DE4228846C2 - Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder mit Eil- und Krafthub - Google Patents

Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder mit Eil- und Krafthub

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Description

Die Erfindung betrifft einen rein pneumatisch arbeitenden druckübersetzten Arbeitszylinder für Eilgang und Krafthub gemäß dem Patentanspruch 1, 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.
Arbeitszylinder mit Eil- und Krafthub haben sich bereits schon seit Jahrzehnten in der Praxis bewährt. Man kann in der Hauptsache folgende Arten unterscheiden:
  • 1. Mechanische Eil-Krafthub-Zylinder, von denen die bekanntesten 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. Der Krafthubeinsatz erfolgte nicht automatisch an beliebiger Stelle des Hubes, sondern nur am Hubende. Er mußte daher genau zum Werkstück eingestellt wer­ den. Das intern auf kleinsten Raum untergebrachte Kniehebelsystem unterlag jedoch nach einiger Zeit einen 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 auszuwechseln, was natürlich auch Kosten und Stillstandzei­ ten verursacht.
  • 4. Eine druckübersetzte KRAFTZYLINDER-EINHEIT wurde von der Firma UNIMA Maschinenbau GmbH, Sulzbach 1981 unter NR 3145401 zum Patent angemeldet. Hierbei handelt es sich um ein rein ölhydraulisch arbeitendes Gerät, bei welchem, sowohl der druckübersetzte Plungerkolben, als auch der Arbeitskolben, durch Öldruck betrieben werden. Der Patentanspruch besteht in der Hauptsache darin, daß der Plungerkolben gleichzeitig Absperrschieber für den Hochdruck­ zylinders ist. Der Einsatz des Krafthubes erfolgt automatisch bei Auftreffen der Kolbenstange auf einen Widerstand. Zum Betrieb der Kraftzylinder-Einheit ist jedoch ein Hydrau­ lik-Aggregat erforderlich, welches das Druckmittel liefert, das mit externen Mehrwegeventilen für den Vor-und Rücklauf der Zylinder-Einheit gesteuert wird.
  • 5. Mit der Bezeichnung Arbeitszylinder wurde von Herrn Josef Nemetz, Wiesbaden, unter P 24 52 221. im Jahre 1974 ein Patent angemeldet. Hier ist ein pneumohydraulischer Plungerkolben vorgesehen, der in einen ölgefüllten Arbeitszylinder eintaucht und damit dessen Hochdruck-Kolben antreibt. Dieser Hochdruckzylinder läuft erfindungsgemäß in einer speziellen Führungsbuchse, welche beidseitig vom Öldruck beaufschlagt wird. Dies soll bewirken, daß sich der Zylinder, selbst bei hohen Drücken, im Durchmesser nicht verformt und damit un­ dicht wird. Der Aufwand hierzu ist beträchtlich und heute nicht mehr er­ forderlich. Namhafte Spezialfirmen liefern heute Dicht- und Führungsringe, deren Qualität Durchmessertoleranzen H9/f7 und Temperaturunterschiede -10 bis +180°C , bei Drücken bis 400 bar ohne besondere Maßnahmen zuläßt.
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 kleiner Bauhöhe ebenfalls einen Eil- und Krafthub aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Arbeitszylinder mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hierbei wird ausschließlich das Medium Druckluft eingesetzt, ohne Benutzung anderer flüssiger Medien.
Im folgenden wird an Hand der Zeichnung die Erfindung beispielhaft näher erläutert:
Der Arbeitszylinder nach der Erfindung 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 Zuganker 22 fest verbunden.
Im HD-Teil befindet sich der Arbeitskolben 1, dessen Kolbenstange in einer 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 einen ersten Anschluß 10E beaufschlagt.
Beim Rückhub geschieht dies über einen zweiten Anschluß 6R auf der Ringfläche, die aus der Durchmesserdifferenz von Kolbenstange und Kolben gebildet ist.
Der Krafthub dagegen entsteht durch das Eintauchen eines Ver­ drängerkolbens 25 in die für den Eilgang bereits vorgespannte Druckluft, wobei sich der Luftdruck über dem Arbeitskolben 1 und damit die Arbeitskraft der Kolbenstange um einen wesentlichen Betrag vervielfacht.
Die Wirkungsweise wird 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 Polytropenexponenten N.
Die Kraft- oder Druckweg-Aufzeichnung ergibt also immer eine Koordinatengleichung die bestimmt wird aus der Beziehung
Y=10*F*XO(-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)ON
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, 180°C nicht überschreiten. Für die max. Kompressionstemperatur gilt daher die Gleichung
Tc<=160=(v2/v1)O(N-1)*T2-273
worin T2 die absolute Räumtemperatur 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 die Kolbenstange 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 Verdängerkolben 25 wird durch den Staudruck im HD-Raum in der oberen, bzw. 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 Verdrängerkolben 25 nach rechts, bzw. 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 Verdrängerkolben 25, durch die Glydringdichtungen 24 völlig abgedichtet, in den Kopf des HD-Zylinders 7 und dann in die Bohrung des Arbeitskolben 1 gefahren, worin sich der bereits durch den Eilgang vorverdichtete Luftdruck befindet. Dieser wird durch das Eindringen des Verdrängerkolbens 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 28K 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 Verdänger­ kolben 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 6R, 10E und 28K. 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 Atmosphäre 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 die Kolbenstange 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 Zugbelastung ändert er stark seinen ohmschen Widerstand. Dem bei Brückenschaltung entstehenden Querstrom kann verstärkt einem einfachen Schütz zugeführt werden, über welches dann das Magnetventil V2 erregt wird.
Ausführungsbeispiel
Berechnung und technische Daten des Beispiels 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 Verdrängerkolben 25 tief in den Arbeits­ kolben 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 Verdrängerkolben-Durchmesser DP. Ebenso muß der abgedichtete Raum hinter der Kugel oder den Kegel des Rückschlagventils 20 äußerst gering bemessen sein, wie dies auch auf der Patentzeichnung Nr. 1 ersichtlich ist.
Bezugszeichenliste
 1 Arbeitskolben mit Kolbenstange
 2 Stößel-Führungsbüchse
 3 Gewindestift zur Befestigung von (2)
 4 Glydringdichtung für Stößel (1)
 5 Dämpfungsring aus Kunststoff für Endanschlaß von (1)
 6R Druckluft-Anschluß für Rückzug
 7 Hochdruck (HD)-Zylinder (Grundkörper)
 8 Glydringdichtung für Arbeitskolben (1)
 9 Dämpfungsring aus Kunststoff für Rückzug
10E Druckluft-Anschluß für Eilgang
11 O-Ring für ND-Zylinderrohr (12)
12 Niederdruck-Zylinderrohr
13 Schalldämpfer
14 Luftkolben (Schweißteil)
15 Glydringdichtung zum Luftkolben (14)
16 O-Ring zum Zylinderdeckel (17)
17 Zylinderdeckel
18 Befestigungsgewinde
19 Dämpfungsscheibe aus Kunstst. für Verdrängerkolben (24)
20 Rückschlagventil
21 Gewindemutter für Zuganker (Anschweißteil)
22 Zuganker
23 Abschlußstopfen für Verdrängerkolben (25)
24 Glydringdichtungen für Verdrängerkolben (25)
25 Verdrängerkolben (Schweißteil)
26 Dämpfungsring aus Kunststoff für Luftkolbenvorlauf
27 Dämpfungsring aus Kunststoff für Luftkolbenrücklauf
28K Druckluftanschluß für Krafthub
V1 2/4-Wegeventil, mechanisch, bzw. elektrisch, für Eil- und Rückhub (s. Pat. Zeichnung Nr. 2)
V2 2/4-Wegeventil, mechanisch, bzw. elektrisch, für Krafthub

Claims (6)

1. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder mit Eil- und Krafthub, insbesondere zum Antrieb von Stanz-, Schnitt-, Clinch- und Prägewerkzeugen, mit folgenden Merkmalen
  • a) Eil- und Krafthub des Arbeitskolben (1), sowie die dazu­ gehörigen Kräfte, wie Eil-, Stanz- und Rückzugskraft werden nur durch Druckluft erzeugt, ohne Benutzung anderer, flüssiger Medien,
  • b) der Arbeitszylinder besteht aus einem Hochdruckteil, dem ein Niederdruckteil aufgesetzt ist,
  • c) der Hochdruckteil besteht in der Hauptsache aus den folgenden Teilen: HD-Zylinder (7), hohlem Arbeitskolben (1) mit Glyd- Dichtringen (4 und 8), Dämpfungsringen (5, 9, 19) und Rück­ schlagventil (20), welches zur Vermeidung schädlichen Raumes direkt in einem ersten Druckluftanschluß (10E) angeordnet ist,
  • d) der aufgesetzte Niederdruckteil besteht in der Hauptsache aus einem Luftzylinderrohr (12), Zylinderdeckel (17) mit Zug­ ankern (22), einem Luftkolben (14) mit Glyd-Dichtring (15), einem mit dem Luftkolben (14) fest verbundenen Verdränger­ kolben (25) und Dämpfungsringen (26 und 27),
  • e) der Verdrängerkolben (25) ist im Verhältnis zum Luftkolben (14) druckübersetzt,
  • f) der Kopfraum des HD-Zylinders (7) wird nach dem Eilhub, über das Rückschlagventil (20), für den Krafthub mit dem Betriebsdruck der Druckluft- des Netzes vorgespannt,
  • g) nach Vollendung des Eilhubes dringt der Verdrängerkolben (25), der über die Glyd-Dichtringe (24) den HD-Raum völlig abdichtet, in die vorgespannte Luft des HD-Zylinders (7) und in den Hohlraum des Arbeitskolbens (1) ein wobei der Luftdruck durch die Druckübersetzung ein Viel­ faches des Betriebsdruckes annimmt und dadurch einen Krafthub des Arbeitskolben (1) erzeugt, dessen Nutzkraft im letzten Fünftel des Hubes besonders steil ansteigt.
2. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Ansatz der Führungsnabe des HD-Zylinders (7) und des Luftkolbens (14) eine Druckfeder vorhanden ist, die den Rückzug des Verdrängers (25) und des Luftkolbens (14) unterstützt.
3. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aussteuerung der Druckluftanschlüsse (10E, 6R, 28K) zwei 2/4-Wege-Ventile benutzt werden.
4. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das für den Krafthub zuständige Ventil (V2) ein Magnetventil ist und über ein Zeitrelais erregt wird, dessen Zeitwert auf die maximale Laufzeit des Eilganges eingestellt ist.
5. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das für den Krafthub zuständige Ventil (V2) ein Magnetventil ist und durch einen elektronischen Sensor erregt wird, der durch den mechanischen Druck oder Luftdruck akti­ viert wird, welcher beim Auftreffen des Stößels des Arbeits­ kolbens (1) auf einen Widerstand entsteht.
6. Pneumatischer druckübersetzter Arbeitszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung des als Magnetventil ausgebildeten Ventils (V2) ein Dehnmeßstreifen dient, der an einem der Zuganker (22) angebracht ist und der seinen ohmschen Widerstand pro­ portional den auftretenden Zugkräften verändert.
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