Bei Druckgiessmaschinen mit einer Absaugvorrichtung zum Entlüften des Formhohlraumes erfolgt die letzte Formfüllung mit flüssigem Metall im Zusam- menwirken mit der Zwangsentlüftung des Formhohlraumes innerhalb weniger Millisekunden. Zur Erzielung eines möglichst hohen Unterdruckes ist es dem- nach 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 Ab- hängigkeit 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 entstehen- den Öldämpfe und Crackprodukte mit abgesaugt werden kann. Zudem soll ver-

hindert werden, dass durch ein schlechtes Vakuum Lufteinschüsse im Guss- stück entstehen, die zu Porosität und in der Folge zu einem Qualitätsverlust führen. Dieser Qualitätsverlust äussert sich beispielsweise in einer Verschlech- terung von mechanischen Eigenschaften und in einer verminderten Schweiss- barkeit, 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 ge- schlossen ist.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Druckgiessmaschinen mit Va- kuumsystem erfolgt das Schliessen des Vakuumventils immer noch einige Milli- sekunden vor der Formfüllung, d. h. die Konzentration der sich beim Metall- schuss 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 ge- nannten Art sowie eine mit dem Vakuumventil ausgerüstete Druckgiessma- schine zu schaffen, welche es ermöglichen, die Aufrechterhaltung eines Vaku- ums 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 Ven- tils, 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 Zylinder- raum 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 beauf- schlagbar ist.

Eine erfindungsgemässe Druckgiessmaschine mit einer beweglichen und einer festen Formhälfte, einer Füllkammer, einem Presskolben und einer zum Eva- kuieren eines durch die beiden Formhälften begrenzten Formhohlraumes vor- gesehenen Absaugvorrichtung weist wenigstens ein erfindungsgemässes Va- kuumventil auf.

Die Ausführung des Verschlusssystems des erfindungsgemässen Vakuumven- tils ermöglicht eine kurze Betätigungszeit in der Grössenordnung von 1 ms, ge- genüber einer Betätigungszeit von etwa 10 ms oder mehr bei den heute übli- chen Ventilen mit hydraulischer Betätigung.

Das erfindungsgemässe Vakuumventil schliesst über eine am Kolben angrei- fende 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 Vakuum- ventils 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 vorge- sehen. Diese ersten Öffnungen sind bevorzugt im Boden des Zylinderraumes angeordnet, wobei diese ersten Öffnungen von einem dem Boden gasdicht auf- liegenden, 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 zulau- fend 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 Zy- linderraumes durch das anfänglich unter hohem Druck stehende ausströmende Gas, welches zu einer auf die Wände der konisch zulaufenden zweiten Öffnun- gen 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 er- weiterter Düsenöffnung ausgestaltet.

Zur Ausführung einer die ersten und zweiten Öffnungen zur Deckung bringen- den Verschiebung oder Drehung zur Auslösung des Schliessvorganges des Vakuumventils ist das Abdeckteil mit einem entsprechenden Aktuator wirkver- bunden. 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 Schiebebe-

wegung eine Translationsbewegung in eine Winkelbewegung umgewandelt wird.

Um die Ansprechzeit des Vakuumventils möglichst kurz zu halten, ist bei einer erfindungsgemässen Druckgiessmaschine die Anordnung eines Metalidetektors zwischen dem Formhohlraum und dem Vakuumventil vorgesehen. Dieser Me- talldetektor dient der Erzeugung eines Signals zum Schliessen des Vakuum- ventils, sobald sich das flüssige Metall auf dem Weg vom Formhohlraum zum Vakuumventil befindet.

Bei einer ersten Ausführungsform einer Druckgiessmaschine ist ein Tempera- tursensor vorgesehen. Bei einer zweiten, erheblich schneller reagierenden Va- riante ist der Metaildetektor ein Wärmestrahlungssensor.

Die erfindungsgemässe Druckgiessmaschine eignet sich unter anderem zum Druckgiessen von Leichtmetallen, insbesondere von Aluminium und Alumini- umlegierungen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie an- hand der Zeichnung ; diese zeigt schematisch in - Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Druckgiessmaschine ; - Fig. 2 eine vergrösserte, teilweise geschnittene Seitenansicht der Ventil- anordnung 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 Wär- mestrahlungs-und Temperatursensoren.

Eine in Fig. 1 dargestellte Druckgiessmaschine 10 zum Druckgiessen von bei-

spielsweise Aluminiumlegierungen weist je eine auf einer festen Maschinen- platte 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 Forman- schnitt 28 und auf der entgegengesetzten Seite von einem Vakuumiauf oder Formaustrittskanal 26 begrenzt. Der Formhohlraum 18 steht über den Form- austrittskanal 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 Vakuumbehäf- ter 34 wird mittels einer Vakuumpumpe 36 evakuiert.

Das in den Fig. 2 bis 4 näher dargestellte Vakuumventil 30 weist eine Steu- erungsstange 38 auf, an deren einem Ende ein Ventilkopf 40 sitzt, der bei ge- schlossenem Ventil einem Ventilsitz 42 gasdicht anliegt. An dem dem Ventilkopf 40 entgegengesetzten Ende der Steuerungsstange 38 ist ein in einem Zylinder- raum 46 gleitend verschiebbarer Kolben 44 angeordnet. Ein an eine nicht dar- gestellte 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 Zylinder- raum 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 Ab- deckteils 54 sind die ersten und die zweiten Öffnungen 52,56 deckungsgleich, so dass sich eine durchgehende Verbindung vom Zylinderraum 46 zur Aus-

senatmosphäre ergibt, oder die ersten Öffnungen 52 werden vom Abdeckteil 54 verschlossen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die ersten Öffnungen 52 gegen die Ven- tilaussenseite hin konisch erweitert und als Laval-Düsen ausgebildet. Dies er- möglicht eine Ausströmung von Gas aus dem Zylinderraum 46 mit Überschall- geschwindigkeit.

Die zweiten Öffnungen 56 im scheibenförmigen Abdeckteil 54, die beispiels- weise gemäss Fig. 3 einen kreisförmigen Querschnitt 56a oder gemäss Fig. 4 einen schlitzförmigen Querschnitt 56b aufweisen können, sind gegen den Bo- den 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 erforderli- chen 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 Füll- kammer 20 und verschliesst dabei die Öffnung 24. Zu diesem Zeitpunkt wird bei geöffnetem Vakuumventil 30 das Sperrventil 33 geöffnet, so dass der Form- hohlraum 18 über den Saugkanal 32 zur Absaugung von Luft und Restgasen evakuiert wird.

Das vom Presskolben 22 verdrängte flüssige Metall hat während der vorste- hend beschriebenen ersten Füllphase den Formanschnitt 28 vor dem Formhohl- raum 18 erreicht. Nach dieser ersten langsamen Füllphase beginnt die zweite Phase der schnellen Formfüllung, d. h. des eigentlichen Metallschusses. Es er- folgt hierbei eine schnelle Füllung des Formhohlraumes 18 und weiter ein Ein- strömen des flüssigen Metalls in den an den Formhohlraum 18 anschliessenden Formaustrittskanal 26, in welchem eine Metallgeschwindigkeit in der Grössen- ordnung 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 Gas- druck 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 beschriebe- nen Metalidetektor 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 ho- hen 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 Fe-

derelement 58 bewirkt, welches den Kolben 54 in den Zylinderraum 46 ein- schiebt. Über die Steuerungsstange 38 erfolgt eine schlagartige Bewegung des Ventilkopfes 40 gegen den Ventilsitz 42, wodurch innerhalb kürzester Zeit nach dem Ansprechen des Meta ! ! detektors 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 Me- talidetektor 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 bei- spielsweise Stahl oder Keramik auf. Im Gehäuse ist eine Saphir-Monokristallfa- ser 78 mit einem Durchmesser von beispielsweise 350 um 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 Me- talls an der Stirnfläche 76 aufgenommene Wärmestrahlung auf ein handelsübli- ches 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 Metaildetektorsystems enden an der Stirnfläche 76 des Gehäuses 74 zwei Temperatursensoren 68 sowie ein Wär- mestrahlungssensor 72 bzw. dessen Saphir-Monokristallfaser 78. Diese Anord- nung mit mehreren Meta ! ! detektoren 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 Form- austrittskanal 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 eine Verschlusszeit von 0,6 ms. Bei einem Kolbendurchmesser D von 25 mm, einer Gastemperatur To von 300° K und einer kritischen Fläche F* der engsten Querschnitte der Öffnungen 52,56 von 9 mm2 ergibt sich die minimale Aus- strömungsgeschwindigkeit tg des Gases aus dem Zylinderraum 46 nach der Formel wobei A eine vom verwendeten Gas abhängige Konstante ist, welche für He- lium beispielsweise 0,030 beträgt. Wird Helium als Druckgas eingesetzt, so er- gibt sich unter den vorstehend genannten Bedingungen für die minimale Aus- strömzeit 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 ge- nügt zur Offenhaltung des Vakuumventils 30 beispielsweise ein Gasdruck p von 22 MPa.