EP1266707A1 - Vakuumventil für eine Druckgiessmaschine - Google Patents

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Publication number
EP1266707A1
EP1266707A1 EP01810571A EP01810571A EP1266707A1 EP 1266707 A1 EP1266707 A1 EP 1266707A1 EP 01810571 A EP01810571 A EP 01810571A EP 01810571 A EP01810571 A EP 01810571A EP 1266707 A1 EP1266707 A1 EP 1266707A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
openings
vacuum valve
die casting
cover part
casting machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01810571A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Miroslaw Plata
Christophe Bagnoud
Jürgen Wüst
Klaus Währisch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcan Technology and Management Ltd filed Critical Alcan Technology and Management Ltd
Priority to EP01810571A priority Critical patent/EP1266707A1/de
Priority to PCT/EP2002/005948 priority patent/WO2002100573A1/de
Publication of EP1266707A1 publication Critical patent/EP1266707A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/14—Machines with evacuated die cavity
    • B22D17/145—Venting means therefor

Definitions

  • the invention relates to a vacuum valve for evacuating the mold cavity a die casting machine, in which at least one vacuum valve between the Mold cavity and a communicating with the mold cavity Suction channel is arranged, the vacuum valve one in the axial direction has displaceable control rod, at one end a valve head sits to close the valve using the sliding control rod a valve seat is gas-tight.
  • a die casting machine equipped with the vacuum valve according to the invention as well as the use of the die casting machine for die casting of light metals.
  • DE-B-30 02 886 discloses a suction device in which a a control bolt operable between a suction channel and the Mold cavity arranged vacuum valve is used, the Control bolt with one that can be attached to the die casting machine the actuation of a plunger-controlled actuation insert can be coupled is.
  • the metal shot is triggered via a limit switch, whereby a so-called timer triggering the shot to inject the metal into the Mold cavity actually only occurs when the valve is completely closed is.
  • the vacuum valve is still closed for a few milliseconds before filling the mold, i.e. the concentration of the metal shot Residual gases in the mold cavity are still too high to To be able to practically exclude gas ingress in the casting.
  • the invention has for its object a vacuum valve of the aforementioned Art as well as a die casting machine equipped with the vacuum valve to create which make it possible to maintain a vacuum practically to the end of the mold filling.
  • Part of the task is to set the shutter speed of the vacuum valve, i.e. the Time between the detection of the liquid injected into the mold cavity Metal in front of the vacuum valve and the end of the closing movement of the valve, to a minimum to keep the vacuum as long as possible to be able to maintain.
  • a shutter speed of around 1 is aimed for ms.
  • Another subtask is that after filling the mold against to detect the liquid metal flowing in the vacuum valve as quickly as possible.
  • the object is achieved according to the invention type mentioned above that at the other end of the control rod Piston is arranged in a cylinder chamber which can be pressurized with gas pressure protrudes and is slidable in this in the axial direction, and that the piston at its end facing away from the cylinder space by means of a Spring element can be acted upon by a closing force acting on the valve head is.
  • a die casting machine with a movable and a fixed mold half, a filling chamber, a plunger and one for evacuation a mold cavity delimited by the two mold halves
  • Suction device has at least one vacuum valve according to the invention on.
  • the execution of the closure system of the vacuum valve according to the invention enables a short actuation time in the order of 1 ms compared to an actuation time of about 10 ms or more with the usual today Valves with hydraulic actuation.
  • the vacuum valve according to the invention closes via a valve which acts on the piston Spring force, whereby until the closing movement is triggered by a Gas pressure in the cylinder chamber a counterforce is maintained that is greater is the closing force of the spring element when the valve is open.
  • Lockable first openings are provided for venting the cylinder space. These first openings are preferably in the bottom of the cylinder space arranged, these first openings from a gas-tight lying on the ground, second opening covering part in a first position of the cover part closed and in a second position of the cover part are open by overlaying the first and second openings.
  • the cover part is a rotatably mounted disc with holes or slots as the first openings.
  • the second openings in the cover part are expediently tapered educated. Under these circumstances there is a small movement of the Cover part leading to an overlap of the first and second Openings leads to the further automatic and sudden opening of the cylinder space due to the outflow that is initially under high pressure Gas leading to a conical second opening on the walls acting force component is already sufficient.
  • the first are to further optimize the outflow behavior of the gas Openings in the bottom of the cylinder space are preferred as Laval nozzles with extended Designed nozzle opening.
  • the cover part is operatively connected to a corresponding actuator.
  • This actuator can be any device used for transmission a sliding or rotating movement on the cover part is suitable.
  • a Short response time is achieved in that the actuator has piezo elements comprises, to generate a sliding movement acting on the cover part converted a translational movement into an angular movement becomes.
  • a die casting machine In order to keep the response time of the vacuum valve as short as possible, a die casting machine according to the invention the arrangement of a metal detector provided between the mold cavity and the vacuum valve. This metal detector serves to generate a signal to close the vacuum valve, as soon as the liquid metal on the way from the mold cavity to Vacuum valve is located.
  • thermo radiation sensor In a first embodiment of a die casting machine, there is a temperature sensor intended. In a second variant that responds much faster the metal detector is a thermal radiation sensor.
  • the die casting machine according to the invention is suitable, inter alia, for Die casting of light metals, especially aluminum and aluminum alloys.
  • a die casting machine 10 shown in FIG. 1 for die casting for example Aluminum alloys each have a solid machine plate 12a and fixed on a movable machine plate 12b Mold half 14 and movable mold half 16, which in the closed position define a mold cavity 18. Extends into the fixed mold half 14 a filling chamber 20 in which a plunger 22 is slidably arranged is. The filling chamber 20 is connected manually or automatically via an opening 24 Liquid metal fillable.
  • the mold cavity 18 is on the side of the filling chamber 20 from a mold gate 28 and on the opposite side from a vacuum run or Mold exit channel 26 limited.
  • the mold cavity 18 is above the mold exit channel 26 in connection with a vacuum valve 30, which in turn via a suction channel 32 and via one connected to the suction channel 32 Lock valve 33 is connected to a vacuum container 34.
  • the vacuum container 34 is evacuated by means of a vacuum pump 36.
  • the vacuum valve 30 shown in more detail in FIGS. 2 to 4 has a control rod 38, at one end of which a valve head 40 is seated which, when closed Valve a valve seat 42 is gas-tight.
  • a valve head 40 On the valve head 40 opposite end of the control rod 38 is in a cylinder space 46 sliding piston 44 arranged.
  • One to one, not shown Pipe section 50 that can be connected to the pressure line penetrates the bottom 48 and opens into the cylinder space 46.
  • the bottom 48 of the cylinder space 46 has first openings 52.
  • a disc-shaped cover 54 on the bottom 48 which has second openings 56, the number and arrangement of the first Openings 52 correspond.
  • the pipe section 50 is disc-shaped Cover part 54 rigidly connected, so that by turning the pipe section 50 a Rotation of the cover part 54 takes place.
  • the first and second openings 52, 56 are congruent, so that there is a continuous connection from the cylinder space 46 to the outside atmosphere results, or the first openings 52 are covered by the cover part 54 locked.
  • the first openings 52 are against the valve outside expanded conically and designed as Laval nozzles. This makes possible an outflow of gas from the cylinder chamber 46 at supersonic speed.
  • the second openings 56 in the disc-shaped cover part 54 for example 3 shows a circular cross section 56a or according to FIG. 4 may have a slot-shaped cross section 56b are against the ground 48 of the cylinder space 46 tapered.
  • a Spring element 58 is arranged, with which a closing force for closing and keeping the vacuum valve 30 closed.
  • the actuator 60 includes piezo elements 62, 64 which are arranged and controlled in a manner that an angular movement of an actuating element 66 takes place. On Such actuator has a very short response and response time therefore suitable for initiating a rapid rotary movement.
  • the two mold halves 14, 16 closed by moving the movable mold half 16 to the fixed mold half 14 is approached.
  • liquid metal is in via the opening 24 in the filling chamber 20 entered.
  • the plunger 22 then moves into the filling chamber 20 and closes the opening 24.
  • the shut-off valve 33 opened, so that the mold cavity 18 via the suction channel 32 for the extraction of air and residual gases is evacuated.
  • the mold gate 28 in front of the mold cavity 18 reached.
  • the second begins Rapid mold filling phase, i.e. the actual metal shot. It takes place in this case a rapid filling of the mold cavity 18 and further inflow of the liquid metal in the adjoining the mold cavity 18 Mold exit channel 26, in which a metal speed in the order of magnitude from 10 to 10 m / s is reached.
  • Fig. 1 is a temperature sensor 68 in the form of a thermocouple as a metal detector shown.
  • the temperature sensor 68 projects into the mold exit channel 26 or is part of the wall.
  • the through that on the temperature sensor 68 flowing metal-triggered temperature jump is called electrical Voltage signal via an electrical cable 70 of a not shown supplied electronic control device.
  • the signal is used to control the Vacuum valve 30 used.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of a metal detector in the form of a heat radiation sensor 72.
  • This has a housing 74, for example Steel or ceramic.
  • a sapphire monocrystal fiber in the case 78 arranged with a diameter of 350 microns, for example one end at the end face 76 of the housing 74 ends.
  • an optical lens 80 On the other end the sapphire monocrystalline fiber 78 is arranged an optical lens 80 which that of the sapphire monocrystalline fiber 78 as the liquid metal flows past heat radiation recorded on the end face 76 to a commercially available one Fiber optic cable 82 transmits and as a signal to an electronic detector 84 supplies which signal is used to control the vacuum valve 30 becomes.
  • the housing 74 with the heat radiation sensor 72 is inside the Die casting machine 10 arranged so that the end face 76 in the mold exit channel 26 protrudes or is part of its wall.
  • a value of 0.57 ms results for the minimum outflow time t g of the gas from the cylinder space 46 under the above-mentioned conditions, ie under the selected conditions the shutter speed of the vacuum valve 30 is 0.6 ms , With a closing force P of the spring element 58 of 10 kN, a gas pressure p of 22 MPa, for example, is sufficient to keep the vacuum valve 30 open.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Zum Evakuieren des Formhohlraumes einer Druckgiessmaschine ist wenigstens ein Vakuumventil (30) zwischen dem Formhohlraum und einem mit dem Formhohlraum in Verbindung stehenden Saugkanal (32) angeordnet. Das Vakuumventil (30) weist eine in axialer Richtung (x) verschiebbare Steuerungsstange (38) auf, an deren einem Ende ein Ventilkopf (40) sitzt, der zum Schliessen des Ventils (30) mittels der verschiebbaren Steuerungsstange (38) einem Ventilsitz (42) gasdicht anlegbar ist. Am anderen Ende der Steuerungsstange (38) ist ein Kolben (44) angeordnet, der in einen mit Gasdruck beaufschlagbaren Zylinderraum (46) einragt und in diesem in axialer Richtung (x) gleitend verschiebbar ist. Der Kolben (44) ist an seinem dem Zylinderraum (46) abgewandten Ende mittels eines Federelementes (58) mit einer auf den Ventilkopf (40) wirkenden Schliesskraft beaufschlagbar. Mit dem Vakuumventil kann die Verschlusszeit auf weniger als 1 ms verkürzt werden. Das Vakuum kann während des Giessvorganges länger aufrecht erhalten werden, wodurch im Gussstück weniger Gaseinschlüsse auftreten und sich damit eine geringere Porosität ergibt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumventil zum Evakuieren des Formhohlraumes einer Druckgiessmaschine, bei der wenigstens ein Vakuumventil zwischen dem Formhohlraum und einem mit dem Formhohlraum in Verbindung stehenden Saugkanal angeordnet ist, wobei das Vakuumventil eine in axialer Richtung verschiebbare Steuerungsstange aufweist, an deren einem Ende ein Ventilkopf sitzt, der zum Schliessen des Ventils mittels der verschiebbaren Steuerungsstange einem Ventilsitz gasdicht anlegbar ist. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine mit dem erfindungsgemässen Vakuumventil ausgerüstete Druckgiessmaschine sowie die Verwendung der Druckgiessmaschine zum Druckgiessen von Leichtmetallen.
Bei Druckgiessmaschinen mit einer Absaugvorrichtung zum Entlüften des Formhohlraumes erfolgt die letzte Formfüllung mit flüssigem Metall im Zusammenwirken mit der Zwangsentlüftung des Formhohlraumes innerhalb weniger Millisekunden. Zur Erzielung eines möglichst hohen Unterdruckes ist es demnach unerlässlich, den zum Evakuieren benötigten, mit dem Formhohlraum in Verbindung stehenden Saugkanal möglichst spät zu schliessen, d.h. kurz bevor das flüssige Metall in das Vakuumsystem eintreten würde.
Bei den bekannten Druckgiessmaschinen mit einem Vakuumsystem besteht das Problem darin, das in der einen Formhälfte sitzende Vakuumventil in Abhängigkeit zum einströmenden Metall so zu steuern, dass einerseits dieses Ventil möglichst lange geöffnet bleibt, um möglichst viel Gase und Dämpfe aus dem Formhohlraum abzusaugen, dass aber andererseits dieses Ventil so rechtzeitig geschlossen werden kann, dass keinesfalls flüssiges Metall durch dieses Vakuumventil in das Vakuumsystem eindringen kann. Eine möglichst gute Absaugung ist vorteilhaft, weil ein hoher Anteil der in der Form entstehenden Öldämpfe und Crackprodukte mit abgesaugt werden kann. Zudem soll verhindert werden, dass durch ein schlechtes Vakuum Lufteinschüsse im Gussstück entstehen, die zu Porosität und in der Folge zu einem Qualitätsverlust führen. Dieser Qualitätsverlust äussert sich beispielsweise in einer Verschlechterung von mechanischen Eigenschaften und in einer verminderten Schweissbarkeit, insbesondere bei Anwendung von Laserschweissverfahren.
In der DE-B- 30 02 886 ist eine Absaugvorrichtung offenbart, bei der ein durch einen Steuerungsbolzen betätigbares, zwischen einem Saugkanal und dem Formhohlraum angeordnetes Vakuumventil Verwendung findet, wobei der Steuerungsbolzen mit einem an der Druckgiessmaschine befestigbaren, durch die Betätigung eines Presskolbens gesteuerten Betätigungseinschub koppelbar ist. Über einen Endschalter wird der Metallschuss ausgelöst, wobei über ein sogenanntes Zeitglied die Schussauslösung zum Einspritzen des Metalls in den Formhohlraum tatsächlich erst dann erfolgt, wenn das Ventil vollkommen geschlossen ist.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Druckgiessmaschinen mit Vakuumsystem erfolgt das Schliessen des Vakuumventils immer noch einige Millisekunden vor der Formfüllung, d.h. die Konzentration der sich beim Metallschuss im Formhohlraum befindenden Restgase ist immer noch zu hoch, um Gaseinschüsse im Gussstück praktisch ausschliessen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumventil der eingangs genannten Art sowie eine mit dem Vakuumventil ausgerüstete Druckgiessmaschine zu schaffen, welche es ermöglichen, die Aufrechterhaltung eines Vakuums praktisch bis zum Ende der Formfüllung aufrechtzuerhalten.
Eine Teilaufgabe besteht darin, die Verschlusszeit des Vakuumventils, d.h. die Zeit zwischen der Erfassung des in den Formhohlraum eingespritzten flüssigen Metalls vor dem Vakuumventil und dem Ende der Schliessbewegung des Ventils, auf ein Minimum herabzusetzen, um dadurch das Vakuum möglichst lange aufrechterhalten zu können. Angestrebt wird eine Verschlusszeit von etwa 1 ms.
Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, das nach erfolgter Formfüllung gegen das Vakuumventil strömende flüssige Metall möglichst schnell zu erfassen.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt bei einem Vakuumventil der eingangs genannten Art, dass am anderen Ende der Steuerungsstange ein Kolben angeordnet ist, der in einen mit Gasdruck beaufschlagbaren Zylinderraum einragt und in diesem in axialer Richtung gleitend verschiebbar ist, und dass der Kolben an seinem dem Zylinderraum abgewandten Ende mittels eines Federelementes mit einer auf den Ventilkopf wirkenden Schliesskraft beaufschlagbar ist.
Eine erfindungsgemässe Druckgiessmaschine mit einer beweglichen und einer festen Formhälfte, einer Füllkammer, einem Presskolben und einer zum Evakuieren eines durch die beiden Formhälften begrenzten Formhohlraumes vorgesehenen Absaugvorrichtung weist wenigstens ein erfindungsgemässes Vakuumventil auf.
Die Ausführung des Verschlusssystems des erfindungsgemässen Vakuumventils ermöglicht eine kurze Betätigungszeit in der Grössenordnung von 1 ms, gegenüber einer Betätigungszeit von etwa 10 ms oder mehr bei den heute üblichen Ventilen mit hydraulischer Betätigung.
Das erfindungsgemässe Vakuumventil schliesst über eine am Kolben angreifende Federkraft, wobei bis zur Auslösung der Schliessbewegung über einen Gasdruck im Zylinderraum eine Gegenkraft aufrechterhalten wird, die grösser ist als die Schliesskraft des Federelementes bei geöffnetem Ventil.
Neben der aus den mechanischen Gegebenheiten und der Schliesskraft der Feder errechenbaren Verschlusszeit ist für die Schliessbewegung des Vakuumventils sehr wesentlich, dass der Gasdruck im Zylinderraum möglichst rasch abgebaut werden kann, d.h. das Gas möglichst schnell aus dem Zylinderraum austreten kann.
Zur Entlüftung des Zylinderraumes sind verschliessbare erste Öffnungen vorgesehen. Diese ersten Öffnungen sind bevorzugt im Boden des Zylinderraumes angeordnet, wobei diese ersten Öffnungen von einem dem Boden gasdicht aufliegenden, zweite Öffnungen aufweisenden Abdeckteil bei einer ersten Stellung des Abdeckteils geschlossen und bei einer zweiten Stellung des Abdeckteils durch Überlagerung der ersten und zweiten Öffnungen offen sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Abdeckteil eine drehbar gelagerte Scheibe mit Bohrungen oder Schlitzen als erste Öffnungen.
Die zweiten Öffnungen im Abdeckteil sind zweckmässigerweise konisch zulaufend ausgebildet. Unter diesen Gegebenheiten ist eine kleine Bewegung des Abdeckteils, die zu einer beginnenden Überlappung der ersten und zweiten Öffnungen führt, zur weiteren selbsttätigen und schlagartigen Öffnung des Zylinderraumes durch das anfänglich unter hohem Druck stehende ausströmende Gas, welches zu einer auf die Wände der konisch zulaufenden zweiten Öffnungen wirkenden Kraftkomponente führt, bereits ausreichend.
Zur weiteren Optimierung des Ausströmverhaltens des Gases sind die ersten Öffnungen im Boden des Zylinderraumes bevorzugt als Laval-Düsen mit erweiterter Düsenöffnung ausgestaltet.
Zur Ausführung einer die ersten und zweiten Öffnungen zur Deckung bringenden Verschiebung oder Drehung zur Auslösung des Schliessvorganges des Vakuumventils ist das Abdeckteil mit einem entsprechenden Aktuator wirkverbunden. Dieser Aktuator kann irgend eine Einrichtung sein, die zur Übertragung einer Verschiebe- oder Drehbewegung auf das Abdeckteil geeignet ist. Eine kurze Ansprechzeit wird dadurch erreicht, dass der Aktuator Piezoelemente umfasst, wobei zur Erzeugung einer auf das Abdeckteil wirkenden Schiebebewegung eine Translationsbewegung in eine Winkelbewegung umgewandelt wird.
Um die Ansprechzeit des Vakuumventils möglichst kurz zu halten, ist bei einer erfindungsgemässen Druckgiessmaschine die Anordnung eines Metalldetektors zwischen dem Formhohlraum und dem Vakuumventil vorgesehen. Dieser Metalldetektor dient der Erzeugung eines Signals zum Schliessen des Vakuumventils, sobald sich das flüssige Metall auf dem Weg vom Formhohlraum zum Vakuumventil befindet.
Bei einer ersten Ausführungsform einer Druckgiessmaschine ist ein Temperatursensor vorgesehen. Bei einer zweiten, erheblich schneller reagierenden Variante ist der Metalldetektor ein Wärmestrahlungssensor.
Die erfindungsgemässe Druckgiessmaschine eignet sich unter anderem zum Druckgiessen von Leichtmetallen, insbesondere von Aluminium und Aluminiumlegierungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in
  • Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Druckgiessmaschine;
  • Fig. 2 eine vergrösserte, teilweise geschnittene Seitenansicht der Ventilanordnung an der Druckgiessmaschine von Fig. 1:
  • Fig. 3, 4 Details der Ventilanordnung von Fig. 2;
  • Fig. 5 die Seitenansicht eines Aktuators mit Piezoelementen;
  • Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Wärmestrahlungssensor;
  • Fig. 7 die Stimansicht eines kombinierten Metalldetektors mit Wärmestrahlungs- und Temperatursensoren.
Eine in Fig. 1 dargestellte Druckgiessmaschine 10 zum Druckgiessen von beispielsweise Aluminiumlegierungen weist je eine auf einer festen Maschinenplatte 12a und auf einer beweglichen Maschinenplatte 12b aufgespannte feste Formhälfte 14 und bewegliche Formhälfte 16 auf, die in geschlossener Stellung einen Formhohlraum 18 begrenzen. In die feste Formhälfte 14 erstreckt sich eine Füllkammer 20, in welcher ein Presskolben 22 verschiebbar angeordnet ist. Die Füllkammer 20 ist über eine Öffnung 24 von Hand oder automatisch mit Flüssigmetall füllbar.
Der Formhohlraum 18 ist auf der Seite der Füllkammer 20 von einem Formanschnitt 28 und auf der entgegengesetzten Seite von einem Vakuumlauf oder Formaustrittskanal 26 begrenzt. Der Formhohlraum 18 steht über den Formaustrittskanal 26 mit einem Vakuumventil 30 in Verbindung, welches seinerseits über einen Saugkanal 32 und über ein in den Saugkanal 32 geschaltetes Sperrventil 33 mit einem Vakuumbehälter 34 verbunden ist. Der Vakuumbehälter 34 wird mittels einer Vakuumpumpe 36 evakuiert.
Das in den Fig. 2 bis 4 näher dargestellte Vakuumventil 30 weist eine Steuerungsstange 38 auf, an deren einem Ende ein Ventilkopf 40 sitzt, der bei geschlossenem Ventil einem Ventilsitz 42 gasdicht anliegt. An dem dem Ventilkopf 40 entgegengesetzten Ende der Steuerungsstange 38 ist ein in einem Zylinderraum 46 gleitend verschiebbarer Kolben 44 angeordnet. Ein an eine nicht dargestellte Druckleitung anschliessbares Rohrstück 50 durchdringt den Boden 48 und mündet im Zylinderraum 46.
Der Boden 48 des Zylinderaumes 46 weist erste Öffnungen 52 auf. Im Zylinderraum 46 liegt dem Boden 48 ein scheibenförmiges Abdeckteil 54 auf, welches zweite Öffnungen 56 aufweist, die in ihrer Anzahl und Anordnung den ersten Öffnungen 52 entsprechen. Das Rohrstück 50 ist mit dem scheibenförmigen Abdeckteil 54 starr verbunden, so dass durch Drehen des Rohrstücks 50 ein Drehen des Abdeckteils 54 erfolgt. Je nach Stellung des scheibenförmigen Abdeckteils 54 sind die ersten und die zweiten Öffnungen 52, 56 deckungsgleich, so dass sich eine durchgehende Verbindung vom Zylinderraum 46 zur Aussenatmosphäre ergibt, oder die ersten Öffnungen 52 werden vom Abdeckteil 54 verschlossen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die ersten Öffnungen 52 gegen die Ventilaussenseite hin konisch erweitert und als Laval-Düsen ausgebildet. Dies ermöglicht eine Ausströmung von Gas aus dem Zylinderraum 46 mit Überschallgeschwindigkeit.
Die zweiten Öffnungen 56 im scheibenförmigen Abdeckteil 54, die beispielsweise gemäss Fig. 3 einen kreisförmigen Querschnitt 56a oder gemäss Fig. 4 einen schlitzförmigen Querschnitt 56b aufweisen können, sind gegen den Boden 48 des Zylinderraumes 46 hin konisch zulaufend ausgebildet. Durch diese Ausbildungsform genügt eine geringe Überlappung der ersten und der zweiten Öffnungen 52, 56, damit sich die maximale Durchtrittsöffnung vom Zylinderraum 46 gegen die Aussenseite des Vakuumventils 30 durch das ausströmende Gas selbsttätig einstellt.
Auf der dem Zylinderraum 46 entgegengesetzten Seite des Kolbens 44 ist ein Federelement 58 angeordnet, mit welchem eine Schliesskraft zum Schliessen und Geschlossenhalten des Vakuumventils 30 erzeugt wird.
Fig. 5 zeigt einen möglichen Aktuator 60 zur Auslösung der minimal erforderlichen Drehbewegung des scheibenförmigen Abdeckteils 54. Der Aktuator 60 umfasst Piezoelemente 62, 64, die auf eine Weise angeordnet und gesteuert werden, dass eine Winkelbewegung eines Betätigungselementes 66 erfolgt. Ein derartiger Aktuator hat eine sehr kurze Ansprech- und Reaktionszeit und ist deshalb zur Einleitung einer schnellen Drehbewegung geeignet.
Die Funktionsweise der Druckgiessmaschine 10 mit dem Vakuumventil 30 wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Zu Beginn des Druckgiessvorganges werden die beiden Formhälften 14, 16 geschlossen, indem die bewegliche Formhälfte 16 an die feste Formhälfte 14 herangefahren wird. Anschliessend wird flüssiges Metall über die Öffnung 24 in die Füllkammer 20 eingegeben. Danach fährt der Presskolben 22 in die Füllkammer 20 und verschliesst dabei die Öffnung 24. Zu diesem Zeitpunkt wird bei geöffnetem Vakuumventil 30 das Sperrventil 33 geöffnet, so dass der Formhohlraum 18 über den Saugkanal 32 zur Absaugung von Luft und Restgasen evakuiert wird.
Das vom Presskolben 22 verdrängte flüssige Metall hat während der vorstehend beschriebenen ersten Füllphase den Formanschnitt 28 vor dem Formhohlraum 18 erreicht. Nach dieser ersten langsamen Füllphase beginnt die zweite Phase der schnellen Formfüllung, d.h. des eigentlichen Metallschusses. Es erfolgt hierbei eine schnelle Füllung des Formhohlraumes 18 und weiter ein Einströmen des flüssigen Metalls in den an den Formhohlraum 18 anschliessenden Formaustrittskanal 26, in welchem eine Metallgeschwindigkeit in der Grössenordnung von 10 bis 10 m/s erreicht wird.
Nach dem Eintritt des flüssigen Metall in den Formaustrittskanal 26 wird die Schliessbewegung des Vakuumventils ausgelöst. Bis zu diesem Zeitpunkt wird der Kolben 44 über das Rohrstück 50 und den Zylinderraum 46 mit einem Gasdruck beaufschlagt, der grösser ist als die Schliesskraft des Federelementes 58. Hierbei sind die ersten Öffnungen 52 im Boden 48 des Zylinderraumes 46 vom scheibenförmigen Abdeckteil 54 verschlossen. Der Eintritt des flüssigen Metalls in den Formaustrittskanal 26 wird über einen unten näher beschriebenen Metalldetektor erfasst. Über ein elektrisches Signal wird über den Aktuator 60 eine Drehbewegung des scheibenförmigen Abdeckteils 54 derart ausgelöst, dass sich die ersten und zweiten Öffnungen 52, 56 überlappen. Durch den hohen Gasdruck im Zylinderraum 46 bewirkt das ausströmende Gas eine weitere Drehung des scheibenförmigen Abdeckteils 54 bis zu maximalen Überlappung der ersten und zweiten Öffnungen 52, 56.
Das Ausströmen des Gases aus dem Zylinderraum 46 wird durch das Federelement 58 bewirkt, welches den Kolben 54 in den Zylinderraum 46 einschiebt. Über die Steuerungsstange 38 erfolgt eine schlagartige Bewegung des Ventilkopfes 40 gegen den Ventilsitz 42, wodurch innerhalb kürzester Zeit nach dem Ansprechen des Metalldetektors ein Verschluss des Formaustrittskanals 26 durch den Ventilkopf 40 des Vakuumventils 30 erfolgt.
In Fig. 1 ist ein Temperatursensor 68 in Form eines Thermoelementes als Metalldetektor dargestellt. Der Temperatursensor 68 ragt in den Formaustrittskanal 26 ein bzw. ist ein Teil dessen Wandung. Der durch das am Temperatursensor 68 vorbeiströmende Metall ausgelöste Temperatursprung wird als elektrische Spannungssignal über ein elektrisches Kabel 70 einer nicht näher dargestellten elektronischen Steuereinrichtung zugeführt. Das Signal wird zur Steuerung des Vakuumventils 30 verwendet.
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Metalldetektors in Form eines Wärmestrahlungssensors 72. Dieser weist ein Gehäuse 74 aus beispielsweise Stahl oder Keramik auf. Im Gehäuse ist eine Saphir-Monokristallfaser 78 mit einem Durchmesser von beispielsweise 350 µm angeordnet, deren eines Ende an der Stimfläche 76 des Gehäuses 74 endet. Am anderen Ende der Saphir-Monokristallfaser 78 ist eine optische Linse 80 angeordnet, welche die von der Saphir-Monokristallfaser 78 beim Vorbeifliessen des flüssigen Metalls an der Stirnfläche 76 aufgenommene Wärmestrahlung auf ein handelsübliches Glasfaserkabel 82 überträgt und als Signal einem elektronischen Detektor 84 zuführt, welches Signal zur Steuerung des Vakuumventils 30 verwendet wird.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Variante eines Metalldetektorsystems enden an der Stirnfläche 76 des Gehäuses 74 zwei Temperatursensoren 68 sowie ein Wärmestrahlungssensor 72 bzw. dessen Saphir-Monokristallfaser 78. Diese Anordnung mit mehreren Metalldetektoren dient der Sicherheit beim Ausfall eines einzelnen Systems.
Das Gehäuse 74 mit dem Wärmestrahlungssensor 72 wird innerhalb der Druckgiessmaschine 10 so angeordnet, dass die Stirnfläche 76 in den Formaustrittskanal 26 einragt bzw. ein Teil dessen Wandung ist.
Das nachfolgende Berechnungsbeispiel für eine realistische Ventilanordnung zeigt, dass die Schliesszeit eines erfindungsgemässen Vakuumventils 30 auf weniger als 1 ms herabgesetzt werden kann. Unter der Annahme einer Masse M von 0,3 kg, einer Federkraft P von 10 kN für das Federelement 58 und einem Schliessweg s von 6 mm für den Ventilkopf 40 ergibt sich nach der Formel tm = 2·s·MP eine Verschlusszeit von 0,6 ms. Bei einem Kolbendurchmesser D von 25 mm, einer Gastemperatur T0 von 300° K und einer kritischen Fläche F* der engsten Querschnitte der Öffnungen 52, 56 von 9 mm2 ergibt sich die minimale Ausströmungsgeschwindigkeit tg des Gases aus dem Zylinderraum 46 nach der Formel tg = π·D2·s4·F*·T0 ·A wobei A eine vom verwendeten Gas abhängige Konstante ist, welche für Helium beispielsweise 0,030 beträgt. Wird Helium als Druckgas eingesetzt, so ergibt sich unter den vorstehend genannten Bedingungen für die minimale Ausströmzeit tg des Gases aus dem Zylinderraum 46 ein Wert von 0,57 ms, d.h. unter den gewählten Bedingungen liegt die Verschlusszeit des Vakuumventils 30 bei 0,6 ms. Bei einer Schliesskraft P des Federelementes 58 von 10 kN genügt zur Offenhaltung des Vakuumventils 30 beispielsweise ein Gasdruck p von 22 MPa.

Claims (19)

  1. Vakuumventil zum Evakuieren des Formhohlraumes (18) einer Druckgiessmaschine (10), bei der wenigstens ein Vakuumventil (30) zwischen dem Formhohlraum (18) und einem mit dem Formhohlraum in Verbindung stehenden Saugkanal (32) angeordnet ist, wobei das Vakuumventil (30) eine in axialer Richtung (x) verschiebbare Steuerungsstange (38) aufweist, an deren einem Ende ein Ventilkopf (40) sitzt, der zum Schliessen des Ventils (30) mittels der verschiebbaren Steuerungsstange (38) einem Ventilsitz (42) gasdicht anlegbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    am anderen Ende der Steuerungsstange (38) ein Kolben (44) angeordnet ist, der in einen mit Gasdruck beaufschlagbaren Zylinderraum (46) einragt und in diesem in axialer Richtung (x) gleitend verschiebbar ist, und dass der Kolben (44) an seinem dem Zylinderraum (46) abgewandten Ende mittels eines Federelementes (58) mit einer auf den Ventilkopf (40) wirkenden Schliesskraft beaufschlagbar ist.
  2. Vakuumventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entlüftung des Zylinderraumes (46) verschliessbare erste Öffnungen (52) vorgesehen sind.
  3. Vakuumventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Öffnungen (52) im Boden (48) des Zylinderraumes (46) angeordnet sind, und dass die ersten Öffnungen (52) von einem dem Boden (48) gasdicht aufliegenden, zweite Öffnungen (56) aufweisenden Abdeckteil (54) bei einer ersten Stellung des Abdeckteils (54) geschlossen und bei einer zweiten Stellung des Abdeckteils (54) durch Überlagerung der ersten und zweiten Öffnungen (52, 56) offen sind.
  4. Vakuumventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckteil (54) eine drehbar gelagerte Scheibe mit Bohrungen (56a) oder Schlitzen (56b) als zweite Öffnungen ist.
  5. Vakuumventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Öffnungen (56) im Abdeckteil (54) konisch zulaufend ausgebildet sind.
  6. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Öffnungen (52) im Boden (48) des Zylinderraumes (46) als Laval-Düsen mit erweiterter Düsenöffnung ausgestaltet sind.
  7. Vakuumventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckteil (54) zur Ausführung einer die ersten und zweiten Öffnungen (52, 56) zur Deckung bringenden Verschiebung oder Drehung mit einem Aktuator (60) wirkverbunden ist.
  8. Vakuumventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (60) Piezoelemente (62, 64) umfasst, wobei zur Erzeugung einer auf das Abdeckteil (54) wirkenden Schiebebewegung eine Translationsbewegung in eine Winkelbewegung umgewandelt wird.
  9. Druckgiessmaschine mit einer beweglichen (16) und einer festen Formhälfte (14), einer Füllkammer (20), einem Presskolben (22) und zum Evakuieren eines durch die beiden Formhälften (14, 16) begrenzten Formhohlraumes (18) vorgesehenen Absaugvorrichtung (34), wobei wenigstens ein Vakuumventil (30) zwischen dem Formhohlraum (18) und einem mit dem Formhohlraum in Verbindung stehenden, an die Absaugvorrichtung (34) angeschlossenen Saugkanal (32) angeordnet ist, und wobei das Vakuumventil (30) eine in axialer Richtung (x) verschiebbare Steuerungsstange (38) aufweist, an deren einem Ende ein Ventilkopf (40) sitzt, der zum Schliessen des Ventils (30) mittels der verschiebbaren Steuerungsstange (38) einem Ventilsitz (42) gasdicht anlegbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    am anderen Ende der Steuerungsstange (38) ein Kolben (44) angeordnet ist, der in einen mit Gasdruck beaufschlagbaren Zylinderraum (46) einragt und in diesem in axialer Richtung (x) gleitend verschiebbar ist, und dass der Kolben (44) an seinem dem Zylinderraum (46) abgewandten Ende mittels eines Federelementes (58) mit einer auf den Ventilkopf (40) wirkenden Schliesskraft beaufschlagbar ist
  10. Druckgiessmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entlüftung des Zylinderraumes (46) verschliessbare erste Öffnungen (52) vorgesehen sind.
  11. Druckgiessmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Öffnungen (52) im Boden (48) des Zylinderraumes (46) angeordnet sind, und dass die ersten Öffnungen (52) von einem dem Boden (48) gasdicht aufliegenden, zweite Öffnungen (56) aufweisenden Abdeckteil (54) bei einer ersten Stellung des Abdeckteils (54) geschlossen und bei einer zweiten Stellung des Abdeckteils (54) durch Überlagerung der ersten und zweiten Öffnungen (52, 56) offen sind.
  12. Druckgiessmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckteil (54) eine drehbar gelagerte Scheibe mit Bohrungen (56a) oder Schlitzen (56b) als zweite Öffnungen ist.
  13. Druckgiessmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Öffnungen (56) im Abdeckteil (54) konisch zulaufend ausgebildet sind.
  14. Druckgiessmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Öffnungen (52) im Boden (48) des Zylinderraumes (46) als Laval-Düsen mit erweiterter Düsenöffnung ausgestaltet sind.
  15. Druckgiessmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckteil (54) zur Ausführung einer die ersten und zweiten Öffnungen (52, 56) zur Deckung bringenden Verschiebung oder Drehung mit einem Aktuator (60) wirkverbunden ist.
  16. Druckgiessmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (60) Piezoelemente (62, 64) umfasst, wobei zur Erzeugung einer auf das Abdeckteil (54) wirkenden Schiebebewegung eine Translationsbewegung in eine Winkelbewegung umgewandelt wird.
  17. Druckgiessmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Formhohlraum (18) und dem Vakuumventil (30) ein Temperatursensor (68) zur Erzeugung eines Signals zum Schliessen des Vakuumventils angeordnet ist.
  18. Druckgiessmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Formhohlraum (18) und dem Vakuumventil (30) ein Wärmestrahlungssensor (72) zur Erzeugung eines Signals zum Schliessen des Vakuumventils angeordnet ist.
  19. Verwendung einer Druckgiessmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 18 zum Druckgiessen von Leichtmetallen, insbesondere von Aluminium und Aluminiumlegierungen.
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