DE10296848T5

DE10296848T5 - Vorrichtung zum Formen von Metallen

Info

Publication number: DE10296848T5
Application number: DE10296848T
Authority: DE
Inventors: Ronald Guntersville Akers; Ralph E. Brooklyn Vining; Matthew D. Ypsilanti Walukas; Raymond F. Ann Arbor Decker; Chris Troy Pedder
Original assignee: Thixomat Inc
Current assignee: Thixomat Inc
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2004-04-22
Also published as: LU91048B1; CN1304145C; US20020170696A1; US7028746B2; TW539584B; JP2004525774A; CN1518485A; WO2002094478A1; CA2447237A1; US20040084171A1; DE10296848T9; HK1064632A1

Abstract

Vorrichtung zum Formen eines Metallmaterials, aufweisend:
Einen Zylinder mit Abschnitten, die einen Durchlass durch den Zylinder festlegen, wobei der Zylinder außerdem Abschnitte umfasst, die einen Einlass in diesem Durchlass festlegen;
ein in dem Durchlass angeordnetes Element; und mehrere Heizer, die entlang einer Länge des Zylinders angeordnet sind, wobei ein erster der Heizer als erster von mehreren Heizern stromabwärts vom Einlass angeordnet ist, wobei der erste der mehreren Heizer ein Induktionsspulenniederfrequenzheizer ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Metallform- und Gussmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Metallformmaschine, die für schnellere Aufheizzeiten, schnellere Zykluszeiten und verringerte Wärmespannungen in der Maschine ausgelegt ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Formen von Metallen in herzustellenden Gegenständen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art, die so ausgelegt ist, dass der Wärmewirkungsgrad und der Durchsatz erhöht sind, während Wärmegradienten die resultierende Spannungen verringert sind.
Metallzusammensetzung mit dentritischen Strukturen bei Umgebungstemperatur sind herkömmlicherweise geschmolzen und daraufhin Druckgussprozeduren unterworfen worden. Diese herkömmlichen Druckgussprozeduren sind insofern beschränkt, als sie an Porosität, Schmelzverlust, Kontamination, übermäßigem Abfall, hohem Energieverbrauch, langen Einschaltdauern, begrenzter Formlebensdauer und beschränkten Formkonfigurationen leiden. Außerdem fördert die herkömmliche Prozessführung die Bildung einer Vielzahl von mikrostrukturellen Defekten, wie etwa Porosität, die daraufhin eine sekundäre Verarbeitung der Gegenstände erfordern und außerdem Verwendung konservativer Ausführungsformen in Bezug auf mechanische Eigenschaften beschränkt sind.
Es sind Prozesse bzw. Verfahren bekannt, diese Metallzusammensetzungen derart zu bilden, dass ihre Mikrostrukturen im halbfesten Zustand aus verrundeten oder kugelförmigen degenerierten dentritischen Partikeln bestehen, die von einer kontinuierlichen flüssigen Phase umgeben sind. Dies steht im Gegensatz zu der klassischen Gleichgewichtsmikrostruktur von Dentriten, die von einer kontinuierlichen flüssigen Phase umgeben sind. Diese neuen Strukturen zeigen Nicht-Newton-Viskosität, eine inverse Beziehung zwischen Viskosität und Scherrate und die Materialien selbst sind als thixotrope Materialien bekannt.
Während verschiedene spezifische Techniken zum Bilden von thixotropen Materialien existieren, liefert eine Technik, eine Spritzformtechnik, die Legierung in einem Zustand "wie gegossen". Mit dieser Technik wird das Chargenmaterial in eine hin- und herlaufende Schneckeneinspritzeinheit zugeführt, in der es extern erhitzt und mechanisch geschert wird durch Einwirkung einer sich drehenden Schnecke. Wenn das Material durch die Schnecke verarbeitet wird, wird es in dem Zylinder vorgeschoben. Die Kombination aus partiellem Schmelzen und gleichzeitigem Scheren erzeugt eine Legierungsaufschlämmung, die diskrete degenerierte dentritische kugelförmige Partikel enthält, mit anderen Worten einen halbfesten Materialzustand, und sie zeigt thixotrope Eigenschaften. Die thixotrope Aufschlämmung wird durch eine Schnecke in eine Akkumulationszone in dem Zylinder gefördert, die zwischen der Extruderdüse und der Schneckenspitze zu liegen kommt. Wenn die Aufschlämmung in diese Akkumulationszone gefördert wird, wird die Schnecke gleichzeitig in einer Richtung weg von der Düse der Einheit gezogen, um die Aufschlämmungsmenge entsprechend einem Schuss zu steuern und den Druckaufbau zwischen der Düse und der Schneckenspitze zu begrenzen. Die Aufschlämmung wird daran gehindert, aus der Düsenspitze auszulecken bzw. zu sickern durch gesteuerte Verfestigung eines festen Metallstopfens in der Düse oder durch andere Abdichtmechanismen. Sobald sich eine geeignete Aufschlämmungsmenge zur Erzeugung des Gegenstands in der Akkumulationszone angesammelt hat, wird die Schnecke rasch vorgetrieben (unter Entwicklung eines ausreichenden Drucks, um den festen Metallstopfen, falls erforderlich, aus der Düse und in einen Sammelbehälter zu drängen), wodurch die Aufschlämmung in den Hohlraum so gespritzt werden kann, dass der gewünschte feste Gegenstand gebildet wird. Eine Abdichtung der Düse stellt einen Schutz bereit gegenüber einer Oxidation der Aufschlämmung bzw. einer Oxidbildung auf der Innenwandung der Düse, die anderweitig in den fertiggestellten geformten Teil übertragen werden würde. Diese Abdichtung führt außerdem zu einer Abdichtung des Formhohlraums auf der Einspitzseite, wodurch die Verwendung von Unterdruck erleichtert ist, um den Hohlraum leer zu machen, wobei außerdem die Komplexität und Qualität der derart geformten Teile verbessert sind.
In der vorstehend genannten Technik findet üblicherweise die gesamte Erhitzung des Materials in dem Zylinder der Maschine statt. Material wird an einem Abschnitt des Zylinders während einer "kalten" Temperatur zugeführt und daraufhin durch eine Reihe von Heizzonen vorgeschoben, in denen die Temperatur des Materials rasch und zumindest anfänglich progressiv steigt. Die Heizelemente selbst sind typischerweise Widerstands- oder Keramikbandheizer. Hierdurch existiert ein Wärmegradient sowohl durch die Dicke des Zylinders als auch entlang der Länge des Zylinders. Wie nachfolgend näher erläutert, ist der Wärmegradient durch die Zylinderdicke unerwünscht.
Typische Zylinderkonstruktionen einer Formmaschine für thixotrope Materialien sehen eine Form der Zylinder in Gestalt monolithischer Zylinder mit einer Länge bis hin zu 110 Inch und einer Dicke (Außendurchmesser bis hin zu 11 Inch bei 3 bis 4 Inch dicken Wänden) vor. Wenn die Größe und die Durchsatzkapazitäten dieser Maschinen vergrößert werden, werden die Längen und Dicken der Zylinder entsprechend größer. Dies hat zu erhöhten Wärmegradienten entlang der gesamten Länge der Zylinder geführt sowie zu vorab nicht vorhersehbaren und unerwarteten Konsequenzen. Außerdem besteht an Primärmaterial zur Erstellung dieser Zylinder bislang ein Mangel; bei diesem Material handelt es sich um Knetlegierung 718 (mit einer beschränkenden Zusammensetzung aus Nickel (plus Kobalt), 50,00 bis 55,00%; Chrom, 17,00 bis 21,00, Rest:Eisen; Kolumbium (plus Tantal) 4,75 bis 5,05%; Molybdän, 2,80 bis 3,30%; Titan, 0,65 bis 1,15%; Aluminium, 0,20 bis 0,80%; Kobalt, 1,00 maximal; Kohlenstoff, 0,08 maximal; Mangan, 0,35 maximal; Silizium, 0,35 maximal; Phosphor, 0,015 maximal; Schwefel, 0,015 maximal; Bor, 0,006 maximal; Kupfer, 0,030 maximal).
Da der Nickelgehalt der Legierung 718 einer Korrosion durch geschmolzenes Magnesium unterliegt, bei dem es sich aktuell um das am weitest verbreitet verwendete thixotrope Material handelt, umfassen Zylinderkonstruktionen in jüngster Zeit eine Buchse oder Auskleidung aus einem Magnesium-beständigen Material, um zu verhindern, dass Magnesium die Legierung 718 angreift. Mehrere dieser Materialien sind Stellite 12 (nominal 30 Ca, 8,3 W und 1,4 C; Stoody-Doloro-Stelitecorp), PM 0,8 D-Legierung (normalerweise 0,8 C, 27,8 1Cr, 4,11 W, Rest Co mit 0,66 N) und Nb-basierte Legierungen (wie etwa Nb-30Ti- 20 W). Offensichtlich müssen die Expansionskoeffizienten des Zylinderendes und der Auskleidung für eine geeignete Funktion der Maschine zueinander kompatibel sein.
Einer Übersicht über ausgefallene Zylinder ist Information zu entnehmen, demnach Zylinder häufig als Ergebnis der Wärmespannung ausfallen, und insbesondere als Ergebnis des Wärmeschocks in dem kalten Abschnitt bzw. am Ende der Zylinder. Der kalte Abschnitt bzw. das Ende des Zylinders ist in der vorliegenden Terminologie derjenige Abschnitt bzw. dasjenige Ende, wo das Material in den Zylinder zunächst zugeführt wird. In diesem Abschnitt liegen die intensivsten Wärmegradienten vor, insbesondere im Zwischentemperaturbereich des kalten Abschnitts, der stromabwärts von dem Zufuhrschacht angeordnet ist.
Während des Einsatzes einer Formmaschine für thixtropes Material, die vorstehend erläutert ist, wird das Feststoffausgangsmaterial, das in Pelett- und Chipformen vorliegt, in dem Zylinder bei Umgebungstemperatur von ungefähr 75°F zugeführt. Da sie lang und dick sind, sind die Zylinder dieser Maschinen naturgemäß wärmemäßig ineffizient zum Heizen eines Materials, das in sie zugeführt wird. Durch die Einspeisung von "kaltem" Ausgangsmaterial wird der Nachbarbereich des Zylinders signifikant auf seiner Innenseite abgekühlt. Die Außenseite dieses Bereichs wird jedoch nicht wesentlich beeinflusst oder abgekühlt durch das Ausgangsmaterial auf Grund der Positionierung der Heizer direkt um diesen herum. Ein signifikanter Wärmegradient, gemessen über die Zylinderdicke, wird hierdurch in diesem Bereich des Zylinders induziert. Ein größerer Wärmegradient wird außerdem entlang der Zylinderlänge induziert. In diesem Zwischentemperaturbereich des Zylinders, in dem herausgefunden wurde, dass sich dort die höchsten Wärmegradien ten entwickeln, wird der Zylinder stärker geheizt, da der Zyklus der Heizer weniger häufig "ausschaltet".
Das Vorheizen des Zylinders vor dem Produktionsvorgang dauert ebenfalls lange bis hin zu drei (3) Stunden. Beispielsweise erhält ein Zylinder mit einer Stellite-Auskleidung in einer 1,85 Inch dicken Schale aus einer Legierung 718, die dickengeschrumpft ist, nach normalem Vorheizen mit Keramikbandheizern für 20 Minuten eine Außentemperatur von ungefähr 700°F (1200°F sind für den Betrieb erforderlich und für das Formen einer AZ91D-Magnesiumlegierung). Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Wärmegradient über die Zylinderdicke etwa 400°F. Der Zylinder kann nicht intensiver geheizt werden, und damit nicht schneller, auf Grund der Erzeugung größerer Wärmegradienten und Spannungen, die zu einem Reißen des Zylinders führen können. Volles Vorheizen erfordert deshalb etwa drei (3) Stunden.
Bisherige Metallverarbeitungsmaschinen haben Heizer vom Widerstandstyp verwendet. Diese Heiztechnik erzeugt die Wärmeenergie innerhalb des Widerstandsheizers selbst, und diese muss daraufhin von dem Widerstandsheizer auf den Zylinder sowie weitere Bestandteile der Maschine übertragen werden. Dies bedeutet, dass der Energiefluss von dem Widerstandsheizer zu dem (jeweiligen) Teil maximiert wird durch eine geeignete große Temperaturdifferenz. Um diese Wärmeübertragung zu beschleunigen, müssen höhere Temperaturdifferenzen erzielt werden, um die Wärmegrenzfläche zwischen dem Widerstandsheizer (Kontaktintegrität) und dem Zylinder, dem Außendurchmesser durch die Zylinderradialdicke, daraufhin in das Ausgangsmaterial, und schließlich in die Schnecke hinein zu überwinden. Das Energieniveau, das auf der Außenseite des Zylinders erzeugt wird, muss deshalb hoch genug sein, um den Energiefluss ausreichend zu beschleunigen, um ein gleichmäßiges Heizen des Zylinders zu erhalten, wodurch der Prozess verzögert ist und eine Wärmeermüdung des Zylinders hervorgerufen wird. Durch den Wärmezyklus, dem diese Widerstandsheizers unterliegen, unterliegen diese Widerstandsheizer außerdem stark einer Wärmeermüdung und müssen häufig ersetzt werden. Ein weiteres wesentliches Problem besteht darin, dass die Widerstandsheizer Wärmeenergie nicht direkt in die Schnecke koppeln können. Diese Anordnung ist deshalb mit merklichen Wärmekriterien behaftet, die die Produktivität beeinflussen sowie die Reaktion auf die Wärmedynamik der Handhabung von ankommendem kaltem Ausgangmaterial.
Innerhalb des Zylinders dreht sich eine Schnecke, schert das Ausgangsmaterial und bewegt es in Längsrichtung durch die verschiedenen Heizzonen des Zylinders. Dies führt dazu, dass die Temperatur des Ausgangsmaterials steigt und sich auf einem gewünschten Niveau ausgleicht, wenn es das heiße Ende bzw. Schussende des Zylinders erreicht. Am heißen Ende des Zylinders weist das verarbeitete Material Temperaturen üblicherweise im Bereich von 1050° bis 1100°F auf. Die maximale Temperatur, der der Zylinder unterworfen ist, beträgt nahezu 1300°F (für die Verarbeitung von Magnesium). Wenn das Ausgangsmaterial erhitzt und durch den Zylinder bewegt wird, wird das Material in einen halbfesten Zustand umgesetzt, in dem es seine thixotropen Eigenschaften entwickelt.
Sobald sich eine ausreichende Materialmenge in dem heißen Abschnitt des Zylinders angesammelt hat und das Material thixotrope Eigenschaften zeigt, wird das Material in einen Formhohlraum eingespritzt, der eine Form in Übereinstimmung mit der Form des gewünschten herzustellenden Artikels hat. Zusätzliches Ausgangsmaterial wird daraufhin in den kalten Ab schnitt des Zylinders zugeführt, wodurch die Temperatur der Zylinderinnenseite beim Austragen des Materials aus dem Zylinder sinkt.
Die vorstehend angeführte Diskussion zeigt, dass die Innenseite des Zylinders, insbesondere im Zwischentemperaturbereich des Zylinders einem Temperaturkreislauf während des Betriebs der Metallspritzformmaschine unterliegt. Dieser Wärmegradient zwischen den Innen- und Außenseiten des Zylinders hängt von der Zylinderkonstruktion ab, hat sich jedoch während des Produktionsbetriebs als 227°F groß ergeben.
Auf Grund des signifikanten Wärmegradientkreislaufs in dem Zylinder erleidet der Zylinder Wärmeermüdung und Schock. Es hat sich gezeigt, dass dies in dem Zylinder und in der Zylinderauskleidung innerhalb einer kurzen Zeit von 30 Stunden zu Rissbildung führt. Sobald die Zylinderauskleidung gerissen ist, kann Magnesium in die Verkleidung eindringen und den Zylinder angreifen. Sowohl die Rissbildung des Zylinders wie das Angreifen des Zylinders durch Magnesium trägt zu einem vorzeitigen Ausfallen des Zylinders bei. Formmaschinen können außerdem insgesamt in flüssigem Zustand betrieben werden, um Teile guter Qualität zu spritzen, jedoch mit demselben Bedarf an schnelleren Zyklen und geringeren Wärmespannungen am Zylinder, wie vorstehend erläutert. Diese Maschinen können gemäß einer Variante einen Tauchkolben anstelle einer Schnecke für den Spritzhub verwenden.
Aus Vorstehendem geht hervor, dass ein Bedarf an einer verbesserten Konstruktion besteht, insbesondere an einer solchen, die die Vorheizzeiten, die Betriebszykluszeiten und die Wärmegradienten über die gesamte Zylinderdicke verkürzt bzw. verkleinert.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, diesen Bedarf zu erfüllen, indem eine verbesserte Konstruktion geschaffen wird, die die Wärmeübertragung auf das Material und den Durchsatz des verarbeiteten Materials optimiert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Konstruktion zu schaffen, die die Vorheizzeit verkürzt.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Konstruktion zu schaffen, die die Wärmeermüdung und den Schock in dem Zylinder durch Verkleinern des Wärmegradienten verringert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gelöst werden die vorstehend genannten sowie weitere Aufgaben gemäß der vorliegenden Erfindung durch Bereitstellen einer neuartigen Konstruktion, demnach geeignete Frequenzinduktionsheizer entlang zumindest einem Teil der Länge des Zylinders strategisch positioniert sind. Die Maschine erfährt hierdurch eine Verkleinerung des Wärmegradienten über die Dicke des Zylinders und eine Verkleinerung der Zykluszeit für jeden aufeinander folgenden Schuss. Die Wicklungen der geeigneten Frequenzinduktionsheizer erzeugen ein elektromagnetisches Flussfeld optimaler Energiedichte zum Induzieren eines elektrischen Stroms, der in dem Zylinder, der Auskleidung, dem verarbeiteten Material und der Schnecke fließt. Dieser induzierte elektrische Strom heizt den Zylinder, die Auskleidung, das verarbeitete Material und die Schnecke direkt durch IZR-(Joule-)Wärmeerzeugung. Durch Spezifizieren der Position, der Energiedichte und Frequenz dieser Induktionsheizer ist es möglich, den Temperaturgradienten über die verschiedenen Abschnitte des Zylinders zu verkleinern, während außerdem die Schnecke und das Ausgangsmaterial direkt geheizt werden. Der Temperaturgradient über die Zylinderdicke kann 0°F klein sein nach dem Vorheizen vor Zuführen des Ausgangsmaterials oder während der Haltezeit zwischen aufeinander folgenden Schüssen. Im Gegensatz hierzu vermögen Widerstandsheizer ausschließlich die Außenseite der Zylinderfläche zu heizen, woraufhin die Wärme auf das zu verarbeitende Material geleitet werden muss. Die übertragene Energie wird einfach durch die Wanddicke und die Oberflächentemperatur ermittelt. Durch Induktion wird die Wärme innerhalb des Zylinders und der Schnecke erzeugt und die Wärmespannungen werden dadurch deutlich verringert.
Elektromagnetisches Induktionsheizen erzeugt ein Flusswechselfeld, das einen elektrischen Strom induziert, der in die betriebsmäßigen Bestandteile der Maschine (Zylinder, Schnecke und sogar Ausgangsmaterial) fließt. Dieser Strom erzeugt interne Wärme in diesen Bestandteilen auf Grundlage des induzierten Strompegels (der Energiedichte) und des inhärenten elektrischen Widerstands des speziellen Bestandteils. Das Wärmeprofil kann auf Grundlage der Energiedichte und der Frequenz eingestellt werden und es kann programmiert werden, um den optimalen Wärmegradienten bereit zu stellen, um Produktivität und Prozessqualität zu verbessern.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind die Induktionswicklungen (bzw. -spulen) bzw. Heizer geeignet entlang der Länge des Zylinders beabstandet, um den erwünschten Temperaturgradienten entlang der Länge des Zylinders für optimales Schmelzen zu erzeugen. Die vorliegende Maschine wurde so ausgelegt, dass sie eine höhere Energiedichte in der Nähe des kalten Endes der Maschine (dem Ausgangsmaterialeinlass der Maschine) aufweist, um das Material direkt zu erhitzen und so rasch wie möglich auf eine Temperatur zu bringen. Mit anderen Worten kann das Material geheizt werden, ohne dass eine Wärmeübertragungsleitung ausgehend vom Heizer und durch einen weiteren Körper bzw. das Material erforderlich wäre. Der Wärmeeintrag wird daraufhin entlang der Zylinderlänge profiliert bzw. mit einem Profil versehen, um die geeignete Energieverteilung bereit zu stellen, um Energie dem Material kontinuierlich zuzuführen, während es zugeführt und durch den Zylinder bewegt wird. In dieser Weise kann verhindert werden, dass flüssiges Metall zu dem Zufuhrschacht rückgeführt wird, durch den das Ausgangsmaterial in den Zylinder zugeführt wird. Durch Beschränken bzw. Begrenzen von flüssigem Material im Zufuhrschacht verhindert die vorliegende Erfindung das Einfrieren bzw. Erstarren dieses flüssigen Metalls und damit ein Verstopfen des Zufuhrschachts beim Zuführen des Ausgangsmaterials in den Zylinder. Die Schnecke und das Ausgangsmaterial selbst können außerdem bevorzugt erhitzt werden, um sämtliche festen Metallstopfen, sobald sich diese bilden, zu schmelzen.
Die vorliegende Erfindung erfordert die Verwendung geeigneter Niederfrequenzinduktionsheizer. Im vorliegenden Fall und auf Grundlage existierender Bestandteilgeometrien (Zylinder, Schnecke, Ausgangsmaterial) bedeutet der Begriff Niederfrequenzinduktionsheizer Induktionsheizer, die mit einer geringeren Frequenz als 1000 Hz arbeiten. Ein bevorzugter Frequenzbereich ist größer als 0 bis 400 Hz. Gemäß einer Konstruktion beträgt die bevorzugte Frequenz etwa 60 Hz. Die präzise Frequenz hängt von speziellen Bestandteilkriterien und Materialeigenschaften der Maschine ab, in Rahmen von denen sie verwendet wird.
Ein Vergleichsbeispiel betrifft eine 245-Tonnen-Metallspritzformmaschine, hergestellt durch Japan Steel Works, mit herkömmlichen Keramikbandheizern auf einem Zylinder mit einer Stellite-Auskleidung einer Dicke von 0,5 mm und passgeschrumpft in einer 1,85 dicken Schale aus Legierung 718 zur Verarbeitung einer Magnesiumlegierung AZ91D, wobei diese Verarbeitung 32 bis 47 Sekunden erfordert, um einen Standardformling unter einem Zug von 4 Bar zu formen, der dann 26 Gramm wiegt.
Eine Maschine in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die mit geeigneten Heizwicklungen in Zonen 1 und 2 der Zylinderlänge versehen war, ermöglichte die Produktion des Formlings unter 4 Bar Zug mit einer Zykluszeit von 16 bis 20 Sekunden (eine Verringerung der erforderlichen Zeit von 56%). Diese Produktionszyklus wurde ohne Ausfall für mehrere Stunden aufrecht erhalten. Die Maschine lief ruhiger und das Zurückziehen der Schnecke verlief gleichmäßiger und rascher und erforderte lediglich 5 Sekunden (im Vergleich zu 11 Sekunden für die 245-Tonnen-JSW-Maschine mit Keramikheizern). Außerdem und wie aus den anliegenden Tabellen hervorgeht, wurde durch die vorliegende Erfindung die Mikrostruktur des 4-Bar-Zug-Formlings raffiniert bzw. verfeinert, wodurch er stärker thixotrop war und stärker flüssig, weshalb die Form besser gefüllt werden konnte. Eine α-Festphase wurde durch die heftige und schnelle Aktion raffiniert, die durch den Einfluss des Niederfrequenzheizens und die resultierende heiße Schnecke aufgebracht wurde. Wie aus der Tabelle hervorgeht, besteht bezüglich des Querschnitts, des Perimeters, der Breite und Höhe der α-Festphase eine Verringerung. Die Grö ßenverringerung und die Verbesserung der Rundheit verbesserte die vorstehend genannte Fluidität, weil die Fluidität umgekehrt proportional zu Durchmesser mal Querschnittsfläche ist.
Wie vorstehend angesprochen, wurden die Heizer entlang der anfänglichen Länge des Zylinders positioniert. Zwei Stromquellen wurden für die Induktoren verwendet und beide wurden mit 60 Hz und 160 kVA betrieben.
Unter Nutzung der vorliegenden Erfindung verwendet eine bevorzugte Konstruktion des Zylinders (in der Auskleidung) nichtmagnetische Materialien. Die Verwendung nichtmagnetischer Materialien erlaubt ein tieferes Eindringen durch die Induktionsheizer. Außerdem wurde herausgefunden, dass die Position der Schnecke während der Vorheizstufe kritisch ist. Bevorzugt wird die Schnecke während des Erhitzens bzw. Aufheizens rückgezogen vor Zuführen des Ausgangsmaterials für den Betrieb, um ein Überhitzen des ersten Ausgangsmaterials im Zufuhrschacht zu unterbinden. Die Schnecke kann in Vorwärtsrichtung bewegt werden, um ein Schmelzen sämtlicher Stopfen zu ermöglichen, die während des Betriebs auftreten können. Dieses Konzept verringert deutlich und beseitigt möglicherweise Wärmeermüdungsprobleme sowohl bezüglich des Zylinders wie der übrigen betriebsmäßigen Bestandteile. Die Induktorwicklungskonstruktion und die elektromagnetischen Kopplungstechniken sowie die axiale Position vermögen die gewünschten Wärmeprofile zu programmieren, um die Prozessqualität ebenso zu optimieren wie die Produktivitätsziele. Die vorliegende Erfindung vermag deshalb eine genauere Prozessstellung bereit zu stellen sowie eine kürzere Reaktionszeit, weil die Wärmeenergie direkt innerhalb der mechanischen Hardware selbst erzeugt wird.
Weiterer Nutzen, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik aus einem Studium der nachfolgenden Beschreibung und der Ansprüche im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch eine Spritzgussmaschine für halbfestes Metall in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
2A zeigt eine Temperaturprofiltabelle und einen Kurvenverlauf für die anfänglichen zwei Zonen eines Zylinders und einer Schnecke (Formlegierung liegt nicht vor), geheizt in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
2B zeigt die Daten, die aus 2A hervorgehen, als Ausdruck.
3, 4 und 5 zeigen Wärmekonturmodelle für die anfänglichen zwei Zonen eines zweiteiligen Zylinders in Übereinstimmung mit dem US-Patent 6059012 (auf das vorliegend Bezug genommen wird) (für Legierung 718), und einer Schnecke (aus Stahl 2888) während des Vorheizens, bei vollständigem Vorheizen und während der Produktion.
6 zeigt ein Wärmekonturmodell für die anfänglichen zwei Zonen eines zweiteiligen Zylinders (aus Stahl 2888) in Überstimmung mit dem US-Patent 6059012) (auf das vorliegend Bezug genommen wird), geheizt in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt in Diagrammform und zum Vergleich die Vorteile des Niederfrequenzinduktionsheizens im Vergleich zu Keramikbandheizern mit Zylinder- und Auskleidungsspannung bzw. -belastung während des Vorheizens.
8 zeigt in Diagrammform einen Vergleich die Vorteile des Niederfrequenzinduktionsheizens für die Partikelgröße.
9 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt zwei Induktionsspulen- bzw. -wicklungsheizer, die an einem Zylinder benachbart zu dem Zylindereinlass angebracht sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In den Zeichnungen ist in 1 eine Maschine bzw. Vorrichtung zum Verarbeiten von Metallmaterial in einem thixotropen Zustand bzw. geschmolzenem Zustand zum Formen des Materials in geformte bzw. gussgeformte bzw. geschmiedete Gegenstände in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt und mit 10 bezeichnet. Im Gegensatz zu typischen Gussform- bzw. Schmiedemaschinen ist die vorliegende Erfindung dazu ausgelegt, ein Ausgangsmaterial in festem Zustand aus einem Metall oder einer Metalllegierung (nachfolgend der Einfachheit halber als "Legierung" bezeichnet) zu verwenden. Dies macht die Verwendung von einem Schmelzofen in den Gussprozessen überflüssig zusammen mit den damit verbunden umweltmäßigen und Sicherheitsbeschränkungen. Die vorliegende Erfindung akzeptiert beispielsweise Ausgangsmaterial in Chip- oder Pelettform. Diese Ausgangsmaterialformen sind bevorzugt; andere Formen können jedoch verwendet werden. Die Vorrichtung 10 transformiert das feste Ausgangsmaterial in eine halbfeste bzw. thixotrope Aufschlämmung der Flüssigkeit, die daraufhin in einen herzustellenden Gegenstand geformt wird, und zwar entweder durch Spritzformen oder Gussformen.
Die Vorrichtung 10, die in 1 allgemein gezeigt ist, umfasst einen Zylinder 12, der mit einer Form 17; 19 verbunden ist. Wie nachfolgend näher erläutert, umfasst der Zylinder 12 eine Auskleidung 13, einen kalten Abschnitt bzw. Einlassabschnitt 14 und einen heißen Abschnitt bzw. Schussabschnitt 15 und eine Auslassdüse 30. Ein Einlass 18 ist im kalten Abschnitt 14 angeordnet und ein Auslass 20 ist im heißen Abschnitt 15 angeordnet. Der Einlass 18 dient dazu, das Legierungsausgangsmaterial (in Phantomform gezeigt) in fester partikelförmiger Pelett- oder Chipform von einem Zuführtrichter 22 aufzunehmen. Bevorzugt wird das Ausgangsmaterial in Chipform bereit gestellt und seine Größe liegt im Bereich von 5 bis 18 Mesh.
In der dargestellten Ausführungsform nimmt der Einlassabschnitt 14 ungefähr eine Hälfte der Gesamtlänge des Zylinders 12 ein und ist als getrennter Abschnitt gebildet. Es wird bemerkt, dass die Einlass- und Schussabschnitte 14 und 15 unitär bzw. einheitlich bzw. integral gebildet sein können, und dass der Einlassabschnitt 14 mehr oder weniger als eine Hälfte der gesamten Zylinderlänge einnehmen kann. Hierbei handelt es sich um Konstruktionskriterien, die von den speziellen Gegebenheiten einzelner Maschinen abhängen.
Eine Gruppe von Legierungen, die sich zur Verwendung in der Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eignet, umfasst Magnesiumlegierungen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht als hierauf beschränkt anzusehen. Vielmehr wird davon ausgegangen, dass ein beliebiges Metall bzw. eine beliebige Metalllegierung, das bzw. die in einem thixotropen Zustand verarbeitet werden kann, mit der vorliegenden Erfindung nutzbar ist, insbesondere Al-, Zn-, Ti- und Cu-basierte Legierungen.
Am Boden bzw. der Unterseite des Zuführtrichters 22 wird das Ausgangsmaterial ausgetragen, und zwar entweder durch Schwerkraft oder ein anderes Mittel, und zwar über einen Auslass 32 in einen volumetrischen Zuführer 38 oder einem anderen Zuführer. Innerhalb des Zuführers 38 ist eine Zuführschnecke (nicht gezeigt) angeordnet und wird drehmäßig angetrieben durch einen geeigneten Antriebsmechanismus 40, wie etwa einen Elektromotor. Die Drehung der Schnecke innerhalb des Zuführers 38 rückt das Ausgangsmaterial mit einer vorbestimmten Rate zur Förderung in den Zylinder 12 durch eine Überführungsleitung bzw. einen Zuführschacht 42 und dem Einlass 18 vor.
Sobald das Ausgangsmaterial in dem Zylinder 12 aufgenommen ist, heizen Induktionsspulen bzw. -wicklungen 32 das Ausgangsmaterial in den Anfangszonen, den Zonen 1 und 2 des Zylinders 12 auf eine vorbestimmte Temperatur (auf Grundlage des zu verarbeitenden Materials), so dass das Material in seinen Zweiphasenbereich überführt wird. Beispielsweise liegt die Temperatur in der Zone 1 für AZ91D typischerweise im Bereich von 900 bis 1000°F und in der Zone 2 typischerweise im Bereich von 1080 bis 1130°F. Für AM60 liegt die Temperatur in der Zone 1 im Bereich von 950 bis 1050°F und in der Zone 2 im Bereich von 1100 bis 1160°F. In diesem Zweiphasenbereich, wobei die Temperatur des Ausgangsmaterials im Zylinder 12 zwischen den Solidus- und Liquidus -Temperaturen der Legierung liegt, schmilzt das Ausgangsmaterial teilweise und befindet sich in einem Gleichgewichtszustand, der sowohl feste wie flüssige Phasen aufweist. Alternativ und abhängig von den gewünschten Eigenschaften des herzustellenden Gegenstands kann das Material insgesamt in einen flüssigen Zustand erhitzt werden.
Die Temperatursteuerung wird mit den Induktionsspulen 23 bereit gestellt, um diesen beabsichtigten Zweck zu erzielen. Die Induktionsspulen 23 sind in 1 repräsentativ gezeigt und bestehen aus Niederfrequenzinduktionsheizern, die aktuell mit 60 Hz arbeiten. Die Induktionsspulen 23 sind entlang den zwei Anfangszonen des Zylinders 12 in speziellen Positionen und mit speziellen Abständen angeordnet, um das gewünschte Heizprofil des Zylinders, des Ausgangsmaterials und der Schnecke zu erzielen.
Wie vorstehend angesprochen, erzeugen die Induktionsspulen 23 ein Flusswechselfeld, das einen Strom in dem Werkstück erzeugt, der gleich und entgegengesetzt zum Induktionsstrom ist. Der Strom in dem Werkstück erzeugt joul'sches Heizen (I²R) , und die Tiefe des Heizens wird durch die Eigenschaften des Werkstücks in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung beherrscht: delta = 1,983 (Rho/Mu/Frequenz1/2)
Delta ist definiert als die Tiefe (in Inch), auf der der Strom auf 1/i des Stroms auf der Oberfläche abgenommen hat, und deshalb beträgt die volumetrische Energieerzeugung 1/e² des Oberflächenwerts. Außerdem handelt es sich bei delta um die Tiefe, auf der das Produkt aus I² des vollständig integrierten Stroms, erzeugt im Werkstück, mit R, dem Widerstand des Werkstücks, gleich der gesamten integrierten Energieer zeugung ist. "[R]ho" ist der spezifische Materialwiderstand in Mikro-Ohm-Zentimeter. "[M]u" ist die relative Permeabilität des Materials (nichtmagnetische Materialien haben ein Mu von 1). Schließlich ist die Frequenz in Hertz angegeben.
Durch geeignete Wahl der Materialien können die physikalischen Größen und die Frequenz der Anlage so ausgelegt werden, dass der Temperaturgradient durch die Wand minimiert ist und damit die thermischen Spannungen minimiert sind. Die erzeugte Wärme kann außerdem in dem intern angeordneten Element bzw. der Schnecke optimiert werden. Beispielsweise kann die Außenwand des Zylinders dünner aus einem Material mit höherem elektrischen Widerstand hergestellt werden und nichtmagnetisch, damit sich das Magnetfeld durch die interne Schnecke hindurch ausbreiten kann, die aus einem Material mit magnetischen Eigenschaften hergestellt sein kann. Der Zylinder kann aus mehr als einem Material erstellt sein, um die mechanische Festigkeit bereit zu stellen, die erwünscht ist, zusätzlich zum Steuern der Wandtemperaturverteilung, der Energieverteilung zwischen der Wand und der Schnecke oder andere Ergebnisse, wie dies erwünscht sein kann für spezielle Materialien und eine spezielle Maschinenkonstruktion. Tatsächlich kann die Spule bzw. Wicklung in der Zylinderwand eingeschlossen sein, um jegliche Temperaturdifferenz gegenüber dem Innendurchmesser gegebenenfalls zu verringern. Obwohl die anfängliche Anlage bzw. die Probeanlage für 60 Hz optimiert war, können unterschiedliche Frequenzen angewendet werden auf Grundlage der erwünschten Anlagekonfiguration und der gewünschten Wärmeprofile. Ferner kann die Frequenz während der Metallverarbeitung oder des Heizzyklus variiert werden, um die Wärme in erwünschte Weise entweder bevorzugt zur Schnecke oder bevorzugt zum Zylinder, beispielsweise zwischen dem Vorheizabschnitt des Zyklus und dem Produktionsabschnitt des Zyklus zu verteilen und die Frequenz kann variiert werden abhängig von der Energieverteilung, die für verschiedene Produktionsarten und verschiedene Produktionsschmelztemperaturprofilanforderungen erwünscht ist. Außerdem kann die Frequenz variiert werden zwischen der ersten Spule und der nachfolgenden Spule, um ein gewünschtes Heiz/Schmelz/Temperaturdifferenzergebnis zu erzielen. Eine kleinere Anlage erfordert üblicherweise höhere Frequenzen und eine größere Anlage erfordert niedrigere Frequenzen. Wenn beispielsweise ein Zylinder mit einer Wanddicke von 2 Inch eine optimale Leistung mit einer Frequenz von 60 Hz erbringen kann, kann eine Wanddicke von 3 Inch eine optimale Leistung bei einer Frequenz von 26 Hz erbringen. Berücksichtigt werden können auch die Optimierung der Zylinders, der Schnecke, der Heizlänge und der Heizfrequenz, um das elektromagnetische Berühren innerhalb des halbfesten oder geschmolzenen Materials zu Gunsten verbesserter Materialeigenschaften zu optimieren.
Bei dem Energie- bzw. Stromversorgungssystem 73 für die Spulen bzw. Wicklungen kann es sich im Fall von 50 bzw. 60 Hz um eine einzelne Phase direkt aus der Leitung mit geeigneter Energiesteuerung, Energiefaktorkontur und Spannungsanpassungskomponenten handeln. Die Energie- bzw. Stromquelle kann außerdem ein Inverter sein, der eine ausbalancierte Drei-(oder mehr)Phasenhochenergiefaktorlast für die Leitung darstellt und die erwünschte Einzelphasensekundärenergie der gewünschten Frequenz erzeugt, die für die spezielle Anwendung erforderlich ist. Es kann mehr als ein oder es können mehrere Inverter ausgehend von einer Gleichstromquelle vorgesehen sein. Der Energie- bzw. Strompegel wird üblicherweise durch eine Thermoelementrückkopplung 74 gesteuert; die Steuerung kann jedoch ausgehend von einem beliebigen gewünschten Rückkopp lungsparameter erfolgen, wie etwa ausgehend von einer geeigneten Smartsensor-Steuertechnik.
Aus 10 geht ein repräsentatives Beispiel der Positionierung und Anordnung der induktiven Spulen bzw. Wicklungen 23 hervor. Eine 245-Tonnen-JSW-Maschine mit einem einstöckigen Zylinder (mit einem Außendurchmesser von 6,7 Inch), die vorstehend angesprochen ist, wurde mit zwei induktiven Spulen bzw. Wicklungen auf dem kalten Abschnitt des Zylinders versehen. Die erste Induktionsspule, die Spule, die am nahesten zum Zuführschacht 42 liegt, umfasst elf Windungen mit einem Spalt von 0,2 Inch relativ zur anderen. Über den ersten vier Wicklungen liegen drei zusätzliche Wicklungen mit größerem Durchmesser (ungefähr 10,8 Inch OD.) mit gleichmäßigem Abstand (Spalt von etwa 0,3 Inch). Die Gesamtlänge der ersten Induktionsspule bzw. -wicklung beträgt etwa 5,5 Inch und ihre Position auf dem Zylinder befindet sich etwa 6 bis 7 Inch entfernt von der Mittenlinie des Zuführschachts 42. Außerdem ist ein 2 Inch breiter Kunststoffkragen zwischen dem Zufuhrschacht und der ersten Induktionsspule angeordnet. Stabile Energie bzw. stabiler Strom für die erste Induktionsspule liegt üblicherweise im Bereich von 15 bis 20 kW und die Solltemperatur liegt üblicherweise im Bereich von 950 bis 970°F.
Die zweite Induktionswicklung besitzt eine Länge von ungefähr 10 Inch und ist von der ersten Induktionsspule etwa 3,5 Inch beabstandet. Der erste Satz von Spulen bzw. Wicklungen umfasst insgesamt 16 Windungen, die relativ zueinander mit einem Spalt von etwa 0,4 Inch beabstandet sind. Über den stärker beabstandeten Windungen liegen vier zusätzliche Windungen größeren Durchmessers (ungefähr 10,8 Inch OD.). Diese Windungen sind gleichmäßig beabstandet mit einem Spalt von etwa 0,3 Inch. Stromabwärts von der zweiten Induktionswicklung ist ein weiterer, 2 Inch breiter Kunststoffkragen angeordnet. Energie in stabilem Zustand wird der zweiten Induktionswicklung mit ungefähr 20 bis 28 kW zugeführt und die Solltemperatur beträgt 1130°F.
In dem vorstehend genannten System wurden zwei Energie- bzw. Stromversorgungen 75 und 77 (siehe 1) verwendet. Das System kann jedoch mit einer oder mehreren Stromversorgungen mit Energie versorgt werden, abhängig von der Anlagenkonstruktion, dem verarbeiteten Material u. dgl.
Unter Verwendung dieser Induktionsspulen bzw. -wicklungen 23, die allgemein aus 10 hervorgehen, mit der vorstehend angesprochenen AZ91D, war eine Zykluszeit von 20 Sekunden und kürzer erzielbar. Ausgerüstet mit Bandheizern arbeitet dieselbe 245-Tonnen-Maschine mit einer Zykluszeit von 32 bis 47 Sekunden. Die vorliegende Erfindung erlaubt damit zumindest eine Verkürzung der Zykluszeit zum Formen eines 4 Bar-Zug-Formlings, wie etwa ASTM B 557-94 von 37%
Unter Bezug auf das Diagramm von 2A umfasst eine anfängliche Testinduktionsspule bzw. -wicklung 23, die in der Zone 1 vorgesehen ist, sechs Windungen, während eine zweite Testinduktionsspule bzw. -wicklung 23, die in der Zone 2 vorgesehen ist, zehn Windungen enthält. Durch die Verwendung dieser Testinduktorspulen 23 kann der Zylinder 12 für AZ91D auf seine gewünschte Temperatur von etwa 950°F (Messung, vorgenommen am Punkt 2 in der Zone 1) und etwa 1000°F (Messung, vorgenommen am Punkt 5 in der Zone 2) in weniger als 45 Minuten geheizt werden. Diese Daten der Temperatur als Funktion der Zeit sind grafisch in 2A für die Punkte 3 bis 7 aufgetragen, wobei diese Punkte bzw. Positionen oder Stellen für Zieltemperaturen vorgesehen sind.
Die verbleibende Länge des Zylinders 12 kann mit herkömmlichen Widerstands- oder Keramikbandheizern 24 oder alternativ mit zusätzlichen Induktionsspulen bzw. -wicklungen 23 geheizt werden. Eine Temperatursteuereinrichtung in Form von Induktionsspulen bzw. -wicklungen 23, Keramikband- oder anderen Heizern 24 kann auch um die Düse 30 angeordnet sein, um die Steuerung deren Temperatur zu unterstützen und damit die Bildung eines Feststoffstopfens aus der Legierung in der Düse 30 kritischer Größe zu ermöglichen. Der Stopfen verhindert das Auslaufen der halbfesten Legierung aus dem Zylinder 12 bzw. das Zurückfließen von Luft (Sauerstoff) oder eines anderen Kontaminanten in die interne Schutzatmosphäre (typischerweise Argon) der Vorrichtung 10. Ein derartiger Stopfen erleichtert auch das Evakuieren der Form 16, falls dies erwünscht ist, beispielsweise bei Unterdruck-unterstütztem Formen.
Die Vorrichtung kann außerdem eine stationäre Platte 16 und eine bewegliche Platte 11 umfassen, an denen jeweils eine stationäre Formhälfte 19 und eine bewegliche Formhälfte 17 angebracht sind. Die Formhälften umfassen Innenflächen, die miteinander in Kombination einen Formhohlraum 10 in Form des zu formenden Gegenstands festlegen. Der Formhohlraum ist mit der Düse 30 über eine Gießrinne (bei der es sich um eine Heißgießrinne handeln kann), einen Absperrschieber und einen Eingusskanal verbunden, wie allgemein mit der Bezugsziffer 102 bezeichnet. Die Arbeitsweise der Düse 30 ist im übrigen entsprechend der herkömmlichen Arbeitsweise und wird deshalb vorliegend nicht näher erläutert.
In der vorliegenden Ausführungsform kommt in dem Zylinder 12 eine hin- und herlaufende Schnecke 18 zu liegen, die durch einen geeigneten Antriebsmechanismus 44, wie etwa einen E lektromotor, in Drehung versetzt wird, so dass Flügel 28 auf der Schnecke 26 die Legierung Schwerkräften aussetzen und die Legierung durch den Zylinder 12 in Richtung zum Auslass 14 bewegen. Die Scherwirkung konditioniert die Legierung in eine thixotrope Aufschlämmung, die aus Kügelchen verrundeter degenerierter dentritischer Strukturen besteht, die durch eine flüssige Phase umgeben ist. Alternativ kann die Legierung insgesamt in einer flüssigen Phase verarbeitet werden.
Während des Betriebs der Vorrichtung 10 werden die Induktionsspulen bzw. -wicklungen 23 sorgfältig eingeschaltet, um den Zylinder 12 und die Schnecke 26 auf die geeignete Temperatur bzw. das geeignete Temperaturprofil entlang der Menge zu heizen. Außerdem werden das Band bzw. die Widerstandsheizer 24 eingeschaltet. Zur Bildung von Teilen geringen Querschnitts ist ein hohes Temperaturprofil erwünscht. Um gewünschte Teile mit dünnem und dickem Querschnitt zu bilden, ist ein mittleres Temperaturprofil erwünscht, und um Teile mit dickem Querschnitt zu bilden, ist ein niedriges Temperaturprofil erwünscht. Sobald sorgfältiges Heizen vorliegt, betätigt die Systemsteuereinheit 34 den Antriebsmechanismus 40 des Zuführers 38 und veranlasst die Schnecke innerhalb des Zuführers 38, sich zu drehen. Diese Schnecke fördert das Ausgangsmaterial aus dem Zufuhrtrichter 22 zu dem Zuführschacht 42 und in den Zylinder 12 durch dessen Einlass 18 hinein. Falls erwünscht, wird ein Vorheizen des Ausgangsmaterials entweder im Zufuhrtrichter 22, dem Zuführer 39 oder dem Zuführschacht 42 durchgeführt, wie mit 74 bezeichnet.
In dem Zylinder 12 gelangt das Ausgangsmaterial in Eingriff mit der sich drehenden Schnecke 26, die durch den Antriebsmechanismus 24 in Drehung versetzt ist, der durch die Steuereinheit 34 betätigt wurde. In der Bohrung 46 des Zylinders 12 wird das Ausgangsmaterial gefördert und einem Scheren durch die Flügel 28 auf der Schnecke 26 ausgesetzt. Wenn das Ausgangsmaterial die anfänglichen Zonen des Zylinders 12 durchsetzt, wird das Ausgangsmaterial durch die Induktionsspulen bzw. -wicklungen 23 direkt geheizt und indirekt geheizt durch den Zylinder 12 und die Schnecke 26 und außerdem geheizt durch die Scherwirkung auf die gewünschte Temperatur zwischen seinen Solidus- und Liquidus-Temperaturen. In diesem Temperaturbereich wird das feste Ausgangsmaterial in einen halbfesten Zustand gewandelt, der aus einer flüssigen Phase von einigen seiner Bestandteile besteht, in der eine feste Phase des Rests seiner Bestandteile zu liegen kommt. Die Drehung der Schnecke 26 und der Flügel 28 dauert an, um Scherung in die halbfeste Legierung zu induzieren, und zwar mit einer Rate, die ausreicht, dentritisches Wachstum in Bezug auf die festen Partikel zu unterbinden, wodurch eine thixotrope Aufschlämmung erzeugt wird.
Diese Aufschlämmung wird durch den Zylinder 12 vorgeschoben, bis eine geeignete Menge der Aufschlämmung sich im vorderen Abschnitt 21 (Akkumulationsbereich) des Zylinders 12 gesammelt hat jenseits der Spitze 27 der Schnecke 26. Die Schneckendrehung wird durch die Steuereinheit 34 unterbrochen, wodurch einem Stellorgan 36 daraufhin signalisiert wird, die Schnecke 26 vorzurücken. Ein Rückflussverhinderungsventil 31 verhindert, dass das Material in Richtung zum Einlass 18 während des Vorrückens der Schnecke 26 zurückfließt. Falls erwünscht, kann die Schusscharge im vorderen Abschnitt 21 des Zylinders 12 mit relativ geringer Geschwindigkeit verdichtet werden, um überschüssiges Gas, einschließlich der Schutzgasatmosphäre, aus der Aufschlämmungscharge zu quetschen bzw. zwangsweise auszutragen. Daraufhin wird die Geschwindigkeit der Schnecke 26 rasch erhöht, wodurch der Druck auf ein Ni veau steigt, das ausreicht, den Stopfen aus der Düse 30 in einen Eingießhohlraum zu blasen bzw. zwangsweise auszutragen, der dazu dient, diesen aufzunehmen, und um die Legierung durch die Düse 30 zwangsweise auszutragen, die mit dem Auslass 20 verbunden ist, und zwar in die Form 16. Wenn der Momentandruck fällt, nimmt die Geschwindigkeit auf ein programmiertes Niveau zu, typischerweise innerhalb des Bereichs von 40 bis 120 Inch/Sekunden im Fall von Magnesiumlegierungen. Wenn die Schnecke 26 die Position entsprechend einem vollen Formhohlraum erreicht, beginnt der Druck erneut zu demjenigen Zeitpunkt zu steigen, zu dem die Steuereinheit 34 ein Vorrücken der Schnecke 26 unterbricht und ihr Rückziehen zu einem Zeitpunkt beginnt, zu dem diese ihre Drehung wieder aufnimmt und die nächste Charge zu Formen verarbeitet. Die Steuereinheit 34 erlaubt eine breite Wahl von Geschwindigkeitsprofilen, in denen die Druck-/Geschwindigkeitsbeziehung durch die Position während des Schusszyklus variiert werden kann (der 25 Millisekunden kurz oder 200 Millisekunden lang sein kann).
Sobald die Schnecke 26 ihr Vorrücken stoppt und die Form gefüllt ist, verfestigt sich ein Teil des Materials, das in der Spitze der Düse 30 anwesend ist, als fester Stopfen. Der Stopfen dichtet das Innere des Zylinders 12 ab und erlaubt es, dass die Form 16 zur Entfernung des geformten Gegenstands geöffnet wird.
Während des Formens des nächsten Gegenstands verursacht ein Vorrücken der Schnecke 26 einen Eingießhohlraum, der dazu bestimmt ist, ihn einzufangen und aufzunehmen, ohne mit dem Strom der Aufschlämmung durch das Absperrschieber- und Gießrinnensystem 102 in den folgenden Raum 100 in störenden Eingriff zu gelangen. Nach dem Formen wird der Stopfen zusammen mit dem verfestigten Material des Absperrschieber- und Gieß rinnensystems 102 rückgehalten und von dem Gegenstand abgeschnitten während eines nachfolgenden Schritts und zur Wiedergewinnung rückgeführt.
In 3, 4 und 5 sind Wärmekonturmodelle für den ersten Teil eines zweiteiligen Zylinders (Legierung 718) gezeigt. Eine derartige zweiteilige Zylinder-Schnecken-Konstruktion ist im US-Patent 6059012 offenbart, auf das hiermit Bezug genommen wird. Dieser erste Teil bzw. kalte Abschnitt des Zylinders 12' umfasst die ersten zwei Heizzonen (Zonen 1 und 2) des Zylinders 12'. Während des anfänglichen Vorheizens (3) ist es unter Verwendung der Induktionsspulen bzw. -wickzumindest lungen 23' möglich, dass die Schnecke 26' ???? durch die Flügel 28', um den Zylinder 12' zu heizen, wodurch der Zylinder 12' von innen nach außen geheizt wird. Die Wärme ist anfänglich im zentralen Abschnitt der Schnecke 26' innerhalb dieses Abschnitts des Zylinders 12' konzentriert und wird über die Flügel 28' zum zentralen Abschnitt dieses Teils des Zylinders 12' geleitet.
Bei vollem Vorheizen wird die Wärme, wie in 4 gezeigt, über eine größere axiale Länge konzentriert bzw. verteilt, und zwar innerhalb des Zylinders 12'. Dies erbringt eine größere Wärmemenge für den tatsächlichen Einsatz zum Heizen des Ausgangsmaterials, anstatt den Zylinder 12' selbst zu heizen. Außerdem liegt im Zylinder (dann) kein Temperaturgradient vor.
Während der Produktion extrahiert das zugeführte Ausgangsmaterial eine signifikante Wärmemenge von der Schnecke 26', weil das Ausgangsmaterial die Schnecke 26' umfangsmäßig umgibt. Die Temperatur des Zylinders 12' bleibt ohne große Wärmegradienten über die Dickenabschnitte des Zylinders 12' sta bil, wie vorstehend erläutert. Wenn das Ausgangsmaterial sich in Längsrichtung innerhalb des Zylinders 12' bewegt und der Zylinder 12' geheizt wird, zeigt das Wärmeprofil des Zylinders 12' außerdem eine höhere Temperatur, die zunimmt in Richtung auf das heiße Ende bzw. den heißen Abschnitt des Zylinders 12'. Eine signifikante Wärmemenge bleibt (dadurch) im Zylinder 12' verfügbar.
Wenn das Material des Zylinders 12' ausgehend von der Superlegierung in Stahl 2888B geändert wird, ist zu bemerken, dass sich in dem Zylinder 12' während des Produktionsbetriebs ein größerer Temperaturgradient ausbildet. Dies ist in 6 dargestellt.
Das Diagramm vom 7 zeigt zu Vergleichszwecken die Vorteile, die erzielbar sind mit einer induktiven Niederfrequenzheizung im Vergleich zu keramischen Bandheizern mit den Zylinder- und Auskleidungsspannungen während des Vorheizens. In ähnlicher Weise zeigt das Diagramm von 8 zu Vergleichszwecken den Vorteil, der erzielt bar ist mit der induktiven Niederfrequenzheizung in Bezug auf die Partikelgröße.
Eine weitere Ausführungsform geht aus 9 hervor. Demnach handelt es sich bei der Vorrichtung 100 um eine Zweistufenmaschine mit einer ersten Stufe 102, in der die Legierung anfänglich verarbeitet wird, und einer zweiten Stufe 104, in der die verarbeitete Legierung veranlasst wird, in eine Form gedrängt zu werden. Da die verschiedenen Bestandteile der Vorrichtung 100 der zweiten Ausführungsform dieselben sind wie bei der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik, werden lediglich die ersten und zweiten Stufen 102, 104, die in 9 gezeigt sind, erläutert.
Die erste Stufe 102 umfasst allgemein den Zylinder 106, innerhalb welchen eine Schnecke 108 angeordnet ist, die durch einen geeigneten Antriebsmechanismus in Drehung versetzt wird, um auf das Ausgangsmaterial eine Scherenwirkung auszuüben, das in den Zylinder 102 über den Einlass 110 aufgenommen ist. Angeordnet entlang der Länge des Zylinders 106 befindet sich eine Reihe von Induktionsspulen bzw. -wicklungen 112. Wie im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik erläutert, induzieren die Induktionsspulen bzw. -wicklungen 112 Wärme in den Zylinder 106, die Schnecke 108 und das Ausgangsmaterial. Die Wirkung des Scherens und das Übertragen der Wärme auf das Ausgangsmaterial führt dazu, dass das Ausgangsmaterial in einem geschmolzenen bzw. halbfesten Zustand verarbeitet wird, oder alternativ in einem vollständig flüssigen Zustand. Fortgesetztes Drehen der Schnecke 108 führt zu einer Längsbewegung des Materials durch den Zylinder 106 weg vom Einlass 110.
Das verarbeitete Material wird von der ersten Stufe 102 über eine Übertragungsverbindung 114 zu der zweiten Stufe 104 übertragen. Die Übertragungsverbindung 114 umfasst einen Durchlass, der durch diese Verbindung festgelegt ist, und die mit einer Auskleidung 116 ausgekleidet sein kann, und der an einem Ventil 118 endet. Außerdem sind Widerstands- oder Keramikbandheizer 120 über die Länge der Übertragungsverbindung 114 angeordnet.
Während der Zylinder in 9 in einer Anordnung aus einem Zylinder 106 parallel zu einer Schussbuchse 112 erläutert ist, wird bemerkt, dass die Ausrichtung des Zylinders 106 in Bezug auf die Schussbuchse 112 nicht parallel sein kann. Außerdem kann das Ausgangsmaterial durch Schwerkraft durch den Zylinder 106 zugeführt und geschert werden durch andere Mechanismen als eine Schnecke 108, wie etwa durch Paddel, einen Hindernispfad oder durch ein kontaktfreies elektromagnetisches Verfahren oder ein anderes Verfahren.
Die zweite Stufe 104 umfasst einen zweiten Zylinder bzw. eine zweite Schussbuchse 112 (die auch nicht ausgekleidet sein kann), innerhalb derer ein Kolben bzw. Tauchkolben 124 angeordnet ist. Diese zweite Stufe 104 kann außerdem, muss jedoch nicht, zusätzliche Heizer 120 umfassen, um Wärmeeinspeisung bereit zu stellen, um das verarbeitete Material auf der geeigneten Temperatur zu halten, sobald es im Durchlass 126 der Schussbuchse 112 aufgenommen ist. Sobald die geeignete Materialmenge im Durchlass 126 der zweiten Stufe 104 aufgenommen ist, wird ein Betätigungsmechanismus 128, der mit dem Tauchkolben 124 verbunden ist, vorgerückt. Beim Vorrücken des Tauchkolbens 124 wird das Material aus der Schussbuchse 112 zwangsweise ausgetragen, wobei das Ventil 118 ein Zurückfließen durch die Übertragungsverbindung 114, durch eine Düse 130 und in den (nicht gezeigten) Formaufbau hinein unterbindet.
In im Wesentlichen sämtlichen weiteren Belangen arbeitet die Vorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform in derselben Art und Weise wie die Vorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund erübrigt sich eine weitere Erläuterung des Betriebs dieser zweiten Ausführungsform.
Während die Spritzformmaschine für halbfestes Metall mit hin- und herlaufender Schnecke erläutert wurde, wird bemerkt, dass die vorliegende Erfindung auf andere Arten von Metallformmaschinen anwendbar ist, einschließlich zweistufigen Spritzformmaschinen (mit Zylinder und Buchse) für halbfestes Metall und sogar auf Maschinen zum Formen bzw. Gießen von Materialien in nicht thixotrophen Zuständen.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Formen von Metallmaterial. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter (12) mit Abschnitten, die einen Durchlass durch den Behälter festlegen. Ein Einlass (18) ist in Richtung auf ein Ende angeordnet und ein Element (26) bzw. eine Rühreinrichtung ist in dem Durchlass angeordnet. Mehrere Heizer (23) sind entlang einer Länge des Behälters angeordnet. Der erste der Heizer ist unmittelbar stromaufwärts vom Einlass angeordnet und es handelt sich bei ihm um einen Niederfrequenzinduktionsspulenheizer, wobei der Temperaturgradient durch die Behälterseitenwand minimiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Formen eines Metallmaterials, aufweisend: Einen Zylinder mit Abschnitten, die einen Durchlass durch den Zylinder festlegen, wobei der Zylinder außerdem Abschnitte umfasst, die einen Einlass in diesem Durchlass festlegen; ein in dem Durchlass angeordnetes Element; und mehrere Heizer, die entlang einer Länge des Zylinders angeordnet sind, wobei ein erster der Heizer als erster von mehreren Heizern stromabwärts vom Einlass angeordnet ist, wobei der erste der mehreren Heizer ein Induktionsspulenniederfrequenzheizer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste der mehreren Heizer innerhalb von sieben (7) Inch vom Einlass angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, außerdem aufweisend einen zweiten der mehreren Heizer, wobei der Zweite unmittelbar stromabwärts vom ersten der mehreren Heizer angeordnet ist, wobei der Zweite ein Niederfrequenzinduktionsspulenheizer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten der Heizer unterschiedliche Wicklungsabstände aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten der Heizer weniger als sechs (6) Inch voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine der mehreren Heizer eine Betriebsfrequenz von weniger als 1000 Hz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine der mehreren Heizer eine Betriebsfrequenz im Bereich größer 0 bis 400 Hz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine der mehreren Heizer eine Betriebsfrequenz von etwa 60 Hz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten der mehreren Heizer eine Betriebsfrequenz im Bereich von größer als 0 bis 1000 Hz aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten der mehreren Heizer eine Betriebsfrequenz von etwa 60 Hz aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten der mehreren Heizer durch getrennte Energiequellen betrieben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Behälter aus nichtmagnetischem Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Behälter ein Zylinder ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Element eine Drehschnecke ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Behälter aus einem Material mit hohem elektrischen Widerstand besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Element magnetisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Behälter aus Ni-basiertem, Fe-Ni-basiertem bzw. aus termitischem Edelstahl besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Erste der Heizer eine niedrige Betriebsfrequenz als der Zweite der Heizer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Zylinder außerdem eine Auskleidung aus nichtmagnetischer Legierung zur Erhöhung der Korrosions- und Verschleißbeständigkeit des Zylinders umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Heizer Niederfrequenzinduktionsheizer sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine der mehreren Heizer eine variable Betriebsfrequenz aufweist, wobei die Frequenz während des Betriebs der Vorrichtung variabel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine der mehreren Heizer durch eine geschlossenschleifige Rückkopplungssteuerung mit einem Sensor gesteuert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zumindest zwei der mehreren Heizer unterschiedliche Betriebsfrequenzen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Energiequelle zum Bereitstellen von Energie niedriger Frequenz für zumindest einen der mehreren Heizer.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Energiequelle eine Phasensteuerung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Energiequelle eine Impulsbreitenmodulationssteuerung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Energiequelle einen Inverter von einem Dreiphasengleichrichter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Gleichrichter eine Impulsbreitenmodulationssteuerung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Heizer für das Element einen ersten Energiepegel und einen zweiten Energiepegel für den Zylinder liefern.
Vorrichtung zum Formen eines Metallmaterials, aufweisend: Einen Zylinder mit Abschnitten, die einen Durchlass durch den Zylinder festlegen, wobei der Zylinder außerdem Abschnitte umfasst, die einen Einlass in diesem Durchlass festlegen; ein Drehelement, das in dem Durchlass angeordnet ist; und mehrere Niederfrequenzinduktionsheizer, die entlang einer Länge des Zylinders angeordnet sind und einen ersten und einen zweiten Heizer umfassen, die stromabwärts von dem Einlass aufeinander folgend angeordnet sind, wobei der erste Heizer eine Energiedichte aufweist, die größer ist als eine Energiedichte des zweiten Heizers.
Verfahren zum Heizen eines Metallmaterials zum nachfolgenden Formen, aufweisend die Schritte: Zuführen des Metallmaterials in einen Behälter; direktes Heizen eines in dem Behälter angeordneten Elements; Zuführen des Metallmaterials um das Element; Heizen des Metallmaterials durch Extrahieren von Wärme von dem Element zu dem Metallmaterial, um eine Temperatur für den Formvorgang zu erzielen; und Aufrechterhalten eines Temperaturgradienten von weniger als 100°C durch einen Wanddickenabschnitt des Behalters.
Verfahren nach Anspruch 31, außerdem aufweisend den Schritt, das Metallmaterial zumindest teilweise direkt zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der direkte Heizschritt den Schritt umfasst, den Behälter induktiv mit niedriger Frequenz zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der direkte Heizschritt den Schritt umfasst, das Element induktiv mit niedriger Frequenz zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Heizen des Metallmaterial den Schritt umfasst, das Metallmaterial induktiv mit niedriger Frequenz zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Heizschritt und der direkte Heizschritt den Schritt umfassen, den Behälter, das Element und das Metallmaterial induktiv mit niedriger Frequenz zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, außerdem aufweisend den Schritt, das Metallmaterial auf eine Temperatur über seiner Solidus-Temperatur, jedoch seine Liquidus-Temperatur nicht überschreitend, zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, außerdem aufweisend den Schritt, das Metallmaterial zu rühren, um die Partikelgröße zu mindern und die Rundheit der festen Phase in dem Metallmaterial zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 31, außerdem aufweisend den Schritt, das Metallmaterial auf eine Temperatur über seiner Liquidus-Temperatur zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, außerdem aufweisend den Schritt, das Element und den Behälter vorzuheizen.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Vorheizschritt den Schritt umfasst, das Element in dem Behälter axial rückzuziehen.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Heizschritt den Schritt umfasst, das Element induktiv mit niedriger Frequenz zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Vorheizschritt den Schritt umfasst, das Element induktiv zu heizen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Aufrecherhaltungsschritt einen Temperaturgradienten von weniger als 50°C durch einen Wanddickenabschnitt des Behälters aufrecht erhält.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Aufrechterhaltungsschritt einen Temperaturgradienten von etwa 25°C durch einen Wanddickenabschnitt des Behälters aufrecht erhält.