DE10034641A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gegossenen Werkstücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von gegossenen Werkstücken aus Werkstoffen mit stark unterschiedlicher Dichte in verlorenen oder wiederverwendbaren Hohlformen. DOLLAR A Ein Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Befüllung von zumindest zwei oder mehr bisher üblicher Hohlformen, weitgehend ohne Kompensation einer Unwucht durch geeignete Anordnung meherer etwa massegleicher Hohlformen um eine gemeinsame Rotationsachse und Verwendung von geeignet modifizierten Gußtiegeln. DOLLAR A Ein weiteres Verfahren ermöglicht die Herstellung einer neuartigen axialsymmetrischen Hohlform, in der eine Eingußmulde in Form einer Scheibe parallel zur Hauptträgheits- und Rotationsachse eingearbeitet ist. Damit können unter besserer Raumausnutzung mehr Gußnester gleichzeitig befüllt werden. Durch die kompaktere Form und geringerem Trägheitsmoment sind höhere Drehzahlen möglich, so daß auch Werkstoffe mit geringer Dichte, wie z. B. Titan in hoher Qualität problemlos verarbeitet werden können. Konstruktionstechnische Maßnahmen zur Unwuchtkompensation entfallen weitgehend, da die Gußnester achsensymmetrisch radial zur Rotationsachse geeignet an die Eingußöffnung angebracht werden. Der Vorteil, daß flüssige Werkstoffe unabhängig von ihrer Dichte verarbeitet werden können, wird durch die Möglichkeit, die Rotationsgeschwindigkeit dem vergossenen Werkstoff anzupassen noch verstärkt.

Description

Die Erfindung betrifft verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von gegossenen Werkstücken aus unterschiedlichen Werkstoffen in verlorene oder wiederverwendbare Hohlformen. Gegossene Werkstücke finden in nahezu allen technischen Bereichen, z. B. Schmuckherstellung, Werkzeuge oder Zahnersatz Anwendung. Insbesondere betrifft die Erfindung den Feinguß von Werkstücken.

Üblicherweise werden Gießverfahren dort angewandt, bei denen einzelne unregelmäßig geformte Objekte oder große Stückzahlen hergestellt werden sollen. Dabei wird ein flüssiger Werkstoff, je nach dessen Dichte unter der eigenen Gewichtskraft, unter Druck mit einem Treibmittel oder unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft in eine geeignete Hohlform gefüllt.

Eine wesentliche Voraussetzung für das Gießen von Werkstücken aus Metall ist ein möglichst geringer Temperaturverlust während des Gußvorganges, damit die Schmelze dabei wegen der hohen Temperaturdifferenz zur Umgebung keine nachteilige Veränderung des flüssigen Aggregatzustandes erleidet. Problematisch ist dabei der Abstand vom Schmelztiegel zur Hohlform, der mittels möglichst kurz gehaltener Gußkanäle überbrückt wird.

Besonders bei den Werkstoffen mit geringer Dichte ist die eigene Gewichtskraft in der Regel nicht ausreichend, um die zu befüllende Form hinreichend schnell auszufüllen. Eine zusätzliche Schwierigkeit ist auch die große Abkühlgeschwindigkeit bei Werkstoffen wie z. B. Titan, die bei hohen Temperaturen flüssig werden, da der Gußvorgang in sehr kurzer Zeit stattfinden muß.

Alternative Gußmethoden, wie z. B. Vakuum-Druckguß-Verfahren sind ebenfalls nicht uneingeschränkt für alle Werkstoffe anwendbar, da je nach Dichte und Oberflächenspannung des geschmolzenen Werkstoffes das Treibmittel in die Schmelze gelangen kann und die Gußqualität etwa durch Poren- oder Lunkerbildung beeinträchtigt, oder sogar die Gußobjekte kontaminieren kann.

Bei kleinen bis mittelgroßen Werkstücken kommt die Schleudergußtechnik zum Einsatz, bei der eine zu befüllende Hohlform in einem bestimmten Abstand radial zu einer Rotationsachse angebracht ist, so daß der zu gießende Werkstoff unter Einfluß der Zentrifugalkraft in die rotierende Hohlform gegossen wird. Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren die zu beschleunigende träge Masse des Systems, die insbesondere vom Abstand zwischen Rotationsachse und Hohlform abhängt, und des zu gießenden Werkstoffes aus, die, wie in Abb. 5 und 6 dargestellt, einen geeigneten mechanischen Aufbau zur Kompensation von Unwucht unter Berücksichtigung der Masse der Hohlform mit deren Halterung und der Dichte des zu gießenden Werkstoffes erfordern. Bedingt durch die mechanische Haltevorrichtung für die Hohlform kann konstruktionsbedingt ein gewisser minimaler Abstand von der Rotationsachse nicht unterschritten werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Trägheitsmoments des Gesamtsystems und zu einer damit verbundenen verlängerten Beschleunigungsphase der Vorrichtung. Insgesamt hat die größere zu überbrückende Distanz und die längere Beschleunigungsdauer besonders bei Werkstoffen mit geringer Wärmekapazität eine vorzeitige Abkühlung der Schmelze zur Folge.

Die hier vorgestellte Erfindung ermöglicht den Guß verschiedener Werkstoffe mit stark unterschiedlicher, insbesondere geringer Dichte, z. B. Titan, mit der selben Vorrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung resultieren insbesondere aus dem Ansatz, die zur Kompensation der Unwucht beim Schleudergußverfahren erforderliche Masse zu verringern oder gar zu eliminieren. Dies wird z. B. erreicht durch Ersatz der die Unwucht kompensierenden Masse, wie in Abb. 7 gezeigt, durch eine der eigentlichen Hohlform etwa massegleiche zweite Hohlform, so daß durch geeignete Gestaltung der Gußwege annähernd zeitgleich beide Hohlformen befüllt werden. Noch vorteilhafter gestaltet sich die Anordnung durch sukzessive, evtl. paarweise Erweiterung mit zusätzlichen, etwa massegleichen Hohlformen, wobei die Hohlformen, wie in Abb. 8 dargestellt, so um die Rotationsachse herum angeordnet werden, daß insgesamt ein Massenausgleich stattfindet und somit im wesentlichen keine Unwuchten entstehen.

Die bei diesem Konstruktionsansatz immer noch erforderliche justierbare Halterung für die Hohlformen wird entbehrlich, wenn von einzelnen diskreten Hohlformen auf eine derart gestaltete Hohlform übergegangen wird, die mehrere konzentrisch zur Rotationsachse angebrachte Gußobjekte aufnehmen kann. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß bei dieser Ausführungsform die Hohlform mit ihrem Massenmittelpunkt nicht mehr in einem bestimmten Abstand auf einer Umlaufbahn um die Rotationsachse rotiert, sondern die Rotationsachse zumindest ungefähr entlang der Hauptträgheitsachse der Hohlform erstreckt. Derartige Formen können dann in Vorrichtungen mit einem entsprechenden Antrieb derart konzentrisch befestigt und angetrieben werden, daß die Hohlform um ihre eigene Hauptträgheitsachse rotiert. Die Formnester in der Hohlform sind dabei vorzugsweise im wesentlichen rotationssymmetrisch um die Hauptträgheitsachse, bzw. um die Rotationsachse der Antriebsvorrichtung radial angeordnet. Wie in Abb. 9 dargestellt, wird durch geeignete symmetrische Anordnung der Gußwege und Gestaltung der Hohlform letztendlich der zur mechanischen Stabilität erforderliche Konstruktionsaufwand sowie der zur Kompensation der Unwucht notwendigen Arbeitsaufwand für die Justierung weitgehend überflüssig.

Herkömmliche Systeme sind in der Regel auf eine bestimmte Anwendung bezüglich Gußobjektgröße, Dichte des Werkstoffes etc. mit den Betriebsparametern wie z. B. Druckdifferenz oder Drehzahl optimiert.

Im Gegensatz dazu ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Dichte des verwendeten Gußwerkstoffes bezüglich Unwucht im wesentlichen irrelevant, so daß diese Vorrichtung für alle Arten von gießbaren Werkstoffen geeignet ist. Darüber hinaus kann die Zentrifugalbeschleunigung über die Rotationsgeschwindigkeit an den jeweiligen Werkstoff für den Gußvorgang individuell angepaßt werden.

Die Vermeidung des bisher konstruktionstechnisch erforderlichen mechanischen Aufwandes für die Kompensation der Unwucht resultiert in der nachhaltigen Reduzierung der zu beschleunigenden rotierenden Masse; dadurch werden auch höhere Drehzahlen erschlossen. Durch den erweiterten Drehzahlbereich ist eine Adaption an die Dichte des jeweiligen Werkstoffes möglich, so daß insbesondere Werkstoffe mit geringer Dichte, wie z. B. Titan, mit höheren Drehzahlen verarbeitbar sind.

Als wirtschaftlicher Vorteil ergibt sich durch die Anordnung der Gußobjekte eine bessere Ausnutzung des Hohlformvolumens und somit bei verlorenen Formen ein reduzierter Materialverbrauch, sowie eine höhere Gußqualität, da die Gußkanäle optimal radial zur Rotationsachse verlaufend angeordnet werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den bisher gebräuchlichen Hohlformen, wie in Abb. 4 dargestellt, läßt sich beispielsweise durch geringfügige Modifikationen bestehender Systeme realisieren, indem die vorhandene Kompensationsmasse durch eine Halterung für eine weitere Hohlform ersetzt wird und die Eingußmulde mit einer zweiten Austrittöffnung für die Schmelze versehen wird.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Aufnahme von n bisher gebräuchlichen Hohlformen in eine dafür hergestellte rotierende Haltevorrichtung, die jeweils um einen Drehwinkel von 360°/n voneinander befestigt sind und von einer Eingußmulde mit n Austrittsöffnungen für die Schmelze versorgt werden. In Abb. 8 ist eine derartige Anordnung mit n = 3 dargestellt.

Bei Auswahl der Vorrichtung mit durch den Masseschwerpunkt verlaufenden Rotationsachse entfällt das separate Befestigen einzelner Hohlformen und die Verwendung einer separaten Eingußmulde. Im Gegensatz zu den bisherigen Hohlformen werden bei dieser Ausführungsform die Gußkanäle zu den einzelnen Gußkammern nicht an einzelne sogenannte Gußtrichterformer geführt, sondern das Zentrum der neuen Hohlform selbst als rotationssymmetrische Eingußmulde, beispielsweise in Form einer Scheibe oder eines Diskus ausgeführt, an dessen Rand, wie in Abb. 9 dargestellt, die Gußkanäle zu den einzelnen Formnestern beginnen.

Als materialsparende Alternative bietet sich z. B. eine ovalförmige Gestaltung der Hohlform gemäß Abb. 10 an, die insbesondere bei nicht vollständiger Ausnutzung der möglichen Gußobjekte angewandt werden kann.

Durch den Übergang zu einer rotationssymmetrischen Eingußmulde, beispielsweise in Form eines Diskus, erübrigen sich Gußtrichterformer für einzelne Gußkanäle. Die rotationssymmetrische Eingußmulde kann beispielsweise bei der Herstellung von wiederverwendbaren Hohlformen eingearbeitet werden oder bei der Herstellung von verlorenen Hohlformen z. B. aus einem elastischen Material, welches vor dem Guß entfernt wird, hergestellt werden. Bei der Modellation der Gußobjekte aus geeigneten austreibbaren Formmaterialien, z. B. Wachs, kann das Volumen für die Eingußmulde ebenfalls aus dem gleichen Werkstoff modelliert werden, da dann beim Austreiben der Modellation aus der Hohlform die so gestaltete Eingußmulde in einem Arbeitsgang mit erzeugt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf dem Eingußmuldenformer ein leicht konischer Aufsatz gem. Abb. 9 angebracht wird, da die flüssige Schmelze unter Einfluß der Zentrifugalkraft nicht an der Wandung der Eingußmulde hochfließen kann, sondern bis zur vollständigen Befüllung der Hohlformen im Bereich der Gußkanäle verbleibt.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von gegossenen Werkstücken nach dem Schleudergußverfahren unter Verwendung üblicher wiederverwendbarer Hohlformen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Hohlformen gleichzeitig befüllt werden, die jeweils in einem bestimmten Abstand um eine gemeinsame Rotationsachse rotieren.

2. Verfahren zur Herstellung von gegossenen Werkstücken nach dem Schleudergußverfahren unter Verwendung üblicher verlorener Hohlformen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Hohlformen gleichzeitig befüllt werden, die jeweils in einem bestimmten Abstand um eine gemeinsame Rotationsachse rotieren.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Anzahl von n Hohlformen zur Kompensation von Unwucht gleichmäßig um einen Drehwinkel von etwa 360°/n versetzt angeordnet werden.

4. Drehbare Vorrichtung zur Aufnahme der Hohlformen nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese gemäß Anspruch 3 aufgenommen werden.

5. Schmelztiegel, dadurch gekennzeichnet, daß n Ausflußöffnungen zum Befüllen von Hohlformen gleichmäßig rotationssymmetrisch um 360°/n eingearbeitet sind.

6. Eingußmulde, dadurch gekennzeichnet, daß n Ausflußöffnungen zum Befüllen von Hohlformen gleichmäßig rotationssymmetrisch um 360°/n eingearbeitet sind.

7. Eingußmuldenformer zur Herstellung von rotationssymmetrischen Öffnungen in Form einer Scheibe zum Befüllen von Hohlformen über daran angebrachte Gußkanäle.

8. Konischer Zusatz zum Eingußmuldenformer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Konus nach oben verjüngt, um ein Überschwappen des Gußwerkstoffes zu unterbinden.

9. Eingußmuldenformer nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß Eingußmuldenformer nach Anspruch 7 und konischer Zusatz nach Anspruch 8 eine Einheit bilden können.

10. Hohlform zur Herstellung von Eingußmuldenformen nach Ansprüchen 7, 8 und 9 aus einem thermisch, chemisch oder einem anderen geeigneten Verfahren austreibbaren Werkstoff.

11. Verfahren zur Herstellung insbesondere von verlorenen Hohlgußformen, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingußmulde insbesondere mit einem Eingußmuldenformer nach Ansprüchen 7, 8, 9 oder 10 im wesentlichen entlang der Hauptträgheitsachse der Form eingearbeitet ist.

12. Vorrichtung zur Herstellung insbesondere von verlorenen Hohlgußformen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingußmuldenformer nach Ansprüchen 7, 8, 9 oder 10 in einer Halterung zentrisch fixiert achsenparallel zur Hauptträgheitsachse der fertigen Hohlgußform ausgerichtet ist.

13. Wiederverwendbare oder verlorene Hohlgußform, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingußmulde im wesentlichen entlang der Hauptträgheitsachse der Form eingearbeitet ist.

14. Hohlgußform nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gußobjekte über verschiedene, radial an der Eingußmulde eingearbeitete Gußkanäle gleichzeitig gegossen werden können.

15. Drehbare Vorrichtung zur Aufnahme von Hohlgußformen nach Ansprüchen 12, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlgußformen konzentrisch zur Drehachse aufgenommen werden können.

16. Drehbare Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl entsprechend der verwendeten Hohlform und des zu vergießenden Werkstoffes einstellbar ist.

17. Drehbare Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Drehzahl auch automatisiert erfolgen kann.

18. Anwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 17 zur Herstellung von Gußobjekten.