DE102012000626A1 - Pressure casting tool has cooling portion that comprises coolant channels with helical course having second portion that is connected with first portion whose slope is continuously increased in relation to slope of second portion - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Druckgießwerkzeug mit Kühlkanälen zur Zuführung eines Kühlmittels, die jeweils mit einem als Hohlkörper ausgeführten Formeinsatz verbunden sind, welcher seinerseits in seinem Inneren zumindest einen der Kühlmittelleitung dienenden Kühlkörper aufweist, der zumindest an seinem Umfang einen insbesondere nutenförmigen Kühlmittelkanal mit einem spiralförmigen und/oder schraubenlinienförmigen Verlauf aufweist.The invention relates to a die-casting tool with cooling channels for supplying a coolant, which are each connected to a mold insert designed as a hollow body, which in turn has in its interior at least one cooling body serving the cooling medium, which at least at its periphery a particular groove-shaped coolant channel with a spiral and / or or helical course.
Das Druckgießwerkzeug ist im Prozess einem komplexen Beanspruchungsprofil unterworfen. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die thermische Beanspruchung, insbesondere durch Temperaturwechselbeanspruchungen. Dementsprechend bildet die innere Formkühlung des Druckgießwerkzeugs einen wichtigen Teil des Kühlsystems, die sowohl die Lebensdauer des Gießwerkzeugs als auch die Gussteilqualität maßgebend beeinflusst.The die casting tool is subject to a complex stress profile in the process. A significant influencing factor is the thermal stress, in particular due to thermal cycling. Accordingly, the internal mold cooling of the die casting mold forms an important part of the cooling system, which decisively influences both the life of the casting tool and the casting quality.
Bei den Kühlkanälen handelt es sich im Allgemeinen um einfache Stichbohrungen, da ein effektiver Verlauf der Kühlkanäle mit Bohrwerkzeugen kaum realisierbar ist. Dies führt zu unerwünschten inhomogenen Temperaturprofilen auf der Oberfläche der Form.The cooling channels are generally simple tap holes, since an effective course of the cooling channels with drilling tools is hardly feasible. This leads to undesirable inhomogeneous temperature profiles on the surface of the mold.
In der
Als nachteilig erweist sich in der Praxis, dass die durch die Kühlmittelzufuhr zu den Kühlkanälen erzielbare Wärmeabfuhr nicht ausreicht, um die gewünschte Kühlwirkung zu erreichen, sodass ein Kühlvorsprühen als zusätzlicher Prozessschritt erforderlich ist. Dadurch wird jedoch die Oberfläche der Form des Druckgießwerkzeugs zusätzlich starken zyklischen Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt. In der Folge tritt oftmals ein vorzeitiges Werkzeugversagen, insbesondere infolge thermischer Ermüdung, und eine damit verbundene Reduzierung der Produktivität ein.A disadvantage proves in practice that the achievable by the coolant supply to the cooling channels heat dissipation is not sufficient to achieve the desired cooling effect, so that a Kühlvorsprühen is required as an additional process step. As a result, however, the surface of the mold of the die casting mold is additionally subjected to strong cyclic thermal cycling. As a result, premature tool failure often occurs, particularly due to thermal fatigue, and associated reduction in productivity.
Es ist weiterhin durch die
Die
Die
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Druckgießwerkzeug der eingangs genannten Art die interne Werkzeugkühlung so auszulegen, dass die im Gießprozess auftretende Wärme schnell und effektiv abgeführt werden kann. Insbesondere soll dadurch ein zusätzliches Kühlsprühen entbehrlich sein.Against this background, the invention has the object, in a die casting tool of the type mentioned, the internal cooling tool designed so that the heat occurring in the casting process can be dissipated quickly and effectively. In particular, this should be dispensable additional cooling spray.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with a device according to the features of
Erfindungsgemäß weist also der Kühlkörper zumindest einen Kühlmittelkanal mit einem spiralförmigen und/oder schraubenlinienförmigen Verlauf, wobei der Kühlkörper zumindest einen ersten Abschnitt mit einer ersten Steigung des Kühlmittelkanals und zumindest einen zweiten Abschnitt mit einer gegenüber der ersten Steigung abweichenden zweiten Steigung des Kühlmittelkanals aufweist. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass dann ein homogeneres Temperaturprofil der Form erreicht und dadurch die Thermowechselbeanspruchung vermindert werden kann, wenn durch eine an den Wärmeeintrag im Gießprozess angepasste Steigung des Kühlmittelkanals die Beaufschlagung mit dem Kühlmittel entsprechend optimiert ist. Insbesondere wird so durch eine reduzierte Steigung eine längere Verweildauer des Kühlmittels in solchen Abschnitten erreicht, in denen es zu einer erhöhten, thermisch zyklischen Belastung kommt, während die erhöhte Steigung in den vergleichsweise gering thermisch belasteten Abschnitten eine schnelle Rückführung des Kühlmittels gestattet. Indem also in dem Abschnitt mit einer reduzierten Steigung eine größere Anzahl von Windungen des Kühlmittelkanals realisiert ist als in einem entsprechenden gleich langen Abschnitt mit größerer Steigung des Kühlmittelkanals, wird die Effizienz der Kühlwirkung mit vergleichsweise geringem Aufwand wesentlich gesteigert. Zudem ist der erfindungsgemäß gestaltete Kühlkörper problemlos austauschbar und ermöglicht zum einen die Nachrüstung bestehender Druckgießwerkzeuge und zum anderen eine nachträgliche Anpassung an die im Gießprozess freigesetzte Wärme sowie das sich dadurch abbildende Temperaturprofil. Die Erfindung lässt sich dabei gleichermaßen bei einer Helix, einer Spirale, einem Wendel oder bei einer Schnecke realisieren und ist insbesondere nicht auf eine zylindrische Grundform des Kühlkörpers beschränkt.According to the invention, therefore, the heat sink has at least one coolant channel with a spiral and / or helical profile, wherein the heat sink has at least a first section with a first slope of the coolant channel and at least a second section with a second slope of the coolant channel deviating from the first slope. The invention is based on the recognition that then achieves a more homogeneous temperature profile of the mold and thereby the thermal cycling can be reduced if by applying to the heat input in the casting process gradient of the coolant channel, the application of the coolant is optimized accordingly. In particular, a longer residence time of the coolant in such sections is thus achieved by a reduced slope, in which there is an increased, thermally cyclic load, while the increased slope in the comparatively low thermally stressed sections rapid recycling of the Coolant allowed. Thus, by realizing a larger number of turns of the coolant channel in the section with a reduced slope than in a corresponding section of equal length with a larger gradient of the coolant channel, the efficiency of the cooling effect is substantially increased with comparatively little effort. In addition, the inventively designed heat sink is easily replaceable and allows for a retrofit existing die casting tools and on the other a subsequent adaptation to the heat released in the casting process and the temperature profile thereby depicting. The invention can be equally realized in a helix, a spiral, a helix or a worm and is not limited in particular to a cylindrical basic shape of the heat sink.
Der Kühlkörper könnte modular aufgebaut sein, sodass beispielsweise zylindrische Abschnitte mit unterschiedlichen Steigungen der Ausnehmungen in einfacher Weise zusammengesetzt werden können. Hierdurch werden die Herstellkosten weiter verringert und eine schnelle Anpassung an auftretende Temperaturprofile ermöglicht. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher der spiralförmige oder schraubenlinienförmige Kühlmittelkanal, beginnend mit einer Zuführleitung für das Kühlmittel bis zu einem Strömungsumkehrbereich in einer insbesondere dem Forminneren zugewandten Endbereich des Kühlkörpers, eine stetig abnehmende Steigung aufweist, sodass eine im Wesentlichen laminare Strömung sichergestellt ist. Mit der abnehmenden Steigung einher geht auch eine entsprechende Reduzierung der Materialstärke der die benachbarten Windungen des Kühlmittelkanals trennenden Wandung, sodass der von dem Kühlmittel benetzte Flächenanteil des Formeinsatzes entsprechend ebenfalls stetig zunimmt.The heat sink could be modular, so that, for example, cylindrical sections with different pitches of the recesses can be assembled in a simple manner. As a result, the manufacturing costs are further reduced and enables rapid adaptation to occurring temperature profiles. Particularly promising is, however, an embodiment of the invention, in which the spiral or helical coolant channel, starting with a supply line for the coolant up to a flow reversal region in an in particular the interior of the mold facing end portion of the heat sink, a steadily decreasing slope, so that a substantially laminar Flow is ensured. Along with the decreasing slope, there is also a corresponding reduction in the material thickness of the wall separating the adjacent turns of the coolant channel, so that the area proportion of the mold insert wetted by the coolant correspondingly likewise increases steadily.
Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeugs wird dadurch erreicht, dass zumindest zwei unabhängige spiralförmige oder schraubenlinienförmige Kühlmittelkanäle in dem Kühlkörper eine zweigängige oder mehrgängige Spirale bzw. Schraube bilden. Hierdurch konnte bei praktischen Versuchen bereits eine weitere Effizienzsteigerung nachgewiesen werden. In sinnvoller Weise kann darüber hinaus auch eine anteilige Reduzierung des Querschnitts mehrerer Ausnehmungen im Verhältnis zu einer einzigen Ausnehmung vorgenommen werden, um so die insgesamt von dem Kühlmittel benetzte Fläche zu erhöhen.Another, likewise particularly advantageous embodiment of the pressure casting tool according to the invention is achieved in that at least two independent spiral or helical coolant channels in the heat sink form a two-start or multi-start spiral or screw. As a result, a further increase in efficiency could already be demonstrated in practical experiments. In addition, a proportionate reduction of the cross-section of a plurality of recesses relative to a single recess can also be made in a meaningful manner, so as to increase the overall area wetted by the coolant.
Man könnte daran denken, bei mehreren Kühlmittelkanälen zumindest jeweils einen Kühlmittelkanal dem Vorlauf und dem Rücklauf zuzuordnen. Als besonders sinnvoll hat sich bereits eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher der oder die spiralförmigen oder schraubenlinienförmigen Kühlmittelkanäle jeweils einen Rücklauf für das Kühlmittel bilden. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Kühlmittel zunächst dem in der Praxis thermisch am höchsten beanspruchten Bereich im Endbereich des Formeinsatzes zugeführt wird, um dort die Kühlwirkung zu konzentrieren. Eine vorhergehende, den Temperaturgradienten reduzierende Erwärmung des Kühlmittels im Vorlauf wird so vermieden.One could think of assigning at least one coolant channel to the flow and the return at several coolant channels. A configuration has already proven particularly useful in which the one or more spiral or helical coolant channels each form a return for the coolant. This ensures that the coolant is first supplied to the region which is subjected to the highest thermal stress in practice in the end region of the mold insert in order to concentrate the cooling effect there. A previous, the temperature gradient reducing heating of the coolant in the flow is avoided.
Zu diesem Zweck ist der Vorlauf durch eine von dem Kühlmittelkanal radial eingeschlossene, zu der Mittelachse des spiralförmigen oder schraubenlinienförmigen Kühlmittelkanals in dem Kühlkörper koaxial verlaufende Zuführleitung gebildet und verläuft somit im Inneren des Formeinsatzes parallel zu der Mittellinie des in der Praxis rotationssymmetrisch ausgeführten Kühlkörpers. Hierdurch wird eine schnelle Kühlmittelzuführung durch einen großen Volumenstrom realisiert, während die Kühlwirkung des Kühlmittels im Wesentlichen auf den Rücklauf beschränkt ist.For this purpose, the supply is formed by a radially enclosed from the coolant passage, to the central axis of the spiral or helical coolant channel in the cooling body coaxially extending supply line and thus extends inside the mold insert parallel to the center line of the rotationally symmetrical in practice running heat sink. As a result, a quick coolant supply is realized by a large volume flow, while the cooling effect of the coolant is essentially limited to the return.
Der Kühlkörper kann eine an sich beliebige Geometrie aufweisen. Besonders einfach lässt sich die Erfindung hingegen dann realisieren, wenn die Kurve rotationssymmetrisch verläuft und insbesondere zumindest abschnittsweise einer Mantelfläche eines Zylinders oder eines Kegels folgt. Hierzu weist der Kühlkörper vorzugsweise ebenfalls eine entsprechende rotationssymmetrische Grundform auf, um so eine über den Umfang gleichverteilte Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel zu erreichen.The heat sink may have any geometry of its own. On the other hand, the invention can be realized in a particularly simple manner when the curve is rotationally symmetrical and, in particular at least in sections, follows a lateral surface of a cylinder or a cone. For this purpose, the heat sink preferably also has a corresponding rotationally symmetrical basic shape, so as to achieve an equally distributed over the circumference heat dissipation by the coolant.
Ergänzend kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Kühlmittelkanal eine die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussende Oberflächenbeschaffenheit aufweist, um so die Strömungsgeschwindigkeit zu beschränken. Hierdurch kann die mit dem Kühlmittel erreichbare Kühlwirkung weiter verbessert werden.In addition, it can be provided according to a further advantageous embodiment, that the coolant channel has a surface texture influencing the flow velocity, so as to limit the flow velocity. As a result, the cooling effect achievable with the coolant can be further improved.
Die den Kühlmittelkanal bildende Ausnehmung könnte zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit eine Querschnittserweiterung aufweisen, durch welche die Kühlwirkung partiell angepasst werden kann. Bevorzugt weist jeder Kühlmittelkanal eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche auf, wobei der Kühlmittelkanal eine zumindest abschnittsweise kreisbogenförmige Querschnittsform oder gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist, um so die Wandstärke zwischen benachbarten Windungen des jeweiligen Kühlmittelkanals so gering wie möglich ausführen zu können.The recess forming the coolant channel could, in order to reduce the flow velocity, have a cross-sectional enlargement by means of which the cooling effect can be partially adapted. Preferably, each coolant channel has a substantially constant cross-sectional area, wherein the coolant channel has an at least partially circular arc-shaped cross-sectional shape or according to a further advantageous embodiment has a substantially rectangular cross-sectional shape so as to be able to perform the wall thickness between adjacent turns of the respective coolant channel as low as possible.
Die Erfindung ist dabei nicht auf solche Kühlkörper beschränkt, bei denen die Kühlmittelkanäle durch Ausnehmungen in der Mantelfläche des Kühlkörpers gebildet sind. Vielmehr kann der jeweilige Kühlmittelkanal auch durch ein separates, die Trennflächen zwischen benachbarten Windungen des Kühlmittelkanals bildendes Element erzeugt werden, welches hierzu eine schneckenförmige Grundform aufweist.The invention is not limited to such heat sink, in which the coolant channels through recesses in the lateral surface of the Heat sink are formed. Rather, the respective coolant channel can also be generated by a separate, the separating surfaces between adjacent turns of the coolant channel forming element, which for this purpose has a snail-shaped basic shape.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below.
Diese zeigt inThis shows in
Ein für ein erfindungsgemäßes Druckgießwerkzeug bestimmter Kühlkörper
Ergänzend ist in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kühlkörperheatsink
- 22
- Formeinsatzmold insert
- 33
- Formrahmenmold frame
- 44
- KühlmittelkanalCoolant channel
- 55
- Mittelachsecentral axis
- 66
- Zuführleitungfeed
- 77
- Vorlaufleader
- 88th
- StrömungsumkehrbereichFlow reversal region
- 99
- Rücklaufreturns
- 1010
- Anschlussconnection
- 1111
- Kühlkörperheatsink
- 1212
- KühlmittelkanalCoolant channel
- 1313
- KühlmittelkanalCoolant channel
- 1414
- Erster Abschnittfirst section
- 1515
- Zweiter Abschnittsecond part
- s1 s 1
- Steigungpitch
- s2 s 2
- Steigungpitch
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- EP 1671777 B1 [0008] EP 1671777 B1 [0008]
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