DE10064783A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von Werkzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren un eine Vorrichtung zum Kühlen von Werkzeugen, die zum Formen von Werkstoffen benutzt werden, welche in warmem Zustand in das Werkzeug eingebracht und darin abgekühlt werden, wobei dem mit wenigstens einem Kühlkanal versehenen Werkzeug ein Kühlmedium zugeleitet wird, welches nach Aufnehmen von Wärme aus dem Werkzeug abgeleitet wird. Die Erfindung sieht vor, daß die Menge des dem Werkzeug zugeleiteten Kühlmediums und die Menge des aus dem Werkzeug abgeleiteten Kühlmediums gemessen und die beiden Mengen miteinander verglichen werden und bei Auftreten von Differenzen zwischen beiden Mengen ein Signal ausgelöst wird, welches z. b. dazu verwendet wird, den Kühlmedium-Zulauf zu unterbrechen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von Werkzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. dem des Anspruches 5.

Insbesondere bei Kunststoff verarbeitenden Maschinen, bei­ spielsweise Spritzgießmaschinen und Extrusions-Blasmaschinen, sind die durchweg unterteilten Werkzeuge, also die Spritzgieß­ formen bzw. die Blasformen, mit Kühlkanälen versehen, welche von einem Kühlmedium, im allgemeinen Wasser, durchflossen werden, um die mit dem plastischen Kunststoff in das Werkzeug eingebrachte Wärme möglichst schnell abzuführen und dadurch den Kunststoff zu verfestigen. Dadurch wird der Maschinen­ zyklus verkürzt und die Produktivität erhöht. Da die Kühlzeit insbesondere bei Kunststoff verarbeitenden Maschinen häufig den größeren Teil eines Arbeitszyklus beansprucht, stellt eine optimale Kühlung des Werkzeuges die wesentliche Voraussetzung für eine ausreichende Produktivität desselben dar.

Da heute Kunststoff verarbeitende Maschinen, insbesondere Spritzgießmaschinen, in vielen Fällen über längere Zeiträume ununterbrochen laufen, wobei häufig, insbesondere während der Nachtschicht und an den Wochenenden, keine Bedienungspersonen vorhanden sind, können Unterbrechungen oder sonstige Unregel­ mäßigkeiten bei der Zuleitung und/oder Ableitung des Kühlmedi­ ums zu erheblichen Betriebsstörungen führen.

Im allgemeinen sind die in den Werkzeugen angeordneten Kühlka­ näle über Schlauchabschnitte mit der fest installierten Zulei­ tung bzw. Ableitung verbunden. Die Verwendung von im allgemei­ nen elastisch verformbaren Schlauchabschnitten trägt der Tat­ sache Rechnung, daß normalerweise zumindest Teile des Werkzeu­ ges beispielsweise zwischen der Offenstellung und der Schließ­ stellung bewegbar sind, die Werkzeuge aber auch als Einheit während eines Arbeitszyklus zwischen wenigstens zwei Positio­ nen hin- und herbewegbar sein können. Die Verbindung zwischen den Schlauchabschnitten und dem Werkzeug und der Zuleitung bzw. Ableitung erfolgt im allgemeinen über Schnellkupplungen, deren Anbringen und Lösen beispielsweise bei einem Werkzeug­ wechsel oder bei Überprüfungen irgendwelcher Art keinen großen Zeitaufwand erfordern.

Störungen oder Unregelmäßigkeiten bei der Kühlmittelzuleitung bzw. -ableitung können dadurch entstehen, daß z. B. die Ver­ bindungen und Kupplungen zwischen dem Werkzeug bzw. den darin befindlichen Kühlkanälen einerseits und den Verbindungs­ schläuchen andererseits schadhaft werden, sich beispielsweise lockern oder ganz lösen. Dies ist auch bei sorgfältigem Be­ festigen der Verbindungsschläuche an den Werkzeugen oder Her­ stellen anderer Verbindungen niemals ganz auszuschließen, da beispielsweise durch das Schließen und Öffnen der Werkzeuge, aber auch durch zyklische Bewegungen anderer Maschinenteile fortwährend Erschütterungen auftreten, welche die Einrichtun­ gen, mittels welcher beispielsweise die Schläuche an den Werk­ zeugteilen befestigt sind, lockern oder lösen mit der Folge von Leckagen, die zu einer schlechteren Kühlung, ggf. zu einem vollständigen Wegfall der Kühlung führen, so daß Ausschuß erzeugt wird und die Maschine sogar beschädigt oder unbrauch­ bar wird. Außerdem besteht bei größeren Leckagen, die über eine längere Zeit andauern, die Gefahr, daß Wasser oder ein anderes Kühlmittel in die Maschine läuft und/oder sich auf dem Boden sammelt und dort Schäden und Störungen verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vor­ richtung der einleitend beschriebenen Art so abzuwandeln, daß die vorbeschriebenen Nachteile vermieden, zumindest wesentlich reduziert werden. Dabei geht es um eine Überwachung der Effek­ tivität des Kühlvorganges und die Möglichkeit der Feststellung von Störungen, welche ein Eingreifen in den Produktionsablauf erforderlich machen oder zumindest zweckmäßig erscheinen las­ sen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Menge des dem Werkzeug zugeleiteten Kühlmediums und die Menge des aus dem Werkzeug abgeleiteten Kühlmediums gemessen und die beiden Mengen miteinander verglichen werden und bei Auftreten von Differenzen zwischen beiden Mengen ein Signal ausgelöst und beispielsweise dazu verwendet wird, die Zuleitung für das Kühlmedium und ggf. auch die Ableitung für das erwärmte Kühl­ medium zu schließen und die Maschine stillzusetzen.

Zweckmäßigerweise ist in der Zuleitung und in der Ableitung für das Kühlmedium ein Meßgerät zum Erfassen der zufließenden und der abfließenden Menge an Kühlmittel angeordnet, wobei beide Meßgeräte mit einer Einrichtung verbunden sind, welche die ermittelten Mengen miteinander vergleichen, uhd ferner eine Einrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Er­ gebnis des Vergleiches ein Signal auslöst.

Bei intaktem Kühlmittelfluß bzw. -kreislauf müßten beide Wer­ te, also Zuflußmenge und Abflußmenge pro Zeiteinheit, im we­ sentlichen übereinstimmen, da jedenfalls in der Mehrzahl der Anwendungsfälle die beim Durchfließen des Werkzeuges eintre­ tende Erwärmung des Kühlmediums jedenfalls bei Wasser so ge­ ring ist, daß sie vernachlässigt werden kann. Normalerweise liegen die Zuführtemperaturen des Kühlwassers zwischen 10 und 40°, wobei das Wasser beim Durchlaufen des Kühlkanals im Werk­ zeug normalerweise eine Erwärmung in der Größenordnung von 5°-10°C erfährt.

Falls durch die Erwärmung des Kühlmediums eine Volumenänderung eintreten sollte, die nicht mehr vernachlässigbar ist, könnte dies durch Ermittlung der Temperaturen an den beiden Meßgerä­ ten und eine Berechnung der sich daraus ergebenden Volumen­ änderung berücksichtigt werden.

Die Meßgeräte können als handelsübliche Wasseruhren ausge­ bildet sein, wobei, ähnlich wie bei einem Eichvorgang, ein Sensor vorgesehen sein kann, welcher Lichtreflexe oder irgend­ welche anderen Signale auffängt, die periodisch durch ein rotierendes Teil erzeugt werden, das mit der durch das Kühl­ mittel angetriebene Welle der Meßeinrichtung verbunden ist.

Über die Zeit auftretende Schwankungen bezüglich der Menge des das jeweilige Werkzeug bzw. Werkzeugteil durchströmenden Kühlmittelmenge sind ohne Bedeutung, da es im wesentlichen darauf ankommt festzustellen, ob Kühlmittelzulauf und -ablauf mengenmäßig übereinstimmen. Moderne Werkzeuge sind in vielen Fällen ohnehin mit einem Kanalsystem für das Kühlmittel verse­ hen, welches während eines Arbeitszyklus z. B. in Abhängigkeit von der Zeit einstellbar ist derart, daß bestimmte Abschnitte des in einem Werkzeugteil befindlichen Kanalsystems für eine bestimmte Zeitdauer absperrbar sind, um so die Kühlwirkung und damit die Temperatur in bestimmten Bereichen des Werkzeuges zu steuern. So kann es zweckmäßig sein, beispielsweise den Be­ reich einer Spritzgießform, welcher den Eintrittskanal für den im Werkzeug zu formenden und abzukühlenden Werkstoff enthält, zunächst weniger stark zu kühlen, um sicherzustellen, daß während der Einspritzphase, also während des Zeitraumes, wäh­ rend dessen der Werkstoff in die Spritzgießform eingespritzt wird, im Eintrittsbereich keine Abkühlung des Werkstoffes eintritt, die zu einer die Fließfähigkeit desselben zu stark beeinträchtigenden Erhöhung der Viskosität führen könnte. Ein das Kühlen des Eintrittsbereiches der Spritzgießform bewirken­ der Kühlkanal innerhalb des Werkzeuges könnte beispielsweise erst nach oder kurz vor Beendigung der Einspritzphase geöffnet werden.

Das Öffnen und Schließen von Kühlkanal-Abschnitten kann in Abhängigkeit von der Zeit durch Servoventile erfolgen, die beispielsweise durch ein Programm gesteuert werden. Die so verursachten Änderungen der Durchflußverhältnisse innerhalb des Kühlkanal-Systems eines Werkzeuges oder eines Werkzeug­ teils führen in der Mehrzahl der Fälle auch zu entsprechenden Änderungen der Menge an Kühlmedium, die pro Zeiteinheit durch das Werkzeug bzw. das Werkzeugteil strömt. Dies ist jedoch, wie gesagt, für die Anwendbarkeit der Erfindung ohne Belang, da es im wesentlichen nur darauf ankommt, die pro Zeiteinheit einströmende Menge mit der pro Zeiteinheit ausströmenden Menge an Kühlmittel zu vergleichen.

Natürlich ermöglichen die Meßgeräte auch ein Erfassen von Mengenschwankungen bezüglich des Kühlmediums, falls das Erfas­ sen der sich darauf beziehenden Werte aus irgendwelchen Grün­ den zweckmäßig sein sollte.

Da Undichtigkeiten im wesentlichen an den Einrichtungen ein­ treten, mittels welcher die Verbindungsschläuche an den dafür vorgesehenen Anschlüssen an den Werkzeugen und den fest in­ stallierten Leitungen angebracht werden, wird es zweckmäßig sein, die Meßeinrichtungen für den Durchlauf des Kühlmediums an den fest installierten Rohrleitungen in Fließrichtung des Zulaufs kurz vor der Kupplung zwischen fest installierter Rohrleitung und Schlauch bzw. in der Ableitung kurz nach der Verbindung zwischen Schlauch und fest installierte Rohrleitung z. B. als Teil der letzteren anzuordnen. Dies hat den Vorteil, daß die Meßgeräte einerseits außerhalb des Arbeitsbereiches der jeweils zu überwachenden Maschine(n) angebracht sind und somit frei von Erschütterungen und anderen auf die Maschine zurückgehenden Einflüssen bleiben, andererseits jedoch keine langen Leitungen für den Anschluß an die Auswerteeinrichtung od. dergl. erforderlich sind.

In der Zeichnung ist im Schema ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches drei Spritzgießmaschinen auf­ weist, die an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf an­ geschlossen sind.

Da die drei Spritzgießmaschinen A, B, C in gleicher Weise ausgebildet sind, wird im folgenden lediglich die Spritzgieß­ maschine A beschrieben, die, wie die Spritzgießmaschinen B und C, an die gemeinsame Haupt-Zuleitung 10 und die gemeinsame Haupt-Ableitung 12 für das Kühlmittel angeschlossen ist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird Wasser als Kühlmittel verwendet, welches mit einem Druck von etwa 4 bar in die Haupt-Zuleitung eingeführt wird und die gemeinsame Haupt-Ableitung 12 mit einem Druck von etwa 1 bar verläßt. Die jeweils verwendeten Drucke hängen von den jewei­ ligen Gegebenheiten ab. Der Kühlwasserdruck innerhalb der zu kühlenden Werkzeugteile wird im allgemeinen zwischen 3 und 6 bar liegen.

Jede der Spritzgießmaschinen ist in üblicher Weise mit einer Plastifiziereinheit 14, in welcher das zu verarbeitende Mate­ rial plastifiziert wird, und einem zweiteiligen Spritzgieß­ werkzeug 16 versehen, welchem ein Antrieb 18 beispielsweise in Form eines hydraulischen Zylinders zugeordnet ist, durch wel­ chen die beiden Werkzeugteile 16a, 16b zwischen der in der Zeichnung dargestellten Offenstellung und einer Schließstel­ lung hin- und herverschiebbar sind. Schließlich ist jede Spritzgießmaschine mit einer Schalt- und Steuereinrichtung 20 versehen, durch welche die Funktionen der Spritzgießmaschine gesteuert und überwacht werden.

Der Aufbau einer derartigen Spritzgießmaschine ist im all­ gemeinen bekannt, so daß er hier nicht näher erläutert zu werden braucht.

Jedes der beiden Werkzeug- bzw. Formteile 16a, 16b ist mit Kühlkanälen versehen, die über jeweils einen Verteiler 22 an die Zweig-Zuleitung 24 und über einen Verteiler 26 an die Zweig-Ableitung 28 angeschlossen sind. Die Zeichnung läßt erkennen, daß vom Verteiler 22 der Zweig-Zuleitung 24 vier Anschlußleitungen 30a, 30b, 30c, 30d zum Formteil 16a und vier Anschlußleitungen 32a, 32b, 32c, 32d zum Formteil 16b ver­ laufen. Durch die Anschlußleitungen 30a-d und 32a-d wird das Kühlwasser den beiden Formteilen 16a bzw. 16b zugeführt. Letztere sind dementsprechend mit jeweils vier nicht näher bezeichneten Anschlußleitungen versehen, durch welche das erwärmte Kühlwasser vom jeweiligen Formteil 16a bzw. 16b zum Verteiler 26 und von diesem zur Zweig-Ableitung zurückgeführt wird. Die Anzahl der Anschlußleitungen hängt ab von der Ausge­ staltung des jeweiligen Kühlsystems, beispielsweise der Anzahl der Kühlkanäle in jedem Formteil, ab. Sie kann von Werkzeug zu Werkzeug unterschiedlich sein.

Da im allgemeinen wenigstens eines der beiden Formteile 16a, 16b zum Öffnen und Schließen des Spritzgießwerkzeuges in Rich­ tung der Pfeile 56, 58 hin- und herverschiebbar ist, sind die Anschlußleitungen 30a-d bzw. 32a-d zumindest über Teile ihrer Längserstreckung als Schläuche ausgebildet, die den Bewegungen der Formteile folgen können und somit die sich im Verlauf der Öffnungs- und Schließbewegungen ändernden Abstände zwischen dem jeweiligen Formteil 16a bzw. 16b und den Ver­ teilern 22, 26 ausgleichen.

In die Zweig-Zuleitung 24 und die Zweig-Ableitungen 28 jeder Maschine A, B, C ist jeweils ein Meßgerät 34 bzw. 36 zum konti­ nuierlichen Messen der Durchflußmenge pro Zeiteinheit angeord­ net. Beide Meßgeräte 34 und 36 sind jeweils über Leitungen 38 bzw. 40 mit einer Einrichtung 42, beispielsweise einem Rech­ ner, verbunden, welcher die Meßergebnisse beider Meßgeräte 34, 36 miteinander vergleicht. Falls der Vergleich ergibt, daß die Menge des über die Zweig-Ableitung 28 verlassenden Kühlmittels der Menge des über die Zweig-Zuleitung 24 zugeführten Kühl­ mittels entspricht, kann davon ausgegangen werden, daß be­ züglich der Kühlung der Werkzeugteile 16a, 16b normale Be­ triebsverhältnisse vorliegen, welche keinerlei Eingreifen in den Betriebsablauf erfordern. Falls jedoch der Vergleich zeigt, daß Abweichungen zwischen beiden Ergebnissen vorhanden sind, welche das Vorhandensein einer Störung im Kühlmittel- Kreislauf, beispielsweise eine Leckage zwischen Verteiler 22 bzw. 26 und einem der beiden Werkzeugteile 16a, 16b vermuten lassen, löst der Rechner 42 ein Signal aus, welches dazu be­ nutzt wird, den Stellantrieb 44 eines in der Zweig-Zuleitung 24 angeordneten Ventils 46 zu betätigen, um dieses Ventil zu schließen. Die Leitung zwischen Rechner 42 und Stellantrieb 44 ist mit 48 bezeichnet.

Weiterhin kann über eine Leitung 50 die Steuereinrichtung 20 eine Information erhalten, die dazu benutzt wird, die Antriebe der Spritzgießmaschine und ggf. vorhandene Heizeinrichtungen abzuschalten.

Es ist zudem erforderlich, bei Auftreten einer Mengendifferenz zwischen den beiden Meßgeräten 34 und 36 auch ein in der Zweig-Ableitung 28 befindliches Ventil zu schließen, welches ebenfalls mit einem Stellantrieb versehen sein kann, der über eine Leitung mit dem Rechner 42 verbunden ist. Es ist jedoch im allgemeinen zweckmäßig, in der Zweig-Ableitung 28 ein Rück­ schlagventil 52 vorzusehen, da dieses den angestrebten Zweck voll erfüllt und wesentlich billiger ist als ein in geeigneter Weise ausgebildetes Servo-Ventil. Das Schließen des Rück­ schlagventils - oder eines anderen Ventils - in der jeweiligen Zweig-Ableitung 28 stellt sicher, daß aus der Haupt-Ableitung 12 kein Wasser in die Zweig-Ableitung 28 und die anderen damit verbundenen Leitungen und Kanäle einströmen kann.

Das durch das Schließen der Ventile 46 und 52 bewirkte Ab­ sperren des im Werkzeug 16a, 16b der Spritzgießmaschine A befindlichen Teils des Kühlmittelkreislaufes vom übrigen Kühl­ mittelkreislauf bleibt ohne Auswirkungen auf den Betrieb der beiden anderen mit der Haupt-Zuleitung 10 und der Haupt-Ablei­ tung 12 verbundenen Spritzgießmaschinen B und C und ggf. wei­ terer an diesem Kühlmittelkreislauf angeschlossener Maschinen. Entsprechendes würde gelten, wenn statt der Maschine A die Maschinen B und/oder C aufgrund irgendwelcher Störungen vom Kühlmittelkreislauf getrennt und abgeschaltet werden.

Der für die Anwendung der Erfindung erforderliche zusätzliche Aufwand ist verhältnismäßig gering, zumal die Einrichtungen 42 auch in die Steuereinrichtung 20 integriert werden können. Es wäre natürlich auch möglich, jedem der beiden Werkzeugteile 16a, 16b eine eigene Zweig-Zuleitung 24 und eine eigene Zweig- Ableitung 28 und eigene Verteiler 22, 26 zuzuordnen. Dies würde jedoch einen größeren Aufwand erforderlich machen, dem kein größerer Nutzen gegenüberstünde, da, wenn auch nur in einem der beiden Werkzeugteile eine Störung im Kühlkreislauf vorhanden ist, die Maschine normalerweise ohnehin abgeschaltet werden müßte.

Claims (11)

1. Verfahren zum Kühlen von Werkzeugen (16a, b), die zum Formen von Werkstoffen benutzt werden, die in warmem Zustand in das Werkzeug eingebracht werden, wobei dem mit wenigstens einem Kühlkanal versehenen Werkzeug ein Kühlmedium zugeleitet wird, welches nach Aufnehmen von Wärme aus dem Werkzeug abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des dem Werkzeug (16a, b) zugeleiteten Kühlmediums und die Menge des aus dem Werkzeug abgeleiteten Kühlmediums gemessen und die beiden Mengen miteinander verglichen werden und bei Auftreten von Differenzen zwischen beiden Mengen ein Signal ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Signal erst ausge­ löst wird, wenn die Differenz zwischen beiden Mengen ein bestimmtes Ausmaß überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die den beiden Mengen entsprechenden Meßwerte einem Rechner (42) zugeführt und in diesem miteinander verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Kühlmedium Wasser verwendet wird.

5. Vorrichtung zum Kühlen von Werkzeugen (16a, b), die zum Formen von Werkstoffen benutzt werden, die in warmem Zustand in das Werkzeug eingebracht werden, wobei das mit wenigstens einem Kühlkanal versehene Werkzeug mit wenigstens einer Zuleitung (24) und we­ nigstens einer Ableitung (28) für das Kühlmedium ver­ bindbar ist, dadurch gekennzeich­ net, dass in die Zuleitung (24) und in die Ableitung (28) ein Meßgerät (34, 36) zum Erfassen der zufließen­ den und der abfließenden Menge an Kühlmittel angeord­ net ist und beide Meßgeräte mit einer Einrichtung (42) verbunden sind, in welcher die ermittelten Meßwerte miteinander verglichen werden, und ferner eine Ein­ richtung (42) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches ein Signal auslöst.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in der Zuleitung (24) ein Absperrorgan (46) angeordnet ist, welches durch einen Stellantrieb (44) betätigbar ist, der in Abhän­ gigkeit vom Ergebnis des Vergleiches durch die Ein­ richtung (42) steuerbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass auch in der Ableitung (28) ein Absperrorgan (52) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Absperrorgan (52) in der Ableitung (28) als Rückschlagventil ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das in der Zuleitung (24) angeordnete Meßgerät (34) in Fließrichtung des Kühlmediums vor dem wenigstens einem Leitungsabschnitt angeordnet ist, der lösbar mit dem Werkzeug (16a, b) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Meßeinrichtung (36) in der Ableitung (28) in Fließrichtung des Kühlmediums hinter dem wenigstens einen Leitungsabschnitt angeord­ net ist, welcher lösbar mit dem Werkzeug verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass wenigstens eines der beiden Meßgeräte (34, 36) in der fest installierten Zuleitung bzw. Ableitung angeordnet ist, die z. B. über Schläuche und/oder Schnellkupplungen mit dem Werkzeug verbunden sind.