EP3178581A1 - Hydraulischer hochfrequenzzylinder - Google Patents

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EP3178581A1
EP3178581A1 EP16002610.0A EP16002610A EP3178581A1 EP 3178581 A1 EP3178581 A1 EP 3178581A1 EP 16002610 A EP16002610 A EP 16002610A EP 3178581 A1 EP3178581 A1 EP 3178581A1
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EP
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cylinder
pressure
accumulator
extension
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Ulrich Keller
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    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B1/00Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/26Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/265Supply reservoir or sump assemblies with pressurised main reservoir
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30PRESSES
    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B1/00Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen
    • B30B1/32Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by plungers under fluid pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F15B15/1423Component parts; Constructional details
    • F15B15/1476Special return means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F15B15/20Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/26Locking mechanisms
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    • F15B15/22Other details, e.g. assembly with regulating devices for accelerating or decelerating the stroke
    • F15B15/223Other details, e.g. assembly with regulating devices for accelerating or decelerating the stroke having a piston with a piston extension or piston recess which completely seals the main fluid outlet as the piston approaches its end position
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/60Circuit components or control therefor
    • F15B2211/625Accumulators

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency cylinder according to claims 1 to 8 From the patent literature Schnellhubzylinder said hydraulic cylinders are known, which are designed for the generation of rapid rapid movements in hydraulic presses. Examples: DE102005047995B4 . DE 000019642635A1 or DE 000002127605C3 , Fast rapid movements are for example desired in idle strokes of machines such as presses and are referred to as quick-stroke or rapid traverse cylinder. They move the press ram in the idle stroke much faster than it would be possible with the area far larger working cylinder. The oil of the working cylinder is sucked in only with negative pressure. They have the same structure as usual working cylinders.
  • hydraulic cylinders are also referred to as rapid traverse or quick-lift cylinders when conventional hydraulic cylinders receive an oil feed via storage or servo valves ( DE102007010426B4 ).
  • the dynamics can also be improved ( DE000003215795A1 ).
  • Such known cylinders can be used for example in test benches, where it is required to accelerate a test object to a higher speed.
  • Another field of application is the rapid supply and removal of parts in production processes. For certain applications, however, much higher speeds are desired with high cylinder forces.
  • various processes of manufacturing processing of products in question in which highest speeds are desired.
  • the object of the present invention is therefore to provide an extremely fast and yet reliable and very compact high-frequency drive with the highest operating speeds, for example for high-speed cutting (HGSS) or forging.
  • a hydraulic cylinder is designed so that the piston can extend at extremely high speeds.
  • the return stroke of the piston should take place in the shortest possible time in order to enable the highest number of deliveries.
  • stroke rates of 1000 rpm are possible and that a limitation mainly occurs through the switching times of valves.
  • the usual number of deliveries of hydraulic presses are far exceeded.
  • the limitation is eliminated by switching times of valves for even higher stroke rates.
  • the extremely fast extending piston can directly actuate a working element or serve as a drive for another drive, for example, designed for a hydraulic cylinder as a pressure booster. This object is achieved by the invention according to claims 1 to 8.
  • Fig. 1 describes the design of the high-frequency cylinder according to the invention.
  • the control ring 33 forms with the lower part of the collar 5 a sealing surface 34 which shields the pressure prevailing in the cylinder chamber 23 against the control chamber 38.
  • the control chamber 38 is relieved via the control valve 32 to tank.
  • the control ring 33 is acted upon on its underside with the pressure prevailing in the cylinder chamber 23 pressure. On its upper side, it is partially relieved of pressure via a small paragraph to the control chamber 38 and the pressure drop across the sealing surface 34 between the cylinder chamber 23 and the control chamber 38.
  • the upper annular surface of the collar 5 is fully loaded with the pressure prevailing in the cylinder chamber 23, while the pressure axially opposite lower collar surface is only partially acted upon by the pressure prevailing in the cylinder chamber 23 pressure.
  • the piston is locked.
  • the gas storage space formed between the parts 17 and 7, a gas, for example nitrogen was introduced before the pressure build-up in the cylinder chamber 23.
  • the storage piston 17 sat on the spacer tube 24.
  • the accumulator piston 17 was moved upwards and reduces the volume of the gas storage space to 1/3.
  • the piston should always reduce its energy externally in one operation. Should it happen due to an incorrect setting that no external energy reduction takes place, the collar 5 of the piston 1 enters the Oldämpfungsraum 20 a. By entering into the formed on the oil damping chamber 20 slope energy of the piston is reduced there. The spring-back of the accumulator piston 17 in the direction of the gas storage space 21 supports the energy reduction. As a rule, however, the collar 5 of the piston 1 comes to a standstill beforehand due to the external operation.
  • the piston 1 has an upper piston portion 2 and a lower piston portion 3. These form the differential area 4, via which the return stroke is realized by means of pressurization. When extending the piston oil is displaced by the differential surface 4 and must be as low flow can flow out, otherwise it would hinder the expansion of the piston with the construction of a flow pressure.
  • Fig. 2 shows the fast and reliable control by means of a rotary valve.
  • a rotary valve is for example from the Scriptures DE 10 2012 024 642 A1 known. It is able to realize a valve control at highest frequencies up to 2000 / min.
  • a stator 40 and a rotor 39 are provided.
  • the rotor 39 has the recesses a to d. These connect depending on the rotation angle of the rotor 39, the terminals 29 and 30 of the high-frequency cylinder with pump and tank according to the present rotation angle.
  • Fig. 2a and Fig. 2b represent in the rotary valve successively arranged cuts.
  • the rotor may be mechanically coupled to the drive of a feed unit not shown via a direct shaft connection or a transmission. In this way it is ensured that the movement of the piston 1 runs absolutely synchronously with the feed at the highest stroke rates of the high-frequency cylinder.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen extrem schnell ausfahrenden Zylinder, im weiteren Hochfrequenzzylinder genannt, bestehend aus einem Kolben und einem Zylinder wobei der Kolben kleiner als der Zylinderinnendurchmesser ist, der Kolben intern hydraulisch mit dem Zylinder ver- und entkuppelbar durch die Schaltung eines Ventils ist, dessen Verkupplungszustand hydraulisch gelöst wird zum Zwecke des extrem schnellen Ausfahrens des Kolbens und der intern einen Kolbenspeicher aufweist, dessen Energie beim schnellen Ausfahren des Zylinders praktisch ohne Strömungsverluste von Hydraulikleitungen an den Kolben abgegeben wird.
Der Speicherkolben 17 des Kolbenspeichers hat eine an seiner Oberseite mit Gasdruck beaufschlagte außen liegende Speicherringfläche 41 sowie einen innen liegenden ringförmigen Führungsansatz 18, der an seiner Oberseite nicht mit Gasdruck sondern mit dem Druck des Rücksteuerraums 8 beaufschlagt ist. Er weist an seinem Innendurchmesser eine Führungsfläche für den Kolben auf. Der Kolben weist eine Differenzfläche 4 auf, welche permanent mit Öldruck beaufschlagt ist. Die Fläche der Differenzfläche 4 zur oberen Fläche des Führungsansatzes 18 verhält sich etwa so, wie die Fläche des unteren Kolbenabschnitts 3 mit dem Durchmesser D1 zur Wirkfläche des Speicherkolbens aus D4 und D1.
Der Kolben bewegt sich ohne von druckbeaufschlagten Dichtungen gebremst zu werden. Der extrem schnell ausfahrende Kolben kann ein Arbeitselement direkt betätigen oder auch als Antrieb für einen weiteren, als Druckübersetzer ausgebildeten Hydraulikzylinder dienen. Der Rückhub in den Ausgangszustand erfolgt über eine permanent druckbeaufschlagte kleine Differenzfläche 4 in kürzester Zeit.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzzylinder gemäß Ansprüche 1 bis 8 Aus der Patenliteratur sind Schnellhubzylinder genannte Hydraulikzylinder bekannt, die für die Erzeugung schneller Eilbewegungen in hydraulischen Pressen ausgelegt sind. Beispiele: DE102005047995B4 , DE 000019642635A1 oder DE 000002127605C3 . Schnelle Eilbewegungen sind beispielsweise gewünscht bei Leerhüben von Arbeitsmaschinen wie Pressen und werden als Schnellhub- oder Eilgangzylinder bezeichnet. Sie bewegen den Pressenstößel im Leerhub wesentlich schneller als es mit dem flächenmäßig weitaus größeren Arbeitszylinder möglich wäre. Das Öl des Arbeitszylinders wird dabei lediglich mit Unterdruck angesaugt. Sie haben den gleichen Aufbau wie übliche Arbeitszylinder. Weiterhin werden gleichfalls Hydraulikzylinder als Eilgang- oder Schnellhubzylinder bezeichnet, wenn übliche Hydraulikzylinder eine Öleinspeisung über Speicher oder Servoventile erhalten ( DE102007010426B4 ). Über eine Verringerung der Massen der bewegten Zylinderteile, beispielsweise durch Einsatz von Faserwerkstoffen, kann ebenfalls die Dynamik verbessert werden ( DE000003215795A1 ). Derartige bekannte Zylinder können beispielsweise bei Prüfständen eingesetzt werden, wo gefordert ist, eine Prüfobjekt auf eine höhere Geschwindigkeit zu beschleunigen. Weiteres Einsatzgebiet ist die schnelle Zu- und Abführung von Teilen in Produktionsprozessen.
    Für bestimmte Anwendungen sind jedoch noch wesentlich größere Geschwindigkeiten erwünscht bei gleichzeitig hohen Zylinderkräften. Hier kommen verschiedene Vorgänge der fertigungstechnischen Bearbeitung von Produkten in Frage, bei welchem höchste Geschwindigkeiten erwünscht sind. Dies trifft beispielsweise auf das Scherschneiden von Blech oder Stangenmaterial zu, wo bei hohen Schergeschwindigkeiten die Prozesswärme im unmittelbaren Scherbereich verbleibt und infolge der höheren Schertemperatur eine weitaus bessere Schnittflächenqualität erreichbar ist. Gleichfalls zutreffend ist der Vorteil höchster Arbeitsgeschwindigkeiten beim Schmieden. Bei Arbeitsmaschinen für das Warmschmieden ist man bestrebt, hohe Geschwindigkeiten zu realisieren, um die Berührzeit der Formhälften mit dem heißen Werkstück zu minimieren.
    In der PS DE 42 33 115 wird eine Einrichtung beschrieben, bei der ein Ankuppeln des innerhalb eines Zylinderraumes frei beweglichen Kolbens in einer Endlage mit Hilfe der Drucksteuerung eines Schaltraumes realisiert ist. Dieser Zylinder ist jedoch nicht in der Lage, die gewünschten hohe Geschwindigkeiten, im Extremfall 200 km/h zu realisieren. Gleichfalls können keine großen Kräfte über einen längeren Weg aufgebracht werden. Es sind derzeit keine Hydraulikzylinder im Einsatz, bei welchen sich auf einfache Weise derart hohe Geschwindigkeiten bei großen Kräften realisieren lassen.
    In der Patentschrift DE2007018066 ist eine Vorrichtung zum Impuls-Innenhochdruck Umformen angegeben. Die Betätigung des Arbeitskolbens erfolgt bei dieser Bauart durch Zündung eines explosiven Gemischs. Derartige Vorgehensweisen haben sich jedoch stets als problembehaftet erwiesen, beispielsweise Verschleiß- und Sicherheitsprobleme.
    In der OS DE 10 2012 019 386 A1 ist eine Vorrichtung angegeben, bei welcher vorgespannte Federn auf Kniehebel drücken, die sich ein wenig über der Strecklage befinden. Durch eine mechanische Bewegung werden die Kniehebel aus der Strecklage gebracht und bewegen sich infolge der vorhandenen Federvorspannung schlagartig nach unten. Nachteilig ist hier, dass insbesondere durch die Inanspruchnahme einer großen Fläche seitens der in ihrer Kraft begrenzten Federn ein großer Platzbedarf entsteht. Die erforderliche Traverse zur Aufstellung der Federn bewirkt weiterhin aufgrund ihrer eigenen Massenträgheit eine deutliche Verringerung der eigentlich erwünschten hohen Geschwindigkeit für den Arbeitshub.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen extrem schnellen und dabei zuverlässigen und sehr kompakten Hochfrequenzantrieb mit höchsten Arbeitsgeschwindigkeiten, beispielsweise für das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) oder das Schmieden, zu schaffen. Dabei wird ein Hydraulikzylinder so ausgebildet, dass der Kolben mit extrem hohen Geschwindigkeiten ausfahren kann. Gleichzeitig soll der Rückhub des Kolbens in kürzester Zeit erfolgen, um so höchste Stückzahlausbringungen zu ermöglichen. In einer Beispielrechnung wird gezeigt, dass Hubzahlen von 1000/min möglich sind und vorwiegend durch die Schaltzeiten von Ventilen eine Begrenzung eintritt. Die üblichen Stückzahlausbringungen von hydraulischen Pressen werden weit übertroffen. In einer weiteren Ausführung mit einem speziellen Schaltantrieb wird die Begrenzung durch Schaltzeiten von Ventilen beseitigt für noch höhere Hubzahlen. Der extrem schnell ausfahrende Kolben kann ein Arbeitselement direkt betätigen oder auch als Antrieb für einen weiteren Antrieb, beispielsweise für einen als Druckübersetzer ausgebildeten Hydraulikzylinder dienen.
    Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 gelöst.
  • Fig. 1 beschreibt die Ausführung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzzylinders. Im Ausgangszustand sitzt der Bund 5 des Kolbens 1 auf dem Bodenelement 26 auf. Der Steuerring 33 bildet mit dem unteren Teil des Bunds 5 eine Dichtfläche 34 aus, die den im Zylinderraum 23 herrschenden Druck gegen den Steuerraum 38 abschirmt. Der Steuerraum 38 ist dabei über das Steuerventil 32 zu Tank entlastet. Der Steuerring 33 ist dabei an seiner Unterseite mit den im Zylinderraum 23 herrschenden Druck beaufschlagt. An seiner Oberseite ist er zum Teil druckentlastet über einen kleinen Absatz zum Steuerraum 38 hin sowie über den Druckabfall an der Dichtfläche 34 zwischen Zylinderraum 23 und Steuerraum 38. Die obere Ringfläche des Bunds 5 ist voll mit dem im Zylinderraum 23 herrschenden Druck beaufschlagt, während die axial gegenüberliegende, untere Bundfläche nur teilweise mit dem im Zylinderraum 23 herrschenden Druck beaufschlagt ist. Der Kolben ist verriegelt.
    In den Raum 21, dem Gasspeicherraum, der zwischen den Teilen 17 und 7 ausgebildet wird, wurde vor dem Druckaufbau im Zylinderraum 23 ein Gas, beispielsweise Stickstoff eingebracht. Beispielsweise mit dem Vorspanndruck von 100 Bar über den Gasspeicheranschluss 14. Der Speicherkolben 17 saß dabei auf dem Distanzrohr 24 auf. Infolge eines Druckaufbaus im Zylinderraum 23 durch Ölzufuhr über den Ölanschluss 29, beispielsweise auf 300 Bar, wurde der Speicherkolben 17 nach oben bewegt und das Volumen des Gasspeicherraums auf 1/3 reduziert. Wird nun der Steuerraum 38 über das Steuerventil 32 mit Druck beaufschlagt, ändern sich die Kräfteverhältnisse am Kolben 1 mit dem Bund 5 schlagartig. Die druckbeaufschlagte Fläche an der Unterseite des Kolbens 1 mit dem Bund 5 ist nun größer als die druckbeaufschlagte Fläche an der Oberseite des Bunds 5. Der Kolben 1 löst sich und bewegt sich praktisch ungehindert nach oben. Er wird mit einer Kraft beschleunigt, die sich aus dem Durchmesser D2 des oberen Kolbenabschnitts 2 sowie dem Druck im Zylinderraum 23 ergibt. Beispiel:
    Durchmesser Kolben 30mm Länge Kolben 350mm
    Durchschnittlicher Druck 220 Bar Weg 50mm
    → Geschwindigkeit    28 m/sec, 100km/h
    Weg    10mm
    → Geschwindigkeit    13 m/sec, 45km/h
    Auf einem Weg von 50mm erreicht der Kolben eine Geschwindigkeit von 28m/sec!
    Auf einem Weg von 10mm erreicht der Kolben eine Geschwindigkeit von 13m/sec!
    Bei einer Maximalgeschwindigkeit von 28m/sec beträgt die
    Durchschnittsgeschwindigkeit 14m/sec. Damit benötigt der Kolben für 50mm Kolbenweg die Zeit von knapp 4msec! Für die Dauerhubzahl sind damit praktisch nur die Rückhubzeit und die Zeit zum erneuten Druckaufbau entscheidend.
    Bei dem Schneiden von Blech mit hohen Geschwindigkeiten ist man bestrebt, eine Geschwindigkeit von mindestens 10m/sec zu erreichen. In diesem Geschwindigkeitsbereich lassen sich erhebliche Verbesserungen bei der Teilequalität erzielen. Diese Geschwindigkeit wird beim Hochfrequenzzylinder bereits bei einem Beschleunigungsweg von 10mm erreicht!
    Beim Schneiden von Blech resultiert der Aufwand für die zugehörige Maschine größtenteils darin, die erforderliche Maximalkraft zu erreichen. Pressen werden beim Kauf in erster Linie nach Tonnage abgerechnet. Mit dem erfindungsgemäßen Hochfrequenzzylinder wird jedoch die Arbeitsenergie beim Schneiden vorgegeben. So können mit einem relativ kleinen Kolbendurchmesser erstaunliche Maximalkräfte infolge der dynamischen Vorgänge erzielt werden.
  • Beispiel Gegeben sei 1.:
  • Rondendurchmesser Blechschneiden 100mm / Blechdicke:  7mm
    Bruch nach: 3mm / Linearer Kraftanstieg
    Zu überwindende Festigkeit: 300N/mm^2
    → Maximalkraft ca. 670kN → Energie ca. 1000Nm
    → Eine 67-Tonnen Presse ist mindestens erforderlich
    Gegeben sei 2.: D-Kolben 30mm Druck 320 Bar Kolbenweg 50mm
    → Energie reichlich 1000Nm!
    Die erzielte Energie eines Hochfrequenzzylinders mit einem 30mm-Kolben bei einem Kolbenweg von 50mm reicht aus, eine 670kN-Presse zu ersetzen!
  • Zum Schneiden einer Ronde von 1000mm mit einer entsprechenden 6700kN-Presse (W= 10.000Nm) ist es ausreichend folgenden Hochfrequenzzylinder einzusetzen:
    D-Kolben 80mm Druck 320 Bar Kolbenweg 70mm
    → Energie reichlich 11.000Nm!
    Die erzielte Energie eines Hochfrequenzzylinders mit einem 80 mm Kolben reicht aus, eine 6700kN-Presse zu ersetzen (Blechschneiden)!
    Derzeit finden hochfeste Bleche Eingang in die Produktionstechnik. Beim Schneiden hoch- und höchstfester Bleche stellt sich der Vorteil des Hochfrequenzzylinders noch deutlicher dar, da hier die Kräfte stark ansteigen während gleichzeitig der Bruch beim Durchschneiden früher eintritt.
  • Wegen der hohen Energie, die der Kolben während seiner Beschleunigung aufbaut, sollte der Kolben stets seine Energie extern in einem Arbeitsvorgang abbauen. Sollte es aufgrund einer Fehleinstellung dazu kommen, dass kein externer Energieabbau erfolgt, fährt der Bund 5 des Kolbens 1 in den Oldämpfungsraum 20 ein. Durch das Einfahren in die am Öldämpfungsraum 20 ausgebildete Schräge wird die Energie des Kolbens dort abgebaut. Das Nachfedern des Speicherkolbens 17 Richtung Gasspeicherraum 21 unterstützt den Energieabbau.
    Im Regelfall kommt der Bund 5 des Kolbens 1 jedoch vorher durch den externen Arbeitsvorgang zum Stillstand.
    Der Kolben 1 weist einen oberen Kolbenabschnitt 2 und einen unteren Kolbenabschnitt 3 auf. Diese bilden die Differenzfläche 4 aus, über die mittels Druckbeaufschlagung der Rückhub realisiert wird. Beim Ausfahren des Kolbens wird Öl durch die Differenzfläche 4 verdrängt und muss möglichst strömungsarm abfließen können, da es sonst mit dem Aufbau eines Strömungsdrucks das Ausfahren des Kolbens behindern würde.
  • Der Aufbau eines merklichen Strömungsdrucks wird dadurch verhindert, das das abgedrängte Öl im Rücksteuerraum 8 an Ort und Stelle verbleiben kann. Dies wird realisiert, indem der Speicherkolben 17 einen Führungsansatz 18 aufweist und bestimmte Durchmesserverhältnisse eingehalten werden. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Kolben 1 und Speicherkolben 17 ergibt sich aus deren Flächen. Es gilt: v Kolben / v Speicherkolben = A Speicherkolben D 4 ; D 1 / A Kolben D 1
    Figure imgb0001
  • Nimmt man ein wirksames Flächenverhältnis Speicherkolben/Kolben von 10 an, ergibt sich für den Kolben 1 die zehnfache Geschwindigkeit gegenüber dem Speicherkolben 17. Wenn nun weiterhin für Differenzfläche 4 und die wirksame Fläche des Führungsansatzes 18 gilt: A F u ¨ hrungsansatz D 3 ; D 1 / A Differenzfl a ¨ che D 2 ; D 1 = v Kolben / v Speicherkolben
    Figure imgb0002
    dann wird die Verkleinerung des Rücksteuerraums 8 infolge des von der Differenzfläche 4 beim Ausfahren des Kolbens verdrängten Öls exakt kompensiert durch die Vergrößerung des Rücksteuerraums 8 infolge der Bewegung des Führungsansatzes 18 des Speicherkolbens 17 nach unten. Der Rücksteuerraum 8 ist permanent mit Druck beaufschlagt. Ein kleiner Ölspeicher sorgt dafür, dass immer Druck im Rücksteuerraum 8 anliegt. Kleinere, vom optimalen Verhältnis abweichende Flächenabweichungen können so kompensiert werden.
  • Gleichzeitig steht schnell ausreichend Öl zur Verfügung, um den Rückhub in kürzester Zeit ausführen zu können. Vom Steuerventil 32 wird der Rückhub des Kolbens eingeleitet. Durch Umschalten des Steuerventils 32 wird nun der Zylinderraum 23 mit dem Tank verbunden. Die Unterseite des Kolbens 1 ist drucklos bis auf den sich einstellenden Restdruck infolge Strömung. An der Differenzfläche 4 liegt permanent der Druck des Speichers über den Ölspeicheranschluss 13 an. Der Kolben wird in seine Ausgangslage zurückbewegt bis er wieder auf die Dichtfläche 34 aufsetzt. Bei einem beispielhaften Durchmesser D1 von 30 und D2 von 28 liegt die Größenordnung der Differenzfläche 4 bei 1 cm^3. Für 50mm Rückhubweg werden so ca. 5cm^3 Öl von benötigt. Mit einem Liter Öl von der Pumpe können somit 200 Rückhübe realisiert werden, für 1000 Hübe/min benötigt man so einen Ölfluss von 5L/min.
    Der vom Anschluss 29 in den Zylinderraum 23 einströmende Druck sorgt in Verbindung mit den Federn 36 für die erneute Verkupplung zwischen dem Bund 5 des Kolbens 1 und dem Steuerring 33 zur erneuten Herstellung der Ausgangslage.
    Das in den Zylinderraum 23 einströmende Öl sorgt für die erneute Speicheraufladung durch die Verkleinerung des Gasspeicherraums 21 infolge Verschiebung des Speicherkolbens 17 nach oben. Bei einem oberen Kolbendurchmesser von 28 mm und einer aus dem Zylinder herausgeschobenen Kolbenlänge von 50mm ergibt sich ein erforderliches Ölvolumen von ca. 31cm^3. Zusammen mit dem Ölbedarf für den Rückhub von ca. 5cm^3 ergibt sich ein Ölbedarf von 36cm^3 pro Hub.
    Mit einem Liter Öl von der Pumpe können somit ca. 28 Hübe realisiert werden. Mit einem Pumpenvolumen von 36Umin können somit 1000 Hübe/min gefahren werden. Die Hubzahleinschränkung kommt dann hautsächlich infolge der Schaltzeiten von Hydraulikventilen zustande. Eine Lösung zur Eliminierung der Schaltzeiten von Hydraulikventilen ist in Fig. 2 angegeben.
  • Fig. 2 zeigt die schnelle und zuverlässige Ansteuerung mittels eines Rotationsventils. Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus der Schrift DE 10 2012 024 642 A1 bekannt. Es ist in der Lage, eine Ventilansteuerung bei höchsten Frequenzen bis 2000/min zu realisieren. Bei gezeigtem Rotationsventil sind ein Stator 40 und ein Rotor 39 vorhanden. Im Stator 40 sind Ölanschlüsse eingebracht für Pumpe und Tank. Der Rotor 39 besitzt die Aussparungen a bis d. Diese verbinden in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors 39 die Anschlüsse 29 und 30 des Hochfrequenzzylinders mit Pumpe und Tank entsprechend des vorliegenden Rotationswinkels. Fig. 2a und Fig. 2b stellen im Rotationsventil hintereinander angeordnete Schnitte dar. Der Rotor kann mit dem Antrieb einer nicht näher dargestellten Vorschubeinheit mechanisch gekoppelt sein über eine direkte Wellenverbindung oder ein Getriebe. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Bewegung des Kolbens 1 absolut synchron mit dem Vorschub abläuft bei höchsten Hubzahlen des Hochfrequenzzylinders.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Kolben
    2
    Oberer Kolbenabschnitt
    3
    Unterer Kolbenabschnitt
    4
    Differenzfläche
    5
    Bund
    6
    Zentrierbolzen
    7
    Steuerteil
    8
    Rücksteuerraum
    9
    Obere Kolbenführung
    10
    Speicherkolbenführung
    11
    Entlastungsnut
    12
    Kolbendichtung
    13
    Ölspeicheranschluss
    14
    Gasspeicheranschluss
    15
    Leckölanschluss
    16
    Schutzrohr
    17
    Speicherkolben
    18
    Führungsansatz
    19
    Gasdichtung
    20
    Öldämpfungsraum
    21
    Gasspeicherraum
    22
    Zylinderrohr
    23
    Zylinderraum
    24
    Distanzrohr
    25
    Zylinderdichtung
    26
    Bodenelement
    27
    Zentrierbohrung
    28
    Ringnut
    29
    Ölanschluss Zylinderraum
    30
    Ölanschluss Steuerraum
    31
    Bodendichtung
    32
    Steuerventil
    33
    Steuerring
    34
    Dichtfläche
    35
    Steuerdichtung
    36
    Feder
    37
    Haltering
    38
    Steuerraum
    39
    Rotor
    40
    Stator
    41
    Speicherringfläche

Claims (10)

  1. Hochfrequenzzylinder mit einem Kolben 1 und einem Zylinderrohr 22 dessen Innendurchmesser größer ist als der maximale Durchmesser des Kolbens 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben 1 intern hydraulisch mit einem Steuerring 33 ver- und entkuppelbar ist durch die Schaltung von Ventilen, der Verkupplungszustand hydraulisch gelöst wird zum Zwecke des extrem schnellen Ausfahrens des Kolbens 1 und der gleichzeitig intern einen aus den Kolben 1 umschließenden Speicherkolben 17 und aus dem Speicherraum 21 bestehenden Druckspeicher aufweist, dessen Energie beim schnellen Ausfahren des Kolbens 1 praktisch ohne Strömungsverluste von Hydraulikleitungen an den Kolben 1 abgegeben wird.
  2. Hochfrequenzzylinder mit einem Kolben 1 und einem Zylinderrohr 22 dessen Innendurchmesser größer ist als der maximale Durchmesser des Kolben 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherkolben 17 eine an seiner Oberseite mit Gasdruck beaufschlagte außen liegende Speicherringfläche 41 sowie einen innen liegenden ringförmigen Führungsansatz 18 aufweist, der an seiner Oberseite nicht mit Gasdruck sondern mit dem Druck des Rücksteuerraums 8 beaufschlagt ist und an seiner Unterseite mit dem Druck des Zylinderraum 23 beaufschlagt ist sowie an seinem Innendurchmesser eine Führungsfläche für den Kolben 1 ausbildet.
  3. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben 1 eine Differenzfläche 4 ausbildet welche permanent mit Öldruck beaufschlagt ist und dass sich die Fläche der Differenzfläche 4 zur oberen Fläche des Führungsansatzes 18 etwa so verhält, wie die Fläche des unteren Kolbenabschnitts 3 mit dem Durchmesser D1 zur Wirkfläche des Speicherkolbens aus D4 und D1.
  4. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ausfahrens des Kolbens das Volumen des Rücksteuerraums 8 annähernd konstant bleibt und dass der Rücksteuerraum 8 mit einem Speicher verbunden ist.
  5. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Steuerung mittels eines Rotationsventils erfolgt, in dessen Rotor 39 und Stator 40 Ölanschlüsse eingebracht für Pumpe und Tank und dass der Rotor mit einem Werkstückzuführantrieb mechanisch gekoppelt ist.
  6. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kupplung des Kolbens 1 durch stirnseitige Druckentlastung des Kolbens 1 mit Hilfe eines insbesondere metallischen Steuerrings 33 im eingefahrenen Zustand des Kolbens 1, realisiert wird.
  7. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kupplung mittels des Eintauchens des Kolbens 1 in eine Vertiefung im Bodenelement 26 bei anschließender Druckentlastung der unteren Stirnseite des Kolbens 1 realisiert wird.
  8. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben 1 zum Ende des Ausfahrens in den Öldämpfungsraum 24 am Speicherkolben 3 eintaucht.
  9. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbendichtung 12 nach innen eine Entlastungsnut vorgeschaltet ist, die während des Ausfahrens des Kolbens mit dem Tank verbunden ist.
  10. Hochfrequenzzylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben 1 zum Ende des Ausfahrens in einen gesonderten, vor dem Speicherkolben innerhalb einer Zwischenplatte befindlichen Dämpfungsraum eintaucht.
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