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Die
Erfindung betrifft einen Antrieb für eine Spritzgießmaschine
zum Verfahren einer bewegbaren Formaufspannplatte relativ zu einer
stationären Formaufspannplatte
und zum Erzeugen einer Schließkraft.
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Bisher
wird die bewegbare Formaufspannplatte hydraulisch betätigt. Hierzu
dient ein zentrales Hydrauliksystem, das Antriebszylinder unterschiedlichen
Durchmessers beaufschlagt. Antriebszylinder mit kleinem Durchmesser
dienen dazu, die Fahrbewegung zu erzeugen, die mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird
und dabei nur eines geringen Kraftaufwands bedarf. Antriebszylinder
mit großem Durchmesser
hingegen erzeugen die Schließkraft, die
größenordnungsmäßig das
zehnfache der Verfahrkraft beträgt.
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Derartige
bekannte Antriebe haben sich in der Praxis bewährt. Allerdings wurde gefunden,
daß ihr
Wirkungsgrad verbesserungsfähig
ist.
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Aus
der
DE 101 21 024
A1 ist ferner ein Antrieb für eine Spritzgießmaschine
bekannt, bei dem elektromotorisch betätigte Spindeln dazu dienen,
ein Zwischenbauteil, welches die bewegbare Formaufspannplatte lagert,
an die stationäre
Formaufspannplatte heranzufahren. Ist dies geschehen, wird das Zwischenbauteil
mit der stationären
Formaufspannplatte verriegelt. Bei einer Weiterbewegung der Spindeln
wirken diese auf einen Druckverstärker ein, der zwischen dem
Zwischenbauteil und der bewegbaren Formaufspannplatte arbeitet.
Der Druckverstärker
erzeugt die Schließkraft,
wobei diese nicht über
die Spindeln abgeleitet wird, sondern über die Verriegelungselemente,
die das Zwischenbauteil in der Schließstellung mit der stationären Formaufspannplatte
verbinden. Die bekannte Konstruktion ist aufwendig und gestattet
aufgrund der hydraulischen Steuerung der Fahrbewegungen keine exakte
Zwischenpositionierung der bewegbaren Formaufspannplatte.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb mit erhöhtem Wirkungsgrad
bei einfacher und exakt arbeitender Konstruktion zu schaffen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist der eingangs genannte Antrieb erfindungsgemäß folgende Merkmale
auf:
- – mindestens
eine Spindel und mindestens eine zugehörige Spindelmutter, wobei die
beiden Formaufspannplatten jeweils ein axiales Widerlager für die Spindel
bzw. die Spindelmutter bilden,
- – einen
Elektromotor zum Erzeugen einer Relativdrehung zwischen der Spindel
und der Spindelmutter,
- – eine Übertragungseinrichtung
zum Erzeugen und zum form- oder
kraftschlüssigen
Einleiten der Schließkraft
in die Spindel und
- – einen
Elektromotor oder einer externen Speis- oder Druckhaltepumpe zum
Betätigen
der Übertragungseinrichtung.
Elektroantriebe arbeiten sehr verlustarm. Dies ist unter anderem
darauf zurückzuführen, daß sich ihr
Energieverbrauch auf den tatsächlichen
Motorbetrieb beschränkt.
Im übrigen
arbeiten sie mit einem niedrigen Geräuschpegel. Hinzu kommt ihre
geringe Umweltbelastung.
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Vor
allen Dingen ist der erfindungsgemäße elektromechanische Antrieb äußerst positionsgenau. Es
treten keine die Genauigkeit beeinträchtigenden Temperatureinflüsse auf.
Auch ist kein Losbrechmoment zu überwinden.
Insbesondere Zwischenpositionen lassen sich sehr exakt ansteuern.
Dabei ist auch eine Bewegungsreversierung problemlos möglich.
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Bei
Spindelantrieben spielt die Gewindesteigung eine wesentliche Rolle.
Je größer die
Steigung, desto größer die
Geschwindigkeit der aus einer vorgegebenen Drehbewegung resultierenden
Linearbewegung und desto kleiner die aus einem vorgegebenen Drehmoment
resultierende Linearkraft. Beim Betätigen einer bewegbaren Formaufspannplatte
ist man bestrebt, sowohl eine hohe Verfahrgeschwindigkeit als auch
eine große
Schließkraft
zur Verfügung zu
haben. Immerhin arbeiten Spritzgießmaschinen mit Schließkräften von
bis zu 1000 kN und mehr.
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Die Übertragung
großer
Kräfte
ist bei Spindelantrieben insbesondere dann problematisch, wenn,
wie es hier im Hinblick auf eine verlustarme Fahrbewegung bevorzugt
ist, mit einem Spindelantrieb gearbeitet wird, dessen Spindelmutter
reibungsarm an die Spindel angekoppelt ist, beispielsweise unter
Zwischenschaltung von Kugeln oder Gewinderollen. Die Gewindegänge liegen
nicht mehr flächig aneinander
an, sondern stehen in Punkt- oder Linienberührung miteinander. Entsprechende
Schwierigkeiten können
bei dem erfindungsgemäßen Antrieb nicht
auftreten, da der Eingriff zwischen Spindel und Spindelmutter lediglich
die Verfahrbewegung bewirkt, nicht aber zur Erzeugung der Schließkraft dient.
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Mit
dem Antrieb nach der Erfindung gelingt es, beiden an sich gegenläufigen Parametern
gerecht zu werden. Die Spindel kann mit sehr großer Steigung ausgebildet sein
und dementsprechend hohe Fahrgeschwindigkeiten ermöglichen,
da die Spindelmutter freigehalten wird von der Übertragung der hohen Schließkraft.
Hierzu dient die Übertragungseinrichtung,
die form- oder kraftschlüssig
an der Spindel angreift und die Schließkraft in die Spindel einleitet,
wobei auch hierzu kein pumpengetriebenes Hydrauliksystem dient,
sondern ein Elektromotor mit allen seinen Vorteilen.
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Dabei
kann der Spindeldurchmesser klein gehalten werden. Wollte man die
Schließkraft über die
Spindelmutter erzeugen, so wäre
selbst bei relativ kleiner Gewindesteigung, also relativ geringer
Fahrgeschwindigkeit, und bei relativ moderater Schließkraft ein überdimensional
großer
Spindeldurchmesser erforderlich.
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Sofern
die Schließkraft
von der Übertragungseinrichtung
formschlüssig
in die Spindel eingeleitet wird, müssen Mittel vorgesehen sein,
die die Fertigungstoleranzen der Formaufspannplatten und der Formhälften ausgleichen.
In der Regel wird man die Spindel axial verstellbar mit derjenigen
Formaufspannplatte verbinden, die das Widerlager für die Spindel
bildet.
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Die
Erfindung ist anwendbar unabhängig
davon, ob die Drehbewegung in die Spindel oder in die Spindelmutter
eingeleitet wird, und auch unabhängig davon,
ob die bewegbare Formaufspannplatte gegen die stationäre Formaufspannplatte
gezogen oder gedrückt
wird. Bei Zweiplattenmaschinen, für die die Erfindung insbesondere
vorgesehen ist, wird die bewegbare Formaufspannplatte gegen die
stationäre Formaufspannplatte
gezogen.
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Bei
dem Antrieb nach der Erfindung werden die Bewegungs- und Zuhaltekräfte über gesonderte Aktuatoren
erzeugt, nämlich
zum einen über
den Spindelantrieb und zum anderen über die Übertragungseinrichtung. Beide
Kräfte
wirken auf die gemeinsame, als Zug- oder Druckstange arbeitende Spindel
ein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Übertragungseinrichtung zwischen
der Spindelmutter und dem axialen Widerlager der Spindel an letzterer
angreift. Das Gewindesegment der Spindel wird also nicht durch die
hohe Zuhaltekraft strapaziert. Letztere wirkt lediglich auf den
glatten, zylindrischen Schaft der Spindel ein, der wenig rißempfindlich
ist. Dies ist für
die bekanntermaßen
problematische Gestaltung dauerfester Holme von nicht zu unterschätzender
Bedeutung.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es ohne weiteres möglich, zum Betätigen der Übertragungseinrichtung
einen gesonderten Elektromotor einzusetzen. Wesentlich vorteilhafter
hingegen ist es, einen gemeinsamen Elektromotor vorzusehen, der
die Relativdrehung zwischen der Spindel und der Spindelmutter erzeugt
sowie die Übertragungseinrichtung betätigt.
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Dazu
wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Übertragungseinrichtung
folgende Merkmale aufweist:
- – ein mit
der Spindel in form- oder kraftschlüssigen Eingriff bringbares Übertragungselement,
- – einen
ersten Zylinder, dessen Kolben an der Spindelmutter abgestützt ist,
- – einen
zweiten Zylinder, dessen Kolben einen größeren Querschnitt als der Kolben
des ersten Zylinders aufweist und an dem Übertragungselement abgestützt ist,
und
- – eine
die beiden Zylinder verbindende Fluidleitung, insbesondere Flüssigkeitsleitung.
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Beim
Schließen
der Form fährt
der Spindeltrieb die bewegbare Formaufspannplatte mit hoher Geschwindigkeit
auf die stationäre
Formaufspannplatte zu und bringt die beiden Formhälften sanft
miteinander in Eingriff. Der Elektromotor läuft weiter und setzt dadurch
die Relativbewegung zwischen der Spindelmutter und der Spindel fort.
Dabei drückt
die Spindelmutter den an ihr anliegenden Kolben in den ersten Zylinder
und erzeugt in diesem einen Flüssigkeitsdruck,
der dazu ausgenutzt wird, das Übertragungselement
in form- oder kraftschlüssigen
Eingriff mit der Spindel zu bringen. Außerdem wird der im ersten Zylinder
erzeugte Druck über
die Flüssigkeitsleitung
in den zweiten Zylinder eingeleitet. Da dessen Kolben einen größeren Querschnitt
als der Kolben den ersten Zylinders aufweist, erfolgt eine Kraftübersetzung,
wobei der Kolben des zweiten Zylinders die verstärkte Kraft auf das Übertragungselement
einwirken läßt. Da dieses
form- oder kraftschlüssig mit
der Spindel verbunden ist, wird die verstärkte Kraft als Schließkraft in
die Spindel eingeleitet.
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Die
zum Verfahren benötigte,
in Achsrichtung der Spindel wirkende Kraft beträgt ca. 10% der Schließkraft.
Die Anordnung ist so getroffen, daß diese Verfahrkraft ausreicht,
die Schließkraft
zu erzeugen. In der Hochdruckphase wird also der Gewindeeingriff
zwischen der Spindel und der Spindelmutter nicht wesentlich stärker belastet
als in der Verfahrphase.
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Für die Füllung der
beiden Zylinder und der Fluidleitung kommt grundsätzlich jedes
Fluid infrage. Flüssigkeiten
sind allerdings vorzuziehen, da kompressible Gase für den Druckaufbau
relativ lange Fahrwege benötigen.
Auch unter den Flüssigkeiten wird
man bevorzugt solche mit geringer Kompressibilität wählen, insbesondere Wasser,
sofern für
einen ausreichenden Korrosionsschutz gesorgt werden kann. Zu erwähnen sind
ferner Hydraulikflüssigkeiten,
Silikon u. dgl.
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Hervorzuheben
ist, daß die
Erfindung nicht mit einem Hydrauliksystem konventioneller Bauart arbeitet.
Es wird keine Hydraulikpumpe benötigt,
und auch die permanente Aufrechterhaltung eines Systemdrucks entfällt. Aufgrund
der konstruktiv extrem einfachen Verhältnisse können Leckverluste praktisch
vernachlässigt
werden.
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Ein
weiteres vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß in der Fluidleitung ein Halteventil
angeordnet ist und daß eine
das Halteventil umgehende Bypaßleitung
vorgesehen ist, die ein in Richtung auf den ersten Zylinder öffnendes
Entlastungsventil enthält.
Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das Übertragungselement in form-
oder kraftschlüssigen Eingriff
mit der Spindel gelangt ist, bevor über eine Beauf schlagung des
Kolbens des zweiten Zylinders die Schließkraft aufgebaut wird.
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Vorteilhafterweise
ist eine Einrichtung zum Befüllen
der Zylinder vorgesehen, wobei diese Einrichtung eine mit einem
Reservoir verbundene Pumpe aufweist, die über ein Rückschlagventil zwischen dem
ersten Zylinder und dem Halteventil an die Flüssigkeitsleitung angeschlossen
ist.
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Grundsätzlich unterliegt
die Ausbildung der Zylinder und der Kolben keinerlei Restriktionen.
Wird mit mehreren ersten und zweiten Zylindern gearbeitet, so können diese
ringförmig
um die Spindel herum angeordnet werden. Besonders vorteilhaft ist
es hingegen, die Zylinder und Kolben als konzentrisch zur Spindel
angeordnete Ringzylinder bzw. -kolben auszubilden.
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Konstruktiv
besonders günstige
Verhältnisse ergeben
sich dadurch, daß das Übertragungselement
den ersten Zylinder bildet. Dabei besteht ein besonders vorteilhaftes
Merkmal darin, daß die
Innenwand des vom Übertagungselement
gebildeten ersten Zylinders als form- oder kraftschlüssige Verriegelungs-
bzw. Klemmhülse
ausgebildet ist.
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Die
Spindelmutter ist vorzugsweise einerseits in der zugehörigen Formaufspannplatte
und andererseits auf dem Kolben des ersten Zylinders gelagert. Dabei
wird zumindest auf der Seite des Kolbens mit einem Radial/Axiallager
gearbeitet, um die Kraftübertragung
auf den Kolben sicherzustellen. Auf der Seite der Formaufspannplatte
gestattet die Lagerung eine axiale Relativverschiebung.
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Ein
weiteres bevorzugtes Merkmal besteht darin, daß die Spindelmutter der stationären Formaufspannplatte
zugeordnet ist und von dem zugehörigen
Elektromotor angetrieben wird. Die Spindel ist dabei – ggf. axial
verstellbar – drehfest
an der bewegbaren Formaufspannplatte verankert. Es ergeben sich
sehr günstige
kinematische Verhältnisse,
da die Spindelmutter naturgemäß einen
größeren Durchmesser
als die Spindel aufweist. Dabei ist die Spindelmutter vorzugsweise über einen
Zahnriemen mit dem zugehörigen
Elektromotor verbunden. Ein Zahnriemen gestattet gewisse seitliche
Bewegungen der als Zahnscheibe wirkenden Spindelmutter, wie sie auftreten,
wenn die Spindelmutter die Schließkraft erzeugt und die Spindel
sich unter der Wirkung der Schließkraft dehnt.
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Grundsätzlich reicht
einzentraler Spindelantrieb zum Verfahren der bewegbaren Formaufspannplatte
aus. In der Regel jedoch wird man mit mehreren Spindelantrieben
arbeiten. Dabei ist es dann vorteilhaft, einen gemeinsamen Elektromotor
für mehre Spindeln/Spindelmuttern
vorzusehen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, bei Verwendung mehrerer Spindeln/Spindelmuttern
die zugehörigen Antriebe
gegenläufig
arbeiten zu lassen. Diesem Merkmal liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß die
Spindeln die Tendenz haben, als Torsionsstäbe zu wirken. Bei gleichgerichteten
Antrieben besteht daher die Gefahr, daß die bewegbare Formaufspannplatte
gekippt wird, wodurch ein korrekter Formschließvorgang behindert werden kann.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
in:
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1 einen
axialen Teilschnitt durch einen Antrieb nach der Erfindung:
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2 eine
schematische Stirnansicht des Antriebs nach 1.
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1 zeigt
eine bewegbare Formaufspannplatte 1 und eine stationäre Formaufspannplatte 2, die über eine
Spindel 3 miteinander verbunden sind. Die Spindel 3 ist
in der bewegbaren Formaufspannplatte 1 verankert und arbeitet
mit einer Spindelmutter 4 zusammen, die der stationären Formaufspannplatte 2 zugeordnet
ist.
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Die
Spindelmutter 4 ist als Zahnscheibe ausgebildet und arbeitet
mit einem Zahnriemen 5 zusammen, der von einer Zahnscheibe 6 (2)
eines nicht dargestellten Elektromotors angetrieben wird. 2 zeigt
ferner, daß der
Elek tromotor zum gleichzeitigen Antreiben von zwei Spindeltrieben
dient.
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An
der Spindelmutter 4 stützt
sich unter Zwischenschaltung eines Radial/Axiallagers 7 ein
Kolben 8 eines ersten Zylinders 9 ab. Der erste
Zylinder 9 wird von einem Übertragungselement 10 gebildet. Er
steht über
eine Flüssigkeitsleitung 11 mit
einem zweiten Zylinder 12 in Verbindung, dessen Kolben 13 einen
größeren Querschnitt
als der Kolben 8 aufweist. Der Kolben 13 des zweiten
Zylinders 12 stützt sich
an dem Übertragungselement 10 ab.
Dessen Zylinder 9 weist eine Innenwand 14 auf,
die aufgrund ihrer Dünnwandigkeit
als Klemmhülse
mit der Spindel 3 zusammenwirkt.
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In
der Flüssigkeitsleitung 11 ist
ein Halteventil 15 angeordnet. Ferner ist eine das Halteventil 15 umgehende
Bypaßleitung 16 vorgesehen,
die ein in Richtung auf den ersten Zylinder 9 öffnendes
Entlastungsventil 17 enthält.
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Bei
der vorliegenden Spritzgießmaschine handelt
es sich um eine Zweiplattenmaschine. Zum Schließen der Form wird also die
bewegbare Formaufspannplatte 1 gegen die stationäre Formaufspannplatte 2 gezogen.
Eine relativ große
Gewindesteigung der Spindel 3 und der Spindelmutter 4 sorgt
dafür,
daß die
Fahrbewegung mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird.
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Nach
dem Schließen
der Form dreht sich die Spindelmutter 4 weiter und wandert
dabei nach links in 1, wobei sie den Kolben 8 des
ersten Zylinders 9 mitnimmt. Um diese Bewegung zu ermöglichen,
ist die Spindelmutter 4 über ein verschiebliches Radial/Axiallager 18 in
der stationären
Formaufspannplatte gelagert.
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Die
nach links gerichtete Bewegung des Kolbens 8 erhöht den Druck
im ersten Zylinder 9 und damit die auf dessen Innenwand 14 einwirkende Klemmkraft.
Das Übertragungselement 10 wird
also gegen die Spindel 3 kraftschlüssig verspannt. Sobald die
Verspannung ein ausreichendes Maß erreicht hat, öffnet das
Halteventil 15 und setzt den zweiten Zylinder 12 unter
den vom Kolben 8 ausgeübten Druck.
Aufgrund des Flächenverhältnisses
der beiden Kolben 8 und 13 erzeugt der Kolben 13 eine
entsprechend größere Kraft,
die auf das Übertragungselement 10 einwirkt.
Da letztere kraftschlüssig
mit der Spindel 3 verriegelt ist, wird diese Kraft als
Schließkraft
in die Spindel 3 eingeleitet.
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Sobald
die Spindelmutter 4 in Gegenrichtung gedreht wird, sinkt
der Druck im ersten Zylinder 9, woraufhin das Entlastungsventil 17 öffnet und
den Zylinder 12 drucklos schaltet. Gleichzeitig wird die kraftschlüssige Verbindung
zwischen dem Übertragungselement 10 und
der Spindel 3 gelöst.
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Zur
Erzeugung dieser kraftschlüssigen
Verbindung und zum Aufbringen der Schließkraft bedarf es einer Antriebsenergie,
die nur geringfügig über derjenigen
für das
Verfahren der bewegbaren Formaufspannplatte 1 liegt. Dennoch
lassen sich Schließkräfte erzeugen,
die das zehnfache der für
die Fahrbewegung erforderlichen Linearkraft betragen. Die Schließkraft wird
nicht über
die Spindelmutter 4, sondern über das Übertragungselement 10 in
die Spindel 3 eingeleitet. Die Kopplung zwischen der Spindel 3 und
der Spindelmutter 4 kann also reibungsarm gestaltet sein
(Zwischenschaltung von Kugeln oder Gewinderollen), was in Verbindung
mit der flachen Gewindesteigung die Fahrbewegung der bewegbaren Formaufspannplatte 1 fördert.
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Zum
Befüllen
der beiden Zylinder 9 und 12 sowie zum Ausgleich
von ohnehin nur geringfügig auftretenden
Leckverlusten dient eine Pumpe 18', die unter Zwischenschaltung eines
Rückschlagventils 19 mit
der Flüssigkeitsleitung 11 verbunden
ist, und zwar zwischen dem ersten Zylinder 9 und dem Halteventil 15.
Im vorliegenden Fall ist die Pumpe 18' an die Bypaßleitung 16 angeschlossen.
Sie steht mit einem Reservoir 20 in Verbindung und wird
von einem Elektromotor 21 betrieben.
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Die
Pumpe 18' dient
nicht zur Aufrechterhaltung eines Systemdrucks, sondern wird nur
in den seltenen Fällen
zugeschaltet, wenn Flüssigkeit
in das System eingefüllt
werden soll.
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Wie
erwähnt,
handelt es sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Zweiplattenmaschine,
bei der die Spindel 3 während
des Formschließvorganges
von links nach rechts wandert. Die Wirkrichtung des Kolbens 8 weist
zwangsläufig
in die Gegenrichtung, während
die Schließkraft
wiederum durch eine Bewegung des Kolbens 13 von links nach rechts
erzeugt wird.
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Sofern
die bewegbare Formaufspannplatte 1 gegen die stationäre Formaufspannplatte 2 gedrückt wird,
kehren sich die Wirkrichtungen der Kolben entsprechend um.
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Im
Rahmen der Erfindung sind vielfältige
Abwandlungsmöglichkeiten
gegeben.
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Vor
allen Dingen kann die Übertragungseinrichtung,
die die Schließkraft
in die Spindel einleitet, anders gestaltet sein. Anstelle der dargestellten Klemmhülse kann
eine Verriegelungshülse
oder auch ein andersartiges Verriegelungselement vorgesehen sein,
das vor Erzeugung der Schließkraft
formschlüssig
in die Spindel eingreift oder einen Spindelansatz hintergreift.
Die Erzeugung der Schließkraft
ist dabei an eine vorgegebene Position der Spindel gebunden. Zum
Ausgleich etwaiger Fertigungstoleranzen wird man die Spindel in
Axialrichtung variabel mit der zugeordneten Formaufspannplatte verbinden.
Bleibt man beim Konzept der Klemmhülse, kann die Klemmkraft auch
anders als durch den Flüssigkeitsdruck
erzeugt werde, beispielsweise durch konischen Angriff eines Betätigungselements.
Die Klemmhülse
wirkt vorzugsweise zumindest mit einem wesentlichen Teil ihrer Länge auf
einen glatten Spindelabschnitt ein. Dies stellt jedoch keine zwingende
Voraussetzung dar. Vielmehr kann sich die Klemmhülse auch gegen den Gewindeabschnitt
der Spindel verspannen.
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Insbesondere
besteht die Möglichkeit,
der Übertragungseinrichtung
einen gesonderten Elektromotor zuzuordnen. Die Übertragungseinrichtung kann
unter diesen Umständen
eine zweite Spindelmutter aufweisen, wobei das zugehörige Gewinde eine
kleinere Steigung besitzt und wobei auf zusätzliche Wälzelemente zur Verminderung
der Reibungsverluste verzichtet wird.
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Im übrigen kann
die Zuhaltekraft auch über eine
externe Speise- oder Druckhaltepumpe erzeugt werden. Der Vorteil,
die Verfahrbewegung und die Schließkraft über gesonderte Aktuatoren zu
bewirken, bleibt auch bei dieser Version erhalten.
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Schließlich sei
erwähnt,
daß die Übertragungseinrichtung
auch jenseits der Spindelmutter an der Spindel angreifen kann. Allerdings
wird dann das Gewindesegment der Spindel der Zuhaltekraft unterworfen,
was aus Festigkeitsgründen
weniger günstig ist.