Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen im Vakuum in einer Form wird der zeitliche Verlauf der Temperatur (T) an mindestens einer Stelle des Systems kontinuierlich gemessen und mittels eines Programmes der Temperaturverlauf des Systems in Echtzeit berechnet. Aus dem Temperaturverlauf des Systems wird der zeitliche Verlauf des Wärmeflusses (W) und aus dem Wärmefluss der zeitliche Verlauf der Energie (U) des Systems sowie der Erstarrungswärmemenge (U_E) des in der Form erstarrten Metalls berechnet. Zu einem festgelegten Zeitpunkt berechnete Werte werden als Kennwerte für die Überwachung verwendet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen im Vakuum in einer Form.

[0002] Von der Automobilindustrie werden immer höhere Anforderungen an die Toleranzen und an die mechanischen Eigenschaften von Druckguss- und Thixoformteilen gestellt. Zur Erzielung dieser hohen Qualitätsanforderungen ist eine möglichst vollständige Überwachung der Verfahrensparameter sowie deren Reproduzierbarkeit von grosser Bedeutung. Ein wesentlicher Faktor, der direkt die mechanischen Eigenschaften eines durch Druckgiessen oder Thixoformen hergestellten Teiles bestimmt, ist der Erstarrungsverlauf des Metalls in der Form.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Herstellung von Druckguss- und Thixoformteilen unter Produktionsbedingungen kontinuierlich und zuverlässig überwacht werden kann.

[0004] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass der zeitliche Verlauf der Temperatur an mindestens einer Stelle des Systems kontinuierlich gemessen und mittels eines Programmes der Temperaturverlauf des Systems in Echtzeit berechnet wird, und dass aus dem Temperaturverlauf des Systems der zeitliche Verlauf des Wärmeflusses und aus dem Wärmefluss der zeitliche Verlauf der Energie des Systems sowie der Erstarrungswärmemenge des in der Form erstarrten Metalls berechnet wird, wobei zu einem festgelegten Zeitpunkt berechnete Werte als Kennwerte für die Überwachung verwendet werden.

[0005] Die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit zwischen dem zu vergiessenden Metall und den Formhälften ausgetauscht wird, bestimmt die Erstarrungsgeschwindigkeit des durch Druckgiessen oder Thixoformen hergestellten Teiles. Da die Charakteristiken dieses Austausches direkt die mechanischen Eigenschaften des Druckguss- oder Thixoformteiles mitbestimmen, ist die Überwachung der Erstarrung des Metalls in der Form zur Einhaltung eines hohen Qualitätsstandards unabdingbar.

[0006] Die Erfassung der über die Form abgeführten Erstarrungswärmemenge ermöglicht es u.a. festzustellen, ob die Erstarrung vollständig innerhalb der Form stattfindet, ob Vorerstarrungen auftreten oder welches Flüssig-Fest-Verhältnis in einem Thixomaterial vorliegt.

[0007] Ein überwiegender Teil der Wärme, die während der Erstarrung ausgetauscht wird, stammt von der beim Erstarren frei werdenden latenten Wärme. Die Menge der latenten Wärme hängt ihrerseits stark vom Flüssigmetallanteil beim Füllen des Formhohlraumes ab. Die Menge der über die Formhälften abgegebenen latenten Wärme hängt wiederum vom zu vergiessenden Metall bzw. von der eingesetzten Legierung ab und kann weiter durch die Temperatur der Form bzw. der Formhälften, durch den ausgeübten Druck, durch die Kolbengeschwindigkeit sowie durch die Dicke der Schmiermittelschicht beeinflusst werden.

[0008] Der Wärmeaustausch, der während den verschiedenen Phasen der Erstarrung stattfindet, wird mit Hilfe eines Programmes berechnet. Den Berechnungen liegen Temperaturmessungen an der Form zugrunde, wobei bevorzugt die Temperatur in der Formwand gemessen und der zeitliche Verlauf der Temperatur an der formgebenden Oberfläche der Form berechnet wird. Hierzu werden Sensoren verwendet, die in der Formwand der Formhälften in einem Abstand von beispielsweise 1 mm zur Oberfläche befestigt sind. Das Programm berücksichtigt die inverse Wärmeleitung und berechnet in Echtzeit die Temperatur an der formgebenden Oberfläche der Formhälften und den Wärmeaustausch zwischen dem erstarrenden Metall und der Form. Mit den in dieser Weise angeordneten Temperatursensoren kann die Gleichmässigkeit des Abkühlvorganges und das thermische Gleichgewicht an der Formoberfläche bei den verschiedenen aufeinanderfolgenden Phasen des Giessens und der Abkühlung in Echtzeit überwacht werden. Die Sensoren werden deshalb bevorzugt an Stellen angeordnet, wo das thermische Gleichgewicht und die Erstarrung gut zu erfassen sind.

[0009] Ein Kennwert für die zu einer festgelegten Zeit abgeführte Erstarrungswärmemenge liegt bevorzugt zwischen etwa 20% und 100%, insbesondere zwischen etwa 50% und 100% der maximalen Erstarrungswärmemenge.

[0010] In der Praxis hat es sich als zweckmässig herausgestellt, als Kennwert beim Druckgiessen die Erstarrungswärmemenge bei einer festgelegten Zeit von 0.1 bis 2 s, vorzugsweise 0.3 bis 0.8 s und insbesondere etwa 0.5 s zu berechnen.

[0011] Als weiterer Kennwert kann die unmittelbar vor jedem Schuss für die Formoberfläche berechnete Temperatur verwendet werden.

[0012] Aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur kann der zeitliche Verlauf des Wärmeaustauschkoeffizienten berechnet werden. Der bei einer bestimmten Zeit berechnete Wert für den Wärmeaustauschkoeffizienten, z.B. die Maximalwerte in der Erstarrung- oder in der Kühlphase, oder auch der gesamte Kurvenverlauf, können als weitere zusätzliche Kennwerte verwendet werden.

[0013] Aus dem zeitlichen Verlauf der Energie des Systems kann die Differenz zwischen den Energiewerten zu Beginn der Formfüllung bei aufeinanderfolgenden Schüssen ebenfalls als zusätzlicher weiterer Kennwert dienen.

[0014] Aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur kann der zeitliche Verlauf der Erstarrungslänge berechnet werden. Unter Erstarrungslänge wird die von der Formoberfläche aus gemessene Dicke des erstarrten Metalls verstanden. Die zu einer festgelegten Zeit berechnete Erstarrungslänge kann als weiterer zusätzlicher Kennwert verwendet werden.

[0015] Weitere mögliche Kennwerte sind der minimale Druck, der aus der Messung des zeitlichen Verlaufs des Druckes im Formhohlraum bestimmt wird, sowie die unmittelbar vor einem Schuss im Formhohlraum gemessene minimale relative Feuchtigkeit.

[0016] Zur Prozessüberwachung können die berechneten oder gemessenen Kennwerte als Istwerte mit entsprechenden Sollwerten verglichen werden, wobei vorgesehen sein kann, dass bei unzulässig starker Abweichung der Istwerte von den Sollwerten innerhalb eines Toleranzbereiches ein Alarm ausgelöst und bei Überschreiten des Toleranzbereiches der Druckgiess- oder Thixoformvorgang unterbrochen wird.

[0017] Der Sollwert für die abgeführte Erstarrungswärmemenge wird beispielsweise als Mittelwert mit einer Standardabweichung angegeben. Die Standardabweichung kann beispielsweise als erste Toleranzgrenze festgelegt werden, deren Überschreiten durch den Istwert einen Alarm auslöst.

[0018] Die Einhaltung der Kennwerte führt zu einem gleichmässig hohen Qualitätsstandard. Abweichungen der lstwerte von den Sollwerten werden in Echtzeit erfasst, so dass entsprechende Korrekturmassnahmen rasch durchgeführt werden können.

[0019] Ein besonderes interessantes Anwendungsgebiet des Verfahrens liegt beim Druckgiessen und Thixoformen insbesondere von Aluminium- und Magnesiumlegierungen, beispielsweise zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen für die Fahrzeugindustrie.

[0020] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Versuchsergebnissen am Beispiel des Druckgiessens sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in

• Fig. 1 den zeitlichen Verlauf des Wärmeflusses;
• Fig. 2 den zeitlichen Temperaturverlauf während eines Druckgiesszyklus;
• Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Energie während eines Druckgiesszyklus;
• Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Erstarrungswärmemenge im Bereich A von Fig. 2;
• Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Temperatur bei der Abkühlung der Form im Bereich B von Fig. 2;
• Fig. 6 den zeitlichen Verlauf des Wärmeaustauschkoeffizienten bei der Abkühlung der Form im Bereich B von Fig. 2;
• Fig. 7 den zeitlichen Verlauf des Drucks im Formhohlraum;
• Fig. 8 die Erstarrungswärmemenge als Kennwert für drei verschiedene Aluminiumlegierungen bei zunehmender Schusszahl;
• Fig. 9 eine Druckgiessanlage mit Prozessüberwachung.

[0021] In den Fig. 1 bis 7 ist der zeitliche Verlauf der von einem programmgesteuerten Rechner aufgrund der Temperatur- und Druckmessungen berechneten Parameter dargestellt. Es bedeuten:

t

Zeit

T₀

berechnete Temperatur an der formgebenden Oberfläche

T

gemessene Temperatur in der Formwand, 1 mm unter der Oberfläche

T_v

Oberflächentemperatur der Form unmittelbar vor dem Schuss

U

Energie

ΔU

Energiedifferenz zwischen Beginn der Formfüllung und nach Abkühlung der Form

U_E

Erstarrungswärmemenge

U_E1s,i

Soll- bzw. Istwert der Erstarrungswärmemenge bei der Zeit t₁ = 0.5 s

W

Wärmefluss

h

Wärmeaustauschkoeffizient

p

Druck im Formhohlraum

rH

relative Feuchtigkeit im Formhohlraum

n

Schusszahl

[0022] Fig. 8 zeigt das Ergebnis einer Versuchsreihe mit drei verschiedenen Aluminiumlegierungen. Es wurden 128 gleiche Teile auf derselben Druckgussmaschine gegossen, nämlich 79 Teile aus der Legierung 1, 35 Teile aus der Legierung 2 und 14 Teile aus der Legierung 3. In der Darstellung ist der Sollwert für die zur Zeit t₁ = 0.5 s abgeführte Erstarrungswärmemenge U_E1s als Mittelwert mit der Standardabweichung eingezeichnet. Die Standardabweichung definiert einen ersten Grenzwert, der mit einem zweiten Grenzwert einen Toleranzbereich R einschliesst. Der zweite Grenzwert grenzt den Toleranzbereich R gegen den Fehlerbereich S ab. Fallen zwei aufeinanderfolgende Istwerte U_E1i für die Erstarrungswärmemenge in den Toleranzbereich R, wie dies bei den Schüssen 76 bis 79 (Bereich X) der Fall ist, so wird ein Alarm ausgelöst und die entsprechende Korrektur eingeleitet. Im Fall der Schüsse im Bereich X --diese zeigen einen zu hohen Wert U_E1i -- war die Oberflächentemperatur T_v der Form unmittelbar vor dem Schuss um etwa 30°C tiefer als der Mittelwert der vorangehenden Schüsse. Für die Schüsse 123 bis 125 (Bereich Y) lagen die lstwerte U_E1i für die abgeführte Erstarrungswärmemenge im Fehlerbereich S. Der Grund war eine zu tiefe Schmelzetemperatur, was zu Vorerstarrungen ausserhalb der Form und in der Folge zu einem niedrigeren Wert für die in der Form abgeführte Erstarrungswärmemenge führte. In diesem Fall ist ein Produktionsunterbruch und die Durchführung von Korrekturmassnahmen angezeigt.

[0023] Die in Fig. 8 gezeigten Untersuchungsergebnisse lassen erkennen, dass mit dem erfindungsgemässen Überwachungsverfahren bezüglich des Erstarrungsvorganges ein hoher Qualitätsstandard erreicht werden kann. Abweichungen werden unmittelbar online angezeigt. Die berechneten Werte können beispielsweise über eine RS232-Schnittstelle an einen programmierbaren Automaten, der die Druckgussmaschine steuert, weitergegeben werden. Die Daten werden kontrolliert, ggf. angezeigt und schliesslich archiviert. Fallen die berechneten Werte für die Erstarrungswärmemenge in den Toleranzbereich R, so kann vom Automaten direkt ein Alarm ausgelöst werden. Bei stärker abweichenden Werten, die in den Bereich S fallen, kann beispielsweise ein automatischer Produktionsstopp ausgelöst werden.

[0024] Zur Prozessüberwachung können an verschiedenen Stellen in den Formhälften Temperatursensoren angeordnet werden. Die Berechnungen werden bevorzugt für die einzelnen Temperatursensoren einzeln durchgeführt und auch einzeln als Überwachungsergebnisse aufgezeichnet. Auf diese Weise ist es möglich, spezifische Produktionsprobleme an der Form zu lokalisieren. Die aufgezeichneten Überwachungsergebnisse werden zweckmässigerweise archiviert und können später beispielsweise zum Nachweis der Produktionsqualität eines bestimmten Druckguss- oder Thixoformteiles herangezogen werden.

[0025] Die Prozessüberwachung wird aus der nachfolgenden Beschreibung von Fig. 9 verständlich.

[0026] Eine Druckgiessanlage 10 weist eine Füllkammer 12 mit einem Füllkammerhohlraum 14 auf. Das aus einem Ofen 18 über eine Zuleitung 20 für jeden Schuss in den Füllkammerhohlraum 14 eingefüllte flüssige Metall wird mit einem Kolben 16 über einen Angusskanal 22 aus dem Füllkammerhohlraum 14 in einen aus einer feststehenden Formhälfte 24 und einer beweglichen Formhälfte 26 gebildeten Formhohlraum 28 eingeschossen.

[0027] Der Formhohlraum 28 weist einen oder mehrere Entlüftungskanäle 30 auf, die ggf. zu einem Sammelkanal zusammengefasst sind. In der feststehenden Formhälfte 24 ist ein Steuerungseinsatz 32 mit einem Steuerungsbolzen 34 angeordnet. Der Steuerungsbolzen 34 weist einen Verschlusskopf 36 zum Öffnen bzw. Schliessen des Entlüftungskanals 30 auf. Die Verschiebung des Steuerungsbolzens 34 erfolgt mittels eines Betätigungszylinders 38. Bei erfolgter Formfüllung wird über den Verschlusskopf 36 des Steuerungsbolzens 34 der Entlüftungskanal 30 am Ende des Formhohlraumes 28 verschlossen.

[0028] An den Steuerungseinsatz 32 schliesst eine Vakuumleitung 40 an, die über Ventile 42 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumbehälter verbunden ist. Vor dem Einschiessen des Metalls in den Formhohlraum 28 wird dieser evakuiert und der zeitliche Verlauf des Drucks im Formhohlraum 28 über einen in die Vakuumleitung 40 geschalteten Drucksensor 44 gemessen.

[0029] In den beiden Formhälften 24, 26 sind an verschiedenen Stellen Temperatursensoren 46 angeordnet. In der Zeichnung nicht dargestellt ist eine mit dem Formhohlraum in Verbindung stehende Sonde zur Messung der relativen Feuchtigkeit.

[0030] Die Temperatursensoren 46, der Drucksensor 44 und die nicht dargestellte Sonde zur Messung der relativen Feuchtigkeit sind an einen programmgesteuerten Rechner 48 angeschlossen. Dieser Rechner übergibt die gemessenen und berechneten Parameter einem Datenerfassungsgerät 50 zur Überwachung und Archivierung. Die Auslösung eines Alarmes oder eines Produktionsstopps bei der Überschreitung von Toleranzwerten für einzelne oder alle Kennwerte erfolgt direkt über den Rechner.

Ansprüche

1. Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen im Vakuum in einer Form,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zeitliche Verlauf der Temperatur (T) an mindestens einer Stelle des Systems kontinuierlich gemessen und mittels eines Programmes der Temperaturverlauf des Systems in Echtzeit berechnet wird, und dass aus dem Temperaturverlauf des Systems der zeitliche Verlauf des Wärmeflusses (W) und aus dem Wärmefluss der zeitliche Verlauf der Energie (U) des Systems sowie der Erstarrungswärmemenge (U_E) des in der Form erstarrten Metalls berechnet wird, wobei zu einem festgelegten Zeitpunkt berechnete Werte als Kennwerte für die Überwachung verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) in der Formwand gemessen und der zeitliche Verlauf der Temperatur (T_o) an der formgebenden Oberfläche der Form berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert für die zu einer festgelegten Zeit (t₁) abgeführte Erstarrungswärmemenge (U_E1) beim Druckgiessen zwischen 20% und 100%, vorzugsweise zwischen 50% und 100% der maximalen Erstarrungswärmemenge (U_Emax) liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennwert beim Druckgiessen die Erstarrungswärmemenge (U_E1) bei einer festgesetzten Zeit (t₁) von 0.1 bis 2 s, vorzugsweise 0.3 bis 0.8 s und insbesondere etwa 0.5 s berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar vor jedem Schuss für die Formoberfläche berechnete Temperatur (T_v) als weiterer Kennwert verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur (T) der zeitliche Verlauf des Wärmeaustauschkoeffizienten (h) berechnet und der Wärmeaustauschkoeffizient als weiterer Kennwert verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Engergie (U) des Systems die Differenz (ΔU) zwischen den Energiewerten zu Beginn der Formfüllung bei aufeinanderfolgenden Schüssen als weiterer Kennwert verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur (T) der zeitliche Verlauf der Erstarrungslänge berechnet und die zu einer festgelegten Zeit berechnete Erstarrungslänge als weiterer Kennwert verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Drucks (p) in der Form gemessen und der minimale Druck (p_min) als weiterer Kennwert verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale relative Feuchtigkeit (rH) unmittelbar vor einem Schuss in der Form gemessen und als weiterer Kennwert verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten oder gemessenen Kennwerte als Istwerte mit entsprechenden Sollwerten verglichen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei unzulässig starker Abweichung der Istwerte von den Sollwerten innerhalb eines Toleranzbereiches ein Alarm ausgelöst und bei Überschreiten des Toleranzbereiches der Druckgiess- oder Thixoformvorgang unterbrochen wird.

Zeichnung