Anlauf, Bild: Adobe Stock/romaset

Bei genauer Betrachtung liegt bei den Hydraulikzylindern von Pressen oft Verbesserungspotenzial. Bild: Adobe Stock/romaset

Die üblichen Hydraulikzylinder für Hydraulikpressen sind Nachsaug-Zylinder mit einem Eilvorlaufkolben. Bei der Abwärtsbewegung des Stößels im Eilgang fließt Öl aus einem Nachsaugbehälter durch ein geöffnetes Nachsaug- oder Füllventil in den Kolbenraum des Zylinders. Der Eilrücklauf erfolgt über die kleine Ringfläche des Zylinders, die zum Beispiel ein Sechstel der Kolbenfläche betragen kann. Für den Krafthub wird das Nachsaugventil geschlossen, was eine Schaltzeit erfordert, und die Hydraulikpumpe wird mit dem Kolbenraum verbunden.

Gegenkraft Grafik, Grafik: Ingenieursbüro Lemacher
Links: Ohne Gegenkraft entspannt sich das Öl im Kolbenraum. Der Kolben fährt dabei abwärts, bis die Energie verbraucht ist oder ein Anschlag im Werkzeug erfolgt. Rechts: Mit Schnittschlagdämpfung baut sich im Ringraum des Umwälzzylinders eine Gegenkraft auf, bis die Kolbenkraft der Kraft auf der Ringseite entsprecht. Das Eintauchen erfolgt mit reduzierter Geschwindigkeit. Anschließend wird der Kolbenraum mit dem Ringraum für den Eil-Rücklauf verbunden. Dabei beschleunigt die Restenergie aus Kolben- und Ringraum den gewichtsausgeglichenen Stößel nach oben. Grafik: Ingenieursbüro Lemacher

Öl ist kompressibel und am Ende des Krafthubes befindet sich circa 90 Prozent der Energie im Kolbenraum, vergleichbar mit einer großen, gespannten Spiralfeder. Nach dem Prägen wird das Öl in den Tank entspannt, was Dekompression genannt wird. Beim Stanzen ohne zusätzliche Dämpfungszylinder findet eine unkontrollierte Beschleunigung des Stößels nach unten statt (Schnittschlag). Der überwiegende Teil der gespeicherten Energie wird in Wärme umgewandelt, was über den Ölkühler ausgeglichen wird. Die Schaltzeit für das Schließen des Füllventils reduziert die Produktivität.

Aufbau mit Umwälz-Zylinder

Kolbenkraft Grafik, Grafik: Ingenieursbüro Lemacher
In diese Phasen teilt sich die Zylinderfahrt auf: 1 Start Eilvorlauf, 2 Ende Eilvorlauf, 3 Beginn Krafthub, 4 maximale Stanzkraft kurz vor dem Bruch, 5 Bruch: Dekompression bei B, Kompression bei R. Die Kräfte FB und FR sind im Gleichgewicht. Danach Weiterfahrt mit reduzierter Geschwindigkeit bis zur Eintauchtiefe SDKmax. Die Ölsäulen bei B und R verhalten sich wie Druckfedern mit unterschiedlicher Federrate. Die Vorkompression in R verringert die Eintauchtiefe und die Stanzkraft. Grafik: Ingenieursbüro Lemacher

Der Einsatz eines Umwälz-Zylinders kann den Energieverbrauch verbessern. Dieser hat einen Eilrücklaufkolben, der von der Größe einem Sechstel der Kolbenfläche entspricht. Die Kolbenstange hat einen rohrförmigen Querschnitt, der ebenfalls ein Sechstel der Kolbenfläche einnimmt. Für Ringfläche bleiben somit vier Sechstel der Kolbenfläche. Für den Eilvorlauf werden die Pumpe und der Eilrücklaufraum mit dem Kolbenraum verbunden. Dadurch öffnet das Umwälzventil automatisch und verbindet den Ringraum mit dem Kolbenraum, was Differentialschaltung genannt wird.

Für den Krafthub wird die Differentialschaltung beendet: Eilrücklaufraum und Ringraum sind mit dem Tank verbunden und das Umwälzventil schließt automatisch. Das Öl kann man sich in dieser Situation wie zuvor erläutert als gespannte Feder vorstellen. Am Ende des Krafthubes erfolgt die Entspannung des Öles (der „Feder“) anders als beim Nachsaug-Zylinder in den Ringraum und es wird für die integrierte Schnittschlagdämpfung und die Rückhubbeschleunigung eingesetzt. Dies resultiert in höherer Energieeffizienz.

Einsparpotenzial durch Gewichtsausgleich

Basisschaltplan, Grafik: Ingenieursbüro Lemacher
So kann ein Basisschaltplan für die Hydraulik der Presse mit Umwälz-Zylinder aussehen. Grafik: Ingenieursbüro Lemacher

Hydraulikpressen mit Umwälz-Zylinder können zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz einen Gewichtsausgleich für den Stößel und das Oberwerkzeug aufweisen, einen sogenannten schwebenden Stößel. Die Stößelführung erfolgt in diesem Fall durch Rollenumlaufeinheiten. Diese übertragen Druck- und Zugkräfte, sind wartungsarm und sorgen für eine hohe Kippsteifigkeit.

Der Standort des Hydraulikaggregates in der Nähe der Presse ist beliebig. Die Presse hat zweifache Sicherheit gegen Absinken. Eilrücklaufraum und Ringraum sind getrennt voneinander gesperrt. Der Pressenrahmen hat biegesteife Ecken. Joch und Tisch biegen sich unter Last nach außen. Die Rechteckholme biegen sich nach innen. Die Stößelführung ist so ausgelegt, dass sie der Biegung der Holme nach innen entgegenwirkt und aufhebt.

Hydraulikpressen mit diesen Eigenschaften gibt es seit einigen Jahren. Sie liegen bisher im Bereich von 160 bis 1000 Kilonewton. Das Ingenieursbüro Eduard Lemacher (nicht zu verwechseln mit „Lemacher Hydraulik“) will in diesem Jahr über die Kooperation mit einem Pressenhersteller Maschinen mit komplett überarbeiteten und erheblich verbesserten Konstruktionen entwickeln, die bei 400 bis 10.000 Kilonewton liegen sollen und sich ebenfalls durch hohe Energieeffizienz auszeichnen.

Die vorliegenden Ausführungen schildern die Vorteile des Umwälz-Zylinders. Dabei wurden viele Dinge wie Schnittschlagdämpfung nur erwähnt, ohne den Vorgang näher zu beschreiben. Verstärkte Rückhubkraft, Kurzhubeinrichtung, Spülwirkung durch Relativströmung, Funktion des Umwälz- und des Entlastungsventiles sind auch nur angerissen. Aufbau des Pressenrahmens und die einfache Berechnung mit Vorherbestimmung der zu erwartenden Kippsteifigkeit nach DIN 55189 Teil 2, Gewichtsausgleichzylinder mit Wegmesssystem wurden ebenfalls nur angesprochen. do

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