DE4112753A1 - Verfahren zur regelung von giessparametern in einer druckgiessmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Gießparametern in einer Druckgießmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus der Literaturstelle Ernst Brunhuber: "Praxis der Druckgußfertigung" 3. Aufl., 1980, S. 82 ff. ist die Maschinensteuerung von Druckgießmaschinen bekannt. Gemäß S. 84, 85 dieser Literaturstelle unterscheidet man zwischen Vorlauf -, Formfüll- und Nachdruckphase, wobei der Kolbenhub des Gießkolbens und damit die Metallschmelze in der Gießkammer in jeder Phase geregelt werden. Dabei spielt die Füllmenge in der Gießkammer eine entscheidende Rolle, da z. B. der Beginn der Formfüllphase abhängig ist von der Füllmenge und der Stellung des Gießkolbens.

Die Dosierung der Metallschmelze geschieht wie folgt:
Bei Kaltkammer-Druckgießmaschinen wird das Gießmetall einem Warmhalteofen entnommen und in die Gießkammer der Gießgarnitur gefüllt. Dies geschieht bei manueller Betriebsweise durch Schöpfen des flüssigen Metalls mit einem Löffel aus dem Warmhalteofen und Entleerung in die Füllöffnung der Gießkammer. Es sind auch Dosier- und Beschickungseinrichtungen bekannt geworden, mittels welchen der Füllvorgang der Gießkammer mit flüssigem Metall automatisiert werden kann. Bei Brunhuber (a.a.O.) S. 105 bis 110 ist eine Vorrichtung beschrieben, die mit einem Dosierlöffel arbeitet, der in die Warmhalteschmelze eintaucht, eine entsprechend bemessene Metallmenge aufnimmt und diese nach Transport zur Gießkammer in die Füllöffnung entleert. Der Löffel ist so verstellbar, daß er eine genaue Dosierung der gewünschten Metallmenge ermöglicht. Überschüssiges Metall fließt dabei beim Hochfahren des Löffels in den Warmhalteofen zurück. Die Dosiergenauigkeit wird für ein bestimmtes Gerät mit +/- 0,8% im Dosierbereich von 0,1 bis 15 kg Aluminiumlegierung angegeben.

Bei Kaltkammer-Druckgießverfahren wird die Qualität der Gußteile von einer Vielzahl von Verfahrensparametern bestimmt. Dabei beeinflußt die Dosiergenauigkeit der Metallschmelze die Gußqualität in hohem Maße, wobei negative Einflüsse den gesamten Gießvorgang im Sinne einer ungewollten und ungünstigen Verschiebung der Einsatzpunkte der Gießphasen, der Veränderung von Gießkolbengeschwindigkeit und des Gießdrucks beeinflussen können.

Um eine hohe Dosiergenauigkeit bei Druckgießmaschinen zu erreichen, ist es aus der DE 84 22 336 U1 bekannt geworden, den Füllstand in der Druckgießform mittels eines Kontaktstiftes zu erfassen, bei welchem die in der Gießform ansteigende Metallschmelze zwei Kontakte kurzschließt und damit ein Signal erzeugt. Dieses Meßsignal kann dann einer Steuerungs- bzw. Regelungseinheit zugeführt und zur Maschinensteuerung herangezogen werden.

Bekannt ist auch die Verwendung von Sensoren, die als Thermoelement ausgebildet sind und die Schmelzentemperatur bei einem bestimmten Füllstand registrieren.

Die Anbringung derartiger Sensoren in der Gießkammer selbst führt häufig zu unzuverlässigen Ergebnissen, da diese aufgrund der hohen Temperaturen und der rauhen Handhabung in der Gießkammer erheblich strapaziert werden, so daß genaue und reproduzierbare Werte kaum einstellbar sind.

Darüber hinaus tritt in der Gießkammer häufig eine wellenförmige oder schwappende Bewegung der Schmelze auf, die aufgrund unterschiedlicher Schmelzenhöhen falsche Füllwerte anzeigen kann. Das abgegebene Signal entspricht demnach nicht dem tatsächlich vorhandenen Füllstandspegel. Hierdurch kann eine entsprechende Fehlsteuerung die Folge sein.

Aus der DE 33 44 537 C1 ist weiterhin ein Verfahren zum taktweisen Dosieren einer flüssigen Metallmenge beim Druckgießen bekannt geworden. Bei diesen Verfahren wird eine definierte bemessene Metallmenge über ein Steigrohr aus einem Ofen über einen definierten Druckluftstoß aus einer Konstantdruckwelle der Gießkammer zugeführt. Dieses Verfahren erfordert einen hohen apparativen Aufwand und ein ständiges Kompensieren der Dosierzeit in Abhängigkeit der Ofenfüllung und der Butzenlänge am Werkstück. Eine Regelung der Gießkolbenbewegung ist hiermit nicht vorgesehen.

Aus der DE 23 07 846 A1 ist weiterhin ein Verfahren zum selbständigen Entnehmen von schmelzflüssigem Metall bekannt geworden, bei welchem die Dosierung der Schmelzemenge über eine Gewichtsmessung erfolgt. Über eine kombinierte Druckbeaufschlagung des Warmhalteofens und einer Gewichtsmessung sowohl der vom Warmhalteofen abgegebenen als auch von der Gießform aufgenommenen Gießmenge wird der genaue Füllstand erfaßt. Dabei ist ein zusätzliches Abtasten des Gußsteigers oder direkt der Gießform während des Gießvorgangs über eine auf die Gießform gerichtete Fotozelle vorgesehen, die mit einer Steueranlage verbunden ist. Der Gießvorgang soll dann über die Fotozelle (Infrarotauge) überwacht werden. Nach Erreichen eines Sollwerts, z. B. in der Gießform, soll ein Ventil, z. B. in der Druckleitung, geöffnet werden. Hierdurch erfolgt ein starkes Absenken des Drucks, so daß ein Überschwappen des schmelzflüssigen Metalls vermieden wird.

Diese Anordnung betrifft eine automatische Dosierung von schmelzflüssigem Metall bei der Herstellung von Massengußstücken. Sie betrifft keine Regelung der Gießparamater in Abhängigkeit der Metallschmelze in einer Gießkammer einer Kaltkammer-Druckgießmaschine.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber den bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen den Vorteil, daß eine Regelung der Gießparameter in Abhängigkeit der Füllstandsmenge in der Gießkammer geschaffen wird, wobei eine genaue Dosier- und Beschickungseinrichtung für die Metallschmelze in die Gießkammer einer Druckgießmaschine vorgesehen ist. Hierdurch kann der Füllstand der Gießkammer und damit die Schmelzenmenge genauestens bestimmt werden. Der genaue Füllstand ermöglicht eine exakte Bestimmung der sogenannten Maschinendaten. Dies sind insbesondere die Reaktions- und Berechnungszeiten der Steuerung bzw. Regelung sowie die sonstigen Arbeitszeiten der Hydraulikbauelemente. Damit können die Einsatzpunkte der Veränderungen von Gießkolbengeschwindigkeit in den einzelnen Phasen des Gießkolbens sowie der zugehörige Gießdruck äußerst präzise bestimmt und geregelt werden. Die exakte Vorlaufphase bzw. der exakte Vorlaufhub des Gießkolbens innerhalb der Gießkammer bis zu dem Zustand der vollständigen Füllung der "Restgießkammer" und damit der Beginn der Formfüllphase kann damit exakt bestimmt werden. Dies ist nur dadurch möglich, daß die Füllmenge im Kammervolumen der Gießkammer genauestens bestimmbar ist. Hierdurch können Vorlaufphase, Formfüllphase und Nachdruckphase des Gießprozesses von ihrem Zeitablauf exakt bestimmt und geregelt werden, was zu einer Qualitätsverbesserung der Gußteile führt.

Die genaueste Ermittlung des Füllstandes der Metallschmelze in der Gießkammer ermöglicht umgekehrt auch einen genauesten Dosier- und Beschickungsvorgang, da dieser aufgrund der Füllstandsmessung geregelt werden kann. Liegen die genauesten Füllstandswerte der Schmelze in der Gießkammer vor, so können die Gießparameter genauestens errechnet und geregelt werden. Diese Gießparameter sind beispielsweise die Auslösung von mengenabhängigen Positionen des Gießkolbens in der Vorlaufphase und insbesondere die Regelung der Geschwindigkeit des Gießkolbens. Weiterhin kann hierdurch eine mengenabhängige Auslösung der Position des Gießkolbens in der Formfüllphase bzw. die Auslösung der Formfüllphase erfolgen, wobei z. B. wiederum Geschwindigkeiten des Gießkolbens und Dämpfungsvorgänge erfaßbar sind. Schließlich kann eine genaueste Dosierung und damit eine genaue Kenntnis der Menge der Schmelze eine genaueste Auslösung der Nachdruckphase bewirken.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für das erfindungsgemaße Verfahren sind weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Gießkammer in einer festen Aufspannplatte einer Druckgießmaschine mit einer erfindungsgemäßen Meß- und Regeleinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Figurendarstellung wie folgt näher erläutert:
In einer nicht näher dargestellten Kaltkammer-Druckgieß­ maschine befindet sich in der festen Aufspannplatte 1 eine Gießkammer 2 mit horizontaler Gießkammerlängsachse 3. In der Gießkammer 2 bewegt sich ein Gießkolben in der Figur von rechts nach links und drückt die in die Gießkammer eingefüllte Metallschmelze 5 mit der Schmelzenoberfläche bzw. den Schmelzestand 6 in Richtung zur nicht näher dargestellten Gießform (Weg "s"). Die Metallschmelze 5 wird durch die obere Füllöffnung 7 in die Gießkammer z. B. mittels eines eingangs beschriebenen Dosierlöffels eingegeben.

Wie eingangs beschrieben, besteht die Dosiergenauigkeit, mit welcher die Metallschmelze der Gießkammer zuführbar ist, in der Größenordnung von +/- 1%. Diese Dosiergenauigkeit kann nur mit hohem Aufwand bei entsprechenden Dosierlöffeln erzielt werden. Üblicherweise werden nur +/- 2% Dosiergenauigkeit mit vertretbarem Aufwand erzielt.

Der Füllgrad der Gießkammer kann je nach Anwendungsfall beträchtlich schwanken. Wie in der Figur dargestellt, beträgt er oftmals mehr als 50% des Kammervolumens, d. h. der Schmelzestand 6 liegt etwas oberhalb der Gießkammer-Längs­ achse 3. Während der sogenannten Vorlaufphase wird das Kammervolumen durch den langsamen Vorlaufhub des Gießkolbens soweit verkleinert, bis der Flüssigkeitsspiegel 6 der Metallschmelze den obersten Rand der Gießkammer erreicht, d. h. das "Restvolumen" der Gießkammer vollständig mit Metallschmelze gefüllt ist. Erst ab diesem Zeitpunkt beginnt die eigentliche Formfüllphase zur Befüllung der Gießform. Wann dieser Zeitpunkt erreicht ist, ergibt sich ausschließlich aus der in die Gießkammer eingefüllten Metallschmelzenmenge. Ist z. B. die Gießkammer nur zu 50 % gefüllt, so muß der Gießkolben etwa 50% seines Vorlaufhubes zurücklegen, um die Gießkammer vollständig zu füllen. Ist die Gießkammer um mehr als 50% gefüllt, so ist der Vorlaufhub bereits nach weniger als 50% des Gesamthubs erreicht.

Die Menge der in die Gießkammer eingefüllten Metallschmelze bestimmt auch die einzustellende Gießkolbengeschwindigkeit, um ein gleichförmiges Ansteigen der Metallschmelze möglichst ohne Lufteinschlüsse zu erzielen. Der genaue Füllstand und die Bestimmung der genauen Menge bestimmen demnach die genauen Zeitpunkte der Beendigung der Vorfüllphase und den Beginn der Formfüllphase.

Um die genaue Dosiermenge und damit den genauen Füllstand der Schmelzmenge in der Gießkammer zu erfassen, ist gemäß der Erfindung eine ortsfeste Meßeinrichtung 8 vorgesehen, die über einen Steg 9 fest mit der Aufspannplatte 1 verbunden ist. Mittels dieser Meßeinrichtung kann durch Ultraschall oder Laser räumlich über der Gießkammer 2 der Füllstand 6 der Schmelze in der Gießkammer ermittelt werden. Die Meßeinrichtung 8 mit dem Meßauge 10 ist dabei in einer Entfernung a von der Füllöffnung 7 der Gießkammer 2 entfernt installiert, womit sie gegen Wärme oder sonstige Beschädigung geschützt ist. Weiterhin ist hierdurch ein ungehinderter Zugang zur Füllöffnung 7 beispielsweise durch einen nicht näher dargestellten Gießlöffel möglich. Schließlich ist eine Ausblendung von Störgrößen wie Abschirmungen usw. im Bereich der Gießkammer möglich.

Die Messung des Füllstandes oder auch des Füllgrades 6 der Schmelze 5 in der Gießkammer 2 durch die Meßeinrichtung 8 mit eingebautem Sensor erfolgt kontinuierlich oder diskontinuierlich durch einen Ultraschall- oder Laserstrahl 11 als Meßstrahl 11, der an der Schmelzenoberfläche 6 reflektiert und als Reflexionsstrahl wieder empfangen wird. Dabei ist die Laufzeit des Meßstrahls ein Maß für die Füllstandshöhe h in der Gießkammer 2. In einem schematisch dargestellten Rechner 12 wird die Laufzeit des Meßstrahls bzw. Reflexionsstrahls in ein Wegsignal transformiert, welches die Füllstandshöhe angibt. Der Rechner 12 regelt über die Leitung 13 die Gießkolbenbewegung.

Mittels der so ermittelten Füllstandshöhe h bzw. des Schmelzestands 6 in der Gießkammer 2 können eine Reihe von Regelungen beim Gießvorgang vorgenommen werden. Zum einen kann der Einfüllvorgang der Metallschmelze unmittelbar durch ein kontinuierliches Messen überwacht werden, wobei die gewünschte Einfüllmenge nach Erreichen des gewünschten Füllstandes begrenzt werden kann. Die beim Einfüllen der Schmelze sich bildende Wellenbewegung innerhalb der Gießkammer kann durch eine Mittlung von Wellenberg und Wellental kompensiert werden. Hierdurch können auch stark schwankende Schmelzstände 6 rechnerisch gemittelt und damit der tatsächliche Füllstand ermittelt werden. Nur eine völlig exakte Bestimmung der Füllmenge gewährleistet die Richtigkeit der nachfolgend einzustellenden Gießparameter.

Die Messung des Füllstandes der Schmelze in der Gießkammer kann auch nach erfolgter Befüllung der Gießkammer erfolgen. In diesem Fall ist die Menge in der Gießkammer durch den erreichten Füllstand 6 vorgegeben, so daß sich die Gießparameter hiernach richten müssen. Insbesondere sind dies der Bewegungsablauf des Gießkolbens 4 und der Vorlaufhub des Gießkolbens 4 in die Gießkammer bis zu dem Punkt, bis die Schmelze die gesamte Gießkammer vollständig ausfüllt, d. h. bis zum oberen Rand der Gießkammer reicht. Erst ab diesem genauen Zeitpunkt beginnt die nachfolgende Formfüllphase. Die Auslösung der Formfüllphase ist deshalb mengenabhängig von der Schmelze und damit auch abhängig von der genauen Position des Gießkolbens 4 in der Gießkammer. Auch die Vorlaufphase, d. h. die Phase, in welcher der Gießkolben 4 die eingefüllte Metallschmelze in der Gießkammer bis zur vollständigen Füllung der Gießkammer 2 zusammendrückt, wird in ihrem Verlauf und ihrer Geschwindigkeit maßgeblich von dem Füllstand beeinflußt. Schließlich wird auch die Auslösung der dritten Phase, d. h. die Nachdruckphase entscheidend von der vorhandenen Menge an Schmelze geprägt, so daß der genaue Zeitpunkt auch abhängig von der Füllmenge ist.

Eine Einrichtung zur kontinuierlichen berührungslosen Füllstandmessung in Behältern mit Flüssigkeiten ist grundsätzlich bekannt. Bei einer solchen Meßeinrichtung strahlt ein Sensor Ultraschall-Impulse mit einer Frequenz von ca. 46 kHz ab. Die Schallwellen werden von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und vom Sensor wieder aufgenommen. Die Laufzeit des Schalls, die zwischen Aussenden und Empfangen des Schallimpulses verstreicht, wird elektronisch ausgewertet und als füllhöhenproportionales Signal an die angeschlossenen Geräte weitergegeben. Der Abstand a der Meßsonde 10 bis zum maximalen Füllstand wird in der Größenordnung a ≈ 45 bis 70 cm angegeben. Es sind jedoch auch andere Abstände einstellbar.

Die Erfindung ist nicht auf das zuletzt beschriebene Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Weiterbildungen und Ausgestaltungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Kerngedankens.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung von Gießparametern in der Vorlauf- und/oder Formfüll- und/oder der Nachdruckphase beim Gießvorgang in einer Kaltkammer-Druckgießmaschine, wobei die Gießphasen abhängig vom Weg (s) eines in einer Gießkammer längs verfahrbaren Gießkammerkolbens regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine genaue Dosierung und/oder Bestimmung der Füllmenge der Metallschmelze (5) innerhalb der Gießkammer (2) mittels einer ortsfesten optischen Meßeinrichtung (8) erfaßt wird, wobei der Meßstrahl durch eine Einfüllöffnung (7) der Gießkammer (2) eindringt und an der Schmelzenoberfläche (6) reflektiert wird und die Laufzeit des Meßstrahls (11) sowie des Reflexionsstrahls als Maß für die Füllstandshöhe (h) und damit der Füllmenge der Schmelze (5) dient und daß eine Regeleinrichtung (12) vorgesehen ist, die die Gießkolbenbewegung und damit den Beginn einzelner Phasen in Abhängigkeit des Füllstandes (6) bzw. der zugehörigen Füllmenge der Metallschmelze (5) regelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Füllstandes (6) während oder in Verbindung mit der Schmelzenzuführung erfolgt, wobei ggf. eine Nachdosierung der Schmelze (5) während oder im Zusammenhang mit der Füllstandsmessung erfolgt und wobei die Füllstandsmeßwerte unmittelbar auf das Maß der Nachdosierung einwirken.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkolbenposition (4) innerhalb der Gießkammer (2) zu Beginn der Formfüllphase derart positioniert ist, daß das Restvolumen der Gießkammer in vorbestimmtem Maße mit Metallschmelze (5) gefüllt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenbewegung der Schmelzenoberfläche (6) beim Füllvorgang der Metallschmelze (5) durch Mittelung der gemessenen Füllstandswerte erkennbar und Abweichungen kompensierbar sind.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Füllstandes (6) der Gießkammer (2) durch eine Vorabmessung des Füllstandes eines Dosierlöffels ergänzt und kontrolliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierlöffel-Ausschüttbewegung in Abhängigkeit des gemessenen Dosierlöffel-Füllstandes erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Füllmenge der Metallschmelze (5) in der Gießkammer (2) zur Regelung der Gießparameter in der Vorlaufphase und insbesondere zur Auslösung von mengenabhängigen Positionen des Gießkolbens (4) in der Gießkammer (2) während der Vorlaufphase dient.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Füllmenge an Metallschmelze (5) in der Gießkammer (2) zur Regelung der Gießparameter in der Formfüllphase und insbesondere zur Auslösung von mengenabhängigen Positionen des Gießkolbens (4) in der Formfüllphase dient.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Füllstand der Metallschmelze (5) in der Gießkammer (2) zur Regelung der Gießparameter in der Nachdruckphase und insbesondere zur Auslösung der Nachdruckphase während des Gießvorgangs dient.