DE102019208885A1

DE102019208885A1 - Verfahren zur Herstellung einer Dichtungseinheit und fluidtechnisches Gerät

Info

Publication number: DE102019208885A1
Application number: DE102019208885.6A
Authority: DE
Inventors: Jakob Brenner; Falk Räpke
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: DE102019208885B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer ringförmigen Dichtungseinheit (2) vorgeschlagen, wobei die ringförmige Dichtungseinheit (2) zumindest aus einem gummielastischen Dichtungsring (24) besteht, aber auch noch weitere Komponenten aufweisen kann. Der Dichtungsring (24) wird durch Spritzgießen oder Formpressen eines Polymermaterials urgeformt und nach dieser Urformung, noch vor der vollständigen Vernetzung des Polymermaterials des Dichtungsringes (24), zusammen mit einem Kalibrierwerkzeug (44) zu einer Kalibrierbaugruppe (45) zusammengefügt. Durch das Kalibrierwerkzeug (44) wird dem Dichtungsring (24) mindestens eine ringförmige Soll-Dichtkontur (46) aufgeprägt. Die aufgeprägte Formgebung wird anschließend dadurch stabilisiert, dass die gesamte Kalibrierbaugruppe (45) bis zur vollständigen Vernetzung des Polymermaterials des Dichtungsringes (24) zum Beispiel in einem Temperofen (62) einer Temperbehandlung unterzogen wird. Anschließend wird die ringförmige Dichtungseinheit (2) zur weiteren Verwendung von dem Kalibrierwerkzeug (44) getrennt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer ringförmigen Dichtungseinheit, die zumindest aus einem gummielastischen Dichtungsring besteht, wobei die Urformung des Dichtungsringes durch Spritzgießen oder Formpressen eines Polymermaterials erfolgt.
Die Erfindung betrifft ferner ein fluidtechnisches Gerät, ausgebildet als Ventil oder fluidbetätigter Antrieb, mit einer als Gerätegehäuse ausgebildeten ersten Gerätekomponente und mit einer zweiten Gerätekomponente in Gestalt eines relativ zu dem Gerätegehäuse beweglichen Bewegungsgliedes, wobei mindestens eine der beiden Gerätekomponenten mindestens eine Dichtungseinheit aufweist, die mit einer ringförmigen Dichtkontur eines gummielastischen Dichtungsringes gleitverschieblich und zugleich radial dichtend an der anderen Gerätekomponente anliegt.
Aus der EP 0 887 559 B1 und der DE 44 39 667 A1 sind fluidtechnische Geräte der vorgenannten Art bekannt, die mit ringförmigen Dichtungseinheiten ausgestattet sind, um zwei sich relativ zueinander bewegende Gerätekomponenten fluiddicht gegeneinander abzudichten. Die EP 0 887 559 B1 offenbart ein zur Steuerung der Strömung eines Fluides dienendes Ventil, wobei mehrere Dichtungseinheiten zweiteilig ausgebildet sind und aus einer im Querschnitt U-förmigen Haltestruktur und einem in der Haltestruktur fixierten gummielastischen Dichtungsring bestehen. Eine weitere Dichtungseinheit des Ventils besteht ausschließlich aus einem gummielastischen Dichtungsring. Bei dem fluidtechnischen Gerät der DE 44 39 667 A1 handelt es sich um einen als Arbeitszylinder ausgebildeten fluidbetätigten Antrieb, dessen Antriebskolben gegenüber dem Gerätegehäuse durch einen gummielastischen Dichtungsring dynamisch abgedichtet ist.
Gummielastische Dichtungsringe werden meist auf der Grundlage eines Polymermaterials durch Spritzgießen oder Formpressen hergestellt. Welches dieser Urformverfahren angewendet wird, hängt in der Regel vom verwendeten Polymermaterial und von der zu fertigenden Stückzahl ab. Je nach Anwendungsfall wird der hergestellte Dichtungsring für sich allein als Dichtungseinheit verwendet oder als eine von mehreren Komponenten einer mehrteiligen Dichtungseinheit. Problematisch ist bisher stets das Auftreten relativ hoher Fertigungstoleranzen, die oftmals zu Undichtigkeiten und ungünstigem Verschleißverhalten beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Dichtungseinheiten führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßnahmen zu treffen, die eine kostengünstige und zugleich präzise Fertigung ringförmiger Dichtungseinheiten und damit ausgestatteter fluidtechnischer Geräte ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die ringförmige Dichtungseinheit nach der Urformung des Dichtungsringes und vor der vollständigen Vernetzung des Polymermaterials des Dichtungsringes zusammen mit einem Kalibrierwerkzeug zu einer Kalibrierbaugruppe zusammengefügt wird, wobei das Kalibrierwerkzeug so gestaltet ist, dass es dem Dichtungsring mindestens eine ringförmige Soll-Dichtkontur aufprägt, dass anschließend die Kalibrierbaugruppe bis zur vollständigen Vernetzung des Polymermaterials des Dichtungsringes einer Temperbehandlung unterzogen wird, und dass die ringförmige Dichtungseinheit nach Abschluss der Temperbehandlung zu ihrer weiteren Verwendung von dem Kalibrierwerkzeug getrennt wird.
Im Zusammenhang mit einem fluidtechnischen Gerät der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens eine ringförmige Dichtungseinheit durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist, wobei ihre ringförmige Dichtkontur von der bei der Durchführung des Verfahrens erzeugten ringförmige Soll-Dichtkontur gebildet ist.
Erfindungsgemäß macht man sich den Umstand zu Nutze, dass aus Polymermaterial hergestellte Dichtungsringe nach ihrer Urformung noch keine vollständig vernetzte Molekülstruktur aufweisen. In diesem Zwischenzustand ist der hergestellte Polymerkörper noch leicht formbar. Seine stabile Endform weist der Dichtungsring erst nach vollständiger Vernetzung des Polymermaterials auf, die im Anschluss an die Urformung des Dichtungsringes durch eine Temperbehandlung, also eine zeitweilige Erwärmung des Polymermaterials, herbeigeführt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von ringförmigen Dichtungseinheiten wird die jeweilige Dichtungseinheit nach ihrer Urformung, jedoch noch vor der vollständigen Vernetzung des Polymermaterials mit einem Kalibrierwerkzeug vereinigt, wobei das Kalibrierwerkzeug so gestaltet ist, dass es zur Verformung des Dichtungsringes in der Lage ist und den Dichtungsring mindestens eine für den späteren bestimmungsmäßigen Gebrauch relevante ringförmige Soll-Dichtkontur aufprägt. Im derart vereinigten Zustand wird die aus der Dichtungseinheit und dem Kalibrierwerkzeug bestehende Kalibrierbaugruppe einer Temperbehandlung unterzogen, bis das Polymermaterial des Dichtungsringes vollständig vernetzt ist und das Polymermaterial eine stabile, gummielastische Struktur erhalten hat. Im Anschluss daran wird die Kalibrierbaugruppe wieder aufgelöst, indem der Dichtungsring vom Kalibrierwerkzeug getrennt wird, wobei der Dichtungsring einschließlich der aufgeprägten ringförmigen Soll-Dichtkontur nun aufgrund der abgeschlossenen Vernetzung der Polymermaterialmoleküle eine sehr hohe Formtreue aufweist. Ungeachtet der dem angewendeten Urformverfahren anhängigen Fertigungstoleranzen lassen sich auf diese Weise Dichtungseinheiten realisieren, deren Soll-Dichtkontur mit hoher Maßhaltigkeit der für die spätere Applikation der Dichtungseinheit gewünschten Dichtkontur entspricht. Letztlich wird bei der in den Fertigungsprozess integrierten Kalibrierung dafür gesorgt, dass die ringförmige Dichtungseinheit an den wirklichen Einbaufall adaptiert wird. Das Kalibrierwerkzeug ist zweckmäßigerweise der späteren betriebsgemäßen Einbausituation nachempfunden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt zur Herstellung des Dichtungsringes die Verwendung selbst solcher Polymermaterialien, die sich grundsätzlich nur mit höheren Toleranzen verarbeiten lassen, in den Verschleißeigenschaften und/oder den Gestehungskosten aber mit Vorteilen verbunden sind. Dies gilt beispielsweise für thermoplastische Elastomermaterialien. Anwenden lässt sich das Verfahren für jegliche ringförmige Dichtungseinheiten unabhängig davon, ob sie nun rund oder unrund sind. Mit einer erfindungsgemäß hergestellten ringförmigen Dichtungseinheit lässt sich die Toleranzkette beim Einsatz in einem fluidtechnischen Gerät effektiv eliminieren, weil schon bei der Herstellung der ringförmigen Dichtungseinheit der gummielastische Dichtungsring hinsichtlich seiner Dichtkontur auf das funktionsrelevante Maß eingestellt wird. Mit dem Verfahren lassen sich sowohl Dichtungseinheiten herstellen, die als einzigen Bestandteil den gummielastischen Dichtungsring haben, als auch Mehrkomponenten-Dichtungseinheiten, innerhalb denen der Dichtungsring mit mindestens einem weiteren Bestandteil zu einer einheitlich handhabbaren Einheit vereinigt ist.
Besonders vorteilhaft können fluidtechnische Geräte wie Ventile oder fluidbetätigte Antriebe in einfacher oder mehrfacher Anzahl mit der erfindungsgemäß hergestellten ringförmigen Dichtungseinheit ausgestattet werden. Grundsätzlich lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch ringförmige Dichtungseinheiten für jeden Anwendungszweck herstellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die zum Tempern der Kalibrierbaugruppe stattfindende Wärmebehandlung wird zweckmäßigerweise in einem geeignet dimensionierten Temperofen ausgeführt. Der Temperofen ist vorzugsweise mit Umluft beheizt. In dem Temperofen können bei entsprechender Größe bevorzugt gleichzeitig mehrere Kalibrierbaugruppen getempert werden.
Die Temperbehandlung kann zeitnah nach der Urformung des Dichtungsringes vorgenommen werden. Es ist jedoch unproblematisch, die Dichtungseinheiten nach ihrer Urformung und bis zur Temperung eine beliebig lange Zeit zwischenzulagern, wenn die Lagerung bei Temperaturen erfolgt, die unterhalb der Vernetzungstemperatur liegen. Eine solche Zwischenlagerung ist auch für Dichtungsringe möglich, die zur Bildung einer Dichtungseinheit erst noch mit einem weiteren Bestandteil der Dichtungseinheit zu kombinieren sind.
Die Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe wird zweckmäßigerweise mit einer Temperatur von mindestens 90 Grad Celsius durchgeführt. Jedes Polymermaterial hat eine gewisse Spezifikation hinsichtlich der eine Vernetzung hervorrufenden Temperierungstemperatur und Temperierungsdauer, an der man sich bei der im Rahmen des Kalibriervorganges ausgeführten Nachvernetzungmaßnahme orientiert.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, als Polymermaterial zur Urformung des Dichtungsringes der Dichtungseinheit ein thermoplastisches Elastomermaterial (TPE)zu verwenden. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein thermoplastisches Polyurethan (TPU). Die Temperbehandlung wird bei diesem Material vorzugsweise mit einer Temperatur von mindestens 100 Grad Celsius durchgeführt.
Das thermoplastische Elastomermaterial wird insbesondere dann verwendet, wenn die Urformung des Dichtungsringes durch Spritzgießen erfolgt.
Eine vorteilhafte andere Materialwahl für das Polymermaterial besteht in Kautschuk. Hierbei wird insbesondere auf hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR)zurückgegriffen. Ein solches Material kann besonders vorteilhaft eingesetzt werden, um den Dichtungsring durch Formpressen urzuformen. Eine Verarbeitung durch Spritzgießen ist allerdinges ebenfalls möglich. Bei dem Kautschukmaterial wird die Temperbehandlung vorzugsweise mit einer Temperatur durchgeführt, die zwischen 170 Grad Celsius und 200 Grad Celsius liegt, die Bereichsgrenze jeweils eingeschlossen.
Prinzipiell besteht die Möglichkeit, pro Kalibrierbaugruppe nur einen einzigen Dichtungsring mit einem Kalibrierwerkzeug zu kombinieren. Effektiver ist jedoch ein Verfahren, bei dem gleichzeitig mehrere Dichtungseinheiten mit ein und demselben Kalibrierwerkzeug zu einer Kalibrierbaugruppe vereinigt sind und anschließend gleichzeitig einer Temperbehandlung unterzogen werden. Dadurch werden vor allem auch die Werkzeugkosten sehr geringgehalten.
Für die Bildung einer Kalibrierbaugruppe wird vorzugsweise auf ein Kalibrierwerkzeug zurückgegriffen, das dem Dichtungsring entweder nur an seiner radialen Innenumfangsfläche oder nur an seiner radialen Außenumfangsfläche oder aber sowohl an der radialen Innenumfangsfläche als auch an der radialen Außenumfangsfläche eine ringförmige Soll-Dichtkontur aufprägt. Die Ausgestaltung des verwendeten Kalibrierwerkzeuges orientiert sich an der späteren bestimmungsgemäßen Verwendung der Dichtungseinheit. Man kann auf diese Weise von Fall zu Fall radial dichtende Dichtungseinheiten bereitstellen, die entweder radial innen dichtend, radial außen dichtend oder radial beidseits dichtend arbeiten.
Wie schon angesprochen, können nach dem Verfahren ringförmige Dichtungseinheiten hergestellt werden, die ausschließlich aus dem gummielastischen Dichtungsring bestehen. Derartige Dichtungseinheiten beinhalten also nur eine einzige Komponente, nämlich den gummielastischen Dichtungsring. Diesem Dichtungsring ist koaxial mindestens eine ringförmige Soll-Dichtkontur aufgeprägt.
Derartige Einkomponenten-Dichtungseinheiten werden in der Regel für eine radial beidseitig dichtende Abdichtfunktion eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn zur Herstellung ein Kalibrierwerkzeug verwendet wird, das eine innere Werkzeugkomponente und eine die innere Werkzeugkomponente umschließende äußere Werkzeugkomponente aufweist, wobei zwischen den beiden Werkzeugkomponenten ein im Querschnitt ringförmiger Kalibrierraum gebildet ist, in dem zur Bildung einer Kalibrierbaugruppe die nur aus dem Dichtungsring bestehende Dichtungseinheit angeordnet wird. Auf diese Weise wird dem Dichtungsring durch die innere Werkzeugkomponente eine ringförmige innere Soll-Dichtkontur und durch die äußere Werkzeugkomponente eine ringförmige äußere Soll-Dichtkontur aufgeprägt. Die innere Werkzeugkomponente kann beispielsweise ein Kalibrierdorn sein, während die äußere Werkzeugkomponente beispielsweise eine Kalibrierhülse ist.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich zudem Dichtungseinheiten herstellen, die sich jeweils aus mehreren in sich zusammenhaltenden Bestandteilen zusammensetzen. Besonders zweckmäßig ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der die Dichtungseinheit aus dem gummielastischen Dichtungsring und aus einer diesen Dichtungsring haltenden, formstabilen ringförmigen Haltestruktur besteht. Die Haltestruktur kann beispielsweise eine Gehäusefunktion der Dichtungseinheit übernehmen. Mit Hilfe der Haltestruktur kann die Dichtungseinheit bei Verwendung in einem fluidtechnischen Gerät an einen Trägerbauteil fixiert werden. Alternativ kann die Haltestruktur über die Haltefunktion hinaus auch unmittelbar eine Gerätefunktion eines fluidtechnischen Gerätes ausüben und beispielweise als Kolbenkörper eines Antriebskolbens eines fluidbetätigten Antriebes fungieren.
Die ringförmige Haltestruktur wird zur Bildung der Dichtungseinheit zweckmäßigerweise mit einem U-förmigen Querschnitt bereitgestellt, der einen ringförmigen Aufnahmeraum begrenzt, in dem der gummielastische Dichtungsring aufgenommen und gehalten ist. Der U-förmige Querschnitt kann so orientiert sein, dass die U-Öffnung wahlweise radial innen oder radial außen liegt.
Eine aus mehreren Komponenten zusammengesetzte Dichtungseinheit kann insbesondere so hergestellt werden, dass der Dichtungsring entweder radial innen oder radial außen mit einem ringförmigen Dichtabschnitt radial über die Haltestruktur vorsteht. Bei der Temperbehandlung wird der Dichtungsring mit einem Kalibrierwerkzeug vereinigt, das bei zusammengefügter Kalibrierbaugruppe, soweit der Dichtungsring betroffen ist, nur auf dessen ringförmigen Dichtabschnitt einwirkt und diesem ringförmigen Dichtabschnitt die angestrebte ringförmige Soll-Dichtkontur aufprägt. Diese Soll-Dichtkontur liegt dann je nach Ausgestaltung der Dichtungseinheit am radialen Innenumfang oder am radialen Außenumfang der Dichtungseinheit. Jedenfalls fungiert der ringförmige Dichtabschnitt als ein externer Dichtabschnitt, der bei der bestimmungsgemäßen Anwendung der Dichtungseinheit mit einer bezüglich der Dichtungseinheit gesonderten Komponente zusammenwirkt. So kann die Dichtungseinheit innerhalb eines Ventils beispielsweise mit der Haltestruktur am Ventilgehäuse angebracht sein, während der ringförmige Dichtabschnitt mit der Soll-Dichtkontur dichtend und gleitverschieblich an einem verschiebbaren Ventilglied anliegt.
Bei der Herstellung einer Mehrkomponenten-Dichtungseinheit wird der Dichtungsring bei zusammengefügter Kalibrierbaugruppe durch das Kalibrierwerkzeug zweckmäßigerweise so beaufschlagt, dass er an die ringförmige Haltestruktur angedrückt wird, wodurch dem Dichtungsring eine weitere ringförmige Soll-Dichtkontur aufgeprägt wird, die nun aber nur intern innerhalb der Dichtungseinheit wirksam ist und als interne Soll-Dichtkontur gegenüber der ringförmigen Haltestruktur abdichtet. Auf diese Weise können auch interne Fertigungstoleranzen der Dichtungseinheit durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eliminiert werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich bevorzugt Dichtungseinheiten herstellen, deren über elastomere Eigenschaften verfügender Dichtungsring für radial wirkende dynamische Abdichtungen einsetzbar ist. Allerdings ist das Herstellungsverfahren auf derartige Anwendungsfelder nicht beschränkt und erlaubt grundsätzlich die Ausgestaltung von Dichtungseinheiten für sowohl dynamische als auch statische wie auch kombiniert dynamisch-statische Abdichtungen. Die herstellbaren Dichtungseinheiten können sowohl für eine radiale Abdichtwirkung als auch für eine axiale Abdichtwirkung und auch für eine kombiniert axiale und radiale Abdichtwirkung ausgebildet und kalibriert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 ein als Ventil ausgestaltetes fluidtechnisches Gerät, das mit erfindungsgemäß hergestellten Dichtungseinheiten ausgestattetes ist, wobei zwei mögliche Typen von Dichtungseinheiten gezeigt sind, die separat auch nochmals in vergrößerten Ausschnitten I und II illustriert sind,
2 eine weitere Ausführungsform eines fluidtechnischen Gerätes, das hier als fluidbetätigter Antrieb ausgebildet ist und das mit einem weiteren erfindungsgemäß hergestellten Typ einer Dichtungseinheit ausgestattet ist, die zusätzlich auch nochmals in einem vergrößerten Ausschnitt III illustriert ist,
3 bis 6 verschiedene Verfahrensschritte, die zur Realisierung der in Ausschnitt I der 1 illustrierten Dichtungseinheit ausführbar sind,
7 und 8 verschiedene Verfahrensschritte, die zur Herstellung der in Ausschnitt II der 1 illustrierten Dichtungseinheit ausführbar sind, und
9 bis 12 verschiedene Verfahrensschritte, die zur Herstellung der in der Ausschnitt III der 2 illustrierten Dichtungseinheit ausführbar sind.

Die 1 und 2 illustrieren jeweils ein fluidtechnisches Gerät 1 im Längsschnitt, das mit einer oder mehreren ringförmigen Dichtungseinheiten 2 ausgestattet ist, die unter Anwendung vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hergestellt sind.
Bei dem in 1 illustrierten fluidtechnischen Gerät 1 handelt es sich um ein zur Steuerung der Strömung eines Fluides dienendes Ventil 1a. Bei dem in 2 abgebildeten fluidtechnischen Gerät 1 handelt es sich um einen fluidbetätigten Antrieb 1b. Bei dem durch das Ventil 1a steuerbaren Fluid handelt es sich ebenso wie bei dem zur Betätigung des Antriebes 1b verwendeten Fluid insbesondere um Druckluft. Allerdings kann es sich bei dem Fluid auch um ein anderes Gas oder auch um ein flüssiges Medium, beispielsweise Hydrauliköl handeln.
Jedes der beiden fluidtechnischen Geräte 1 hat ein Gerätegehäuse 3a, das eine erste Gerätekomponente 3 repräsentiert. Ferner hat das fluidtechnische Gerät 1 eine zweite Gerätekomponente 4, die als Bewegungsglied 4a konzipiert ist, das relativ zu dem Gerätegehäuse 3a eine durch einen Doppelpfeil illustrierte, hin und hergehende Linearbewegung 5 ausführen kann. Jede der ringförmigen Dichtungseinheiten 2 ist so angeordnet und ausgebildet, dass sie eine fluiddichte Abdichtung zwischen den beiden Gerätekomponenten 3, 4 hervorrufen kann.
Jede Dichtungseinheit 2 ist bezüglich der einen Gerätekomponente 3, 4 ortsfest angeordnet und hat eine ringförmige Dichtkontur 10, mit der sie gleitverschieblich und zugleich dichtend an der jeweils anderen Gerätekomponente 4, 3 radial anliegt. Jede ringförmige Dichtungseinheit 2 hat eine Längsachse 6 und ist so ausgerichtet, dass diese Längsachse 6 mit der Achsrichtung der Linearbewegung 5 zusammenfällt.
Ein als Ventil 1a ausgebildetes fluidtechnisches Gerät 1 hat als Gerätegehäuse 3a ein Ventilgehäuse 7, in dem eine eine Längsachse 8 aufweisende längliche Ventilkammer 12 ausgebildet ist, in der sich ein das Bewegungsglied 4a bildender länglicher Ventilschieber 13 angeordnet ist. Der Ventilschieber 13 hat einen kolbenartigen Aufbau und verfügt in seiner Längsrichtung über abwechselnd angeordnete Längenabschnitte unterschiedlichen Durchmessers. Darunter befinden sich Längenabschnitte größeren Durchmessers 15 und Längenabschnitte kleineren Durchmessers 15a. Mehrere ringförmige Dichtungseinheit en 2 sind mit koaxialer Anordnung und axial aufeinanderfolgend in der Ventilkammer 12 angeordnet, wobei sie jeweils mit einer ringförmigen Haltestruktur 14 am Innenumfang der Ventilkammer 12 fixiert sind und mit der ringförmigen Dichtkontur 10 an der radialen Außenumfangsfläche des Ventilschiebers 13 dicht anliegen können. Die dichte Anlage der ringförmigen Dichtkonturen 10 am Ventilschieber 13 beschränkt sich allerdings auf dessen Längenabschnitte größeren Durchmessers 15 und dabei auf Axialpositionen des Ventilschiebers 13, in denen jeweils einer dieser Längenabschnitte 15 größeren Durchmessers eine eine ringförmige Dichtungseinheit 2 durchsetzende Axialposition einnimmt.
Die zwischen axial benachbarten Dichtungseinheiten 2 angeordneten Längenabschnitte der Ventilkammer 12 sind mit das Ventilgehäuse 7 durchsetzenden Ventilkanälen 16 verbunden. Abhängig von der eingestellten Axialposition des Ventilschiebers 13 ergibt sich durch einen vorhandenen oder nicht vorhandenen Dichtkontakt zwischen den Längenabschnitten größeren Durchmessers 15 und den ringförmigen Dichtkonturen 10 der Dichtungseinheiten 2 eine offene oder geschlossene Fluidverbindung zwischen einzelnen der Ventilkanäle 16, wodurch eine Fluidströmung steuerbar ist, beispielsweise um einen angeschlossenen fluidbetätigten Antrieb zu betätigen.
Die vorstehend im Zusammenhang mit einem Ventil 1a erläuterte Bauform einer ringförmigen Dichtungseinheit 2 wird im Folgenden zur Unterscheidung von weiteren Ausführungsformen der Dichtungseinheit 2 auch als erste Dichtungseinheit 2a bezeichnet.
Die ringförmige Haltestruktur 14 der ersten Dichtungseinheit 2a hat zweckmäßigerweise einen U-förmigen Querschnitt, wobei die Querschnittsebene durch die Längsachse 6 und eine hierzu rechtwinkelige Radialachse aufgespannt wird. Demnach hat die Haltestruktur 14 eine radial außen liegende hohlzylindrische Bodenwand 17 und zwei mit axialem Abstand zueinander angeordnete und ausgehend von der Bodenwand 17 nach radial innen ragende ringförmige Seitenwände 18, 19. Gemeinsam begrenzen die Bodenwand 17 und die beiden Seitenwände 18, 19 einen Aufnahmeraum 22, der radial innen, an der der Längsachse 6 zugewandten Innenseite offen ist. Die Öffnung ist von einem zu der Längsachse 6 koaxialen ringförmigen Schlitz 23 definiert, der axial von den beiden Seitenwänden 18, 19 begrenzt ist.
Die ringförmige Dichtkontur 10 befindet sich an einem gummielastischen Dichtungsring 24, der koaxial in dem Aufnahmeraum 22 gehalten ist, wobei die ringförmige Dichtkontur 10 durch den Schlitz 23 hindurch radial nach innen über die Haltestruktur 14 vorsteht.
Im in der Ventilkammer 12 montierten Zustand ist die erste Dichtungseinheit 2a über die Bodenwand 17 der formstabilen Haltestruktur 14 beispielsweise in einem Presssitz am Ventilgehäuse 7 fixiert, wodurch gleichzeitig eine Abdichtung erreicht wird. Zusätzlich besteht allerdings ein interner statischer Dichtkontakt zwischen dem Dichtungsring 24 und der Haltestruktur 14 im Innern des Aufnahmeraumes 22. Hierzu hat der Dichtungsring 24 im Bereich seines der Bodenwand 17 zugewandten radialen Außenumfanges eine weitere ringförmige Dichtkontur 25, die wulstartig erhaben ausgebildet ist und unter elastischer Verformung an die Innenumfangsfläche der Bodenwand 17 andrückbar oder angedrückt ist.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der ersten Dichtungseinheit 2a resultiert die Abdichtung zwischen dem Ventilschieber 13 und dem Ventilgehäuse 7 dadurch, dass der Ventilschieber 17 dynamisch dichtend mit der ringförmigen Dichtkontur 10 zusammenwirkt und dass die weitere ringförmige Dichtkontur 25 statisch dichtend mit der Haltestruktur 14 zusammenwirkt, wobei die Haltestruktur 14 unter Abdichtung ortsfest am Ventilgehäuse 7 befestigt ist.
Das Ventil 1a ist mit einer weiteren ringförmigen Dichtungseinheit 2 ausgestattet, die sich von der ersten Dichtungseinheit 2a unterscheidet und im Folgenden auch als zweite Dichtungseinheit 2b bezeichnet wird.
Diese zweite Dichtungseinheit 2b besteht anders als die erste Dichtungseinheit 2a nicht aus mehreren Komponenten, sondern nur aus einer einzigen, von einem gummielastischen Dichtungsring 24 gebildeten Komponente.
Die zweite Dichtungseinheit 2b ist ortsfest an dem Ventilschieber 13 angeordnet, sodass sie die Linearbewegung 5 mitmacht. Konkret ist sie in einer radial außen offenen Haltenut 26 eines Antriebskolbens 27 des Ventilschiebers 13 aufgenommen. Der Antriebskolben 27 ist mit einem Antriebsfluid beaufschlagbar, beispielsweise mit Druckluft, um die Linearbewegung 5 zum Umschalten des Ventilschiebers 13 hervorzurufen.
Der die zweite Dichtungseinheit 2b bildende Dichtungsring 24 hat radial außen eine ringförmige Dichtkontur 10, die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der zweiten Dichtungseinheit 2b aus der Haltenut 26 des Antriebskolbens 27 herausragt und gleitverschieblich unter Abdichtung an der Innenumfangsfläche der Ventilkammer 12 anliegt. Der Dichtungsring 24 hat hier außerdem eine im Bereich seines radialen Innenumfangs angeordnete weitere ringförmige Dichtkontur 25, die dazu dient, innerhalb der Haltenut 26 eine statische Abdichtung bezüglich des Antriebskolbens 27 hervorzurufen.
Das einen fluidbetätigen Antrieb 1b bildende fluidtechnische Gerät 1 der 2 hat als Gerätegehäuse 3a ein Antriebsgehäuse 28, das einen Gehäuseinnenraum 32 begrenzt, in dem sich ein Antriebskolben 33 befindet, der zu dem Bewegungsglied 4a gehört. Das Bewegungsglied 4a hat außerdem eine Kolbenstange 34, die an dem Antriebskolben 33 befestigt ist und einen von zwei Abschlussdeckeln 35 des Gerätegehäuses 3a gleitverschieblich und unter Abdichtung durchsetzt, die zu dem Antriebsgehäuse 28 gehören und die den Gehäuseinnenraum 32 axial beidseits begrenzen. Der Antriebskolben 33 unterteilt den Gehäuseinnenraum 32 axial in zwei Antriebskammern 36, die über das Antriebsgehäuse 28 durchsetzende Fluidkanäle 36 gesteuert mit Fluid beaufschlagbar sind, um eine Antriebskraft auf den Antriebskolben 33 auszuüben und dadurch die Linearbewegung 5 des Bewegungsgliedes 4a hervorzurufen.
Bei dem illustrierten fluidbetätigten Antrieb 1a fungiert der Antriebskolben 33 als eine ringförmige Dichtungseinheit, die zur besseren Unterscheidung von den bereits erläuterten ersten und zweiten Dichtungseinheiten 2a, 2b im Folgenden auch als dritte Dichtungseinheit 2c bezeichnet wird.
Der Antriebskolben 33 hat einen formstabilen und insbesondere starren Kolbenkörper 37, der eine ringförmige Haltestruktur 14 der dritten Dichtungseinheit 2c bildet und der im Bereich des Außenumfanges eine radial nach außen hin offene, zu der Längsachse 6 koaxial Ringnut 22a aufweist, die einen ringförmigen Aufnahmeraum 22 definiert. In dem ringförmigen Aufnahmeraum 22 sitzt ein gummielastischer Dichtungsring 24, der zusammenmit dem als Haltestruktur 14 fungierenden Kolbenkörper 37 die dritte Dichtungseinheit 2c bildet.
Bei der dritten Dichtungseinheit 2c bildet der radial außen liegende Umfangsabschnitt des Dichtungsrings 24 eine ringförmige Dichtkontur 10, die über die Haltestruktur 14 radial vorsteht und dynamisch dichtend mit der Innenumfangsfläche 39 des Gehäuseinnenraumes 32 zusammenwirkt. Diese Innenumfangsfläche 39 befindet sich exemplarisch am Innenumfang eines sich zwischen den beiden Abschlussdeckeln 35 erstreckenden Rohrkörpers 38.
Der Dichtungsring 24 der dritten Dichtungseinheit 2c hat außerdem eine weitere ringförmige Dichtkontur 25, die von dem radial innenliegenden Umfangsabschnitt des Dichtungsrings 24 gebildet ist und unter statischer Abdichtung an der Innenfläche des nutförmigen Aufnahmeraums 22 anliegt.
Die dritte Dichtungseinheit 2c ist über die von dem Kolbenkörper 37 gebildete Haltestruktur 14 abgedichtet an der Kolbenstange 34 befestigt. Die Abdichtwirkung des Dichtungsring 24 basiert darauf, dass die radial außen liegende ringförmige Dichtkontur 10 gleitverschieblich unter Abdichtung an dem Antriebsgehäuse 28 anliegt, während gleichzeitig die weitere ringförmige Dichtkontur 25 innerhalb des Aufnahmeraums 22 unter statischer Abdichtung an dem Kolbenkörper 37 anliegt.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass die diversen Ausführungsformen einer ringförmigen Dichtungseinheit 2 jeweils einen gummielastischen Dichtungsring 24 aufweisen, der bei der ersten und dritten Dichtungseinheit 2a, 2c eine von mehreren und insbesondere von zwei Komponenten der betreffenden Dichtungseinheit 2 ist und der bei der zweiten Dichtungseinheit 2b für sich allein die ringförmige Dichtungseinheit 2 bildet.
Nachfolgend wird näher auf die Herstellung der verschiedenen Ausführungsformen der ringförmigen Dichtungseinheit 2 eingegangen. Dabei beziehen sich die 3 bis 6 auf die Herstellung der ersten Dichtungseinheit 2a, die 7 und 8 auf die Herstellung der zweiten Dichtungseinheit 2b und die 9 bis 12 auf die Herstellung der dritten Dichtungseinheit 2c. Soweit keine abweichenden Angaben gemacht werden, beziehen sich die folgenden Erläuterungen auf die Herstellung sämtlicher Ausführungsformen der ringförmigen Dichtungseinheit 2.
Der Dichtungsring 24 wird unabhängig davon, ob er die einzige Komponente oder eine von mehreren Komponenten der herzustellenden Dichtungseinheit 2 ist, durch Spritzgießen oder Formpressen eines Polymermaterials urgeformt. Dieser Urformvorgang ist in den 3, 7 und 9 schematisch illustriert. Gemäß 3 wird der Dichtungsring 24 in einem geeigneten, strichpunktiert angedeuteten Formgebungswerkzeug 42 spritzgegossen. Das Formgebungswerkzeug 42 hat eine Kavität, die das Negativ des herzustellenden Dichtungsringes 24 repräsentiert und in die verflüssigtes Polymermaterial unter Druck und hoher Temperatur eingespritzt wird. Nach kurzer Verweildauer in dem Formgebungswerkzeug 42 hat sich das Polymermaterial verfestigt und der spritzgegossene Dichtungsring 24 wird nach Öffnen des Formgebungswerkzeuges 42 zur weiteren Verarbeitung entnommen.
Der Dichtungsring 24 für die zweite und dritte Dichtungseinheit 2b, 2c wird exemplarisch durch Formpressen erzeugt, wobei ein hierfür geeignetes Formpresswerkzeug 43 in den 7 und 9 strichpunktiert angedeutet ist. Bei diesem Urformverfahren wird eine Polymermasse in eine Kavität des Formpresswerkzeuges 43 eingebracht. Anschließend wird das Formwerkzeug beheizt und geschlossen, wobei auf die Polymermasse ein Druck ausgeübt wird, sodass letztlich die durch die Negativform der Kavität vorgegebene Endform des Dichtungsringes 24 entsteht. Wie beim Spritzgießen wird nach Abkühlung und daraus resultierender Verfestigung des Polymermaterials der hergestellte Dichtungsring 24 aus dem Formpresswerkzeug 43 entnommen und seiner weiteren Verwendung zugeführt.
Ungeachtet der vorstehenden Erläuterungen können alle Ausführungsformen des beispielhaften Dichtungsrings 24 wahlweise durch Spritzgießen oder durch Formpressen hergestellt werden.
Nach der Urformung des Dichtungsringes 24 sind die Moleküle des Polymermaterials noch nicht vollständig vernetzt. In diesem Stadium lässt sich der Dichtungsring 24 daher noch in gewissem Rahmen in seiner äußeren Form dauerhaft verändern. Die endgültige Form ist erst dann - abgesehen von den dann noch verbleibenden elastischen Verformungsmöglichkeiten - festgelegt, wenn das Polymermaterial vollständig vernetzt ist. Dieses vollständige Vernetzen, das man auch als Nachvernetzen bezeichnen kann, weil es im Anschluss an die eigentliche Urformung stattfindet, ist dadurch hervorrufbar, dass der Dichtungsring einer Temperbehandlung unterzogen wird.
Bei der Temperbehandlung wird der Dichtungsring nach der Urformung für eine gewisse Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, die im Folgenden als Vernetzungstemperatur bezeichnet sei. Die Temperdauer und die für die vollständige Vernetzung erforderliche Vernetzungstemperatur hängen vom individuellen Polymermaterial ab. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Temperbehandlung bei einer Vernetzungstemperatur durchgeführt wird, die mindestens 90 Grad Celsius beträgt.
Als Polymermaterial zur Urformung des Dichtungsringes 24 wird zweckmäßigerweise ein thermoplastisches Elastomermaterial (TPE) verwendet. Hierbei wird vorzugsweise auf ein urethanbasiertes Material beziehungsweise auf thermoplastisches Urethan (TPU) zurückgegriffen.
Eine andere, ebenfalls vorteilhafte Verfahrensdurchführung basiert auf einer Verwendung von Kautschuk als Polymermaterial. Hierbei wird insbesondere ein hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR) verwendet.
Eine Besonderheit des Herstellungsverfahrens besteht darin, dass der Dichtungsring 24 nicht als individuelles Bauteil getempert wird, sondern in einem Zustand, in dem er mit einem in den 6, 8 und 12 schematisch angedeuteten Kalibrierwerkzeug 44 zu einer als Kalibrierbaugruppe 45 bezeichneten Baugruppe zusammengefügt ist. Es wird also die gesamte Kalibrierbaugruppe 45 der Temperbehandlung ausgesetzt, wobei der Dichtungsring 24 während der gesamten Temperbehandlung von dem Kalibrierwerkzeug 44 gehalten wird.
Das zur Bildung der Kalibrierbaugruppe 45 verwendet Kalibrierwerkzeug 44 ist so gestaltet, dass es dem Dichtungsring 24 im zu der Kalibrierbaugruppe 45 zusammengefügten Zustand mindestens eine ringförmige Soll-Dichtkontur 46 aufprägt. Mit anderen Worten wird der Dichtungsring 24 durch das Kalibrierwerkzeug 44 in eine derartige Gestalt geformt, dass mindestens ein zur Längsachse 30 des Dichtungsringes 24 koaxialer ringförmiger Außenflächenabschnitt entsteht, der die besagte Soll-Dichtkontur 46 repräsentiert. Je nach Ausgestaltung des Kalibrierwerkzeuges 44 kann dem Dichtungsring 24 nur eine Soll-Dichtkontur 46 oder eine Mehrzahl von ringförmigen Soll-Dichtkonturen 46 aufgeprägt werden. Jede Soll-Dichtkontur 46 übernimmt beim späteren bestimmungsgemäßen Gebrauch des Dichtungsringes 24 die Funktion einer ringförmigen Dichtkontur 10 oder einer weiteren ringförmigen Dichtkontur 25.
Die Kalibrierbaugruppe 45 wird nach ihrem Zusammenbau der weiter oben schon angesprochenen Temperbehandlung unterzogen. Die Temperbehandlung erfolgt solange, bis sichergestellt ist, dass die vollständige Vernetzung der Moleküle des Polymermaterials des Dichtungsringes 24 abgeschlossen ist. Damit ist gewährleistet, dass nach dem Abschluss der Temperbehandlung die ringförmige Soll-Dichtkontur 46 formstabil bestehen bleibt und anschließend die angestrebte Funktion als ringförmige Dichtkontur 10 oder weitere ringförmige Dichtkontur 25 erfüllen kann.
Nach Abschluss der Temperbehandlung wird die Kalibrierbaugruppe 45 wieder zerlegt, wobei die Dichtungseinheit 2 von dem Kalibrierwerkzeug 44 getrennt wird. Die dann vorliegende Dichtungseinheit 2 kann je nach Ausgestaltung als erste, zweite oder dritte Dichtungseinheit 2a, 2b, 2c in einem der fluidtechnischen Geräte 1 eingesetzt werden.
Das für die Kalibrierbaugruppe 45 verwendete Kalibrierwerkzeug 44 ist so gestaltet, dass es im mit der Dichtungseinheit 2 vereinigten Zustand im Bereich jeder auszubildenden ringförmigen Soll-Dichtstruktur 46 eine ringförmige Kalibrierfläche 47 aufweist, die hinsichtlich ihrer Formgebung mit der Formgebung derjenigen Fläche des fluidtechnischen Gerätes 1 übereinstimmt, mit der sie beim bestimmungsgemäßen Gebrauch dichtend zusammenwirken soll. Dementsprechend entspricht die Formgebung der Kalibrierfläche 47 bei dem Ausführungsbeispiel der 3 bis 6 der Formgebung der Außenumfangsfläche der Längenabschnitte größeren Durchmessers 15. Bei dem Ausführungsbeispiel der 7 und 8 hat das Kalibrierwerkzeug 44 zwei Kalibrierflächen 47, von denen die eine der Innenumfangsfläche der Ventilkammer 12 und die andere der Grundfläche der Haltenut 26 entspricht. Bei dem Ausführungsbeispiel der 9 bis 12 entspricht die Kalibrierfläche 47 in ihrer Formgebung der Innenumfangsfläche des den Gehäuseinnenraum 32 peripher begrenzenden Rohrkörpers 38.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 bis 6 wird der Dichtungsring 24 nach seiner Urformung und vor der Temperbehandlung mit der zur Bildung der ersten Dichtungseinheit 2a erforderlichen ringförmigen Haltestruktur 14 vereinigt. In entsprechender Weise erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel der 9 bis 12 eine Vereinigung des urgeformten Dichtungsringes 24 mit der zur Bildung der dritten Dichtungseinheit 2c erforderlichen Haltestruktur 14. Die jeweilige Haltestruktur 14 wird gemäß 4 und 10 unabhängig vom zugeordneten Dichtungsring 24 gefertigt. Zunächst liegt die Haltestruktur 14 also einzeln und unbestückt vor. Die Haltestruktur 14 wird durch ein übliches Formgebungsverfahren hergestellt, beispielsweise durch ein Blechbiegeverfahren, durch ein Gießverfahren oder durch ein spanabhebendes Verfahren.
Nachdem der Dichtungsring 24 und die Haltestruktur 14 unabhängig voneinander hergestellt wurden, werden sie gemäß 5 und 11 zur Bildung der ersten oder dritten Dichtungseinheit 2a, 2c miteinander vereinigt. Im Falle der ersten Dichtungseinheit 2a wird hierzu der Dichtungsring 24 durch den ringförmigen Schlitz 23 hindurch von innen her in den ringförmigen Aufnahmeraum 22 eingesetzt. Aufgrund der Gummielastizität des Dichtungsringes 24 ist dies problemlos möglich.
Der Dichtungsring 24 wird bei seiner Urformung so gestaltet, dass er radial innen einen ringförmigen inneren Dichtabschnitt 52 und einen am radialen Außenumfang liegenden ringförmigen äußeren Dichtabschnitt 53 aufweist. Beide Dichtabschnitte 52, 53 sind vorzugsweise wulstartig geformt. Im gemäß 5 zusammengebauten Zustand der ersten Dichtungseinheit 2a ragt der innere Dichtabschnitt 52 radial innen über die Haltestruktur 14 hinaus, während der äußere Dichtabschnitt 53 an der Innenfläche der Bodenwand 17 der Haltestruktur 14 anliegt.
Im Fall der dritten Dichtungseinheit 2c wird der gummielastische Dichtungsring 24 im Zusammenhang mit einer kurzzeitigen elastischen Aufweitung in die radial außen offene Haltenut 26 eingeschnappt.
Abgesehen von der exemplarisch insgesamt abweichenden Außenkontur wird auch der Dichtungsring 24 für die dritte Dichtungseinheit 2c mit einem ringförmigen inneren Dichtabschnitt 52 und einem ringförmigen äußeren Dichtabschnitt 53 ausgebildet. Im zu der dritten Dichtungseinheit 2c zusammengefügten Zustand ragt der äußere Dichtabschnitt 53 radial außen über die Haltestruktur 14 hinaus, während der innere Dichtabschnitt 52 am Nutgrund der Haltenut 26 anliegt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 7 und 8 besteht die zweite Dichtungseinheit 2b wie erwähnt ausschließlich aus dem gummielastischen Dichtungsring 24. Auch dieser wird exemplarisch bei der Urformung so gestaltet, dass er radial innen einen ringförmigen inneren Dichtabschnitt 52 und radial außen einen ringförmigen äußeren Dichtabschnitt 53 aufweist.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist der innere Dichtabschnitt 52 des Dichtungsringes 24 von einer radialen Innenumfangsfläche 54 und der äußere Dichtabschnitt 53 von einer radialen Außenumfangsfläche 55 begrenzt.
Für die endgültige Herstellung der ersten Dichtungseinheit 2a wird zur Bildung der Kalibrierbaugruppe 45 ein Kalibrierwerkzeug 44 verwendet, das dem Dichtungsring 24 an seiner radialen Innenumfangsfläche 54 eine ringförmige Soll-Dichtkontur 46 aufprägt. Da diese ringförmige Soll-Dichtkontur 46 radial innen liegt, wird sie im Folgenden auch als innere Soll-Dichtkontur 46a bezeichnet. Das Kalibrierwerkzeug 44 besteht hier beispielsweise aus einem außen kreiszylindrisch konturierten Kalibrierdorn 56, dessen Außenkontur der angestrebten inneren Soll-Dichtkontur 46a entspricht. Die erste Dichtungseinheit 2a wird zur Bildung der Kalibrierbaugruppe 45 koaxial auf den Kalibrierdorn 56 aufgesteckt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 9 bis 12 wird zur Bildung der Kalibrierbaugruppe 45 ein Kalibrierwerkzeug 44 verwendet, das dem Dichtungsring 24 an der radialen Außenumfangsfläche 55 die gewünschte ringförmige Soll-Dichtkontur 46 aufprägt, die im Folgenden auch als äußere Soll-Dichtkontur 46b bezeichnet wird. Als Kalibrierwerkzeug 44 wird hierbei vorzugsweise eine über eine kreiszylindrische Öffnung verfügende Kalibrierhülse 57 verwendet, deren Innenkontur der angestrebten äußeren Soll-Dichtkontur 46b entspricht. Zum Zusammenfügen der Kalibrierbaugruppe 45 wird die dritte Dichtungseinheit 2c koaxial in die Kalibrierhülse 57 eingesteckt.
Zur Bildung der zweiten Dichtungseinheit 2b wird ein Kalibrierwerkzeug 44 verwendet, das den Dichtungsring 24 sowohl an seiner radialen Innenumfangsfläche 54 eine innere Soll-Dichtkontur 46a als auch an seiner radialen Außenumfangsfläche 55 eine äußere Soll-Dichtkontur 46b aufprägt. Das Kalibrierwerkzeug 44 umfasst hierbei zweckmäßigerweise eine innere Werkzeugkomponente 44a und eine die innere Werkzeugkomponente 44a mit radialem Abstand umschließende äußere Werkzeugkomponente 44b. Exemplarisch ist die innere Werkzeugkomponente 44a von einem Kalibrierdorn 56 der vorstehend geschilderten Art gebildet, während die äußere Werkzeugkomponente 44b von einer Kalibrierhülse 57 der vorstehend geschilderten Art gebildet ist.
Zwischen den beiden Werkzeugkomponenten 44a, 44b ist ein im Querschnitt ringförmiger und exemplarisch insgesamt hohlzylindrischer Kalibrierraum 58 gebildet, in dem die zweite Dichtungseinheit 2b zur Bildung der Kalibrierbaugruppe 45 angeordnet ist. Die zweite Dichtungseinheit 2b ist koaxial auf den Kalibrierdorn 56 aufgeschoben und ist außerdem koaxial von der Kalibrierhülse 57 umschlossen. Die Außenumfangsfläche des die innere Werkzeugkomponente 44a bildenden Kalibrierdorns 56 und die Innenumfangsfläche der die äußere Werkzeugkomponente 44b bildenden Kalibrierhülse 57 definieren jeweils eine ringförmige Kalibrierfläche 47, an der der die zweite Dichtungseinheit 2b bildende Dichtungsring 24 mit seiner radialen Innenumfangsfläche 54 beziehungsweise mit seiner radialen Außenumfangsfläche 55 anliegt, sodass ihm dort jeweils eine ringförmige Soll-Dichtkontur 46 aufgeprägt wird, bei der es sich um eine innere Soll-Dichtkontur 46a und um eine äußere Soll-Dichtkontur 46b handelt.
Nach Abschluss der durch die Temperung hervorgerufenen Nachvernetzung wird die zweite Dichtungseinheit 2b von dem Kalibrierwerkzeug 44 getrennt und zur Herstellung des Ventils 1a in die Haltenut 26 des Antriebskolbens 27 eingesetzt. Dort übernimmt dann die äußere Soll-Dichtkontur 46b die Funktion der mit der Innenumfangsfläche der Ventilkammer 12 zusammenwirkenden ringförmigen Dichtkontur 10, während die innere Soll-Dichtkontur 46a die Funktion der mit dem Nutgrund der Haltenut 26 zusammenwirkenden weiteren ringförmigen Dichtkontur 25 übernimmt.
Bei dem anhand der 3 bis 6 und 9 bis 12 erläuterten Verfahrensablauf wird ersichtlich ein Kalibrierwerkzeug 44 verwendet, das, soweit der Dichtungsring 24 betroffen ist, nur auf einen der beiden ringförmigen Dichtabschnitte 52, 53 des Dichtungsringes 24 einwirkt. Bei der Herstellung der ersten Dichtungseinheit 2a ist dies der innere Dichtungsabschnitt 52 und bei der Herstellung der dritten Dichtungseinheit 2c der äußere Dichtabschnitt 53. Durch das Kalibrierwerkzeug 44 wird dann stets nur diesem einen inneren oder äußeren Dichtabschnitt 52, 53 eine ringförmige Soll-Dichtkontur 46 aufgeprägt.
Dadurch, dass bei der Herstellung der ersten und dritten Dichtungseinheit 2a, 2c der mit einer Temperbehandlung kombinierte Kalibriervorgang in einem Zustand des Dichtungsringes 24 erfolgt, in dem dieser Dichtungsring 24 mit einer ringförmigen Haltestruktur 14 zu einer Baugruppe zusammengefasst ist, wirkt sich die Kalibrierung auch auf den internen Dichtkontakt zwischen dem Dichtungsring 24 und der Haltestruktur 14 aus. Mit anderen Worten wird der Dichtungsring 24 durch das Kalibrierwerkzeug 44 derart an die ringförmige Haltestruktur 14 angedrückt, dass bei der ersten Dichtungseinheit 2a dem äußeren Dichtabschnitt 53 und bei der dritten Dichtungseinheit 2c dem inneren Dichtabschnitt 52 eine weitere ringförmige Soll-Dichtkontur 48 aufgeprägt wird, die bei der anschließenden bestimmungsgemäßen Verwendung der ersten oder dritten Dichtungseinheit 2a, 2c die Funktion der in den 1 und 2 gezeigten weiteren ringförmigen Dichtkontur 25 übernimmt.
Auf diese Weise werden nicht nur Toleranzen seitens des Dichtungsringes 24, sondern auch Toleranzen zwischen dem Dichtungsring 24 und der Haltestruktur 14 reduziert.
Wenn für das Polymermaterial ein thermoplastisches Elastomermaterial und insbesondere ein thermoplastisches Urethan verwendet wird, führt man die Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe 45 bevorzugt mit einer Temperatur von mindestens 100 Grad Celsius durch. Bei einem aus Kautschuk bestehenden Dichtungsring 24, insbesondere bei einem aus hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk bestehenden Dichtungsring 24, führt man die Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe 45 bevorzugt bei einer Temperatur durch, die in einem Bereich zwischen 170 Grad Celsius und 200 Grad Celsius liegt, wobei die Bereichsgrenzen eingeschlossen sind.
Für die Temperung selbst wird bevorzugt ein Temperofen 62 verwendet, der in den 6, 8 und 12 schematisch angedeutet ist. Der Temperofen 62 begrenzt einen Temperraum 63, der auf die gewünschte Vernetzungstemperatur aufgeheizt wird und in dem die Kalibrierbraugruppe 45 bis zur vollständigen Vernetzung des Polymermaterials platziert wird. Der Temperofen 62 ist bevorzugt als ein Umluftofen ausgeführt, sodass der die Kalibrierbaugruppe 45 gleichmäßig von Warmluft umströmt wird.
Prinzipiell kann jede Dichtungseinheit 2 zu ihrer nachvernetzenden Kalibrierung individuell mit einem Kalibrierwerkzeug 44 zu einer Kalibrierbraugruppe 45 zusammengefügt werden. Die Kalibrierung lässt sich allerdings wesentlich rationeller durchführen, wenn gleichzeitig mehrere ringförmige Dichtungseinheiten 2 mit ein und demselben Kalibrierwerkzeug 44 zu der Kalibrierbaugruppe 45 zusammengefügt werden. Bei der Anschließenden Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe 45 wird dann gleichzeitig eine Mehrzahl von Dichtungseinheiten 2 zwecks Durchführung der vollständigen Molekülvernetzung getempert.
Bei allen drei in der Zeichnung illustrierten Verfahrensabläufen beinhaltet die jeweilige Kalibrierbaugruppe 45 ein mit mehreren Dichtungseinheiten 2 kombiniertes Kalibrierwerkzeug 44. Bei den mit ein und demselben Kalibrierwerkzeug 44 zusammengefügten Dichtungseinheiten 2 handelt es sich vorzugsweise um gleichartige Dichtungseinheiten 2.
Die zur gleichen Kalibrierbaugruppe 45 gehörenden mehreren ringförmigen Dichtungseinheiten 2 sind innerhalb der Kalibrierbaugruppe 45 bevorzugt mit koaxialer Ausrichtung axial aufeinanderfolgend aneinandergereiht.
Durch das geschilderte Herstellungsverfahren können fertigungsbedingte Toleranzen reduziert werden, was unter anderem die Möglichkeit bietet, ein kostengünstiges Polymermaterial zu verwenden, das bei seiner bestimmungsgemäßen Verwendung wenig Reibung und Verschleiß verursacht, auch wenn dieses Polymermaterial grundsätzlich betrachtet bei seiner Verarbeitung größeren Toleranzen ausgesetzt ist. Bei dem angewendeten Kalibrierverfahren wird der gummielastische Dichtungsring 24 durch das Kalibrierwerkzeug 44 unter Ausbildung mindestens einer kalibrierten ringförmigen Soll-Dichtkontur 46, 48 in einen verpressten Zustand gebracht und dann für eine gewisse Zeit getempert. Bei diesem Temperungsprozess findet eine bewusste Nachvernetzung der Polymermoleküle statt, wodurch die Dichtungseinheit 2 auf den bestimmungsgemäßen Einbaufall in einem fluidtechnischen Gerät 1 gebracht wird. Nach der Temperung und der daraus resultierenden endgültigen Vernetzung des Polymermaterials behält der Dichtungsring 24 trotz seiner gummielastischen Eigenschaften die aufgeprägte Form bei.
Die Temperbehandlung kann sich im Prinzip zeitnah an die Urformung des Dichtungsringes 24 anschließen. Allerdings besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die urgeformten Dichtungsringe 24 für sich allein oder im zu einer Dichtungseinheit 2 zusammengefügten Zustand bei einer unterhalb der Vernetzungstemperatur liegenden Temperatur beliebig lange zwischenzulagern und erst zu einem geeigneten späteren Zeitpunkt und eventuell auch an einem ganz anderen Ort die Fertigstellung durch Bewirkung der vollständigen Vernetzung durchzuführen.
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

EP 0887559 B1 [0003]
DE 4439667 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer ringförmigen Dichtungseinheit (2), die zumindest aus einem gummielastischen Dichtungsring (24) besteht, wobei die Urformung des Dichtungsringes (24) durch Spritzgießen oder Formpressen eines Polymermaterials erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Dichtungseinheit (2) nach der Urformung des Dichtungsringes (24) und vor der vollständigen Vernetzung des Polymermaterials des Dichtungsringes (24) zusammen mit einem Kalibrierwerkzeug (44) zu einer Kalibrierbaugruppe (45) zusammengefügt wird, wobei das Kalibrierwerkzeug (44) so gestaltet ist, dass es dem Dichtungsring (24) mindestens eine ringförmige Soll-Dichtkontur (46) aufprägt, dass anschließend die Kalibrierbaugruppe (45) bis zur vollständigen Vernetzung des Polymermaterials des Dichtungsringes (24) einer Temperbehandlung unterzogen wird, und dass die ringförmige Dichtungseinheit (2) nach Abschluss der Temperbehandlung zu ihrer weiteren Verwendung von dem Kalibrierwerkzeug (44) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe (45) in einem Temperofen (62) erfolgt, in dem die Kalibrierbaugruppe (45) zur Durchführung der Temperbehandlung platziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe (45) mit einer Temperatur von mindestens 90 Grad Celsius durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymermaterial zur Urformung des Dichtungsringes (24) ein thermoplastisches Elastomermaterial (TPE) verwendet wird, wobei zweckmäßigerweise die Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe (45) mit einer Temperatur von mindestens 100 Grad Celsius durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymermaterial zur Urformung des Dichtungsringes (24) ein Kautschuk verwendet wird, insbesondere ein hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR), wobei zweckmäßigerweise die Temperbehandlung der Kalibrierbaugruppe (45) mit einer Temperatur durchgeführt wird, die einschließlich der Bereichsgrenzen im Bereich zwischen 170 Grad Celsius und 200 Grad Celsius liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dichtungseinheiten (2) zusammen mit ein und demselben Kalibrierwerkzeug (44) zu einer Kalibrierbaugruppe (45) zusammengefügt und anschließend gleichzeitig der Temperbehandlung unterzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibrierbaugruppe (45) ein Kalibrierwerkzeug (44) verwendet wird, das dem Dichtungsring (24) an seiner radialen Innenumfangsfläche (54) und/oder an seiner radialen Außenumfangsfläche (55) eine ringförmige Soll-Dichtkontur (46) aufzwingt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtungseinheit (2, 2b) hergestellt wird, die ausschließlich aus dem gummielastischen Dichtungsring (24) besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierwerkzeug (44) verwendet wird, das eine innere Werkzeugkomponente (44a) und eine die innere Werkzeugkomponente (44a) umschließende äußere Werkzeugkomponente (44b) aufweist, wobei zwischen den beiden Werkzeugkomponenten (44a, 44b) ein im Querschnitt ringförmiger Kalibrierraum (58) gebildet ist, in dem die nur aus dem Dichtungsring (24) bestehende Dichtungseinheit (2, 2b) angeordnet wird, sodass dem Dichtungsring (24) durch die innere Werkzeugkomponente (44a) eine ringförmige innere Soll-Dichtkontur (46, 46a) und durch die äußere Werkzeugkomponente (44b) eine ringförmige äußere Soll-Dichtkontur (46, 46b) aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtungseinheit (2, 2a, 2c) hergestellt wird, die zusätzlich zu dem Dichtungsring (24) eine den Dichtungsring (24) haltende formstabile ringförmige Haltestruktur (14) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Haltestruktur (14) mit einem U-förmigen Querschnitt bereitgestellt wird, der einen ringförmigen Aufnahmeraum (22) begrenzt, in dem der Dichtungsring (24) partiell aufgenommen und gehalten ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtungseinheit (2, 2a, 2c) hergestellt wird, bei der der Dichtungsring (24) radial innen oder radial außen mit einem ringförmigen Dichtabschnitt (52, 53) radial über die Haltestruktur (14) vorsteht, wobei ein Kalibrierwerkzeug (44) verwendet wird, das bei zusammengefügter Kalibrierbaugruppe (45) seitens des Dichtungsringes (24) nur auf den ringförmigen Dichtabschnitt (52, 53) einwirkt und diesem ringförmigen Dichtabschnitt (52, 53) eine ringförmige Soll-Dichtkontur (46) aufprägt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (24) bei zusammengefügter Kalibrierbaugruppe (45) durch das Kalibrierwerkzeug (44) derart an die ringförmige Haltestruktur (14) angedrückt wird, dass dem Dichtungsring (24) eine mit der ringförmigen Haltestruktur (14) zusammenwirkende weitere ringförmige Soll-Dichtkontur (48) aufgeprägt wird.
Fluidtechnisches Gerät, ausgebildet als Ventil (1a) oder fluidbetätigter Antrieb (1b), mit einer als Gerätegehäuse (3a) ausgebildeten ersten Gerätekomponente (3) und mit einer zweiten Gerätekomponente (4) in Gestalt eines relativ zu dem Gerätegehäuse (3a) beweglichen Bewegungsgliedes (4a), wobei mindestens eine der beiden Gerätekomponenten (3, 4) mindestens eine ringförmige Dichtungseinheit (2) aufweist, die mit einer ringförmigen Dichtkontur (10) eines gummielastischen Dichtungsringes (24) gleitverschieblich und zugleich radial dichtend an der anderen Gerätekomponente (4, 3) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine ringförmige Dichtungseinheit (2) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist, wobei ihre ringförmige Dichtkontur (10) von der bei der Durchführung des Verfahrens erzeugten ringförmigen Soll-Dichtkontur (46) gebildet ist.