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Hydraulische überlastsicherung Die Erfindung bezieht sich auf eine
hydraulische Überlastsicherung für mechanische Pressen mit in einem Zylinder geführten,
beidseitig durch Druckmittel beaufschlagten ersten Kolben und einem in einem Zylinder
geführten zweiten Kolben, der bei auftretender Überlastung durch seine Verschiebung
auf der einen Seite des ersten Kolbens in dessen Zylinder einen Druckanstieg bewirkt,
durch den der erste Kolben entgegen der Druckwirkung auf seiner Gegenseite eine
Verschiebung erfährt.
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Mechanische Pressen sind infolge der Kniehebelwirkung ihres Kurbelantriebes
im unteren Totpunkt der Stößelbewegung bekanntlich leicht zu überlasten. Es finden
daher überlastsicherungen Anwendung, die auf die höchstzulässige Nennbelastung eingestellt
sind und einen höheren Kraftanstieg bei der Stößelbewegung verhindern. Dieses kann
durch mechanische oder hydraulische Elemente geschehen, die beispielsweise zwischen
Antriebs- und Arbeitsstößel eingebaut sind und bei Überlastung einknicken oder zusammenbrechen,
so daß damit die schädliche Kraftwirkung aufhört.
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Bei einer bekannten hydraulischen überlastsicherung für mechanische
Pressen sind die das Pressenober- und -unterteil miteinander verbindenden Zuganker
an einem Ende wie üblich durch Muttern mit dem Querhaupt fest verbunden, während
ihr anderes Ende als Zylinder ausgebildet ist, in dem ein kolbenartiger Ansatz des
Pressenunterteils geführt ist. Die als Zylinder dienenden Enden der Zugstangen sind
über eine Druckmittelleitung je mit einem zweiten Zylinder verbunden, in dem die
Kolbenstange eines beidseitig durch ein Druckmittel beaufschlagten Kolbens geführt
ist. Die Vorspannung der Zuganker kann somit durch entsprechende Wahl der Drücke
in den beiden Zylindern bestimmt werden. Bei auftretender Überlast wird durch die
dadurch bedingte Längung der Zuganker ein Druckanstieg in ihrem Zylindersystem bewirkt,
durch den der Kolben des zweiten Zylinders entgegen der Druckwirkung auf seiner
anderen Seite eine Verschiebung erfährt, durch die die Pressenkupplung abschaltbar
ist.
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Bei diesem bekannten Vorschlag verläuft die zum Abschalten der Kupplung
erforderliche Verschiebung des beidseitig beaufschlagten Kolbens ziemlich träge,
da sie nur unter dem verhältnismäßig kleinen Kraftunterschied zwischen der jeweiligen
Überlast auf der kleinen Wirkfläche der Kolbenstange und der Gegenbelastung auf
der großen Wirkfläche des Kolbens stattfindet. Auch ein durch die Kolbenverschiebung
eingeleitetes nachträgliches Abblasen der als Gegenbelastung beispielsweise wirkenden
Preßluft kann das Ansprechen einer solchen überlastsicherung nicht wesentlich beschleunigen,
da auch die Preßluft zum Entweichen relativ viel Zeit braucht.
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Da die Bewegungszeiten, innerhalb deren sich Überlastungen abspielen,
nur äußerst kurz sind, müssen überlastsicherungen sehr schnell, sozusagen schlagartig,
ansprechen; das aber vermögen die bisher bekannten Sicherungen nicht oder nur unvollkommen.
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Diese Ansprechverzögerung ist auch der wesentliche Nachteil bei den
bekannten Einrichtungen, bei denen für den Abfluß des Druckmittels aus dem Zylinder
bei Überlast Überdruckventile vorgesehen sind, weil das Öl nur in kleinen Mengen
entweichen kann und dadurch die zur Auslösung eines Schaltbefehls notwendige Relativbewegung
zwischen Antriebs- und Arbeitsstößel stark verzögert einsetzt.
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Eine weitere Schwierigkeit im Betrieb hydraulischer überlastsicherungen
besteht darin, daß es nicht oder nur unvollkommen gelingt, die auch unterhalb der
Belastungsgrenze stets unter hohem Vorspannungsdruck stehenden Ölpolster absolut
dicht zu halten. Die vollständige Dichtigkeit des hydraulischen Systems im Normalzustand
ist aber die Voraussetzung für ein unnachgiebiges Arbeiten des Stößels, wie es z.
B. bei Arbeitsvorgängen auf einer Presse mit Endausprägung der Werkstücke verlangt
wird.
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Um die beschriebenen Nachteile bei den bisher bekannten hydraulischen
überlastsicherungen zu vermeiden, wird nach der Erfindung vorgeschlagen, zwischen
den beiden Kolben, und zwar im Zylinder des ersten Kolbens ein als Ringventil ausgebildetes
Zwischenstück fest anzuordnen, das bei normaler Belastung dem ersten Kolben als
Widerlager dient und mit Durchbrüchen für den Durchfluß des Druckmittels sowie mit
einer Ausnehmung versehen ist, die über eine Bohrung im ersten Kolben und eine Bohrung
in der Zylinderwand mit einer Abflußleitung für das Druckmittel in Verbindung steht.
Um
eine absolute Abdichtung des ersten Kolbens zu erhalten, ist nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung dieser zwischen zwei Membranen eingespannt, so daß der Zylinderraum
in zwei von einander völlig Getrennte Druckmittelräume unterteilt ist. Im oberen
Zylinderraum ist die Druckflüssigkeit entsprechend der Nennbelastung des Arbeitsstößels
vorgespannt. Da der erste Kolben bei Normalbetrieb durch das im unteren Zylinderraum
befindliche Druckmittel gegen das eingesetzte Zwischenstück gepreßt wird, so ergeben
sich zwei unterschiedlich große Wirkflächen des Kolbens. Die untere Wirkfläche ist
bei Normalbetrieb wesentlich größer als die obere und kann deshalb mit einem Druckmittel
mit wesentlich geringerem Druck beaufschlagt werden.
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Bei Auftreten einer Überlast steigt der Öldruck im oberen Zylinderraum
an und überwindet den Schließdruck des auf die untere Kolbenfläche einwirkenden
Druckmittels. Sobald der erste Kolben nur um einen ganz geringen Betrag ausweicht,
wirkt plötzlich der hohe Druck im oberen Zylinderraum auf der ganzen Fläche des
Kolbens, so daß dieser infolge des dann herrschenden großen Kraftunterschiedes zwischen
den beiden Kolbenflächen schlagartig zurückgeht und eine Überlastung des Arbeitsstößels
verhindert.
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Nach Aufhören der Überlast wird der erste Kolben durch das im unteren
Zylinderraum befindliche Druckmittel, das über eine Leitung mit einem Druckmittelspeicher
in Verbindung steht, in die Ausgangslage zurückgeführt.
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Um eine völlige Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Zwischenstück
zu erreichen, muß dafür Sorge getragen werden, daß das in der Ausnehmung des Zwischenstückes
eingedrungene öl abfließen kann. Für diesen Zweck ist in dem Kolben und in
der Zylinderwand eine Bohrung vorgesehen.
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Um einen Druckmittelabfluß vom oberen Zylinderraum nach Auftreten
der Überlast zu vermeiden, muß die Bohrung in der Zylinderwand so angeordnet sein,
daß sie in der Ausgangslage des Kolbens der Bohrung des Kolbens genau gegenübersteht.
Für diesen Zweck ist weiterhin erfindungsgemäß die Bohrung in der Zvlinderwand höheneinstellbar.
Vorzugsweise ist dafür die Bohrung exzentrisch in einem Einsatzstück vorgesehen
und dieses in einer in der Zylinderwand angeordneten Exzenterbüchse gelagert, so
daß die erforderliche Höhenlage der Bohrung leicht eingestellt werden kann.
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An Stelle des Druckmittels für den ersten Kolben kann auch ein anderes
Verstellmittel treten. So ist es denkbar, den Kolben an seiner dem Zwischenstück
abgewandten Seite mit einer Feder zu belasten.
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Um bei Pressen mit größerem Kraftbedarf die Bauhöhe des hydraulischen
Systems möglichst klein halten zu können, wird weiterhin nach der Erfindung vorgeschlagen,
den Zylinderraum für den zweiten Kolben und den für den ersten Kolben sowie für
das Zwischenstück voneinander getrennt anzuordnen.
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An Hand der Zeichnung, die in den F i g. 1 bis 6 schematisch zwei
Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt, sind deren Einzelheiten nachstehend näher
erläutert. In F i g. l ist die Gesamtanordnung des Systems dargestellt; in F i g.
2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem auf eine der Wirkflächen
des Kolbens die Kraft einer Feder einwirkt; bei dem Ausführungsbeispiel nach F i
g. 3 sind für die Kolben getrennte Zylinder vorgesehen; F i g. 4 und 5 zeigen in
vergrößertem Maßstab Einzelheiten des Kolbens sowie des als Ringventil ausgebildeten
Zwischenstückes. das bei Normallast als Widerlager für den ersten Kolben dient;
in F i g. 6 sind die Mittel wiedergegeben, durch die die Bohrung in der Zylinderwand
höheneinstellbar ist. Mit 1 ist ein als Zylinder ausgebildeter Drucktopf bezeichnet,
der bekannterweise zwischen einem Antriebs- und einem Arbeitsstößel (nicht dargestellt)
angeordnet ist. Der Antriebsstößel stützt sich auf dem als Kugelpfanne ausgebildeten
Kolben 2 ab, der mittels einer zwischen Deckel 4 und Gehäuse 5 eingespannten
Membran 3 gegenüber dem in dem oberen Druckmittelraum 6 befindlichen Drucköl abgedichtet
ist. Der obere Druckmittelraum 6 ist durch den zwischen den beiden Membranen
7a, 7b eingespannten Kolben 7 vom unteren Druckmittelraum 8 getrennt. Der
Druckmittelraum 6 steht über die Bohrung 9 und die Leitung 10 mit einer Druckmittelpumpe
11, der Druckmittelraum 8 über die Leitung 12 mit einem Druckmittelspeicher
13 in Verbindung. Der Kolben 7 wird durch das in dem Raum 8 befindliche vorgespannte
Drucköl gegen das als Ringventil ausgebildete Zwischenstück 14 gepreßt, das mit
einer Ausnehmung 14a versehen ist, die über die Bohrung 7c im Kolben 7 und die Bohrung
5a mit der Abflußleitung 15 in Verbindung steht.
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Die Funktionsweise ist wie folgt: In dem oberen Druckmittelraum 6
herrscht ein auf den Kolben 2 wirkender konstanter Vorspannungsdruck, der etwa der
Nennbelastung des bzw. der Pressenstößel entspricht, z. B. 400 atü. Die Durchflußöffnungen
14b (F i g. 4) des Ringventils 14 sind bei normalem Betrieb durch die Membranen
7a des Kolbens 7 ständig geschlossen. Die obere Wirkfläche des Kolbens 7, die durch
die Größe der Durchflußöffnungen 14b des Ringventils bei normalem Betrieb bestimmt
ist (vgl. F i g. 4 und 5), ist so bemessen, daß zum Sperren des Ringventils
14 ein wesentlich geringerer Druck, beispielsweise 160 atü, für die
untere Wirkfläche des Kolbens 7 ausreicht. Auch dafür wird Öl verwendet, das beispielsweise
durch im Speicher 13 befindlichen Stickstoff vorgespannt ist.
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Tritt eine Überlastung des Pressenstößels und damit eine Hemmung in
seiner Bewegung ein, so steigt durch die Verlagerung des Kolbens 2 augenblicklich
der Öldruck im oberen Zylinderraum 6 an und überwindet den Schließdruck des Ringventils
14. Dieses wird geöffnet, wobei der Kolben 7 im unteren Zylinderraum zurückgeht.
Durch das Öffnen der Durchflußöffnungen 14b wirkt plötzlich der hohe Öldruck
des oberen Zylinderraumes auf der ganzen oberen Fläche des Kolbens 7. Infolge des
jetzt herrschenden großen Kraftunterschiedes zwischen beiden Flächen des Kolbens
7 geht dieser schlagartig zurück, wobei der Gegendruck des Stickstoffgases im Speicher
13 durch das verdrängte Öl des unteren Zylinderraumes z B. von 160 auf 200
atü ansteigt. Das Zurückgehen des Kolbens 7 hat zur Folge, daß das eingeschlossene
Öl im oberen Zylinderraum durch das geöffnete Ringventil 14 nachströmt. Dadurch
kann der Kolben 2 bei gehemmter Stößelbewegung schnell in den oberen Zylinderraum
eintauchen und einen Freihub von beispielsweise etwa 25 m/m ausführen, so daß eine
Überlastung des Pressenstößels vermieden wird, ohne daß ein unzulässiger Kraftanstieg
erfolgt.
Hat die Überlastung und damit der Überdruck im oberen Zylinderraum
aufgehört, so treibt der Kolben 7 unter der Wirkung des in dem Speicher 13 vorgespannten
Druckmittels im unteren Zylinderraum sofort das Öl vor ihm her in den oberen Zylinderraum
zurück und schließt das Ringventil 14 wieder. Die im toten Raum innerhalb der Ausnehmung
14a des Ringventils 14 eingeschlossene kleinere Ölmenge kann nun durch die
Bohrung 7c im Kolben 7 und durch die Bohrung 5a in der Zylinderwand 5 über die Leitung
15 in den Behälter 16 abfließen. Beim Zurückgehen des Kolbens 7 unter Überlast verschließen
sich diese Bohrungen gegenseitig sofort, so daß das vorgespannte Öl des oberen Zylinderraumes
nicht nach außen treten kann. Nach Fortfall der Überlastung nimmt auch der Kolben
2 seine Ausgangslage wieder ein. Die ganze Anlage arbeitet also vollautomatisch
in sich geschlossen und bedarf, abgesehen vom fallweisen Nachspeisen des Öles im
oberen Zylinderraum, keinerlei weiterer Ölzufuhr von außen.
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Damit bei den Bewegungen der Kolben 2 und 7 die Membranen 3, 7 a und
7 6 nicht abgeschert werden, sind die Wirkflächen der Kolben 2 und 7 ballig ausgeführt
und deren Führungsflächen sowie die entsprechenden Gegenflächen der Zylinderwand
abgerundet (vgl. F i g. 4).
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Bei Pressen mit geringerem Kraftbedarf, oder wenn aus baulichen Gründen
die Verwendung eines Druckmittelspeichers unzweckmäßig ist, kann an Stelle des Drucköles
im unteren Zylinder als Verstellmittel für den Kolben 7 eine Feder 17 eingesetzt
werden. Der Kolben 7 ist dann mit einem Führungsbolzen 18 versehen, der in der Bodenplatte
19 des Drucktopfes 1
gleitet. Auch in diesem Fall wird bei einer Relativbewegung
des Kolbens 2 gegenüber dem Drucktopf 1 ein vorzugsweise in einem Ruhestromkreis
liegender Kontakt 20 geöffnet, wodurch der Antriebsmotor bzw. die Kupplung abgeschaltet
wird.
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Die gesamte Anlage einschließlich des Speichers 13, der Pumpe 11 und
des Ölbehälters 16 kann mit dem Pressenstößel verbunden sein und sich mit diesem
bewegen. Gegen Stöße ist sie weitestgehend unempfindlich, da sie ohne Gelenke arbeitet
und die bewegten Massen verhältnismäßig leicht gegenüber dem Stößel sind.
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Wo die Bauhöhe zur Unterbringung der beiden im Ausführungsbeispiel
nach F i g. 1 und 2 übereinander angeordneten Zylinderräume nicht ausreicht, können
diese auch nebeneinander angeordnet sein, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Dazu
müssen die beiden Zylinder 1 und 21 durch eine Hochdruckverbindungsleitung 22 miteinander
verbunden werden. Bei Zwei-oder Vierpunktpressen werden die einzelnen Drucktöpfe
untereinander durch die Leitungen 10,15 zusammengeschaltet, so daß bei Überlastung
eines Topfes zugleich alle übrigen ansprechen.
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Wie bereits ausgeführt, ist es unbedingt erforderlich, daß die beiden
Bohrungen 7 c und 5 a in der Arbeitslage des Kolbens 7 einander genau gegenüberliegen.
Für diesen Zweck ist die Bohrung 5 a exzentrisch in einem Einsatzstück 23
vorgesehen und dieses in -einer in der Zylinderwand angeordneten Exzenterbuchse
24 gelagert. Durch entsprechende Drehung der Teile 23 und 24 kann die gewünschte
Lage der Bohrung 5 a eingestellt werden. Durch nicht dargestellte Mittel
sind die Teile 23 und 24 gegen Verdrehung und axiale Verlagerung gesichert.
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Diese hydraulische überlastsicherung zeichnet sich durch eine einfache
und unbedingt betriebssichere Bauweise aus und stellt ein verzögerungsfreies Ansprechen
der Einrichtung bei Überlast sicher.