WO2017178249A2 - Hydraulikzylinder - Google Patents

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WO2017178249A2
WO2017178249A2 PCT/EP2017/057708 EP2017057708W WO2017178249A2 WO 2017178249 A2 WO2017178249 A2 WO 2017178249A2 EP 2017057708 W EP2017057708 W EP 2017057708W WO 2017178249 A2 WO2017178249 A2 WO 2017178249A2
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hydraulic cylinder
piston member
fluid
hydraulic
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Karsten Busch
Paul-Josef Nieschwietz
Frederik Knauf
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Sms Group Gmbh
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    • F15B2211/775—Combined control, e.g. control of speed and force for providing a high speed approach stroke with low force followed by a low speed working stroke with high force, e.g. for a hydraulic press

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic cylinder according to the preamble of claim 1 and a forming machine with a hydraulic cylinder according to the invention.
  • a hydraulic cylinder is generally understood as meaning an actuator driven by a hydraulic, preferably liquid fluid.
  • the fluid is preferably a hydraulic oil, as is commonly used in hydraulic cylinders.
  • the cylinder of the hydraulic cylinder is not necessary according to the invention of circular cross section, so that However, in accordance with the predominant practice of hydraulic cylinder construction, a circular cross-section of the cylinder is preferably chosen, and in one possible alternative, the cylinder may also have an ellipsoidal cross-section would prevent the piston member from twisting in the cylinder and, if necessary, any transverse forces which might occur can be better absorbed.
  • An effective surface in the context of the invention is a surface of the piston member, on which the working pressure of the fluid can act to push the piston member in the direction of action.
  • the physical effective area does not have to be flat and perpendicular to the effective direction, but only its projected proportion perpendicular to the effective direction contributes to the driving force of the piston member.
  • a cylinder space according to the invention is the entire space that fills the fluid in the cylinder depending on the position of the piston member.
  • the entire cylinder space does not necessarily have to be below the working pressure of the fluid.
  • one of the subspaces may also be pressure-free or substantially at atmospheric pressure. If necessary, both subspaces can be under different working pressures.
  • more than two hydraulically separated subspaces can be provided.
  • a ratio of the sizes of the two partial surfaces can be adjusted as needed.
  • a ratio in the range between 50:50 and 20:80 is useful for many applications.
  • an asymmetrical ratio of the partial surface sizes of, for example, 30:70 there is the possibility of a multiple gradation of a force application, ie, for example, 30%, 70% and 100% of a maximum force depending on the admission of the partial spaces with fluid.
  • a ratio of the faces is asymmetric and is between 45:55 and 20:80, more preferably between 40:60 and 20:80. This allows a targeted admission of the subspaces with fluid, for example, during a forging process. Thus, at the beginning of a forging process, a starting block is short and large in diameter.
  • Heat loss is then low due to the surface to volume ratio. That is, in such a case can be forged with a low stroke frequency, but with large pressing forces are needed. If, in the course of forging, the starting block is converted to a final geometry, it will cool down faster. This requires a higher stroke frequency, but the required pressing force is not so great, since the pressed area is smaller.
  • the subspaces run concentrically around a central axis of the cylinder.
  • design protrudes at one of the two, piston member or cylinder, in particular a cylindrical step for the separation of the subspaces parallel to the direction of action. In this way, for example, a subspace form a fully cylindrical space which is surrounded by the second subspace in the form of an annular cylinder, which is also arranged offset in the effective direction to the first subspace.
  • the subspaces are connected to a hydraulic pumping unit and a valve arrangement, wherein the valve arrangement makes it possible to apply fluid to the subspaces in at least two operating modes.
  • in a first of the modes there is a fast advance of the piston member with reduced piston force, with a slow advance of the piston member at high piston force in a second of the modes, and with the operating modes realized by differential pressurization of the subspaces with fluid under working pressure become.
  • the valve arrangement comprises a control valve with a pilot piston which can be displaced in the direction of action.
  • pilot pistons as control valves are known for example from the aforementioned DE 198 46 348 A1 and allow a fast and accurate control of the hydraulic cylinder.
  • the pilot piston closes at its feed a flow of the cylinder, which in turn leads to a pressure build-up and advance of the piston member.
  • one of the subspaces can be connectable to a hydraulic reservoir by the valve arrangement.
  • the hydraulic reservoir is pressure-free.
  • a pressure-free freedom of the hydraulic reservoir means that either atmospheric pressure or also a higher pressure is present in the reservoir in order to ensure a rapid fluid exchange.
  • the hydraulic reservoir can be designed in particular as an accumulator in the form of a hydraulic accumulator.
  • the accumulator can be realized, for example, as a spring store or in another way. In principle, however, it is also possible that the hydraulic reservoir is pressurized, if necessary.
  • At least one of the subspaces can be acted upon by the fluid by means of a valve arranged downstream of the subspace.
  • the valve When the valve is open, the fluid then flows without pressure through the subspace or a branch, and when the valve is closed or throttled, a corresponding pressure is applied to the respective subspace.
  • the hydraulic cylinder has a restoring effective area, wherein the piston member can be reset against the direction of action by acting on the restoring effective area with the fluid.
  • This allows a simple hydraulic return of the piston member.
  • the provision can also be realized in other ways, depending on the requirements.
  • the present invention shows significant advantages in large hydraulic cylinders, as there is considerable effort in providing the hydraulic pumps and the electrical supply. Accordingly, it is advantageously provided that the entire effective area of the piston member is at least 1000 cm 2 , in particular at least 2000 cm 2 .
  • the working pressures of the fluid are chosen conventionally and are typically in the range between 200 and 500 bar.
  • Preferred maximum forces of the piston member are more than 3 MN, preferably between 5 and 30 MN or above.
  • a hydraulic cylinder according to the invention relates to the field of large forming machines, in particular forging presses.
  • the invention therefore also relates to a forming machine for shaping a workpiece, wherein a tool of the forming machine can be acted upon by means of a hydraulic cylinder according to the invention with a forming force.
  • the forming force is exerted exclusively by one or more hydraulic cylinders, so that no additional mechanical power transmission, such as by a shaft is required.
  • Such a design of the forming machine is particularly favored by the flexibility of a hydraulic cylinder according to the invention.
  • the forming machine is designed as a radial forging machine.
  • the radial forging machine comprises at least four pairs of tools working against each other.
  • the invention is not limited to a Radialschmiedemaschine, but can also be used in hydraulic presses, such as open-die forging, articulated presses or extrusion but also in hydraulic hammers application.
  • a first mode of operation it is generally advantageous to finish the workpiece by subjecting only one of the subspaces to fluid under working pressure, wherein in a second operating mode of the forming machine, forging of the workpiece takes place under the pressure of both subspaces with fluid under working pressure. This allows an effective use of the same forming machine for different molding processes.
  • a hydraulic cylinder according to the invention can be designed as a replacement for a conventional hydraulic cylinder of existing forming machines.
  • the invention and other advantages can be described as follows.
  • a variable ratio of the partial surfaces as required allows the greatest possible flexibility in terms of achievable stroke rates, which is particularly advantageous when forming temperature-critical materials.
  • By dividing the partial surfaces in combination with suitable forging strategies it is possible to reduce the installed power and thus to save energy while at the same time achieving comparable productivity.
  • Another advantage is that a division of the faces is also possible for existing systems in principle. The advantage of saving energy is even greater with the use of an energy storage, for example in the form of a flywheel which stores energy at idle and outputs as needed.
  • the use of the invention can be made independently of the forging strategy. For example, it is possible to apply a conventional strategy, as used in open-die forging, and large feed without rotating the workpiece, but using four tools acting simultaneously on the workpiece. When used in this forging strategy, high stroke rates can be easily realized. When using the invention in combination with a strategy in which two opposing tools of a radial forging machine act on the workpiece, can also high Hubango in connection with a again optimized Kern micschmiedung be realized.
  • Fig. 1 shows a sectional view of a hydraulic cylinder according to the invention of a forming machine according to a first embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows the hydraulic cylinder of Fig. 1 in a further mode.
  • Fig. 3 shows a sectional view of a hydraulic cylinder according to the invention of a forming machine according to a second embodiment of the invention.
  • the hydraulic cylinder 1 according to the invention shown in FIG. 1 comprises a cylinder 2, in which a piston member is guided in a linearly displaceable manner along a direction of action W.
  • the piston member 3 has a cylindrical step 3a, which projects into a corresponding gradation of the cylinder 2.
  • hydraulically a first subspace 4 is defined over a first partial surface 5 of an effective surface of the piston member 3.
  • the first subspace has essentially the shape of a solid cylinder.
  • the first subspace 4 is hydraulically separated by the step 3a from a second subspace 6 over a second subarea 7 of the effective area of the piston member 3.
  • the second subspace 6 has essentially the shape of an annular cylinder.
  • the subspaces 4, 6 form a total of a cylinder space of the cylinder 2.
  • the effective area of the piston member 3 is the sum of the partial surfaces 5, 7.
  • the size of the subspaces 4, 6 varies depending on the instantaneous position of the piston member 3 in the cylinder. 2
  • Each of the subspaces 4, 6 has a respective opening 4a, 6a, through which a hydraulic fluid can flow into the subspace 4, 6.
  • the openings 4a, 6a are connected via hydraulic lines 8 to a valve arrangement 9 and a hydraulic pump unit (not shown).
  • a flow direction of the fluid upon application of working pressure by the pumping unit is shown as arrow P.
  • the subspaces 4, 6 are hydraulically separated from each other according to the above embodiments, but depending on the design of the valve assembly 9 can be hydraulically connected together as needed.
  • the valve arrangement 9 comprises, starting from the pump unit, a first branch 10, a first valve 1 1 arranged downstream of it and a second branch 12 arranged downstream thereof.
  • the first branch 10 leads to the first subspace 4, so that in the present example this is permanently provided by the pumping unit is acted upon by the fluid under working pressure.
  • the second branch 12 leads on the one hand to the second subspace 6 and on the other hand to a reservoir 13 which through a second valve 14 between the second branch 12 and the reservoir 13 can be shut off.
  • the reservoir is filled with fluid substantially at atmospheric pressure.
  • a drain 15 of the first compartment 4 leads back to a sump and / or a suction side of the pump unit.
  • the outlet 15 can be closed in a controllable manner by a pilot piston 16 which can be driven drifting in the direction of action W, so that the pilot piston 16 forms a control valve of the valve arrangement 9 with the outlet 15.
  • the position of the piston member 3 in the effective direction is set via the pilot piston 16.
  • the pilot piston 16 is presently also hydraulically driven, but may also have an electric motor or other drive depending on requirements.
  • the invention now works as follows: In a first operating mode, the first valve 10 is closed and the second valve 14 is opened. As a result, only the first compartment 4 is supplied with fluid under working pressure from the pump unit, the second compartment is connected via the second valve to the reservoir 13. This ensures a constant filling with fluid under atmospheric pressure or a slightly higher pressure to improve a flow rate. Under these conditions, a maximum force of the piston member 3 is reduced, at the same time a fast piston movement is achieved at a given volume flow through the pump unit. In a second mode, the first valve 10 is opened and the second valve 14 is closed. As a result, the reservoir 13 is no longer in communication with the cylinder 2, and the two subspaces 4, 6 are hydraulically connected in parallel.
  • a simplified valve arrangement 9 without a pilot piston 16 is selected.
  • Functionally identical components are provided with the same reference numerals as in the first example.
  • the piston member 3 is shown hatched in the schematic drawing.
  • a cylindrical projecting step 2a is formed as part of the cylinder 2 in this example so that the piston member has a substantially cup shape. This choice of shape is independent of the design of the valve assembly 9.
  • the valve arrangement 9 has a first branch 19 leading to the first subspace 4. Downstream of the branch 19, a valve 20 is arranged.
  • the second subspace 6 and the return space 18 are directly charged with fluid and have outlets 21, 22.
  • Behind the drains 21, 22 are each valves 23, 24 are arranged. It can be seen that one of the subspaces 4, 6 or the return chamber 18 is acted upon by fluid under working pressure if the valve 20, 23, 24 assigned to it is closed.
  • the fluid flows without pressure build-up in a circle. Accordingly, the three feeds P are each separately pressurized and not connected in parallel. This can be achieved for example by separate hydraulic pumps.
  • the modes of operation of the hydraulic cylinder according to the second example are completely analogous to those of the first example.
  • it can be selected in a simple manner which of the subspaces 4, 6 is to be subjected to working pressure individually.
  • the operation can be chosen even more flexible, for example, if the partial surfaces are designed to be different sizes.
  • a hydraulic cylinder 1 according to one of the types described above is formed as part of a forming machine in the form of a radial forging press (not shown).
  • the working pressure of the fluid is about 400 bar.
  • the size ratio of the two partial surfaces 5, 7 is about 50:50.
  • the forming machine comprises four crosswise paired tools, each of which is driven by a hydraulic cylinder 1 described above.
  • the modes of operation of the hydraulic cylinder 1 described above the following modes of forging or forging press are supported: -Schlichten: Here, fast tool strokes of high frequency are required, the maximum force may be designed smaller due to a lower forming stroke. Accordingly, the hydraulic cylinders 1 are used in the first of the above-described modes.
  • - Forging Slow tool strokes of low and medium frequency are required, and the maximum force due to a high forming stroke must be large. Accordingly, the hydraulic cylinders 1 are used in the second of the above-described modes.
  • forging can be provided that, if necessary, switched between the modes to quickly move the tools over long distances, while no conversion takes place. This can be done, for example, in the course of a workpiece feed and allows an overall acceleration of the forging process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hydraulikzylinder, umfassend einen Zylinder (2), ein in dem Zylinder (2) in einer Wirkrichtung W bewegbar geführtes Kolbenglied (3) mit einer Wirkfläche (5, 7), und eine erste Öffnung zur Zuführung eines Fluids in einen Zylinderraum (4, 6) über der Wirkfläche (5, 7), wobei ein auf die Wirkfläche (5, 7) wirkender Arbeitsdruck des Fluids das Kolbenglied (3) in der Wirkrichtung antreibt, wobei die Wirkfläche eine erste Teilfläche (5) und zumindest eine zweite Teilfläche (7) aufweist, wobei der Zylinderraum in einen ersten Teilraum (4) mit der ersten Öffnung (4a) über der ersten Wirkfläche (5) sowie einen zweiten Teilraum (6) mit einer zweiten Öffnung (6a) über der zweiten Teilfläche (7) aufgeteilt ist, und wobei die Teilräume (4, 6) zumindest in einer selektierbaren Betriebsart hydraulisch voneinander getrennt sind.

Description

Hydraulikzylinder
Die Erfindung betrifft einen Hydraulikzylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Umformmaschine mit einem erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder.
DE 198 46 348 A1 beschreibt eine Schmiedepresse, bei der hydraulische Zylinder als Antriebseinheiten für umformende Werkzeuge vorgesehen sind. Solche Hydraulikzylinder erlauben sowohl eine große Kraft als auch einen großen Verfahrweg. Die Bereitstellung dieser Eigenschaften bedingt eine entsprechend hohe Förderleistung einer hydraulischen Pumpe.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Hydraulikzylinder anzugeben, der hohe Kräfte und große Stellwege mit niedriger Antriebsleistung kombiniert.
Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Hydraulikzylinder erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch das Aufteilen der Wirkfläche bzw. des hydraulisch beaufschlagbaren Volumens in zumindest zwei Teilräume kann eine je nach Anforderungen verschiedene Ansteuerung realisiert werden. Zum Beispiel kann bei gleicher Zuführleistung des Fluids entweder ein schneller Vorschub des Kolbens bei geringer Arbeitskraft oder ein langsamer Vorschub bei hoher Arbeitskraft gewählt werden. Insgesamt erlaubt dies die Optimierung der Anwendungen des Hydraulikzylinders bezüglich einer Minimierung der Antriebsleistung.
Unter einem Hydraulikzylinder wird im Sinne der Erfindung allgemein ein mit einem hydraulischen, bevorzugt flüssigen Fluid angetriebenes Stellglied verstanden. Das Fluid ist bevorzugt ein Hydrauliköl, wie es üblicherweise bei Hydraulikzylinder zum Einsatz kommt. Der Zylinder des Hydraulikzylinders ist im Sinne der Erfindung nicht notwendig von kreisförmigem Querschnitt, so dass sich der Begriff „Zylinder" vorliegend auf die Funktion und nicht notwendig auf eine geometrische Form bezieht. Entsprechend der überwiegenden Praxis des Baus von Hydraulikzylindern wird aber ein kreisförmiger Querschnitt des Zylinders bevorzugt gewählt. Bei einer möglichen Alternative kann der Zylinder auch einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen. Dies würde ein Verdrehen des Kolbenglieds im Zylinder verhindern. Zudem können gegebenenfalls auftretende Querkräfte besser aufgefangen werden.
Eine Wirkfläche ist im Sinne der Erfindung eine Oberfläche des Kolbenglieds, auf die der Arbeitsdruck des Fluids wirken kann, um das Kolbenglied in die Wirkrichtung zu drücken. Die körperliche Wirkfläche muss nicht eben und senkrecht zu der Wirkrichtung verlaufen, wobei aber nur ihr projizierter Anteil senkrecht zu der Wirkrichtung zu der Antriebskraft des Kolbenglieds beiträgt. Ein Zylinderraum im Sinne der Erfindung ist der gesamte Raum, den das Fluid in dem Zylinder je nach Stellung des Kolbenglieds ausfüllt.
Gemäß der erfindungsgemäßen Aufteilung des Zylinderraums in zwei hydraulisch voneinander trennbare Teilräume muss nicht notwendig der gesamte Zylinderraum unter dem Arbeitsdruck des Fluid stehen. Es kann auch je nach Betriebsart einer der Teilräume druckfrei sein bzw. im Wesentlichen unter Atmosphärendruck stehen. Bei Bedarf können auch beide Teilräume unter verschiedenen Arbeitsdrücken stehen. Im Sinne der Erfindung können auch mehr als zwei hydraulisch voneinander getrennte Teilräume vorgesehen sein.
Ein Verhältnis der Größen der beiden Teilflächen kann je nach Bedarf angepasst sein. Ein Verhältnis im Bereich zwischen 50:50 und 20:80 ist für viele Anwendungen zweckmäßig. Bei einem asymmetrischen Verhältnis der Teilflächengrößen von z.B. 30:70 ergibt sich die Möglichkeit einer mehrfachen Abstufung einer Kraftbeaufschlagung, also z.B. 30%, 70% und 100% einer Maxi mal kraft je nach Beaufschlagung der Teilräume mit Fluid. Bei einer bevorzugten Detailgestaltung ist ein Verhältnis der Teilflächen asymmetrisch und beträgt zwischen 45:55 und 20:80, besonders bevorzugt zwischen 40:60 und 20:80. Dies ermöglicht eine gezielte Beaufschlagung der Teilräume mit Fluid zum Beispiel auch während eines Schmiedevorgangs. So ist zu Beginn eines Schmiedevorgangs ein Ausgangsblock kurz und groß im Durchmesser. Ein Wärmeverlust ist dann gering, aufgrund des Oberflächen- Volumen-Verhältnisses. Das heißt, in einem solchen Fall kann mit einer geringen Hubfrequenz geschmiedet werden, wobei aber große Presskräfte benötigt werden. Wenn im Laufe des Schmiedens der Ausgangsblock auf eine Endgeometrie umgeformt wird, kühlt dieser schneller aus. Das erfordert eine höhere Hubfrequenz, wobei die erforderliche Presskraft aber nicht mehr so groß ist, da die gedrückte Fläche kleiner wird. Im Interesse einer einfachen baulichen Realisierung kann es vorgesehen sein, dass die Teilräume konzentrisch um eine Mittelachse des Zylinders verlaufen. Bei einer besonders zweckmäßigen Detailgestaltung ragt dabei an einem von beiden, Kolbenglied oder Zylinder, eine insbesondere zylindrische Stufe zur Trennung der Teilräume parallel zu der Wirkrichtung vor. Auf diese Weise kann zum Beispiel der eine Teilraum einen vollzylindrischen Raum ausbilden, der von dem zweiten Teilraum in Form eines Ringzylinders umgeben ist, welcher zudem in der Wirkrichtung versetzt zu dem ersten Teilraum angeordnet ist.
Allgemein vorteilhaft ist es vorgesehen, dass die Teilräume mit einer hydraulischen Pumpeinheit und einer Ventilanordnung verbunden sind, wobei die Ventilanordnung eine Fluidbeaufschlagung der Teilräume in mindestens zwei Betriebsarten ermöglicht. Insbesondere können hierdurch die meisten oder auch sämtliche hydraulisch schaltenden Bauteile außerhalb des Hydraulikzylinders angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt in einer ersten der Betriebsarten ein schneller Vorschub des Kolbenglieds bei verringerter Kolbenkraft vor, wobei in einer zweiten der Betriebsarten ein langsamer Vorschub des Kolbenglieds bei hoher Kolbenkraft vorliegt, und wobei die Betriebsarten durch unterschiedliche Beaufschlagung der Teilräume mit Fluid unter Arbeitsdruck realisiert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Ventilanordnung ein Steuerventil mit einem in der Wirkrichtung verschiebbaren Pilotkolben umfasst. Solche Pilotkolben als Steuerventile sind zum Beispiel aus der eingangs genannten DE 198 46 348 A1 bekannt und erlauben eine schnelle und genaue Ansteuerung des Hydraulikzylinders. Der Pilotkolben schließt bei seinem Vorschub einen Ablauf des Zylinders, was wiederum zu einem Druckaufbau und Vorschub des Kolbenglieds führt. Zur einfachen Realisierung einer geringeren Pumpleistung kann einer der Teilräume durch die Ventilanordnung mit einem Hydraulikreservoir verbindbar sein. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Hydraulikreservoir dabei druckfrei. Dies stellt ein Befüllen und Entleeren des nicht mit Arbeitsdruck beaufschlagten Teilraums im Zuge der Kolbenbewegung sicher, so dass jederzeit ein schnelles Beaufschlagen des zweiten Teilraums mit Fluid unter Arbeitsdruck ermöglicht ist. Eine Druckfreiheit des Hydraulikreservoirs bedeutet im Sinne der Erfindung, dass entweder atmosphärischer Druck oder auch ein höherer Druck in dem Reservoir anliegt, um einen schnellen Fluidaustausch zu gewährleisten. Eine Verbindung zu dem hohen Druck einer Hydraulikpumpe besteht jedoch nicht. Das Hydraulikreservoir kann insbesondere als ein Druckspeicher in Form eines hydraulischen Akkumulators ausgebildet sein. Der Akkumulator kann zum Beispiel als Federspeicher oder auf andere Weise realisiert sein. Grundsätzlich ist aber auch möglich, dass das Hydraulikreservoir mit Druck beaufschlagt ist, sofern dies erforderlich ist. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest einer der Teilräume, bevorzugt beide Teilräume, mittels eines stromabwärts des Teilraums angeordneten Ventils mit dem Fluid beaufschlagbar. Bei offenem Ventil strömt das Fluid dann druckfrei durch den Teilraum oder einen Abzweig, und bei geschlossenem oder gedrosseltem Ventil erfolgt eine entsprechende Druckbeaufschlagung des jeweiligen Teilraums.
Allgemein vorteilhaft hat der Hydraulikzylinder eine rückstellende Wirkfläche, wobei das Kolbenglied durch Beaufschlagung der rückstellenden Wirkfläche mit dem Fluid entgegen der Wirkrichtung rückstellbar ist. Dies erlaubt eine einfache hydraulische Rückstellung des Kolbenglieds. Die Rückstellung kann je nach Anforderungen aber auch auf andere Weise realisiert sein.
Die vorliegende Erfindung zeigt erhebliche Vorteile bei großen Hydraulikzylindern, da hier erheblicher Aufwand in die Bereitstellung der hydraulischen Pumpen und der elektrischen Versorgung anfällt. Entsprechend ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die gesamte Wirkfläche des Kolbenglieds wenigstens 1000 cm2, insbesondere wenigstens 2000 cm2, beträgt. Die Arbeitsdrücke des Fluids werden dabei herkömmlich gewählt und liegen typisch im Bereich zwischen 200 und 500 bar. Bevorzugte Maxi mal kräfte des Kolbenglieds betragen mehr als 3 MN, bevorzugt zwischen 5 und 30 MN oder darüber.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass drei oder mehr hydraulisch voneinander trennbare Teilräume mit ihren jeweils zugeordneten Teilflächen des Kolbenglieds vorgesehen sind. Dies erlaubt eine noch weitere Differenzierung der Presskräfte und Hubgeschwindigkeiten des Kolbenglieds. Die Teilräume können insbesondere jeweils konzentrisch zueinander verlaufen. Eine Trennung der Teilräume kann analog zu Ausführungen mit nur zwei Teilräumen mittels entsprechender Abstufungen an Kolbenglied und/oder Zylinder erfolgen. Eine besonders bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders betrifft den Bereich großer Umformmaschinen, insbesondere Schmiedepressen. Die Erfindung betrifft daher zudem eine Umformmaschine zur Formgebung eines Werkstücks, wobei ein Werkzeug der Umformmaschine mittels eines erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders mit einer Umformkraft beaufschlagbar ist.
In bevorzugter Ausführungsform wird die Umformkraft ausschließlich durch einen oder mehrere Hydraulikzylinder ausgeübt, so dass keine zusätzliche mechanische Kraftübertragung wie etwa durch eine Welle erforderlich ist. Eine solche Auslegung der Umformmaschine ist durch die Flexibilität eines erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders besonders begünstigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umformmaschine als Radialschmiedemaschine ausgebildet. Besonders bevorzugt umfasst die Radialschmiedemaschine wenigstens vier paarweise gegeneinander arbeitende Werkzeuge. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Radialschmiedemaschine beschränkt, sondern kann auch in hydraulischen Pressen, wie beispielsweise Freiformschmiedepressen, Gelenkpressen oder Strangpressen aber auch in hydraulischen Hämmern Anwendung finden.
Allgemein vorteilhaft erfolgt in einer ersten Betriebsart ein Schlichten des Werkstücks unter Beaufschlagung nur eines des Teilräume mit Fluid unter Arbeitsdruck, wobei in einer zweiten Betriebsart der Umformmaschine ein Schmieden des Werkstücks unter Beaufschlagung beider Teilräume mit Fluid unter Arbeitsdruck erfolgt. Dies erlaubt einen effektiven Einsatz derselben Umformmaschine für verschiedene Formgebungsverfahren.
Weiterhin vorteilhaft erfolgt in einer Betriebsart der Umformmaschine eine schnelle Positionierung des Kolbenglieds unter Beaufschlagung nur eines des Teilräume mit Fluid unter Arbeitsdruck, wobei nach der Positionierung ein Umformen des Werkstücks unter Beaufschlagung beider Teilräume mit Fluid unter Arbeitsdruck erfolgt. Dies erlaubt eine verringerte Leistung einer hydraulischen Versorgungseinheit bei ansonsten gleichen Leistungsdaten bezüglich Geschwindigkeit und Maximal kraft der Umformmaschine.
Allgemein vorteilhaft kann ein erfindungsgemäßer Hydraulikzylinder als Ersatz für einen herkömmlichen Hydraulikzylinder bestehender Umformmaschinen ausgebildet sein. Vereinfacht kann die Erfindung sowie weitere Vorteile wie folgt beschrieben werden. Ein variables Verhältnis der Teilflächen je nach Erfordernis ermöglicht eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich erzielbarer Hubzahlen, was vor allem beim Umformen von temperaturkritischen Werkstoffen vorteilhaft ist. Durch die Aufteilung der Teilflächen in Kombination mit geeigneten Schmiedestrategien ist eine Reduzierung der installierten Leistung und somit eine Energieeinsparung, bei gleichzeitig vergleichbarer Produktivität möglich. Vorteilhaft ist zudem, dass eine Aufteilung der Teilflächen auch für bestehende Anlagen grundsätzlich möglich ist. Der Vorteil der Energieeinsparung wird bei Einsatz eines Energiespeichers, beispielsweise in Form eines Schwungrads welches Energie im Leerlauf speichert und bei Bedarf abgibt, nochmals größer.
Der Einsatz der Erfindung kann unabhängig von der Schmiedestrategie erfolgen. Beispielsweise ist es möglich eine konventionelle Strategie, wie sie beim Freiformschmieden zum Einsatz kommt, und durch großen Vorschub ohne Drehung des Werkstücks, jedoch unter Einsatz von vier zeitgleich auf das Werkstück einwirkenden Werkzeugen, charakterisiert ist, anzuwenden. Beim Einsatz bei dieser Schmiedestrategie können hohe Hubzahlen einfach realisiert werden. Beim Einsatz der Erfindung in Kombination mit einer Strategie, bei welcher jeweils zwei gegenüberliegende Werkzeuge einer Radialschmiedemaschine auf das Werkstück einwirken, können ebenfalls hohe Hubzahlen in Verbindung mit einer nochmal optimierten Kerndurchschmiedung realisiert werden.
Sofern der erfindungsgemäße Hydraulikzylinder mit einer Werkzeugschiebung, also eine Anpassung des Schmiedebereichs mittels Werkzeuge erfolgt, kann die Produktivität nochmals erhöht werden.
All diese Kombinationsmöglichkeiten führen zu einer signifikanten Produktivitätssteigerung durch Verbesserung der Kerndurchschmiedung der Werkstücke bei gleichzeitig geringerem Energiebedarf.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders einer Umformmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt den Hydraulikzylinder aus Fig. 1 in einer weiteren Betriebsart.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders einer Umformmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der in Fig. 1 gezeigte, erfindungsgemäße Hydraulikzylinder 1 umfasst einen Zylinder 2, in dem ein Kolbenglied entlang einer Wirkrichtung W linear verschiebbar geführt ist. Das Kolbenglied 3 hat eine zylindrische Stufe 3a, die in eine entsprechende Abstufung des Zylinders 2 vorragt. Hierdurch wird hydraulisch ein erster Teilraum 4 über einer ersten Teilfläche 5 einer Wirkfläche des Kolbenglieds 3 definiert. Der erste Teilraum hat im Wesentlichen die Form eines Vollzylinders.
Der erste Teilraum 4 ist durch die Stufe 3a von einem zweiten Teilraum 6 über einer zweiten Teilfläche 7 der Wirkfläche des Kolbenglieds 3 hydraulisch abgetrennt. Der zweite Teilraum 6 hat im Wesentlichen die Form eines Ringzylinders.
Die Teilräume 4, 6 bilden insgesamt einen Zylinderraum des Zylinders 2. Die Wirkfläche des Kolbenglieds 3 ist die Summe der Teilflächen 5, 7. Die Größe der Teilräume 4, 6 variiert je nach momentaner Position des Kolbenglieds 3 in dem Zylinder 2.
Jeder der Teilräume 4, 6 hat eine jeweilige Öffnung 4a, 6a, durch die ein hydraulisches Fluid in den Teilraum 4, 6 fließen kann. Die Öffnungen 4a, 6a sind über Hydraulikleitungen 8 mit einer Ventilanordnung 9 und einer hydraulischen Pumpeinheit (nicht dargestellt) verbunden. Eine Fließrichtung des Fluids bei Beaufschlagung mit Arbeitsdruck durch die Pumpeinheit ist als Pfeil P dargestellt. Die Teilräume 4, 6 sind gemäß den vorstehenden Ausführungen hydraulisch voneinander getrennt, können aber je nach Auslegung der Ventilanordnung 9 bei Bedarf hydraulisch miteinander verbunden werden.
Vorliegend umfasst die Ventilanordnung 9 ausgehend von der Pumpeinheit einen ersten Abzweig 10, ein diesem nachgeordnetes erstes Ventil 1 1 und einen diesem nachgeordneten zweiten Abzweig 12. Der erste Abzweig 10 führt zu dem ersten Teilraum 4, so dass dieser im vorliegenden Beispiel permanent durch die Pumpeinheit mit dem Fluid unter Arbeitsdruck beaufschlagt wird. Der zweite Abzweig 12 führt einerseits zu dem zweiten Teilraum 6 und andererseits zu einem Reservoir 13, das durch ein zweites Ventil 14 zwischen dem zweiten Abzweig 12 und dem Reservoir 13 absperrbar ist. Das Reservoir ist mit Fluid im Wesentlichen unter Atmosphärendruck gefüllt.
Ein Ablauf 15 des ersten Teilraums 4 führt zu einem Sumpf und/oder einer Ansaugseite der Pumpeinheit zurück. Der Ablauf 15 ist durch einen in der Wirkrichtung W antreibbar verschiebbaren Pilotkolben 16 steuerbar verschließbar, so dass der Pilotkolben 16 mit dem Ablauf 15 ein Steuerventil der Ventilanordnung 9 ausbildet. Über den Pilotkolben 16 wird vorliegend die Position des Kolbenglieds 3 in Wirkrichtung eingestellt. Der Pilotkolben 16 ist vorliegend ebenfalls hydraulisch angetrieben, kann aber je nach Anforderungen auch einen elektromotorischen oder sonstigen Antrieb aufweisen.
Zur dynamischen Veränderung der Position des Kolbenglieds 3 in beiden Richtungen liegt zudem eine wesentlich kleinere, rücktreibende Kraft über eine rückstellende Wirkfläche 17 in einem Rückstellraum 18 an dem Kolbenglied 3 an. Die rückstellende Wirkfläche 17 wird ebenfalls durch Fluid unter Arbeitsdruck beaufschlagt. Hier wirkt der Arbeitsdruck des Fluids im Gegensatz zu den beiden Teilräumen nicht in der Wirkrichtung, sondern in umgekehrter Richtung. Das Funktionsprinzip des Pilotkolbens ist zudem in der DE 198 46 348 A1 im Detail dargestellt.
Die Erfindung funktioniert nun wie folgt: Bei einer ersten Betriebsart ist das erste Ventil 10 geschlossen und das zweite Ventil 14 geöffnet. Hierdurch wird nur der erste Teilraum 4 mit Fluid unter Arbeitsdruck von der Pumpeinheit versorgt, der zweite Teilraum ist über das zweite Ventil mit dem Reservoir 13 verbunden. Dies stellt eine ständige Füllung mit Fluid unter Atmosphärendruck oder einem geringfügig höheren Druck zur Verbesserung einer Fließgeschwindigkeit sicher. Unter diesen Bedingungen ist eine Maximalkraft des Kolbenglieds 3 reduziert, wobei zugleich eine schnelle Kolben beweg ung bei gegebenem Volumenstrom durch die Pumpeinheit erreicht wird. Bei einer zweiten Betriebsart ist das erste Ventil 10 geöffnet und das zweite Ventil 14 geschlossen. Hierdurch steht das Reservoir 13 nicht mehr mit dem Zylinder 2 in Verbindung, und die beiden Teilräume 4, 6 sind hydraulisch parallel verbunden.
Dies entspricht einem Betrieb eines herkömmlichen Hydraulikzylinders, dessen Arbeitsraum der Summe der Teilräume 4, 6 und dessen Wirkfläche der Summe der Teilflächen 5, 7 beträgt. Hierdurch wird im Vergleich zu der ersten Betriebsart eine größere Maximal kraft des Kolbenglieds 3 erreicht, wobei eine Geschwindigkeit der Kolbenbewegung bei gleichem Volumenstrom des Fluids geringer ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 ist eine vereinfachte Ventilanordnung 9 ohne einen Pilotkolben 16 gewählt. Funktionsgleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie im ersten Beispiel versehen.
Das Kolbenglied 3 ist in der schematischen Zeichnung schraffiert dargestellt. Eine zylindrische, vorragende Stufe 2a ist bei diesem Beispiel als Teil des Zylinders 2 ausgebildet, so dass das Kolbenglied im Wesentlichen eine Becherform aufweist. Diese Wahl der Formgebung ist von der Auslegung der Ventilanordnung 9 unabhängig.
Vorliegend hat die Ventilanordnung 9 einen ersten Abzweig 19, der zu dem ersten Teilraum 4 führt. Stromabwärts des Abzweigs 19 ist ein Ventil 20 angeordnet. Der zweite Teilraum 6 und der Rückstellraum 18 werden unmittelbar mit Fluid beschickt und haben Abflüsse 21 , 22. Hinter den Abflüssen 21 , 22 sind jeweils Ventile 23, 24 angeordnet. Erkennbar wird einer der Teilräume 4, 6 oder der Rückstellraum 18 genau dann mit Fluid unter Arbeitsdruck beaufschlagt, wenn das ihm zugeordnete Ventil 20, 23, 24 geschlossen wird.
Im Fall der Öffnung des jeweiligen Ventils 20, 23, 24 strömt das Fluid ohne Druckaufbau im Kreis. Entsprechend sind die drei Zuführungen P jeweils separat druckführend und nicht parallel zueinander geschaltet. Dies kann zum Beispiel durch separate hydraulische Pumpen erreicht werden.
Die Betriebsarten des Hydraulikzylinders gemäß dem zweiten Beispiel sind vollständig analog denen des ersten Beispiels. Im zweiten Beispiel kann zudem auf einfache Weise selektiert werden, welcher der Teilräume 4, 6 einzeln mit Arbeitsdruck beaufschlagt werden soll. Hierdurch kann der Betrieb noch flexibler gewählt werden, zum Beispiel wenn die Teilflächen unterschiedlich groß ausgelegt werden.
Vorliegend ist ein Hydraulikzylinder 1 gemäß einer der vorstehend beschriebenen Bauarten als Teil einer Umformmaschine in Form einer Radial-Schmiedepresse (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Summe der Wirkflächen, entsprechend der gesamten Querschnittsfläche des Zylinderraums des Zylinders 2, beträgt etwa 5000 cm2. Der Arbeitsdruck des Fluids liegt bei etwa 400 bar. Das Größenverhältnis der beiden Teilflächen 5, 7 beträgt etwa 50:50.
Die Umformmaschine umfasst vier in Kreuzform paarweise gegeneinander arbeitende Werkzeuge, wobei jedes der Werkzeuge durch einen vorstehend beschriebenen Hydraulikzylinder 1 angetrieben wird. Gemäß den vorstehend beschriebenen Betriebsarten des Hydraulikzylinders 1 werden folgende Betriebsarten der Umformmaschine bzw. Schmiedepresse unterstützt: -Schlichten: Hierbei sind schnelle Werkzeughübe von hoher Frequenz erforderlich, wobei die Maximal kraft aufgrund eines geringeren Umformhubs kleiner ausgelegt sein darf. Entsprechend werden die Hydraulikzylinder 1 in der ersten der vorstehend beschriebenen Betriebsarten eingesetzt. -Schmieden: Hierbei sind langsame Werkzeughübe von niedriger und mittlerer Frequenz erforderlich, wobei die Maximal kraft aufgrund eines hohen Umformhubs groß sein muss. Entsprechend werden die Hydraulikzylinder 1 in der zweiten der vorstehend beschriebenen Betriebsarten eingesetzt. Zudem kann beim Schmieden vorgesehen sein, dass bei Bedarf zwischen den Betriebsarten umgeschaltet wird, um die Werkzeuge über größere Strecken schnell zu verfahren, während keine Umformung erfolgt. Dies kann zum Beispiel im Zuge eines Werkstückvorschubs erfolgen und erlaubt insgesamt eine Beschleunigung des Schmiedevorgangs.
Bezugszeichenliste
1 Hydraulikzylinder
2 Zylinder
2a vorragende Stufe am Zylinder
3 Kolbenglied
3a vorragende Stufe am Kolbenglied
4 erster Teilraum
4a Öffnung erster Teilraum
5 erste Teilfläche
6 zweiter Teilraum
6a Öffnung zweiter Teilraum
7 zweite Teilfläche
8 Hydraulikleitungen
9 Ventilanordnung
10 Abzweig
1 1 Ventil
12 Abzweig
13 Reservoir
14 Ventil
15 Ablauf
16 Pilotkolben
17 rückstellende Wirkfläche
18 Rückstellraum
19 Abzweig
20 Ventil erster Teilraum
21 Abfluss zweiter Teilraum
22 Abfluss Rückstellraum Ventil zweiter Teilraum Ventil Rückstellraum Wirkrichtung
hydraulische Zuführung

Claims

Patentansprüche
Hydraulikzylinder, umfassend
einen Zylinder (2),
ein in dem Zylinder (2) in einer Wirkrichtung W bewegbar geführtes Kolbenglied (3) mit einer Wirkfläche (5, 7), und
eine erste Öffnung zur Zuführung eines Fluids in einen Zylinderraum (4, 6) über der Wirkfläche (5, 7),
wobei ein auf die Wirkfläche (5, 7) wirkender Arbeitsdruck des Fluids das Kolbenglied (3) in der Wirkrichtung antreibt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wirkfläche eine erste Teilfläche (5) und zumindest eine zweite Teilfläche (7) aufweist,
wobei der Zylinderraum in einen ersten Teilraum (4) mit der ersten Öffnung (4a) über der ersten Wirkfläche (5) sowie einen zweiten Teilraum (6) mit einer zweiten Öffnung (6a) über der zweiten Teilfläche (7) aufgeteilt ist, und wobei die Teilräume (4, 6) zumindest in einer selektierbaren Betriebsart hydraulisch voneinander getrennt sind.
Hydraulikzylinder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Teilflächen asymmetrisch ist und zwischen 45:55 und 20:80, insbesondere zwischen 40:60 und 20:80, beträgt.
Hydraulikzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilräume konzentrisch um eine Mittelachse des Zylinders (2) verlaufen.
Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem von beiden, Kolbenglied (3) oder Zylinder (2), eine insbesondere zylindrische Stufe (2a, 3a) zur Trennung der Teilräume (4, 6) parallel zu der Wirkrichtung (W) vorragt.
Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilräume (4, 6) mit einer hydraulischen Pumpeinheit und einer Ventilanordnung (9) verbunden sind, wobei die Ventilanordnung (9) eine Fluidbeaufschlagung der Teilräume (4, 6) in mindestens zwei Betriebsarten ermöglicht.
Hydraulikzylinder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten der Betriebsarten ein schneller Vorschub des Kolbenglieds (3) bei verringerter Kolbenkraft vorliegt, wobei in einer zweiten der Betriebsarten ein langsamer Vorschub des Kolbenglieds (3) bei hoher Kolbenkraft vorliegt, und wobei die Betriebsarten durch unterschiedliche Beaufschlagung der Teilräume (4, 6) mit Fluid unter Arbeitsdruck realisiert werden.
Hydraulikzylinder nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (9) ein Steuerventil mit einem in der Wirkrichtung verschiebbaren Pilotkolben (16) umfasst.
Hydraulikzylinder nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Teilräume (4, 6) durch die Ventilanordnung (9) mit einem insbesondere druckfreien Hydraulikreservoir verbindbar ist.
Hydraulikzylinder nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Teilräume (4, 6), insbesondere beide Teilräume (4, 6), mittels eines stromabwärts des Teilraums angeordneten Ventils (20, 23) mit dem Fluid beaufschlagbar sind.
10. Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (1 ) eine rückstellende Wirkfläche (17) aufweist, wobei das Kolbenglied (3) durch Beaufschlagung der rückstellenden Wirkfläche (17) mit dem Fluid entgegen der Wirkrichtung (W) rückstellbar ist.
1 1 . Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Wirkfläche (5, 7) des Kolbenglieds wenigstens 1000 cm2, insbesondere wenigstens 2000 cm2, beträgt.
12. Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei oder mehr hydraulisch voneinander trennbare Teilräume mit ihnen jeweils zugeordneten Teilflächen des Kolbenglieds vorgesehen sind.
13. Umformmaschine zur Formgebung eines Werkstücks, wobei ein Werkzeug der Umformmaschine mittels eines Hydraulikzylinders (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Umformkraft beaufschlagbar ist.
14. Umformmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformmaschine als Radialschmiedemaschine, insbesondere mit wenigstens vier paarweise gegeneinander arbeitenden Werkzeugen, ausgebildet ist.
15. Umformmaschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsart ein Schlichten des Werkstücks unter Beaufschlagung nur eines des Teilräume (4, 6) mit Fluid unter Arbeitsdruck erfolgt, wobei in einer zweiten Betriebsart der Umformmaschine ein Schmieden des Werkstücks unter Beaufschlagung beider Teilräume (4, 6) mit Fluid unter Arbeitsdruck erfolgt. Umformmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebsart eine schnelle Positionierung des Kolbenglieds (3) unter Beaufschlagung nur eines des Teilräume (4, 6) mit Fluid unter Arbeitsdruck erfolgt, wobei nach der Positionierung ein Umformen des Werkstücks unter Beaufschlagung beider Teilräume (4, 6) mit Fluid unter Arbeitsdruck erfolgt.
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