DE29703444U1 - Piston rod for a linear drive - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenstange für einen Linearantrieb, insbesondere für einen fluidbetatigten Arbeitszylinder.The invention relates to a piston rod for a linear drive, in particular for a fluid-operated working cylinder.
Linearantriebe in Gestalt fluidbetätigter Arbeitszylinder verfügen regelmäßig über ein Gehäuse, in dem ein durch Fluidkraft verschiebbarer Kolben angeordnet ist, der mit einer aus dem Gehäuse herausgeführten Kolbenstange in Verbindung steht. Um eine hohe Festigkeit und Korrosionssicherheit zu erhalten, bestehen bekannte Kolbenstangen aus hochlegiertem Stahl, beispielsweise Chrom-Nickel-Stahl bzw. Stahl der Spezifikation X20Crl3. Dieses Material ist allerdings relativ teuer und hat ein verhältnismäßig hohes Gewicht. Letzteres führt dazu, daß im Betrieb des Linearantriebes für die Beschleunigung beträchtliche Energie benötigt wird und für das Abbremsen aufwendige Dämpfungseinrichtungen erforderlich sind. Zur Behebung der Gewichtsproblematik wurde zwar auch schon erwogen, hohle Kolbenstangen einzusetzen. Dies wirkt sich allerdings wiederum nachteilig auf die Herstellungskosten aus.Linear drives in the form of fluid-operated working cylinders usually have a housing in which a piston is arranged that can be moved by fluid power and is connected to a piston rod that extends out of the housing. In order to achieve high strength and corrosion resistance, known piston rods are made of high-alloy steel, for example chrome-nickel steel or steel of specification X20Crl3. However, this material is relatively expensive and has a relatively high weight. The latter means that considerable energy is required for acceleration during operation of the linear drive and complex damping devices are required for braking. To solve the weight problem, the use of hollow piston rods has already been considered. However, this has a negative impact on production costs.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenstange für einen Linearantrieb zu schaffen, die bei günsti-It is therefore the object of the present invention to create a piston rod for a linear drive which, at favorable
gen Herstellkosten und hoher Korrosionsbeständigkeit ein geringeres Gewicht aufweist.low manufacturing costs and high corrosion resistance while having a lower weight.
Diese Aufgabe wird mit einer Kolbenstange gelöst, die aus Aluminiummaterial besteht und mit einer Eloxier-Deckschicht überzogen ist.This task is solved with a piston rod made of aluminum material and coated with an anodized layer.
Bei dem eingesetzten Aluminiummaterial handelt es sich um ein Leichtmetall, das im Vergleich zu üblichen Stahl-Kolbenstangen für ein beträchtliches reduziertes Gewicht sorgt. Das Aluminiummaterial verfügt über einen durch Eloxieren bzw. durch anodische Oxidation erzeugten Überzug, der sich als Eloxier-Deckschicht bezeichnen läßt und über eine den Einsatzbedingungen der Kolbenstange Rechnung tragende Härte und Korrosionsbeständigkeit verfügt. Eine derartige Kolbenstange verfügt insgesamt über ein geringes Gewicht, so daß sie weniger Energie zum Beschleunigen erfordert und sich außerdem in den Hubendlagen wesentlich einfacher Abbremsen läßt. Durch die Härte der Eloxier-Deckschicht ist die Kolbenstange sehr verschleißfest und dennoch pro laufendem Meter sehr kostengünstig herstellbar. Die Kostenersparnis gegenüber konventionellen Stahl-Kolbenstangen kann durchaus im Bereich von 20 - 30 % liegen. Darüberhinaus ist auch die Neigung von Materialpartikeln - beispielsweise Schweißspritzer oder Zuckerkristalle beim Einsatz in der Zuckerindustrie -, an der Kolbenstange anzuhaften, stark reduziert.The aluminum material used is a light metal that ensures a considerably reduced weight compared to conventional steel piston rods. The aluminum material has a coating produced by anodizing or anodic oxidation, which can be described as an anodizing top layer and has a hardness and corrosion resistance that takes the operating conditions of the piston rod into account. Such a piston rod has a low weight overall, so that it requires less energy to accelerate and is also much easier to brake in the end positions of the stroke. The hardness of the anodizing top layer makes the piston rod very wear-resistant and yet very inexpensive to manufacture per running meter. The cost savings compared to conventional steel piston rods can be in the range of 20 - 30%. In addition, the tendency of material particles - for example welding spatter or sugar crystals when used in the sugar industry - to adhere to the piston rod is greatly reduced.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kolbenstange gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous embodiments of the piston rod emerge from the subclaims.
Als Aluminiummaterial ist zweckmäßigerweise eine hochfeste Aluminiumlegierung vorgesehen, wobei sich ein gewisser Anteil von Silizium und/oder Mangan empfiehlt. Vorzugsweise handelt es sich um eine AlMgSil-Legierung. Als besonders geeignet hat sich Aluminiummaterial erwiesen, das eine Zugfestigkeit (Rm) von größer 330 N/mm2 aufweist, über eine 0,2 %-Dehngrenze (Rpo,2) von größer als 2 90 N/mm2 verfügt und eine Bruchdehnung (O5) von ca. 12 bis 15 % aufweist.The aluminum material used is preferably a high-strength aluminum alloy, with a certain proportion of silicon and/or manganese being recommended. This is preferably an AlMgSil alloy. Aluminum material that has a tensile strength (Rm) of greater than 330 N/mm 2 , a 0.2% yield strength (Rpo,2) of greater than 2 90 N/mm 2 and an elongation at break (O 5 ) of approximately 12 to 15% has proven to be particularly suitable.
Als besondere empfehlenswert wird eine Deckschicht angesehen, die als Gleiteloxier-Deckschicht ausgeführt ist, die also durch sogenanntes Gleiteloxieren gebildet wurde. Dabei erfolgt die Elektrolyse während der Erzeugung der Deckschicht in einem vorzugsweise auf 6 bis 8° C heruntergekühlten Elektrolysebad, beispielsweise Schwefelsäure, und man erreicht Härtegrade, die beispielsweise in der Größenordnung von 420 ± 20HV (Vickershärte) liegen. Als günstige Schichtdicke für die Deckschicht haben sich 12 bis 15 &mgr;&idiagr;&eegr; erwiesen. Eine derartige Deckschicht erweist sich ohne besondere Nacharbeit als überaus geeignet, mit den bei Linearantrieben eingesetzten Dichtringen zusammenzuwirken, da die Oberfläche sehr glattflächig ist und hervorragende Gleiteigenschaften aufweist.A top layer that is designed as a sliding anodizing top layer, i.e. that is formed by so-called sliding anodizing, is considered particularly recommended. The electrolysis takes place during the production of the top layer in an electrolysis bath, preferably cooled to 6 to 8° C, for example sulfuric acid, and hardness levels are achieved that are, for example, in the order of 420 ± 20HV (Vickers hardness). 12 to 15 μηη have proven to be a suitable layer thickness for the top layer. Such a top layer proves to be extremely suitable for working with the sealing rings used in linear drives without any special rework, since the surface is very smooth and has excellent sliding properties.
Sind an die Kolbenstange extreme Anforderungen gestellt, kann als Deckschicht auch eine Harteloxier-Deckschicht vorgesehen sein, die durch sogenanntes Harteloxieren erzeugt wurde. Ihre Härte liegt noch etwas höher als die Gleiteloxier-Deckschicht und beispielsweise in der Größenordnung von 450 ± 20HV (Vickershärte). Sie läßt sich dadurch erzeugen, daß die Oxyda-If extreme demands are placed on the piston rod, a hard anodizing coating can also be used as the top layer, which is produced by so-called hard anodizing. Its hardness is slightly higher than the sliding anodizing coating and is, for example, in the order of 450 ± 20HV (Vickers hardness). It can be produced by applying the oxide
tion in einem Elektrolyt erfolgt, der noch stärker abgekühlt ist, beispielsweise auf ca. 3° C.tion takes place in an electrolyte that is even more cooled, for example to approx. 3° C.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Kolbenstange ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines möglichen Ausführungsbeispiels .Further advantages of the piston rod according to the invention emerge from the following description of a possible embodiment.
Die beispielsgemäße Kolbenstange wird als Abtriebsteil eines fluidbetätigten Arbeitszylinders eingesetzt. Sie steht mit einem Kolben in Verbindung, der in einem Gehäuse des Arbeitszylinders axial verschiebbar geführt ist. Der Kolben teilt zwei Arbeitsräume voneinander ab, die nach Wahl mit einem fluidisehen Druckmedium, insbesondere mit Druckluft beaufschlagbar oder entlüftbar sind. Auf diese Weise läßt sich der Kolben zu einer hin- und hergehenden Bewegung antreiben. Diese Bewegung wird auf die Kolbenstange übertragen, die eine stirnseitige Abschlußwand des Gehäuses verschiebbar und abgedichtet durchsetzt. Zur Abdichtung kommt ein aus gummielastischem Material bestehender Dichtring zum Einsatz, der die Kolbenstange umschließt. Mit dem äußeren Ende der Kolbenstange läßt sich ein zu bewegendes Bauteil verbinden.The piston rod shown in the example is used as the output part of a fluid-operated working cylinder. It is connected to a piston that is guided in a housing of the working cylinder so that it can be moved axially. The piston separates two working chambers from each other, which can be pressurized or vented with a fluid pressure medium, in particular with compressed air. In this way, the piston can be driven to move back and forth. This movement is transferred to the piston rod, which passes through a front end wall of the housing in a movable and sealed manner. A sealing ring made of rubber-elastic material is used to seal the piston rod. A component to be moved can be connected to the outer end of the piston rod.
Derartige Arbeitszylinder werden häufig in korrosiver Umgebung eingesetzt. Dadurch unterliegt die Kolbenstange einer hohen Korrosionsbeanspruchung, was mangels geeigneter Gegenmaßnahmen zu Undichtigkeiten des ArbeitsZylinders im Bereich des Dichtringes führen kann. Auch besteht die Gefahr, daß an der Kolbenstange Materialpartikel anhaften - beispielsweise Zuckerkri-Such working cylinders are often used in corrosive environments. As a result, the piston rod is subject to high corrosion stress, which, if suitable countermeasures are not taken, can lead to leaks in the working cylinder in the area of the sealing ring. There is also the risk that material particles - for example sugar crystals - will adhere to the piston rod.
stalle beim Einsatz in der Zuckerindustrie - die die Dichtlippe des Dichtringes zerstören können.stalls when used in the sugar industry - which can destroy the sealing lip of the sealing ring.
Bei der Kolbenstange des Ausführungsbeispiels sind die zuvor geschilderten Probleme weitestgehend vermieden und man erreicht zusätzlich ein relativ geringes Gewicht pro Längeneinheit, was das Beschleunigen wie auch das Abbremsen der Kolbenstange vereinfacht. Auch läßt sich eine Optik mit glänzender Oberfläche erzeugen.The piston rod in the example largely avoids the problems described above and also achieves a relatively low weight per unit length, which simplifies the acceleration and braking of the piston rod. A glossy surface can also be created.
Hierzu besteht die Kolbenstange aus einer hochfesten, vorzugsweise siliziumhaltigen und manganhaltigen Aluminiumlegierung und sie ist an ihrem zylindrischen AuSenumfang mit einer Gleiteloxier-Deckschicht überzogen. Da bereits als Grundmaterial ein Aluminiummaterial mit hoher Festigkeit eingesetzt wird, verfügt die Kolbenstange über eine hohe Grundfestigkeit. So liegt die Zugfestigkeit (Rm) über 330 N/mm2 und die 0,2 %-Dehngrenze (RP0,2) lie^t über 290 N/mnr . Schon vor der Erzeugung der Gleiteloxier-Deckschicht liegt die Materialhärte in einer Größenordnung von 105 HB (Brinellhärte). Diese Oberflächenhärte ist allerdings für die vorgesehenen Anwendungen zu gering. Sie wird aber durch das Gleiteloxieren der Aluminium-Kolbenstange erheblich gesteigert. Die entstandene Gleiteloxal-Deckschicht verfügt über eine erheblich größere Kratzfestigkeit, wobei die Oberflächenhärte im Bereich von 399 HB (Brinellhärte) liegt, was etwa einer Vickershärte von 420 HV und einer Rockwellhärte von ca. 42,7 HRC entspricht. Darüberhinaus verfügt die Kolbenstange über eine ausgezeichnete Bruchdehnung 65 von etwa 12 bisFor this purpose, the piston rod is made of a high-strength aluminum alloy, preferably containing silicon and manganese, and its cylindrical outer circumference is coated with a sliding anodizing coating. Since a high-strength aluminum material is used as the base material, the piston rod has a high basic strength. The tensile strength (Rm) is over 330 N/mm 2 and the 0.2% yield strength ( R P0.2) is over 290 N/mm . Even before the sliding anodizing coating is produced, the material hardness is in the order of 105 HB (Brinell hardness). However, this surface hardness is too low for the intended applications. However, it is significantly increased by sliding anodizing the aluminum piston rod. The resulting sliding anodized top layer has a significantly higher scratch resistance, with the surface hardness in the range of 399 HB (Brinell hardness), which corresponds to a Vickers hardness of 420 HV and a Rockwell hardness of approx. 42.7 HRC. In addition, the piston rod has an excellent elongation at break 65 of around 12 to
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15 %. Die Kolbenstange ist daher auch bei stoßender Beanspruchung überaus haltbar.15%. The piston rod is therefore extremely durable even under impact loads.
Um die Gleiteloxier-Deckschicht zu erzeugen, wird eine Aluminiumstange des gewünschten Durchmessers bzw. Querschnittes in ein Elektrolysebad eingebracht, das beispielsweise Schwefelsäure enthält. Die Stange wird dann an den Pluspol einer Gleichstromquelle angeschlossen, so daß eine anodische Oxidation abläuft, wobei das Aluminium an seiner Oberfläche elektrisch oxidiert wird und eine Deckschicht entsteht, die als Eloxier-Deckschicht bezeichnet werden kann. Dabei kann über die Temperatur des Bades sehr einfach Einfluß auf die Beschaffenheit der Eloxier-Deckschicht genommen werden. So lassen sich in besonders gekühlten Bädern überaus verschleißfeste Harteloxier-Deckschichten erzeugen, deren Härte beispielsweise in der Größenordnung von 450 ± 20HV Vickershärte liegt. Dies erreicht man beispielsweise in einem Bad, dessen Temperatur bei um die 3° C liegt. Allerdings ist das Wachstum der Schichtdicke hierbei relativ langsam und die erzeugte Harteloxier-Deckschicht verfügt über eine gewisse Rauhigkeit, so daß eine spanende Nachbearbeitung, beispielsweise durch Honen, zweckmäßig ist, um die Oberfläche zu glätten.To produce the sliding anodizing top layer, an aluminum rod of the desired diameter or cross-section is placed in an electrolysis bath that contains, for example, sulfuric acid. The rod is then connected to the positive pole of a direct current source so that anodic oxidation takes place, whereby the aluminum on its surface is electrically oxidized and a top layer is created that can be referred to as an anodizing top layer. The properties of the anodizing top layer can be influenced very easily by the temperature of the bath. Extremely wear-resistant hard anodizing top layers can be produced in particularly cooled baths, the hardness of which is, for example, in the order of 450 ± 20HV Vickers hardness. This can be achieved, for example, in a bath whose temperature is around 3° C. However, the growth of the layer thickness is relatively slow and the hard anodized top layer produced has a certain roughness, so that machining, for example by honing, is useful in order to smooth the surface.
Daher empfiehlt es sich, die Badtemperatur nicht ganz so weit abzusenken, sondern etwa im Bereich von 6 bis 8° C zu belassen, so daß sich eine Eloxier-Deckschicht mit zwar etwas geringerer Härte ergibt - etwa im Bereich von 420 HV (Vickershärte) - die jedoch noch immer mehr als ausreichend ist, wenn man vergleicht, daß ein vergleichbarer Stahl der Spezifikation X20Crl3It is therefore recommended not to lower the bath temperature quite so much, but to leave it in the range of 6 to 8° C, so that an anodized top layer is produced with a slightly lower hardness - around 420 HV (Vickers hardness) - but is still more than sufficient when compared to a comparable steel of specification X20Crl3
im Bereich von 220 HV liegt. Es kommt hinzu, daß bei dieser Temperatur die Wachstumsgeschwindigkeit für die Oxydschicht erheblich größer ist, so daß man in akzeptabler Zeit Schichtdicken im Bereich von 12 bis 15 &mgr;&tgr;&agr; erzielen kann. Dabei ist von Vorteil, daß eine sehr glattflächige Oberfläche erzielt wird, die ein nachfolgendes Überschleifen oder Polieren erübrigt, was zur Verringerung der Herstellungskosten beiträgt. Eine derartige Eloxier-Deckschicht verfügt über ausgezeichnete Gleiteigenschaften insbesondere im Zusammenhang mit dem von ihr umschlossenen Dichtring, man kann sie als Gleiteloxier-Deckschicht bezeichnen. Nähere Ausführungen zu entsprechenden Eloxierverfahren finden sich beispielsweise in dem Fachbuch "Oberflächenbehandlung von Aluminium", T.W. Jelinek, Eugen G. Leuze Verlag, Neuauflage 1997.is in the range of 220 HV. In addition, at this temperature the growth rate of the oxide layer is considerably higher, so that layer thicknesses in the range of 12 to 15 μ΄α can be achieved in an acceptable time. The advantage here is that a very smooth surface is achieved, which eliminates the need for subsequent grinding or polishing, which helps to reduce production costs. Such an anodized top layer has excellent sliding properties, particularly in connection with the sealing ring it encloses; it can be referred to as a sliding anodized top layer. More detailed information on corresponding anodizing processes can be found, for example, in the specialist book "Surface Treatment of Aluminium", TW Jelinek, Eugen G. Leuze Verlag, new edition 1997.
Als für die Kolbenstange besonders geeignete Aluminiumlegierung wird derzeit eine AlMnSiI-Legierung angesehen. Diese silizium- und manganhaltige Aluminiumlegierung zeichnet sich durch hervorragende Zerspanbarkeit und Bruchzähigkeit aus. Auch die Gewinde-Rollierbarkeit und Innengewinde-Bearbeitbarkeit ist sehr gut. Die Neigung des Anhaftens von Schweißspritzern an der Eloxier-Deckschicht ist überaus gering.An AlMnSiI alloy is currently considered to be the most suitable aluminum alloy for the piston rod. This aluminum alloy containing silicon and manganese is characterized by excellent machinability and fracture toughness. The thread rollability and internal thread machinability are also very good. The tendency for welding spatter to stick to the anodized top layer is extremely low.
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| DE10105432A1 (en) * | 2001-02-07 | 2002-08-08 | Suspa Holding Gmbh | Piston rod-cylinder housing unit has piston rod protruding from housing, seal, cylindrical pin at one end, and threaded pin holding fixture at other end. |
| EP2062667A2 (en) | 2007-11-26 | 2009-05-27 | Klein, Friedrich | Plunger bar for a casting machine |
| DE102007058254A1 (en) * | 2007-11-26 | 2009-05-28 | Klein, Friedrich, Prof. Dr. Dr. h.c. | Casting piston rod for a casting machine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1998038431A1 (en) | 1998-09-03 |
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