WO1998038431A1

WO1998038431A1 - Kolbenstange für einen linearantrieb

Info

Publication number: WO1998038431A1
Application number: PCT/EP1997/007079
Authority: WO
Inventors: Kurt Stoll
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 1999-08-26
Also published as: DE29703444U1

Abstract

Es wird eine Kolbenstange für einen Linearantrieb vorgeschlagen, die aus Aluminiummaterial besteht und mit einer Eloxier-Deckschicht überzogen ist. Dadurch ergeben sich unter anderem geringere Herstellkosten bei hoher Korrosionsbeständigkeit und geringem Gewicht. Ausserdem wird eine hohe Verschleissfestigkeit erzielt.

Description

Kolbenstange für einen Linearantrieb

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kolbenstange für einen Linearantrieb, insbesondere für einen fluidbetätigten Arbeitszylinder.

Linearantriebe in Gestalt fluidbetätigter Arbeitszylinder verfügen regelmäßig über ein Gehäuse, in dem ein durch Fluid- kraft 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, bei- spielsweise 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 auf- wendige Dämpf ngseinrichtungen erforderlich sind. Zur Behebung der Gewichtsproblematik wurde zwar auch schon erwogen, hohle Kolbenstangen einzusetzen. Dies wirkt sich allerdings wiederum nachteilig auf die Herstellungskosten aus. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenstange für einen Linearantrieb zu schaffen, die bei günstigen Herstellkosten und hoher Korrosionsbeständigkeit ein geringeres Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einer Kolbenstange gelöst, die aus Aluminiummaterial besteht und mit einer Eloxier-Deckschicht überzogen ist.

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 Zuckerkri- stalle beim Einsatz in der Zuckerindustrie -, an der Kolbenstange anzuhaften, stark reduziert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kolbenstange gehen aus den Unteransprüchen hervor.

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 (^RP_θ 2) ^von größer als 290 N/mm² verfügt und eine Bruchdehnung (Ü5) von ca. 12 bis 15 % aufweist.

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 Elek- trolysebad, 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 μm erwiesen. Eine derartige Deckschicht erweist sich ohne besondere Nacharbeit als über- aus geeignet, mit den bei Linearantrieben eingesetzten Dichtringen zusammenzuwirken, da die Oberfläche sehr glattflächig ist und hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. 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 Oxydation in einem Elektrolyt erfolgt, der noch stärker abgekühlt ist, beispielsweise auf ca. 3° C.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Kolbenstange ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines möglichen Ausführungsbeispiels .

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 fluidischen 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 abge- dichtet 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.

Derartige Arbeitszylinder werden häufig in korrosiver Umge- bung 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 Zuckerkristalle beim Einsatz in der Zuckerindustrie - die die Dichtlippe des Dichtringes zerstören können.

Bei der Kolbenstange des Ausführungsbeispiels sind die zuvor geschilderten Probleme weitestgehend vermieden und man er- reicht 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.

Hierzu besteht die Kolbenstange aus einer hochfesten, vorzugsweise siliziumhaltigen und manganhaltigen Aluminiumlegierung und sie ist an ihrem zylindrischen Außenumfang 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 (Rpo ₂) liegt über 290 N/mm². 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 Ü5 von etwa 12 bis 15 %. Die Kolbenstange ist daher auch bei stoßender Beanspruchung überaus haltbar.

Um die Gleiteloxier-Deckschicht zu erzeugen, wird eine Alumi- niumstange des gewünschten Durchmessers bzw. Querschnittes in ein Elektrolysebad eingebracht, das beispielsweise Schwefelsäure enthält. Die Stange wird dann an den Pluspol einer Gleichstromguelle angeschlossen, so daß eine anodische Oxida- tion abläuft, wobei das Aluminium an seiner Oberfläche elek- trisch 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 ver- schleißfeste Harteloxier-Deckschichten erzeugen, deren Härte beispielsweise in der Größenordnung von 450 ± 20HV Vik- kershärte 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, beispiels- weise durch Honen, zweckmäßig ist, um die Oberfläche zu glätten.

Daher empfiehlt es sich, die Badtemperatur nicht ganz so weit abzusenken, sondern etwa im Bereich von 6 bis 8° C zu belas- sen, so daß sich eine Eloxier-Deckschicht mit zwar etwas geringerer Härte ergibt - etwa im Bereich von 420 HV (Vickers- härte) - die jedoch noch immer mehr als ausreichend ist, wenn man vergleicht, daß ein vergleichbarer Stahl der Spezifikation 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 μ erzielen kann. Dabei ist von Vorteil, daß eine sehr glattflächige Oberfläche erzielt wird, die ein nachfolgendes Überschleifen oder Polie- ren 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. Als für die Kolbenstange besonders geeignete Aluminiumlegierung wird derzeit eine AlMnSil-Legierung angesehen. Diese Silizium- und manganhaltige Aluminiumlegierung zeichnet sich durch hervorragende Zerspanbarkeit und Bruchzähigkeit aus. Auch die Gewinde-Rollierbarkeit und Innengewinde-Bearbeit- barkeit ist sehr gut. Die Neigung des Anhaftens von Schweißspritzern an der Eloxier-Deckschicht ist überaus gering.

Claims

Ansprüche

1. Kolbenstange für einen Linearantrieb, insbesondere für einen fluidbetätigten Arbeitszylinder, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Aluminiummaterial besteht und mit einer Eloxier- Deckschicht überzogen ist.

2. Kolbenstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiummaterial eine hochfeste, insbesondere siliziumhaltige und/oder manganhaltige Aluminiumlegierung ist, bei- spielsweise eine AlMgSil-Legierung.

3. Kolbenstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiummaterial eine Zugfestigkeit (Rm) von größer als 330 N/mm², eine 0,2 %-Dehngrenze (Rpg 2) ^von g^r°- ßer als 290 N/mm² und eine Bruchdehnung (Ü₅) von ca. 12 bis 15 % aufweist.

4. Kolbenstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Eloxier-Deckschicht eine Gleiteloxier- Deckschicht ist, deren Schichtdicke zweckmäßigerweise im Bereich von 12 bis 15 μm liegt und deren Härte vorzugsweise in der Größenordnung von 420 ± 20 HV (Vickershärte) liegt.

5. Kolbenstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eloxier-Deckschicht eine Harteloxier- Deckschicht ist, deren Härte vorzugsweise in der Größenord- nung von 450 ± 20 HV (Vickershärte) liegt.