DE3735123A1 - Hydraulische antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebsvorrich­ tung für ein Maschinenelement, z.B. ein Stanz- oder ein Prägewerkzeug, das im Verlauf eines Bearbeitungszyklus eines Werkstückes eine zu diesem hinführende Eil-Vorschub­ bewegung hierauf mit derselben Bewegungsrichtung den Arbeitshub und anschließend eine in die Ausgangsstellung zurückführende Eil-Rückzugsbewegung ausführt, und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ge­ nannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.

Antriebsvorrichtungen dieser Art sind allgemein bekannt.

Problematisch bei solchen Antriebsvorrichtungen ist die lastgerechte Umschaltung des als Antriebselement vorge­ sehenen Differential-Hydrozylinders vom Eil-Vorschub- Betrieb, in dem sowohl die größere als auch die kleinere Arbeitsfläche des Antriebskolbens druckbeaufschlagt ist, die maximal erreichbare Vorschubkraft aber um das Ver­ hältnis der kleineren zur größeren Kolbenfläche redu­ ziert ist, in den Last-Vorschub-Betrieb, bei dem nur die größere Kolbenfläche mit dem Ausgangsdruck des Druckver­ sorgungs-Aggregats beaufschlagt ist, die kleinere Kolben­ fläche aber druckentlastet ist, was notwendig wird, wenn die im Eil-Vorschub-Betrieb entfaltbare Vorschubkraft nicht ausreicht, um z.B. das Werkstück bei einer stanzen­ den Bearbeitung zu durchstoßen. Wählt man eine wegab­ hängige Steuerung des Übergangs vom Eil-Vorschub-Betrieb in den Last-Vorschub-Betrieb, so hat dies den Nachteil, daß in Fällen, in denen die im Eil-Vorschub-Betrieb entfaltbare Vorschubkraft ausreichen würde, mithin im Eil-Vorschub-Betrieb weitergearbeitet werden könnte, zu große Zykluszeiten in Kauf genommen werden müssen. Um diesbezügliche Zeiteinsparungen erzielen zu können, wird daher vielfach die Betriebsdruck-abhängige Um­ schaltung vom Eil-Vorschub-Betrieb in den Last-Vorschub- Betrieb gewählt, d.h., es wird, wenn der Druck in den Antriebsdruckräumen des Differentialzylinders einen Schwellenwert übersteigt, mittels eines druckabhängig gesteuerten Flächen-Umschaltventils vom Eil-Vorschub- Betrieb in den Last-Vorschub-Betrieb umgeschaltet. Es muß dann aber dafür Sorge getragen werden, daß der Last- Vorschub-Betrieb hinreichend lange aufrecht erhalten wird, um sicherzustellen, daß das druckabhängig gesteuerte Ventil nicht "zu früh" wieder auf Eil-Vorschub-Betrieb umschaltet, was zu unerwünschten Schwingungen und im Extremfall zu einem annähernden Stillstand des Werk­ zeuges führen könnte.

Um dies zu vermeiden, könnte daran gedacht werden, das druckabhängig gesteuerte Ventil mit einer elektro­ magnetischen Halte-Steuerung auszurüsten, derart, daß es zusätzlich mit einem Steuermagneten versehen ist, der, sobald das Ventil - druckabhängig - vom Eil-Vorschub- Betrieb auf den Last-Vorschub-Betrieb umgeschaltet wird, das Ventil für eine definierte Zeitspanne in der den Last-Vorschub-Betrieb vermittelnden Funktionsstellung hält. Dies hätte jedoch, um optimal kurze Zykluszeiten ausnutzen zu können zur Folge, daß die Verzögerungszeit, für die das druckabhängig schaltende Ventil mittels des Steuermagneten in seiner Lastbetrieb-Funktionsstellung gehalten wird, jeweils auf die Materialstärke des zu be­ arbeitenden Materials eingestellt werden müßte, was nicht nur mit erheblichem Zeitaufwand verbunden wäre, sondern auch in vielen Fällen Fehleinstellungen zur Folge hätte, die wiederum zu unnötig hohen Zykluszeiten führen würden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hydraulische An­ triebsvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine bedarfsgerechte Umschaltung der Antriebsvorrichtung von Eil-Vorschub-Betrieb auf Last- Vorschub-Betrieb und von diesem wieder auf Eil-Vorschub- Betrieb bzw. abschließendem Eil-Rückzugsbetrieb, unabhängig von der Dicke eines zu bearbeitenden Werkstückes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die hiernach vorgesehene Gestaltung des Flächen- Umschaltventils als ein ausschließlich druckabhängig ge­ steuertes Ventil, bei dem durch die gemäß Anspruch 2 ein­ stellbare Schließkraft eines Rückschlagventils der An­ sprechdruck definiert einstellbar ist, in Kombination mit einem Wege-Ventil, das gleichsam die "Hysterese" erzeugt, die erforderlich ist, damit die Antriebsvorrichtung nicht "zu früh" auf Eil-Vorschub-Betrieb zurückschaltet, wird unter Gesichtspunkten der Zeiteinsparung ein wesent­ licher Vorteil gegenüber bekannten Antriebsvorrichtungen und durch die Einfachheit des Gesamtaufbaues auch eine hohe Funktionszuverlässigkeit erzielt.

In Kombination hiermit ist die gemäß Anspruch 3 vorge­ sehene einfache Gestaltung des Richtungs-Steuerventils möglich.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen hydraulischen Antriebsvorrichtung, bei der das Antriebselement und das Flächen-Umschalt­ ventil jeweils im Schnitt längs ihrer zentralen Längsachsen dargestellt sind und

Fig. 2 und 3 entsprechende Längsschnitt-Darstellungen des Flächen-Umschaltventils gemäß Fig. 1, die verschiedenen Betriebszuständen der Antriebs­ vorrichtung gemäß Fig. 1 entsprechen.

Die in der Fig. 1, auf deren Einzelheiten ausdrücklich ver­ wiesen sei, dargestellte, erfindungsgemäße, insgesamt mit 10 bezeichnete hydraulische Antriebsvorrichtung sei ohne Be­ schränkung der Allgemeinheit als Antriebskopf für eine Stanz- oder eine Prägemaschine vorausgesetzt, bei der als Antriebs­ element für ein Werkzeug 11, mittels dessen ein Werkstück 12, z.B. eine Stahlplatte, einer durchstoßenden oder prägenden Kalt-Verformung unterworfen werden kann, ein insgesamt mit 13 bezeichneter Hydrozylinder vorgesehen ist, der beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel als doppelt wirkender, linearer Hydrozylinder ausgebildet ist.

Dieser Hydrozylinder 13 sei als "stehend" angeordnet voraus­ gesetzt, d.h. mit vertikalem Verlauf seiner zentralen Längs­ achse 14 bezüglich eines horizontal angeordneten Maschinen­ tisches 16, durch den das im übrigen nicht dargestellte Maschinengestell repräsentiert sei, an dem, gestellfest, auch das Gehäuse 17 des Hydrozylinders 13 fest montiert ist.

Das auf dem Maschinentisch 16 aufliegende Werkstück 12 ist mittels einer nicht eigens dargestellten Haltevorrichtung an dem Maschinentisch 16 fixierbar.

Der Hydrozylinder 13 ist als Differential-Zylinder ausge­ bildet, dessen insgesamt mit 18 bezeichneter, auf- und ab­ verschiebbarer Kolben innerhalb der Zylinderbohrung 19 zwei Antriebsdruckräume 21 und 22 druckdicht gegeneinander abgrenzt, durch deren ventilgesteuerte, gemeinsame oder alternative Beaufschlagung mit dem Ausgangsdruck P eines insgesamt mit 23 bezeichneten Druckversorgungs-Aggregats und ggf. Druckentlastung je eines der beiden Antriebs­ druckräume 21 oder 22, die für die Bearbeitung von Werk­ stücken 12 erforderlichen Vorschub- und Rückzugs- Hübe des Kolbens 18 bzw. des Werkzeuges 11 bedarfsge­ recht steuerbar sind.

Der effektive Betrag der den gemäß der Darstellung der Fig. 1 oberen Antriebsdruckraum 21 beweglich begrenzen­ den Kolbenfläche 24 ist gleich der Querschnittsfläche F ₁ der Zylinderbohrung 19.

Durch eine Beaufschlagung dieses oberen Antriebsdruck­ raumes 21 mit dem Ausgangsdruck P des Druckversorgungs­ aggregats 23 wird somit auf den Kolben 18 eine in Rich­ tung des Pfeils 26 wirkende, d.h. zum Werkstück 12 hin gerichtete Kraft K ₁ ausgeübt, gemäß der Beziehung

K₁=F₁ · P (1).

Durch eine Beaufschlagung des gemäß der Darstellung der Fig. 1 unteren Antriebsdruckraumes 22 mit dem Ausgangs­ druck P der Hilfsdruckquelle 23 wird auf den Kolben 18 des Hydrozylinders 13 eine in Richtung des Pfeils 27, d.h. in der entgegengesetzten Richtung wirkende Kraft K ₂ ausge­ übt, deren Betrag durch die Beziehung

K₂=(F₁-F₂) · P =F₃ · P (2)

gegeben ist.

In dieser Beziehung ist mit F ₂ die wirksame Querschnitts­ fläche der gegenüber der Zylinderbohrung 19, in welcher der Zylinderkolben 18 druckdicht verschiebbar geführt ist, durch eine innere Gehäusestufe 28 abgesetzten Gehäuseboh­ rung 29 bezeichnet, in welcher die mit dem Kolben 18 fest verbundene, mit diesem z.B. einstückig ausgeführte, zylindrische Kolbenstange 31 druckdicht verschiebbar ge­ führt ist, an deren unterem, freiem Ende das Werkzeug 11 befestigt ist.

Mit F ₃ ist der wirksame Betrag der im wesentlichen kreis­ ringförmigen "Differenzfläche" 32 bezeichnet, auf welcher ein in den unteren Antriebsdruckraum 22 eingekoppelter Druck auf den Zylinderkolben 18 im Sinne der Erzeugung der Kraft K ₂ wirkt.

Für das zur Erläuterung gewählte, spezielle Ausführungs­ beispiel sei angenommen, daß das Flächenverhältnis F ₁/F ₃ den Wert 2/1 habe.

Wenn beide Antriebsdruckräume 21 und 22 mit dem Ausgangs­ druck P der Hilfsdruckquelle 23 beaufschlagt sind, so ist die für den Zustell- und Arbeitsvorschub des Werkzeuges 11 maximal ausnutzbare Kraft K ₃, die in Richtung des zu dem Pfeil 26 parallelen Pfeils 33 wirkt, dem Betrage nach durch die Beziehung

K₃=K-1-K₂ (3)

gegeben.

Der Maximalbetrag dieser Vorschubkraft K ₃ ist - bei dem zur Erläuterung gewählten Wert 2/1 des Flächenverhältnisses F ₁/F ₃ - auf 50% der maximal erzielbaren Vorschubkraft K ₁ beschränkt, die erzielbar ist, wenn lediglich der obere Antriebsdruck­ raum 21 mit dem Ausgangsdruck P der Hilfsdruckquelle 23 beaufschlagt ist, der untere Antriebsdruckraum 22 jedoch zum Tank 34 des Druckversorgungs-Aggregats 23 hin entlastet ist.

Um den Kolben 18 in seine jeweils am Beginn eines Bearbei­ tungstaktes eingenommene, in der Fig. 1 dargestellte Grund­ stellung zu bringen, wird der untere Antriebsdruckraum 22 mit dem Ausgangsdruck des Druckversorgungs-Aggregats 23 beaufschlagt und der obere Antriebsdruckraum 21 zum Tank 34 des Druckversorgungs-Aggregats 23 hin entlastet, das in der aus der Fig. 1 ersichtlichen, hierfür üblichen Gestaltung aus einer Hochdruckpumpe 36 und einem auf einen erwünschten Ausgangsdruckbereich einstellbaren Druckbegrenzungsventil 37 besteht.

Zur Steuerung der alternativen Bewegungsrichtungen des Zylinderkolbens 18 bzw. des Werkzeuges 11, nämlich Zustell- bzw. Eilvorschub- und Arbeits- bzw. Lastvorschub-Bewegung einerseits und Rückzugsbewegung bis in die Grundstellung andererseits, ist ein elektrisch ansteuerbares Richtungs- Steuerventil 38 vorgesehen, das als Grundstellung O eine durch Rückstellfedern 39 und 41 "zentrierte", neutrale Mittelstellung hat, in welcher das Druckversorgungs- Aggregat 23 im Umlaufbetrieb arbeitet.

Durch alternative Erregung je eines von zwei Steuermagneten 42 bzw. 43 ist dieses Richtungs-Steuerventil 38, jeweils aus seiner Grundstellung heraus in alternative Funktions­ stellungen I bzw. II steuerbar, deren eine - die Funktions­ steuerung I der Vorschub-Richtung der Kolbenbewegung und deren andere - die Funktionsstellung II - der Rückzugs-Richtung der Kolben- bzw. Werkzeugbewegung zugeordnet sind. Die für die Bewegungssteuerung erforderlichen Ansteuer­ signale für die Steuermagnete 42 und 43 des Richtungs- Steuerventils 38 werden von einer Treiberstufe 44 erzeugt, die ihrerseits manuell, z.B. über nicht-dargestellte Hand­ taster oder auch selbsttätig im Sinne des erforderlichen Bewegungsablaufes elektronisch gesteuert sein kann.

Bei dem dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel ist das Richtungs-Steuerventil 38 als 3/3-Wege-Ventil ausge­ bildet, über das lediglich der Anschluß des dem Quer­ schnitt nach größeren, gemäß der Darstellung der Fig. 1 oberen Antriebsdruckraumes 21 entweder an den Hochdruck­ ausgang 46 des Druckversorgungs-Aggregats 23 oder an dessen Tankanschluß 47 steuerbar ist.

In der Grundstellung O des Richtungs-Steuerventils 38 ist der obere Antriebsdruckraum 21 des Hydrozylinders 13 sowohl gegen den Hochdruckausgang 46 als auch gegen den Tankan­ schluß 47 des Druckversorgungsaggregats 23 abgesperrt, während der Hochdruckausgang 46 und der Tankanschluß 47 des Druckversorgungsaggregats 23 über einen Umlauf- Strömungspfad 48 des Richtungs-Steuerventils 38 mitein­ ander verbunden sind.

In der bei Erregung des einen Steuermagneten 42 mit einem Ausgangssignal der Treiberstufe 44 eingenommenen, erregten Stellung I des Richtungs-Steuerventils 38 ist der Hochdruck­ ausgang 46 des Druckversorgungs-Aggregats 23 über einen ersten Durchfluß-Strömungspfad 49 des Richtungs-Steuer­ ventils 38 mit dem Versorgungsanschluß 51 des oberen - größeren - Antriebsdruckraumes 21 des Hydrozylinders 13 verbunden, dieser aber gegen den Tankanschluß 47 abgesperrt.

In der hierzu alternativen, bei Erregung des zweiten Steuermagneten 43 mit einem Ausgangssignal der Treiber­ stufe 44 eingenommenen Funktionsstellung II des Rich­ tungs-Steuerventils 38 ist der obere Antriebsdruckraum 21 des Hydrozylinders 13 über einen zweiten Durchfluß- Strömungspfad 52 des Richtungs-Steuerventils 38 mit dem Tankanschluß 47 des Druckversorgungs-Aggregats 23 ver­ bunden, jedoch gegen dessen Hochdruck-Ausgang 46 abge­ sperrt.

Zur Steuerung der darüber hinaus erforderlichen Druckbe­ aufschlagung bzw. Entlastung des zweiten, ringraumför­ migen Antriebsdruckraumes 22 des Hydrozylinders 13, wo­ durch im Ergebnis die Geschwindigkeit und der Maximal­ betrag der Kraft steuerbar sind, mit denen das Werkzeug 11 seine Vorschub- und Arbeitsbewegungen ausführt, ist ein insgesamt mit 53 bezeichnetes "Flächen-Umschaltventil" vorgesehen, zu dessen Erläuterung nunmehr auch auf die Einzelheiten der Fig. 2 und 3 verwiesen sei, welche zwei weitere Funktionsstellungen des Flächen-Umschalt­ ventils 53 zeigen.

Dieses Flächen-Umschaltventil 53, das in der Fig. 1 in seiner dem nicht aktivierten Zustand der Antriebsvorrich­ tung 10 entsprechenden Grundstellung dargestellt ist, ist, seiner Funktion nach, einerseits ein druckgesteuertes Wege-Ventil, das, je nachdem, welche Drücke in den Antriebs­ druckräumen 21 und 22 des Antriebs-Hydrozylinders 13 herrschen, selbsttätig bedarfsgerecht den Anschluß des ringraumförmigen Antriebsdruckraumes 22 des Hydro­ zylinders an den Hochdruckausgang 46 des Druckversorgungs- Aggregates 23 vermittelt, in welchem Falle die für die Be­ arbeitung des Werkstückes 12 maximal ausnutzbare Vorschub­ kraft durch die Beziehung (3) gegeben ist, dafür aber eine relativ hohe Vorschubgeschwindigkeit ausnutzbar ist, alter­ nativ dazu die Druckentlastung dieses Antriebsdruckraumes 22 zum Tank 34 des Druckversorgungs-Aggregates 23 hin ver­ mittelt, wenn für die Bearbeitung des Werkstückes 12 eine erhöhte Vorschubkraft erforderlich ist, deren maximaler Betrag durch die Beziehung (1) gegeben ist, in welchem Falle aber die dann noch ausnutzbare Vorschubgeschwindig­ keit um den Faktor F ₃/F ₁ reduziert ist. Zum anderen erfüllt dieses Flächen-Umschaltventil 53 die Funktion, daß es, nachdem es in seine die Druckentlastung des ringraum­ förmigen Antriebsdruckraumes 22 vermittelnde und dadurch die Ausnutzung einer erhöhten Vorschubkraft ermöglichende Funktionsstellung geschaltet worden war, erst dann wieder in seine erneut die Druckbeaufschlagung des ringraumför­ migen Antriebsdruckraumes 22 vermittelnde Funktions­ stellung zurückgeschaltet wird, nachdem der für die - z.B. durchstoßende - Bearbeitung des Werkstückes 12 erforderliche Bedarf an Vorschubkraft am Werkzeug 11 um einen definierten Mindestbetrag Δ K niedriger geworden ist als derjenige Betrag der Vorschubkraft bzw. des Be­ triebsdruckes in den Antriebsdruckräumen 21 und 22 des Hydrozylinders 13, durch dessen Überschreiten die Um­ schaltung des Flächen-Umschaltventils 53 in dessen die Druckentlastung des ringraumförmigen Antriebsdruckraumes 22 ausgelöst wurde.

Hierdurch wird einerseits erreicht, daß, solange wie mög­ lich, eine möglichst hohe Vorschubgeschwindigkeit des Werk­ zeuges 11 ausnutzbar bleibt und andererseits sichergestellt, daß, nachdem die Antriebsvorrichtung 10 auf eine erhöhte Vorschubkraft umgeschaltet worden war, nicht "zu früh" wieder auf eine reduzierte Vorschubkraft "zurückgeschaltet" wird, was zu unerwünschten Schwingungen und als Folge davon zu einem "Stehenbleiben" des Werkzeuges 11 führen könnte.

Zu diesem Zweck ist das Flächen-Umschaltventil 53 mehr im einzelnen wie folgt ausgebildet:

Das Flächen-Umschaltventil 53 umfaßt eine erste Ventil­ kammer 57, welche über einen Entlastungs-Strömungspfad 58 permanent mit dem Tankanschluß 47 des Druckversorgungs- Aggregats 53 verbunden und dadurch drucklos gehalten ist.

Diese Ventilkammer 57 ist durch eine gleichsam die eine Endstirnwand des insgesamt mit 59 bezeichneten Ventil­ gehäuses bildende Stellschraube 61 dicht nach außen abgeschlossen. Durch Verdrehen dieser Stell­ schraube 61 ist die Vorspannung einer Ventil-Schließ­ feder 62 einstellbar, die an einem Zentrierstück 63 an­ greift, das einen als Kugel 64 ausgebildeten Ventil­ körper eines insgesamt mit 66 bezeichneten Sitzventils gegen dessen Ventilsitz 67, d.h. in die Schließstellung dieses Sitzventils 66 drängt, der durch den inneren, d.h. dem lichten Durchmesser nach kleineren Rand einer ihrerseits zur Zentrierung der Ventilkugel 64 dienenden, konischen Vertiefung einer Zwischenwand 69 des Ventil­ gehäuses 59 gebildet ist. Zwischen diesem Ventilsitz 67 und einer zentralen Ventilkammer 71 erstreckt sich ein in die zentrale Ventilkammer 71 mündender Ventilkanal 72. Die zentrale Ventilkammer 71 steht über eine erste hydraulische Steuerleitung 73 in ständig kommunizierender Verbindung mit dem ringraumförmigen Antriebsdruckraum 22 des Hydrozylinders 13. Die zentrale Ventilkammer 71 ist durch die eine, dem Durchmesser nach kleinere Bohrungs­ stufe 74 einer insgesamt mit 76 bezeichneten Stufen­ bohrung des Gehäuses 59 gehäusefest begrenzt, deren dem Durchmesser nach größere Bohrungsstufe 77 am anderen Ende des Gehäuses 59 durch einen die dortige Endstirn­ wand des Ventilgehäuses 59 bildenden Gehäusedeckel 78 druckdicht abgeschlossen ist.

In den beiden Bohrungsstufen 74 und 77 der Stufenbohrung 76 ist mit je einer Kolbenstufe 79 bzw. 81 entsprechenden Durchmessers ein insgesamt mit 82 bezeichneter Stufen­ kolben druckdicht verschiebbar geführt, dessen kleinere Kolbenstufe 79 eine axial-bewegliche Begrenzung der zen­ tralen Ventilkammer 71 bildet, und dessen dem Durchmesser nach größere Kolbenstufe 81 einerseits die axial-bewegliche Begrenzung einer Ringkammer 85 bildet, die in axialer Richtung gehäusefest durch die zwischen der kleineren Bohrungsstufe 74 und der größeren Bohrungsstufe 77 ver­ mittelnde, ringförmige Gehäusestufe 83 begrenzt ist, und weiter die axial-bewegliche Begrenzung einer Steuer­ kammer 84 bildet, deren gehäusefeste axiale Begrenzung durch den Gehäusedeckel 78 gebildet ist. Diese Steuer­ kammer 84 ist über eine zweite hydraulische Steuerleitung 86 in ständig kommunizierender Verbindung mit dem größeren Antriebsdruckraum 21 des Antriebs-Hydrozylinders 13 ge­ halten.

Der Stufenkolben 82 wird durch eine - schwach vorgespannte - Rückstellfeder 87, die sich an der Innenseite des Gehäuse­ deckels 78 abstützt, in Richtung auf die Ventilkugel 64 hin gedrängt, an der er sich in der in der Fig. 1 darge­ stellten Grundstellung mit einem stößelförmigen, axialen Fortsatz seiner kleineren Kolbenstufe 79 abstützt. Der Außendurchmesser dieses stößelförmigen Fortsatzes 88 ist deutlich kleiner als der Durchmesser des Ventilkanals 72, durch den er hindurchtritt. Die kleinere Kolbenstufe 79 ist gegenüber der größeren Kolbenstufe 81 durch eine ring­ nutförmige Einschnürung 89 abgesetzt, die von einer in die Ringkammer 85 mündenden Querbohrung 91 durchsetzt ist. Diese Querbohrung 91 steht über eine die kleinere Kolben­ stufe 79 und deren stößelförmigen Fortsatz 88 in axialer Richtung durchsetzenden, zentralen Längsbohrung 92 und eine oder mehrere Querbohrung(en) 93 des stößelförmigen Fortsatzes 88 in ständig kommunizierender Verbindung mit der zentralen Ventilkammer 71.

Die kleinere Bohrungsstufe 74 ist, in axialer Richtung ge­ sehen, in ihrem mittleren Bereich mit einer ringnutförmigen, radialen Erweiterung 94 versehen, die über eine dritte Steuer- bzw. Druckversorgungsleitung 95 permanent mit dem Hochdruckausgang 46 des Druckversorgungsaggregats 23 ver­ bunden ist. Die durch den radial inneren Rand 96 der gemäß Fig. 1 oberen, der zentralen Ventilkammer 71 zugewandten Nutflanke 97 gebildete Kante bildet eine gehäusefeste Steuerkante, mit der der äußere Rand 98 der die zentrale Ventilkammer 51 begrenzenden ringförmigen Stirnfläche 99 der kleineren Kolbenstufe 79 als bewegliche Steuerkante ko­ operieren kann.

In der dargestellten Grundstellung des Stufenkolbens steht die bewegliche Steuerkante 98 des Stufenkolbens 82 in positiver Überlappung mit der gehäusefesten Steuerkante 96, wobei diese Überlappung Δ X ₁ nur einem kleinen Bruchteil desjenigen Hubes X ₁ entspricht, den der Stufenkolben 82 aus seiner dargestellten Grundstellung heraus in Öffnungs­ richtung des Sitzventils 66, d.h. in Richtung des Pfeils 101 ausführen kann, und auch nur einem kleinen Bruchteil des­ jenigen Hubes X ₂, den der Stufenkolben 82 in der Gegen­ richtung, d.h. in Richtung des Pfeils 102 ausführen kann. In der dargestellten Grundstellung des Stufenkolbens 82 ist die durch die ringnutförmige Erweiterung 94 und die kleinere Kolbenstufe 59 begrenzte Ringkammer, ungeachtet der Überlappung Δ X ₁ der beweglichen Steuerkante 98 und der gehäusefesten Steuerkante 96 nicht hermetisch gegen die zentrale Ventilkammer 71 abgesperrt, sondern steht mit dieser durch eine periphere Randkerbe 103 mit einem kleinen Überström-Querschnitt noch in kommunizierender Verbindung, die jedoch aufgehoben wird, wenn der Stufenkolben einen kleinen Bruchteil Δ X ₂ seines möglichen Hubes in Richtung des Pfeils 101 ausgeführt hat, wonach die mit dem Hochdruck­ ausgang 46 des Druckversorgungs-Aggregats 23 in kommuni­ zierender Verbindung stehende, ringnutförmige Erweiterung 94 der kleineren Bohrungsstufe 74 gegen die zentrale Ventil­ kammer 71 abgesperrt ist.

Die Vorspannung der Ventilschließfeder 62 ist bzw. wird so hoch eingestellt, daß die Kraft, mit der die Ventil­ kugel 64 gegen den kreislinienförmigen Ventilsitz 67 gedrängt wird, annähernd der Kraft entspricht, z.B. 90% derjenigen Kraft entspricht, wenn die Ventilkugel 66 inner­ halb der durch den Ventilsitz 67 berandeten Kreisfläche mit dem maximalen Ausgangsdruck des Druckversorgungs- Aggregats 23 beaufschlagt ist. Einen maximalen Ausgangs­ druck des Druckversorgungs-Aggregats 23 von 300 bar vor­ ausgesetzt, wird demgemäß die Vorspannung der Schließ­ feder 62 auf einen einem "Schließdruck" von 270 bar äquivalenten Wert eingestellt.

Demgegenüber ist die Vorspannung der Rückstellfeder 87 vernachlässigbar und einem Druck von nur wenigen, z.B. 5 bar, äquivalent. Bezeichnet man die durch den Ventil­ sitz 67 berandete Kreisfläche, innerhalb derer auf die Ventilkugel 64 der Ausgangsdruck P des Druckversorgungs- Aggregates 23 wirken kann, dem Betrage nach mit F ₄ und die Querschnittsfläche der größeren Kolbenstufe 81 des Stufenkolbens 82, die ebenfalls mit dem Ausgangsdruck P des Druckversorgungs-Aggregates 23 beaufschlagbar ist, mit F ₅, so sind diese Flächen bei dem Flächen-Umschalt­ ventil 53 so dimensioniert, daß sie der folgenden Be­ ziehung genügen:

F ₅/F ₄ = F ₁/F ₃ + A (4)

wobei mit A ein vorgebbarer Bruchteil des Flächenverhält­ nisses von größenordnungsmäßig 20% bezeichnet ist, um den das Flächenverhältnis F ₅/F ₄ stets größer sein soll als das Flächenverhältnis F ₁/F ₃ der druckbeaufschlagbaren Flächen des Kolbens 18 des Hydrozylinders 13.

Die insoweit ihrem Aufbau nach erläuterte Antriebsvor­ richtung 10 arbeitet mehr im einzelnen wie folgt:

Mit dem Einschalten des Druckversorgungs-Aggregates 23 wird zunächst das Richtungs-Steuerventil 38 in dessen erregte Stellung II gesteuert. Dadurch werden der größere Antriebsdruckraum 21 des Hydrozylinders 13 und die Steuer­ kammer 84 des Flächen-Umschaltventils 53 zum Tank 34 des Druckversorgungs-Aggregats 23 hin entlastet, während gleichzeitig der Ausgangsdruck des Druckversorgungs- Aggregates 23 in die ringnutförmige Erweiterung 94 des Gehäuses 59 des Flächen-Umschaltventils 53, dessen zentrale Ventilkammer 71 und dessen Ringkammer 85 sowie über die erste Steuerleitung 73 in den ringraumförmigen Antriebsdruckraum 22 des Hydrozylinders 13 eingekoppelt wird. Der Kolben 18 des Hydrozylinders 13 gelangt dadurch zunächst in seine obere Endstellung, die in der Fig. 1 dargestellte Grundstellung, während der Stufenkolben 82 des Flächen-Umschaltventils 53, der insgesamt auf einer der Querschnittsfläche F ₅ seiner größeren Kolbenstufe 81 mit dem Ausgangsdruck des Druckver­ sorgungs-Aggregates beaufschlagt ist, in seine, in der Fig. 2 dargestellte, untere, d.h. von der Ventilkugel 64 entfernte Endstellung gedrängt wird. Diese Funktions­ stellung des Flächen-Umschaltventils 53 in Kombination mit der erregten Stellung II des Richtungs-Steuerventils 38 entspricht auch dem Rückzugsbetrieb des Hydrozylinders 18, nachdem das Werkzeug 11 seinen Arbeitshub ausgeführt hat.

Um aus der Grundstellung des Hydrozylinderkolbens 18 heraus dessen Vorschubbetrieb einzuleiten, wird das Richtungs- Steuerventil 38 durch Erregung seines ersten Steuermag­ neten 42 in seine Funktionsstellung I umgeschaltet. Hier­ durch werden sowohl der obere Antriebsdruckraum 21 des Hydrozylinders 13 als auch die Steuerkammer 84 des Flächen- Umschaltventils 53 über den Durchfluß-Strömungspfad 49 des Richtungs-Steuerventils 38 an den Hochdruck-Ausgang 46 des Druckversorgungs-Aggregats 23 angeschlossen. Der Stufen­ kolben 82 des Flächen-Umschaltventils 53 ist nunmehr druckentlastet, da er sowohl über die zentrale Ventil­ kammer 71 und die Ringkammer 85 als auch über die Steuer­ kammer 84 mit dem Ausgangsdruck P des Druckversorgungs- Aggregats gleichsam neutral druckbeaufschlagt ist. Die schwache Rückstellfeder 87 ist jetzt in der Lage, den Stufenkolben in Richtung auf die Ventilkugel 64 zu ver­ schieben, wobei jedoch der Stufenkolben dynamisch, d.h. durch das von der Hochdruckpumpe 36 zu der ringnut­ förmigen Erweiterung 94 des Ventilgehäuses und über die Steuerkanten 96 und 98 des Gehäuses bzw. des Stufen­ kolbens in negativer Überlappung dieser Steuerkanten ge­ halten bleibt, je nachdem, welche Druckölmenge in den ringförmigen Antriebsdruckraum 22 des Antriebszylinders 13 überströmt. Das Werkzeug 11 wird im Eil-Vorschubbetrieb in Richtung auf das Werkstück 12 zu bewegt, wobei diese Vor­ schubbewegung sich bei nur mäßiger Druckentfaltung in den Antriebsdruckräumen 21 und 22 des Hydrozylinders 13 voll­ zieht. Sobald das Werkzeug 11 auf das Werkstück 12 auf­ trifft, tritt in den Antriebsdruckräumen 21 und 22 eine Erhöhung des Druckes ein, die sich über die Steuerlei­ tungen 73 und 86 auch der zentralen Ventilkammer 71, der Ringkammer 85 und der Steuerkammer 84 gleichmäßig mitteilt. Reicht die Vorschubkraft im Eilvorschubbetrieb nicht aus, um das Werkstück 12 zu durchstoßen, mit der Folge, daß der Betriebsdruck in den Antriebsdruckräumen 21 und 22 bis auf nahezu den Maximalwert des Ausgangsdruckes P des Druck­ versorgungs-Aggregates 23 ansteigt, so wird schließlich die Schließkraft der Schließfeder 62 überwunden, und die Kugel 64 hebt von dem Ventilsitz 87 ab, mit der Folge, daß die zentrale Ventilkammer 71 in kommunizierende Verbindung mit der drucklosen Ventilkammer 57 gelangt und der weiteren, hiermit verknüpften Folge, daß nunmehr der Stufenkolben 82 nur noch mit seiner größeren, die Steuerkammer 84 beweglich begrenzenden Kolbenstufe 81 dem hohen Ausgangsdruck des Druckversorgungs-Aggregats 23 ausgesetzt ist. Der Stufenkolben wird dadurch weiter im Sinne eines Abhebens der Ventilkugel 64 von ihrem Sitz verschoben, wodurch die zuvor noch über die Einkerbung 103 bestehende kommunizierende Verbindung der zentralen Ventil­ kammer 71 mit der unter dem hohen Ausgangsdruck des Druck­ versorgungs-Aggregats 23 stehenden nutförmigen Erweite­ rung 94 aufgehoben wird. Dadurch gelangt der Stufenkolben in die in der Fig. 3 dargestellte, "obere" Endstellung, in welcher der ringförmige Antriebsdruckraum 22 über die zentrale Ventilkammer 71 und die "darüber" angeordnete, ohnehin drucklose Ventilkammer 57 zum Tank 34 des Druck­ versorgungs-Aggregats 23 hin entlastet ist. Mit dem hohen Ausgangsdruck des Druckversorgungs-Aggregats 23 beauf­ schlagt ist jetzt nur noch der obere, größere Antriebs­ druckraum 21 des Hydrozylinders 13, der nunmehr im Last- Vorschubbetrieb zwar mit geringerer Vorschubgeschwindig­ keit, jedoch mit entsprechend erhöhter Kraft seinen Arbeits­ hub ausführt. Ist das Werkstück 12 bearbeitet, z.B. durch­ stoßen, wobei der Druck im Antriebsdruckraum 21 wieder abfällt, so tritt der entsprechende Druckabfall auch in der Steuerkammer 84 des Flächen-Umschaltventils 53 ein, so daß die Ventilschließfeder 62 den Stufenkolben 82 wieder in Richtung auf seine Grundstellung zurückzudrängen vermag. Wegen der gemäß der Beziehung (4) vorgesehenen unter­ schiedlichen Flächen-Verhältnisse F ₅/F ₄ und F ₁/F ₃ ist jedoch der Druck, bei dessen Unterschreiten der ring­ förmige Antriebsdruckraum 22 über das Flächen-Umschalt­ ventil 53 wieder mit dem Ausgangsdruck des Druckversor­ gungs-Aggregats 23 beaufschlagt wird, geringer als der Druck, bei dem zuvor auf alleinige Druckbeaufschlagung des größeren Antriebsdruckraumes 21 umgeschaltet worden war. Dadurch wird erreicht, daß ein Übergang von dem "langsamen" Last-Vorschubbetrieb auf den wieder mit größerer Vorschubgeschwindigkeit erfolgenden Abschluß eines Arbeitstaktes im Eil-Vorschubbetrieb des Werk­ zeuges 11 erst dann erfolgt, wenn der Bedarf an erhöhter Vorschubkraft mit Sicherheit gedeckt ist, und es wird auch ein erschütterungsfreier und damit schonender Ablauf der Umschaltvorgänge gewährleistet.

Claims (3)

1. Hydraulische Antriebsvorrichtung für ein Maschinen­ element, z.B. ein Stanz- oder ein Prägewerkzeug, das im Verlauf eines Bearbeitungszyklus eines Werkstückes eine zu diesem hinführende Eil-Vorschubbewegung, hierauf mit derselben Bewegungsrichtung den Arbeits­ hub und anschließend einen in die Ausgangsstellung zurückführenden Eil-Rückzugshub ausführt, mit einem doppelt-wirkenden Hydrozylinder als Antriebselement, der als Differential-Zylinder mit unterschiedlich großen Arbeitsflächen seines Kolbens ausgebildet ist, durch deren gemeinsame Beaufschlagung mit dem Ausgangsdruck eines Druckversorgungs-Aggregats der Eil-Vorschubbetrieb erzielt wird und durch dessen alternative Druckbeaufschlagung bzw. -Entlastung Last- bzw. Arbeitsvorschub mit erhöhter Vorschub­ kraft sowie Eil-Rückzugsbetrieb steuerbar sind, wobei zur Umschaltung von Eil- auf Last-Vorschub­ betrieb ein druckgesteuertes Flächen-Umschalt­ ventil vorgesehen ist, das, wenn der Antriebs­ druck in den Antriebsdruckräumen des Hydro­ zylinders einen Schwellenwert, der einem hohen Prozentsatz von z.B. 90% des maximalen Ausgangs­ druckes des Druckversorgungs-Aggregates übersteigt, eine Umschaltung des Hydrozylinders von Differential­ betrieb auf einseitige Druckbeaufschlagung der größeren Antriebsfläche des Hydrozylinders und Druckentlastung der kleineren Antriebsfläche desselben umschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächen-Umschalt­ ventil (53) ein Rückschlagventil (66) umfaßt, das durch den in demjenigen Antriebsdruckraum (22) des Hydrozylinders (13), der durch die kleinere Kolben­ fläche seines Differentialkolbens (18) beweglich be­ grenzt ist, herrschenden Betriebsdruck in Öffnungs­ richtung beaufschlagt ist, daß die Schließkraft einer den Ventilkörper (64) des Rückschlagventils (66) in dessen Schließstellung drängenden, vorgespannten Schließfeder (62) einem Öffnungsdruck von 85% bis 95% des Ausgangsdruckes des Druckversorgungs- Aggregates (23) äquivalent ist, daß das Flächen- Umschaltventil (53) weiter ein druckgesteuertes Schieber-Ventil mit einem als Stufenkolben (82) ausgebildeten Ventilkörper umfaßt, der durch eine schwach vorgespannte Rückstellfeder (87) in Anlage mit dem Ventilkörper (64) des Rückschlagventils (66) gedrängt wird und in der Schließstellung des Rück­ schlagventils (66) in einer Funktionsstellung ge­ halten ist, in welcher der kleinere Antriebsdruck­ raum (22) des Hydrozylinders (13) mit dem Ausgangs­ druck des Druckversorgungs-Aggregats (23) beauf­ schlagt ist, und in der Offen-Stellung des Rück­ schlagventils (66) in eine Position gelangt, in welcher der kleinere Antriebsdruckraum (22) druck­ entlastet ist, daß dieser Stufenkolben (82) auf seiner größeren Kolbenstufe (81) mit dem in dem größeren Antriebsdruckraum (21) des Hydrozylin­ ders (13) herrschenden Druck beaufschlagt ist, und daß das Verhältnis F ₅/F ₄ der wirksamen Fläche F ₅ der größeren Kolbenstufe (81) des Stufen­ kolbens (82) zu der durch den Ventilsitz (67) des Rückschlagventils (66) umrandeten Querschnitts­ fläche F ₄, innerhalb welcher der Ventilkörper (64) mit dem in dem kleineren Antriebsdruckraum (22) herrschenden Druck in Öffnungsrichtung beauf­ schlagt ist, um einen definierten Bruchteil A von 10% bis 30% größer ist als das Verhältnis F ₁/F ₃ der den größeren Antriebsdruckraum (21) des Hydro­ zylinders (13) begrenzenden Kolbenfläche (24, F ₁) zu der den kleineren Antriebsdruckraum (22) be­ grenzenden Kolbenfläche (32, F ₃).

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (66) des Flächen-Umschaltventils (53) als Kugel-Sitz- Ventil (66) ausgebildet ist, dessen Ventilkugel (64) mittels einer Schließfeder (62) mit einstellbarer Vorspannung gegen den Ventilsitz (67) gedrängt wird.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Richtungssteuerung der Vorschub- und Rückzugsbewegungen des Kolbens (18) des Antriebs-Hydrozylinders (13) ein als 3/3-Wege- Ventil ausgebildetes Magnetventil (38) vorgesehen ist, das durch alternative Erregung je eines Steuer­ magneten (42 oder 43) in alternative Funktions­ stellungen (I bzw. II) steuerbar ist, in deren einer - der Stellung I - der Hochdruck-Ausgang (46) des Druckversorgungs-Aggregats (43) an den größeren Antriebsdruckraum (21) des Hydrozylinders (13) ange­ schlossen ist und in deren anderer - der Funktions­ stellung II - dieser Antriebsdruckraum (21) druck­ entlastet ist, während der zweite, kleinere An­ triebsdruckraum (22) über das druckgesteuerte Wegeventil (18, 94, 71) des Flächen-Umschalt-Ventils (53) mit dem hohen Ausgangsdruck des Druckversorgungs- Aggregats beaufschlagbar bzw. zu dessen Tank (34) hin entlastbar ist.