Gießkolben

Druckguss

In die Gießkammer einer Druckgießmaschine einfahrender Kolben, der das flüssige Metall in die Druckgießform fördert. Er wird vom hydraulischen Gießantrieb betätigt. Dieser besteht aus Antriebszylinder mit Antriebskolben, der von einem hydraulischen Druckspeicher beaufschlagt wird (Bild 1). Meist erfolgt bei Gießende noch die Zuschaltung eines Multiplikators, der eine Steigerung des Enddruckes zum Zweck einer Nachverdichtung des erstarrenden Gussstückes bewirkt.

Für eine Kaltkammermaschine zeigt Bild 2 den Druckverlauf für den Gießkolbenantrieb während des Gießens. Beim Auslösen des Schusses fährt der Gießkolben, der das flüssige Metall in die Form zu pressen hat, zunächst mit langsamer Geschwindigkeit an, damit kein Metall aus der Füllöffnung der Gießkammer herausgeschleudert wird. Der Kolben bewegt sich also mit niedriger Geschwindigkeit bis er die Füllöffnung vollständig überdeckt. Der Kolben fährt dann mit gleich niedriger Geschwindigkeit weiter und staut dabei das flüssige Metall in der Gießkammer auf. Man bezeichnet diese Anfahrstrecke als Vorlauf (Bild 3). Durch die niedrige Geschwindigkeit wird die Bildung einer Überschlagwelle beim Aufstauen vermieden. Überschläge und Turbulenz würden zur Verwirbelung des flüssigen Metalls führen, was Porosität im Gussstück zur Folge hätte. In der Regel wird der Vorlauf noch fortgesetzt, bis das flüssige Metall nahe an den Anschnitt aufgestaut ist. Zu diesem Zeitpunkt wird auf hohe Geschwindigkeit umgeschaltet und der Formhohlraum gefüllt; die dabei vom Kolben zurückgelegte Strecke wird Füllhub oder Gießhub genannt. Sobald der Formhohlraum vollständig gefüllt ist, erfährt der Gießkolben eine rasche, stoßartige Abbremsung, und seine Geschwindigkeit fällt schnell auf Null. Gegebenenfalls wird zu diesem Zeitpunkt ein Multiplikator zugeschaltet.

Mit der Verwendung von Temperaturmessfühlern, Messwertgebern für Drücke, Wegmesssonden für die Bestimmung des Gießkolbenweges und die Gießkolbengeschwindigkeit etc. lässt sich eine sichere Folgesteuerung der Druckgießmaschine in Bezug auf Schussgeschwindigkeit, Gießdrücke, Temperaturen usw. realisieren. Ist eine neue Druckgießform erfolgreich eingefahren, können alle Gießparameter und Maschineneinstellwerte gemessen, aufgezeichnet, gespeichert und beim nächsten Fertigungsauftrag dieses Gussteils rasch wiederholt werden. Bild 4 zeigt eine typische Aufzeichnung eines gemessenen Kurvenverlaufs von Druck, Kolbengeschwindigkeit und Formtemperatur in Abhängigkeit von der Zeit während eines Gießzyklus am Beispiel eines Messing-Druckgussteiles.

Bild 1: Schematische Darstellung des Gießantriebs bei Kaltkammermaschinen© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Druckverlauf in einer Kaltkammermaschine während des Gießens© GIESSEREI LEXIKON
Bild 3: Aufstauen des flüssigen Metalls in der Gießkammer beim langsamen Vorlauf: a) Anfahrstellung nach Füllen der Gießkammer, b) vollständig aufgestautes Metall nachbeendigtem Vorlauf und bei Umschaltung auf die Hochgeschwindigkeitsphase© GIESSEREI LEXIKON
Bild 4: Messwertaufzeichnung des Druck-, Kolbengeschwindigkeits- und Formtemperaturverlaufs während des Gießzyklus bei der Herstellung eines Messing-Druckgussteiles auf einer 4000-kN-Kaltkammermaschine© GIESSEREI LEXIKON

Die bei der Anschnittsberechnung zugrunde gelegte Gießzeit t legt auch die Gießkolbengeschwindigkeit vo in der Formfüllphase fest.

Außerdem muss der für das betreffende Gussstück erforderliche Metallvolumenstrom Q = V/t (V = Gussstückvolumen) erreicht werden, und dies hängt von der Dimensionierung des Gießkolbendurchmessers do ab. Zwischen diesen Parametern besteht folgender Zusammenhang:

Die Gießkolbengeschwindigkeit vo muss daher so eingestellt werden, dass sie der Bedingung

entspricht. Diese Einstellung erfolgt durch Regulierung des Schussventils und Wahl eines passenden Gießkolbendurchmessers, wobei aber zu berücksichtigen ist, dass die Kolbengeschwindigkeit keine konstante Größe, sondern ein rechnerischer Mittelwert ist. Jede Druckgießmaschine hat einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich und damit auch eine maximal mögliche Gießkolbengeschwindigkeit, die bei modernen Maschinen in der Größenordnung bis zu etwa 6 m/s, zum Teil auch bis 8 m/s liegt.

Die Wahl des Gießkolbendurchmessers hängt von mehreren Kriterien ab. Um Kreislaufmetall beim Gießen zu sparen, bevorzugt man kleine Kolbendurchmesser, doch steigt damit der statische Gießdruck im Formhohlraum und damit die Sprengkraft, die dann eine um so höhere Zuhaltekraft erfordert. In die gleiche Richtung zielt das Bestreben, einen relativ hohen Füllgrad der Gießkammer vor Anfahren des Gießkolbens zu erreichen, um die Luftverwirbelung zu minimieren. Es ist ein vernünftiger Kompromiss zu suchen um den Gießkolbendurchmesser nach Maßgabe des von der Gussstückmasse abhängigen Metallvolumenstroms und des von der Maschine gebotenen Kolbengeschwindigkeitsbereiches so zu wählen, dass ein ausreichender Füllgrad der Gießkammer erzielt und die maschinenseitige Formzuhaltung gewährleistet bleibt. Bild  5 ist die graphische Darstellung der vorgenannten Gleichung für die Gießkolbengeschwindigkeit im doppeltlogarithmischen Maßstab.

Gießkolben werden aus Formstahl hergestellt, für Aluminium- und Magnesiumlegierungen auch aus Kupfer-Beryllium-Legierungen.

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