VDI 2911-2007 Hydraulic cam Systems (HCS).pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREGeber-Nehmer-Systeme (G-N-S)Hydraulic cam systems (HCS)VDI 2911Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch Betriebstechnik, Teil 3: BetriebsmittelVDI-RICHTLINIENICS 23.100.99, 25.120.10Dezember 2007 December 2007Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . .

2、. . . . . . 21 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Hydrostatische Grundlagen . . . . . . . . . . 23 Aufbau und Funktionsweise des Geber-Nehmer-Systems . . . . . . . . . . . . 43.1 Geber-Nehmer-System Typ I . . . . . . . . 43.2 Geber-Nehmer-System Typ II . . . . . . . 74 Technische D

3、aten und Betriebsgren . . . . 114.1 Befllung und Verbindungsleitungen. . . . 125 Grundfunktionen des Geber-Nehmer-Systems . . . . . . . . . . . . 125.1 Kraft-/Geschwindigkeitsvariation . . . . . 125.2 Paralleler Antrieb mehrerer Nehmer . . . . 125.3 Paralleler synchroner Antrieb. . . . . . . . 125.4

4、 Zeitversetzter Antrieb. . . . . . . . . . . . 135.5 Vorauseilender Nehmer . . . . . . . . . . . 136 Vorteile des Systems . . . . . . . . . . . . . . 147 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . 158 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . 18Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、. . . 19Anhang A Geber-Nehmer-System Typ I Abmessungen . . . . . . . . . . . . . 20Anhang B Geber-Nehmer-System Typ II Abmessungen . . . . . . . . . . . . . 22Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser

6、Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.VDI-Gesellschaft Produktionstechnik (ADB)Ausschuss Stanzerei-GrowerkzeugeFrhere Ausgabe:01.04Entwurf,deutschFormeredition:01/04 Draft,

7、 inGermanonlyZubeziehendurch / Available atBeuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscher Ingenieuree.V., Dsseldorf 2007Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Hydrostatic p

8、rinciples . . . . . . . . . . . . . 23 Structure of the hydraulic cam system and how it works . . . . . . . . . . . . . . . . 43.1 Type I hydraulic cam system . . . . . . . . 43.2 Type II hydraulic cam system . . . . . . . 74 Technical data . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.1 Filling and connect

9、ing lines . . . . . . . . 125 Basic functions of the hydraulic cam system . . . . . . . . . . . . . 125.1 Variation of force and velocity . . . . . . . 125.2 Parallel drive of multiple working units . . 125.3 Parallel synchronous drive . . . . . . . . . 125.4 Time-shifted drive . . . . . . . . . . .

10、 . . 135.5 Leading working unit. . . . . . . . . . . . 136 Advantages of the system . . . . . . . . . . . 147 Examples of application . . . . . . . . . . . . 158Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Annex A Type I hydraulic cam syste

11、m Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . 21Annex B Type II hydraulic cam system Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . 23B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2007 2 VDI 2911VorbemerkungDer Inhalt

12、dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtl

13、inie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.1 AllgemeinesPressen leiten Krfte in vertikale

14、r Richtung in Um-form-, Beschneide- oder Lochwerkzeuge ein. Sind andere Kraftrichtungen erforderlich, so mssen ent-sprechende Richtungsumlenkungen vorgenommen werden.Dieses Umlenken von Krften im Werkzeugbau ist ein Thema, das Konstrukteure und Werkzeugbauer in vieler Hinsicht beschftigt. Zum einen

15、sollen die Wnsche nach neuem Design und besserer Qualitt der zu fertigenden Produkte verwirklicht werden, und zum anderen steht in gleichem Mae die Forderung nach einer kostengnstigeren Fertigung, Pflege und Wartung im Raum.Dem Konstrukteur stehen bisher fr eine Kraftum-lenkung Schieberwerkzeuge, wi

16、e Keilnormschieber, Rollenschieber und andere Keiltriebe, zur mechani-schen Kraftumlenkung zur Verfgung (VDI 3386).Es bietet sich ein neues System der Kraftumlenkung im Werkzeugbau an; das sogenannte Geber-Neh-mer-System“ auf hydraulischer Basis. 2 Hydrostatische GrundlagenDas Geber-Nehmer-System (G

17、-N-S) dient zum la-geungebundenen Bettigen von Werkzeugschiebern, Formkeilen, Niederhaltern usw. in hubausfhrenden Maschinen.Mit diesem System knnen Schieber direkt angetrie-ben und Umlenkschieber und Treiber eingespart wer-den. Das G-N-S ist rumlich variabel einsetzbar. Der Antrieb kann dabei unabh

18、ngig vom Werkzeugschie-ber installiert werden. Der Antriebszylinder arbeitet in Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduct

19、ion (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish t

20、o express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.1 GeneralPresses transfer forces in the vertical direction into forming, cutting or punching dies. If different force directions are required, the corresponding direction-changing measures will need to be implemented. This redir

21、ecting of forces is an area of toolmaking with which designers and toolmakers are in many as-pects concerned. Not only do they strive to satisfy de-sires for a new design and improved quality of the products to be manufactured but also there are equally important requirements to be met regarding red

22、uctions in the cost of production, care and mainte-nance.For mechanical force redirection the design has so far had at his disposal slide units, such as standard cam slide units, roller cams and other wedge tapered ele-ments (VDI 3386).However, a new system of force redirection in tool-making is emi

23、nently suitable for this: the so-called “hydraulic cam system” which is hydraulically based.2 Hydrostatic principlesThe hydraulic cam system (HCS) is used for location-independent actuation of die cams, forming wedges, blank holders, etc. in machines with a stroke action. With this system, cams can

24、be driven directly and there is no need for deflection cams or for drivers. The HCS can be used flexibly as far as spatial posi-tioning is concerned. Here the drive can be installed independently of the die cam unit. The drive cylinder B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 201

25、2-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2007 VDI 2911 3 Hubrichtung der Presse oder des Werkzeuges, wh-rend der Arbeitszylinder in jeder Lage arbeiten kann.Beim G-N-S werden dabei die elementaren Eigen-schaften von l und Stickstoffgas in ergnzender Weise genutzt (Bild 1)

26、.Bild 1. Vereinfachtes SchemaDer Antriebszylinder (Geber) wird durch den Pres-senhub bettigt, der eine Volumenverdrngung des ls in den Arbeitszylinder bewirkt. Das Stickstoffgas im Arbeitszylinder (Nehmer) wird komprimiert und der Kolben fhrt aus. Beim Rckhub der Presse ver-drngt das sich expandiere

27、nde Stickstoffgas das l zurck in den Antriebszylinder.Im Geberzylinder schliet ein reibungsarm laufender Kolben eine hydraulische Flssigkeit hermetisch ein. In dieser breitet sich ein hydrostatischer Druck in al-len Richtungen bis auf den Kolben des Nehmerzylin-ders aus 1. Der hydrostatische Druck p

28、 betrgt:p = (1)Diese Aussage des Druckfortpflanzungsgesetzes wird bei dem G-N-S genutzt (Bild 2). Die auf den Antriebskolben 1 wirkende Kraft F1berechnet sich zu:(2)Bild 2. Prinzipieller AufbauDie Nutzkraft F2des Arbeitskolbens ergibt sich zu:(3)FA-F1d124- p=F2d224- p=operates in the stroke directio

29、n of the press or die, while the work cylinder can work in any position.In the hydraulic cam system the elementary proper-ties of oil and nitrogen gas are here used supplemen-tarily (Figure 1).Figure 1. Simplified diagramThe drive cylinder (power unit) is operated by the press stroke which causes so

30、me of the oil to be dis-placed into the work cylinder. The nitrogen gas in the work cylinder (working unit) is compressed and the piston extends. Upon the return stroke of the press the expanding nitrogen gas pushes the oil back into the drive cylinder.In the drive cylinder a low-friction piston sea

31、ls a hy-draulic fluid hermetically in. In this fluid a hydro-static pressure spreads in all directions as far as the piston of the working cylinder 1. The hydrostatic pressure p is expressed as:p = (1)This statement of the law of pressure transmittability is exploited in the HCS (Figure 2). The forc

32、e F1act-ing on the driver piston 1 is expressed as: (2)Figure 2. Basic set-upThe useful force F2of the work piston is:(3)FA-F1d124- p=F2d224- p=B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2007 4 VDI 2911Aufg

33、rund des gleichmigen Druckes gilt der Zu-sammenhang:(4)Zwischen den Kolbenkrften und den Kolbenflchen bzw. Kolbendurchmessern besteht der Zusammen-hang:(5)Die Kolbenkrfte verhalten sich direkt proportional zu den Kolbenflchen bzw. Quadraten der Kolben-durchmesser.Durch den Kolbenhub s1des Antriebsko

34、lbens erfolgt eine kontinuierliche Volumenverdrngung des na-hezu inkompressiblen ls, die den Arbeitskolben be-wegt und dabei den Kolbenhub s2ausfhrt:A1 s1= A2 s2(6)Daraus folgt:(7)Die Kolbenhbe verhalten sich indirekt proportional zu den Kolbenflchen bzw. den Quadraten der Kol-bendurchmesser.3 Aufba

35、u und Funktionsweise des Geber-Nehmer-SystemsEs werden unterschiedliche Ausfhrungsformen von G-N-S auf dem Markt angeboten. Nachfolgend wer-den bezglich ihres Aufbaues und ihrer Wirkungs-weise zwei typische G-N-S dargestellt. Weitere Ty-pen sind in Art und Wirkungsweise hnlich.Bevorzugte Abmessungen

36、 sind im jeweiligen An-hang empfohlen.3.1 Geber-Nehmer-System Typ IDas G-N-S Typ I (Bild 3) besteht aus einem Geber mit dem Antriebszylinder, Druckspeicher und der Verteilerplatte, sowie dem Nehmer, der ber eine Hydraulikleitung mit dem Geber verbunden ist.Der Antriebszylinder ist einseitig wirkend

37、und druck-los lbefllt. Der Druckspeicher ist mit Stickstoffgas N2befllt und mit ca. 150 bar vorgespannt. Im Ruhe-zustand wirkt er drucklos auf das System. Die Vertei-lerplatte verbindet den Antriebszylinder mit dem Druckspeicher.Der Nehmer nimmt das verdrngte lvolumen auf, er wird einseitig hydrauli

38、sch druckbeaufschlagt. Der F1A1- pF2A2-=F2F1-A2A1-d22d12-=s2s1-A1A2-d12d22-=Due to the equality of the pressure the following rela-tion applies:(4)Between the piston forces and the piston cross-sec-tional areas or diameters there is the following rela-tion:(5)The piston forces are directly proportio

39、nal to the pis-ton cross-sectional areas or the squares of the piston diameters.The piston stroke s1of the drive piston causes a con-tinuous displacement of the virtually incompressible oil, which moves the work piston and thus performs piston stroke s2:A1 s1= A2 s2(6)From this we obtain:(7)The pist

40、on strokes are indirectly proportional to the piston cross-sectional areas or the squares of the pis-ton diameters.3 Structure of the hydraulic cam system and how it worksVarious designs of hydraulic cam system are availa-ble on the market. In what follows we shall deal with two HCS of typical desig

41、n and method of operation. Other models are similar in type and in how they work.Recommended dimensions may be found in the cor-responding annex.3.1 Type I hydraulic cam systemThe type 1 HCS (Figure 3) consists of a power unitwith the drive cylinder, accumulator and the distribu-tor plate, and the w

42、orking unit which is connected to the power unit by a length of hydraulic hose.The drive cylinder is a single-acting cylinder filled with oil which is not under pressure. The accumulator is filled with nitrogen gas N2and pre-pressurised to about 150 bar. In the at-rest state it acts pressurelessly o

43、n the system. The distributor plate connects the drive cylinder to the accumulator.The working unit accepts the displaced volume of oil and is subjected to hydraulic pressure on one side. F1A1- pF2A2-=F2F1-A2A1-d22d12-=s2s1-A1A2-d12d22-=B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 20

44、12-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2007 VDI 2911 5 Nehmer setzt sich aus der Kolbenstange, der Fh-rungseinheit und der Rckstelleinheit zusammen. Die Rckholung des Nehmerkolbens erfolgt durch das komprimierte Stickstoffgas (Prinzip einer Gas-druckfeder). Die Rckstel

45、lkraft kann durch Variation der Vorspannung des Stickstoffdrucks eingestellt werden.3.1.1 FunktionsweiseBei geffnetem Werkzeug (Pos. 1, Bild 4) ist der Antriebszylinderkolben im Geber vollstndig ausge-fahren (Ruhelage). Die Kolbenstange im Nehmer ist ganz eingefahren. Der ldruck im System ist gleich

46、 Null (drucklos).Die Pressenbewegung bettigt den Antriebszylinder (Pos. 2, Bild 4), der durch die dabei entstehende Volumenverdrngung den Nehmerkolben nach vorne bewegt. Bei Arbeitsbeginn erfolgt der ldruckaufbau The working unit consists of the piston rod, the guid-ance unit and the return unit. Th

47、e working piston is returned by the compressed nitrogen (gas pressure spring principle). The return force can be set by var-ying the preset level of nitrogen pressure. 3.1.1 How it worksWhen the die is open (Pos. 1 in Figure 4) the drive cylinder piston in the power unit is fully extended (at-rest p

48、osition). The piston rod in the working unit is fully retracted. The oil pressure in the system is at zero (pressureless).The movement of the press actuates the drive cylinder (Pos. 2 in Figure 4) which, due to the volume dis-placement thereby arising, moves the working piston forwards. When the wor

49、k operation begins, the oil Bild 3. Aufbau G-N-S Typ 11 Gasbefllung 2 Abstimmplatte zur Hubbegrenzung 3 lbefllung 4 Hydraulikl 5 Hydraulikschlauchleitung 6 Hydraulikl 7 Stickstoffgas 8 Kolbenstange 9 Nutzhub 10 Kolben 11 Verteilerplatte 12 StickstoffgasFigure 3. Structure of a type I HCS1 gas filling 2 stroke limi