DE2953474C2

DE2953474C2 - Druckgießverfahren mit Nachverdichtung

Info

Publication number: DE2953474C2
Application number: DE2953474T
Authority: DE
Inventors: Shigeyoshi Anjo Aichi Hashimoto; Haruo Haruhi Aichi Suzuki
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1979-02-14
Filing date: 1979-02-14
Publication date: 1984-06-07
Also published as: GB2055316A; GB2055316B; DE2953474T1; WO1980001658A1; US4380261A

Description

worm

25 Po der vom Gießkolbcn in der Schmelze erzeugte Gießdruck ist,

R der Radius des Gießkolbens ist, r der Radius des Preßkolbens ist.

f({>)die Dicie der erstarrten Metallschicht ist, gemessen ti Sekunden nach dem Einfüllen des Metalls,

μ der Reibungskoeffizient /wischen der erstarrten Metallschicht im Preßkanal und der Wand des Preßkanals ist,

L' ;'.ie Länge der Kontaktfläche zwischen der im Preßkanal erstarrten Metallschicht und der Wand des Preßkanals ist, gemessen i2 Sekunden nach dem Einfüllen des Metalls,

r die Größe der Scnubspannung ist, die erforderlich ist, um die erstarrte Metallschicht abzuscheren.

und
ΔΡ der Druckabfall beim Durchgang der Metallschmelze durch den Anschnitt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckgießverfahren, bei dem geschmolzenes Metall im Formhohlraum an einer Stelle nachverdichtet wird, die sich von der Stelle unterscheidet, durch die das geschmolzene Metall eingegossen wird.

Die japanischen Patentanmeldungen 48-7 570 und 49-36 093 beschreiben Druckgießverfahren, bei denen das geschmolzene Metall in einen Formhohlraum eingegossen wird und an einer Stelle nachverdichtet wird, die sich von der Stelle unterscheidet, durch die das geschmolzene Metall eingebracht worden ist. Bei diesen bekannten Verfahren erfolgt das Nachverdichten des eingespritzten geschmolzenen Metalls jedoch nach der Verfestigung des Metalls im Anschnittsystem. Es war deshalb unmöglich, mit diesen bekannten Verfahren einen guten

Druckgießbetrieb durchzuführen.

Der eingeschnürte Abschnitt des Gießlaufs einer Druckgießform ist nämlich aufgrund der großen Durchflußgeschwindigkeit des Metalls durch diese Abschnitte einer größeren Erwärmung ausgesetzt als andere. Wenn daher der eingeengte Abschnitt des Gießlaufs auf dem gleichen Niveau liegt wie der Formhohlraum, so tritt die Verfestigung des Metalls in einem derartigen eingeengten Abschnitt mit einer zeitlichen Verzögerung zur Verfestigung des Metalls im Formhohlraum auf. Bei einem Druckgießverfahren, bei dem das geschmolzene Metall nachverdichtet wird, nachdem sich das Metall im Anschnitt verfestigt hat, wird sich das Metall in den dünnwandigen Abschnitten bereits verfestigt haben, bevor mit der Nachverdichtung begonnen wird. Es wird mit diesem Verfahren daher unmöglich, die Ausbildung von Poren oder Lunkern in solchen dünnwandigen Abschnitten zu vermeiden. Wenn solche Poren oder Lunker einmal ausgebildet sind, so ist ein sehr hoher Druck erforderlich, diese zusammenzuquetschen und aufzufüllen. Mit dem oben erwähnten Stand der Technik war es deshalb schwierig. Poren oder Lunker zu verdichten. Da ferner die Nachverdichtung durchgeführt wird, nach-

M) dem das Metall im Formhohlraum teilweise bereits verfestigt ist, werden verschiedene Materialfehler, wie Scigerung oder Oberflächenfchler, wie eine abgescherte Oberfläche usw. unvermeidbar hervorgerufen.

In der jl'-OS 51-1 29 817 wurde ferner vorgeschlagen, das geschmolzene Metall unmittelbar nach dem Füllvorgang der Form mit geschmolzenem MeUiII naehzuverdichlen. Bei diesem Verfahren wird das geschmolzene Metall jedoch nur ohne Zeitverzögerung nach dem Fiillvorgang der Form nachgepreßt, ohne dall dem

b^rj Niveau des aufzubringenden Drucks und der Menge des in die Form zurückgedrängten geschmolzenen Metalls (im folgenden wird diese Menge mit »PreLSverdriingung« bezeichnet) besondere Beachtung geschenkt wurde. Dabei ist es unmöglich, die Bildung von Poren oder Lunkern wirksam einzuschränken und Qualitätsschwankungcn der Giißcrzctignissc zu vermeiden.

Es wurde nämlich erkannt, daß bei diesem Druckgießverfahren der Nachverdichtungsdruck direkt auch auf den Gießkolben übertragen wird, weil die Nachverdichtung begonnen wird, wenn sich das Metall im Anschnitt noch in einem geschmolzenen Zustand befindet. Wenn somit das Niveau <ies N ach Verdichtungsdrucks beträchtlich über dem Eingießdruck liegt, würde der Gießkolben durch den Druck zurückgedrückt werden, so daß eine der Preßverdrängung entsprechende Menge auf die Eingießseite zu zurückbewegt würde. Es ist daher unmög- s Hch, eine kräftige Nachverdichtung vorzunehmen, ohne daß die Preßverdrängung übermäßig angehoben wird. Eine ausreichende Nachverdichtung kann auch nicht durch einen Druck erreicht werden, der ebenso niedrig ist wie der durch den Gießkolben aufgebrachte Druck. Um die Ausbildung von Poren oder Lunkern zuverlässig zu verhindern, ist es somit unerläßlich, den N3chpreßdruck auf einem geeigneten Niveau aufrechtzuerhalten.

Was das Ausmaß der Preßverdrängung betrifft, so würde eine zu kleine Preßverdrängung nicht in der Lage sein, die Poren oder Lunkern zur Zufriedenstellung zusammenzuquetschen und aufzufüllen. Im Gegensatz dazu ' würde eine zu große Preßverdrängung einen unpraktisch großen Bauraum der Druckgießmaschine erforderlich machen. Bei einer zu großen Preßverdrängung wird überdies das Ausbringen unannehmbar klein, was unrentabel ist

Die Erfindung zielt darauf ab. ein Druckgießverfahren zu schaffen bei dem das in den Formhohlraum eingegossene, geschmolzene Metal! mittels eines Preßkolbens nach verdichtet wird, der durch einen Preßkanal verschoben wird, um die Schmelze im Formhohlraum unter Preßdruck zu setzen und durch Metall aus dem Preßkanat zu ergänzen, wobei vorgesehen ist, daß

a) mit der Preßdruckbeaufschlagung begonnen wird, bevor die Schmelze im Anschnitt und zumindest einem Teüdes übrigen Eingußsystems et-starrt ist. und

b) daß während der Preßdruckbeaufschlagurg ein Teil der Schmelze aus dem Formhohiraum in das F.ingußsystem zurückgedrückt wird, und

c) daß der Preßdruck kleiner als der zur Rückwärtsverschiebung des Gicßkolbens notwendige Druck P_mav ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Ausbildung von Poren oder Lunkern beträchtlich einzuschränken, die die Festigkeit, Druckdichtigkeit und andere Kennwerte des Druckgußteils negativ beeinflussen, und eine betriebssichere Herstellung von lunkerfreien Druckgußteilen sicherzustellen, die keine wesentlichen Qualitätsschwankungen aufzeigen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen.

F i g. 1 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 2 und 3 sind Schnittansichten eines Teils der in F i g. 1 gezeigten Einrichtung und zeigen einen Preßkolben 36 und einen Metall-Anlagerungsraum 32. wobei die F i g. 2 den Preßkolben 36 in dessen voll zurückgezogener Stellung zeigt, während die F i g. 3 den Preßkolben in dessen voll vorgeschobener Stellung zeigt; F i g. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Verzögerungszeit und der Preßverdrängung; F i g. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Preßverdrängung und der Dichte des Druckguß-Erzeugnisses;

F i g. 6 ist eine Schnittansicht eines Teils der Einrichtung, die eine in einem Preßdurchlaß 17 gebildete verfestigte Schicht/? zeigt;

F i g. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Dicke der verfestigten Schicht/?und der nach der Beschickung abgelaufenen Zeit;

F i g. 8{a) ist eine Schnittansicht eines mittels der in F i g. 1 ge7eigten Vorrichtung hergestellten Druckguß-Erzeugnisses;

F i g. 8(b) ist eine Seitenansicht dieses Erzeugnisses;

F i g. 9 zeigt den Unterschied hinsichtlich der Dichte zwischen Erzeugnissen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, und Erzeugnissen ohne Nachverdichtung.

Bevorzugte Art des erfindungsgc:Tiäßen Verfahrens.

Nachstehend wird ein vorzugsweise gewähltes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Zuerst wird eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines dargestellten Beispiels für die Vorrichtung erläutert.

In F i g. 1 sind in üblicher Art an einem Sockel 1 Stützen 2 und 3 befestigt, die ortsfest einen Zylinder 4 tragen. Der Zylinder 4 mit einer zylindrischen Innenfläche 4a umfaßt einen Kolben 5, der hydraulisch über eine erste und eine zweite Hydraulikleitung 6 bzw. 7 bewegbar ist, die in die einander gegenüberliegenden Enden des Zylinders 4 münden.

Die hydraulischen Drücke werden mittels einer nicht gezeigten Ölpumpe über eine Leitung 8 zugeführt und mittels eines von einem Solenoid gesteuerten Hydraulikdruck-Schaltventils 9 selektiv zu den Leitungen 6 bzw. 7 hin verteilt. Das mittels des Kolbens 5 aus dem Zylinder 4 herausgedrückte Öl wird über die Leitung 6 oder 7 abgeführt und über das Druck-Schaltventil 9 und ein Auslaßrohr 10 zur Pumpe zurückgeführt. An einem mittleren Teil der ersten Leitung 6 ist ein Druckschalter 11 angebracht, der an ein später beschriebenes Hydraulikdruck-Schaltventil 42 ein elektrisches Signal abgibt, wenn von den. Hydraulikdruck in der Leitung 6 ein vorbestimmter Druckpegel überschritten wird (z. B. ein Druck, der 50 bis 80% des maximalen Gießdrucks beträgt).

Die Bewegung des Kolbens 5 wird über eine Kolbenstange 12 auf einen Gießkolben 13 übertragen, so daß dieser gemäß der Darstellung in der Zeichnung nach rechts und links gleitend in einer Gießkammer 14 bewegt wird. In der oberen Wandung der Gießkammer 14 ist eine Einfüllöffnung 15 an einer Stelle, die vom Gießkolben 13 bei dessen (in ^v i g. 1 gezeigter) voll zurückgezogener Stellung freigegeber, ist, so daß geschmolzenes Metall wie eine Aluminiumlegierung, eine Magnesiumlegierurg, eine Zinklegierung oder dergleichen eingefüllt werden kann. Am Sockel 1 ist eine feststehende Formträgerplatte 16 befestigt, die eine feststehende Formhälfte 18 und Säulen 22 trägt. Am anderen Ende der Säulen 22 ist eine weitere feste Druckplatte angebracht. Die feststehende

Formhälfte 18 ist aus zwei Teilen gebildet: einem Trägerblock 19 aus duktilem Gußeisen und einem Druckblock 20 aus Stahl für Warmarbeitswerkzeug.

Der Trägerblock 19 und der Druckblock 20 sind miteinander mit Hilfe von Schraubbolzen 21 fest verbünden. An einer bewegbaren Formträgerplatte 23 ist über weitere Platten 24 und 25 eine bewegbare Formhälfte 26 befestigt, die ebenso aus einem bewegbaren Halteblock 27 aus duktilem Gußeisen und einem bewegbaren Druckblock 28 aus Warmarbeitsstahl mit Hilfe von Schraubbolzen 29 zusammengesetzt ist.

Ferner weist die Druckgießmaschine einen Formhohlraum 30, einen Eingießkanal 31 und einen Preßkanal 17 auf, der in den Formhohlraum 30 an einer Stelle mündet, die vom Eingießkanal 3t entfernt ist. In den Oberflächen der festen Formhälfte 18 und der bewegbaren Formhälfte 26 sind als Entlüftungsöffnungen 33 Spalte von 0,1 mm

ίο bis 0,5 mm ausgebildet. Der an den Formhohlraum 30 angrenzende Endteil des Eingießkanals 31 ist zur Bildung einer Einlaufrinne 34 verengt, so daß das vom Eingießkanal 31 her zugeführte, geschmolzene Metall mit hoher Geschwindigkeit in den Formhohlraum 30 eingegossen wird.

In dem Mittelteil des Druckblocks 28 ist im Preßsitz ein Nachverdichtungszylinder 35 in etwa mittig zum Formhohlraum 30 eingesetzt. Der Nachverdichtungszylinder 35 nimmt eng und verschiebbar einen Preßkolben

is 36 auf. Der PreUkanal 17 ist durch denjenigen Teil der inneren Umfangsfliiche des Nachverdichtungszylinders 35 gebildet, der über die innere Stirnfläche des Prcßkolbens 36 hinausragt. Mittels des Preßkolbens 36 wird das den Preßkanal 17 füllende geschmolzene Metall zu einem Teilbereich des Formhohlraums 30 hin herausgedrückt, der dem Preßkanal 17 gegenüberliegt, d. h. zu einem Metall-Anlagcrungsraum 32 hin. Zur leichteren Wartung ist der Preßkolben 36 aus einem Verbindungsring 37 und zwei Teilen 36a und 36ό zusammengesetzt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Stirnteile des Nachverdichtungszylinders 35 und des Preßkolbens 36 sowie den Metallanlagerungsraum 32. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, hat der innerste Teil 35a des Nachverdichtungszylinders 35 einen Innendurchmesser, der geringfügig (um 0,05 bis 1,00 mm) größer als derjenige der anderen Teile des Nachverdichtungszylinders 35 ist. Wenn der Preßkolben 36 vorgetrieben wird, bildet die an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls im Preßkanal 17 gebildete verfestigte Schicht /?eine ringförmige Rippe A im erweiterten Teil 35a des Nachverdichtungszylinders 35. so daß der Preßkolben 36 längs der inneren Umfangsfläche des Nachverdichtungszylinders 35 unter Zwischensetzung der Rippe A gleitet. Die axiale Länge y dieses erweiterten Teils 35a wird in Abhängigkeit vom Ausmaß der mittels des Preßkolbens 36 herbeigeführten Verdrängung des Metalls bemessen. Im einzelnen erstreckt sU.ii der erweiterte Teil 35a vorzugsweise zum Innenende 35c/ des Nachverdichtungszylinders 35 hin von einer Stelle 35c her, die um eine Strecke .y, die nicht größer als 10 mm und vorzugsweise 2 bis 3 mm ist, vorder Stellung 35fc des Endes des Preßkolbens 36 in dessen in F i g. 2 gezeigter voll zurückgezogener Stellung liegt. Durch Verlängern der Strecke y bis zu einer Stelle, die hinter der voll zurückgezogenen Stellung 35i> der Stirnfläche des Preßkolbens 36 liegt, ersteht jedoch in der Praxis kein wesentliches Problem.

Der Hub des Preßkolbens 36 wird so bestimmt, daß das Ende 36cdes Preßkolbens 36 auch dann nicht über das Innenende 35c/ des Nachverdichtungszylinders 35 hinausragt, wenn der Preßkolben 36 in seiner in Fig.3 gezeigten voll vorgeschobenen Stellung 35e steht: dadurch tritt der Preßkolben 36 nie direkt in den Metall-Anlagerungsraum 32.

In der gezeigten Ausführungsform ist der Metall-Anlagerungsraum 32 in einem Abschnitt des Formhohlraums 30 um eine dem Preßkanal 17 entgegengesetzte Fläche herum ausgebildet. Die Größe des Metall-Anlagerungsraumes 32 ist so gewählt, daß er über seine ganze Erstreckung eine Querschnittsflächc besitzt, die größer ist als die Querschnittsfläche der Bohrung fies Nachverdichtungszylinders 35.

Am äußeren Ende des Preßkolbens 36 ist ein Kolben 38 angeschlossen, der zum Vorschieben und Zurückziehen des Preßkolbens 36 innerhalb eines Zylinders 39 verschiebbar ist. In den Zylinder 39 münden eine dritte und eine vierte Leitung 40 bzw. 41. Ein mit einem Solenoid gesteuertes Hydraulik-Schaltventil 42 steuert die Bewegung des Kolbens 38. Der Zylinder 39 ist mit Hilfe von Schraubbolzen 43 an der Platte 24 festgelegt, so daß der Zylinder 39 zusammen mit der bewegbaren Formhälfte 26 bewegbar ist.

Die Druckgießmaschine hat weiter in üblicher Art Auswerferstifte 44, einen Auswerferkolben 49, eine Auswerferplatte 45, Auswerferstäbe 46. eine Auswerferplatte 47 und eine Auswerfer-Betätigungsstange 48. Der Auswerferkolben 49 ist innerhalb eines Auswerferzylinders 50 mittels einer fünften und einer sechsten Leitung 51 bzw. 52 um* eines solenoidgesteuerten Öldruck-Schaltventils 53 gesteuert.
Nachstehend wird der Verfahrensablauf beschrieben.

Der Druckgießvorgang wird in einer bei einer Kaltkammerdruckgießmaschine üblichen Art vorgenommen. Der Einspritzdruck beträgt 500 bis 1500 bar. Dabei wird ein Teil der im Formhohlraum 30 angestauten Luft über die Entlüftungsöffnungen 33 abgelassen. Nach dem Füllen des Formhohlraumes 30 mit dem geschmolzenen Metall wird vor der Verfestigung des geschmolzenen Metalls in der Einlaufrinne 34 der Preßkolben 36 vorgetrieben, um damit die zwangsweise Verlagerung des geschmolzenen Metalls aus dem Preßkanal 17 heraus in den Metall-Anlagerungsraum 32 zu beginnen.

Wenn die nachstehend als Zeitverzögerung bezeichnete Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem das Füllen des Formhohlraums 30 abgeschlossen ist, bis zum Beginn der Nachverdichtung zu lang ist. würde das Metall im Formhohlraum 30 verfestigt sein. Die während dieser Zeitverzögerung gebildete verfestigte Schicht würde nicht verdichtet, so daß sie nachher nicht frei von Poren oder Lunkern sein könnte, so daß das sich ergebende Erzeugnis schadhafte Bereiche enthalten würde. Bei einem vorgegebenen Nachverdichtungsdruck beeinflußt j!v> ein Anstieg der Zeitverzögerung die Wirksamkeit des Nachverdichten. Ergebnisse von Versuchen sind in F ι z. 4 gezeigt. Dort zeigt eine durch eine ausgezogene Linie dargestellte Kurve L das Ergebnis eines Versuchs

to mit einem Nachverdichiungsdruck von 27 500 N/cm³, eine mit einer strichpunktierten Linie dargestellte Kurve Λ-/ b/w. eine mit einer gestrichelten Linie dargestellte Kurve N jeweils die Versuchsergebnisse bei Nachverdichtungsdrücken von 21 250 N/cm- b/w. 15 000 N/cm².

Wenn ferner die Zeitverzögerung zu lang ist, wird durch das Nachverdichten die verfestigte Metallschicht

verschoben, so daß an dom sich ergebenden DruekguIi-Kr/cugnis die Neigung /u ObcTfliichcnfchlcrn auftritt, die auf unerwünschte Weise die mechanische l'esüRkeit des l'r/.eugiiisses herabsetzen. Ferner entstehen durch das Metall, das vordem Nachverdichten kristallisiert isl. örtlich Seigcniiigen. Die Scigertinyen beeinträchtigen die Bearbeitbarkeit, insbesondere für spanende liearbeitung. des DruckguUlcils. Derartige Fehler können beide bei denjenigen F.rzeugnissen beobachtet wurden.die mit /u langen Zeiivcr/ögerimgen hergestellt werden. ^r>

Zum Vermeiden der Oberflächcnfehler und der Seigeriingen ist es daher an/ustreben, die Zeilverzögerung so weil wie möglich zu verkürzen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Zeitverzögerung dadurch verkür/t. daß der Rcginn der Bewegü.ic des Preßkolbens 36 folgendermaßen gesteuert wird:

Wenn der Formhohlraum 30 und der Preßkanal 17 völlig mit dem geschmolzenen Metall gefüllt worden sind, w wird die Vorwärtsbewegung des Gießkolbens 13 angehalten, woraus sich ein plötzlicher Druckanstieg in der ersten Leitung 6 ergibt. Wenn der Druck in der ersten Leitung 6 über einen vorbestimmten Druckwert ansteigt, gibt der Druckschalter 11 an das Hydraulik-Sehaltventil 42 ein elektrisches Signal. Das Hydraulik-Schaltventil 42 schaltet dann zur Übertragung des Drucks zu der dritten Leitung 40. Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung ist es möglich, nach Abschluß des Einspritzens in gewöhnlich ungefähr 0,5 s den Preßkolben 36 zu ι·-> betätigen.

Bei der Druckgießmaschine mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau dauert es gewöhnlich ungefähr 5 bis 6 s, bis das Metall an der Einlaufrinne 34 vollständig verfestigt ist. Daher wird entsprechend der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Zeitverzögerung der Nachverdichtungsvorgang mittels des Preßkolbens 3b in einer Zeitdauer begonnen, die im Vergleich inii der für Vollständige Verfestigung des Met.-.üs ;n in der Einlaufrinne 34 notwendigen Zeit ausreichend kurz ist.

Sobald der Preßkolben 36 ohne Verzug vorgetrieben wird, wird geschmolzenes Metall aus dem Preßkanal 17 in den Metall-Anlagerungsraum 32 und weiteres geschmolzenes Metall aus dem Metall-Anlagerungsraum 32 heraus verlagert. Der Nachverdichtungsdruck wird nicht nur auf das geschmolzene Metall im Formhohiraum 30, sondern auch auf das geschmolzene Metall im Eingießkanal 31 und der Gießkammer 14 übertragen, da das geschmolzene Metall in der Einlaufrinne 34 zu diesem Zeitpunkt noch nicht verfestigt ist.

Daher ist eine Preßverdrängung des geschmolzenen Metalls unzureichend, die nur gleich der Metallmenge ist, die zum Ausgleich des Schrumpfens des geschmolzenen Metalls im Formhohlraum 30 und im Preßkanal 17 notwendig ist.

Es wurde eine Versuchsreihe zur Untersuchung der Dichten der unter verschiedenen Preßverdrängungen des jo geschmolzenen Metalls erzielten Druckguß-Erzeugnisse ausgeführt, deren Ergebnis in F i g. 5 dargestellt ist, in der ate mit einem Dreieck bezeichneten Punkte die Dichten von Erzeugnissen darstellen, die mittels eines Druckgießverfahrens ohne Verdichtung erzeugt wurden, während die mit einem Kreis bezeichneten Punkte die Dichten der Erzeugnisse darstellen, die mit dem erfindungsgemäßen Druckgießverfahren erzielt wurden, nämlich die Dichten der Restkörper der Druckguß-Erzeugnisse ohne die im Eingußkanal verfestigten Teile, po ist die j'i wahre Dichte des verwendeten Metalls, wobei beim dargestellten Beispiel eine Alumiumlegierung verwendet wurde, während V₀ die maximale Preßverdrängung des geschmolzenen Metalls darstellt, die durch die Querschnittsfiäehe und durch den Maxirnalhub des Preßkolbens 36 bestimmt ist.

Aus F i g. 5 ist ersichtlich, daß die Dichte des Erzeugnisses in einem ersten Bereich O bis zu einer bestimmten Preßverdrängung Vi des Metalls ansteigt. Innerhalb eines zweiten Bereichs P mit der Verdrängung zwischen Vi ao und der maximalen Verdrängung V₀ liegen die Dichten der Erzeugnisse im wesentlichen nahe an der wahren Dichte po. Bei der maximalen Preßverdrängung V₁₁ tritt eine Vielfalt von Dichten im Bereich von einem Wert, der im wesentlichen gleich der Dichte beim Druckgießen ohne Nachverdichten ist. bis zu einem Wert auf. der im wesentlichen gleich der wahren Dichte po ist. Dieser Bereich wird als dritter Bereich Q bezeichnet.

Von der im Bereich Q beobachteten Vielfalt an Dichten wird angenommen, daß sie auf dem Umstand beruht, daß sich trotz gleicher Preßverdrängung der tatsächliche Verdichtungsdruck im Formhohlraum 30 mit unterschiedlichen, mitteis des Preßkolbens 36 aufgebrachten Drücken ändert. Wenn nämlich der Nachverdichtungsdruck unnötig hoch ist, wird der Gießkolben 13 zwangsweise zurückbewegt. Da der Gießkolben 13 gewöhnlich einen weitaus größeren Durchmesser als der Preßkolben 36 hat, wird daher dann, wenn der Gießkolben 13 zurückgedrückt wird, der Preßkolben 36 sofort zu seinem Hubende bewegt, ohne daß eine wesentliche Nachverdichtung am geschmolzenen Metall im Formhohlraum 30 erfolgt. Als Ergebnis schwanken selbst bei der gleichen maximalen Preßverdrängung V₀ die Dichten der Erzeugnisse ir großem Ausmaß in Abhängigkeit davon, ob die Rückwärtsbewegung des Gießkolbens 13 auftritt oder nicht, sowie in Abhängigkeit vom Fortschreiten der Verfestigung, die zu dem Zeitpunkt erzielt ist, zu dem die Rückwärtsbewegung des Gießkolbens auftritt.

Es ist ersichtlich, daß die Preßverdrängungen des geschmolzenen Metalls vorteilhaft in den Bereich P fallen sollen.

Die Erfinder haben den Minimalwert Vi der Preßverdrängung des geschmolzenen Metalls untersucht, der den Bereich .Pbegrenzt Es wurde folgende Gleichung ermittelt:

Po

wobei Va die Menge des geschmolzenen Metalls im Formhohiraum 30 und dem Preßkanal 17 darstellt und ρ den Mittelwert der durch Druckgießen ohne Verdichtung erzielten Dichten darstellt, wie sie in F i g. 5 durch die Dreiecke gezeigt sind.

Diese Verdrängung V'i ist der Wert, bei dem der mittels des Preßkolbens 36 ausgeübte Nachverdichtungsdruck die Kraft ausgleicht, die die Summe des mittels des Gießkolbens 13 ausgeübten Gießdrucks, des in der Einlaufrinne 34 hervorgerufenen Strömungswiderstandes und anderer Gegenkräfte ist. Die Verdrängung Vi ist

also die Menge, die notwendig ist, um sicherzustellen, daß das den Formhohlraum 30 und den Preßkanal 17 füllende geschmolzene Metal! erstarrt, ohne daß es über die Einlaufrinne M in den Eingießkanal 31 zurückströmt. Um jedoch den praktischen Wert Vder Preßverdrängung mit der aus Gleichung (1) ermittelten Menge V| in Übereinstimmung zu bringen, ist es notwendig, gemäß den vorstehenden Ausführungen den Nachverdichtungsdruck des Preßkolbens 36 gcnauestens abzustimmen.

Da dies außerordentlich schwierig ist, sollte der tatsächliche Wert Vder Preßverdrängung des geschmolzenen Metalls größer als der vorstehend genannte Wert Vi sein.

Es wird angenommen, daß die im zweiten Bereich P über einen weiten Bereich der Preßverdrängungen des geschmolzenen Metalls oberhalb des Wertes V, erzielte konstante Erzeugnisdichte darauf beruht, daß die die

ίο Menge Vi übersteigende Preßverdrängung zur Kompensation der Schrumpfung des Metalls im Eingießkanal 31 und der Gießkammer 14 aufgewandt wird. Wenn daher der Nachverdichtungsdruck so gewählt wird, daß keine Rückwärtsbewegung des Gießkolbens 13 hervorgerufen wird, wird das vom Preßkolben 36 verdrängte geschmolzene Metall zur Gänze dafür verbraucht, die Schrumpfung des Metalls im Formhohlraum 30, dem Eingießkanal 31 und der Gießkammer 14 auszugleichen. Daher sollte die notwendige Preßverdrängung durch die folgende Gleichung erzielt werden:

Va + -22^- Vb (2)

wobei Vb die Menge des geschmolzenen Metalls an der Anschnittseite ist im Eingießkanal 31 und in der

.,· Gießkammer 14.

■. Jedoch ist die Einlaufrinne 34 im Vergleich zu den Durchmessern bzw. Querschnitten des Eingießkanals 31 und

■ ■ der Gießkammer 14 beträchtlich verengt, so daß die Verfestigung des geschmolzenen Metalls in der Einlaufrinne

';:;i 34 vor der Verfestigung des geschmolzenen Metalls an der Anschnittseile abgeschlossen ist. Sobald das ge-

;'?t 25 schmolzene Metall in der Einlaufrinne 34 verfestigt ist. wird der Preßdruck nicht langer auf das geschmolzene

^?<- Metall an der Anschnittseite übertragen. Daher gibt der Ausdruck

'IK der Gleichung (2) eine Menge an, die etwas größer als die tatsächlich notwendige ist.

P Bei weiteren Versuchen wurde angenommen, daß nur 30 bis 50% des geschmolzenen Metalls im Eingießkanal

Ί 31 und in der Gießkammer 14 verfestigt waren, wenn die Verfestigung in der Einlaufrinne 34 abgeschlossen war,

so daß die praktisch erforderliche Mindestmenge Vder Preßverdrängung

_{Va +}1<LLP. ^ x (0,3 ~ 0,5) (3)

Po Po

ist.

Damit die durch die Gleichung (3) bestimmte Menge immer wirkungsvoll genutzt wird, ist es notwendig, daß die Maximalmenge V₀ der Preßverdrängung größer als die aus der Gleichung (3) abgeleitete Menge ist. Wenn nämlich die Maxima'.inenge V₀ der Preßverdrängung gleich der durch die Gleichung (3) bestimmten Menge gemacht werden würde, entstünde ein Problem, das gleichartig dem in Verbindung mit dem Bereich ζ) erläuterten Problem ist. Daher soll die Maximalmenge V₀ der Preßverdrängung die durch die folgende Gleichung bestimmte Menge sein:

PP Ml _Vb._K. (4)

Po Po

so wobei K₀ einen Maximalpressungs-Faktor darstellt, der annähernd gleich »1« ist. Der Faktor Ko wurde aus folgenden Gründen auf annähernd »1« festgelegt: Eine zu große Maximalmenge der Preßverdrängung würde sowohl eine übermäßig hohe Belastung des Kolbens 38 als auch unzweckmäßig große Abmessungen des Preßkolbens 36 und des Metall-Anlagerungsraums 32 erforderlich machen. Zieht man daher die Schwierigkeiten bei der Auslegung der Druckgießmaschine sowie auch die Materialausbeute in Betracht, so ist eine zu große Maximalmenge V₀ ungünstig. Die zweckmäßige Menge Vergibt sich daher durch folgende Gleichung:

V = HZl Va + -^Zl. vb ■ K (5)

Po Po

wobei K einen praktischen Schmelzmctali-Pressungsfaktor darstellt, der im Bereich von 03 bis 1 liegt.

Um dies zu erreichen, ist ein Minimaldruck P_mm notwendig, der zumindest hoch genug ist, den Teil « des geschmolzenen Metalls aus dem Prcßkanal 17 heraus in ilen Melall-Anlageningsnium 32 /u drücken. Dieser MiniinaUlrui'k /'„„„ muli gmller als der mil ids des liieUkolbcns M ausgeübte (jieLUIruek /'> sein, inul /war um einen Wert, der der Summe aus dem Reibungswiderstand, der bei der Vorwärtsbewegung des Preßkolbens durch die Reibung zwischen der Innenwand des Na Jt.Verdichtungszylinders 35 und der verfestigten Schicht β (siehe F i g. 6) im Preßkanal 17 erzeugt vird, und dem Widersland entspricht, der als Ergebnis der Scherverformung der verfestigten Schicht/?entsteht.die am inneren Hnde 35b der inneren Umfangsfläche des Nachverdichlungszylinders 35 gebildet ist.

Der tvl.iiimaldruck P„„„ergibt sich durch folgende Gleichungen:

P_min- πτ¹ = P_onr² + P_o -Inr-L ■ \ι Λ-2 nr ■-Jl ■ ε Ui) · ι (6)

'ΛΙ/Λ

wobei rden Radius des Preßkolbens 36 darstellt, während L die Länge des Preßkanals 17 darstellt, die in diesem Fall gleich der in der Bewegungsrichtung des Preßkolbens 36 gemessenen Länge der Berührungsfläche zwischen der verfestigten Schicht/?im Preßkanal 17 und in der inneren Umfangsfläche des Nachverdichtungszylinders 35 ist;,« stellt den Koeffizienten der Gleitreibung zwischen dem Preßkoiben 36 und dem Nachverdichtungszylinder 35 dar;// wurde bei der beschriebenen Einrichtung zu 0,3 ermittelt und liegt gewöhnlich zwischen 0,2 und 0,4; f(fi) stellt die f, Sekunden nachdem Füllen gemessene Dicke der verfestigten Schicht/?dar; das Symbol r stellt die Spannung dar, die zum Abscherender verfestigten Schicht β notwendig ist und die im Falle einer Aluminiumlegierung im Bereich von 20 bis 30 N/'cm² liegt.

Versuche unter verschiedenen Preßdrücken zum Zusammenhang zwischen der nach Beendigung der Formfüllung abgelaufenen Zeit ί und der Dicke e der verfestigten Schicht β ergaben die in F i g. 8 gezeigten Ergebnisse. Dabei ist für die Zeitverzögerung Γ =0,5 Sekunden die Dicke ε (ι =0.5) ungefähr 1 mm. Die Dicke der Sehe-

für den Fall, daß das geschmolzene Metall Aluminium ist und die Scherungsfiäche;' unter einem Winkel von 45° zu der Dickenrichtung der verfestigten Schicht /^entsteht.

Die Vorwärtsbewegung des Preßkolbens 36 wird ermöglicht, wenn der Druck den Minimaldruck P_mm übersteigt. Sobald die Vorwärtsbewegung des Preßkolbens 36 begonnen hat, nimmt die Länge der Berührungsfläche, d. h. die Länge L des Preßkanals, ab, so daß der für das Pressen notwendige Druck höher als der Minimaldruck Pmm gehalten wird.

Andererseits ist der obere Grrnzdruck P,,,,,, der höchste Druck innerhalb eines Druckbereichs, der keine jo Rückwärtsbewegung des Gießkolbens 13 verursachen würde. Der tatsächlich zum Gießkolben 13 übertragene Druck ist geringer als der mittels des Preßkolbens 36 ausgeübte Druck Pa, und zwar um einen Druck, der dem Druckabfall APentspricht, wenn das geschmolzene Metall durch die Einlaufrinne 34 und andere Teile hindurchtritt. Daher kann dieser Druck einen solchen Wert haben, daß die um das innere Ende des Gießkolbens 13 gebildete verfestigte Schicht β nicht abgeschert wird. Im einzelnen ist es notwendig, einen Druckausgleich am Ende des Gießkolbens 13 folgendermaßen zu erzielen:

ro /uv — ν* » "'/« V» <■ \'1I) ·■ " V" <· V'2/) T". «· («2; · ("J

wobei R der Radius des Gießkolbens 13 ist.
Aus der Gleichung (8) wird dann abgeleitet:

(R - ε (I₂)Y

Ferner ist der Zusammenhang zwischen dem Druck Pa des mittels des Preßkolbens 36 gepreßten geschmolzenen Metalls und der Maximaldruck des Preßkolbens 36 dargestellt durch:

Pmox-rc-r² = Ρα π r¹ +ft· 2 πr ■ L'■ μ + 2 nr VTε U₂) ■ ι (10) so

wobei L'die Länge der Berührungsfläche zum Zeitpunkt ti darstellt.

Daher ergibt sich der Maximaldruck des Preßkolbens 36 durch die folgende Gleichung:

ρ _ (r +2L'μ) (M?+2 (R - efa)) vTgfo) · r) (r + 2L'p)AP 2 VTε U₂) ■ τ

'max ~ ~ ; Γ3 "r "1

(R -ε U₂))² -τ r r

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im industriellen Maßstab wird jedoch in Betracht gezogen, daß bei Anwendung des durch die Gleichung (12) bestimmten Maximaldrucks P,„._lv bei bestimmten Arten von Erzeugnissen der Preßdruck in manchen Fällen unangemessen hoch wäre, so daß Schwankungen des Druckabfalls /4P, der Dicke ε der verfestigten Schicht β usw. entstehen würden. Es ist daher notwendig, daß der praktisch angewandte .Maximaldruck P_n,,,,' kleiner als der aus der vorstehenden Gleichung erzielte Maximaiwert Pmax gewählt wird. Im Vergleich mit den anderen Faktoren ist es schwierig, den Druckabfall ΔΡ quantitativ zu bestimmen. Daher wird als praktisch anwendbarer Maximaldruck P_n,.,/ der Druck angewandt, der durch Sub-

traktion des Gliedes des Druckabfalls JP, nämlich

{r+ 2 L'μ) Α Ρ

von dem durch <!ie vorstehende Gleichung erzielten Maximaldruck P_n^_x erzielt wird.

Bei der Bestimmung der Dicke ε der verfestigten Schicht β zeigen die Versuche, daß ein praktisch anwendbarer Wert der Zeit t> nach dem Füllen der Form annähernd gleich der Zeit gewählt werden kann, die der Preßkolben 36 braucht, um sich bis zur Mitte der Länge L des Preßkanals 17 zu bewegen.

ίο Das geschmolzene Metall wird im Preßkanal 17 mit einem vorbestimmten Druck zwischen dem oben erwähnten Minimaldruck P_mi„ und dem praktisch angewandten Maximaldruck /W verdichtet Dieser Verdichtungsdruck wird so lange aufrechterhalten, bis die Verfestigung im Formhohlraum 30 abgeschlossen ist d. h. bis sich das Metall auf der Seite der Einlaufrinne 34 unmittelbar neben dem Formhohlraum 30 vollständig verfestigt hat.

Danach wird in üblicher Weise das Druckguß-Erzeugnis ausgeworfen und die Druckgießmaschiene in ihre Ausgangsstellung zurückgefahren.

Das mit dem erfindungsgemäßen Druckgießverfahren erzielte Erzeugnis hat beispielsweise eine Form gemäß

der Dur stellung in den F i g. 8{a) und 8{b). Die Teile, die sich in der Gießkammer 14 im Eingießkanal 31 und in den Entlüftungsöffnungen 33 verfestigt haben (schraffierte Flächen R in den F i g. 8(a) und 8(b)), werden mittels einer Presse abgeschnitten, und der Teilbereich, der sich im Metall-Anlagerungsraum 32 (feinschraffierte Fläche S in den F i g. 8(a) und 8(b)) verfestigt hai. durch Nachbearbeitung entfernt.

Es ist möglich, den ins Metaü-Anlagerungsraum 32 verfestigten Teilbereich 5 teilweise oder ganz als ein Teil des Endproduktes zu verwenden. Dieser Teilbereich wird jedoch vorzugsweise aus folgendem Grund entfernt.

Wie vorstehend ausgeführt ist, beeinträchugen Oberflächenfehler und Seigerungen die Festigkeit und die Bearbeitbarkeit des Erzeugnisses. Daher sollte vorzugsweise der im Metall-Anlagerungsraum 32 verfestigte Teil insbesondere in den Fällen entfernt werden, bei denen es beabsichtigt ist, das Erzeugnis unter hohem Druck zu verwenden oder einer Präzisions-Bearbeitung zu unterziehen.

Im Gegensatz dazu enthält der im Formhohlraum 30 verfestigte Teilbereich keinerlei Fehler, da das geschmolzene Metall im Formhohlraum 30 nicht direkt mittels des Preßkolbens 36 gepreßt wird.

Die F i g. 9 zeigt die Verteilung von (mit O bezeichneten) Dichten von Erzeugnissen aus einer Aluminiumlegierung, die mittels des erfindungsgemäßen Druckgießverfahrens erzeugt wurden, und die Verteilung von (mit D bezeichneten) Dichten von Erzeugnissen aus einer gleichartigen Aluminiumlegierung, die mittels des herkömmlichen Verfahrens ohne N ach verdichtung erzeugt wurden. Die Dichteverteilung wurde derart gemessen, daß jedes Druckguß-Erzeugnis in 136 Teile aufgeschnitten wurde, die Dichten der jeweiligen Teile gemessen wurden und die Anzahl der Teile gezählt wurde, denen jeweils ein gemeinsamer Dichtewert zugeordnet werden konnte. In F i g. 9 ist die Teileanzahl für den jeweiligen Dichtewert dargestellt. Demzufolge hat das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Erzeugnis einen Dichtewert, der nahe der wahren Dichte liegt.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

Claims

Patentansprüche:

1. Druckgießverfahren, bei dem ein Formhohlraum und ein mit ihm verbundener Preßkanal mit geschmolzenem Metall gefüllt wird, das mittels eines Gießkolbens durch den Abschnitt eines Eingußsystems eingedrückt wird, und bei dem anschließend im Preßkanal ein Preßkolben verschoben wird, um die Schmelze im Formhohlraum unter Preßdruck zu setzen und durch Metall aus dem Preßkanal zu ergänzen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mit der Preßdruckbeaufschlagung begonnen wird, bevor die Schmelze im Anschnitt und zumindest einem Teil des übrigen Eingußsystems erstarrt ist, und

b) daß während der Preßdruckbeaufschlagung ein Teil der Schmelze aus dem Formhohlraum in das Eingußsystem zurückgedrückt wird, und

c) daß der Preßdruck kleiner als der zur Rückwärtsverschiebung des Gießkolbens notwendige Druck P_m„ ist

2. Druckgießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkolben während der Preßdruckbeaufschlagung um eine Strecke verschoben wird, die kleiner oder gleich der zum Formhohlraum hin freien Länge des Preßkanals ist.

3. Druckgießverfahren nach Anspruch 1 oder 2 unter Verwendung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet daß der Druck P_max bestimmt wird als

_ (r + 2 L' μ) {P₀R²+2(R-e U₂)) VTt Q₂) - r} " (»²

2τ/2ε(ι₂) τ

to