Verfahren zum Betrieb einer Warmkammerdruckgiessmaschine und Warmkammerdruckgiessmaschine hierfür

Abstract

 Beschrieben wird ein Verfahren zum Betrieb einer Warmkammerdruckgießmaschine, bei dem nach der Füllung der Form zumindest im engsten Querschnitt der Anbindung zwischen Steigbohrung und Mundstück und Form eine Druckschwingung erzeugt wird, die die Schmelze am schnellen Erstarren hindert. Auf diese Weise wird es möglich, den Nachdruck auf die Schmelze in der Form gegenüber herkömmlichen Warmkammerdruckgießverfahren zu erhöhten, um dadurch Gussteile höherer Qualität zu erreichen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Warmkammerdruckgießmaschine bei dem Metallschmelzen vom Gießbehälter aus über eine Steigbohrung, ein Mundstück und eine Anbindung in eine Form gepresst wird. Die Erfindung betrifft auch eine Warmkammerdruckgießmaschine, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.

[0002] Beim Warmkammerverfahren wird das flüssige Metall über einen Gießbehälter und einen Gießkolben in die Form gefördert. Der Gießbehälter und der Gießkolben befinden sich dabei ständig im Metallbad. Während der Kolbenbewegung und auch am Ende der Kolbenbewegung entstehen je nach Metallschmelzentemperatur Verluste zwischen Kolbenringen und Gießbehälterbohrung. Beim Warmkammerverfahren können deshalb beim Vergießen von Zink, das eine Metallbadtemperatur von ca. 420°C aufweist, etwa 300bar Metalldruck am Ende des Füllvorganges erzeugt werden. Beim Druckgießen von Magnesium mit einer Metallbadtemperatur von ca. 650°C können nur etwa 250bar Metalldruck ebenfalls am Ende des Füllvorganges erreicht werden.

[0003] Es gibt auch Kaltkammerdruckgießverfahren (DE 29 22 914 C2), bei denen die Formfüllphasen in ähnlicher Weise ablaufen, wie beim Warmkammerdruckgießverfahren. Bei Kaltkammerverfahren, bei dem Gießbehälter und Gießkolben sich nicht in der flüssigen Schmelze befinden, ist es möglich, höhere Enddrücke in der Größenordnung von 400bar bis 700bar zu erzeugen. Dies bedeutet, dass es wegen des hohen Metalldruckes beim Kaltkammerverfahren möglich ist, Teile mit höheren Dichte herzustellen. Dies wiederum bedeutet weniger Porosität im Druckgussteil, höhere Festigkeit und Dehnwerte und höhere Oberflächendichte.

[0004] Beim Warmkammerdruckgießverfahren dauert der Füllvorgang der Form ca. 7ms bis 20ms. Am Ende des Füllvorganges baut sich, wie bereits erwähnt, der maximale Gießdruck auf. Dieser Gießdruck wirkt über die Anbindung auf das bereits im Formhohlraum befindliche Metall. Da die Dicke der Anbindung abhängig von der Wandstärke und der Oberflächenqualität der Teile sowie der Nachbearbeitung ist und die dünnste Wandstärke der Anbindung die Dicke des Anschnittes ist, wird die Metallschmelze zuerst an dieser Stelle erstarren. Dadurch wird die Anbindung vom Formhohlraum abgeschlossen und der vom Gießkolben her aufgebrachte Nachdruck kann nicht mehr, oder nicht mehr voll zur Wirkung kommen. Zur Erläuterung sei darauf hingewiesen, dass die dünnste Wandstärke eines Anschnittes z.B. bei einem Zinkteil 0,3mm bis 0,6mm und bei einem Magnesiumteil bei 0,4mm bis 0,8mm liegt. Durch die in diesem Bereich auftretende Abkühlung erstarrt das Material an dieser Stelle relativ schnell.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dafür zu sorgen, dass trotz der beim Warmkammerdruckgießverfahren niedrigeren Enddrücke Druckgussteile erreicht werden können, die die gleichen Eigenschaften wie solche aufweisen, die im Kaltkammerverfahren hergestellt worden sind.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass am Ende des Form-Füllvorganges zumindest im engsten Querschnitt der Anbindung eine Druckschwingung erzeugt wird, die die Schmelze am schnellen Erstarren hindert. Durch Variieren des Druckes wird eine Bewegung in der Metallschmelze erreicht, was dazu führt, dass der vorher erwähnte Anschnittsquerschnitt mit seiner dünnen Wandstärke nicht so schnell zum Erstarren kommt, also nicht "einfriert". Auf diese Weise kann der Druck länger in die Form ein- und damit auch der volumenbedingten Schrumpfung der Schmelze entgegenwirken.

[0007] In Weiterbildung der Erfindung kann über ein Zeitglied der Druck nach einer bestimmten Zeitspanne erhöht werden, wobei die Pulsation aufrechterhalten bleibt, so dass dann, wenn die Schmelze die sogenannte Semisolidphase erreicht hat, die höchste Verdichtung eintritt. In dieser Phase bildet sich an den Außenkonturen des Druckgussteiles kein Grat mehr. Durch die Schwingungen, die mit relativ hoher Frequenz eingeleitet werden können, wird der Druck auf das in der Form befindliche Metall voll übertragen. Es entsteht auf diese Weise eine Art Hämmern auf die gefüllte Form, das zu einer Endverdichtung des Materiales führt.

[0008] In Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Verfahren, bei dem ein über einen elektromotorischen Antrieb bewegter Gießkolben vorliegt, der pulsierende Druck durch Überlagern des Antriebes mit einer Schwingung erzeugt werden. Diese Schwingung kann in Weiterbildung der Erfindung ca. 300Hz betragen und kann bei einer vorgegebenen Verzögerung der Gießkolbengeschwindigkeit eingeleitet werden. Die Gießkolbengeschwindigkeit lässt sich in bekannter Weise wegabhängig ermitteln, so dass es keine Probleme bereitet, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der pulsierende Druck erforderlich wird.

[0009] In Weiterbildung der Erfindung kann der Druck gegenüber dem maximalen Gießdruck pulsierend erniedrigt oder erhöht werden. wobei, wie vorher bereits angedeutet, der Druck in der Endphase während einer ersten kurzen Zeitspanne erniedrigt und während einer zweiten Zeitspanne erhöht wird, ehe die völlige Erstarrung der Schmelze eintritt.

[0010] Die Erfindung betrifft auch eine Warmkammerdruckgießmaschine, mit der das neue Verfahren durchgeführt werden kann. Diese Warmkammerdruckgießmaschine besitzt einen Gießkolbenantrieb und eine Steuereinrichtung hierfür, wobei dem Gießkolbenantrieb eine in der Endphase des Füllvorganges zuschaltbare Pulsationseinrichtung zugeordnet ist, deren Schwingungen auf die Antriebsachse des Gießkolbens wirken. Wenn der Gießkolbenantrieb mit einem elektromotorisch angetriebenen Gießkolben versehen ist, kann die Pulsationseinrichtung aus dem elektrischen Servoantrieb und aus einer auf diesen einwirkenden Steuereinrichtung bestehen, wobei diese Steuereinrichtung als ein von einer entsprechend ausgelegten Software betriebener elektronischer Rechner sein kann. Der Servoantrieb selbst kann ein bürstenloser Elektromotor mit niedrigem Schwungmoment sein. Ein solcher Antrieb vermeidet weitgehend die Auswirkung von Trägheitskräften auf den Gießkolben, die aber in bekannter Weise auch durch die Zwischenschaltung eines federnden Elementes zwischen Antriebsmotor und Gießkolben oder durch gesteuerte Abgrenzung des Servoantriebes abgemindert werden können.

[0011] Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

die schematische Darstellung eines Gießkolbenantriebs mit einem Elektromotor und einer Steuereinrichtung zur Erzeugung einer Schwingung,

Fig. 2

eine schematische Blockdarstellung eines Teils der Steueraggregate und

Fig. 3

die Darstellung des Druck- und Volumenverlaufes des Einpressvorganges nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

[0012] Fig. 1 zeigt das Einpressaggregat einer Warmkammerdruckgießmaschine zur Verarbeitung von Metallschmelzen, die im übrigen in bekannter Weise mit einem im Schmelzebad angeordneten Gießbehälter, einem in diesem über das Einpressaggregat bewegbaren Gießkolben und mit einer Steigbohrung und einem an deren Enden angeordneten Mundstück versehen ist. Beim Gießvorgang selbst soll ebenfalls in bekannter Weise über das Mundstück die Metallschmelze über eine Anbindung der Form zugeleitet werden.

[0013] Bei dem Einpressaggregat nach Fig. 1 ist ein Elektromotor 1, beispielsweise ein Asynchronmotor oder auch eine andere Variante eines Servomotors mit einem nicht näher gezeigten Getriebe und mit einem Kopplungsteil 2 vorgesehen, der eine Gewindespindel 3 zu einer Drehbewegung antreibt. Die Gewindespindel 3 ist in einem Schutzgehäuse 5 abgedichtet geführt. Auf ihr ist ein mit dem Gewinde der Spindel 3 zusammenwirkende Mutter 4 geführt, die mit einem Leitnocken 6 in eine Nut 7 innerhalb des Gehäuses 5 eingreift und dadurch im Gehäuse 5 unverdrehbar geführt ist. Die Mutter 4 steht über eine das freie Ende der Spindel 3 übergreifende Verlängerung 8 mit einer Schubstange 9 in Verbindung, die ihrerseits abgedichtet aus dem Gehäuse 5 herausgeführt und mit einem Fortsatz 10 mit geringerem Durchmesser versehen ist. Auf dem Fortsatz 10 ist beweglich eine erste Scheibe 11 geführt, die an einem Drucksensor 12 anliegt, der beispielsweise in der Art eines piezoelektrischen Elementes ausgeführt sein kann. Dieser Drucksensor 12 steht über eine Signalleitung 13 mit einem Mehrparameterregler 20 in Verbindung, über den der Motor 1 in seiner Drehzahl geregelt wird.

[0014] Auf dem Fortsatz 10 ist außerdem eine Hülse 14 mit einer Endscheibe 15 verschiebbar gelagert, wobei zwischen der Endscheibe 15 und der am Drucksensor 12 anliegenden Scheibe 11 ein Federelement in der Form eines Kunststoffringes 16 angeordnet ist, der ebenfalls von dem Fortsatz 10 durchsetzt ist. Die Hülse 14 ist an dem von der Scheibe 15 abgewandten Ende mit einem Anschlußende 17 zur Verbindung mit dem nicht gezeigten Gießkolben versehen, wobei das freie Ende des Fortsatzes 10 mit einem Absatz 18 größeren Durchmessers versehen ist, der die Hülse am Fortsatz 10 hält und auch für eine gewisse Vorspannung des Kunststoffringes 16 dienen kann. Dieser Absatz 18 ist um die Wegstrecke a von einer inneren Endfläche 19 der Hülse 14 entfernt. Dieses Einpressaggregat wird in Betrieb gesetzt, wenn die Metallschmelze in bekannter Weise aus dem Tiegel einer Warmkammerdruckgießmaschine in die Form gedrückt werden soll. Der Elektroantrieb 1 wird dabei über den Mehrparameterregler 20 zu einer Drehung der Spindel 3 angeregt, was dazu führt, dass die Mutter 4 aus der gezeigten Stellung an der Spindel 3 entlang nach unten läuft und dabei die Schubstange 9 ebenfalls nach unten drückt, und zwar mit der für den Füllvorgang der Gießform notwendigen Geschwindigkeit.

[0015] Wenn die Form gefüllt ist, so muss der Drehantrieb der Spindel 3 von Geschwindigkeitsregelung auf Drehmomentregelung umgeschaltet werden. Um zu vermeiden, dass der Gießkolben in diesem Fall bedingt durch das massebedingte Trägheitsmoment des Antriebes weiter auf die in der Form befindliche inkompressible Schmelze drückt und dadurch unerwünschte Druckspitzen im Antriebsmechanismus auftreten, die zu einer Beschädigung führen können, ist das Federelement 16 vorgesehen, das sich zusammendrückt und den Weg aufnimmt, den sonst der Gießkolben zusätzlich zurücklegen hätte müssen.

[0016] Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass der vom Antrieb noch zurückgelegte Weg kleiner als das Maß a ist. Das Federelement 16 drückt sich daher um einen Betrag geringfügig kleiner als a zusammen und wird unter Spannung gesetzt. Dabei kann die Anordnung so ausgelegt werden, dass die dann vom Federelement 16 ausgeübte Reaktionskraft auf die Hülse 14 und auf den Gießkolben ausreichend groß ist, um in der Schmelze den erforderlichen Nachdruck aufgrund einer Kraft beispielsweise in der Größenordnung von 7 bis 8 Tonnen (70 bis 80 Kilo N) zu bewirken.

[0017] Die Fig. 2 zeigt, dass zur Regelung der Drehzahl und des Drehmomentes des Elektromotors 1 dem Regler 20 die Sollposition 21 für den Gießkolben vorgegeben wird, die mit der Ist-Position 22 verglichen wird, welche am Ausgang des Antriebes abgenommen wird. Zugeführt wird dem Regler 20 außerdem die Sollgeschwindigkeit und das Solldrehmoment. Die daraus resultierende Solldrehzahl 24 wird einer nicht näher gezeigten digitalen oder analogen Drehzahl- und Drehmomentregelung für den Motor 1 zugeführt und die Ist-Drehzahl 25 und das Ist-Drehmoment führt dann in bekannter Weise zur Zufuhr des Schmelzenmaterials (Füllvorgang), beispielsweise in den drei bekannten Formfüllphasen. Beim Erreichen einer Ist-Position (22), bei der die Form gefüllt ist, wird in der vorher erläuterten Weise auf Drehmomentregelung umgeschaltet und hier nun zu dem Zeitpunkt, wo die Gießkolbengeschwindigkeit einen vorgegebenen Verzögerungswert erreicht hat, dem Drehmoment eine Schwingung überlagert.

[0018] Die Fig. 3 zeigt, wie dieser Einpressvorgang im einzelnen vor sich geht. In Fig. 3 ist dabei auf der Abszisse die Formfüllzeit aufgetragen und auf der Ordinate sowohl die Kolbengeschwindigkeit v als auch der in der Schmelze durch den vorwärts bewegten Gießkolben erzeugte Druck p. Fig. 3 zeigt, dass in einem ersten, bis zu der durch die Linie 26 gekennzeichneten Zeitabschnitt, die Füllphase zunächst mit drei - oder auch mehr - unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgt, wobei dann zwischen dem mit der Linie 26 und dem mit der Linie 27 angedeuteten Zeitpunkt eine erhebliche Steigerung der Kolben und Füllgeschwindigkeit stattfindet. Vom Zeitpunkt an der Linie 27 ab erfolgt der Füllvorgang der Form über die Zeitdauer t_F. Dieser Füllvorgang erfolgt daher mit hoher Geschwindigkeit, wobei zwangsläufig auch der Druck p entsprechend ansteigt, um kurz vor seinem Endanstieg bei gefüllter Form, wenn die Kolbengeschwindigkeit v wieder bis auf null abnimmt, noch einmal auf den Enddruck anzusteigen.

[0019] Die Fig. 3 zeigt nun, dass beim Erreichen eines bestimmten, vorgegebenen Verzögerungswertes V_Z von 0,1m pro Sekunde der (vom Wert von etwa 1,2m pro Sekunde abfallenden) Kolben- und Füllgeschwindigkeit dem vom Einpressaggregat (Fig. 1) ausgeübten Druck während einer ersten Zeitspanne t₁ eine Schwingung derart überlagert wird, dass ein um den Wert Δp pulsierender Druck steht, dessen Maximalwert bei dem zunächst erreichten Enddruck liegt. In einem zweiten Zeitabschnitt t₂ dagegen wird der Druck um einen Wert Δp gegenüber dem ursprünglichen Enddruck erhöht und bleibt dabei aber der ausgelösten Schwingung ausgesetzt.

[0020] Diese Maßnahme führt, wie auch eingangs schon erwähnt, dazu, dass bei gefüllter Form in der Anbindung zwischen Formhohlraum und Mundstück der Warmkammerdruckgießmaschine, aber auch im gesamten von der Schmelze eingenommenen Raum Druckschwankungen während der Zeitabschnitte t₁ und t₂ auftreten. Dies führt dazu, dass auch im engsten Querschnitt der Anbindung, der im Anschnitt auftritt, zu diesem Zeitpunkt ein pulsierender Druck auftritt, der verhindert, dass hier die Schmelze frühzeitig erstarrt und daher die Verbindung zum Formhohlraum abschließt. Die während des Zeitraumes t₂ erfolgende Druckerhöhung kann sich daher noch auf den gesamten Formhohlraum und auf die dort befindliche Schmelze auswirken. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Schmelze in der sogenannten Semisolidphase und es wird durch die Erfindung möglich, hier die höchste Verdichtung zu erreichen. In dieser Phase bildet sich an den Außenkonturen des Druckgussteiles in der Form kein Grat mehr. Durch die Schwingungen um den Wert Δp wird der vom Gießkolben auf die Schmelze ausgeübte Druck in einer Art Hammerwirkung auf das sich in der Form befindliche Metall übertragen, das dadurch mehr als sonst beim Warmkammerdruckgießverfahren üblich verdichtet werden kann. Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren Druckgussteile erreicht werden können, deren Dichte, Festigkeit und Porosität jenen entspricht, die sonst nur im Kaltkammerdruckgießverfahren herstellbar waren.

[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren ist anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert worden, bei dem das Einpressaggregat über einen elektrischen Servomotor betrieben wird. Bei solchen servogesteuerten Maschinen ist es möglich, einen Bremspunkt am Ende des Füllvorgang vorzugeben. Man kann dadurch das Auftreten von Druckspitzen vermeiden, die - wie eingangs auch erwähnt - am Ende eines ungebremsten Füllvorganges entstehen würden. Die Füllgeschwindigkeit wird also vor Ende der Formfüllung reduziert, so dass mit dieser Maßnahme Teile ohne Grat produziert werden können. Dieser Abbremspunkt, zu dem also eine vorgegebene Verzögerung vorliegt, kann als Startpunkt für die Druckschwingungen vorgesehen werden.

[0022] Es ist aber durchaus auch denkbar, dass bei Warmkammerdruckgießmaschinen mit einem hydraulisch beaufschlagten Gießkolben die Hydraulik nach Füllung der Form unter entsprechende Druckschwankungen gesetzt wird, so dass auch mit solchen Einpressaggregaten die Erfindung verwirklichbar ist. Denkbar ist es schließlich aber auch, dass gezielt über gesonderte Einrichtungen in der Anbindung und im Anschnitt in der entscheidenden Phase nach Füllung der Form die Schwingungen erregt werden, um auch dann das sogenannte "Einfrieren" der Schmelze in der Anbindung zu verhindern. Eine pulsierende Druckbeaufschlagung über den Gießkolben wäre dann nicht erforderlich.

[0023] Die dargestellte Anwendung des neuen Gießverfahrens bei einem Einpressaggregat mit einem elektromotorisch angetriebenen Gießkolben ist allerdings sehr einfach zu verwirklichen, weil es ausreicht, eine entsprechende Software für die Steuerung über einen elektronischen Rechner zur Verfügung zu stellen, der dann zu dem anhand der Fig. 3 erläuterten Zeitpunkt bei der Umschaltung auf Drehmomentsteuerung die gewünschten Schwingungen einleitet.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Warmkammerdruckgießmaschine, bei dem Metallschmelze vom Gießbehälter aus über eine Steigbohrung, ein Mundstück und eine Anbindung in eine Form gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Form-Füllvorganges zumindest im engsten Querschnitt der Anbindung eine Druckschwingung erzeugt wird, die die Schmelze am schnellen Erstarren hindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gießkolben während des Einpressvorgangs in den entsprechenden Formfüllphasen bewegt und am Ende des Füllvorganges mit dem maximalen Gießdruck beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkolben am Ende des Füllvorganges mit einem pulsierenden Druck (Δp) beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, mit einem über einen elektromotorischen Antrieb (1) angetriebenen Gießkolben, dadurch gekennzeichnet, dass der pulsierende Druck durch Überlagerung des Antriebes mit einer Schwingung erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung mit ca. 300Hz erfolgt und einer vorgegebenen Verzögerung (V_Z) der Gießkolbengeschwindigkeit eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) gegenüber dem maximalen Gießdruck (p_max) pulsierend erniedrigt oder erhöht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) in der Endphase während einer ersten kurzen Zeitspanne (t₁) erniedrigt und während einer zweiten Zeitspanne (t₂) erhöht wird, ehe die völlige Erstarrung der Schmelze eintritt.

7. Warmkammerdruckgießmaschine für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Gießkolbenantrieb und einer Steuerungseinrichtung hierfür, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gießkolbenantrieb (1) eine in der Endphase des Füllvorganges (t_F) zuschaltbare Pulsationseinrichtung zugeordnet ist, deren Schwingungen auf die Antriebsachse (10) des Gießkolbens wirken.

8. Warmkammerdruckgießmaschine nach Anspruch 7, mit einem elektromotorisch angetriebenen Gießkolben, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationseinrichtung aus dem elektrischen Servoantrieb (1) und aus einer auf diese einwirkenden Steuereinrichtung (20) besteht.

9. Warmkammerdruckgießmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) ein von einer entsprechend ausgelegten Software betriebener elektronischer Rechner in der Form eines Mehrparameterreglers (20) ist.

10. Warmkammerdruckgießmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Servoantrieb (1) ein bürstenloser Elektromotor mit niedrigem Schwungmoment ist.

Zeichnung