DE10158156A1

DE10158156A1 - Verfahren zur Herstellung von Druckgiessteilen und Giesseinrichtung

Info

Publication number: DE10158156A1
Application number: DE2001158156
Authority: DE
Inventors: Benno Niedermann
Original assignee: Buehler Druckguss AG
Current assignee: Buehler Druckguss AG
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2003-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckgießteilen, insbesondere von Felgen oder Rädern für Fahrzeuge, sowie eine Gießeinrichtung hierzu. DOLLAR A Um qualitativ hochwertige Felgen oder Räder herzustellen, werden die Ausgangswerte in einer Gießzelle stufenweise aufgeheizt und in halbfester Form in eine Druckgießmaschine überführt und zum Druckgießteil umgeformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckgiessteilen, insbesondere von Teilen aus Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffen. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Felgen oder Rädern für die Fahrzeugindustrie.
Felgen oder Räder für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, werden heute nach dem Niederdruckgiessverfahren aus Aluminiumwerkstoffen hergestellt. Dabei handelt es sich meist um einfach gesteuerte Niederdruckgiessmaschinen mit hohem manuellen Arbeitsanteil. Jede Maschine benötigt eine Bedienperson, die sowohl der hohen Temperaturen der Metallschmelze als auch der Abgase des Giessprozesses ausgesetzt ist. Die Entformung der gegossenen Teile ist aufwändig.
Viele Handoperationen beeinflussen die Teilequalität und die Zykluszeit für den Abguss eines Rades beträgt 7 bis 12 Minuten. Designänderungen bedingen die Herstellung neuer Formen.
Der Hersteller (Niederdruckgiesser) kauft die benötigte Aluminiumlegierung in Barrenform ein und schmilzt diese in Schmelzöfen neben der Niederdruckgiessmaschine auf, d. h. die Qualität kann zudem von Maschine zu Maschine abweichen.
Ein Verfahren zum Giessen von Kraftfahrzeugrädern, aus Aluminium, Magnesium oder dgl. Leichtmetallen in Niederdruckgiessmaschinen, die im wesentlichen aus einem Tiegel zur Warmhaltung der Schmelze, einer über dem Tiegel angeordneten Giessform sowie einem von der Giessform ausgehenden, den Deckel des Tiegels durchragenden und in die Schmelze einragenden Steigrohr bestehen, wobei das durch das Giessen des Formteils verbrauchte Metall in die Giessmaschine nachchargiert wird zeigt die DE- C-36 19 525. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Abguss ein Metallblock (Massel) einer dem Gussgewicht im wesentlichen entsprechenden Masse in den Gasraum über dem Badspiegel der Giessmaschine eingebracht und vor bzw. nach dem Ziehen bzw. Auswerfen des Gussstückes in das Bad der Giessmaschine eingebracht wird.
Es ist allgemein bekannt, Teile aus Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffen durch Druckgiessen aus der Schmelze heraus oder auch halbfester, zugeschnittener Bolzen (SSM-Verfahren oder Thixomolding) herzustellen. Bisher ist es jedoch nicht gelungen, für derartige hochbelastete Teile wirtschaftlich alternative Verfahren zu entwickeln.
So offenbart die DE-C-195 38 243 ein Verfahren zur Herstellung eines semigeschmolzenen Thixogiess-Giessmaterials bei dem durch Thixogiess-Material, das einen äusseren Umfang, das einen äusseren Schichtabschnitt mit Dendriten und einen äusseren Umfang eines Hauptkörperabschnitts herum aufweist, einer Hitzebehandlung ausgesetzt wird, um ein semi-geschmolzenes Giessmaterial mit darin koexistenten festen und flüssigen Phasen zu erzeugen. Hierbei werden die Dendriten durch Erhöhen der Temperatur des äusseren Schichtabschnitts bzgl. des Hauptkörperabschnitts in sphärische feste Phasen transformiert, um den äusseren Schichtabschnitt in einen semi-geschmolzenen Zustand zu bringen. Durch Netzung von Skin-Effekten soll ein zu schnelles Aufheizen des Hauptkörpers verhindert werden. Ein solches schrittweises Verfahren zum Aufheizen ist aufwendig und erfordert mehrere Induktionsheizschritte mit unterschiedlichen Frequenzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Druckgiessteilen, insbesondere von Rädern oder Felgen für Fahrzeuge zu entwickeln, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwindbar sind. Insbesondere sollen qualitativ hochwertige Räder und dergleichen mit verringertem Aufwand herstellbar werden. Die Umweltbelastungen sollen spürbar verringert werden, in Verbindung mit verbesserten Arbeitsbedingungen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Giesseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
In einer als solcher vorbekannten Druckgiesszelle mit Zuführungs- und Erwärmungseinrichtungen für den Giesswerkstoff, einer Druckgiessmaschine, Handhabungsgeräten und Steuereinrichtungen werden Heizeinrichtungen integriert, die ein stufenweises Aufheizen von Bolzen aus Aluminiumwerkstoffen ermöglichen (ggf. auch von Magnesiumwerkstoffen), die dann ohne nennenswerten Kontakt zur Umgebungsluft in die Druckgiessmaschine gelangen. Nach dem Druckgiessen bzw. Druckumformen werden die Gussteile in einem speziellen Prozess gekühlt und ausgelagert und zwar wesentlich schneller als bisher üblich. Kennzeichen des Aufheizens ist, dass mit hohen, konstanten Energieeintrag begonnen wird und der Energieeintrag dann nach von Thixotropie im Metallbereich reduziert wird.
Wesentliche Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens liegen darin, dass es vollautomatisiert ausführbar ist, die Handhabung von Flüssigmetall entfällt, einschliesslich der entsprechenden Schmelzöfen und potenziellen Gefährdungen. Abgase etc. gefangen nicht in direkten Kontakt zu Bedienpersonen und Umwelt. Die Zykluszeit pro Rad sinkt auf ca. 1 Minute.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine Giesszelle.
Die Giesszelle beinhaltet eine Druckgiessmaschine 1 mit einer Form, einer Steuereinheit 2 und einem Monitor 3, einen Entnahmeroboter 4 zur Teileentnahme mit einer Steuereinheit 5, einen Beladeroboter 6 zur Slugzuführung mit Steuereinheit 7 sowie ein Sprühroboter 8 mit Steuereinheit 9. Vorgesehen sind ebenfalls Einrichtungen zur Temperatursteuerung 10, Kühlstationen 11 und 13, elektrische, z. B. induktive Heizeinheiten 12 zur Aufheizung von Slugs (Bolzen), eine Einrichtung zur Teilekontrolle 14 vor einem Förderband 16 bzw. 16' zum Austrag nicht qualitätsgerechter Teile sowie ein weiteres Förderband 15 zum Austrag der Gutteile. Vorgesehen sind weiterhin eine Metallzufuhr (Sluglager 17), eine automatische Reinigungsstation 18 sowie eine manuelle Reinigungsstation 20 für Giessteile, eine Waage 19 und ein Reparaturbereich.
Der Druckgiessmaschine 1 werden direkt Slugs bzw. Bolzen oder Portionen zugeführt, die vorher in den Heizeinheiten 12 erwärmt wurden. Sie können direkt und unter Luftabschluss in die Giesskammer der Druckgiessmaschine 1 überführt werden. Bei Einsatz von Magnesiumwerkstoffen (aber auch bei Aluminiumwerkstoffen sinnvoll) werden die erwärmten Slugs in geschlossenen Behältern mittels Roboter 4 der Giesskammer der Druckgiessmaschine 1 zugeführt. Die Behältnisse sind so ausgeführt, dass die Slugs bereits in diesen aufgeheizt werden und bei erreichen der Solltemperatur wird das Behältnis in der Heizeinheit 12 mit einem Deckel verschlossen und die Zuführung zur Giesskammer kann ohne Schutzgas erfolgen. Alternativ die Zuführung der Bolzen auch direkt aus einem beheizbaren Bereitstellungsraum/Zuführkanal heraus erfolgen, der ggf. auch direkt mit der Giesskammer verbunden sein kann, wobei bei Bedarf auch während der Überführung die Temperatur noch erhöht werden kann.
Im Falle von Aluminiumwerkstoffen kommt z. B. bevorzugt eine Legierung Nr. 357 zum Einsatz, die ein Abschrecken und Auslagern der gegossenen Teile mit geringerem Zeitaufwand ermöglicht (180°C; 3,5 h, T5-Behandlung). Die Aufheizung vor dem giessen erfolgt stufenweise. Diese kann in drei Bereiche eingeteilt werden. Eine Hochleistungserwärmung zu Beginn, ein "Garen" nach erreichen der Thixotropie im Mantelbereich des Bolzens und in eine Homogenisierung zum endgültigen einstellen von globulithischem Gefüge im Vormaterial.
Hierbei wird ein Al-Bolzen von 5 bis 6" Durchmesser zunächst mit konstant hoher Energie auf ca. 550 bis 570°C aufgeheizt, wobei die Differenz der Temperatur zum Innern des Bolzens bis c. 20°C beträgt. Anschliessend wird der Energieeintrag in sehr kurzer Zeit drastisch reduziert, über sehr kurze Zeit gehalten ("Garen") und danach wieder gesteigert und erneut gehalten, bis eine Temperatur von ca. 585°C erreicht ist und die Temperaturdifferenz auf ca. 2 bis 3 Grad gesunken ist. Bei Bolzen bis 4" Durchmesser kann der Verfahrensablauf insoweit vereinfacht werden, dass der Schritt des Absenkens des Energieeintrages langsamer und über längere Zeit gleichmässig erfolgen kann.
Es ist kein flüssiger Werkstoff mehr zu handhaben. Sämtliche Abgase werden abgesaugt und die Formsprühung soweit optimiert, dass kein Restsprühmittel entsorgt werden muss. Rauchgasentstehung ist nahezu ausgeschlossen.
Die Formen und Giesswerkzeuge sind modular aufgebaut, so dass pro Radtyp kostengünstige und einfach austauschbare Formpakete gegeben sind. Ein Schnellwechsel für den jeweils formgebenden Teil der Formen ist möglich.
Die Form in der Druckgiessmaschine 1 ist dreiteilig und variabel einsetzbar. Da das Felgenbett je Raddimension unverändert bleibt, müssen nur zwei Formplatten an unterschiedliches Frontdesign angepasst werden. Diese können noch Einsätze enthalten, die aus einem günstigen und weniger hochfesten Werkstoff bestehen. Damit kann die Lebensdauer solcher Einsätze an die erforderliche Schusszahl angepasst werden und nur die Grundform muss aus hochfestem Werkstoff bestehen.
Weiterhin können die Formplatten Schiebereinsätze enthalten, die in definierten Bereichen einstellbare Höhen und Breiten im Frontdesign (je nach Reifen- und Felgendimension) zulassen, so dass nicht für jede Dimension eine extra Form benötigt wird.
Spezielle Abstreifer ermöglichen ein leichtes entformen selbst bei komplizierten Formgebungen oder Hinterschnitten. Diese Abstreifer sind so angeordnet, dass nach einem Formöffnungshub durch einen Ausstosshub nach oben verfahren wird, wobei Konturteile/Schieber auch quer zur Entformungsrichtung verfahren und vom Gussteil gelöst werden können.
Als Ausgangsmaterial der Slugs kommt ein feinkörniges Material in Betracht, welches z. B. ein- oder zweistufig aus einem Draht geformt bzw. extrudiert wird, um Kornfeinheiten kleiner 50 µm, mit gleichmässiger, neo-globularer Mikrostruktur zu erhalten. Letzteres ist für z. B. qualitativ hochwertige Räder bzw. Felgen, deren Herstellung nach einem SSM-Verfahren erfolgen soll, erforderlich. Bezugszeichen 1 Druckgiessmaschine
2 Steuereinheit
3 Monitor
4 Entnahmeroboter
5 Steuereinheit
6 Beladeroboter
7 Steuereinheit
8 Sprühroboter
9 Steuereinheit
10 Temperatursteuerung
11 Kühlstation
12 Heizeinheit
13 Kühlstation
14 Teilekontrolle
15 Förderband
16 Förderband
17 Sluglager
18 Reinigungsstation
19 Waage
20 Reinigungsstation
21 Reparaturbereich

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Druckgiessteilen, insbesondere Räder oder Felgen für Fahrzeuge durch Giessen, wobei die Ausgangswerkstoffe in Form von Bolzen oder Slugs zugeführt und aufgeheizt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeheizten Ausgangswerkstoffe eine globulithische Mikrostruktur aufweisen in halbfester Form einer Druckgiessmaschine (1) zugeführt und unter Anwendung hoher Drücke vergossen bzw. umgeformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung der Ausgangswerkstoffe in Stufen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung auf mindestens 180°C und Auslagerung der Giessteile innerhalb von ca. 3,5 Stunden erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zykluszeit ca. 1 Minute beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der aufgeheizten Ausgangswerkstoffe in die Druckgiessmaschine (1) unter weitgehendem Luftabschluss erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen aus einem Aluminiumwerkstoff
zunächst mit hohem und konstantem Energieeintrag bis auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der sich eine Thixotropie im Mantelbereich einstellt
danach der Energieeintrag drastisch und schnell verringert wird du kurzzeitig so gehalten wird
danach der Energieeintrag wieder erhöht und gehalten wird bis die Temperatur im Innern und im Mantelbereich weitgehend angeglichen ist.

7. Giesseinrichtung zur Herstellung von Druckgiessteilen, insbesondere von Felgen oder Rädern für Fahrzeuge mit einer Giesseinrichtung, Heizeinrichtungen zur Aufheizung der Ausgangswerkstoffe und Handhabungseinrichtungen, insbesondere Roboter zur Handhabung der Ausgangswerkstoffe und Druckgiessteile, dadurch gekennzeichnet, dass die Giesseinrichtung eine Druckgiessmaschine enthält und als automatisierte Giesszelle ausgebildet ist.

8. Giesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie variable Formen und Einsätze der Formen aufweist.

9. Giesseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eines Einsatzes an die erforderliche Schusszahl angepasst ist.