DE4312799A1 - Vakuumventileinrichtung für den Druckguss - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Druckgußverfahren und eine Druckgußvorrichtung, insbesondere ein Verfahren zur Er­ mittlung der optimalen Größe von Vakuumventilen, welche in einem Druckguß-Verfahren mit Vakuumventil eingesetzt werden.

Dazu verwandte Anmeldungen sind die US-Ameldungen mit den laufenden Nummern 07/874740, 07/874755, 07/874629 und 07/874648.

Es ist allgemein bekannt, daß die Entfernung von Luft aus dem Gußform-Hohlraum, wenn Gußteile aus Metall mittels eines Druckgußverfahrens geformt werden, die Qualität der Gußteile verbessert, insbesondere in Bezug auf deren Oberflächenporo­ sität. Auch wenn es viele verschiedene Konstruktionen gibt, mit denen man ein Vakuum im Gußform-Hohlraum anlegen kann, weisen die meisten der Konstruktionen ein Ventil auf, über das der Hohlraum mit einer Vakuumquelle in Verbindung steht, und dieses Ventil wird geöffnet, um den Hohlraum unmittelbar vor dem Einschießen von geschmolzenem Metall in den Hohlraum zu evakuieren, und es wird geschlossen, ehe das Metall den Hohlraum erreicht. Wenn das Ventil nicht geschlossen wird bevor das Metall den Hohlraum erreicht, besteht dann die hohe Wahrscheinlichkeit, daß das Metall möglicherweise in das Ventil eindringt und dessen vollständige Schließung ver­ hindert. Wenn eine solche Hinderung des Ventils auftritt, so muß das Ventil auseinandergebaut werden, um den Ventilmecha­ nismus von Reststoffen zu reinigen.

In einer Anordnung wird das Ventil durch die Kraft des Gießmetalls selbst geschlossen, wenn das Metall in den Hohl­ raum eingeschossen oder eingespritzt wird. Erwartungsgemäß neigt eine solche Anordnung zu fehlerhafter Arbeit und ist erwiesenermaßen unzuverlässig.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei Vakuumdruckgußverfahren ist, daß ein ausreichend hohes Vakuum besteht, so daß sehr wenig Luft in dem Gußform-Hohlraum verbleibt, und daß das Vakuum auf dem gewünschten Niveau erhalten wird, während das Metall in den Hohlraum eingespritzt wird. Wenn das Ventil, welches das Vakuum in den Hohlraum überträgt, zu früh schließt, wird Luft zwangsläufig in den Hohlraum zurückströmen, so daß die erwünschten Vorteile des Vakuum­ druckgußverfahrens beeinträchtigt werden können, wobei dabei Oberflächenunregelmäßigkeiten der Gußteile entstehen. Weil das Gußteil nach dem Gießvorgang aus dem Hohlraum entfernt werden muß, besteht die Gußform aus mindestens zwei Teilen. Die Gußform kann auch mehr als zwei Teile aufweisen, insbe­ sondere dann, wenn komplexe Teile gegossen werden.

Auf dem Gebiet des Druckgußverfahrens definiert die Schnitt­ stelle, zwischen den Gußformteilen, das, was als Trennlinie oder Trennfuge bekannt ist, wobei einige dieser Trennlinien im Inneren liegen können und andere an der Außenseite der Gußform verlaufen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind mit dem Ausdruck "äußere Trennlinien" die Trennlinien definiert, welche an den Gußform-Hohlraum selbst angrenzend sind und welche, wenn sich eine Linie vom Zentrum des Hohlraums über deren Grenzen hinaus erstreckt, mit dem Äußeren der Gußform kommunizieren. Die äußeren Trennlinien, auch wenn die Teile der Gußform in einem engen Toleranzbereich gehalten werden, bilden einen Leckpfad durch den Luft in den Gußform-Hohlraum einströmen kann. Da es in höchstem Maße wünschenswert ist ein Vakuum in dem Gußform-Hohlraum anzulegen, welches mindestens 58,42 Zentimeter (23 Zoll) Quecksilbersäule, vorzugsweise 72,4 bis 73,66 Zentimeter (28.5 bis 29 Zoll) Quecksilbersäule betragen soll, kann ein dermaßen hochgradiges Vakuum nicht wirksam erhalten werden, wenn die Querschnittsfläche des Ventils selbst nicht groß genug ist, um effizient Luft zu entfernen, oder wenn die Einlaßfläche zwischen dem Ventil und dem Gußform-Hohlraum nicht ausreichend und im richtigen Verhältnis dimensioniert ist.

Obwohl einige Vakuumventile für relativ kleine Druckgußteile effizient arbeiten, kann die effektive Öffnung des Ventils zu klein sein, falls größere Teile gegossen werden sollen. Die Öffnung muß groß genug sein, um anfangs die Luft aus dem Gußform-Hohlraum abzuleiten und das Vakuum in dem Hohlraum zu erhalten. Die Menge von Leckluft, die in den Hohlraum zurückgeführt wird, ist hauptsächlich eine Funktion der gesamten Länge der Trennlinien, die an den Gußform-Hohlraum angrenzen und mit der Atmosphäre kommunizieren, d. h. die Trennlinien, die an dem Äußeren der Oberfläche der Gußform angrenzen.

Daher ist es eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein verbesser­ tes Verfahren zu schaffen, welches es gestattet die Größe der Ventilöffnung oder der Freifläche eines Vakuumventils zu berechnen, um sicherzustellen, daß ausreichende Vakuum­ niveaus während eines Vakuumdruckguß-Verfahrens erreicht werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung, im Rahmen der obigen Aufgabe, ist es, ein verbessertes Vakuumdruckguß-Verfahren zu schaffen, welches die Größe des herzustellenden Gußteils berücksichtigt.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, welches die Größe der Öffnungen des Vakuumventils in Abhängigkeit von der äußeren Trennlinien des herzustellenden Gußteils festlegt.

Weitere Aufgaben und Vorteile ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 eine Draufsicht einer Gußform zusammen mit einem Vakuumventil ist,

Fig. 2 eine allgemein entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 gewonnene Ansicht ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines bevorzugten Vakuumventils ist, das in einem Druckguß-Verfahren angewendet werden kann, und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Form der effektiven Öffnung des Vakuumventils.

Allgemein gesagt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Ermittlung der Größe der Ventilöffnung oder der Freifläche eines Ventils, das eine Vakuumquelle mit einer Gußform innerhalb einer Druckgußvorrichtung verbindet.

Wendet man sich nun den Zeichnungen zu, insbesondere der Fig. 1, so weist eine dargestellte, allgemein mit 10 bezeichnete Gußform einen rechten Teil 12 und einen linken Teil 14 auf. Gemäß Fig. 1 definieren die Teile 12 und 14 einen Hohlraum 16. Die Vorrichtung von Fig. 1 weist weiterhin ein allgemein mit 18 bezeichnetes Vakuumventil auf, welches sich in dem unteren Teil der Zeichnung befindet und welches vorzugsweise an der Oberseite der Gußform selbst liegt. Das Ventil 18, welches vorzugsweise den in der Fig 3. gezeigten Aufbau aufweist und welches in der verwandten, hiermit durch Verweisung miteingeschlossene US-Anmeldung mit der laufenden Nummer 07/874 629 gezeigt und beschrieben ist, verbindet eine schematisch dargestellte Vakuumquelle 20 mit einer Öffnung 22 der Gußform, wobei die Öffnung 22 sich bis zum Hohlraum 16 hin erstreckt, so daß, wenn das Ventil 18 geöffnet wird, das Vakuum den Hohlraum 16 entleert und zwar bevor der Gießwerkstoff in den Hohlraum eingespritzt wird, um ein Gußteil zu formen.

Die Schnittstelle zwischen den Gußformteilen 12 und 14 ist mit 24 bezeichnet und die Vorderseite des Teils 14 ist als 26 bezeichnet. Der Hohlraum 16 weist einen im wesentlichen kreisförmigen Aufbau mit einem horizontalen Teil auf, der von der Seite des Hohlraums bis zum dessen allgemeinem Zentrum verläuft. Der Teil des Hohlraums, der durch den Gußformteil 12 gebildet wird, ist ähnlich aufgebaut. Es sollte sich verstehen, daß die gesamte Schnittstelle 24 die Trennlinie der Gußform definiert, wobei, in Bezug auf den Hohlraum 16, die Trennlinie sowohl einen mit "A" markierten Abschnitt aufweist, welcher sich vom Punkt 28 zum Punkt 30 erstreckt und eine äußere Trennlinie bildet, als auch einen mit "B" markierten Abschnitt aufweist, der vom Punkt 32 zum Punkt 34 verläuft und sich im inneren Abschnitt befindet. Die Undichtigkeit kann aber auch an dem mit "C" markierten Abschnitt, der sich vom Punkt 28 zum Punkt 30 erstreckt, auftreten.

In der Darstellung der Fig. 2 ist der Abschnitt A sicherlich eine äußere Trennlinie, wie auch ein Teil des Abschnitts B, welches eine Verbindung mit dem Äußeren hat und welches als Abschnitt C abgebildet ist, da der Abschnitt C den Hohlraum 16 mit der Atmosphäre verbinden kann. Trotzdem ist der Hauptteil des Abschnitts B im wesentlichen im Inneren und es können keine Undichtigkeiten auftreten, die sonst nicht durch die Abschnitte A und C auftreten würden. Daher wird der Leckpfad durch die Abschnitte A und C, nicht aber durch Abschnitt B festgelegt. Die Länge der Trennlinie wird an­ grenzend an den Gußform-Hohlraum gemessen und nicht entlang der äußeren Oberflächen der Gußformteile 12 und 14.

Es versteht sich, daß jedes hergestellte Gußteil eine unter­ schiedliche Länge der äußeren Trennlinien aufweist, die abhängig von der Form des Druckgusses und dessen Größe ist. Für jedes hergestellte Gußteil sollte dementsprechend die Länge der äußeren Trennlinien ermittelt werden, um die Größe der offenen Fläche des Ventils oder die der Ventilöffnung zu bestimmen, das das Vakuum mit dem Gußform-Hohlraum verbindet. Es sollte auch deutlich werden, daß die effektive Ventilöffnung des Ventils 18 gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet wird und daß, sobald die Abmessungen des Ventils ermittelt worden sind, der Durchmesser der Öffnung 22, die das Ventil mit dem Hohlraum selbst verbindet, nicht kleiner sein darf als der Durchmesser des Ventils, weil ansonsten die Entleerung des Hohlraums negativ beeinflußt wird. Mit anderen Worten ist es nicht sinnvoll die Fläche der Ventilöffnung einem gewünschten Wert anzupassen und dann, durch eine zu kleine Öffnung zwischen Ventil und Hohlraum, einen Flaschenhals zu bilden. Das Ventil 18 bewegt sich zwischen seiner geöffneten und seiner geschlossenen Stellung, und wenn es in der geöffneten Stellung ist, ist die effektive Fläche der Öffnung des Ventils 18 im wesentlichen durch die Fläche eines Kegelstumpfs darge­ stellt, wie im Fig. 4 abgebildet. Die Fläche kann errechnet werden, indem der durchschnittliche Umfang des Kegels mit dem Abstand W zwischen der Ventiloberfläche und dem Ventilsitz multipliziert wird. Die Öffnung des Ventils ist im allgemeinen in dem Bereich von ca. 3,175 mm bis ca. 6,35 mm (1/8 Zoll bis ca. 1/4 Zoll).

Gemäß eines wichtigen Gesichtspunkts der vorliegenden Erfin­ dung wurde festgestellt, daß die Größe der Fläche der Öffnung des Vakuumventils eine gleichbleibend gute Luftabsaugung leistet, wenn die Fläche der Ventilöffnung des Ventils, im Quadratzoll, weniger beträgt als 0.008 Zoll mal die Länge der äußeren Trennlinie in Zoll, aber mehr oder gleich viel beträgt als das Produkt von 0,003 Zoll mal die Länge der äußeren Trennlinie in Zoll. In metrischen Werten ausgedruckt, sollte die geöffnete Fläche in Quadratmillimetern weniger oder gleich dem Produkt aus 0,20 Millimeter mal die Länge der äußeren Trennlinie in Millimetern sein, aber größer oder gleich groß wie das Produkt aus 0,075 Millimeter mal die Länge der äußeren Trennlinie in Millimetern. Die Länge der äußeren Trennlinie wird entlang des Hohlraums, anstatt entlang den äußeren Abmessungen der Gußform, gemessen.

Wenn die Fläche des Ventils nicht größer ist als das Produkt von 0,003 Zoll mal die Länge der äußeren Trennlinie in Zoll, wird ein unzureichendes Vakuum im Gußform-Hohlraum angelegt. Da es wünschenswert ist, daß 95% der Luft aus dem Hohlraum entfernt wird, ist es nötig die Umgebung des Ventils über diesen Wert hinaus zu entleeren um insgesamt den gewünschten Unterdruck zu erhalten. Ausgehend von der Tatsache, daß 74,93 Zentimeter (entsprechend 29.5 Zoll) Quecksilbersäule einer fast vollständigen Luftabsaugung entsprechen, können bei einer Fläche, die größer oder gleich mit diesem Produkt ist, 63,5 bis 66,0 Zentimeter (entsprechend 25 bis 26 Zoll) Quecksilbersäule erreicht werden.

Eine andere Überlegung ist, daß die Fläche des Ventils weniger als oder gleich dem Produkt aus 0,008 Zoll mal die Länge der äußeren Trennlinie in Zoll ist. Dies ist eine praktische Einschränkung insofern, als das Ventil seinen Hub zwischen vollständiger Öffnung und vollständigem Verschluß durchlaufen muß. Wenn der Hub des Ventils zu lang ist, wird es einen längeren Zeitraum brauchen um zu schließen und wenn man die extrem kurze Zeitspanne berücksichtigt, in der das Metall in den Hohlraum eingespritzt wird, ist es für einen zuverlässigen Einsatz notwendig, daß das Ventil in ungefähr 15 Millisekunden geschlossen wird. Diese Zeit erlaubt ein zuverlässiges Schließen des Ventils und gestattet trotzdem den Hohlraum in etwa 30 Millisekunden zu füllen.

Aus der vorstehenden Beschreibung sollte es sich verstehen, daß ein Verfahren, welches zur Bestimmung der Größe der Ventilöffnung (oder die der Freifläche) eines in einem Vakuumdruckguß-Vorgangs eingesetzten Ventils verwendet wird, gezeigt und beschrieben wurde, welches als Ergebnis die zuverlässige und effektive Entleerung des Hohlraums zu Vakuumniveaus hat, die zu verbesserten Druckgußteilen führt, wobei diese Gußteile sehr geringe Oberflächenunregelmäßig­ keiten aufweisen. Wenn ein Vakuumdruckguß-Vorgang vorberei­ tet wird, kann die Größe des Ventils festgelegt werden, so daß eine optimale Entleerung des Gußform-Hohlraums gewährleistet wird, wobei das Ventil noch in einer dem Verfahren angepaßten Zeit geschlossen werden kann.

Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, können selbstverständlich verschie­ dene Alternativen, Ersetzungen und Äquivalente verwendet werden, und die Erfindung sollte lediglich durch die Patent­ ansprüche und ihre Äquivalente beschränkt sein.

Verschiedene Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen zum Ausdruck gebracht.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ermittlung der Größe der Fläche der Ventilöffnung einer Ventileinrichtung, welche einen Gußform- Hohlraum mit einer Vakuumquelle verbindet, wobei die Ventilvorrichtung in einer Druckgußvorrichtung verwendet wird, die derart ausgebildet ist, daß deren Gußform aus mindestens zwei Teilen besteht, die während eines Druckguß- Vorgangs zusammenfügbar sind und die voneinander entfernbar sind, um das Gußteil zu entnehmen, wobei die Teile des Gußform-Hohlraums Trennlinien entlang deren Schnittstelle an den Gußform-Hohlraum definieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgendes aufweist:
Ermittlung der gesamten Länge der Trennlinien, die an den Gußform-Hohlraum angrenzen und die an dem Äußeren der Gußform anliegen; und
Bestimmung der Größe der Fläche der Ventilöffnung der Ventilvorrichtung in Quadratzoll, so daß die Fläche gleich groß oder größer ist als 0,003 Zoll multipliziert mit der ermittelten gesamten Länge der Trennlinien in Zoll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Fläche der Ventilöffnung in Quadratzoll weiterhin derart bestimmt ist, daß sie gleich groß oder kleiner ist als 0,008 Zoll multipliziert mit der ermittelten gesamten Länge der Trennlinien in Zoll.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung mindestens ein Ventil aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fläche der Ventilöffnung der Ventil­ vorrichtung die effektive Fläche jedes Ventils einschließt, welches den Gußform-Hohlraum mit einer Vakuumquelle verbin­ det, wenn sämtliche Ventile in ihrer offenen Stellung sind.

5. Vorrichtung zur Herstellung von Gußteilen bestehend aus:
einer Gußform, die aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, wobei die Teile derart geformt sind, daß sie einen Gußform-Hohlraum definieren und trennbar angeordnet sind, um die Entfernung eines Gußteils nach dessen Formung zu ermög­ lichen, wobei die Schnittstelle zwischen den Teilen inner­ halb des Hohlraumes Trennlinien definiert, wobei die an der Außenseite der Gußform liegenden Trennlinien äußere Trenn­ linien definieren;
einer Vakuumquelle, um den Hohlraum vor der Herstel­ lung eines Gußteils zu entleeren; und
einer Ventilvorrichtung, die mindestens in einem Teil der Gußform eingebaut ist und die angesteuert wird, und den Hohlraum mit der Vakuumquelle verbindet, um den Hohlraum vor dem Gießvorgang zu entleeren, wobei die Ventilvorrichtung, im geöffneten Zustand, eine Durchflußfläche hat, die gleich groß oder größer ist als 0,003 Zoll multipliziert mit der gesamten Länge der Trennlinien in Zoll.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ventilvorrichtung, im geöffneten Zustand eine Durchflußfläche hat, die gleich groß oder kleiner ist als als 0,008 Zoll multipliziert mit der gesamten Länge der nicht eingeschlossenen Trennlinien in Zoll.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung aus einem einzigen Tellerventil besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Mittel aufweist, die in mindestens eines der Teile der Gußform eingebaut sind und die die Ventilvorrichtung mit der Vakuumquelle verbinden, wobei die Durchflußfläche dieser Verbindungsmittel ungefähr gleich groß oder größer ist als die Durchflußfläche der Ven­ tilvorrichtung.