AT413657B - Verfahren zum herstellen von rad- gussfelgen aus leichtmetall mit zusätzlichen speisern - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren zur Herstellung von Rad- Gussfelgen aus Leichtmetall mittels des Niederdruck- Kokillengießverfahrens.

Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einem 5 Kokillenoberteil, einem Kokillenunterteil und Kernschiebern als Formteile.

Rad- Gussfelgen aus Leichtmetall werden weltweit fast ausschließlich mit dem kostengünstigen Niederdruck- Kokillengießverfahren hergestellt. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit wird generell eine Reduzierung der Gießtaktzeit und eine Verminderung der Ausschussquote durch io Verbesserung der Gussqualität angestrebt. Bei konventionellen Gießverfahren ist ein fehlerfreies Gussteil nur bei Einhaltung einer gerichteten Erstarrung zum Speisungspunkt realisierbar, wobei die Einhaltung der gerichteten Erstarrung oft nur mit verlängerter Gießtaktzeit erreicht werden kann. Bei ungünstigen geometrischen Gussteiledingungen wie z.B. größeren Materialanhäufungen ist eine gerichtete Erstarrung nur bedingt realisierbar, sodass ohne zusätzliche 15 Maßnahmen Gussfehler toleriert werden müssen.

Aus der GB225371 ist ein Gießverfahren zur Herstellung von Rad- Gussfelgen bekannt, bei dem durch Einsatz von Wasserkühlung im Kokillenunterteil und Luftkühlung im Kokillenoberteil eine gerichtete Erstarrung in Richtung Kokillenoberteil angestrebt wird, um an der Radsichtsei-20 te, die durch den Kokillenunterteil geformt wird, Erstarrungslunker und Mikroporosität zu vermeiden.

Weiters wird in der US5647426 ein Gießverfahren beschrieben, bei dem eine gerichtete Erstarrung im Felgenbett durch sich verjüngende Kokillenformteile und durch die Verwendung von 25 Kokillenmaterialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit angestrebt wird.

In der JP6277817 ist ferner ein Gießverfahren beschrieben, bei dem Erstarrungslunker und Mikroporosität bekämpft werden durch bewegliche Kokillenteile, mit denen Druck auf den erstarrenden Gussteil ausgeübt wird und dadurch eine zusätzliche Speisungswirkung angestrebt 30 wird. Bei der Anwendung dieses Verfahrens treten Probleme auf, da flüssiges Metall in die Spalte der beweglichen Teile eindringt und dies führt zu extremer Reibung bis hin zum Verreiben der Teile. Durch die sich mit fortschreitender Einsatzdauer der Kokille permanent verschlechternden Reibungsverhältnisse ist eine kontrollierte Nachspeisung bis zur vollständigen Bauteilerstarrung nicht realisierbar. 35

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Gießverfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem die Gießtaktzeit durch verstärktes Kühlen der Kokille mit einem Kühlmedium reduziert wird, wobei die dadurch hervorgerufenen Gussfehler Erstarrungslunker und Mikroporosität durch ein geeignetes Speisersystem vermieden werden. 40

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung wie in den Ansprüchen 1 und 6 definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Bei der erfindungsmäßigen Technik erfolgt somit die Stabilisierung der Gussqualität bei reduzierter Gießtaktzeit durch Anbringung von zusätzlichen 45 Speisern in der Kokille. Mit Hilfe dieser Speiser wird die Metallversorgung (Speisung) auch bei Nichteinhaltung der gerichteten Erstarrung in den dabei entstehenden Problembereichen der Gussteile bis zur vollständigen Erstarrung aufrechterhalten und somit die Entstehung von Erstarrungslunkern und Mikroporosität vermieden. so Durch den Einsatz intensiver Kühlung wird eine frühzeitige Erstarrung der Speichen beginnend an deren engsten Stelle, nahe der Anbindung zum Felgenbett, hervorgerufen. Sobald in diesen schmalen Bereichen die Erstarrung abgeschlossen ist, sind die noch flüssigen Bereiche im Felgenbett und den Speichenanbindungen vom Speisungspunkt im Nabenzentrum getrennt, und es erfolgt die Nachspeisung der fortschreitend erstarrenden Bereiche voneinander unab-55 hängig. 3

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Die Speichen und der Nabenbereich (Felgenstern) werden wie beim konventionellen Verfahren weiterhin über die im Nabenzentrum befindliche Verbindung zum Schmelzetiegel mit einem Metalldruck von ca. 1 bar gespeist. Die Speichenanbindungen und das Felgenbett werden über die Zusatzspeiser mit einem variabel einstellbaren Metalldruck gespeist. Durch den variabel 5 einstellbaren höheren Metalldruck erfolgt eine intensive Nachspeisung und somit eine weitgehende Vermeidung von Erstarrungsporosität. Die für ein fehlerfreies Gefüge erforderliche Höhe des Speisungsdruckes ist abhängig vom Schwierigkeitsgrad der Bauteile.

Die Positionierung der Speiser erfolgt bevorzugt in den Kernschiebern im Bereich des Felgen-io humps und jeweils an einer Speichenanbindung. An dieser Stelle befindet sich in der Regel die größte bauteil- und fertigungsbedingte Materialanhäufung. Durch die Materialanhäufung und die somit bestehende Wärmekonzentration wird sichergestellt, dass die Schmelze im Bereich der Speiser zuletzt erstarrt und somit die Speisungswirkung über die gesamte Erstarrungszeit der zu speisenden Felgenbereiche erhalten bleibt. Die Anzahl der benötigten Speiser ist abhängig 15 von der Speichenanzahl der Räder und beträgt zwischen 3 und 10 Stück. In besonderen Fällen können auch mehr als 10 Speichen bzw. Speiser vorhanden sein.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens erfolgt aus der Reduzierung der Gießtaktzeit. Durch die intensive Kühlung wird die Erstarrungsgeschwindigkeit des Metalls beschleunigt und dies wie-20 derum hat positive Auswirkungen auf das Dentritenwachstum im Gussgefüge und somit auch positive Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Gussteile.

Bei der erfindungsmäßigen Technik wird eine spezielle konstruktive Ausführung der Speiser verwendet. Anstelle eines bewegten Teiles wird eine verformbare Membran aus einem tempe-25 raturbeständigen und gegenüber der Aluminiumschmelze weitgehend chemisch resistentem Material verwendet. Die Membran wird auf der dem flüssigen Metall abgewandten Seite mit Druckgas beaufschlagt, und der Gasdruck wird über die verformbare Membran auf die Schmelze weitergeleitet. Mit zunehmendem Erstarrungsgrad erfolgt eine kontinuierliche Verformung der Membran bis zur vollständigen Erstarrung. Nach der Druckentlastung kehrt die Membran 30 mit Hilfe eines während der Verformung vorgespannten Federpaketes in die Ausgangsposition zurück. Durch die isolierende Wirkung der Membran und eines dahinter befindlichen zusätzlichen Isolierringes wird die Wärmeabfuhr an die Kokille weitgehend vermieden, sodass die im Bereich des Speisers befindliche Schmelze zuletzt erstarrt. 35 Als vereinfachte Form kann der oben angeführte Membran- Speiser ohne äußeren Druck betrieben werden. In diesem Fall erfolgt die Speisung durch die selbstsaugende Wirkung des erstarrenden Gefüges. Durch den sich bildenden Unterdrück wird flüssiges Metall an die Erstarrungsfront gesaugt und führt im Bereich des Speisers zur Entstehung einer Einfallstelle. Der Speisereinsatz mit verformbarer Membran wird durch einen beheizten Speisereinsatz mit starrer 40 Grenzfläche ersetzt. An der beheizten Grenzfläche wird die Wärmeabfuhr an die Kokille vollständig unterbunden und somit die Entstehung einer erstarrten Grenzschicht verhindert. Unter diesen Voraussetzungen bildet sich eine Einfallstelle, wobei das Volumen der sich ohne äußere Einwirkungen bildenden Einfallstelle dem erforderlichen Speisungsvolumen entspricht. Die Beheizung der Speiser erfolgt vorzugsweise durch elektrische Heizpatronen oder durch Minia-45 turgasbrenner, die unmittelbar hinter der starren Grenzfläche angebracht sind.

Die beheizten Speiser haben eine zusätzliche positive Auswirkung, da durch die Heizung eine für die Erstarrung des Felgenbettes günstigere Temperaturverteilung in den Kernschiebern entsteht. Die Differenz zwischen der Temperatur am oberen Ende der Kemschieber (Beginn der so Felgenbetterstarrung) und der Temperatur am unteren Ende der Kemschieber (Ende der Felgenbetterstarrung und Sitz der Heizquelle) wird deutlich erhöht, und dies fördert die gerichtete Erstarrung von oben nach unten und somit die Gussqualität.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung veranschaulichten, besonders 55 bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter 4

AT 413 657 B erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer teilweise aufgebrochenen Rad-Gussfelge;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Rad- Gussfelge samt Querschnitt der umgebenden Gießkokille; 5 Fig. 3 den Querschnitt eines Teils der Gießkokille mit Membran- Speiser;

In Fig. 1 ist eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht einer beispielhaften Rad-Gussfelge 1 bestehend aus einem Felgenbett 2, Speichen 3 mit Speichenanbindungsbereich 5 und einem Nabenbereich 4 gezeigt. Die Speichen 3 und der Nabenbereich 4 bilden zusammen io den Felgenstern.

Zur Formgebung der Rad- Gussfelge 1 setzt sich die hierfür verwendete Kokille gemäß Fig. 2 aus einem Kokillenoberteil 7, einem Kokillenunterteil 8 und seitlichen Kernschiebern 9 zusammen. Bevorzugt werden als Kernschieber 9 vier viertelkreisförmige Einzelteile verwendet, wel-15 che beim Schließen der Kokille radial nach innen bis zur Anlage im Kokillenoberteil 7 sowie Kokillenunterteil 8 verschoben werden. In den Kernschiebern 9 sind Bohrungen angebracht, in welchen Speiser 10 eingesetzt und von außen verschraubt sind.

Der Formfüllprozess erfolgt durch Zuführung von Leichtmetallschmelze von der Nabe 4 über die 20 Speichen 3 und anschließend zum Felgenbett 2. Der Erstarrungsverlauf erfolgt in umgekehrter Richtung. Dadurch wird sichergestellt, dass die bei der Erstarrung auftretende Materialschwindung von ca. 5% durch zusätzliche Schmelze aus dem Tiegel kompensiert werden kann. Sind jedoch im Erstarrungsverlauf unvermeidbare bauteilbedingte Materialanhäufungen 6 (s. Fig. 3) enthalten, so entsteht an diesen Stellen und auch in den vor- und nachgelagerten Bereichen 25 qualitätsmindernde Mikroporosität.

Nach oder bereits während der Formfüllung wird durch Aktivierung der Kokillenkühlungen 11 bzw. 12 im Oberteil 7 und im Unterteil 8 aktiviert, wobei als Kühlmedium bevorzugt Pressluft verwendet wird. Im Gegensatz zum konventionellen Gießverfahren, bei dem ein frühzeitiges 30 Erstarren der Speichen 3 durch konstruktive Maßnahmen (Materialzugabe) zu vermeiden ist, um die Speisung der vorgelagerten Bereiche Felgenbett 2 und Speichenanbindung 5 zu gewährleisten, wird nun gezielt die Erstarrung beschleunigt. Sobald die Verbindung zwischen Felgenbett 2 und Nabe 4 durch den erstarrten Bereich 3' zwischen den Kühlungen 11 und 12 unterbrochen ist, werden die Speiser 10 aktiviert. 35 Über eine Gaszuführung 13 wird Druckgas in den Speiser 10 geleitet, welches sich durch eine Bohrung in einen porösen wärmeisolierenden Stützring 14 ausbreitet und Druck auf eine verformbare Membran 15, 15' ausübt. Die verformbare Membran 15, 15' kann nun von der Ausgangsposition 15 bis zur Endposition 15' verformt werden, wobei das Volumen zwischen der 40 Ausgangsposition 15 und der Endposition 15' für die Speisung zur Verfügung steht. Während der Verformung der Membran 15, 15' wird das Federpaket 16 über eine mit der Membran verschweißte Zugstange 17 vorgespannt, dies ermöglicht somit ein Zurückkehren in die Ausgangsposition 15 nach erfolgter Druckentlastung. 45 Der poröse wärmeisolierende Stützring 14 verhindert eine Beanspruchung der Membran 15, 15' während der Formfüllung der Kokille und sorgt durch seine isolierende Wirkung dafür, dass die im Druckspeiserbereich befindliche Schmelze zuletzt erstarrt.

Beim beheizten Speiser wird die Membran 15, 15' durch eine ca. 5 mm dicke starre Scheibe so ersetzt. Anstelle des wärmeisolierenden Stützringes 14, der Zugstange 17 mit Federpaket 16 und der Gaszuführung 13 befindet sich eine zylindrische Heizpatrone, die Vorzugsweise als ohmsche Widerstansheizung ausgeführt wird. 55

Claims (8)

1. 5 AT 413 657 B Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen einer Rad- Gussfelge aus Leichtmetall mittels des Niederdruck-Kokillengießverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung der vorgelagerten 5 Felgenbereiche, wie z.B. das Felgenbett und die Speichenanbindung, unabhängig vom ört lichem Erstarren der Schmelze in den anderen Felgenbereichen, wie z.B. dem Felgenstern, mit zusätzlichen Speisern durchgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung in Speisungs- io bereiche vor der Aktivierung der Zusatzspeisung durch ein gezieltes und beschleunigt her beigeführtes Erstarren des Bereiches (3‘) der Speichenanbindung (5) zum Felgenbett (2) erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erstarren durch Kühlung 15 mit einem Kühlmedium, z.B. Luft im Kokillenoberteil und/ oder Kokillenunterteil erfolgt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spei-sungs- Druck durch eine mit Druckgas beaufschlagte verformbare Membran erzeugt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Speisung ohne äußeren Druck durch einen mittels Zusatzheizung beheizten Speiser erfolgt.
6. 6. Vorrichtung mit einem Kokillenoberteil (7), einem Kokillenunterteil (8) und Kernschiebern (9) als Formteile zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- 25 durch gekennzeichnet, dass in einem der Formteile, z.B. in den Kernschiebern (9), Speiser (10) angebracht sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Speisern (10) jeweils eine mit einem Druckmedium, z.B. Druckgas, beaufschlagte verformbare Membran (15) 30 aus einem hochwarmfesten Material zugeordnet ist, über die der Druck vom Druckmedium auf die Schmelze übertragen wird.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizung in einem der Formteile, z.B. in den Kernschiebern (9) durch elektrische Heizpatronen oder durch Mi- 35 niaturgasbrenner erfolgt. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 40 45 50 55