DE102004003301B3

DE102004003301B3 - Füllventil

Info

Publication number: DE102004003301B3
Application number: DE102004003301A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hermann
Original assignee: Mueller Weingarten AG
Current assignee: Mueller Weingarten AG
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-01-23

Abstract

Es wird ein Füllventil zur Versorgung eines Arbeitszylinders einer hydraulischen Presse vorgeschlagen, bei dem mit einem Minimum an Steuerungsaufwand das Öffnen und Schließen im Wesentlichen durch die sich einstellenden Druckverhältnisse erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Versorgung eines Arbeitszylinders einer hydraulischen Presse mit Hydraulikflüssigkeit.

Eine wesentliche Baueinheit in einer hydraulischen Presse ist der Zylinder für den Stößelantrieb. Dabei wird, um Umform- und Schneidprozesse auszuführen, das Öffnen und Schließen des Werkzeuges durch Umkehrung der Durchflussrichtung des Hydraulikmediums erreicht.

Im Kopfstück befestigte Arbeitszylinder dienen dabei zur Stößelverfahrung und Aufbringung der Presskraft. Die Wirkflächen aller Kolben ergeben nach Multiplikation mit dem hydraulischen Druck die Pressennennkraft. Bei großen Hüben sind entsprechend lange Verfahrwege der Arbeitskolben erforderlich, die mit hoher Geschwindigkeit zu durchfahren sind. Die dafür benötigten großen Volumenströme erfordern sehr große Pumpen, was im Regelfall sehr unwirtschaftlich ist. Verschiedene Möglichkeiten diese Volumenströme zu erreichen sind in dem Aufsatz „Füllventile – wichtige Bauteile für Pressenantriebe" aus O+P-Ölhydraulik und Pneumatik Vol. 28, 1984, Nr. 12 Seite 764 beschreiben.

Eine Variante ist der Eilvorlauf des Kolbens durch freien Fall. Dazu muss ausreichend Öl drucklos in den Zylinderraum nachgesaugt werden. Dieses erreicht man durch den Einsatz eines entsperrbaren Rückschlagventils, welches durch den vom Arbeitskolben erzeugten Unterdruck in Richtung der Arbeitskolbenbewegung selbsttätig öffnet. Dieses Rückschlagventil steht in Wirkverbindung mit einem im Kopfstückbereich angeordneten Ölbehälter.

Der Nachteil dieser Ausführung ist allerdings, dass der Durchflußquerschnitt der Ventile relativ gering ist, sodass die Menge des nachströmenden Hydrauliköls begrenzt ist und die Taktzeit der hydraulischen Presse wesentlich beeinflusst, d. h. verlängert. Eine Weiterentwicklung, die dieses Problem erkannt hat, ist in der DE 199 27 070 A1 offenbart. Der Ventilkolben öffnet dabei nach oben, entgegen der Einströmrichtung des Hydrauliköls. Charakteristisch für diese konstruktive Lösung ist, dass der Ventilkolben als Sperrelement nicht über die herrschenden Druckverhältnisse, sondern aktiv über zusätzliche Zylinder mit entsprechenden Regelkreisen gesteuert wird.

Der Vorteil dieser Lösung ist der große Durchflussquerschnitt, der zwischen Ventilsitz und Ventilkolben erreicht werden kann. Der Nachteil ist, dass zusätzlicher Steuerungsaufwand für die Betätigung des Ventils notwendig ist.

Aufgabe und Vorteil der Erfindung

Hier setzt die Erfindung ein und hat sich die Aufgabe gestellt die Vorteile der beiden bekannten Lösungen so zu nutzen, dass ein Füllventil mit großem Durchflussquerschnitt bei geringem Steuerungsaufwand erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Füllventil für den Arbeitszylinder einer hydraulischen Presse nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des Füllventils angegeben.

Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, ein Füllventil so auszubilden, dass mit einem Minimum an Steuerungsaufwand das Öffnen und Schließen im Wesentlichen durch die vorherrschenden Druckverhältnisse erfolgt.

Charakteristisch für das erfindungsgemäße Füllventil ist, dass durch das Öffnen ein großer freier Durchflussquerschnitt mit optimalen Strömungsverhältnissen entsteht. Das Verschlusselement des Füllventils öffnet dabei entgegen der Einströmrichtung des Hydraulikmediums und in gleicher Richtung wie das zurückströmende Hydraulikmedium. Vorteilhaft bei der gewählten Ausführung ist, dass das Verschlusselement nicht vom Hydraulikmedium umströmt wird, wie bei herkömmlichen Lösungen. Das Verschlusselement wird stattdessen nach oben aus dem Volumenstrom herausgefahren. Die wirksamen Querschnitte des Verschlusselementes sind so gewählt, dass die Druckunterschiede, verursacht durch die Bewegungen des Arbeitskolbens, ausreichen, das Füllventil selbsttätig zu öffnen.

Die grundlegende Idee ist, den Druck, der in der Kolbenkammer herrscht, auch auf den größeren Querschnitt der Oberseite des Verschlusselements wirken zu lassen. Dadurch bewegt sich das Verschlusselement in die gewünschte Richtung. Eine Möglichkeit diesen Druckausgleich zu erreichen ist, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, die Kolbenkammer mit der oberen Füllventilkammer über einen Kanal zu verbinden. In dem Kanal befindet sich ein Absperrventil, mit dem man diesen Druckausgleich zu- oder abschalten kann.

Das Füllventil ist so konstruiert, dass die Öffnungs- bzw. Schließvorgänge während eines Arbeitszyklus einer hydraulischen Presse sicher ausgeführt werden. Fährt der Stößel mit aufgespanntem Oberwerkzeug und Arbeitskolben durch sein Eigengewicht nach unten, so öffnet das Füllventil auf Grund des in der Kolbenkammer entstehenden Unterdrucks und durch den entstehenden Durchflussquerschnitt kann Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitszylinder nachströmen. Der entstehende Ringspalt zwischen dem Verschlusselement und dem Ventilsitz wirkt auf das einströmende Hydraulikmedium als Drossel. Dadurch entsteht in der Kolbenkammer ein geringerer Druck als in der Befüll-Leitung. Dieser Zustand ist dem Fachmann als Bernoulli-Effekt bekannt. Der Verbindungskanal wirkt dabei wie ein Saugrohr und hält dadurch das Verschlusselement in der geöffneten Stellung. Um diesen Effekt zu unterstützen, kann ein Ringraum am Steuerkolben des Verschlusselements mit Fluiddruck beaufschlagt werden. Beginnt nun für den Umformvorgang der Druckaufbau über eine separate Druckleitung so entsteht in der Kolbenkammer und in der oberen Ventilkammer ein Überdruck. Unterstützt durch seine Gewichtskraft bewegt sich das Verschlusselement in Richtung Ventilsitz und das Füllventil schließt. Auch das Schließen kann durch Aufbringen eines Fluiddrucks auf den Steuerkolben unterstützt werden. Die sich in geschlossener Stellung ergebenden Flächendifferenzen gewährleisten eine sichere Zuhaltung des Füllventils.

Nach dem Umform- bzw. Schneidvorgang bewegt sich der Arbeitskolben nach oben. Dadurch entsteht ein Überdruck in der Kolbenkammer, welcher durch den Verschluss des Verbindungskanals mittels Betätigung des Absperrventils nicht in die Ventilkammer weitergeleitet wird. Gleichzeitig wird durch Betätigung des Regelventils der diesem zugeordnete Verbindungskanal geöffnet. Dadurch kann die Hydraulikflüssigkeit aus der Ventilkammer entweichen. Durch den Überdruck wird das Verschlusselement nach oben gedrückt und die verdrängte Hydraulikflüssigkeit kann ausströmen.

Durch geeignete konstruktive Gestaltung können mit dem erfindungsgemäßen Füllventil weitere vorteilhafte Optionen realisiert werden. Beispielhaft kann das Verschlusselement und der damit verbundene Steuerkolben auch mit einem Gewichtsausgleich ausgerüstet werden. Dies kann entweder hydraulisch, durch Beaufschlagung eines Ringraumes am Steuerkolben mit Fluiddruck, oder auch in anderer geeigneter Weise, wie z. B. durch Federkraft erfolgen. Durch entsprechende Beaufschlagung des Ringraumes am Steuerkolben und Fluiddruck kann das Öffnen und das Schließen des Verschlusselementes sichergestellt werden.

Vorteilhaft an der Ausrüstung des Füllventils mit einem Gewichtsausgleich ist die hohe Dynamik des Verschlusselementes, d. h. dass Füllventil schließt und öffnet schneller.

Als weitere Option kann das erfindungsgemäße Füllventil mit einem Regelventil ausgerüstet werden, welches über einen Verbindungskanal mit der oberen Ventilkammer verbunden ist. Über einen Wegaufnehmer kann damit das Verschlusselement geregelt angehoben werden. Vorteilhaft ist diese Ausführung beim Betrieb mit Nitrodyne-Federn bestückten Werkzeugen, die durch die Öffnungskraft der Federn den Arbeitskolben nach oben drücken.

Weitere Einzelteile und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Die Figuren zeigen:

1 Füllventil in geschlossenem Zustand
2 Füllventil in geöffnetem Zustand
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Beispielhaft ist in 1 das erfindungsgemäße Füllventil 1 dargestellt. Erkennbar sind das Ventilgehäuse 8, der Antriebszylinder 2 und der Arbeitskolben 3.
An die Kolbenkammer 5 ist seitlich eine Druckleitung 14 angeschlossen. Die zwischen dem Verschlusselement 4 und dem Arbeitskolben 3 befindliche Kolbenkammer 5 ändert ihr Volumen in Abhängigkeit der Position des Arbeitskolbens 3. Die Befüllung der Kolbenkammer 5, bei einer Bewegung des Arbeitskolbens 3 in Richtung des Pfeils 7, erfolgt über eine Befüll-Leitung 6.
Die Kolbenkammer 5 ist über einen Verbindungskanal 9 mit einer Ventilkammer 10 verbunden. Der Verbindungskanal 9 kann mit dem Absperrventil 15 geschlossen werden. Bewegt sich der Arbeitskolben 3 in Richtung des Pfeils 7, so entsteht durch die Vergrößerung des Volumens ein Unterdruck in der Kolbenkammer 5. Dieser Unterdruck wirkt über den Verbindungskanals 9 ebenso in der Ventilkammer 10. Da die Oberfläche des Verschlusselements 4 in der Ventilkammer 10 größer ist als die in der Kolbenkammer 5, wird durch den Unterdruck das Verschlusselement 4 in Richtung des Pfeils 11 bewegt. Durch die dadurch freiwerdende Öffnung zwischen Ventilsitz 13 und Verschlusselement 4 strömt Hydraulikflüssigkeit aus der Befüll-Leitung 6 in Richtung des Pfeils 12 in den Arbeitszylinder 2 nach.
Nach Absenkung des Arbeitskolbens 3 und beginnendem Druckaufbau in der Kolbenkammer 5 erfolgt die Zuhaltung des Verschlusselements 4 durch seine Gewichtskraft und dadurch, dass über dem Verbindungskanal 9 die Ventilkammer 10 mit Druck beaufschlagt wird und somit das Verschlusselement 4 zugehalten wird. Das Absperrventil 15 ist hierzu geöffnet. Da die Fläche des Verschlusselements an der Oberseite 22 größer ist als an der Unterseite 23 erfolgt eine selbsttätige Zuhaltung. Beim Hochfahren des Arbeitskolbens 3 wird der Verbindungskanal 9 durch das Absperrventil 15 verschlossen, so dass das Verschlusselement 4 durch das verdrängte, ausströmende Öl geöffnet wird.
Um eine höhere Dynamik des selbst regelnden Füllventils zu erhalten, kann die oben beschriebene Ausführung optional durch einen Gewichtsausgleich des Verschlusselements und des Steuerkolbens erweitert werden. Im Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, dass das Gewicht von Verschlusselement 4 und Steuerkolben 16 durch den Fluiddruck im Ringraum 18 des Steuerkolbens 16 kompensiert wird. Der erforderliche Druck wird beispielhaft mittels Hydrospeicher 17 bereitgestellt. Beim Hochfahren des Arbeitskolbens 3 kann somit aufgrund der Gewichtskompensation das Verschlusselement 4 leicht durch die ausströmende Hydraulikflüssigkeit angehoben und geöffnet werden.
Eine weitere Option zur Erweiterung der oben beschriebenen Ausführung des selbst regelnden Füllventils ist ebenfalls in 1 dargestellt.
Beim Betrieb mit Nitrodyne-Federn bestückten Werkzeugen kann nach dem Umformvorgang die Kolbenkammer 5 nicht einfach dekomprimiert werden, da durch die Öffnungskraft der Nitrodyne-Federn der Arbeitskolben 3 nach oben geschoben wird. In diesem Fall wird das Absperrventil 15 geschlossen und das Verschlusselement 4 wird mittels Regelventil 19, das über Verbindungskanal 21 mit der Ventilkammer 10 verbunden ist, geregelt geöffnet.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst auch alle fachmännischen Ausgestaltungen im Rahmen des geltenden Anspruchs 1.

1: Füllventil
2: Arbeitszylinder
3: Arbeitskolben
4: Verschlusselement
5: Kolbenkammer
6: Befüll-Leitung
7: Pfeil
8: Ventilgehäuse
9: Verbindungskanal
10: Ventilkammer
11: Pfeil
12: Pfeil
13: Ventilsitz
14: Druckleitung
15: Absperrventil
16: Steuerkolben
17: Hydrospeicher
18: Ringraum
19: Regelventil
20: Wegaufnehmer
21: Verbindungskanal
22: Verschlusselement-Oberseite
23: Verschlusselement-Unterseite

Claims

Füllventil zur Versorgung mindestens einer Kammer eines Arbeitszylinders einer hydraulischen Presse mit Hydraulikflüssigkeit, wobei sich das Volumen entsprechend der Bewegung eines Arbeitskolbens im Arbeitszylinder ändert und das Verschlusselement des Füllventils bei der Befüllung des Arbeitszylinders entgegen der Einströmrichtung der Hydraulikflüssigkeit öffnet und bei der Verdrängung dieser aus dem Arbeitszylinder in gleicher Richtung wie die Ausströmrichtung öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen (11) des Verschlusselementes (4) des Füllventils (1) beim Befüllen der Kolbenkammer (5), und das Zuhalten (7) beim Druckaufbau in der Kolbenkammer (5) selbsttätig erfolgt.
Füllventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossener Ventilstellung die Verschlusselementoberfläche der dem Arbeitszylinder (2) abgewendeten Seite (22) größer ist, als die Oberfläche der dem Arbeitszylinder zugewendeten Seite (23).
Füllventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenkammer (5) mit der Ventilkammer (10) über einen Verbindungskanal (9) verbunden ist.
Füllventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht des Verschlusselements (4) durch einen Fluiddruck, der auf einen Ringraum (18) am Steuerkolben (16) des Verschlusselements (4) wirkt, kompensiert wird.
Füllventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht des Verschlusselements (4) durch eine Federkraft kompensiert wird.
Füllventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (4) durch Betätigung eines Regelventils (19) geregelt geöffnet und geschlossen werden kann.
Füllventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (9) durch ein Absperrventil (15) geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
Füllventil nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Verschlusselements (4) über einen Wegaufnehmer (20) abgefragt wird.