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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Innenhochdruckumformwerkzeuge,
und genauer eine Hochdruckpumpe zur Verwendung in einem Innenhochdruckumformprozess.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Innenhochdruckumformwerkzeuge
werden dazu verwendet, ein Querschnittsprofil in rohrförmigen Teilen
zu bilden. Gewöhnlich
wird ein rohrförmiges
Teil in einem Werkzeughohlraum platziert. Der Werkzeughohlraum wird
dann mit einem Innenhochdruckumformfluid auf Wasserbasis (HWBF von
Hydroforming Water-Based Fluid) befüllt und unter Druck gesetzt,
um das rohrförmige
Teil nach außen hin
gegen das Werkzeug zu dem gewünschten
Querschnittsprofil auszudehnen.
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Hochdruckpumpen
werden typischerweise verwendet, wenn in einem Innenhochdruckumformprozess
HWBF-Drücke
erforderlich sind. Die Fluidströmungsrate
von der Hochdruckpumpe ist durch die Kapazität der Pumpe, die das Fluid
liefert, begrenzt. Typische einstufige Hydraulikpumpen können keine
variable Verdrängung
bei Drücken
liefern, die gewöhnlich
für Innenhochdruckumformprozesse
erforderlich sind. Einstufige Pumpen sind darauf beschränkt, Fluid
in lediglich einer Hubrichtung der Pumpe hinzuzufügen. Deshalb
ist die Fluidströmung von
der Hochdruckpumpe nicht konstant.
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Die
erforderliche Menge von Fluid bei dem erforderlichen Druck bereitzustellen,
kann eine beträchtliche
Zeitdauer erfordern, was den Herstellungsprozess verlangsamt. Um
größere Mengen
des Hochdruckfluids bereitzustellen, können größere Pumpen verwendet werden.
Wenn jedoch die Größe der Pumpe,
die Hochdruckfluid liefert, erhöht
wird, erhöht
dies auch die Kosten der Pumpe.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird eine Pumpe vorgesehen, die kontinuierlich Fluid für einen
Innenhochdruckumformprozess mit einem hohen Fluiddruck liefern kann.
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Eine
Hochdruckpumpe der vorliegenden Erfindung weist ein Pumpengehäuse auf.
Eine Kolben-Stangen-Baugruppe ist in einem Kolbenzylinder angeordnet,
der durch das Pumpengehäuse
definiert ist. Ein erster Kolben ist an einem ersten Ende der Kolben-Stangen-Baugruppe
angeordnet, und ein zweiter Kolben ist an einem zweiten Ende der
Kolben-Stangen-Baugruppe angeordnet. Ein erster Pumpenhohlraum und
ein zweiter Pumpenhohlraum sind an dem ersten Ende angeordnet und
durch den ersten Kolben abgeteilt. Ein dritter Pumpenhohlraum und
ein vierter Pumpenhohlraum sind an dem zweiten Ende angeordnet und
durch den zweiten Kolben abgeteilt. Ein Mittelkolben ist an der
Kolben-Stangen-Baugruppe zwischen dem ersten Ende und dem zweiten
Ende montiert. Der Mittelkolben unterteilt den Kolbenzylinder in
einen ersten Kolbenhohlraum und einen zweiten Kolbenhohlraum.
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Eine
erste Fluideinlassstrecke ist strömungstechnisch mit dem ersten
Kolbenhohlraum verbunden, und eine zweite Fluideinlassstrecke ist
strömungstechnisch
mit dem zweiten Kolbenhohlraum verbunden, um Fluid an die Kolbenhohlräume zu liefern.
Eine Bewegung des Mittelkolbens in dem Kolbenzylinder pumpt das
Fluid von dem ersten Kolbenhohlraum aus einer ersten Fluidauslassstrecke
heraus oder Fluid von dem zweiten Kolbenhohlraum aus einer zweiten
Fluidauslassstrecke heraus. Fluid verlässt die Hochdruckpumpe durch
die Fluidauslässe.
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Alternativ
führt das
Befüllen
und Entleeren der Pumpenhohlräume
dazu, dass die Kolben-Stangen-Baugruppe zwischen einem ersten und
einem zweiten Wegende hin- und hergeht. Infolge der Bewegung schiebt
der Mittelkolben das HWBF in den Kolbenhohlräumen durch die Fluidauslässe heraus. Rückschlagventile,
die in den Fluideinlassstrecken und den Fluidauslassstrecken angeordnet
sind, verhindern, dass Fluid infolge von Fluiddruck zurückströmt.
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Die
hin- und hergehende Wirkung der Kolben-Stangen-Baugruppe sorgt für eine kontinuierliche
Strömung
von HWBF aus dem Pumpengehäuse. Somit
wird Fluid mit einer relativ konstanten Strömung und einem relativ konstanten
Druck für
die erforderliche Zeitdauer geliefert. Zusätzlich dazu, eine kontinuierliche
Strömung
von HWBF über
eine längere
Zeitdauer zur Verfügung
zu stellen, befindet sich der HWBF-Druck, der die Hochdruckpumpe
verlässt, auch
auf einem höheren
Druck als ihn traditionelle Hochdruckpumpen liefern können, und
sorgt für
eine variable Verdrängung
bei dem gewünschten
Druck.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und besten Ausführungsarten
der Erfindung deutlich werden, wenn diese in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen genommen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht, die eine Presse veranschaulicht, die
ein Innenhochdruckumformwerkzeug umfasst;
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer Hochdruckhydraulikpumpe in einer
ersten Stellung zur Verwendung mit dem Innenhochdruckumformwerkzeug
von 1; und
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Hochdruckhydraulikpumpe von 2 in
einer zweiten Stellung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen überall in
den verschiedenen Ansichten auf die gleichen oder ähnlichen Bauteile
beziehen, ist 1 eine schematische Ansicht
einer beispielhaften Presse 10.
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Die
Presse 10 umfasst ein Pressenoberteil 12 und ein
Pressenbett 14. Ein Innenhochdruckumformwerkzeug, das in
der Presse 10 angeordnet ist, umfasst ein oberes Werkzeuggehäuse 17,
das an das Pressenoberteil 12 montiert ist, und ein unteres Werkzeuggehäuse 19,
das an dem Pressenbett 14 montiert ist. Zumindest ein oberer
Werkzeughohlraumabschnitt 16 ist durch das obere Werkzeuggehäuse 17 definiert,
und zumindest ein unterer Werkzeughohlraumabschnitt 18 ist
durch das untere Werkzeuggehäuse 19 definiert.
Wenn die Presse 10 geschlossen ist, bilden der obere Werkzeughohlraumabschnitt 16 und
der untere Werkzeughohlraumabschnitt 18 zusammen einen
Werkzeughohlraum 20, der einen Querschnitt aufweist, der
dem Querschnitt des durch die Presse 10 zu bildenden Bauteils 10 entspricht.
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Ein
HWBF-Fluidversorgungstank 22 ist funktional mit dem Werkzeughohlraum 20 verbunden,
um Fluid zum Befüllen
des Werkzeughohlraums 20 und zum Bilden des Bauteils bereitzustellen.
Eine Niederdruckpumpe 24 pumpt Fluid in den Werkzeughohlraum 20 aus
dem Versorgungstank 22. Die Niederdruckpumpe 24 liefert
Fluid an den Werkzeughohlraum 20 mit einer hohen Fluidrate,
um den Werkzeughohlraum 20 schnell zu füllen. Zusätzlich liefert eine Hochdruckpumpe 26 Fluid
an den Werkzeughohlraum 20 mit einem höheren Druck als die Niederdruckpumpe 24.
Alternativ kann die Niederdruckpumpe 24 beseitigt sein
und die Hochdruckpumpe 26 kann dazu verwendet werden, das
Fluid zum Befüllen des
Werkzeughohlraums 20 zu liefern sowie das Hochdruckfluid
bereitzustellen.
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2 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht der Hochdruckpumpe 26 in einer
ersten Stellung. Die Hochdruckpumpe 26 weist ein Pumpengehäuse 28 auf.
Das Pumpengehäuse 28 kann
als ein einzelnes Stück
oder als mehrere Bauteile gebildet sein, die aneinander befestigt
und fluidtechnisch abgedichtet sind, wie es gezeigt ist.
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Die
Kolben-Stangen-Baugruppe 30 ist zumindest teilweise in
einem Kolbenhohlraum 32 angeordnet, der durch das Pumpengehäuse 28 definiert ist.
Der Kolbenhohlraum 32 kann ein Hohlraum mit mehreren Segmenten
sein und besitzt nicht notwendigerweise eine zylindrische Gesamtform.
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Ein
Mittelkolben 50 ist mit einem ersten Kolben 34 durch
eine erste Kolbenstange 31 verbunden. Der Mittelkolben 50 ist
auch mit einem zweiten Kolben 38 durch eine zweite Kolbenstange 33 verbunden.
Der erste und zweite Kolben 34 und 38 weisen einen
identischen Durchmesser auf. Die erste und zweite Kolbenstange 30 und 31 weisen
eine identische Größe und Länge auf.
Der Mittelkolben 50 wird typischerweise einen kleineren
Durchmesser als der erste und zweite Kolben 34 und 38 aufweisen.
Der erste Kolben 34 ist in einem ersten Hohlraum 43 angeordnet,
der durch das Pumpengehäuse 28 definiert
ist. Der zweite Kolben 38 ist in einem zweiten Hohlraum 47 angeordnet,
der ebenfalls durch das Pumpengehäuse 28 definiert ist.
Fluid in dem ersten Hohlraum 43 ist von dem Kolbenhohlraum 32 durch zumindest
eine erste Dichtung 76 isoliert. Zusätzlich ist Fluid in dem zweiten
Hohlraum 47 von dem Kolbenhohlraum 32 durch zumindest
eine zweite Dichtung 78 isoliert. Der erste Kolben 34,
der zweite Kolben 38, der Mittelkolben 50, die
erste Kolbenstange 31 und die zweite Kolbenstange 33 bilden
die Kolben-Stangen-Baugruppe 30, die sich mit einer seitlichen
Hin- und Herbewegung bewegt.
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Der
erste Hohlraum 43 ist fluidtechnisch in einen ersten Pumpenhohlraum 42 und
einen zweiten Pumpenhohlraum 44 durch den ersten Kolben 34 getrennt.
Der zweite Hohlraum 47 ist fluidtechnisch in einen ersten
Pumpenhohlraum 46 und einen vierten Pumpenhohlraum 48 durch
den zweiten Kolben 38 getrennt. Zusätzlich ist der Kolbenhohlraum 32 durch den
Mittelkolben 50 fluidtechnisch in einen ersten Kolbenhohlraum 52 und
einen zweiten Kolbenhohlraum 54 getrennt.
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Ein
Fluideinlass 56 lässt
zu, dass Innenhochdruckumformfluid in das Pumpengehäuse 28 eintritt. Das
Fluid ist vorzugsweise Innenhochdruckumformfluid auf Wasserbasis
(HWBF von Hydroforming Water Based Fluid), wie es gezeigt ist. Eine
erste Fluideinlassstrecke 58 ist strömungstechnisch mit dem ersten
Kolbenhohlraum 52 von dem Fluideinlass 56 verbunden.
Gleichermaßen
ist eine zweite Fluideinlassstrecke 60 strömungstechnisch
mit dem zweiten Kolbenhohlraum 54 von dem Fluidein lass 56 verbunden.
Eine Bewegung des Mittelkolbens 50 in dem Kolbenzylinder 32 pumpt
das Fluid von dem ersten Kolbenhohlraum 52 aus einem ersten
Fluidauslass 62 heraus oder Fluid von dem zweiten Kolbenhohlraum 54 aus
einem zweiten Fluidauslass 64 heraus. Die erste Fluidauslassstrecke 62 und
die zweite Fluidauslassstrecke 64 kombinieren sich zu einem
Fluidauslass 66. Fluid verlässt die Hochdruckpumpe 26 durch
den Fluidauslass 66 und tritt in den Werkzeughohlraum 20 (in 1 gezeigt)
ein, um das darin angeordnete Bauteil (nicht gezeigt) zu bilden.
Ein erstes Einlassrückschlagventil 68 und
ein zweites Einlassrückschlagventil 70 sind
in der ersten Fluideinlassstrecke 58 bzw. der zweiten Fluideinlassstrecke 60 angeordnet,
um zu verhindern, dass Fluid infolge von Fluiddruck in den ersten
Kolbenhohlraum 52 und den zweiten Kolbenhohlraum 54 durch
den Fluideinlass 56 zurückströmt. Gleichermaßen verhindern
ein erstes Auslassrückschlagventil 72 und
ein zweites Auslassrückschlagventil 74,
dass Fluid in dem Fluidauslass 66 und dem Werkzeughohlraum 20 zurück in den
ersten Kolbenhohlraum 52 und den zweiten Kolbenhohlraum 54 strömt.
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Der
erste Pumpenhohlraum 42 ist fluidtechnisch von dem zweiten
Pumpenhohlraum 44 durch den ersten Kolben 34 abgedichtet.
Der zweite Pumpenhohlraum 44 ist fluidtechnisch von dem
ersten Kolbenhohlraum 52 mit zumindest einer ersten Dichtung 76 abgedichtet.
Gleichermaßen
ist der vierte Pumpenhohlraum fluidtechnisch von dem dritten Pumpenhohlraum 46 durch
den zweiten Kolben 38 abgedichtet. Der dritte Pumpenhohlraum 46 ist
auch fluidtechnisch von dem zweiten Pumpenhohlraum 54 mit
zumindest einer zweiten Dichtung 78 abgedichtet. In der
gezeigten Ausführungsform
gibt es zwei erste Dichtungen 76 und zwei zweite Dichtungen 78. Der
zweite Pumpenhohlraum 44 und der vierte Pumpenhohlraum 48 sind
mit einem Fluid, vorzugsweise Öl,
gefüllt.
Ein erster Ölkanal 80 lässt zu,
dass Öl
in den ersten Pumpenhohlraum 42 eintritt und diesen verlässt. Ein
zweiter Ölkanal 82 lässt zu,
dass Öl
in den zweiten Pumpenhohlraum 44 eintritt und diesen verlässt. Ein
dritter Ölkanal 84 lässt zu,
dass Öl
in den dritten Pumpenhohlraum 46 eintritt und diesen verlässt. Ein
vierter Ölkanal 86 lässt zu,
dass Öl
in den vierten Pumpenhohlraum 48 eintritt und diesen verlässt. Öl, das durch
den ersten Ölkanal 80,
den zweiten Ölkanal 82,
den dritten Ölkanal 84 und
den vierten Ölkanal 86 eintritt,
kann durch eine gemeinsame Quelle (nicht gezeigt) geliefert werden.
Gleichermaßen
kann Öl,
das durch den ersten, zweiten, dritten und vierten Ölkanal 80, 82, 84 und 86 austritt,
zu der gleichen gemeinsamen Quelle zurückkehren.
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Der
Mittelkolben 50 befindet sich in 2 in einer
ersten Stellung. Der zweite Pumpenhohlraum 44 ist durch
den zweiten Ölkanal 82 mit Öl befüllt worden. Öl in dem
ersten Pumpenhohlraum 42, auf der entgegengesetzten Seite
des ersten Kolbens 34, ist durch den ersten Ölkanal 80 ausgetreten.
Gleichermaßen
ist der vierte Pumpenhohlraum 48 durch den vierten Ölkanal 86 mit Öl befüllt worden. Öl in dem dritten
Pumpenhohlraum 46, auf der entgegengesetzten Seite des
zweiten Kolbens 38, ist durch den dritten Ölkanal 84 ausgetreten.
Das Füllen
des zweiten Pumpenhohlraums 44 durch den zweiten Ölkanal 82 und
des vierten Pumpenhohlraums 48 durch den vierten Ölkanal 86 hat
bewirkt, dass sich der Mittelkolben 50 in Richtung eines
Endes des Zylinders 32 (nach links, wie es in 2 gezeigt
ist) zu der vollen Ausdehnung des gewünschten Weges bewegt (d. h. die
erste Stellung von 2 zeigt den Mittelkolben 50 an
einem ersten Wegende). Infolge der Bewegung hat der Mittelkolben 50 das
HWBF in dem ersten Kolbenhohlraum 52 durch die erste Fluidauslassstrecke 62 herausgedrückt. Das
erste Einlassrückschlagventil 68 verhindert,
dass das HWBF während
dieser Zeit durch die erste Fluideinlassstrecke 58 austritt.
Auf der entgegengesetzten Seite des Mittelkolbens 50 füllt das
HWBF den zweiten Kolbenhohlraum 54 durch die zweite Fluid einlassstrecke 60.
Das zweite Auslassrückschlagventil 74 verhindert,
dass HWBF während
dieser Zeit den zweiten Kolbenhohlraum 54 durch die zweite
Fluidauslassstrecke 64 verlässt. Das zweite Auslassrückschlagventil 74 ist
infolge des HWBF-Drucks in dem Fluidauslass 66 geschlossen, der
daraus resultiert, dass das HWBF durch die erste Fluidauslassstrecke 62 austritt.
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3 veranschaulicht
den Mittelkolben 50 in einer zweiten Stellung. Öl hat den
zweiten Pumpenhohlraum 44 durch den zweiten Ölkanal 82 verlassen und
hat den vierten Pumpenhohlraum 48 durch den vierten Ölkanal 86 verlassen.
Mit anderen Worten hat die Ölströmung in
dem zweiten Ölkanal 82 und
dem vierten Ölkanal 86 die
Richtung geändert.
Gleichzeitig hat die Ölströmung in
dem ersten Ölkanal 80 und dem
dritten Ölkanal 84 die
Richtung geändert,
um den ersten Pumpenhohlraum 42 und den dritten Pumpenhohlraum 46 zu
füllen.
Eine Bewegung des Mittelkolbens 50 in Richtung eines entgegengesetzten
Endes des Kolbenzylinders 32 (nach rechts, wie es in 3 gezeigt
ist) zu einem zweiten Ende des gewünschten Weges (d. h. die zweite
Stellung von 3 zeigt den Mittelkolben 50 an
einem zweiten Wegende) hat bewirkt, dass HWBF die zweite Kolbenkammer 54 durch
die zweite Fluidauslassstrecke 64 verlässt. Infolge der Änderung
des HWBF-Drucks hat das erste Auslassrückschlagventil 72 geschlossen
und das zweite Auslassrückschlagventil 74 geöffnet. Zusätzlich hat
das erste Einlassrückschlagventil 68 geöffnet, um
die erste Kolbenkammer 52 mit HWBF zu befüllen. Das
zweite Einlassrückschlagventil 70 hat
geschlossen, um zu verhindern, dass HWBF in der zweiten Kolbenkammer 54 durch
den zweiten Fluideinlass 60 austritt.
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Die
Hin- und Herbewegung des Mittelkolbens 50 zwischen dem
ersten Wegende und dem zweiten Wegende des Kolbenzylinders 32 liefert HWBF
an den Werkzeughohlraum 20 mit einer relativ konstanten
Strömung
und einem relativ konstanten Druck. Das erste Wegende und das zweite
Wegende können
kürzer
als der verfügbare
volle Weg des Mittelkolbens 50 sein. Ein Stoppen der Hin-
und Herbewegung des Mittelkolbens 50 vor dem vollen Weg wird
verhindern, dass der erste Kolben 34 und der zweite Kolben 38 mit
dem Pumpengehäuse 28 in Kontakt
gelangen. Sensoren 88 sind in dem Pumpengehäuse 28 angeordnet.
Die Sensoren 88 können
Information über
die Lage des Mittelkolbens 50 während des Betriebs der Hochdruckpumpe 26 liefern.
In der gezeigten Ausführungsform
sind die Sensoren 88 Näherungsschalter.
Die Sensoren 88 können
auch lineare Wandler oder dergleichen sein. Ein Fachmann würde den
geeigneten Sensor 88 zur Verwendung mit der Hochdruckpumpe 26 kennen.
Zusätzlich
zum Verhindern eines Kontakts mit dem Pumpengehäuse 28 kann ein Ändern der
Richtung des Mittelkolbens 50 vor dem Wegende helfen, Druckschwankungen des
Fluids, das die Hochdruckpumpe 26 durch den Fluidauslass 66 verlässt, zu
verringern.
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Der Öldruck in
der Füllkammer,
dem ersten Pumpenhohlraum 42 und dem dritten Pumpenhohlraum 46 in 3 würde typischerweise
ungefähr 3000
psi betragen. Dagegen läge
das HWBF, das die Hochdruckpumpe 26 durch den Auslasskanal 66 in den
Werkzeughohlraum 20 hinein verlässt, typischerweise auf ungefähr 11000
psi. Die Öl-
und HWBF-Drücke
können
wie durch den Prozess erforderlich, verändert werden. Der Druck des
Fluids in dem Auslasskanal 66 ist eine Funktion des Größenverhältnisses
zwischen der effektiven Oberfläche
des ersten und zweiten Zylinderkopfs 34 und 38 und
der effektiven Oberfläche
des Mittelkolbens 50. 2 zeigt
den Mittelkolben 50, der bereit ist, sich nach rechts zu
bewegen. Die Kraft auf den Mittelkolben 50 wird die Summe
aus jeder Kraft von dem ersten Kolben 34 und dem zweiten
Kolben 38 sein. Wenn sich der erste und zweite Kolben 34 und 38 nach
rechts verschieben, wird die Kraft von dem ersten Kolben 34 das
Produkt aus Öldruck
in dem ersten Ölkanal 80 mal der
Querschnittsfläche
des ersten Kolbens 34 sein. Die Kraft von dem zweiten Kolben 38 wird
das Produkt aus Öldruck
in dem dritten Ölkanal 84 mal der
Querschnittsfläche
des zweiten Kolbens 38 minus der Querschnittsfläche der
zweiten Kolbenstange 33 sein. Ein Verändern des Verhältnisses
von Kolben- und Stangengrößen wird
jeweils die Öl-
bzw. HWBF-Drücke
verändern.
Ein Verändern
der Kolbenhublänge
oder der Pumpzeit wird die Verdrängung von
Fluid in den Werkzeughohlraum 20 hinein verändern. Es
können
mehrere Hochdruckpumpen 26 in Reihe angeordnet sein, um
einen Auslassfluiddruck weiter zu erhöhen. Ein Fachmann würde den
gewünschten
Druck, die gewünschte
Verdrängung
und die erforderlichen Einstellungen dafür kennen.
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Die
Hochdruckpumpe 26 der obigen Ausführungsform ist zur Verwendung
in einem Innenhochdruckumformprozess beschrieben worden. Die Hochdruckpumpe 26 kann
auch bei anderen Herstellungsprozessen verwendet werden, die Fluid
mit einem hohen Druck erfordern.
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Obgleich
die beste Ausführungsart
der Erfindung ausführlich
beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese
Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen
zur praktischen Ausführung
der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.