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Die Erfindung betrifft ein Gießventil zur Zuführung von Schmelzen für eine Gießvorrichtung mit einem Ventilgehäuse, mit einem Schmelzekanalanschluss als Zulauf, der mit einem mittels Gießdruck vorspannbaren Schmelzekanal verbindbar ist, mit einem Ventilauslass als Auslauf, und mit einem Ventilkolben zur Veränderung der Ventilauslassquerschnittsfläche, wobei der Ventilkolben im geschlossenen Zustand einen Ventilsitz mit der Innenwand des Ventilgehäuses bildet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gießvorrichtung mit einem derartigen Gießventil.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Maßnahmen bekannt, um den Formfüllvorgang von Gussteilkavitäten zu beeinflussen. Für jeden Schmelzetyp sind bestimmte Anschnittgeschwindigkeiten und Angusssysteme geeignet. Da eine maximale Anschnittgeschwindigkeit nicht überschritten werden darf, ist es erforderlich, den Querschnitt der Anschnittfläche und damit den Teil des Angusssystems, der nach dem Gießvorgang die Abtrennung des Angussteils von der Druckgussform ermöglicht, hinreichend groß zu dimensionieren. Diese Anforderung führt bei flächigen und dünnwandigen Gussteilen zu einem hohen Anteil an Umlaufmaterial, dessen Masse in der Größenordnung der Gussteilmasse selbst liegen kann. Das Umlaufmaterial wird anschließend wieder geschmolzen, was eine erhebliche externe Energiezufuhr erfordert.
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Um die Menge des Umlaufmaterials zu reduzieren, lehrt die
DE 10 2011 050 149 A1 , ein Gießventil in Form einer Druckgussdüse unmittelbar am Angussbereich der Druckgussform anzuordnen. Durch eine Widerstandsheizung wird das Gießventil zunächst offen gehalten. Ein Ausschalten der Heizung führt zur Pfropfenbildung und damit zum Schließen des Gießventils. Ein kontrolliertes oder ein temperaturunabhängiges Schließen des Ventils ist nicht möglich. Zum Öffnen muss der Pfropfen zuverlässig wieder aufgeschmolzen werden Dies verlängert die Prozessdauer und erfordert aufgrund der Temperaturschwankungen insgesamt eine höhere Energiezufuhr pro Gussteil.
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Ein anderes, steuerbares Gießventil für metallische Schmelzen ist in
DE 34 27 940 A1 offenbart. Induktiv wird durch das Gießventil die Schmelzemenge dosiert zugeführt und in Verbindung mit Raumbegrenzungselementen erfolgt eine Absperrung.
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DE 10 2007 047 545 A1 offenbart ein Gießventil, welches mittels eines Kolbens verschließbar ist. Der Kolben ist axial in einem Ventilgehäuse bewegbar. Damit Spaltmaßgenauigkeiten aufgrund von Rundlauffehlern des Kolbens nicht zu inhomogenen Masseströmen führen und ein zuverlässiges Verschließen des Gießventils gewährleistet wird, weist die Kolbenmantelfläche einen größeren Winkel zur Ventilhauptachse auf als das Ventilgehäuse im Auslaufbereich. Im verschlossenen Zustand bildet der Kolben somit eine kreisringförmige Auflagefläche mit der Gehäusewand.
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In der
DE 10 2013 105 435 B3 wird ein Gießventil mit einem Ventilgehäuse offenbart, welches einen Schmelzekanalanschluss als Zulauf und einen Ventilauslass als Auslauf aufweist sowie eine Ventilzelle zur Aufnahme der Schmelze und ein Schließmittel zur Veränderung der Ventilauslassquerschnittsfläche.
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Um den Volumenstrom der Schmelze gut dosieren zu können, weisen die Gießventile in der Regel einen kegelförmigen Ventilkolben auf, welcher an einer konusförmigen Wand zur Anlage gebracht wird. Da es ferner im Gegensatz zu hydraulischen Ventilen bei Gießventilen erforderlich ist, einen hohen Temperaturgradienten technisch sicher zu beherrschen, bauen die Gießventile in Ventilkolbenrichtung gesehen relativ lang, um eine ausreichende thermische Entkopplung des Schmelzekanals vom Material in der Gussteilkavität sicher zu stellen. Weiterhin bedingt dies einen relativ hohen Hub des Ventilkolbens, was einen entsprechenden Bauraum voraussetzt und zu Nachteilen in der Taktung führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gießventil für eine Gießvorrichtung bereitzustellen, welches die vorstehend genannten Nachteile vermeidet. Weiterhin ist es insbesondere Aufgabe der Erfindung, eine Gießvorrichtung mit einem derartigen Gießventil bereitzustellen, welche ein schnelles Gießen bei gleichzeitig minimierter Wärmezufuhr ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch ein Gießventil zur Zuführung von Schmelzen für eine Gießvorrichtung gelöst, wobei das Gießventil ein Ventilgehäuse, einen Schmelzekanalanschluss als Zulauf, welcher mit einem mittels Gießdruck vorspannbaren Schmelzekanal verbindbar ist, einen Ventilauslass als Auslauf und einen Ventilkolben zur Veränderung der Ventilauslassquerschnittsfläche aufweist, wobei der Ventilkolben in einem geschlossenen Zustand einen Ventilsitz mit der Innenwand des Ventilgehäuses bildet und der Ventilkolben eine radial an den Ventilsitz anschließende Schulter aufweist.
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Ein derartiges Gießventil vereint mehrere Vorteile: Zum einen bewirkt die unmittelbar am Ventilsitz anschließende Schulter im geschlossenen Zustand des Gießventils eine gute thermische Trennung der heißen Schmelze in dem Schmelzekanal und des durch das Schließen des Gießventils abgetrennten Gießanteils, welcher in der Formkavität erkaltet.
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Vorzugsweise ist die Schulter so ausgebildet, dass der Abstand des Ventilauslasses zur Schmelze im Schmelzekanal mit Ausnahme des Ventilsitzes und eines zwischen der Schulter und dem Ventilgehäuse eventuell verbleibenden Spalts einen vorbestimmten Mindestwert nicht unterschreitet. Diese Randbedingung führt zu einer in etwa halbkugelförmigen Schulter, welche einem Ventilteller ähnelt. Der bei dieser Geometrie entstehende Temperaturgradient ist jeweils senkrecht zur Oberfläche der Schulter gerichtet und bewirkt damit durch die geometrische Distanz eine optimale thermische Entkopplung des erstarrenden Gießanteils von der heißen Schmelze im Schmelzekanal.
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Durch die gute thermische Entkopplung wird ein technisch beherrschbarer Temperaturgradient erreicht, der es zum anderen ermöglicht, den konischen Ventilsitz am Hauptkolben auf ein Minimum zu reduzieren. Damit kann ähnlich wie bei einem hydraulischen Ventil eine Abdichtung gegen Druck beim Schließen des Gießventils unmittelbar am Ventilsitz mit nahezu Linienberührung erfolgen. Der Konusabschnitt des Ventilkolbens, an dem der Ventilsitz gebildet ist, kann damit sehr kurz gehalten werden, was zu einer kompakten Bauform und einem kurzen Hub des Ventilkolbens führt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Konusabschnitt kleiner, beispielsweise um mindestens eine Größenordnung kleiner, als die radiale Breite der Schulter.
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Im vorgelagerten Bereich zwischen der Schulter und dem in diesem Bereich ebenen Ventilgehäuse ist ein radial verlaufender, minimaler Spalt angeordnet. Der Spalt ist so schmal, dass ggf. eine fortschreitende Erstarrung der Schmelze bei Abkühlung der Formkavität zu erwarten ist. Aufgrund der dünnen Spaltbreite stellt sich unter Sauerstoffabwesenheit eine sehr dünne, folienartige Erstarrung ein, die aber nach Entformung des Gussteils durch die dann entfallende Abkühlung von außen aufgrund der hohen Temperatur der Schmelze wieder vor dem nächsten Gießvorgang aufgeschmolzen wird. Damit benötigt ein derartiges Gießventil bei geeigneter Auslegung kein externes Heizmittel zum Aufschmelzen der erstarrten Schmelze am Ventilsitz und am Spalt. Vielmehr reicht die schmelzeeigene Temperatur aus, die Erstarrung rückgängig zu machen. Das Gießventil benötigt damit wenig Energie im Betrieb.
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Durch die radiale Anordnung der Schulter vergrößert sich vorteilhafterweise weiterhin der wirksame Öffnungsquerschnitt des Ventils in Abhängigkeit vom Öffnungshub um ein Vielfaches im Vergleich zu Gießventilen im Stand der Technik, welche einen langen konischen Anteil am Ventilkolben zur Sicherstellung der geometrischen Distanz im geschlossenen Zustand erfordern, um den erforderlichen Temperaturgradienten sicherzustellen. Bei gleicher Ventilnenngröße kann damit deutlich mehr Schmelze über das Gießventil dosiert werden, oder es ist ein geringerer Öffnungshub erforderlich, welcher eine schnellere Öffnungszeit ermöglicht und damit die Taktung erhöhen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gießventils bildet der Ventilkolben im geschlossenen Zustand im Ventilsitz einen Linienkontakt mit dem Ventilgehäuse. Dadurch lässt sich zum einen der Ventilkolben gut wieder lösen, und zum anderen kann der konische Bereich am Ventilkolben möglichst klein ausfallen und das Gießventil möglichst kurz bauen.
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In einer Weiterbildung des Gießventils weist der Ventilkolben einen Ventilschaft und einen Ventilteller auf und besitzt damit eine äußere Form, welche einem Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ähnelt. Der mit Ausnahme des kurzen konischen Bereiches endseitig angeordnete Ventilteller kommt im geschlossenen Zustand am Ventilgehäuse zur Anlage und der Ventilschaft ist vorzugsweise orthogonal zum Schmelzekanal gerichtet, um mit kurzem Hub eine möglichst große Öffnungsquerschnittsänderung herbeizuführen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Gießventil neben dem Ventilkolben einen Nachverdichtungskolben auf. Damit kann das Gießventil zur zuverlässigen Befüllung einer Gussteilkavität mit einer vorbestimmten Schmelzemenge verwendet werden. Um den Materialschwund beim Erstarren des Gussteils auszugleichen, muss keine weitere Schmelze zugeführt werden, und ein Beheizen zumindest bis zum Schließen ist nicht erforderlich Dies senkt insbesondere die erforderliche Energie zur Herstellung.
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Durch die Integration des Nachverdichtungskolbens als Squeeze-Pin in das Gießventil ist eine bauraumsparende Anordnung geschaffen, welche aufgrund ihrer Kompaktheit verhältnismäßig wenig Wärme abstrahlt. Dadurch dass die Schmelze für das Befüllen der Gussteilkavität und die Schmelze zur Nachverdichtung aus der gleichen Ventilzelle oder entsprechend dem der Ventilzelle nachgeschalteten Ventilauslass stammen, kann zudem die Anzahl der erforderlichen Heizmittel und Rohrleitungen gering gehalten werden.
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Die Ventilzelle des Gießventils ist über den Schmelzekanalanschluss mit einem Schmelzereservoir oder einer Gießkammer verbindbar. Sofern das Gießventil Teil einer Druckgießvorrichtung ist, sind der Schmelzekanalanschluss, die Ventilzelle und der Ventilauslass druckfest ausgebildet. Die Ventilzelle kann auch mehrere Schmelzekanalanschlüsse aufweisen, über die die Schmelze einströmen kann.
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Weist die Ventilzelle mehrere Schmelzekanalanschlüsse auf, kann vorgesehen sein, dass die Schmelze beim Gießen über mindestens einen Kanal wieder ausströmt. Die Ventilzelle bildet damit nicht das Ende des Schmelzekanals, sondern wird während des Gießvorgangs auch von Schmelze durchströmt, welche das Gießventil nicht über den Ventilauslass verlässt. Dadurch ist ein kontinuierlicher Wärmeeintrag während des Gießens sichergestellt, und das Heizmittel, welches im oder am Gießventil angeordnet ist, kann kleiner dimensioniert werden oder ggf. gänzlich entfallen.
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In einer Ausgestaltung kann das Gießventil derart in den Druckgusskanal integriert sein, dass die Ventilzelle durch einen Teil des mittels Gießdruck vorspannbaren Schmelzekanals gebildet ist. Eine separat zu beheizende Ventilzelle mit einem Vorratsvolumen ist damit nicht erforderlich.
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Besonders gut lässt sich das Gießventil in einen Schmelzekanal integrieren, wenn die Querschnittsfläche der Ventilzelle der Summe der Querschnittsflächen der zuführenden Schmelzekanalanschlüsse entspricht. In diesem Fall ist sie in ihrem Durchmesser im Vergleich zum Schmelzekanal nicht vergrößert und erfordert somit kein zusätzliches Volumen. Dazu kann der Schmelzekanal im Bereich des Gießventils eine Verdickung aufweisen. Die Verdickung ist vorzugsweise komplementär zur geometrischen Form der Schulter ausgeführt. Im Falle eines Ventiltellers als Schulter ist die Verdickung damit vorzugsweise kalottenartig ausgebildet.
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Die Bewegung des Ventilkolbens erfolgt in einer bevorzugten Ausführung senkrecht zum Schmelzekanal. Die Zeit, die erforderlich ist, um das Gießventil von der maximal geöffneten Stellung in die Schließstellung zu bewegen, kann somit minimiert werden.
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Das Gießventil weist als Schließmittel vorzugsweise einen Ventilkolben auf, der axial in Richtung des Ventilauslasses beweglich ist und diesen verschließen kann. Das Ventilgehäuse und der Ventilkolben sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass beim Vorfahren des Ventilkolbens der Durchmesser der effektiven Ventilauslassquerschnittsfläche stetig vermindert wird. Die effektive Ventilauslassquerschnittsfläche ist dabei die Fläche, die während des Gießens senkrecht von der Schmelze durchströmte wird. Beim Schließen des Gießventils wird zumindest nach einer Anfangsphase die Ventilauslassquerschnittsfläche verringert, so dass sich aufgrund des gleichbleibenden Drucks ebenfalls die strömende Schmelzemenge verringert.
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Schließlich wird der Durchlass derart verengt, dass der Schmelzestrom von allein oder aufgrund der Kühlung der Formkavität abreißt oder sich so verringert, dass die Schmelze erkaltet und ein weiterer Durchfluss verhindert ist, bis die von außen eingebrachte Kühlung entfällt oder durch externe Heizmittel die Temperatur erhöht wird.
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Der Ventilkolben und der den Ventilkolben einfassende Gehäuseabschnitt bilden vorzugsweise einen konischen Ventilsitz. Zumindest eines der beiden Bauteile Ventilkolben oder Gehäusewand weist folglich eine Fase oder eine Abschrägung derart auf, dass sich die Ventilauslassquerschnittsfläche in Richtung des Ventilauslasses verjüngt. Dadurch kann bei Annäherung des Ventilkolbens an den Gehäuseboden der Schmelzefluss durch eine ringförmige Öffnung erfolgen, welche einen relativ wirbelfreien Schmelzestrom zulässt. Der Effekt wird verstärkt, wenn beide Bauteile, die Ventilkolbenmantelfläche und der Gehäuseboden in der Schnittdarstellung gesehen mit Abschrägungen versehen sind. Aufgrund der Schulter sind die Verwirbelungen und der anliegende Druck nochmals reduziert, so dass die Abschrägung eine sehr kurze Länge in Schließrichtung gesehen aufweisen kann.
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Die Abschrägungen müssen nicht notwendigerweise kegelförmig verlaufen. So können die Gehäuseinnenwand oder die Kolbenmantelfläche abschnittsweise konisch ausgebildet sein oder in Axialrichtung gekrümmt verlaufen. Sind die Kolbenmantelfläche oder der Ventilsitz ballig ausgeführt, lassen sich Rundlauffehler des Ventilkolbens besonders gut kompensieren, so dass trotz möglicher Spaltmaße der Massenstrom im geschlossenen Zustand minimiert ist. In vorteilhafter Weise bewirkt die Balligkeit auch, dass sich beim Schließen zwischen diesen Bauteilen ein Linienkontakt ausbildet. Ein Verklemmen des Ventilkolbens kann durch die somit fehlende Flächenkontaktierung und dem ggf. zwischen den Flächen verbleibendem erstarrenden Schmelzematerial zuverlässig vermieden werden. Dies beugt Beschädigungen am Ventilkolben und am Ventilgehäuse vor. In den Ventilspalt eventuell eingedrungenes Schmelzematerial kann aufgrund des Temperaturgradienten zur Umgebung erkalten und bei Ventilöffnung für den nächsten Gießvorgang erneut aufgeschmolzen werden.
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Der Ventilkolben und die Gehäusewand können in axialer Richtung gussteilspezifisch derart ausgebildet sein, dass die durch die beiden Bauteile gebildete, sich verjüngende Ventilauslassquerschnittsfläche derart verändert wird, dass mit dem Bewegen des Ventilkolbens Einfluss auf die gewünschte Formfüllgeschwindigkeit genommen werden kann. So kann zu Gießbeginn ein großer Durchflussquerschnitt vorgesehen sein, der für die schnelle Füllung der Gussteilkavität und zur Vermeidung von Lufteinschlüssen erforderlich ist, der mit zunehmendem Füllungsgrad entsprechend der Form der Gussteilkavität verringert wird.
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Der Ventilkolben und der Ventilauslass sind vorzugsweise mittig im Ventilgehäuse angeordnet. Dadurch baut das Gießventil kompakt. Axial an den Ventilkolben kann sich an der dem Ventilauslass abgewandten Seite der Ventilkolbenantrieb anschließen und in das Gehäuse des Gießventils integriert sein. Ist der Nachverdichtungskolben über einen separaten Antrieb bewegbar, kann dieser ebenfalls in das Ventilgehäuse integriert sein.
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Um eine Temperaturabsenkung der Schmelze und damit unerwünschte Kristallisationsprozesse zu verhindern, können der Schmelzekanalanschluss, der Ventilauslass oder andere schmelzekontaktierende Bereiche im Gießventil beheizbar ausgeführt sein. Jeder Schmelzeabschnitt ist dann vorzugsweise separat beheizt. Eine elektrisch betriebene Heizung weist ein geringes Trägheitsverhalten auf und ermöglicht eine gute Steuerung oder Regelung der Heizleistung. Beispielsweise können die Kanalwände selbst beheizt oder von Spulen umfasst sein.
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In einer anderen Ausgestaltung weist das Gießventil zwei Kolben auf, die zumindest zeitweise zueinander beweglich sind. Der erste Kolben wird durch den Ventilkolben gebildet, mit dem das Gießventil verschließbar ist, und der zweite Kolben ist als Nachverdichtungskolben separat zum Ventilkolben ausgebildet. Vorzugsweise sind die beiden Kolben zueinander koaxial angeordnet, wobei der Nachverdichtungskolben innenliegend ist. Die Gehäusewand verläuft dabei so, dass der Ventilkolben in dieser Anordnung auf die Ventilwand fahren kann, an einer Weiterbewegung gehindert ist und aufgrund des geringeren Durchmessers des Nachverdichtungskolbens dessen weitere Bewegung dennoch möglich ist.
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Der Nachverdichtungskolben kann für die Relativbewegung zum Ventilkolben einen eigenen Kolbenantrieb aufweisen. Dadurch ist er separat vom Ventilkolben ansteuerbar, und er kann in seiner Leistung auf das Nachverdichten abgestimmt werden. Als Kolbenantriebe für den Nachverdichtungskolben und den Ventilkolben kommen beispielsweise hydraulische Antriebe oder elektrische Spindeln in Frage. Die beiden Kolbenantriebe können auch durch unterschiedliche Antriebsarten gebildet sein.
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Ein besonders kompaktes Gießventil lässt sich erreichen, indem beide Kolben durch den gleichen Antrieb bewegbar sind. Über Antriebsventile oder andere Steuerungsmechanismen kann vorgesehen sein, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einer der Kolben oder beide Kolben gleichzeitig verschoben werden. Ist eine Relativverschiebung zumindest phasenweise unerwünscht, wie beim Schließen des Gießventils, lassen sich auch beide Kolben miteinander durch geeignete Koppelmittel verbinden, so dass sie nur gemeinsam bewegt werden können.
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In einer anderen Variante sind die beiden Kolben aneinander gekoppelt und können nur durch erhöhten Kraftaufwand zueinander verschoben werden. Solange der Ventilkolben noch nicht auf Block gefahren ist und damit am Ventilsitz das Ventil verschließt, verschieben sich dann beide Kolben gemeinsam. Durch die dann sprunghaft ansteigende Kraft löst sich der Nachverdichtungskolben vom Ventilkolben und kann dann allein weiter bewegt werden. Ein Kolbenantrieb ist für diese Variante ausreichend. Eine aufwendige Steuerungs- oder Regeleinheit ist in dieser Ausführungsform nicht erforderlich.
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Der Kolbenantrieb erfolgt vorzugsweise hydraulisch und ist aus thermischen Gründen auf der dem Ventilauslass gegenüberliegenden Seite angeordnet. Um die Antriebseinheit nicht den hohen Temperaturen der heißen Schmelze auszusetzen, kann das Gießventil die Druckkraft übertragende Entkopplungsmittel aufweisen. Die Entkopplungsmittel sind zwischen den Kolbenköpfen und den Kolbenantrieben angeordnet und können durch keramische Schichten oder andere hinreichend feste thermische Isolatoren gebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Gießventil wird bevorzugt in einer Druckgießvorrichtung für metallische Schmelzen verbaut, ist aber auch in anderen Gießverfahren wie beim Stranggießen oder Gießen nicht-metallischer Schmelzen einsetzbar.
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Eine Gießvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Gießventil kann energiesparend betrieben werden und unter Umständen auch ohne ein externes Heizmittel im Gießventilbereich auskommen. Aufgrund des kurzen Konusabschnitts, der den Ventilsitz bildet, baut die Gießvorrichtung kompakt und kann ferner wegen des geringen Öffnungshubs auch schnell betrieben werden. Der Öffnungshub kann beispielsweise so klein ausfallen, dass dieser maximal dem Querschnitt des Schmelzekanals in Hubrichtung gesehen entspricht.
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Zur Vereinfachung des Steuerungsablaufs kann eine manuell oder automatisch verstellbare Ventilhubbegrenzung vorgesehen sein.
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Die Menge des Umlaufmaterials kann dadurch verringert werden, dass das Befüllen und die Nachverdichtung über dasselbe Gießventil erfolgen. Eine Gießvorrichtung weist das erfindungsgemäße Gießventil vorzugsweise unmittelbar am Anschnittbereich des Gussteils oder am Gussteil selbst auf. Durch die räumlich sehr nahe Anordnung am Gussteil können dann der Anteil des Angussmaterials und die Menge des Umlaufmaterials weiter reduziert werden. Insbesondere bei flächigen Strukturteilen sind dadurch Angussmassen von weniger als 20% der Gussteilmasse erreichbar. Gleichzeitig kann das Angusssystem kompakt ausfallen. Das Angussmaterial kann als Umlaufmaterial wiederverwendet werden. Dadurch dass weniger Angussmaterial aufgeschmolzen werden muss und die heiße Schmelze in der Ringleitung stets formkavitätsnah zur Verfügung steht, wird auch weniger Zeit für den Gießzyklus benötigt, so dass die Taktung verbessert wird.
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Nachfolgend werden das Gießventil und die Gießvorrichtung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Die einzelnen Figuren zeigen:
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1 einen Teil einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung mit einer Gießkammer und einem Gießventil im Längsschnitt in schematischer Darstellung,
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2 einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Gießventils mit einem Ventilteller und zwei konzentrischen Kolben sowie
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3a eine schematische Darstellung der Stellung eine Ventilkolbens zum Zeitpunkt der Reinigung der Gussteilformkavität,
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3b eine schematische Darstellung der Stellung des Ventilkolbens nach 3a vor dem Gießvorgang,
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3c eine schematische Darstellung der Stellung des Ventilkolbens nach 3a während des Gießens,
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3d eine schematische Darstellung der Stellung des Ventilkolbens nach 3a nach Formfüllende,
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3e eine schematische Darstellung der Stellung des Ventilkolbens nach 3a während des Abkühlens und
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3f eine schematische Darstellung der Stellung des Ventilkolbens nach 3a unmittelbar vor der Gussteilentnahme.
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Eine Gießvorrichtung 1 (in 1 dargestellt) ist zum Druckgießen von metallischen Schmelzen 2 wie Magnesium- oder Aluminiumschmelzen eingerichtet. Die Gießvorrichtung 1 weist eine Gießkammer 4 auf, welche aus einem nicht dargestellten Schmelzereservoir über ein Schmelzeventil 19 befüllbar ist. Eine Schmelze 2 wird aus der horizontal orientierten Gießkammer 4 durch einen hydraulisch bewegten, in der Waagerechte vorfahrenden Gießkolben 6 in einen Schmelzekanal 11 befördert und mit Druck beaufschlagt.
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Der Schmelzekanal 11 ist mit Heizmitteln 5 in Form von Spulen umgeben, die ein Auskühlen der Schmelze 2 verhindern. Vom beheizten Schmelzekanal 11 gelangt die Schmelze 2 über einen Schmelzekanalanschluss 12 des Gießventils 7 und über dessen Ventilauslass 10 in eine Gussteilkavität 3. Die Gussteilkavität 3 selbst wird durch zwei Gussformhalbschalen 15, 16 gebildet und ist in bekannter Weise durch die um das Schwindmaß vergrößerte Negativform des herzustellenden Gussteils gebildet. Die Gussformhalbschalen 15, 16 sind an einer Trennfläche 9 voneinander trennbar, so dass das fertige Gussteil entnommen werden kann.
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2 zeigt ein Gießventil 7 mit einem Ventilgehäuse 13, das senkrecht in einem Schmelzekanal 11 angeordnet ist und somit zwei gegenüberliegende Schmelzekanalanschlüsse 12 aufweist, welche Teil des Schmelzekanals 11 selbst sind. Das Gießventil 7 weist einen Ventilkolben 14 auf, der einen zylindrischen Ventilschaft 25 und einen endseitigen Ventilteller 26 aufweist. Der Ventilteller 26 bildet die Schulter 22 und ist teilkalottenartig ausgebildet mit einer ventilauslassseitig gerichteten Kreisfläche 29. Die Kreisfläche 29 der Schulter 22 ist in Bewegungsrichtung des Ventilkolbens 14 gerichtet. Die Schulter 22 selbst erstreckt sich radial vom Ventilschaft 25.
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Im Bereich des Gießventils 7 ist der Schmelzekanal 11 nur um eine kalottenartige Erweiterung 30 verbreitert, die in ihrer Form in etwa komplementär zum Ventilteller 26 ausgebildet ist, so dass im vollständig geöffneten Zustand einerseits der Querschnitt des Schmelzekanals 11 nicht eingeengt ist, andererseits das Gießventil 7 kompakt baut und damit die Wärmeverluste minimiert. Zentrisch im Ventilgehäuse 13 ist der Ventilkolben 14 angeordnet, über den der Ventilauslass 10 verschließbar ist. An der Stirnseite 17 des Ventilkolbens 14 schließt sich eine gewinkelte Mantelfläche als Konusabschnitt 18 des Ventilhauptkegels an, die radial in die Schulter 22 übergeht. Die Innenwand 21 des Ventilgehäuses 13 weist einen Gehäusekonusabschnitt 28 auf, der mit dem Konusabschnitt 18 des Ventilkolbens 14 den Ventilsitz 8 bildet. Der Konusabschnitt 18, der an den Ventilauslass 10 anschließt, weist eine Neigung gegenüber der Ventilhauptachse auf, die größer ist als die der Mantelfläche 18. Beim Schließen des Gießventils 7 bilden der Ventilkolben 7 und Innenwand 21 des Ventilgehäuses 13 deshalb einen ringförmigen Spalt 24 und im verschlossenen Zustand einen kreisförmigen Linienkontakt als Ventilsitz 8.
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Angetrieben wird der Ventilkolben 14 durch einen nicht dargestellten Kolbenantrieb, der hydraulisch arbeitet und axial versetzt zum Ventilkolben 14 angeordnet ist.
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Der Ventilkolben 14 ist als Hohlzylinder ausgebildet und weist koaxial zur Verschieberichtung einen Nachverdichtungskolben 23 auf. In gleicher Weise wie der Ventilkolben 14 kann der Nachverdichtungskolben 23 einen zweiten Kolbenantrieb aufweisen, der unabhängig vom ersten Kolbenantrieb betreibbar ist.
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Der Betrieb des in den 1 und 2 dargestellten Gießventils 1 gliedert sich in sechs verschiedene Phasen. In der in 3a dargestellten, ersten Phase, der Ausgangsstellung, die nach der Entnahme des Gussstücks des vorausgegangenen Gießzyklus' erreicht ist, sind der Ventilkolben 14 und der Nachverdichtungskolben 23 geschlossen und so weit wie möglich in Richtung des Ventilauslasses 10 gefahren. Der Schmelzekanal 11 ist daher von der Gussteilkavität 3 getrennt, die somit gereinigt werden und durch einen Sprühvorgang für das nächste Gießen vorbereitet werden kann.
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Vor dem nächsten Gießvorgang wird die Gussteilkavität 3 so fest verschlossen, dass sie dem Schmelzedruck des anschließenden Druckgießprozesses standhält. Der innere Nachverdichtungskolben 23 fährt in dieser zweiten Phase in seine Ausgangsstellung zurück, die gegenüber dem den Ventilauslass 10 verschließenden Ventilkolben 14 so weit zurückgesetzt ist, dass zwischen den Innenwänden des Ventilkolbens 14 ein Sackloch 27 entsteht. Die Sacklochtiefe entspricht in etwa dem Hub des Ventilkolbens 14.
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Durch Zurückziehen des Ventilkolbens 14 wird der eigentliche Gießprozess als dritte Phase eingeleitet. Der Ventilkolben 14 löst sich von seinem ringlinienförmigen Ventilsitz, und durch die nun einströmende, heiße Schmelze 2 wird eventuell an dieser Stelle erkaltetes Material aufgeschmolzen. Aufgrund des Ringlinienkontakts und einer eventuell am Gießventil 7 befindlichen Heizung ist die erstarrte Schmelzemenge so gering, dass sie vollständig aufgeschmolzen wird und ein Öffnen des Ventilkolbens 14 nicht oder nur unwesentlich erschwert. Der Ventilauslass 10 wird maximal geöffnet, und die Schmelze 2 kann ringförmig zwischen den Kolben 14, 23 und der Innenwand 21 des Ventilgehäuses 13 in die Gussteilkavität 3 strömen. Die zum Befüllen vorgesehene Schmelzemenge wird durch den vorfahrenden Gießkolben 6 über den Schmelzekanal 11 nachgeschoben.
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Nach Abschluss des Formfüllvorgangs werden die Gießventile 7, von denen in 1 nur eines dargestellt ist, durch Vorfahren des Ventilkolbens 14 geschlossen (vierte Phase, 3d). Durch die Relativbewegung des Ventilkolbens 14 und des nicht-mitbewegten Nachverdichtungskolbens 23 bildet sich wieder das stirnseitige Sackloch 27 aus, und das Gussstück kann erkalten. Da aufgrund des geschlossenen Ventilkolbens 14 der Schmelzedruck nicht mehr durch den Gießkolben 6 der Gießkammer 4 aufgebracht werden kann, wird der erforderliche Gießdruck nunmehr von dem Nachverdichtungskolben 23 erzeugt.
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In der fünften Abkühlungsphase erstarrt das Gussstück, und die Gießkammer 4 wird für einen neuen Formfüllvorgang vorbereitet. Während des Erkaltens wird die dadurch bedingte Materialschrumpfung ausgeglichen, indem der Nachverdichtungskolben 23 die sich in dem Sackloch 27 und dem daran unmittelbar anschließenden Bereich befindliche Schmelze 2 in die Gussteilkavität presst. Wenn die Menge der für die Nachverdichtung benötigten Schmelze 2 dem Sacklochvolumen entspricht, kann der an den Ventilauslass 10 anschließende Angusskanal besonders kurz ausfallen oder gegebenenfalls sogar entfallen. Wie in 3e dargestellt, fährt in dieser Ausführungsform der Nachverdichtungskolben 23 über die Stirnseite 17 des Ventilkolbens 14 hinaus in die Gussteilkavität 3 hinein. Der Erstarrungsprozess kann durch Zuführung von Kühlleistung über Kühlkanäle beschleunigt werden.
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Vor der Öffnung der Gussteilkavität 3 und der Entnahme des Gussteils erfolgt in der letzten Phase (3f) ein Rückzug des Nachverdichtungskolbens 23; der Ventilkolben 14 bleibt weiterhin geschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gießvorrichtung
- 2
- Schmelze
- 3
- Gussteilkavität
- 4
- Gießkammer
- 5
- Heizmittel
- 6
- Gießkolben
- 7
- Gießventil
- 8
- Ventilsitz
- 9
- Trennfläche
- 10
- Ventilauslass
- 11
- Schmelzekanal
- 12
- Schmelzekanalanschluss
- 13
- Ventilgehäuse
- 14
- Ventilkolben
- 15
- Gussformhalbschale
- 16
- Gussformhalbschale
- 17
- Stirnseite
- 18
- Konusabschnitt
- 19
- Schmelzeventil
- 20
- Zylinderabschnitt
- 21
- Innenwand
- 22
- Schulter
- 23
- Nachverdichtungskolben
- 24
- Spalt
- 25
- Ventilschaft
- 26
- Ventilteller
- 27
- Sackloch
- 28
- Gehäusekonusabschnitt
- 29
- Kreisfläche
- 30
- kalottenartige Erweiterung
