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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Autofrettage von dickwandigen
Werkstücken
gemäß den Merkmalen
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Autofrettage
bezeichnet ein Verfahren zur Erhöhung
der statischen und dynamischen Belastbarkeit innendruckbeanspruchter,
dickwandiger Bauteile. Bei diesem Verfahren werden durch das einmalige
Aufbringen eines weit über
dem Betriebsdruck liegenden Reckdruckes gezielt Druckeigenspannungen
aufgebaut, wobei die Streckgrenze des Werkstoffs teilweise überschritten
wird. Teilbereiche des Werkstoffs werden unter hohem Druck plastisch
dauerhaft verformt, wohingegen die äußeren Werkstückbereiche
nur elastisch verformt werden. Dadurch erfolgt eine Vorspannung
des Werkstückinneren
und ermöglicht
nicht nur eine Verbesserung der Betriebsfestigkeit, sondern bevorzugt
eine lebensdauerfeste Gestaltung hochbelasteter Bauteile, wie sie
insbesondere bei der Dieseleinspritzung zum Einsatz kommen. Die
sogenannten Common Rails, das heißt Kraftstoffverteilerleisten
neuester Generation werden mit Drücken in einer Größenordnung
von 2000 bar und mehr während
des laufenden Betriebs beansprucht. Das gilt auch für die Kraftstoff
führenden
Leitungen im Umfeld des Common Rails sowie für die daran angeschlossenen
Injektoren.
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Üblicherweise
wird bei der Autofrettage ein Hochdruckfluid in das zu bearbeitende
Werkstück eingeleitet
und unter hohen Druck gesetzt, indem ein außerhalb des Werkstücks angeordneter
Druckerzeuger das Hochdruckfluid, das über eine Verbindungsleitung
mit dem Inneren des Werkstücks
in Verbindung steht, komprimiert. Hierbei kommen üblicherweise
Druckübersetzer
mit einem großen Übersetzungsverhältnis zum
Einsatz. Beispielsweise kann das Übersetzungsverhältnis, das
auch dem Durchmesserverhältnis
der Kolben des Druckübersetzers
gleichgesetzt werden kann, größer als
1:30 sein. Da auf der Hochdruckseite ein Druck von mehreren tausend
bar anliegt, müssen
dort besondere Anstrengungen vorgenommen werden, um die Dichtigkeit
aller Komponenten der Anordnung, insbesondere des Hochdruckkolbens,
sicherzustellen. Dies gelingt dadurch, dass der Hochdruckkolben
in einem Hochdruckzylinder geführt
wird, der z.B. aus einem Hartmetall gefertigt ist. Durch ihre hohe
Härte sind Hartmetalle
spröde
und empfindlich gegen Schläge und
Stoßbeanspruchungen.
Die aus einem Hartmetall gefertigten Hochdruckzylinder werden daher
von weiteren dickwandigeren Stahlzylindern umgeben, die zudem vorgespannt
sind, um die hohen Kräfte
im Hochdruckbereich aufnehmen zu können. Diese Bauweise treibt
die Kosten für
den Hochdruckzylinder in die Höhe,
insbesondere da es sich bei einem Hartmetallzylinder um ein schwer
zu bearbeitendes und zudem relativ großvolumiges Hartmetallbauteil handelt.
Auch die Ankopplung des Hartmetallzylinders an das zu autofrettierende
Bauteil ist nicht unproblematisch, da auch die Leitungswege vom
Hochdruckzylinder in den Innenraum des Werkstücks den hohen Drücken standhalten
müssen.
Entsprechende Dichtungen sind vorzusehen, so dass die gesamte Konstruktion
sehr aufwendig ist. Grundsätzlich
unterliegen alle hochdruckbelasteten Bauteile einschließlich des
Hochdruckzylinders einem Verschleiß und müssen früher oder später ausgetauscht werden.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine geeignete
Autofrettagevorrichtung aufzuzeigen, bei welcher die verschleißbedingten
Kosten reduziert sind.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Autofrettagevorrichtung mit den Merkmalen
des Schutzanspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
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Der
der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist, dass möglichst
keine Rohrleitungen und damit möglichst
wenig verschleißanfällige Bauteile zwischen
dem Hochdruckbereich und dem zu befüllenden Werkstück vorhanden
sein sollen, um bei einer entsprechenden Vorrichtung so wenig verschleißanfällige Bauteile
wie möglich
zu haben. Die Lösung
wird darin gesehen, das Hochdruckfluid nicht außerhalb des zu autofrettierenden
Werkstücks
vorzuspannen, sondern innerhalb des zu autofrettierenden Werkstücks. Dies
gelingt dadurch, dass das dem Hochdruckfluid im Innenraum zur Verfügung stehende
Volumen durch wenigstens einen Verdrängerkörper reduziert wird, der durch
eine Verdrängerkolbenöffnung in
den Innenraum des Werkstücks
verlagert wird. Bei diesem Verfahren wird zunächst der Innenraum des Bauteils
mit dem Hochdruckfluid befüllt
und verschlossen. Der druckbeaufschlagte Bereich beschränkt sich
also nahezu ausschließlich
auf den Innenraum des Werkstücks,
der im Laufe des Verfahrens kontinuierlich reduziert wird, um den
zur Autofrettage notwendigen hohen Druck aufzubauen. Wichtig dabei
ist, dass das Werkstück
in Relation zu dem Verdrängerkolben
nicht als Zylinder zu betrachten ist, in welchem der Verdrängerkolben
geführt wird,
sondern einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser
des Verdrängerkolbens.
Nur auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die gesamte
Innenfläche
des Werkstücks
autofrettierbar ist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist das Werkstück über eine Vorfüllöffnung mit
dem Hochdruckfluid befüllbar.
Das Werkstück
weist daher eine weitere Öffnung
auf, die der Verdrängerkolbenöffnung des Werkstücks vorzugsweise
gegenüber
liegt. Die Befüllung über eine
separate Öffnung
ermöglicht
es, das Hochdruckfluid über
einen Befüllanschluss
mit relativ großem
Querschnitt in den Innenraum einzubringen, das heißt den Innenraum
rasch zu befüllen.
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Dadurch
kann die Taktzeit dieses diskontinuierlichen Fertigungsverfahrens
weiter reduziert werden.
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Ein
weiteres wichtiges Merkmal ist, dass die Verdrängerkolbenöffnung des Werkstücks von
einem Dichtkegel abgedichtet wird, der gegen den Rand der Verdrängerkolbenöffnung gepresst
wird. Der Dichtkegel kann Bestandteil eines Hochdruckzylinders sein,
in welchem der Verdrängerkolben
geführt
wird. Dadurch entfallen separate Adapterplatten, wie sie bislang
zwischen dem Druckerzeuger und dem zu autofrettierenden Werkstück erforderlich
waren. Grundsätzlich
kann der Dichtkegel aber auch als separates Bauteil ausgebildet
sein, um einzeln ausgetauscht werden zu können. Die Abdichtung erfolgt form- und Kraftschlüssig über einen
unmittelbaren metallischen Kontakt zwischen dem Werkstück und dem
Dichtsitz. Das setzt selbstverständlich
voraus, dass der Dichtsitz auf die Geometrie des Werkstückes abgestimmt
ist. Der Dichtsitz kann daher die Form einer Kegelspitze oder auch
einer Kugel haben. Entscheidend für die Wahl der Geometrie des
Dichtsitzes ist die angestrebte Dichtigkeit.
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Die
Dichtigkeit kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere
dadurch gewährleistet werden,
dass die Kraft, über
welche die sich gegenüber
liegenden Öffnungen
verschlossen werden, proportional zum Autofrettagedruck vergrößerbar ist. Falls
sich die Verdrängerkolbenöffnung und
der separate Vorfüllanschluss
nicht gegenüber
liegen, sind selbstverständlich
entsprechende Abstützeinrichtungen
für das
Werkstück
vorzusehen, um eine Abdichtung des Innenraums zur Autofrettage zu
ermöglichen.
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Ebenso
wie die Verdrängerkolbenöffnung von
einem Dichtkegel abgedichtet wird, ist vorgesehen, dass auch die
Vorfüllöffnung verschlossen
wird, und zwar von einem Verschlusskolben, welcher vorzugsweise
ebenfalls eine kegelige oder gerundete Spitze aufweist. Der Verschlusskolben
selbst greift daher nur geringfügig
in den Innenraum des Werkstücks
ein. Der Verschlusskolben selbst muss den Innenraum erst dann abdichten,
wenn die gewünschte Hochdruckfluidmenge
im Innenraum vorhanden ist.
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Mit
dem Befüllen
des Innenraums werden Gase möglichst
vollständig
aus dem Innenraum entfernt. Der Innenraum muss daher beim Befüllen im Bereich
der Verdrängerkolbenöffnung offen
sein. Besonders günstig
ist es daher, wenn die Vorfüllöffnung tiefer
als die Verdrängerkolbenöffnung angeordnet ist,
so dass das Werkstück
gewissermaßen
von unten befüllt
werden kann. Vor dem Einleiten des Hochdruckfluids wird eine Dichthülse gegen
eine Anschlussfläche
des Werkstücks
gedrückt.
Diese Dichthülse
umgibt den Verschlusskolben und ist gegenüber der Anschlussfläche des
Werkstücks über einen endseitigen
Dichtring und gegenüber
dem Außenumfang
des Verschlusskolbens über
einen weiteren Dichtring abgedichtet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird daher zunächst
das Werkstück
von Hand oder mit Hilfe eines Roboters in eine Klemm- und Positioniereinrichtung
gelegt. Anschließend
muss die Dichthülse
von unten gegen das Werkstück
gedrückt
werden. Das kann durch Verlagerung des Verschlusskolbens in Richtung
auf den Vortüllanschluss
erfolgen, wobei die Dichthülse
mitgeschleppt wird. Die Dichthülse
ist dabei unter Eingliederung einer Feder an dem Verschlusskolben
abgestützt.
Die Feder wird so weit gestaucht bis eine ausreichende Vorspannung
besteht, um beim Befüllen
des Werkstücks
eine sichere Abdichtung zu gewährleisten.
Die Verdrängerkolbenöffnung im
Werkstück
bleibt während
dieses Vorgangs geöffnet.
Nachdem das Werkstück
an seinem Vorfüllanschluss
umfangsseitig abgedichtet ist, kann über einen Befüllanschluss
in der Dichthülse
das Hochdruckfluid in das Werkstück
eingeleitet werden. Luft entweicht im Bereich der Verdrängerkolbenöffnung, bis
das Hochdruckfluid oben aus der Verdrängerkolbenöffnung des Werkstücks ausströmt.
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Damit
das Hochdruckfluid beim Befüllen
des Innenraums nicht unkontrolliert aus der Verdrängerkolbenöffnung ausströmt, kann
auch im Bereich dieser Öffnung
eine Dichthülse
vorgesehen sein, wie sie am Vorfüllanschluss
zum Einsatz kommt. Überschüssiges Hochdruckfluid
strömt
in diese kopfseitige Dichthülse
ein und wird dort kontrolliert abgeleitet.
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Nach
Abschluss des Befüllvorgangs
kann der Verschlusskolben mit seiner konischen Dichtspitze in den
Vorfüllanschluss
eingesetzt werden und diesen hochdruckfest abdichten. Gleichzeitig
wird das Werkstück
weiter nach oben bewegt und auf den konischen Dichtkegel des Hochdruckzylinders
gepresst. Nunmehr ist der Innenraum des Bauteils abgedichtet und
ist bereit zur Innendruckbeaufschlagung.
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Der
Verdrängerkolben
wird nun mittels eines weiteren Hydraulikzylinders in den Innenraum
des Werkstücks
verlagert, so dass das dem Hochdruckfluid zur Verfügung stehende
Volumen reduziert wird, mit der Folge, dass der Fluiddruck auf mehrere
tausend bar ansteigt. Jetzt erfolgt die eigentliche Autofrettage.
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Nachdem
der Autofrettagedruck im Werkstück
erreicht wurde, erfolgt die Druckentlastung. Dazu wird der Verdrängerkolben
mittels des Hydraulikzylinders, der mit dem Verdrängerkolben
fest verbunden ist, aus dem Werkstück herausgefahren, bis der
Druck annähernd
null bar beträgt.
Dann wird der Verschlusskolben wieder zurückgefahren, so dass beide Öffnungen
des Innenraums wieder offen sind. Beim Zurückfahren des Verschlusskolbens
wird auch die Dichthülse
mit in die Ausgangsposition geschleppt, was auf die Dichtungsreibung
zurückzuführen ist.
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Am
Ende des Fertigungszyklus befinden sich der Verdrängerkolben
und der Verschlusskolben einschließlich der Dichthülse wieder
in der Ausgangsstellung. Das bearbeitete Werkstück kann entnommen werden. Der
Prozess beginnt von vorne.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird angestrebt, die Menge des Hochdruckfluidvolumens so gering
wie möglich
zu halten. Dadurch lässt
sich das Verfahren schneller durchführen. Zudem können die
früher
oder später
auszutauschenden Verschleißteile
einer solchen Autofrettagevorrichtung deutlich kleiner dimensioniert
werden als bei herkömmlichen Aurofrettagevorrichtungen,
bei welchen der gewünschte
Druck außerhalb
des Werkstücks
aufgebaut wird. Der Verdrängerkolben
muss selbstverständlich
nicht die gesamte Länge
des Werkstücks durchsetzen,
sondern ist so dimensioniert, dass bei möglichst geringem Hochdruckfluideinsatz
aber gleichzeitig auch bei möglichst
geringem Hub das gewünschte
Verfahrensergebnis erreicht wird. Im Rahmen der Erfindung ist es
daher auch denkbar, die Menge des eingesetzten Hochdruckfluidvolumens dadurch
zu reduzieren, dass in den Innenraum Verdrängerkörper konstanten Volumens in
Form von metallischen Einsätzen
eingebracht sind. Derartige Einsätze
können
auch von flexibler Gestalt sein, wie es beispielsweise bei gebogenen
Kraftstoffleitungen zweckmäßig ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann
insbesondere zur Autofrettage von Kraftstoff führenden Bauteilen zum Einsatz
kommen. Konkret eignet sie sich sehr gut zur Autofrettage von Common
Rails, da es sich hierbei um dickwandige, gerade Werkstücke handelt,
die besonders hohen Drücken
standhalten müssen.
Selbstverständlich
eignet sich die Vorrichtung auch zur Autofrettage von Kraftstoffinjektoren
sowie zur Autofrettage von Kraftstoff führenden Leitungen und zur Autofrettage
von druckbelasteten Bauteilen im Einspritzbereich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Autofrettagevorrichtung in einer schematischen Darstellung im Längsschnitt
in einer Ausgangsposition;
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2 die
Autofrettagevorrichtung der 1 nach Abschluss
des Befüllvorgangs
und
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3 die
Autofrettagevorrichtung während der
Hochdruckbeaufschlagung des Werkstücks.
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1 zeigt
eine Autofrettagevorrichtung 1 zur Autofrettage eines dickwandigen
Werkstücks 2, wie
beispielsweise eines Common Rails. Hierzu wird das Werkstück 2 zwischen
einem Hochdruckzylinder 3 und einem Verschlusszylinder 4 positioniert.
Die Mittellängsachse
MLE des Hochdruckzylinders 3, des Werkstücks 2 und
des Verschlusszylinders 4 fluchtet hierbei.
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Es
ist zu erkennen, dass das Werkstück 2 einen
Innenraum 5 in Form einer Bohrung aufweist, wobei die in
der Bildebene obere Mündung
als Verdrängerkolbenöffnung 6 und
die in der Bildebene untere Öffnung
als Vorfüllöffnung 7 bezeichnet
wird. Wie auf den nachfolgenden Figuren zu erkennen ist, erfolgt
eine Abdichtung der Verdrängerkolbenöffnung 6 und
der Vorfüllöffnung 7 über entsprechende
Dichtkegel. Ein erster Dichtkegel 8 ist Bestandteil des Hochdruckzylinders 3 und
wird zum Schließen
der Verdrängerkolbenöffnung 6 gegen
diese gepresst. Bevor jedoch die Verdrängerkolbenöffnung 6 geschlossen
wird, muss zunächst
ein nicht näher
dargestelltes Hochdruckfluid in den Innenraum 5 eingebracht
werden. Dies erfolgt über
einen Befüllanschluss 10,
der radial in einer Dichthülse 11 angeordnet
ist. Bevor jedoch Hochdruckfluid über den Befüllanschluss 10 in
den Innenraum 5 eingeleitet wird, muss die Dichthülse 11 wie
in 2 dargestellt gegen eine Anschlussfläche 12 des
Werkstücks 2 verlagert
werden. Dies erfolgt mit Hilfe eines Verschlusskolbens 13,
der innerhalb der Dichthülse 11 angeordnet
ist. Die Dichthülse 11 ist über eine
Feder 14 an einem Kragen 15 des Verschlusskolbens 13 abgestützt, so
dass die Dichthülse 11 unter
Eingliederung eines stirnseitigen Dichtrings 16 gegen die
Anschlussfläche 12 des
Werkstücks 2 gepresst
wird und hier eine Abdichtung herbeiführt. Es wird nun so viel Hochdruckfluid
in den Innenraum 5 eingeleitet, bis es an der Verdrängerkolbenöffnung 6 austritt.
Anschließend
wird der Verschlusskolben 13, der über einen in der Dichthülse 11 aufgenommenen
Dichtring 17 abgedichtet ist, gegen den Vortüllanschluss 7 gepresst und
schließt
diesen durch seine kegelförmige
Dichtspitze 18 ab. Gleichzeitig erfolgt eine Abdichtung
des oberen Endes des Innenraums 5, indem der Dichtkegel 8 des
Hochdruckzylinders 3 gegen den Rand 9 des Werkstücks 2 gepresst
wird. Nun erfolgt eine Druckbeaufschlagung des Hochdruckfluids,
indem das dem Hochdruckfluid im Innenraum 5 zur Verfügung stehende
Volumen durch einen Verdrängerkolben 19 reduziert
wird.
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3 zeigt,
wie der dornförmige
Verdrängerkolben 19 durch
den Dichtkegel 8 hindurch in den Innenraum 5 verlagert
wird. Das Hochdruckfluid im Innenraum 5 wird hierbei so
stark verdichtet, dass im Innenraum 5 Drücke von
mehreren tausend bar aufgebaut werden können, die zur Autofrettage
des Werkstücks 2 führen. Der
Verdrängerkolben 19 ist
mit einem nicht näher
dargestellten Hydraulikzylinder gekoppelt, der mit einem niedrigeren
Druck auf einer im Verhältnis
zur Querschnittsfläche
des Verdrängerkolbens 19 größeren Kolbenfläche den
notwendigen Autofrettagedruck aufbaut. Ein Leckageanschluss 20 ermöglicht den
Austritt von Leckströmungen.
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Ebenso
wie der Verdrängerkolben 19 hydraulisch
verlagert wird, greift auch an den Verschlusskolben 13 ein
schematisch angedeuteter Hydraulikzylinder 21 an, der mit
dem Verschlusskolben 13 fest verbunden ist.
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- 1
- Autofrettageanordnung
- 2
- Werkstück
- 3
- Hochdruckzylinder
- 4
- Verschlusszylinder
- 5
- Innenraum
v. 2
- 6
- Verdrängerkolbenöffnung
- 7
- Vorfüllöffnung
- 8
- Dichtkegel
- 9
- Rand
- 10
- Befüllanschluss
- 11
- Dichthülse
- 12
- Anschlussfläche
- 13
- Verschlusskolben
- 14
- Feder
- 15
- Kragen
- 16
- Dichtring
- 17
- Dichtring
- 18
- Dichtspitze
- 19
- Verdrängerkolben
- 20
- Leckageanschluss
- 21
- Hydraulikzylinder
- MLE
- Mittellängsachse