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Druckgießmaschine
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Druckgießmaschine mit einem
Zylinder, mit einem innerhalb des Zylinders verschiebbaren Preßkolben, der mit dem
Zylinder eine Gießkammer begrenzt; mit einer Gießform, die mit der Gießkammer über
eine Anschnittöffnung in Verbindung steht.
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Beim Druckgießen ist bekannt, daß die Qualität des erhaltenen Formteiles,
insbesondere die strukturelle Homogenität, die Freiheit von Poren und Lufteinschlüssen,
in erheblichem Maß vom Füllungsgrad der Gießkammer abhängt. Dies beruht darauf,
daß bei der schnellen Vorwärtsbewegung des Preßkolbens in dem vorwärtsgeschobenen,
flüssigen Gießwerkstoff eine sich überschlagende Welle erzeugt wird, welche zur
Lufteinschlüssen im noch flüssigen Werkstoff vor Auslösung des eigentlichen Schusses
führt. Auf verschiedene Weise wurde versucht, diesen Effekt durch eine besondere
Geschwindigkeitssteuerung des Preßkolbens zu mildern. Im allgemeinen wird dabei
so vorgegangen, daß in der Anfangsphase der Preßkolbenbewegung die Preßkolbengeschwindigkeit
verhältnismäßig klein ist, um so ein "Uberschlagen" der Welle im flüssigen Gießwerkstoff
zu verhindern. Die Preßkolbenbewegung wird dann in unterschiedlicher Weise auf die
für den Schuß erforderliche Geschwindigkeit gesteigert.
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Aus dem Zeitschriftenartikel Einfluß der Länge der Formfüllphase und
des Gießkammer-Füllungsgrades auf die Kolbengeschwindigkeit von Kaltkammermaschinen
und auf die Eigenschaften im Druckgußstück" ist es bekannt, den Preßkolbenvorschub
diskontinuierlich von einer niedrigeren Anfangsgeschwindigkeit auf die höhere Schußgeschwindigkeit
umzustellen, wenn ein bestimmter Füllungsgrad der Gießkammer erreicht ist. Bei dem
aus dem Zeitschriftenartikel "Parashot, der turbulenzarme Vorlauf beim DruckgieSverfahren",
Gießereipraxis, No. 5/1976, Seiten 64 ff., bekannten Ver-
fahren
wird der Preßkolben dagegen konstant beschleunigt.
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Bei allen bekannten Versuchen, die Kolbengeschwindigkeit bis zur Erreichung
eines bestimmten Gießkammer-Füllungsgrades relativ niedrig zu halten und so das
"Uberschwappen" der Gießwerkstoffwelle zu verhindern, läßt sich jedoch der ideale
Gießkammerfüllungsgrad von 100* nicht realisieren.
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Zudem werden die Taktzeiten der Druckgießmaschine erheblich verringert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Druckgießmaschine
der eingangs genannten Art derart auszubilden,daß mit sehr schnellen Taktzeiten
ein Gießkammer-Füllungsgrad von annähernd 100% und damit eine hohe Güte des erzielten
Formteiles erreicht werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß a) ein Gegenkolben
vorgesehen ist, der von dem dem Preßkolben gegenüberliegenden Ende des Zylinders
aus in eine Stellung verfahrbar ist, in welcher er mit dem Preßkolben und dem Zylinder
eine bis auf Entlüftungswege geschlossene Gießkammer variablen Volumens bildet;
b) die Bewegungsabläufe der beiden Kolben beim Arbeitshub des Preßkolbens so aufeinander
abgestimmt sind, daß das Volumen der Gießkammer auf einen Wert verringert ist, welcher
einem Füllungsgrad von annähernd 1 00% entspricht, bevor der sich zurückziehende
Gegenkolben die Anschnittöffnung freigibt.
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In der erfindungsgemäß zwischen den beiden Kolben vorgesehenen Gießkammer
variablen Volumens läßt sich während der ersten Bewegungsphase des Preßkolbens also
die hierin enthaltene, über dem flüssigen Gießwerkstoff stehende Luft
vollständig
verdrängen. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Preßkolbens braucht dabei nicht besonders
gering zu sein.
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Ist der gewünschte Füllungsgrad der Gießkammer von annähernd 100%
erreicht, so wird die Position dieser Gießkamer gewissermaßen zwischen dem sich
nun zurückziehenden Gegenkolben und dem weiter vorrückenden Preßkolben innerhalb
des Zylinders verlagert, bis schließlich die Anschnittöffnung freigegeben wird;
der "Schuß" kann sich durch weiteres Vorwärtsbewegen des Preßkolbens kontinuierlich
anschließen.
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Der Gegenkolben kann dabei von einem Stellmotor betätigbar sein Dies
empfiehlt sich insbesondere dann, wenn - beispielsweise bei einer Vielzahl unterschiedlicher
herzustellender Formteile - eine individuelle Programmierung der Gegenkolbenbewegung
möglich sein soll.
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Beispielsweise kann der Gegenkolben in seiner ausgefahrenen Position
stillstehen, bis durch den im Arbeitshub vorrückenden Preßkolben die Luft aus der
Gießkammer variablen Volumens verdrängt ist. Ein Kraft- oder Drucksensor kann vorgesehen
sein, welcher die variable Kompressibilität der Gießkammer überwacht und bei Erreichen
einer Kompressibilität, welche den gewünschten Füllungsgrad der Gießkammer anzeigt,
die Rückwärtsbewegung des Gegenkolbens auslöst.
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Auf diese Weise können sehr unterschiedliche Formteile, die unterschiedliche
Mengen Gießwerkstoff benötigen, automatisch hergestellt werden, wobei der Gegenkolben
sich immer erst dann in Bewegungsetzt, wenn der erforderliche Füllungsgrad der Gießkammer
erreicht ist.
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Alternativ können sich der Preßkolben und der Gegenkolben in der Phase,
in welcher die Luft aus der Gießkammer verdrängt wird, mit einer solchen Differenzgeschwindigkeit
bewegen, daß der erwünschte Füllungsgrad der Gießkammer
erreicht
wird, kurz bevor der sich zurückziehende Gegenkolben die Anschnittöffnung freigibt.
Diese Arbeitsweise ist steuerungstechnisch etwas einfacher und empfiehlt sich insbesondere
dann, wenn große Stückzahlen gleicher Formteile hergestellt werden sollen und deshalb
für die Bewegungsgeschwindigkeiten der beiden Kolben Erfahrungswerte angesetzt werden
können.
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Schließlich ist es auch möglich, daß der Gegenkolben von einer Druckfeder
beaufschlagt ist, dessen Stärke so bemessen ist, daß der Gegenkolben sich während
der Luftverdrängung aus der Gießkammer nur wenig oder gar nicht und nach abgeschlossener
Luftverdrängung gemeinsam mit dem Preßkolben bewegt. Abgesehen davon, daß hier selbstverständlich
der geringste steuerungstechnische Aufwand anfällt, ergibt sich noch der zusätzliche
Vorteil, daß unabhängig von der Menge des jeweils in die Gießkammer eingefüllten
Gießwerkstoffes immer der richtige Füllungsgrad der Gießkammer erreicht wird, bevor
sich der Gegenkolben zurückzuziehen beginnt. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch
gemacht, daß eine Kräfteübertragung zwischen dem vorrückenden Preßkolben und dem
Gegenkolben solange praktisch nicht möglich ist, wie die Gießkammer noch Luft enthält,
also leicht komprimierbar ist.
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Die Entlüftungswege der Gießkammer können durch axiale Nuten in der
Mantelfläche des Preßkolbens gebildet sein, wobei sich versteht, daß sie geometrisch
so angeordnet sind, daß sie vom flüssigen Gießwerkstoff erst bei vollständiger Füllung
der Gießkammer erreicht werden. Der in die Entlüftungsnuten dann eindringende Gießwerkstoff
erstarrt dort rasch und verstopft die Entlüftungswege, was ein gewünschter Effekt
ist.
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In diesem Falle sind zweckmäßigerweise an der Innenwand
des
Zylinders Abstreifer vorgesehen, welche in die Nuten eingreifen. Diese Abstreifer
säubern beim Rückfahren des Preßkolbens Ln die ausgangsstellung die Nutetl vom (ifltJ('-drungenen
und erstarrten Gießwerkstoff.
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Selbstverständlich sind auch andere Entlüftungswege denkbar; beispielsweise
können die Entlüftungswege durch entsprechend angeordnete radiale Öffnungen der
Zylinderwand gebildet sein.
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Zur Entformung des Formteiles ist es zweckmäßig, daß die Gießform
entlang einer senkrecht verlaufenden Trennungsebene in eine stationäre Hälfte und
eine bewegliche Hälfte teilbar ist und daß der Zylinder entlang einer ggfs.
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mit der ersten Trennungsebene zusammenfallenden, senkrecht zur Zylinderachse
verlaufenden Trennuncjsebene in clnen stationären Abschnitt und einen beweglichen
Abschnitt teilbar ist. Die stationäre Hälfte der Gießform ist vorteilhafterweise
starr mit dem stationären Abschnitt des Zylinders verbunden; die bewegliche Hälfte
der Gießform ist starr mit dem beweglichen Abschnitt des Zylinders verbunden.
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Auf diese Weise kann die Ausgestaltung so erfolgen, daß der bewegliche
Abschnitt des Zylinders, der Gegenkolben und der diesen betätigende Stellmotor bzw.
die Druckfeder eine gemeinsame bewegbare Einheit bilden.
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In gewissen Fällen kann es zweckmäßig sein, wenn der Zylinder zur
leichteren Entlüftung der Gießkammer leicht gegenüber der Horizontalen verkippt
ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnung näher erläutert; es zeigen
Fign. 1 - 4 verschiedene Phasen
im Betrieb einer erfindungsgemäßen Druckgießmaschine (senkrechte Schnitte).
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Die Maschine umfaßt einen auf dem Gestell 1 horizontal oder auch in
leichter Schräglage angeordneten Zylinder 2, der in noch zu beschreibender Weise
in zwei Abschnitte unterteilt ist.
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Innerhalb des Zylinders 2 befinden sich zwei verschiebbare Kolben:
An dem in der Zeichnung linken Zylinderende ist, dem Einfülltrichter 3 und der Einfüllöffnung
4 benachbart, ein Preßkolben 5 angeordnet. Dieser wird über die Kolbenstange 6 von
einem nur teilweise dargestellten hydraulischen Stellmotor 7 betätigt. In die Mantelfläche
des Preßkolbens 5 sind mehrere über die gesamte Länge verlaufende axiale Nuten 9
eingearbeitet, deren Größe in der Zeichnung stark übertrieben ist.
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Von der Zylinderinnenwand nach innen vorstehende Abstreifer 8 (greifen
in d1< Nuten 9 ein.
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An dem in der Zeichnung rechten Zylinderende ist, der Gießform 18
benachbart, ein Gegenkolben 11 angeordnet. Dieser wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel
über die Kolbenstange 12 von einem nur teilweise dargestellten Stellmotor 13 betätigt.
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Der Innenraum des Zylinders ist über eine Art Anschnittöffnung 16
in der Zylinderwand mit dem speziell ausgestalteten Anschnitt des Formhohlraums
17 der Gießform 18 verbunden. Diese ist, gemeinsam mit dem Zylinder 2, zur Entformung
des Formteiles entlang der Ebene II-II teilbar.
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Hierzu ist die in der Zeichnung rechts von der Trennungsebene II-II
liegende Gießformhälfte 18b starr mit dem ebenfalls rechts der Trennungsebene liegenden
Zylinderabschnitt 2 b verbunden. Ein Stellmotor 19 (nur
teilweise
dargestellt) greift über eine Betätigungsstange 20 an der Gießformhälfte 18b an
und kann diese zwischen der in der Zeichnung dargestellten Arbeitsstellung und einer
rechts hiervon liegenden Entformungsstellung hin- und herbewegen. Die aus dem Zylinderabschnitt
2b, dem Gegenkolben 11 und dessen Stellmotor 13 bestehende Einheit macht diese Bewegung
der Gießformhälfte 18b mit.
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Die in der Zeichnung links von der Trennungsebene II-II angeordnete
Gießformhälfte 18a ist stationär und starr mit dem links von der Trennungsebene
II-II liegenden Zylinderabschnitt 2a verbunden. Dieser ist seinerseits am Maschinengestell
1 befestigt.
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Die Funktionsweise der beschriebenen Maschine und die Bewegungsabläufe
in dieser sind wie folgt: Zu Beginn eines Arbeitszyklusses befinden sich die verschiedenen
Elemente in folgenden Positionen: die Gießformhälften 18a, 18b sowie die Zylinderabschnitte
2a, 2b sind nach Entformung des letzten Formteiles zusammengeführt, wie dies in
sämtlichen Figuren dargestellt ist. Die Kolben 5, 11 befinden sich in ihren am weitesten
zurückgezogenen Positionen. Für den Preßkolben 5 ist diese Stellung in Fig. 1, für
den Gegenkolben 11 in den Fign. 3 und 4 dargestellt.
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Der erste Bewegungsablauf im Arbeitszyklus ist das Verfahren des Gegenkolbens
11 in den stationären Zylinderabschnitt 2a. So ergibt sich die in Fig. 1 gezeigte
Situation, in welcher durch die beiden Kolben 5, 11 sowie den Zylinderabschnitt
2a eine Gießkammer 21 gebildet wird. In diese wird über den Einfülltrichter 3 und
die Einfüllöffnung 4 eine bestimmte Menge flüssigen Gießwerkstoffes eingegeben,
wodurch die Gießkammer 21 etwa bis zu dem in Fig. 1 darge-
stellten
Grad gefüllt wird.
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Nun beginnt sich der Preßkolben 5 in Bewegung zu setzen.
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Die Einfüllöffnung 4 wird verlegt; die Gießkammer 21 ist -bis auf
durch die Nuten 9 gebildete Entlüftungswege - allseits geschlossen. Rückt der Preßkolben
5 bei stillstehendem Gegenkolben weiter vor, so verringert sich das Volumen der
Gießkammer 21: die über dem Gießwerkstoff stehende Luft wird über die Entlüftungsnuten
9 ausgetrieben (selbstverständlich ist es möglich, anstelle der Entlüftungsnuten
9 auch andere Entlüftungswege vorzusehen, beispielsweise in der oberen Zylinderwand
enthaltene radiale Entlüftungsöffnungen). Der Preßkolben 5 wird auf diese Weise
zunächst so weit vorgeschoben, bis die gesamte Luft aus der Gießkammer 21 entwichen
ist. Dies ist der in Fig. 2 gezeigte Zustand, der übrigens durch die Kraft, welche
vom Preßkolben 5 auf den Gegenkolben 11 übertragen wird, leicht erfaßt werden kann:
die Gießkammer 21 verliert in diesem Augenblick im wesentlichen ihre Kompressibilität.
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Beim weiteren Vorrücken des Preßkolbens 5 über die in Fig.2 dargestellte
Stellung hinaus beginnt sich nun der Gegenkolben 11 mit gleicher Geschwindigkeit
zurückzuziehen, so daß praktisch die Gießkammer 21 (Füllungsgrad 100*) unter Aufrechterhaltung
ihres Volumens zwischen den Kolben 5, 11 innerhalb des Zylinders 2 in der Zeichnung
nach rechts wandert.
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Schließlich gibt der Gegenkolben 11 dieAnschnittoffnung 16 frei und
kommt zur Ruhe. Der-Preßkolben 5 dagegen setzt seine Bewegung fort und löst dabei
den eigentlichen Schuß aus (Fig. 3). Der Gießwerkstoff wird - praktisch lufteinschlußfrei
- in den Formhohlraum 17 eingespritzt und baut dabei ein weitgehend einschluß- und
porenfreies, sehr homogenes Formteil auf.
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Selbstverständlich tritt während dieser und auch schon in der vorhergehenden
Phase Gießwerkstoff in die Entlüftungsnuten 9 ein. Dies ist jedoch wegen der kleinen
Abmessungen der Nuten 9 unbedeutend. Zudem erstarrt der dort eingedrungene flüssige
Gießwerkstoff aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen rasch.
Die Nuten 9 bilden so ein sich in gewünschter Weise selbst verstopfendes Entlüftungssystem
für die Gießkammer 21.
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Beim nun folgenden Rückfahren des Preßkolbens 5 in die Ausgangsstellung
schaben die Abstreifer 8, wie in Fig. 4 gezeigt, die mit Gießwerkstoff zugesetzten
Nuten 9 aus. Winzige Späne aus Gießwerkstoff gelangen dabei in das Innere der Gießkammer
21. Sie sind im allgemeinen unschädlich, da sie bei der nächstfolgenden Beschickung
der Gießkammer 21 mit flüssigem Gießwerkstoff problemlos aufgeschmolzen werden.
Im Bedarfsfalle können die Späne aber auch in irgendeiner Weise vor Beginn des nächsten
Arbeitszyklusses entfernt werden.
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Neben ihrer Reinigungsfunktion erfüllen die in die Nuten 9 eingreifenden
Abstreifer 8 auch die Aufgabe, dem Preßkolben 5 eine Drehführung zu geben.
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Nach Erstarren des Gießwerkstoffes im Formhohlraum 17 werden die Gießformhälften
18a, 18b sowie die Zylinderabschnitte 2a, 2b mittels des Stellmotors 19 auseinandergefahren.
Die Entformung des Formteiles kann so problemlos in -bekennter Weise, beispielsweise
durch die zusätzliche Verwendung von Auswerfern, vorgaxrrEn werden.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß der Gegenkolben 11 in der
Phase, in welcher die Luft aus der Gießkammer 21 verdrängt wird (also zwischen den
in den Fign. 1 und 2 gezeigten Zuständen) stillsteht. Preßkolben 5 und Gegenkolben
11 können sich, ausgehend von dem in Fig. 1 darge-
stellten Zustand,
auch mit einer bestimmten Differenzgeschwindigkeit in der Zeichnung nach rechts
bewegen. Die Geschwindigkeiten werden dann so aufeinander abgestimmt, daß der Füllungsgrad
der Gießkammer 21 100% beträgt (vollständige Luftverdrängung), kurz bevor der Gegenkolben
11 die Anschnittöffnung 16 freigibt.
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Diese Art der Kolbensteuerung, die etwas einfacher als die oben geschilderte
ist, läßt sich vorteilhaft insbesondere dort einsetzen, wo große Stückzahlen gleicher
Formteile hergestellt werden und demzufolge der Zeitpunkt, zu dem der erforderliche
Gießkammer-Füllungsgrad vorliegt, nicht mehr für jeden Einzelfall neu bestimmt werden
muß.
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In bestimmten Fällen ist es auch möglich, den Stellmotor 13, mit welchem
der Gegenkolben 11 verfahren wird, durch eine einfache Druckfeder zu ersetzen: diese
besorgt das Ausfahren des Gegenkolbens 11 in die in Fig. 1 dargestellte Position,
die einzige Bewegung, die vom Gegenkolben 11 "aktiv" ausgeführt werden muß. Der
Gegenkolben 11 wird dann von den über die Gießkammer 21 vom Preßkolben 5 her übertragenen
Kräften zurückgestellt. Die variable Kompressibilität der Gießkammer 21, abgestimmt
auf eine entsprechende Steifigkeit der Druckfeder, sorgt ohne komplizierte Steuerung
für die erforderlichen Gegenkolbenbewegungen: der Gegenkolben 11 steht im wesentlichen
still, solange noch Luft aus der Gießkammer 21 ausgetrieben wird. Letztere wird
beim Füllungsgrad 100% praktisch inkompressibel und bewirkt so einen direkten Kraftschluß
zwischen Preßkolben 5 und Gegenkolben 11: der Gegenkolben 11 setzt sich in Bewegung
und wird vom Preßkolben 5 in die in Fig. 3 dargestellte Position gedrängt.
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Der Gegenkolben 11 braucht nicht wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
von der in der Zeichnung rechts
liegenden Seite her betätigt zu
werden. Unter bestimmten Bedingungen ist es auch denkbar, den Gegenkolben 11 mittels
einer Kolbenstange zu verfahren, die axial durch elen PrtIlkolben 5 hinduchverläuft.
Entscheidend ist nur die oben erläuterte Bewegungsführung der beiden Kolben.
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Abschließend sei auf eine Besonderheit der Preßkolbengestaltung hingewiesen.
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Wie oben erwähnt, dienen die in die Nuten 9 eingreifenden Abstreifer
8 gleichzeitig als Drehführung für den Preßkolben 5. Die Abstreifer 8 dürfen somit
während des gesamten Hubes des Preßkolbens 5 nicht aus den Nuten 9 austreten, was
eine entsprechende Länge des Preßkolbens erfordert.
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Um nun die Reibung des Preßkolbens 5 im Zylinder 2 nicht unnötig zu
erhöhen, weist der Preßkolben 5 an der den Nuten 9 gegenüberliegenden Seite eine
exzentrische, im Querschnitt sichelförmige Ausnehmung 23 auf.