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Einrichtung zur Erzeugung sehr hoher Drücke Vorliegende Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung sehr hoher Drücke mit keilförmigen Druckvervielfältigungselementen,
deren kleinere Innenflächen an einer unter Druck zu setzenden Anordnung anliegen
und auf deren größere Außenflächen ein Druck ausgeübt werden kann, ferner mit einer
die Außenflächen umgebenden flüssigkeitsdichten Umhüllung und mit einem die Umhüllung
einschließenden zylindrischen Druckbehälter, in den ein hydraulisches Druckmedium
einführbar ist.
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Einrichtungen zum Erzeugen sehr hoher Drücke, beispielsweise für die
Herstellung künstlicher Diamanten, sind bekannt, bei denen Druckvervielfältigungselemente
in Form von sechs mit ihren Innenflächen gegen einen den zu verpressenden Stoff
enthaltenden würfelförmigen Kupferbehälter gerichteten und mit ihren Außenflächen
eine Kugelfläche bildenden Preßstempelsegmenten in einem flüssigkeitsdichten Kupfermantel
eingeschlossen sind, der seinerseits in einem großen zylindrischen Druckgefäß hydraulisch
unter Druck gesetzt wird. Mit dieser bekannten Einrichtung lassen sich zwar extrem
hohe Drücke auf den im würfelförmigen Kupferbehälter eingeschlossenen Stoff ausüben.
Jedoch eignet sich die Einrichtung nicht dazu, längliche Gegenstände oder Werkstücke
zu komprimieren, wie es etwa mit der Hochdruckpresse gemäß einem älteren Vorschlag
möglich ist.
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Ferner betrifft ein älterer Vorschlag eine Einrichtung zum Erzeugen
sehr hoher Drücke mit mindestens drei in einem durch Scharniere verbundenen Rahmen
angeordneten Druckvervielfachungsstempeln, deren Stirnflächen kleiner sind als ihre
rückwärtigen Flächen und die durch Preßvorrichtungen gegen die Mitte eines durch
die Stirnflächen und zwei gegenüberliegende parallele Endflächen gebfldeten Hohlraumes
gedrückt werden können, der einen unter Druck zu setzenden, in einen druckübertragenden
Werkstoff eingebetteten Gegenstand aufnimmt, bei welcher der Hohlraum in Längsrichtung
zwischen den Endflächen wesentlich größer, und zwar mindestens dreimal so groß ist
wie seine größte Querschnittsabmessung.
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Die vorgeschlagene, auch als Delta-Presse bezeichnete Einrichtung
ist insofern noch verbesserungsbedürftig, als wegen der sich aus der Formgebung
der Apparatur ergebenden beschränkten Weite der Kanäle, in denen die Druckvervielfachungsstempel
gleiten, die mit dem antreibenden Druck beaufschlagten Stempelaußenflächen in ihrer
Größe auf einen verhältnismäßig kleinen Bruchteil der gesamten Umfangsfläche der
Apparatur beschränkt sind, wodurch der Druckvervielfachungsfaktor entsprechend begrenzt
wird. Außerdem ist die Delta-Presse im Aufbau verhältnismäßig kompliziert, und sie
arbeitet mit Preßvorrichtungen in form von Gleitkolben- und Zylinderanordnungen,
die eine Präzisionsfertigung und sehr enge Toleranzen der einzelnen Bauteile erforderlich
machen.
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Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine hydrostatische
Hochdruckpresse zu schaffen, die sich bei einfacher und kompakter Ausbildung und
bequemer Bedienbarkeit unter anderem auch zum Verpressen länglicher Objekte eignet
und bei der die zur Erzielung extrem hoher Drücke verwendeten Druckvervielfachungsstempel
mit dem größtmöglichen Druckvervielfachungsfaktor arbeiten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Einrichtung zur Erzeugung
sehr hoher Drücke der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Umhüllung der zusammen etwa zylinderförmigen Außenflächen der Druckvervielfältigungselemente
aus einer zylindrischen, elastischen Manschette besteht, deren Enden mit der Innenwand
des Druckbehälters derart dicht verbunden sind, daß sich ein ringförmiger Hohlraum
zur Einführung des Druckmediums ergibt.
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Gemäß Weiterbildungen dieses Erfindungsgegenstandes kann zur Abdichtung
des ringfönnigen Hohlraumes die Manschette an ihren beiden Enden mittels Kleminringen
auf durch Ringflansche an den Druckbehälterenden gebildeten Innenschulterflächen
befestigt sein und kann ferner in einer keilförmigen Kehle zwischen den Außenflächen
der jeweils benachbarten
Drückvervielfältigungselemente ein das
Einpressen der Manschette in den Trennspalt zwischen diesen Elementen verhindernder
elastischer Dreikantstreifen angeordnet sein und kann schließlich sowohl die Manschette
als auch der Dreikantstreifen aus Kautschuk bestehen.
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Die erfindungsgemäßePressenkonstruktion mitder als elastische Manschette
ausgebildeten Umhüllung der zylindrischen Außenfläche der Druckstempelanordnung
bietet gegenüber der eingangs genannten vorbekannten Einrichtung den Vorteil, daß
sich mit ihr ohne weiteres auch längliche Objekte, und zwar praktisch von beliebiger
Länge. verpreßt werden können und daß die an den Stirnenden abdichtend mit dem zylindrischen
Druckbehälter verbundene elastische Manschette eine erheblich einfachere, betriebssichere
und wirkungsvollere Druckübertragungsumhüllung für die Druckstempel darstellt als
die kugelförmige Kupferumhüllung der bekannten Anordnuna. Von der Delta-Presse unterscheidet
sich die erfindungsgemäße Einrichtung insofern vorteilhaft, als wegen der zylindrischen
Ausbildung der Druckstempelanordnung mit der zylindrischen Umhüllung die Angriffsfläche
des Druckmittels, d. h. die C aesamte Außenfläche der Druckstempel, wesentlich
größer ist und das Druckmittel unmittelbar und gleichmäßig an den Druckstempelaußenflächen
bzw. deren Umhüllung statt über hydraulische Kolben-und Zylinderanordnungen von
entsprechend komplizierter mechanischer Konstruktion angreift.
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An Hand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ultrahochdruckpresse entlang der Linie
1-1 in F i g. 2 und F i g. 2 einen Querschnitt der in F i
g. 1 gezeigten Presse entlang der Linie 2-2, gesehen in Richtung der Pfeile.
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Wie in den Zeichnungen angegeben, enthält eine beispielsweise Ausführungsform
der Erfindung einen zylindrischen Mantel 10 mit zwei Endteilen
11 und 12, die einwärts gegen die Achse des Zylinders vorspringen und innere
Schultern 13 bzw. 14 bilden. Um den Aufbau der Apparatur zu erleichtern,
besteht der Endteil 11 aus einem getrennten Glied, welches an dem Mantel
10 mittels Schraubgewinde befestigt ist. Beide Teile 11 und 12 sind
mit Zugangsöffnungen 11' und 12' versehen, die einen Zugang zum Inneren des
Mantels erlauben. Innerhalb des Mantels 12 befindet sich eine zylindrische Druckvervielfältigungskonstruktion
15, welche, wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich, aus drei keilförmigen
Druckstempeln 16, 17 und 18 besteht, und der Umfang dieser Struktur
ist mit einer biegsamen Manschette 19, welche aus Kautschuk od. dgl. gefertigt
ist, umgeben, welche abdichtend an den entgegengesetzten Enden an die Schultern
13 und 14 mittels Klernmringen 20 bzw. 21 befestigt ist, Infolgedessen wird
eine geschlossene, ringförmige Kammer 22 um die Konstruktion 15 gebildet.
Eine Flüssigkeitseinlaßleitung 23, die in diese Kammer geht, ist in dem unteren
Schulterteil 12 des äußeren Mantels enthalten.
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DieDruckstempel besitzen dieForm vonZylindersegmenten, die längs entlang
radialen Ebenen geteilt sind, und jedes Glied besitzt eine große äußere Oberfläche
16', 17' und 18' in Berührung mit der Manschette 19 und eine
kleine innere Oberfläche 16", 17" und 18". wobei diese inneren Oberflächen
eine sich axial erstreckende Höhlung zur Aufnahme einer Werkstückanordnung 24 bilden.
Obwohl in der aufgezeichnetenAusführungsforrn der Erfindung drei Druckstempel zur
Bildung einer inneren Werkstücksaufnahmeöffnung von dreieckigem Querschnitt verwendet
werden, ist selbstverständlich, daß jede beliebigeAnzahl von Druckstempeln verwendet
werden kann und daß die Werkstückeinsatzöffnung jede ge-
wünschte Form entsprechend
der Querschnittsforrn des herzustellenden Werkstückes haben kann unter der Voraussetzung,
daß der Multiplizierungsfaktor (Verhältnis von wirksamer äußerer Oberfläche zu wirksamem
innerem Oberflächenbereich) für sämtliche Druckstempel gleich ist. Beispielsweise
kann die innere Öffnung einen quadratischen, sechseckigen oder achteckigen Querschnitt
haben, wobei vier, sechs oder acht Druckstempel erforderlich sind, oder sie kann
aus einem Vieleck bestehen mit Seiten von ungleicher Länge, und entsprechend können
Druckstempel von ungleicher Größe verwendet werden. Weiterhin brauchen die die öffnung
bildenden Oberflächen nicht eben zu sein, sondern einige oder sämtliche davon können
eine Kurvenform aufweisen, so daß ein Werkstück mit einer unregelmäßigen Querschnittsform
gepreßt werden kann. Weiterhin können Variierungen in der Querschnittsweise der
öffnung entlang der Länge vorgenommen werden, so daß sich ein längsgestrecktes Werkstück
mit unregelmäßiger Form in der Längsrichtung ergibt.
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Da der Druck nahe den inneren Oberflächen der Druckstempel wesentlich
größer als nahe den äußeren Oberflächen ist, kann jeder Druckstempel aus einerMehrzahl
von fest verbundenenDrucksatzteilen bestehen, die aus unterschiedlichen Materialien
gefertigt sind, wobei der innere Teil härter als die äußeren Teile sind. Zum Beispiel
besteht der Druckstempel 16 aus einem äußeren Teil 16a, einem mittleren Teil
16b und einem inneren Teil 16c, wobei der Teil 16c aus Wolframcarbid od.
dgl. gefertigt ist. An der Verbindung zwischen dem Umfang der Druckvervielfachungskonstruktion
und der Grenzfläche zwischen jedem anstoßenden Paar von Druckstempeln ist ein dreieckiger
Streifen 25 aus elastischem Tragmaterial, wie z. B. Kautschuk, in einer ausgepaßten
Auskehlung, die durch Abkanten der beiden Glieder gebildet wird, eingesetzt, so
daß verhütet wird, daß die Manschette 19 in den Spalt zwischen den Druckstempeln
eingepreßt wird, wenn Druck auf die Kammer22 ausgeübt wird.
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Wenn die Länge eines länglichen Werkstückes ein Mehrfaches seiner
maximalen Dicke beträgt und Druck nur in im wesentlichen lotrechten Richtungen zu
der Längsachse des Werkstückes ausgeübt wird, ist es nicht notwendig, das Werkstück
in der axialen Richtung mit demselben Druck zu belasten, der auf die Seiten ausgeübt
wird. Demzufolge sind bei der erfindungsgemäßen Apparatur, wie aus Fig.
1 ersichtlich, zwei Endblöcke 26 und 27 an entgegengesetzten
Enden der Druckvervielfachungskonstruktion 15 angebracht, welche entfernbar
mittels drei Spannstangen 28, die sich in Längsrichtung durch entsprechende
Löcher 29 in jedem der Druckstempel 16, 17 und 18 erstrecken,
verbunden sind. Diese Stangen halten die Endblöcke gerade mit genügendem Druck,
um die Werkstückanordnung 24 zu halten, und die Blöcke pressen nicht gegen die Endoberflächen
der
Druck-vervielfachungskonstruktion mit genügender Kraft, um eine relative Bewegung
der Druckstempel in radialer Richtung zu verhindem. Die Löcher 29 sind größer
als der Durchmesser der Stäbe 28, so daß diese relative Bewegung erlaubt
wird. Andererseits können gewünschtenfalls die Endblöcke 26 und
27 an den Endteilen 11 bzw. 12 des Mantels 10 verbunden sein.
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Vor Anwendung des Druckes ist die Werkstückanordnunc, 24 um einen
Betrag größer als die durch die Oberflächen 16", 17" und 18" gebildete
Öffnung, welcher mit dem beabsichtigten Grad des Druckes auf das Werkstück und mit
dem durch das Material für die Verschlußdichtungen benötigten Betrag in übereinstimmung
steht. Damit infolgedessen die Werkstückanordnung in die Öffnung eingesetzt werden
kann, müssen die Druckstempel gegen die Reibung ihrer Berührung mit den Enden des
Mantels 10 und der Elastizität der biegsamen Manschette 19
gepreßt
werden. Um dies zu erzielen, ist eine Mehrzahl von Druckstempeleinstellanordnungen
30 zwischen jedem Paar von Druckstempeln entlang ihrer aneinanderstoßenden
Oberflächen vorgesehen. Um Zugang dazu von den Enden der Apparatur her zu haben,
sind die aneinanderstoßenden Oberflächen ausgehöhlt, so daß sich eine Längsöffnung
34 ergibt.
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In der aufgezeichneten Ausführungsform der Erfindung besteht, wie
am besten aus F i g. 2 ersichtlich, jede Einstellungsanordnung
30 aus einem Zy-
linder 32 mit einem Paar gegenüberstehender
Kolben 33 und 34, welche durch Kolbenstangen 35 und 36
mit den
jeweils anstoßenden Druckstempeln verbunden sind, wobei eine Aussparung
37 in jede Druckstempeloberfläche geschnitten ist, um den Zylinder aufzunehmen.
Vorzugsweise sind die Kolbenstangen 35 und 36 schwenkbar an den Druckstempeln
befestigt, um eine gewisse Freiheit bezüglich einer kreisförmigen Bewegung der Druckstempel
im Hinblick aufeinander zu erlauben. Die Kolben werden durch Zuführung von pneumatischem
oder hydraulischem Druck durch eine Leitung 38, welche zu dem Teil des Zylinders
32 zwischen den beiden Kolben führt, getrieben, wodurch die Druckstempel
auswärts gedrückt werden. Gewünschtenfalls können die Kolben- und Zylinderanordnungen
durch Springfedem und geeignete mechanische Bindungen ersetzt werden, die dazu geeignet
sind, die Druckstempel auswärts zu pressen, wenn kein Druck auf die Kammer 22 ausgeübt
wird, die jedoch leicht aufgehoben werden können bei Anwendung von Druck auf die
äußeren Oberflächen der drei Druckstempel.
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Die Werkstückanordnung 24, welche vor dem Pressen die Druckstempel
auseinander hält, so daß sich kleine Spalte 39 zwischen den Druckstempeln
ergeben, besteht aus einem zu pressenden Gegenstand, welcher in ein Material eingebettet
ist, welches normalerweise fest ist, jedoch unter hohen Drücken viskos wird. Auf
Grund dieser Eigenschaft wird Druck von den Druckstempeln einheitlich über das Werkstück
übertragen, und das das Werkstück enthaltende Material wird geringfügig in die Spalte
39 ausgepreßt, so daß es eine Dichtung bildet und eine weitere Auspressung
des Materials in die Spalte verhütet. Vorzugsweise besteht das das Werkstück enthaltende
Material aus Aluminiumsilicat oder einem Pyrophyllit, z. B. Tennessee-Lava Grad
A, bei welchen sich die notwendige elektrische Isolierung und Wärmeisolierungseigenschaften
ergeben. Weiterhin kann die Werkstückanordnung 24 die üblichen elektrischen Heizelemente
(nicht gezeigt) enthalten, wie sie in einer älteren Patentschrift beschrieben sind,
um die Temperatur des Werkstückes auf die gewünschte Höhe während der Anwendung
von Druck zu bringen.
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Zum Betrieb wird eine Werkstückanordnung 24 in die Apparatur eingesetzt,
indem die Endblöcke 26
und 27 zum Freigeben der inneren Öffnung entfernt
werden und hydraulischer oder pneumatischer Druck auf die Leitungen 38 ausgeübt
wird, um die Druckstempel auseinanderzuspreizen. Nach der Einsetzung der Werkstückanordnung
in der Öffnung wird mit dem Druck auf Leitung 38 aufgehört, wodurch die Druckstempel
die Seiten der Werkstückanordnung in der in F i g. 2 gezeigten Weise ergreifen
und Spalte 39 zwischen aneinanderstoßenden Druckstempeloberflächen wegen
der stärkeren Größe der Werkstückanordnung frei lassen. Die Endblöcke
26 und 27 werden dann wieder zurückgebracht, und es wird üblicher
hoher Druck auf die Kammer 22 ausgeübt, indem eine Flüssigkeit, wie z. B.
Öl oder Wasser, durch die Leitung 23 eingeleitet wird und gegebenenfalls
das Werkstück auf erhöhte Temperatur erwärmt wird. Durch diesen Druck, welcher durch
die Manschette 19 wirkt, werden die Druckstempel einwärts zur Zusammenpressung
des Werkstückes getrieben, wobei darauf ein Druck ausgeübt wird, welcher gleich
dem Druck in der Kammer 22 multipliziert mit dem Verhältnis der äußeren Oberflächenbereiche
der Druckstempel 16, 17 und 18 zu ihren inneren Oberflächenbereichen
ist. Nach dem Pressen werden die Endblöcke entfernt, und die Druckstempel werden
durch Betrieb der Anordnungen 30 auseinandergespreizt, so daß die Werkstückanordnung
aus der Höhlung entnommen werden kann.
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Aus dem vorstehenden ergibt sich klar, daß die erfindungsgemäße Presse
zur Anwendung extremer Drücke auf längliche Gegenstände von einfacher und kompakter
Konstruktion ist, während sie gleichzeitig bequem zu betreiben ist und die Nachteile
der bisherigen Hochdruckapparaturen vermeidet.