DE69619847T2 - DEVICE FOR PRODUCING SEMI-SOLID, THIXOTROPER METAL PASTE - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION 1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellung eines thixotropen Zustandes in metallischen Materialien, um diese Materialien zu Fertigwaren druckzugießen, in Form zu bringen und zu schmieden.The invention relates to a device for producing a thixotropic state in metallic materials in order to die-cast, shape and forge these materials into finished products.

2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the state of the art

Metallzusammensetzungen mit bei Umgebungstemperatur dendritischen Strukturen wurden herkömmlicherweise geschmolzen und dann Hochdruckgußverfahren ausgesetzt. Diese herkömmlichen Druckgußverfahren sind dahingehend beschränkt, dass sie mit Porositäten, Schmelzverlusten, Verunreinigungen, hohem Ausschuß, hohem Energieverbrauch, langen Taktzyklen, begrenzter Werkzeuglebensdauer, und Einschränkungen hinsichtlich der Werkzeugausbildung behaftet sind. Weiter begünstigt das herkömmliche Verfahren die Ausbildung unterschiedlicher Mikrostrukturfehler, wie Porosität, die nachfolgende Sekundärbearbeitungen der Gegenstände erfordern, und führt weiter zur Verwendung herkömmlicher Engineering Designs bezüglich der mechanischen Eigenschaften.Metal compositions with dendritic structures at ambient temperature have traditionally been melted and then subjected to high pressure casting processes. These traditional die casting processes are limited in that they suffer from porosities, melt losses, contamination, high scrap, high energy consumption, long cycle times, limited tool life, and limitations in tool design. Furthermore, the traditional process promotes the formation of various microstructural defects such as porosity, which require subsequent secondary processing of the articles and further leads to the use of conventional engineering designs in terms of mechanical properties.

Es sind Prozesse zur Formung bzw. Herstellung dieser metallischen Zusammensetzungen derart bekannt, dass ihre Mikrostrukturen aus runden oder sphärischen degenerierten dendritischen Teilchen bestehen, die von einer kontinuierlichen flüssigen Phase umgeben sind, im Gegensatz zu einer klassischer. Gleichgewichtsmikrostruktur von Dendriten, die von einer kontinuierlichen flüssigen Phase umgeben sind. Diese neuen Strukturen zeigen eine nicht Newton'sche Viskosität, eine inverse Beziehung zwischen Viskosität und Scherrate bzw. Schergeschwindigkeit und sind somit als thixotrope Materialien bekannt.Processes are known to form these metallic compositions such that their microstructures consist of round or spherical degenerate dendritic particles surrounded by a continuous liquid phase, as opposed to a classical equilibrium microstructure of dendrites surrounded by a continuous liquid phase. These new structures exhibit a non-Newtonian viscosity, an inverse relationship between viscosity and shear rate, and are thus known as thixotropic materials.

Ein Verfahren erfordert das Aufheizen der Metallzusammensetzung oder Legierung auf eine Temperatur über die Liquidustemperatur und anschließendes Aussetzen der flüssigen Metalllegierung einer starken Scherung, während sie in den Bereich des Zweiphasengleichgewichtes abgekühlt wird. Eine Folge des Umrührens während der Abkühlung bewirkt, dass die anfänglich verfestigten Phasen der Legierung sich als abgerundete Primärpartikel (im Gegensatz zu verbundenen dendritischen Partikeln) ausbilden. Als Folgen sind die primären Festkörper aus diskreten, degenerierten dendritischen Sphärulen zusammengesetzt, die von einer Matrix eines nicht verfestigten Bereiches der flüssigen Legierung umgeben ist.One process requires heating the metal composition or alloy to a temperature above the liquidus temperature and then subjecting the liquid metal alloy to high shear while cooling it to the region of two-phase equilibrium. A consequence of the agitation during cooling causes the initially solidified phases of the alloy to separate as rounded primary particles (as opposed to connected dendritic particles). As a result, the primary solids are composed of discrete, degenerate dendritic spheres surrounded by a matrix of unsolidified region of the liquid alloy.

Ein anderes Verfahren zum Herstellen thixotroper Materialien besteht im Erwärmen der Metalllegierung auf eine Temperatur, bei der der größte Teil aber nicht das gesamte Metall in einem flüssigen Zustand ist. Die Legierung wird dann einer temperaturkontrollierten Zone zugeführt, in der sie auf eine konstante Temperatur abgekühlt und dann umgerührt wird. Das Umrühren bzw. die Agitation des Materials während der Abkühlung wandelt jedwelches verbliebene Festpartikel in degenerierte dendritische Sphärulen um. Bei diesem Verfahren ist es vorteilhaft, dass bei Beginn des Umrührens das halbfeste Metall weniger Feststoff als Flüssigstoff enthält.Another method of producing thixotropic materials is to heat the metal alloy to a temperature at which most but not all of the metal is in a liquid state. The alloy is then fed to a temperature-controlled zone where it is cooled to a constant temperature and then agitated. The agitation of the material during cooling converts any remaining solid particles into degenerate dendritic spheres. In this method, it is advantageous that when agitation begins, the semi-solid metal contains less solid than liquid.

Die US-A-5,040,589, von der die Präambel des Anspruchs 1 ausgeht, beschreibt eine Spritzgußtechnik, die Metalllegierungen verwendet, die in einem "wie gegossenen" Zustand angeliefert werden. Mit dieser Technik wird das zugeführte Material in eine Spritzeinheit mit sich hin und her bewegender Schraube bzw. Schnecke eingeführt, in der es extern erwärmt und durch Wirkung einer sich drehenden Schnecke mechanisch geschert wird. Während das Material durch die Schnecke umgerührt wird, wird es innerhalb des Rohrs vorwärtsbewegt. Die Kombination von teilweisem Schmelzen und gleichzeitigem Scheren erzeugt einen Flüssigkeitsbrei, der diskrete degenerierte dendritische sphärische Partikel enthält, oder in anderen Worten, einen halbfesten Zustand mit thixotropen Eigenschaften. Der halbfeste thixotrope Materialbrei wird von der Schnecke einer Akkumulierzone in dem Rohr zugeführt, die zwischen der Extruderdüse und der Schneckenspitze angeordnet ist. Bei Lieferung des Breis in diese Akkumulierzone wird die Schnecke gleichzeitig in Richtung weg von der Düse der Einheit gezogen. Dies begrenzt den Druckaufbau zwischen der Düse und der Schneckenspitze. Sobald eine ausreichende Breimenge für die Herstellung des herzustellenden Gegenstandes in der Akkumulierzone angesammelt ist, wird die Schnecke rasch und automatisch vorwärts angetrieben, wobei der halbfeste thixotrope Materialbrei in den Formhohlraum injiziert wird und der erwünschte feste Gegenstand aus dem halbfesten thixotropen Brei gebildet wird.US-A-5,040,589, from which the preamble of claim 1 is based, describes an injection molding technique using metal alloys supplied in an "as cast" condition. With this technique, the feed material is introduced into an injection unit with a reciprocating screw or auger, in which it is externally heated and mechanically sheared by the action of a rotating screw. As the material is agitated by the screw, it is advanced within the tube. The combination of partial melting and simultaneous shearing produces a liquid slurry containing discrete degenerate dendritic spherical particles, or in other words, a semi-solid state with thixotropic properties. The semi-solid thixotropic material slurry is fed by the screw to an accumulation zone in the tube located between the extruder nozzle and the screw tip. As the slurry is delivered to this accumulation zone, the screw is simultaneously pulled in a direction away from the nozzle of the unit. This limits the pressure build-up between the nozzle and the screw tip. Once a sufficient amount of slurry to produce the article to be manufactured has accumulated in the accumulation zone, the screw is rapidly and automatically driven forward, injecting the semi-solid thixotropic material slurry into the mold cavity and forming the desired solid article from the semi-solid thixotropic slurry.

Während eine Vorrichtung zum Spritzgießen dieser zweiphasigen halbfesten thixotropen Materialbreie über einen weiteren Temperaturbereich bekannt ist, wurde die Anwendung dieser Materialien für Druckguß- und Schmiedeverfahren noch nicht detailliert. Eine Ausnahme davon sind die auf eine sehr hohe Feststofffraktion, größer als 50 Vol.%, beschränkten Verfahren, die getrennte Verfahren zum (1) Vorformen eines Strangs mit thixotropen Eigenschaften, (2) Zumessen des Stranges, (3) Wiederaufheizen des Strangs auf die kritische Temperatur seiner Herstellung, (4) Bearbeiten und (5) Anordnen des Strangs in einer Vorrichtung für die endgültige Formung enthalten.While apparatus for injection molding these two-phase semi-solid thixotropic slurries over a wider temperature range is known, the application of these materials to die casting and forging processes has not yet been detailed. An exception to this are the processes limited to a very high solids fraction, greater than 50 vol. %, which involve separate processes for (1) preforming a strand with thixotropic properties, (2) metering the strand, (3) reheating the strand to the critical temperature of its manufacture, (4) machining, and (5) placing the strand in an apparatus for final forming.

Im Hinblick auf das Vorstehende ist ersichtlich, dass ein Bedarf für eine Vorrichtung besteht, die in der Lage ist, die Vorteile der Herstellung eines halbfesten thixotropen Materialbreis zur Verwendung für Druckguß- und Schmiedeverfahren zu nutzen.In view of the foregoing, it is apparent that there is a need for an apparatus capable of taking advantage of the production of a semi-solid thixotropic slurry of material for use in die casting and forging processes.

Eine primäre Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, diesen Bedarf zu erfüllen, indem ein System zum Bearbeiten eines halbfesten thixotropen Materialbreis geschaffen wird, der direkt für Druckguß- und Schmiedeapparate geeignet ist.A primary object of the invention is therefore to meet this need by providing a system for processing a semi-solid thixotropic slurry of material that is directly suitable for die casting and forging equipment.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Verwendung eines halbfesten thixotropen Materialbreis in einer Vorrichtung zu ermöglichen, die für Endverwender von Bedeutung ist, wie Firmen, die Metallteile herstellen.An object of the invention is to enable the use of a semi-solid thixotropic material slurry in a device that is of interest to end users, such as companies that manufacture metal parts.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die im Vergleich mit bisherigen Druckgußmaschinen übliche Abmessungen hat.A further object of the invention is to provide a device which has conventional dimensions in comparison with previous die-casting machines.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die bezüglich herkömmlicher thixotroper Spritzformmaschinen ein vergrößertes Materialfassungsvermögen hat.A further object of the invention is to provide a device which has an increased material capacity compared to conventional thixotropic injection molding machines.

Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Notwendigkeit zum Aufrechterhalten eines Inventars vorgeformter Barren bzw. Stränge für Druckgußzwecke überflüssig mach. In dieser Hinsicht liegt ein damit in Beziehung stehendes Merkmal darin, dass solche vorgeformten Barren nicht mehr rasch und gleichmäßig von einer Speichertemperatur auf eine nominelle Formtemperatur aufgeheizt werden müssen und dann physikalisch in eine Schußhülse transportiert werden müssen. Entsprechend vermeidet die Erfindung auch die Probleme typischer Druckgußmaschinen, die mit der Formhaltung der vorerhitzten Barren vor dem Einladen der Barren in die Schußhülse verbunden sind.Yet another object of the invention is to provide an apparatus which eliminates the need to maintain an inventory of preformed billets for die casting purposes. In this regard, a related feature is that such preformed billets no longer have to be rapidly and uniformly heated from a storage temperature to a nominal mold temperature and then physically transported into a shot sleeve. Accordingly The invention also avoids the problems of typical die casting machines associated with maintaining the shape of the preheated ingots before loading the ingots into the shot sleeve.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Notwendigkeit der physikalischen Behandlung oder Vorheizung einer festen Ladung vor deren Einführen in die Schußhülse der Druckgußmaschine eliminiert.Another object of the invention is to provide a device which eliminates the need for physical treatment or preheating of a solid charge prior to its introduction into the shot sleeve of the die casting machine.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials zu einem bzw. in einen thixotropen Zustand geschaffen, die enthält:According to the invention, a device for processing a material into a thixotropic state is created, which contains:

ein Extruderohr mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass an einem Ende des Rohres angeordnet ist und geeignet ist, Material in das Rohr hinein bei einer ersten Temperatur aufzunehmen, und der Auslass geeignet ist, das Material aus dem Rohr herauszutransportieren;an extruder tube having an inlet and an outlet, the outlet being located at one end of the tube and being adapted to receive material into the tube at a first temperature, and the outlet being adapted to transport the material out of the tube;

eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material in das Rohr durch den Einlass hindurch,a feeding device for feeding material into the pipe through the inlet,

eine Temperiereinrichtung zum Steuern der Temperatur des Materials auf eine zweite Temperatur, bei der das Material in einem halbfesten Zustand ist, welche zweite Temperatur zwischen einer Temperatur liegt, bei da > Material fest ist und bei der das Material flüssig ist;a tempering device for controlling the temperature of the material to a second temperature at which the material is in a semi-solid state, which second temperature is between a temperature at which the material is solid and at which the material is liquid;

eine Schereinrichtung zum Einleiten einer Scherwirkung in das Material derart, dass dendritisches Wachsen gehindert wird und die Bildung sphärischer, degenerierter Dendrite innerhalb des Materials induziert wird und das Material in einem halbfesten, thixotropen Zustand gehalten wird, welche Schereinrichtung das Material auch durch das Rohr von dem Einlass zu dem Auslass bewegt;a shearing device for introducing a shearing action into the material such that dendritic growth is inhibited and the formation of spherical, degenerate dendrites within the material is induced and the material is maintained in a semi-solid, thixotropic state, which shearing device also moves the material through the tube from the inlet to the outlet;

eine Umgebungseinrichtung zum Schaffen einer Schutzatmosphäre für das in der Vorrichtung befindliche Material, welche Schutzatmosphäre mit dem Material nicht reagiert,an environmental device for creating a protective atmosphere for the material in the device, which protective atmosphere does not react with the material,

wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine von dem Rohr getrennte und verschiedene Schußhülse, die einen Einlass und eine Auslaßdüse aufweist, welcher Einlass insgesamt an einem Ende der Schußhülse angeordnet ist und welche Auslaßdüse im wesentlichen an einem entgegengesetzten Ende der Schußhülse angeordnet ist, wobei der Einlass der Schußhülse derart angeordnet ist, dass er das Material aus dem Auslass des Rohrs aufnimmt;the device being characterized by a separate and distinct shot sleeve having an inlet and an outlet nozzle, which inlet is arranged entirely at one end of the shot sleeve and which outlet nozzle is arranged in the substantially at an opposite end of the shot sleeve, the inlet of the shot sleeve being arranged to receive the material from the outlet of the tube;

einen Kolben, der innerhalb der Schußhülse für eine axiale Bewegung zwischen vorderen und hinteren Positionen angebracht ist und einen Kopf enthält und derart angebracht ist, dass, wenn der Kolben in der hinteren Position ist, der Einlass der Schußhülse zwischen dem Kopf und der Auslaßdüse angeordnet ist;a piston mounted within the firing sleeve for axial movement between forward and rearward positions and including a head and mounted such that, when the piston is in the rearward position, the inlet of the firing sleeve is located between the head and the outlet nozzle;

eine Betätigungseinrichtung zum Hervorrufen einer axialen Bewegung des Kolbens in der Schußhülse zwischen der vorderen und hinteren Position, wodurch das Material aus der Schußhülse durch die Auslaßdüse ausgestoßen wird;an actuator for causing axial movement of the piston in the shot sleeve between the forward and rearward positions, thereby expelling the material from the shot sleeve through the outlet nozzle;

eine Ventileinrichtung zum Schließen und Dichten des Einlasses der Schußhülse während der Bewegung des Kolbens, wodurch ein Rückfluss des Materials durch den Einlass während der Vorwärtsbewegung des Kolbens verhindert wird;a valve device for closing and sealing the inlet of the shot sleeve during the movement of the piston, thereby preventing backflow of material through the inlet during the forward movement of the piston;

eine Steuereinrichtung, die angeschlossen ist und koordiniert die Zufuhreinrichtung, die Schereinrichtung, die Temperiereinrichtung, die Betätigungseinrichtung, die Ventileinrichtung und die Umgebungseinrichtung zum Betreiben der Vorrichtung einschließlich Zumessen einer vorbestimmten Menge des Materials in die Schußhülse,a control device which is connected to and coordinates the feed device, the shearing device, the tempering device, the actuating device, the valve device and the environmental device for operating the device including metering a predetermined amount of the material into the shot sleeve,

welche vorbestimmte Menge einer Menge entspricht, die von der Auslaßdüse während einem Zyklus des Kolbens abgegeben werden kann.which predetermined amount corresponds to an amount that can be delivered from the outlet nozzle during one cycle of the piston.

Die Vorrichtung hat somit einen Extruder, der mit einer Schußhülse verbunden ist und weiter mit einem Gießwerkzeug verbunden werden kann. Der Einlaß kann Material in ein Rohr hinein aus einer Zufuhreinrichtung von festen Partikeln oder pelletisiertem Metall oder aus einer Quelle von Flüssigmetall bei einer ersten Temperatur aufnehmen. Der Auslass ist geeignet, das Material aus dem Rohr bei der zweiten Temperatur herauszutransportieren. Durch Einrichten eines geeigneten thermischen Gradienten dient die Temperiereinrichtung, beispielsweise Heizelemente um das Rohr herum, zum Aufheizen des Materials in die Zweiphasenregion oder alternativ zum Kühlen des Materials auf die zweite Temperatur. Die zweite Temperatur ist zwischen der Festtemperatur und der Flüssigtemperatur des Materials, wobei das Material in einem halbfesten Zustand ist, d. h., dort besteht ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen der primären festen Alphaphase und der flüssigen Phase.The apparatus thus has an extruder connected to a shot sleeve and further connectable to a casting tool. The inlet is adapted to receive material into a tube from a feeder of solid particles or pelletized metal or from a source of liquid metal at a first temperature. The outlet is adapted to transport the material out of the tube at the second temperature. By establishing a suitable thermal gradient, the tempering means, for example heating elements around the tube, serve to heat the material into the two-phase region or alternatively to cool the material to the second temperature. The second temperature is between the solid temperature and the liquid temperature of the material, where the material is in a semi-solid state, i.e. there is a thermodynamic equilibrium between the primary solid alpha phase and the liquid phase.

Die Schereinrichtung kann eine nicht hin und her bewegliche Extruderschnecke sein, die innerhalb des Rohrs angeordnet ist und gedreht wird, um das Material durch das Rohr von dem Einlass zum Auslass hindurchzubewegen derart, dass das Material einer mechanischen Schwerwirkung ausgesetzt wird, während seine Temperatur auf die zweite Temperatur eingestellt wird. Die Kombination dieser Wirkungen erzeugt die thixotrope Struktur, die aus runden degenerierten Dendriten besteht, die von der flüssigen Phase innerhalb des Materials umgeben ist.The shearing means may be a non-reciprocating extruder screw disposed within the tube and rotated to move the material through the tube from the inlet to the outlet such that the material is subjected to a mechanical gravitational action while its temperature is adjusted to the second temperature. The combination of these actions produces the thixotropic structure consisting of round degenerate dendrites surrounded by the liquid phase within the material.

Die Schußhülse kann aus einem zweiten beheizten Rohr oder einer Hülse bestehen und empfängt das Material aus dem Auslass des Extruderrohrs. Die Auslaßdüse der Schußhülse kann einen Temperatursteuermechanismus enthalten, obwohl zusätzliche Bänder um die Schußhülse herum selbst vorteilhaft für Schußhülsen mit großem Aufnahmevermögen sein können.The shot sleeve may consist of a second heated tube or sleeve and receives the material from the outlet of the extruder barrel. The shot sleeve outlet nozzle may contain a temperature control mechanism, although additional bands around the shot sleeve itself may be advantageous for large capacity shot sleeves.

Der Kolben kann ein hydraulisch betätigter Kolben sein, der vorzugsweise auf Geschwindigkeiten von bis zum 5m/sek. (200 inch/sek) beschleunigt werden kann. Um eine vorbestimmte Menge von halbfestem thixotropen Breimaterial aus dem Extruder in die Schußhülse zuzumessen, kann die Steuereinrichtung mit der Zufuhreinrichtung und dem Antriebsmechanismus, der die Extruderschnecke dreht, verbunden sein. Wenn eine Materialmenge, die der Menge entspricht, die während eines Schußzyklus des Kolbens geformt oder druckgegossen werden kann, von der Schußhülse aufgenommen ist, wird die Schneckendrehung unterbrochen und die Steuereinrichtung initiiert die Betätigung des Kolbens in Richtung auf die Auslassdüse.The piston may be a hydraulically actuated piston which can preferably be accelerated to speeds of up to 5 m/sec (200 inches/sec). To meter a predetermined amount of semi-solid thixotropic slurry material from the extruder into the shot sleeve, the control means may be connected to the feed means and the drive mechanism which rotates the extruder screw. When an amount of material equal to the amount which can be molded or die cast during one shot cycle of the piston is received by the shot sleeve, the screw rotation is stopped and the control means initiates actuation of the piston towards the outlet nozzle.

Insgesamt gleichzeitig damit schließt die Steuereinrichtung auch die Ventileinrichtung, die den Einlaß in die Schußhülse während der Bewegung des Kolbens abdichtet. Das Ventil verhindert einen Rückfluß des Materials in den Extruder während der Vorwärtsbewegung des Kolbens. Zusätzlich verhindert das Ventil insgesamt das Einströmen von Material in die Schußhülse hinter dem Kolben während der Kolben sich zwischen dem Einlaß und der Auslaßdüse der Schußhülse befindet. Das Ventil kann aus einer Mehrzahl von Schieberöffnungsventilen ausgewählt werden oder einen nachlaufenden Schirm oder einen Kragen des Kolbens verwenden, deren Form in der Industrie bekannt ist.At the same time, the control device also closes the valve device which seals the inlet into the shot sleeve during the movement of the piston. The valve prevents a backflow of the material into the extruder during the forward movement of the piston. In addition, the valve completely prevents the inflow of material into the shot sleeve behind the piston while the piston is located between the inlet and the outlet nozzle of the shot sleeve. The valve can consist of a plurality of Spool valves can be selected or use a trailing shield or piston collar, the shape of which is well known in the industry.

Die Erfindung enthält weiter ein Gas und eine Vakuumquelle als Umgebungseinrichtung, die eine Schutzatmosphäre für das Material schafft, während dieses in der Vorrichtung ist. Die Schutzatmosphäre reagiert nicht mit dem Material und kann aus einer Mehrzahl von nicht reagierenden Gasen gewählt werden, wobei Argon für die Verarbeitung von Magnesiumlegierungen bevorzugt wird. Aus der Auslaßdüse wird das Material in einen Formhohlraum gezwungen, der von einer zweiteiligen Form gebildet ist, die ein stationäres Teil und ein bewegliches Teil enthält. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Schußhülse relativ zu dem Gießwerkzeug geneigt, wobei der Düsenauslaß unterhalb des Einlasses ist. Bei einer anderen Ausführungsform werden mehrere Extruder mit einer einzigen Schutzhülse verwendet, um die Ladekapazität der Schußhülse zu vergrößern.The invention further includes a gas and vacuum source as an environmental means that provides a protective atmosphere for the material while it is in the apparatus. The protective atmosphere does not react with the material and can be selected from a variety of non-reactive gases, with argon being preferred for processing magnesium alloys. From the outlet nozzle, the material is forced into a mold cavity formed by a two-part mold containing a stationary part and a moving part. In an alternative embodiment of the invention, the shot sleeve is inclined relative to the mold with the nozzle outlet below the inlet. In another embodiment, multiple extruders are used with a single protective sleeve to increase the loading capacity of the shot sleeve.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, in denen darstellen:The invention is further described below by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verarbeiten thixotroper Materialien entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of an apparatus for processing thixotropic materials according to the principles of the present invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Schußhülse und eines Gießwerkzeugs entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die die relativen Winkel dazwischen zeigt;Figure 2 is a schematic representation of a shot sleeve and a casting tool according to the principles of the present invention, showing the relative angles therebetween;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung, die mit Schmiedewerkzeugen verwendet wird;Fig. 3 is a schematic representation of a device according to the invention used with forging tools;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die mehrere mit einer einzigen Schußhülse verwendete Extruder zeigt;Fig. 4 is a schematic representation of another embodiment of the invention showing multiple extruders used with a single shot sleeve;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den Extruder in winkeliger Anordnung bezüglich der Schußhülse zeigt; undFig. 5 is a schematic representation of another embodiment of the present invention showing the extruder in an angled arrangement with respect to the shot sleeve; and

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Pumpe, die mit dem Rohr zusammenwirkt.Fig. 6 is a schematic representation of an electromagnetic pump interacting with the pipe.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Materialien in einen thixotropen Zustand und zum Formen bzw. Gießen des Materials zur Herstellung gegossener, druckgegossener oder geschmiedeter Artikel. Im Unterschied zu typischen Druckguß- und Schmiedewerkzeugen ist die vorliegende Erfindung zur Verwendung eines auf Raumtemperatur befindlichen Zufuhrvorrats eines Metalls oder einer Metalllegierung geeignet. Dies eliminiert die Verwendung von Schmelzöfen in dem Druckgußschmiedeverfahren zusammen mit den damit verbundenen Einschränkungen. Es kann auch mit flüssigen Zufuhrvorräten gearbeitet werden, so dass eine unmittelbare Kompatibilität mit vorhandenen Druckgußanlagen und -vorgängen besteht, die nicht derart ausgerüstet sind, dass unmittelbar feste Zufuhrvorräte in zugemessener oder pelletisierter Form verwendet werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt den bei Raumtemperatur zugeführten Lagervorrat oder die zugeführte Flüssigkeit in einen halbfesten, thixotropen Brei über, der bei seiner Ausbildung direkt der Schußhülse zugeführt wird, aus der das Material druckgegossen oder geschmiedet wird.The present invention describes an apparatus for processing materials into a thixotropic state and molding the material to produce cast, die cast or forged articles. Unlike typical die casting and forging tools, the present invention is adapted to use a room temperature feedstock of a metal or metal alloy. This eliminates the use of melting furnaces in the die casting forging process, along with the associated limitations. Liquid feedstocks can also be used, providing immediate compatibility with existing die casting equipment and operations that are not equipped to directly use solid feedstocks in metered or pelletized form. The device according to the invention converts the stock or liquid supplied at room temperature into a semi-solid, thixotropic slurry which, as it is formed, is fed directly to the shot sleeve from which the material is die-cast or forged.

Wie bei Teilen, die durch Spritzgießen von thixotropen Materialien, wie oben erläutert, hergestellt sind, wird vorweggenommen, dass in der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte Gegenstände eine deutlich geringere Porosität als herkömmliche druckgegossene Gegenstände zeigen. Es ist bekannt, dass durch Abnahme der Porosität die Festigkeit und Duktilität des Teils oder Gegenstandes erhöht werden kann. Selbstverständlich wird jegliche Verminderung bezüglich Gießfehlern sowie jegliche Verminderung der Porosität als vorteilhaft angesehen.As with parts made by injection molding thixotropic materials as discussed above, it is anticipated that articles made in the apparatus of the invention will exhibit significantly lower porosity than conventional die cast articles. It is known that by decreasing porosity, the strength and ductility of the part or article can be increased. Of course, any reduction in molding defects as well as any reduction in porosity is considered to be beneficial.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Vorrichtung, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält, schematisch dargestellt und mit 10 bezeichnet. Wie ersichtlich werden wird, enthält die erfindungsgemäße Druckgußvorrichtung 10 einige Merkmale analog zu herkömmlichen Druckgußanlagen. Dies ist vorteilhaft, da es Personen, die bereits mit Druckgußausrüstung vertraut sind, ermöglicht, sich rasch auf das Verarbeiten thixotroper Materialien gemäß der Erfindung einzustellen. Weiter schafft es die Möglichkeit, Druckgußmaschinen in kosteneffektiver Weise derart nachzurüsten, dass Materialien in einem thixotropen Zustand überführt bzw. verarbeitet werden können. Grundsätzlich enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Zufuhreinrichtung 12, einen Extruder 14, einen Schußzylinder 16, eine Form- bzw. Gußstation 18 und eine Systemsteuereinrichtung 20, die die verschiedenen Tätigkeiten der anderen Elemente koordiniert.Referring to Fig. 1, an apparatus incorporating the principles of the present invention is shown schematically and designated 10. As will be seen, the die casting apparatus 10 of the invention includes some features analogous to conventional die casting equipment. This is advantageous because it allows persons already familiar with die casting equipment to quickly adapt to processing thixotropic materials in accordance with the invention. Furthermore, it provides the ability to retrofit die casting machines in a cost-effective manner to process materials in a thixotropic state. can be transferred or processed. Basically, the device according to the invention contains a feed device 12, an extruder 14, a shot cylinder 16, a molding or casting station 18 and a system control device 20 which coordinates the various activities of the other elements.

Die Zufuhreinrichtung 12 ist ein Schwerkraftförderer und enthält einen Zufuhrtrichter 22, in dem der Zufuhrvorrat 24 auf Raumtemperatur gehalten wird. Vorzugsweise ist der Zufuhrvorrat 24 in Pellet- oder in Brocken- bzw. Splitform vorhanden, wobei die am meisten bevorzugte Splitgröße innerhalb eines Bereiches von 4 bis 20 Siebweite (mesh) liegt. Eine Gruppe von Metalllegierungen, die zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 geeignet ist, enthält Magnesiumlegierungen. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt, da angenommen wird, dass jegliches Metall oder jegliche Metalllegierung, das bzw. die druckgegossen werden kann, in einem thixotropen Zustand verarbeitet werden kann und für die Erfindung verwendet werden kann, insbesondere Legierungen, die auf Aluminium und Zink basieren.The feeder 12 is a gravity feeder and includes a feed hopper 22 in which the feedstock 24 is maintained at room temperature. Preferably, the feedstock 24 is in pellet or chip form, with the most preferred chip size being within a range of 4 to 20 mesh. One group of metal alloys suitable for use in the apparatus 10 of the present invention includes magnesium alloys. However, the invention is not so limited, as it is believed that any metal or metal alloy that can be die cast can be processed in a thixotropic state and used in the invention, particularly aluminum and zinc based alloys.

Am Boden des Zufuhrtrichters 22 wird der Zufuhrvorrat 24 in Folge von Schwerkraft durch eine Auslaßöffnung 26 in einen volumetrischen Zufuhrzylinder 30 abgegeben. Eine Zufuhrschnecke (nicht dargestellt) ist innerhalb des Zylinders 30 angeordnet und wird von einem geeigneten Antriebsmechanismus 32, wie einem Elektromotor, drehangetrieben. Die Drehung der Schnecke innerhalb des Zufuhrzylinder 30 bewegt den Zufuhrvorrat 24 mit vorbestimmter Geschwindigkeit für eine Abgabe an den Extruder 14 durch eine Verbindungsleitung 34 hindurch vorwärts. Abhängig davon, ob das Material 24 in fester oder geschmolzener/flüssiger Form vorliegt, können alternative Abgabesysteme verwendet werden, wenn es zweckmäßig ist.At the bottom of the feed hopper 22, the feed stock 24 is discharged by gravity through an outlet opening 26 into a volumetric feed cylinder 30. A feed screw (not shown) is disposed within the cylinder 30 and is rotationally driven by a suitable drive mechanism 32, such as an electric motor. The rotation of the screw within the feed cylinder 30 advances the feed stock 24 at a predetermined speed for discharge to the extruder 14 through a connecting line 34. Depending on whether the material 24 is in solid or molten/liquid form, alternative discharge systems may be used if appropriate.

Wenn geschmolzenes Material 24 dem Extruderrohr 38 zugeführt wird, kann die Zufuhr mittels eines Roboterlademechanismus, von Hand oder durch Pumpen des geschmolzenen Materials, wie elektromagnetischem oder induktivem Pumpen, erfolgen. Der Vorteil des Vorstehenden liegt darin, dass beim nachträglichen Anbau der Erfindung an existierende Gießausrüstungen keine neuen Materialhandhabungsprobleme auftreten.When molten material 24 is fed into the extruder barrel 38, the feed may be accomplished by means of a robotic loading mechanism, by hand, or by pumping the molten material, such as electromagnetic or inductive pumping. The advantage of the foregoing is that no new material handling problems arise when the invention is retrofitted to existing molding equipment.

Als Alternative zu dem Extruder 14 kann eine elektromagnetische oder induktive Pumpausrüstung verwendet werden, wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, wobei die Notwendigkeit eines Extruders vollständig vermieden wird.As an alternative to the extruder 14, electromagnetic or inductive pumping equipment may be used, as shown schematically in Fig. 6, thereby completely avoiding the need for an extruder.

Dies wird durch Einbau einer elektromagnetischen Vorrichtung oder einer Pumpe 39 üblicher Konstruktion um ein Förderrohr 38 erreicht, das an die Schußhülse 16 angeschlossen ist und den Brei zu dieser liefert. Vorrichtungen dieser Art werden verwendet, indem das von der Pumpe 39 erzeugte elektromagnetische Feld geeignet orientiert und betrieben wird, um geschmolzene Metalle aus einem Gefäß in ein anderes, beispielsweise von der Zufuhreinrichtung 30 von geschmolzenem Material zu der Schußhülse 16 zu pumpen. Das elektromagnetische Feld erfüllt einen weiteren Zweck, indem das Fluid umgerührt und/oder geschert wird, das, wenn seine Temperatur in den zweiphasigen halbfesten Bereich fallen kann, derart eingestellt werden kann, dass das Verhältnis von dendritischen Festteilchen zu kugeligen/abgerundeten Partikeln verändert wird, was die Breimasse in den thixotropen Zustand bringt. Das Mischen und Rühren während des Pump/Transportvorgangs kann weiter durch Einbau stationärer Turbulatoren oder Elemente 41 in dem inneren Durchmesser des Transportrohrs 38 vergrößert werden. Solche Turbulatoren 41 vergrößern die Wärmeübertragung aus dem und in das Material. Eine bevorzugte Ausführungsform würde aus der Klasse der Spiralflügel kommen, die die Drehrichtung des sich bewegenden Fluids aus der Uhrzeigerrichtung in die Gegenuhrzeigerrichtung alternierend ändert, wenn sich das Fluid in Richtung auf die Schußhülse bewegt. Diese Wirkung ist auch bezüglich der Herstellung der erwünschten Temperatur in dem halbfesten thixotropen Breimaterial vorteilhaft, da das Fluid in den meisten Fällen dem Mechanismus bei oder über seinem Schmelzpunkt zugeführt wird.This is accomplished by incorporating an electromagnetic device or pump 39 of conventional design around a delivery pipe 38 connected to and delivering the slurry to the shot sleeve 16. Devices of this type are used by suitably orienting and operating the electromagnetic field generated by the pump 39 to pump molten metals from one vessel to another, for example from the molten material feeder 30 to the shot sleeve 16. The electromagnetic field serves a further purpose by agitating and/or shearing the fluid which, if its temperature is allowed to fall into the two-phase semi-solid region, can be adjusted to change the ratio of dendritic solid particles to spherical/rounded particles, bringing the slurry mass into the thixotropic state. Mixing and agitation during the pumping/transporting operation can be further increased by incorporating stationary turbulators or elements 41 in the inner diameter of the transport tube 38. Such turbulators 41 increase the heat transfer from and into the material. A preferred embodiment would be of the class of spiral vanes which alternately change the direction of rotation of the moving fluid from clockwise to counterclockwise as the fluid moves toward the shot sleeve. This effect is also advantageous in establishing the desired temperature in the semi-solid thixotropic slurry material since the fluid is in most cases fed to the mechanism at or above its melting point.

Wenn ein Extruder verwendet wird, ist die Leitung 34 an eine Zufuhrverengung bzw. einen Zufuhrhals 36 in einem Rohr 38 des Extruders 14 angeschlossen. Das Extruderrohr 38 bildet einen zylindrischen Durchlass 40, der mit einer Hülse 42 ausgekleidet ist, die die Verschleißfestigkeit des Rohrs 38 vergrößert. Für das Rohr 38 geeignete Materialien können die Legierung 718, die Legierung 2888 und H21 Werkzeugstahl einschließen. Für die Hülse 42 geeignete Materialien hängen von dem jeweiligen verarbeiteten Material ab. Beispielsweise gehört zu diesen Materialien bei der Verarbeitung von Magnesium Kobalt- Chromlegierungen.When an extruder is used, the conduit 34 is connected to a feed throat 36 in a tube 38 of the extruder 14. The extruder tube 38 forms a cylindrical passage 40 lined with a sleeve 42 that increases the wear resistance of the tube 38. Materials suitable for the tube 38 may include alloy 718, alloy 2888, and H21 tool steel. Materials suitable for the sleeve 42 depend on the particular material being processed. For example, when processing magnesium, these materials include cobalt-chromium alloys.

In dem Durchlass 40 des Rohr 38 ist eine Extruderschraube bzw. Extruderschnecke 44 drehbar angeordnet. Eine helixförmige Schaufel bzw. ein helixförmiger Flügel 46 verläuft um die Schnecke 44 herum und treibt den Zufuhrvorrat 24 während der Drehung der Schnecke 44 durch den Durchlass 40. Wie die innerhalb des Zufuhrzylinders 30 angeordnete Schnecke wird die Extruderschnecke 44 von einem geeigneten Antriebsmechanismus 48, wie einem Elektromotor, angetrieben. Die Extruderschnecke 44 endet in einer Spitze 54, die neben der Auslassöffnung 56 des Durchlasses 40 ist. Diese Öffnung 56 wiederum führt in den Zufuhrhals 58 des Schußzylinders 16, der weiter unten beschrieben wird.An extruder screw 44 is rotatably disposed within the passage 40 of the tube 38. A helical blade 46 extends around the screw 44 and drives the feed supply 24 through the passage 40 during rotation of the screw 44. Like the screw disposed within the feed barrel 30, the extruder screw 44 is driven by a suitable drive mechanism 48, such as an electric motor. The extruder screw 44 terminates in a tip 54 which is adjacent to the outlet opening 56 of the passage 40. This opening 56 in turn leads into the feed throat 58 of the shot barrel 16, which is described further below.

Wie ersichtlich ist das Rohr 38 längs seiner vorderen Länge von einer Temperatursteuereinrichtung umgeben, die den Zufuhrvorrat 24 aufheizt oder abkühlt, je nach der Temperatur und dem Zustand, bei der bzw. in dem Material 24 dem Rohr 38 zugeführt wird, aufgrund von Wärmeleitung durch das Rohr 38. Die Temperatursteuereinrichtung kann mit unterschiedlichen Typen von Heiz- oder Kühlelementen versehen sein, um den beabsichtigten Zweck zu erreichen. Wie dargestellt, sind Heiz-/Kühlelemente 52 in Fig. 1 beispielhaft dargestellt und enthalten Widerstandsbandheizer oder Kühlspulen. Eine Induktionsheizspule kann in einer abgeänderten Ausführungsform für ein rascheres Aufheizen des Rohrs 38 verwendet werden. Die Bandwiderstandsheizelemente 52 werden dahingehend bevorzugt, dass sie hinsichtlich ihres Betriebes stabiler sind, weniger teuer zu erhalten sind und hinsichtlich ihres Betriebes die Aufheizgeschwindigkeiten oder das Aufheizvermögen, einschließlich der Zugriffszeiten nicht übermäßig einschränken.As can be seen, the tube 38 is surrounded along its forward length by a temperature control device which heats or cools the supply supply 24, depending on the temperature and condition at which material 24 is supplied to the tube 38, due to heat conduction through the tube 38. The temperature control device can be provided with different types of heating or cooling elements to achieve the intended purpose. As shown, heating/cooling elements 52 are exemplified in Fig. 1 and include resistive band heaters or cooling coils. An induction heating coil can be used in a modified embodiment to heat the tube 38 more quickly. The band resistive heating elements 52 are preferred in that they are more stable in operation, less expensive to obtain, and do not unduly limit heating rates or capabilities, including access times, in operation.

Gemäß Fig. 1 muß das rückwärtige oder hintere Ende des Rohrs 38 nicht mit Heizelementen versehen sein. Die tatsächliche Anzahl von Heizelementen kann je nach jeweiliger Anwendung größer oder kleiner sein.According to Fig. 1, the rear or back end of the tube 38 need not be provided with heating elements. The actual number of heating elements may be greater or lesser depending on the particular application.

Dicht über die Temperatursteuerelemente 52 ist eine Isolierschicht oder eine Abdeckung 50 gewickelt, die die Wärmeübertragung durch das Rohr 38 zu oder aus der Schmelze erleichtert. Um den Wärmeübergang hinein durch den zylindrischen Bereich 66 weiter zu maximieren und Wärme-/Aufheizungsverlust in die Umgebung zu minimieren, kann außerhalb um die Länge der Schußhülse 16 ein Gehäuse 116 angeordnet sein, aber insgesamt wird angenommen, dass dies nicht notwendig ist. Zusätzlich ist der Extruder 14 bezüglich des Schußzylinders 16 starr montiert. Um diese Montage zu erleichtern, ist das Rohr 38 mit einem radialen Flansch 60 neben der Auslaßöffnung 56 versehen. Der Flansch 60 wird mittels Gewindebefestigungsmitteln 62 oder anderen herkömmlichen Befestigungsverfahren an einem entsprechenden Flansch 64 neben dem Zufuhrhals 58 der Schußhülse 16 befestigt.Wrapped tightly over the temperature control elements 52 is an insulating layer or cover 50 which facilitates heat transfer through the tube 38 to or from the melt. To further maximize heat transfer in through the cylindrical portion 66 and minimize heat/heat loss to the environment, a housing 116 may be disposed externally around the length of the shot sleeve 16, but overall it is believed that this is not necessary. In addition, the extruder 14 is rigidly mounted with respect to the shot barrel 16. To facilitate this mounting, the tube 38 is provided with a radial flange 60 adjacent the outlet opening 56. The flange 60 is secured by means of threaded fasteners 62 or other conventional fastening methods to a corresponding flange 64 adjacent the feed neck 58 of the shot sleeve 16.

Die Schußhülse 16 enthält einen zylindrischen Bereich 66, der einen Durchlass 70 durch sie hindurch bildet. Geeignete Materialien für den zylindrischen Bereich 66 umfassen typische Schußhülsenkonstruktionsmaterialien (Werkzeugstähle). Der zylindrische Bereich 66 kann ebenfalls eine Hülsenauskleidung (nicht dargestellt) enthalten, die aus Kobalt- Chromlegierungen, Silizium-Nitrit und anderen Materialien hergestellt ist, die der Auskleidung eine längere Betriebsdauer ermöglichen.The shot sleeve 16 includes a cylindrical portion 66 that defines a passage 70 therethrough. Suitable materials for the cylindrical portion 66 include typical shot sleeve construction materials (tool steels). The cylindrical portion 66 may also include a sleeve liner (not shown) made from cobalt-chromium alloys, silicon nitride, and other materials that allow the liner to have extended service life.

Der Zufuhrhals 58 ist insgesamt in Richtung eines Endes der Schußhülse 16 angeordnet und definiert einen Durchlass durch das Rohr 66 und die Auskleidung 68. Insgesamt an dem gegenüberliegenden Ende der Schußhülse 16 ist eine Auslaßdüse 72 angeordnet. Die Düse definiert einen Auslaßdurchlass 74, der in die Gießstation 18 führt.The feed throat 58 is disposed generally toward one end of the shot sleeve 16 and defines a passage through the tube 66 and the liner 68. Disposed generally at the opposite end of the shot sleeve 16 is an outlet nozzle 72. The nozzle defines an outlet passage 74 leading into the pouring station 18.

Innerhalb des Durchlasses 70 der Schußhülse ist ein axial beweglicher Kolben 76 angeordnet, der einen Kopf 78 enthält, an dem eine Stange 80 befestigt ist. Die axiale Bewegung des Kolbens 76 wird von einer geeigneten Betätigungseinrichtung 82, wie einer hydraulischen Betätigungseinrichtung, bewirkt, in der die Stange 80 endet. Der Kopf 78 des Kolbens 76 kann um eine Strecke innerhalb des Durchlasses 70 vorwärts und rückwärts bewegt werden derart, dass der Zufuhrhals 58 der Schußhülse 16 in der zurückgezogenen Stellung des Kolben zwischen dem Kopf 78 und der Auslaßdüse 72 ist. In seiner vorgeschobenen Stellung ist der Kopf 78 des Kolben 76 zwischen dem Zufuhrhals 58 und der Auslaßdüse 72 angeordnet.Disposed within the passage 70 of the shot sleeve is an axially movable piston 76, which includes a head 78 to which a rod 80 is attached. The axial movement of the piston 76 is effected by a suitable actuator 82, such as a hydraulic actuator, in which the rod 80 terminates. The head 78 of the piston 76 can be moved forward and backward a distance within the passage 70 such that the feed neck 58 of the shot sleeve 16 is between the head 78 and the outlet nozzle 72 in the retracted position of the piston. In its advanced position, the head 78 of the piston 76 is disposed between the feed neck 58 and the outlet nozzle 72.

Um den Zylinder 76 herum und längs im wesentlichen seiner gesamten Länge ist eine Abdeckung 85 aus isolierendem Material angeordnet. Die Abdeckung 85 hält das innerhalb des Durchlasses 70 angesammelte Material auf einer Temperatur, die etwa der Temperatur entspricht, bei der das Material aus den Extruder 14 abgegeben wird. Wenn erwünscht, aber nicht notwendigerweise, kann eine Reihe von Heizelementen, ähnlich den vorgenannten Bandwiderstandsheizelementen 52, am den Zylinder 66 angeordnet sein. Solche Heizelemente können sich als vorteilhaft bei Schußhülsen mit großer Kapazität erweisen, wenn die Zufuhrrate aus dem Extruder 14 in die Schußhülse 16 im Vergleich mit herkömmlichen Druckgußtechniken relativ lang ist.A cover 85 of insulating material is disposed around the barrel 76 and along substantially its entire length. The cover 85 maintains the material accumulated within the passage 70 at a temperature approximately equal to the temperature at which the material is discharged from the extruder 14. If desired, but not necessarily, a series of heating elements similar to the aforementioned band resistance heating elements 52 may be disposed on the barrel 66. Such heating elements may prove advantageous in large capacity shot sleeves when the feed rate from the extruder 14 into the shot sleeve 16 is relatively long as compared with conventional die casting techniques.

Um die Auslaßdüse sind weiter Temperatursteuerbänder 84 angeordnet, um deren Temperatur zu steuern und die Ausbildung eines festen Stopfens, wie nachfolgend erläutert, zu ermöglichen. Der Stopfen verhindert insgesamt eine Auslecken, ein Eindringen von Sauerstoff in die Schußhülse 16 und erleichtert weiter das Evakuieren des Werkzeugs der Gießstation 18, wenn erwünscht.Temperature control bands 84 are further disposed around the outlet nozzle to control its temperature and enable the formation of a solid plug as explained below. The plug generally prevents leakage, ingress of oxygen into the shot sleeve 16 and further facilitates evacuation of the tool of the pouring station 18 when desired.

Um die Schußhülse 16 an der Gießstation 18 zu befestigen, ist das Rohr 66 mit einem radialen Flansch 88 neben seinem Düsenende versehen. Der Flansch 88 ist an einer stationären Platte 90 der Gießstation 18 mittels Gewindebefestigungsmitteln 92 oder einer anderen geeigneten Befestigungsmethode befestigt. Sie kann auch einen Flansch haben und an Ort und Stelle mittels eines Paars hydraulischer Zugzylinder gehalten werden, die ein Freikommen während eines Schußzyklus verhindern.To secure the shot sleeve 16 to the casting station 18, the tube 66 is provided with a radial flange 88 adjacent its nozzle end. The flange 88 is secured to a stationary plate 90 of the casting station 18 by means of threaded fasteners 92 or other suitable fastening method. It may also be flanged and held in place by a pair of hydraulic pull cylinders which prevent it from coming loose during a shot cycle.

Zwar nicht unbedingt erforderlich könnte ein Gehäuse 86 um die gesamte Schußhülse 16 herum angeordnet sein.Although not absolutely necessary, a housing 86 could be arranged around the entire firing sleeve 16.

Die stationäre Platte 90 wirkt mit einer beweglichen Platte 94 zusammen, wobei an jeder jeweils eine stationäre Formhälfte 96 und eine bewegliche Formhälfte 98 befestigt ist. Die Formhälften 96 und 98 enthalten Oberflächen, die miteinander kombiniert einen Formhohlraum 100 in Form des zu gießenden Gegenstandes bilden. Der Formhohlraum 100 wird mit dem Auslaßdurchlaß 74 der Düse mittels eines Hauptkanals 102, eines Durchlasses 104 und eines Eingußkanals 106 verbunden.The stationary platen 90 cooperates with a movable platen 94, each having a stationary mold half 96 and a movable mold half 98 secured thereto. The mold halves 96 and 98 include surfaces which, when combined, form a mold cavity 100 in the shape of the article to be molded. The mold cavity 100 is connected to the nozzle outlet port 74 by means of a main channel 102, a passage 104 and a sprue 106.

Die translatorische Bewegung der beweglichen Platte 94 und der beweglichen Formhälfte 98 wird von einem oder mehreren Aktoren 108 herbeigeführt. Die Aktoren 108 enthalten bewegliche Stangen 110 von denen ein Ende starr mit der beweglichen Platte 94 mittels eines Arms 112 verbunden ist. Eine Betätigung der Aktoren 108 bewirkt, dass sich die Stangen 110 aus den Aktoren 108 herausbewegen und dies wiederum zwingt über den Arm 112 die bewegliche Platte 94 in Oberfläche-zu-Oberfläche-Berührung mit der stationären Platte 90, wie insgesamt durch die Formtrennlinie 114 angedeutet.The translational movement of the movable platen 94 and the movable mold half 98 is brought about by one or more actuators 108. The actuators 108 include movable rods 110, one end of which is rigidly connected to the movable platen 94 by an arm 112. Actuation of the actuators 108 causes the rods 110 to move out of the actuators 108 and this in turn forces the movable platen 94 into surface-to-surface contact with the stationary platen 90 via the arm 112, as generally indicated by the mold parting line 114.

Um eine evakuierte Atmosphäre innerhalb des Formhohlraums 100 während des Formens bzw. Gießens des Teils zu schaffen, erfolgt eine Evakuierung über ein Paar von Leitungen 116, die mit einer Vakuumeinrichtung 118 verbunden sind. Die Leitung 116 und die Vakuumquelle I 18 können bezüglich der Formhälfte 96 oder 98 vorgesehen sein und müssen nicht speziell mit der stationären Formhälfe 96 oder der beweglichen Formhälfte 98 zusammenwirken.In order to create an evacuated atmosphere within the mold cavity 100 during molding of the part, evacuation is carried out via a pair of lines 116 which are connected to a vacuum device 118. The line 116 and the Vacuum source I 18 can be provided with respect to the mold half 96 or 98 and need not specifically interact with the stationary mold half 96 or the movable mold half 98.

Wie bereits erwähnt, koordiniert die Systemsteuereinrichtung 20 den Betrieb der verschiedenen Elemente der Vorrichtung 10 der Erfindung. Die Systemsteuereinrichtung 20 bzw. das Steuergerät enthält vorzugsweise eine programmierbare Mikroprozessoreinheit (MPU) 120, die über eine Leitung 122 mit dem Antriebsmechanismus 32 der Zufuhreinrichtung 12 verbunden ist, über die Leitung 124 mit dem Antriebsmechanismus 48 des Extruders 14, über die Leitung 126 mit einem Aktor 140 des Schieberventils 142, über die Leitung 128 mit dem Aktor 82 der Schußhülse 16 und über die Leitung 130 mit den Aktoren 108 der Gießform 18. Zusätzlich ist die Systemsteuereinrichtung 20 mit den Gas- und Vakuumquellen 118 und 118' verbunden und kann mit den Induktionsspulenheizern 50 und den Bandwiderstandsheizern 52 verbunden sein.As previously mentioned, the system controller 20 coordinates the operation of the various elements of the apparatus 10 of the invention. The system controller 20 preferably includes a programmable microprocessor unit (MPU) 120 connected via line 122 to the drive mechanism 32 of the feeder 12, via line 124 to the drive mechanism 48 of the extruder 14, via line 126 to an actuator 140 of the gate valve 142, via line 128 to the actuator 82 of the shot sleeve 16, and via line 130 to the actuators 108 of the mold 18. In addition, the system controller 20 is connected to the gas and vacuum sources 118 and 118' and may be connected to the induction coil heaters 50 and the strip resistance heaters 52.

Während des Betriebs der Vorrichtung 10 werden die Heizer 50 und 52 angeschaltet, um das Rohr 38 des Extruders 14 durchgängig auf die geeignete Temperatur oder Temperaturen längs seiner Länge zu erhitzen. Die Systemsteuereinrichtung 20 betätigt dann den Antriebsmechanismus 32 der Zufuhreinrichtung 12, wodurch die Schnecke innerhalb des Zufuhrzylinders 30 dreht. Diese Schnecke treibt den auf Raumtemperatur befindlichen Zufuhrvorrat 24 in die Transportleitung 34, in der eine Schutzatmosphäre durch eine Edelgasatmosphäre oder die Vakuumquelle 132 aufrechterhalten wird, die mit der Transportleitung 38 über die Zufuhrleitung 134 verbunden ist. Die Quelle 132 und Leitung 134 werden verwendet, um Edelgas, wie Argon, einzuleiten, das in der Umgebung innerhalb des Extruders und der Schußhülse vorgesehen ist, wie weiter unten beschrieben.During operation of the apparatus 10, the heaters 50 and 52 are turned on to continuously heat the tube 38 of the extruder 14 to the appropriate temperature or temperatures along its length. The system controller 20 then actuates the drive mechanism 32 of the feeder 12, causing the screw to rotate within the feed barrel 30. This screw drives the room temperature feed stock 24 into the transfer line 34, in which a protective atmosphere is maintained by an inert gas atmosphere or the vacuum source 132 connected to the transfer line 38 via the feed line 134. The source 132 and line 134 are used to introduce inert gas, such as argon, provided in the environment within the extruder and shot sleeve, as described further below.

Von der Transportleitung 34 gelangt der Zufuhrvorrat 24 durch den Zufuhrhals 36 in das Extruderrohr 38, wo es in Berührung mit der drehenden Extruderschnecke 44 kommt, die von dem Antriebsmechanismus 48 gedreht wird, der über die Leitung 124 von der Systemsteuereinrichtung 20 betätigt wurde. Innerhalb des Durchlasses 42 des Extruders 14 wird der Zufuhrvorrat 24 längs der Schaufel der Schnecke 44 vorwärtsgetrieben. Wenn sich der Zufuhrvorrat 24 durch den Durchlass 42 hindurchbewegt, erhöht die von den Heizern 52 erzeugte Wärme die Temperatur des Zufuhrvorrates 24 auf eine Temperatur zwischen deren Solidustemperatur und deren Liquidustemperatur. Innerhalb dieses Temperaturbereiches bildet das Material des Zufuhrvorrates 24 einen halbfesten Zustand, der aus einer flüssigen Phase einiger seiner Bestandteile besteht, in der eine feste Phase anderer seiner Bestandteile angeordnet ist. Die Drehung der Schnecke 44 und Schaufeln 46 induziert in dem halbfesten Material eine Scherkraft in einem Ausmaß, das ausreicht, um dendritisches Wachsum bezüglich der festen Teilchen in dem halbfesten Material zu verhindern, wodurch ein thixotroper Brei erzeugt wird. Abhängig von der jeweiligen Anwendung und dem in der Gießstation 18 zu gießenden Gegenstand erzeugen die in dem Brei induzierte Temperatur sowie die Scherwirkung der Schnecke 44 vorzugsweise einen Bruchteil von Feststoffen fs innerhalb eines Bereiches von 0,05fs bis 0,66fs in dem halbfesten Material.From the transport line 34, the feedstock 24 passes through the feed throat 36 into the extruder barrel 38 where it contacts the rotating extruder screw 44 which is rotated by the drive mechanism 48 actuated by the system controller 20 via line 124. Within the passage 42 of the extruder 14, the feedstock 24 is propelled along the blade of the screw 44. As the feedstock 24 moves through the passage 42, the heat generated by the heaters 52 increases the temperature of the feedstock 24 to a temperature between its solidus temperature and its liquidus temperature. Within this temperature range the material of the feed stock 24 forms a semi-solid state consisting of a liquid phase of some of its constituents within which is disposed a solid phase of other of its constituents. The rotation of the screw 44 and blades 46 induces a shear force in the semi-solid material of a magnitude sufficient to prevent dendritic growth with respect to the solid particles in the semi-solid material, thereby producing a thixotropic slurry. Depending upon the particular application and the article to be cast in the casting station 18, the temperature induced in the slurry as well as the shearing action of the screw 44 preferably produce a fraction of solids fs within a range of 0.05fs to 0.66fs in the semi-solid material.

Wenn erforderlich, kann der Zufuhrvorrat 24 in dem Rohr 38 des Extruders 14 nach anfänglicher Erhitzung derart vorgesehen sein, dass das Material sich in einem halbfesten Zustand oder in einem voll geschmolzenen (vollständig flüssigem) überhitzen Zustand befindet. In diesem Fall treibt die Wirkung der Schnecke 44 das Material vorwärts und die Schaufel 46 induziert eine Scherung, um dendritisches Wachstum zu verhindern, was zu dem thixotropen Brei führt. Wenn das Material 24 in einem vollständig flüssigen Zustand ist, wird der Temperatursteuermechanismus derart eingestellt, dass das Material 24 von einem vollständig flüssigen Zustand in eine Mischung auf fest und flüssig abgekühlt wird.If required, the feed supply 24 in the barrel 38 of the extruder 14 can be provided after initial heating such that the material is in a semi-solid state or in a fully molten (fully liquid) superheated state. In this case, the action of the screw 44 drives the material forward and the paddle 46 induces shear to prevent dendritic growth resulting in the thixotropic slurry. When the material 24 is in a fully liquid state, the temperature control mechanism is adjusted to cool the material 24 from a fully liquid state to a mixture of solid and liquid.

Wie oben erwähnt, wird der thixotrope Brei in der Schußhülse 16 durch den Zufuhrhals 58 hindurch aufgenommen. Dabei bleibt in der Schußhülse 16 die Temperatur des Breis innerhalb von ± 50ºC der Temperatur des Breis, der aus dem Extruder 14 austritt.As mentioned above, the thixotropic slurry is received in the shot sleeve 16 through the feed throat 58. The temperature of the slurry in the shot sleeve 16 remains within ± 50°C of the temperature of the slurry exiting the extruder 14.

Der Brei wird kontinuierlich dem Durchlaß 70 von der Schnecke 44 zugeführt, bis darin eine Menge von Brei enthalten ist, der derjenigen entspricht, um den Werkzeughohlraum 100 in einem einzigen Schuß vollständig zu füllen. Durch Veränderung der Antriebseingangssignale aus den Antriebsmechanismen 32 (in der Zufuhreinrichtung 12) und 48 (in Extruder 14) bewirkt die Systemsteuereinrichtung 20 die Zumessung einer geeigneten Breimenge in die Schußhülse 16. Wie vorstehend erwähnt, wird innerhalb der Durchlässe 70 und 40 der Schußhülse 16 und des Extruders 14 eine Edelgasatmosphäre aufrechterhalten. Ein Edelgas, wie Argon, wird aus einer Quelle 136 bereitgestellt, die mit dem Durchlass 70 über Leitungen 138 verbunden ist.Slurry is continuously fed into passage 70 from screw 44 until it contains an amount of slurry sufficient to completely fill die cavity 100 in a single shot. By varying the drive inputs from drive mechanisms 32 (in feeder 12) and 48 (in extruder 14), system controller 20 causes an appropriate amount of slurry to be metered into shot sleeve 16. As previously mentioned, an inert gas atmosphere is maintained within passages 70 and 40 of shot sleeve 16 and extruder 14. An inert gas, such as argon, is provided from a source 136 connected to passage 70 via lines 138.

Abhängig vom Verhältnis der flüssigen Bestandteile zu den Festbestandteilen in dem halbfesten Brei leuchtet ein, dass das in die Schußhülse 16 eintretende geschmolzene Material eine relativ hohe Viskosität hat, entsprechend wie die Scherspannung vermindert wird. Die Ladung sammelt sich derart an, dass ihre größte Masse an der Bodenfläche der Schußhülse 16 angeordnet ist.Depending on the ratio of liquid components to solid components in the semi-solid slurry, it is apparent that the molten material entering the shot sleeve 16 will have a relatively high viscosity as the shear stress is reduced. The charge accumulates such that its greatest mass is located at the bottom surface of the shot sleeve 16.

Sobald die für den zu gießenden Gegenstand geeignete Menge an Brei sich in dem Durchlass 70 der Schußhülse 16 zusammen mit einer nominellen Menge für eine verbleibende Abfederung nach der Werkzeugfüllung angesammelt hat, bewirkt die Systemsteuereinrichtung 20, dass der Aktor 82 den Kolben 76 vorwärtsbewegt. Etwa gleichzeitig mit der Vorwärtsbewegung des Kolbens 76 und vorzugsweise leicht davor verlangsamt oder stoppt die Steuereinrichtung 20 auch die Drehung der Schnecke 44 und bewirkt, dass der Aktor 140 das Schieberventil 142 vorschiebt, um die Auslassöffnung 56 des Extruders zu versperren. Das Schließen des Schieberventils 142 dient zwei Zwecken einschließlich des Verhinderns eines Rückflusses des Breis in den Extruder 14 während der Vorwärtsbewegung des Kolbens 76 und der Verhinderung, dass der Brei in der Schußhülse 16 hinter dem sich vorwärts bewegenden Kolben 76 verteilt wird. Als eine Alternative zu dem Schieberventil 142 kann der Kolben 76 mit einem Kolbenkragen oder einen Schirm bzw. Abdeckung 143 versehen sein, der den Einlasshals 58 verschließt. Die Abschirmung 143 erstreckt sich von dem Kopf 78 des Kolbens 76 aus rückwärts um eine Strecke, die größer ist als der Hub des Kolbens 76. Entsprechend verschließt der Schirm 143, während der Kolben 76 vorwärtsbewegt wird, den Einlaßhals 58 und tut dies andauernd, bis der Kolben 76 wiederum voll zurückbewegt ist. Auf diese Weise wird kein Material unabsichtlich hinter dem Kopf des Kolbens 76 abgelagert.Once the amount of slurry appropriate for the article to be molded has accumulated in the passage 70 of the shot sleeve 16, along with a nominal amount for residual cushioning after mold filling, the system controller 20 causes the actuator 82 to advance the piston 76. At about the same time as the piston 76 advances, and preferably slightly before, the controller 20 also slows or stops the rotation of the screw 44 and causes the actuator 140 to advance the gate valve 142 to block the extruder outlet port 56. Closing the gate valve 142 serves two purposes, including preventing backflow of the slurry into the extruder 14 during the forward movement of the piston 76 and preventing the slurry in the shot sleeve 16 from being distributed behind the advancing piston 76. As an alternative to the gate valve 142, the piston 76 may be provided with a piston collar or shield 143 that closes the inlet throat 58. The shield 143 extends rearwardly from the head 78 of the piston 76 a distance greater than the stroke of the piston 76. Accordingly, as the piston 76 is advanced, the shield 143 closes the inlet throat 58 and continues to do so until the piston 76 is again fully retracted. In this way, no material is inadvertently deposited behind the head of the piston 76.

Der Kolben 76 wird unter Verwendung der Steuereinrichtung 20 aktiviert und anfänglich auf eine Geschwindigkeit von etwa 2,5 bis 12,5 cm/sek. (1-6 inch/sek.) beschleunigt. Dies kompaktiert die Schußladung im vorderen Ende der Hülse 16 neben der Düse 72. Die relativ geringe Geschwindigkeit ermöglich die Kompaktierung und quetscht oder zwingt überschüssiges Argon oder ein anderes Schutzgas aus dem Ladungsraum durch Entweichen durch den Ringraum zwischen dem Kolben 76 und der Schußhülse 16. Unmittelbar beim Kompaktieren der Ladung auf eine vorbestimmte Position des Kolbens 76 nimmt die Geschwindigkeit des Kolbens 76 rasch zu und erhöht den Druck auf ein Niveau, das ausreicht, einen Stopfen 146 aus dem Düsendurchlass 74 in einen Eingußhohlraum 148 zu blasen, der für dessen Aufnahme konstruiert ist. Wenn der augenblickliche Druck absinkt, nimmt die Geschwindigkeit auf einen programmierten Wert zu, typischerweise im Bereich von 1 bis 3 m/sek. (40-120 inch/sek.) im Fall von Magnesiumlegierungen. Wenn der Kolben die Position erreicht, die einem vollen Werkzeug entspricht, beginnt der Druck wiederum anzusteigen, zu welchem Zeitpunkt die Steuereinrichtung 20 den Druck auf einen Wert von etwa 10% des erreichten ständigen Wertes abfallen lässt, und die Bewegung des Kolbens 76 wird dann angehalten, um den Druck auf 0 oder einen negativen Wert zu vermindern. Die Steuereinrichtung 20 ermöglicht eine weite Auswahl von Geschwindigkeitsprofilen, innerhalb der die Druck/Geschwindigkeitsbeziehung positionsmäßig während des Schußzyklus verändert werden kann, der typischerweise lediglich 40 msek oder bis zu 200 msek, des Kolben 76 betragen kann, abhängig von den Abmessungen des Schusses.The piston 76 is activated using the controller 20 and initially accelerated to a speed of about 2.5 to 12.5 cm/sec (1-6 inches/sec). This compacts the shot charge in the forward end of the case 16 adjacent the nozzle 72. The relatively low speed allows compaction and squeezes or forces excess argon or other shielding gas out of the charge space by escaping through the annular space between the piston 76 and the shot case 16. Immediately upon compacting the charge to a predetermined position of the piston 76, the speed of the piston 76 rapidly increases and increases the pressure to a level sufficient to force a plug 146 out of the nozzle passage 74 into a sprue cavity 148. blow designed to receive it. As the instantaneous pressure drops, the velocity increases to a programmed value, typically in the range of 1 to 3 m/sec (40-120 inches/sec) in the case of magnesium alloys. When the piston reaches the position corresponding to a full tool, the pressure again begins to increase, at which time the controller 20 allows the pressure to drop to a value of about 10% of the steady state value reached, and the movement of the piston 76 is then stopped to reduce the pressure to 0 or a negative value. The controller 20 allows a wide range of velocity profiles within which the pressure/velocity relationship can be varied positionally during the shot cycle, which may typically be as little as 40 msec or as much as 200 msec, of the piston 76, depending on the dimensions of the shot.

Sobald der Kolben 76 die Vorwärtsbewegung stoppt, verfestigt sich das in dem Auslaßdurchlass 74 befindliche Material innerhalb des Durchlasses und bildet einen festen Stopfen, der den Durchlass 74 abdichtet. Dies verhindert, dass Material aus dem Durchlass 74 während der Öffnung der Formhälften 96 und 98 und der Entnahme des geformten Gegenstandes herausgelangt. Diese Öffnung der Form wird von der Systemsteuereinrichtung 20 ebenfalls synchronisiert, die bewirkt, dass die Aktoren 108 die bewegliche Traverse bzw. Platte 94 und die Form 98 von der stationären Platte 90 und der Form 96 wegzieht. Dieser Vorgang führt auch dazu, den Anguß von dem restlichen Stopfen wegzubrechen. Nach der Öffnung entfernt ein Transportmechanismus (nicht dargestellt) den gegossenen Gegenstand aus der beweglichen Form 98 und die Systemsteuereinrichtung 20 bewirkt dann, dass die Aktoren 108 die Form für den nächsten Betriebszyklus schließen.Once the piston 76 stops advancing, the material in the outlet passage 74 solidifies within the passage and forms a solid plug that seals the passage 74. This prevents material from exiting the passage 74 during the opening of the mold halves 96 and 98 and removal of the molded article. This opening of the mold is also synchronized by the system controller 20, which causes the actuators 108 to pull the movable platen 94 and the mold 98 away from the stationary platen 90 and the mold 96. This action also tends to break the sprue away from the remaining plug. After opening, a transport mechanism (not shown) removes the molded article from the movable mold 98 and the system controller 20 then causes the actuators 108 to close the mold for the next cycle of operation.

Wenn Gießen unter verstärktem Vakuum erwünscht ist, ist, um eine komplette Abdichtung der beweglichen Form 98 gegenüber der stationären Form 96 sicherzustellen, eine Dichtung mittels eines geeigneten Abdichtmechanismus 144 ausgebildet, der mit einer der Formhälften 96 oder 98 erhalten wird. Ein solcher geeigneter Abdichtmechanismus würde eine Vielfalt von O-Ringen sein.If molding under enhanced vacuum is desired, to ensure complete sealing of the movable mold 98 to the stationary mold 96, a seal is formed by means of a suitable sealing mechanism 144 obtained with one of the mold halves 96 or 98. Such a suitable sealing mechanism would be a variety of O-rings.

Sobald geschlossen und abgedichtet, wird der Gießhohlraum durch eine oder mehrere Vakuumquellen 118 evakuiert, die allmählich ein Vakuum innerhalb des Gießrohres 100 schaffen. Der oben genannte Stopfen 146 wirkt mit der Vakuumquelle 118 dahingehend zusammen, dass eine komplette Evakuierung von der Auslaßdüse 72 über den Angußkanal 106, Durchlass 104 und Hauptkanal 102 sowie den Gießhohlraum 100 erfolgt.Once closed and sealed, the pouring cavity is evacuated by one or more vacuum sources 118 which gradually create a vacuum within the pouring tube 100. The above-mentioned plug 146 cooperates with the vacuum source 118 to that a complete evacuation takes place from the outlet nozzle 72 via the sprue 106, passage 104 and main channel 102 as well as the casting cavity 100.

Während des nachfolgenden Gießens des nächsten Gegenstandes bewirkt die Vorwärtsbewegung des Kolbens 76, dass der Stopfen 146 aus dem Auslaßdurchlaß 74 heraus in den Angußkanal 106 gezwungen wird. Der Angußkanal 106 erstreckt sich hinter dem Durchlass und ist mit einer Ausnehmung 148 versehen, die dazu dienen soll, den verfestigten Stopfen 146 aufzunehmen, ohne die Strömung des Breis durch den Durchlass 104 und den Hauptkanal 102 in den Gießhohlraum 100 zu behindern. Nach dem Gießen wird der Stopfen 146 innerhalb des verfestigten Materials des Durchlasses 104 und des Hauptkanals 102 gehalten und wird während des nachfolgenden Putzschrittes von dem Gegenstand abgetrennt.During subsequent casting of the next article, the forward movement of the piston 76 causes the plug 146 to be forced out of the outlet passage 74 into the runner 106. The runner 106 extends behind the passage and is provided with a recess 148 designed to accommodate the solidified plug 146 without impeding the flow of slurry through the passage 104 and main passage 102 into the mold cavity 100. After casting, the plug 146 is retained within the solidified material of the passage 104 and main passage 102 and is separated from the article during the subsequent trimming step.

In einer abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Schußhülse 16 relativ zu der Form 18 geneigt, wie in Fig. 2 ersichtlich. Die Schußhülse 16 ist um einen Winkel A geneigt, so dass die Düse 72 von dem Einlaßhals 58 aus abwärts positioniert ist. Vorzugsweise beträgt die Abwärtsneigung der Schußhülse 16 zwischen 5º und 45º aus der Horizontalen und noch vorteilhafter zwischen 15º bis 30º. Dies begünstigt die Bewegung des Breis weg von dem Einlaßhals 58 vom Extruder 14 in die Schußhülse 16 hinein. Wegen der erhöhten Viskosität des Breis und dem Fehlen einer vergrößerten Scherung in der Schußhülse 16 werden minimale Gasmengen aus der Quelle 136 in dem Brei eingeschlossen, der in der Schußhülse 16 abgelagert wird. Zusätzlich bewirkt die Neigung der Schußhülse 16, dass die volle Ladung des Breivolumens an dem Düsenende 72 der Schußhülse 16 angeordnet wird, bevor der Kolben 76 betätigt wird. Dies verhindert zusätzlich, dass die Breiladung aus dem Zufuhrhals 58 heraus und in den Extruder 14 hineingezwungen wird. Alternativ kann das Rohr 38 des Extruders 14 relativ zu der Schußhülse 16 geneigt werden, so dass der Zufuhrhals 36 des Rohrs 38 relativ zu seiner Auslaßöffnung 56 erhöht ist.In an alternate embodiment of the present invention, the shot sleeve 16 is inclined relative to the mold 18 as seen in Figure 2. The shot sleeve 16 is inclined at an angle A so that the nozzle 72 is positioned downward from the inlet throat 58. Preferably, the downward inclination of the shot sleeve 16 is between 5° and 45° from the horizontal, and more preferably between 15° to 30°. This promotes movement of the slurry away from the inlet throat 58 of the extruder 14 into the shot sleeve 16. Because of the increased viscosity of the slurry and the lack of increased shear in the shot sleeve 16, minimal amounts of gas from the source 136 are trapped in the slurry that is deposited in the shot sleeve 16. Additionally, the inclination of the shot sleeve 16 causes the full charge of the slurry volume to be placed at the nozzle end 72 of the shot sleeve 16 before the piston 76 is actuated. This further prevents the slurry charge from being forced out of the feed throat 58 and into the extruder 14. Alternatively, the tube 38 of the extruder 14 can be inclined relative to the shot sleeve 16 so that the feed throat 36 of the tube 38 is elevated relative to its outlet opening 56.

Wenn die vorliegende Erfindung mit Schmiedewerkzeugen verwendet wird, wie in Fig. 3 ersichtlich, ist die Schußhülse 16 derart konfiguriert, dass der thixotrope Brei direkt in einer Form 96' der Schmiedepresse 18' abgesetzt wird. Wenn das geeignete Volumen an Brei in dem Schmiedewerkzeug 96' abgesetzt ist, betätigt die Systemsteuereinrichtung 20 einen insgesamt mit 108' bezeichneten Aktor, bewegt eine bewegliche Traverse bzw. Platte 98', wodurch der erwünschte Gegenstand aus dem thixotropen Brei halbfesten Materials geschmiedet wird.When the present invention is used with forging tools, as seen in Figure 3, the shot sleeve 16 is configured to deposit the thixotropic slurry directly into a mold 96' of the forging press 18'. When the appropriate volume of slurry is deposited in the forging tool 96', the system controller 20 actuates an actuator, generally designated 108', moving a movable platen 98', thereby forging the desired article from the thixotropic slurry of semi-solid material.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zwei oder mehr Extruder 14 mit einer gemeinsamen Schußhülse 16 mit großer Kapazität verbunden. Entsprechend können auf diese Weise größere Gegenstände gegossen werden, ohne durch die Kapazität eines einzelnen Extruders 14 beschränkt zu sein. Hinsichtlich im wesentlichen aller anderer Aspekte arbeitet diese Ausführungsform gleich wie die erst beschriebene Ausführungsform.Another embodiment of the invention is shown in Fig. 4. In this embodiment, two or more extruders 14 are connected to a common large capacity shot sleeve 16. Accordingly, larger articles can be molded in this way without being limited by the capacity of a single extruder 14. In substantially all other respects, this embodiment operates in the same way as the first described embodiment.

Zusätzlich kann, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt, der Extruder um einen Winkel B < 90º relativ zu der Achse der Schußhülse 16 geneigt sein, so dass Material 24 in die Schußhülse 16 hinein insgesamt in Richtung der Düse 72 gerichtet wird. Dies kann mit oder ohne Neigung des Rohrs 38 relativ zu der Schußhülse 16 geschehen.In addition, as shown schematically in Fig. 5, the extruder may be inclined at an angle B < 90° relative to the axis of the shot sleeve 16 so that material 24 into the shot sleeve 16 is directed generally toward the nozzle 72. This may be done with or without inclination of the tube 38 relative to the shot sleeve 16.

Claims (30)

1. Vorrichtung (10) zum Verarbeiten eines Materials zu einem thixotropen Zustand, welche Vorrichtung (10) enthält:1. Device (10) for processing a material to a thixotropic state, which device (10) contains: ein Extruderrohr (38) mit einem Einlass (36) und einem Auslass (56), wobei der Einlass (36) an einem Ende des Rohrs angeordnet ist und geeignet ist, Material in das Rohr hinein bei einer ersten Temperatur aufzunehmen, und der Auslass (56) geeignet ist, das Material aus dem Rohr (38) herauszutransportieren;an extruder tube (38) having an inlet (36) and an outlet (56), the inlet (36) being located at one end of the tube and being adapted to receive material into the tube at a first temperature, and the outlet (56) being adapted to transport the material out of the tube (38); eine Zufuhreinrichtung (12) zum Zuführen von Material in das Rohr (38) durch den Einlass hindurch;a feed device (12) for feeding material into the tube (38) through the inlet; eine Temperiereinrichtung (52) zum Steuern der Temperatur des Materials auf eine zweite Temperatur, bei der das Material in einem halbfesten Zustand ist, welche zweite Temperatur zwischen einer Temperatur liegt, bei der das Material fest ist und bei der das Material flüssig ist;a tempering device (52) for controlling the temperature of the material to a second temperature at which the material is in a semi-solid state, which second temperature is between a temperature at which the material is solid and at which the material is liquid; eine Schereinrichtung (14) zum Einleiten einer Scherwirkung in das Material derart, dass dendritisches Wachsen gehindert wird und die Bildung sphärischer, degenerierter Dendrite innerhalb des Materials induziert wird und das Material in einem halbfesten, thixotropen Zustand gehalten wird, welche Schereinrichtung (14) das Material auch durch das Rohr (38) von dem Einlass (36) zu dem Auslass (56) bewegt;a shearing device (14) for introducing a shearing action into the material such that dendritic growth is inhibited and the formation of spherical, degenerate dendrites is induced within the material and the material is maintained in a semi-solid, thixotropic state, which shearing device (14) also moves the material through the tube (38) from the inlet (36) to the outlet (56); eine Umgebungseinrichtung (136) zum Schaffen einer Schutzatmosphäre für das in der Vorrichtung (10) befindliche Material, welche Schutzatmosphäre mit dem Material nicht reagiert;an environmental device (136) for creating a protective atmosphere for the material in the device (10), which protective atmosphere does not react with the material; welche Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:which device is characterized by: eine von dem Rohr (38) getrennte und verschiedene Schußhülse (16), die einen Einlass (58) und eine Auslassdüse (72) aufweist, welcher Einlass (58) insgesamt an einem Ende der Schußhülse (16) angeordnet ist und welche Auslassöffnung (72) im wesentlichen an einem entgegengesetzten Ende der Schußhülse (16) angeordnet ist, wobei der Einlass (58) der Schußhülse (16) derart angeordnet ist, dass er das Material aus dem Auslass (36) des Rohrs (38) aufnimmt;a shot sleeve (16) separate and distinct from the tube (38) and having an inlet (58) and an outlet nozzle (72), the inlet (58) being disposed entirely at one end of the shot sleeve (16) and the outlet opening (72) being disposed substantially at an opposite end of the shot sleeve (16), the inlet (58) of the shot sleeve (16) being disposed to receive the material from the outlet (36) of the tube (38); einen Kolben (76), der innerhalb der Schußhülse (16) für eine axiale Bewegung zwischen vorderen und hinteren Positionen angebracht ist und einen Kopf enthält und derart angebracht ist, dass, wenn der Kolben (76) in der hinteren Position ist, der Einlass (58) der Schußhülse (16) zwischen dem Kopf und der Auslassdüse (72) angeordnet ist;a piston (76) mounted within the firing sleeve (16) for axial movement between forward and rearward positions and including a head and mounted such that when the piston (76) is in the rearward position, the inlet (58) of the firing sleeve (16) is located between the head and the outlet nozzle (72); eine Betätigungseinrichtung (82) zum Hervorrufen einer axialen Bewegung des Kolbens (76) in der Schußhülse (16) zwischen den vorderen und hinteren Positionen, wodurch das Material aus der Schußhülse durch die Auslassdüse (72) ausgestoßen wird;an actuator (82) for causing axial movement of the piston (76) in the shot sleeve (16) between the front and rear positions, whereby the material is expelled from the shot sleeve through the outlet nozzle (72); eine Ventileinrichtung (142, 143) zum Schließen und Dichten des Einlasses (58) der Schußhülse (16) während der Bewegung des Kolbens (76), wodurch ein Rückfluss des Materials durch den Einlass (58) während der Vorwärtsbewegung des Kolbens (76) verhindert wird;a valve device (142, 143) for closing and sealing the inlet (58) of the shot sleeve (16) during movement of the piston (76), thereby preventing backflow of the material through the inlet (58) during forward movement of the piston (76); eine Steuereinrichtung (20), die angeschlossen ist an die und koordiniert die Zufuhreinrichtung (12), die Schereinrichtung (44, 46), die Temperiereinrichtung (52), die Betätigungseinrichtung (82), die Ventileinrichtung (142, 143) und die Umgebungseinrichtung (136) zum Betreiben der Vorrichtung einschließlich der Zumessung einer vorbestimmten Menge des Materials in die Schußhülse (16);a control device (20) which is connected to and coordinates the feed device (12), the shearing device (44, 46), the tempering device (52), the actuating device (82), the valve device (142, 143) and the environmental device (136) for operating the device including the metering of a predetermined amount of the material into the shot sleeve (16); welche vorbestimmte Menge einer Menge entspricht, die von der Auslassdüse (72) während eines Zyklus des Kolbens (76) abgegeben werden kann.which predetermined amount corresponds to an amount that can be delivered from the outlet nozzle (72) during one cycle of the piston (76). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rohr (38) geeignet ist, die Materialien in einem festen Zustand aufzunehmen.2. Device according to claim 1, wherein the tube (38) is suitable for receiving the materials in a solid state. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rohr (38) geeignet ist, die Materialien in einem flüssigen Zustand aufzunehmen.3. Device according to claim 1, wherein the tube (38) is suitable for receiving the materials in a liquid state. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rohr (38) geeignet ist, die Materialien in einem halbfesten Zustand aufzunehmen.4. Apparatus according to claim 1, wherein the tube (38) is adapted to receive the materials in a semi-solid state. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Temperatur höher ist als die erste Temperatur.5. The device of claim 1, wherein the second temperature is higher than the first temperature. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schereinrichtung (14) eine drehbare Schraube und einen Antriebsmechanismus (44, 45) zum Drehen der Schraube derart enthält, dass das Material aus dem Auslass des Rohrs (38) herausbewegt wird.6. Apparatus according to claim 1, wherein the shearing device (14) includes a rotatable screw and a drive mechanism (44, 45) for rotating the screw such that the material is moved out of the outlet of the tube (38). 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schereinrichtung (14) eine elektromagnetische Pumpe (39) derart enthält, dass das Material aus dem Rohr (38) herausbewegt wird.7. Device according to claim 1, wherein the shearing device (14) contains an electromagnetic pump (39) such that the material is moved out of the tube (38). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Rohr (38) in sich Elemente (41) enthält, die einen kurvigen Kanal schaffen, der die Scherung unterstützt.8. Apparatus according to claim 7, wherein the tube (38) contains elements (41) therein which create a curved channel which assists shearing. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn der Kolben (76) in einer vorderen Position ist, der Kopf (78) zwischen dem Einlass (58) der Schußhülse (16) und der Auslassdüse (72) ist.9. The apparatus of claim 1, wherein when the piston (76) is in a forward position, the head (78) is between the inlet (58) of the shot sleeve (16) and the outlet nozzle (72). 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (20) eine Mikroprozessoreinheit (MPU) enthält, welche Mikroprozessoreinheit die Geschwindigkeit koordiniert, mit der die Schereinrichtung (14) das Material durch den Auslass (56) hindurchbewegt.10. Apparatus according to claim 1, wherein the control device (20) contains a microprocessor unit (MPU), which microprocessor unit coordinates the speed at which the shearing device (14) moves the material through the outlet (56). 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ventileinrichtung (142, 143) einen Absperrschieber (142) enthält, der den Einlass (58) der Schußhülse (16) abdeckt, wenn sich der Kolben (76) in der vorderen Position befindet.11. The apparatus of claim 1, wherein the valve means (142, 143) includes a gate valve (142) that covers the inlet (58) of the shot sleeve (16) when the piston (76) is in the forward position. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ventileinrichtung (142, 143) eine an dem Kolben (76) ausgebildete Abdeckung (143) aufweist, die sich relativ zu dem Kolben (76) nach hinten erstreckt und den Einlass (58) der Schußhülse (16) abdeckt, wenn der Kolben (76) in seiner vorderen Position ist.12. The apparatus of claim 1, wherein the valve means (142, 143) includes a cover (143) formed on the piston (76) which extends rearwardly relative to the piston (76) and covers the inlet (58) of the firing sleeve (16) when the piston (76) is in its forward position. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schutzatmosphäre ein Edelgas enthält, wodurch eine Oxidation des Materials innerhalb der Vorrichtung verhindert wird.13. Device according to claim 1, wherein the protective atmosphere contains a noble gas, thereby preventing oxidation of the material within the device. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schutzatmosphäre die Bildung wenigstens eines teilweisen Vakuums enthält.14. The apparatus of claim 1, wherein the protective atmosphere includes the formation of at least a partial vacuum. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Temperiereinrichtung (52) das Material im wesentlichen auf die zweite Temperatur aufheizt, bevor das Material aus dem Rohr (38) heraustransportiert wird.15. The device according to claim 1, wherein the tempering device (52) heats the material substantially to the second temperature before the material is transported out of the tube (38). 16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Temperiereinrichtung (52) das Material im wesentlichen auf der zweiten Temperatur hält, während das Material sich in der Schußhülse (16) befindet.16. The apparatus of claim 1, wherein the tempering device (52) maintains the material substantially at the second temperature while the material is in the shot sleeve (16). 17. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Temperiereinrichtung (52) eine Mehrzahl von Heizelementen enthält, die das Rohr (38) aufheizen können.17. Device according to claim 1, wherein the tempering device (52) contains a plurality of heating elements which can heat the tube (38). 18. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umgebungseinrichtung (136) eine Stopfenformeinrichtung zum Ausbilden eines verfestigten Stopfens des Materials in der Düse (72) enthält.18. The apparatus of claim 1, wherein the environment means (136) includes a plug forming means for forming a solidified plug of the material in the nozzle (72). 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Stopfenformeinrichtung einen Temperatursteuermechanismus an der Düse (72) enthält, um das darin befindliche Material nach dem Ausbilden des Gegenstandes zu kühlen und zu verfestigen.19. The apparatus of claim 18, wherein the plug forming means includes a temperature control mechanism on the nozzle (72) to cool and solidify the material therein after forming the article. 20. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auslassdüse (72) mit einer Gießform gekoppelt ist.20. The apparatus of claim 1, wherein the outlet nozzle (72) is coupled to a mold. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Gießform eine Vakuumeinrichtung (118, 116) zum Evakuieren des Formhohlraums enthält.21. Apparatus according to claim 20, wherein the mold includes a vacuum device (118, 116) for evacuating the mold cavity. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Vakuumeinrichtung (118, 116) die Bildung eines verfestigten Stopfens des Materials in der Auslassdüse (72) enthält.22. The apparatus of claim 21, wherein the vacuum means (118, 116) includes forming a solidified plug of the material in the outlet nozzle (72). 23. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schußhülse (16) nicht horizontal orientiert ist.23. Device according to claim 1, wherein the shot sleeve (16) is not oriented horizontally. 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Schußhülse (16) derart orientiert ist, dass ihr Einlass (58) relativ zu dem Düsenauslass (72) angehoben ist.24. Apparatus according to claim 23, wherein the shot sleeve (16) is oriented such that its inlet (58) is raised relative to the nozzle outlet (72). 25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Schußhülse (16) innerhalb eines Bereiches von 5º bis 45º relativ zur Horizontalen geneigt ist.25. Device according to claim 24, wherein the shot sleeve (16) is inclined within a range of 5º to 45º relative to the horizontal. 26. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Schußhülse (16) innerhalb eines Bereiches von 15º bis 30º relativ zu der Horizontalen geneigt ist.26. Apparatus according to claim 24, wherein the shot sleeve (16) is inclined within a range of 15º to 30º relative to the horizontal. 27. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auslassdüse (72) mit einem Gesenk (18') verbunden ist, welches Gesenk (18') geeignet ist, das Material aus der Schußhülse (16) in einen darin ausgebildeten Formhohlraum hinein aufzunehmen.27. Apparatus according to claim 1, wherein the outlet nozzle (72) is connected to a die (18'), which die (18') is suitable for receiving the material from the shot sleeve (16) into a mold cavity formed therein. 28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das Gesenk (18') eine Vakuumeinrichtung zum Herstellen zumindest eines teilweisen Vakuums in dem Formhohlraum enthält.28. Apparatus according to claim 27, wherein the die (18') includes a vacuum device for establishing at least a partial vacuum in the mold cavity. 29. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Vakuumeinrichtung die Bildung eines verfestigten Stopfens in dem Material enthält, das innerhalb der Auslassdüse (72) angeordnet ist.29. The apparatus of claim 27, wherein the vacuum means includes forming a solidified plug in the material disposed within the outlet nozzle (72). 30. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ventileinrichtung (142, 143) einen an dem Kolben (76) ausgebildeten Rand aufweist, der den Einlass (58) zu dem Kolben (76) in der vorderen Position verdeckt.30. The device of claim 1, wherein the valve means (142, 143) includes a rim formed on the piston (76) which obscures the inlet (58) to the piston (76) in the forward position.