DE10164331A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Dichtungsringen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Dichtungsringen wird offenbart. Die Vorrichtung und das Verfahren stellen sicher, daß es kein verschwendetes Material während des Herstellungsprozesses gibt, und sie stellen weiter sicher, daß der Dichtungsring mit dem genauen Standard ohne die Notwendigkeit von irgend einem weiteren Fräsbearbeitungsprozeß hergestellt wird. Die Vorrichtung und das Verfahren weisen eine Form auf, die aufgeheizt wird und mit einer vorbestimmten Drehrate gedreht wird. Ein geschmolzenes Material wird in die Form während ihrer Drehung gegossen. Die Form wird dann abgekühlt, und die Drehung wird abgebremst, so daß das verfestigte Material daraus entfernt werden kann.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren zur Herstellung von Dichtungsringen und insbesondere auf eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zum Schleuderguß von Dichtungsringen.

Technischer Hintergrund

Herstellprozesse für Metall-Metall-Dichtungen haben sich über die Jahre so entwickelt, daß solche Motorkomponenten immer weiter ansteigende Lei­ stungsanforderungen erfüllen können. Diese Herstellungsprozesse haben die Metall-Metall-Dichtungen zuverlässiger und wirkungsvoll gemacht, jedoch können die gleichen Herstellungsprozesse keine Komponenten mit präzisen Toleranzgrenzen ohne die Anwendung von zusätzlichen Bearbei­ tungsprozessen erzeugen, die komplexe und zeitaufwendige Prozesse sind. Auch haben die gegenwärtigen Herstellungsprozesse die Tendenz, Material während der Herstellung der Dichtungen zu verschwenden, was somit die Herstellungskosten steigert.

Um beispielsweise Dichtungsringe herzustellen, muß eine grüne Sandform oder eine andere Sandform durch einen Bediener vorbereitet werden. Die Vorbereitung dieser Art von Form schließt die Anwendung von einer Metall- oder Gummimusterform mit ein, die der äußeren Form des Dichtungsringes entspricht. Das Muster wird dann verwendet, um eine Sandform zu bilden, die in einem offenen Rahmen oder (Guß-)Kasten aufgebaut ist, so daß so­ wohl der Gußkasten als auch die Sandform geteilt werden können, um die Entfernung des Musters aus dem Sand zu erleichtern. Bei dieser Anordnung muß der Bediener dann einen mittleren "Nabenteil" in die Form bohren und mehrere "Speichen", die vom Nabenteil verlaufen. Die Speichen führen zu einem Innendurchmesser des Hohlprofiles in der Sandform, die durch das Muster geformt wird.

Eine geschmolzene Legierung (typischerweise eine nickel- oder eisenbasier­ te Legierung) wird dann in die Sandform über die Speichen bzw. Gußkanäle gegossen. Abhängig von der Größe des Dichtungsrings können bis zu 200 Pfund Legierung verwendet werden. Es sei jedoch bemerkt, daß ein Großteil dieses Materials innerhalb der Speichen bzw. Gußkanäle der Sandform bleibt und keinen Teil des Dichtungsrings bildet. Dies führt zu verschwende­ tem Material. Sobald die geschmolzene Legierung ausgehärtet oder verfe­ stigt ist, wird der Dichtungsring aus der Form durch Auseinanderbrechen der Form entfernt. An diesem Punkt wird die Form zerstört und kann nicht wie­ derum ohne Ausführung des obigen Verfahrens verwendet werden.

Sobald die Form aufgebrochen ist, wird das Material innerhalb der Speichen­ teile der Form dann von dem Dichtungsring entfernt. Dieses Material kann wieder geschmolzen werden, kann jedoch oxidieren, was die Integrität des Dichtungsrings beeinflussen wird. Die Entfernung der Speichenteile hat auch die Bildung von "Knöpfen" bzw. Ansätzen am gesamten Innendurchmesser des Dichtungsrings zur Folge, die dann durch einen komplexen Bearbei­ tungs- und Schleifprozeß entfernt werden müssen. Es sei auch bemerkt, daß der gegossene Dichtungsring weiter bearbeitet werden muß, um gewisse Toleranzgrenzen zu erfüllen. Das US-Patent 3,899,020 von Sekimoto und anderen, ausgeben am 12. August 1975 offenbart eine Metallgußform für eine Schleudergußmaschine. Die Form ist eine doppelwandige Form, die aus einem inneren Gußformglied und einem äußeren Gußformglied gemacht ist, die konzentrisch unter Verwendung eines plastisch verformbaren Ab­ standsgliedes befestigt sind. Das innere Formglied ist am äußeren Formglied befestigt und zwischen einem Paar von Endabdeckungen angeordnet. Das innere Formglied ist eine Sandform. Die Anwendung dieser Form ist teuer und erfordert ein komplexes Verfahren zur Herstellung der gegossenen Komponente.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung hat eine Zentrifugal- bzw. Schleudervorrichtung zur Herstellung von Dichtungsringen eine Kam­ mer mit einer Öffnung. Ein sich drehender Tisch ist innerhalb der Kammer positioniert. Eine Vielzahl von Klemmen ist mit dem sich drehenden Tisch gekoppelt. Eine Form ist an den sich drehenden Tisch geklemmt, und ein Gußgefäß bzw. eine Gußbirne ist außerhalb der Kammer gelegen.

Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung weist ein Ver­ fahren zur Herstellung eines Dichtungsrings die Schritte auf, eine Form auf­ zuheizen und ein Gußmaterial zur Schmelzformgebung aufzuheizen. Die Form wird gedreht, und das geschmolzene Material wird in die Form gegos­ sen. Die Form wird abgekühlt und die Drehung der Form wird abgebremst, um das verfestigte Material daraus zu entfernen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines Dichtungsrings, der gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Form, die zur Herstellung des Dichtungsrings gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfin­ dung verwendet wird;

Fig. 3 zeigt eine diagrammartige Ansicht einer Vorrichtung, die zur Herstellung des Dichtungsrings gemäß des Verfahrens der vor­ liegenden Erfindung verwendet wird; und

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte zur Herstel­ lung des Dichtungsrings abbildet.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt den Dichtungsring, der gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Der Dichtungsring ist im allgemeinen mit dem Be­ zugszeichen 10 bezeichnet und weist einen Hauptkörperteil 12 mit einem sich davon erstreckenden Flansch 14 auf. Eine Lippe 16 genauso wie ein (nicht gezeigter) Zugteil können sich auch vom Hauptkörperteil 12 erstrec­ ken. In einem Ausführungsbeispiel des Dichtungsrings sind die Lippe 16 und der Zugteil nicht nötig, um die vorliegende Erfindung auszuführen. Der Dichtungsring 10 ist vorzugsweise ein nickel- oder eisenbasiertes Legie­ rungsmaterial.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Form, die zur Herstellung des Dich­ tungsrings gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Form 18 weist ein hohles Innenprofil 20 auf, das der Form des Dichtungsrings 10 entspricht. Dieses Innenprofil 20 kann mindestens eine Nut 22 aufweisen, die dem Flansch 14 des Dichtungsrings 10 entspricht; je­ doch sind andere Profile, wie beispielsweise eine Nut entsprechend der Lip­ pe 16 des Dichtungsrings 10 auch zur Anwendung mit der Form 18 in Be­ tracht gezogen worden. Die Form 18 weist weiter eine Öffnung 24 auf, die sich zum hohlen Innenprofilteil 20 erstreckt, und die vorzugsweise an der Mitte und Seite davon positioniert ist.

Die Form 18 ist vorzugsweise aus Stahl; es sei jedoch bemerkt, daß andere Materialien wie beispielsweise Kupfer/Beryllium oder Eisen oder andere ge­ eignete Materialien auch als das Formmaterial verwendet werden können. Das Formmaterial sollte einen linearen Kontraktionskoeffizienten haben, der ein ordnungsgemäßes Lösen des gegossenen Dichtungsrings 10 gestattet. Eine Beschichtung 26 vorzugsweise aus Zirkonoxyd von weniger als 1 mm ist auf der Innenfläche der Form 18 aufgebracht, jedoch können andere lei­ tende und isolierende Materialien gleichfalls als Beschichtung für die Form 18 verwendet werden. Ein Formlösemittel bzw. Trennmittel 28 kann auf die Beschichtung 26 der Form 18 aufgebracht werden, welche entweder Koh­ lenstoff, Bohrnitrit oder Beryllium/Kupfer aufweist bzw. enthält. Eine pulveri­ sierte Form des Formtrennmaterials wird vorzugsweise bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet; jedoch sind flüssige Trennmittel er­ folgreich verwendet worden.

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung, die zur Herstellung des Dichtungsrings 10 ge­ mäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Insbesondere zeigt Fig. 3 eine Zentrifugal- bzw. Schleudergußvorrichtung 30, die die Form 18 auf einer Antriebsanordnung 32, beispielsweise einem sich drehenden Tisch, trägt. Die Antriebsanordnung 32 dreht die Form 18 mit einer vorbestimmten Drehrate. Die Schleudergußvorrichtung 30 ist in einer Kammer 34 aufge­ nommen. Eine Öffnung 36 ist in der Kammer 34 vorgesehen, die über der Öffnung 24 der Form 18 während ihrer Drehung positioniert ist. Eine Birne oder ein Gußgefäß 38 ist außerhalb der Kammer 34 in der Nähe der Öffnung 36 positioniert. Ein Kühlmechanismus 40 kann benachbart zur Form 18 posi­ tioniert sein. Eine Vielzahl von Klemmen 42 ist auf der Antriebsanordnung 32 vorgesehen.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Im Schritt 400 wird das Formtrennmaterial 28, wie beispielsweise Kohlen­ stoff, auf die Beschichtung 26 der Form 18 aufgebracht. Im Schritt 401 wird die Form 18 auf der Schleudergußvorrichtung 28 angeordnet und wird insbe­ sondere auf die Antriebsanordnung 32 geklemmt. In diesem Schritt kann die Form 18 aufgeheizt werden, vorzugsweise zwischen ungefähr 90°C und 425°C und kann bis zu 710°C erreichen.

Im Schritt 420 wird die Legierungsmischung, die für das Gießen des Dich­ tungsrings 10 verwendet wird, dann vorzugsweise durch Aufheizung der Le­ gierung auf zwischen ungefähr 1370°C und 1450°C vorbereitet. Im Schritt 430 beginnt die Schleudergußvorrichtung 28 sich mit einer vorbestimmten Rate zu drehen, vorzugsweise zwischen 500 und 1200 Umdrehungen pro Minute (U/min). Die vorbestimmte Rate kann außerhalb dieses Bereiches variieren, und zwar abhängig von Variablen wie beispielsweise dem speziel­ len für die Mischung verwendeten Material genauso wie der Größe der Form und der erwünschten Abmessungen des Dichtungsrings 10. Es sollte vom Fachmann bemerkt werden, daß die Reihenfolge der Schritte 400 bis 430 für das Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht wichtig ist, und daß diese Schritte in anderen Abfolgen ausgeführt werden können, als es von der vor­ liegenden Erfindung in Betracht gezogen wird.

Im Schritt 440 wird das Gußgefäß 38 abgesenkt und beginnt, die geschmol­ zene Mischung durch die Öffnung 36 und die Öffnung 24 zu gießen. Im be­ vorzugten Ausführungsbeispiel weist die Kammer 34 Argon oder ein anderes Schutzgas auf. Die Gußrate sollte ungefähr 3 lbs/Sek (3 Pfund/Sek.) sein, könnte jedoch andere Raten aufweisen, und zwar abhängig von der Legie­ rungsmischung, von der Drehzahl der Schleudergußvorrichtung 28 usw. Das Eingießen der Legierungsmischung sollte vorzugsweise ununterbrochen sein und sollte weiter in einer Richtung der Drehung der Antriebsanordnung 32 ausgeführt werden, wenn eine solche Drehung gegen den Uhrzeigersinn stattfindet. Jedoch sind auch andere Gußrichtungen unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erfolgreich eingerichtet worden.

Sobald der Guß vollendet ist, kann die Drehung für eine vorbestimmte Zeit im Schritt 450 andauern. Diese Zeit ist abhängig von Faktoren wie beispiels­ weise den Abmessungen des endgültigen Gußstückes des Dichtungsrings 10. Am Ende der vorbestimmten Zeit wird die Drehung beginnen, sich zu verlangsamen, vorzugsweise mit einer Rate von 600 U/min oder mehr. Im Schritt 460 wird die Form im Bereich von zwischen ungefähr 205°C pro Minu­ te bis 1485°C pro Minute abgekühlt. In Schritt 470 wird die Form 18 aus der Schleudergußvorrichtung 28 entfernt, und der Dichtungsring 10 wird aus der Form 18 entfernt. Das Verfahren endet im Schritt 480.

Industrielle Anwendbarkeit

Im Betrieb wird das Formtrennmaterial 28 auf die Innenseite der Form 18 aufgebracht. Das Formtrennmaterial 28 muß nicht immer auf die Form 18 aufgebracht werden, und zwar aufgrund der Verwendung der Beschichtung 26. Im Gebrauch sollte das Formtrennmittel 28 nicht dicker als 1 mm sein. Die Form 18 wird mit engen Toleranzen hergestellt, um zu vermeiden, die Kontraktion des Gehäuses zu behindern, wenn sich das geschmolzene Ma­ terial verfestigt. Es sei weiter bemerkt, daß die Abmessung der Lippe 16 des Dichtungsrings 10 vom Durchmesser und vom linearen Kontraktionskoeffizi­ enten der Form genauso wie von der Menge des Formtrennmittels 28 ab­ hängt, das auf der Innenseite der Form 18 aufgebracht ist.

Die Form 18 wird aufgeheizt und auf dem sich drehenden Tisch 32 angeord­ net. Sobald die Form 18 auf dem sich drehenden Tisch 32 angeordnet ist, wird die Form 18 dann an dem sich drehenden Tisch über die Klemmen 42 angeklemmt. Sobald sie befestigt ist, wird die Form 18 gedreht, und das ge­ schmolzene Material wird durch die Öffnung 36 der Kammer 34 und durch die Öffnung 24 der Form 18 gegossen. Das Gießen des geschmolzenen Materials sollte ununterbrochen sein, und zwar mit einer Rate von ungefähr 3 Pfund/Sek.

Nachdem das geschmolzene Material vollständig in die Form 18 gegossen worden ist, wird die Form 18 sich weiter drehen, bis der Guß verfestigt ist. Die Abbremsung der Form sollte 600 U/min. oder mehr sein, um sicherzu­ stellen, daß das geschmolzene Material in der erwünschten Form ordnungs­ gemäß verfestigt sei. Die Kühlrate der Form sollte ungefähr 205°C pro Minu­ te bis 1485°C pro Minute sein. Diese Abkühlung kann durch Konvektion, Luft- oder Flüssigkeitskühlung, erreicht werden, und ist abhängig von den speziellen Materialien, die für die Form 18, die Beschichtung 26 und das Formtrennmittel 28 verwendet werden.

Durch Anwendung der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Er­ findung kann der Dichtungsring mit sehr genauen Toleranzen ohne die Not­ wendigkeit eines weiteren Fräsprozesses hergestellt werden. Der Dichtungs­ ring hat auch eine gleichförmige Dichte, die zur Robustheit des Dichtungs­ rings beiträgt. Zusätzlich wird durch Verwendung des Verfahrens der vorlie­ genden Erfindung das gesamte in die Form gegossene Material wirkungsvoll ohne irgendein verschwendetes Material verwendet.

Andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung können aus ei­ nem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten An­ sprüche erhalten werden.

Claims (23)

1. Schleudervorrichtung zur Herstellung eines Dichtungsrings, die fol­ gendes aufweist:
eine Kammer mit einer Öffnung;
einen sich drehenden Tisch, der innerhalb der Kammer positioniert ist;
eine Vielzahl von Klemmen, die mit dem sich drehenden Tisch gekop­ pelt ist;
eine Form mit einer Öffnung entsprechend der Kammeröffnung, wobei die Form an den sich drehenden Tisch durch die Vielzahl von Klem­ men geklemmt wird; und
ein Gußgefäß, das außerhalb der Kammer und in der Nähe der Kam­ meröffnung gelegen ist.

2. Schleudervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Form mindestens eine Nut aufweist, die einem Flansch des Dichtungsrings entspricht.

3. Schleudervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Form mindestens eine weitere Nut aufweist, die einer Lippe des Dichtungsrings ent­ spricht.

4. Schleudervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Form eine Be­ schichtung an ihrer Innenfläche aufweist.

5. Schleudervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung ein leitendes oder isolierendes Material ist.

6. Schleudervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Beschichtung aus Zirkonoxyd mit einer Dicke von weniger als 1 mm besteht.

7. Schleudervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Form ein Form­ trennmittel aufweist, das auf der Beschichtung aufgebracht ist.

8. Schleudervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Formtrennmittel entweder Kohlenstoff, Bornitrit oder Beryllium/Kupfer aufweist.

9. Schleudervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Formtrennmittel Pulver ist.

10. Schleudervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Formöffnung in ei­ ner Mitte und Seite der Form positioniert ist.

11. Schleudervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Form einen linearen Kontraktionskoeffizienten besitzt, der das Lösen des Dichtungsrings gestattet.

12. Schleudervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Form aus Stahl, Beryllium/Kupfer oder Eisen ist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsrings, das folgende Schritte aufweist:
Aufheizen einer Form mit einer Innenform entsprechend einer Außen­ form des Dichtungsrings;
Aufheizen eines Gußmaterials zur Schmelzformgebung;
Drehen der Form mit einer vorbestimmten Rate;
Gießen des geschmolzenen Gußmaterials in die Form während der Drehung der Form;
Liefern eines Schutzgases während des Gußschrittes, so daß das ge­ schmolzene Material dem Schutzgas ausgesetzt ist;
Abkühlen des geschmolzenen Materials in der Form bis zur Verfesti­ gung des geschmolzenen Materials;
Abbremsung der Drehung der Form nach dem Abkühlungsschritt und Verfestigung des geschmolzenen Materials.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Drehschritt die Drehung der Form zwischen einem Bereich von ungefähr 500 und 1200 Umdre­ hungen pro Minute aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, das die Beschichtung der Form mit ei­ nem Formtrennmittel vor dem Schritt des Aufheizens der Form auf­ weist.

16. Verfahren nach Anspruch 13, das das Klemmen der Form auf eine Schleudergußvorrichtung vor dem Drehungsschritt aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Form auf zwischen ungefähr 90°C und 710°C aufgeheizt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das geschmolzene Material auf zwischen ungefähr 1370°C und 1450°C aufgeheizt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Gießen mit einer Rate von ungefähr drei Pfund pro Sekunde ausgeführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Gußschritt ununterbrochen und in einer Drehrichtung der Form ausgeführt wird, wenn die Dre­ hung gegen den Uhrzeigersinn ist.

21. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Abbremsungsschritt mit einer Abbremsung von ungefähr 600 U/min. oder mehr ausgeführt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Abkühlungsschritt die Form in einem Bereich zwischen ungefähr 250°C pro Minute bis 1485°C pro Minute abkühlt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Abkühlungsschritt entweder durch Konvektion, Luft oder Strömungsmittel ausgeführt wird, die über die Form laufen.