p-Q-Diagramm

Allgemein
p-Q2-Diagramm Metalldruck-Volumenstrom-Schaubild für den Druckguss. Im Diagramm werden die Strömungsverhältnisse für das flüssige Metall in der Gießgarnitur und im Lauf-Anschnitt-System beim Druckgießen darstellt. Es zeigt den Zusammenhang zwischen Metalldruck p und Metallvolumenstrom Q für den jeweils gegebenen Ausströmquerschnitt unter Berücksichtigung des wirksamen Strömungswiderstandes gemäß folgender, aus der Bernoullischen Gleichung abgeleiteten Beziehung:


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p - Metalldruck (N/m² = Pa, wobei 105 Pa = 1 bar);

ρ - Dichte des flüssigen Metalls (kg/m³);

Q - Volumenstrom (m³/s);

ξ - Widerstandskoeffizient (dimensionslos);

Sa - Ausströmquerschnitt (m²), wie am Mundstück der Warmkammer-Gießgarnitur oder am Anschnitt.

Im p-Q2-Diagramm ist der Volumenstrom im quadratischen Maßstab aufgetragen (Bild  1), dadurch erhält man einen geradlinigen Verlauf der Widerstandskennlinie für einen konstanten ξ-Wert nach der obigen Gleichung. Außerdem ist in das Diagramm die Maschinenkennlinie eingetragen. Der Schnittpunkt mit der Widerstandsgeraden ist der Betriebspunkt.

Dabei ist die Maschinenkennlinie die Verbindungsgerade zwischen dem statischen Metalldruck nach beendigter Gießkolbenbewegung und dem maximalen Volumenstrom, der das Produkt von Gießkolbenfläche und Kolbengeschwindigkeit beim trockenen Schuss (ohne Metall) darstellt. Der statische Metalldruck errechnet sich aus dem Speicherdruck der Gießeinheit, multipliziert mit dem Flächenverhältnis von Antriebs- zu Gießkolben.

Die Widerstandsgerade charakterisiert den Strömungswiderstand, den die betreffende Gießgarnitur und das Lauf-Anschnitt-System erzeugen. Diese Gerade verläuft umso steiler, je größer der Fließwiderstand, das heißt je kleiner der ξ-Wert ist. Bei hohem Widerstand liegt der Betriebspunkt sehr weit links im p-Q2-Diagramm, und dies bedeutet hohen Druckbedarf für die Metallströmung und nur geringen Volumenstrom, also niedrige Metallförderleistung und lange Formfüllzeit. Die Maschinenkennlinie kann verändert werden, beispielsweise durch Senkung des Speicherdrucks, Drosselung des Schussventils (siehe Regelung der Kolbengeschwindigkeit) oder durch Wahl eines anderen Gießkolbendurchmessers (Bild 2).

Die Geschwindigkeit der Metallströmung im Ausströmquerschnitt lässt sich aus dem vom Diagramm ablesbaren Volumenstrom am Betriebspunkt, dividiert durch den vorerwähnten Ausströmquerschnitt, berechnen. Bei Warmkammermaschinen ist es üblich, auch den Betriebspunkt für die Gießgarnitur allein zu bestimmen; hier ist dann der Ausströmquerschnitt identisch mit dem Mundstückquerschnitt.

Für die Praxis sind gewisse Streuungen zu berücksichtigen, doch können im allgemeinen die Formfüllbedingungen mit einer Genauigkeit von weniger als 15 % vorausgesagt werden (Bild  3). Die Streuung hat zwei Ursachen:

Die Maschinenkennlinie wird beeinflusst durch Schwankungen im Volumenstrom beim trockenen Schuss (Schnittpunkt mit der Abszisse im p-Q2-Diagramm) und durch den effektiv verfügbaren Hydraulikdruck zum Zeitpunkt des Schusses (Schnittpunkt mit der Ordinate).

Der Strömungswiderstand in der Form variiert je nach effektivem Strömungsquerschnitt und je nach Zustand des Strömungssystems.

Die p-Q2-Analyse ist nicht nur eine nützliche Hilfe für das Konstruieren neuer Druckgießformen, sondern auch Basis für die rechnerische Simulation zur Vorhersage der Formfüllungsqualität und damit der Qualität der Druckgussteile. Aus diesen Erkenntnissen können gezielt Änderungen der Prozessparameter abgeleitet werden.
Bild 1: p-Q-Diagramm einer Warmkammer-Druckgießmaschine© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Änderung der Maschinenkennlinie im p-Q- Diagramm a) durch Senkung des Speicherdrucks oder Drosselung des Schussventils und b) durch Wahl eines anderen Gießkolbendurchmessers© GIESSEREI LEXIKON
Bild 3: p-Q-Diagramm mit Streugrenzen. Aus dem Betriebspunkt wird der Betriebsbereich.© GIESSEREI LEXIKON

Taschenbuch der Gießerei-Praxis

Jährlich aktualisierte Ausgabe des Nachschlagewerks für das Gießereiwesen.