-
Die
Erfindung betrifft eine Presse mit einem Antrieb, der zumindest
zwei hydraulische Zylinder-Kolben-Einheiten umfasst, entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruches 1 und der
DE 102 15 003 A .
-
Diese
Druckschrift offenbart doppelt wirkende hydraulische Zylinder-Kolben-Einheiten
mit einem speziellen Verhältnis von deren Querschnittsflächen zueinander,
die aber nicht den Antrieb einer Presse bewerkstelligen, sondern
von einer Presse mit konventionellem Antrieb betätigt werden,
um die Werkstücke passend zu fixieren bzw. freizugeben.
Die geoffenbarten hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheiten können
nicht als aktiv tätiges Antriebssystem eingesetzt werden,
da zwar der Zwangsbewegung durch den Pressenantrieb eine bestimmte
Haltekraft entspricht, dies aber nicht umkehrbar ist.
-
Hydraulische
Pressen haben sich in vielen Bereichen der Technik gegenüber
mechanischen Pressen wegen ihrer besseren Regelbarkeit und damit
ihrer universellen Verwendbarkeit durchgesetzt. Für den
Pressvorgang ist dabei von Interesse, dass eigentlich nur ein geringer
Abschnitt der Bewegung der Presse den vollen, zur Verformung des
Werkstückes notwendigen Kraftaufwand benötigt,
während ein Großteil der Bewegung nur dem Zustellen
des Werkzeuges bzw. dem Öffnen der Presse dient. Da nun
der notwendige Kraftaufwand im Wesentlichen den Querschnitt des
Arbeitskolbens festlegt, ist einsichtig, dass für den größten
Teil der Bewegung eine viel zu große Menge an Öl
bewegt werden muss, was nicht nur hohe Energiekosten mit sich bringt,
sondern auch die Geschwindigkeit der Bewegung des Stempels (der
bewegliche Teil) gering hält. Um dem zu begegnen, wurden
verschiedentlich schon Hilfskolben mit deutlich kleinerem Querschnitt
oder spezielle mechanische Vorrichtungen zur Bewerkstelligung der Bewegungsabschnitte
vorgesehen, bei denen keine Umformkräfte auftreten, somit
im Wesentlichen nur die träge Masse bzw. die schwere Masse
bewegt und beschleunigt werden muss.
-
Nachteilig
bei den mechanischen Hilfssystemen ist, dass dadurch wieder ein
wenig flexibles Element in die Vorrichtung eingebaut wird.
-
Bei
der Verwendung hydraulischer Zustellsysteme, wie diese in der Folge
in der Beschreibung genannt werden sollen, tritt der Nachteil auf,
dass durch die relativ hohe Ölsäule, die im Vergleich
zum Stahl starke Kompressibilität des Öls eine
Rolle spielt. Hydrauliköl ist etwa 130-mal leichter kompressibel
als Stahl, es kommt daher insbesondere bei rasch ablaufenden Pressvorgängen
zu Schwingungen und Vibrationen im hydraulischen System, was sich
negativ auf die Qualität der hergestellten Werkstücke,
aber auch auf die Lebensdauer von Maschine und Werkzeug auswirkt.
-
Im
Stand der Technik ist es daher bekannt, nach dem Zustellhub eine
mechanische Verriegelung durchzuführen, entweder durch
verschiedene Klemmvorrichtungen oder durch Verriegelungssysteme,
somit entweder kraftschlüssig oder formschlüssig.
Dadurch wird während des Krafthubes die Ölsäule
nicht belastet sondern quasi „umgangen” sodass ihre
Kompressibilität keine Rolle spielt. Dies bedingt aber
die Verwendung von Verriegelungssystemen, die in der Lage sind,
den extremen Kräften stand zu halten und dabei noch ausreichend
genau zu arbeiten, die somit massiv und schwer sind, was eine zusätzliche
tote Last bedeutet. Dazu kommt, dass die Systeme bewegt und damit
gezielt angesteuert werden müssen, auch dies erfordert
seinen Aufwand.
-
-
Demgegenüber
ist es Aufgabe der Erfindung, einen hydraulischen Pressenantrieb
anzugeben, der bei einer kurzen Ölsäule im Krafthub
einen sehr steifen Hydraulikantrieb aufweist, ohne dass dabei die
Komplexität (Kosten), die Störanfälligkeit
oder die Flexibilität gegenüber den Anlagen entsprechend dem
Stand der Technik verschlechtert wird.
-
Zumindest
in Ausgestaltungen sollen ein günstiger Energieverbrauch
und/oder eine kontinuierliche Bewegung des Stempels über
den Gesamthub möglich sein.
-
Erfindungsgemäß werden
diese Ziele durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teils
des Anspruches 1 erreicht. Dies bedeutet, dass die Zylinder-Kolben-Einheit
zumindest einen doppeltwirkenden Lasthubzylinder und einen doppeltwirkenden Leerhubzylinder aufweist,
dass die wirksame Querschnittsfläche des Leerhubzylinders
kleiner ist als die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche
des Lasthubzylinders, und dass die den Zylindern zugeordneten Kolben
auf einer gemeinsamen Kolbenstange vorgesehen sind.
-
Anders
gesagt: Es sind zumindest zwei hydraulische Zylinder-Kolben-Einheiten
mit unterschiedlichem wirksamen Querschnitt in Serie vorgesehen,
eine mit kleinem wirksamen Querschnitt für den Leerhub
und zumindest eine mit größerem wirksamen Querschnitt
für den Krafthub, wobei die für den Leerhub zuständige
Zylinder-Kolben-Einheit im voll ausgefahrenen bzw. im voll eingefahrenen
Zustand vom Druckmedium mit so hohem Druck beaufschlagt wird, dass
die auf den Kolben wirkende Kraft größer ist,
als die größte während des Umformens auf
ihn in Gegenrichtung wirkende Kraft.
-
Durch
diese Maßnahme wird die für den Leerhub vorgesehene
Zylinder-Kolben-Einheit während des Krafthubes (auch Umformhub
oder auch Haupthub genannt) so stark mit Druck beaufschlagt, dass
der Kolben auch während des Krafthubs stets in direktem
Kontakt zu seinem Anschlag bleibt, wodurch die Elastizität
des Druckmediums keine Rolle spielt, die Verbindung zur Zylinder-Kolben-Einheit
für den Krafthub bleibt somit unelastisch. Da die Druckerhöhung
erst nach erfolgtem „Anschlag” durchgeführt
wird, ist sie von der Zylinder-Kolben-Einheit für den Leerhub
ohne Schaden zu ertragen. Das Ausmaß der Druckerhöhung
hängt vom Verhältnis der wirksamen Flächen
der beiden hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheiten ab und ist diesem
maximal umgekehrt proportional.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen:
-
die 1 eine
erfindungsgemäße Anordnung rein schematisch in
Seitenansicht und im Schnitt entlang der Linie A-A,
-
die 2 in
zwei Darstellungen die Kraftverhältnisse im Lastfall,
-
die 3 eine
Ausgestaltung,
-
die 4 eine
andere Ausgestaltung und
-
die 5 eine
Variante.
-
Aus 1 geht,
rein schematisch, eine erfindungsgemäße Anordnung
zweier hydraulischer Zylinder-Kolben-Einheiten, in Seitenansicht
und im Schnitt hervor. Im Wesentlichen weist diese Anordnung einen
doppelt wirkenden Krafthubzylinder 1 und einen doppelt
wirkenden Leerhubzylinder 2 auf. Die Kolben der beiden
Zylinder 1, 2 sind an einer gemeinsamen Kolbenstange 3 befestigt.
Die wirksame Kolbenfläche des Krafthubzylinders 1 ist
merklich größer als die wirksame Kolbenfläche
des Leerhubzylinders 2, um die oben genannten Vorteile
beim Betrieb der Presse zu erzielen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die beiden Zylinder 1, 2 jeweils mit schematisch
eingezeichneten Angriffspunkten 1' und 2' für die
wirkenden Kräfte versehen, wobei einerends das Pressengerüst,
andernends das bzw. ein bewegliches Werkzeug, üblicherweise
am Stempel, montiert ist.
-
In
der dargestellten Konfiguration ist der Leerhubzylinder 2 maximal
eingefahren, somit in Endlage und der Krafthubzylinder 1 in
einer Zwischenlage, somit aktiviert. Diese Konfiguration erhält man
bei Pressen mit parallelkinematischem Aufbau oder auch bei Pressen,
bei denen die Presskraft vom Stempel nicht nach oben übertragen
wird, sondern nach unten ins Fundament während des Krafthubes. Bei
derartigen Anordnungen erfolgt der Krafthub durch die Zugkräfte
in der Kolbenstange 3 und unter Verkürzung des
Abstandes zwischen den beiden Angriffspunkten 1', 2'.
Bei „üblichen” Pressen, bei denen die
hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheiten beim Krafthub unter Druck
stehen, kehren sich die geometrischen und damit hydraulischen Verhältnisse
einfach um, die Erfindung ist aber ebenso anwendbar.
-
Erfindungsgemäß ist
in diesem Arbeitspunkt, bei Annahme des gerade erfolgenden Krafthubes, der
Druck im Krafthubzylinder 1 beispielsweise 200 bar, sodass
die maximal auszuübende Kraft diese 200 bar, multipliziert
mit der wirksamen Kolbenfläche, sind und erfindungsgemäß ist
der Leerhubzylinder 2 mit einem Druck beaufschlagt der,
multipliziert mit der wirksamen Kolbenfläche des Leerhubzylinders,
zu einer Kraft führt, die größer ist
als die größtmögliche Kraft des Krafthubzylinders 1.
Wenn ein solcher Druck anliegt, kann während des Krafthubes
der Kolben im Leerhubzylinder 2 nicht von seinem Anschlag abheben,
die Elastizität des Druckmediums kommt nicht zum Tragen.
-
Hier
soll darauf hingewiesen werden, dass es unter Umständen
vorteilhaft ist, wenn der Kolben im Leerhubzylinder 2 knapp
vor dem Anschlag durch ein geringes Restvolumen von Druckmedium
gehalten wird, um mechanische Probleme beim Aufeinanderstoßen
von Metall auf Metall zu vermeiden. Dies bringt zwar wiederum die
Kompression des Druckmediums ins Spiel, doch ist die Höhe
der „Restsäule” so gering, dass der Effekt
in den meisten Fällen vernachlässigbar ist.
-
Am
Ende des Krafthubes liegt erreicht der Kolben im Krafthubzylinder
seine Endlage, die im allgemeinen noch Abstand vom Anschlag aufweist,
der Abstand zwischen den Angriffspunkten 1' und 2' hat sein
Minimum erreicht, der Arbeitshub ist beendet. Es wird nunmehr in
beiden Zylinder-Kolben-Einheiten das Druckmedium auf der anderen
Seite des Kolbens eingelassen und auf der bisherigen Zufuhrseite
abgelassen, sodass sich der Abstand zwischen den Angriffspunkten 1', 2' vergrößert.
Dies geschieht bevorzugt gleichzeitig in beiden Zylindern, wodurch
die Öffnungszeit der Presse minimiert wird.
-
Nach
erfolgtem Öffnen der Presse und dem Wechseln des Werkstückes
wird der Leerhubzylinder 2 unter Beaufschlagung mit dem
normalen Arbeitsdruck, im genannten Beispiel etwa 200 bar, wieder verkürzt,
bis er die in 1 dargestellte Lage hat. Dabei
weist aber der Krafthubzylinder 1 noch eine Konfiguration
auf, in der er voll ausgefahren ist.
-
Nunmehr
wird der Druck im Leerhubzylinder 2 erhöht und,
je nach Verlauf der zu erwartenden Umformkräfte, anschließend
oder in gewisser zeitlicher Überlappung auch der Krafthubzylinder 1 in
Kraftrichtung mit Druckmedium unter normalem Arbeitsdruck beaufschlagt,
bis er wieder die in 1 dargestellte Lager erreicht
und in der Folge, wie oben erläutert, weiter bis zur Beendigung
des Pressvorganges, der Zyklus ist geschlossen.
-
Die
Kraftverhältnisse sind in 2 für
den für die Erfindung wesentlichen Leerhubzylinder 2 und den
daneben gestellten Kolben 3 näher dargestellt. Solange
FD1 größer ist oder zumindest gleich groß ist
wie FW kommt es zu keinem Abheben des Kolbens und damit zu keinem
Effekt zufolge der Elastizität des Druckmediums. Bei Verwendung
eines kleinen Restvolumens kommt es nur zu geringen Effekten.
-
Die 3 zeigt
eine Ausgestaltung der Vorrichtung der 1 für
den Fall, in dem die Höhe des Krafthubs so groß ist,
dass die Elastizität seiner Ölsäule wegen
der großen Höhe problematisch wird. Es erfolgt
in diesem Fall erfindungsgemäß eine Unterteilung
in zwei Zylinder mit jeweils halber Hubhöhe, wobei zuerst
einer der beiden Krafthubzylinder ausgefahren (eingefahren) und
durch Anlegen eines Überdrucks fixiert wird und der andere
ausgefahren (eingefahren) wird und nach erfolgtem vollständigem Ausfahren
(Einfahren) dieser Zylinder durch Anlegen eines Überdrucks
festgelegt und der andere entsprechend bewegt wird. Da hier der
Unterschied der wirksamen Flächen der beiden Krafthubzylinder
im Allgemeinen Null sein wird, genügt schon das Aufbringen eines
geringen Überdrucks im jeweils still zu setzenden Zylinder,
um ein Abheben des Kolbens von seinem Anschlag zuverlässig
zu vermeiden. Es muss der Überdruck nur in der Lage sein,
Ungleichmäßigkeiten in der Belastung währen
des Lasthubes, die zu stoßartiger Beanspruchung führen
können, auszugleichen. Auch hier ist die Belastung eines
Restvolumens zur Vermeidung eines direkten Metall-Metall-Kontaktes
möglich. Die in der Figur eingetragenen Bezugszeichen entsprechen
denen der 1, wobei der Verdoppelung des
Krafthubzylinders durch Voranstellen eines „1” Rechnung
getragen wurde.
-
Die 4 zeigt
eine Variante der Vorrichtung der 1, bei der
durch einen äußeren Anschlag 4 auf der
Kolbenstange 3 die Endlage des Kolbens im Leerhubzylinder 2 bestimmt
wird, noch bevor dieser gemäß 1 den
Anschlag am Boden des Zylinders 2 erreicht hat. Es besteht
somit die direkte Verbindung an der Anschlagfläche 5,
diese legt den maximalen Einzug der Kolbenstange 3 in den
Kolben 2 und damit das Ende der Zustellbewegung und den Beginn
des Krafthubes fest.
-
In 4 ist
der äußere Anschlag 4 nach Art einer
Wellenmutter ausgebildet und im entsprechenden Abschnitt ist die
Kolbenstange 3 mit einem Außengewinde versehen,
das mit dem Innengewinde des äußeren Anschlages 4 zusammenwirkt.
Durch entsprechende Maßnahmen (Kontermutter, Splint, Selbsthemmung)
ist es möglich, die Lage des äußeren
Anschlags 4 an der Kolbenstange 3 in weiten Grenzen
festzulegen. Es kann somit die erfindungsgemäße
Vorrichtung für verschieden hohe Leerhübe leicht
und einfach adaptiert werden. Selbstverständlich kann die
Ausgestaltung der Verdoppelung des Krafthubzylinders entsprechend 3 mit
der Variante gemäß der 4 kombiniert
werden.
-
Eine
andere Ausgestaltung zeigt die 5, auch
hier wurden die Bezugszeichen wie oben erläutert gewählt.
Der Aufbau dieser Variante ist folgender: An einer gemeinsamen, durchgehenden
Kolbenstange 3 sind insgesamt vier Kolben und entsprechend vier
Zylinder angeordnet, nämlich:
Zwei geometrisch hintereinander
angeordnete, aber kraftmäßig parallel wirkende
Krafthubzylinder 1, 21 durch die eine große
Kraft bei schlanker Bauweise erzielt werden kann. Diese beiden Zylinder
sind anders geschaltet als die beiden Krafthubzylinder 1, 11 in 3,
sie wirken nämlich synchron, und, was den Hub betrifft,
parallel zu einander, sodass als elastisch wirkende Höhe
des Druckmediums die Höhen der beiden Zylinder nicht zu
addieren sind.
-
Der
Leerhubzylinder 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
extrem schlank ausgebildet und daher in der Lage, den Leerhub besonders
rasch auszuführen, da seine wirksame Kolbenfläche äußerst
klein ist und daher das für eine rasche Verschiebung notwendige
Volumen an Druckmedium ebenfalls entsprechend klein ist und beim üblichen Arbeitsdruck
sehr rasch zugeführt werden kann. Da dadurch ein sehr großes
Verhältnis zwischen der wirksamen Kolbenfläche
des Krafthubzylinders (entsprechend der Summe der beiden Krafthubzylinder 1, 21)
und der wirksamen Fläche des Leerhubzylinders 2 die
Folge ist, und ein entsprechend großer Überdruck
einerseits schwer zur Verfügung zu stellen ist, andererseits
eine äußerst massive Bauweise des Leerhubzylinders 2 notwendig
machte, ist als Fixierung der Kolbenstange 3 und zur Vermeidung
der Elastizität der Druckmittelsäule im Leerhubzylinder 2 folgende
Maßnahme getroffen:
Es ist zusätzlich ein
Feststellzylinder 12 vorgesehen, dessen wirksame Fläche
wesentlich größer ist als die des Leerhubzylinders 2.
Aus diesem Grund ist zur Fixierung der Kolbenstange 3 mit
Hilfe des Feststellzylinders 12 ein wesentlicher geringerer Überdruck
erforderlich, als würde der Leerhubzylinder 1 zur
Fixierung verwendet werden. Es ist möglich, die wirksame Fläche
dieses Zylinders so groß zu wählen, dass de facto
kein Überdruck notwendig ist und dies aus folgendem Grund:
Das
beidseits des Kolbens 6 des Feststellzylinders 12 befindliche Ölvolumen
kann über einen Bypass 7 zwischen den beiden Druckräumen
zu beiden Seiten des Kolbens verschoben werden, wobei die Leitungen
so große Querschnitte aufweisen können, dass praktisch
keine merklichen Verlustleistungen auftreten. Erst nach Erreichen
der Position, in der jeweils das Fixieren erfolgen soll, wird dieser
Bypass 7 durch entsprechende, nicht dargestellte Ventile
oder Schieber unterbrochen, und die Seite, auf der es gewünscht
ist, wird unter den entsprechenden Überdruck gesetzt. Wenn
nun die Wirkfläche des Fixierkolbens 6 ausreichend
größer ist als die gesamte Wirkfläche
des Krafthubzylinders 1, gegebenenfalls summiert mit der
wirksamen Fläche des zweiten Krafthubzylinders 21 etc.,
erfolgt eine ausreichende Fixierung des Fixierkolbens 6 und
damit der gesamten Kolbenstange 3 schon bei normalen Druck
des Druckmittels.
-
In
den Figuren wurde auf die Darstellung der Ventile, Schieber, Ablasshähne
und in 5 auch auf die der Zuleitung des Druckmittels
zum Feststellzylinder 12 mit erhöhtem Druck etc.
ebenso verzichtet, wie auf die Darstellung der Druckausgleichgefäße
für die Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung
des Druckmittels etc.
-
Es
soll explizit darauf hingewiesen werden, dass die Erläuterung
unter der Prämisse erfolgte, dass der Arbeitshub die Kolbenstange 3 auf
Zug beansprucht, der Arbeitshub somit eine Annäherung der
Angriffspunkt 1' und 2' aneinander mit sich bringt. Es
ist für den Fachmann auf dem Gebiete hydraulischer Zylinder-Kolben-Einheiten
unmittelbar ersichtlich, dass die dargestellten und beschriebenen
Anordnungen und die aus ihnen ableitbaren Anordnungen genauso funktionieren
wenn der Krafthub eine Elongation des Abstandes zwischen den Angriffspunkten 1' und 2' mit
sich bringen, es ist nur jeweils das unter Überdruck stehende
Druckmittel der jeweils anderen Seite der betrachteten Kolben zuzuführen.
-
Da
die erfindungsgemäß verwendeten Bauteile den auf
dem Gebiete hydraulischer Zylinder-Kolben-Einheiten üblichen
Bauteilen entsprechen ist es für den Fachmann auf diesem
technischen Gebiete bekannt, welche Materialien, welche Dichtungen, welche
Sicherheitsmaßnahmen er zu ergreifen hat, es ist daher
nicht notwendig an dieser Stelle darüber nähere
Ausführungen zu machen.
-
Es
soll auch darauf hingewiesen werden, dass die Beaufschlagung des
Leerhubzylinders 2 bzw. bei Trennung der Funktionen des
Feststellzylinders 12 mit Druckmittel mit erhöhtem
Druck, beispielsweise durch die Verwendung eines so genannten Druckübersetzers,
keine technischen oder kaufmännischen Probleme mit sich
bringt, da ja die Druckbeaufschla gung erst nach erfolgtem Erreichen der
Endlage stattfindet und somit nur so viel Volumen zur Verfügung
stellen muss, als es der Kompression des Druckmediums unter dem
erhöhtem Druck entspricht. Dass aus diesem Grunde auch
keine Probleme mechanischer Natur für die Zylinder-Kolben-Einheit
selbst bestehen, wurde schon weiter oben erläutert.
-
Die
Erfindung wurde anhand der Verwendung in einer Presse näher
erläutert, kann aber überall dort erfolgreich
und vorteilhaft eingesetzt werden, wo relativ lange Wege mit geringem
Kraftaufwand, gefolgt von relativ kurzen Wegen mit hohem Kraftaufwand
von einem Werkzeug oder dergleichen periodisch zurückgelegt
werden müssen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10215003
A [0001]
- - DE 102006015022 [0007]
- - DE 102004040512 [0007]
- - DE 3637545 [0007]
- - DE 3637544 [0007]
- - DE 20020007 [0007]
- - US 4304540 [0007]
- - EP 1256396 [0007]
- - DE 19814854 [0007]