DE102004024126A1 - Hydraulischer Antrieb - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist ein hydraulischer Antrieb für eine Stanz- oder Umformmaschine mit einem mehrere Druckräume aufweisenden Arbeitszylinder, dessen Kolben unmittelbar oder mittelbar auf ein zu bearbeitendes Werkstück wirkt, wobei zumindest ein Druckraum des Arbeitszylinders zum Ein- oder Ausfahren des Kolbens über ein stetig verstellbares Ventil mit einem Tankdruck oder einem Versorgungsdruck beaufschlagbar ist, und mit einer Ventilanordnung, die dem stetig verstellbaren Ventil vorgeschaltet ist und über die ein Eingangsanschluss E des stetig verstellbaren Ventils mit einem höheren oder niedrigeren Versorgungsdruck beaufschlagbar ist, wobei die Ventilanordnung ein Schaltventil hat, das in Abhängigkeit vom Lastdruck am Arbeitszylinder zwischen einer Grundstellung und einer Schaltstellung umschaltbar ist, um den Versorgungsdruck von einer Niederdruckquelle oder einer Hochdruckquelle abzugreifen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb für eine Stanz- oder Umformmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige hydraulische Antriebe für Stanz- oder Umformmaschinen, insbesondere schnell laufende Nibbelmaschinen, haben einen als Differentialzylinder ausgeführten Arbeitszylinder, über den ein Stanzwerkzeug betätigt wird. Ein Schaltschema einer bekannten, jedoch nicht in einer Druckschrift beschriebenen Lösung eines derartigen hydraulischen Antriebs ist in der 1 dargestellt.
  • Ein Arbeitszylinder 2 ist durch einen Kolben 4 in einen kolbenbodendseitigen Zylinderraum 6 und einen kolbenstangenseitigen Ringraum 8 unterteilt. Der Zylinderraum 6 wird über ein stetig verstellbares Ventil 10 mit Druckmittel versorgt. Ein Eingangsanschluss E des stetig verstellbaren Ventils 10 ist mit einer Ventilanordnung 12 verbunden. Die Ventilanordnung 12 hat ein entsperrbares Rückschlagventil 14 und ein dazu parallel geschaltetes entgegengesetzt sperrendes Rückschlagventil 16. Das entsperrbare Rückschlagventil 14 ist über einen vorbestimmten Lastdruck im Zylinderraum 6 entsperrbar. Es ist über eine Zulaufleitung 28 mit einem Hochdruckspeicher HD verbunden. Das Rückschlagventil 16 ist über eine Zulaufleitung 32 mit einem Niederdruckspeicher ND verbunden. Wie weiter 1 entnommen werden kann, ist der Ringraum 8 ständig mit dem Niederdruckspeicher ND verbunden.
  • Zum schnelles Ausfahren des Kolbens 4 befinden sich das stetig verstellbare Ventil 10 und die Ventilanordnung 12 in den dargestellten Grundpositionen. Der Zylinderraum 6 wird mit Niederdruck beaufschlagt, so dass der Kolben 4 aufgrund seiner Flächendifferenz schnell ausfährt. Beim Auftreffen des Kolbens 4 auf ein zu stanzenden Werkstück steigt der Druck in dem Zylinderraum 6 an. Dieser Lastdruck wird an das entsperrbare Rückschlagventil 14 gemeldet. Ab einem bestimmten Lastdruck wirkt dieser als Umschaltdruck und das Rückschlagventil 14 wird entsperrt. Folglich wird der Hochdruckspeicher HD zugeschaltet. Der Hochdruck wird zum Eingangsanschluss E und somit in den Zylinderraum 6 geleitet, so dass eine maximale Stanzkraft aufbringbar ist. Der Hochdruck liegt auch am Rückschlagventil 16 an, so dass dieses schließt und die Druckmittelverbindung zum Niederdruckspeicher ND abgesperrt ist. Nach dem Stanzen sinkt der Lastdruck in dem Zylinderraum 6 ab, wodurch das entsperrbare Rückschlagventil 14 wieder seine Grundposition einnimmt und der Niederdruckspeicher ND zugeschaltet wird.
  • Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist, dass das Rückschlagventil in der Niederdruckleitung erst mittels einer Zeitverzögerung von 2 ms bis 5 ms schließt, so dass das mit Hochdruck beaufschlagte Druckmittel über das Rückschlagventil zum Niederdruckspeicher abströmt. Bei Hubzeiten von etwa 10 ms bis 20 ms für das Ausfahren des Arbeitszylinders entsteht somit ein erheblicher Zeit- und Energieverlust.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, dass die Zuschaltung des Hochdruckspeichers und die Abschaltung des Niederdruckspeichers nicht ohne Lastdruck erzwungen werden kann. In manchen Betriebsarten, z.B. beim Prägen und Umformen in der Nähe des Umschaltdrucks, ist jedoch eine Versorgung des Arbeitszylinders mit einem permanent hohen Lastdruck erforderlich. Entsprechend eignet sich die dargestellte Antriebseinheit nicht uneingeschränkt zum Prägen und Umformen.
  • Eine weitere Antriebseinheit ist in der DE 37 20 266 C2 offenbart. Die Antriebseinheit hat einen Arbeitszylinder mit einem Kolben, der einen Ringraum von einem Zylinderraum trennt. Der Ringraum wirkt in Einfahrrichtung und der Zylinderraum wirkt in Ausfahrrichtung auf den Kolben. Über eine motorisch verstellbare Ventilanordnung mit zwei im mechanischen Wirkeingriff miteinander stehenden Steuerschiebern zweier Regelventile ist der Zylinderraum mit Hochdruck, Niederdruck oder mit einem Tankdruck beaufschlagbar. Der Ringraum ist ständig mit Niederdruck beaufschlagt.
  • Die Steuerschieber sind stirnseitig in Berührung miteinander und sind über eine Feder in ihre Grundpositionen vorgespannt. Zum Verschieben der Steuerschieber wird eine auf einen der Steuerschieber wirkende Nockenscheibe über einen Elektromotor derart angesteuert, dass je nach Drehung der Nockenscheibe die Steuerschieber aus ihren Grundpositionen in Regelpositionen überführt werden. Zum schnellen Ausfahren des Kolbens wird der Zylinderraum mit Niederdruck beaufschlagt. Aufgrund der Flächendifferenz des Kolbens fährt dieser aus, bis er auf ein zu bearbeitendes Werkstück auftrifft. Zum Aufbringen einer hohen Stanzkraft wird der Zylinderraum mit Hochdruck beaufschlagt. Zum schnellen Rückzug des Kolbens ist der Zylinderraum zum Tank druckentlastet, so dass aufgrund des im Ringraum wirkenden Niederdrucks der Kolben in seine Ausgangslage zurückbewegt wird.
  • An dieser Lösung ist nachteilig, dass die Ventilanordnung mit den zwei in Berührung miteinander stehenden Steuerschiebern und der motorischen Ansteuerung vorrichtungstechnisch aufwendig ausgeführt ist.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hydraulischen Antrieb für eine Stanz- oder Umformmaschine zu schaffen, bei dem beim Druckumschalten keine wesentlichen Zeit- und Energieverluste auftreten.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hydraulischen Antrieb für eine Stanz- oder Umformmaschine mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1.
  • Die erfindungsgemäße Antriebseinheit hat einen Arbeitszylinder, dessen Kolben unmittelbar oder mittelbar auf ein zu bearbeitendes Werkstück wirkt. Zumindest ein Druckraum des Arbeitszylinders ist zum Ein- und Ausfahren des Kolbens über ein stetig verstellbares Ventil mit einem Tankdruck oder einem Versorgungsdruck beaufschlagbar. Weiterhin ist eine Ventilanordnung vorgesehen, die, dem stetig verstellbaren Ventil vorgeschaltet ist, und über die ein Eingangsanschluss des stetig verstellbaren Ventils mit einem höheren oder niedrigeren Versorgungsdruck beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß hat die Ventilanordnung ein Schaltventil, das in Abhängigkeit vom Lastdruck am Arbeitszylinder zwischen einer Grundstellung und einer Schaltstellung umschaltbar ist, um den Versorgungsdruck von einer Niederdruckquelle oder einer Hochdruckquelle abzugreifen.
  • Durch die mechanische Verbindung der Steuerkanten des Schaltventils ist ein zeitlicher Verlust zwischen dem Zuschalten des Hochdrucks und dem Abschalten des Niederdrucks gegenüber der Lösung mit den getrennten Rückschlagventilen wesentlich reduziert. Somit kann unter Hochdruck stehendes Druckmittel nicht in den Niederdruckspeicher abströmen und es tritt kein Energieverlust auf. Folglich erfolgt der Druckaufbau an dem stetig verstellbaren Ventil schneller. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Ventilanordnung einfach und kostengünstig zu realisieren.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Arbeitszylinder einen Zylinderraum und einen Ringraum. Der Druck im Zylinderraum wirkt in Ausfahrrichtung, und der Druck im Ringraum wirkt in Einfahrrichtung auf den Kolben. Weiterhin wirkt der Druck im Zylinderraum auf eine große Steuerfläche des Schaltventils und bildet ab einem bestimmten Lastdruck den Umschaltdruck zum Umschalten des Schaltventil in seine Schaltstellung, wobei in Gegenrichtung der Druck im Ringraum auf eine kleine Steuerfläche des Schaltventils wirkt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Vorsteuerventil vorgesehen, über das die in Richtung der Grundstellung wirksame kleine Steuerfläche des Schaltventils entlastbar ist, so dass bei reduziertem Lastdruck im Zylinderraum das Schaltventil umgeschaltet und Hochdruck zum Zylinderraum geführt werden kann. Vorzugsweise ist das Vorsteuerventil elektrisch betätigt.
  • Grundsätzlich kann der Ringraum ständig mit Hochdruck beaufschlagt sein. Bevorzugterweise ist der Ringraum jedoch ständig mit der Niederdruckquelle verbunden, da die Ringfläche dann größer und als Anschlag höher belastbar ist.
  • Der Arbeitszylinder kann zwei oder drei Druckräume haben.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein Schaltschema einer bekannte Lösung eines hydraulischen Antriebs für eine Nibbelmaschine, und
  • 2 ein Schaltschema einer bevorzugten erfindungsgemäßen Lösung eines hydraulischen Antriebs für eine Nibbelmaschine.
  • 2 zeigt ein stark vereinfachtes Schaltschema eines Antriebs 1 einer schnell laufenden Nibbelmaschine. Bei derartigen Nibbelmaschinen erfolgt die Ausfahrbewegung innerhalb von 10 ms bis 20 ms.
    •
  • Die Nibbelmaschine hat einen Arbeitszylinder 2, der wie bei der eingangs beschriebenen bekannten Lösung einen Kolben 4 aufweist, der einen Zylinderraum 6 von einem Ringraum 8 abtrennt und mittelbar oder unmittelbar auf ein Stanzwerkzeug wirkt. Der Kolben 4 hat eine rückseitige Kolbenstange 18, die sich vom Kolbenboden weg erstreckt und den Arbeitszylinder 2 stirnseitig durchsetzt.
  • Der Zylinderraum 6 ist mit einem Arbeitsanschluss A eines stetig verstellbaren Ventils 10 verbunden, das in einer seiner Regelpositionen (b) eine Verbindung zwischen dem Zylinderraum 6 und einer mit einem Tank verbundene Tankleitung 20 aufsteuert. In der Tankleitung 20 sind ein Tankleitungsdämpfer 22 und ein Vorspannventil 24 angeordnet. Durch den Tankleitungsdämpfer 22 werden Druckschwankungen in der Tankleitung 20 unterdrückt und durch das Vorspannventil 24 wird die Tankleitung 20 auf einen zur Feder des Vorspannventils 22 äquivalenten Druck vorgespannt.
  • Ein Eingangsanschluss P des stetig verstellbaren Ventils 12 ist mit einem Arbeitsanschluss B eines Schaltventils 26 verbunden, der je nach Schaltstellung (1), (2) des Schaltventils 26 mit einem Druckanschluss P oder einem Druckanschluss P' des Schaltventils 2b verbunden ist. Der Druckanschluss P ist über eine Zulaufleitung 28 mit einem Hochdruckspeicher HD verbunden, und der Druckanschluss P' ist über eine Zweigleitung 30 und einen Abschnitt einer Zulaufleitung 32 mit einem Niederdruckspeicher ND verbunden. Die Zulaufleitung 32 verbindet den Niederdruckspeicher ND mit dem Ringraum B.
  • Der Druck im Ringraum 8 wird über eine Steuerleitung 34 und ein elektrisch betätigtes Vorsteuerventil 38 abgegriffen. In Grundposition (x) des Vorsteuerventils 38 wird der Druck zu einer in Richtung der Grundstellung {11 des Schaltventils 26 wirksamen kleinen Steuerfläche des Schaltventils 2b geführt. In einer Steuerposition (y) des Vorsteuerventils 38 ist die Verbindung zur kleinen Steuerfläche abgesperrt und eine Verbindung der kleinen Steuerfläche zum Tank T aufgesteuert.
  • Der Druck im Zylinderraum 6 wird über eine Steuerleitung 36 abgegriffen und zu einer in Richtung der Schaltstellung (2) wirksamen großen Steuerfläche des Schaltventils 26 geführt.
  • Zum Einleiten des Stanzvorgangs, d.h. zum schnellen Vorschub, befindet sich das Schaltventil 26 in seiner dargestellten Grundstellung (1). Das vorsteuerventil 34 befindet sich in seiner Grundposition (x) und der im Ringraum 8 wirksame Druck wird zur kleinen Steuerfläche des Schaltventils 26 geführt. Ebenso befindet sich das stetig verstellbare Ventil 10 in seiner dargestellten Grundposition (a). Somit wird der Zylinderraum 6 mit Niederdruck beaufschlagt. Der Ringraum 8 wird über die Zulaufleitung 32 ebenfalls mit Niederdruck versorgt, so dass der Kolben 4 aufgrund seiner Flächendifferenz ausfährt, wobei Druckmittel aus dem Ringraum 8 in den Niederdruckspeicher ND verdrängt wird.
  • Beim Auftreffen des Kolbens 4 auf ein zu stanzendes Werkstück steigt der Lastdruck im Zylinderraum 6 an. Beim Überschreiten eines bestimmten Lastdruckniveaus wirkt dieser als Umschaltdruck und das Schaltventil 26 wird gegen die Kraft einer Rückstellfeder und einer Kraft, die dem auf die kleine Steuerfläche wirkenden Druck entspricht, in seine Schaltstellung (2) gebracht, in der der Arbeitsanschluss B mit dem Druckanschluss P verbunden ist, so dass Hochdruck auf die Kolbenbodenfläche wirksam wird und somit die vom Arbeitszylinder 2 aufgebrachte Stanzkraft erhöht wird. Nach dem Stanzen sinkt der Lastdruck ab und das Schaltventil 26 schaltet wieder in seine Grundstellung (1), in der der Druckanschluss P abgesperrt und der Druckanschluss P' aufgesteuert ist, so dass an dem Arbeitsanschluss B wieder Niederdruck anliegt.
  • Zum Rückzug des Kolbens 4, d.h. zum schnellen Einfahren, wird das stetig verstellbare Ventil 10 in seine mit (b) gekennzeichneten Regelpositionen überführt, in der der Zylinderraum 6 mit dem Tank T verbunden ist. Aufgrund des im Ringraum 8 wirksamen Niederdrucks wird der Kolben 4 in seine Ausgangslage zurückgeschoben.
  • Zum Prägen kann als Option während des schnellen Vorschubs das Vorsteuerventil 38 in seine Steuerposition (y) gebracht werden, in der die Steuerleitung 34 abgesperrt und die kleine Steuerfläche des Schaltventils 26 zum Tank druckentlastet ist. Somit wirkt nur noch die Kraft der Rückstellfeder gegen den an der großen Steuerfläche anliegenden Lastdruck, so dass der notwendige Umschaltdruck entsprechend reduziert ist. Das Schaltventil 26 wird gegen die Kraft der Rückstellfeder aus seiner Grundstellung (1) in seine Schaltstellung (2) überführt, so dass der Druckanschluss P' abgesperrt und der Druckanschluss P aufgesteuert wird. Entsprechend wird der Zylinderraum 6 mit Hochdruck beaufschlagt, so dass bereits vor dem Aufbau des maximalen Lastdrucks die maximale Arbeitskraft zur Verfügung steht.
  • Die erfindungsgemäße Lösung mit einem dem stetig verstellbaren Ventil 10 vorgeschalteten Schaltventil 26 lässt sich auch bei anderen Zylinderkonstruktionen, bspw. mit drei Druckräumen, einsetzen.
  • Offenbart ist ein hydraulischer Antrieb für eine Stanz- oder Umformmaschine mit einem mehrere Druckräume aufweisenden Arbeitszylinder, dessen Kolben unmittelbar oder mittelbar auf ein zu bearbeitendes Werkstück wirkt, wobei zumindest ein Druckraum des Arbeitszylinders zum Ein- oder Ausfahren des Kolbens über ein stetig verstellbares Ventil mit einem Tankdruck oder einem Versorgungsdruck beaufschlagbar ist, und mit einer Ventilanordnung, die dem stetig verstellbaren Ventil vorgeschaltet ist und über die ein Eingangsanschluss des stetig verstellbaren Ventils mit einem höheren oder niedrigeren Versorgungsdruck beaufschlagbar ist, wobei die Ventilanordnung ein Schaltventil hat, das in Abhängigkeit vom Lastdruck am Arbeitszylinder zwischen einer Grundstellung und einer Schaltstellung umschaltbar ist, um den Versorgungsdruck von einer Niederdruckquelle oder einer Hochdruckquelle abzugreifen.
    • 1
    Antrieb
    2
    Arbeitszylinder
    4
    Kolben
    6
    Zylinderraum
    8
    Ringraum
    10
    stetig verstellbare Ventil
    12
    Ventilanordnung
    14
    entsperrbares Rückschlagventil
    16
    Rückschlagventil
    18
    Kolbenstange
    20
    Tankleitung
    22
    Tankleitungsdämpfer
    24
    Vorspannventil
    26
    Schaltventil
    28
    Zulaufleitung
    30
    Zweigleitung
    32
    Zulaufleitung
    34
    Steuerleitung
    36
    Steuerleitung
    38
    Vorsteuerventil

Claims (7)

  1. Hydraulischer Antrieb für eine Stanz- oder Umformmaschine mit einem mehrere Druckräume (6, 8) aufweisenden Arbeitszylinder (2), dessen Kolben (4) unmittelbar oder mittelbar auf ein zu bearbeitendes Werkstück wirkt, wobei zumindest ein Druckraum (6) des Arbeitszylinders (2) zum Ein- oder Ausfahren des Kolbens (4) über ein stetig verstellbares Ventil (10) mit einem Tankdruck oder einem Versorgungsdruck beaufschlagbar ist, und mit einer Ventilanordnung (26), die dem stetig verstellbaren Ventil (10) vorgeschaltet ist und über die ein Eingangsanschluss (E) des stetig verstellbaren Ventils (10) mit einem höheren oder niedrigeren Versorgungsdruck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (26) ein Schaltventil (26) hat, das in Abhängigkeit vom Lastdruck am Arbeitszylinder (2) zwischen einer Grundstellung (1) und einer Schaltstellung (2) umschaltbar ist, um den Versorgungsdruck von einer Niederdruckquelle (ND) oder einer Hochdruckquelle (HD) abzugreifen.
  2. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, wobei der Arbeitszylinder (2) einen in Einfahrrichtung wirkenden Ringraum (8) und einen in Ausfahrrichtung wirkenden Zylinderraum (6) hat, und wobei der im Zylinderraum (6) wirkende Lastdruck eine große Steuerfläche des Schaltventils (26) beaufschlagt.
  3. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 2, wobei die große Steuerfläche in Richtung einer Schaltstellung (2) des Schaltventils (26) wirksam ist, und wobei eine in Richtung der Grundstellung (1) des Schaltventils (26) wirksame kleine Steuerfläche des Schaltventils (26) über eine Steuerleitung (34) mit der Niederdruckquelle (32) verbunden ist.
  4. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 3, wobei in der Steuerleitung (34) ein Vorsteuerventil (38) angeordnet ist, über das die kleine Steuerfläche zum lastdruckabhängigen Umschalten mit Tankdruck beaufschlagbar ist.
  5. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 4, wobei das Vorsteuerventil (38) elektrisch betätigt ist.
  6. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ringraum (8) ständig mit der Niederdruckquelle (ND) verbunden ist.
  7. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitszylinder (2) mit zwei oder drei Druckräumen ausgeführt ist.
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