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Die
Erfindung betrifft ein Abstreif- und/oder Dichtelement zum Abdichten
von in einem Gehäuse beweglich
geführten
Kolben mit einer in einer Nut gehaltenen Dichtung. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Abdichten eines beweglichen Kolbens
mittels einer in eine Nut eingelegten Dichtung und ein Spann- und/oder
Stützelement
mit einem Kolben, der in einem Gehäuse ein- und ausfahrbar geführt ist,
wobei der Kolben mittels einer in einer Nut angeordneten Dichtung
gedichtet ist.
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Aus
der Praxis sind Spannelemente bekannt, bei denen ein Werkstück, ein
Werkzeug, eine Vorrichtung oder eine Form mittels eines ein- und ausfahrbaren
Kolbens gespannt wird. Ebenso sind aus der Praxis Stützelemente
bekannt, mittels deren an sich bereits gespannte Werkstücke zur
Vermeidung unzulässiger
Verformungen an bestimmten Stellen durch einen ein- und ausfahrbaren
Kolben unterstütz
werden. Insbesondere in Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung
muß der
Kolben gedichtet sein, um ein Eindringen von Kühlflüssigkeit in ein Gehäuse des
Spann- oder Stützelementes
zu verhindern. Oft steht die Kühlflüssigkeit
unter einem hohen Druck, so daß an
die Dichtung zum Teil sehr hohe Anforderungen gestellt werden.
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Bisher
erfolgt die Abdichtung mittels eines festen Abstreifringes, der
grobe Schmutzpartikel, wie zum Beispiel Späne, abhält. In einer Bohrung des Abstreifringes
ist eine umlaufende Nut eingelassen, in welche eine Dichtung eingesetzt
wird. Diese Dichtung, meist ein O-Ring, sorgt für eine flüssigkeitsdichte Abdichtung
des Kolbens gegenüber
dem Abstreifring. Die Tiefe der Nut ist dabei kleiner bemessen als der
Durchmesser der Dichtung, also zum Beispiel des O-Rings. Hierdurch
verformt sich der O-Ring elastisch und übt eine Normalkraft auf den
Kolben aus, die für
die Dichtigkeit sorgt. Der dabei dichtend gehaltene Druck hängt von
der Höhe
der Normalkraft (Vorspannung des O-Rings) und damit von dem Verhältnis von
Nuttiefe zu O-Ring-Durchmesser ab. Ein niedriges Verhältnis bedeutet
eine starke Verformung des O-Rings und damit eine hohe Normalkraft
(hohe mechanische Vorspannung des O-Rings) und auch eine hohe Dichtigkeit.
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Nachteilig
dabei ist, daß mit
der Normalkraft aufgrund des Reibungskoeffizienten proportional auch
die Reibung zwischen Kolben und Dichtung ansteigt. Dieses kann insbesondere
bei Stützelementen zu
Störungen
aufgrund undefinierter Anlagekräfte des
Kolbens an das Werkstück
führen.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Dichtung
des Kolbens mit hoher Dichtkraft für hohe Flüssigkeitsdrücke bei niedriger Reibung vorzuschlagen.
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Zur
Lösung
dieses Problem ist das erfindungsgemäße Abstreif- und/oder Dichtelement
sowie das erfindungsgemäße Spann-
und/oder Stützelement
dadurch gekennzeichnet, daß die
Dichtung ein Quadring mit einem karoförmigen Querschnitt ist.
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Derartige
Quadringe weisen bei niedriger Normalkraft und damit kleiner Reibung
eine hohe Dichtkraft auf.
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Die
Dichtkraft des Quadringes kann bei gleicher Reibung noch erhöht bzw.
die Reibung bei gleicher Dichtkraft herabgesetzt werden, indem der
Quadring derart schräg
in der Nut angeordnet wird, daß eine
erste Lippe des Quadringes am Kolben und eine andere Lippe in der
Nut dichtend anliegt. Der Quadring ist also etwas gekippt in der
Nut angeordnet. Damit ist die Vorspannung, mit der die Lippen anliegen,
die schräge
Anordnung gegeben und ist sehr klein. Dennoch ergibt sich eine hohe
Dichtkraft.
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Die
vorstehend angegebene schräge
Anordnung des Quadringes erhält
man nach einem ersten Ausführungsbeispiel
in dem man den Quadring, nachdem er in die Nut eingelegt wurde,
um den Mittelpunkt seines karoförmigen
Querschnitts gedreht wird. Mit anderen Worten: Der Querschnitt des
Quadringes wird um seine, sich über
den Umfang des Quadringes erstreckende, gedachte Mittelachse gedreht.
Hierdurch kommt nur eine Lippe des Quadringes am Kolben und eine
andere Lippe an einer Nutwand zum Anliegen.
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Vorzugsweise
wird der Querschnitt des Quadringes um etwa 90° gedreht. Hierdurch ergibt sich ein
optimales Verhältnis
von Reibung zu Dichtkraft. Obwohl an sich in der Praxis nur eine
Drehung um 90° erfolgen
wird, so liegt es auf der Hand, das aufgrund des Querschnitts des
Quadringes auch eine Drehung um ein ganzzahliges Vielfaches von
90° möglich ist.
Wichtig ist nur, daß eine
Lippe am Kolben und wenigstens eine Lippe an einer der Nutwandungen über den
gesamten Umfangsbereich des Kolbens anliegt.
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Der
Querschnitt des Quadringes sollte mit seiner dem Kolben zugewandten
Innenseite vom Gehäuse
weg, also mit anderen Worten zum freien Ende des Kolbens hin, verdreht
werden. Hierdurch drückt
eventuell durch den Spalt zwischen dem Stützring und dem Kolben in die
Nut für
den Quadring eindringendes Kühlmittel
derart auf die an dem Kolben anliegende Lippe, daß deren
Dichtkraft hierdurch erhöht
wird. Dadurch wird auch die Dichtkraft der anderen Lippen erhöht, weil
der Quadring die Tendenz erhält,
sich zurückzudrehen.
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Nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel erhält man die
schräge
Anordnung des Quadringes, indem die Nut für den Quadring in Radialrichtung
des Kolbens gesehen schräg
verlaufend oder stufenartig angeordnet ist. Wichtig dabei ist nur,
daß eine
innere Lippe des Quadringes höher
oder tiefer als eine äußere Lippe
angeordnet ist. Mit anderen Worten: die Lippen dürfen in Radialrichtung nicht
zueinander fluchten. Vorzugsweise ist die Schulter nach außen hin
ansteigend ausgebildet. Der Quadring ist dann mit einer oberen inneren
Lippe zum Kolben hin verkippt. Hierdurch drückt auch bei diesem Ausführungsbeispiel
eventuell durch den Spalt zwischen dem Stützring und dem Kolben in die
Nut für
den Quadring eindringendes Kühlmittel
derart auf die an dem Kolben anliegende Lippe, daß deren
Dichtkraft hierdurch erhöht
wird. Dadurch wird auch die Dichtkraft der anderen Lippen erhöht, weil
der Quadring die Tendenz erhält,
sich zurückzudrehen.
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Um
ein gutes Verkippen des Quadringes zu ermöglichen, kann eine der Schulter
gegenüberliegende
Oberseite der Nut mit einer Hinterdrehung versehen sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Stützelement
mit den Erfindungsmerkmalen im Längsschnitt,
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2 ein
Detail II des Stützelementes
gemäß 1 im
Längsschnitt,
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3 ein
Stützelement
in perspektivischer Darstellung,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
Abstreifring für
eine Stützelement
mit den Erfindungsmerkmalen im Längsschnitt,
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5 ein
Detail V des Abstreifrings gemäß 4 im
Längsschnitt.
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Das
in 1 und 3 gezeigte Stützelement
dient zum Abstützen
eines an sich bereits gespannten Werkstücks in einer Werkzeugmaschine, um
unzulässige
Verformungen des Werkstücks
während
der Bearbeitung zu vermeiden. Das Stützelement weist ein Gehäuse 10 und
einen aus- und einfahrbaren Kolben 11 auf. Das Gehäuse 10 ist
an der Werkzeugmaschine, beispielsweise einem Maschinentisch befestigbar.
Dieses kann beispielsweise, wie in 1 gezeigt, über ein
Gewinde 12 an einer äußeren Mantelfläche des
Gehäuses 10 erfolgen. Um
das Stützelement
bzw. das Gehäuse 10 in
den Maschinentisch einschrauben zu können, ist das Gehäuse 10 ferner
mit einem Außensechskant 13 für übliche Schraubenschlüssel versehen.
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In
dem Gehäuse 10 ist
eine in Längsrichtung verlaufende,
abgestufte Bohrung 14 vorgesehen. Diese Bohrung 14 ist
einseitig durch einen Deckel 15 verschlossen. Ferner ist
in der Bohrung 14 eine Klemmbuchse 16 vorgesehen,
die einerseits gegenüber
dem Deckel 15 und andererseits gegenüber dem Gehäuse 10 gedichtet ist
(Dichtung 17 bzw. 18). Die Klemmbuchse 16 ist über einen
Teil ihrer Länge mit
einem kleineren Außendurchmesser
versehen als der Innendurchmesser der Bohrung 14 in diesem Bereich.
Zwischen der Klemmbuchse 16 und der Bohrung 14 ergibt
sich somit ein Ringraum 19. Ist der Kolben 11 zur
stützenden
Anlage an das Werkstück gekommen,
wird dieser Ringraum 19 mit Druckmittel beaufschlagt, so
daß die
Klemmbuchse 16 den Kolben 11 klemmt.
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An
der dem Deckel 15 gegenüber
liegenden Stirnseite des Gehäuses 10 ist
ein Abstreifring 20 eingesetzt. In diesem Abstreifring 20 und
der Klemmbuchse 16 ist der ein- und ausfahrbare Kolben 11 geführt. An
der dem Kolben 11 zugewandten Innenseite des Abstreifrings 20 ist
eine Nut 21 vorgesehen, in die eine Dichtung, nämlich konkret
ein Quadring 22 eingelegt ist. Wie insbesondere gut in 2 zu erkennen
ist, weist der Quadring 22 einen etwa karoförmigen Querschnitt
mit vier Lippen 23, 24, 25 und 26 auf.
Die Nut 21 ist so bemessen, daß der Quadring 22 an
sich etwa genau in die Nut 21 passen würde. Die durch die Lippen 23..26 gebildete
Kantenlänge des
Quadringes 22 paßt
also zu der Tiefe und der Breite der Nut 21.
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Bei
der Montage wird der Quadring 22 in die Nut 21 um
etwa 90°,
konkret um knapp 90°,
verdreht eingelegt. Dabei erfolgt eine Drehung des Querschnitts
des Quadringes 22 um eine gedachte, umlaufende Mittellinie
des Querschnitts. Die Drehrichtung ist so gewählt, daß die zum Kolben 11 weisende Innenseite
des Quadringes vom Gehäuse 10 bzw. Deckel 15 wegbewegt
wird, also in der Darstellung gemäß 1 nach oben.
Die genaue Drehung ist durch einen Pfeil 27 in 2 näher gezeigt.
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Durch
die Drehung des Quadringes 22 kommt nur eine Lippe, nämlich die
Lippe 23 zur Anlage an den Kolben 11. Die übrigen Lippen 24, 25 und 26 kommen
jeweils mit einer Wandung der Nut 21 zur Anlage.
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Die
oben beschriebene Drehung des Quadringes in der beschriebenen Drehrichtung
hat zusätzlich
folgenden Effekt: Gelangt Kühlflüsigkeit
unter hohem Druck durch den Spalt zwischen Abstreifring 20 und
Kolben 11 in einen Freiraum 28 oberhalb des Quadringes 22,
entsteht eine dynamische Kraft auf die am Kolben 11 anliegende
Lippe 23. Diese dynamische Kraft hat die Tendenz, den Quadring 22 zurückzudrehen,
was die Vorspannung des Quadringes 22 gegen den Kolben 11 und
damit die Dichtkraft noch erhöht.
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In 4 und 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Abstreifrings 29 gezeigt, wie er alternativ zu dem
Abstreifring 20 in das Gehäuse 10 eingelegt werden
kann. Eine an der zum Kolben 11 gewandten Innenseite des
Abstreifringes 29 angeordnete Nut 30 ist so ausgebildet,
daß sie
nach außen
(radial vom Kolben 11 weg) schräg in Ausfahrrichtung des Kolbens 11 gesehen
ansteigt. Mit anderen Worten: die Nut 30 fällt zur
Längsmittelachse 31 des
Abstreifrings hin in Richtung auf den Deckel 15 ab.
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Konkret
ist die Nut 30 so ausgebildet, daß eine gemäß der Darstellung in 4 und 5 untere
Schulter 32 nach innen, also zur Längsmittelachse 31 hin
ab. Eine äußere Begrenzung 33 parallel
zur Längsmittelachse 31 ausgebildet.
Eine Oberseite der Nut 30 ist zunächst mit einer radial gerichteten
Oberwandung 34 ausgebildet, welche sodann in einer Hinterdrehung 35 übergeht.
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Durch
die untere, schräge
Schulter 32 ist der in die Nut 30 eingelegte Quadring 22 mit
seiner Oberseite zum Kolben 11 hin verkippt angeordnet.
Wie schon beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 bis 3 kommt
im wesentlichen nur die obere innere Lippe 23 zur Anlage
am Kolben 11, während
die übrigen
Lippen 24, 25 und 26 dichtend in der
Nut 30 liegen. Dabei liegt die äußere obere Lippe 26 in
der Hinterdrehung 35, so daß sich der Quadring 22 ungehindert
schräg
stellen kann. Im Ergebnis ist also hinsichtlich der Dichtwirkung
die selbe Wirkung erzielt, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3.
Jedoch braucht der Quadring 22 nach dem Einlegen in die
Nut 30 nicht mehr um den Mittelpunkt seines Querschnittes
verdreht zu werden, was die Montage erleichtert.
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- 10
- Gehäuse
- 11
- Kolben
- 12
- Gewinde
- 13
- Sechskant
- 14
- Bohrung
- 15
- Deckel
- 16
- Klemmbuchse
- 17
- Dichtung
- 18
- Dichtung
- 19
- Ringraum
- 20
- Abstreifring
- 21
- Nut
- 22
- Quadring
- 23
- Lippe
- 24
- Lippe
- 25
- Lippe
- 26
- Lippe
- 27
- Pfeil
- 28
- Freiraum
- 29
- Abstreifring
- 30
- Nut
- 31
- Längsmittelachse
- 32
- Schulter
- 33
- Begrenzung
- 34
- Oberwandung
- 35
- Hinterdrehung