DE3001243C2 - Vorrichtung zur hydodynamischen Blechumformung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydrodynamischen Blechumformung mit einem Zylinder, dessen eines Ende der Arbeitsfläche eines Untergesenkes zugewandt und an dessen entgegengesetztem Ende eine Anlaßeinrichtung angebracht ist, und mit einem in dem Zylinder geführten Freikolben, der mit der Anlaßeinrichtung und mit einer Rückstelleinrichtung gekoppelt ist, sowie mit einem mit dem über dem Freikolben liegenden Raum des Zylinders in Verbindung stehenden Druckgasaufnahmebehälter und einem die Räume des Zylinders und des Druckgasaufnahmebehälters abschließenden Deckel.

Bei solchen Vorrichtungen wird der Freikolben mit Druckgas beschleunigt und erzeugt beim Aufprall auf ein die Arbeitskammer füllendes elastisches Mittel (Flüssigkeit) in diesem einen Hochdruck, durch den die Umformung des Werkstückes erfolgt Damit keine übermäßige Erhöhung des Luftdruckes im Zylinder zwischen dem Freikolben und dem elastischen Mitte! (der Flüssigkeit) auftritt und die Bewegungsenergie des Freikoibens nicht vom Luftpolster abgebremst wird, wird der Raum des Zylinders durch vor dem elastischen Mittel liegende Kanäle mit der Atmosphäre verbunden.

Bei derartigen Vorrichtungen besteht jedoch das Problem der Rückführung des Freikolbens in die Ausgangsstellung, nachdem ein Arbeitshub ausgeführt wurde.

Bekannt ist beispielsweise eine technische Lösung, bei der die Rückstellung des Freikolbens mittels eines hydraulischen Antriebes durch Flüssigkeitszufuhr unter den Freikolben erfolgt Nachdem der Freikolben angehoben ist, muß die Flüssigkeit aus dem Zylinder entfernt werden, wozu eine Spülung mit Luft aus dem Luftnetz erfolgen muß.

Dieses hydraulische System ist sehr sperrig, weil es aus einer Vielzahl von Prüf-, Rege- und Verteilergeräten, Pumpen, Rohrleitungen und anderen Hilfsmitteln besteht Die von der Freikolbenanhebung und der Luftspülung zum Flüssigkeitsablaß in Anspruch genommene Gesamtzeit beträgt 50 bis 60 see (siehe FR-PS 15 62 426).

Bei einer anderen Vorrichtung zum hydrodynamischen Umformen (siehe z.B. den Beitrag von Ratjan R.Tatamatsu M. »Schnellformung nach dem Hydropunch-Verfahren« in der Zeitschrift »Express-Information, Reihe »Technologie und Ausrüstung des Schmiedepressenbetriebes« Nr. 21, 1971) wird der über dem Freikolben befindliche Raum des Zylinders nach dem Aufprall des Freikolbens auf die Flüssigkeit über entsprechende Ventile mit einem Sammelbehälter zur Druckgasentnahme, dann mit der Atmosphäre und im Anschluß daran mit einem Vakuumbehälter in Verbindung gebracht. Durch diese für d}t Rückstellung des Freikolbens erforderlichen Arbeitsgänge wird die Zeit des Arbeitszyklus jedoch verlängert. Auch sind für eine solche Lösung Ventile, Rohrleitungen und Gasaufnahmebehälter notwendig, die die Vorrichtung verkomplizieren und verteuern.

Auster FR-PS 21 38 378 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen einer hydraulischen Stoßbelastung bekanntgeworden, die einen Zylinder mit einem darin geführten abgestuften Freikolben und eine zur Bildung einer Wassermembran dienende Kammer aufweist, die vor dem Zylinder angeordnet und von diesem durch eine Wand abgetrennt ist, wobei diese Wand eine den Freikolben aufnehmende Zentralöffnung und eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die den Freikolbenaushöhlungen gegenüberliegen und durch die Luft für die Rückbewegung des Freikolbens eingelassen wird. Ferner besitzt diese Vorrichtung einen Wasserzuleitungsaufsatz zum Zuführen von Wasser zwecks Membranbildung, eine öffnung für den Wasserabfluß und eine Öffnung für den Luftauslaß, ein Hauptventil zur portionsweisen Luftzuführung, einen zusätzlichen Luftverteiler, einen Verschluß, einen Rücklaufverteiler, ein Rücklaufsperrventil, und ein Kanal- und ein Rohrleitungssystem.

Die Kolbenrückstelleinrichtung dieser bekannten Vorrichtung besteht aus einem Rückstellventil in Schieberausführung, einem das Ventil mit dem Zylinder verbindenden Kanal, aus einem zweiten Kanal mit einem Ventil, über das durch das Rückstellventil die Luft unter den Freikolben zugeführt wird, und aus einem Kanal, mit dem der über dem Freikolben befindliche Zylinderraum über das Ventil mit der Atmosphäre verbunden

und entlüftet wird.

Die Rückstellung des Freikolbens erfolgt bei dieser bekannten Vorrichtung folgendermaßen: Schlägt der Freikolben nach seiner Beschleunigung auf die Wassermembran auf, so beginnt die auf den Freikolben einwirkende Luft über einen Kanal auf den Steuerkolben des Rückstellbereichs einzuwirken, verschiebt ihn und verbindet somit den über dem Freikolben befindlichen Raum des Zylinders mit der Atmosphäre. Unter den Freikolben gelangt die Luft aus einem Luftvorratsbehälter. Dadurch sinkt der Druck im Zylinder und der Freikolben beginnt unter der Lufteinwirkung seine Rückwärtsbewegung.

Der Druckabfall im Zylinder wirkt auch auf den Steuerkolben des Rückstellventils und dieser kehrt unter Wirkung einer Feder langsam (wegen eines Verzögerers) in seine Ausgangsstellung zurück. Dabei wird der über dem Freikolben befindliche Raum des Zylinders abgesperrt und die Luftzufuhr unter den Freikolben beendet. Der auf eine bestimmte Geschwindigkeit gebrachte Freikolben setzt seine Bewegung aufgrund der Trägheit fort und wird am Ende seines Rücklaufes von der im über dem Freikolben befindlichen Raum des Zylinders enthaltenen Luft gehemmt.

Die bekannte Vorrichtung hat verschiedene Nachtei-Ie, unter denen als wichtigster Nachteil eine relativ komplizierte Ausführung und demzufolge eine hohe Wahrscheinlichkeit des Versagens beim Betrieb zu erwähnen ist. Alle bekannten Druckgasverteiler in Schieberausführung haben wegen der Spalte im Körper-Schieber- to Paar große Druckgasverluste. Zur Vermeidung dieser Verluste müssen die Spalte minimal gehalten werden (im idealen Fall sollte das Paar spaltlos sein), während die Luftfeuchtigkeit dazu zwingt, diese Spalte aus einem korrosionsfesten Werkstoff herzustellen. Die Verteiler vom Schiebertyp erfordern außerdem eine sorgfältige Reinigung der Luft von mechanischen Fremdstoffen und ein Einspritzen von Öl, um die Reibungsflächen zu schmieren.

Ein weiterer Nachteil derartiger Vorrichtungen ist der hohe Luftverbrauch zur Rückstellung des Freikolbens. Beim Erreichen seiner Ausgangsstellung schlägt der Freikolben gegen das Gestänge eines Hilfsanlaßverleilers, wodurch sich die Standzeit des Verteilers verkürzt. <>5

Als nachteilig ist ferner anzusehen, daß in dieser Vorrichtung keine Feststellmöglichkeit für den Freikolben vorhanden ist, weswegen ein Versagen beim Anlassen des Freikolbens auftreten kann. Aus der Beschreibung geht hervor, daß die bekannte Vorrichtung, darunter auch das Rückführungswerk, nur mit einem abgestuften Freikolben betreibbar ist, d. h. die spezifische Kolbenmasse, also die Masse, die auf eine Flächeneinheit des Hohlraumes entfällt, in dem der Stoßdruck entsteht, groß sein wird. Es ist jedoch bekannt, daß es für Trennungsverfahren, für das Formen von steifen Reliefteilen, das Kalibrieren, das Prägen usw. viel wirkungsvoller ist, einen Freikolben minimaler spezifischer Masse einzusetzen. In einem solchen Falle ähnelt der Vorgang in der Kammer einem Wellen«organg, mit einem sehr hohen Druckwert an der Stoßwellenfront, während im Falle einer großen spezifischen Masse der Vorgang in der Kammer eher einem statischen (quasistatischen) Vorgang gleicht. Für d'it obengenannten Arbeitsgänge ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung von der Flüssigkeit, in der ein honsr Stoßdruck entsteht, zum Werkstück viel höher, wenn die Energie in Form einer Stoßwelle übertragen wird, als wenn dies mittels eines quasistatischen Druckgases erfolgen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezählten Mangel zu beseitigen und eine Vorrichtung zum hydrodynamischen Umformen mit einer derartigen Ausbildung der Kolbenrückstelleinrichtung zu schaffen, daß die gesamte Vorrichtung baulich einfacher ausgeführt und ihr Wirkungsgrad erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kolbenrückstelleinrichtung eine geschlossene Kammer, deren Hohlraum mit dem unter dem Freikolben befindlichen Raum des Zylinders in Verbindung steht, und ein Ventil das den über dem Freikolben befindlichen Raum des Zylinders mit der Atmosphäre verbindet, aufweist

Die Erfindung kann mit besonderem Erfolg in schnellaufenden hydrodynamischen Pressen zum Umformen blechartiger Werkstoffe durch ein elastisches Mittel, ein hydroelastisches Mittel, wie beispielsweise eine Flüssigkeit (ggfs. über eine Membran) eingevvAZt werden.

Die Erfindung kann darüber hinaus ''teim Schaffen von druckluftbetätigten Schlagvorrichtungen Anwendung finden.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Kolbenrückstelleinrichtung kann auf das gesamte Schieberund Rohrleitungssystem verzichtet werden. Auch erscheint diese Ausbildung in doppelter Hinsicht vorteilhaft. Einmal wird die Vorrichtung einfacher und betriebssicher und zum anderen kann das Entweichen von Druckgas durch die Schieberspalte und der Verlust an Energie während der Gasströmung durch die Rohrleitung beseitigt werden.

Um den Freikolben möglichst schnell zurückzuführen und in einer Zange sicher festzustellen, kann man unter Druck stehendes Abgas benutzen, wozu erfindungsgemäß die Kolbenrücksteüeinrichtung ein das Abgas in die geschlossene Kammer einlassendes Rückschlagventil enthält, das in die Wand des Zylinders in einem etwa der Höhe des Freikolbens entsprechenden Abstand von seinem dem Untergesenk zugewandten Ende eingesetzt ist

Um den Weg zu verkürzen und die Verluste beim Strömen von Luft aus dem unter dem Freikolben befindlichen Raum in die geschlossene Kammer während des Arbeitshubes des Freikolbens sowie während seiner Rückstellung zu verringern, kann vorzugsweise die geschlossene Kammer konzentrisch zum Zylinder an ihrem dem Untergesenk zugewandten Ende angeordnet und mit Kanälen versehen sein, die den unter dem Freikolben befindlichen Raum des Zylinders mit dem Hohlraum der Kammer verbinden.

Die Ausführung kann vereinfacht und die Kanallänge verkürr.t υ/erden, wenn vorzugsweise das den über dem Freikolben befindlichen Raum des Zylinders mit der Atmosphäre verbindende Ventil in eine im Deckel vorgesehene öffnung eingebaut ist. Hierdurch wird eine Vereinfachung der Ausführung erzielt, indem der Deckel als Ventilkörper dient und die Kanäle im Deckel untergebracht werden. Rohrleitungen sind deshalb nicht erforderlich.

Sofern als Arbeitsmittel eine Flüssigkeit verwendet wird, wird die Rückstellung des Freikolbens beim Umformen von Werkstücken mit einem großen Verformungsumfang vorzugsweise mit Sicherheit dadurch bewirkt, daß ein Rückschlagventil vorgesehen ist, welches das Druckgas in den mit dem flüssigen Arbeitsmittel gefüllten Hohlraum der Kammer einleitet.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines konkreten Ausführunesbeisnielp«; .inter Hinu/pk

auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum hydrodynamischen Umformen im Längsschnitt;

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Teilansicht, jedoch mit einem Rückschlagventil zur Zuleitung eines Druckgases in die mit einem Arbeitsmittel gefüllte Kammer.

Die in der F i g. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung enthält einen Zylinder 1, dessen eines Ende der Arbeitsfläche eines Untergesenkes 2 zugewandt ist. Im Innenraum des Zylinders 1 ist ein Freikolben 3 angeordnet, der eine Anlaßeinrichtung 4 und eine Rückstelleinrichtung aufweist und bei seiner Bewegung einen unter dem Freikolben befindlichen Raum 6 entstehen läßt. In seiner oberen Stellung wird der Freikolben 3 durch eine Zange 7 festgestellt, welche auch die Funktion eines Stoßdämpfers bei der Rückführung des Freikolbens 3 in seine Ausgangsstellung (obere Stellung) nach Ausführen des Arbeitshubes übernimmt. Am oberen, d. h. an dem dem Untergesenk entgegengesetzt angeordneten Ende des Zylinders 1 ist die Anlaßeinrichtung 4 angebracht.

Die Vorrichtung enthält darüber hinaus einen zum Zylinder 1 konzentrisch angeordneten und diesen umgebenden Druckgasaufnahmebehälter 8, der mit dem über dem Freikolben 3 befindlichen Raum 6 des Zylinders 1 durch einen Kanal 9 in Verbindung steht, sowie einen Deckel 10, der die Räume des Zylinders 1 und des Druckgasaufnahmebehälters 8 abschließt.

Das untergesenkseitige Ende des Zylinders 1 schließt an eine Hochdruckkammer 11 an, die mit einem elastischen, beispielsweise flüssigen Mittel 12 gefüllt ist, das als Arbeitsmittel die Energie vom Freikolben 3 auf das auf dcTii UnicfgcSerik 2 aufliegende Werkstück 13 überträgt.

Die Kolbenrückstelleinrichtung umfaßt eine am untergesenkseitigen Ende des Zylinders 1 und konzentrisch zu diesem angeordnet*" geschlossene Kammer 14, deren Hohlraum 15 durch Kanäle 16 mit dem unter dem Freikolben 3 befindlichen Raum 5 des Zylinders 1 in Verbindung steht, sowie ein Ventil 17, das zur Verbindung des über dem Freikolben befindlichen Raumes 6 des Zylinders 1 mit der Atmosphäre dient. Das Ventil 17 ist in einer im Deckel 10 vorgesehenen öffnung untergebracht und mit dem über dem Freikolben 3 befindlichen Raum 6 des Zylinders 1 durch einen Kanal 18 verbunden. Zum öffner, des Ventils 17 ist ein Nocken 19 vorhanden, der mit der in der Figur nicht abgebildeten Stange des Zylinders der Anlaßeinrichtung gekoppelt ist.

Die Kolbenrückstelleinrichtung enthält ein Rückschlagventil 20. das in die Wand des Zylinders 1, und zwar in einem der Kolbenhöhe ungefähr gleichen Abstand von seinem untergesenkseiiigen Ende eingebaut und dazu bestimmt ist, das Abgas in die geschlossene Kammer 14 hindurchzulassen.

Als Arbeitsmittel kommt außer einem elastischen Mittel, beispielsweise Gummi, auch noch ein hydroelastisches Mittel in Frage, d. h. eine Flüssigkeit, die vom Werkstück durch eine elastische Membran abgetrennt ist. oder eine Flüssigkeit, mit der der ganze Hohlraum der Hochdruckkammer gefüllt wird, nachdem das Untergesenk mit dem Werkstück an die Hochdruckkammer angedrückt ist.

Im Falle, daß eine Flüssigkeit das Arbeitsmittel aarstellt, wird ein in den Körper der Kammer 11 eingebautes Rückschlagventil 21 (Fig. 2) vorgesehen, das das Druckgas von einem Druckgassammeigefäß 22 unter den Freikolben 3 in die mit der Flüssigkeit 2 ?m füllende Kammer 11 strömen läßt. Zum Füllen der Kammer 11 mit der Flüssigkeit 23 steht eine mit der Flüssigkeitszuleitung verbundene Düse 24 zur Verfügung, die durch die geschlossene Kammer 14 hindurch reicht und mit einem Rückschlagventil 25 versehen ist.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung zum hydrodynamischen Umformen ist nun folgende.

In der Fig. 1 ist der Freikolben 3 in einer Stellung dargestellt, in der er seinen Rücklauf in die Ausgangsstellung fast beendet hat, d. h. der Kanal 9 geschlossen und das Ventil 17 geöffnet ist und das Druckgas aus dem Hohlraum 15 den Freikolben 3 nach oben treibt. Am Ende seiner Aufwärtsbewegung geht der Freikolben 3 in die Zange 7 hinein und wird durch diese festgestellt.

Soll der Freikolben 3 den Arbeitshub ausführen, öffnet die Anlaßeinrichtung 4 den Kanal 9 durch Verschieben der in der F i g. 1 nicht abgebildeten Stange des Zylinders. Dabei bewegt sich der Nocken 19 aufwärts und läßt das Ventil 17 sich unter der Wirkung einer Feder schließen. Der über dem Freikolben 3 befindliche Raum 6 des Zylinders wird damit gegenüber der Atmo-

sphärc abgeschlossen. Nach dem öffnen des Kanals 9 gelangt das Druckgas aus dem Druckgasaufnahmebehälter b in den über dem Freikolben 3 befindlichen Raum 6 des Zylinders 1 und beschleunigt den Freikolben 3 nach unten. Während der Freikolben 3 beschleunigt wird, wird die in dem unter ihm befindlichen Raum 5 des Zylinders 1 enthaltene Luft durch die Kanäle 16 in den Hohlraum 15 der geschlossenen Kammer 14 geleitet. Bei Erreichen seiner unteren Endstellung schlägt der Freikolben 3 auf das elastische Mittel 12 auf, wobei die vom Freikolben 3 während seiner Beschleunigungsphase gespeicherte Energie in einen das Werkstück i3 in das Untergesenk 2 einpressenden Stoßdruck verwandelt.
Wenn der Freikolben 3 seine untere Endstellung erreicht, gelangt das Druckgas, mit dem der Freikolben 3 beschleunigt wurde, über das Rückschlagventil 20 in den Hohlraum 15 der Kammer 14.

Die Aniaßeinrichtung 4 schließt dabei erst dann den Kanal 9 ab, nachdem eine gewisse Menge Druckgas in den über dem Freikolben befindlichen Raum 6 eingeströmt ist. Gleichzeitig damit wird über den Nocken 19 das Ventil 17 geöffnet, wodurch der über dem Freikolben 3 befindliche Raum 6 des Zylinders 1 über den Kanal 18 mit der Atmosphäre verbunden wir' Der

so Freikolben 3, der seine Energie für die Werkstückumformung abgegeben hat, bewegt sich dadurch unter der Wirkung des sich im Hohlraum 15 befindenden Druckgases aufwärts, bis er in der Zange 7 festgestellt wird. Der Zyklus endet damit und die Vorrichtung steht nunmehr für den nächsten Arbeitshub bereit

Wird die Vorrichtung zum hydrodynamischen Umformen mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmittel betrieben, so ist ihre Wirkungsweise wie folgt: Nachdem das Werkstück 13 auf das Untergesenk 2 gelegt und die Hochdruckkammer 11 angeschlossen wurde, wird über das Rückschlagventil 25 durch die Düse 24 die Flüssigkeit 23 in einer Menge zugeführt, die ausreicht, um den gesamten Hohlraum der Kammer 11 zu füiien. Dann wird der Freikoiben 3 für den Arbeitshub freigegeben und beschleunigt Beim Aufprall auf die Flüssigkeit 23 wird das Werkstück verformi. so daß der Freikolben 3 um einen durch den Verformungsumfang des Werkstückes bestimmten Wert tiefer unter die Ebe-

nc der Kanäle 16 absinkt. Für den Rückwärtshub des Freikolbens 3 wird über das Ventil 26 vom Druckgassammeigefäß 22 gerade so viel Druckgas in den mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum der Kammer 11 eingeleitet, daß der Freikolben 3 auf eine Höhe gehoben wird, bei der seine untere Stirnwand auf eine Höhe gehoben wird, tv'· der sie gerade über der Unterkante der Kanäle 16 liegt (das Volumen des Druckgassammeigefäßes wird in diesem Maße dimensioniert). Die nachfolgende Bewegung des Freikolbens 3 in seine Ausgangsstellung bis zu seiner Feststellung durch die Zange 7 vollzieht sich dann unter Einwirkung des im Hohlraum 15 der geschlossenen Kammer 14 enthaltenen Druckgases.

Durch eine solche Ausführung der Vorrichtung für den Betrieb mit einem flüssigen Arbeitsmittel wird Sorge getragen, daß eine zuverlässige Rückstellung des

I^- Freikolbens 3 selbst bei großen Verformungen sicher- _ gestellt ist.

Die Erfindung gestattet es, Vorrichtung zum hydrodynamischen Umformen zu vereinfachen und ihren Wirkungsgrad zu verbessern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur hydrodynamischen Blechumformung mit einem Zylinder (1), dessen eines Ende der Arbeitsfläche eines Untergesenkes (2) zugewandt und an dessen entgegengesetztem Ende eine Anlaßeinrichtung (4) angebracht ist, und mit einem in dem Zylinder (1) geführten Freikolben (3), der mit der Anlaßeinrichtung (4) und mit einer Rückstelleinrichtung (14 bis 20) gekippelt ist, sowie mit einem mit dem über dem Freikolben liegenden Raum (6) des Zylinders (1) in Verbindung stehenden Druckgasaufnahmebehälter (8) und einem die Räume des Zylinders und des Druckgasaufnahmebehälters abschlie-Senden Decke', dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenrückstelleinrichtung eine geschlossene Kammer (14), deren Hohlraum (15) mit dem unter dem Freifcc&en (3) befindlichen Raum (5) des Zylinders (1) in Verbindung steht, und ein Ventil (17), das den über dem Freikolben befindlichen Raum (6) des Zylinders (11) mit der Atmosphäre verbindet, aufweist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenrückstelleinrichtung ein das Abgas in die geschlossene Kammer (14) einlassendes Rückschlagventil (20) enthält, das in die Wand des Zylinders (1) in einem etwa der Höhe des Freikolbens (3) entsprechenden Abstand von seinem dem Untergesenk (2) zugewandten Ende eingesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Ansprixh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Kammer (14) konzentrisch zum Zylinder (1) r 1 ihrem dem Untergesenk (2) zugewandten Ende angeordnet und mit K analen (16) versehen ist, die den unter dem Freikolben (3) befindlichen Raum (5) des Zylinders (1) mit dem Hohlraum (15) der Kammer (14) verbinden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den über dem Freikolben (3) befindlichen Raum (6) des Zylinders (1) mit der Atmo-Sphäre verbindende Ventil (17) in eine im Deckel (1OJ vorgesehene öffnung eingebaut ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche mit einem flüssigen Arbeitsmittel zwischen Freikolben und Werkstück betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil (21) vorgesehen ist, welches das Druckgas in den mit dem flüssigen Arbeitsmittel gefüllten Hohlraum der Kammer (11) einleitet.

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