WO2001007184A1 - Verfahren zur prozessüberwachung beim druckgiessen oder thixoformen von metallen - Google Patents

Verfahren zur prozessüberwachung beim druckgiessen oder thixoformen von metallen Download PDF

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WO2001007184A1
WO2001007184A1 PCT/CH2000/000394 CH0000394W WO0107184A1 WO 2001007184 A1 WO2001007184 A1 WO 2001007184A1 CH 0000394 W CH0000394 W CH 0000394W WO 0107184 A1 WO0107184 A1 WO 0107184A1
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casting
time
thixoforming
piston
die casting
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PCT/CH2000/000394
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Grégoire Arnold
Christophe Bagnoud
Miroslaw Plata
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Alcan Technology & Management Ltd.
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/004—Thixotropic process, i.e. forging at semi-solid state
    • 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
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • 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
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/32—Controlling equipment
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S164/00—Metal founding
    • Y10S164/90—Rheo-casting

Definitions

  • the invention relates to a method for process monitoring in die casting or thixoforming of metals according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a die casting or thixoforming device according to the preamble of claim 12.
  • the state of the metal inserted into the casting chamber and the parameters of the die casting or thixoforming process are decisive for the control of a die casting or thixoforming process.
  • all parameters that can influence the process must be recorded if possible.
  • An essential factor for achieving high reproducibility and process stability is the condition of the thixotropic metal bolt or the die-casting alloy when it is introduced into the casting chamber, the temperature of the thixotropic bolt or the die-casting alloy being a very important factor.
  • temperature measurements can be carried out in the alloy melt or in the interior of the thixotropic metal bolt during the heating process, the temperature distribution, for example by means of thermocouples at different melt or bolt positions (inside the bolt and on Bolt edge) is determined.
  • the heating curves relevant for the individual measuring positions ie temperature as a function of the heating time, are usually determined. While the temperature measurement is essentially used for the monitoring of alloy melts for die casting, the measurement of the electrical heating energy supplied during the preheating constitutes a further possibility for monitoring the stud condition during thixoforming.
  • metallographic tests can also be carried out on the thixotropic bolt to determine the distribution of the liquid component, for example by cutting the bolt at various longitudinal positions transversely to its longitudinal axis and determining the liquid component in the bolt cross section, for example as a function of the distance from the center of the bolt ,
  • the aim of such investigations is to optimize the heating curves in such a way that a predetermined liquid fraction is achieved as homogeneously as possible in the entire thixotropic bolt in the shortest possible time.
  • calorimetric measurements can be carried out to determine the averaged liquid fraction.
  • the temperatures of the casting chamber, the pouring channels and the mold cavity are usually measured, and the pressure and the moisture in the evacuated mold cavity are determined.
  • the invention has for its object to provide a method for process monitoring in die casting or thixoforming of metals, with which the production of die cast or thixiform parts can be reliably monitored under production conditions.
  • the time profile of the pressing pressure p (t) is measured and the time-dependent speed of the casting piston v (t) is determined, and the energy E (t) supplied by the casting piston as a function of the process time t, as well as the total energy E to t supplied by the casting piston during the die casting or thixoforming process due to the time-dependent course of the pressing pressure p (t) and the casting piston speed v (t) is calculated, and the total energy E tot is used as a characteristic value for monitoring the die casting or thixoforming process.
  • the method according to the invention is particularly suitable for die casting or thixoforming of aluminum, aluminum alloys or magnesium alloys.
  • the method according to the invention is particularly suitable for horizontal thixoforming devices and horizontal die casting systems, i.e. Devices in which the casting chamber is horizontal.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the total energy supplied by the casting piston represents a very relevant control parameter of the entire die casting or thixoforming process.
  • the method according to the invention for determining the energy supplied by the casting piston and the use, in particular, of the total energy value as a parameter for the process monitoring is also referred to as the RTIM method (Real Time Injection Monitoring).
  • the preheating temperature and the corresponding temperature distribution in the metal pin as well as the amount of energy supplied by the casting piston in thixoforming is particularly relevant, since a certain liquid content in the thixotropic material, which is within a narrow range of variation, must be observed. For example, in the case of thixoforming, it can be concluded from a large total energy supplied by the casting piston that the viscosity of the thixotropic material is too low, which can be due to either too low a liquid component or insufficient shear forces during the thixoforming process.
  • the method according to the invention allows better process stability, an optimization of the process parameters, an improvement in the product quality and a reduction in the reject rate.
  • the method according to the invention is particularly preferably used for thixoforming. It is used in particular to determine the optimal liquid content of the thixotropic metal bolt under production conditions.
  • the optimal, averaged liquid content in the thixotropic metal bolt is 40-55% by weight. If the liquid content is too high, the thixoforming of thixotropic material takes place under almost the same conditions as the die-casting of liquid metal alloys, so that, for example, the advantage of low shrinkage of thixotropic material when cooling in the mold cavity is lost, or the thixotropic metal bolts are sheared off surrounding oxide skin is difficult or impossible. In addition, the dimensionally stable insertion of a thixotropic bolt into the casting chamber with a high proportion of liquid is difficult and mostly not reproducible.
  • thixoforming Another important factor in thixoforming is the homogeneity of the thixotropic state, i.e. the distribution of the liquid fraction over the length of the bolt and the cross-section of the bolt, this homogeneity generally being better the slower the preheating process is carried out; on the other hand, the shortest possible heating-up time is desired for economic reasons.
  • the method according to the invention is particularly suitable for monitoring the preheating furnaces, i.e. by determining the total energy for each shot, i.e. The regularity of this furnace can be determined and checked for every complete die casting or thixoforming process, with thixotropic bolts or die casting material from a specific preheating furnace.
  • the regularity of the heating output of the corresponding furnaces can be compared and monitored.
  • Pre-solidifications ie early material solidifications, can be caused, for example, by an excessively low casting chamber and / or mold temperature and are undesirable because of the usually poor molded part properties resulting therefrom.
  • the temperature of the casting chamber can also be indirectly determined through the possibility of determining pre-solidifications and check the mold. In addition, statements about the design of the mold cavity can also be made indirectly.
  • the determination of the total energy for each shot also enables the investigation of pressure losses during the shot due to tribological properties, for example, and thus enables information about the friction from the casting piston, the mechanical condition of the casting piston and / or the casting chamber, the piston lubrication and the release agent influence to be obtained , Accordingly, the determination of the total energy supplied to the system by the casting piston during a shot also serves to monitor the tribological conditions with regard to the casting piston and casting chamber.
  • the process time-dependent speed v (t) of the casting piston can either be measured directly or can be determined by measuring the process-time-dependent casting piston position s (t).
  • the calculation of the speed of the casting piston based on the position measurement s (t) is expediently carried out at discrete, for example equidistant, times.
  • the speed is expediently calculated at 50 to 800, preferably at 180 to 500 and in particular at 250 to 400 discrete process times.
  • the discrete speed values determined in this way are preferably filtered by numerical methods.
  • a continuous speed curve v (t) is preferably calculated using numerical interpolation methods.
  • A denotes the surface of the casting piston directed against the continuous casting or thixoform material.
  • E (t) supplied by the casting piston as a function of the process time t can be determined according to the integral function
  • A is the area of the plunger directed against the die casting or thixoform material
  • the actual die casting or thixoforming process is completed and the mold cavity is filled.
  • the pressure on the die casting or thixoforming compound is usually maintained for a while even after t, so that the casting piston has a further translational Can perform movement, then the plunger speed can drop to zero again.
  • the time-dependent speed curve v (t) can be measured directly and used to calculate the energy E (t) supplied by the casting piston or the total energy E tot .
  • the piston position s (t) or the piston speed v (t) and the course of the pressing pressure p (t) are preferably measured continuously during the entire die casting or thixoforming process.
  • the measurements s (t) and p (t), or v (t) and p (t), and the calculation of v (t), E (t) and E l0 t on-line during the Process flow are carried out so that the parameters are available immediately after the shot for appropriate corrective measures, ie the measurements of s (t) or v (t) and p (t), as well as the determination of v (t) and E (t) takes place in real time.
  • a process window is available between two shots, which intervenes by taking corrective measures.
  • the casting chamber is preferably loaded with a thixotropic metal bolt by means of a robot.
  • the casting chamber is loaded with a liquid metal alloy for die casting, for example by opening a valve or stopper in a casting trough, so that the liquid metal can flow into the casting chamber.
  • the partial energies E- ⁇ to E supplied by the casting piston are also preferably determined for the following process steps: in the case of thixoforming, the partial energy Ei supplied by the casting piston during the period from time t 0 to time ⁇ for the displacement of the thixotropic metal bolt in the casting chamber up to the stop of the metal bolt at the mold end of the casting chamber, where X- denotes the point in time at which the metal bolt hits the end of the casting chamber; for a die casting process, the partial energy Ei is always zero; in diecasting or thixotropic molding by the casting piston during the period from the time 1 ⁇ to the time t 2 supplied partial energy E 2 for the deformation of the thixotropic metal bolt or the die casting material, where t 2 represents the time at which the diecasting or Thixoformmaterial fills the entire cross-section of the casting chamber along its entire length; - in diecasting or thixotropic molding by the casting piston during the period from time t 2
  • the determination of the partial energy Ei allows the determination of pre-solidifications of die casting or thixoform material in the casting chamber.
  • E1 in particular also provides information on the general tribological conditions, ie, for example, pressure losses due to friction, wear and tear and lubrication, and thus serves, for example, to assess the influence of the release agent and lubricant and also provides information about the friction of the casting piston and its Lubrication.
  • the casting piston is usually driven by die casting or thixoforming devices by hydraulic means.
  • the time-dependent pressure profile p (t) is particularly advantageous by simultaneously measuring the time-dependent pressure profile P G ⁇ (t) on the piston surface directed against the die-casting or thixoform material and by measuring the pressure profile P hd (t ) is determined in the hydraulic fluid, the pressure pressure curve PG ⁇ (t) preferably being used to calculate the energy supplied to the die-casting or thixoform material by the casting piston.
  • the pressure pressure curve P h y d (t) can also be used to calculate the energy values E (t), Ei to E and E tot .
  • P h y d (t) describes the total pressure exerted on the casting piston. However, this does not correspond to the pressure exerted on the die-casting or thixoform material, since the casting piston itself is exposed to a certain amount of friction in the casting chamber.
  • E to t allows global control of the entire thixoforming or die casting process
  • the partial energy values Ei to E 4 provide information about certain process parameters, as in the case of E1, for example, for the above-mentioned tribological conditions or for the determination of pre-hardening has been described.
  • E 2 is suitable, for example, for obtaining information regarding the required deformation energy and, in the case of thixoforming, provides information, for example, about the state of the bolt, ie whether the thixotropic bolt is too hard or too soft, or whether the liquid content is too high or too deep.
  • E 3 and E 4 are suitable, for example, for monitoring the filling behavior of the pouring channels or the mold cavity and thus, for example, provide information about the influence of the release agent and, in the case of thixoforming, also about the shear forces acting on the thixotropic material.
  • a protocol is preferably printed out per working shift, which is usually in the order of 8 hours, the number of cast or thixoform parts manufactured, ie the number of shots n, the partial energies E1 to preferably E4 and the total energy E tot are calculated for each shot and shown on the log printout.
  • the averaged total energy E tot , m and the standard deviation ⁇ n are more preferably determined and printed out for all n shots with die-cast or thixoform material from the same preheating furnace.
  • the average total energy E ot , m for a number n of shots with thixoform or die-cast material from the same furnace k is calculated, for example, as an arithmetic mean:
  • ⁇ re ⁇ 100% ⁇ n 2 / Etot, m.
  • a setpoint range can be defined for the thixoform or die casting process, which can be used as a parameter for a process interruption, a change in a preheating furnace, a calibration of the heating output of a preheating furnace, a correction of the casting curve or the triggering of a monitoring alarm can be used.
  • the object of the present invention is to provide a thixoforming or die-casting device which allows the production process to be monitored under production conditions.
  • a die casting or thixoforming device is preferred, in which the measuring devices allow continuous detection of the time-dependent pressing pressure p (t) and continuous position measurement s (t).
  • the device according to the invention is particularly suitable for thixoforming or die casting using the process monitoring method according to the invention. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of FIGS. 1 to 8 using the example of thixoforming, and with reference to the drawings; these show schematically in
  • Figures 1 to 5 show a vertical longitudinal section along the longitudinal axis through the casting chamber of a horizontal thixoforming device.
  • the cylindrical casting chamber 10 is arranged horizontally and contains a casting piston 12, a radially symmetrical oxide pocket 22, a pouring opening 24, two pouring channels 26 and 28 and two mold cavities 16 and 18 adjoining it.
  • FIG. 1 shows an example of a pressure sensor 30 attached to the casting piston surface directed against the thixotropic metal bolt 14.
  • FIG. 1 also shows a position or speed measuring device 32.
  • FIG. 2 shows the thixoforming device at the point in time ti at which the thixotropic metal bolt 14 hits the mold-side end 11 of the casting chamber 10. Since the cross-sectional area of the cylindrical, thixotropic metal bolt 14 is smaller than the cross-sectional surface of the casting chamber 10, the thixotropic bolt 14 does not yet fill the entire casting chamber cross section.
  • FIG. 3 shows the thixoforming device at time t 2 .
  • the thixotropic metal bolt has lost its geometric shape and is now in the form of a thixoform compound 15.
  • the point in time t 2 thus denotes the point in time at which the thixoform material or the thixoform material 15 fills the entire cross-section of the casting chamber over its entire length, ie the thixoform material 15 fills the entire space between the casting piston 12 and the mold-side end 11 of the casting chamber 10, wherein at the time t 2 essentially no thixotropic material has flowed through the pouring opening 24 or oxidic edge material into the oxide pocket 22.
  • FIG. 4 shows the thixoforming device at time t 3 .
  • the time t 3 denotes the time at which the sprue opening 24 and the sprue channels 26 and 28 are completely filled with thixoform material 15.
  • the oxide pocket 22, which receives the oxide material located in the edge layer of the thxotropic metal bolt 14, is already largely filled.
  • FIG. 5 shows the thixoforming device at time t 4 .
  • the time t 4 denotes the final state of the actual thixoforming process, ie the time before the mold is opened.
  • the mold cavities 16 and 18 are completely filled with thixoform 15 and the speed of the casting piston 12 has dropped to zero.
  • the casting piston pressure can be maintained for a short time in order to compensate for shrinkage during the cooling process by replenishing thixotropic material, so that the casting piston can carry out an additional movement after time t 4 .
  • the radially symmetrical oxide pocket 22 is also completely filled with oxidic components of the original edge layer of the thixotropic bolt 14.
  • FIG. 6 shows, by way of example, the calculated total energy values of thixoform processes of individual thixotropic metal bolts from the same preheating furnace, ie the total energy values of individual shots, in such a way that the respective total energy on the ordinate and the shot number in the form of the corresponding shot times on the abscissa are applied; the shot number of a shot corresponds to a certain point in time t x , so that the ordinate corresponds to a time axis.
  • the specific point in time t x can be predefined as desired, that is to say it can be defined, for example, as the starting point in time at which the casting piston for the thixoforming process is started.
  • any other precisely definable point in time during a thixoforming process can also be defined as a specific point in time t x .
  • the start of the casting piston at the beginning of each thixoforming process was chosen.
  • the partial figures a to h of FIG. 6 each show the total energy values determined for a number of shots, the values for the thixotropic metal bolts of a specific preheating furnace being shown separately, ie the representations a to h each give the values for thixotropic metal bolts from the same preheater again.
  • FIG. 6 a shows the total energies of 32 shots with thixotropic bolts which were heated in a No. 1 oven.
  • the start of the casting piston at the beginning of each thixoforming process was selected as the specific time t x .
  • the illustration includes shots from 7.47 p.m. to 2.37 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 32 shots is 26.01 kJ with a relative spread of ⁇ 16%.
  • FIG. 6 b shows the total energies of 46 shots with thixotropic bolts, which were heated in a No. 5 oven.
  • the display includes shots from 7:06 p.m. until 2:21 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 46 shots is 31.97 kJ with a relative spread of ⁇ 10%.
  • FIG. 6 c shows the total energies of 47 shots with thixotropic bolts, which were heated in a No. 6 oven.
  • the illustration includes shots from 6:59 p.m. to 2:34 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 47 shots is 23.91 kJ with a relative spread of ⁇ 9%.
  • FIG. 6 d shows the total energies of 48 shots with thixotropic bolts, which were heated in a No. 7 oven.
  • the illustration includes shots from 7:00 p.m. to 2:36 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 48 shots is 30.58 kJ with a relative spread of ⁇ 15%.
  • FIG. 6e shows the total energies of 42 shots with thixotropic bolts, which were heated in a No. 9 oven.
  • the illustration includes shots from 7:00 p.m. to 2:28 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 42 shots is 23.53 kJ with a relative spread of ⁇ 16%.
  • FIG. 6 f shows the total energies of 49 shots with thixotropic bolts which were heated in a No. 10 oven.
  • the display includes shots from 7:00 p.m. to 2:47 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 49 shots is 23.03 kJ with a relative spread of ⁇ 12%.
  • FIG. 6 g shows the total energies of 47 shots with thixotropic bolts which were heated in a No. 11 oven.
  • the display includes shots from 7:04 p.m. to 2:39 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 47 shots is 20.38 kJ with a relative spread of ⁇ 8%.
  • Figure 6h shows the total energies of 51 shots with thixotropic bolts that were heated in a No. 12 oven.
  • the illustration includes shots in the period from 7:05 p.m. to 2:32 p.m. the following day.
  • the total energy averaged over all 51 shots is 46.15 kJ with a relative spread of ⁇ 7%.
  • Each bar in FIG. 7 thus represents the total energy E to t, i averaged over all shots of a working shift for thixotropic metal bolts from furnace no. i represents.
  • the resulting molded parts can be assessed, for example, by optical or microscopic assessment, or by material testing, material-specific examinations using, for example, micrographs, material analyzes, structural examinations, etc.
  • E tot the values for the partial energies E ⁇ to E, for example, with respect to e to ta total energy nominal value range as a parameter for the Thixoform- or pressure casting process are defined.
  • the setpoint range can then be used as a further parameter, whereby if the total result is exceeded or undershot value of a shot or a number of shots, for example a process interruption, a change of a preheating furnace or a recalibration of the heating power of a preheating furnace.
  • the log display shown in FIG. 8 also contains a speed curve v (t), which is calculated by numerical filtering and smoothing of the discrete speed values ds (t) / dt.

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Abstract

Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen (14, 15) in einer Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung. Der zeitliche Verlauf des Pressdruckes p(t) und die zeitabhängige Geschwindigkeit v(t) des Giesskolbens (12) werden bestimmt. Aufgrund des zeitabhängigen Verlaufes des Pressdruckes p(t) und der Giesskolbengeschwindigkeit v(t) werden die durch den Giesskolben (12) zugeführte Energie E(t) in Funktion der Prozesszeit t, sowie die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den Giesskolben (12) zugeführte Gesamtenergie Etot berechnet, wobei die Gesamtenergie Etot als Kennwert für die Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozesses verwendet wird. Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung, insbesondere zum Druckgiessen oder Thixoformen von Aluminiumlegierungen, wobei die Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung entweder Messvorrichtungen (30, 32) zur gleichzeitigen Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) und der prozesszeitabhängigen Positionsbestimmungen s(t) des Giesskolbens (12) oder Messvorrichtungen (30, 32) zur gleichzeitigen Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) und der prozesszeitabhängigen Geschwindigkeitsbestimmung v(t) des Giesskolbens (12) aufweist.

Description

Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Insbesondere von der Automobilindustrie werden immer höhere Anforderungen an die Toleranzen und an die mechanischen Eigenschaften von Druckguss- und Thixoformteilen gestellt. Zur Erzielung dieser hohen Qualitätsanforderungen ist eine möglichst vollständige Überwachung der Verfahrensparameter sowie deren Reproduzierbarkeit von grosser Bedeutung.
Für die Kontrolle eines Druckgiess- oder Thixoformprozesses sind einerseits der Zustand des in die Giesskammer eingefügten Metalles und andererseits die Parameter des Druckgiess- oder Thixoformprozesses massgebend. Um den Druckgiess- oder Thixoformprozess zu optimieren bzw. allfällige, für die Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit kritischen Parameter zu evaluieren, müssen möglichst alle Parameter erfasst werden, welche den Prozess beeinflussen können.
Ein wesentlicher Faktor für die Erreichung einer hohen Reproduzierbarkeit und Prozessstabilität ist der Zustand des thixotropen Metallbolzens bzw. der Druckgusslegierung beim Einführen in die Giesskammer, wobei die Temperatur des thixotropen Bolzens bzw. der Druckgusslegierung eine sehr wichtige Grosse darstellt.
Zur Kontrolle und Überwachung des Druckgiess- oder Thixoform-Prozesses können Temperaturmessungen in der Legierungsschmelze bzw. im Innern des thixotropen Metallbolzens während dem Aufheizprozess vorgenommen werden, wobei die Temperaturverteilung beispielsweise mittels Thermoelementen an verschiedenen Schmelzen- bzw. Bolzen-Positionen (innerhalb des Bolzens und am Bolzenrand) bestimmt wird. Dabei werden üblicherweise die für die einzelnen Messpositionen relevanten Aufheizkurven, d.h. Temperatur in Funktion der Auf- heizzeit, ermittelt. Während für die Überwachung von Legierungsschmelzen für das Druckgiessen im wesentlichen die Temperaturmessung verwendet wird, bildet die Messung der während dem Vorheizen zugeführten, elektrischen Heizenergie eine weitere Möglichkeit zur Überwachung des Bolzenzustandes beim Thixoformen.
Für die Überwachung eines Thixoformprozesses können zudem am thixotropen Bolzen metallographische Prüfungen zur Bestimmung der Verteilung des Flüssiganteils durchgeführt werden, beispielsweise indem der Bolzen an verschiedenen Längspositionen quer zu seiner Längsachse aufgeschnitten und der Flüssiganteil im Bolzenquerschnitt, beispielsweise in Funktion des Abstandes von der Bolzenmitte, bestimmt wird. Ziel solcher Untersuchungen ist die Optimierung der Aufheizkurven derart, dass in möglichst kurzer Zeit ein vorbestimmter Flüssiganteil möglichst homogen im ganzen thixotropen Bolzen erreicht wird. Im Weiteren können zur Bestimmung des gemittelten Flüssiganteils kalorimetrische Messungen durch- geführt werden.
Hinsichtlich der Parameter des Druckgiess- oder Thixoformprozesses werden üblicherweise die Temperaturen der Giesskammer, der Eingusskanäle und der Formkavität gemessen, sowie der Druck und die Feuchtigkeit in der evakuierten Formkavität ermittelt.
Die bisher übliche Bestimmung der Parameter bezüglich des Druckguss- bzw. Thixoform-Materials und des Druckgiess- bzw. Thixoformprozesses sind aufwendig und eignen sich nicht für die Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozes- ses unter Produktionsbedingungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen zu schaffen, mit dem die Herstellung von Druckguss- oder Thixoformteilen unter Produktionsbedingungen zu- verlässig überwacht werden kann.
Zur erfindungsgemässen Lösung dieser Aufgabe führt, dass der zeitliche Verlauf des Pressdruckes p(t) gemessen und die zeitabhängige Geschwindigkeit des Giesskolbens v(t) bestimmt wird, und die durch den Giesskolben zugeführte Ener- gie E(t) in Funktion der Prozesszeit t, sowie die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den Giesskolben zugeführte Gesamtenergie Etot aufgrund des zeitabhängigen Verlaufes des Pressdruckes p(t) und der Giesskolbenge- schwindigkeit v(t) berechnet wird, und die Gesamtenergie Etot als Kennwert für die Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozesses verwendet wird.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den ab- hängigen Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere für das Druckgiessen oder Thixoformen von Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Magnesiumlegierungen.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders für Horizontal-Thixo- formeinrichtungen und Horizontal-Druckgiessanlagen, d.h. Vorrichtungen, bei welchen die Giesskammer horizontal liegt.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die durch den Giesskolben zugeführte Gesamtenergie einen sehr relevanter Kontrollparameter des ganzen Druckgiess- oder Thixoformprozesses darstellt. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Bestimmung der durch den Giesskolben zugeführten Energie und die Verwendung insbesondere des Gesamtenergiewertes als Kenngrösse für die Prozessüberwachung wird auch als RTIM-Verfahren (Real Time Injection Monitoring) bezeichnet.
Besonders relevant ist die Vorheiztemperatur und die entsprechende Temperaturverteilung im Metallbolzen sowie das Mass der durch den Giesskolben zugeführten Energie beim Thixoformen, da dabei ein bestimmter, in einem engen Variationsbereich sich befindlicher Flüssiganteil im thixotropen Material eingehalten werden muss. Beispielsweise kann beim Thixoformen aus einer grossen, durch den Giesskolben zugeführten Gesamtenergie geschlossen werden, dass die Viskosität des thixotropen Materials zu tief ist, was entweder durch einen zu tiefen Flüssiganteil oder zu geringe Scherkräfte während dem Thixoformprozess bedingt sein kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt eine bessere Prozessstabilität, eine Optimierung der Prozessparameter, eine Verbesserung der Produktequalität und eine Verringerung der Ausschussrate.
Besonders bevorzugt findet das erfindungsgemässe Verfahren für das Thixoformen Anwendung. Dabei dient es insbesondere zur Festlegung des optimalen Flüssiganteils des thixotropen Metallbolzens unter Produktionsbedingungen. Der optimale, gemittelte Flüssiganteil im thixotropen Metallbolzen beträgt dabei 40-55 Gew.-%. Ist der Flüssiganteil zu hoch, geschieht das Thixoformen von thixotropem Material beinahe unter den gleichen Bedingungen wie das Druckgiessen von flüssigen Metalllegierungen, so dass beispielsweise der Vorteil einer geringen Schrumpfung von thixotropem Material beim Abkühlen in der Formkavität verloren geht, oder das Abscheren der den thixotropen Metallbolzen umgebenden Oxidhaut erschwert oder verunmöglicht wird. Zudem ist das formstabile Einlegen eines thixotropen Bolzens in die Giesskammer mit einem hohen Flüssiganteil schwierig und meistens nicht reproduzierbar.
Ein weiterer wichtiger Faktor beim Thixoformen ist die Homogenität des thixotropen Zustandes, d.h. die Verteilung des Flüssiganteils über die Bolzenlänge und den Bolzenquerschnitt, wobei diese Homogenität im Allgemeinen besser ist, je langsamer der Vorheizprozess durchgeführt wird; andererseits wird aus betriebswirtschaftlichen Gründen eine möglichst kurze Aufheizzeit gewünscht.
Im Rahmen der erfinderischen Tätigkeit wurde nun für das Thixoformen gefunden, dass mittels Bestimmung der durch den Giesskolben dem Thixoformmaterial zugeführten Gesamtenergie während eines Thixoformprozesses der nach der Vorheizung vorliegende Flüssiganteil sowie dessen Homogenität im thixotropen Bolzen indirekt überwacht werden kann.
Im weiteren eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere zur Überwachung der Vorheizöfen, d.h. durch die Bestimmung der Gesamtenergie für jeden Schuss, d.h. für jeden vollständigen Druckgiess- oder Thixoformprozess, mit thixotropen Bolzen oder Druckgussmaterial aus einem bestimmten Vorheizofen kann die Regelmässigkeit dieses Ofens eruiert und kontrolliert werden. Zudem kann durch die Bestimmung der Gesamtenergie für jeden Schuss mit thixotropen Bolzen oder Druckgussmaterial aus verschiedenen Vorheizöfen die Regelmässigkeit der Heizleistung der entsprechenden Öfen miteinander verglichen und über- wacht werden.
Die Bestimmung der Gesamtenergie für jeden Schuss ermöglicht im Weiteren die Kontrolle von Vorerstarrungen. Vorerstarrungen, d.h. frühzeitige Material-Erstarrungen, können beispielsweise durch eine zu tiefe Giesskammer- und/oder Form- temperatur bedingt sein und sind der dadurch bedingten, üblicherweise schlechten Formteileigenschaften wegen unerwünscht. Durch die Möglichkeit der Eruierung von Vorerstarrungen lassen sich indirekt auch die Temperaturen der Giesskammer und der Giessform kontrollieren. Zudem lassen sich indirekt auch Aussagen über das Design der Formkavität machen.
Im Weiteren ermöglicht die Bestimmung der Gesamtenergie für jeden Schuss auch Untersuchungen von Druckverlusten während dem Schuss infolge beispielsweise tribologischer Eigenschaften und ermöglicht somit den Erhalt von Informationen über die Reibung vom Giesskolben, den mechanischen Zustand von Giesskolben und/oder der Giesskammer, die Kolbenschmierung und den Trennmitteleinfluss. Demnach dient die Bestimmung der durch den Giesskolben dem System zuge- führten Gesamtenergie während einem Schuss auch zur Überwachung der tribolo- gischen Verhältnisse bezüglich Giesskolben und Giesskammer.
Erfindungsgemäss kann die prozesszeitabhängige Geschwindigkeit v(t) des Giesskolbens entweder direkt gemessen oder durch Messung der prozesszeitabhängi- gen Giesskolbenposition s(t) ermittelt werden.
Aufgrund der zeitabhängigen Positionsmessung s(t) des Giesskolbens lässt sich die zeitabhängige Geschwindigkeit v(t) des Giesskolbens gemäss der Funktion v(t) = ds(t)/dt berechnen, d.h. durch Ableitung der zeitabhängigen Giesskolbenposition s(t) nach der Zeit t. Die Berechnung der Geschwindigkeit des Giesskolbens aufgrund der Positionsmessung s(t) wird zweckmässigerweise zu diskreten, beispielsweise äqui- distanten Zeitpunkten vorgenommen. Zweckmässigerweise wird die Geschwindigkeit an 50 bis 800, bevorzugt an 180 bis 500 und insbesondere an 250 bis 400 dis- kreten Prozesszeitpunkten berechnet. Die derart bestimmten, diskreten Geschwindigkeitswerte werden bevorzugt durch numerische Verfahren gefiltert. Zudem wird vorzugsweise durch numerische Interpolationsmethoden eine stetige Geschwindigkeitskurve v(t) berechnet.
Die durch den Giesskolben während zwei Prozesszeitpunkten tx und ty, wobei tx<ty, zugeführte, zeitabhängige Energie Ex,y(t) kann dann gemäss der Integral-Funktion
Figure imgf000007_0001
berechnet werden, wobei A die gegen das Strangguss- oder Thixoformmaterial gerichtete Fläche des Giesskolbens bezeichnet. Die durch den Giesskolben zugeführte Energie E(t) in Funktion der Prozesszeit t lässt sich gemäss der Integral-Funktion
Figure imgf000008_0001
und die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den Giesskolben zugeführte Gesamtenergie Etot durch die Integral-Funktion
Figure imgf000008_0002
berechnen, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial gerichtete Fläche des Giesskolbens, t0 den Anfangszeitpunkt t=0 des Druckgiess- oder Thixoformverfahrens und t4 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der Giesskolben zum ersten Mal nach t0 die Geschwindigkeit v(t)=0 annimmt. Zum Zeitpunkt t4 ist der eigentliche Druckgiess- bzw. Thixoformprozess abgeschlossen und die Formkavität ist gefüllt. Um während dem Abkühlen des Formteils in der Formkavität eine Materialschrumpfung auszugleichen und eine entsprechende, unvollständige Formfüllung zu vermeiden, wird der Druck auf die Druckguss- bzw. Thixoform- masse üblicherweise auch nach t noch für eine Weile aufrechterhalten, so dass der Giesskolben eine weitere translatorische Bewegung ausführen kann, wobei dann die Giesskolbengeschwindigkeit ein weiteres Mal auf Null fallen kann.
Anstelle der Messung der zeitabhängigen Giesskolbenposition s(t) kann der zeitabhängige Geschwindigkeitsverlauf v(t) direkt gemessen und für die Berechnung der durch den Giesskolben zugeführten Energie E(t) oder der Gesamtenergie Etot verwendet werden.
Bevorzugt werden die Kolbenposition s(t) oder die Kolbengeschwindigkeit v(t) und der Verlauf des Pressdruckes p(t) während des ganzen Druckgiess- oder Thixoformverfahrens kontinuierlich gemessen.
Erfindungswesentlich ist weiter, dass die Messungen s(t) und p(t), oder v(t) und p(t), sowie die Berechnung von v(t), E(t) und El0t on-line während dem Prozess- ablauf vorgenommen werden, so dass die Kenngrössen unmittelbar nach dem Schuss für entsprechende Korrekturmassnahmen zur Verfügung stehen, d.h. die Messungen von s(t) oder v(t) und p(t), sowie die Bestimmung von v(t) und E(t) erfolgt in Echtzeit. Zwischen zwei Schüssen steht ein Prozessfenster zur Verfügung, welches ein Eingreifen durch die Vornahme von Korrekturmassnahmen er- laubt, denn unmittelbar nach dem Schuss muss das Formteil weiter abgekühlt, die Form geöffnet, das Formteil aus der Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung entnommen und die Giesskammer neu mit dem Druckguss- oder Thixoformmaterial beladen werden. Das Beladen der Giesskammer mit einem thixotropen Metallbol- zen geschieht vorzugsweise mittels einem Roboter. Das Beladen der Giesskammer mit einer flüssigen Metalllegierung zum Druckgiessen geschieht beispielsweise durch Öffnen eines Ventils oder Stopfens in einer Giessrinne, so dass das flüssige Metall in die Giesskammer fliessen kann.
Bevorzugt werden - neben der Gesamtenergie Etot - auch die durch den Giesskolben zugeführten partiellen Energien E-\ bis E für die folgenden Verfahrensschritte bestimmt: beim Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt ^ zugeführte partielle Energie E-i für die Verschie- bung des thixotropen Metallbolzens in der Giesskammer bis zum Anschlag des Matallbolzens am formseitigen Ende der Giesskammer, wobei X- den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der Metallbolzen am Ende der Giesskammer auftrifft; für einen Druckgiessprozess beträgt die partielle Energie Ei stets Null; beim Druckgiessen oder Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom Zeitpunkt 1^ bis zum Zeitpunkt t2 zugeführte partielle Energie E2 für die Verformung des thixotropen Metallbolzens bzw. der Druckgussmaterials, wobei t2 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem das Druckguss- oder Thixoformmaterial auf seiner ganzen Länge den ganzen Giesskammerquerschnitt ausfüllt; - beim Druckgiessen oder Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 zugeführte partielle Energie E3 für die Füllung der Eingusskanäle, wobei t3 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem die zwischen der Giesskammer und der Formkavität befindlichen Eingusskanäle allesamt vollständig gefüllt sind; - beim Druckgiessen oder Thixoformen die durch den Giesskolben während der Dauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t zugeführte partielle Energie E4 für die Füllung der Formkavität, wobei t den Zeitpunkt bezeichnet, an dem alle Teile der Formkavität vollständig gefüllt sind und die Geschwindigkeit des Giesskolbens auf Null gesunken ist, d.h. v(t4)=0. Insbesondere die Bestimmung der partiellen Energie Ei erlaubt die Feststellung von Vorerstarrungen von Druckguss- oder Thixoformmaterial in der Giesskammer. Im weiteren gibt insbesondere E1 auch Auskunft über die allgemeinen tribologi- schen Verhältnisse, d.h. beispielsweise Druckverluste aufgrund von Reibung, Ver- schleisserscheinungen und Schmierung, und dient somit beispielsweise zur Beurteilung des Trenn- und Schmiermitteleinflusses und ergibt zudem Informationen über die Reibung des Giesskolbens und dessen Schmierung.
Üblicherweise wird der Giesskolben von Druckgiess- oder Thixoformeinrichtungen durch hydraulische Mittel angetrieben. Bei derart ausgebildeten Druckgiess- oder Thixoformeinrichtungen wird der zeitabhängige Pressdruckverlauf p(t) besonders vorteilhaft durch gleichzeitige Messung des zeitabhängigen Pressdruckverlaufes PGκ(t) an der gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial gerichteten Giesskol- benfläche und durch Messung des Pressdruckverlaufes Ph d(t) in der Hydraulikflüs- sigkeit bestimmt, wobei für die Berechnung der durch den Giesskolben dem Druckguss- oder Thixoformmaterial zugeführten Energie bevorzugt der Pressdruckverlauf PGκ(t) verwendet wird.
Da für die erfindungsgemässe Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformpro- zesses und die entsprechende Prozesskontrolle nicht die absoluten Energiemengen E(t), Etot, Ei bis E4 wichtig sind, sondern im wesentlichen die entsprechenden Energiewerte für verschiedene Thixoformbolzen oder Druckgussmaterialmengen aus demselben Vorheizofen bzw. aus verschiedenen Vorheizöfen miteinander verglichen werden, kann für die Berechnung der Energiewerte E(t), Ei bis E und Etot auch der Pressdruckverlauf Phyd(t) verwendet werden.
Phyd(t) beschreibt den auf den Giesskolben ausgeübte Gesamt-Pressdruck. Dieser entspricht jedoch nicht dem auf das Druckguss- oder Thixoformmaterial ausgeübten Pressdruck, da der Giesskolben selbst einer gewissen Reibung in der Giess- kammer ausgesetzt ist.
Deshalb erlaubt die gleichzeitige Messung von Phyd(t) und PGκ(t) die Bestimmung des Druckverlustes Δp=phyd(t)-pGκ(t) infolge der Reibung des Giesskolbens und erlaubt deshalb eine Aussage über den mechanischen Zustand der Giesskammer bzw. des Giesskolbens und der Schmierung des Giesskolbens. Während Etot die globale Kontrolle des gesamten Thixoform- oder Druckgiesspro- zesses erlaubt, liefern die partiellen Energiewerte Ei bis E4 Informationen über bestimmte Prozessparameter, wie dies im Falle von E1 beispielsweise für vorstehend erläuterte tribologische Verhältnisse oder für die Feststellung von Vorerstar- rungen beschrieben wurde. E2 eignet sich beispielsweise für den Erhalt von Information bezüglich der erforderlichen Verformungsenergie und gibt beim Thixoformen beispielsweise Auskunft über den Bolzenzustand, d.h. ob der thixotrope Bolzen zu hart bzw. zu weich ist, bzw. ob der Flüssiganteil zu hoch oder zu tief ist. E3 und E4 andererseits eignen sich beispielsweise für die Überwachung des Einfüll- Verhaltens der Eingusskanäle bzw. der Formkavität und geben damit beispielsweise Auskunft über den Trennmittel-Einfluss und beim Thixoformen zusätzlich über die auf das thixotrope Material wirkenden Scherkräfte.
Bei Thixoform- oder Druckgiessprozessen mit einer erfindungsgemässen RTIM- Prozessüberwachung wird bevorzugt ein Protokoll pro Arbeitsschicht, welche üblicherweise in der Grössenordnung von 8 Stunden liegt, ausgedruckt, wobei bevorzugt die Anzahl fabrizierter Guss- oder Thixoformteile, d.h. die Schusszahl n, die partiellen Energien E1 bis E4 und die Gesamtenergie Etot für jeden Schuss berechnet und auf dem Protokollausdruck ausgewiesen werden. Weiter bevorzugt werden die gemittelte Gesamtenergie Etot,m und die Standartabweichung σn für alle n Schüsse mit Druckguss- oder Thixoformmaterial aus demselben Vorheizofen ermittelt und ausgedruckt.
Die gemittelte Gesamtenergie E ot,m für eine Anzahl n von Schüssen mit Thixoform- oder Druckgussmaterial aus demselben Ofen k berechnet sich beispielsweise als arithmetischer Mittelwert zu:
Figure imgf000011_0001
Die Standartabweichung kann dann zu
1 " 2 σn = / , (Etot, l — Etol, m) ι=l berechnet werden.
Weiter bevorzugt kann auch das relative Streuungsmass gemäss σreι = 100% σn 2/ Etot,m berechnet werden. Anhand einer Begutachtung der resultierenden Formteile und dem entsprechenden Vergleich der Energiewerte Etot und Ei bis E4, sowie des Mittelwertes und der Standartabweichung kann dann geschlossen werden, welcher Energiebereich für den Erhalt einer ausreichenden Formteilqualität zulässig ist. Somit kann bezüglich der Energiewerte Etot und Ei bis E je ein Sollwertbereich für den Thixoform- oder Druckgiessprozess festgelegt werden, welcher als Kenngrösse beispielsweise für einen Prozessunterbruch, einen Wechsel eines Vorheizofens, eine Kalibrierung der Heizleistung eines Vorheizofens, eine Korrektur der Giesskurve oder die Auslösung eines Überwachungs-Alarms verwendet werden kann.
Hinsichtlich der Vorrichtung liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Thixoform- oder Druckgiessvorrichtung bereitzustellen, welche die Überwachung des Herstellungsprozesses unter Produktionsbedingungen erlaubt.
Erfindungsgemäss wird dies durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäss Anspruch 12 erreicht. Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Vorrichtung werden in den abhängigen Ansprüchen 13 und 14 beschrieben.
Bevorzugt wird insbesondere eine erfindungsgemässe Druckgiess- oder Thixo- formeinrichtung, bei welcher die Messvorrichtungen eine kontinuierliche Erfassung des zeitabhängigen Pressdruckes p(t) und eine kontinuierliche Positionsmessung s(t) erlauben.
Die Messvorrichtung zur Bestimmung der Position s(t) kann weiter bevorzugt auch eine Vorrichtung zur Messung der zeitabhängige Geschwindigkeit v(t) des Giesskolbens aufweisen, wobei die Position des Giesskolbens s(tx) zum Zeitpunkt tx zu s(tx)= ]v(t)dt
(=0 bestimmt wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Thixoformen oder Druckgiessen unter Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Prozessüberwachung. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren 1 bis 8 am Beispiel des Thixoformens, sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen schematisch in
- Fig.1 bis 5 den zeitlichen Verfahrensablauf beim Thixoformen in einer Horizon- tal-Thixoformanlage;
- Fig. 6 und 7 Protokollausdrucke einer erfindungsgemässen RTIM-Prozessüber- wachung;
- Fig. 8 eine graphische Protokolldarstellung der gemessenen und berechneten Werte für das erfindungsgemässe RTIM-Verfahren.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen einen vertikalen Längsschnitt entlang der Längsachse durch die Giesskammer einer Horizontal-Thixoformeinrichtung. Dabei ist die zylin- derförmige Giesskammer 10 horizontal angeordnet und enthält einen Giesskolben 12, eine radialsymmetrische Oxidtasche 22, eine Eingussöffnung 24, zwei Ein- gusskanäle 26 und 28 sowie zwei sich daran anschliessende Formkavitäten 16 und 18.
Figur 1 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t0=0, wobei ein in einem Vorheizofen (nicht eingezeichnet) auf die erforderliche Temperatur gebrachter, thixotroper Metallbolzen 14 in die horizontal liegende Giesskammer eingelegt und der Giesskolben 12 an den Bolzen herangeführt ist. In Figur 1 ist beispielhaft ein an die gegen den thixotropen Metallbolzen 14 gerichteten Giesskolbenfläche angebrachter Drucksensor 30 gezeigt. Zudem zeigt Figur 1 eine Positions- oder Geschwindigkeitsmessvorrichtung 32.
Figur 2 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt ti, an dem der thixotrope Metallbolzen 14 am formseitigen Ende 11 der Giesskammer 10 auftrifft. Da die Querschnittsfläche des zylinderförmigen, thixotropen Metallbolzens 14 kleiner als die Querschnittsfläche der Giesskammer 10 ist, füllt der thixotrope Bolzen 14 zum Zeitpunkt noch nicht den ganzen Giesskammerquerschnitt aus.
Figur 3 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt hat der thixotrope Metallbolzen seine geometrische Gestalt verloren und liegt nun in Form einer Thixoformmasse 15 vor. Der Zeitpunkt t2 bezeichnet somit den Zeit- punkt, an dem die Thixoformmasse oder das Thixoformmaterial 15 auf seiner ganzen Länge den ganzen Giesskammerquerschnitt ausfüllt, d.h. die Thixoformmasse 15 füllt den gesamten Raum zwischen Giesskolben 12 und dem formseitigen Ende 11 der Giesskammer 10 aus, wobei zum Zeitpunkt t2 im wesentlichen noch kein thixotropes Material durch die Eingussöffnung 24, oder oxidisches Randmaterial in die Oxidtasche 22 geflossen ist.
Figur 4 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t3. Der Zeitpunkt t3 bezeichnet den Zeitpunkt, an dem die Eingussöffnung 24 sowie die Eingusskanäle 26 und 28 vollständig mit Thixoformmaterial 15 gefüllt sind. Die Oxidtasche 22, welche das in der Randschicht des thxotropen Metallbolzens 14 befindliche Oxidmaterial auf- nimmt, ist bereits zum grössten Teil gefüllt.
Figur 5 zeigt die Thixoformeinrichtung zum Zeitpunkt t4. Der Zeitpunkt t4 bezeichnet den Endzustand des eigentlichen Thixoformprozesses, d.h. den Zeitpunkt vor dem Öffnen der Form. Zum Zeitpunkt t4 sind die Formkavitäten 16 und 18 vollständig mit Thixoformmasse 15 gefüllt und die Geschwindigkeit des Giesskolbens 12 ist auf Null gesunken. Während der nachfolgenden Abkühlungs- und Verfestigungsphase des Thixiformteiles kann der Giesskolbendruck für kurze Zeit aufrechterhalten werden, um eine Schrumpfung während dem Abkühlvorgang durch Nachschub von thixotropem Material auszugleichen, so dass der Giesskolben nach dem Zeitpunkt t4 noch eine zusätzliche Bewegung ausführen kann. Zum Zeitpunkt t4 ist in vorliegendem Beispiel auch die radialsymmetrisch ausgebildete Oxidtasche 22 vollständig mit oxidischen Bestandteilen der ursprünglichen Randschicht des thixotropen Bolzens 14 gefüllt.
In Figur 6 sind beispielhaft die berechneten Gesamtenergie-Werte von Thixoform- prozessen einzelner thixotroper Metallbolzen aus demselben Vorheizofen, d.h die Gesamtenergie-Werte einzelner Schüsse, derart dargestellt, dass auf der Ordinate die jeweilige Gesamtenergie und auf der Abszisse die Schussnummer in Form der entsprechenden Schusszeiten aufgetragen sind; die Schussnummer eines Schus- ses entspricht einem bestimmten Zeitpunkt tx, so dass die Ordinate einer Zeitachse entspricht. Der bestimmte Zeitpunkt tx kann dabei beliebig vordefiniert werden, d.h. er kann beispielsweise als Anfangszeitpunkt, an dem der Giesskolben für den Thixoformprozess gestartet wird, definiert werden. Als bestimmter Zeitpunkt tx kann auch jeder beliebige andere, genau definierbare Zeitpunkt während eines Thixo- formprozesses definiert werden. Für die in Figur 6 dargestellten Werte wurde der Start des Giesskolbens zu Beginn eines jeden Thixoformprozesses gewählt. Die Teilfiguren a bis h von Figur 6 geben jeweils die ermittelten Gesamtenergiewerte für eine Anzahl von Schüssen wieder, wobei die Werte für die thixotropen Metallbolzen eines bestimmten Vorheizofens getrennt dargestellt sind, d.h. die Darstellungen a bis h geben jeweils die Werte für thixotrope Metallbolzen aus dem- selben Vorheizofen wieder.
In Figur 6 a sind die Gesamtenergien von 32 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 1 aufgeheizt wurden, dargestellt. Als bestimmter Zeitpunkt tx wurde der Start des Giesskolbens zu Beginn eines jeden Thixoformprozes- ses gewählt. Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.47 Uhr abends bis um 2.37 Uhr des folgenden Tages. Die über alle 32 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 26.01 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 16 %.
In Figur 6 b sind die Gesamtenergien von 46 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 5 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.06 Uhr abends bis um 2.51 Uhr des folgenden Tages. Die über alle 46 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 31.97 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 10 %.
In Figur 6 c sind die Gesamtenergien von 47 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 6 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 18.59 Uhr abends bis um 2.34 Uhr des folgenden Tages. Die über alle 47 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 23.91 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 9 %.
In Figur 6 d sind die Gesamtenergien von 48 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 7 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.00 Uhr abends bis um 2.36 Uhr des folgenden Tages. Die über alle 48 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 30.58 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 15 %.
In Figur 6 e sind die Gesamtenergien von 42 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 9 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.01 Uhr abends bis um 2.28 Uhr des folgenden Tages. Die über alle 42 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 23.53 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 16 %. ln Figur 6 f sind die Gesamtenergien von 49 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 10 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.03 Uhr abends bis um 2.47 Uhr des folgenden Tages. Die über alle 49 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 23.03 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 12 %.
In Figur 6 g sind die Gesamtenergien von 47 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 11 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung umfasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.04 Uhr abends bis um 2.39 Uhr des fol- genden Tages. Die über alle 47 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 20.38 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 8 %.
In Figur 6 h sind die Gesamtenergien von 51 Schüssen mit thixotropen Bolzen, welche in einem Ofen Nr. 12 aufgeheizt wurden, dargestellt. Die Darstellung um- fasst Schüsse in einem Zeitraum von 19.05 Uhr abends bis um 2.32 Uhr des folgenden Tages. Die über alle 51 Schüsse gemittelte Gesamtenergie beträgt 46.15 kJ mit einem relativen Streuungsmass von ± 7 %.
Figur 7 zeigt ein Balkendiagramm der gemittelten Gesamtenergien Etot,i (i=1...12, wobei i die Ofen-Nr. kennzeichnet) für die in Figur 6 dargestellten Thixoformver- suche während einer Arbeitsschicht von ca. 8 Stunden, wobei jeweils noch die Standartabweichungen eingetragen sind. Jeder Balken in Figur 7 stellt somit die über alle Schüsse einer Arbeitsschicht gemittelte Gesamtenergie Etot,i pro Schuss für thixotrope Metallbolzen aus Ofen-Nr. i dar.
Anhand der Begutachtung der resultierenden Formteile und dem entsprechenden Vergleich mit der gemittelten Gesamtenergie EΞtot,i bzw. Etot kann dann geschlossen werden, welcher Energiebereich für eine ausreichende Formteilqualität zulässig ist. Die Begutachtung der resultierenden Formteile kann beispielsweise durch optische oder mikroskopische Beurteilung, oder durch Werkstoffprüfung, materialspezifische Untersuchungen mittels beispielsweise Schliffbilder, Material-Analysen, Gefügeuntersuchungen u.s.w. vorgenommen werden. Aufgrund der Begutachtung der Formteile und der für ihre Herstellung bekannten Gesamtenergiewerte Etot, sowie der Werte für die partiellen Energien E^ bis E , kann beispielsweise bezüglich Etot ein Gesamtenergie-Sollwertbereich als Kenngrösse für den Thixoform- oder Druck- giessprozess festgelegt werden. Der Sollwertbereich kann dann als weitere Kenngrösse verwendet werden, wobei bei Über- oder Unterschreiten des Gesamtener- giewertes eines Schusses bzw. einer Anzahl von Schüssen beispielsweise ein Prozessunterbruch, ein Wechsel eines Vorheizofens oder eine Neukalibrierung der Heizleistung eines Vorheizofens vorgenommen werden kann.
Die Begutachtung der Formteile, welche mit den die Figur 6 betreffenden Thixo- fomverfahren hergestellt wurden, zeigt, dass für diesen Fall die Gesamtenergie pro Schuss zwischen 35 kJ > Etot > 10 kJ liegen muss, damit die erforderliche Formteilqualität erreicht werden kann. Nahe der derart ermittelten Energieschwellen können sowohl Formteile mit den erforderlichen Formteileigenschaften wie auch Formteile mit unzureichenden Formteileigenschaften resultieren. Befindet sich der Gesamtenergiewert eines Schusses ausserhalb des ermittelten Energiebandes, erhöht sich das Risiko für die Herstellung eines nicht konformen Formteiles, d.h. eines Formteiles, welches nicht die erforderlichen Formteileigenschaften hinsichtlich Gefüge, Abmessungen u.s.w. aufweist. Demgemäss stellt die Bestimmung der Gesamtenergie für einen Schuss ein Mass dar für die Wahrscheinlichkeit einer guten bzw. schlechten Formteilherstellung, d.h. ein Mass für die Ausschuss-Wahr- scheinlichkeit.
Figur 8 zeigt beispielhaft eine graphische Protokolldarstellung der gemessenen und berechneten Werte für das erfindungsgemässe RTIM-Verfahren, wobei einerseits der durch den Giesskolben 12 zurückgelegte, gemessene Weg s(t) und andererseits der gemessene, durch den Giesskolben 12 ausgeübte, zeitabhängige Pressdruck p(t) während eines Thixoformprozesses, d.h. während eines Schusses, dargestellt sind, sowie die durch Punkte dargestellten, zu diskreten Zeitpunkten ermit- telten Geschwindigkeitswerte v(t)=ds(t)/dt des Giesskolbens 12 eingetragen sind. Im Weiteren enthält die in Figur 8 gezeigte Protolldarstellung auch eine Geschwindigkeitskurve v(t), welche durch numerische Filterung und Glättung der diskreten Geschwindigkeitswerte ds(t)/dt berechnet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Prozessüberwachung beim Druckgiessen oder Thixoformen von Metallen (14, 15) in einer Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung, welche eine Giesskammer (10), einen Giesskolben (12) und eine Form mit einer
Formkavität (16, 18) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Pressdruckes p(t) gemessen und die zeitabhängige Geschwindigkeit des Giesskolbens v(t) bestimmt wird, und die durch den Giesskolben zugeführte Energie E(t) in Funktion der Prozesszeit t, sowie die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den Giesskolben (12) zugeführte Gesamtenergie Etot aufgrund des zeitabhängigen Verlaufes des Pressdruckes p(t) und der Giesskolbengeschwindigkeit v(t) berechnet wird, und die Gesamtenergie E ot als Kennwert für die Überwachung des Druckgiess- oder Thixoformprozesses verwendet wird.
2. Verfahren zur Prozessüberwachung einer Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Pressdruck-Verlaufes p(t) durch Messung des Druckes PGκ(t) an der gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichteten Giesskol- ben-Fläche erfolgt.
3. Verfahren zur Prozessüberwachung einer Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach Ansprüche 1 , wobei der Giesskolben (12) hydraulisch angetrie- ben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Pressdruck-
Verlaufes p(t) durch Messung des Druckes P yd(t) in der Hydraulikflüssigkeit erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Giesskolben (12) zugeführte Energie E(t) in Funktion der Prozesszeit t gemäss der Integral-Funktion
Figure imgf000018_0001
und die während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess durch den Giesskolben (12) zugeführte Gesamtenergie Etot durch die Integral-Funktion
Figure imgf000019_0001
berechnet wird, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial
(14, 15) gerichtete Fläche des Giesskolbens (12), t0 den Anfangszeitpunkt t=0 des Druckgiess- öder Thixoformverfahrens und t4 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der Giesskolben zum ersten Mal nach t0 die Geschwindigkeit v(t)=0 annimmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitabhängige Position des Giesskolbens s(t) gemessen und die Ge- schwindigkeit des Giesskolbens v(t) als Ableitung der zeitabhängigen Giesskolbenposition s(t) nach der Zeit t zu diskreten Zeitpunkten gemäss der Funktion v(t)=ds(t)/dt bestimmt wird, wobei die Geschwindigkeit v(t) bevorzugt an 180 bis 500, ins- besondere an 250 bis 400 diskreten Prozesszeitpunkten während dem Druckgiess- bzw. Thixoformprozess bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Giesskolben (12) während zwei Prozesszeitpunkten tx und ty, wobei tx<ty, zugeführte, zeitabhängige Energie EX)Y(t) gemäss der Integral-
Funktion
Figure imgf000019_0002
berechnet wird, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichtete Fläche des Giesskolbens (12) bezeichnet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die partiellen Energien Ei bis E4 für die folgenden Verfahrensschritte berechnet werden: a) beim Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt zugeführte partielle Energie E^ für die Verschiebung des thixotropen Metallbolzens (14) in der Giesskammer
(10) bis zum Anschlag des Matallbolzens (14) am formseitigen Ende (11) der Giesskammer (10), wobei ti den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der thixotrope Metallbolzen (14) am Ende der Giesskammer (11) auftrifft; b) beim Druckgiessen und Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer vom Zeitpunkt bis zum Zeitpunkt t2 zugeführte partielle Energie E2 für die Verformung des thixotropen Metallbolzens (14) bzw. des Druckgussmaterials (15), wobei t2 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem das Druckguss- oder Thixoformmaterial (15) auf seiner ganzen
Länge den ganzen Giesskammerquerschnitt ausfüllt; c) beim Druckgiessen und Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 zugeführte partielle Energie E3 für die Füllung der Eingusskanäle (26, 28), wobei t3 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem die zwischen der Giesskammer (10) und der Formkavität (16, 18) befindlichen Eingusskanäle (26, 28) allesamt vollständig gefüllt sind; d) beim Druckgiessen und Thixoformen die durch den Giesskolben (12) während der Dauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 zugeführte par- tielle Energie E4 für die Füllung der Formkavität (16, 18), wobei t4 den
Zeitpunkt bezeichnet, an dem die Formkavität (16, 18) vollständig gefüllt ist und die Geschwindigkeit des Giesskolbens (12) auf Null gesunken ist, d.h. v(t4)=0.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtenergie Etot zu Etot=Eι+ E2+ E3+ E berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Giesskolben (12) hydraulisch angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressdruck- Verlauf p(t) durch Messung des Druckes Phyd(t) in der Hydraulikflüssigkeit und gleichzeitig durch Messung des Druckes PGκ(t) an der gegen das Druckgussoder Thixoformmaterial (14, 15) gerichteten Giesskolben-Fläche erfolgt, wobei für die Berechnung der durch den Giesskolben (12) zugeführten Energiewerte der Pressdruckverlauf pGκ(t) verwendet wird, und der durch die Reibung ver- ursachte Energieverlust bis zum Zeitpunkt t durch Berechnung der Integral-
Funktion t
E(t) κ ιbιmg - A. J [phyd(t) - pGκ(t)].v(t)dt to bestimmt wird, wobei A die gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichtete Fläche des Giesskolbens (12) und t0 den Anfangszeitpunkt des Druckgiess- oder Thixoformprozesses bezeichnen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtenergie Etot für eine Vielzahl von Druckgiess- oder Thixoformpro- zessen mit Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) eines bestimmten
5 Vorheizofens ermittelt und daraus der entsprechende Mittelwert und die Standartabweichung berechnet werden, wobei der Mittelwert und die Standartabweichung als weitere Kennwerte verwendet werden.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für das 10 Druckgiessen oder Thixoformen von Aluminium- oder Magnesiumlegierungen.
12. Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung, insbesondere eine Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung zum Druckgiessen oder Thixoformen von Aluminiumlegierungen, wobei die Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung eine Giesskam-
15 mer (10), einen Giesskolben (12) und eine Form mit wenigstens einer Formkavität (16, 18) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung entweder Messvorrichtungen (30, 32) zur gleichzeitigen Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) und der prozesszeitabhängigen Positionsbestimmung s(t) des Giesskolbens (12) oder Mess-
20 Vorrichtungen (30, 32) zur gleichzeitigen Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) und der prozesszeitabhängigen Geschwindigkeitsbestimmung v(t) des Giesskolbens (12) aufweist.
13. Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn- 25 zeichnet, dass die Messvorrichtung zur Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) einen an der gegen das Druckguss- oder Thixoformmaterial (14, 15) gerichteten Giesskolben-Fläche angebrachten oder eingebauten Drucksensor (30) enthält.
30 14. Druckgiess- oder Thixoformeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei welcher der Giesskolben (12) hydraulisch angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung zur Bestimmung des prozesszeitabhängigen Pressdruckes p(t) einen Drucksensor zur Bestimmung des Druckes in der Hydraulikflüssigkeit enthält.
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