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Verfahren zum Herstellen von Kolben aus spröden Hartstoffen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kolben aus
spröden Hartstoffen, insbesondere aus gesinterter Oxidkeramik'mit darin eingebrachten
metallischen Anschlußelementen, durch Fertigen eines ein Sackloch aufweisenden Grünlings,
Sintern des Grünlings, Bearbeiten des fertig gesinterten Kolbens an seinen Außenflächen
auf Fertigmaß, Einbringen von Kleber in das Sackloch und Einsetzen des metallischen
Anschlußelementes.
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Kolben der vorgenannten Art werden als Pumpenkolben seit langer Zeit
gefertigt. Als Material wird dabei hauptsächlich gesinterte Oxidkeramik eingesetzt,
die sich aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit und ihrer hohen Beständigkeit
gegen Chemikalien gut eingeführt hat.
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Neben diesen bekannten guten Eigenschaften der Oxidkeramik sind jedoch
Eigenschaften bekannt, die ihren Einsatz insbesondere in Verbindung mit Metallen)
problematisch machen. Im wesentlichen handelt es sich dabei um den unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, d. h., daß sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Metall und Oxidkeramik erheblich
unterscheiden, da der Ausdehnungskoeffizient
von Metall wesentlich größer als der von Keramik ist.
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Daraus ergibt sich zwangsläufig, daß in einen Keramikkörper auch keine
kraftschlüssige Metallverbindung eingebracht werden kann, ohne daß bei Erwärmung
erhebliche auf der Ausdehnung des Metallkörpers beruhende Sprengkräfte in der Keramik
auftreten.
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Oxidkeramik weist bekanntlich eine extrem hohe Druckfestigkeit auf,
ist jedoch gegenüber zugbelastungen äußerst empfindlich. Damit ist der Einsatz von
mit der Keramik in Verbindung stehenden Metallteilen nur da möglich, wo entweder
die Grenzen der Zugfestigkeit nicht überschritten werden, oder die Teile so angeordnet
sind, daß die Keramik nur auf Druck beansprucht wird. Man hat daher üblicherweise
die Pumpenkolben entweder aus Vollkeramik hergestellt und sie dann von außen durch
Metallhalter umfaßt und so mit dem Pumpengestänge verbunden, oder man hat einen
Dorn in den als Hohlzylinder ausgeführten Pumpenkolben eingekittet. Die erste Möglichkeit
setzt infolge der erforderlichen Paßgenauigkeit ein aufwendiges Schleifen der Keramik
auch im Bereich der Befestigungsstellen voraus, da die Keramik nur mit Diamantscheiben
bearbeitet werden kann, ist dieses ein besonders aufwendiges Unterfangen. Die zweite
Möglichkeit des Einkittens von Dornen in die Keramik berücksichtigt zwar die unterschiedlichsten
Wärmeausdehnungskoeffizienten, wenn man einen dauerplastischen Kitt verwendet, genügt
aber insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, d. h., also bei schnelllaufenden
Pumpen mit mehreren 100 Hüben/Min nicht
den Festigkeitsanforderungen,
da der Keramikkolben aufgrund der Fliehkräfte gelockert wird und sich mit der Zeit
vom Dorn löst.
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Mit der DE-PS 29 39 284 der Anmelderin ist deshalb bereits vorgeschlagen
worden, den Pumpenkolben mit einem Sackloch, das Grobgewinde aufweist, zu versehen,
in dieses Grobgewinde Kitt einzubringen und einen ebenfalls mit Grobgewinde versehenen
Rohling einzudrehen. Nach dem Abbinden des Kittes wird der metallische Rohling fertig
bearbeitet, so daß eine einwandfreie Passung zwischen dem Keramikkolben und dem
Rohling, der nach der Bearbeitung das metallische Anschlußelement bildet, gegeben
ist. Da der Keramikkolben bereits vollständig bearbeitet ist, kann die Bearbeitung
des Metallschaftes ohne Schwierigkeiten erfolgen und wird immer zu einem fluchtenden
Anschluß führen. Ebenso ist die Kraftübertragung gesichert, da der eingebrachte
Rohling an der Wandung des Sackloches im Keramikkolben wenigstens an einigen Stellen
anliegt.
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Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist jedoch, daß die Fertigbearbeitung
des Metallrohlings zum Anschlußelement erst dann erfolgen kann, wenn eine feste
Verbindung zwischen dem fertig bearbeiteten Keramikteil und dem Rohling gegeben
ist, also wenn der Kitt ausgehärtet ist. Es muß dabei der Kolben als zentrierendes
Element in eine Drehmaschine eingesetzt und der Rohling auf Maß gebracht werden,
wobei der Rohling stets eine gewisse unterschiedliche Lage im Kolben aufweist, so
daß eine vollautomatische Zufuhr und Bearbeitung der Aggregate
nicht
möglich ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung
von Kolben die Verwendung von fertig bearbeiteten Automatenteilen zu ermöglichen
und so eine Montage ohne Nachbearbeitung zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Kolben
aus spröden Hartstoffen, insbesondere aus gesinterter Oxidkeramik mit darin eingebrachten
metallischen Anschlußelementen durch Fertigung eines ein Sackloch aufweisenden Grünlings,
Sintern des Grünlings, Bearbeiten des fertig gesinterten Kolbens an seinen Außenflächen
auf Fertigmaß, Einbringen von Kleber in das Sackloch und Einsetzen des metallischen
Anschlußelementes mit dem kennzeichnenden Merkmal, daß als Anschlußelement eine
mehrfach geschlitzte Spannhülse mit einem durch einen Konus auseinanderspreizbaren
Ansatz in das mit einer Ringnut versehene Sackloch eingebracht, durch einen Zentrieraufsatz
zentriert und gespannt wird, wobei diese Spannung mindestens bis zur Abbindung des
Klebers aufrecht erhalten wird.
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Durch die Verwendung einer Spannhülse mit Konus in der Kombination
mit einem Kleber ist es möglich, die Spannhülse nach dem Auseinanderspreizen in
der durch den Zentrieraufsatz vorgegebenen Lage zu fixieren.
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Die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Spannhülse und dem Keramikkolben
erfolgt im Bereich der Ringnut des Kolbens,in die der Ansatz der geschlitzten Spannhülse
eingreift. Der nicht von dem Anschlußelement im Sackloch beanspruchte Raum ist im
wesentlichen mit Kleber gefüllt, so daß der Zentrieraufsatz, der gemäß einer vorteilhaften
Aus-
gestaltung der Erfindung an der Mantelfläche des Kolbens geführt
wird und sich auf der Stirnfläche des Kolbens abstützt, die Spannhülse ausrichtet,
so daß deren Mittelachse mit der Mittelachse des Kolbens fluchtet. Die Schenkel
der Spannhülse werden dabei bleibend verformt, so daß die Ansätze an ihnen in der
Ringnut ruhen und durch den Kleber in dieser Position fixiert werden. Dadurch bildet
sich im oberen Bereich der Schenkel, also in dem Bereich, der sich in Richtung der
öffnung des Sackloches befindet, ein Freiraum zwischen den Schenkeln und der verlängerten
Konusmutter bzw. einer entsprechenden Spannschraube, so daß bei Temperaturerhöhungen
aufgrund dieses Freiraumes und der Tatsache, daß die Spannhülse geschlitzt, also
in mehrere Schenkel aufgeteilt ist, sich der einzelne Schenkel in diesem Freiraum
hinbiegt es kommt also nicht zu schädlichen Spannungen im Bereich der Ringnut, die
den Kolben sprengen könnten.
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Der Zentrieraufsatz als solcher kann bereits Teil der Kolbenstange
sein. Zweckmäßiger ist es jedoch, ihn als Montagevorrichtung auszuführen, d. h.,
daß gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Zentrieraufsatz nach
Abbinden des Klebers entfernt wird. Nach der Entfernung des Zentrieraufsatzes verbleibt
dann ein Kolben, der je nach Ausführungsform der Spannhülse entweder mit einem Innengewinde
versehen ist, oder der einen nach außen vorragenden Gewindezapfen aufweist. In beiden
Fällen jedoch fluchten die Mittellinien von Zapfen bzw. Gewindemutter mit der Mittellinie
des Kolbens. Außerdem ist eine kraft-
schlüssige Verbindung hergestellt
und die Spannhülse in ihrer Lage durch den Kleber fest verankert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Zentrieraufsatz
mit einem Drehmomentschlüssel angezogen und das erforderliche Drehmoment unter Berücksichtigung
der Gewindesteigung und der Steigung des Konus errechnet wird. Der kleinste Durchmesser
des Konus entspricht dabei im allgemeinen dem Nenndurchmesser des Gewindes. Die
nachstehende Tabelle gibt darüber Auskunft, mit welchen Drehmomenten übliche Gewinde
angezogen werden können und welche Kolbendurchmesser diesen Gewinden zuzuordnen
sind. Die Außendurchmesser der jeweiligen Spannelemente sind dabei so gewählt, daß
die Mindestwandstärken des Kolbens nicht unterschritten werden, sich also weder
bei der Montage noch im Einsatz Uberlastungsrisse bilden können.
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Tabelle Kolbendurchmesser (mm) 120 100 90 80 70 60 50 40 30 25 Mindestwandstärke
des Kolbens (mn) 35 28,5 26,5 24 21,5 18 15 12 8,5 7,0 Gewinde M24 M20 M18 M16 M14
M12 M10 M8 M6 M5 Drehmsent (Kpm) 5,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,25
Als
Kleber wird vorzugsweise ein lösungsmittelfreier Einkomponentenkleber auf Epoxidharz-Basis
eingesetzt, dessen Ausdehnungskoeffizient nahe dem der Keramik liegt. Kleber dieser
Art weisen eine gute Dauertemperaturfestigkeit auf, die im Bereich von ca. 150 bis
170 OC liegt und einen kurzfristigen Einsatz von 200 OC gestattet. Desweiteren ist
wesentlich, daß die Kleber nur eine geringe Elastizität aufweisen, d. h., daß keine
Bewegung zwischen dem Keramikkolben und dem metallischen Anschlußstück erfolgt,
wodurch eine Lockerung des Keramikkolbens vermieden wird.
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Als Oxidkeramik im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind Keramiketzu
verstehen, die sowohl aus einem als auch aus mehreren Stoffen zusammengesetzt sein
können. Bevorzugt werden jedoch die sogenannten Einstoffoxidkeramiken mit geringem
Gehalt an Flußmitteln, Stabilisatoren und Korngrößenregulatoren. Im einzelnen kann
es sich hierbei um Oxidkeramiken aus Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Berylliumoxid,
Titanoxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid sowie deren Mischungen handeln, wobei insbesondere
Zirkonoxid und Aluminiumoxid bei Sinterkeramiken bevorzugt werden. Besonders bewährt
hat sich eine Oxidkeramik aus Aluminiumoxid, die einen Aluminiumoxidgehalt von gleich
oder größer 80 % aufweist. Die restlichen Bestandteile dieser
Keramik
sind im wesentlichen Magnesiumoxid, Siliziumoxid, ggf. Kalziumoxid und Zirkonoxid
sowie Verunreinigungen. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit und der chemischen
Beständigkeit kann der Aluminiumoxidgehalt auf über 99 % gesteigert werden. In diesen
Fällen besteht die restliche Komponente fast ausschließlich aus Magnesiumoxid, das
als Kornwachstumshemmer eingesetzt wird sowie aus Verunreinigungsspuren.
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Ein nach dem erfindunggemäßen Verfahren hergestellter Kolben ist dadurch
gekennzeichnet, daß das Sackloch des Kolbens als Anschlußelement eine mehrfach geschlitzte
Spannhülse mit einem durch einen Konus auseinandergespreizten in eine Ringnut im
Sackloch eingreifenden Ansatz enthält, die durch Kleber in ihrer Lage fixiert ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung dieses Kolbens weist das Merkmal auf, daß der Konus
eine Konusmutter ist. Diese Konusmutter, die zweckmäßig als verlängerte Konusmutter
ausgeführt ist, dient als Verbindungselement zur Kolbenstange, d. h. der Kolben
kann direkt auf die Kolbenstange, die dann als Gewindebolzen ausgeführt ist, aufgeschraubt
werden.
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Eine alternative Lösung sieht vor, daß der Konus als Kopf einer Spannschraube
ausgeführt ist. Die Spannschraube ist dabei, nachdem sie zunächst zum Auseinanderspreizen
der Spannhülse diente, das Element, das im Anschluß daran zur Verbindung des Kolbens
mit der Kolbenstange, also zum Einschrauben in die Kolbenstange, eingesetzt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Kolben mit eingesetzter Spannhülse und
aufgesetztem Zentrieraufsatz, Fig. 2 den Kolben mit Zentrieraufsatz und Spannhülse
im noch nicht eingesetzten Zustand, Fig. 3 einen Kolben mit eingesetzter Spannhülse
und daran angreifender Kolbenstange, Fig. 4 den gleichen Kolben nach dem Wenden,
der Klebstoffverteilung, nach der Aushärtung des Klebers, angeschraubt an die Kolbenstange.
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Auf den Zentrieraufsatz 1, der, wie Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist,
mit einem Gewindezapfen 18 versehen ist, ist die Spannhülse 2 aufgesteckt, die von
dem Konus 5 gehalten wird. Der Konus 5 weist ein Innengewinde auf, seine Kegelfläche
19 ist mit Rändelung 23 aufgerauht, um beim Eindrehen des Gewindezapfens 18 die
erforderliche Reibung zwischen der Spannhülse 2 und der Kegelfläche 19 zu erzeugen.
Eine ähnliche Längsrändelung 22 ist auch oben an der Spannhülse 2 vorgesehen.
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Das Sackloch 8 wird bis ungefähr Mitte der Ringnut 3 mit Kleber 7
gefüllt, bevor der Zentrieraufsatz 1 mit der Spannhülse 2 eingebracht wird. Die
Schenkel 12 der Spannhülse 2 verjüngen sich in Richtung des Konus 5 und tragen an
ihrem äußeren Ende einen Ansatz 4. Durch Drehen des Zentrieraufsatzes 1 mittels
der Schlüsselfläche 1' wird der Ansatz 4 in die Ringnut 3 des Kolbens 6 eingedrückt.
Dabei liegt der Zentrieraufsatz 1 mit seinem Bund 20 über eine Dichtung 21 auf der
Kolbenstirnfläche 11 auf und wird durch den Bund 9 auf der Kolbenmantelfläche 1o
geführt.
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Die Spannhülse 2 wird dadurch zentriert, gleichzeitig ergibt sich
eine schlüssige Verbindung über die
Ansätze 4 mit dem Kolben 6.
Wie die Figuren 2 und 4 zeigen, kann der Konus 5 die Form einer Konusmutter 15 mit
verlängertem Innengewindeteil aufweisen. Alternativ dazu ist es jedoch möglich,
wie dieFigur 3 zeigt, statt der Konusmutter 15 eine Spannschraube 16 mit Schaft
24 einzusetzen, deren Kopf als Konus 5 ausgebildet ist.
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Figur 4 zeigt den Kolben 6 in um 1800 gedrehter Position. Der Kleber
7 fließt dabei vom Grund des Sackloches 8 heraus und füllt sowohl die Ringnut 3
als auch den Bereich der Längsrändelung 22.
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Nach Abbinden des Klebers 7, der die Schenkel 12 der Spannhülse 2
und die Spannschraube 6, bzw. die Konusmutter 15 in ihrer Lage fixiert, wird die
Kolbenstange 17 an den Kolben 6 angschraubt. Zwischen den Schenkeln 12 und der Spannschraube
16, 24 bzw. der Konusmutter 15 befindet sich jetzt ein Freiraum 14, der durch Erwärmung
auftretende Verformung des Schenkels 12 aufnehmen kann. Das Auslaufen des Klebers
7 in der Abbindeposition nach Figur 4 verhindert die Dichtung 21.