Horisontella kallkammarmaskiner  är den vanligaste typen av pressgjutningsmakiner. Namnet kan härledas till att fyllkammaren är horisontellt monterad och att den sitter monterad i på maskinen, och inte nedsänkt i smältan som på en varmkammarmaskin. Denna maskintyp används främst för aluminium, men även mässing, zink och magnesium är vanligt förekommande gjutlegeringar. 

Kallkammarmaskiner har fyllkammaren monterad i det fasta maskinbordet, helt skild från ugnen. Fyllkammaren värms oftast endast av den påfyllda metallsmältan. Därför får fyllkammaren en lägre temperatur än smältan, vanligen en tredjedel av smältans temperatur i ugnen. Detta att jämföra med fylllkammaren i en varmkammarmaskin som ligger nedsänkt i metallbadet och därmed får samma temperatur som smältan. Mellan varje skott smörjs skottkolven och fyllkammaren invändigt (kolvsmörjning). Smörjfilmen minskar friktionen mellan kolv och fyllkammare vilket ger en jämn kolvrörelse, samtidigt som filmen skyddar fyllkammarens yta mot erosion rakt nedanför påfyllningshålet.

Översikt över en kallkammarmaskin

 

Fyra horisontella maskinpelare (även kallade bommar) är fästa med var sin mutter mot det fasta maskinbordet. I motsatt ända går pelarna genom det ställbara bakre maskinbordet. Detta maskinbord kan flyttas horisontellt för att passa för den aktuella verktygshöjden (formhöjden).

Mellan det fasta främre och det bakre bordet manövreras hydrauliskt ett rörligt maskinbord, vilket styrs av de fyra horisontella pelarna. På det rörliga och det fasta maskinbordet monteras formverktygets båda formhalvor. Tyngden hos det rörliga maskinbordet och den rörliga formhalvan bärs upp av glidskor som med låg friktion rör sig utmed glidbanorna ovanpå maskinstativet.

Avståndet mellan pelarna har viss betydelse för hur stora verktyg och detaljer som kan gjutas i maskinen.
I vissa fall används formar som är bredare än det tillgängliga avståndet mellan pelarna. För att montera dessa formar krävs att minst en pelare kan tas bort, s k pelardragning, vilket kan ske antingen manuellt eller automatiskt. Vid drift måste alla pelare justeras så att de får samma dragspänning. Moderna maskiner har sensorer för att övervaka/justera den kraft som varje pelare bär upp, vilken kan behöva justeras under drift för att kompensera för den termiska utvidgningen hos olika verktygs- och maskindelar .

Animerad video som visar uppbyggnaden av en kallkammarmaskin:

Gjutförloppet i en kallkammarmaskin kan översiktligt sammanfattas enligt följande, se även figur nedan: 

Fas 1   Verktyget är stängt, eventuella kärnor är i position, skottkolven är i sin bakre startposition, metall fylls i fyllkammaren, skottkolven påbörjar sin rörelse och blockerar påfyllningshålet. Inledningsvis är kolvrörelsen långsam, typiskt 0,2 m/s, för att undvika att metall sprutar ut ur påfyllningshålet. Därefter accelererar kolven strax innan metallfronten når ingötet till formhåligheten (kaviteten).

Fas 2:  Formfyllning. När metallfronten når ingötet ökar kolvhastigheten till ca 2 - 5 m/s (i vissa fall ännu högre) för att uppnå en snabb formfyllning.  När hela formen är fylld aktiveras eftermatningsfasen vilken innebär att skottkolven komprimerar smältan för att dels kompensera för metallens stelningskrympning, dels komprimera de luft- och gasblåsor som kan finnas i detaljen.

Fas 3:  Skottkolven återgår till sin startposition, kärnor dras ur detaljen.

Fas 4:  Utstötningsenheten aktiveras och detaljen tas ut ur verktyget.

Figur över arbetsfaserna i en kallkammarmaskin

Kallkammarmaskinens skottenhet

Skotteenheten är det i särklass mest komplexa systemet i en kallkammarmaskin. Uppgiften för skottenheten är att injicera den smälta metallen in i formen under kalkylerade förhållanden. Det innebär bland annat ett behov av exakt kontroll av kolvens rörelse och kraft. De faktiska värdena för alla dessa funktioner bestäms bland annat av detaljens geometri, verktygets konstruktion och legeringen.  Flertalet av dessa värden kan beräknas i förväg, men kan behöva justeras genom provgjutningar under inkörningen av verktyget.

Nyare maskiner med mer avancerad hydraulik och övervakningssystem tillåter att positioner och hastigheter ställs in via en kontrollpanel. Panelen kan också visa för operatören hur maskinen utfört varje enskilt skott. Registrerade processdata kan sändas till en central styrdator och övervakas av underhållspersonalen. Processdata kan också användas för att intyga att det aktuella gjutgodset har gjutits enligt givna specifikationer, exempelvis måste formfyllningen och eftermatningen ske enligt fastställda tider och tryck. Det innebär att de ingående delarna i skottenheten, det vill säga skottkolven och styrsystemet, har som uppgift att se till att skottkolven rör sig med den hastighet och det tryck som beräknats för den aktuella komponenten. De primära mekaniska kraven på skottenheten är att skapa en helt rak och linjär kolvrörelse i fyllkammaren. Om denna rörelsen inte är linjär kommer kolven att kärva i fyllkammaren, vilket resulterar i felaktig kolvhastighet, sänkt metalltryck och hög förslitning på kolv och fyllkammare. Skottkolven måste kylas med vatten eftersom den är i direkt kontakt med den smälta metallen. Vid tidpunkten då hålrummet i verktyget är fullständigt fyllt med smält metall sker en mycket kraftig och snabb uppbromsning av skottkolven och det bakomliggande hydraulsystemet. Rörelseenergin övergår då i en mycket hög och kortvarig tryckstöt i det hydrauliska systemet och i den smälta metallen. Denna tryckstöt kan vara två till fyra gånger högre än det normala systemtrycket. Eftersom metallen är helt smält, påverkas hela verktygsytan. Maskinens låskraft måste då vara tillräcklig hög för att hålla kvar den smälta metallen i verktyget utan att detta delar sig och metall sprutar ut mellan formhalvorna och bildar grader på den gjutna detaljen.

Många, troligtvis de flesta, moderna maskiner har vad som är känt som “low impact systems” eller ”flash control”.  Syftet med dessa system är att de precis innan formrummet är helt fyllt med smält metall, bromsar in kolvens rörelse så att det inte uppstår en kraftig tryckstöt när hela formen är fylld. På så sätt minskas risken för så kallade partgrader på detaljen, vilket dels ger en ökad dimensionsnoggranhet, dels minskar det efterföljande rensningsarbetet. Funktionen är också en viktig säkerhetsåtgärd då den minskar risken för utsprutande metall. När ”low impact”-systemet fungerar som avsett  kan man dessutom tillverka gjutgods med större sprängyta än vad maskinens låskraft egentligen räcker till för. Tjockväggiga komponenter som kan gjutas med relativt låg kolvhastighet har inte lika stor nytta av denna funktion, men för detaljer med tunna sektioner som kräver höga kolvhastigheter är denna funktion mycket användbar. Tidpunkten för aktivering av ”low impact” är kritisk. Det intervall där kolvens inbromsning måste börja är mycket kort, samtidigt som kolven rör sig med en relativt hög hastighet, ofta flera meter per sekund. För att systemet ska fungera på rätt sätt måste också mängden smält metall doseras med hög noggrannhet. Variationer i mängden smält metall påverkar systemet. Till exempel så kan en för stor metallmängd resultera i en för sen aktivering vilket resulterar i en tryckstöt med risk för metallsprut, medan en för liten metallmängd aktiverar systemet för tidigt med risk för kallflytning då formen fylls för långsamt. När verktyget har fyllts med smält metall, är skottenhetens uppgift att applicera ett reglerat eftermatningstryck på metallen. Syftet är att tvinga ytterligare smält eller halvfast metall in i håligheten eftersom den metall som finns i håligheten stelnar och därmed krymper. Krympningen resulterar i porositeter i gjutgodset om inte ny smält metall tillförs för att kompensera att metallen krymper. Kraften från skottkolven skapar ett tryck i den smälta metallen som driver fortsatt smält metall via ingjutsystemet in i formen. Stelnade metallskal, exempelvis från tabletten, kan bromsa upp kolvens rörelse och minskar det överförda trycket till detaljen. Därför aktiveras en multiplikator i skottenheten, vilken ökar eftermatningstrycket till en så hög nivå att dessa stelnade skal bryts sönder och kolven kan fortsätta sin rörelse framåt. Därmed kan man också eftermata smält metall in i formen för att kompensera stelningskrympningen samt komprimera eventuella gas- eller luftinneslutningar.  Om eftermatningstrycket appliceras för tidigt efter att hela formrummet fyllts med smält metall finns en risk att metall sprutar ut i verktygets delningsplan. Om eftermatningstrycket appliceras för sent finns en risk att ingjutsystemet och inloppet till detaljen redan stelnad vilket innebär att smält metall inte längre kan matas in i detaljen för att kompensera stelningskrympningen och trycka ihop blåsor i metallen. Detta innebär att tidpunkten när eftermatningstrycket skall appliceras är en mycket kritisk processparameter.  Hos kallkammarmaskiner är kolvens rörelse under eftermatningsfasen en mycket god indikator på hur väl eftermatningen fungerar. Om kolven inte rör sig så har ingen smälta eftermatats in i håligheten för att kompensera för stelningskrympningen och komprimera eventuella blåsor.  Om skottkolven rör sig oväntat mycket under eftermatningsfasen kan detta vara en indikation på att eftermatningen aktiverades för tidigt och att metall därför sprutat ut i verktygets delningsplan.

 

För- och nackdelar med kallkammargjutning jämfört med varmkammargjutning

Fördelar:

  • Stor flexibilitet avseende godsvikt; från några gram upp till cirka 75 kg.
  • Går att använda för alla relevanta legeringar: aluminium, magnesium, mässing och zink
  • Ger under optimala förutsättningar så porfritt gods att det kan svetsas och värmebehandlas
  • Mycket hög dimensionsnoggrannhet
  • Ny teknik för användning av engångskärnor under utveckling

Nackdelar:

  • Längre cykeltid för jämförbar komponent
  • Ökad risk för luft- och gasporositeter
  • Symetriska ingjutsystem kräver särskilda åtgärder (3-platteverktyg)

 

Ytterligare animation som visar processen för kallkammargjutning:

4665