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Metallmeßstab und Verfahren zu seiner Herstellung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Metallmeßstab und ein Verfahren
zu seiner Herstellung. Metallmeßstäbe werden dazu verwendet, den Hub oder die Verschiebung
eines Bauteils einer automatischen Maschine zu messen, die bei einer hohen Geschwindigkeit
oder bei veränderlichen Geschwindigkeiten arbeitet, beispielsweise einer Druckgießmaschine
oder einer Formengußmaschine. Die Meßinstrumente, die in solchen Anwendungen angewendet
werden, haben im allgemeinen eine kurze Lebensdauer, und ihre Eigenschaften sind
nicht immer zufriedenstellend. Besonders wenn die Beschleunigung des beweglichen
Bauteils über 20g ansteigt, sind herkömmliche Meßinstrumente vom Standpunkt ihrer
Lebensdauer, ihrer Ansprechgeschwindigkeit und ihrer Kosten nicht zufriedenstellend.
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Bei Formengußmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Metallgießmaschinen
oder ähnlichen Maschinen, die zum Herstellen von Produkten benötigt werden, die
eine ausgezeichnete Qualität bei geringem Ausschuß oder hohem Ertrag aufweisen,
ist es notwendig, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und die Verschiebung oder
den Hub eines Druckkolbens zu steuern, der an eine Kolbenstange einer mit Fluid
betätigten Vorrichtung angeschlossen ist. Gegenwärtig ist es schwierig, ein Meßinstrument
zu erhalten, wenn die Maximalbeschleunigung des Druckkolbens 50g erreicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Metallmeßstab und
ein Herstellungsverfahren des Metallmeßstabes anzugeben, das die unterschiedlichen
Schwierigkeiten des oben beschriebenen Standes der Technik vermeidet.
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Der erfindungsgemäße Metallmeßstab ist durch die Merkmale des Anspruchs
9 gekennzeichnet.
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Gemäß der Erfindung soll ein neuer magnetischer Metallmeßstab vorgesehen
werden, der eine gleichförmige und glatte Oberfläche aufweist, die mit einer genauen
Meßeinteilung versehen ist, die durch einen magnetischen Meßfühler abgetastet werden
kann, um die Verschiebung, die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Meßstabes
relativ zum Meßfühler zu messen.
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Außerdem soll ein Metallmeßstab vorgesehen werden, der direkt einen
Teil einer Maschine darstellen kann, der mit einer hohen Geschwindigkeit oder einer
veränderlichen Geschwindigkeit bewegt wird, wie beispielsweise eine Kolbenstange
einer Formengußmaschine oder einer Druckgießmaschine.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die-Merkmale des Anspruchs
1 gekennzeichnet.
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Die veränderten Bereiche sind im folgenden auch als modifizierte
Bereiche bezeichnet.
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Gemäß der Erfindung soll ein Herstellungsverfahren für einen Metallmeßstab
angegeben werden, durch das die Meßeinteilung eines Meßstabes mit feinen Linien
genau und schnell hergestellt werden kann.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen
beispielshalber beschrieben.
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Dabei zeigen: F I G . 1 einen Teil eines Längsschnittes eines Metallmeßstabes,
der ein Verfahren zur Herstellung der Meßeinteilung durch Verwendung eines energiereichen
Strahls zeigt; F I G . 2 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 1, die jedoch ein modifiziertes
Verfahren darstellt, wobei die Meßeinteilungen schraubenförmig ausgebildet sind;
F I G . 3 einen Längsschnitt des Meßstabes, der durch das in Fig. 1 gezeigte Verfahren
hergestellt worden ist und einen magnetischen Meßfühler; F I G . 4 eine Seitenansicht
einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallmeßstabes mittels einer drehenden Elektrode;
F I G . 5 eine Abbildung, die die Hauptbestandteile einer Formengußmaschine zeigt,
die den erfindungsgemäßen Meßstab verwendet; F I G . 6 eine grafische Darstellung,
die eine Geschwindigkeitskurve zeigt, die zur Erklärung der Arbeitsweise eines Druckkolbens
einer Formengußmaschine nützlich ist; F I G . 7 einen Schnitt, der längs einer in
Fig. 5 gezeigten Linie VII-VII verläuft; F I G . 8 einen Schnitt, der längs einer
in Fig. 7 gezeigten Linie VIII-VIII verläuft;
F I G . 9 einen Schnitt,
der längs einer in Fig. 8 gezeigten Linie IX-IX verläuft; F I G . 10 ein Schaltbild,
das einen magnetischen Meßfühler und mit diesem verbundene Schaltungselemente zeigt;
und F I G . 11 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Spannung
und der Verschiebung zeigt.
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Verschiedene Eigenschaften von Metallwerkstoffen ändern sich sehr,
wenn sie auf eine hohe Temperatur erhitzt werden oder von einer hohen Temperatur
schnell abgekühlt werden, obwohl sich das Mengenverhältnis ihrer Bestandteile nicht
ändert. Die Erfindung beabsichtigt die .nwendung der Permeabilitätsänderung. In
Legierungen, die ferromagnetische Metalle enthalten, beispielsweise Eisen, Nickel
oder Kobalt, ist die Änderung der Permeabilität beachtlich. Bei einer typischen
magnetischen Legierung, die aus 20 bis 30 Gew.- Eisen, 70 bis 80 Gew.-% Nickel besteht,
steigt die Permeabilität um den Faktor 30 bis 40, wenn die Legierung kaltgerollt,
auf 900 OC erhitzt und anschließend abgekühlt wird. Bei Baustählen und Spezialstählen
ist es möglich, ihre Permeabilität um 1/7 bis 1/20 zu verringern, indem sie von
einer Temperatur von 970 bis 1050 oC abgekühlt werden. Eine metallische plattierte
Legierungsschicht, die aus 92 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 8 Gew.- Phosphor besteht,
und die zum Vermeiden von Korrosion oder für dekorative Zwecke benutzt wird, kann
ihre Permeabilität um einen Faktor von 20 bis 30 durch Aufheizen auf 300 °C oder
mehr vergrößern.
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Es kann zwar die metallische Legierungsschicht als Überzug für eine
metallische Stange aufgetragen werden, indem irgendeines der vielen bekannten Verfahren
angewendet
wird, doch wurde herausgefunden, daß die Legierungsschichten
entweder durch chemisches Plattieren oder durch Elektrolyse aufgetragen werden sollten,
da die plattierte Legierungsschicht amorph ist und Merkmale aufweist, die einem
paramagnetischen Stoff ähnlich sind,und da er ferner in eine ferromagnetische Substanz
umgewandelt wird, wenn er auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als 300 0C
liegt.
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Der Metallmeßstab wird erfindungsgemäß nach einem der beiden folgenden
Verfahren hergestellt.
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Verfahren 1 Eine Schicht einer Nickel-Phosphor-Legierung wird auf
die Oberfläche eines geradlinigen metallischen Rohlings 1, der die Form eines zylindrischen
Stabes oder einer zylindrischen Stange 1 hat, durch chemisches Plattierung oder
durch Elektrolyse aufgetragen. Dann wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, während der
Rohling um seine Längsachse dreht, ein feiner Strahl 3 mit hoher Energie, beispielsweise
ein Laserstrahl, ein Infrarotstrahl, ein Elektronen- oder Ionenstrahl, auf die Oberfläche
der plattierten Schicht 2 projiziert, um sie auf eine hohe Temperatur zu erhitzen.
Da sich die Hitze dieses Bereiches schnell in dem kalten Innenbereich des Rohlings
verteilt, wird der erhitzte Bereich abgekühlt und bildet einen kreisförmigen Bereich
4 von veränderten Eigenschaften aus (magnetische Leitfähigkeit oder Permeabilität).
Nachdem der modifizierte Bereich 4 ausgebildet ist, wird der Rohling um einen vorbestimmten
Abstand vorgeschoben, um einen weiteren modifizierten Bereich 4 auszubilden. Die
modifizierten Bereiche haben einen bestimmten Abstand, so daß sie als ein gleichmäßig
mit Teilstrichen versehener Meßstab 6 benutzt werden können.
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Alternativ dazu wird, wenn der energiereiche Strahl 3 auf die plattierte
Schicht 2 angewendet wird, während
sich der Rohling dreht und er
kontinuierlich nach vorne bewegt wird, ein schraubenförmiger modifizierter Bereich
4 erreicht, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Da der Abstand der modifizierten Bereiche
konstant ist, kann er als Meßeinteilung des Meßstabes verwendet werden.
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann die Verschiebung des Meßstabes 6
gemessen werden, indem ein magnetischer Meßfühler 12 vorgesehen ist, der die Permeabilität
des modifizierten Bereiches 4 feststellt und durch Bewegen des Meßfühlers 12 und
des Meßstabes 6 in einer Richtung relativ zueinander, wie dies durch einen Pfeil
13 gezeigt ist. Einzelheiten des magnetischen Meßfühlers werden noch später beschrieben.
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Verfahren 2 Bei einem anderen in Fig. 4 beschriebenen Verfahren wird
ein runder stangenförmiger Metallrohling 15, der die plattierte Schicht 2 aufweist
(siehe Fig. 1 bis 3), mit einer nicht abgebildeten diinnen elektrisch isolierenden
Schicht oder einem Film abgedeckt. Ein Ende des Rohlings wird durch eine maschinelle
Einspannvorrichtung 17 gelagert und durch eine Drehscheibe 18 über einen Stift 16
gedreht, während am anderen Ende die isolierende Schicht entfernt worden ist und
ein elektrischer stromleitender Gleitring 20 auf dem isolierten Ende angeordnet
ist. Eine Kontaktbürste 21 wird gegen den Schleim ring 20 gedrückt, um den Rohling
15 mit elektrischem Strom zu versorgen. Eine scheibenförmige Heizabrollelektrode
23, die scharfe Umfangskanten aufweist, wird dem Rohling angrenzend gegenübergestellt,
um diesen linienförmig zu berühren, wobei sie die Isolierungsschicht durchdringt.
Die Heizabrollelektrode 23 ist auf einer Welle 24 parallel zum Rohling 15 gehaltert
und mit HilSe von Lagern 26 und 27 gelagert, die aus elek-
trisch
isolierendem Material hergestellt und durch Auflager 25 gelagert sind. Die Welle
24 wird durch eine Antriebsvorrichtung gedreht, beispielsweise einen Elektromotor
28, der an einem Ende vorgesehen ist. Ein elektrisch leitender Schleifring 29 wird
auf dem anderen Ende der Welle 24 befestigt, gegen den eine Kontaktbürste 30 gedrückt
ist. Anschlüsse 31 und 32, die zu den Schleifringen 30 und 21 führen, sind mit einer
nicht abgebildeten Gleichstromquelle verbunden, um von Strom durchflossen zu werden,
wodurch, wie in den gestrichelten Linien 22 gezeigt ist, die Isolierungsschicht
aufgebrochen wird. Im Bereich, in dem die Heizabrollelektrode 23 die plattierte
Schicht 2 berührt, ist die Stromdichte extrem hoch, so daß eine große Wärmemenge
an der Berührungsfläche erzeugt wird. Demgemäß werden modifizierte Bereiche, ähnlich
wie dies in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, auf der Oberfläche des Rohlings 15 ausgebildet,
so daß er als ein Meßstab verwendet werden kann.
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Das erste Verfahren ist dann vorteilhaft, wenn der Rohling aus Baustahl
oder einem Legierungsstahl hergestellt ist. Mit diesem Verfahren ist es möglich,
einen relativ kleinen Meßstab herzustellen, indem der energiereiche Strahl oder
die mit Plasma arbeitende Maschine verwendet wird.
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Im Gegensatz dazu kann man nach dem zweiten Verfahren die Temperatur
nicht über die Erweichungstemperatur des Rohlings erhöhen, wenn der Strom durch
die BerUhrungstläche der Heizabrollelektrode hindurchgedrungen ist. Da das Verfahren
und die Vorrichtung zum Herstellen des Meßstabes relativ einfach sind, kann das
Verfahren vorteilhaft zur Herstellung von einem relativ großen Metallmeßstab verwendet
werden.
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Fig. 5 zeigt wesentliche Bereiche einer Formengußmaschine, die den
erfindungsgemäßen Meßstab verwendet.
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Wie gezeigt ist, wird ein unter Druck stehender Ölzylinder 38 an einer
Seite eines Maschinenrahmens 36 über einen Seitenrahmen 37 befestigt. Eine Kolbenstange
39 im Zylinder 38 ist an einem Druckkolben 40 über eine Kupplung 41 verbunden. Der
Druckkolben 40 wird zum Einspritzen von geschmolzenem oder flüssigem Metall 46 in
einem Formenhohlraum 45 verwendet, der durch metallische Formhälften 43 und 44 bestimmt
ist.
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Bei einer Formengußmaschine oder einer Druckgießmaschine ist es allgemein
bekannt, daß der Hub, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Druckkolbens
40 einen großen Einfluß auf die Qualität des Produktes haben, so daß es notwendig
ist, diese Faktoren genau zu kontrollieren, um zufriedenstellende Produkte bei hohem
Vertrag oder niedrigem Ausschuß zu erhalten.
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Obwohl eine ideale Beziehung zwischen dem Hub und der Geschwindigkeit
des Druckkolbens, abhängig von der Form und Größe des Produktes, etwas anders ist,
wird eine typische Beziehung in Fig. 6 gezeigt, in der die Ordinate die Geschwindigkeit
und die Abszisse den Hub oder die Verschiebung des Druckkolbens zeigen. In Fig.
6 hat der Hochgeschwindigkeitsbereich 48 den größten Einfluß auf die Qualität des
Produktes. Die Gestaltung, Größe und Stärke usw. des Produktes werden stark vom
Anfangspunkt X und dem Betrag Y des Hochgeschwindigkeitsbereichs 48 beeinflußt,
so daß eine Uberwachung wesentlich ist, ob die Werte von X und Y optimal sind oder
nicht. Wenn diese Werte nicht optimal sind, sollten die Produkte, die unter diesen
Umständen hergestellt worden sind, weggeworfen werden. Ein Bereich 49 mit niedriger
Geschwindigkeit zeigt eine Anfangsstufe, bis das flüssige Metall 46, das durch den
Druckkolben ge-
drückt wird, die Eingußstelle 50 des Formenhohlraums
45 erreicht. Unter diesen Bedingungen schwankt die Oberfläche 51 des flüssigen Metalls
46 und neigt dazu, Luft in das flüssige Metall mitzureißen. Um diese Tendenz zu
vermeiden, muß der Betrag der Geschwindigkeit des Druckkolbens gesteuert werden.
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Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, ist die Kolbenstange 39 mit
einer plattierten Schicht 52 versehen, die durch chemisches Plattieren oder durch
Elektrolyse hergestellt wird und die zu 92 Gew.-% aus Nickel und zu 8 Gew.-% aus
Phosphor besteht und ferner mehrere modifizierte Bereiche 53 aufweist, die in regelmäßigen
Abständen gemäß dem zweiten Verfahren ausgebildet sind, um einen erfindungsgemäßen
Metallmeßstab zu vervollständigen.
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Der Meßfühler 14, der in Fig. 7 gezeigt ist, enthält ein Gehäuse
54, magnetische Widerstandselemente 56 und 57, einen magnetischen Abstandshalter
58, der aus magnetischem Material, beispielsweise aus Permalloy hergestellt ist,
einen Permanentmagneten 60, ein Magnetjoch 59, das den Permanentmagneten, den Abstandshalter
und die magnetischen Widerstandselemente umgibt, zwei Anschlüsse 14A und 14B, die
an die magnetischen Widerstandselemente angeschlossen sind, und ferner ein elektrisches
Isolationspulver 55, das in das Gehäuse 54 verdichtet worden ist.
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In dem in den Fig. 7 und 8 gezeigten Beispiel sind die Bereiche 53
mit Hitze behandelt worden, um eine hohe Permeabilität zu erreichen, so daß, wenn
einer der modifizierten Bereiche 53 das magnetische Widerstandselement 57 passiert,
der größte Teil des Magnetflusses durch den Magnet 60, den Abstandshalter 58, das
magnetische Widerstandselement 57, den modifizierten Bereich 53
und
das Magnetjoch 59 fließt, wie dies in gestrichelten Linien 58a gezeigt ist, so daß
der Widerstandswert des magnetischen Widerstandselements 57 erhöht wird. Wenn die
Kolbenstange 39, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, in Richtung des Pfeiles 63 bewegt
wird, um einen weiteren modifizierten Bereich 53 in eine Lage zu bringen, in der
dieser dem magnetischen Widerstandselement 56 gegenübersteht, dann fließt der Magnetfluß
durch dieses Element und erhöht seinen Widerstandswert und verringert damit den
Widerstandswert des magnetischen Widerstandselementes 57.
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Verbindungsleitungen 56A, 56B, 57A und 57B, die jeweils mit den magnetischen
Widerstandselementen 56 und 57 verbunden sind, sind an einen Kreislauf angeschlossen,
der eine Batterie 64 und Widerstände 65 und 66 enthält, wie dies in Fig. 10 gezeigt
ist. Wenn dann die Kolbenstange 39 bewegt wird, kann eine Ausgangsspannung Vo proportional
zur Verschiebung der Kolbenstange gemessen werden, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist.
Wenn diese Ausgangsspannung bezüglich der Zeit verarbeitet wird, kann man die Geschwindigkeit
und die Beschleunigung der Kolbenstange bestimmen. In Fig. 11 zeigt die Ordinate
die Ausgangsspannung, die Abszisse die Verschiebung des Kolbens und P den Abstand
der modifizierten Bereiche.
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Verschiedene Daten und Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsform
sind die folgenden: Beispiel: Kolbendurchmesser 39 70 mm Dicke der plattierten Schicht
200/um Abstand der Stricheinteilung 2 mm (modifizierte Bereiche) Breite der modifizierten
Bereiche 1 mm Tiefe der modifizierten Bereiche 150um
Spannung der
Batterie 64 5 -V Ausgangsspannung Vo (von Scheitelwert zu Scheitelwert) 52,0 mV
bei einer Kolbengeschwindigkeit von 0,5 m/s 51,7 mV bei einer Kolbengeschwindigkeit
von 5 m/s Wie aus diesen Daten festgestellt werden kann, ändert sich die Ausgangsspannung
nur wenig, obwohl die Kolbengeschwindigkeit in einem großen Bereich verändert wurde.
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Um die Kolbenstange 39 mit einer Meßeinteilung zu versehen, wurde
durch die Anschlüsse 31 und 32 ein Gleichstrom von 25A geleitet, und der Kolben
39 wurde mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/s gedreht. Nach der Meßeinteilung wurde
die Kolbenstange 39 durch Schleifen fertiggestellt, und ein Chromüberzug wurde auf
ihre Oberfläche in einer Dicke von 20/um aufgetragen, un das Verschleißverhalten
zu verbessern.
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Der in diesem Beispiel verwendete Meßfühler, der die Verschiebung
des Metallstabes in elektrische Signale umwandelt, ist im Handel erhältlich.