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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein eine verbesserte Weise zum Gießen von geschmolzenem Metall, welches in einem Gussvorgang verwendet wird, und spezieller zum Herausfiltern von Einschlüssen aus dem geschmolzenen Metall während des Füllens einer horizontalen Füllhülse beim Hochdruck-Formguss (HPDC).
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Geringe Prozesskosten, enge Toleranzen bezüglich der Abmessungen (endabmessungsnah) und glatte Oberflächenbeschaffenheiten sind allesamt wünschenswerte Eigenschaften, die den HPDC zu einem weithin verwendeten Prozess für die Massenproduktion von Metallkomponenten machen. Beispielsweise verwenden Hersteller in der Kraftfahrzeugindustrie den HPDC, um endabmessungsnahe Aluminiumlegierungsgussteile für Motor-, Getriebe- und Strukturkomponenten herzustellen. In einem typischen HPDC-Prozess wird geschmolzenes Metall typischerweise über eine Reihe von Kanälen, Rohren und Gießpfannen, welche ein Füllsystem bilden, in eine Gießform übertragen. Diese Übertragung findet typischerweise in zwei Schritten statt: mittels eines Niederdruckgusses in ein Einfüllrohr (das als Füllhülse bezeichnet wird) und mittels einer Hochdruckinjektion, bei der eine Bewegung eines Kolbens oder Stößels in dem Rohr das Metall aus der Füllhülse und in den Gussteil-Hohlraum hinein drückt.
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Ein Transportsystem zum Füllen einer HPDC-Füllhülse ist als ein Dosierofen-Rinnensystem bekannt. In diesem System ist ein Druck- oder Pumpofen über eine geneigte Rinne (die auch als eine Dosier-Gießrinne bezeichnet wird) mit der Füllhülse gekoppelt. Aus dem unteren Teil des Ofens wird das erforderliche Füllgewicht an geschmolzenem Metall in ein Ende der Rinne gefüllt, so dass es anschließend über die Länge der Rinne strömt und in die Füllhülse hinein abfließt. Es können auch Einrichtungen zum Verbessern der Steuerung des Metallstroms durch Verringern der Turbulenz bezogen auf einen frei fallenden Strom des geschmolzenen Metalls, wenn dieser auf die Wand der Füllhülse und das in dieser angesammelte Metall auftrifft, verwendet werden. Dennoch können unerwünscht hohe Metallgeschwindigkeiten - und die daraus resultierende Turbulenz beim Füllen - weiterhin in der Füllhülse vorhanden sein. Darüber hinaus erzeugen große Rinnenlängen unerwünscht große Metalloberflächenbereiche und Oxidfilme. Außerdem weist dieses System keinen Mechanismus zum Reinigen des geschmolzenen Metalls an der Füllhülse auf, da die erzeugten Oxide und Ofeneinschlüsse, die an dem Eintritt in die Rinne in dem Metall vorhanden sind, in den Hohlraum der Füllhülse transportiert werden.
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Ein anderes Metalltransportsystem zum Füllen einer HPDC-Füllhülse ist als ein Kippguss-Gießpfannensystem bekannt. Typische Konstruktionen dieses Systemtyps sind einem Gießbecken bei herkömmlichen Sandgussformen ähnlich, jedoch ohne ein Eingussmerkmal. Bei diesem System wird eine Gießpfanne gekippt, um das geschmolzene Metall durch einen äußeren Anguss in die Füllhülse zu gießen. Eine Metallschädigung tritt infolge der Turbulenz des auftreffenden Metallstroms auf die Oberfläche der Füllhülse und auf die angesammelte Schmelze in der Füllhülse auf. Ein Verfahren zum Verringern dieser Füllturbulenz ist die Verwendung einer Einrichtung, die oberhalb des Hülseneintritts angeordnet ist, den Gießpfannen-Metallstrom sammelt und diesen in die Füllhülse leitet. Wie bei dem vorstehend erwähnten rinnenbasierten System kann die Steuerung der Position des Metallstroms, wenn dieser die Wand der Füllhülse und das angesammelte Metall trifft, dessen primärer Vorteil beim Verringern der Metallschädigung sein. Dennoch weist weder dieses noch das rinnenbasierte System einen Mechanismus zum Reinigen des Metalls auf und lässt stattdessen die erzeugten Oxide oder Ofeneinschlüsse zurück, so dass diese in dem angesammelten Metall bleiben, das sich in dem Hohlraum der Füllhülse befindet.
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Ein anderes Verfahren zum Beseitigen dieser Füllturbulenz ist in der
US 2015/0202685 A1 beschrieben, die am 21. Januar 2014 eingereicht wurde, die den Titel A METAL POURING METHOD FOR THE DIE CASTING PROCESS trägt und die dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Erfindung. Gemäß diesem Ansatz ist eine spezielle Kippguss-Gießpfanne mit einer Seitenöffnung in der Füllhülse gekoppelt und wird gedreht, um Metall in den Hohlraum der Hülse einzuleiten, wonach die Baugruppe gedreht wird, um die Gießpfanne auszuleeren und die Füllhülsenöffnung an die Oberseite zu bringen. Obgleich die Bodenfüllung dieses Ansatzes beim Beseitigen der Turbulenz und der Metallschädigung besonders nützlich ist, kann er zusätzliche Komplexität mit sich bringen. Beispielsweise liegen die zusätzlichen Verbindungen, die zum Bewirken der relativen Drehung verwendet werden, gegenüber dem geschmolzenen Metall für jedes Gussteil frei; dies kann die Wartung erschweren und die damit verbundenen Probleme mit Ausfallzeiten des Gießvorgangs verschlimmern. Zusätzlich können Zwischenraumbeschränkungen für die Formgussmaschine die Gießpfannenbewegung einschränken, wodurch die Implementierung schwieriger gemacht wird.
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Ein zusätzliches Verfahren zum Verringern der Metallschädigung während des Füllereignisses der Füllhülse ist in der
US 2016/0221079 A1beschrieben, die am 04. Januar 2015 eingereicht wurde, die den Titel METAL POURING METHOD FOR THE DIE CASTING PROCESS trägt und die dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Erfindung. Dieser Ansatz verwendet eine Kippguss-Gießpfanne mit einer 360-Grad-Düse, die mit einem Filter für geschmolzenes Metall versehen ist. Eine volle Gießpfanne wird gedreht, um die Düse und den Filter derart in die Nähe der Füllhülse zu bringen, dass sich der Filter in seiner endgültigen Position zum Füllen bei oder in der Nähe der Bodenfläche der Füllhülse befindet. Die Strömungsbeschränkung des Filters verringert die Metallgeschwindigkeit und die Turbulenz des eintretenden Stroms, während das physikalische Auffangen von Einschlüssen der Schmelze einen zusätzlichen Vorteil liefert. Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass eine wesentliche Hürde beim Erreichen einer solchen Filterung darin besteht, dass die Anordnung des Filters (zusätzlich zu seinem Entfernen für eine periodische Reinigung oder Wartung) einen signifikanten Zeit- und Kostenaufwand zu dem Prozess hinzufügen kann und somit die Verwendung eines Filters untragbar machen kann, insbesondere dann, wenn er in Verbindung mit einer HPDC-Produktion mit großer Stückzahl verwendet wird (bei welcher täglich Hunderte oder sogar Tausende von Gussteilen in einer einzigen Gießmaschine hergestellt werden können). Darüber hinaus ist der Stauraum für Filter und deren Ersatz in der Füllhülse und um diese herum begrenzt, während eine Fehlbedingung des Filters eine signifikante Beschädigung an der Füllhülse oder an anderen Teilen des Füllsystems bewirken kann, wodurch die Effizienz des Gießvorgangs weiter verringert wird.
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Aus der
US 5 556 592 A ist ein Gussfilterungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
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In der
US 4 769 158 A ist ein ähnliches Gussfilterungssystem beschrieben.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gussfilterungssystem zu schaffen, mit dem ein Gießvorgang auf effiziente Weise durchführbar ist und gleichzeitig das Auftreten von unerwünschten Einschlüssen und Umfaltungen im geschmolzenen Metall verhindert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird durch ein Gussfilterungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen Hintergrund betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein die Verwendung eines kontinuierlich ersetzbaren Filters, um die Qualität des geschmolzenen Metalls zu verbessern, das einer horizontalen Formguss-Füllhülse zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Gussqualität verbessert, während der Vorgang nicht mit der Komplexität der Lagerung, Anordnung und der Außeneffekte beim Entfernen eines Filters belastet wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wirken ein kontinuierlich ersetzbarer Filter und ein Trichter als Teil eines Systems zum Zuführen eines gefilterten geschmolzenen Metalls von einem stromaufwärts gelegenen Zuführungsbehälter (wie beispielsweise einer Gießpfanne oder einer Rinne) zu einem stromabwärts gelegenen Gießform-Aufnahmegefäß (wie beispielsweise der vorstehend erwähnten Füllhülse oder einem verwandten Kanal) zusammen. Obgleich die vorliegende Offenbarung auf eine HDPC-Ausrüstung und ergänzende Prozesse gerichtet ist, werden Fachleute einsehen, dass der bewegbare Filter und der Trichter ebenso mit anderen Nicht-HPDC-Gießvorgängen gekoppelt sein können, bei denen eine Filterung des geschmolzenen Metalls notwendig ist. Bei diesen anderen Konfigurationen kann ein Gießbecken, ein Speiser oder eine andere Öffnung anstelle der Füllhülse verwendet werden; es wird angenommen, dass jede dieser Varianten innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
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Im vorliegenden Zusammenhang ist ein kontinuierlich ersetzbarer Filter ein solcher, der ohne manuelles Eingreifen zwischen aufeinanderfolgenden Gießvorgängen automatisch in dem Strömungspfad des geschmolzenen Metalls angeordnet und aus diesem entfernt werden kann. Gemäß einer speziellen Form wird der Filter als Teil eines kontinuierlichen spulen- oder rollenbasierten Mechanismus dem System zugeführt und von diesem entfernt. Eine solche Konfiguration stellt die Vorteile eines Filters mit einmaliger Verwendung bereit, ohne den Nachteil des manuellen Anordnens eines neuen diskreten Filters zwischen der Quelle für das geschmolzene Metall und einer Füllhülse, einem Eingusskanal oder einem verwandten Aufnahmegefäß für jeden Gießvorgang aufzuweisen. Gemäß optionalen Formen kann das System zusätzliche Komponenten umfassen, einschließlich eines Eingusskanals, eines Eingusses, eines Fülldeckels, von Angüssen, eines Mantels, eines Zugs oder anderer Komponenten, die einem horizontalen HPDC-System zugeordnet sind.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Hochdruck-Formgusssystem einen Formhohlraum, ein Füllsystem, das fluidtechnisch mit dem Formhohlraum gekoppelt ist, um diesem ein geschmolzenes Metall zuzuführen, und ein Filterungssystem, das fluidtechnisch zwischen der Quelle für das geschmolzene Metall und einer Füllhülse angeordnet ist, die einen Teil des Füllsystems bildet. Wie vorstehend erläutert ist, umfasst das Filterungssystem einen kontinuierlich ersetzbaren Filter und einen Trichter, der fluidtechnisch derart mit dem Filter zusammenwirkt, dass eine Menge an geschmolzenem Metall, die aus der Quelle für das geschmolzene Metall übertragen wird, vor der Aufnahme in der Füllhülse durch einen Strömungspfad hindurchtritt, der durch den Trichter und den Filter definiert ist. Eine Quelle für das geschmolzene Metall kann einen Ofen und auch eine Gießpfanne umfassen, die das geschmolzene Metall aus dem Ofen aufnimmt. Wie nachstehend erläutert ist, kann das Ausgussende der Gießpfanne mit einer einem Ausguss ähnlichen Erweiterung ausgestattet sein, welche die Merkmale des vorstehend erwähnten Trichters nachahmt, um eine vergleichbare Zuführungsfunktion für das geschmolzene Metall zu der Füllhülse auszuführen. Gemäß einer bevorzugten Form sind die Filterabschnitte als Teil eines kontinuierlichen Strangs gespeichert (welcher noch bevorzugter auf Rollen geliefert und von diesen entnommen wird), um den Stauraum zu minimieren; eine Indizierung oder eine getaktete Bewegung der Rollen stellt eine genaue Übertragung eines benutzten Filterabschnitts von dem Gießsystem weg sicher, während gleichzeitig ein frischer, unbenutzter Filterabschnitt in eine Position zwischen der Quelle für das geschmolzene Metall und die Füllhülse zugeführt wird. In Abhängigkeit von der Reinheit des Metalls, das gefiltert werden soll, kann sich die Rolle während des Metallzuführungsprozesses bewegen und gegenüber dem strömenden Metall einen sauberen Filterbereich zeigen. Dies verringert das Risiko, dass der Filter verstopft, dass die Metallströmung in die Füllhülse hinein gestoppt wird und dass der Metallgießprozess unterbrochen wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Zuführen eines geschmolzenen Metalls in eine Formguss-Gießform offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Füllsystem fluidtechnisch zwischen einer Quelle für ein geschmolzenes Metall und der Gießform bereitgestellt wird, dass eine Menge an geschmolzenem Metall aus der Quelle für das geschmolzene Metall durch einen Filterungs-Strömungspfad eingeleitet wird, der durch Komponenten des Füllsystems definiert ist, dass zumindest einige der Komponenten des Füllsystems von der Füllhülse wegbewegt werden, um eine Druckbeaufschlagung des gefilterten geschmolzenen Metalls zu ermöglichen, das sich in einem Hohlraum angesammelt hat, der in der Füllhülse gebildet ist. Sobald sich das gefilterte geschmolzene Metall aufgrund der Druckbeaufschlagung in einen Formhohlraum oder zu einem anderen Bestimmungsort bewegt hat, kann ein neuer Filter (zusammen mit dem wieder verwendbaren Trichter) in der Nähe des Eintritts der Füllhülse derart in Position bewegt werden, dass ein neuer Gießvorgang begonnen werden kann. Wie zuvor können sowohl das Füllsystem als auch das Filterungssystem entweder als unabhängige Systeme oder als zusammenhängende Teile desselben Systems angesehen werden; bei beiden Betrachtungsweisen wirken sie zusammen, um das geschmolzene Metall aus einer Quelle für das geschmolzene Metall zu filtern und einem Formhohlraum oder verwandten Werkstück zuzuführen.
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Figurenliste
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Die nachfolgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Strukturen durch gleiche Bezugszeichen angegeben sind und von denen:
- 1 einen repräsentativen Bi-Film, der durch Turbulenz erzeugt wird, gemäß dem Stand der Technik zeigt;
- 2A und 2B Ansichten des Zusammenwirkens des Filters und einer HPDC-Füllhülse gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigen; und
- 3A und 3B aufeinanderfolgende Schritte zeigen, welche die relative Bewegung des Filters und eines Trichters bezogen auf eine Füllhülse darstellen, wobei sich der Filter und der Trichter in 3A in einer Position zum Aufnehmen von ungefiltertem geschmolzenem Metall befinden, während der Filter und der Trichter in 3B nach oben aus dem Eingriff mit der Füllhülse heraus bewegt sind, so dass der nächste Gießvorgang ausgeführt werden kann.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zuerst auf 1 Bezug nehmend, sind mehrere Formen von Defekten in einer Aluminiumlegierung gezeigt. Beim Aufheizen in die flüssige (d.h. geschmolzene) Form 100 wechselwirken verschiedene Ströme von Aluminium (beispielsweise ein erster Strom 110 und ein zweiter Strom 120 sowie Tropfen 130) auf unterschiedliche Weisen. Wenn die Verarbeitung in einer sauerstoffhaltigen Umgebung erfolgt, können sich Oxidfilme 140 an der äußeren Oberfläche des flüssigen Aluminiums bilden, welches den ersten Strom 110, den zweiten Strom 120 und die Tropfen 130 umfasst. Ein Bi-Film 170 bildet sich, wenn zwei Oxidfilme 140 aus dem jeweiligen ersten Strom 110 und zweiten Strom 120 aufeinandertreffen. Bi-Filme bilden sich auch, wenn durch die Turbulenz hervorgerufene Tropfen auf dem Metallstrom landen, wie bei 150 gezeigt ist. Obgleich Bi-Filme 150, 170 ein inhärenter Bestandteil nahezu jedes Gießprozesses sind, sind sie im Allgemeinen für die mechanischen Eigenschaften des Gussteils nicht schädlich, wenn der Oxidfilm 140 nicht aufgrund des Faltungsvorgangs, bei dem zwei separate Ströme, der erste Strom 110 und der zweite Strom 120, unter großen Winkeln aufeinandertreffen (typischerweise unter mehr als 135 Grad, wobei der Spritzvorgang eines Stroms derart auf dem anderen Strom zusammenbricht, dass ein Hohlraum zwischen diesen gebildet wird), in dem Volumen der Legierung eingeschlossen wird, wie bei der Position 160 gezeigt ist. Eine solche Ausbildung kann signifikante Auswirkungen auf die gesamte Materialintegrität und die anschließenden Ausschussraten des Gussteils aufweisen. Auf ähnliche Weise kann eingeschlossenes Gas 180 aufgrund des Gießvorgangs des flüssigen Metalls gebildet werden, wodurch zusätzliche eingeschlossene Oxide erzeugt werden. Wenn flüssiges Metall auf herkömmliche Weise in eine Gießform oder eine Füllhülse gegossen oder gedrückt wird, ist es möglich, dass große Gasblasen eingeschlossen werden, die zu einem oder mehreren der gezeigten Einschlüsse führen, wie vorstehend erwähnt wurde.
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Als Nächstes auf
2A und
2B sowie 3A und 3B Bezug nehmend, sind Abschnitte eines horizontalen HPDC-Systems
200 gezeigt, die ausgebildet sind, um mit einem kontinuierlichen, bandartigen Strang
210 der vorliegenden Erfindung zusammenzuwirken. Diese Abschnitte umfassen eine Füllhülse
220, die darin einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum definiert, so dass sich ein Kolben
230, der in das proximale Ende der Füllhülse
220 eingefügt ist, in einer translatorischen Hubbewegung entlang einer im Wesentlichen horizontalen Richtung innerhalb des Hohlraums bewegen kann, um eine Menge des geschmolzenen Metalls
100 unter Druck zu setzen, welche in der Füllhülse
220 enthalten ist. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann das distale Ende der Füllhülse
220 fluidtechnisch mit einem Netz von Angüssen oder verwandten Kanälen verbunden sein, um das geschmolzene Material in die Gießformhohlräume zu übertragen; ein solches Netz wird üblicherweise als ein Angusssystem (oder Füllsystem) bezeichnet. Ein Trichter
250 ist ebenso translatorisch entlang einer im Wesentlichen vertikalen Richtung innerhalb des proximalen Endes der Füllhülse
220 bewegbar (beispielsweise durch eine Bewegung eines Elektromotors, wie etwa eines Schrittmotors, der nicht gezeigt ist). Das proximale Ende
260 der Füllhülse
220 definiert eine Vertiefung oder Öffnung
261, die dazu beiträgt, einen Übergang für die Einleitung des geschmolzenen Metalls
100 in die Füllhülse
220 hinein bereitzustellen. Ein Satz aufrechter Führungsleisten
265 kann das proximale Ende
260 der Füllhülse
220 für zumindest einen Abschnitt des Bewegungspfades des Strangs
210 überspannen, um dazu beizutragen, diesen ausgerichtet zu halten, wenn er sich in Richtung der Vertiefung
261 bewegt. Gemäß einer alternativen Form (nicht gezeigt) kann ein Fülldeckel als eine Abdeckung wirken, die drehbar gemacht werden kann, wie in der
US 2015/0202685 A1 erläutert ist, welche vorstehend erwähnt ist. Gemäß einer noch anderen alternativen Form (nicht gezeigt) kann der Trichter
250 auf eine drehende Weise in das proximale Ende
260 der Füllhülse
220 eingefügt werden, sowie durch eine Kombination einer Translations- und einer Drehbewegung; es wird angenommen, dass alle solche Formen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
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Wie gezeigt ist, definiert der Bewegungspfad für den Strang 210 mit seinen Filtern 211 einen Anfang und ein Ende, wie beispielsweise durch einen entsprechenden Zuführungsmechanismus 270 und einen entsprechenden Aufnahmemechanismus 280, wobei gemäß einer Form die Zuführung mittels eines einfachen kastenähnlichen Behälters (wie insbesondere in 2B gezeigt ist) oder mittels einer aufgespulten Rolle (wie insbesondere in 2A, 3A und 3B gezeigt ist) ausgeführt werden kann. Auf ähnliche Weise erfolgt die Aufnahme vorzugsweise durch ein geeignetes Mittel, wobei eine kontinuierliche Spannung an dem Strang 210 und den Filtern 211 aufrechterhalten wird, um eine Bündelung zu vermeiden sowie eine ausreichende Kraft bereitzustellen, um dem Strang 210 und die Filter 211 über den relativ linearen Pfad zu ziehen, wie in 3B gezeigt ist, wobei der Trichter 250 während eines Wechsels der Filter 211 zwischen aufeinanderfolgenden Gießvorgängen aus dem Bewegungspfad entfernt wurde.
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Gemäß einer bevorzugten Form erfolgt die Bewegung des Strangs 210 mit den Filtern 211 nur zwischen aufeinanderfolgenden Gießvorgängen; auf diese Weise sind sie nur während Zeitdauern signifikanten Spannungskräften ausgesetzt, in denen ihr Bewegungspfad angrenzend an die Füllhülse 220 einen im Wesentlichen geraden, linearen Pfad definiert, wie in 3B gezeigt ist. Dennoch kann der Strang 210 mit den Filtern 211 bei einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) während eines Gießvorgangs des geschmolzenen Metalls 100 über den Trichter 250 bewegt werden. Diese letzte Konfiguration ist besonders nützlich, wenn übermäßig verunreinigtes (d.h. mit Oxid gefülltes) geschmolzenes Metall 100 in dem Ofen oder in der Gießpfanne 105 enthalten ist.
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Gemäß einer bevorzugten Form ist der Strang 210 mit einer porösen, siebartigen Oberflächenstruktur gebildet, die flexibel genug ist, um eine gewundene Form (oder ein gewundenes Profil) einzunehmen, die bzw. das durch die gemeinsame Wirkung des Trichters 250 und der Vertiefung 261 während zumindest eines Teils des Gießvorgangs definiert ist, in welchem der Trichter 250 und ein Filter 211, der an der Oberfläche des Strangs 210 definiert ist, in die Vertiefung 261 eingefügt sind. Obgleich eine wesentliche Gesamtheit der Oberfläche des Strangs 210 siebartige Filtermerkmale definiert, sind die hierin erläuterten Filter 211 im vorliegenden Zusammenhang eher derart zu verstehen, dass sie diskrete Abschnitte definieren, die bezüglich der Größe und der Form der Trichteraustrittsfläche 251 entsprechen, mit der sie einen selektiven Filterungs-Strömungspfad bilden (der hierin auch als ein Filterungspfad bezeichnet wird); diese diskreten Abschnitte (die in einer beispielhaften Form in 3B gezeigt sind) kann man sich als „benutzte Abschnitte“ (die auch als verbrauchte Filter 211B bezeichnet werden) und als „unbenutzte Abschnitte“ (die auch als frische Filter 211A bezeichnet werden) vorstellen; verwandte Begriffe, wie beispielsweise „erste Abschnitte“ zum Bezeichnen eines Vorgängerfilters und „zweite Abschnitte“ zum Bezeichnen eines Nachfolgerfilters, können hierin ebenso verwendet werden, um die entsprechenden, aufeinanderfolgenden Positionen auf dem kontinuierlichen Strang 210 zu unterscheiden. Alle solche Indizien werden anhand des Zusammenhangs offensichtlich. Darüber hinaus erfolgt der Vorschub des Strangs 210 und der Filter 211 vorzugsweise nur dann (wie vorstehend erläutert ist), wenn ihr Bewegungspfad im Wesentlichen begradigt ist, so dass scharfe Biegungen, Kanten und andere Welligkeiten vermieden werden.
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Bezeichnenderweise trägt die enge Kopplung der Unterseite des Trichters 250 mit der im Wesentlichen bogenförmigen unteren Fläche der Vertiefung 261 dazu bei, einen abgedichteten Durchgang derart zu bilden, dass dann, wenn ein Abschnitt des Strangs 210 vorhanden ist, der einzige Weg, über den das geschmolzene Metall 100 in die Füllhülse 220 eintreten kann, durch den Filter 211 verläuft, der in der Austrittsfläche 251 vorhanden ist, die in der Unterseite des Trichters 250 gebildet ist. Mit anderen Worten ist der Strang 210 derart geformt, dass er verschoben an die Kontur der unteren Fläche der Füllhülse 220 angepasst ist. Dies minimiert das Fallen des Metalls nach dem Filter 211 und verringert die Zeit, die benötigt wird, damit der Strang 210 vollständig eingetaucht ist und der Oberflächenbereich des Metalls verringert ist. Gemäß einer bevorzugten Form wird eine Verschiebung zwischen 5 und 12 Millimetern (mm) verwendet; Werte größer als dieser neigen dazu, eine Beeinträchtigung der Qualität des geschmolzenen Metalls 100 zu bewirken. Durch eine solche Positionierung in der Nähe der endgültigen Sammelposition innerhalb der Füllhülse 220 verringert der Filter 211 mit kurzer Fallstrecke zusätzlich zum Verringern oder Entfernen von Einschlüssen die Geschwindigkeit des Metalls beim Eintreten in die Füllhülse 220, was dazu beiträgt, die Turbulenz und die Oxiderzeugung des gefilterten geschmolzenen Metallstroms 101 zu verringern, wenn dieser die Füllhülse 220 füllt. Wie vorstehend erwähnt wurde, verringert der Filter 211 zusätzlich zum Verringern oder Entfernen von Einschlüssen die Geschwindigkeit des Metalls beim Eintreten in die Füllhülse 220, was dazu beiträgt, die Turbulenz und die Oxiderzeugung des gefilterten geschmolzenen Metallstroms 101 zu verringern, wenn dieser die Füllhülse 220 füllt.
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Darüber hinaus ermöglicht die Form der Vertiefung 261 (die vorliegend mit einer leicht konischen Geometrie gezeigt ist), dass der Trichter 250 und der Filter 211 derart angehoben und abgesenkt werden, dass sie selektiv in den Fluideintritt an dem proximalen Ende der Füllhülse 220 eingebracht und aus diesem entfernt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der Filter 211 aus Glasfaser oder einem beliebigen anderen Material hergestellt, das sowohl bezüglich des geschmolzenen Metalls 100 chemisch inert als auch flexibel und fest genug ist, um die engen Biegungen, die in der Vertiefung 261 gebildet sind, ohne Blockieren oder Bruch zu überqueren. Beispiele für solche anderen Materialen umfassen ein Stahldrahtnetz, ein Kohlenstofffasernetz, Weißblech oder Kombinationen von diesen. Zusätzlich bestimmt die Maschengröße des Filters 211 die minimale Partikelgröße von Einschlüssen, wie beispielsweise von schädlichen Oxiden, die aus dem Eintauch-Quellenbad übertragen und aufgenommen werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der Siebbereich des Filters 211 aus ungefähr 9 bis 17 Maschen mit einer Öffnungsbreite von ungefähr 1,8 bis 0,9 mm und einer Öffnungsfläche von ungefähr 46 bis 36 % gebildet. Ein nicht einschränkendes Beispiel des Filters 211 umfasst ein Sieb mit 17 Maschen bei einer Öffnungsbreite von 0,9 mm und einer Öffnungsfläche von ungefähr 36 %. Auf jeden Fall werden Fachleute einsehen, dass eine zu geringe Maschengröße vermieden werden muss, um die Möglichkeit zu minimieren, dass die Strömung des geschmolzenen Metalls 100 unnötig eingeschränkt wird, während eine Maschengröße, die zu groß ist, ebenso vermieden werden muss, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass schädliche Einschlüsse hindurchtreten. Bei einer beispielhaften Form kann die Auswahl der Porengröße des Filters 211 derart erfolgen, dass eine Strömungsrate von 6 Pound/sec (2,72 kg/s) des geschmolzenen Metalls 100 in die horizontale Füllhülse 220 ohne Oxidfilme ermöglicht wird, die größer als 1 x 1 mm sind.
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Bezeichnenderweise erfolgt die poröse, siebartige Konstruktion des Strangs 210 derart, dass ein Abschnitt von diesem, welcher der zweidimensionalen Projektion der Form der Trichteröffnung 251 auf diesen entspricht, ermöglicht, dass dieser als ein Filter 211 wirkt. Das Zuführen und Entfernen des Strangs 210 in den Bereich unmittelbar unter der Trichteröffnung 251 und aus diesem kann mittels eines Controllers (nicht gezeigt) mit dem Gießvorgang des restlichen horizontalen HPDC-Systems 200 gekoppelt werden, um eine automatische, indizierte Bewegung eines frischen Filters 211A in ein fluidtechnisches Zusammenwirken mit der Öffnung 251 und eine ähnliche indizierte Bewegung eines verbrauchten Filters 211B aus einem solchen fluidtechnischen Zusammenwirken heraus zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform kann der Strang 210 derart in Rollenform 212 vorliegen, dass er an drehbaren Spindeln 213 angebracht werden kann, so dass eine automatische Aufnahme und Zuführung bewirkt werden kann. Darüber hinaus kann ein Motor oder eine Einrichtung zur Robotermanipulation, der bzw. die zum Bewegen des Trichters 250 verwendet wird, ebenso mittels eines solchen Controllers betrieben werden.
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Unter spezieller Bezugnahme auf 3A und 3B sind die aufeinanderfolgenden Schritte beim Filtern des geschmolzenen Metalls 100 gezeigt. In 3A wird ein ungefiltertes geschmolzenes Metall 100 aus einer Gießpfanne 105 in die Füllhülse 220 eingeleitet, indem es in den Trichter 250 gegossen wird, der eine leicht konische Form entlang des abwärts gerichteten Strömungspfades definiert. Bezeichnenderweise gibt es innerhalb des Trichters 250 eine sehr kleine Verjüngung, da die Anforderung bezüglich des Querschnitts, eine Strömungsrate des geschmolzenen Metalls 100 von 6 Ibs/sec (2,72 kg/s) zu erreichen, für einen Formschluss mit einem fallenden Metallstrom zu hoch ist; diesbezüglich unterscheidet sich seine Form von derjenigen eines herkömmlichen Eingusses. Die Straffheit in dem Strang 210 (wie beispielsweise diejenige, die diesem durch das Spannen von Aufnahmerollen 290, die auf eine eigenständige Weise wirken können, wie beispielsweise in 3A und 3B gezeigt ist, sowie als Teil einer größeren Aufnahmestruktur 280, die in 2B gezeigt ist, erreicht wird) trägt dazu bei, eine ausreichende strukturelle Steifigkeit in dem Strang 210 sicherzustellen, so dass die Austrittsfläche 251 des Trichters 250 und der Filterabschnitt 211A des Strangs 210 eine enge Passung zwischen diesen entlang der unteren Fläche (oder Austrittsfläche) 251 bilden. Auf diese Weise definieren sie zusammen einen im Wesentlichen abgedichteten Strömungspfad für das geschmolzene Metall zwischen dem Trichter 250 und dem unteren Abschnitt der Füllhülse 220, in welchem sich das gefilterte geschmolzene Metall 102 sammelt, wie in 3B gezeigt ist. Somit werden die Strömungsgeschwindigkeit und die Verunreinigungen stromabwärts des Filters verringert, während eine Leckage um die abgedichtete Fläche herum minimiert wird, welche durch die Trichteraustrittsfläche 251 und den Filter 211A definiert ist. 3B zeigt das Zurückziehen des Trichters 250 und auch die indizierte Bewegung des Filters 211A von dem Fluideintritt der Hülse 220 weg, um anschließende Anwendungen zur Druckbeaufschlagung zu ermöglichen, die durch die Hubbewegung des Kolbens 230 von 2A ermöglicht werden. Die vergleichsweise lineare und ebene Form des Strangs 210 in dieser angehobenen Position unterscheidet sich von der dreidimensionalen gewundenen Form, die in 3A gezeigt ist; auf diese Weise wird das Indizieren der Bewegung des Strangs und der Filter 211A, 211B auf die Art vereinfacht, die vorstehend erläutert ist. Darüber hinaus trägt die lineare Form des Strangs 210 während dessen indizierter Bewegung (die vorliegend entlang der Richtung gezeigt ist, die durch den Pfeil angegeben ist) dazu bei, den verbrauchten Filter 211A im Wesentlichen flach zu halten, so dass die aufgenommenen Einschlüsse, die aus dem geschmolzenen Metall 100 herausgefiltert wurden und sich auf dem Filter 211A befinden, weniger dazu neigen, während der Bewegung loszubrechen und zurück in den unteren Abschnitt der Vertiefung 261 zu fallen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann die Fluidführungsfunktion des Trichters 250 durch eine Gießpfanne von Typ mit Ausguss mit einer ähnlichen, sich abwärts erstreckenden Austrittsfläche erreicht werden, die an dem Austrittsende der Gießpfanne 105 gebildet ist, welche in 3A gezeigt ist. Aufgrund von möglichen Problemen mit dem Spiel kann der Fluideintritt der Füllhülse 220 modifiziert werden, um die Gießpfanne 105 aufzunehmen. Unabhängig davon wird angenommen, dass beide Trichtervarianten innerhalb der beanspruchten und offenbarten Erfindung funktional äquivalent sind. Beispielsweise kann die Rinne, die durch die Gießpfanne 105 gebildet wird, einen integralen Ausgang aufweisen, der in einer vertikalen Abwärtsrichtung in die Vertiefung 261 der Füllhülse eindringt, um die Steuerung des Metallstroms durch Verringern der Turbulenz bezogen auf einen frei fallenden Strom zu verbessern. Die Bewegung einer solchen Einrichtung kann auf eine ähnliche Weise wie diejenige des Trichters 250 erreicht werden.
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Die automatische Bewegung sowohl des Filters 211 als auch des Trichters 250 innerhalb der Vertiefung 261, die in dem proximalen Ende 260 der Füllhülse gebildet ist, zeigt, wie der Trichter 250 vor dem Einleiten des geschmolzenen Metalls 100 in den rinnenförmigen unteren Teil der Vertiefung 261 abgesenkt wird. Die im Wesentlichen gebogene Form der Vertiefung 261 erzeugt zusammen mit der im Wesentlichen ebenen Form der Austrittsfläche 251 (in der X-Z-Ebene) eine enge, abdichtende Passung zwischen den beiden um die Umfangsränder des Filters 211 herum, während ein bogenförmiger Sammelbereich 262 in der Vertiefung 261 freigelassen wird. Das geschmolzene Metall 100, das an dieser Stelle durch den Filter 211 hindurchtritt, wird zu einem gefilterten geschmolzenen Metall 101, das in der Vertiefung der Füllhülse 220 gesammelt werden kann. Das strukturelle Zusammenwirken zwischen der Austrittsfläche 251 und der angrenzenden gebogenen Fläche der Vertiefung 261 übt einen ausreichenden Druck oder eine ausreichende Berührungskraft auf den Filter 211 aus, um sicherzustellen, dass eine wesentliche Gesamtheit des geschmolzenen Metalls 100, das durch den Trichter 250 zugeführt wird, ohne irgendeine Leckage um die Ränder herum, an welchen sich der Filter 211 und die Austrittsfläche 251 schneiden, durch den Filter 211 hindurchtritt. Wie insbesondere in 3B gezeigt ist, ermöglichen das Zurückziehen des Trichters 250 und die indizierte Bewegung des Filters 211 anschließende Anwendungen zur Druckbeaufschlagung der Ansammlung 102 des geschmolzenen Metalls in der Vertiefung der Füllhülse 220 aufgrund der Wirkung des Kolbens 230 von 2A und auch den Aufbau für einen nachfolgenden wiederholten Gießvorgang. Bezeichnenderweise kann die Verwendung von Rollen 212 und einer ähnlichen Spannausrüstung dazu beitragen sicherzustellen, dass der Strang 210 während der wesentlichen Gesamtheit des Vorgangs zum Transport und zur Anordnung des Filters 211 vergleichsweise straff bleibt.
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Bezeichnenderweise ermöglicht der rollenbasierte Ansatz, der hierin gezeigt ist, eine lokale Speicherung der Filter 211 unmittelbar benachbart zur Füllhülse 220. Es ist wichtig, dass die kompakte automatische Bewegungsstruktur des Filters 211 und des Trichters 250 derart beschaffen ist, dass sie ein Nachrüstungspaket bilden kann, das eine einfache Verbindung zum Anschrauben an die Füllhülse 220 und die Trägerstruktur (nicht gezeigt) des horizontalen HPDC-Systems 200 aufweist. Dies ordnet einen Filter mit geringen Kosten bei der Aufbewahrung, Anordnung und beim Entfernen in einem unteren Teil der Hülse an. Es ist wichtig, dass die vorliegende Erfindung an existierenden Füllhülsen, Kanälen oder einer ähnlichen HPDC-Zuführungsausrüstung für geschmolzenes Metall nachgerüstet werden kann. Es handelt sich um ein Filterungssystem für eine Formgussfüllung, die eine Schädigung des Metalls durch eine Füllhülse mit Bodenfüllung minimiert, und zwar in einer kompakten, angeschraubten Einheit. Darüber hinaus ist ein solcher Ansatz, wie er hierin erläutert ist, mit dem Rinnen-Trichter-System und mit Gießpfannensystemen mit Ausguss verträglich, die vorstehend erläutert sind. In Abhängigkeit von der Größe der Rollen 212, die zum Zuführen und Aufnehmen des Strangs 210 und der Filter 211 verwendet werden, kann es bequemer sein, diese entfernt von der Formgussmaschine anzuordnen. Wenn die Rolle 212 beispielsweise größer wäre (beispielsweise mit einem Durchmesser von ungefähr einem Meter), kann es bevorzugt sein, dass eine Zuführungsplattform für den Strang 210 zusätzliche Spulen, Spannelemente, Führungen und eine ähnliche Transportausrüstung aufweist, so dass die größeren Rollen 212 an einen geeigneteren Platz angeordnet werden können; es wird angenommen, dass beide Varianten innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.
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Die zweistufige zusammenwirkende Bewegung des Filters 211 und des Trichters 250 relativ zu der Einleitung des geschmolzenen Metalls 100 in die Füllhülse 220 findet jedes Mal dann statt, wenn eine neue Komponente gegossen wird. Der Austritt des Trichters 250 aus der Hülse 220 ermöglicht, dass der Formgusshohlraum (nicht gezeigt) durch eine Injektion mittels der Translationsbewegung des Kolbens 230 in den inneren Hohlraum der Füllhülse 220 hinein gefüllt wird. Bei der Aufwärtsbewegung des Trichters 250 aus der Vertiefung 261 heraus wird der vorhergehende Klemmdruck, der durch den Teil des Trichters 250 ausgeübt wird, der die Austrittsfläche 251 definiert, entfernt, wodurch ermöglicht wird, dass der Strang 210 indiziert wird, um einen frischen Filter 211A für den nächsten Guss des geschmolzenen Metalls 100 in den unteren Teil der Vertiefung 261 zu bringen. Der benutzte Filter 211B kann anschließend für eine nachfolgende Entsorgung in Richtung einer Aufnahmerolle oder einer ähnlichen Sammeleinrichtung für verbrauchte Filter 211 B transportiert werden. Bezeichnenderweise stellt die zusammenwirkende Bewegung des Strangs 210 relativ zu dem Abschnitt des Trichters 250, der durch dessen Austrittsfläche 251 definiert ist - zusammen mit der Form und der Anordnung der Vertiefung 261 bezogen auf den unteren Teil der Füllhülse 220 - einen ausreichenden Druck zum Abdichten der Filter 211 sicher, die in dem Strang 210 gebildet sind, so dass bei einer Aufnahme des geschmolzenen Metalls 100 aus einer Quelle (wie beispielsweise einer Kippguss-Gießpfanne, einer Gießpfanne mit Ausguss oder einem Rinnensystem) die Filterung auf eine solche Weise stattfindet, dass Einschlüsse entfernt werden, während kritische Fallhöhen des geschmolzenen Metalls 100 in Grenzen gehalten werden. Wie Fachleute verstehen werden, ist die kritische Fallhöhe die vertikale Distanz, oberhalb derer ein geschmolzenes Metall nicht freigegeben werden sollte, um nachteilige Wirkungen von Umfaltungen und ähnlichen Einschlüssen zu vermeiden, welche entstehen, wenn eine kritische Geschwindigkeit (die für die meisten Metalle zwischen ungefähr 3 mm und 15 mm auftritt) überschritten wird. Somit fördert der Einsatz des Trichters 250 zusammen mit dem Filter 211 (der einen sauberen Rollenabschnitt 211A auf einer Seite der Austrittsfläche 251 des Trichters und auf der anderen Seite eine benutzte Länge 211B aufweist) die Zuführung eines gefilterten geschmolzenen Metallstroms 101 bei geringer Geschwindigkeit, welcher dem Boden der Füllhülse 220 zugeführt wird, wobei Einschlüsse (wie beispielsweise schädliche Oxide, die vorstehend erwähnt sind) derart aufgefangen werden, dass sie hinter dem Filter 211 zurückbleiben.
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Fachleute werden erkennen, dass die Zuführungsrichtung des Strangs 210 mit den Filtern 211 derart gezeigt ist, dass sie in einem Fall von rechts nach links ( 2B) und in einem anderen Fall von links nach rechts (3A und 3B) verläuft. In der Realität wird die korrekte Zuführungsrichtung durch die Anordnung des Strangs 210 bezogen auf die Füllhülse 220 und auch durch die andere Ausstattung vorgegeben, die das Füllsystem ausmacht; es wird angenommen, dass beide Varianten der Zuführungsrichtung innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
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Es wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „vorzugsweise“, „üblicherweise“ und „typischerweise“ hierin nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essentiell oder sogar wichtig für die Struktur oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen sind diese Ausdrücke nur dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht. Darüber hinaus wird der Ausdruck „im Wesentlichen“ hierin verwendet, um den inhärenten Grad an Ungenauigkeit zu repräsentieren, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, einem beliebigen Wert, einem beliebigen Messwert oder einer anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Somit kann dieser Ausdruck den Grad repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von der angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der Basisfunktion des vorliegenden Gegenstands führt.
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Nachdem die Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf deren spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, wird offensichtlich werden, dass Modifikationen und Abweichungen möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Obgleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert werden, wird insbesondere in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
