DE102004022304A1

DE102004022304A1 - Maschinendüse für Spritzgießmaschine

Info

Publication number: DE102004022304A1
Application number: DE102004022304A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Glas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2005-12-01
Also published as: WO2005105359A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Teil aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung und einem Teil aus Stahl oder einer Stahllegierung. Um eine dauerhafte belastbare Verbindung der beiden Materialien zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Teile sich in einer Kontaktebene berührend angeordnet werden, wobei das Kupfer eine über den Rand der Kontaktfläche vorspringende Leiste aufweist, die den Rand der Kontaktfläche senkrecht zur Kontaktfläche überlappt und die Verbindung im Vakuum mittels Elektronenstrahl in der Kontaktebene durch das überlappende Kupfer hindurch thermisch erfolgt. Dieses Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Maschinendüsen anwenden, die dann eine überragende Lebensdauer aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Teil aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung und einem Teil aus Stahl oder einer Stahllegierung, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Maschinendüse, wobei die fertige Maschinendüse aus einer Düsenspitze, vorzugsweise aus gehärtetem Werkzeugstahl und einem Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung besteht, wobei Düsenspitze und Düsenschaft unlösbar miteinander verbunden werden.

Solche Maschinendüsen sind bekannt. Der Aufbau einer solchen Maschinendüse ist beispielsweise in dem Zeitschriftenartikel "Optimalere Prozessbedingungen" aus der Zeitschrift "Werkzeug und Formbau", April 2001, bekannt. Die Düsenspitze ist vorzugsweise aus gehärtetem Werkzeugstahl ausgebildet, da sie hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Der Düsenschaft besteht vorzugsweise aus einer kupferhaltigen Legierung. Dies ist insbesondere bei verlängerten Maschinendüsen von Vorteil, da Kupferlegierungen eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Aufgrund dieser Kupferlegierungen kann die Temperaturdifferenz der Schmelze über die gesamte Länge der Maschinendüse erheblich reduziert werden und der Temperaturgradient wird in einem akzeptablen Prozeßbereich gehalten.

In sogenannten Heißkanalsystemen kommt eine Düse zur Anwendung, die unter der Bezeichnung Düsenspitze, Angußdüse oder Anspritzdüse bekannt ist. Die Erfindung ist deshalb nicht auf den engen Begriffsinhalt der Maschinendüse beschränkt zu verstehen, sondern soll sich auch auf derartige Düsen erstrecken.

Problematisch ist bisher die Herstellung einer solchen Maschinendüse, da sich die unterschiedlichen Materialien von Düsenspitze und Düsenschaft nur schwer miteinander verbinden lassen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Rohprodukt in dem Verfahren anzugeben, welches eine dauerhafte Verbindung von Düsenspitze und Düsenschaft gewährleistet, um so eine Maschinendüse mit verlängerter Standzeit zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Teil aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung und einem Teil aus Stahl oder einer Stahllegierung dadurch gelöst, dass die Teile sich in einer Kontaktebene berührend angeordnet werden, wobei das Kupfer eine über den Rand der Kontaktfläche vorspringende Leiste aufweist, die den Rand der Kontaktfläche senkrecht zur Kontaktfläche überlappt und die Verbindung im Vakuum mittels Elektronenstrahl in der Kontaktebene durch das überlappende Kupfer hindurch thermisch erfolgt. Überraschender Weise können die beiden Werkstoffe auf diese Weise dauerhaft und belastbar ohne Zusatzwerkstoffe thermisch verbunden werden. Die Verbindung entspricht einer Schweißung. Die Schweißnaht ist vorteilhaft lunkerfrei und der Grundwerkstoff durch die Schweißung kaum beeinflußt. Derartige Verbundwerkstoffe weisen die positiven Eigenschaften beider Werkstoffe auf. Sie lassen sich auch zu thermisch und mechanisch stark belasteten Maschinenteilen weiterverarbeiten.

Besonders vorteilhaft kann das Verfahren zur Herstellung einer Maschinendüse eingesetzt werden, wobei die fertige Maschinedüse aus einer Düsenspitze, vorzugsweise aus gehärtetem, Werkzeugstahl und einen Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung besteht, wobei Düsenspitze und Düsenschaft unlösbar miteinander nach Anspruch 1 verbunden werden, dabei wird zunächst eine, vorzugsweise gehärtete Düsenspitze hergestellt und/oder bereitgestellt. Dadurch wird ein, vorzugsweise im wesentlichen zylinderförmiges, nach Anforderung auch rechteckiges oder quadratisches Zwischenprodukt hergestellt und/oder bereitgestellt, welches nach Beendigung des Herstellungsverfahrens den Düsenschaft bildet, wobei das Zwischenprodukt mit einem, die Düsenspitze zumindest teilweise überlappenden Ringkranz ausgebildet wird. Nachdem nun Düsenspitze und Zwischenprodukt hergestellt und/oder bereitgestellt wurden, wird die Düsenspitze mit dem Zwischenprodukt mittels eines Elektronenstrahls verschweißt. Nachdem Düsenspitze und Zwischenprodukt verschweißt wurden, wird das hieraus entstandene Erzeugnis, mindestens im Bereich des Zwischenprodukts, auf seiner Mantelfläche auf die Fertigteilmaße überdreht. Nach dem Verschweißen von Düsenspitze und Zwischenprodukt, vorzugsweise nach Überdrehen der Mantelfläche, wird eine axiale konische Durchgangsöffnung durch Düsenspitze und Zwischenprodukt, bzw. durch Düsenspitze und Düsenschaft geschaffen, vorzugsweise erodiert, wobei die zylindrische Düsenaustrittsöffnung an der Düsenspitze in Durchmesser, Länge und Austrittswinkel genau nach den herrschenden Prozessbedingungen ausgeführt werden wird.

Überraschenderweise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine unlösbare Verbindung zwischen Düsenschaft und Düsenspitze geschaffen. Bei dem Verfahren ist es essentiell, dass der Düsenschaft die Düsenspitze vor dem Verschweißvorgang in einem bestimmten, verfahrensabhängigen Maße möglichst spaltfrei überlappt. Dies wird insbesondere dadurch gewährleistet, dass das z.B. zylindrische Zwischenprodukt an seinem einen Ende einen Ringkranz aufweist, der die Düsenspitze umschließt. Durch diese Maßnahme und aufgrund der Tatsache, dass das Verschweißen im Vakuum stattfindet, kann auf Zusatzstoffe beim Verschweißvorgang verzichtet werden. Durch das Überdrehen wird ein Produkt mit hervorragenden Oberflächeneigenschaften erzeugt. Nach dem Überdrehen ist nicht mehr erkennbar, dass das Zwischenprodukt die Düsenspitze beim Herstellungsvorgang überlappte. Es ist ganz entscheidend, dass die konische Durchgangsöffnung nach dem Verschweißen von Düsenspitze und Zwischenprodukt, vorzugsweise nach dem Überdrehen der Mantelfläche auf die Fertigteilmaße geschaffen, vorzugsweise erodiert wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass beim Schweißvorgang kein Material in die Durchgangsöffnung eintreten kann und diese dadurch zumindest teilweise verschließt. Dadurch, dass das nach Verschweißen von Düsenspitze und Zwischenprodukt entstandene Erzeugnis nur im Bereich des Zwischenprodukts auf seiner Mantelfläche überdreht wird, werden negative Einflüsse auf die gehärtete Düsenspitze mit Vorteil vermieden.

Besonders lange Maschinendüsen können hergestellt werden, wenn der Düsenschaft aus Kupfer bzw. einer kupferhaltigen Legierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von < 217 W/mK, vorzugsweise =< 260 W/mK, hergestellt wird.

Die Standzeit der fertigen Maschinendüse kann weiterhin dadurch erhöht werden, dass der Düsenschaft aus Kupfer bzw. einer kupferhaltigen Legierung mit einem Härtegrad von < 210 HB, vorzugsweise 260–285 HB hergestellt wird.

Die Standzeit kann weiterhin dadurch erhöht werden, dass die Düsenspitze aus, vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestelltem Werkzeugstahl, insbesondere mit einem Härtegrad von < 40 HRC, vorzugsweise 46–48 HRC hergestellt wird. Die Temperaturdifferenz der Schmelze über die gesamte Länge der Maschinendüse kann minimal gehalten und dem jeweiligen Prozessfenster des verarbeiteten Kunststoffes angepasst werden, wenn die Maschinendüse innen beheizbar ausgebildet wird. Hierdurch kann eine zusätzliche Beheizung der Düse von außen unterbleiben. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird Ausschuss durch Pfropfenbildung innerhalb der Maschinendüse vermieden. Weiterhin werden kostspielige Betriebsstörungen minimiert.

Bei dem Verfahren wird ein erfindungsgemäßes Roherzeugnis verwendet, welches aus einem Zwischenerzeugnis besteht, das wiederum nach Beendigung des Herstellungsverfahrens den Düsenschaft bildet, sowie einer Düsenspitze. Die Düsenspitze ist dabei aus Werkzeugstahl gefertigt und der Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung. Überraschenderweise kann eine Maschinendüse mit erhöhter Standzeit dadurch hergestellt werden, dass bei dem Rohrerzeugnis das Zwischenerzeugnis die Düsenspitze verfahrensbedingt und verfahrensabhängig in einem bestimmten Maße überlappt.

Durch die Überlappung des zylindrischen Zwischenerzeugnis mit exakter Markierung der Fügelinie für die Positionierung des Elektronenstrahls für das Elektronenschweißen, werden die Voraussetzungen für eine einwandfreie metallurgische und homogene Verbindung der beiden unterschiedlichen Werkstoffe geschaffen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zwischenerzeugnis zylinderförmig ausgebildet ist, aber in bestimmten Fällen auch rechteckig oder quadratisch gestaltet sein kann, und an einem Ende einen Ringkranz aufweist, der die Düsenspitze umfangsseitig umschließt.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine Maschinendüse, bestehend aus einer Düsenspitze und einem Düsenschaft, wobei innerhalb der Maschinendüse eine Heizvorrichtung vorgesehen ist. Aufgrund dieser Heizvorrichtung kann auf eine zusätzlich Beheizung der Maschinenspritzdüse von außen verzichtet werden. Dies ist insbesondere bei langen Maschinendüsen und bei der Verarbeitung von Kunststoffen mit einem sehr engen Prozessfenster von großem Vorteil. Ausschuss aufgrund von Pfropfenbildungen oder Einfrieren des Kunststoffes sowie kostspielige Betriebsstörungen können mit Vorteil vermieden werden. Es ist von entscheidendem Vorteil, dass die Düsenspitze aus Werkzeugstahl und der Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung besteht. Hierdurch wird die Standzeit der erfindungsgemäßen Maschinendüse wesentlich erhöht, da insbesondere die Düsenspitze großen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Der Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung dient dazu, die Temperaturdifferenz der Schmelze über die Länge der Maschinendüse zu reduzieren und den Temperaturgradienten in einem verfahrenstechnisch akzeptablen Prozßbereich zu halten.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel des Roherzeugnisses darstellt, wird die Erfindung näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt einen Vertikalschnitt durch das erfindungsgemäße Roherzeugnis.
In 1 ist ein Roherzeugnis 1 dargestellt, wie es bei der erfingsgemäßen Herstellung einer Maschinendüse verwendet wird. Das Roherzeugnis 1 besteht aus einem Zwischenerzeugnis 2. Das Zwischenerzeugnis bildet nach Beendigung des Herstellungsverfahrens den Düsenschaft der Maschinendüse. Weiterhin besteht das Roherzeugnis 1 aus einer gehärteten Düsenspitze 3. Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Spalt zwischen Zwischenerzeugnis 2 und Düsenspitze 3. Anstelle des Spaltes befindet sich nach Beendigung des Herstellungsverfahrens eine nicht dargestellte Schweißnaht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Roherzeugnis 1 im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Durch einen 360 Grad rundum Schweißvorgang wird das Zwischenprodukt 2 mit der Düsenspitze 3 im Vakuum verschweißt. Wie in 1 dargestellt ist, überlappt das Zwischenprodukt 2 die Düsenspitze 3 vor dem Schweißvorgang seitlich mittels eines Ringkranzes 5. Nach den Schweißvorgang wird eine zentrische und axiale konische Durchgangsöffnung durch Düsenspitze 3 und Zwischenerzeugnis 2 mit den verfahrensbedingten Geometrien der Düsenaustrittsöffnung an der Düsenspitze 3 erodiert. Aufgrund der Nachschaltung dieses Verfahrensschrittes wird mit Vorteil vermieden, dass Material beim Schweißvorgang in die Durchgangsöffnung gelangen könnte.

1: Roherzeugnis
2: Zwischenerzeugnis
3: Düsenspitze
4: Spalt
5: Ringkranz

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Teil aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung und einem Teil aus Stahl oder einer Stahllegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile sich in einer Kontaktebene berührend angeordnet werden, wobei das Kupfer eine über den Rand der Kontaktfläche vorspringende Leiste aufweist, die den Rand der Kontaktfläche senkrecht zur Kontaktfläche überlappt und die Verbindung im Vakuum mittels Elektronenstrahl in der Kontaktebene durch das überlappende Kupfer hindurch thermisch erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Maschinendüse, wobei die fertige Maschinedüse aus einer Düsenspitze, vorzugsweise aus gehärtetem, Werkzeugstahl und einen Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung besteht, wobei Düsenspitze und Düsenschaft unlösbar miteinander nach Anspruch 1 verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass • eine, vorzugsweise gehärtete, Düsenspitze (3) hergestellt und/oder bereitgestellt wird, • dass ein, vorzugsweise im wesentlichen zylinderförmiges, Zwischenprodukt (2) hergestellt und/oder bereitgestellt wird, welches nach Beendigung des Herstellungsverfahrens den Düsenschaft bildet, wobei das Zwischenprodukt (2) mit einem die Düsenspitze (3) zumindest teilweise überlappenden Ringkranz (5) ausgebildet wird, • dass nach Herstellung und/oder Bereitstellung von Düsenspitze (3) und Zwischenprodukt (2) die Düsenspitze (3) mit dem Zwischenprodukt (2) ohne Zusatzstoffe im Vakuum mittels eines Elektronenstrahls verschweißt wird, • dass nach Verschweißen von Düsenspitze (3) und Zwischenprodukt (2) das entstandene Erzeugnis (1), mindestens im Bereich des Zwischenprodukts, auf seiner Mantelfläche auf die Fertigteilmaße überdreht wird und • dass nach Verschweißen von Düsenspitze (3) und Zwischenprodukt (2), vorzugsweise nach Überdrehen der Mantelfläche auf die Fertigteilmaße, eine axiale konische Durchgangsöffnung durch Düsenspitze und Zwischenprodukt, bzw. nur teilweise durch Düsenspitze und vollständig durch den Düsenschaft, geschaffen, vorzugsweise erodiert, wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenschaft aus Kupfer bzw. einer kupferhaltigen Legierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 217 W/mK, vorzugsweise gleich oder größer 260 W/mK, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenschaft aus Kupfer bzw. einer kupferhaltigen Legierung mit einem Härtegrad von größer 210 HB, vorzugsweise 260–285 HB, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenspitze (3) aus, vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestelltem, Werkzeugstahl, insbesondere mit einem Härtegrad von größer 40 HRC, vorzugsweise 46–48 HRC, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinendüse innen beheizbar ausgebildet wird.
Roherzeugnis bei der Herstellung einer Maschinendüse, bestehend aus einem Zwischenerzeugnis, welches nach Beendigung des Herstellungsverfahrens den Düsenschaft bildet und einer Düsenspitze, wobei die Düsenspitze aus Werkzeugstahl gefertigt ist und der Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenerzeugnis (2) die Düsenspitze (3) überlappend ausgebildet ist.
Roherzeugnis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenerzeugnis (2) zylinderförmig ausgebildet ist und an einem Ende einen Ringkranz (5) aufweist, der die Düsenspitze (3) umfangsseitig umschließt.
Maschinendüse bestehend aus einer Düsenspitze und einem Düsenschaft, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Maschinendüse eine Heizvorrichtung vorgesehen ist.
Maschinendüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenspitze (3) aus Werkzeugstahl und der Düsenschaft aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung besteht.