DE3204264C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Herstellen eines mehrteiligen Kolbens für eine hydraulische Verdrängungsmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Verfahren
ist aus dem SU-Urheberschein 4 12 813 bekannt.
Am erfolgreichsten kann die Erfindung in Maschinenbaubetrieben
zum Herstellen von mehrteiligen Kolben für
hydraulische Verdrängungsmaschinen, z. B. Axialkolbenpaaren
oder -motoren, eingesetzt werden.
Unter dem Begriff "mehrteiliger Kolben" versteht man
einen Kolben oder einen Plunger mit einem becherförmigen
Grundkörper, in welchem ein einseitig offener Hohlraum vorhanden
ist, welcher ein Füllstück aus spezifisch leichterem
Werkstoff als der Kolben, beispielsweise aus Aluminium, aufnimmt.
Das Füllstück wird in dem Hohlraum des Kolbens unverschiebbar
befestigt.
Aus der Praxis der Hydromechanik ist es bekannt, daß
mehrteilige Kolben in hydraulischen Maschinen zur Erhöhung
ihres volumetrischen Wirkungsgrades verwendet werden. Das
Problem dabei besteht in der Gewährleistung einer unverschiebbaren
Befestigung des Füllstückes in dem Hohlraum des
Kolbenkörpers, was dadurch bedingt ist, daß der Kolben
während des Betriebes, wenn dieser eine große Anzahl von
Hin- und Herbewegungen pro Zeiteinheit bei einem Druck der
Hydraulikflüssigkeit bis zu 32 MPa ausführt, hohen dynamischen
Belastungen ausgesetzt wird. Unter der Wirkung von
Trägheitskräften zerstört das im Kolbenhohlraum angeordnete
Füllstück dessen Befestigungsmittel am Kolbenkörper.
Die Versuche, eine sichere Befestigung zu schaffen,
führten in der Regel zu einer Komplizierung der baulichen
Gestaltung des mehrteiligen Kolbens sowie zu einer Komplizierung
der Herstellungstechnologie von derartigen mehrteiligen
Kolben.
Es ist ein Verfahren zum Herstellen eines mehrteiligen Kolbens für hydraulische Verdrängungsmaschinen
bekannt (s. DD-PS 73 153), bei dem der Kolben
in Form eines Zylinderkörpers mit einem einseitig
offenen Hohlraum ausgeführt wird. In
diesem einseitig offenen Hohlraum wird mittels Gewinde ein
Füllstück aus spezifisch leichterem Werkstoff als der Kolben
arretiert. Das Füllstück wird gegenüber dem Grundkörper
mittels Stiften oder einer in einer Ringnut eines einseitig
offenen Hohlraumes des Kolbens angeordneten Scheibe gegen Verdrehungen
gesichert.
Beim Einsatz des besagten Kolbens treten aber
Schwierigkeiten auf. So dient das Gewinde als Spannungsquelle
im Kolbenkörper, wodurch die Zuverlässigkeit des Kolbens
beeinträchtigt wird. Die in der Gewindeverbindung sowie
zwischen der inneren Oberfläche des Kolbens (d. h. der Oberfläche,
welche dessen Hohlraum begrenzt) und der Oberfläche
des Füllstückes vorhandenen Spielräume vergrößern sich bei
dynamischen Belastungen. Dadurch wird letzten Endes der
Kolben zerstört, oder, mit anderen Worten, durch das unter
der Wirkung von Trägheitskräften sich bewegende Füllstück
"zerschlagen".
Außer den durch die bauliche Gestaltung des Kolbens
bedingten Schwierigkeiten treten auch mit der Herstellungstechnologie
von derartigen Kolben zusammenhängende
Schwierigkeiten auf.
Der eigentliche Kolben und das Füllstück werden praktisch
bis zum Fertigmaß getrennt hergestellt.
Es werden ein Innengewinde in dem Kolben und ein
Außengewinde auf dem Füllstück ausgeführt. Ferner ist es
erforderlich, eine Ringnut für eine Federscheibe, eine
Bohrung für einen Stift herzustellen sowie einen Zusammenbau
durchzuführen.
Demzufolge entspricht die oben beschriebene Ausführungsform
nicht den an die Zuverlässigkeit eines mehrteiligen
Kolbens gestellten Forderungen sowie erfordert eine komplizierte
und arbeitsaufwendige Technologie.
Es ist ferner aus der US-PS 36 33 467 ein Verfahren zum Herstellen eines
mehrteiligen Kolbens bekannt, bei dem in einem einseitig offenen
Hohlraum des Kolbenkörpers rinförmige Ansätze beliebiger Form (Scheiben, Gewinde
usw.) ausgeführt werden. In einen derartigen Hohlraum
wird ein flüssiger Werkstoff eingegossen, welcher beim Erstarren
ein Füllstück des mehrteiligen Kolbens bildet.
Eine derartige bauliche Gestaltung erfordert einen
relativ kleinen Arbeitsaufwand, sie gewährleistet aber
nicht die erforderliche Zuverlässigkeit der Befestigung des
Füllstückes im Hohlraum des mehrteiligen Kolbens und erfordert
eine komplizierte Herstellungstechnologie, d. h. eine
Technologie, welche eine komplizierte mechanische und metallurgische
Bearbeitung der Metalle umfaßt, aus denen der Kolben besteht.
Aus dem eingangs erwähnten SU-Urheberschein 4 12 813 ist ferner ein Verfahren
zum Herstellen eines mehrteiligen Kolbens,
bei dem der Grundkörper des Kolbens und das
Füllstück praktisch bis zum Fertigmaß getrennt hergestellt
werden, wobei auf der Stirnfläche des Kolbens von der offenen
Seite des Hohlraumes ein innerer den Hohlraum rundumlaufender
Bund ausgeführt wird. Nach dem Einführen des Füllstückes in
den einseitig offenen Hohlraum des Kolbens erfolgt eine
plastische Verformung des Bundes zum Einengen des offenen
Endes des Hohlraumes, wodurch das Füllstück fixiert wird.
Bei einer derartigen baulichen Gestaltung sind zwischen
der Oberfläche des Füllstückes und der inneren Oberfläche des
Kolbens Spielräume vorhanden, wodurch eine Bewegung des Füllstückes
in dem Hohlraum des Kolbens nicht begrenzt werden
kann, was zur Zerstörung des Begrenzungsbundes führt. Dadurch
wird eine Zerstörung des Kolbens sowie ein Ausfall der gesamten
Verdrängungsmaschine verursacht. Ferner wird durch
einen Bund an der Stirnseite des Kolbens das Gewicht des
mehrteiligen Kolbens erhöht, was eine unproduktive Ausnutzung
des Arbeitsvolumens der Verdrängungsmaschine zur Folge hat.
Aus der DE-PS 24 28 017 ist außerdem ein Verfahren zum
Herstellen eines mehrteiligen Kolbens bekannt, bei dem von
einem Kolbenrohling mit einem eine radiale konische
Ausnehmung aufweisenden Metallgehäuse ausgegangen wird. Am
Ende der Ausnehmung wird eine Sperrvorrichtung in Form eines
ringförmigen Stegs und keilförmiger Zähne ausgebildet, die
eine axiale Verschiebung des einzusetzenden Füllstücks
verhindern sollen. Die Herstellung des Gehäuses mit der
Sperrvorrichtung erfolgt durch Gießen und das Füllstück aus
leichtem Material, z. B. Phenolharz, wird durch Preßformung
in die Ausnehmung des Kolbens eingebracht. Derartige Kolben
eignen sich jedoch nur für Maschinen, die niedrigen Drücken
ausgesetzt sind.
Aus der DE-AS 12 67 985 ist außerdem ein Verfahren bekannt,
bei dem die Laufbuchse einer Kolbenpumpe am Gehäuse unter
Einpressen ihres Bundes in eine Ringnut des Gehäuses
befestigt wird. Dieses Verfahren dient jedoch zum Herstellen
einer Laufbuchse, wobei Laufbuchse und Gehäuse getrennt hergestellt
werden.
Aus dem DE-GM 71 08 800 ist ein Verfahren zum Herstellen
eines Kolbens bekannt, bei dem zuerst ein aus Metall
bestehender, eine zylindrische Ausnehmung aufweisender
Kolbenrohling hergestellt und dann in die Ausnehmung eine
nicht-metallische Füllung eingebracht wird. Die Befestigung
der Füllung im Kolbenrohling erfolgt mittels Umlegen einer
Bördelkante des Kolbens. Diese Art der Befestigung ist
jedoch für Pumpen, die mit höheren Drücken arbeiten, nicht
zuverlässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der
eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß zwischen
der inneren Oberfläche des Kolbens und der Oberfläche des
Füllstückes ein inniger Kontakt sowie eine zuverlässige
Befestigung des Füllstückes im Kolbenkörper bei gleichzeitiger
Vereinfachung der Herstellungstechnologie des
mehrteiligen Kolbens erzielt werden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Hierbei ist es aus der DE-OS 19 44 013 bekannt, ein
mehrteiliges Werkstück mit unterschiedlichen Werkstoffen mit
Hilfe einer Matritze einem Strangpreßvorgang zu unterziehen.
Dieses Verfahren dient jedoch lediglich zur Herstellung von
Bimetallstreifen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen erfordert keine exakte mechanische
Bearbeitung der Kolben und Füllrohlinge.
Der Kolbenrohling und der Füllrohling
werden durch ein einfaches Ineinandersetzen zu
einem mehrteiligen Kolbenwerkstück zusammengebaut. Ein durch Fließpressen
hergestellter Kolben erfordert nur eine mechanische Nachbehandlung.
Dadurch wird die Herstellungstechnologie des
Kolbens bei gleichzeitiger Erhöhung seiner Zuverlässigkeit
wesentlich vereinfacht.
Da der mehrteilige Kolbenrohling mittels
eines anderen gleichartigen Kolbenrohlings der Matritze
zugeführt wird, kann ein kontinuierlicher Verlauf der Kolbenfertigung
gewährleistet, sowie die Notwendigkeit ausgeschlossen
werden, einen einmaligen Dorn, dessen Abmessungen mit den
Abmessungen des zu bearbeitenden mehrteiligen Rohlings übereinstimmen,
zu verwenden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen
mehrteiligen Kolben für eine hydraulische Verdrängungsmaschine;
Fig. 2 schematisch einen Kolbenrohling, in dessen einseitig
offenem Hohlraum ein Rohling des Füllstückes eingesetzt ist;
Fig. 3 eine Matrize, durch welche der Rohling eines
mehrteiligen Kolbens gepreßt wird;
Fig. 4 schematisch ein Vorwärts-Fließpressen eines mehrteiligen
Kolbenrohlings durch die Matritze.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist ein mehrteiliger Kolben 1
einen zylinderförmigen
Kolben 2 auf. In dem ein zu dessen Außenoberfläche
koaxialer, einseitig offener Hohlraum 3 ausgeführt
ist, welcher von einer Seite durch den Körper des Kolbens 2
begrenzt wird. Der Hohlraum 3 wird in Richtung seines
offenen Endes (d. h. des Endes, welches dem durch den Körper
des Kolbens 2 begrenzten Ende gegenüberliegt) derart eingeengt,
daß eine durch die äußere Arbeitsoberfläche des
Kolbens 2 und dessen innere Oberfläche gebildete Wand am
offenen Ende des Hohlraums eine maximale Dicke "a" aufweist.
In dem einseitig offenen Hohlraum 3 wird ein Füllstück
4 angeordnet. Das Füllstück 4 wird aus einem spezifisch
leichteren Werkstoff als der Kolben 2 ausgeführt. Die Oberfläche
des Füllstückes 4 ist kongruent zu der inneren Oberfläche
des Kolbens 2 ausgeführt und weist mit dieser einen
spiellosen Kontakt mit Verspannung auf.
Wie es aus der Fig. 1 weiter ersichtlich ist, weist der
Kolben 1 an einem der offenen Seite des Hohlraumes 3 gegenüberliegenden
Ende einen kugelförmigen Teil 5 auf. Auf diesem kugelförmigen
Teil 5 sowie eine über die gesamte Länge des Füllstückes 4
ausgeführte und koaxial zu dessen Oberfläche verlaufende
durchgehende Bohrung 6 werden hier nicht näher eingegangen,
da diese bei Kolben für hydraulische Verdrängungesmaschinen
üblich sind.
Der beschriebene mehrteilige Kolben wird folgenderweise
hergestellt.
Ein Kolbenrohling 7 wird in Form eines Bechers
mit einem offenen Hohlraum 8 durch Fließpressen
oder durch spanende Formung hergestellt.
Der Außendurchmesser des Kolbenrohlings 7 wird um ¹/εmal
größer als der vorgegebene Durchmesser eines fertigen
Kolbens ausgewählt, worin ε der zulässige Umformungsgrad beim
Vorwärts-Fließpressen für einen bestimmten Werkstoff ist.
Der Durchmesser des einseitig offenen Hohlraumes 8 des
Rohlings 7 wird auf Grund einer direkt proportionalen Abhängigkeit
zwischen den Querschnitten des Rohlings 7 und des
fertigen Kolbens 1 ausgewählt. Der Bodenteil 9 des einseitig
offenen Hohlraumes des Kolbenrohlings 7 wird als Kegelstumpf
ausgeführt.
Der Rohling 10 des Füllstückes 4 wird in Form eines
Zylinderkörpers ausgeführt, dessen Durchmesser dem Durchmesser
des einseitig offenen Hohlraumes 8 des Rohlings 7 praktisch
gleich ist. Die Länge des Zylinderkörpers 10 ist um 2
bis 2 mm kleiner als die Tiefe des einseitig offenen Hohlraumes
8 des Kolbenrohlings 7. Der Rohling 10 des Füllstückes
4 wird bekanntermaßen aus einem spezifisch leichteren
Werkstoff als der Rohling 7 des Kolbens 2 ausgeführt.
Der Rohling 10 des Füllstückes 4 wird in den einseitig
offenen Hohlraum 8 des Kolbenrohlings 7 eingesetzt, wodurch
man ein mehrteiliges Kolbenwerkstück erhält.
Das mehrteilige Kolbenwerkstück 11 wird einem Vorwärts-Fließpressen
durch eine Matritze 12 (Fig. 3) unterzogen. Die Matrize
12 weist einen Eingangsteil mit zwei Fasen, auf welche jeweils mit
einem Winkel von α und β zu der Mantellinie des kalibrierenden
Teilen der Bohrung der Matrize 12 ausgeführt
sind. Der Winkel α beträgt 10 bis 20° und der Winkel
β 30 bis 50°.
Wie es aus der Fig. 4 ersichtlich ist, wird das
mehrteilige Kolbenwerkstück 11 einem Vorwärts-Fließpressen
unterzogen. Das Fließpreßwerkzeug enthält eine Matrize 12
sowie einen dieser koaxial angeordneten Behälter 13. Der
Behälter 13 dient als Führung für einen Stempel oder
gegebenenfalls als Führung für ein zweites mehrteiliges
Kolbenwerkstück, das das erste mehrteilige Kolbenwerkstück 11
durch die Bohrung der Matrize 12 preßt.
Am Anfang des Fließpreßvorganges eines mehrteiligen
Kolbenwerkstücks 11 werden der Grundkörper des Kolbens sowie
der Bodenteil seines Hohlraumes geformt. Danach erfolgt das
gemeinsame Fließen des Kolbenwerkstoffes (Stahl) und des
Füllstückwerkstoffes (Aluminium). In der letzten Stufe des
Fließpreßvorganges bei einer Höhe des Preßrestes von ungefähr
2 bis 5 mm wird das offene Ende des einseitig offenen
Hohlraumes des Kolbenrohlings derart eingeengt, daß die
durch die äußere Oberfläche und die innere Oberfläche des
zu formenden Kolbens gebildete Wand eine maximale Dicke
"a" (s. Fig. 1) am offenen Ende des einseitig offenen Kolbenhohlraumes
aufweist. Die mehrteiligen Kolbenwerkstücke werden dem
Fließpreßwerkzeug nacheinander der Reihe nach zugeführt,
wodurch eine kontinuierliche Umformung mit einem kontinuierlichen
Austritt der fertigen, d. h. unlösbar mit dem
Füllstück verbundenen, Kolben 1 gewährleistet wird.
Es werden mehrteilige Kolben hergestellt. Als Werkstoff
für die Kolbenrohlinge werden kohlenstoffarme
(C = 0,25%) mittellegierte Stähle verwendet, welche einer
Wärmebehandlung in einem chemischen Mittel oder einer anderen
Art der Oberflächenverfestigung unterzogen werden
können. Als Werkstoff für die Füllstückrohlinge werden umformbare
Aluminiumlegierungen mit einer Fließgrenze von
σ T = 11-22 kp/mm² verwendet. Für eine Leistungserhöhung
sowie eine Metalleinsparung wird der becherförmige
Kolbenrohling nach einem Verfahren des Gegen-Fließpressens
hergestellt.
Die Grundabmessungen von Rohlingen und von durch das
Fließpressen hergestellten mehrteiligen Kolben sind in
der Tabelle angeführt.
Eine metallografische Untersuchung der hergestellten
Kolben hat eine spiellose, innige Verbindung des Füllstückes
mit dem Grundkörper des Kolbens nachgewiesen. Die
Anlageoberfläche ist entlang der gesamten Länge wellenförmig,
wodurch ein Verdrehen des Füllstückes gegenüber dem Grundkörper
des Kolbens verhindert wird.
Prüfungen bei einer aus dem Mittelteil des Kolbens ausgeschnittenen
Scheibe haben ergeben, daß beim Druck auf das
Füllstück das Abscheren im Werkstoff des
Füllstückes und nicht an der Grenze der beiden Metalle erfolgt.
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen eines mehrteiligen Kolbens für eine
hydraulische Verdrängungsmaschine, bei dem man
- (a) in den blinden Hohlraum eines zylindrischen Kolbenwerkstücks ein als Füllstück dienendes weiteres Werkstück anordnet und
- (b) durch Einengung des offenen Endes des Hohlraumes das Füllstück fixiert,
dadurch gekennzeichnet,, daß man
- (c) das nach Ausführung des Schrittes (a) erhaltene, mehrteilige Kolbenwerkstück einem Fließpressen in einer Matritze bis zu einer Blockrestgröße von 2 bis 3 mm unterzieht und
- (d) dann ein nachfolgendes mehrteiliges Kolbenwerkstück in die Matritze einbringt und ebenfalls bis zu einer Blockrestgröße von 2 bis 3 mm preßt, wobei
- (e) das nachfolgende mehrteilige Kolbenwerkstück durch einen Kalibrierungsteil der Matritze hindurchgestoßen wird und den Blockrest jedes vorherigen mehrteiligen Kolbenwerkstückes zur Ausführung des Schrittes (b) staucht, so daß sich an der Seite des offenen Endes des vorherigen Kolbenwerkstücks eine Wandverdickung in Form eines umgekehrten Kegels bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Füllstück in Form eines Zylinders mit einem über die
ganze Länge gleichen Querschnitt ausgeführt ist, dessen
Stirnfläche an der Seite des Bodens des blinden Hohlraums
des Kolbenwerkstücks in Form eines stumpfen Kegels ausgeführt
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Werkstück für das zylindrische Kolbenwerkstück
Stahl und für das Füllstück Aluminium verwendet.
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Family Applications (1)
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