DE10014744A1 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezweckt eine höhere Wirtschaftlichkeit und einen beschleunigten Arbeitsablauf bei der Herstellung von Zwischenformen, die zur Produktion einer metallischen Hohlform spanend bearbeitet werden und die neben der formbestimmenden Innenkontur funktionale Hohlräume zum Beispiel für die Kühlung enthalten. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die Geometriedaten der metallischen Hohlform mit Hilfe einer geeigneten Computersoftware in Form von 3-D-CAD-Daten erfasst und mittels Software zu den einer negativen Zwischenform (2) entsprechenden CNC Bearbeitungsdaten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen von Formstoff generiert. Die Negativform wird in mindestens zwei blockförmige die formbestimmende Innenkontur (15) aufweisende Halbschalen (4, 5) zerlegt und mit einem oder mehreren Formkernen für die Hohlräume versehen. DOLLAR A Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft die Herstellung von dreidimensionalen metallischen Hohlformen zur Anfertigung von Formteilen, zum Beispiel Dauerformen, Druckgußformen und Gesenke.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Hohlformen zur Anfertigung von Formteilen, zum Beispiel Dauerformen, Druckgußformen und Gesenke, durch Feinbearbeitung der formbestimmenden Innenkontur auf einer Werkzeugmaschine, zum Beispiel durch Hochgeschwindigkeitsfräsen, wobei mittels Abguss Zwischenformen hergestellt werden, die ein geringes Aufmaß für die Bearbeitung in einer annähernd äquidistanten Materialschicht aufweisen, wobei die Hohlformen neben der formbestimmenden Innenkontur funktionale Hohlräume zum Beispiel für die Kühlung enthalten.

Ein derartiges Verfahren wurde bereits in der DE 197 07 906 C2 vorgeschlagen. Anhand der Geometriedaten eines Rohteils werden die Geometriedaten der Druckgußform als räumliches Negativ des Rohteils ermittelt. Im Bereich der konturbildenden Teile werden die Geometriedaten der Druckgußform durch ein zusätzliches Aufmaß modifiziert, um auf einem nachfolgenden Abguss einer Zwischenform die Ausbildung einer äquidistanten Materialschicht zu gewährleisten. Die Zwischenform wird in einer Laser-Sinteranlage hergestellt und für den Abguss vorbereitet. Der Gußrohling weist die Kontur der Druckgießform und eine etwa äquidistante Materialschicht auf, die mittels Hochgeschwindigkeitsfräsen auf Endmaß und erforderliche Oberflächenqualität bearbeitet wird.

Nachteilig ist bei dem beschriebenen Verfahren, daß das Herstellen einer Gießform für die Zwischenform mit einer Laser-Sinteranlage schichtweise in der sogenannten Layertechnik vorgenommen wird, was vergleichsweise aufwendig ist. Beim Lasersintern können nur sehr geringe Schichtstärken gesintert werden, was einen großen Zeitaufwand erfordert. In der Hauptsache jedoch ist das Verfahren nur für Formen mit kleinen Abmessungen einsetzbar, weil der Arbeitsraum einer Laser-Sinteranlage begrenzt ist. Wenn Gießformen in größeren Abmessungen gefordert werden, müssen komplette Formen aus lasergesinterten Einzelteilen zusammengefügt werden, wodurch Probleme bei der Genauigkeit und Fügetoleranzen entstehen können.

In der DE 195 28 215 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Gießformen beschrieben, bei dem mit der Layertechnik abwechselnd Werkstoffmaterial aufgetragen und mechanisch bearbeitet wird. Das schichtweise aufgetragene Material soll beispielsweise durch Wärme, Strahlung oder mechanische Verfahren nach dem Auslegen schnell verfestigt und nachfolgend mechanisch bearbeitet werden. Als Materialien sollen nahezu alle Materialien in Frage kommen, die sich auslegen lassen, zum Beispiel durch Walzen, Rollen, Gießen, Spritzen, Auftragsverfahren wie Auftragsschweissen, Beschichtungsverfahren, Wischen, Aufstreichen und Drucken. Anschließend muß sinnentsprechend der Beschreibung jede Schicht einzeln abgetragen werden. Als Abtragmethoden werden alle mechanische Verfahren wie Fräsen, Schleifen, Hobeln, physikalische oder chemische Verfahren wie Ätzen vorgeschlagen. Ein derartiges Verfahren besitzt den Nachteil, daß nach dem Auftragen jede Werkstoffschicht anschließend einzeln bearbeitet werden muß, um die formgebenden Hohlräume zu erzeugen. Der Einsatz einer Laser-Sinteranlage ist auf diese Weise technisch und aus wirtschaftlichen Gründen nicht realisierbar.

Ein weiteres Layerverfahren zum Herstellen von Modellen, bei dem filigrane Geometrien mit extremen Vertiefungen und schmalen Stegen hergestellt werden, ist in der EP 864 121 B1 beschrieben. Im Gegensatz zum Fräsen aus einen Block werden die Formen hier in Schichten von 5 bis 50 Millimetern aufgebaut. Für den Aufbau einer einzelnen Schicht ist ein Handling -System vorgesehen, das sich eine Platte aus einem Plattenmagazin holt, die mit der vorangehenden Platte verklebt werden muß. Die Platten werden in einer automatischen Klebestation verklebt. Jede neue Platte wird mit einem kurzen Standardfräser mit einer Hochfrequenzspindel bearbeitet. Tiefere Kluften werden auf diese Weise in bearbeitbare Layer aufgeteilt. Die Fertigung erfolgt daher nach der Schichtmethode, bei der das Werkstück sukzessive aus plattenförmigen Materialschichten mit gleicher oder variabler Schichtdicke zusammengesetzt wird. Die Schichtdicke wird dabei so gewählt, dass in jeder Schicht an den zu bearbeitenden Stellen eine für einen Fräsvorgang ausreichende Materialstärke stehenbleibt. Das Verfahren ist zur Fräsbearbeitung komplizierter dreidimensionaler Werkstück, beispielsweise von Gießformen oder Erodierelektroden, bestimmt.

Bekannt ist außerdem aus der DE 43 40 646 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Prototypen, bei dem die Geometriedaten eines Produktes in Layer unterschiedlicher Dicke zerlegt werden. Die Schnittebenen werden derart gewählt, daß plattenförmige Werkstoffe in zwei Aufspannungen hinterschnittfrei bearbeitet werden können. Die Platten werden aus Rohlingen geeigneter Dicke hergestellt und nach dem Bearbeiten zu einem fertigen Werkstück mit Hilfe einer Fügepresse zusammengefügt. Für die Herstellung von metallischen Hohlformen kann aus der Beschreibung keine Anregung entnommen werden.

Die nach dem Stand der Technik beschriebenen, auf der Layertechnik basierenden Verfahren, haben den Nachteil gemeinsam, daß der Aufbau der Schichten und die im Verfahrensablauf zeitlich dazwischen liegende mechanische Bearbeitung zeitaufwendig und unwirtschaftlich ist. Die Erfindung bezweckt eine höhere Wirtschaftlichkeit und den Arbeitsablauf bei der Herstellung von Zwischenformen zu beschleunigen, die durch spanende Bearbeitung bis zur Herstellung der Gießform aus Metall bearbeitet werden.

Diese Aufgabe der Herstellung einer Zwischenformen, die ein geringes Aufmaß für die Feinbearbeitung in einer annähernd äquidistanten Materialschicht enthält, wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Durch die Aufteilung der Geometriedaten der metallischen Hohlform mit Hilfe einer geeigneten Computersoftware in Form von 3D-CAD-Daten zu einer Negativform in mindestens zwei blockförmige die formbestimmende Innenkontur aufweisende Halbschalen wird die Wirtschaftlichkeit durch Senkung der Maschinenkosten bei der Herstellung von metallischen Hohlformen gegenüber den bekannten Verfahren erheblich verbessert. Gleichzeitig ist die Genauigkeit bei großen Hohlformen wesentlich größer. Da beim Lasersintern aus verfahrensbedingten Gründen die Größe der Gießform begrenzt ist, müssen bei Hohlformen mit großen Abmessungen mehrere mit Fehlertoleranzen behaftete Segmente aneinandergereiht werden, wodurch Probleme bei der Genauigkeit bedingt sind. Beim Zusammenbau von Segmenten oder bei der Layertechnik kann die Zwischenform durch einen Versatz der Konturen eine Gestaltabweichung aufweisen, die einen größeren Aufwand bei der nachfolgenden spanenden Bearbeitung oder ein unbrauchbares Gußteil zur Folge hat. Diese Nachteile werden mit dem vorgeschlagenen Verfahren sicher vermieden.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die durch die Geometriedaten im Fräsprogramm vorgegebenen Strukturen im Bereich der formbestimmenden Innenkontur der Hohlform integriert und mit einem entsprechenden Aufmaß modifiziert werden. Der zeitliche Aufwand für die Zwischenform kann erheblich gesenkt werden, wenn die in dem Fräsprogramm enthaltenen Geometriedaten für die Zwischenform bis auf das Aufmaß geglättet werden. Erst bei der anschließend erforderlichen Fertigbearbeitung der Gravur der Hohlform wird das vollständige Fräsprogramm eingesetzt. Die Innenkontur der Hohlform kann auf diese Weise zunächst unter Berücksichtigung des Aufmaßes im Groben hergestellt werden. Es können Schruppwerkzeuge eingesetzt werden, die wesentlich schneller als Layerverfahren oder Lasersintern sind.

Die Integration der Geometriedaten soll jedoch nicht lediglich auf die Glättung feiner Konturen auf gröbere Konturen eingeschränkt werden. Vielmehr ist es nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig, wenn die formbestimmenden Konturen der Zwischenform zunächst mittels Schruppwerkzeugen großvolumig ausgeräumt und danach die integrierten Strukturen mit Kernmarken zum Einlegen von Kernen versehen werden.

Um die Hohlräume in der Hohlform herzustellen werden Formkerne benutzt, die beim Gießen der Zwischenform umgossen werden. Zweckmäßig können bekannte Verfahren zur Herstellung von Kernen eingesetzt und insbesondere Kernpakete gebildet werden. Die Formkerne können ein heiß oder kalt härtbares Bindersystem aufweisen, das nach dem Erstarren des Gußstücks leicht aus dem Hohlraum zu entfernen ist. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kühlkanal durch Umgießen eines rohrförmigen Formkern aus einem einschweißenden oder nichteinchweißenden Metall erzeugt. Der rohrförmige Formkern aus Metall besitzt gegenüber einem mit einem Bindemittel hergestellten Formkern eine hohe Festigkeit, so daß dieser lediglich an seinen Enden gehalten werden muß. Es entfallen damit Kernnägel oder Kernstützen, welche die Standfestigkeit einer metallischen Hohlform negativ beeinflussen können. Die Kühlkanäle können dadurch besonders klein und konturengerecht ausgebildet werden, was im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden soll.

In den zu dem Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen zeigt,

Fig. 1 eine Gießform für das Herstellen einer Zwischenform,

Fig. 2 das Oberteil einer metallischen Hohlform und

Fig. 3 eine Gießform für das Herstellen einer Zwischenform für die Hohlform nach Fig. 2 in schematischer Darstellung.

Um die Geometrie für eine in Fig. 1 stark schematisiert dargestellte Gießform 1 für die Zwischenform 2 einer dreidimensionale metallische Hohlform erzeugen zu können, wird für die Sollgeometrie anhand der CAD-Daten der Hohlform ein Fräsprogramm mit Hilfe einer automatischen dreidimensionalen Frässoftware für ein bestimmtes Werkzeug erstellt.

Dieses Fräsprogramm wird in die numerische Steuerung einer Werkzeugmaschine geladen, die für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung vorgesehen ist. Das Fräsprogramm enthält die durch spanende Bearbeitung zu erzeugende formbestimmende Innenkontur 15 der Hohlform. Innerhalb dieses Systems wird die Geometrie berechnet, die bei der Ausführung des Fräsprogramms mit dem entsprechenden Werkzeug unter Berücksichtigung der Innenkontur 15 mit dem kleinsten Innenradius der Hohlform entsteht. Damit ist das Fräsprogramm für die abschließende Feinbearbeitung der metallischen Hohlform geeignet. Für die mechanische Endbearbeitung der Hohlform mit einem zerspanenden Verfahren mit definierter Schneide hat sich das Hochgeschwindigkeitsfräsverfahren (HSC) als vorteilhaft erwiesen. Für die Durchführung dieses Verfahrensschrittes wird vorzugsweise das CNC-Programm verwendet, das die Frässoftware auf Basis vorliegender CAD-Daten erstellt hat.

Durch Integration wird die Innenkontur 15 der Zwischenform 2 vergröbert, so daß die Bearbeitung einem Schruppvorgang entsprechen kann. Die spanende Bearbeitung der formbestimmenden Innenkontur 15 kann auf einer Werkzeugmaschine vorgenommen werden. Die Werkzeugmaschine kann insbesondere ein Fräsbearbeitungszentrum, eine CNC- gesteuerte Schleifmaschine, Fräsmaschine, Bohrwerk oder u. a. eine portalgestützte Bearbeitungseinheit enthalten.

Die Gießform 1 nach Fig. 1 für die Herstellung einer Zwischenform 2 wird aus zwei Formstoffblöcken gebildet, die mindestens eine obere Halbschale 4 und eine untere Halbschale 5 aufweisen. Für die Formstoffblöcke können bekannte tongebundene, kalthärtende oder warm - beziehungsweise heißhärtende Formstoffe in Betracht kommen, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen und für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder das Formstoff - Fräsen geeignet sind.

In die Halbschalen 4, 5 werden Kernmarken 6 eingefügt, die zur Aufnahme eines Sandkerns 7 dienen. Der Sandkern 7 wird beim Gießen von den flüssigen Metall umhüllt und ergibt einen funktionsbedingen Hohlraum 8 beispielsweise für die Kühlung. Das Herstellen der Sandkerne 7 erfolgt mit konventionellen Herstellungsverfahren mittels Kernkasten, Schablonen oder durch Lasersintern, wobei die Sandkerne 2 in Analogie zur Formherstellung als verlorene Sandkerne 7 hergestellt werden. Diese sind nur einmalig verwendbar und werden nach dem Abgießen zerstört. Durch die einmalige Verwendung kann fast jede Gestalt von Hohlräumen 8 in der Zwischenform 2 realisiert werden. Das Verfahren kann demgemäß nicht auf Sandkerne 7 eingeengt werden, vielmehr sind anstelle von Sandkernen 7 auch weitere bekannte Kerne einsetzbar, die nach dem Gießen verloren sind.

Sandkerne 7 werden mit einem heiß oder kalt härtbaren Bindersystem verfestigt, das die mechanische Verankerung der Sandkörner untereinander gewährleistet. Allgemein besitzen Sandkerne 7 und verlorene Kerne eine vergleichsweise geringe Festigkeit, wenn lange und schmale Kanäle ausgebildet werden sollen. Die schmalen Sandkerne 7 müssen in der Gießform 1 durch Kernstützen und Kernnägel festgehalten werden, damit sie beim Gießen nicht ihre Lage verändern oder zerstört werden. Aus den gleichen Gründen ist der lichte Durchmesser der mit Sandkernen 7 gefertigten Kanäle aus fertigungstechnischen Gründen meist größer als erforderlich.

Um bei einem in Fig. 2 gezeigten Kokillendorn 11 einen konturennahen Kühlkanal 9 auszubilden, wird ein rohrförmiger Kanalformkern 12 aus Metall vorgesehen, der beim Gießen in das flüssige Metall vorzugsweise eingeschweißt wird. In dem in Fig. 3 gezeigten oberen Gießformteil 13 ist der Kanalformkern 12 aus Metall lediglich an seinen Enden gehalten, so daß auf zusätzliche Befestigungseinrichtungen beim Umgießen verzichtet werden kann. Durch den mit dem Kanalformkern 12 gebildeten konturennahen Kühlkanal 9 ist eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Kokillendorn 11 und damit eine hohe Wärmestandfestigkeit der Kokille gewährleistet.

Außerdem weist die in Fig. 3 gezeigte Gießform 1 in dem unteren Gießformteil 14 eine integrierte Innenkontur 17 auf, bei der die CNC Bearbeitungsdaten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen auf einen konventionellen Schruppvorgang zusammengefaßt sind. Das Fertigstellen der Gießform 1 erfolgt mit feinbearbeiteten Einlegekernen 16, welche die formbestimmende Innenkontur 15 enthalten und entsprechend dem Aufmaß 3 für die Zwischenform 2 in einem separaten Arbeitsgang angefertigt worden sind. Auf diese Weise können die Geometriedaten im Fräsprogramm für die Zwischenform 2 zugunsten einer wirtschaftlichen Arbeitsweise erheblich vereinfacht werden. Das Fräsprogramm für die Zwischenform 2 kann damit wesentlich beschleunigt und die Fertigungszeit für die Herstellung geometrisch komplizierte Teile gesenkt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Hohlformen zur Anfertigung von Formteilen, zum Beispiel Dauerformen, Druckgußformen und Gesenke, durch Feinbearbeitung der formbestimmenden Innenkontur auf einer Werkzeugmaschine, zum Beispiel durch Hochgeschwindigkeitsfräsen, wobei mittels Abguss Zwischenformen hergestellt werden, die ein geringes Aufmaß für die Bearbeitung in einer annähernd äquidistanten Materialschicht aufweisen und wobei die Hohlformen neben der formbestimmenden Innenkontur funktionale Hohlräume zum Beispiel für die Kühlung enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometriedaten der metallischen Hohlform mit Hilfe einer geeigneten Computersoftware in Form von 3D-CAD-Daten erfasst und mittels Software zu den einer negativen Zwischenform (2) entsprechenden CNC Bearbeitungsdaten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen von Formstoff generiert werden, wobei die Negativform in mindestens zwei blockförmige die formbestimmende Innenkontur (15) aufweisende Halbschalen (4, 5) zerlegt und mit einem oder mehreren Formkernen für die Hohlräume versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Geometriedaten im Fräsprogramm vorgegebenen Strukturen im Bereich der formbestimmenden Innenkontur (15) der Hohlform mit einem entsprechenden Aufmaß (3) modifiziert werden.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1) mit einer integrierten Innenkontur (17) mit Kernmarken (6) zum Einlegen von Sandkernen (7) und/oder Einlegekernen (17) versehen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (8) durch Umgießen eines Sandkerns (7) erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandkerne (7) durch ein Kernpaket gebildet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sandkern (7) ein heiß oder kalt härtbares Bindersystem aufweist, das nach dem Erstarren des Gußstücks leicht aus dem Hohlraum (8) entfernt werden kann.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sandkern (7) unter Einsatz eines Layerverfahrens oder mit Hilfe einer Laser- Sinteranlage hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beispiel ein Kühlkanal (9) durch Umgießen eines rohrförmigen einschweißenden oder nichteinchweißenden Kanalformkerns (12) aus Metall erzeugt wird, wobei der Kanalformkern (12) lediglich an seinen Enden gehalten wird.