DE1577187B2 - Schnittschlagdaempfendes gegendrucksystem in einer hydraulischen presse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schnittschlagdämpfendes Gegendrucksystem in einer hydraulischen Presse, welches aus einem mit Druckflüssigkeit gefüllten Gegendruckraum in mindestens einer aus Kolben und Zylinder bestehenden Arbeitseinheit sowie mindestens einer zugeordneten Ausflußdrossel besteht und bei welchem die Gegendruckfläche so groß bemessen ist, daß der Federungswinkel des Gegendrucksystems noch bei einer solchen Höhe des Gegendruckraumes, die wenigstens so groß ist wie der Hub des Pressenstößels, der vom Beginn des plötzlichen Abfallens des Schneidwiderstandes bis zum vollkommenen Durchtrennen des Werkstückes von maximal möglicher Dicke noch zurückzulegen ist, wesentlich größer ist als der Federungswinkel des Pressensystems, nach Patentanmeldung P 14 27 403. Durch ein solches Gegendrucksystem wird der beim Stanzen durch rapides Nachlassen des Schneid-Widerstandes während der Schnittbruchendphase üblicherweise auftretende Entspannungsschlag verhindert.

Die in der Hauptanmeldung P 14 27 403 gegebene technische Lehre ermöglicht dem Fachmann unter ίο anderem die Bestimmung der für eine wirksame bis optimale Schnittschlagdämpfung erforderlichen Dimensionsgrößen eines Gegendrucksystems in Pressen, insbesondere in hydraulischen Pressen.

Es wird aber keine einwandfreie Aussage über die Dimensionsgrößen eines Gegendrucksystems mit einer gerade noch ausreichenden Schnittschlagdämpfung gemacht.

Zumindest bei größeren hydraulischen Pressen ist die Kenntnis derartiger Dimensionsgrößen von Bedeutung, da man allgemein bestrebt ist, den Bauaufwand für das Gegendrucksystem und für seine Unterbringung in der Presse möglichst klein zu halten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Gegendrucksystem nach dem Hauptpatent so auszugestalten, daß es mit einem Minimum an Bauaufwand einen noch ausreichenden Schnittschlagdämpfeffekt hervorbringt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gegendruckraum und die Ausflußdrossel so dimensioniert sind, daß während des eigentlichen Werkstück-Trennvorganges das Verhältnis (Q₁) aus der Höhe (H₁) des Antrieb-Druckraumes der hydraulischen Presse zu der Höhe (H₂) des Gegendruckraumes gleich oder größer als 4 ist, und daß gleichzeitig das Verhältnis (Q.,) aus der gesamten Gegendruckfläche zu der gesamten Antriebsfläche nicht kleiner als 0,25 ist und das vorerwähnte Verhältnis (Q₂) multipliziert mit dem Verhältnis (Q₁) aus der Höhe des Antriebdruckraumes zu der Höhe des Gegendruckraumes gleich oder größer als 1,5 ist, und daß gleichzeitig das Verhältnis (Q₃) aus der gesamten Querschnittsfläche der Ausflußdrossel zu der gesamten Gegendruckfläche, bei Benutzung üblicher Druckflüssigkeiten mit einer Viskosität bis etwa 10° Engler bei 50° Celsius, gleich oder kleiner als 1/2500 ist.

Um weiterhin das schädliche Totvolumen im Gegendrucksystem, welches den gewünschten Schnittschlagdämpfeffekt verschlechtert, möglichst klein zu halten, sind in weiterer Ausbildung der Erfindung die Ausflußdrossel und ein zum schnellen Auffüllen und Entleeren des Gegendruckraumes vorgesehenes Absperrventil möglichst nahe am Gegendruckraum angeordnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Gegendruckvorrichtung in einer an sich bekannten hydraulischen Presse,

F i g. 2 a bis 2 c das Federdiagramm dieser Presse und des eingebauten Gegendrucksystems sowie die Fließkurve des zu schneidenden Werkstoffes.

Die Presse nach Fig. 1 weist im wesentlichen ein Pressengestell 1 und einen beweglichen Pressenstößel 2 auf, der mittels eines Antriebszylinders und Differentialkolbens 4 angetrieben wird. An dem Pressengestell T ist ein Schneidwerkzeug-Unterteil 5,

bestehend aus einem Stempel und einem federbetätigten Auswerferring, befestigt, während am Pressenstößel 2 ein Schneidwerkzeug-Oberteil 6 angebracht ist. Zwischen Schneidwerkzeug-Unterteil 5 und -Oberteil 6 ist ein Werkstück 7 eingelegt, welches längs der Linie 8 abgeschert werden soll. Die Hydraulikflüssigkeit für den Antrieb der Presse wird aus einem Vorratsbehälter 9 von einer Pumpe 10 über eine übliche Ventilsteuerung 11 und den Leitungen 12 bis 15 in bekannter Weise so zum Antriebszylinder 3 gefördert, daß der Pressenstößel 2 ^; eine wechselnde, aufwärts oder abwärts gerichtete

Arbeitsbewegung ausführen kann.
; Das in der vorbeschriebenen hydraulischen Presse

üblicher Bauart eingebaute Gegendrucksystem bej steht im wesentlichen aus zwei zwischen dem unte- ; ren Teil des Pressengestells 1 und dem Pressenstößel 2 angreifenden Gegendruckzylindern 16 mit ! zugeordneten Kolben 17 und direkt an den Gegen-• druckzylindern befestigten Absperrventilen 18. Die Gegendruckzylinder 16 stützen sich gegenüber den Kolben 17 auf Druckfedern 19 ab, deren Druckes' kraft gegenüber der Pressenantriebskraft vernachj lässigbar klein ist. Damit die Hubhöhe H₂ der Gegendruckzylinder 16 beeinflußt werden kann, sind beispielsweise zwei im Pressenstößel 2 in Richtung der Stößelbewegung einstellbare Gewindespindeln 20 vorgesehen. Die beiden Zylinderräume 21 der Gegendruckzylinder 16 sind durch die Bohrungen 22, die Absperrventile 18 und die an den Stellen 23 flexiblen Leitungen 24 mit dem Vorratsbehälter 9 verbunden. An die mit einer Drosselbohrung 25 und einer Querbohrung 26 versehenen Ventilkolben 27 der Absperrventile 18 greifen in Öffnungsrichtung Federn 28 an. In Schließrichtung können die Ventilkolben 27 durch Druck auf ihre in die Steuerräume 29 hineinragenden Stirnflächen betätigt werden. Die Steuerräume 29 sind über die an den Stellen 30 flexiblen Verbindungsleitungen 31 und das zwischengeschaltete, steuerbare Absperrventil 32 an die Preßdruckleitung 14 angeschlossen.

Zu Beginn eines Arbeitsspiels, bei dem das bereits auf das Schneidwerkzeug-Unterteil 5 aufgelegte Werkstück 7 längs der Linie 8 abgeschert werden soll, befindet sich der Pressenstößel 2 in seiner oberen Hubendlage in Stillstandsstellung. Die sich über Druckfedern 19 gegen die Kolben 17 abstützenden Gegendruckzylinder 16 sind hochgefahren. Die beiden Absperrventile 18 an den Gegendruckzylindern und das Absperrventil 32 in der Verbindungsleitung 31 sind geöffnet.

Der Beschneidevorgang wird eingeleitet, indem der Pressenstößel 2 und die damit verbundenen Teile abwärts fahren, bis das Schneidwerkzeug-Oberteil 6 auf das Werkstück 7 aufsetzt. Gleichzeitig damit oder etwas früher setzen die entsprechend eingestellten Gewindespindeln 20 auf die Gegendruckzylinder 16 auf, die, solange die Absperrventile 18 geöffnet sind, durch das Gewicht der abwärts fahrenden Teile entgegen der Kraft der schwachen Druckfedern 19 ausweichen können.

Durch Aufsetzen des Schneidwerkzeug-Oberteils 6 auf das Werkstück 7 wird der Pressenstößel 2 in seiner Abwärtsbewegung so lange gehemmt, bis durch die Pumpe 10 die vordem im Zylinder 3 oberhalb des Kolbens 4 befindliche drucklose Hydraulikflüssigkeit hinreichend komprimiert ist, um den metallischen Werkstoff des Werkstückes 7 entlang der Linie 8 unter der Wirkung der sich aufbauenden Stößelantriebskraft zum Fließen zu bringen. Durch den dabei in den Leitungen 14 und 31 entstehenden hydraulischen Druck werden die Absperrventile 18 an den Gegendruckzylindern entgegen der in Öffnungsrichtung v/irkenden Kraft der Federn 28 geschlossen.

Bei der Weiterbewegung des Pressenstößels 2 dringt das Schneidwerkzeug-Oberteil 6 in das Werkstück 7 ein, während die am Pressenstößel angebrachten Gewindespindeln 20 die Gegendruckzylinder 16 mit abwärts drücken. Hierbei wird die in den Zylinderräumen 21 der Gegendruckzylinder befindliche Hydraulikflüssigkeit durch die Bohrungen 22, die Querbohrungen 26 und die Drosselbohrungen 25 der nunmehr geschlossenen Absperrventile 18 sowie durch die Leitungen 24 in den Vorratsbehälter 9 verdrängt.

Wie bereits in der Hauptanmeldung erklärt, setzen im wesentlichen die als Ausflußdrosseln wirkenden Drosselbohrungen 25 der ausströmenden Hydraulikflüssigkeit einen Durchtrittswiderstand entgegen, der in den Gegendruckzylindern 16 eine der Stößelantriebskraft entgegengesetzte Bremskraft hervorruft, die zusätzlich zum Schneidwiderstand die Stößelbewegung bzw. die Schneidgeschwindigkeit zu hemmen sucht, wobei die Größe der Bremskraft mit der Durchflußgeschwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit durch die Drosselbohrungen so lange wächst, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der Stößelantriebskraft einerseits und dem Schneidwiderstand sowie der Bremskraft andererseits eingestellt hat.

Die aus diesem Gleichgewichtszustand resultierende Eindringgeschwindigkeit des Schneidwerkzeug-Oberteils 6 bei Beginn des Schneidvorgangs, wenn der metallische Werkstoff des Werkstückes 7 auf der Trennlinie 8 zu fließen beginnt, ist nicht nur durch die Dimensionen der Ausflußdrosseln gegeben, sondern auch von dem herrschenden Druckgefälle und der Viskosität der verwendeten Hydraulikflüssigkeit abhängig. Es ist offensichtlich, daß bei fortschreitendem Schneidvorgang, wenn der Schneidwiderstand nach Überschreiten der maximalen Werkstückfestigkeit rapide gegen Null geht, die gesamte Stößelantriebskraft auf die Gegendruckzylinder 16 wirken kann und damit die Geschwindigkeit der Pressenstößelbewegung wie auch die Durchflußgeschwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit durch die Ausflußdrosseln einen Maximalwert erreichen. Der Verlauf der Größe des Schneidwiderstandes ist in etwa der in Fig. 2c dargestellten, vereinfachten Werkstoff-Fließkurve proportional.

Bei bisher üblichen Pressen würde nach Zurücklegen des Eindringweges O₁ das Werkstück 7 an der Linie 8 mit explosionsartigem Knall abreißen bei gleichzeitiger schlagartiger Entlastung der gesamten Presse.

Bei einer Presse, vorzugsweise hydraulischen Presse, mit einer erfindungsgemäßen Gegendruckvorrichtung dagegen bewegt sich der Pressenstößel mit nahezu unveränderter Belastung weiter, wie vor Überwindung der Bruchfestigkeit des Werkstückes 7, da nahezu gleichzeitig mit Nachlassen des Schneidwiderstandes ein Druckausgleich zwischen dem unter Spannung stehenden Pressensystem und dem vordem nahezu unbelasteten Gegendrucksystem stattfindet, derart, daß sich ein ständiger Gleichgewichtszustand

zwischen der Stößelantriebskraft P einerseits und dem nachlassenden Schneidwiderstand W sowie der sich aufbauenden Bremskraft G andererseits einstellt.

Hat sich der Pressenstößel 2 so weit abwärts bewegt, daß das Werkstück 7 beschnitten ist, so wird der Abwärtshub beendet und der Aufwärtshub eingeleitet. Zwischendurch kann die Presse, wie bekannt, schlagfrei entlastet werden, wobei auch gleichzeitig das Gegendrucksystem entspannt wird und die Absperrventile 18 öffnen. Hat der Pressenstößel 2 seine obere Hubendlage erreicht, so sind auch die Gegendruckzylinder 16 durch die Druckfedern 19 in ihre obere Ausgangsstellung zurückgedrückt worden, und das Arbeitsspiel ist beendet.

Das steuerbare Absperrventil 32 in der Verbindungsleitung 31 wird nur benötigt, wenn an Stelle eines einfachen Schneidvorganges ein Arbeitsspiel mit einem kombinierten Zieh- und Schneidwerkzeug durchgeführt werden soll. Durch das Absperrventil 32 werden die Absperrventile 18 so gesteuert, daß die Gegendruckzylinder 16 nur während des Schneidvorganges wirksam sind.

Neben der richtigen Dimensionierung der Drosselbohrungen 25 und der Zylinderräume 21 in den Gegendruckzylindern 16 ist es wichtig, alle Hydraulikflüssigkeit enthaltende Hohlräume innerhalb des Gegendrucksystems möglichst klein zu halten und für eine selbsttätige Entlüftung des Gegendrucksystems zu sorgen.

Für eine ausreichende Funktion der im Normalfall etwa 4 bis 40 mm langen Drosselbohrungen 25 ist es zweckmäßig, deren Durchmesser d mit etwa V50 bis Vöoo des Durchmessers D₂ der Gegendruckzylinder auszuführen. Die Abmessungen der Drosselbohrungen sind nicht nur von den Abmessungen der Durchmesser der Gegendruckzylinder, sondern auch von der Viskosität der benutzten Hydraulikflüssigkeit abhängig. Außerdem erscheint es möglich, eine kurze Drossel mit kleinem Durchmesser durch eine längere Drossel mit entsprechend größerem Durchmesser zu ersetzen.

Um die unvermeidbare Kompressibilität der in dem Gegendrucksystem eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit auf ein Minimum zu beschränken, ist es erforderlich, sowohl das Volumen als auch den hierauf beim Schneidvorgang ausgeübten spezifischen Druck klein zu halten. Aus diesem Grunde sollten die Höhen H₂ der Zylinderräume 21 möglichst klein, die Durchmesser D₂ dagegen groß gestaltet werden. Durch Anordnung der Absperrventile 18 nahe an den Gegendruckräumen ist es möglich, auch die Volumen in den verbindenden Bohrungen 22 klein zu halten.

Ergänzend werden nachfolgend noch einige Angaben zur Ausführung der Gegendruckzylinder gemacht:

Annähernd schlagfreies Schneiden mit einer hydraulischen Presse und einem erfindungsgemäßen Gegendrucksystem ist erzielbar, wenn beim eigentlichen Schneidvorgang die Flüssigkeitsvolumen in den Zylinderräumen 21 der Gegendruckzylinder so dimensioniert sind, daß einmal der Quotient Q₁ aus H₁IH₂ ungefähr Ξ> 4 ist, wobei H₁ die Höhe des Flüssigkeitsvolumens im Zylinder 3 oberhalb des Kolbens 4 und H_n die Höhe des Flüssigkeitsvolumens in den Zylinderräumen 21 der Gegendruckzylinder 16 darstellt, und daß weiterhin das Produkt aus Q₁ ■ Q₂ ungefähr ^ 1,5 ist, wobei der Quotient Q₂ aus 2D₂-ZD₁- das Verhältnis der durch die Durchmesser D.-, und D₁ gekennzeichneten Preßflächen von Gegendruckzylindern 16 und Antriebszylinder 3 darstellt.

Vollkommen schlagfreies Schneiden unter Vermeidung des explosionsartigen Knalles beim Schnittbruch ist mit einer Presse und einem erfindungsgemäßen Gegendrucksystem erzielbar, wenn beim

ίο eigentlichen Schneidvorgang die Flüssigkeitsvolumen in den Zylinderräumen 21 der Gegendruckzylinder 16 so dimensioniert sind, daß einmal der Quotient Q₃ aus H₂IS ungefähr <j 2 ist, wobei S die zu schneidende Dicke des Werkstückes 7 und H₂ die Höhe der Flüssigkeitsvolumen in den Gegendruckzylindern 16 darstellt, und daß weiterhin der Quotient Q₂ aus 2 D₂ ²ID * ungefähr ^ 0,7 ist, wobei durch die Durchmesser D₂ und D₁ die Größen der Preßflächen der Gegendruckzylinder 16 und des Antriebszylinders 3 gekennzeichnet sind.

An Hand der in F i g. 2 a und 2 b gezeigten Federdiagramme und der schematischen Werkstoff-Fließkurve F i g. 2 c kann der Aussagewert der vorgemachten Angaben durch den Fachmann größtenteils überprüft werden.

F i g. 2 a zeigt die im Zylinder 3 oberhalb des Kolbens 4 kurz vor dem beginnenden Schnittbruch durch Zusammendrückung der Hydraulikflüssigkeit gespeicherte Energie als Flächeninhalt eines Federdiagramms mit dem Winkel α und den Katheten P und h_v wobei Zz₁ eine Funktion der Hublänge H₁ und des hydraulischen Druckes im Zylinder 3 ist.

Fig. 2b zeigt die Zusammendrückung h₂ der in den Gegendruckzylindern 16 eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit und den davon abhängigen, durch den Winkel β gekennzeichneten Anstieg der Bremskraft G bei einem plötzlichen Druckausgleich zwischen dem Pressen- und dem Gegendrucksystem.
Die während des Druckausgleiches frei werdende Kraft Δ Ρ stellt nur einen Bruchteil der Pressenantriebskraft P dar und ruft keinen Entspannungsschlag hervor.

In F i g. 2 c ist entlang der Trennlinie 8 des Werkstückes 7 eine vereinfacht dargestellte Fließkurve des zu schneidenden Werkstoffes aufgetragen. Die Größe δ stellt das maximale Dehnungsvermögen und die Größe W den maximalen Schneidwiderstand dar. Der Winkel γ und die Größe X stellen ein Maß für das Nachlassen des Schneidwiderstandes W nach Überschreiten der Bruchfestigkeit dar, wenn das Schneidwerkzeug um das Maß O₁ in das Werkstück 7 eingedrungen ist.

Um den explosionsartigen Knall beim Durchtrennen des Werkstückes 7 zu vermeiden sowie beispielsweise beim Brechen von gekerbten Knüppeln und beim Feinstanzen, ist es vorteilhaft, die Fließgeschwindigkeit des zu trennenden Werkstoffes beim Schnittbruch während des Weges X unter Kontrolle zu haben.

Bei vergleichsweiser Betrachtung von F i g. 2 b und 2 c wird es offenbar, daß die Fließgeschwindigkeit auf dem Wege X unter Kontrolle gebracht werden kann, wenn der Winkel β der Gegendruckzylinder größer ist als der Winkel γ der Werkstoff-Fließkurve, weil dann die Bremskraft G schneller aufgebaut werden kann, als der Schneidwiderstand W abnimmt. Ist der Winkel β größer als der Winkel 7, so wird die Größe der Schneidgeschwindigkeit beim Druck-

ausgleich im wesentlichen von der jeweiligen, aus den Gegendruckzylindern 16 über die Drosselbohrungen 25 herausgedrängten Hydraulikflüssigkeitsmenge bestimmt. Die jeweils austretende Hydraulikflüssigkeitsmenge wird bei gegebenen Größen für Drosselbohrungen, Durchtrittswiderständen und Viskosität im wesentlichen von der vor und hinter den Drosselbohrungen 25 herrschenden Druckdifferenz bestimmt.

Ist die Stößelantriebskraft P beispielsweise 2% (oder lO°/o) größer ausgelegt, als es für die Überwindung des maximalen Schneidwiderstandes W erforderlich wäre, so wirken vor dem Trennbruch etwa 2% (oder 10%) und nach dem Trennbruch etwa 100% der Stößelantriebskraft auf die Gegendruckzylinder. Hieraus läßt sich unter Berücksichtigung des Vorgesagten das Verhältnis zwischen der mini-

malen und der maximalen Schneidgeschwindigkeit zu etwa 1: 7 (oder 1: 3) bestimmen.

Eine stetige selbsttätige Entlüftung des Gegendrucksystems ist von großer Wichtigkeit und wird durch Anordnung der Bohrungen 22 an höchster Stelle der Zylinderräume 21 der Gegendruckzylinder 16 erzielt, so daß sich zumindest bis zu den Drosselbohrungen 25 in den Absperrventilen 18 keine Luftansammlungen bilden können.

ίο Kennzeichnend für alle Ausführungsformen der Erfindung ist, daß die Belastung einer Presse, vorzugsweise einer hydraulischen Presse, bei plötzlichem Fortfall des Arbeitswiderstandes durch die Wirkung eines entsprechend dimensionierten hydraulischen Gegendrucksystems nicht unbeabsichtigt unter etwa 60 bis 70% der beim Werkstück-Trennvorgang auftretenden höchsten Belastung absinken kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schnittschlagdämpfendes Gegendrucksystem in einer hydraulischen Presse, welches aus einem mit Druckflüssigkeit gefüllten Gegendruckraum in mindestens einer aus Kolben und Zylinder bestehenden Arbeitseinheit sowie mindestens einer zugeordneten Ausflußdrossel besteht und bei welchem die Gegendruckfläche so groß bemessen ist, daß der Federungswinkel des Gegendrucksystems noch bei einer solchen Höhe des Gegendruckraumes, die wenigstens so groß ist wie der Hub des Pressenstößels, der vom Beginn des plötzlichen Abfallens des Schneidwiderstandes bis zum vollkommenen Durchtrennen des Werkstückes von maximal möglicher Dicke noch zurückzulegen ist, wesentlich größer ist als der Federungswinkel des Pressensystems, nach Patentanmeldung P 14 27 403, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegendruckraum und die Ausflußdrossel so dimensioniert sind, daß während des eigentlichen Werkstück-Trennvorganges das Verhältnis (Q₁) aus der Höhe (H₁) ■ des Antrieb-Druckraumes der hydraulischen Presse zu der Höhe (ff.,) des Gegendruckraumes gleich oder größer als 4 ist, und daß gleichzeitig das Verhältnis (Q₂) aus der gesamten Gegendruckfläche zu der gesamten Antriebsfläche nicht kleiner als 0,25 ist und das vorerwähnte Verhältnis (O₂) multipliziert mit dem Verhältnis (Q₁) aus der Höhe des Antrieb-Druckraumes zu der Höhe des Gegendruckraumes gleich oder größer als 1,5 ist, und daß gleichzeitig das Verhältnis (Q₃) aus der gesamten Querschnittsfläche der Ausflußdrossel zu der gesamten Gegendruckfläche, bei Benutzung üblicher Druckflüssigkeiten mit einer Viskosität bis etwa 10° Engler bei 50° Celsius, gleich oder kleiner als 1/2500 ist.

2. Schnittschlagdämpfendes Gegendrucksystem in einer hydraulischen Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflußdrossel (25) möglichst nahe am Gegendruckraum (21) angeordnet ist.