DE3204264C2 - - Google Patents

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.

Beispiel

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.

Tabelle

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.