DE10300027B4 - Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks sowie pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit zur Verwendung hierbei - Google Patents

Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks sowie pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit zur Verwendung hierbei Download PDF

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Abstract

Pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit mit einem in einem Zylinder (2) bewegbaren, einen mit Luft, Gas oder einem Luft-Gas-Gemisch befüllten Arbeitsraum (3) des Zylinders (2) begrenzenden Kolben (4), welcher mittels einer Dichtungseinheit (5) gegenüber dem Arbeitsraum (3) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Arbeitsraums (3) eine zumindest die Dichtungseinheit (5) abdeckende Fluidschicht (6) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks durch Druckbeaufschlagung eines Formhohlraums sowie auf eine pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit zur Verwendung bei dieser Vorrichtung.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Werkstücke durch ein IHU-Verfahren oder ein AHU-Verfahren (Innenhochdruckumformen bzw. Außenhochdruckumformen) umzuformen bzw. zu verformen.
  • Die bekannten Verfahren verwenden meist Wasser, welches unter hohem Druck entweder in ein doppelwandiges Werkstück oder in einen Formhohlraum eines Werkzeugs eingebracht wird. Durch entsprechenden Druck wird dabei das meist plattenförmige oder blechförmige Werkstück verformt.
  • Während die bekannten Verfahren bei bestimmten Werkstücken hervorragend einsetzbar sind, ergibt sich bei anderen Werkstücken der Nachteil, dass das Befüllen und Entleeren des Werkzeugs bzw. des Werkstücks einen relativ langen Zeitraum erfordert, so dass sich insgesamt lange Taktzeiten ergeben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Wirkmedium (beispielsweise Wasser) meist in die nachfolgenden Arbeitsgänge verschleppt wird, so dass sich Wasserreste an oder in dem Werkstück befinden können. Dies führt dazu, dass das Werkstück selbst zusätzlich gereinigt werden muss.
  • Wenn weiterhin trotz schneller oder abrupter Volumenänderungen exakte Druckverläufe zum Umformen erforderlich sind, führt die relativ hohe Inkompressibilität des Mediums (Wassers) zu entsprechend längeren Taktzeiten.
  • Zur Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile wurde auch be reits vorgeschlagen, die Verformung durch Einsatz von Luft oder Luft-Gas-Gemischen durchzuführen. Dabei ergibt sich jedoch der erhebliche Nachteil, dass sich gasförmige Medien bei der Kompression stark erwärmen. Dieses Phänomen ist aus den Druck-Temperatur-Volumen-Diagrammen bzw. aus dem Dieseleffekt bekannt und physikalisch beschrieben.
  • Als besonders nachteilig erweist es sich hinsichtlich der Erwärmung eines gasförmigen Wirkmediums, dass die zur Abdichtung von pneumatischen Kolben-Zylinder-Einheiten, wie beispielsweise Druckübersetzern, verwendeten Dichtungen durch die hohen Temperaturen beschädigt oder zerstört werden. Diese Zusammenhänge sind auch bei Hydraulikkreisläufen bekannt, wenn sich in dem Hydrauliköl Luft oder Luftblasen befinden. Im Extremfall kann der Temperaturanstieg, bedingt durch den Druckanstieg, so groß sein, dass die Dichtungen verbrennen. Bei Luftblasen können sich zündfähige Öl-Luft-Gemische bilden, bei deren Explosion hohe lokale Druckwellen auftreten, welche die Dichtungen zerstören.
  • Einen grundsätzlichen Aufbau einer derartigen Kolben-Zylinder-Einheit bei einem Druckübersetzer zeigt die DE 196 28 618 A1 .
  • Die DE 199 56 191 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verformen von Hohlkörper-Werkstücken aus Metall. Dabei wird das Werkstück mittels Öl oder mittels einer Wasser-Öl-Emulsion, welche erwärmt ist, verformt. Um eine unzulässige thermische Belastung einer Dichtung zu vermeiden, ist zum einen eine Isolierung zwischen einem Zylinder und einem Zwischenstück vorgesehen, zum anderen wird die Oberfläche einer Kolbenstange gekühlt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit sowie eine Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks durch Druckbeaufschlagung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Anwendbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und bei denen insbesondere vermieden wird, dass die Dichtungen thermisch zerstört oder beschädigt werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass bei einer pneumatischen Kolben-Zylinder-Einheit mit einem in einem Zylinder bewegbaren, einen Arbeitsraum des Zylinders begrenzenden Kolben, welcher mittels einer Dichtungseinheit gegenüber dem Arbeitsraum abgedichtet ist, im Bereich des Arbeitsraums eine zumindest die Dichtungseinheit abdeckende Fluidschicht angeordnet ist.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
  • Durch die Abdeckung der Dichtungseinheit mittels einer Fluidschicht wird vermieden, dass die zu komprimierenden Gase (Luft, Gase, Luft-Gas-Gemische) direkt mit der Dichtungseinheit oder den Dichtungen in Kontakt kommt. Durch das Fluid ergibt sich eine Isolierung, da bei den üblicherweise relativ kurzen Taktzeiten kein ausreichender Wärmeübergang zwischen der komprimierten Luft oder dem komprimierten Gas und dem Fluid erfolgen kann. Die Dichtungen der Dichtungseinheit bleiben somit ausreichend kühl. Beschädigungen durch thermische Einwirkungen können somit gänzlich vermieden werden.
  • Besonders günstig ist es, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit vertikal angeordnet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass stets eine ausreichend dicke Fluidschicht über der Dichtungseinheit angeordnet ist.
  • Die pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit kann beispielsweise Teil eines Druckübersetzers sein.
  • Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit bei einer Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks können bei Drücken von ca. 150 bar Temperaturen von über 1000 °C in der komprimierten Luft oder dem komprimierten Gas auftreten. Die erfindungsgemäß vorgesehene Fluidschicht schafft somit eine wirkungsvolle thermische Isolierung und verhindert Beschädigungen oder Zerstörungen der Dichtungseinheit bzw. von deren Dichtungen. Zusätzlich sichert die erfindungsgemäße Fluidschicht vor gegebenenfalls auftretenden explodierenden Luftbläschen. In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidschicht mit einem Fluidreservoir verbunden ist. Dieses kann über eine Zuleitung und eine Ableitung mit dem entsprechenden Bereich der Kolben-Zylinder-Einheit verbunden sein. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Fluidschicht (Sperrflüssigkeit) nach jedem Arbeitshub der Kolben-Zylinder-Einheit auszutauschen, indem neues Fluid (Flüssigkeit) über die Zuleitung zugeführt wird, während anderes Fluid über die Ableitung in das Fluidreservoir zurückgeführt wird. Durch entsprechende Anordnung der Zuleitung und der Ableitung kann sich automatisch ein entsprechendes Fluid-Niveau einstellen. Durch den Austausch des Fluids kann dieses in dem Fluidreservoir entsprechend gekühlt werden, so dass sich auch bei einer Vielzahl von Arbeitstakten der Kolben-Zylinder-Einheit keine oder nur eine unerhebliche Erwärmung des Fluids ergibt.
  • Zusätzlich ist es möglich, in dem Fluid ein Beruhigungssieb oder Ähnliches einzubringen, um Luftblasen schnell auszuperlen und um die Ausbildung von Turbulenzen in der Fluidschicht zu vermeiden.
  • Die Menge der Fluidschicht wird in günstiger Ausgestaltung der Erfindung so bemessen, dass der Kolben beim Ausfahren in den Arbeitsraum des Zylinders sowohl seitlich als auch stirnseitig noch vollständig mit dem Fluid bedeckt ist. Die Fluidmenge ist bevorzugter Weise so groß, dass der Kolben auch in seinem oberen Totpunkt von dem Fluid abgedeckt ist.
  • Das Fluid kann erfindungsgemäß entweder eine Emulsion, Öl und/oder Mischungen dieser sein. Dabei kann Mineralöl oder Synthetiköl verwendet werden.
  • Durch den Austausch des Fluids nach jedem Arbeitstakt ist es weiterhin möglich, insgesamt Wärme aus der Kolben-Zylinder-Einheit abzuführen und diese entsprechend zu kühlen.
  • Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Drucksensor im Bereich des Fluids in dem Arbeitsraum der Kolben-Zylinder-Einheit angeordnet ist. Der Drucksensor braucht somit nicht in dem Bereich des Arbeitsraumes vorgesehen zu sein, der bei der Komprimierung des Gases oder der Luft besonders stark erwärmt wird. Hierdurch wird der Drucksensor vor der Kompressionswärme geschützt.
  • Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit in einer Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks kann es günstig sein, den durch die Kolben-Zylinder-Einheit gebildeten Druckübersetzer mit einem definierten Druck vorzuspannen. Dies kann mittels eines Vorspann-Druckspeichers erfolgen. Dieser kann auch mit einem Wärmetauscher versehen sein, um die Luft zu temperieren (kühlen).
  • Es versteht sich, dass erfindungsgemäß mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten, d.h. mehrere Druckübersetzer bei einer Umformvorrichtung Verwendung finden können. Diese können parallel oder in Reihe geschaltet sein.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Teil-Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umformung eines Werkstückes unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit,
  • 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit in 1, und
  • 3 eine Darstellung analog 1 im Zustand der maximalen Druckaufbringung.
  • In den 1 und 2 ist jeweils ein Druckübersetzer gezeigt, der eine Kolben-Zylinder-Einheit 1 gemäß der Erfindung umfasst. Diese weist einen Zylinder 2 auf, der mit einem Arbeitsraum 3 versehen ist. In diesem ist ein Kolben 4 bewegbar, der gegenüber dem Zylinder 2 mittels einer Dichtungseinheit 5 abgedichtet ist.
  • Stirnseitig ist der Arbeitsraum 3 mit einer Leitung 16 verbunden, um komprimiertes Gas bzw. komprimierte Luft über ein Mehrwegeventil einem Werkzeug 17 zuzuführen. Dieses kann zweiteilig ausgebildet sein, so dass zwischen seinen beiden Teilen ein Formhohlraum 12 gebildet wird, in welchem ein Werkstück 11 angeordnet ist. Das Werkstück 11 kann einwandig sein, so dass es durch einen Außenhochdruckumformprozess (AHU-Prozess) verformt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, das Werkstück 11 doppelwandig auszubilden, um dieses durch einen Innenhochdruckumformprozess (IHU-Prozess) umzuformen. Es ist beispielsweise auch möglich, das erfindungsgemäße Werkzeug zum Biegen von Rohren zu verwenden. Die Ausgestaltungen der Werkzeuge und der Werkstücke sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass auf weitere Erläuterungen an dieser Stelle verzichtet werden kann.
  • Über eine Leitung 18 und ein Mehrwegeventil kann das komprimierte Gas/Luft einem Schalldämpfer 15 zugeleitet und durch diesen abgeführt werden.
  • Mittels einer weiteren Leitung 19 ist es möglich, die Leitung 16 mit einem Vorspann-Druckspeicher 13 zu verbinden, der zusätzlich mit einem Wärmetauscher 14 versehen sein kann. Hierdurch ist es möglich, das gesamte System entsprechend vorzuspannen.
  • Wie sich insbesondere aus der Darstellung der 2 ergibt, ist im unteren Bereich des Arbeitsraums 3 eine Fluidschicht 6 ausgebildet, welche in entsprechender Weise die Dichtungseinheit 5 der Kolben-Zylinder-Einheit abdeckt. In 2 ist beispielhaft eine Dichtung 20 der Dichtungseinheit 5 dargestellt. Weiterhin zeigt die 2 eine weitere Dichtung 21, die zur Abdichtung von Gehäuseteilen des Zylinders 2 dient.
  • Die 2 verdeutlicht weiterhin die Anordnung einer Zuleitung 8 sowie einer Ableitung 9. Diese Leitungen 8, 9 sind auch in den 1 und 3 dargestellt, sie führen jeweils zu einem Fluidreservoir 7. Die Darstellungen zeigen weiterhin entsprechende Mehrwegeventile, Rückschlagventile, eine Pumpe 22 sowie einen Filter 23.
  • In 2 ist ebenfalls ersichtlich, dass in dem durch die Fluidschicht 6 eingenommenen unteren Bereich des Arbeitsraumes 3 ein Beruhigungssieb 10 angeordnet ist, um Luftblasen abzuführen und Turbulenzen des Fluids zu verhindern.
  • Wie die 1 und 3 zeigen, umfasst der durch die Kolben-Zylinder-Einheit gebildete Druckübersetzer einen weiteren Kolben 25 mit einer Kolbenstange 26. Der Kolben 25 ist doppelt wirkend ausgebildet und ist durch entsprechende Zuführung und Ableitung des Arbeitsfluids, welches von der Pumpe 24 gefördert wird, reziprok in einem Arbeitsraum 27 eines Zylinders 28 bewegbar. In entsprechender Weise ergibt sich, wie aus dem Stand der Technik bekannt, die Wirkung eines Druckübersetzers.
  • Am unteren Bereich des Druckübersetzers kann weiterhin ein Längenmesssystem 29 vorgesehen sein. Durch dieses kann die Position des Kolbens 4 in Relation zum jeweiligen Innendruck in dem Arbeitsraum 3 gesetzt werden. Diesem Ist-Druckverlauf kann eine Toleranzkurve zugeordnet werden, bei deren unzulässiger Abweichung eine Störmeldung erfolgt. Hierdurch wird ein automatisierter Betrieb der Kolben-Zylinder-Einheit möglich.
  • Ein Vergleich der 1 und 3 ergibt, dass die 1 die Kolben-Zylinder-Einheit (d.h. den Druckübersetzer) im nicht druckbeaufschlagten Ausgangszustand zeigt, in welchem der Kolben (4) vollständig bis an seinen unteren Totpunkt zurückgefahren ist. Durch entsprechende Druckbeaufschlagung des unteren Zylinders (28) wird der Kolben (4) zur Komprimierung der Luft in dem Arbeitsraum (3) nach oben geschoben, so wie dies in 3 dargestellt ist.
    • 1
    Kolben-Zylinder-Einheit
    2
    Zylinder
    3
    Arbeitsraum
    4
    Kolben
    5
    Dichtungseinheit
    6
    Fluidschicht
    7
    Fluidreservoir
    8
    Zuleitung
    9
    Ableitung
    10
    Beruhigungssieb
    11
    Werkstück
    12
    Formhohlraum
    13
    Vorspann-Druckspeicher
    14
    Wärmetauscher
    15
    Schalldämpfer
    16
    Leitung
    17
    Werkzeug
    18
    Leitung
    19
    Leitung
    20
    Dichtung
    21
    Dichtung
    22
    Pumpe
    23
    Filter
    24
    Pumpe
    25
    Kolben
    26
    Kolbenstange
    27
    Arbeitsraum
    28
    Zylinder
    29
    Längenmesssystem

Claims (14)

  1. Pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit mit einem in einem Zylinder (2) bewegbaren, einen mit Luft, Gas oder einem Luft-Gas-Gemisch befüllten Arbeitsraum (3) des Zylinders (2) begrenzenden Kolben (4), welcher mittels einer Dichtungseinheit (5) gegenüber dem Arbeitsraum (3) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Arbeitsraums (3) eine zumindest die Dichtungseinheit (5) abdeckende Fluidschicht (6) angeordnet ist.
  2. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese vertikal angeordnet ist.
  3. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidschicht (6) mit einem Fluidreservoir (7) verbunden ist.
  4. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidschicht (6) mit dem Fluidreservoir (7) über eine Zuleitung (8) und eine Ableitung (9) verbunden ist.
  5. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Fluidschicht (6) so bemessen ist, dass der Kolben (4) bis einschließlich zu seinem oberen Totpunkt mit Fluid bedeckt ist.
  6. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser, Öl, eine Emulsion und/oder Mischungen dieser umfasst.
  7. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zumindest teilweise nach jedem Hub des Kolbens (4) in das Fluidreservoir (7) rückführbar und durch Fluid aus dem Fluidreservoir (7) ersetzbar ist.
  8. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fluid ein Beruhigungssieb (10) angeordnet ist.
  9. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor im Bereich des Fluids in dem Arbeitsraum (3) angeordnet ist.
  10. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Teil eines Druckübersetzers bildet.
  11. Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks (11) durch Druckbeaufschlagung eines Formhohlraums (12) mit Luft, Gas oder einem Luft-Gas-Gemisch, wobei der Formhohlraum (12) mit mindestens einer Druckquelle verbunden ist, welche eine pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsraum (3) und/oder der Formhohlraum (12) mit einem Vorspann-Druckspeicher (13) verbunden ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (13) mit einem Wärmetauscher (14) versehen ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum (12) mit einer mit einem Schalldämpfer (15) versehenen Ableitung (18) verbunden ist.
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