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Der Eingußbutzen am Werkstück ist das zylindrische Reststück an erstarrtem
Metall, welches innerhalb der Gießkammer der Druckgießmaschine verblieb. Dieses
Reststück bleibt aufgrund einer großen Masseanhäufung relativ lange flüssig und
dient dazu, dem erkaltenden und erstarrenden Werkstück flüssiges Metall nachzuliefern.
Ist der Eingußbutzen zu kurz, so kommt es zu einer zu raschen Abkühlung innerhalb
des Eingußbutzens und er kann seine Speiserfunktion nicht mehr erfüllen; das Werkstück
füllt dann die Form nicht mehr vollständig in allen Bereichen aus und muß daher
als Ausschuß verworfen werden. Ist der Eingußbutzen zu lang, so ist er bei der Werkstückentnahme
im Innern noch flüssig. Bei der Entnahme des Werkstückes aus der Form platzt er
meist auf, was zum einen eine starke
Gefährdung des Arbeiters darstellt;
zum anderen setzt sich meist der Werkstoffriß beim Platzen bis in das Werkstück
hinein fort, so daß auch dieses Ausschuß wird. Außerdem ist meist bei zu lang geratenem
Butzen die Fließdynamik der Metallschmelze beim Füllen des Gießwerkzeuges zu gering,
weil der Druckkolben zu früh zum Stillstand kommt. Dies kann sich ebenfalls in einer
schlechten Werkzeugfüllung äußern. Nur innerhalb eines relativ schmalen Streubereiches
von etwa 10 mm kann davon ausgegangen werden, daß die Werkstücke gut sind. Bei größerer
Streuung der Butzenlänge ist mit Ausschuß zu rechnen, der häufig jedoch bei der
Gußstückentnahme noch gar nicht erkannt wird. Dies stellt sich vielfach erst bei
der anschließenden mechanischen Bearbeitung des Werkstückes heraus, wodurch noch
viel mehr Kosten verursacht werden.
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Die eingangs genannte DE-AS 1287 756 zeigt eine Einrichtung zur pneumatischen
Metallmengendosierung bei Druckgießmaschinen, bei denen ein konstanter Treibgasdruck
und eine füllstandsabhängige variable Dosierzeit verwendet wird. Ausgehend von einem
vollen Gießofen, bei dem die Dosierzeit am kürzesten ist, wird bei jedem Schuß die
Dosierzeit um einen kleinen konstanten Betrag verlängert, um dem abnehmenden Füllstand
Rechnulig zu tragen. Außerdem wird die sich solcherart ergebende Dosierzeit in Abhängigkeit
von der Butzenlänge am Werkstück korrigiert. Fällt der Butzen zu lang aus, wird
beim nächsten Schuß um etwas weniger verlängert, fällt umgekehrt der Butzen zu kurz
aus, wird beim nächsten Schuß die Gießzeit um etwas mehr verlängert. Eine Füllstandserfassung
des Ofens ist nicht vorgesehen. Demgemäß muß für einen automatischen Ablauf des
taktweisen Gießvorganges die zugehörige Druckgießmaschine mit einem Zähler ausgerüstet
werden. Bei praktischen Ausführungen derartiger Gießanlagen bei der Anmelderin ist
der Zähler mit der Füllklappe des Ofens derart verbunden, daß nach einem Öffnen
der Füllklappe der Zähler jeweils wieder auf Null gestellt wird; es ist dann erforderlich,
daß der Ofen auf eine definierte Füllstandsmarke aufgefüllt wird. Dieses ist jedoch
nur mit großer Ungenauigkeit erreichbar.
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Aus diesem Grund fallen die Dosiermengen zumindest nach einer neuen
Ofenfüllung sehr ungenau aus. Diese groben Abweichungen lassen sich auch nicht durch
die in der zitierten Druckschrift vorgesehene Korrekturmöglichkeit, nämlich einer
Dosierzeitkorrektur nach Maßgabe der Butzenlänge, ausgleichen, weil die Butzenlänge
ein sehr empfindlicher Indikator für die Dosiermenge ist, der nur sinnvoll einsetzbar
ist, wenn die Dosierzeit schon relativ genau stimmt. Eine Dosierzeitkorrektur nach
der Butzenlänge ist also nur für eine Feinstkorrektur möglich. Diese Erkenntnis
ist jedoch der zitierten Druckschrift nicht zu entnehmen; vielmehr vermittelt diese
irrigerweise den Gedanken, daß eine Dosierzeitkorrektur nach der Butzenlänge bereits
für eine Grobkorrektur geeignet ist. Dem ist jedoch keineswegs so.
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Die in der DE-OS 22 32 223 gezeigte Einrichtung zur pneumatischen
Metallmengendosierung beschreitet einen anderen Weg; dort wird nämlich mit konstanter
Dosierzeit, aber variablem Treibgasdruck gearbeitet.
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Und zwar wird der Treibgasdruck füllstandsabhängig so variiert, daß
am unteren Ende eines Entnahmerohres während einer Metallentnahme ein gleichbleibender
Gesamtdruck herrscht. Der Gesamtdruck setzt sich aus dem hydrostatischen Druck des
Metallbades und dem Treibgasdruck zusammen. Dazu ist es nötig, daß nicht nur innerhalb
der konstanten Dosierzeit der Anteil, in
dem der Treibgasdruck erreicht ist, sondern
auch der Anteil, in dem der Druck auf dieses Niveau ansteigt, jeweils den gleichen
Zeitraum einnimmt. Der Füllstand des Ofens wird dabei über einen Schwimmer erfaßt.
Zur Steuerung des Druckanstieges und der Druckhöhe während der Konstantdruckphase
ist ein kompliziert aufgebautes Regelventil vorgesehen. Dieses Regelventil kann
nicht nur füllstandsabhängig beeinflußt werden, sondern auch in Abhängigkeit von
der Butzenlänge. Da die Druckhöhe während der Metallmengendosierung über vorgegebene
Strömungsquerschnitte bestimmt wird, diese jedoch viskositätsabhängig und somit
in Abhängigkeit von der Lufttemperatur mehr oder weniger Luft je Zeiteinheit durchlassen,
ist die Reproduziergenauigkeit für die druckhöhenabhängige Metallmengendosierung
nur relativ ungenau. Ein weiterer Grund für die Ungenauigkeit liegt darin, daß die
Druckhöhen selber, beispielsweise 600...800 mb und die Druckänderungen von Schuß
zu Schuß, z. B. 20 30 mb, nur relativ klein sind und von hohen Druckschwingungen
in der Größe von 30 . . 70 mb überlagert sind, die durch die großen Luftmengen und
deren schlagartigen Zu- bzw. Ablauf erklärbar sind. Eine Druckmessung während der
Metalldosierung ist wegen den überlagerten Druckschwingungen gar nicht möglich.
Bei druck-konstanter Metallmengendosierung mit variabler Zeit treten derartige Schwingungen
zwar auch auf, sind aber wegen der konstanten Druckquelle bei allen Dosiervorgängen
gleich und somit unbeachtlich. Aus diesem Grunde geht die vorliegende Erfindung
von der genauer reproduzierbar vorgebbaren Zeitsteuerung bei der Metallmengendosierung
aus. Diese arbeitet mit voll geöffneten Ventilquerschnitten, so daß sich Diskositätsschwankungen
nur wesentlich geringer auswirken als bei Drosselungsvorgängen. Da dieser Entgegenhaltung
keinerlei Hinweise über die Reproduziergenauigkeit der Metallmengendosierung überhaupt,
erst recht nicht aber bei der zeitabhängigen Metallmengendosierung zu entnehmen
sind, vermittelt diese Druckschrift dem Fachmann auch keinerlei Anregungen zur Lösung
des Problems die Dosiergenauigkeit bei der zeitabhängigen Metallmengendosierung
zu steigern.
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Die DE-OS 23 07 846 zeigt zwar auch eine pneumatische, zeitabhängige
gesteuerte Metallmengendosierung, bei der jedoch Genauigkeitsprobleme keine Rolle
spielen, weil die Füllung der Gießform unmittelbar photoelektrisch abgetastet und
demgemäß der Dosiervorgang beendet wird. Diese Art der Metallmengendosierung ist
deswegen ohne steuerungstechnische Anderungen auch für unterschiedlich große Gußstücke
geeignet, worauf diese Druckschrift ausdrücklich hinweist. Um die Metallentnahme
zu verkürzen wird in den Pausen, während denen kein Metall entnommen wird, die Ofen
atmosphäre auf einem Druck gehalten, in welchem der Badspiegel im Entnahmerohr stets
in Gießbereitschaft steht. Da der dazu erforderliche Druck im Ofeninnern in Abhängigkeit
vom Füllstand verändert werden muß, muß dieser Füllstand erfaßt werden. Zu diesem
Zweck ist der Ofen auf Wiegezellen aufgestellt. Über diese Wiegezellen wird also
der Basisdruck in der Ofenatmosphäre beeinflußt. Auch diese Druckschrift vermittelt
dem Fachmann keine Anregung dahin, wie bei der zeitabhängig beeinflußten pneumatischen
Metallmengendosierung die Dosiergenauigkeit gesteigert werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das zugrundegelegte Verfahren zur Metalldosierung
im Hinblick auf die Dosiergenauigkeit zu verbessern, so daß Ausschuß bei der
Herstellung
von Druckgußwerkstücken vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
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Dank der additiven Berücksichtigung der Grund-Dosierzeit und der Beschränkung
des Ofenfüllstandes auf eine nur relativ kleine Korrekturzeit und deren füllstandsabhängige
Veränderung wirkt sich ein Fehler bei der Füllstandsermittlung nur auf diesen kleinen
Bruchteil der jeweiligen Dosierzeit aus. Aufgrund dessen können hohe Dosiergenauigkeiten
erzielt werden, so daß bei den hergestellten Druckgußstücken die Butzenlänge in
der Tat nur innerhalb eines Bereiches von +5 mm streut und Ausschuß-Gußstücke vermieden
werden können.
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Zweckmäßigerweise wird der Füllstand durch eine Ofenwiegung in einer
auch bei Gießöfen bewährten Technik durchgeführt, wobei vorteilhafterweise Kraftmeßdosen
in die Auflagerung des Gießofens eingebaut werden. Diese arbeiten beim heutigen
Stand dieser Geberelemente mit relativ hoher Genauigkeit.
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Nach der Lehre von Anspruch 2 kann der Einfluß einer etwaigen Nicht-Linearität
des Füllstandes bezüglich der Dosierzeit reduziert werden, so daß eine noch höhere
Dosiergenauigkeit erreichbar ist.
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Außer durch eine Ofenwiegung kann der Füllstand auch noch auf andere
Weise ermittelt werden, beispielsweise durch Niveauabtastung des Metallbadspiegels.
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Beispielsweise kann ein Paar von Kontaktstäben auf die Spiegeloberfläche
abgesenkt werden, so daß ein elektrischer Kurzschluß zwischen den beiden Kontaktstäben
entsteht. Die Einsenktiefe der Kontaktstäbe entspricht dann dem Spiegelniveau. Denkbar
ist es auch, eine Keramiksonde, in die eine Induktionswicklung eingebettet ist,
in die Schmelze bis zum Boden des Ofens einzusenken; durch Induktionsmessung kann
auf den Füllstand des Ofens geschlossen werden. Nachteilig an diesen Meßeinrichtungen
ist, daß irgendwelche Teile mit der Schmelze in Berührung kommen, die jedoch sehr
korrosiv ist und mit der Zeit zu Zerstörungen der Meßeinrichtungen führt. Berührungsfrei
kann das Niveau durch eine Echolotung mittels Ultraschall oder mit Radarwellen ermittelt
werden. Der Emitter und der Empfänger des Echolotes können geschützt in einem Tubus
untergebracht sein. Eine weitere Möglichkeit der Füllstandsmessung ist mit der Schall-Resonanz-Methode
gegeben, bei der das Luftvolumen oberhalb des Metallbadspiegels mit einem Frequenzgemisch
im Schall bereich zu Schwipgungen angeregt wird, bei der jedoch nur die volumenabhängige
Eigenfrequenz des Luftraumes oberhalb des Metallbadspiegels am Empfängerteil feststellbar
ist. Die Höhe der dort festgestellten Frequenz ist ein Maß für das Luftvolumen,
um das es bei der Metalldosierung letztendlich geht.
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung
einer Einrichtung zur Metalldosierung beim Druckgießen und F i g. 2 ein Zeitdiagramm
zur Darstellung der Abhängigkeit der Dosierzeit von Füllstand.
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In Fig. list eine Druckgießmaschine 1 gezeigt, die aus dem Gießofen
2 taktweise mit einer definierten Metallmenge versorgt werden kann und diese zu
Gußstükken verarbeitet. Bei dem Gießofen handelt es sich um einen Zweikammerofen
mit einer Einfüllkammer 3 und einer nach außen luftdicht gekapselten Dosierkammer
4. Zum Niveauausgleich stehen beide Kammern an ei-
ner relativ tiefliegenden Stelle
über eine kleine Niveauausgleichsbohrung miteinander in Verbindung. Die Einfüllkammer
ist mit einer Klappe versehen, durch die aus einem Schmelzofen flüssiges Metall
nachgefüllt werden kann. In die Dosierkammer 4 mündet eine Luftleitung, in der ein
elektromagnetisch betätigbares Dosierventil 6 angeordnet ist und die zu einer Konstantdruckquelle
5 weiterführt. Die Dosierdrücke liegen etwa im Bereich von 60 bis 100 cm Wassersäule.
In die Dosierkammer ragt noch ein Steigrohr 7 hinein, über das bei einwirkendem
Luftdruck Schmelze nach oben gefördert werden kann, die über eine Rinne der Druckgießmaschine
1 zulaufen kann. Zur Erfassung des Füllstandes des Ofens ist dieser auf Wägezellen
8 aufgestellt, die die vertikale Auflagerungskraft in ein elektrisches Signal umwandeln
und dieses an die Dosiersteuerung 11 weiterleiten. Um ein gezieltes Befüllen des
Ofens zu erleichtern, ist auch eine Füllstandsuhr 12 vorgesehen, die von der Dosiersteuerung
11 aus ansteuerbar ist und dem Metallfahrer deutlich den Füllstand des Ofens anzeigt.
Dadurch können Überfüilungen des Ofens sicher vermieden werden.
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An der Druckgießmaschine ist ein nicht näher dargestellter Schußkolben
vorgesehen, von dem eine Kolbenstange 9 rückwärtig herausgeführt ist. Diese weist
an ihrem Ende eine Schrägfläche auf, die mit einem Paar von Endschaltern 10 zusammenarbeitet.
Dadurch kann innerhalb gewisser Weggrenzen die Kolbenendstellung abgetastet werden.
Beispielsweise kann durch das Endschalterpaar festgestellt werden, ob die Kolbenendstellung
zu weit links, zu weit rechts oder innerhalb eines Streubereiches gelegen hat.
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Zur Dosierung einer bestimmten Metallmenge, die von der Größe des
Werkstückes und der gußtechnisch erforderlichen Angußteile abhängt - Schußgewicht
-, wird das Luftvolumen in der Dosierkammer 4 über eine definierte Zeitspanne hinweg
an die Konstantdruckquelle 5 angeschlossen, wodurch während einer ebenfalls definierten
wenn auch kürzeren Zeitspanne hinweg Metall über das Steigrohr aus dem Gießofen
ausläuft.
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Die Dosierzeit ist bestimmt durch die Erregungszeit des Elektromagneten
zur Betätigung des Dosierventiles 6.
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Die Ansprechverzögerung des Dosierventiles und der allmähliche Druckaufbau
in dem Luftpolster der Dosierkammer gehen mit in diese Dosierzeit ein; nachdem jedoch
diese Verzögerungen innerhalb sehr enger Streubereiche nahezu konstant sind, kann
unter gleichbleibenden Voraussetzungen durch eine konstante Erregungszeit des Elektromagneten
am Dosierventil auch eine konstante Menge an Metallschmelze dosiert werden. Nach
Beendigung der Erregung kehrt das Dosierventil in die dargestellte Ausgangslage
zurück, in der der Luftraum in der Dosierkammer mit der Atmosphäre verbunden ist.
Der Vollständigkeit halber soll noch erwähnt werden, daß parallel zu dem Dosierventil
ein Sicherheitsventil vorgesehen ist, welches für den Fall des Hängenbleibens des
Dosierventiles in der angezogenen Stellung nach Ablauf der Dosierzeit öffnet so
daß nicht unnötig viel Schmelze aus der Dosierkammer auslaufen kann. Die Ausgänge
der Wägezellen 8 für die Füllstandsermittlung und der beiden Endschalter 10 sind
auf die Dosiersteuerung 11 geschaltet. An der Dosiersteuerung können die vom Schußgewicht
und von der Ofenkonstruktion abhängigen Grundzeit TG und eine allenfalls von diesen
Vorgaben abhängige Zeitdifferenz dT, als Festwerte eingegeben werden. Diese Zeitdifferenz
entspricht der Dosierzeit T, bei vollem bzw der <t) bei entleertem Gießofen.
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Zur möglichst genauen taktweisen Ermittlung der jeweils
benötigten
Dosierzeit wird von der voreingegebenen Grundzeit TG ausgegangen und dieser Grundzeit
ein füllstandsabhängiger Bruchteil der erwähnten Zeitdifferenz STo additiv überlagert.
Der Meßfehler bei der Füllstandsermittlung kann sich nur relativ geringfügig auf
die solcherart vorermittelte Dosierzeit auswirken, nachdem die Zeitdifferenz XTo
nur einen relativ kleinen Bruchteil der Grundzeit ausmacht. Die solcherart vermittelte
Dosierzeit ist jedoch noch nicht die endgültige Dosierzeit; vielmehr kann dieser
Zeitwert noch um eine konstante ebenfalls voreingebbare im Millisekundenbereich
liegende Zeitspanne verändert werden. Dies hängt davon ab, ob beim voraufgegangenen
Dosier -und Gießvorgang ein zu kurzer, ein zu langer oder ein gerade richtig langer
Eingußbutzen über die Endschalter 10 festgestellt wurde. Bei zu langem Eingußbutzen
-Überdosierung - wird diese Zeitspanne Atb von der vorermittelten Dosierzeit abgezogen,
bei zu kurzem eine Unterdosierung anzeigenden Eingußbutzen dazu addiert; bei richtig
langem Eingußbutzen bleibt es bei der vorermittelten Dosierzeit t.
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Grundsätzlich ist es nicht so wichtig, welchen Wert einer Grundzeit
und welchen zugehörigen Füllstand man bei der Ermittlung der Dosierzeit zugrundelegt.
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Beispielsweise kann man die bei voll gefülltem Ofen erforderliche
Dosierzeit T, als Grundzeit zugrundelegen und zur Vorermittlung der Dosierzeit stets
einen umgekehrt zum Füllstand fdes Gießofens proportionalen Bruchteil der Zeitdifferenz
XTo hinzuaddieren.
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Denkbar wäre es auch, von der bei leerem Gießofen erforderlichen Dosierzeit
Wo als Grundzeit auszugehen und hierbei stets einen zum Füllstand f des Gießofens
proportionalen Bruchteil des Zeitintervalls dT, abzuziehen.
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Gegenüber diesen Verfahrensmöglichkeiten bietet jedoch die folgende
Verfahrensweise noch eine höhere Dosiergenauigkeit: und zwar wird von der bei halbvollem
Gießofen erforderliche Dosierzeit TG als Grundzeit ausgegangen und es wird die Korrekturzeit
bei mehr als halbvollem Gießofen von der Grundzeit subtrahiert und bei weniger als
halbvollem Gießofen wird die Korrekturzeit zu ihr addiert. Die Korrekturzeit selber
beträgt in diesem Fall nur einen Bruchteil in der Größe von 0,5-f von der erwähnten
Zeitdifferenz ATo, wobei fein den Ofenfüllstand repräsentierender Zahlenwert zwischen
0 und 1 ist. Die solcherart ermittelte Korrekturzeit ist vorzeichenrichtig entsprechend
dem Ausdruck 0,5-f additiv zu berücksichtigen, wie es oben angegeben ist. Der Vorteil
dieser Vorgehensweise liegt darin, daß etwaige Nicht-Linearitäten beim tatsächlichen
Funktionszusammenhang zwischen Ofenfüllstand einerseits und erforderlicher Dosierzeit
andererseits bei dieser Berechnungsart weniger stark ins Gewicht fallen und zu weniger
starken Zeitverfälschungen bei der Ermittlung der Dosierzeit führen als bei den
zuvor erwähnten Dosiermethoden.
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