DE4002263C2 - Kolben-Zylindereinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolben-Zylindereinheit zum Einbringen einer Metallschmelze in ein Formwerkzeug einer Druckgießmaschine mit den weiteren Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Kolben-Zylindereinheiten, die mit Dichtungselementen ausgestattet sind, deren Dichtwirkung änderbar ist, sind im Stand der Technik an sich bekannt.

In diesem Zusammenhang ist zunächst auf die DE-OS 30 18 215 hinzuwei­ sen, die eine Kolbenstangendichtung mit temperaturabhängig veränderli­ cher Anpreßkraft für die Kolbenstange eines hydraulischen, hydropneuma­ tischen oder pneumatischen Aggregates, insbesondere eines Schwingungs­ dämpfers, beschreibt. Dabei steht die Dichtung unter der Einwirkung eines Andrückelementes und steht ferner mit einem zusätzlichen Bauteil mit temperaturabhängiger Formänderung in Verbindung. Dieses Bauteil übt bei niedrigen Temperaturen eine zusätzliche Radialkraft auf die Dich­ tung aus.

Die DE-OS 27 53 336 beschreibt eine Dichtungsanordnung zur gegenseiti­ gen Abdichtung von konzentrisch zueinander angeordneten und in axialer Richtung relativ zueinander bewegbaren Teilen, wobei Dichtungsringe vorgesehen sind, denen ein als Federelement wirkender aufblasbarer Hohlkörper aus biegsamem, elastischem Material zugeordnet ist, dessen Innenraum mit einer Luftdruckquelle so in Verbindung steht, daß der vom Hohlkörper in radialer Richtung auf die Ringe ausgeübte Druck sich der Veränderung des Druckes im betreffenden Zylinder- oder Gehäuseraum an­ paßt. Auch in diesem Falle ergibt sich wiederum eine von Randbedingun­ gen (Zylinderdruck) abhängige Veränderung der Dichtungswirkung.

In der DE-AS 12 32 316 ist schließlich eine gattungsgemäße Kolben-Zylindereinheit zum Einbringen einer Metallschmelze in ein Formwerkzeug einer Druckgießmaschine beschrieben, wobei dem Kolben ein Dichtungselement zugeordnet ist, dessen Dichtlippen sich beim Pressen unter dem Druck des schmelzflüssigen Metalls an die Druckkammerwandung anlegen, so daß sich also eine von der Kolbenposition abhängige Änderung der Dichtwirkung ergibt.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kolben-Zylindereinheit bereitzustellen, bei der die Dichtwirkung der verwendeten Dichtelemente in einer Weise beeinflußbar ist, daß sich dadurch weitreichende Einsatzmöglichkeiten einer solchen Kolben-Zylindereinheit ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand nach Patentanspruch 1 gelöst.

Die auf die erfindungsgemäße Kolben-Zylindereinheit bezogenen Unteran­ sprüche bilden diese weiter und zeigen die diesbezüglich wesentlichen Merkmale auf.

Zur Erzielung eines hochwertigen Druckgusses werden beim Druckgießen häufig Maßnahmen getroffen, die den als konventionell bekannten Verfah­ rensaufwand deutlich übertreffen. Diese sind beispielsweise

• - geringere Formfüllungsgeschwindigkeiten,
• - geringere Formfüllungsdrücke,
• - Nachdrücken (Squeezing) während des Zeitintervalls der Erstarrung,
• - Evakuieren des Formhohlraumes und der Füllbüchse vor und während der Formfüllung,
• - Dosieren des flüssigen Metalles mittels Vakuum,
• - Trennen des flüssigen Metalles von der Umgebungsluft und
• - Senkrechtstellen des Füllsystems zur besseren Entlüftung.

Insbesondere die Anwendung des Vakuums zur Reinigung der Füllbüchse und des Formhohlraumes von Luft und den Verkrackungsprodukten des Kolben­ schmiermittels und des Formtrennmittels haben sich zur Verbesserung der Druckgußqualität als sehr wirkungsvoll erwiesen. Hierbei sind aber die Verunreinigungen durch das Kolbenschmiermittel bisher nur sehr un­ vollkommen zu beseitigen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aus Ver­ schleißgründen auf der einen Seite auf preiswerte organische Kolben­ schmiermittel bei Metall/Metall-, Metall/Kunststoff- und Metall/Kera­ mik-Paarungen nicht verzichtet werden kann und sich zum anderen die Krackprodukte der Schmiermittel gasförmig dem schmelzflüssigen Metall (z. B. Aluminium) während der Füllphase und während des größten Teiles der Kolbenbewegung beimischen.

Eine geeignete Möglichkeit, hochwertigen Druckguß mittels Vakuumbeauf­ schlagung von Füllbüchse und Formhohlraum bei geringem Aufwand zu er­ zielen, ist die Reduzierung der Schmiermittelmengen, die aus dem Kol­ benbereich in die Metallschmelze eindringen können sowie die Reduzie­ rung bzw. Vermeidung von Undichtigkeiten zwischen Kolben und Füll­ büchse.

Zur Verwirklichung dieser Maßnahmen eignet sich die erfindungsgemäße Kolben-Zylindereinheit in besonderer Weise.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Kolben-Zylindereinheit mit zwei das Dichtungselement bil­ denden Dichtringen, die gemeinsam beaufschlagt werden,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform mit separat beaufschlagten Dichtringen und

Fig. 3 eine letzte Gestaltungsvariante für das Dichtungselement.

Fig. 1 zeigt eine einer Gießkammer einer Kaltkammer-Druckgießmaschine vorgeschaltete Füllbuchse 1, in der axialbeweglich ein Kolben 2 geführt ist, um eine in die Füllbüchse 1 dosiert eingebrachte Metallschmelze 3 in die Gießkammer zu drücken.

Zum Zwecke der Druck- oder Schwerkraftbefüllung bzw. zur Vakuumdosie­ rung der Metallschmelze 3 ist die Füllbüchse 1 mit einer Einfüllöffnung 4 bzw. einem Saugloch 5 ausgestattet. Um mit letzterem entgegen der Schwerkraft Metallschmelze in die Füllbüchse 1 fördern zu können, ist in der Regel im Bereich der Gießkammer ein Saugrohranschluß vorhanden, über den sowohl Gießkammer als auch Füllbüchse 1 evakuierbar sind.

Eine sich an das rückwärtige Ende des Kolbens 2 anschließende Kolben­ stange 6 greift in eine geeignete Ausnehmung 7 einer Kolbenstangenhal­ terung 8 ein und ist mit dieser über ein Verbindungselement (z. B. Keil) 9 formschlüssig zur Übertragung von Axialkräften verbunden. Die Kolbenbewegung wird somit über die Kolbenstangenhalterung 8 eingelei­ tet.

In Fortführung der Kolbenstangenhalterung 8 geht diese in einen im Querschnitt erweiterten Bereich über, wobei ein diese Querschnittser­ weiterung bestimmender Absatz 10 eine Anlageschulter für einen aus zwei Elementen 11, 12 sich zusammensetzenden, hydraulisch beaufschlagbaren Druckkörper 13 bildet. Das äußere Element 11 ist stirnseitig mit einer ringförmigen Ausnehmung 14 ausgestattet, in die das innere Element 12 einsetzbar ist. Dadurch entsteht aus der Ausnehmung 14 ein geschlossener Ringraum, in den eine in das Element 11 einge­ arbeitete Bohrung 15 mit aufgesetztem Druckmedium - Versorgungsanschluß 27 mündet. In beiden Elementen 11, 12 an geeigneter Stelle jeweils eingesetzte Dichtungsringe 16, 17 verhindern ein Austreten des Druckmediums (z. B. Hydraulikflüssigkeit).

An eine Stirnfläche 18 des sich bei Beaufschlagung mit einem Druckme­ dium koaxial zur Kolbenstangenhalterung 8 bewegenden inneren Elementes 12 schließt sich eine die Kolbenstangenhalterung 8 umgebende Distanz­ hülse 19 an, der sich wiederum eine weitere Hülse 20 anschließt. Zwi­ schen einer abgeschrägten Stirnfläche 21 der Hülse 20 und einer rück­ wärtigen Stirnfläche 22 des Kolbens 2 ist somit ein Ringraum geschaf­ fen, in den ein Dichtungspaket 23 eingesetzt ist. Dieses besteht aus zwei Dichtringen 24, 25, zwischen die ein auf der Kolbenstange 6 längs­ beweglich geführter formstabiler Zwischenring 26 eingelegt ist.

Die Dichtringe 24, 25 selbst können aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen beschaffen sein. Es können solche von unterschiedlicher Elastizität und Verformbarkeit verwendet werden. Der der Metallschmelze 3 zugewandte Dichtring 25 weist eine geringere Elastizität auf und ist aus warmfesten Gewebe gestreckt gewickelt. Der der Metallschmelze 3 ab­ gewandte Dichtring 24 ist zwecks Erreichen einer größeren Elastizität und Verformbarkeit aus enggefaltetem Gewebe gewickelt.

Die Dichtringe 24, 25 und der Zwischenring 26 sind an ihren Kontaktflä­ chen ebenfalls abgeschrägt, so daß bei einer Druckkraft-Beaufschlagung durch die Hülse 20 die radiale Aufweitung der Dichtringe 24, 25 be­ günstigt wird. Zur Einleitung der Druckkraft über den Druckkörper 13 mündet der Versorgungsanschluß 27 in eine geeignete Druckmittelversor­ gung mit zugehöriger Steuereinheit, über die die Druckhöhe in Abhängig­ keit vom Kolbenweg bestimmbar ist. Der steuerungstechnische Aufbau be­ darf keiner näheren Erläuterung, da kolbenwegabhängige Drucksteuerungen im Stand der Technik prinzipiell bekannt sind. Beispiele hierfür finden sich bei Ziehpressensteuerungen (DE-OS′en 35 30 204, 36 40 507, 37 44 177, DE-PS 37 35 582). Weitere Lösungsvorschläge zur Abfrage von Kol­ benpositionen zeigen die DE-OS′ 31 49 600, 31 39 638, 34 30 045 sowie die europäische Patentanmeldung 0 093 859.

Zur Druckbeaufschlagung des Dichtungspaketes 23 könnten selbstverständ­ lich auch andere Mechanismen (z. B. elektromagnetisch wirkender Druck­ körper oder elektrische bzw. hydraulische Schrittmotoren) zum Einsatz kommen.

Auf die Füllbüchse 1 ist endseitig ein mit Schmiermittel-Zuführkanälen 28 ausgestattetes Endstück 29 aufgeschraubt. Die Zuführkanäle 28 münden in eine Abschrägung 30 der zylindrischen inneren Wandung des Endstückes 29, dem eine gleichgestaltete Abschrägung 31 in der Füllbüchse 1 gegen­ übersteht, so daß dadurch eine mit Schmiermittel füllbare Nut gebildet wird. Um eine ausreichende Schmiermittelversorgung sicherzustellen, sollte die Breite der Nut mindestens der Breite der Dichtungspaktes 23 entsprechen.

Die in Fig. 1 gezeigte Position des Kolbens 2 entspricht der Metall­ schmelzen-Füllposition. Während des Füllvorganges ist insbesondere dann, wenn dies über die Vakuum-Dosierung geschieht, eine hohe Anpreß­ kraft der Dichtringe 24, 25 zu wählen. Dies gilt auch während des sich daran anschließenden Arbeitshubes des Kolbens, bei dem die Metall­ schmelze 3 in die Gießkammer eingetrieben wird. Insbesondere aber in den Einmündungsbereichen der Metalleinfüllöffnung 4 bzw. des Saugloches 5 sollte, um einem erhöhten Verschleiß vorzubeugen, die Anpreßkraft der Dichtringe 24, 25 im notwendigen Umfang reduziert werden. Dies gilt auch dann, wenn das Dichtungspaket 23 in den Bereich der Schmiermittelver­ sorgung gelangt, um dadurch die Aufnahmefähigkeit von Schmiermittel zu erhöhen. Zur Aufnahme des Schmiermittels kann der Kolben 2 bzw. das Dichtungspaket 23 aus der Füllposition heraus in einer Rückhubbewegung diesen Bereich mit verminderter Geschwindigkeit überfahren bzw. dort kurzzeitig zum Halten gebracht werden.

Eine weitere geeignete Verfahrensweise ist es, wenn der Kolben 2, nach­ dem das Dichtungspaket 23 in einer ersten Kolbenposition mit Schmier­ mittel versorgt wurde, zunächst eine Leerhub zum Aufbringen eines Schmiermittelfilmes in der Füllbüchse 1 ausführt und danach in die in Fig. 1 gezeigte Füllposition zurückkehrt, um nach Einfüllen der Metall­ schmelze 3 den Arbeitshub ausführen zu können.

Der Grad der Anpreßkraft der Dichtringe 24, 25 während des Leerhubes bestimmt auch den Grad der Benetzung bzw. der Aufplattierung der Füll­ büchse 1 mit Schmiermittel. Auch diesbezüglich sind somit mit der er­ findungsgemäßen Kolben-Zylindereinheit Variationsmöglichkeiten gegeben. Erfolgt die Rückführung in die Füllposition bei vollkommen entlastetem Dichtungspaket 23, so ist dadurch gewährleistet, daß der einmal aufge­ tragene Schmierfilm für den nachfolgenden Arbeitshub erhalten bleibt.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinderein­ heit ist in Fig. 2 gezeigt. Der grundsätzliche Aufbau entspricht im we­ sentlichen dem gemäß Ausführungsform nach Fig. 1, so daß hinsichtlich der identischen Bauteile, soweit diese nachstehend bzw. in den zugehö­ rigen Patentansprüchen nicht erwähnt sind, auf Bezugszeichen verzichtet werden kann.

Eine konstruktiv abgewandelte Kolbenstangenhalterung 32 setzt sich bis nahe des Kolbens 2 fort und beaufschlagt unmittelbar den Zwischenring 26 und somit den an den Kolben 2 angrenzenden Dichtring 25. Ein auf der gegenüberliegenden Seite des Zwischenringes 26 angrenzender, mit glei­ chem Außen- aber größerem Innendurchmesser als der erstgenannte Dicht­ ring 25 ausgestatteter weiterer Dichtring 33 ist auf der Kolbenstangen­ halterung 32 längsverschieblich gelagert und wird über eine ebenfalls längsverschieblich gelagerte Hülse 34 sowie über die bereits aus dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bekannte Distanzhülse 19 vom Druckkör­ per 13 beaufschlagt.

Das in die Kolbenstangenhalterung 32 eingesetzte und ihre die Kolben­ stange 6 aufnehmende Ausnehmung 7 durchdringende Verbindungselement (Keil 9) korrespondiert mit einer Längsnut 35 in der Kolbenstange, so daß zwischen Kolben 2 bzw. Kolbenstange 6 und der Kolbenstangenhalte­ rung 32 in axialer Richtung eine Relativbewegung möglich ist.

Die Funktionsweise dieser Kolben-Zylindereinheit mit dem konstruktiv angepaßten Dichtungselement 36 ist nun dergestalt, daß bei deren Ar­ beitshub (im gezeigten Verwendungsbeispiel: Eintreiben der Metall­ schmelze in die Gießkammer) der auf die Kolbenstangenhalterung 32 wir­ kende Arbeitdruck über den Zwischenring 26 und den Dichtring 25 auf den Kolben 2 übertragen wird, so daß die somit auf den Dichtring 25 wirken­ de Anpreßkraft dessen radiale Aufweitung und somit auch dessen Dicht­ wirkung bestimmt.

Unabhängig davon kann der weitere Dichtring 33 über Hülse 34 und Distanzhülse 19 vom Druckkörper 13 beaufschlagt werden. Die von diesem ausgeübte Anpreßkraft wirkt zwar zusätzlich auf den Dichtring 25, wobei aber die damit möglicherweise einhergehende zusätzliche radiale Aufwei­ tung durch eine entsprechende Abstimmung hinsichtlich der Werkstoffaus­ wahl der einzelnen Dichtringe 25, 33 bzw. der unterschiedlichen Höhe der Anpreßkräfte durch die Kolben-Zylindereinheit bzw. durch den Druck­ körper 13 auf einfache Weise begrenzbar bzw. nahezu unterdrückbar ist.

Selbstverständlich wäre es bei entsprechender konstruktiver Abwandlung ohne weiteres verifizierbar, eine absolut voneinander unabhängige und ohne jegliche Rückwirkungen arbeitende Beaufschlagung beider Dichtringe 25, 33 herbeizuführen.

Als weitere, konstruktiv allerdings aufwendigere Alternative wäre dar­ über hinaus denkbar, jeden Dichtring 25, 33 des Dichtungspaketes 36 durch einen gesonderten, jeweils über eine Steuereinheit ansteuerbaren Druckkörper zu beaufschlagen, um eine vom Kolbenweg der Kolben-Zylin­ dereinheit abhängige Änderung der Dichtwirkung zu erzielen.

Durch hier nicht näher gezeigte Mittel wäre darüber hinaus denkbar, über eine jeweilige Abfrage der Position des inneren bewegbaren Elementes 12 des Druckkörpers 13 Rückschlüsse auf den Verschleiß der ein­ zelnen Dichtringe 24, 25, 33 zu erhalten.

Alle diese Möglichkeiten eröffnen sich auch bei Verwendung eines noch­ mals modifizierten Dichtungselementes 37, wie es in einer Teildarstel­ lung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylindereinheit gemäß Fig. 3 gezeigt ist. Dabei ist lediglich die aus der Ausführungsform nach Fig. 2 be­ kannte, auf der Kolbenstangenhalterung 32 längsverschieblich gelagerte und den Dichtring 33 unmittelbar beaufschlagende Hülse 34 durch eine federnde Dichthülse 38 mit relativ geringer Wandstärke ersetzt. Diese weist stirnseitige, abgekröpfte Stege 39, 40 auf, wobei der in Kraft­ flußrichtung erste Steg 39 von der Distanzhülse 19 beaufschlagt wird und der weitere Steg 40 sich an den aus Fig. 2 bekannten Dichtring 33 anlehnt.

Wird über die Distanzhülse 19 eine Axialkraft auf die federnde Dicht­ hülse 38 eingeleitet, so hat deren zylinderförmiger Teil die Neigung, sich tonnenförmig zu wölben, mit der Folge, daß er mit mehr oder minder starker Anpreßkraft an der Füllbüchse 1 zur Anlage kommt. Dies hat eine zusätzliche Dichtwirkung zur Folge. Der in Richtung Kolben 2 nachfol­ gende Dichtring 33, auf den selbstverständlich auch die eingeleitete Axialkraft einwirkt und der sich demzufolge ebenfalls verformt, hat insbesondere nun die Funktion, die an der zylindrischen inneren Wandung der Füllbüchse 1 sich ablagernden Verschmutzungen usw. (z. B. Flitter) von der federnden Dichthülse 38 fernzuhalten.

Deren wesentliche Vorteile sind extrem geringer Verschleiß, gute Dicht­ wirkung und zusätzliche Reinigung der Füllbüchse 1 durch die entstehen­ de Kantenanlage. Als geeigneter Werkstoff könnte beispielsweise ober­ flächenbehandelter (nitriert, hartmetall-plattiert) Federstahl Verwen­ dung finden. Der geringe Verschleiß zeigt sich insbesondere beim Über­ fahren von Einfüllöffnungen (Saugloch 5) der Füllbüchse 1.

Claims (7)

1. Kolben-Zylindereinheit zum Einbringen einer Metall­ schmelze in ein Formwerkzeug einer Druckgießmaschi­ ne, insbesondere einer nach dem Kaltkammerverfahren mit evakuiertem Formhohlraum arbeitenden Druck­ gießmaschine, wobei dem Kolben ein Dichtungselement zugeordnet ist, dessen Dichtwirkung änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement aus einer Anzahl von ein Dichtungspaket (23; 36; 37) bil­ denden Dichtringen (24, 25; 25, 33; 25, 33, 38) mit einem zwischengelegten formstabilen Zwischenring (26) besteht, daß auf einer Kolbenstangenhalterung (8; 32) ein einen druckmittelbeaufschlagbaren Ringraum (14) aufweisenden Druckkörper (13) angeordnet ist, der über Hülsen (19; 19, 20; 19, 34) in die Dichtringe (24, 25; 25, 33; 25, 33, 38) eine Axialkraft einleitet, wobei die jeweiligen Kontaktflächen abgeschrägt sind, um durch die Axialkraft eine radiale Aufwei­ tung der Dichtringe (24, 25; 25, 33; 25, 33, 38) zu be­ wirken.

2. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungspaket (23; 36) aus zwei Dichtringen (24, 25; 25, 33) besteht, zwischen die der formstabile Zwischenring (26) eingelegt ist.

3. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungspaket (37) aus drei Dichtringen (25, 33, 38) besteht, wobei zwischen zwei aus gewickeltem Gewebe bestehenden Dichtringen (25, 33) der formstabile Zwischenring (26) eingelegt ist, während an einen (33) dieser Dichtringe (25, 33) eine metallische federnde Dichthülse (38) als weite­ rer Dichtring angrenzt.

4. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckköper (13) aus zwei ringförmigen Elementen (11, 12) gebildet ist, wobei ein äußeres Element (11) stirnseitig mit einer ring­ förmigen Ausnehmung (14) ausgestattet ist, in die ein inneres, koaxial zur Kolbenstangenhalterung (8; 32) bewegbares Element (12) einsetzbar ist, so daß die Ausnehmung (14) einen geschlossenen Ringraum bildet.

5. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an eine Stirnfläche (18) des Druckkörpers (13) eine die Kolbenstangen­ halterung (8) umgebende Distanzhülse (19) an­ schließt, der wiederum eine auf der Kolbenstange (6) längsbeweglich geführte Hülse (20) nachgeordnet ist, die das dem Kolben (2) zugeordnete Dichtungspaket (23) beaufschlagt.

6. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an eine Stirnfläche (18) des Druckkörpers (13) eine die Kolbenstangenhal­ terung (32) umgebende Distanzhülse (19) anschließt, der wiederum eine die Kolbenstangenhalterung (32) ebenfalls umgebende weitere Hülse (34) nachgeordnet ist, die lediglich einen (33) der Dichtringe (25, 33) des Dichtunspaketes (36) unmittelbar beaufschlagt, wobei dieser Dichtring (33) ebenfalls auf der Kol­ benstangenhalterung (32) gelagert ist, während die Kolbenstangenhalterung (32) selbst unmittelbar über den Zwischenring (26) den dem Kolben (2) benachbar­ ten Dichtring (25) beaufschlagt.

7. Kolben-Zylindereinheit nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kolben (2) zugewandte Dichtring (25) aus warmfestem, gestreckt gewickeltem Gewebe besteht und daß der der Hülse (20; 34) zugewandte Dichtring (24, 33) aus eng­ gefaltetem gewickeltem Gewebe besteht.