DE2460185C2 - Verfahren zur Herstellung von Dichtungselementen mit hydrodynamischer Wirkung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Dichtungselementen aus Polytetrafluoräthyien oder einem ähnlichem Werkstoff sowie auf eine Prägestanze zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 2.

Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein Werkstoff, der sich nicht leicht ausformen läßt, wie dies für verschiedene synthetische Gummiwerkstoffe gilt. Polytetrafluorethylen hat aber einige sehr wertvolle Eigenschaften. Für einige Anwendungsgebiete empfiehlt sich seine Fähigkeit, hohen Temperaturen widerstehen zu können, zur Verwendung als Öl-Abdichtungselemente, die in Rotationsberührung mit einer Welle sind. Polytetrafluoräthylen ist dort den weniger temperaturwiderstandsfähigen synthetischen Gummisorten überlegen. Es werden daher Dichtungen aus einem solchen Material in der obenangegebenen Weise hergestellt (FR-PS 13 38 110), die jedoch den Nachteil haben, daß keine Ausbildung der anliegenden Dichtungsfläche vorgesehen ist, durch die Lecköl zurücktransportiert wird.

Bei Platten und Kacheln aus thermoplastischen Kunststoffen werden die Oberflächen bereits durch Prägungen verziert (DE-OS 20 50 065). Dieses Material wird unter erheblicher Erwärmung verformt, da eine Verformung unter nur leichter Erwärmung nicht bleibend ist

Das Verhalten von PTFE bei Kaltverformung wird insbesondere in einer Veröffentlichung »Information Bulletin Teflon TFE Fluorcarbon Resins Molding Techniques, Bulletin No. X-7-d« beschrieben und darauf hingewiesen, daß kalt verformte Artikel aus PTFE nur eine geringe Maßhaltigkeit aufweisen. Infolgedessen k?hren sie schon bei leichter späterer Erwärmung in die Ur-Sprungsform zurück.

Die Schwierigkeit der Ausformung dieses Materials hat es daher als unpraktisch erscheinen lassen, hydrodynamische Dichtungen aus Polytetrafluorethylen mit Oberflächenprägung herzustellen. Hydrodynamische Dichtungen werden in konventioneller Weise durch Ausformen einer Spiralnute oder einer anderen hydrodynamischen Struktur an dem geformten Element hergestellt. Es war schwierig, die Scheiben zu handhaben und das Formen von geprägten Polytetrafluorethylen ist wenigstens wirtschaftlich undurchführbar gewesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, um hydrodynamische Dichtungen aus Polytetrafluorethylen mit geprägten Oberflächen in einfacher Weise wirtschaftlich herzusteilen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren; vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahren und durch die im Anspruch 2 gekennzeichnete Prägestanze gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Öl-Dichtungselement aus Polytetrafluoräthylen oder einem ähnlichen Material hergestellt, indem in an sich bekannter Weise zunächst ein rohrförmiger Rohling oder Strang aus Polytetrafluorethylen oder anderem Material hergestellt wird. Dieser Rohling kann so bearbeitet werden, daß er die gewünschte Größe der inneren und der äußeren zylindrischen Oberfläche hai. Diese können etwas rauh sein. Eine Fläche senkrecht zu diesen beiden Oberflächen wird dann durch Abdrehen oder Planen hergestellt.

Nach der Erfindung wird eine Anzahl von Scheiben mit gewünschter Dicke abgeschnitten, um eine Anzahl Scheiben bzw. Dichtringe aus Polytetrafluorethylen zu erhalten. Sie haben alle überschlägig die gewünschten Abmessungen. Eine jede Platte bzw. ein jedes Plättchen oder Scheibe wird zunächst zugerichtet und es wird eine Spiralnute oder eine andere hydrodynamische Form auf dem radial inneren Anteil einer der Oberflächen der Platte oder der Scheibe durch Einprägen infolge Kaltverformung ausgeformt.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Einprägens durch Kaltverformung geht aus von einer Vorrichtung zum Prägen und Austrennen von Kunststoffteilen nach der DE-OS 21 32 892. Eine solche Prägestanze ist mit einem oberen und einem unteren Prägeteil, wobei mindestens eines der Prägeteile federbelastet ist, und mit einem ringförmigen Ausstanzteil ausgerüstet und gekennzeichnet durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 2.

Durch das Ausstanzen wird der äußeren Umfang auf seine Endabmessungen gebracht. Durch das Lochstanzen wird der innere Durchmesser auf seine Endabmcs-Tungen zugerichtet. Außerdem hat die Stanze zwischen dieser äußeren Kante und der inneren Kante ein Teil mit Rippen der gewünschten Form, um eine Spiralnute zu formen. Es wird eine hohe Druckkraft auf das Mute-

rial unmittelbar nach dem Schneiden ausgeübt, um die Scheibe dauerhaft zu verformen, wobei eine Oberfläche derselben mit einer Spiralnute versehen ist.

Das Dichtungselement kann so vorgeformt werden, daß es einen inneren kegelstumpfförmigen Anteil mit einer flachen radial dazu äußeren Oberfläche erhält. Sofern dies erwünscht ist, kann dieses Vorverformen mit dem Zusammensetzen des Elementes zu einer vollständigen Öldichtung kombiniert werden.

Schließlich kann die zusammengesetzte Dichtung auf einen Dorn aufgebracht werden, der im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Welle hat, für die die Dichtung bestimmt ist Es kann dann eine Beschichtung des äußeren Umfangs des Gehäuses vorgenommen werden, um die Eigenschaften für die Abdichtung in der Bohrung zu verbessern (hierzu siehe auch die US-Patentscferiften 28 89 163 und 32 75 332). Diese Beschichtungsanwendung wird bei erhöhter Temperatur vorgenommen, vorzugsweise mit Verdampfung des Lösungsmittels. Der Dorn bewahrt die gewünschte kegelstumpfförmige Gestalt Ein solcher Dorn kann, soweit gewünscht auch für den Versand der Dichtung verwendet werden.

Die Erfindung sieht vor, daß auf die Oberfläche der vom Rohling abgeschnittenen Scheibe gleichzeitig die Spiralnuten oder andere hydrodynamische Formen durch Prägung ausgebildet werden. Diese Nuten erstrecken sich von dem inneren Umfang einer jeden Scheibe bis zu einer gewünschten Entfernung auf den äußeren Umfang zu. Diese Maßnahme kann mit der erfindungsgemäßen Prägestanze zum Ausstanzen, Lochstanzen und Prägen vorgenommen werden, die sowohl die Dichtung zurichtet als auch die Nute zwischen zwei Metalloberflächen unter Anwendung hohen Drukkes prägt. Mit dem hohen Druck wird eine dauerhafte Verformung des Materials dieser Oberfläche erreicht

Jede Scheibe wird unter Druckanwendung dauerhaft derart verformt, daß aus dem radialen inneren Anteil einer Kege'stumpfform gebildet wird. Diese Maßnahme wird vorzugsweise während des Zusammensetzens der Dichtung ausgeführt Die zusammengesetzte Dichtung kann auf einen Aufspanndorn mit dem Durchmesser der Welle für eine Beschichtung des Metallgehäuses aufgesetzt werden.

Die Erläuterung der Erfindung geht aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren hervor.

F i g. 1 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht durch eine Dichtung.

F i g. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Anteils der inneren kegelstumpfförmigen Lippe des aus Polytetrafluorethylen bestehenden Elements nach F i g. 1.

Fig.3 zeigt einen Schnitt durch eine Prägestanze /.um Ausstanzen, Lochstanzen und Prägen der Dichtung.

F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt einer mit Nute versehenen Platte, die in einer vollständigen öldichtung angeordnet ist, während der Formung ihres inneren Teils in eine Kegelstumpfform.

Fig.5 zeigt einen Längsschnitt ähnlich einem Anteil nach F i g. 4, wobei in der Figur die Prägestanze ihre Prägeteile eingestochen bzw. eingerückt hat und die Prägestanze geschlossen ist und die Prägung ausgeführt ist.

Fig.] zeigt einen vergrößerten Querschnitt der radialen Wellendichtung 10. Die Dichtung 10 hat ein äußeres Gehäuse 11 mit eimm zylindrischen Anteil 12 und mit einem radialen Flansch 13. Außerdem ist ein inneres Gehäuse 14 vorgesehen, das einen zylindrischen Anteil 15 hat, der in den zylindrischen Anteil 12 eingefügt eingesetzt bzw. eingepaßt ist, und zwar derart, daß die Oberfläche 16 des Anteils 15 direkt an der inneren zylindrischen Wand 17 des Anteils 12 anliegt. Das innere Gehäuse 14 hat auch einen radialen Flansch 18. Zwischen den radialen Flanschen 13 und 18 ist ein flacher radialer äußerer Anteil 19 eines Dichtungselementes 20 vorgesehen, das vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen hergestellt ist und das außerdem einen kegelstumpfförmigen Anteil 21 hat. Zwischen dem Polytetrafluoräthylenteil 20 und der radialen Wand bzw. Flansch 13 ist vorzugsweise ein Dichtring 22 vorgesehen. Er gewährleistet Abdichtung zwischen dem Dichtelement 20 und dem Gehäuse 11. Der radiale Flansch 18 des inneren Gehäuses 14 ist gegen den radialen Flansch 13 des äußeren Gehäuses 11 gedrückt, so da3 die Wand 18 den Anteil 19 zusammenpreßt und ihn dichthält und den Dichtring 22 zusammenpreßt um ein Lecken zu verhindern. Die Wand 18 hält das Polyt^trafluoräthylenelement 20 sicher in dem Gehäuse. Da« äußere Gehäuse 11 hat einen Endanteil 23, der über das innere Gehäuse 14 umgebördelt ist, um dieses dicht in seiner Stellung festzuhalten. Diese allgemeine Konstruktion ist an sich bekannt.

Dei innere Anteil 21 des Polytetrafluoräthylen-Elements 20 hat kegelstumpfförmige Gestalt und hat auf der Luftseite eine Oberfläche 25 mit einer Spiralnute 26, die von der innersten Kante 27 der Dichtung nach außen führt. Diese Nute 26 ist so ausgeführt, daß sie bf i einer bestimmten Umdrehungsrichtung bei rotierender Welle die Tendenz hat, jegliches Öl zurückzuführen, das entlang der Welle aufgrund von Kratzern in der Welle oder aufgrund von kleineren Unvollkommenheiten in der Welle oder sogar in dem Wellendichtungselement selbst herauslecken könnte. Das stärkste Lecken beruht jedoch in diesem Fall auf Unvollkommenheiten der Welle. Wie bei allen hydrodynamischen Dichtungen is* es der Zweck der Nute 26, das Öl unterhalb der Dichtungslippe 27 und auf die ölseite der Dichtung zurückzuführen.

Soweit gewünscht, können andere hydrodynamische Formen anstelle einer Spiralnute angewendet werden. Es kann praktisch jegliche Form für das Eie^nent 20 zum Zwecke von dessen Verwendung in der vorliegenden Erfindung angewendet werden, die eine hydrodynamisehe Wirkung ermöglicht.

Wenn die Dichtung 10 so eingesetzt ist, liegt eine Einwirkung der Welle vor, durch die der innere Anteil 21 gebogen bzw. gedehnt wird und auf eine kurze Länge ein Anteil gebildet wird, der im wesentlichen zylindrisch ist. Dies ist es, weshalb man die Spiralnute 26 (oder einen anderen hydrodynamisch geformten Anteil) sich eine wesentliche Länge entlang der Fläche erstrecken laßt, weil das Maß der Einwirkung der Welle bzw. der Berührung mit der Welle etwas unbestimmt ist.

Die Herstellung der Plattenrohlinge, aus denen die ' Polytetrafluoräthylen-Dichtungen dann geformt werden, geschieht durch Abstehen von Ringen von einem dickwandigen RoLi* aus diesem Material. Es genügt, daß der äußere Durchmesser des Rohres eine gewisse Übergröße und der innere Durchmesser ein gewisser. Untermaß gegenüber den Fertigmaßen der Dichtung aufweisen, die durch einen Stanzvorgang in der erfindungsgemäßen Prägestanze hergestellt werden.

Die Prägestanze 40 (F i g. 3) hat ein oberes zusam-

G5 mengesetztes Vorrichtungsteil 41 und ein unteres zusammengesetztes Vorrichtungsteil 42. Das obere Vorrichtungsteil 41 hat

(1) ein äußeres Teil 43 zum Ausstanzen mit einer Schneidekante 44 und einer flachen Fläche 45,

(2) ein inneres Teil 46 zum Lochstanzen, das sich in ringförmigem Abstand vom Teil 44 befindet und eine flache Fläche 47 und eine Schneidekante 48 aufweist,

(3) ein Prägeteil 50, das eine Oberfläche 51 hat, deren innerer Anteil 52 mit einer mit Maschine erzeugten Spiralrippe versehen ist, und

(4) einen oberen Prägestanzenschuh 53.

Das Ausstanzteil 43 und das Lochstanzteil 46 sind relativ zueinander und in bezug auf den oberen Prägestanzenschuh 53 befestigt bzw. festgelegt. Die Ausstanz-Schneidkante 44 liegt um ein sehr kleines Maß vor der Lochstanz-Schneidkante bzw. geht ihr um ein sehr kleines Maß voran. Andererseits bewegt sich das Prägeteil 50 hin und her und ist federbelastet. Ein jeder eines Satzes sich hin- und herbewegbarer Zapfen 55 iiegt an einem Ende an dem Prägeteil 50 an. Am anderen Ende liegen die Zapfen an einem Ring 56 an, der auf einer Feder 57 aufliegt.

Wenn der obere Prägestanzenschuh 53 sich in seiner oberen Stellung befindet, das ist bevor die Prägestanze 40 geschlossen ist. erstreckt sich die Prägeoberfläche 51 herab bis unter die Schneidkanten 44 und 48 sowie unter die Flächen 45 und 47. und zwar um ein Maß. das angenähert gleich der Dicke der Scheibe 35 ist, wie dies irn wesentlichen in F i g. 3 gezeigt ist.

Ein Grund für diesen Aufbau ist, die Scheibe 35 einer geringen Anfangslast zu unterwerfen, und zwar unmittelbar vor dem Ausstanzen und dem Prägen. Damit wird die Scheibe gerade gerichtet, denn die Scheibe 35 ist. so wie sie von dem Rohling 30 abgeschnitten wird, eher leicht gekrümmt oder gewölbt als wirklich plan.

Ein anderer Grund für diese Maßnahme ist, daß nach

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^4 W I II ■ · U a.^1 >. ·* ^ · II , X» M^ ^wi !■ * \St ■ lvlllUtl>>ätvlt " S Ul IVl das untere Vorrichtungsteil 42 voneinander getrennt sind, dieser Aufbau es ermöglicht, die zugerichtete und geprägte Scheibe 35 mittels eines Luftstromes auszuwerfen.

Das untere Vorrichtungsteil 42 der Prägestanze 40 hat einen ortsfesten Klemmbacken 60. der mit einer Fläche dem Prägeteil 50 entgegengerichtet ist und gleiche Größe hat. Ein relativ hin- und hergehendes Teil 61 umgibt den Klemmbacken 60. Es zeigt mit einer Fläche zu dem oberen Teil 44 der Prägestanze. Das Teil 61 liegt auf einer Anzahl nachgiebiger Federn 62 auf. Eine jede Feder 62 umschlingt eine jeweilige Ansatzschraube 63. deren oberes Ende in ein Gewinde des Teils 61 eingedreht ist. Jede Schraube bewegt sich damit innerhalb des unteren Vorrichtungsteiles 42 auf und ab.

Während der Benutzung führt das Schließen des oberen Vorrichtungsteiles 41 der Prägestanze zuerst dazu, daß die Oberfläche 51 des Prägeteils an der Scheibe 35 zum Anliegen kommt. Mit dem feststehenden Klemmbacken 60 des unteren Vorrichtungsteils 42 zusammenwirkend wird die Scheibe 35 festgehalten und flach gedruckt. Das Prägeteil 50 bleibt dann für eine Weile stationär, während es nach oben über die Zapfen 55 und den Ring 56 gegen die Federn 57 drückt Während dieser Zeit beginnt die Schneidkante 44 den Ausstanzvorgang und bald darauf beginnt die Schneidkante 48 den Lochstanzvorgang. Die Schneidkante 44 und die Oberfläche 45 berühren das nachgiebige Teil 61 und bewegen es nach unten, während die Schneidkante 48 und die Fläche 47 einen Abstand voneinander haben.

Wenn sowohl das Ausstanzen und das Lochstanzen vollendet sind, geht die Presse weiter nach unten, bis das Prägeteil 50 an dem oberen Flansch des inneren Lochstanzteils 46 zur Anlage kommt. Es werden dann viele Tonnen Druck auf die Scheibe 35 ausgeübt, durch den das Spiralgewinde in die Oberfläche der Scheibe eingedrückt wird und womit die hydrodynamische Nute 26 auf der Oberfläche der Scheibe gebildet wird. Das genaue Maß des erforderlichen Druckes kann abhängig von den Abmessungen der Scheibe 35 verändert wer-

•,ο den.

Es ist jedoch wichtig, daß genügend Druck angewendet wird, um eine dauerhafte Deformation der Scheibe im Bereich der hydrodynamischen Nuten zu bewirken, damit ein Zurückfließen des Materials in seine alte Form im wesentlichen ausgeschlossen wird.

Die Polytetrafluoräthylen-Scheibe 35 ist dann vorbereitet, um in die Form des endgültigen Elementes 20 gebracht zu werden. Dies kann in einer Prägeeinrichtung 7ö vorgenommen werden, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist. Dies erfolgt unter wesentlich geringerem Druck, der jedoch groß genug ist, um eine Kaltvorformung zu erreichen. Das Ergebnis ist. daß das Element 20, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, in das Gehäuse 11, wie gezeigt, eingesetzt und dann für die Verwendung fertig ist.

Die Prägepresse 70 hat zwei flache Oberflächen 71 und 72, von denen eine an dem radialen Flansch 13 des Gehäuseteiles 11 anliegt. Die andere Oberfläche greift in den raC.-alen Flansch 18 des Gehäuseteils 14 ein. Der Anteil 19 des Elementes 20 und der Dichtungsring 22 liegen zwischen den Gehä.useflanschen 13 und 18. Die Pressenform 70 hat auch zwei kegelstumpfförmige Oberflächen 73 und 74, die einander gegenüberliegen. Zwischen ihnen ergreifen sie die Flächen des Anteils 25 und bewirken, daß dieser Anteil seine Kegelstumpfform

j5 annimmt.

Eine weitere Herstellungsmethode ist das Verfahren „„„ι A^- c; π <;

ituwn uvi ι ι β. ^.

Es ist ein Prägeteil 80 mit einem flachen Anteil 81 vorgesehen, um einen äußeren ringförmigen Anteil der Scheibe 35 zu ergreifen. Es ist ein Prägeanteil 82 vorgesehen, mit dem die hydrodynamische Form (eine Spiralnute oder was immer) erzeugt wird. Dieser Anteil 82 ist so konstruiert, daß er eher in das Teil 80 zurückspringt als über dieses hinaus vorzuspringen, wie dies bei der Prägestanze 50 nach den F i g. 3 und 4 der Fall ist. Das Zurückspringen des Prägegewindes (oder einer anderen Struktur) macht den Anteil 82 gegen Beschädigungen oder Bruch weniger empfindlich als wenn das prägende Gewinde vorspringt. Es führt auch zu einer etwas andcren Wirkung. In der Prägestanze nach F i g. 5 drückt 'ler Anteil 81 die Polytetrafluoräthylen-Scheibe 35 tatsächlich zusammen, und diese ist ungefähr 50 bis 75 μΐη dünner als sie zuvor war. Durch den Druck wird ein Kaltfluß des Polytetrafluoräthyiens in den Prägeanteil 82 hinein bewirkt, womit die darin befindlichen Nuten bis zu einer Tiefe von ungefähr 200 μιτι aufgefüllt werden. Dies erfolgt wie zuvor gewöhnlicherweise bei in der Fabrik hen sehender Raumtemperatur ohne Aufheizen des F'rägeteils 80. Das Kaltfließen des Poiytetrafluoräthylens ist somit mit dem hohen Prägedruck verbunden und die (erreichte) Form ist dauerhaft.

Anschließend an den Verfahrensschritt nach F i g. 5 kann die Kegelstumpfform hergestellt werden, z. B. durch eine Vorrichtung, die derjenigen nach Fig.4 gleicht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von öldichtungen mit einem Dichtungselement aus einem Polytetrafluorethylen oder einem ähnlichen Material, bei dem von einem hohlen zylindrischen Materialrohling dünne Scheiben als ringförmige Dichtungselemente abgestochen, in ein Metallgehäuse eingesetzt und zu einer kegelstumpfförmigen Kontur verformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsfläche des Elementes mit einer hydrodynamischen Einrichtung versehen wird und daß die Einrichtung unter hohem Druck ohne Aufheizen einer Prägematrize bei Raumtemperatur kalt eingeprägt wird.

2. Prägestanze zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem oberen und einem unteren Prägeteil, wobei mindestens eine der Prägeteile federbelastet ist, und mit einem ringförmigen Ausstanzteil, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Prägeteil (50, 80) ringförmig ist und eine Druckfläche aus einem radial äußeren Klemmbereich (Sl, 81) und einem radial inneren Formungsbereich (52, 82) aufweist und daß das Ausstanzteil (43) eine Schnittkante (44) am inneren Umfang und ein zylindrisches Lochstanzteil (46) mit einer Schnittkante (48) an seinem Umfang, die koaxial zum Lochstanzteil (46) und mit radialem Abstand von diesem angeordnet ist, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Prägei'il (42) von einem Ring (61) umgeben ist, dec dem Ausstanzteil (43) gegenüber liegt und nachgiebig ve: unteren Prägeteil (53) getragen wird.

4. Prägestanze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausstanzteil (43) mit seiner Schneidkante (44) in Richtung des unteren Prägeteils (42) tiefer steht als die Schnittkante (48) des Lochstanzteils (46).