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Die Erfindung betrifft eine Kaltkammer-Druckgießmaschine, ein Verfahren für das Kaltkammer-Druckgießen und ein Schmiermittel für eine solche Maschine bzw. ein solches Verfahren.
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Das Kaltkammer-Druckgießverfahren ist aufgrund der kurzen Gießzyklen und der Verwendung von Dauerformen für die Serienfertigung von komplexen Bauteilen, zum Beispiel aus Aluminium, Magnesium oder Zink, besonders geeignet. Neben Strukturbauteilen für den Maschinenbau und die Elektroindustrie werden insbesondere Komponenten für die Automobilindustrie in großer Stückzahl auf diese Weise gegossen.
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Bei der Kaltkammer-Druckgießtechnik muss nach jedem "Schuss" der sogenannte Einspritzkolben, mit dem das flüssige Metall (die Metallschmelze) mit hohem Druck in die Gießform gepresst wird, auf das Neue geschmiert werden. Man spricht deshalb von Verlustschmierstoff.
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Der Druckgießkolben ist üblicherweise wassergekühlt und nach dem Gießzyklus typischerweise "handwarm". Die Füllkammer, welche die Metallschmelze vor dem Einpressen in die Gießform aufnimmt, ist in der Regel nicht gekühlt und hat typischerweise nahe der Einfüllöffnung bei größeren Kaltkammer-Maschinen eine Temperatur im Bereich von ca. 300° C.
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Die Entwicklung der Kolbenschmierung bei der Kaltkammer-Druckgießtechnik lässt sich wie folgt skizzieren:
- Anfänglich wurde das aus der Kolbenkammer (Füllkammer) herausragende Ende des Kolbens mittels eines Quasts oder Pinsels mit einem Graphitfett geschmiert.
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Mit Aufkommen der Automatisierung wurde der Kolben von außen mittels eines flüssigen Kolbenöls besprüht oder es wurde über eine Bohrung in der Kolbenkammer nach jeder Bewegung des Kolbens eine genau dosierte Menge an flüssigem Kolbenöl eingepresst.
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Mit dem Aufkommen von automatisierten Dosiervorrichtungen für die Gießmetalle entstand ein neues Problem:
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Durch das immer gleiche Einfüllen des Metalls entstanden Auswaschungen und Erosionen in der Füllkammer an genau der Stelle, an der das Flüssigmetall auf die Stahloberfläche der Füllkammer auftrifft. Dadurch bedingte Unebenheiten führen zu einer schnellen Abnutzung des Kolbens. Bei abgenutzten Kolbenlassen die Drücke nach und es kann zu Produktionsstörungen kommen.
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Um diesem Problem entgegen zu wirken, wurde ein spezielles, wachsartiges Schmiergranulat entwickelt, welches in die heiße Füllkammer dosiert wird. Das Granulat schmilzt und hinterlässt einen Schmierfilm. Die Kammererosion konnte damit überwunden werden. Heute wird bei der Mehrzahl der Druckgießmaschinen dieses Verfahren eingesetzt. Mann nennt es auch "Trockenschmierstoff-Verfahren" oder "BEADS-Verfahren".
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Nachfolgend sollen einige mit dem Trockenschmierstoff-Verfahren verbundene technische Probleme anhand der Figuren 5 bis 7 erläutert werden. Die Figuren zeigen schematisch den Aufbau einer Kaltkammer-Druckgießmaschine, soweit er hier von Interesse ist. Von einer Gießform 10 ist nur der Öffnungsbereicht gezeigt (die Einzelheiten der Gießform in ihrer geometrischen Ausgestaltung sind also weggelassen).
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Eine Füllkammer 14 mündet in die Einspritzöffnung 12 der Gießform 10. Die Füllkammer 14 hat eine Einfüllöffnung 16, über welche eine Metallschmelze zuführbar ist. Ein Kolben 18 ist in der Füllkammer 14 bewegbar. Eine Kolbenstange 18 dient zur Hin- und Herbewegung des Kolbens 18 in der Füllkammer.
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Wie Figur 5 zeigt, wird nach der Fertigung eines Gussteiles der Kolben 18 hydraulisch zurückgezogen bis das hintere Ende (in den Figuren rechts) des Kolbens hinten aus der Füllkammer 14 hervorsteht. Danach wird beim bekannten Trockenschmierstoff-Verfahren eine genau vorgegebene Menge eines Schmierstoff-Granulates durch die Einfüllöffnung 16 in die Füllkammer dosiert. Dies ist in Figur 6 skizziert, wo das Granulat mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist. Beim Einfüllen des Schmierstoff-Granulates hat die Füllkammer 14 eine Temperatur von mindestens 300° C.
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Das Wachs schmilzt augenblicklich und beginnt unter Rauchentwicklung zu verdampfen. Der Kohlenwasserstoff-Rauch 24 entweicht durch die Einfüllöffnung 16. Bei größeren Mengen an Wachs kann es zu einer Entzündung kommen. Die nicht durch die Öffnung 16 entweichenden Verbrennungs- und Verdampfungsprodukte, die in der Regel kohlenwasserstoffhaltig sind, gelangen durch Vermischung in die Metallschmelze und damit in das Gussteil. Dies ist in Figur 7 dargestellt. Beim Hub des Kolbens 18 (in den Figuren nach links) zur Förderung des flüssigen Metalls 26 in die Gießform 10, gelangen die Schmiermittelreste 28 ebenfalls in die Gießform.
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Dieser Stand der Technik verursacht folgende technische Probleme:
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Die verwendeten Wachse bestehen in der Regel aus bei über 110° C schmelzenden Polyethylenwachsen oder Fischer-Tropsch-Wachsen mit oder ohne Additiven an Festschmierstoffen etc. Bei 300° C und darüber verdampfen (verbrennen) solche Rohstoffe zu mehr als 90%. Bei "weißen Granulaten" bleibt oft nur ein geringer Teil (gemessen als Conradson-Wert) der ursprünglichen Schmierstoffmenge in die Füllkammer zurück.
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Ein weiterer Nachteil dieses Standes der Technik liegt darin, dass die in der Füllkammer verbleibenden Kohlenwasserstoffe der Wachse und die Reste derselben sich mit dem Flüssigmetall vermischen und so in das Gussteil gelangen, wo sie als kleine, gasende Teilchen Lunker bilden und Porosität verursachen.
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Ein weiteres Problem entsteht dadurch, dass sich Wachsgranulat am Boden der Füllkammer dort wo es eindosiert worden ist, anhäufen kann. Es kommt also zu keiner gleichmäßigen Verteilung des Schmierstoffes.
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Schließlich ist bei diesem Stand der Technik die Dosierung sehr aufwendig und es sind teuere Dispenser erforderlich.
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Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung Aufgabe zugrunde, eine Kaltkammer-Druckgießmaschine, ein Kaltkammer-Druckgießverfahren und einen Schmierstoff für solche Maschinen bzw. Verfahren bereit zu stellen, um weitestgehend porenfreie und lunkerfreie Gussteile hoher Qualität mit wenig Aufwand herstellen zu können.
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Hierzu stellt die Erfindung eine Kaltkammer-Druckgießmaschine bereit mit einer Gießform, einer mit der Gießform verbundenen Füllkammer und einem in der Füllkammer bewegbaren Kolben zum Fördern von Metallschmelze in die Gießform, und mit Mitteln zum Einbringen von Schmiermittel in die Füllkammer auf der von der Metallschmelze abgekehrten Seite des Kolbens.
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Das erfindungsgemäße Kaltkammer-Druckgießverfahren sieht in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik vor, dass eine Metallschmelze mittels eines Kolbens aus einer Füllkammer in eine Gießform gedrückt wird, wobei der Kolben mit einem Schmiermittel geschmiert wird. Das Verfahren zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass das Schmiermittel in die Füllkammer auf der von der Metallschmelze abgekehrten Seite des Kolbens eingebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Kolbenschmiermittel für eine Kaltkammer-Druckgießmaschine enthält eine bei den Temperaturen einer Füllkammer der Maschine verdampfenden Flüssigkeit und Öl.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen bei einer Kaltkammer-Druckgießmaschine die Mittel zum Einbringen von Schmiermittel in die Füllkammer eine Düse auf, durch welche eine Mischung aus einer bei den Temperaturen der Füllkammer verdampfende Flüssigkeit und Öl als Schmiermittel in die Füllkammer sprühbar ist. Bevorzugt ist die Düse nahe dem Kolben angeordnet. Anstelle einer Düse kann auch eine einfache Öffnung dazu dienen, die Mischung aus Flüssigkeit und Öl in die Füllkammer zu sprühen. Es hat sich gezeigt, dass mit einem einfachen Rohr, das am Ende etwas zusammengedrückt ist, gute Ergebnisse erzielt werden können.
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Die Mittel zum Einbringen von Schmiermitteln in die Füllkammer sind bevorzugt in und/oder an einer der Kolben bewegenden Kolbenstange angeordnet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Druckgießmaschine sind Mittel vorgesehen, um eine Mischung aus einer in der Füllkammer verdampfenden Flüssigkeit, insbesondere Wasser, und Ölen als Schmierstoff in die Füllkammer einzusprühen und zwar insbesondere mittels eines gegenüber der äußeren Atmosphäre unter Überdruck stehendem Gases wie zum Beispiel Pressluft.
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Die Mischung kann bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens und/oder bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens eingesprüht werden. "Vorwärtsbewegung" meint hier die Bewegung in Richtung auf die Gießform.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kaltkammer-Druckgießverfahren wird bevorzugt das Schmiermittel vor dem Einbringen in die Füllkammer mit einer Flüssigkeit versetzt, die bei den in der Füllkammer herrschenden Temperaturen verdampft, wobei diese Flüssigkeit bevorzugt im Wesentlichen Wasser ist.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgießverfahren sieht vor, dass das mit der Flüssigkeit versetzte Schmiermittel mittels eines unter gegenüber der äußeren Atmosphäre unter Überdruck stehenden Gases, insbesondere Pressluft, in die Füllkammer gesprüht wird.
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Bevorzugt enthält das wässrige Schmierstoffgemisch vor dem Versprühen eine Wassermenge zwischen 40 Gewichtsprozent und 90 Gewichtsprozent.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Schmierstoff-Flüssigkeits-Gemisch keine Wachse enthält, welche Leitungen der Vorrichtung zusetzten könnten.
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Bevorzugt enthält das Flüssigkeit-Schmierstoff-Gemisch ausschließlich temperaturbeständige, emulgierte Öle mit einem hohen Bestandteil an anorganisch gelösten Komponenten.
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Das erfindungsgemäße Kolbenschmiermittel enthält als bei den Temperaturen der Füllkammer verdampfenden Flüssigkeit bevorzugt Wasser, insbesondere eine Wassermenge zwischen 40 Gewichtsprozent und 90 Gewichtsprozent, bezogen auf das Ausgangsschmiermittelgemisch.
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Auch enthält das erfindungsgemäße Kolbenschmiermittel bevorzugt keine Wachse, welche Leitungen der Vorrichtung zusetzen könnten.
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Das Schmiermittel enthält im Wesentlichen, vorzugsweise ausschließlich, temperaturbeständige, emulgierte Öle mit einem hohen Anteil an anorganisch gelösten Komponenten.
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Die erfindungsgemäße Kaltkammer-Druckgießvorrichtung, die erfindungsgemäße Kolben- und Kammer-Sprühvorrichtung, das erfindungsgemäße Druckgießverfahren und auch das erfindungsgemäße Kolbenschmiermittel ermöglichen die Herstellung von weitestgehend porenfreien und lunkerfreien Gussteilen in einfacher und kostengünstiger sowie zuverlässiger Weise. In tribologischer und gießtechnischer Hinsicht ist die Erfindung insbesondere insofern vorteilhaft, als mit ihr ein sehr gleichmäßiger und dünner Schmierschichtfilm aufgebaut wird.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren beschreiben. Es zeigen:
- Die Figuren 1 bis 4 schematisch für die Erfindung im Wesentlichen Komponenten einer Kaltkammer-Druckgießmaschine in verschiedenen Betriebszuständen und
- Die Figuren 5 bis 7 eine herkömmliche Kaltkammer-Druckgießmaschine in verschiedenen Betriebzuständen.
- Die Figuren 8 bis 9 Ausführungsformen der Kolbenstange.
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In den Figuren 1 bis 12 sind einander entsprechende oder funktionsähnliche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Gemäß Figur 1 hat eine Gießform 10 eine Öffnung 12, durch welche eine Metallschmelze in die Gießform gepresst wird. Von der Gießform ist nur der hier interessierende Bereich um die Öffnung 12 herum dargestellt. Das Gussteil wird also von nicht dargestellten, links von der Gießform angeordneten druckdichten Komponenten geformt.
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Eine Füllkammer 14 mündet in die Öffnung 12 der Gießform 10. Die Füllkammer 14 hat eine Einfüllöffnung 16. Ein Kolben 18 wird mit einer Kolbenstange 20 bewegt, um eine Metallschmelze in die Gießform 10 zu pressen.
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In der Kolbenstange 20 ist ein Kanal 30 ausgeformt, der in eine Sprühdüse 34 mündet. Die Sprühdüse 34 befindet sich unmittelbar hinter dem Kolben 18, also auf seiner von der Gießform 10 abgekehrten Seite. Der Kanal 30 hat einen Einlass 32, über den ein weiter unter näher beschriebenes Gemisch aus Schmierstoff und Wasser zugeführt wird.
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Gemäß einer herstellungstechnisch einfachen Ausgestaltung ist der Kanal 30 als ein Röhrchen mit Durchmessern zum Beispiel von 40mm bis 80mm ausgestaltet, wobei das Röhrchen in einem gefrästen Schlitz in der Kolbenstange 20 angeordnet ist.
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In Abwandlung des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels können auch mehrere Kanäle, Analog dem Kanal 30, über den Umfang der Kolbenstange verteilt vorgesehen werden, so dass das Schmiermittel mit mehreren Düsen, die über den Umfang der Kolbenstange gleichmäßig verteilt sind, in die Füllkammer eingesprüht wird. Bei dieser Ausführungsform kann auch ein einziger Kanal durch die Kolbenstange führen, der sich dann nahe dem Kolben verzweigt und in mehrere Einsprühdüsen mündet, die über den Umfang der Kolbenstange gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Als Einsprühdüse genügt auch eine einfache Öffnung am Ende eines Rohres, die gegebenenfalls verengt in Bezug auf den Rohrdurchmesser ausgestaltet sein kann, um einen gewissen Sprüheffekt unter Druck zu erzielen.
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Figur 1 zeigt einen Betriebszustand der Vorrichtung, bei dem der Kolben 18 gerade ein Gußteil unter Druck in der Gießform 10 eingepresst hält, bis dieses erstarrt ist.
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Figur 2 zeigt den Kolben in der gleichen Stellung. Dabei ist nunmehr die Düse 34 geöffnet und Schmiermittel wird zusammen mit Pressluft auf der Hinterseite des Kobens in der Füllkammer 14 gleichmäßig verteilt.
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Das Schmiermittel ist vor seiner Einsprühung in die Füllkammer 14 (also vor der Düse 34) ein Gemisch auf Wasserbasis, zum Beispiel mit einer Wassermenge von 40 bis 90 Gewichtsprozenten. Das Gemisch enthält weiterhin als eigentlichen Schmierstoff temperaturbeständige Öle mit einem hohen Bestandteil an gelösten anorganischen Komponenten. Das Gemisch enthält vorzugsweise keine Wachse, insbesondere keine Wachse in einer Menge, die zu einem Verstopfen der Leitungen des Systems führen könnten.
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Figur 2 zeigt aus der Öffnung 16 austretenden Wasserdampf 34 und in der Füllkammer verbleibende Schmierstoffe 38. Das Versprühen des Wasser/Schmierstoff-Gemisches erfolgt während des Zurückziehens des Kolbens 18 (in den Figuren nach rechts). Auf diese Weise wird die gesamte Oberfläche der Kammer 14 und des Kolbens 18 mit Schmierstoff 38 benetzt. Das Einsprühen kann bei der Vorwärtsbewegung und/oder bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens erfolgen. Dabei versteht sich, dass das Einsprühen bei der Vorwärtsbewegung nur dann erfolgt, wenn die Düse sich in der Füllkammer befindet.
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Beim vorstehend beschriebenen Vorgang dienen das Wasser und die Pressluft als Vehikel (Träger), um den Schmierstoff in die Füllkammer 14 zu dosieren und dort homogen auf den Oberflächen der Füllkammer und des Kolbens zu verteilen. Nach dem Verdampfen und Entweichen des Wassers 36 verbleibt ein gleichmäßig verteilter, hochtemperaturbeständiger Film, der zumindest teilweise Temperaturen von 800° C wiederstehen kann.
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Die Sprührichtung der Düse 34 bzw. eines Rohrendes ist, wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist, in Bezug auf die Längsachse der Kammer 14 und des Kolbens 18 abgewinkelt, zum Beispiel mit einem Winkel zwischen 30° und 60°. Mit der gezeigten Anordnung erfolgt die Sprühung hauptsächlich in den Berührungsbereich zwischen dem Stirnflächenumfang des Kolbens 18 und der Füllkammer 14.
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Figur 3 zeigt den Zustand des Systems am Ende der Rückwärts-Hubes des Kolbens 18. Dabei werden gegebenenfalls noch in der Füllkammer 14 verbliebene Wasseranteile und Schmierstoffanteile, die nicht durch die Einfüllöffnung 16 entwichen sind, vollständig durch den Kolben 18 aus der Füllkammer nach hinten ausgestoßen. Dadurch ist insbesondere vermieden, dass sich anschließend eine heiße Metallschmelze mit Wasser unter Druck vermischt, was zu einer Explosion führen könnte.
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Durch den Pressluftstrom, der den Schmierstoff vernebelt, werden auch Leitungen (nicht im Einzelnen dargestellt) freigeblasen, so dass diese von Schmierstoffresten befreit werden und bei längeren Standzeiten nicht verstopfen können.
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Figur 4 zeigt den Betriebszustand mit zurückgezogenem Kolben 18, wobei aus einem Ofen 42 Metallschmelze 44 (z. B. Aluminium) über die Einfüllöffnung 16 in die Füllkammer 14 dosiert wird. Sodann wird der Kolben 18 hydraulisch in Bewegung gesetzt und er presst die Metallschmelze 44 in die Gießform 10 und hält diese unter Druck, bis die Erstarrung des Gussteils erfolgt ist, also im Zustand gemäß Figur 1.
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Mit der beschriebenen Druckgießmaschine, dem Verfahren und dem Schmiermittel wird sichergestellt, dass keine oder nur extrem geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen oder auch Rückstände derselben oder andere unerwünschte Komponenten mit der Metallschmelze 44 in die Gießform 10 gelangen. Die Druckgussteile sind extrem poren- und lunkerfrei.
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Die Figuren 8 bis 12 zeigen Einzelheiten einer bevorzugten Ausgestaltung der Kolbenstange 20. Die Kolbenstange 20 hat einen zentralen Kanal 36. Die Figur 8 ist ein zentraler Schnitt entlang der Mittelachse gemäß Figur 9. Figur 9 zeigt eine Seitenansicht der Kolbenstange, in die ein Schlitz 38 gefräst ist, in dem ein feines Rohr 40 verläuft, das am Ende in eine Öffnung 34 mündet. Wie dargestellt ist, ist das Rohr 40 am Ende leicht abgewinkelt, um die oben erläuterten Sprührichtung zu erzielen.
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Figur 10 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B von Figur 8 und zeigt einen Anschlussstutzen für den Kanal 36. Figur 11 ist ein Schnitt entlang der Linie C-C gemäß Figur 9 und zeigt den Schlitz 38 in der Kolbenstange 20. Figur 12 ist eine Ansicht des Öffnungsbereiches des Kanals 36 am kolbenseitigen Ende der Kolbenstange 20.
