DE4228846A1 - Pneumatischer druckuebersetzter arbeitszylinder mit eil- und krafthub - Google Patents

Pneumatischer druckuebersetzter arbeitszylinder mit eil- und krafthub

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Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen rein pneumatisch arbeitenden druckübersetzten Arbeitszylinder für Eilgang und Krafthub, der besonders für den Antrieb von Stanz-, Schnitt-, Clinch- und Präge-Werkzeuge verwendet werden kann.
Er eignet sich auch zum Festspannen von Werkstücken, die bearbeitet werden müssen, weil seine größte Spannkraft am Hubende entsteht, wie dies auch im Polytropen-Diagramm der Pat. Zeichnung 3 zu ersehen ist.
Schließlich kann der Arbeitszylinder als Antrieb in sogenannten Schnelläuferpressen Verwendung finden, da die Druckkräfte und die Hubwege nur mittels Druckluft aufgebaut und ausgeführt werden, was bekanntlich viel schneller erfolgt, als bei hydraulisch ange­ triebenen Zylindern, so daß sich eine optimal hohe Hubzahl besser und leichter einstellen läßt.
Stand der Technik
Arbeitszylinder mit Eil- und Krafthub haben sich bereits schon Jahrzehnte lang in der Praxis bewährt. Man kann in der Haupt­ sache folgende Arten unterscheiden:
  • 1. Mechanische Eil-Krafthub-Zylinder, von denen die bekanntes­ ten unter dem Namen "Kraftei" vertrieben wurden.
  • Hierbei wurde die zunächst pneumatisch erzeugte Kolbenkraft am Ende des Hubes einem Kniehebelsystem zugeführt, dessen konzentrische Gegenkräfte von einem gehärteten konischen Ring aufgenommen wurden, der sich im unteren Teil des Luftzylinders befand.
  • Das intern auf kleinsten Raum untergebrachte Kniehebelsystem unterlag jedoch nach einiger Zeit einem größeren Verschleiß, der mit Reparatur-Unkosten und Stillstandszeiten verbunden war.
  • 2. Rein hydraulisch druckübersetzte Zylinder, die hauptsächlich von der Firma Pokorny unter dem Namen HYDROMENT vertrieben werden. Zum Betrieb war ein Hydraulik-Aggregat erforderlich, welches mit ca. 100 bar Öldruck arbeitete.
  • Das Hydroment hat zur Erzeugung des Krafthubes einen Ober­ kolben mit einem dünnen Hohlplunger, dessen Niedergangs- Zeitpunkt von Eil-auf Krafthub durch die Einstellung einer eingebauten Drossel vorgenommen werden muß. Die richtige Zeitpunkteinstellung kann also nicht automatisch erfolgen, was dazu führt, daß der Zylinder meist nicht wegoptimal ar­ beitet und deshalb nicht voll ausgenutzt werden kann.
  • 3. Pneumohydraulisch druckübersetzte Arbeitszylinder, wie sie von der Firma Pressotechnik unter dem Namen KRAFTPAKET her­ gestellt werden, haben durch eine externe Differential-Steu­ erung einen automatischen Krafthubeinsatz.
  • Die klare Trennung zwischen Öl und Druckluft wird durch eine Ölvorspann- und Rückzugs-Druckfeder gewährleistet, die auch bei jedem Hub für die Entlüftung des Arbeitsöles sorgt, wel­ ches ständig im Zylinder verbleiben kann. Deshalb hat sich der Einsatz dieser Geräte bis heute am besten bewährt. Nach einer längeren Betriebszeit ist es aber auch hier er­ forderlich den Ölstand zu kontrollieren oder auch vollends auszuwecheln, was natürlich auch Kosten und Stillstandzei­ ten verursacht.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde die oben genannten Nach­ teile und Mängel auszuschließen und einen neuen, kostengünstigen, wartungsfreien, druckübersetzten Arbeitszylinder zu schaffen, der bei optimal kleinster Bauhöhe ebenfalls einen Eil- und Krafthub aufweist.
Lösung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ausschließ­ lich das Medium Druckluft eingesetzt wird ohne Benutzung anderer flüssiger Medien.
Der erfundene Arbeitszylinder beinhaltet einen Hoch- und einen Niederdruckteil die nur mit Druckluft betrieben werden. Letzterer besitzt den gleichen Außendurchmesser und ist auf den HD-Zylinder aufgesetzt und mit diesem durch die Zuganker (22) fest verbunden.
Im HD-Teil befindet sich der Arbeitskolben (1), dessen Stößel in der Führungsbuchse (2) geführt wird.
Ein im Eilgangsluftanschluß (10E) befindliches Rückschlagventil (20) verhindert ein Rückfließen der komprimierten Luft. Für den Eilgang wird der Arbeitskolben (1) auf seiner vollen Fläche mit dem normalen Betriebsdruck über den Anschluß (10E) beaufschlagt.
Beim Rückhub geschieht dies über den Anschluß (6R) auf der Ringfläche, die aus der Durchmesserdifferenz von Stößel- und Kolben gebildet ist.
Der Krafthub dagegen entsteht durch das Eintauchen des Ver­ drängers (25) in die für den Eilgang bereits vorgespannte Druckluft, wobei sich der Luftdruck über dem Arbeitskolben (1) und damit die Arbeitskraft des Stößels um einen wesentlichen Betrag vervielfacht.
Wirkungsweise
Diese sei zunächst theoretisch an Hand des Polytropendiagrammes auf der Pat. Zeichnung Nr. 3 erläutert:
Die erforderliche Kompression der Luft geschieht für den Gegen­ stand der Erfindung polytropisch mit einem Polytropenexponent von N = 2.8 bis 3. 1.
Die Kraft- oder Druckweg-Aufzeichnung ergibt also immer eine Koordinatengleichung die bestimmt wird aus der Beziehung
Y=10 * F * Xˆ(-N)
Der besonders starke Anstieg der Kurve im letzten Fünftel des Arbeitskolbenhubes auf der X-Achse ist für die Nutzung des Kraft- Hubes interessant.
Die entstehenden Verdichtungsdrücke auf der rechten y-Achse des Diagrammes verhalten sich umgekehrt wie die jeweiligen Volumen im HD-Zylinder (7) nach der Gleichung
p1=pb * (v2/v1)ˆN
worin pb der Betriebsdruck des Netzes, v1 das Endvolumen der Endverdichtung, v2 das Volumen nach der Vorverdichtung und N der Polytropenexponent ist.
Der Durchmesser des Verdrängers (25) ist kritisch. Je kleiner er gewählt wird, um so höher wird der Druck p1 steigen, um so größer wird aber auch der erforderliche Weg des Verdrängers um den gleichen Krafthub zu erreichen. Außerdem steigt mit kleinerem Verdrängerdurchmesser die Kompressionstemperatur.
Letztere soll aber zum Schutz der Dichtungen und zur Vermeidung einer evtl. Selbstzündung eines Öl-Luftgemisches, 160°C nicht überschreiten.
Für die max. Kompressionstemperatur gilt daher die Gleichung
Tc⇐160=(v2/v1)ˆ(N-1) * T2-273
worin T2 die absolute Raumtemperatur ist.
Die Computergrafik welche auf der Patentzeichnung Nr. 3 dargestellt ist, zeigt einen 4-Tonnen-Arbeitszylinder, der mit 10 bar Betriebsdruck betrieben ist.
Wird dem Arbeitskolben (1) kein Hindernis in den Weg gelegt, kann auf dem gesamten Arbeitshub die Eilkraft von 1330 daN wirksam werden.
Trifft der Stößel (1) dagegen z. B. nach 85% Eilweg auf ein Hindernis, welches diese Kraft übersteigt, so tritt der Kraft- Hub in Tätigkeit und kann in diesem Falle eine Nutzkraft von 3500 daN aufbringen.
Braucht man nur wenige Prozente des Gesamthubes, z. B. zum Prägen, so kann hierbei eine Prägekraft von 5.3 Tonnen genutzt werden.
Die praktische Wirkungsweise kann man besser auf der Patentzeichnung Nr. 1 erkennen, wenn man sich die Kolbenstellungen in den einzelnen Arbeitsphasen wie folgt vorstellt.
1. Obere bzw. rechte Pausenlage
Der Arbeitskolben (1) und der Luftkolben (14) befinden sich in der rechten gezeichneten Stellung.
Dabei wird über den Druckluftanschluß (6R) Betriebsdruck­ luft zugeführt.
Die Anschlüsse (10E) und (28K) gehen in die freie Atmos­ phäre.
Der Verdränger (25) wird durch den Staudruck im HD-Raum in der oberen, bezw. rechten Stellung gehalten.
2. Eilhub
Der Eilhub erfolgt dadurch, daß Druckluft in den Anschluß (10E) über das Rückschlagventil (20) in den HD-Zylinder (7) eingeleitet wird. Hierdurch wird der Verdänger (25) nach rechts, bezw. nach oben gedrückt und der Arbeitskolben (1) im Eilgang nach unten gefahren, bis er auf einen Widerstand stößt, den die Eilkraft nicht überwinden kann.
3. Krafthub
Der Krafthub wird dadurch eingeleitet, daß die Druckluft in den Anschluß (28K) geleitet wird, wodurch der Luftkolben (14) mit seiner vollen Kolbenfläche beaufschlagt wird. Mit der dabei entstehenden Druckkraft wird der mit dem Luftkolben (14) fest verbundene Verdränger (25), durch die Glydringdichtungen (24) völlig abgedichtet, in den Kopf des HD-Zylinders (7) und dann in die Bohrung des Arbeitskolbens (1) gefahren, worin sich der bereits durch den Eilgang vorverdichtete Luftdruck befindet. - Dieser wird durch daß Eindringen des Verdrängers (25) bis zu dessen Endstellung weiter verdichtet, so daß sich auf den Arbeitskolben (1) ein hoher Flächendruck, verbunden mit einer hohen Arbeitskraft ergibt, die das letzte Fünftel des Hubes als Krafthub kennzeichnet.
4. Rückhub
Dieser tritt durch das Öffnen des Anschlusses 28(K) in die freie Atmosphäre und den Eintritt der Druckluft in den An­ schluß (6R) ein.
Die stark verdichtete Druckluft im HD-Zylinder (7) dehnt sich aus und schiebt den nunmehr drucklosen Verdränger (25) in seine Ausgangslage zurück.
Gleichzeitig wird der Arbeitskolben (1) mit seiner Ring­ fläche über den Anschluß (6R) mit Druckluft beaufschlagt, so daß er ebenfalls in seine Ausgangslage (OT) zurückfährt und dort verbleibt.
Externe Ventilsteuerung
Auf der Patentzeichnung Nr. 2 ist die Grundsteuerung des pneu­ matischen druckübersetzten Arbeitszylinders in Form einer Matrix festgelegt.
Dabei befinden sich in der ersten Zeile die Druckluft- Anschlüsse 6(R), 10(E) und 28(K). In den weiteren Zeilen ist der Rückhub, Eilhub und Krafthub angegeben.
Die dahinter liegenden Spalten sind mit Kreis-Symbolen gekenn­ zeichnet, die ausweisen, ob der Anschluß mit Druckluft belegt, oder freien Austritt zur Athmosphäre hat.
Hingegen gibt das Rechtecksymbol an, daß das entsprechende Ventil entweder mechanisch aktiviert, oder wenn es sich um ein Magnetventil handelt, elektrisch erregt ist.
Diese Grundsteuerung muß bei allen Betriebsarten, wie Fuß-, Hand-, Einzelhub- oder Dauerlaufbetrieb vorhanden sein.
Das Ventil V1 ist zuständig für den Rück- und Eilhub, während das Ventil V2 den Krafthub nach erfolgten Eilhub dazuschaltet.
Die einfachste Zuschaltung des Ventils V2 geschieht mechanisch über eine Nockenscheibe, die durch einen Fußhebel in Eilhub-, dann in Krafthubstellung (Endstellung), gedreht werden kann.
Wird ein Magnetventil für V2 benutzt, kann dasselbe für den Krafthub auch über ein Zeitrelais erregt werden, dessen Zeitwert der maximalen Laufzeit des Eilhubes entspricht.
Soll der Einsatz des Magnetventils V2 automatisch erfolgen, ist die Verwendung eines Sensors möglich, der durch Luft­ druck oder mechanischen Druck aktiviert wird, sobald der Stößel (1) auf einen Widerstand stößt, wobei der Krafthub ausgelöst werden muß.
Zur Aktivierung des Magnetventils V2 kann auch ein Dehnmeß­ streifen dienen, der am Zuganker (22) angebracht wird. Bei Zugbelasung ändert er stark seinen ohmschen Widerstand.
Der bei Brückenschaltung entstehende Querstrom kann verstärkt einem einfachen Schütz zugeführt werden, über welches dann das Magnetventil V2 erregt wird.
Positionierung
 1 Arbeitskolben mit Stößel (dm=DK, D)
 2 Stößel-Führungsbüchse
 3 Gewindestifte zur Befestigung von (2)
 4 Glydringdichtung für Stößel (1)
 5 Dämpfungsring aus Kunststoff für Endanschlag von (1)
 6(R) Druckluft-Anschluß-Bohrung für Rückzug
 7 Hochdruck (HD)-Zylinder (Grundkörper) (dm=C, KU, DP, H, DN)
 8 Glydringdichtung für Arbeitskolben (1)
 9 Dämpfungsring aus Kunststoff für Rückzug
10(E) Druckluft-Anschluß für Eilgang
11 O-Ring für ND-Zylinderrohr (12)
12 Niederdruck-Zylinderrohr (dm=A, KU)
13 Schalldämpfer
14 Luftkolben (Schweißteil) (dm=KU)
15 Glydringdichtung zum Luftkolben (14)
16 O-Ring zum Zylinderdeckel (17)
17 Zylinderdeckel
18 Befestigungsgewinde
19 Dämpfungsscheibe aus Kunststoff für Verdränger (24)
20 Rückschlagventil
21 Gewindemutter für Zuganker (Anschweißteil)
22 Zuganker (dm=ZA)
23 Abschlußstopfen für Verdränger (25)
24 Glydringdichtungen für Verdränger (25)
25 Verdränger (Schweißteil) (dm=DP)
26 Dämpfungsring aus Kunststoff für Luftkolbenvorlauf
27 Dämpfungsring aus Kunststoff für Luftkolbenrücklauf
28(K) Druckluftanschluß für Krafthub
V1 2/4 Wegeventil, mechanisch bzw. elektrisch, für Eil- und Rückhub (s. Pat. Zchn. Nr. 2)
V2 2/4 Wegeventil, mech. bzw. elektrisch, für Krafthub
Ausführungsbeispiel
Berechnung und technische Daten eines pneumatisch druckübersetzten 4 Tonnen-Zylinders sind auf der Patentzeichnung Nr. 4 zu ersehen. Es sind die gleichen Eingabewerte die zur Erstellung der Polytro­ penkurve auf Patentzeichnung Nr. 3 verwertet worden sind, jedoch ist die Ausgabe der Ergebnisse weit umfangreicher.
Für die Eingabe des Betriebsdruckes wird immer das Maximum von 10 bar angegeben, für welches das Gerät mit Sicherheit dimen­ sioniert ist.
Ist der Betriebsdruck niederer, ändern sich alle nutzbaren Kräfte entsprechend proportional.
Der Größe-Nennwert "40 KN" ergibt sich aus dem abgerundeten Mittelwert von der max. Druckkraft FM und der Stanzkraft FS.
Positiv ist auch die niedere Bauhöhe L zu bewerten, die dadurch ermöglicht wird, daß der Verdränger (25) tief in den Arbeitskolben (1) eindringen kann.
Dabei wird ein entstehender schädlicher Raum weitgehend dadurch vermieden, daß der Bohrungsdurchmesser des Arbeitskolbens (1) nur ca. 0.5 mm größer ist, als der Verdrängerdurchmesser (DP).
Ebenso muß der abgedichtete Raum hinter der Kugel oder Kegel des Rückschlagventils (20) äußerst gering bemessen sein, wie dies auch auf der Patentzeichnung Nr. 1 ersichtlich ist.

Claims (2)

1. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder mit Eil- und Krafthub, insbesondere zum Antrieb von Stanz-, Schnitt-, Clinch- und Prägewerkzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) Eil- und Krafthub des Arbeitskolbens (1), sowie die dazu­ gehörigen Kräfte, wie Eil-, Stanz- und Rückzugskraft, nur durch Druckluft erzeugt werden, ohne Benutzung anderer, flüssiger Medien;
  • b) der Arbeitszylinder aus einem Hochdruckteil besteht, dem ein Niederdruckteil gleichen Durchmessers aufgesetzt ist;
  • c) der Hochdruckteil in der Hauptsache aus den folgenden Teilen besteht : HD-Zylinder (7), Arbeitskolben (1) mit den Glyd- Dichtringen (4 und 0), Dämpfungsringe (5, 9, 19) und Rück­ schlagventil (20), welches zur Vermeidung schädlichen Raumes, direkt im Anschluß (10E) angeordnet ist;
  • d) der aufgesetzte Niederdruckteil in der Hauptsache aus dem Luftzylinderrohr (12), dem Zylinderdeckel (17) mit den Zug­ ankern (22), dem Luftkolben (14) mit dem Glyd-Dichtring (15), dem mit dem Luftkolben (14) fest verbundenen Verdränger (25) und den Dämpfungsringen (26 und 27) besteht;
  • e) der Verdrängerkolben (25) im Verhältnis zum Luftkolben (14) druckübersetzt ist;
  • f) der Kopfraum des HD-Zylinders (7) nach dem Eilhub, über das Rückschlagventil (20), für den Krafthub mit dem Betriebs­ druck der Druckluft des Netzes vorgespannt wird;
  • g) nach Vollendung des Eilganges der Verdränger (25) ,der über die Glyd-Dichtringe (24) den HD-Raum völlig abdichtet, in die vorgespannte Luft des HD-Zylinders (7) und in den Hohl­ raum des Arbeitskolbens (1) eindringt, wobei der Luftdruck durch die Druckübersetzung KU/DP ein Vielfaches des Betriebsdruckes annimmt, weshalb man vom Krafthub des Arbeitskolbens (1) spricht, dessen Nutzkraft im letzten Fünftel des Hubes besonders steil ansteigt (s. Polytropen- Kurve auf Pat. Zeichn. Nr. 3).
2. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) zwischen dem Ansatz der Führungsnabe des HD-Zylinders (7) und des Luftkolbens (14) eine Druckfeder angebracht ist, die den Rückzug des Verdrängers (25) und des Luftkolbens (14) unterstützt;
  • b) die auf Patentzeichnung Nr. 2 gezeigte Steuerungs-Matrix mit zwei 2/4 Wege-Schieberventilen verwendet wird, die den Schlüssel zur mechanischen oder elektrischen Fuß-, Hand-, Dauerlauf- oder Automatik-Schaltung bildet;
  • c) das für den Krafthub zuständige Magnet-Ventil (V2) über ein Zeitrelais erregt wird, dessen Zeitwert auf die maximale Laufzeit des Eilganges eingestellt ist;
  • d) für den Krafthub zuständige Magnetventil (V2), durch einen elektronischen Sensor erregt wird, der durch den mechanischen Druck oder Luftdruck aktiviert wird welcher beim Auftreffen des Stößels des Arbeitskolbens (1) auf einen Widerstand entsteht;
  • e) zur Erregung des Magnetventils (V2) ein Dehnmeßstreifen ver­ wendet wird, der an einem der Zuganker (22) angebracht wird und der seinen ohmschen Widerstand proportional den auftre­ tenden Zugkräften verändert.
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