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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gestaltung einer konturnahen
Temperierung einer Gussform und/oder eines Gussteils während des Gießvorgangs
mit Hilfe eines Rechners.
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Es
ist bereits bei der Erstellung von Gussmodellen bekannt (
DE 41 00 184 C1 ),
die Daten von Werkstücken
mit menschlicher Erfahrung an die gießtechnischen Bedingungen anzupassen.
Zur Optimierung des Gussstückes
ist eine Berücksichtigung der
Guss-Schwindung und der bei der zerspanenden Bearbeitung eintretenden
Veränderungen
im Spannungszustand notwendig. Dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen,
bei dem in zwei Optimierungsschritten alle wesentlichen Parameter
bei der Gussherstellung berücksichtigt
werden können.
In einer ersten Optimierungsschleife werden mit Hilfe einer rechnerischen
Erstarrungssimulation die gießtechnischen Parameter
näher bestimmt
und an Hand der gewonnenen Daten die Grundkonzeption des Gussmodells festgelegt.
Beeinflussbar sind die Grundform des Gussstückes sowie die Lage von Anschnitten,
Speisern und Kühlelementen.
Dann wird der nach dem Abkühlen
vorhandene Spannungs- und Verformungszustand ermittelt. In einer
zweiten Optimierungsschleife wird eine ebenfalls rechnerische Zerspanungssimulation
durchgeführt,
um die Veränderung
des Spannungszustandes durch die spangebende Bearbeitung, d. h.
die Abnahme von Werkstückteilen
oder Randschichten zu erfassen. Mit dem neuen Spannungszustand wird
eine neue Verformungsrechnung durchgeführt und die Lage der Fertigungsmaße in Bezug
auf die gewünschten
Endabmessungen bestimmt. Die Optimierungsschleifen können zur
Ergebnisverbesserung beliebig oft durchlaufen werden. Dieses Verfahren
sehr zeitaufwendig und hat sich daher in der Praxis nicht durchgesetzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlmittelleitungen derart auszubilden
und anzuordnen, dass für
das gesamte Werkstück
eine gleichmäßige Temperaturabsenkung
möglich
ist.
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Gelöst wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass (1)
- 1. ein mit Hilfe eines Rechners und/oder
Zeichnungsprogramms ermitteltes oder erstelltes Gussteil von der
Gussform abgezogen wird oder von dem Gussteil ein Abdruck erstellt
wird;
- 2. zumindest ein Teilbereich der Gesamtoberfläche der
Gussform erfasst wird;
- 3. auf der erfassten Oberfläche
der Gussform Verlaufslinien für
Kühlmittelleitungen
und/oder Zu- und Abläufe
der Kühlmittelleitungen
festgelegt werden;
- 4. Abstände
der Kühlmittelleitungen
und/oder der Zu- und Abläufe
der Kühlmittelleitungen
zu einer Oberfläche
der Gussform mit Hilfe eines ermittelten Temperaturverlaufs von
einzelnen Temperaturwerten, die im Bereich der Oberfläche der Gussform
oder im Bereich bestimmter Stellen in der Gussform ermittelt werden,
bestimmt werden. Hiermit lässt
sich auf einfache, schnelle Weise eine konturnahe Temperierung der
Oberfläche des
Gussteils erreichen, da die Kühlmittelleitungen
immer im richtigen Abstand zur Oberfläche der Gussform und damit
auch zur Oberfläche
des Gussteils verlaufen. Damit können
beim Erstarrungsvorgang des Gussteils Temperaturspit- zen und somit
unterschiedliche Gefügeveränderungen
im Gussteil vermieden werden.
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Hierzu
ist es vorteilhaft, dass 1. dass (2)
- 1 die
in Abhängigkeit
des Temperaturverlaufs ermittelten Verlaufslinien mit Hilfe eines
Zeichenprogramms in die ausgeformte oder ausgehöhlte Gussform projiziert werden;
- 2. danach der Kreisquerschnitt der Kühlmittelleitungen bestimmt
wird und die Abstände
der Kühlmittelleitungen
und/oder der Zu- und Abläufe
der Kühlmittelleitungen
zur Oberfläche
der Gussform in einen Profilköper
oder eine Gussform hineinprojiziert werden. Durch den ermittelten
Temperaturverlauf beim Abkühlungsprozess
des Gussteils lassen sich danach auch die Abstände der Kühlmittelleitungen zur Oberfläche der
Gussform festlegen.
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Eine
zusätzliche
Möglichkeit
ist gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung, dass (3) der Profilköper oder die Gussform von dem
Gussteil abgezogen wird oder dass von dem Gussteil ein Abdruck erstellt
wird.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass (4) Abstände der Kühlmittelleitungen zur Oberfläche der
Gussform so bestimmt sind, dass in etwa eine gleichmäßige Temperierung
an der Oberfläche
der Gussform gewährleistet
wird.
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Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass (5) die Kühlmittelleitungen über ihre
gesamte Länge
in etwa den gleichen Querschnitt aufweisen. Die Einbringung der
Kühlmittelleitungen
in die Gussform wird dadurch wesentlich einfacher.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und
in der Beschreibung erläutert
und in den Figuren dargestellt.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer mit Hilfe eines Zeichenprogramms
digital ermittelten Gussform zur konturnahen Temperierung eines Gussteils
während
des Gießvorgangs,
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2 einen
Kasten zur Aufnahme der Gussform,
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3 und
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4 die
einzelnen Arbeitsschritte zur Erstellung eines Profilkörpers oder
der Gussform,
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5 und
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6 das
Verfahren zur Einbringung der in die ausgeformte Oberfläche der
Gussform projizierten Verlaufslinien für die Kühlmittelleitungen und/oder
die Zu- und Abläufe
der Kühlmittelleitungen,
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7 einen
kreisförmigen
Querschnitt einer Kühlmittelleitung,
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8 die
Einbringung der Kühlmittelleitungen
in die Gussform bzw. in den Profilkörper (Sweepkörper),
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9 die
Kühlmittelleitungen
mit unterschiedlich langen Zu- und Abläufen,
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10 die
in die Gussform eingebrachten Kühlmittelleitungen,
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11 unterschiedliche
Abstände
der Kühlmittelleitungen
zur Oberfläche
der Gussform,
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12 eine
perspektivische Darstellung der in Abhängigkeit des Temperaturverlaufs
festgelegten Kühlmittelleitungen.
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In
der Zeichnung ist ein Verfahren zur Gestaltung einer konturnahen
Temperierung einer Gussform 1 veranschaulicht, das zur
Erstellung eines Gussteils 2 dient. Damit eine gleichmäßige Temperierung
während
des Gießvorgangs
gewährleistet werden
kann, müssen
in der Gussform 1 eingelegte Kühlmittelleitungen 4 in
Abhängigkeit
der in dem Gussteil 2 auftretenden Temperaturen gemäß 11 einen
entsprechend großen
Abstand l1 und/oder l2 aufweisen.
Die Festlegung der Abstände
wird nach dem nachstehenden Verfahren ermittelt.
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Je
nach Formgebung des Gusskörpers
treten beim Erstarrungsvorgang der Schmelze an der Oberfläche 6 des
Gussteils 2 unterschiedlich große Temperaturwerte auf, d.
h. an manchen Stellen des Gussteils 2 muss während des
Erstarrungsvorgangs über
das Kühlmittel
mehr oder weniger Wärme
abgeführt
werden.
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Das
Temperaturbild lässt
sich an Hand eines mit Hilfe eines Rechenprogramms beispielsweise
mit CAD-Verfahren erstellten simulierten Guss-Modells ohne äußere Gussform
ermitteln. An Hand des virtuell erstellten Guss-Modells lassen sie
die maximalen und minimalen Temperaturwerte und somit den Temperaturverlauf
ermitteln und dann, wie nachstehend erläutert, eine temperaturabhängige Oberfläche darstellen.
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Mit
diesem Thermobild kann der Wärmeübergang
vom Kanal zum Gussteil 2 definiert werden und mit diesen
Parametern der Volumenstrom, die Länge a der Kühlmittelleitung 4 und
der Abstand des Kanals zur Oberfläche der Gussform bestimmt werden.
Hierzu wird eine Simulationssoftware eingesetzt. Liegen die einzelnen
Parameter fest, lässt
sich ein Temperaturprofil erstellen, das sich aus den Messungen
der Thermobildkamera ergibt. Im Gussteil 2 treten aufgrund
der Materialanhäufung
unterschiedlich große
Temperaturwerte auf. Daraus ergibt sich, dass an Stellen mit hoher
Temperatur mehr Wärme abgeführt werden
muss als an Stellen mit geringer Temperatur. Bei hohen Temperaturwerten
weist die Kühlmittelleitung 4 zur
Oberfläche 6 der
Gussform 1 einen kleinen und im anderen Fall einen großen Abstand
auf. Die Erstarrungstemperaturen lassen sich ebenfalls simulieren.
Der Mindestabstand l2 zur Oberfläche 6 der
Gussform 1 kann aufgrund der ermittelten Parameter berechnet
werden. Betrachtet man gemäß 11 nach
der Simulation den Temperaturverlauf, so ist der Höchstwert
der Temperatur und damit auch der Mindestabstand l1 ermittelbar.
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Es
wird vorteilhafterweise davon ausgegangen, dass der Querschnitt
der Kühlmittelleitungen 4 und
damit auch die Kühlmittelgeschwindigkeit
in den Kühlmittelleitungen 4 stets
gleich bleibt. Die Wärmemengen
Q1 und Q2 sind ebenfalls
gleich.
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Hierbei
bedeuten
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- a
- = temperierte Kanallänge
- c
- = spezifische Wärmkapazität
- l1
- = der zu berechnende
Abstand zur Oberfläche der
Gussform,
- l2
- = minimaler Abstand
zur Oberfläche
der Gussform, wird angenommen,
- m1
- = Masse
- m2
- = Masse
- Q
- = Wärmemenge
- t
- = Temperaturpunkt
- t1
- Temperatur im Kühlkanal
wird als konstant angenommen,
- t2
- ist die Temperatur
zur Festlegung des Abstands l1
- t3
- Höchsttemperatur
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Q1 = C × m1 (t2 – t1)
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Q2= C × m2 (t3 – t1)
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Die
Massen m1 und m2 werden
bei einer sehr kleinen temperierten Kanallänge a wie folgt definiert: m1 = p × V1 = p × l1 × d × a m1 = p × V2 = p × l2 × d × a
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Der
Abstand l1 lässt sich unter Berücksichtigung
der vorangestellten Definitionen nach folgender Formel bestimmen: c × p × l1 d × a
(t2 – t1) = c × p × l2 d × d
(t3 – t1) l1 × (t2 – t1) = l2 (t3 – t1)
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Daraus
ergibt sich: l1 = l2 × (t3 – t1)/(t2 – t1)
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Mit
Hilfe dieser Werte, der vorstehendenden Nährungsformel und mit Hilfe
eines Rechenprogramms gemäß 1 und 2 lässt sich
die endgültige
virtuelle Gussform 1 im 3D Format zeichnerisch darstellen
und lassen sich die Kühlmittelleitungen 4 in
der Gussform 1 festlegen.
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Die
Erstellung der fertigen Gussform 1 kann mit Hilfe eines
Rapid-Tooling Prozesses d. h. in einem schichtaufbauenden Verfahren
hergestellt werden, d. h. das virtuell erstellte Modell wird mit
Hilfe eines Programms in Schichten zerlegt und die Kanalstruktur
in einem Datensatz erfasst, der nachher zur Erstellung der Gussform 1 mit
den besonders vorteilhaft verlegten Kühlkanälen in Abhängigkeit der Temperaturwerte
dient.
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Nach
Vorlage des Temperaturverlaufs und der Bestimmung der Abstände l1 und l2 der Oberfläche 6 der
Gussform 1 kann mit Hilfe des Rechners und/oder des Zeichenprogramms
ein Gussteil 2 festgelegt werden und dazu die Gussform 1 mit
den Kühlmittelleitungen 4 an
das Gussteil 2 angepasst werden.
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Hierzu
wird von der Gussform 1 zuerst ein Abdruck erstellt. Anschließend wird
zumindest ein Teilbereich der Gesamtoberfläche der Gussform 1 erfasst
und auf dieser erfassten Oberfläche 6 der
Gussform 1 werden Verlaufslinien 3 für die Kühlmittelleitungen 4 und/oder
Zu- und Abläufe 5 der
Kühlmittelleitungen 4 festgelegt.
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Die
Abstände
l1 und/oder l2 der
Kühlmittelleitungen 4 und/oder
der Zu- und Abläufe 5 der
Kühlmittelleitungen 4 zur
Oberfläche 6 der
Gussform 1 können
mit Hilfe des ermittelten Temperaturverlaufs von einzelnen Temperaturwerten
bestimmt werden, die im Bereich der Oberfläche 6 der Gussform 1 oder
im Bereich bestimmter Stellen in oder an der Gussform 1 gemessen
wurden.
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Nun
können
die Verlaufslinien 3 in Abhängigkeit des Temperaturverlaufs
mit Hilfe eines Zeichenprogramms in die ausgeformte oder ausgehöhlte Gussform 1 projiziert
werden (7 und 8).
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Danach
wird der Kreisquerschnitt der Kühlmittelleitungen 4 bestimmt
und die Abstände
l1 und/oder l2 der
Kühlmittelleitungen 4 und/oder
der Zu- und Abläufe 5 der
Kühlmittelleitungen 4 zur
Oberfläche 6 der
Gussform 1 werden in einen Profil- körper oder eine Gussform 1 hineinprojiziert.
Anschließend
wird der Profilköper
oder die Gussform 1 dem Gussteil 2 abgezogen oder
von dem Gussteil 2 wird ein Abdruck erstellt.
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Nachdem
die Abstände
l1 und/oder l2 der Kühlmittelleitungen 4 gemäß 8 bis 10 festliegen,
kann die für
den Produktionsvorgang erforderliche Gussform 1 erstellt
werden.
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Auf
diese Weise lässt
sich eine optimale Gussform 1 für ein Gussteil 2 in
der Sandwichbauweise herstellen und die Kühlmittelleitungen 4 können in
die Gussform 1 eingelegt und die Leitungsabschnitte anschließend miteinander
verbunden werden.