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Title:
METHOD FOR MANUFACTURING A PISTON ROD UNIT AND A HOLLOW SHAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/220202
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for manufacturing a lightweight piston rod unit or shaft comprising a rod (20) that is drilled hollow as a deep hole (21) is drilled into the rod shank, whereupon the opening created in the rod is closed using a forging process.

Inventors:
GUHL, Christoph (Lerchenweg 8/1, Erolzheim, 88453, DE)
MÜLLER, Bernhard (Auenstraße 14, Rot an der Rot, 88430, DE)
Application Number:
EP2017/000723
Publication Date:
December 28, 2017
Filing Date:
June 21, 2017
Export Citation:
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Assignee:
LIEBHERR-COMPONENTS KIRCHDORFGMBH (Liebherrstraße 12, Kirchdorf, 88457, DE)
International Classes:
B23P15/10; E02F9/22; F15B15/14
Domestic Patent References:
WO2002052115A22002-07-04
Foreign References:
EP2148014A22010-01-27
EP3001075A12016-03-30
EP2455553A12012-05-23
DE202014006861U12014-12-01
DE8308769U11983-09-08
DE8210371U11982-06-24
GB2087035A1982-05-19
US1383002A1921-06-28
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
LAUFHÜTTE, Dieter (Lorenz Seidler Gossel, Rechtsanwälte Patentanwälte Partnerschaft mbBWidenmayerstraße 23, München, 80538, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Kolbenstangen-Einheit in Leichtbauweise, mit einer Kolbenstange oder Welle, die durch eine Tieflochbohrung im Stangenschaft hohl gebohrt wird und die resultierende Stangenöffnung im Anschluss mittels Schmiedevorgang verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange samt Kolbenstangenkopf aus einem Rohling mechanisch herausgearbeitet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Stangenende der Kolbenstange ein Materialüberstand belassen wird, der bei entsprechender thermo-mechanischer Belastung während des Schmiedevorgangs die resultierende Bohrungsöffnung der Tieflochbohrung zusetzt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schmiedeprozess ein Dorn in die Tieflochbohrung, insbesondere in die Bohrungsöffnung am Stangenende, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Dorn eine nicht glatte, konusartige Oberflächenstruktur aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Dorn eine glatte Oberflächenstruktur aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn im Anschluß an den Schmiedevorgang wieder entnommen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Stangenschaft liegende Ende der Tieflochbohrung radial ausgeformt ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange ausschließlich über eine externe Verbindungsart, vorzugsweise eine Schraubverbindung, mit einem Kolben der Kolbenstangen-Einheit formschlüssig verbunden wird.

10. Kolbenstangen-Einheit, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

11. Verwendung der Kolbenstangen-Einheit gemäß Anspruch 10 für ein Miningge- rät, insbesondere einen Mining-Bagger, idealerweise als Löffelzylinder.

12. Mininggerät, insbesondere Mining-Bagger, mit wenigstens einer Kolbenstangeneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange der Kolbenstangeneinheit hohl ausgeführt ist. Mininggerät, insbesondere Mining-Bagger, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstangen-Einheit nach Anspruch 10 ausgestaltet ist.

Description:
Verfahren zur Herstellung einer Kolbenstangen-Einheit sowie einer hohlen Welle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kolbenstangeneinheit in Leichtbauweise sowie eine Welle, die nach einem derartigen Verfahren hergestellt wurde.

Kolbenzylindereinheiten, insbesondere Hydraulikzylinder, kommen häufig bei großen Arbeitsmaschinen zum Einsatz. Ein ständiges Ziel der Entwickler ist es, die Arbeitsmaschinen hinsichtlich ihres Gesamtgewichtes zu optimieren, um nicht nur Produktionskosten einzusparen, sondern ebenfalls die Arbeitseffizienz der Maschinen zu optimieren. Die in Hydraulikzylindern verbauten Kolbenstangeneinheiten tragen zwar nur einen vergleichsweise geringen Anteil zum Gesamtgewicht bei, jedoch lassen sich gerade bei großen Maschinentypen, wie beispielsweise bei Mi- ninggeräten, auch hier beträchtliche Gewichtseinsparungen erzielen.

Aktuelle Entwicklungen zum Leichtbauzylinder sehen überwiegend eine hohle Kolbenstangenkonstruktion vor, allerdings erfolgt die Anbindung der hohlen Kolbenstange, die oft ein einfaches Rohrelement ist, mithilfe von Schraub- oder Schweißverbindungen an den Kolbenstangenkopf und den Kolben. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist die äußerst negative Auswirkung dieser Verbindungsarten auf die dynamische Belastungsbeständigkeit des Leichtbauzylinders. Insbesondere werden hierfür mit Refraktärmetallen vergütete Stähle mit erhöhten Kohlenstoff- äquivalenten verwendet, die zwar durch das Vergüten des Stahls eine erhöhte Festigkeit erreichen, sich aber aufgrund verfestigender Ausscheidungsphasen im Stahl schlecht schweißen lassen. Aus diesem Grund ist der Einsatz von hohlen Kolbenstangenkonstruktionen insbesondere bei hydraulischen Kolbenstangeneinheiten für Miningmaschinen bisher nicht möglich, da sich die dort verwendeten Verbindungstechniken auf Grundlage von Schraub- und Schweißverbindungen nicht mit der Leichtbauweise vereinbaren lassen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Herstellungsverfahren für eine Kolbenstangeneinheit aufzuzeigen, das eine optimale Leichtbauweise insbesondere für Mininggeräte ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, für die Herstellung der Kolbenstangeneinheit zunächst eine Kolbenstange mittels Tieflochbohrung im Stangenschaft hohl zu bohren, um für die gewünschte Gewichtsersparnis zu sorgen. Die resultierende Stangenöffnung der Tieflochbohrung am Stangenende wird im Anschluss mittels Schmiedevorgang verschlossen. Durch diese Maßnahme eignet sich die resultierende verschlossene Kolbenstange auch für den Einsatz bei schwerem Mininggerä- ten, da sich die durch den Schmiedevorgang verschlossene Stangenöffnung in herkömmlicher Art und Weise mit dem Kolben konventioneller Kolbenstangeneinheiten verbinden lässt. Insbesondere kann die resultierende Kolbenstange über eine einfache Schraubverbindung mit dem Kolben verbunden werden. Als geeignetes Schmiedeverfahren erweist sich das Freiformschmieden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kolbenstange zunächst samt Kolbenstangenkopf aus einem Rohling mechanisch herausgearbeitet wird. Gegenüber dem Stand der Technik sind folglich Kolbenstange und Kolbenstangenkopf als einteiliges Bauteil aufzufassen, etwaige Verbindungen zwischen beiden Abschnitten der Kolbenstange entfallen.

Bei der mechanischen Bearbeitung der Kolbenstange aus einem Rohling wird vorzugsweise derart vorgegangen, sodass am Stangenende der Kolbenstange ein Ma- terialüberstand belassen wird. Insbesondere wird ein Materialüberstand in Radialrichtung am kolbenseitigen Ende der rohrförmigen Kolbenstange belassen. Dieser Materialüberstand wird bei entsprechender thermo-mechanischer Belastung während des Schmiedevorgangs idealerweise dazu verwendet, die durch die Tieflochbohrung resultierende Bohrungsöffnungen zuzusetzen. Der Materialüberstand wird folglich aufgrund der thermo-mechanischen Belastung zum Fließen in radialer Richtung des Zylinders gebracht. Hierdurch gelingt es, die Bohröffnung am Stangenende zu verschließen, ohne dabei auf anderweitige, sich negativ auf die dynamische Belastungsbeständigkeit des Zylinders auswirkende Verbindungstechniken zurückgreifen zu müssen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem beginnenden Schmiedeprozess ein Dorn in die Tieflochbohrung eingesetzt, insbesondere im Bereich der Bohrungsöffnung am Stangenende. Durch den eingelegten Dorn kann ein präzises Schließen der Bohröffnung beim Schmieden und damit ein vollständiges Abdichten des Hohlraums der Kolbenstange erreicht werden. Zudem ist der eintretende Materialfluss während des Schmiedens besser kontrollierbar.

Der eingesetzte Dorn kann zylinderartig mit einem spitzzulaufenden Ende ausgestaltet sein. Denkbar sind jedoch auch andere geometrische Formen.

Der Dorn kann eine glatte Oberflächenstruktur aufweisen. Alternativ kann die Dornoberfläche auch eine nicht glatte Struktur vorsehen, beispielsweise mit einem wellenartigen oder anderen nicht glatten Profil. Durch eine nicht glatte Oberflächenstruktur des Doms kann die Qualität des Verschlusses optimiert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der innenliegende Hohlraum während jeder Betriebssituation gegen das Eindringen des nicht kompressiblen Hydraulikmediums abgedichtet ist.

Vorteilhafterweise ist das Bohrungsende, d.h. der im Kolbenstangenschaft endende Bohrungsabschluss radial ausgestaltet. Ein ansonsten kantiger Bohrungsquerschnitt am Bohrungsende könnte zu einer möglichen Kerbwirkung führen.

Die nachfolgende Zusammensetzung der hergestellten Kolbenstange mit einem Kolben basiert beispielsweise ausschließlich auf einer Schraubverbindung. Dadurch kann auf etwaige Schweißverbindungen innerhalb der Kolbenstange vollständig verzichtet werden, was zu einer deutlich höheren dynamischen Belastungsbeständigkeit der gesamten Kolbenstangeneinheit führt. Da durch diese Vorgehensweise die Belastungsbeständigkeit der Einheit optimiert wird, sind im Endeffekt auch höhere Gewichtseinsparungen bei der Herstellung realisierbar.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Kolbenstangeneinheit, die nach einem derartigen Verfahren hergestellt worden ist. Die Kolbenstangeneinheit weist folglich dieselben Vorteile und Eigenschaften auf, wie sie voranstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.

Des Weiteren betrifft die Erfindung die erfindungsgemäße Verwendung der Kolbenstangeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Mininggerät, insbesondere für einen Miningbagger, idealerweise als Löffelzylinder.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Mininggerät, insbesondere einen Miningbagger mit wenigstens einer Kolbenstangeneinheit, die sich dadurch auszeichnet, dass die verbaute Kolbenstange der Kolbenstangeneinheit hohl ausgeführt ist. Vorteilhafterweise wurde die Kolbenstangeneinheit gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Das Mininggerät zeichnet sich folglich durch dieselben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wurden.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen näher dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 : einen erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder mit der neuartigen Kolbenstange,

Figur 2: eine Abbildung eines Zwischenproduktes bei der erfindungsgemäßen

Herstellung der Kolbenstange,

Figur 3: die Kolbenstange gemäß Figur 2 nach erfolgtem Schmiedevorgang und

Figur 4: die Kolbenstange gemäß Figur 2 nach erfolgtem Schmiedevorgang gemäß einer alternativen Ausgestaltung.

Durch die Erfindung wird ein Fertigungsverfahren eines Hydraulikzylinders in Leichtbauweise vorgeschlagen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion besteht darin, dass auf etwaige Schweißverbindungen innerhalb der Kolbenstange vollständig verzichtet werden kann und notwendige Schraubverbindungen nur auf eine einzige Verbindungsstelle zwischen Kolbenstange und Kolben reduziert werden. Figur 1 zeigt einen fertig montierten Hydraulikzylinder in Form eines Differentialzylinders, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Der Hydraulikzylinder umfasst das Zylindergehäuse 10 mit der darin verschieblich gelagerten Kolbenstange 20 samt Kolben 25. Der Kolben 25 ist über eine Schraubverbindung 26 mit dem im Zylinder 10 liegenden Kolbenstangenende verschraubt. Teil der Verschraubung ist das im Kolben 25 innenliegende Gewinde der Kolbenmutter Am Kolbenstangenkopf 22 ist ein Auge zur Montage der Kolbenstangeneinheit vorgesehen. Gleiches gilt für das verschlossene Zylinderende. Zur Erzielung der Leichtbauweise umfasst die Kolbenstange 20 eine Tiefbohrung 21 , die sich in Längsrichtung vom Kolbenstangenkopf 22 bis zum montierten Kolben 25 erstreckt.

Der Herstellungsprozess der Kolbenstangeneinheit sieht zunächst in einem ersten Schritt vor, die Kolbenstange 20 zunächst samt Kolbenstangenkopf 22 aus einem Rohling mechanisch herauszuarbeiten. Kolbenstange 20 und Kolbenstangenkopf 22 werden folglich aus ein und demselben Ausgangsbauteil gefertigt und sind als einteiliges Endprodukt zu betrachten. Ferner wird während des Bearbeitungsprozesses ein radialer Materialüberstand 30 am Stangenende der Kolbenstange 20 belassen.

Im Anschluss erfolgt die Tieflochbohrung 21 vom Stangenende in Richtung des Stangenkopfes 22 mit der Bohrungslänge B. Das innere Ende 23 der Tieflochbohrung 21 wird radial ausgeführt, um damit eine mögliche Kerbwirkung durch einen kantigen Bohrquerschnitt zu vermeiden. Das resultierende Zwischenprodukt ist der Figur 2 zu entnehmen. Die Kolbenstange hat eine Länge L.

Das überstehende Material 30 wird nach erfolgter Tieflochbohrung 21 verwendet, um die Bohröffnung am Stangenschaft zu verschließen. Dies erfolgt mittels Freiformschmieden oder einem anderen geeigneten Schmiedevorgang. Beim Schmiedevorgang wird das überstehende Material 30 dann ausgehend von der thermo- mechanischen Belastung zum Fließen in radialer Richtung des Zylinders gebracht. Hierdurch gelingt es, die Bohröffnung am Stangenschaft zu verschließen, ohne dabei auf anderweitige, sich jedoch negativ auf die dynamische Belastungsbeständigkeit auswirkende Verbindungstechniken, zurückgreifen zu müssen.

Vor dem Schmieden kann eine Art Dorn 40 in die Bohrung 21 eingelegt werden (s. Figur 3), um einerseits die Bohröffnung präzise schließen und abdichten zu können und um andererseits den Materialfluss während des Schmiedens besser kontrollieren zu können. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht weiterhin, dass sowohl bei der Werkstoffwahl als auch bei den Bohrdimensionen freier agiert werden kann. Das bedeutet insbesondere, dass aufgrund der vermiedenen Schwachstellen, die durch bisherige Verbindungstechniken entstehen können, die Ausbeute hinsichtlich Gewichtsreduzierung erhöht werden kann. Bei großen Zylindern für den Miningbe- reich lassen sich dadurch teilweise bis zu 400 kg einsparen.

In einer weiteren Ausführung, wie in Figur 4 dargestellt, ist es auch denkbar, die Geometrie des Dorns 40' in einer wellenartigen oder anderen nicht glatten Form auszuführen, um damit die Qualität des Verschlusses zu erhöhen. Der innenliegende Hohlraum sollte nämlich während jeder Betriebssituation gegen das Eindringen des nicht kompressiblen Mediums abgedichtet werden.