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Verfahren und Maschine zur Herstellung und Prüfung von Formsandproben
Gießereien, die wirtschaftlich arbeiten wollen, müssen ihren Formsand auf seine
Eignung für ihre Zwecke fortlaufend untersuchen; hierfür sind bisher laboratoriumsmäßige
Vorrichtungen bekannt, mit Hilfe deren die einzelnen Eigenschaften des Sandes festgestellt
werden. Meistens sind dabei so viele Proben erforderlich, als verschiedene Eigenschaften
ermittelt werden sollen. Die bisherigen Prüfgeräte sind verhältnismäßig empfindlich,
ihre Handhabung erfordert ein erhebliches Maß von Sachkunde und Geschicklichkeit
und außerdem kostet die Entnahme mehrerer Proben und die Durchführung der einzelnen
Untersuchungen erhebliche Zeit. Die vorliegende Erfindung schafft eine Prüfmaschine
für Formsand, bei der die grundsätzlich bekannten Untersuchungsverfahren in einer
Weise durchgebildet, verbessert und vereinigt sind, daß alle für den praktischen
Gießereibetrieb wesentlichen Eigenschaften an einer einzigen Probe in kurzer Zeit
und ohne besondere Geschicklichkeit zuverlässig ermittelt werden können; kurzum,
im Gegensatz zu den bekannten Laborä.toriumsgeräten ist eine für rauhe Betriebe
geeignete Prüfmaschine geschaffen.
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Es hat sich herausgestellt, daß für die Erfordernisse der Praxis die
Kenntnis von drei Eigenschaften des Formsandes nötig, aber auch ausreichend ist,
nämlich: der Festigkeit, der Gasdurchlässigkeit in gestampftem bzw. gepreßtem Zustand
und des Feuchtigkeitsgehaltes. Auf die absoluten Werte kommt es dabei nicht an,
vielmehr genügt es, wenn die einzelnen Sande in zuverlässiger Weise zahlenmäßig
miteinander verglichen werden können. Festigkeit und Gasdurchlässigkeit werden mit
der neuen Maschine unmittelbar gemessen, während als Maß für den Wassergehalt die
elektrische Leitfähigkeit benutzt wird.
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Die Probekörper müssen, damit die Ergebnisse vergleichbar sind und
den Verhältnissen def Praxis entsprechen, in fertiggepreßtem Zustand gleiche Abmessungen
haben, und der Sand muß mit einem gleichen Druck zusammengepreßt worden sein. Denn
es wird ja auch beim Einformen nicht etwa eine im voia:us bestimmte Sandmenge in
die Kästen gefüllt, sondern der Sand wird mit einem bestimmten - nach den Erfordernissen
des Gusses gewählten und z. B. durch die Benutzung von richtig eingestellten Preßluftstampfern
eingehaltenen - Druck zusammengepreßt und so lange neuer Sand zugegeben, bis die
Form voll ist.
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Es ergibt sich also die Aufgabe, so viel Sand zur Herstellung des
Probekörpers zu verwenden, daß dieser nach dem mit einem bestimmten Druck erfolgenden
Pressen einen bestimmten Querschnitt und eine bestimmte Länge hat, und dies ohne
empfindliche Geräte, ohne besondere Geschicklichkeit und ohne Zeitverlust. _ Es
ist klar, daß man, um vergleichbare
Werte zu bekommen, die Länge
des Probekörpers innerhalb gewisser Grenzen Bleichhalten muß._ Diese Grenzen sind
zwar weiter, als man zunächst glauben sollte; es hat sich nämlich gezeigt, daß etwa
io°/o Abweichung nach oben oder unten von der als Norm angenommenen Länge von ioo
mm nahezu einflußlos auf das Ergebnis sind. Die Eigenschaften der in der ].Taxis
vorkommenden Sande sind jedoch so verschieden, daß man nicht einfach, wie es zunächst
naheliegt, ein besimmtes Volumen Sand mit einem bestimmten Druck zusammenpressen
und es dann zur Messung verwenden darf, denn dann würden die Längen der so entstandenen
Sandsäulen so verschieden, daß die als zulässig anzusehenden Abweichungen weit überschritten
wären.
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. Es geht auch nicht an, etwa ein bestimmtes Volumen oder ein bestimmtes
Gewicht an Sand einfach so lange zu pressen, bis eine bestimmte Länge erreicht ist,
denn dann wären die dazu erforderlichen Drücke sehr verschieden, was nicht den Verhältnissen
der Praxis entspräche und keine vergleichbaren Werte ergäbe.
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Es läge nun nahe, die aus einem bestimmten Volumen mit einem bestimmten
Druck gepreßte Sandsäule einfach nach dem Pressen auf ein Normalmaß abzuschneiden,
aber, auch das ist aus dem folgenden Grund nicht zulässig: die -Pressung der Säule
ist nicht in allen Punkten gleich, vielmehr wird die mittels des Freßkolbens ausgeübte
Kraft nicht in ihrem vollen Betrag in Richtung der Zylinderachse auf die weiter
vorn liegenden Sandkörner übertragen, sondern ein-Teil wird durch die bei der Verschiebung
auftretende Reibung der Sandkörner untereinander und an der Wand aufgezehrt; die
Mitte der Säule ist also stärker gepreßt als das vordere Ende. Wenn also, um ein
Zahlenbeispiel zu gebrauchen, etwa der Sand A bei der Pressung eine Säule von io2
mm ergäbe, der Sand B aber eine solche von 145 mm Länge, und man schnitte dann von
der SäuleA 2 mm, von der Säule B 45 mm ab, dann würde für die Probe vom Sande A
-fast die ganze Säule benutzt, vom Sande B nur etwa die hinteren Zweidrittel. Während
also bei der folgenden Bruchprobe von A hauptsächlich das vordere Drittel der Belastung
unterworfen würde, würde von B das ursprüngliche Mittelstück benutzt, d. h. es würde
eine zuhohe Festigkeit vorgetäuscht.
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Diese Verhältnisse waren an sich bekannt, und deshalb hat man sich
auch bemüht, als Endergebnis der mit einem bestimmten Druck vorzunehmenden Pressung
.eine Sandsäule von bestimmter Länge zu bekommen. Das war aber bisher nur durch
Herumprobieren möglich, und zudem wurde noch meistens eine Waage benötigt. Bei dem
bekanntesten Prüfverfahren, dem der American Foundrymens Association, besteht z.
B. die Vorschrift, man solle zunächst einmal 165'g Sand abwiegen und ihn rammen;
wenn der Probekörper dann um mehr als 3/g2 ' von der Standardlänge 2" abweiche,
solle man entsprechend mehr oder weniger abwiegen.
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Diese Schwierigkeiten überwindet das neue Verfahren dadurch, daß -
wie im folgenden näher beschrieben wird - ein zweimaliges Pressen, Vor- und Nachpressen,
vorgenommen wird. Die zur endgültigen Messung verwendete Sandmenge ist vorläufig
unbestimmt. Der Zylinder wird ohne Rücksicht auf die Sandart ganz gefüllt; von dieser
Gesamtsandmenge wird durch die Vorpressung die nötige Menge bestimmt, welche erforderlich
ist, um bei einem normalen Preßdruck (z. B. i kg/cm') eine Sandsäule von normaler
Länge (z. B. ioo mm) herzustellen. Es ist also erreicht, daß man von einem Sandvolumen
ausgehen kann, d. h. die teure und empfindliche Waage und das lästige Abwiegen spart,
und ohne viel Herumprobieren und ohne besondere Übung oder. Geschicklichkeit sofort
eine Säulenlänge erhält, die sowenig von der Normallänge abweicht, daß sie entweder
überhaupt nicht durch Abschneiden auf ein genaues Maß gebracht werden muß oder daß
ein Abschneiden keinen Fehler verursacht.
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Im Vergleich zu den bekannten Formsand-Prüfverfahren wird bei dem
neuen Verfahren ein verhältnismäßig hoher Preßdruck angewendet, welcher sich der
beim Gebrauch des Sandes in der Gießerei vorkommenden Pressung nähert; die Ergebnisse
sind daher weniger von kleinen Zufälligkeiten abhängig und entsprechen mehr den
tatsächlichen Verhältnissen der Praxis. Während es bei den schwächer gepreßten Probesäulen
der bisherigen Prüfverfahren bekannt war, sie zum Zwecke der Messung der Knickfestigkeit
über einen Rand vorzuschieben, bis sie durch ihr eigenes Gewicht abbrechen, werden
bei dem neuen Verfahren die Sandsäulen am vorderen Ende noch durch ein Zusatzgewicht
belastet. Hierdurch wird ein wesentlicher Fortschritt erzielt, denn das Zusatzgewicht
gestattet nicht nur die Anwendung des vorteilhaften hohen Preßdruckes, sondern es
sichert dem Verfahren einen praktisch unbegrenzten Meßbereich; die schwächsten wie
die stärksten Sande können gleichermaßen geprüft werden, ohne daß die Maschine eine
unhandliche Größe erhält. Die Bruchfläche ist durch die Wahl des Belastungsgewichtes
immer innerhalb der vorgesehenen Länge (von z. B. ioo mm) zu verlegen. Würde mit
weniger großem Druck gepreßt, so wären ausnehmend schwache Sande überhaupt nicht"
meßbar, wollte man die Bruchprobe ohne Zusatzgewicht
vornehmen,
so müßte bei ausnehmend starken Sanden die Säule eine unmögliche Länge erhalten.
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Die Wirkungsweise der Maschine sei an Hand der beiliegenden Zeichnungen
be schrieben. Sie besteht im wesentlichen aus einem Maschinenkörper, in welchem
sich eine mit einem leicht lösbaren Verschluß versehene Büchse befindet, in der
ein Kolben hin und her bewegt werden kann; durch diese Bewegung wird eine bestimmte
Sandmenge mit einem bestimmten Druck zusammengepreßt, diese gepreßte Sandsäule wird
auf eine bestimmte Länge abgeschnitten und diese dann in nacheinander folgenden
Arbeitsgängen in ein und derselben Vorrichtung zur Bestiminung der Gasdurchlässigkeit,
Festigkeit und des Feuchtigkeitsgehaltes benutzt.
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Die im Maschinenkörper i gelagerte Büchse 2 (vgl. Abb. i und -2) wird
nach Lösen einer oder mehrerer Flügelschrauben 3 herausgezogen; sie wird senkrecht
aufgestellt, unten mit dem Holzstopfen 4 (Abb. 4) verschlossen und dann mit dem
zu untersuchenden Sand gefüllt, wobei die Büchse unten leicht aufgestoßen und der
Sand oben leicht mit der Hand angedrückt wird. Der Preßkolben 5 wird in seine hinterste
Stellung gebracht; er ist an seinem äußeren Umfange mit sägeförmigen Rillen versehen,
die ein Festklemmen von Sandkörnern verhindern, und mit der Gewindespindel 6 verbunden.
Diese Spindel wird durch den in die Nut 7 eingreifenden Keil 8 an der Drehung verhindert;
bei einer Drehung der Mutter 9, die ihrerseits durch den geteilten Ring io im Gehäuse
festgehalten wird, wird die Spindel 6 und mit ihr der Preßkolben 5 hin und her bewegt.
Die Mutter 9 wird durch die Kurbel i i gedreht; der unmittelbare Antrieb mit Hilfe
der Kurbel i i ist für den schnelleren Vorwärts- und für den Rückwärtsgang des Kolbens
vorgesehen; für den - namentlich bei der Festigkeitsprobe erforderlichen - langsamen
und erschütterungsfreien Vorwärtsgang wird die Kurbel vermittels einer Kupplung
bekannter Bauart 12 mit einem Schneckenrad 13 gekuppelt, welches seinerseits über
die Schnecke i4 vom Handrad 15 in Umdrehung versetzt wird. Es kann auch noch eine
Einrichtung vorgesehen werden, die nicht gezeichnet ist, um den Kolben ; ohne Drehung
der Kurbel i i schnell zurückzuziehen, etwa indem die Mutterg nach Art der an Leitspindeldrehbänken
üblichen Supportschlösser geteilt ausgeführt wird. Die Einzelheiten des Kolbenantriebes
sind natürlich nur als Beispiel dargestellt und für die Erfindung nicht wesentlich.
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Nachdem also, wie erwähnt, der Kolben in die hinterste Stellung gebracht
worden ist, wird die mit dem Sand gefüllte Büchse 2 wieder in den Maschinenkörper
i eingeschoben und dort mit den Flügelschrauben 3 festgeklemmt. Hierauf wird mit
einer Hand die Kurbel i i gedreht und hierdurch der Kolben 5 so weit vorgeschoben,
bis die auf die Spindel 6 aufgesteckte Meßhülse 16 mit dem hinteren Ende der Spindel
abschneidet, wobei mit einem leichten Druck der anderen Hand daß offene Ende der
Büchse 2 zugehalten wird. Der aus dem offenen Ende der Büchse2 ausgetretene Sand
wird mit einem Messer glatt abgeschnitten. Es ist dann die richtige Menge Sand in
der Maschine vorhanden. Anstelle dessen, daß der Zylinder mit der freien Hand zugehalten
-wird, könnte man ihn auch (ähnlich wie es im folgenden beschrieben werden wird)
mit einem Deckel verschließen, welcher ganz leicht belastet wäre, das wäre vielleicht
vom wissenschaftlichen Standpunkte aus gesehen das einwandfreieste Verfahren; die
Praxis hat jedoch gezeigt, daß der Druck, der von verschiedenen, auch ungeübten
Personen mit der freien Hand ausgeübt wird, während sie mit der anderen Hand die
Kurbel drehen, so wenig verschieden ist, daß das für das Endergebnis keine Rolle
spielt.
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Nun wird der Verschlußdeckel 17 vor die vordere Öffnung gesetzt und
durch Einsteckendes Bolzens 18 in sein Lager drehbar befestigt; die Sperrklinke
19 wird gelöst, und daher drückt jetzt das Gewicht 2o, welches auf dem um den Bolzen
21 drehbaren Hebel 22 in einer bestimmten Stellung festgeklemmt ist, vermittels
der Nase 23 auf den Ansatz 24 des Verschlußdeckels 17. Durch Drehen der Kurbel i
i wird nunmehr der in der Büchse :2 befindliche Formsand so weit zusammengepreßt,
bis die Zeigerspitze 25 des Hebels 22 von ihrer Anfangsstellung, die in der Abb.
i gestrichelt angedeutet ist und bei der sie der Marke 26 gegenübersteht, sich um
ein bestimmtes Stück, nämlich bis zur Marke 27, gehoben hat. Hierauf wird der Verschlußdeckel
17 durch Einwerfen der Sperrklinke i9 unter den Hebel 22 entlastet, der Bolzen 18
wird herausgezogen und der Deckel 17 abgenommen. Infolge der oben beschriebenen
Vorbereitung des Sandes vor dem eigentlichen Pressen hat die Säule nunmehr schon
'sehr nahezu das vorgeschriebene Längenmaß. Die ganz genaue Bemessung der Länge
erfolgt nun noch in der Weise, daß die Kurbel i i so lange weiter nach vorwärts
gedreht wird, bis die Nase 28, welche in der Meßhülse 16 sitzt und von der Feder
29 auf die Spindel 6 gedrückt wird, über das hintere Ende der Spindel schnappt.
Die jetzt aus der vorderen Öffnung der Maschine ausgetretene Sandsäule wird abermals
mit einem Messer glatt abgeschnitten, so daß die nun noch in der Büchse
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befindliche Säule eine genau bestimmte Länge hat. Die
Berichtigung der Säulenlänge ist, wie gesagt, nur unbedeutend und hat auf das Endergebnis
nicht viel Einfluß.
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Nach Fertigstellung der Probe wird nun zunächst die Prüfung der Gasdurchlässigkeit
vorgenommen. Zu diesem Zwecke wird mit Hilfe der überwurfmutter 30 die Verschlußkappe
31 auf den mit einem Gewinde versehenen Kopf 32 der Büchse geschraubt, wobei zwischen
beide noch eine Dichtung33 eingelegt wird (vgl.Abb.3 und 7). Der Kolben 5 wird dann
durch eine Umdrehung der Kurbel z z etwas zurückgezogen. Auf die Schlauchtülle 34
der Kappe 3 1 wird nun der Gummischlauch 35 aufgesteckt, der seinerseits
mit dem oberen Tubus 37 der Glasflasche 36 verbunden ist; diese Flasche trägt eine
Skala 38 und ist zunächst bis zur unteren Marke mit Wasser gefüllt; ihr unterer
Tubus 39 ist durch den Schlauch 4o mit dem Standgefäß 41 verbunden. Dieses Standgefäß
wird nun auf eine bestimmte Höhe (z. B. im) über den Wasserspiegel der Flasche 36
gehoben und dann der Absperrhahn 42, geöffnet; das Wasser fließt nun in die Flasche
36 und verdrängt die darin befindliche Luft durch den Schlauch 35; diese strömt
weiter durch die Kappe 31 und wird durch den zu prüfenden Sand hindurchgepreßt,
sie sucht sich weiter ihren Weg am Kolben 5 vorbei, durch eine Bohrung 43 und eine
Nut 44 der Büchse 2 und schließlich durch den geöffneten Hahn 45 ins Freie. Nach
einiger Zeit ist das Wasser in der Flasche 36 bis zur oberen Marke der Skala 38
gestiegen (es sind dann z. B. 500 cms Luft verdrängt worden) ; diese Zeit
wird mittels einer Stoppuhr festgestellt und gilt, abzüglich derjenigen Zeit, die
zum Durchtreiben derselben Luftmenge bei gleichem Druck durch die leere Maschine
gebraucht wird, als Maß für die Gasdurchlässigkeit des verdichteten Sandes. Nach
beendigter Prüfung wird natürlich durch Absenken des Standgefäßes 41 das Wasser
wieder bis zur unteren Marke in der Flasche 36 zurückgeholt und so das Gerät für
die nächste Messung bereitgestellt.
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Es folgt nun die Prüfung der Bruchfestigkeit. Zu diesem Zwecke wird
die Kappe 31 wieder entfernt und auf den ringförmigen Ansatz 46 der Büchse 2 ein
kappenartig ausgebildetes Belastungsgewicht 47 (von z. B. Zoo g) aufgesetzt (Abb.
5). Der mit einer Einteilung, z. B. einer Millimeterteilung versehene Maßstab 48
wird in die Augenlager 49 und 5o eingeschoben, und zwar so, daß der winklig abgebogene
Schenkel 51 die Spitze 52 des Belastungsgewichtes 47 berührt. Durch Drehen des Handrades
15 wird nunmehr der Preßkolben 5 mit der verdichteten Sandsäule vorgeschoben.
Letztere hebt hierbei das Belastungsgewicht 47 von seinem Sitz ab und schiebt es
freitragend vor; der Maßstab 48 wird mitgenommen, und zwar so lange, bis die Bruchgrenze
der Sandsäule erreicht ist und sie an der scharfen Außenkante der Büchse :2 abbricht;
eine am Maschinenkörper i angebrachte Marke 53 zeigt dabei die Länge der abgebrochenen
Säule auf dem Maßstab 48 an, und diese gilt als Maß für die Bruchfestigkeit.
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Zur Prüfung des Feuchtigkeitsgehaltes kann nun .die Sandsäule abermals
vorn glatt abgeschnitten und dann die aus Isolierstoff bestehende Kappe 54 (Abb.
6) auf die Büchse 2 aufgesteckt werden; in dieser Kappe steckt ein Metallstift 55,
der durch das Anschieben der Kappe 54 bis zum Aufsitzen auf dem vorderen Rand der
Büchse um ein bestimmtes Maß in die Sandsäule eingedrückt wird. Wird nun dieser
Stift mit dem einen Pol und der Maschinenkörper mit dem anderen Pol einer elektrischen
Stromquelle von bestimmter Spannung verbunden, so fließt ein Strom, dessen Größe
dem elektrischen Widerstand eines bestimmten Sandquerschnittes umgekehrt verhältnisgleich
ist, denn der Widerstand der Metallteile kann unbedenklich vernachlässigt werden;
die Stromstärke kann in bekannter Weise durch einen dazwischengeschalteten Stromzeiger
gemessen werden und kann als Maß für den Feuchtigkeitsgehalt gelten, da dieser in
einer bekannten Beziehung zur elektrischen Leitfähigkeit steht. Diese Beziehung
kann ein für alle Male durch Versuch ermittelt und in einer Zahlentafel oder einem
Kurvenblatt niedergelegt werden.
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Noch zuverlässigere Werte für den Feuchtigkeitsgehalt erhält man auf
folgende Weise: Die in der Büchse 2 nach dem Festigkeitsversuch verbliebene restliche
Sandsäule wird durch Vorschieben des Kolbens 5 herausgenommen und mit ihrer glatten
Endseite so zwischen die auf dem Maschinenkörper i angebrachten und durch ein Scharnier
56 miteinander verbundenen Klemmbacken 57 und 58 gelegt, daß die Kontaktstreifen
59 und 6o in ihrer ganzen Breite auf ihr aufliegen. Der mit dem Gewicht 2o versehene
Hebel 22 wird darauf auf den oberen Klemmbacken 58 gelegt und durch Anziehen der
Druckschraube 61 bis zu ihrem Anschlag 62 mit einem bestimmten Druck und um ein
bestimmtes Maß aufgepreßt; ein gewisses Aufpressen ist nötig, damit nicht etwa einer
der Kontakte nur auf einem einzelnen vorstehenden Sandkorn aufliegt. Der Kontakt
6o ist mit dem einen Pol eine Stromquelle 63 (z. B. einem 4-Volt-Akkumulator), der
Kontakt 59 mit einem Stromanzeiger 64 (z. B. einem Milliamperemeter)
verbunden,
dessen andere Klemme mit dem anderen Pol der Stromquelle 63 verbunden ist. Der entstehende
Strom dient in der schon beschriebenen Weise als Maß für den Feuchtigkeitsgehalt.
Natürlich kann der elektrische Widerstand auch in einer anderen bekannten Weise
gemessen werden, z. B. durch eine Wheatstonesche Brücke.
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Der abnehmbare Kasten 65 dient zum Auffangen des bei den Prüfungen
abfallenden Sandes.