aus einem Boden, einer Zylinderwandung und einem Deckel gebildet wird, sowie einem im Zylinder geführten Kolben, der den Innenraum des Zylinders in Richtung zum Boden in eine untere Kammer und in Richtung zum Deckel in eine obere Kammer unterteilt, sowie mit einer am Kolben angeordneten und durch eine Bohrung im Deckel reichenden Kolbenstange, wobei die Steuerung des Kraftverlaufes durch ein im Zylinder angeordnetes Steuerelement erfolgt, welches bei einer Vorhubbewegung des Kolbens aus einer am Deckel befindlichen Position in Richtung zum Boden an wenigstens einer definierten Wegposition eine Verbindung zwischen unterer Kammer und oberer Kammer herstellt und somit den Kraftverlauf verringert oder konstant hält oder die Verbindung zwischen unterer Kammer und oberer Kammer unterbricht und somit den Kraftverlauf erhöht.

Das Steuerelement wird durch eine Steuerstange gebildet, die in eine im Kolben befindliche erste Bohrung eingreift. Der Kolben weist erfindungsgemäß eine von der ersten Bohrung zum oberen Druckraum reichende zweite Bohrung sowie eine vom unteren Druckraum zum oberen Druckraum reichende dritte Bohrung auf. In dem Bereich der ersten Bohrung zwischen deren Beginn in Richtung zum Boden und dem Beginn der zweiten Bohrung in der ersten Bohrung

– ist entweder zwischen der ersten Bohrung und der Steuerstange an wenigstens einer definierten Wegposition des Vorhubes ein Spalt vorhanden, der die Verbindung zwischen unterer Kammer und oberer Kammer über die zweite Bohrung herstellt,
– oder es sind die erste Bohrung und der Außendurchmesser der Steuerstange an wenigstens einer zweiten Wegposition zueinander gasdicht abgedichtet, wodurch die Verbindung zwischen unterer Kammer und oberer Kammer unterbrochen ist.

Die Lage, die Länge und die Anzahl der den Spalt freigebenden oder verschließenden Bereiche zwischen Steuerstange und erster Bohrung des Kolbens sind dabei entsprechend des zu realisierenden Kraftverlaufes festzulegen.

Die Steuerstange weist dabei wenigstens einen durchmesserverringerten Bereich und wenigstens einen durchmessererweiterten Bereich und die erste Bohrung im Kolben an ihrem zum Boden weisenden Bereich einen durchmesserverringerten Absatz auf, der vorzugsweise durch eine Buchse gebildet wird.

In der Kolbenstange ist in Richtung zum Kolben eine Längsbohrung vorgesehen, deren Durchmesser mit dem Durchmesser der ersten Bohrung des Kolbens korrespondiert. Bevorzugt sind die Längsbohrung und die erste Bohrung zueinander fluchtend angeordnet.

Die Steuerstange wird vorzugsweise durch eine Durchgangsöffnung des Bodens oder durch die Längsbohrung der Kolbenstange und die erste Bohrung des Kolbens in den Zylinder eingebracht.

In der dritten Bohrung des Kolbens ist ein bei Vorhubbewegung des Kolbens geschlossenes und bei Rückhubbewegung des Kolbens geöffnetes Rückschlagventil angeordnet.

In den Zylinder, z.B. durch den Boden, kann eine Druckzuleitung führen um das als Druckmittel dienende Gas (z.B. Stickstoff) einzuspeisen.

Mit der Erfindung wird eine konstruktiv einfache und kostengünstige Lösung zur Steuerung des Kaftverlaufes eines Gasdruckzylinder geschaffen. Die Schaltkraft des Ventils wird dabei von der Presse aufgebracht. Durch die zweite Bohrung des Kolbens kann bereits nach einer kurzen zurückgelegten Wegstrecke der Vorhubbewegung der Druckausgleich zwischen der oberen und unteren Kammer eingeleitet werden, wodurch die Bauhöhe der Stickstofffeder reduziert wird und extrem kurze Schaltzeiten realisiert werden können, die durch die Kraftaufbringung durch die Presse unterstützt werden. Hierdurch werden auch große Kolbendurchmesser mit extrem kurzen Schaltzeiten möglich. Vorteilhafter Weise wird kein zusätzlicher Bauraum außerhalb des Gasdruckzylinders benötigt. Bestehende konventionelle Federn sind leicht auszutauschen. Durch die rein mechanische Steuerung ist eine geringe Störanfälligkeit zu verzeichnen. Weiterhin ist keine unbeabsichtigte Änderung des Kraftverlaufs möglich. Durch einfaches Austauschen der Steuerstange mit anders angeordneten durchmesserverringerten oder erweiterten Bereichen kann eine Veränderung des Kraftverlaufes des Stickstoffzylinders erzielt werden. Durch das an der dritten Bohrung angeordnete Rückschlagventil kann einer schnelle Rückhubbewegung erfolgen, deren Kraft – Wegverlauf unabhängig von der Steuerstangengeometrie ist. Die durch das Rückschlagventil erzielte verkürzte Zeit des Rückhubs führt zu einer Taktzeitverkürzung des Gesamtprozesses die vor allem im Bereich der Großserienfertigung von entscheidender Bedeutung ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Stickstofffeder 1 mit Kolben 2 in Ausgangsposition bei beginnender Vorhubbewegung, mit in Richtung zum Kolben durchmesservergrößertem Bereich 6.1 und sich anschließenden durchmesserverringertem Bereich 6.2,
2: Stickstofffeder 1 gem. 1 während der Vorhubbewegung,
3: Stickstofffeder 1 gem. 1 während der Rückhubbewegung,
4: Prinzipdarstellung eines Ziehwerkzeuges mit mehreren Stickstofffedern
5: Kraft/Weg-Verlauf einer Stickstofffeder gem. 1 bis 3
1 bis 3 zeigt eine Stickstofffeder 1, mit einem Zylinder Z, der aus einem Boden 1a, einer Zylinderwandung 1b und einem Deckel 1c gebildet wird, sowie einem im Zylinder Z geführten Kolben 2, der den Innenraum des Zylinders Z in Richtung zum Boden 1a in eine untere Kammer K1 und in Richtung zum Deckel 1c in eine obere Kammer K2 unterteilt, sowie mit einer am Kolben 2 angeordneten und durch eine Bohrung B1 im Deckel 1c reichende Kolbenstange 9. Im Boden 1a ist eine Steuerstange 5 befestigt, die mit ihrem Ende in eine im Kolben 2 befindliche Buchse 7, die in der erste Bohrung 2.1 sitzt, gasdicht eingreift (1). Dazu ist in der Buchse eine erste Dichtung D1 vorgesehen und die Steuerstange 5 weist an ihrem freien Ende eine Durchmessererweiterung 6.2 auf. Anschließend an die Durchmessererweiterung 6.2 schließ sich in Richtung zum Boden 1a eine Durchmesserverringerung 6.1 der Steuerstange 5 an.
Im Kolben ist weiterhin eine von der ersten Bohrung 2.1 zum oberen Druckraum 4 schräg nach oben laufende zweite Bohrung 2.2 sowie eine vom unteren Druckraum 3 zum oberen Druckraum 4 reichende dritte Bohrung 2.3 eingebracht, wobei in der dritten Bohrung 2.3 ein Rückschlagventil 8 sitzt. Der Innendurchmesser der Buchse 7 ist dabei geringer als der Innendurchmesser der ersten Bohrung 2.1.
Die Kolbenstange 9 weist eine zur ersten Bohrung 2.1 des Kolbens 2 anschließende fluchtende Längsbohrung 9.1 auf.
Zur gasdichten Abdichtung des Systems ist zwischen Kolbenstange 9 und Deckel 1c eine zweite Dichtung D2 und zwischen Boden und Kolbenstange eine dritte Dichtung D3 vorgesehen. Der Kolben dichtet über eine vierte Dichtung D4 zur Innenwandung des Zylinders Z ab.
Durch den Boden 1a des Zylinders Z führt eine Druckzuleitung 11 in zur unteren Kammer 3.
Die Wirkungsweise ist folgende:
Durch eine Vorhubbewegung des Kolbens 2 gem. 1 in Pfeilrichtung wird in der unteren Kammer 3 das Gas komprimiert und in der oberen Kammer 4 entspannt und die Federkraft steigt an (s. auch 5). Da eine gasdichte Abdichtung zwischen durchmessererweiterndem Bereich 6.2 der Steuerstange und Buchse 7 erfolgt. Bei einer weiteren Vorhubbewegung gelangt nach einem definierten Weg der durchmesserverringerte Bereich 6.1 der Steuerstange 6 in den Bereich der Buchse 7, so das zwischen Buchse und durchmesserverringertem Bereich 6.1 ein Spalt S entsteht, der sich in dem Abstand zwischen durchmessererweitertem Bereich 6.2 und Innendurchmesser der ersten Bohrung 2.1 fortsetzt, so daß die zweite Bohrung 2.2 freigegeben wird und das Gas über diesen Weg in die obere Kammer 4 strömen kann (2). Es kommt dadurch zu einem Druckausgleich und die Federkraft bricht bis auf die geometrisch bedingte Mindestkraft (Flächenunterschied durch Kolbenstange) ein und bleibt bis zum Abschluß des Vorwärthubes konstant. Während dieses Vorgangs ist das Rückschlagventil 8 geschlossen. Bei einem kürzeren Bereich 6.2 wird der Schaltvorgang von der hohen Federkraft zur geringeren Federkraft eher ausgelöst, da der Druckausgleich zu einem früheren Zeitpunkt bzw. nach einem kleineren Weg stattfindet.
Beim Rückhub gem. 3 kann das Gas durch das Rückschlagventil 8 zurück in die untere Kammer 3 strömen.
Würde auf den durchmesserverringerten Bereich ein weiterer durchmessererweiterter Bereich folgen, kann der Kraftverlauf wieder ansteigen, wenn bei einer weiteren Vorhubbewegung dieser Bereich zur Buchse 7 gasdicht abdichtet.
Eine Veränderung der Schaltpunkte erfolgt somit in einfacher Art und Weise durch Änderung der Steuerstangengeometrie. Ein erneuter Kraftanstieg ist jederzeit möglich (punktierte Linie in 5).
Bei stark abfallenden Kraftverläufen kann, wie gezeigt, durch Wahl großer Durchgangsöffnungen eine fast vollständige Unabhängigkeit der Federkennlinie von der Pressengeschwindigkeit erzielt werden.
4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ziehwerkzeuges mit darin eingebauten, auf den Niederhalter mit einer Niederhalterkraft F_N wirkenden Stickstofffedern 1.
Dabei wird die Niederhalterkraft F_N so groß gewählt bzw. im Gesamtsystem eingestellt, daß einerseits unter dem Niederhalter 12 keine Falten (Falten 1. Art) im Blech 13 entstehen und daß andererseits das Blech 13 über die Reibungskräfte, die bei Annahme Coulombscher Reibung proportional den Niederhalterkräften F_N sind, mehr oder minder am Einfließen in die Werkzeugkavität (Raum zwischen Ziehstempel 14 und Werkzeugoberteil 15) gehindert wird. Die genannten Komponenten sind dabei zwischen Pressentisch 16 und Pressenstößel 17 angeordnet. Die Anzahl der einzusetzenden Stickstofffedern 1 richtet sich nach der zu erzeugenden Niederhalterkraft. Hierüber ergibt sich die Möglichkeit, den Blechumformprozeß zu steuern bzw. zu regeln. Einerseits muß die Niederhalterkraft F_N so groß sein, daß keine Falten 1. Art entstehen, andererseits darf sie nicht so groß sein, daß der Blecheinlauf in die Kavität so stark behindert wird, daß Reißer im Blechformteil zu Ausschuß führen. Zwischen diesen beiden Grenzen kann die Niederhalterkraft F_N so gesteuert bzw. geregelt werden, daß sich einwandfreie Blechformteile ergeben.
Eine anfänglich ansteigende Niederhalterkraft gem. 1 bis 3 verbessert die Eigenschaften im Bodenbereich des Werkstücks, da dort höhere Formänderungsgrade möglich sind. Weiterhin verringert sich bei höherer Beulfestigkeit die Rückfederung.
Erfolgt am Ende der Vorhubbewegung des Niederhalters ein Kraftanstieg wirken sich die vorgenannten Eigenschaften mehr auf die Zarge aus.
Der Kraftverlauf einer Stickstofffeder gem. 1 bis 3 ist im 5 dargestellt. Das Diagramm zeigt, daß beim Vorhub zuerst bei einem Weg A die Kraft ansteigt und bei einem weiteren Weg B die Kraft steil abfällt und schließlich konstant bleibt. Der Punkt des Weges S1 entspricht dabei dem Vorhub, bei welchem die zweite Bohrung 2.2 im Kolben 2 freigegeben wird.
Die gepunktete Linie stellt Kraftverlauf dar, der bei einem erneuten verschließen der zweiten Bohrung 2.2 eintreten würde.
Durch abwechselndes kurzes hintereinander Anordnen von durchmesserverringerten und durchmessererweiterten Bereichen kann auch eine pulsierende Niederhalterkraft erzeugt werden.

Claims

Gasdruckzylinder, insbesondere in der Art einer Stickstofffeder (1), mit einem Zylinder (Z), der aus einem Boden (1a), einer Zylinderwandung (1b) und einem Deckel (1c) gebildet wird, sowie einem im Zylinder (Z) geführten Kolben (2), der den Innenraum des Zylinders (Z) in Richtung zum Boden (1a) in eine untere Kammer (3) und in Richtung zum Deckel (1c) in eine obere Kammer (4) unterteilt, sowie mit einer am Kolben (2) angeordneten und durch eine Bohrung im Deckel (1c) reichende Kolbenstange (9), wobei die Steuerung des Kraftverlaufes durch ein im Zylinder (Z) angeordnetes Steuerelement erfolgt, welches bei einer Vorhubbewegung des Kolbens (2), aus einer am Deckel (1c) befindlichen Position in Richtung zum Boden (1a), an einer definierten Wegposition eine Verbindung zwischen unterer Kammer (3) und oberer Kammer (4) herstellt und somit den Kraftverlauf verringert oder konstant hält, oder die Verbindung zwischen unterer Kammer (3) und oberer Kammer (4) unterbricht und somit den Kraftverlauf erhöht, wobei das Steuerelement durch eine Steuerstange (5) gebildet wird, die in eine im Kolben (2) befindliche erste Bohrung (2.1) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine von der ersten Bohrung (2.1) zum oberen Druckraum (4) reichende zweite Bohrung (2.2) sowie eine vom unteren Druckraum (3) zum oberen Druckraum (4) reichende dritte Bohrung (2.3) aufweist, – und daß in dem Bereich der ersten Bohrung (2.1) zwischen deren Beginn in Richtung zum Boden und dem Beginn der zweiten Bohrung (2.2) in der ersten Bohrung (2.1) entweder – zwischen der ersten Bohrung (2.1) und der Steuerstange (5) an wenigstens einer definierten Wegposition des Vorhubes ein Spalt (S) vorhanden ist, der die Verbindung zwischen unterer Kammer (3) und oberer Kammer (4) über die zweite Bohrung (2.2) herstellt oder – die erste Bohrung (2.1) und der Außendurchmesser der Steuerstange (5) an wenigstens einer zweiten Wegposition zueinander gasdicht abgedichtet sind und somit die Verbindung zwischen unterer Kammer (3) und oberer Kammer (4) unterbrochen ist.
Gasdruckzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lage, Länge und Anzahl der den Spalt (S) freigebenden oder verschließenden Bereiche zwischen Steuerstange (5) und erster Bohrung (2.1) des Kolbens (2) entsprechend des zu realisierenden Kraftverlaufes festgelegt werden.
Gasdruckzylinder nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange (5) wenigstens einen durchmesserverringerten Bereich (6.1) und wenigstens einen durchmessererweiternden Bereich (6.2) aufweist,
Gasdruckzylinder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Bohrung (2.1) im Kolben (2) an ihrem zum Boden weisenden Bereich einen durchmesserverringerten Absatz aufweist.
Gasdruckzylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absatz durch eine Buchse (7) gebildet wird.
Gasdruckzylinder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9) in Richtung zum Kolben (2) eine Längsbohrung (9.1) aufweist.
Gasdruckzylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Längsbohrung (9.1) der Kolbenstange (9) mit dem Durchmesser der ersten Bohrung (2.1) des Kolbens (2) korrespondiert.
Gasdruckzylinder nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsbohrung (9.1) und die Bohrung (2.1) zueinander fluchtend angeordnet sind.
Gasdruckzylinder einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange (5) durch eine Durchgangsöffnung (10) des Bodens (1.a) in den Zylinder (Z) eingebracht wird.
Gasdruckzylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange (5) durch die Längsbohrung (9.1) der Kolbenstange (9) und die erste Bohrung (2.1) des Kolbens (2) in den Zylinder (Z) eingebracht wird.
Gasdruckzylinder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Bohrung (2.3) des Kolbens (2) ein bei Vorhubbewegung des Kolbens (2) geschlossenes und bei Rückhubbewegung des Kolbens (2) geöffnetes Rückschlagventil (8) angeordnet ist.
Gasdruckzylinder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zylinder (Z) eine Druckzuleitung (11) führt.
Gasdruckzylinder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange (5) viele kurze hintereinander angeordnete und sich abwechselnde durchmesserverringerte Bereiche (6.1) und durchmesservergrößerte Bereiche (6.2) aufweist.