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Die
Erfindung betrifft eine Gussform für den Metallguss, insbesondere
für den
Leichtmetall-Druckguss, umfassend zumindest eine der Gussformkavität (9)
zugewandte Gussmaske (1) aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
einen dahinter angeordneten Massivbereich (2) und mindestens
einen Kühlkanal
(4), sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Gussform durch Gießen
der Gussmaske und Angießen
des Massivbereichs (2).
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Für die Herstellung
von massiven metallischen Gussteilen, wie sie beispielsweise bei
der Herstellung von Verbrennungsmotoren anfallen, sind unterschiedliche
Gießverfahren
gängig.
Dazu zählt
für Eisenlegierungen
insbesondere der Sandguss mit verlorenen Formen. Beispielsweise
wird auf einer Modellhälfte
ein Formkasten gesetzt und mit Formstoff, einer Mischung aus Quarzsand
und Binder, gefüllt.
Der Formstoff wird durch Rütteln
oder Pressen verdichtet. Die zweite Modellhälfte wird hergestellt und die
Halbformen zusammengesetzt, wobei zusätzlich Kerne eingesetzt werden
können.
Nach dem Gießvorgang
wird das Werkstück
unter Zerstörung der
Form entnommen.
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Für Leichtmetalllegierungen,
insbesondere für
Al- oder Mg-Legierungen,
oder für
Zn- oder Cu-Legierungen wird häufig
der Druckguss verwendet. Beim Druckguss wird die Schmelze unter
hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in eine zwei- oder mehrteilige
Dauerform gespritzt. Durch das Verfahren können dünnwandige und kompliziert geformte Werkstücke in hohen
Stückzahlen
hergestellt werden. Es werden Stundenleistungen von bis zu 1000 Abgüssen erreicht.
Die Gussstücke
weisen eine sehr glatte und saubere Oberfläche auf, so dass eine Nachbearbeitung
nur in Ausnahmefällen
notwendig ist. Es wird beim Druckguss zwischen Warm- und Kaltkammerverfahren
unterschieden. Beim Warmkammerverfahren befindet sich die Druckkammer
in der Schmelze. Es eignet sich für Metalle, die die Werkstoffe
von Druckkolben und Druckkammer nicht angreifen, wie Magnesium oder
Zink. Für
Werkstoffe wie Aluminium oder Kupfer, die die Werkstoffe von Druckkolben
und Druckkammer angreifen, eignet sich das Kaltkammerverfahren,
bei dem sich die Druckkammer außerhalb
der Schmelze befindet.
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Die
Herstellung der Dauerformen ist zumeist ein aufwändiger Prozess, bei dem die
Gusskavität
in der Regel aus dem Vollmaterial herausgearbeitet wird. Für komplexere
Gussteile muss die Gussform häufig
aus zahlreichen einzelnen Teilen zusammengesetzt werden. Dabei sind
die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Teilen beim Dauereinsatz der
Gussformen problematisch, da sie einem starken erodierenden Angriff
der Schmelze ausgesetzt sind.
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Bei
Gussformen mit langen Fließwegen
und Gussteilen mit massiven und dünnen oder filigranen Bereichen
ist es erforderlich ein angepasstes Kühlsystem der Gussformen vorzusehen,
um ein zufrieden stellendes Gussergebnis erreichen zu können. Das
Kühlsystem
wird in der Regel durch Bohrungen in die massive Gussform eingebracht.
Hierdurch sind ganz erhebliche geometrische Beschränkungen
gegeben.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein einfaches Verfahren zur Herstellung
von geometrisch anspruchsvollen Gussformen mit Kühlkanälen für den Metallguss und entsprechende
Gussformen bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Gussform für
den Metallguss, insbesondere für
den Leichtmetall-Druckguss,
umfassend zumindest eine der Gussformkavität (9) zugewandte Gussmaske
(1) aus einem Metall oder einer Metalllegierung, einen
dahinter angeordneten Massivbereich (2) und mindestens
einen im Massivbereich angeordneten Kühlkanal (4) mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einem Verfahren,
bei dem zunächst
eine Gussmaske (1) hergestellt wird, diese mit Hohlleitungen
(6) verbunden und abschließend ein Massivbereich (2)
angegossen wird, mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von schematischen Abbildungen
näher da
erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 Eine
Gussform mit Gussmaske (1) aus zwei Teilen (1, 1'), Massivbereich
(2), Oberfläche
(3), Kühlkanal
(4), Steg (5), Holleitung (6), Rippen
oder Finger (7), Verbindungsbereich (8), Gusskavität (9) und
Halteelemente (10, 11)
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Erfindungsgemäß ist somit
ein Verfahren zur Herstellung einer Gussform für den Metallguss vorgesehen,
welche zumindest eine der Gussformkavität (9) zugewandte Gussmaske
(1) aus einem Metall oder einer Metalllegierung, einen
Massivbereich (2) und mindestens einen Kühlkanal
(4) aufweist, mit den wesentlichen Schritten:
- – Gießen der
Gussmaske (1),
- – Befestigen
einer Hohlleitung (6) zur Bildung des mindestens einen
Kühlkanals
(4) an der Gussmaske (1),
- – Angießen eines
Massivbereichs (2) an die der Gussformkavität (9)
abgewandte Seite der Gussmaske (1).
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Dabei
ist es von wesentlicher Bedeutung, dass zunächst eine Gussmaske hergestellt
wird, die ein Negativ-Abbild der exakten Geometrie des zu gießenden Bauteils
darstellt. Die Gussmaske ist dabei keine massive Gießform, sondern
lediglich ein dünnes
flächiges
Gebilde. Die Dicke der Gussmaske wird erfindungsgemäß nicht
so eingestellt, dass die Gussmaske stabil genug für die Funktion
als Gießform
ist. Vielmehr ist es von wesentlicher Bedeutung, dass das zu gießende Bauteil
möglichst
genau abgebildet wird und die Gießmaske nur soweit mechanisch
stabil ist, dass sie die nächsten
Verfahrensschritte der Gussformherstellung gut übersteht. Die Gussmaske dient
in der späteren
Gussform lediglich als Frontschicht, welche die Gusskavität ausgekleidet.
Die Dicke der Gussmaske liegt typischerweise im Bereich von 5 bis
40 mm und kann lokal stark variieren.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Gussmaske selbst durch einen Gießprozess hergestellt wird.
Es handelt sich dabei um ein Dünnwand-Gießverfahren.
Bevorzugt wird die Gussmaske durch dünnwandigen Stahlguss hergestellt.
Dabei ist es selbstverständlich
auch möglich,
die gegossene Gussmaske (1) durch weitere Teile zu ergänzen, die nicht
zwangsläufig
gegossen sein müssen.
Besonders bevorzugt besteht jedoch der gesamte an die Formkavität (9)
angrenzende Bereich der Gussmaske (1) aus einem oder wenigen
miteinander verbundenen gegossenen Teilen.
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In
einem darauf folgenden Verfahrensschritt werden die, oder zumindest
ein Kühlkanal
(4) der Gussformen vorbereitet. Hierzu wird eine oder mehrere
Holleitungen (6) mit den zu kühlenden Bereichen der Gussmaske
verbunden. Es ist dabei ein wesentlicher Vorteil der Erfindung,
dass die hohe Leitungen im Wesentlichen frei von geometrischen Einschränkungen
verlegt werden können;
quasi als flexibles Rohrleitungssystem. Insbesondere sind gekrümmte Holleitungen
oder Verzweigungen in einfacher Weise realisierbar. So dass sich
beispielsweise Kupferrohre verwenden, die als Kühlschlangen, -spiralen oder -wendeln
ausgebildet sind.
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Die
Holleitungen werden, soweit zur Herstellung eines stabilen Gebildes
erforderlich, mit der Gussmaske ein- oder mehrfach verbunden. Bevorzugt
werden die Holleitungen in den zu kühlenden Bereichen sehr nahe
an die Gussmaske herangeführt,
bzw. mit dieser flächige
verbunden, so dass ein guter Wärmeübergang
stattfinden kann. Die Holleitungen können unterschiedliche Querschnitte
aufweisen. So ist es beispielsweise von Vorteil, die Holleitungen
in der Nähe
der Gussmaske flach und an die Geometrie der Gussmaske angepasst
auszubilden, während
die zur Gussmaske beabstandeten Bereiche einen runden Querschnitt
aufweisen.
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Die
Hohlleitung (6) kann entweder direkt oder über einen
Steg (5) durch Löten
oder Schweißen
mit der Gussmaske (1) verbunden werden. Gegebenenfalls
kann die Hohlleitung zur weiteren Stabilisierung mit sich oder weiteren
Hohlleitungen über Stützelemente,
wie Stege verbunden werden.
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In
einem darauf folgenden Verfahrensschritt wird die Gussmaske hinterfüttert, indem
an die Gussmaske (1) ein Massivbereich (2) angegossen
wird. Der Massivbereich ist so ausgestaltet, dass die Gussform nun
die für
die Verwendung als Dauergussform erforderliche Stabilität aufweist.
In der hierdurch erhältlichen
Gussform ist der Massivbereich vollständig durch die Gussmaske von
der Gusskavität
getrennt. In diesem Verfahrensschritt werden ebenso die Holleitungen
(6) eingegossen und hierdurch Kühlkanäle (4) gebildet. Die
Kühlkanäle (4) umfassend
selbstverständlich
auch, Zu- und Ableitungen sowie Verzweigungen.
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Der
Massivbereich ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er ohne nennenswerte
Nachbearbeitung in das Gusswerkzeug einlegbar ist.
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Je
nach Geometrie des Bauteils wird durch den erfindungsgemäßen Prozess
eine fertige Gussform, oder Vollform, eine Halbform oder nur ein
Teil einer Gussform gebildet, die erst im Gusswerkzeug zu einer
Vollform ergänzt
wird.
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Da
in der Regel nur die Gussmaske aber nicht der Massivbereich werkstofftechnisch
an die Gussschmelze angepasst ist, muss die gesamte Gussformkavität (9)
mit der Gussmaske ausgekleidet sein. Dies ist beispielsweise der
Fall beim Al-Druckguss, wo bevorzugt eine Stahl-Gussmaske und ein Massivbereich
aus Cu-Legierung verwendet werden.
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Es
kann von Vorteil sein, die Gussmaske (1) aus mehreren Teilen
(1, 1')
zusammen zu setzen, bevor der Anguss des Massivbereichs erfolgt.
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Bevorzugt
wird der Massivbereich (2) aus einer Metalllegierung gebildet,
die einen Schmelzpunkt unterhalb derjenigen des Materials der Gussmaske (1)
aufweist.
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Bevorzugte
Kombinationen sind Gussmaske aus Stahl und Massivbereich aus Kupfer
oder einer Cu-Legierung, insbesondere aus Bronze oder Messing. Die
Verwendung einer Metalllegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist für die meisten
Gussverfahren von Vorteil.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Massivbereich
(2) durch eine Metalllegierung mit metallischen oder keramischen
Füllstoffen
gebildet. Hierzu wird der rückwärtigen Teil
der Gussmaske zunächst
mit den Füllstoffen überschichtet
und danach mit der geeigneten Metalllegierung ausgegossen. Als Füllstoffe
sind beispielsweise Eisen oder Stahl in Form von Pulver, Partikeln
oder Spänen
geeignet. Ebenso können
aber auch keramische Partikel eingesetzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Massivbereich
nicht durch einen metallischen Werkstoff gebildet sondern durch
keramisches Formmaterial, wie es im Prinzip aus dem Sandguss-Verfahren
bekannt ist. Hierzu wird eine flüssige
Sandguss-Masse an die Gussmaske angegossen. Die Sandguss-Masse ist
typischerweise durch Sand und Harzbinder aufgebaut. Durch dieses Verfahren
lassen sich in sehr einfacher Weise Gussformen für geringe Stückzahlen
bilden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gussmaske
auf der Rückseite
mit Rippen oder Fingern (7) ausgestartet wird. Diese Rippen
oder Finger haben die Funktion von Kühlelementen. Sie können in
entsprechende Aussparungen des Gusswerkzeuges hineinragen, oder
auch zumindest teilweise aus dem Gusswerkzeug herausragen. Für die Funktion
als Kühlelemente
ist es nicht erforderlich, dass die Rippen oder Finger in den Massivbereich
(2) eingegossen sind.
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Die
Rippen oder Finger können
teils zusammen mit der Gussmaske abgegossen werden oder teils separat
hergestellt und durch Löten
oder Schweißen
mit der Gussmaske (1) verbunden werden. In letzterem Fall
ist es von Vorteil die Rippen oder Finger aus Gründen der verbesserten Stabilität zumindest
teilweise in den Massivbereich (2) einzugießen. Werden
des weiteren Halteelemente (10, 11) zur Befestigung
mehrerer Gussformteile untereinander vorgesehen können diese
ebenfalls mit der Gussmaske abgegossen oder erst später an diese
angebracht werden. In der Regel sind die Halteelemente nach dem
festen Verbinden der Gussmasken-Teile untereinander im Massivbereich
eingegossen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Gussmaske
(1) an der von der Gusskavität (9) abgewandten
Oberfläche
(3) vor dem Angießen
aufgeraut und/oder mit einem Haftvermittler beschichtet. Hierdurch
kann die Lebensdauer der Gussform weiter verbessert werden.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft eine Gussform, wie sie beispielsweise durch
das erfindungsgemäße Verfahren
erhalten werden kann. Erfindungsgemäß ist eine Gussform für den Metallguss,
insbesondere für
den Leichtmetall-Druckguss, umfassend zumindest eine der Gussformkavität (9)
zugewandte Gussmaske (1) aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
einen dahinter angeordneten Massivbereich (2) und mindestens
einen im Massivbereich angeordneten Kühlkanal (4) vorgesehen,
wobei der Massivbereich (2) an die Gussmaske (1)
angegossen und der mindestens eine Kühlkanal in den Massivbereich
(2) eingegossen ist.
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Der
Kühlkanal
oder die Kühlkanäle verlaufen bevorzugt
gekrümmt
und an die Oberflächentopografie
der Gussmaske angepasst. Insbesondere im Bereich geringer Fließwege und
massiver Gussteilbereiche sind Kühlkanäle angeordnet.
Eine bevorzugte geometrische Ausgestaltung der Kühlkanäle sind Spiralen, Wendeln oder
netzartige Strukturen. Hieraus resultiert eine Kontur- und oberflächennahe Werkszeugtemperierung
bei langen Fließwegen
bei reduziertem Gießdruck
und bei reduzierter Formfüllgeschwindigkeit.
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Da
die Kühlkanäle nicht
in der Gussmaske verlaufen, sondern von dieser vollständig stofflich
getrennt sind, ist die Gefahr, dass Kühlmittel über Undichtigkeiten in die
Gusskavität
eindringen kann ausgesprochen gering.
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Die
Gusskavität
der erfindungsgemäßen Gussform
kann sehr komplexe Geometrien aufweisen, ohne dass ein mehrteiliger
Aufbau erforderlich ist. Da der Massivbereich angegossen ist lässt sich die
Gussform auch sehr kostengünstig
herstellen.
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Bevorzugt
ist die Gussmaske (1) aus gegossenem Stahl aufgebaut. Darüber hinaus
sind aber auch die üblichen
Materialien für
den Metallguss verwendbar, je nachdem welches Metall vergossen wird. Besonders
bevorzugte Gussmetalle sind dabei Al-, Mg- oder Zn-Legierungen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gussmaske (1)
aus mehreren Teilen (1, 1') zusammengesetzt. Dies ist insbesondere
dann zweckmäßig wenn
die Gussmaske nur unter Schwierigkeiten einstückig gießbar ist. Gegebenenfalls kann es
auch erforderlich sein eine einstückig gegossene Gussmaske nach
dem Guss in mehrere Teile zu zertrennen um diese zu richten und
Verspannungen des Gusses abzubauen.
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Bevorzugt
werden möglichst
wenige, besonders bevorzugt nur ein Teil für die Gussmaske benötigt. In 1 ist
exemplarisch eine aus 2 Teilen zusammengesetzte Gussmaske ausgeführt. Dabei
bildet der linke Teil (1) eine Seitenbegrenzung für den Massivbereich
(2) aus, während
der rechte Teil (1') keine
Seitenbegrenzung aufweist. An das rechte Teil (1') ist hier ein
Halteelement (10) und an das linke Teil (1) ein
Halteelement (11) befestigt. Die Halteelemente können durch
Metallklammern, Klemmen, Zuganker oder dergleichen miteinander fest
verbunden werden. Diese verlaufen bevorzugt innerhalb der Halteelemente
und sind nicht eingegossen. Wesentlich ist dabei, dass die Verbindungsfläche (8)
keine Fuge aufweist, so dass weder Gussmaterial beim Angießen des
Massivbereichs, noch Gussmetall beim Betrieb der Gussform zwischen
die beiden Teile geraten kann. Die Halteelemente bzw. die beiden
Teile (1) und (1')
sind besonders bevorzugt wieder lösbar miteinander verbunden.
Hierdurch wird eine Service-Reparatur beschädigter Gussform-Teile erleichtert.
Ebenso kann die Gussform hierdurch auf einfache Weise auf verschiedene
Formvarianten umgestellt werden.
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Bei
der aus mehreren Teilen zusammen gesetzten Gussmaske ist es ebenso
möglich
für Teile geringer
geometrischer Komplexität
nicht gegossenes Material zu verwenden; beispielsweise Bleche oder
tiefgezogene Blechteile.
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Der
Massivbereich (2) kann in einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung aus Metalllegierung, insbesondere Kupfer, Bronze,
oder Messing, mit metallischen oder keramischen Füllstoffen,
insbesondere Eisen- oder Stahl-Späne, -Drähte oder -Fasern gebildet sein.
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Der
mindestens eine Kühlkanal
(4) ist bevorzugt aus Kupfer, insbesondere Kupferrohr,
gebildet und bevorzugt über
einen oder mehrere angeschweißte
oder angelötete
Stege (5) mit der Gussmaske (1) fest verbunden.
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Die
Gussmaske (1) kann in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung auf der Seite, die der Formkavität (9) abgewandt ist,
Rippen oder Finger (7) aufweisen, die Kühlfunktion aufweisen. Diese
Kühlelemente
sind bevorzugt so angeordnet, dass sie in ein Kühlmedium ragen oder getaucht werden
können.
Diese Elemente können
teilweise oder überhaupt
nicht vom Massivbereich (2) umschlossen sein.
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Bevorzugte
Verwendungen der erfindungsgemäßen Gussformen
liegen im Leichtmetalldruckguss von Bauteilen für Verbrennungsmotoren. Sie sind
beispielsweise geeignet für
die Herstellung von Al-Zylinderköpfen.