DE102004015649B3

DE102004015649B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Giessen von Bauteilen aus Leichtmetall nach dem Kippgiessprinzip

Info

Publication number: DE102004015649B3
Application number: DE102004015649A
Authority: DE
Inventors: Ernst Krebs; Olaf Petzoldt; Franz Dr.-Ing. Mnich; Hans-Christoph Saewert; Rüdiger Prof. Dr.habil. Bähr
Original assignee: RAUTENBACH GUS WERNIGERODE GMB; Rautenbach-Guß Wernigerode GmbH
Current assignee: RAUTENBACH GUS WERNIGERODE GMB; Rautenbach-Guß Wernigerode GmbH
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-04-01
Also published as: ES2296166T3; EP1742752B1; WO2005095025A1; DE502005001740D1; PL1742752T3; ATE375835T1; PT1742752E; EP1742752A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Bauteilen aus Leichtmetall, bevorzugt aus Al-Legierungen, nach dem Kippgießprinzip und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Gießen von Aluminiumzylinderköpfen und Motorblöcken. DOLLAR A Zweck der Erfindung ist es, auch bei komplizierten Bauteilgeometrien Hohlräume, Porositäten und Einschlüsse im Gussteil zu vermeiden und günstige Bedingungen für die Gefügeausbildung bei der Erstarrung der Schmelze zu schaffen. DOLLAR A Dazu ist an der Längsseite einer Gießform 1 mit nach oben weisendem Einguss ein durch Ausläufe 5 mit dem Einguss verbundener Querlauf 2 angeordnet, der so dimensioniert und gestaltet ist, dass bei um 45 DEG bis 70 DEG um ihre Längsachse 8 gekippter Gießform 1 mit Querlauf 2 ca. 1/5 der für den Guss benötigten Schmelze 7 in den Querlauf 2 eingefüllt werden kann, ohne dass die Schmelze bereits in den Formhohlraum 9 der Gießform 1 einströmt. Im Folgenden wird die Gießform 1 unter ständigem weiterem Einfüllen von Schmelze 7 in den Querlauf 2 bis zur Senkrechten zurückgeklappt, wobei die Schmelze über die Ausläufe 5, wie beim Kippgießen üblich, entlang einer Seitenwand der Gießform 1 in den Formhohlraum 9 einströmt. Das Einfüllen der Schmelze und das Rückkippen der Gießform 1 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Gießform 1 vollständig zurückgeklappt ist, wenn eine Füllung des Formhohlraumes 9 bis zum Speiseransatz erfolgt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Bauteilen aus Leichtmetall, bevorzugt aus Al-Legierungen, nach dem Kippgießprinzip und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Gießen von Aluminiumzylinderköpfen und Motorblöcken.
Zum Füllen einer Form mit Metallschmelze durch Schwerkraftgießen in fallender Gießweise ist das Kippgießen ein seit langem bekanntes Verfahren. Als besonderer Vorteil des Kippgießens wird in der Literatur herausgestellt, dass das beim Schwerkraftgießen ggf. auftretende Verspritzen des Metalls durch Führen der Metallschmelze an einer Wand der Gießform vermieden werden kann (P Schneider, Kokillen für Leichtmetallguss, Gießerei Verlag 1986, S. 100 ff). Insbesodere beim Gießen von Al-Legierungen ist es erforderlich, die Schmelze möglichst zügig aus der Schmelzwanne bzw dem Gießbehälter in die Form zu geben, um zum einen eine Reaktion von Legierungsbestandteilen mit der Umgebungsluft so gering wie möglich zu halten und zum anderen Temperaturverluste beim Gießen zu vermeiden. Ersteres kann zu Einschlüssen im Gussteil führen, Letzteres kann die Gefügeausbildung negativ beeinflussen. Beim schnellen Einfüllen der Schmelze ist aber zu beachten, dass es zu erheblichen Verwirbelungen sowie zur Schaumbildung kommen kann. Einschlüsse und Porosität im Gussteil können die Folge sein.

Aus der EP 0 656 819 B1 sowie der EP 1 155 763 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rotationsgießen, einem speziellen Kippgießverfahren unter Drehung der Form um 180°, bekannt. Die Gießform wird bei dieser Lösung mit nach unten weisendem Anschnitt über einem Gießbehälter so angeordnet und nach Befüllung des Gießbehälters mit einer für einen Guss bemessenen Menge Schmelze gasdichtverbunden, dass die Schmelze bei Rotation von Gießform und Gießbehälter um 180° in den Formhohlraum strömt. Der Anschnitt verläuft entlang der Längsachse der Gießform, um zu erreichen, dass das Einströmen der Schmelze über einen möglichstgroßen Querschnitt des Anschnittes im Verhältnis des Querschnittes des Formhohlraumes erfolgt. Durch die beschriebene Lösung soll zum einen in besonderer Weise eine schonende Formfüllung ohne Verspritzen des Metalls erfolgen können, um auch bei komplizierten Gussteilen Hohlräume, Porositäten und Einschlüsse im Gussteil zu vermeiden, und zum anderen durch das gasdichte Verschließen von Gießwanne und Form eine Reaktion von Legierungsbestandteilen mit der Umgebungsluft weitgehend verhindert werden. Die Durchführung dieses Verfahrens erfordert einen hohen technischen Aufwand, ohne dass, wie sich in der Praxis gezeigt hat, die angestrebten Ziele, insbesondere die Vermeidung von Hohlräumen und Porositäten bei komplizierten Gussteilen, wie beispielsweise Zylinder köpfen, vollständig erreicht werden. Der hohe technische Aufwand betrifft zum einen die um 180° rotierbare Gießeinrichtung mit separater, luftdicht mit der Form zu verbindender Gießwanne und zum anderen die Gießform, in der bei komplizierten Gussteilen unvermeidbare Kerne so fest eingebaut sein müssen, dass sie auch bei einer Drehung der Gießform um 180° lagestabil fixiert bleiben.

Aufgabe dervorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens für das Gießen komplizierter, hochwertiger Bauteile aus Leichtmetall, bevorzugt aus Al-Legierungen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Das bedeutet, dass ohne erheblichen technischen Aufwand eine Formfüllung erreicht wird, die auch bei komplizierten Bauteilgeometrien Hohlräume, Porositäten und Einschlüsse im Gussteil vermeidet und günstige Bedingungen für die Gefügeausbildung bei der Erstarrung der Schmelze schafft und dass unerwünschte Reaktionen von Legierungsbestandteilen mit der Umgebungsluft minimiertwerden bzw keinen negativen Einfluß auf die Gussteilqualität haben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem 1. Patentanspruch in Verbindung mit einer Vorrichtung gemäß dem 7. Patentanspruch gelöst. Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt eine Gießform mit nach oben weisendem Einguss, an deren Längsseite ein mit dem Einguss durch Ausläufe verbundener Querlauf angeordnet ist, um 45° bis 70° um ihre Längsachse gekippt. Der Querlauf ist bezüglich seines Volumens so dimensioniert und bezüglich der Anordnung der Ausläufe zum Formhohlraum so gestaltet, dass bei um 45° bis 70° um ihre Längsachse gekippter Gießform mit Querlauf in einem zweiten Verfahrensschritt ca. 1/5 der für den Guss benötigten Schmelze in den Querlauf eingefüllt werden kann, ohne dass die Schmelze bereits in den Formhohlraum der Gießform einströmt. Im Folgenden wird die Gießform unter ständigem weiterem Einfüllen von Schmelze in den Querlauf bis zur Senkrechten zurückgekippt, wobei die Schmelze über die Ausläufe in den Formhohlraum einströmt. Die Ausläufe des Querlaufes zum Formhohlraum sollten dabei so angeordnet und gestaltet sein, dass die Schmelze, wie beim Kippgießen üblich, entlang einer Seitenwand der Form in den Formhohlraum einströmt.

Das erfindungsgemäße Gießverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schmelze während und nach dem Einfüllen in den Querlauf zunächst im Querlauf einen Teil ihrer vom Einfüllen herrührenden kinetischen Energie verliert und sich beruhigt, bevor sie in den Formhohlraum einströmt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass zunächst ca. 1/5 der für einen Guss benötigten Schmelze in den Querlauf eingefüllt wird, dieses Quantum an Schmelze sich beruhigt, bevor unter ständigem weiterem Einfüllen von Schmelze in den Querlauf der eigentliche Guss, d.h. das Einströmen der Schmelze in den Formhohlraum, erfolgt. Es steht damit für das Einfüllen der Schmelze in den Querlauf erheblich mehr Zeit zur Verfügung, als aus technologischer Sicht und im Hinblick auf eine hohe Gussqualität für das Einströmen der Schmelze in den Formhohlraum optimal ist. Das Einfüllen der Schmelze in den Querlauf kann damit besonders schonend und unter Minimierung von Turbulenzen, insbesondere aber unter Vermeidung von Verwirbelungen und Schaumbildung erfolgen, ohne dass eine Erhöhung der Zeit, die das Einströmen der Schmelze in den Formhohlraum erfordert, notwendig ist. Dadurch und durch das Einströmen der Schmelze in den Einguss durch die Verbindungsöffnungen zwischen Querlauf und Einguss wird erreicht, dass weder Schaum noch ggf. auf der Schmelze aufschwimmende Reaktionsprodukte von Legierungsbestandteilen mit der Umgebungsluft in den Formhohlraum eingetragen werden. Dieser besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand erreicht. Das Verfahren erfordert weder ein Arbeiten unter Schutzgas, noch aufwendige und störanfällige technologische Abläufe, wie das dichte Andocken einer Gießwanne oder eine Gießformrotation um 180° mit dem sich dabei bezüglich des Formaufbaus ergebenden Aufwand.

Selbstverständlich sind für ein schonendes und turbulenzarmes Einfüllen eines vorgegebenen Quantums an Schmelze in den Querlauf neben der zur Verfügung stehenden Einfüllzeit das Auftreffen des Schmelzestrahles und der Schmelzefluß im Querlauf von besonderer Bedeutung. Zweckmäßig ist es, wenn der Schmelzestrahl auf einer um einen Winkel von 5° bis 15° nach außen geneigten, etwa senkrecht zur Kippachse von Gießform und Querlauf stehenden Wand auftrifft und direkt oder nach einer oder mehreren Umlenkungen in Längsrichtung des Querlaufes abfließt, wobei die Konturen des den Schmelzefluß leitenden Wandbereiches des Querlaufes gut gerundet sein sollten. Vorgenannte Bedingungen sollten sowohl zu Beginn des Einfüllens von Schmelze in den Querlauf, d.h. bei um ca. 45° bis 70° um ihre Längsachse gekippter Gießform mit Querlauf, als auch während des Rückkippens von Gießform und Querlauf und des dabei kontinuierlichen weiteren Einfüllens von Schmelze in den Querlaufeingehalten werden. Günstig ist es deshalb, wenn die Kippachse, um die Gießform und Querlaufgekippt wird, durch die Wand, bevorzugt den Wandbereich, auf der der Schmelzestrahl auftrifft verläuft. Kann dies nicht realisiert werden, muß der Schmelzestrahl mittels einer in ihrer Bewegung steuerbaren Vergießeinrichtung an die Bewegung der Wand während des Rückkippvorganges angepasst werden.

Eine weitere Verbesserung der Erfindung kann dadurch erreicht werden, dass die Schmelze nicht direkt in den Querlauf eingefüllt wird, sondern in einen bevorzugt an einer Stirnseite des Querlaufes angeordneten Eingießtümpel. Dadurch können beim Einfüllen der Schmelze unvermeidbare Turbulenzen bereits im Eingießtümpel beruhigt werden, so dass die Schmelze ohne oder mit nur geringen Turbulenzen in den Querlauf einströmt. Ein erheblicher Teil der vom Einfüllen der Schmelze herrührenden kinetischen Energie der Schmelze kann in diesem Fall bereits im Eingießtümpel abgebaut werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in
1: die schematische Darstellung einer Gießform mit seitlich angeordnetem Querlauf und einem Eingießtümpel an der Stirnseite des Querlaufes sowie einem positionierten Gießlöffel als Vergießeinheit, in
2a: den Querschnitt der Gießform mit seitlich angeordnetem Querlauf, in
2b: die um 50° gekippte Gießform mit dem mit Schmelze gefüllten Querlauf, in
2c: die teilweise rückgekippte Gießform mit in den Formhohlraum einströmender Schmelze
2d: die vollständig rückgekippte und mit Schmelze gefüllte Gießform.
1 zeigt schmatisch eine Gießform 1 für einen Zylinderkopf mit seitlich angeordnetem Querlauf 2. An der hinteren Stirnseite des Querlaufes 2 ist ein Eingießtümpel 3 angeordnet. Die hintere Stirnseite 4 des Eingießtümpels 3 ist in einem Winkel von 10° gegenüber der Senkrechten nach außen geneigt. Der Innenraum des Querlaufes 2 ist durch vier Ausläufe 5 mit dem Formhohlraum der Gießform 1 verbunden. Über dem Eingießtümpel 3 ist ein räumlich bewegbarer und um eine Querachse kippbarer Gießlöffel 6 so positioniert, dass die aus dem Gießlöffel 6 ausströmende Schmelze auf der hinteren Stirnseite 4 des Eingießtümpels 3 auftrifft, wie durch den Pfeil 7 veranschaulicht, und in Längsrichtung von Eingießtümpel 3 und Querlauf 2 in den Querlauf 2 einströmt. Die Gießform 1 ist um die Achse 8 kippbar.
Die 2a bis 2d veranschaulichen das erfindungsgemäße Verfahren. Dabei zeigt 2a zunächst den Querschnitt der Gießform 1 mit seitlich angeordnetem Querlauf 2 und dem Formhohlraum 9. Der Inneraum des Querlaufes 2 ist durch die Ausläufe 5 mit dem Formhohlraum 9 verbunden. 2b zeigt die um ca. 50° um die Längsachse 8 gekippte Gießform 1. Die für den Guss benötigte Schmelze wird kontinuierlich mittels des in seiner Bewegung steuerbaren Gießlöffels 6 in den Eingießtümpel 3 eingefüllt, und zwar derart, dass der Schmelzestrahl 7 auf der um 10° gegenüber der Senkrechten nach außen geneigten hinteren Stirnwand 4 des Eingießtümpels 3 auftrifft und weitgehend wirbelfrei in Längsrichtung des Querlaufes 2 in diesen einströmt. Der Innenraum des Querlaufes 2 wird so zunächst kontinuierlich gefüllt, ohne dass Schmelze in den Formhohlraum 10 einströmt. 2b veranschaulicht diesen Verfahrensschritt. Erreicht der Schmelzestand im Inneraum des Querlaufes 2 die Ausläufe 5 (ca.1/5 der für den Guss benötigten Schmelze befinden sich dann im Innenraum des Querlaufes 2), beginnt die Schmelze durch die Ausläufe 5 entlang der Gießformseitenwand in den Formhohlraum einzuströmen. Die Gießform 1 wird nun kontinuierlich zurückgekippt, wobei kontinuierlich weitere Schmelze aus dem Gießlöffel 6 in den Eingießtümpel 3 und damit den Querlauf 2 eingefüllt wird, sich in Eingießtümpel 3 und Querlauf 2 beruhigt und entlang der Seitenwand in den Formhohlraum 9 einströmt und diesen füllt, wie 2c zeigt. Das Einfüllen der Schmelze und das Rückkippen der Gießform 1 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Gießform 1 vollständig zurückgekippt ist, wenn eine Füllung des Formhohlraumes 9 bis zum Speiseransatz erfolgt ist. Abschließend erfolgt die Füllung der Speiser bis zu dem in 2d gezeigten Schmelzestand.

Claims

Verfahren zum Gießen von Bauteilen aus Leichtmetall nach dem Kippgießprinzip, bei dem die Schmelze in einen an der Längsseite einer Gießform befindlichen Querlauf im Kopfguss eingefüllt wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Gießform (1) zunächst um einen Winkel von 45° bis 70° um ihre Längsachse (8) gekippt wird, danach das Einfüllen der Schmelze in den Querlauf (2) beginnt, bis ca.1/5 der für den Guss benötigten Schmelze in den Querlauf (2) eingefüllt ist, ohne dass die Schmelze bereits in den Formhohlraum (9) einströmt, und dann unter kontinuierlichem weiterem Einfüllen von Schmelze in den Querlauf (2) die Gießform (1) so aus dergekippten Stellung in die Senkrechte gedreht wird, dass die Schmelze aus dem Querlauf (2) entlang einer Gießformwand in den Formhohlraum (9) einströmt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Schmelze in einen am Querlauf (2) angeordneten Eingießtümpel (3) eingefülltwird und aus diesem in den Querlauf (2) einströmt.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch , dass die Schmelze aus dem Eingießtümpel (3) in Längsrichtung des Querlaufes (2) in diesen einströmt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die für einen Guss benötigte Schmelze mittels einer Vergießeinrichtung (6) in den Querlauf (2) oder den Eingießtümpel (3) eingefüllt wird, und die Vergießeinrichtung (6) beim Zurückkippen der Gießform (1) aus der gekippten Stellung in die Senkrechte der Bewegung des Querlaufes (2) bzw des Eingießtümpels (3) so nachgeführt wird, dass der Schmelzestrahl (7) auf einem vorbestimmten Bereich der Wandung (4) des Querlaufes (2) oder des Eingießtümpels (3) auftrifft.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzestrahl (7) beim Einfüllen der Schmelze in den Querlauf (2) oder den Eingießtümpel (3) auf einer etwa senkrecht zur Kippachse (8) von Gießform (1) und Querlauf (2) liegend Wandung (4) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Kippachse (8) von Gießform (1) und Querlauf (2) durch die Wandung (4) verläuft, auf der der Schmelzestrahl (7) auftrifft.
Vorrichtung zum Gießen von Bauteilen aus Leichtmetall nach dem Kippgießprinzip mit einer um ihre Längsachse (8) um 45°bis 70° kippbaren Gießform (1) mit nach oben weisendem Einguss, einem in Längsrichtung der Gießform (1) an dieser angeordnetem Querlauf (2), dessen zur Gießform (1) weisende Längsseite Ausläufe (5) zum Formhohlraum (9) aufweist und dessen Fassungsvermögen so bemessen ist, dass es bei um 45° bis 70° um ihre Längsachse (8) gekippter Gießform (1) ca.1/5 der für den Guss benötigten Schmelze aufnimmt, ohne dass es zum Einströmen von Schmelze in den Formhohlraum (9) kommt, und mit einer Einrichtung zum definierten Einfüllen von Schmelze in den Querlauf (2).
Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einem am Querlauf (2) angeordnete Eingießtümpel (3).
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Eingießtümpel (3) an der Stirnseite des Querlaufes (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens eine der Seitenwände des Eingießtümpels (3) an denen sich nicht die offene Verbindung zum Querlauf (2) befindet gegenüber der Senkrechten um ca. 45° geneigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zum definierten Einfüllen von Schmelze als eine in ihrer Gießbewegung steuerbare Vergießeinheit (6) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die in ihrer Gießbewegung steuerbare Vergießeinheit als ein um mindestens eine Achse kippbarer Gießlöffel (6) mit einem für einen Guss bemessenen Fassungsvermögen an Schmelze ausgeführt ist.