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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuervorrichtung, insbesondere zum Betrieb eines Ziehkissens einer Ziehpresse, mit einem Arbeitszylinder, der ein Gehäuse aufweist, in dem längsverfahrbar eine Kolben-Stangen-Einheit geführt ist, die mehrere Arbeitskammern voneinander separiert, von denen eine erste an einen Versorgungskreis, von denen eine zweite über ein Bypassventil an eine dritte und von denen die dritte an einen weiteren Versorgungskreis anschließbar ist.
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Durch
DE 10 2013 007 148 A1 ist ein hydraulischer Ziehkissenantrieb für eine Presseinrichtung bekannt, mit einem Mehrflächenzylinder und einem darin axial verschiebbar angeordneten Mehrflächenkolben, wobei der Mehrflächenkolben eine Eilgangdruckfläche, eine dieser entgegen wirkende Rückeilgangdruckfläche, eine Gegenhaltedruckfläche und eine dieser entgegenwirkende Arbeitsdruckfläche aufweist, und wobei in dem Mehrflächenzylinder ein von der Eilgangdruckfläche begrenzter und dem Eilgangdruckraum entgegen wirkender Rückteilgangdruckraum, ein von der Gegenhaltedruckfläche begrenzter Gegenhaltedruckraum und ein von der Arbeitsdruckfläche begrenzter und dem Gegenhaltedruckraum entgegen wirkender Arbeitsdruckraum ausgebildet sind.
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Durch
US 7 197 910 B2 ist eine Ziehkissenanordnung für eine Presseneinrichtung bekannt, wobei das Ziehkissen unter Einwirkung einer Druckkraft auf- und abbewegbar ist. Für die dahingehende Bewegung dient ein erster Hydraulikzylinder, der mit einem zweiten Hydraulikzylinder einer Druckerhöhungseinrichtung derart zusammenwirkt, dass etwaig im Betrieb des Ziehkissens auftretende Druckstöße im hydraulischen System reduziert sind.
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Bekanntlich ist ein Ziehkissen eine Einrichtung in einer hydraulischen oder mechanischen Presse, die das Blech während des Ziehvorgangs festhält und somit die Umformung ermöglicht. Für die vom Ziehkissen während des Umformvorgangs auszuführenden Funktionen sind bekannte Ziehkissen mittels Arbeitszylindern, die durch eine zugehörige hydraulische Steuervorrichtung betätigbar sind, relativ zum Pressenstößel einer betreffenden Ziehpressanlage einstellbar und gegen die vom Pressenstößel beim Ziehvorgang erzeugte Umformkraft abgestützt. Diesbezüglich offenbart das Dokument
EP 2 384 834 B1 ein Ziehkissen mit einer hydraulischen Steuervorrichtung der eingangs genannten Gattung.
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Bei in der industriellen Fertigung eingesetzten Ziehpressen ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Stößel dem Ziehkissen annähert, sehr hoch, teilweise bis zu 700 mm/s. Während bei einer Presse mit hydraulisch betätigtem Stößel dieser vor dem Auftreffen auf das untere Werkzeug abgebremst werden kann, ist dies bei einer mechanisch betätigten Presse nicht möglich, weil die Geschwindigkeit durch die Antriebskinematik bestimmt ist. Um eine Zerstörung des Werkzeugs zu verhindern, besteht eine erste Funktion der hydraulischen Steuervorrichtung darin, den Arbeitszylinder derart anzusteuern, dass kurz vor dem Auftreffen des Stößels das Ziehkissen nach unten vorbeschleunigt wird. Ein üblicher Wert für die Vorbeschleunigung sind ca. 90 % der Stößelgeschwindigkeit. Die relative Auftreffgeschwindigkeit zwischen Stößel und Werkzeug beträgt somit nur ca. 10 %.
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Für den Ziehvorgang nach Auftreffen des Stößels auf das Ziehkissen besteht die weitere Funktion der Steuervorrichtung darin, den Arbeitszylinder so anzusteuern, dass er bei der weiteren Bewegung des Stößels zum unteren Totpunkt hin das Ziehkissen so abstützt, dass sich die für den Ziehvorgang erforderliche Umformkraft einstellt. Nach Erreichen des unteren Totpunkts besteht die weitere Funktion der Steuervorrichtung darin, den betreffenden Arbeitszylinder so anzusteuern, dass nach Erreichen des unteren Totpunkts und abgeschlossenem Ziehvorgang durch Ausfahren des Arbeitszylinders das Werkstück nach oben ausgestoßen wird.
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Konventionelle hydraulische Steuervorrichtungen für Ziehkissen sehen für die vorgenannten Steuerfunktionen einen Hochdruck-Versorgungskreis vor. Ein wesentlicher Nachteil ist der hohe Energieverbrauch, der durch die reine Hochdruck-Ansteuerung bedingt ist. Unter anderem tragen hierzu hohe thermische Verluste bei der Rückzugfunktion bei, die mit maximalem Pumpendruck gefahren wird, obwohl die benötigte Auswerferkraft nur ca. 20 % der maximalen Kraft beträgt. Die aus dem oben genannten Dokument bekannte Steuervorrichtung der eingangs genannten Gattung weist gegenüber dem konventionellen Hochdrucksystem den Vorteil des wesentlich geringeren Energiebedarfs auf. Dadurch, dass bei dieser Lösung die Steuervorrichtung zwei Versorgungskreise aufweist, besteht die Möglichkeit, je nach Steuerfunktion auf Hochdruckversorgung oder Niederdruckversorgung umzuschalten. Während lediglich die Vorbeschleunigung mit Versorgung aus dem Hochdruckkreis erfolgt, können die Funktionen bei Ziehvorgang und bei Rückzug über Versorgung aus dem Niederdruckkreis erfolgen, so dass im Vergleich mit dem Hochdrucksystem ein verlustarmer Betrieb möglich ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine hydraulische Steuervorrichtung der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, die bei Beibehalten der im Stand der Technik erreichten Vorteile einen besonders wirtschaftlichen Betrieb eines Ziehkissens ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine hydraulische Steuervorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass das Bypassventil derart an eine Endlosschleife angeschlossen ist, dass zumindest bei einer Verbindung von der dritten mit der zweiten Arbeitskammer im Bypassbetrieb ein Teil des diesbezüglichen Fluidstroms in die Endlosschleife geschickt und an das Bypassventil rückgeführt ist. Die Aufteilung des zwischen den Arbeitskammern zu verschiebenden Volumenstroms in die Endlosschleife durchlaufende Teilströme ermöglicht eine Verkleinerung der Leitungsquerschnitte dieser Fluidverbindungen ohne eine Inkaufnahme von Drosselverlusten oder Wärmeverlusten, so dass die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit geringem Energiebedarf betreibbar ist.
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Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist die Endlosschleife zwei Schleifenteile auf, die derart mittels des Bypassventils hintereinander verschaltbar sind, dass eine Primärschleife als dem einen Schleifenteil eine Sekundärschleife als dem zweiten Schleifenteil mit Fluid speist. Die Schleifenteile sind dadurch auf kurzem Leitungsweg kostengünstig miteinander verschaltbar.
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Die Anordnung kann mit Vorteil so getroffen sein, dass die Primärschleife an eine Fluidverbindung, die zu der dritten Arbeitskammer führt, und die Sekundärschleife an eine Fluidverbindung, die zu der zweiten Arbeitskammer führt, angeschlossen sind. Für die Verbindung der Endlosschleife mit den Arbeitskammern lassen sich dadurch kurze Leitungswege realisieren.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen verbindet das Bypassventil in seiner die dritte mit der zweiten Arbeitskammer verbindenden Öffnungsstellung die Schleifenteile in der Art einer Kreuzschaltung miteinander, während es ansonsten in einer Sperrstellung diese Verbindung unterbricht. Die Kreuzschaltung hat den besonderen Vorteil, dass aufgrund der Aufteilung des zwischen den Arbeitsräumen zu verschiebenden Volumenstroms in den Schleifenteilen fließende Teilströme das Bypassventil doppelt, das heißt gleichzeitig von beiden Teilströmen, durchströmt ist. Die Öffnungsquerschnitte zwischen zwei Paaren von Anschlüssen, die im Bypassventil von einem aufgeteilten Teilstrom gleichzeitig durchströmt sind, brauchen daher lediglich für einen Teil des Volumenstroms ausgelegt zu sein. Das Bypassventil kann dadurch im Verhältnis zum Gesamt-Volumenstrom deutlich kleiner ausgelegt werden, beispielsweise in halber Nenngröße ausgeführt sein.
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Die Schleifenteile können aus einzelnen Fluidleitungen gebildet sein, von denen die Primärschleife eine größere Volumenmenge aufnehmen kann als die Sekundärschleife. Die Leitungslänge ist dadurch mit Vorteil in Anpassung an die baulichen Gegebenheiten wählbar.
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Mit Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass im Bypassbetrieb die Hälfte oder im Wesentlichen die Hälfte des Fluidvolumens zwischen der zweiten und der dritten Arbeitskammer von der Endlosschleife aufnehmbar ist und dass vorzugsweise die zweite und die dritte Arbeitskammer gleich groß sind. Bei dieser Auslegung wird kein zusätzliches Volumen aus Speichern oder Pumpen benötigt, was zu einem geringen Bedarf an Primärenergie führt.
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Das Bypassventil ist mit Vorteil durch ein elektro-magnetisch, vorzugsweise schnellschaltendes, steuerbares Proportionalventil gebildet, insbesondere in Form eines 4/2-Wege-Proportionalventils. Der Einsatz eines schnellschaltenden Ventils ermöglicht den sicheren Betrieb der zugehörigen Ziehpresse bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten und kurzen Taktzeiten.
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In vorteilhafter Ausführungsform weist das Bypassventil vier Anschlüsse auf, von denen ein Pumpen- und ein Tankanschluss an ein Regelventil einer zweiten Versorgungseinheit und zwei Nutzanschlüsse an die Primärschleife bzw. die Sekundärschleife nebst der Fluidverbindung zur zweiten Arbeitskammer angeschlossen sind. Auf einfache Weise ist dadurch die Kreuzschaltung für die Doppeldurchströmung des Bypassventils realisierbar.
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Mit Vorteil kann die Kolbenfläche der Kolben-Stangen-Einheit des Arbeitszylinders, die die erste Arbeitskammer begrenzt, größer sein als die Ringfläche, die die zweite Arbeitskammer begrenzt, die wiederum gleich ist zu der Stangenfläche im Inneren der Kolben-Stangen-Einheit, die die dritte Arbeitskammer begrenzt. Die vergrößerte Kolbenfläche der ersten Arbeitskammer stellt die notwendigen großen Blechhaltekräfte zur Verfügung und ermöglicht die vorteilhafte Durchführung des Ziehvorgangs im Niederdruck-Betrieb der Schaltung.
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Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer Steuervorrichtung zum Betrieb eines Ziehkissens einer Ziehpresse, wobei die Verwendung die im Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale aufweist.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 in Symboldarstellung die hydraulische Schaltung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, wobei sich die Komponenten in der Schaltstellung für die Funktion „Vorbeschleunigung“ befinden;
- 2 und 3 der 1 entsprechende Darstellungen, wobei sich die Komponenten in der Schaltstellung für die Funktion „Ziehvorgang“ bzw. „Rückzug“ befinden.
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In den Figuren sind von einer Ziehpresse, deren Stößel mechanisch angetrieben ist, in schematisch vereinfachter Darstellung lediglich Teile eines als Ganzes mit 2 bezeichneten Ziehkissens dargestellt. Dieses weist als Träger für eine untere Werkzeughälfte (nicht dargestellt), die für einen Ziehvorgang mit einer oberen Werkzeughälfte (ebenfalls nicht dargestellt) zusammenwirkt, einen Pressentisch 4 auf, der mittels eines oder mehrerer Arbeitszylinder 6 abgestützt ist. Der jeweilige Arbeitszylinder 6 weist in einem Zylindergehäuse 8 eine längsverfahrbare Kolben-Stangen-Einheit 10 auf. Diese separiert im Gehäuse 8 drei Arbeitskammern voneinander, von denen die erste mit 12, die zweite mit 14 und die dritte mit 16 bezeichnet sind. Die erste Arbeitskammer 12 ist über eine Niederdruckleitung 18 mit einem Niederdruck-Versorgungskreis 20, die zweite Arbeitskammer 14 ist über eine Bypassleitung 22 mit einem Bypassventil 25 und die dritte Arbeitskammer 16 ist über eine Hochdruckleitung 24 mit einem Hochdruck-Versorgungskreis 26 verbindbar. Der Niederdruck-Versorgungskreis 20 weist eine Niederdruckpumpe 28 auf, die aus einem Fluid-Vorratstank 30 ansaugt und an der Druckseite über ein Rückschlagventil 32 mit einem Niederdruckspeicher 34 verbunden ist. Der Hochdruck-Versorgungskreis 26 weist eine Hochdruckpumpe 36 auf, deren Druckseite über ein Rückschlagventil 38 mit einem Hochdruckspeicher 40 verbunden ist. Die Hochdruckpumpe 36 saugt ebenfalls aus dem Tank 30 an. Die wirksamen Kolbenflächen, die die an die Leitungen 18, 22 und 24 angeschlossenen Arbeitsräume 12 bzw. 14 bzw. 16 begrenzen, sind derart gewählt, dass die die erste Arbeitskammer 12 begrenzende Kolbenfläche größer ist als die Ringfläche, die die zweite Arbeitskammer 14 begrenzt, und dass die Ringfläche wiederum gleich ist zu der Stangenfläche, die die dritte Arbeitskammer 16 im Inneren der Kolben-Stangen-Einheit 10 begrenzt.
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In die von der dritten Arbeitskammer 16 zum Hochdruck-Versorgungskreis 26 führende Hochdruckleitung 24 sind, vom Arbeitszylinder 6 ausgehend, zwei Sicherheitsventile 42 und 44, die miteinander in Reihe geschaltet sind, sowie ein Regelventil 46 angeordnet. Die Sicherheitsventile 42 und 44 sind durch elektromagnetisch betätigbare 2/2-Wege-Ventile gebildet. Das Regelventil 46 ist ein zweistufig elektrohydraulisch betätigbares 4/3-Proportional-Wegeventil, das federzentriert ist. Das Regelventil 46 weist zwei Nutzanschlüsse A und B, einen Druckanschluss P und einen Tankanschluss T auf. Von diesen ist der Nutzanschluss A mit dem zum Sicherheitsventil 44 führenden Leitungszweig der Druckleitung 24 verbunden, während der Nutzanschluss B über eine Zweigleitung 48 mit der Bypassleitung 22 in Verbindung ist. Der Druckanschluss P ist mit dem Hochdruckspeicher 40 und über das Rückschlagventil 38 mit der Druckseite der Hochdruckpumpe 36 in Verbindung. Der Tankanschluss T ist über eine Verbindungsleitung 50 mit einer zum Tank 30 führenden Tankleitung 52 verbunden. Der Niederdruck-Versorgungskreis 20 ist mit der Niederdruckleitung 18, die an der ersten Arbeitskammer 12 des Arbeitszylinders 6 angeschlossen ist, über ein Niederdruckventil 54 verbindbar, das in einem Leitungszweig 56 zwischen dem Niederdruckspeicher 34 und dem Rückschlagventil 32 an der Druckseite der Niederdruckpumpe 28 eingesetzt ist. Über eine Zweigleitung 64 und ein weiteres Wegeventil 66 ist die Niederdruckleitung 18 auch mit der Tankleitung 52 verbindbar. Dieses Regelventil 66 ist ein elektronisch betätigbares 2/2-Proportional-Wegeventil.
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Vervollständigt wird die Schaltung durch eine dem Bypassventil 25 zugeordnete Endlosschleife 58, die aus Leitungs-Schleifenteilen gebildet ist, von denen die einen als Primärschleife 60 und die anderen als Sekundärschleife 62 bezeichnet sind. Die Primärschleife 60 ist an einem Eingangsknoten 68 über einen Leitungszweig 74 mit der Druckleitung 24 in Verbindung und ist mit den vom Eingangsknoten 68 ausgehenden Leitungsabschnitten 70 und 72 mit dem Nutzanschluss B bzw. dem Druckanschluss P des Bypassventils 25 in Verbindung. Die Sekundärschleife 62 ist an ihrem Ausgangsknoten 76 über einen Leitungszweig 82 mit der Bypassleitung 22 und über an den Knoten 76 anschließende Leitungsabschnitte 78 und 80 mit dem Nutzanschluss B bzw. dem Tankanschluss T des Bypassventils 25 in Verbindung.
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Die 1 zeigt die Komponenten in der Schaltstellung für die Funktion „Vorbeschleunigung“. Die bei diesem Betriebszustand aktiven Leitungsteile sind in 1 mit dickerer Strichstärke kenntlich gemacht. Wie dargestellt, wird die Vorbeschleunigung aus dem Hochdruckkreis 26 gefahren. Hierzu ist das Regelventil 46 in der den Druckanschluss P mit dem Nutzanschluss B verbindenden Stellung, so dass über die Verbindungsleitung 48 und die Bypassleitung 22 der Druck des Hochdruckspeichers 40 und der Hochdruckpumpe 36 in der zweiten Arbeitskammer 14 ansteht. Die Sicherheitsventile 42, 44 werden geöffnet und das Regelventil 66 in die Durchlassstellung geschaltet. Die Kolben-Stangen-Einheit 10 wird dadurch nach unten beschleunigt, wobei das aus der dritten Arbeitskammer 16 abströmende Öl über die Anschlüsse A und T des Regelventils 46 und über die Verbindungsleitung 50 und die Tankleitung 52 zum Tank strömt und das Öl aus der großen ersten Arbeitskammer 12 über die Niederdruckleitung 18, die Zweigleitung 64 und das Regelventil 66 zum Tank 30 abströmt.
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Sobald der Pressenstößel auf das nach unten beschleunigte Ziehkissen 2 auftrifft, wird für die Funktion „Ziehvorgang“ das Regelventil 46 in die Bypassstellung gebracht, wobei die Anschlüsse A, B, P und T gesperrt sind. Gleichzeitig öffnet das als Schnellschaltventil arbeitende Bypassventil 25 die Fluidwege zwischen Nutzanschluss A und Tankanschluss T sowie die Fluidverbindung zwischen dem Nutzanschluss B und dem Druckanschluss P. Über die Sicherheitsventile 42, 44, das Bypassventil 25, den Leitungszweig 82 und die Bypassleitung 22 ist dadurch eine Fluidverbindung zwischen den Arbeitskammern 16 und 14 gebildet.
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Um die Ziehkraft für den Ziehvorgang aufzubauen, wird gleichzeitig das zweite Regelventil 66 in die Sperrstellung gebracht, um in der großen Arbeitskammer 12 Ziehdruck aufzubauen, und geht bei Aufbau des erforderlichen Ziehdrucks in die Regelstellung, bei der bei der weiteren Einfahrbewegung der Kolben-Stangen-Einheit 10 der gewünschte Ziehdruck wirksam ist. Bei dieser Bewegung wird das Öl aus der dritten Arbeitskammer 16 in die zweite Arbeitskammer 14 im Wesentlichen drucklos über das Bypassventil 25 verschoben. Dabei ist der Strömungsweg über die bei der Erfindung vorgesehene Endlosschleife 58 geführt. Diese ist am Eingangsknoten 68 der Primärschleife 60 über den Leitungszweig 74 mit der Druckleitung 24 im Abschnitt zwischen dem Sicherheitsventil 44 und dem Regelventil 46 verbunden. Am Eingangsknoten 68 teilt sich der Volumenstrom in Teilströme auf, die über die Schleifenabschnitte 70 und 72 zum Nutzanschluss A bzw. zum Druckanschluss P des Bypassventils 25 gelangen. Dieses befindet sich hierbei in einer eine Kreuzschaltung bildenden Offenstellung, bei der der Nutzanschluss A mit dem Tankanschluss T und der Druckanschluss P mit dem Nutzanschluss B verbunden ist. Aufgrund der Aufteilung auf die Schleifenabschnitte 70 und 72 der Primärschleife 60 sind die Öffnungsquerschnitte im Bypassventil 25 lediglich von der Hälfte des Volumenstroms durchflossen.
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Ohne eine Drosselung in Kauf nehmen zu müssen, kann das Bypassventil 25 daher auf Durchlassquerschnitte ausgelegt sein, die an die halbe Größe des zwischen den Arbeitskammern 16 und 14 zu verschiebenden Volumenstroms angepasst sind. Aus dem Nutzanschluss B und dem Tankanschluss T des Bypassventils 25 gelangt jeweils ein Teilstrom in die Schleifenabschnitte 78 bzw. 80 der Sekundärschleife 62, an deren Ausgangsknoten 76 sich die Teilströme wieder zum Gesamt-Volumenstrom vereinigen. Dieser gelangt über den Leitungszweig 82 und die Bypassleitung 22 zum zweiten Arbeitsraum 14. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Leitungsabschnitte 70, 72 der Primärschleife 60 eine größere Länge als die Leitungsabschnitte 78 und 80, so dass die Primärschleife 60 von dem beim Bypassbetrieb zwischen Arbeitskammer 16 und Arbeitskammer 14 verschobenen Fluidstrom ein größeres Volumen aufnimmt als die Sekundärschleife 62. Dies ist optional. Je nach den baulichen Gegebenheiten können die Leitungslängen von Primär- 60 und Sekundärschleife 62 zweckmäßig gewählt werden.
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Die 3 zeigt die Komponenten in den Schaltstellungen für die Funktion „Rückzug“. Diese Funktion wird durch Druckversorgung der Arbeitskammer 16 ausgeführt, deren wirksame Kolbenfläche derart gewählt ist, dass die Versorgung mit dem Druck des Hochdruck-Versorgungskreises 26 an der Kolben-Stangen-Einheit 10 die erforderliche Auswerferkraft erzeugt. Hierzu wird das Regelventil 46 in die in 3 gezeigte Stellung für Rückzug geschaltet, und die Sicherheitsventile 42, 44 werden geöffnet. Über die verbundenen Anschlüsse P und A des Regelventils 46, die geöffneten Sicherheitsventile 42, 44 und die Druckleitung 24 ist dadurch die dritte Arbeitskammer 16 mit dem Druck des Hochdruckspeichers 40 und der Hochdruckpumpe 36 versorgt, so dass die Kolben-Stangen-Einheit 10 ausfährt. Bei in der sperrenden Neutralstellung befindlichem Bypassventil 25 strömt das beim Ausfahren der Kolben-Stangen-Einheit 10 aus der zweiten Arbeitskammer 14 verdrängte Fluid über die Bypassleitung 22 und die Verbindungsleitung 48 zum Regelventil 46 und gelangt über dessen in Verbindung stehende Anschlüsse B und T über die Verbindungsleitung 50 und die Tankleitung 52 zum Tank 30. Gleichzeitig wird beim Hochfahren der Kolben-Stangen-Einheit 10 die große Arbeitskammer 12 über die Niederdruckleitung 18 und das geöffnete Niederdruckventil 54 aus dem Niederdruck-Versorgungskreis 20 gefüllt.
