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Das
Vollformgießverfahren
(DE-C 11 08 861) zählt
zu den Gießverfahren
mit verlorenen Modellen und wird zur Serienfertigung von anspruchsvollen Gussteilen
angewendet. Dieses Verfahren ist vor allem in USA und Japan sehr
verbreitet und wird seit einigen Jahren zunehmend in Europa eingeführt. Das Verfahren
zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass ein geschlichtetes Modell
(s.g. Gießtraube)
aus einem thermisch zersetzbaren Stoff (üblicherweise Polystyrolhartschaum)
in einem Formbehälter
in einem rieselfähigen
Formstoff eingebettet wird. Als Formstoff wird normalerweise ein
ungebundener Sand verwendet. Dieser Sand mit der darin enthaltenen Gießtraube
wird verfahrensgemäß durch
das vertikale und/oder horizontale Vibrieren des Behälters so verdichtet,
dass der verdichtete Formstoff allseits am Modell anliegt. Beim
nachfolgenden Abgießen
vergast das Modell durch die Wirkung des flüssigen Metalls. Nach dem Erstarren
entsteht ein fertiges Gussteil. Vorteilhaft bei dem Verfahren ist,
dass als Modell ein positives Abbild des Gussstückes verwendet wird. Außerdem werden
mit dem Sand die Hohlräume
und Hinterschneidungen des Modells beim Verdichtungsvorgang gefüllt, so
dass die Gussteile mit sehr komplizierten Geometrien ohne Anwendung
von Kernen hergestellt werden können.
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Die
Herstellung eines qualitätsgerechten Gussstückes mit
dem Vollformgießverfahren
kann aber nur dann gewährleistet
werden, wenn der Sand die Hohlräume
und Hinterschneidungen des Modells genauso vollständig wie
die übrigen
Modellkonturen ausfüllt.
Falls einige Modellpartien nicht vollständig ausgefüllt sind oder der Sand in diesen
Partien nur gering verdichtet ist, führt es zum Metallauslauf durch die
Schlichte hindurch in den Sand, wodurch ein Gussfehler verursacht
wird. Zahlreiche Erfindungen und Vorschläge zur Verbesserung sowohl
des Sandtransportes in die Hohlräume
und Hinterschneidungen als auch der Formstoffverdichtung in schwierigen Modellpartien
zeigen, dass dieses Problem schon vor langem erkannt wurde.
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Zur
Verbesserung der Formstofffließfähigkeit wurde
bereits vorgeschlagen, den Formstoff unter Einwirkung von Vibration
mit so hohen Beschleunigungs- und Frequenzwerten zu versetzen (DE-C
12 03 920), dass auch die schwierigen Modellpartien mit dem Formstoff
ausgefüllt
werden. Nachteilig bei dem Verfahren ist die Bildung eines Spaltes
insbesondere zwischen den quer zur Schwertkraft verlaufenden Modellflächen und
dem Formstoff, wenn die Erregerkräfte nicht mehr wirksam sind.
Dieser Spalt wird beim Abgießen
durch das einfließende
Metall ausgefüllt.
Dadurch entsteht ein Oberflächengussfehler. Außerdem lassen
sich kuppelartige Innenräume durch
ein solches Einbringen des Formstoffes nicht ausfüllen.
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Weiterhin
wurde vorgeschlagen, den Formstoff während des Einfüllens einem
Unterdruck mit Druckdifferenz in Einfüllrichtung auszusetzen (DE-C 37
07 467). Dabei soll der Formbehälter
gerüttelt
werden. Dieses Verfahren erfordert aber einen zusätzlichen
regelungstechnischen Aufwand, weil der Unterdruck in Abhängigkeit
von der Beschaffenheit des Formstoffes und seiner Gasdurchlässig keit
eingestellt werden muss. Außerdem
gelingt eine Einbettung der Modelle mit komplizierten Geometrien
nicht in allen Fällen,
so dass die Gussstücke
mit Kernen oder sogar nach herkömmlichen
Verfahren gefertigt werden müssen.
Ein weiterer Vorschlag basiert darauf (
DE 4225245 ), dass der Formstoff während des Einbringens
in den Formbehälter
in Schwebungen versetzt wird. Die Schwebungen werden dabei aus zwei
in der Amplitude gleichen oder nahezu gleichen Grundschwingungen
erzeugt, wozu zwei Schwingungserreger an der Vibrationsvorrichtung
vorhanden sein müssen.
Das Verfahren lässt
das Einfüllen von
komplexen Modellpartien zu, obwohl das Einfließen des Formstoffes in die
geschlossenen, engen und quer zur Schwerkraft liegenden Hohlräume nach wie
vor problematisch bleibt. Außerdem
ist ein relativ hoher Versuchsaufwand bei der Suche richtiger Vibrationsparameter
notwendig.
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Ein
weiteres vorgeschlagenes Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch
aus, dass an der Vibrationsvorrichtung vier Schwingungserreger angebracht
sind (
NL 1006903 ). Die
Erreger sind paarweise an zwei gegenüberliegenden Seiten des Vibrationsbehälters positioniert
und können
um die parallel liegenden Achsen gedreht werden. Die Rotationsachsen
liegen lotrecht zum Behälterquerschnitt.
Dadurch, dass die Schwingungserreger einzeln, paarweise oder zusammen
rotiert werden, ändert
sich die Richtung der einzelnen Erregerkräfte. Durch das Einschalten
der Schwingungserreger in bestimmter Reihenfolge erreicht man, dass
die Behälterachse
am Anfang der Vibration einen Winkel mit der Schwerkraftrichtung
bildet. Durch unterschiedliche Wirkungswinkel der einzelnen Erregerkräfte stellt
sich der Winkel der resultierenden Kraft ein. Dies soll den Transport
und die Verdichtung des Formstoffes in kritischen Modellpartien
verbessern. Zur Ansteuerung und Synchronisierung einzelner Schwingungserreger ist
aber ein hoher regelungstechnischer Aufwand notwendig. Dabei ist
die Effektivität
dieser Methode zur Verdichtung des Formstoffes noch nicht nachgewiesen
worden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Einstellung
der Transportsrichtung von Formstoffpartikeln sowie der Verdichtungsrichtung
des Formstoffes bei der Formherstellung mittels Vollformgießverfahrens
bereitzustellen, welches gewährleistet,
dass der Formstoff die kritischen Modellpartien genauso vollständig wie
die übrigen
Modellkonturen ausfüllt
und in den Hohlräumen
und Hinterschneidungen des Modells so verdichtet wird, dass der
Metallauslauf durch die Schlichte hindurch in den Sand ausgeschlossen
wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren gemäß Anspruch
1 bzw. einer Vorrichtung gemäß Anspruch
5, nämlich
dadurch, dass der Vibrationstisch mit Hilfe von hydraulisch bzw.
pneumatisch angetriebenen Zylinder vor bzw. während des Einfüll- und/oder
Verdichtungsvorganges so positioniert wird, dass die Achse des Formbehälters einen
Winkel zur Schwerkraftrichtung aufweist, welcher sich von Null unterscheidet
und dreidimensional einstellbar ist. Der Wert dieses Winkels wird
durch die Modellgeometrie und die Höhe der Formstoffsäule im Behälter bestimmt.
Die Kolbenstangen der Zylinder werden an der Vibrationsvorrichtung
mit Hilfe von Kugelgelenken von zwei Seiten des Vibrationstisches
befestigt, wobei die Seiten des Tisches um einen Winkel von 90° versetzt
sind. Die Zylinder werden vorzugsweise parallel zum Boden angebracht
und auf der Rückseite
ebenfalls mit Hilfe von Kugelgelenken an den mit dem Fundament starr
verbun denen Konstruktionselementen befestigt. Dadurch wird gewährleistet,
dass die Zylinder in allen Richtungen um die Mittelpunkte der Kugelgelenke
gedreht werden können.
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Vor
dem Füll-
und Verdichtungsvorgang wird der Formbehälter mit der Gießtraube
auf dem Vibrationstisch befestigt. Falls sich die kritischen Modellpartien
in der Nähe
des Behälterbodens
befinden, wird der Formbehälter
noch vor Beginn des Füllvorganges
durch Verstellen der Kolbenstangen entsprechend der Modellgeometrie
positioniert, so dass die Position der Öffnungen von kritischen Hohlräumen und
Hinterschneidungen des Modells das Einbringen des Sandes unter Einwirkung
der Schwerkraft zulässt.
Der Behälter
wird zunächst
in dieser Position mit Hilfe der Zylinder gehalten. Beim anschließenden Einfüllen kann
der Behälter
der Einwirkung von Schwingungen bzw. Schwebungen zur Verbesserung
der Fließfähigkeit
des Formstoffes ausgesetzt werden, wobei an unterschiedlichen Punkten
des Behälters
und des Modells dreidimensionale Schwingungen entstehen, was den
Transport des Formstoffes wesentlich verbessert. Diese dreidimensionalen Schwingungen
entstehen auch, wenn nur ein einziger Schwingungserreger verwendet
wird. Die Vibrationskräfte
können
dabei von externen Schwingungserregern oder von den Zylindern selbst
initiiert werden. Falls die Öffnungen
der kritischen Modellpartien entfernt vom Behälterboden sind, kann die Umpositionierung
des Tisches nicht vor dem, sondern während des Einfüllvorganges
eingeleitet werden. Bekanntlich befinden sich die kritischen Modellpartien oft
nicht nur an einer Seite des Modells. In diesem Fall werden sowohl
die Position des Formbehälters als
auch die Richtung der Vibrationskräfte in Übereinstimmung mit der Modellgeometrie
während
der Einfüllens
mittels der Zylinder geändert,
so dass das Einfließen
des Sandes in die Hohlräume
und Hinterschneidungen an allen Modellseiten möglich wird. Der Formstoff wird
dabei aus den schon gefüllten
Modellpartien nicht zurückfließen, weil
er in diesen Partien schon verdichtet worden ist.
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Zur
Erreichung des erforderlichen Verdichtungsgrades des Formstoffes
und zur Vergleichmäßigung der
Formstoffverdichtung in unterschiedlichen Modellpartien wird der
Formstoff nach dem Einfüllen mit
Hilfe der Vibration verdichtet. Die Veränderung der Vibrationsrichtung
durch die dreidimensionale Änderung
des Winkels zwischen der Formbehälterachse
und der Schwerkraftrichtung trägt
sowohl zum Transport des Formstoffes in die unterschiedlichen Modellpartien
als auch zur Verdichtung des Formstoffes und deren Vergleichmäßigung maßgeblich bei,
indem die Sandpartikel während
des Verdichtungsvorganges dreidimensional beschleunigt werden, wobei
die Richtung der Beschleunigung ständig geändert wird.
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Zum
Vergleich mit den in den Ausführungsbeispielen
erzielten Ergebnissen wird zunächst
eine der konventionellen Ausführungen
der Vibrationsvorrichtung dargestellt. In 1 ist ein
Formbehälter 1 dargestellt.
Der Formbehälter
ist auf dem Vibrationstisch 2 befestigt. Der Vibrationserreger
ist am Vibrationstisch 2 so montiert, dass er senkrechte
Kräfte
erzeugt. Dabei wird angenommen, dass als Vibrationserreger ein hydraulisch
angetriebener Zylinder verwendet wird, welcher dem Vibrationstisch
eine solche Erregerkraft verleiht, dass sich die in 2 dargestellte
Charakteristik des Zylinders ergibt. Der Vibrationstisch steht auf
den Federn 3. Der Zylinder hatte die in 2 dargestellte Charakteristik.
Das Ergebnis der Simulation stellen die in 3 gezeigten Schwingungskurven
dar, die im Messpunkt (siehe 1) aufgenommen
wurden. Man beobachtet, dass die der Zylindercharakteristik entsprechenden Schwingungen
in Y-Richtung erzeugt wurden, wobei die X- und Z-Komponente der erzeugten Schwingungen
gleich Null geblieben sind.
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Die
Erfindung wird an nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen näher erklärt. Im Beispiel
1 wird die zweidimensionale Ausführung
betrachtet. In 4 wird die Vibrationsvorrichtung
dargestellt, welche im Vergleich zur Einrichtung in 1 einen
zusätzlich
horizontal angeordneten Zylinder 4 aufweist. Dieser wird
sowohl am Vibrationstisch als auch am Fundament mit Hilfe von Kugelgelenken
befestigt. Der Zylinder ist so ausgeführt, dass das kraftlose Mitlaufen
der Kolbenstange mit dem Vibrationstisch möglich ist, so dass im Bedarfsfall
nur die vertikalen Schwingungen eingestellt werden können. Wird
der Tisch mit Hilfe des Zylinders 4 umpositioniert, nimmt
die Achse des Behälters
einen Winkel β mit
der Schwerkraftrichtung ein. Dabei werden die horizontal angeordneten Öffnungen
von der Seite, die gegenüber
der Umpositionierungsrichtung liegt, so positioniert, dass der Transport
des Formstoffes in diese wesentlich erleichtert wird. Durch das
Einleiten der Vibrationserregerkraft F werden die Formstoffpartikel
nicht nur in die Y-Richtung, sondern auch in X-Richtung beschleunigt.
Dies unterstützt
den Transport der Partikel in die kritischen Hohlräume und
Hinterschneidungen erheblich. Damit der Formstoff nicht nur „einseitig" transportiert und
verdichtet wird, kann die Position des Tisches während des Vibrationsvorganges
oder beim ausgeschalteten Vibrationserreger so geändert werden,
dass die Achse des Behälters 1 einen
Winkel α mit
der um den Winkel β umpositionierten
Stellung aufweist. Dadurch werden die Hohlräume und Hinterschneidungen
der gegenüberliegenden
Seite des Modells gefüllt,
und der Formstoff in diesen verdichtet. Zur Anschaulichkeit werden
die in 5 gezeigten Vibrationskurven dargestellt, die sich
im Messpunkt (4) bei der in 6 dargestellten
Vibrationscharakteristik des Erregers und bei der in 7 dargestellten
Charakteristik des Verstellzylinders einstellen. Man beobachtet
dabei, dass die Amplitude der Schwingungen in Y-Richtung verkleinert
wird, weil ein Teil der Amplitude in die X-Komponente übergeht.
Die Werte der X- und Y-Komponenten der Schwingungen hängen von
der Vibrationscharakteristik und von der Größe des Winkels zwischen der
Behälterachse
und der Schwerkraftrichtung ab. Letzte sind in Abhängigkeit
von der technisch-technologischen Prozessanforderungen einzustellen.
Die Einstellung kann dabei ohne großen regelungstechnischen Aufwand
und mit sehr großer Genauigkeit
erfolgen.
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Die
Größe des Winkels β ist durch
die benötigte
Höhe des
Sandes im Formbehälter
begrenzt. Der Winkel darf nur so groß sein, dass das Auslaufen des
Sandes aus dem Behälter
ausgeschlossen ist. Dabei kann die X-Komponente der Schwingungen noch
unzureichend sein. Dies hängt
von den Modell- und Behältergeometrien
sowie von der Verdichtungscharakteristik des Vibrationserregers
ab. Eine zusätzliche
Vergrößerung der
Schwingungen in X-Richtung kann erzielt werden, indem ein zusätzlicher
Vibrationserreger von der Seite des Verstellzylinders die Schwingungen
erzeugt. Beim gegenwärtigen
Stand der Technik ist es aber möglich,
die Schwingungen vom Zylinder selbst er zeugen zu lassen. Dabei realisiert
der Zylinder zunächst
die gewünschte
Position, und dann erzeugt er die Schwingungen, wobei die voreingestellte
Position beibehalten wird.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
zeigt die Darstellung der Vibrationsvorrichtung zum Erzeugen von
dreidimensionalen Schwingungen mit der Möglichkeit der dreidimensionalen
Umpositionierung der Behälterachse
zur Schwerkraftrichtung (8). Dabei werden die Erregerkräfte in vertikalen
und horizontalen Richtungen von den hydraulisch angetriebenen Zylindern
erzeugt. Die Vibrationsvorrichtung besteht im wesentlichen aus dem
Formbehälter 1, welcher
auf dem Vibrationstisch 2 befestigt ist. Der Vibrationstisch 2 steht
auf den Federn 3. Die Federn 3 sind mit dem Vibrationstisch 2 und
mit dem Fundamentelement 9 starr verbunden. Zur Einstellung
der Vibrationsrichtung dienen die Zylinder 4, 5 und 6, welche
mit dem Vibrationstisch 2 und den Fundamentelementen 7, 8 und 9 mit
Hilfe von Kugelgelenken verbunden sind.
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Der
Vibrationstisch 2 mit dem Formbehälter 1 wurde vor dem
Vibrationsvorgang mit Hilfe der Zylinder 4 und 6 so
positioniert, dass die Achse des Behälters 2 einen dreidimensional
angeordneten Winkel mit der Schwerkraftrichtung einnimmt (9).
Danach wurde der Vibrationsvorgang durchgeführt, wobei die Zylinder 4, 5 und 6 die
in 10 dargestellten Charakteristiken realisiert haben.
Die Frequenz der erzeugten Schwingungen war dabei unterschiedlich. Die
im Messpunkt (8 und 9) aufgenommenen
Schwingungskurven sind in 11 dargestellt. Man
erkennt, dass die Formstoffpartikel dreidimensional beschleunigt
werden. Dabei hängt
die Amplitude einzelner Komponenten sowohl von der Größe des Winkels
zwischen der Formbehälterachse
und der Schwerkraftrichtung als auch von der Amplitude und der Frequenz
der Schwingungen ab, welche von den einzelnen Zylindern erzeugt
werden. Die Formstoffpartikeln werden entsprechend der Tischposition
und der in 11 dargestellten Schwingungskurven
dreidimensional beschleunigt. Dadurch sind die Formstofffüllung und
Verdichtung in den kritischen Modellpartien wesentlich erleichtert.
Der Vibrationstisch kann mit Hilfe der Zylinder 4 und 6 nicht
nur vor dem, sondern auch während
des Füll-
und Verdichtungsvorganges umpositioniert werden. Dadurch sind eine dreidimensionale
Veränderung
der Fließrichtung
der Formstoffpartikel sowie eine dreidimensionale Veränderung
der resultierenden Vibrationskräfte
möglich. Die
Einstellung der Vibrationsparameter und die Synchronisierung der
einzelnen Zylinder erfordert keinen erheblichen Aufwand in der Regelungstechnik
und wird mit sehr großer
Genauigkeit im Vergleich zu konventionellen Methoden durchgeführt. Damit
werden die präzise
Tischpositionierung und Einhaltung der Vibrationsparameter gewährleistet.
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Fig. 1 1-3
- 1
- Formbehälter
- 2
- Vibrationstisch
- 3
- Feder
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Fig. 4 1-4
- 1
- Formbehälter
- 2
- Vibrationstisch
- 3
- Feder
- 4
- Zylinder
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Fig. 8 1-9
- 1
- Formbehälter
- 2
- Vibrationstisch
- 3
- Feder
- 4
- Zylinder
(horizontal)
- 5
- Zylinder
(vertikal)
- 6
- Zylinder
(horizontal)
- 7
- Fundamentelement
- 8
- Fundamentelement
- 9
- Fundamentelement
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Fig. 9 1-9
- 1
- Formbehälter
- 2
- Vibrationstisch
- 3
- Feder
- 4
- Zylinder
(horizontal)
- 5
- Zylinder
(vertikal)
- 6
- Zylinder
(horizontal)
- 7
- Fundamentelement
- 8
- Fundamentelement
- 9
- Fundamentelement