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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für das Gießen eines
Schmelzkerns aus einem geschmolzenen Metall, bei dem das geschmolzene Metall unter
Druck in eine geeignete Form gefördert wird.
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Die Schmelzkerne, die zum Gießen von Hohlkörpern aus Plastik, welche
formschräge Teile aufweisen, verwendet werden, müssen frei sein von:
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- Gußschlieren, wobei solche Schlieren im allgemeinen durch plötzliche
Änderungen der Füllquerschnitte oder durch ungeeignete Füllgeschwindigkeiten erzeugt
werden, die insbesondere durch schwer beherrschbare Gegendrücke in der Form
bewirkt werden.
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- Graten, indem die Formtrennflächen so perfekt wie möglich durchgeführt werden.
Jedoch haben solche Flächen die Wirkung, den Gegendruck zu erhöhen, was die
Notwendigkeit beinhaltet, Gasentlüftungen vorzusehen, wobei diese letzteren kein
konstantes und zuverlässiges zeitliches Verhalten aufweisen.
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- Oberflächenlöchern, die mit einer dünnen Metallhaut bedeckt sind, welche durch
Zusammenbruch dieser Haut bei der nachfolgenden Verwendung des
Schmelzkerns im Rahmen eines Spritzgießens Anlaß zu Oberflächenfehlern an den durch
Spritzen gegossenen Plastikkörpern geben.
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Eine weithin verwendete Technik für das Gießen von Schmelzkernen besteht
darin, das geschmolzene Metall unter der Wirkung eines Gasdrucks in eine mit der
Form verbundene Leitung zu fördern.
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Diese Technik weist jedoch zwei schwerwiegende Fehler auf
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- der Gegendruck in der Form verändert sich mit der Zeit, insbesondere je nach
dem Zustand der Gasentlüftungen, die die Tendenz haben zu verstopfen, und
infolgedessen ist es, auch wenn ein Druckprofil beim Gießen vorgegeben wird,
nicht möglich, bei einer Folge von Gießzyklen zu jedem Zeitpunkt das Füllniveau
der Form zu kennen, insbesondere wenn diese letztere variable Querschnitte
aufweist.
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- das Metall wird auf oszillierende Weise gefördert und enthält oft Gasblasen, was
die Erzeugung von Schlieren und die Bildung von Löchern in den so hergestellten
Schmelzkernen zur Folge hat.
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Außerdem ist es beim Gießen bestimmter Typen von Schmelzkernen wichtig,
die Form während ihrer Füllung kippen zu können, um jegliches Fließen von Metall
und folglich die Bildung von Wellen zu vermeiden.
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In diesem Fall muß die Anwendung der oben beschriebenen Technik
ausgeschlossen werden, denn, da diese es nicht erlaubt, zu jedem Zeitpunkt das Niveau
der Metalfront in der Form zu kennen, wird es unmöglich, den genauen Zeitpunkt zu
bestimmen, der ein Kippen der Form erfordert.
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Eine andere mögliche Technik besteht darin, eine Verdrängerpumpe zu
verwenden, die zwischen dem von der Front des geschmolzenen Metalls in der Form
erreichten Niveau und der Menge des von der Pumpe gelieferten geschmolzenen
Metalls eine nicht zweideutige Beziehung ermöglicht.
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Jedoch erlaubt diese Technik a priori kein gleichmäßiges Füllen der Formen,
insbesondere im Fall von Formen, die variable Querschnitte aufweisen und/oder die
ein- oder mehrmaliges Kippen im Verlauf des Füllens erfordern.
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Es ist auch bekannt (Giesserei 1991, 78, Nr.5, 4. März, S. 146-150), das
geschmolzene Metall beispielsweise mittels einer Kolbenpumpe in die
Formgebungsform zu spritzen und in diesem Fall den Druck der Flüssigkeit, den die Pumpe
erzeugt, zu messen und diesen Druck beispielsweise über eine Regelschleife einem
vorher festgelegten Profil zu unterwerfen.
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Jedoch werden bei solchen Verfahren parasitäre, beispielsweise von
Reibungen herrührende Druckanstiege nicht berücksichtigt, die im Hinblick auf die niedrige
Viskosität des geschmolzenen Metalls sehr groß sein und sogar überwiegen
können. Daraus ergibt sich, daß der gemessene und kontrollierte Druck nicht den
Füllgrad der Form wiederspiegelt, und daß diese Verfahren infolgedessen eine
wirksame Kontrolle des Füllens der Form und folglich die Herstellung von
fehlerfreien Schmelzkernen nicht gestatten.
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Die vorliegende Erfindung betrifft infolgedessen ein Verfahren zum Gießen von
Schmelzkernen unter Beteiligung einer Verdrängerpumpe, das auf einfache Weise
eine gleichmäßige Herstellung von praktisch fehlerfreien Schmelzkernen ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung betrifft infolgedessen ein Verfahren für das Gießen
eines Schmelzkerns aus einem geschmolzenen Metall, bei dem das geschmolzene
Metall mittels einer Verdrängerpumpe in eine Form gefördert wird, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man den Druck des geförderten Metalls mißt, und daß man
den Durchsatz der Pumpe so anpaßt, daß der anwachsende Druck, dem das
geförderte geschmolzene Metall unterliegt, sich während der gesamten Dauer des
Füllzyklus der Form nicht plötzlich ändert.
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Die Verdrängerpumpe kann jedem beliebigen Typ angehören, der für die Art
des zu behandelnden Materials, geschmolzenes Metall, geeignet ist. Man bevorzugt
jedoch die Verwendung einer Verdrängerpumpe vom Kolben-Typ, da dieser
Pumpentyp eine eindeutige Beziehung zwischen der Position des Kolbens und der
Menge des in die Form geförderten geschmolzenen Metalls ermöglicht. In diesem
Fall wird während des Füllens der Form die Bewegungsgeschwindigkeit, die dem
Kolben der Verdrängerpumpe vorgegeben wird, kontrolliert, um jede plötzliche
Änderung des Drucks, der auf das in die Form geförderte geschmolzene Metall
während ihrer Füllung ausgeübt wird, zu vermeiden.
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Gemäß einer sehr einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens führt man für die Herstellung eines Schmelzkerns einen ersten Guß aus,
wobei man dem Kolben eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit vorgibt und
bestimmt die Positionen des Kolbens, bei denen man eine plötzliche Änderung des
Drucks des geförderten geschmolzenen Metalls verzeichnet (Durchgang der Front
des geförderten geschmolzenen Metalls in sich ändernde Querschnitte der Form).
Die Untersuchung des Diagramms der Änderung der in Abhängigkeit von den
aufeinanderfolgenden Positionen des Kolbens bestimmten Drücke ermöglicht
außerdem, die Geschwindigkeitsänderung zu bestimmen, die der Bewegung des Kolbens
an diesen bestimmten Positionen vorzugeben ist, um ein Füllen unter einem stetig
anwachsenden Druck und ohne plötzliche Änderung aufrechtzuerhalten.
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Man kann infolgedessen beispielsweise unter Verwendung einer schnellen
Regelschleife und eines proportionalen hydraulischen Verteilers, der den
Antriebszylinder des Kolbens der Verdrängerpumpe speist, der Bewegung des Kolbens eine
variable Geschwindigkeit vorgeben, so daß der anwachsende Druck, dem das
geförderte geschmolzene Metall unterworfen wird, sich während der gesamten
Dauer jedes Fülzyklus der Form bei den späteren Gießzyklen nicht plötzlich ändert.
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Die Anmelderin bevorzugt die Verwendung eines Antriebs vom hydraulischen
Typ, um die Bewegungen des Kolbens zu kontrollieren, aber es ist ganz klar, daß
andere Antriebsarten, wie beispielsweise ein Antrieb durch einen Elektromotor, im
Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung genutzt werden können.
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Das Ziel der durchzuführenden Regelung ist es folglich, durch einen vorhen
gen Versuch die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens in einem gegebenen
Bereich anzupassen, damit das Druckprofil des in die Form gefördeten Metalls sich
zeitlich nicht plötzlich ändert, wobei dieses Vorgehen bis zum vollständigen Füllen
der Form wiederholt wird.
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So wie es vorstehend gesagt wurde, besitzen die in der Form vorgesehenen
Gasentlüftungen kein konstantes zeitliches Verhalten, da diese letzteren in der Tat
die Tendenz haben können nach und nach oder plötzlich zu verstopfen, was die
direkte Folge hat, daß sich in der Form ein starker Gegendruck entwickelt. Da dieser
Gegendruck den in dem geschmolzenen Metall gemessenen Druck unheilvoll
beeinflussen kann, ist es wichtig, daß der Entwicklungsprozeß der Gießzyklen mit
Formen durchgeführt wird, deren Entlüftungen frei gehalten werden. Sobald dieser
Entwicklungsprozeß beendet ist, bleibt folglich bei dem nachfolgenden industriellen
Produktionszyklus ein eventuelles Verstopfen einer oder mehrerer Entlüftungen
ohne Folge auf das Füllen der Form, da dieses letztere volumetrisch erfolgt. In der
Tat zeigt sich das Verstopfen einer Entlüftung nur durch eine Abweichung der
während der aufeinanderfolgenden Füllungen gemessenen Drücke.
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Wie es vorhergehend erwähnt wurde, kann bei der Herstellung bestimmter
Typen von Schmelzkernen ein Kippen der Form während ihrer Füllung sich als
unbedingt notwendig erweisen, um ein Fließen des geschmolzenen Metalls zu
vermeiden, das Wellen erzeugen und so zur Herstellung von fehlerhaften
Schmelzkernen führen kann.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann für das Füllen von Formen, die ein
solches Kippen erfordern, leicht angepaßt werden.
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in diesem Fall bestimmt man, indem in einem ersten Produktionsversuch
unvollkommene Schmelzkerne hergestellt werden, die Meßwerte der Bewegung des
Pumpenkolbens, die den Füllniveaus der Form entsprechen, bei denen es
notwendig ist, die Form einmal oder mehrmals nacheinander zu kippen.
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Sobald dieser oder diese Punkte bestimmt sind, führt man von neuem ein
erstes Füllen der Form mit konstanter Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens
durch, wobei man die Form bei den passenden Meßwerten kippt, und bestimmt das
Diagramm der Druckänderung des geförderten Metalls. Auf der Grundlage dieses
Diagramms kann man dann die Positionen des Kolbens, bei denen es notwendig ist,
auf die Geschwindigkeit des Kolbens einzuwirken, und die Änderungen der
Geschwindigkeiten, die dem Kolben an diesen Stellen vorzugeben sind, bestimmen,
um einen Gießzyklus so durchzuführen, daß der Druck des in die Form geförderten
geschmolzenen Metalls gemäß einem vorher festgelegten Profil ohne plötzliche
Änderung während jedes industriellen Produktionszyklus ansteigt.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung erweist es sich außerdem als
vorteilhaft, die Pumpe mit einem Druckregler auszustatten, der die Funktion hat, den
durch die Pumpe auf das geförderte geschmolzene Metall ausgeübten maximalen
Druck zu begrenzen. Auf diese Weise vermindert man jedes eventuelle Unfallrisiko
während der industriellen Produktion, und man verhindert den Einsatz eines zu
hohen Drucks am Ende des Füllens der Form, der die Bildung von unerwünschten
Graten auf den gegossenen Schmelzkernen begünstigen könnte. Im allgemeinen
bevorzugt die Anmelderin, daß der Druckregler den auf das geschmolzene Metall
ausgeübten maximalen Druck auf einen Wert begrenzt, der leicht höher ist als die
monometrische Höhe, die der Gesamtfüllung der Form entspricht.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die den Vorteil aufweist, automatisiert zu sein, legt man ein steigendes Profil für den
Druck des in die Form zu fördernden geschmolzenen Metalls fest, nimmt man
kontinuierlich den Druck des geförderten geschmolzenen Metalls während der
Herstellung auf und reguliert ausgehend von dieser Messung kontinuierlich den
Durchsatz der Verdrängerpumpe, um das vorher festgelegte steigende Druckprofil
einzuhalten.
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Das Verfahren gemäß dieser Variante kann vorteilhaft durchgeführt werden,
indem man ein automatisches Vergleichs-Regelungssystem verwendet, das zu
jedem Zeitpunkt des Herstellungszyklus den gemessenen Druck des geförderten
geschmolzenen Metalls mit dem Momentanwert des vorher festgelegten Drucks
vergleicht, und das im Fall eines Unterschieds zwischen diesen Druckwerten auf den
Durchsatz der Pumpe wirkt, um diesen Unterschied auszugleichen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird außerdem ausführlicher in der
folgenden Beschreibung seiner ersten Ausführungsform dargelegt, in der man sich auf die
Figuren der Abbildungen im Anhang bezieht, in denen:
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- Figur 1 eine schematische Ansicht einer Gießvorrichtung für Schmelzkerne ist,
die sich für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung eignet, wobei
diese Vorrichtung eine Verdrängerpumpe mit Kolben verwendet
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- Figur 2 ein Diagramm der Druckänderung des geförderten geschmolzenen
Metalls ist, das beim ersten Guß bestimmt wurde, wobei der Kolben der
Verdrängerpumpe mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wurde.
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- Figur 3 ein Diagramm der Druckänderung des geförderten geschmolzenen
Metalls und der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens ist, die bei dem
Verfahren gemäß der Erfindung vorgegeben ist.
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Die Vorrichtung, so wie durch die Figur 1 erläutert, umfaßt eine für das Gießen
eines Schmelzkerns geeignete Form 1, deren Hohlraum durch eine Leitung 2 mit
einer Verdrängerpumpe 3 mit Kolben 4 verbunden ist, die zum Fördern eines
geschmolzenen Metalls in den Hohlraum der Form 1 konzipiert ist.
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Gemäß der Erfindung ist die Leitung 2 mit einer Meßvorrichtung 5 versehen,
die die Aufnahme des Drucks des geförderten geschmolzenen Metalls ermöglicht.
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Der Kolben 4 wird durch einen hydraulischen Zylinder 6 angetrieben und ist mit
einer Vorrichtung 7 ausgestattet, die die kontinuierliche Bestimmung der
aufeinanderfolgenden Positionen, die von dem Kolben 4 eingenommen werden, ermöglicht.
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Der hydraulische Zylinder 6 wird über einen proportionalen Verteiler 8
gespeist, der mit einem Versorgungskreislauf für Hydraulikflüssigkeit unter Druck
verbunden ist, der einen Vorratsbehälter 9, eine Pumpe 10 und einen Druckregler 11
umfaßt, welcher den Druck der gelieferten Hydraulikflüssigkeit auf einen Wert von
20 bar begrenzt.
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Die Vorrichtung wird von einer schnellen Regelschleife 12 vervollständigt, die
über den Antrieb 13 den proportionalen Verteiler 8 kontrolliert, wobei diese Schleife
mit der Vorrichtung 7, die die Momentanposition des Kolbens 4 bestimmt, verbunden
ist.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vorrichtung, so wie
beschrieben, im Hinblick auf die Produktion einer Reihe von Schmelzkernen wie folgt
genutzt.
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Indem man dem Kolben 4 eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit vorgibt,
stellt man in einer ersten Stufe einen ersten Schmelzkern folglich unter einem
konstanten Durchsatz an gefördertem geschmolzenen Metall her, und während
dieses Produktionszyklus bestimmt man kontinuierlich mit Hilfe der Vorrichtung 5
den Druck des geförderten geschmolzenen Metalls und mit Hilfe der Vorrichtung 7
die entsprechenden aufeinanderfolgenden Positionen des Kolbens 4.
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Auf der Grundlage der so bestimmten Angaben ist es infolgedessen möglich,
ein Diagramm der Änderungen der Bewegungsgeschwindigkeit V des Kolbens 4 und
des Drucks P des geförderten geschmolzenen Metalls in Abhängigkeit von der Zeit 1
zu erstellen, das im Fall der Herstellung eines Kerns, der dem Abdruck der in Figur 1
dargestellten Form entspricht, durch Figur 2 erläutert wird.
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An diesem Diagramm stellt man fest, daß einerseits die
Bewegungsgeschwindigkeit V des Kolbens (dargestellt als punktierte Linie) konstant ist, und daß
andererseits der Druck des geförderten geschmolzenen Metalls P (dargestellt als
durchgezogene Linie) eine plötzliche Änderung aufweist. Diese plötzliche Druckänderung
entspricht in der Tat dem Durchgang der Front des geförderten geschmolzenen
Metalls in einen Abdrucksquerschnitt der Form, der eine sich vergrößernde
Querschnittsänderung, wie in Figur 1 dargestellt, aufweist.
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Auf der Grundlage des Diagramms der Figur 2 wird es folglich möglich, die
Position des Kolbens, die einer plötzlichen Druckänderung entspricht, zu bestimmen
und das schrittweise Anwachsen der Geschwindigkeit das, um diese
Druckänderung zu vermeiden, der Bewegung des Kolbens an diesem Ort vorzugeben ist,
zu berechnen.
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Wenn diese Korrektur durch den Regler 12 vorgegeben wird, kann man einen
kontinuierlichen Herstellungszyklus vornehmen. Das Diagramm der Drücke des
geförderten geschmolzenen Metalls und der Bewegungsgeschwindigkeiten des
Kolbens, die während dieser Zyklen bestimmt wurden, ist durch die Figur 3 gegeben.
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In diesem Diagramm stellt man fest, daß der Druckanstieg P, dargestellt als
durchgezogene Linie, ohne plötzliche Änderung durch eine Veränderung der
Bewegungsgeschwindigkeit V des Kolbens, dargestellt als punktierte Linien, während des
Füllens der Form konstant gehalten wird (Übergang von einer Geschwindigkeit VI
auf eine höhere Geschwindigkeit V2 in dem Moment, in dem die Front des in die
Form geförderten Metalls einen sich vergrößernden Querschnitt erreicht).