[0001] Die Erfindung betrifft einen Antriebszylinder für Stanzen, Prägemaschinen, Pressen
und dergleichen mit einem Antriebskolben, der zunächst einen längeren Eilhub mit hoher
Geschwindigkeit und geringer Kraft und sodann einen kürzeren Arbeitshub mit geringer
Geschwindigkeit und hoher Kraft ausführt, sowie einem Pumpenzylinder, dessen Pumpenkolben
ein Antriebsfluid in den Antriebszylinder drückt.
[0002] Derartige Antriebszylinder sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, beispielsweise
aus der DE 44 27 734 A1 sowie dem Fachbuch "Hydraulik Fluid-technik" von Thomas Krist,
7. Aufl., Vogel Buchverlag, Würzburg 1991, Seite 163.
[0003] Hydraulikzylinder gestatten zwar das Aufbringen hoher Kräfte. Probleme ergeben sich
jedoch, wenn zugleich ein relativ großer Hub von der Ruheposition zur Arbeitsposition
zurückgelegt werden muß, da eine relativ große Druckquelle mit Hydraulikbehälter,
Pumpe, Steuerelektronik etc. erforderlich ist, die es gestattet, zugleich einen hohen
Druck zu erzeugen und große Mengen Hydraulikfluid hin und her zu transportieren. Bei
den zuvor genannten bekannten Lösungen wird daher zunächst in einem Eilhub eine relativ
große Fluidmenge mit geringem Druck in den Antriebszylinder eingeleitet, und nur in
dem letzten Teil des Hubes des Antriebskolbens, in dem der höhere Druck erforderlich
ist, über ein gesondertes Druckzufuhrsystem ein entsprechend hoher Druck zur Verfügung
gestellt.
[0004] Bei den bekannten Ausführungsformen ist jedoch nach wie vor ein relativ großer Aufwand
für die Lösung des Problems erforderlich, ohne daß vollständig befriedigende Ergebnisse
erzielt werden. Insbesondere kann es zu Kavitationen im Hydrauliksystem kommen, wenn
der Antriebskolben, der auch als Arbeitskolben bezeichnet werden kann, zunächst im
Eilhub pneumatisch und sodann im Arbeitshub hydraulisch verschoben wird, selbst wenn
dabei erheblicher konstruktiver Aufwand betrieben wird.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antriebszylinder der obigen
Art zu schaffen, bei dem das Umschalten von Eilhub auf Arbeitshub mit technisch geringem
Aufwand realisiert werden kann, ohne daß Funktionsstörungen auftreten können.
[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Pumpenzylinder mit dem Antriebszylinder mechanisch
fest oder über Leitungen verbunden, so daß der Pumpenkolben zur Durchführung des Eilhubes
durch pneumatischen Druck angetrieben rasch mit großer Querschnittsfläche eine große
Hydraulikfluidmenge aus einer Hydraulikkammer des Pumpenzylinders in den Antriebszylinder
pumpt, und daß in der Luftkammer hinter dem Pumpenkolben ein verschiebbarer Zusatzkolben
zum Antreiben eines Plungerkolbens kleiner Querschnittsfläche angeordnet ist, der
in eine einen Teil der Leitungsverbindung zwischen der Hydraulikkammer des Pumpenzylinders
und dem Antriebszylinder bildende Zylinderbohrung einschiebbar ist.
[0007] Die Erfindung baut auf dem an sich bekannten Gedanken der Doppelpumpe auf, zeigt
hier jedoch eine besonders einfache und leicht realisierbare Lösung, mit der einige
wesentliche Probleme des Standes der Technik ausgeschaltet werden können. Als vorteilhaft
hat sich insbesondere erwiesen, daß der Antriebskolben oder Arbeitskolben ausschließlich
hydraulisch angetrieben wird aus einem Hydrauliksystem, das zwischen dem Antriebszylinder
und der Hydraulikkammer des Pumpenzylinders hin und her verschiebbar ist, ohne daß
hier während des Eilhubes Kavitationen auftreten können. Andererseits findet auch
auf der Antriebsseite des Pumpenkolbens keine Vermischung der Antriebsfluide Öl und
Luft statt. Vielmehr werden beide Kolben des Pumpenzylinders pneumatisch angetrieben.
[0008] Sofern im folgenden Zusammenhang die Antriebsmedien Luft und Öl erwähnt werden, stehen
diese Begriffe zugleich für die allgemeineren Begriffe Hydraulikfluid und Gas, also
einen pneumatischen Antrieb.
[0009] Erfindungsgemäß befinden sich die beiden Kolben des Pumpenzylinders in ein und derselben
Pneumatikkammer, in der sie nacheinander verschoben werden können, ohne daß sie gesonderte
Pneumatikkammem erfordern.
[0010] Andererseits erfolgt die Drucksteigerung im Arbeitshub dadurch, daß der Zusatzkolben
in der Pneumatikkammer mit im wesentlichen gleichem Pneumatikdruck die wesentlich
kleinere Querschnittsfläche des Plungerkolbens vorschiebt, durch die sich eine beträchtliche
Druckübersetzung ergibt.
[0011] Zur konstruktiven Einfachheit trägt bei, daß die Zylinderbohrung des Plungerkolbens
Teil einer Verbindungsleitung zwischen der Hydraulikkammer des Pumpenkolbens und dem
Antriebszylinder ist und das Hydraulikfluid während des Eilhubes aus der Hydraulikkammer
des Pumpenzylinders aufnimmt.
[0012] Vorzugsweise ist der Plungerkolben koaxial in dem Pumpenkolben angeordnet und in
diesem längsverschiebbar, und die Zylinderbohrung ist am hydraulikseitigen Zylinderboden
des Pumpenzylinders angeordnet. Die Zylinderbohrung ist vorzugsweise von ihrem Bodenbereich
aus über weitere Leitungen mit dem Antriebszylinder verbunden. Wenn sich der Plungerkolben
in der zurückgezogenen Stellung befindet, ist die Zylinderbohrung zur Hydraulikkammer
des Pumpenzylinders offen, so daß sie ein Teil der Verbindungsleitung zwischen der
Hydraulikkammer des Pumpenzylinders und dem Antriebszylinder bildet. Erst mit dem
Eintreten des Plungerkolbens in die Zylinderbohrung wird die Zylinderbohrung auf der
Einlaßseite geschlossen, so daß das in der Zylinderbohrung befindliche Hydraulikfluid
unter hohen Druck gesetzt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, den Plungerkolben
ständig in der Zylinderbohrung zu belassen und einen seitlichen Fluideinlaß in die
Zylinderbohrung herzustellen, der beim Vorrücken des Plungerkolbens verschlossen wird.
[0013] Vorzugsweise ist der Plungerkolben beim Eintritt in die Zylinderbohrung durch eine
in die Wand der Zylinderbohrung eingelassene Nutdichtung abgedichtet, die als Einwegdichtung
wirkt, also nur gegen Hydraulikfluid-Austritt aus der Zylinderbohrung in die Hydraulikkammer
abdichtet, bei einer entgegengesetzten Druckdifferenz dagegen nachgibt. Das hat den
Vorteil, daß es eine zusätzliche Sicherung gegen die Entstehung von Kavitationen in
der Zylinderbohrung oder dem Leitungssystem zum Antriebszylinder bildet.
[0014] Da sich in der Pneumatikkammer des Pumpenzylinders zwei nacheinander bewegte Kolben
befinden, ist es erforderlich, diese gesondert durch eigene Lufteinlässe ansteuern
zu können.
[0015] Während der zuletzt vorgeschobene Zusatzkolben vom Bereich des Zylinderdekkels her
mit Druck beaufschlagt werden kann, ist erfindungsgemäß in der Wand des Hydraulikzylinders
im Bereich der Hydraulikkammer, die hier dicker ist als im Bereich der Pneumatikkammer
ein achsparalleler Luftkanal vorgesehen. Andererseits befindet sich in dem Abschnitt
des Pumpenkolbens größeren Durchmessers, der in der Pneumatikkammer liegt, eine achsparallele
Kanalbohrung, in der ein Röhrchen befestigt ist, das längsverschiebbar in den Luftkanal
der Wand der Hydraulikkammer eintritt. Auf diese Weise wird ein Verbindungskanal hergestellt
über den Luftkanal in dem dickeren Wandbereich, das Röhrchen und die Kanalbohrung,
die schließlich in die Pneumatikkammer eintritt. Auf diese Weise ist es möglich, allein
den Pumpenkolben vorzuschieben, ohne daß der Zusatzkolben in Bewegung gerät.
[0016] Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt einen Längsschnitt durch den Antriebszylinder und den mit diesem verbundenen
Pumpenzylinder in der Ausgangsstellung;
- Fig. 2
- zeigt in einer entsprechenden Darstellung die Stellung der Kolben nach Durchführung
des Eilhubes;
- Fig. 3
- zeigt die Stellung nach Durchführung des Arbeitshubes.
[0017] In Fig. 1 ist der Antriebszylinder mit 10 und der Pumpenzylinder mit 12 bezeichnet.
Im Antriebszylinder 10 ist ein Antriebskolben 14 verschiebbar angeordnet, der mit
einer Kolbenstange 16 verbunden ist, die durch einen Zylinderdeckel 18 nach oben aus
dem Antriebszylinder 10 austritt. Die Kolbenstange 16 ist in nicht gezeigter Weise
mit einem Pressen- oder Prägewerkzeug verbunden, um dessen Antrieb es hier geht. Ein
derartiger Zylinder kann auch als Arbeitszylinder bezeichnet werden.
[0018] Der Pumpenzylinder 12 ist unmittelbar mit einem unteren Zylinderdeckel 20 des Antriebszylinders
10 verbunden. Im Zylinderdeckel 20 des Antriebszylinders 10 befindet sich eine koaxiale
Bohrung 22, die in einen Kanal 24 in der Wand 26 des Pumpenzylinders 12 überleitet.
Der Kanal 24 ist mit einem weiteren Kanal 28 im Boden 30 des Pumpenzylinders verbunden.
In eine zentrale Ausnehmung des Bodens 30 ist ein in das Innere des Pumpenzylinders
12 eintretender zylindrischer Einsatz 32 eingesetzt, der einen von außen an dem Boden
30 befestigten Flansch 34 und einen in das Innere des Pumpenzylinders 12 eintretenden
Zylinderabschnitt 36 umfaßt. Der Zylinderabschnitt 36 weist eine von seinem Ende her
eintretende Zylinderbohrung 38 auf. Diese Zylinderbohrung 38 ist bei der dargestellten
Ausführungsform zum Inneren des Pumpenzylinders 12 offen. Im Bodenbereich ist eine
radiale Bohrung 40 vorgesehen, die eine Verbindung herstellt zwischen der Zylinderbohrung
38 und dem Kanalsystem 28,24,22, das in das Innere des Antriebszylinders 10 einleitet.
[0019] Der Pumpenzylinder 12 weist auf der linken Seite in Fig. 1 die Wand 26 auf, in der
sich der Kanal 24 befindet. Diese Wand 26 ist relativ dick. Auf der rechten Seite
in der Zeichnung ist der Pumpenzylinder nur durch eine relativ dünne Wand 42 begrenzt.
Das hat zur Folge, daß die auf der linken Seite der Zeichnung gebildete Hydraulikkammer
44 einen kleineren Durchmesser aufweist als die Pneumatikkammer 46 auf der rechten
Seite. Dadurch ergibt sich eine Druckverstärkung des pneumatischen Drucks in der Pneumatikkammer
zum hydraulischen Druck in der Hydraulikkammer. Das Verhältnis der Durchmesser beträgt
z. B. etwa 3:2. Im Pumpenzylinder befindet sich ein Pumpenkolben 48, der entsprechend
den zuvor dargestellten Querschnittsflächen der Kammern einen Abschnitt 50 kleineren
Durchmessers innerhalb der Hydraulikkammer 44 und einen Abschnitt 52 größeren Durchmessers
innerhalb der Pneumatikkammer 46 aufweist.
[0020] In der Pneumatikkammer 46 befindet sich im übrigen hinter dem Pumpenkolben 48, also
rechts in der Zeichnung, ein Zusatzkolben 54, dessen Kolbenstange als Plungerkolben
56 ausgebildet ist. Der Plungerkolben 56 erstreckt sich koaxial und verschiebbar durch
den Pumpenkolben 48 hindurch, in dem er unter Einfügung von Dichtungen geführt ist.
[0021] Dieser Plungerkolben 56 tritt in der vorgeschobenen Stellung (Fig. 2) in die Zylinderbohrung
38 ein, ist jedoch in der zurückgezogenen Stellung (Fig. 1) aus dieser herausgezogen.
Der Durchmesser des Plungerkolbens beträgt z. B. etwa 1/6 des Durchmessers des Zusatzkolbens.
[0022] In der Nähe des zum Pumpenzylinder offenen Endes der Zylinderbohrung 38 ist in der
Wand der Zylinderbohrung eine umlaufende Dichtung in der Form einer Nutdichtung 39
angeordnet. Der Begriff der Nutdichtung soll hier für eine Dichtung stehen, die unter
anderem den Effekt hat, nur oder vor allem in einer Richtung zu wirken. Beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel dichtet die Nutdichtung 39 gegen einen Austritt von Hydraulikfluid
aus der Zylinderbohrung 38 in Richtung des Pumpenzylinders 12 ab, während sie eintretendes
Hydraulikfluid passieren läßt. Diese Wirkungsweise hat den Vorteil, daß es auch bei
einem raschen Rückzug des Plungerkolbens 56 aus der Zylinderbohrung 38 nicht zu Kavitationen
im Hydrauliksystem kommen kann.
[0023] In der Wand 26 des Pumpenzylinders 12, die die größere Wandstärke aufweist, befindet
sich im übrigen ein Luftkanal 58, der eine Eintrittsöffnung 60 im Boden des Pumpenzylinders
12 aufweist. Dieser Luftkanal 58 setzt sich in dem größeren Abschnitt 52 des Pumpenkolbens
48 fort in einer Kanalbohrung 62. In dieser Kanalbohrung 62, die in die Pneumatikkammer
46 des Pumpenzylinders austritt, ist ein Röhrchen 64 befestigt, das im Luftkanal 58
axial verschiebbar ist. Auf diese Weise gelangt Druckluft, die durch die Eintrittsöffnung
60 eingeleitet wird, unmittelbar in die Pneumatikkammer 46.
[0024] Auf der anderen Seite tritt eine Eintrittsöffnung 66 radial in einen Zylinderdekkel
68 ein, der den Pumpenzylinder 12 auf der dem Boden 30 gegenüberliegenden Seite, also
rechts in der Zeichnung, verschließt. Die Eintrittsöffnung 66 ist mit einem kurzen
Kanal 70 verbunden, der im Zwischenraum zwischen dem Zusatzkolben 54 und dem Zylinderdeckel
68 mündet.
[0025] Auf der Hydraulikseite des Pumpenkolbens 48 befindet sich eine zentrische Ausnehmung
72, die es ermöglicht, daß beim Vorschub des Pumpenkolbens 48 nach links in Fig. 1
der Einsatz 32 in den Pumpenkolben 48 eintauchen kann.
[0026] Anschließend soll die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung beschrieben
werden. Die Ausgangsstellung ist in Fig. 1 gezeigt. In Fig. 1 befindet sich der Antriebskolben
14 in der zurückgezogenen, unteren Stellung. Die zugehörige Kolbenstange 16 ist eingezogen.
Das gleiche gilt für den Pumpenkolben 48 und den Zusatzkolben 54, die sich in der
rechten Stellung in Fig. 1 befinden.
[0027] Wenn jetzt ein Pressenhub durchzuführen ist, soll der Antriebskolben 14 zunächst
einen relativ großen Weg rasch zurücklegen, ohne daß dabei die volle Kraft des Antriebs
benötigt wird. Es wird also Druckluft in die Eintrittsöffnung 60 des Pumpenzylinders
eingeleitet. Die Druckluft gelangt über den Luftkanal 58, das Röhrchen 64 und die
Bohrung 62 in den Zwischenraum zwischen dem Pumpenkolben 48 und dem Zusatzkolben 54
und verschiebt den Pumpenkolben 48 nach links in Fig. 1, während der Zusatzkolben
54 stehenbleibt.
[0028] Dies wird fortgesetzt, bis der Pumpenkolben 48 die in Fig. 2 gezeigte linke Endstellung
innerhalb des Pumpenzylinders 12 erreicht. Durch diese Verschiebung wird Hydraulikfluid
von der Hydraulikkammer 44 zunächst in die Zylinderbohrung 38 und von dort über das
Kanalsystem 40,28,24,22 in den Antriebszylinder 10 eingeleitet. Der Antriebskolben
14 wird angehoben bis in die in Fig. 2 gezeigte Stellung. Dies geschieht verhältnismäßig
rasch, da auch der kleinere Abschnitt 50 des Pumpenkolbens 48 einen relativ großen
Durchmessers aufweist und daher eine relativ große Fluidmenge pro Zeiteinheit verdrängt.
[0029] Wenn die erforderliche Vorschubkraft des Antriebskolbens 14 ansteigt, weil beispielsweise
das an der Kolbenstange 16 befestigte Werkzeug auf Widerstand trifft, reicht der von
dem Pumpenkolben 48 erzeugte Druck nicht mehr aus. Der Antriebskolben 14 bleibt stehen,
ohne seine Endstellung erreicht zu haben, wie es Fig. 2 zeigt. Jetzt wird Druckluft
in die Eintrittsöffnung 66 im Zylinderdeckel 68 des Pneumatikzylinders eingeleitet.
Diese Druckluft gelangt in den Zwischenraum zwischen dem Zylinderdeckel 68 und dem
Zusatzkolben 54, so daß dieser innerhalb der Pneumatikkammer 46 nach links verschoben
wird, wie Fig. 3 zeigt. Diese Verschiebung führt dazu, daß der Plungerkolben 56 in
die Zylinderbohrung 38 eintritt und das in dieser Zylinderbohrung befindliche Hydraulikfluid
zusammendrückt.
[0030] Da die Querschnittsfläche des Zusatzkolbens 54 erheblich größer ist als diejenige
des Plungerkolbens 56, findet, ausgehend von dem Luftdruck in der Eintrittsöffnung
66, eine erhebliche Druckverstärkung statt, so daß das Hydraulikfluid nunmehr mit
hohem Druck durch das Kanalsystem 40,28,24,22 in den Antriebszylinder 10 gelangt.
Dieser hohe Druck reicht zur Verschiebung des Antriebskolbens 14 in die in Fig. 3
gezeigte Endstellung und damit zur Durchführung des eigentlichen Preß- oder Prägeschrittes
aus. Anschließend werden die Kolben in ihre Ausgangsstellungen zurückbefördert.
[0031] Im oberen Zylinderdeckel 18 des Antriebszylinders 10 befindet sich ein Lufteinlaß
74, der über einen Kanal 76 mit dem Raum innerhalb des Antriebszylinders 10 verbunden
ist, der sich oberhalb des Antriebskolbens 14 befindet.
1. Antriebszylinder für Stanzen, Prägemaschinen, Pressen und dergleichen mit einem Antriebskolben
(14), der zunächst einen längeren Eilhub mit hoher Geschwindigkeit und geringer Kraft
und sodann einen kürzeren Arbeitshub mit geringer Geschwindigkeit und hoher Kraft
ausführt, sowie einem Pumpenzylinder (12), dessen Pumpenkolben (48) ein Antriebsfluid
in den Antriebszylinder (10) drückt, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenzylinder (12) mit dem Antriebszylinder (10) mechanisch fest oder über Leitungen
verbunden ist, daß der Pumpenkolben (48) zur Durchführung des Eilhubes durch pneumatischen
Druck angetrieben rasch mit großer Querschnittsfläche eine große Hydraulikfluidmenge
aus einer Hydraulikkammer des Pumpenzylinders (12) in den Antriebszylinder (10) pumpt,
und daß in der Luftkammer (46) hinter dem Pumpenkolben (48) ein verschiebbarer Zusatzkolben
(54) zum Antreiben eines Plungerkolbens (56) kleiner Querschnittsfläche angeordnet
ist, der in eine einen Teil der Leitungsverbindung (38,40,28,24,22) zwischen der Hydraulikkammer
(44) des Pumpenzylinders (12) und dem Antriebszylinder (10) bildende Zylinderbohrung
(38) einschiebbar ist.
2. Antriebszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plungerkolben (56) koaxial in dem Pumpenkolben (48) angeordnet und in diesem
längsverschiebbar ist und daß die Zylinderbohrung (38) am hydraulikseitigen Zylinderboden
(30) des Pumpenzylinders (12) angeordnet ist.
3. Antriebszylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Plungerkolbens (56) so gewählt ist, daß dieser in der zurückgezogenen
Stellung vollständig aus der Zylinderbohrung (38) austritt und die Zylinderbohrung
(38) mit dem Inneren der Hydraulikkammer in Verbindung bringt.
4. Antriebszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben (48) innerhalb der Hydraulikkammer (44) einen Abschnitt (50) mit
kleinerem Durchmesser und in der Pneumatikkammer (46) einen Abschnitt (52) größeren
Durchmessers aufweist.
5. Antriebszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbohrung (38) gebildet wird durch einen Einsatz (34), der in eine zentrale
Ausnehmung des Bodens (30) des Pumpenzylinders eingesetzt ist und einen in das Innere
der Hydraulikkammer (44) gerichteten zylindrischen Abschnitt (36) aufweist.
6. Antriebszylinder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plungerkolben (56) in der Zylinderbohrung (38) durch eine in die Wand der Zylinderbohrung
(38) eingelassene Nutdichtung (39) abgedichtet ist, die nur gegen Hydraulikfluid-Austritt
aus der Zylinderbohrung in die Hydraulikkammer (44) des Pumpenzylinders abdichtet,
nicht dagegen in Gegenrichtung.
7. Antriebszylinder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (26) im Bereich der Hydraulikkammer (44) des Pumpenzylinders dicker ist
als im Bereich der Pneumatikkammer (46).
8. Antriebszylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (26) der Hydraulikkammer (44) ein von dem hydraulikseitigen Boden (30)
des Pumpenzylinders (12) eintretender, achsparalleler Luftkanal (58) vorgesehen ist,
in den ein im Kolben-Abschnitt (52) größeren Durchmessers befestiges Röhrchen (64)
längsverschiebbar eintritt, das über eine Kanalbohrung (62) mit der Pneumatikkammer
(46) verbunden ist.
9. Antriebszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der Hydraulikseite des Antriebskolbens (14) gegenüberliegenden Ende des Antriebszylinders
(10) ein Zylinderdeckel (18) vorgesehen ist, durch den ein Lufteinlaß (74,76) in das
Innere des Antriebszylinders (10) eintritt, und daß mit dem Einlaß (74) ein Entlüftungssystem
sowie eine Druckluftquelle verbunden ist.