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Die Erfindung betrifft eine Vakuumdruckgussanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Strömungsventil zur Verwendung in einer Vakuumdruckgussanlage.
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Druckgießen unter Vakuum wird bereits seit geraumer Zeit bei der Herstellung von Formteilen aus Metallen und Metalllegierungen angewandt, insbesondere bei Legierungen der Metalle aus Al, Mg, Zn, Cu. Durch das Druckgießen unter Vakuum wird eine höhere Materialgüte der Gussteile erreicht, weil weniger Luft und Gase im Material eingeschlossen werden. Für Formteile aus z.B. Aluminium, die später noch einer Wärmebehandlung unterzogen oder geschweißt werden sollen, ist das Druckgießen unter Vakuum in aller Regel nicht verzichtbar. Darüber hinaus ist das Druckgießen unter Vakuum nicht nur beim Einsatz von flüssigen Metalllegierungen möglich, sondern kann auch bei abgeleiteten Sonderverfahren eingesetzt werden.
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Bei den bekannten Druckgussverfahren wird der Formhohlraum vor dem Einspritzen der Metallschmelze mit einem Unterdruck beaufschlagt. Dieser Unterdruck soll im Rahmen der Erfindungsbeschreibung auch als Vakuum bezeichnet werden, obwohl es sich nicht um ein Niederdruckvakuum handelt. Der Unterdruck in dem Formhohlraum kann beispielsweise circa 0,2 bis 0,1 bar betragen, bevor die Metallschmelze in den Formhohlraum eingespritzt wird.
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Bei den bekannten Vakuumdruckgussanlagen ist außerdem in der Druckgussform zumindest ein Entlüftungsventil vorhanden, um die trotz des Unterdrucks in der Gießform noch vorhandene Restluft beim Einspritzen der Metallschmelze aus dem Formhohlraum verdrängen zu können. Das Entlüftungsventil hat dabei die Aufgabe, den Auslass der Luft aus der Gießform zu ermöglichen und zugleich den Durchtritt der Metallschmelze zuverlässig auszuschließen. Geeignete Entlüftungsventile sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 020 402 und der
US 4,577,670 A bekannt.
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Von großer Bedeutung für die Gussqualität beim Vakuumdruckgießen ist die Prozessüberwachung des im Formhohlraum jeweils vom Vakuumsystem realisierten Unterdrucks. Eine Vakuumdruckgussanlage mit einer Drucküberwachungseinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 100 22 560 A1 bekannt. Bekannte Vakuumdruckgussanlagen mit den dort vorhandenen Druckmesssystemen haben jedoch den Nachteil, dass die Aussagekraft der Druckmessung im Bezug auf den wichtigsten Parameter, nämlich den im Formhohlraum erreichten Unterdruck, vielfach nicht aussagekräftig ist und einer Vielzahl von Fehlerquellen unterliegt. Diese Fehlerquellen beruhen insbesondere darauf, dass die Druckmesssensoren an den bekannten Vakuumdruckgussanlagen hinter dem Entlüftungsventil in der Unterdruckleitung, durch die das Vakuumsystem den Formhohlraum entlüftet, angeordnet sind. Folgende Fehler bei der Druckmessung treten deshalb sehr häufig auf:
- a) Die engen Querschnitte und das Auftreten des Blockierungseffekts lassen keine für den Druck im Formhohlraum relevante Messung zu, da die Unterdruckleitung starken strömungsdynamischen Effekten aufgrund der Entlüftungsströmung unterworfen ist. Dies führt dazu, dass die in der Entlüftungsleitung gemessenen Druckwerte häufig stärker von dem Unterdruckpuffer des Vakuumsystems charakterisiert sind, als von dem mit der Messung eigentlich zu messenden Unterdruck im Formhohlraum.
- b) Angesichts der hohen Taktraten beim Betrieb von Vakuumdruckgussanlagen muss der Formhohlraum mit einer hohen Druckfrequenz entlüftet werden. Dies führt zu hochdynamischen Strömungseffekten in der Unterdruckleitung zwischen Vakuumsystem und Formhohlraum, die eine zuverlässige Messung des Unterdrucks im Formhohlraum aufgrund der Strömungsdynamik ausschließen. Vielmehr sind die dort gemessenen Messergebnisse vielfach stark verfälscht.
- c) Veränderungen der Leitwerte (Verschmutzung, Verstopfung) in dem Entlüftungsventil, das regelmäßig vor dem Drucksensor angeordnet ist, führen zusätzlich zu einem erheblich Messfehler.
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Eine zuverlässige Relation zwischen dem im Formhohlraum vor dem Einfüllen der Metallschmelze vorhandenen Unterdruck und dem mit den bekannten Drucksensoren gemessenen Druckwerten kann somit nicht hergestellt werden. Am besten wird dies mit dem bekannten Effekt illustriert, dass die „besten“ Messwerte mit den bekannten Drucksensoren gerade dann gemessen werden, wenn das Ventil verschmutzt oder verstopft ist, obwohl in der Realität, das heißt im Formhohlraum, dann die schlechtesten Unterdruckwerte vorliegen.
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Die
DE 10 2006 010 560 A1 schlägt deshalb den Einsatz zusätzlicher Drucksensoren vor, mit denen der Druck im Speichergefäß der Vakuumanlage zusätzlich überwacht werden kann. Diese Lösung führt aber ebenfalls nicht zu aussagekräftigen Druckmessungen des im Formhohlraum vorhandenen Unterdrucks und hat außerdem den Nachteil einen erheblichen zusätzlichen Installationsaufwand zu verursachen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vakuumdruckgussanlage vorzuschlagen, bei der die Prozessüberwachung im Hinblick auf die im Formhohlraum auftretenden Unterdrücke verbessert werden kann. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strömungsventil zur Realisation einer solchen Vakuumdruckgussanalage vorzuschlagen.
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Die erfindungsgemäße Vakuumdruckgussanlage fußt auf dem Grundgedanken, in der Druckgussform ein zusätzliches Strömungsventil vorzusehen, das zum einen gasdurchlässig ist und zum anderen den Durchtritt der Metallschmelze aus dem Formhohlraum verhindert. Mit diesen Eigenschaften entspricht das Strömungsventil also den bekannten Entlüftungsventilen, mit denen der Formhohlraum entlüftet werden kann. Die Druckgussform weist eine erste gasdurchlässige Austrittsstelle auf, an der ein bekanntes Entlüftungsventil angeordnet ist, durch das das in dem Formhohlraum enthaltene Gas beim Befüllen des Formhohlraums mit Metallschmelze in eine Entlüftungsleitung entweichen kann. Zudem weist die Druckgussform erfindungsgemäß eine zweite gasdurchlässige Austrittsstelle auf, an der das Strömungsventil angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist hinter dem Strömungsventil, das heißt außerhalb des Formhohlraums, eine zusätzliche Messkammer vorhanden. Diese Messkammer enthält ein definiertes Messvolumen, das mit dem im Formhohlraum vorhandenen Gasvolumen gasdurchlässig verbunden ist, so dass zwischen dem Formhohlraum und der Messkammer ein Druckausgleich stattfindet. Das Volumen der Messkammer sollte dabei relativ klein gewählt werden, um die beim Entlüften des Formhohlraums auftretende Strömung, mit der die Luft aus der Messkammer abgesogen wird, möglichst gering zu halten. Weiter ist erfindungsgemäß ein Drucksensor vorhanden, mit dem der in der Messkammer auftretende Gasdruck gemessen werden kann. Aufgrund der gasdurchlässigen Verbindung der Messkammer mit dem Formhohlraum und dem geschlossenen Messvolumen innerhalb der Messkammer entspricht der in der Messkammer auftretende Gasdruck im Wesentlichen identisch dem im Formhohlraum auftretenden Gasdruck, so dass der in der Messkammer mit dem Drucksensor gemessene Gasdruck den im Formhohlraum tatsächlich auftretenden Gasdruck nahezu identisch charakterisiert. Verfälschung der Gasdruckmessung durch strömungsdynamische Effekte entfallen weitgehend, da die Messkammer geschlossen ist und somit nur eine sehr geringe Gasströmung in der Messkammer beim Entlüften des Formhohlraums auftritt. Durch die unmittelbare Messung des Gasdrucks werden außerdem Messfehler, wie sie bei der mittelbaren Gasdruckmessung auftreten können, ausgeschlossen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Strömungsventil und das Entlüftungsventil derart an der Druckgussform angeordnet sind, dass das Strömungsventil und das Entlüftungsventil durch den Formhohlraum voneinander getrennt sind.
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An welchen Stellen das Strömungsventil und/oder das Entlüftungsventil an der Druckgussform angeordnet sind, ist grundsätzlich beliebig. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Strömungsventil und/oder das Entlüftungsventil in einer Trennebene und/oder an einer Seitenfläche der Druckgussform angeordnet sind.
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Die Bauart des Strömungsventils, das zwischen der Messkammer und dem Formhohlraum ausgebildet ist, ist grundsätzlich beliebig. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass der Formhohlraum gasdurchlässig mit der Messkammer verbunden ist, so dass durch den entsprechenden Druckausgleich zwischen Formhohlraum und Messkammer die in der Messkammer durchgeführte Druckmessung für die im Formhohlraum auftretenden Unterdrücke charakteristisch ist. Außerdem muss der Durchtritt von Metallschmelze in die Messkammer ausgeschlossen werden, da ansonsten durch entsprechende Verschmutzungen und Verstopfungen die Messergebnisse verfälscht werden. Um dies in einfacher Weise zu gewährleisten, kann das Strömungsventil bevorzugt in der Art eines Chill-Vents ausgebildet sein. Solche Chill-Vents umfassen zwei einander gegenüberliegende und zueinander form- und funktionskomplementäre Formhälften, die in ihren zueinander weisenden Flächen jeweils eine Mehrzahl von zueinander im Wesentlichen parallel und zur Strömungsrichtung im Wesentlichen quer verlaufende Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen. Durch den relativ großen Querschnitt des Strömungskanals in den Chill-Vents wird ein hochdynamischer Druckausgleich zwischen Formhohlraum und Messkammer beim Entlüften des Formhohlraums erreicht. Außerdem kann durch die Bauart der Chill-Vents ein Durchtritt der Metallschmelze durch den Strömungskanal zuverlässig ausgeschlossen werden.
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Beim Druckgießen wird nach Schließen der Form zunächst der Formhohlraum abgedichtet und der Formhohlraum anschließend zum Aufbau des gewünschten Unterdrucks entlüftet. Nach der Entlüftung des Formhohlraums wird die Metallschmelze in den Formhohlraum eingefördert, um das Werkstück im Formhohlraum umzuformen. Beim Einströmen der Metallschmelze in den Formhohlraum ist im Formhohlraum noch Restgas vorhanden, das von der Metallschmelze verdrängt wird. Durch diese Verdrängung des im Formhohlraum noch vorhandenen Restgases steigt der Druck im Formhohlraum während des Einströmens der Metallschmelze stark an. Die dabei auftretenden Überdrücke werden durch das Strömungsventil auch in die Messkammer übertragen. Um den in der Messkammer angeordneten Drucksensor vor unzulässig hohen Drücken zu schützen, kann in der Messkammer ein Überdruckventil vorgesehen werden. Dieses Überdruckventil öffnet, sobald der Druck in der Messkammer ein vorbestimmtes Maß überschreitet. Auf diese Weise kann der in der Messkammer auftretende Druck auf ein Maß begrenzt werden, durch das eine Beschädigung des Drucksensors ausgeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung aus Strömungsventil, Messkammer und Drucksensor ist in einer Vakuumdruckgussanlage zur Prozessüberwachung eines Druckgussverfahrens verwendbar. Zum Schutz des Strömungsventils kann wiederum ein Überdruckventil in das Strömungsventil integriert sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisiert dargestellt und wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Druckgussanlage;
- 2 das Strömungsventil der Druckgussanlage gemäß 1 im Querschnitt.
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1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vakuumdruckgussanlage 01. In 1 sind dabei nur die Teile der Vakuumdruckgussanlage 01 dargestellt, die zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Die Vakuumdruckgussanlage 01 umfasst eine Druckgussform 02, deren beide Formhälften 03 und 04 einen Formhohlraum 05 umschließen. Das Strömungsventil (15) und das Entlüftungsventil (14) sind derart an der Druckgussform (02) angeordnet, dass das Strömungsventil (15) und das Entlüftungsventil (14) durch den Formhohlraum (05) voneinander getrennt sind. Zudem ist der 1 zu entnehmen, dass das Strömungsventil (15) und das Entlüftungsventil (14) in einer Trennebene der Druckgussform (02) angeordnet sind.
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Um den Formhohlraum 05 mit Metallschmelze 06, beispielsweise geschmolzenem Aluminium, befüllen zu können, wird ein Kolben 07 mit einer Antriebseinrichtung 08 angetrieben, so dass die Metallschmelze 06 in den Formhohlraum 05 gedrückt wird.
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Vor dem Befüllen des Formhohlraums 05 mit der Metallschmelze 06 wird der Formhohlraum 05 mittels eines Vakuumsystems 09 evakuiert, das heißt mit einem Unterdruck von beispielsweise 0,1 bar beaufschlagt. Dazu ist im Vakuumsystem 09 ein Unterdruckspeichergefäß 10 vorhanden. Mittels einer Unterdruckpumpe 11 kann im Unterdruckspeichergefäß 10 der erforderliche Unterdruck aufgebaut werden. Wird nun das Ventil 12 in der Entlüftungsleitung 13 geöffnet, so wird das nach Schließen der beiden Formhälften 03 und 04 im Formhohlraum eingeschlossene Luftvolumen durch ein Entlüftungsventil 14 aus dem Formhohlraum 05 abgesaugt, und im Ergebnis der Formhohlraum 05 mit dem in dem Unterdruckspeichergefäß 10 vorhandenen Unterdruck beaufschlagt.
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Um den vor dem Einströmen der Metallschmelze 06 in den Formhohlraum 05 vorhandenen Unterdruck als maßgebliche Prozessgröße überwachen zu können, ist an der Druckgussform 02 ein Strömungsventil 15 mit einer Messkammer 16 und einem Drucksensor 17 vorhanden. Die Funktionsweise des Strömungsventils 15 mit der Messkammer 16 und dem Drucksensor 17 soll nachfolgend anhand der Darstellung in 2 näher erläutert werden.
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2 zeigt das Strömungsventil 15 mit der Messkammer 16 und dem Drucksensor 17 im vergrößerten Querschnitt. Das Strömungsventil 15 ist in der Art eines Chill-Vents ausgebildet, wobei die beiden Formhälften 18 und 19 des Chill-Vents jeweils an den Formhälften 03 und 04 der Druckgussform 02 befestigt sind und auf diese Weise gemeinsam mit dem Formhälften 03 und 04 geöffnet werden können. Im Strömungsventil 15 ist ein Strömungskanal 20 gebildet, der die Messkammer 16 mit dem Formhohlraum 05 gasdurchlässig verbindet. Durch den speziellen Aufbau des Strömungsventils 15 ist außerdem gewährleistet, dass die Metallschmelze nicht durch den Strömungskanal 20 bis zur Messkammer 16 durchtreten kann.
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Wird nun der Formhohlraum 05 durch das Vakuumsystem 09 mit Unterdruck beaufschlagt, so wird durch den Strömungskanal 20 die in der Messkammer 16 vorhandene Luft ausgefördert. Durch das geringe Volumen der Messkammer 16 und dem Strömungskanal 20 erfolgt ein hochdynamischer Druckausgleich zwischen der Messkammer 16 und dem Formhohlraum 05. Wird nun mit dem Drucksensor 17 der in der Messkammer 16 auftretende Unterdruck gemessen, so charakterisiert dieser Messwert weitgehend identisch den im Formhohlraum 05 vorhandenen Unterdruck. Am oberen Ende der Messkammer 16 ist ein Überdruckventil 21 vorgesehen. Dieses Überdruckventil 21 öffnet, sobald in der Messkammer 16 ein bestimmter Überdruck überschritten wird. Dadurch wird gewährleistet, dass der beim Einspritzen der Metallschmelze 06 in den Formhohlraum 05 auftretende Überdruck den Drucksensor 17 nicht beschädigt.
