-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Formteilen aus Metall, insbesondere aus Leichtmetall oder aus einer
Leichtmetalllegierung, mittels einer Pressvorrichtung. Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung eine Pressvorrichtung, die zur
Durchführung
eines derartigen Verfahrens geeignet ist.
-
Verfahren
der eingangs genannten Art sowie entsprechende Pressvorrichtungen
zur Durchführung
derartiger Verfahren sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen
Ausführungsformen
bekannt. Beim so genannten Thixo-Schmieden wird zum Beispiel ein
Block aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung erhitzt, bis
eine Übergangstemperatur
zwischen dem festen und dem flüssigen
Aggregatzustand erreicht wird. Dieser Zustand wird häufig auch
als thixotroper Zustand bezeichnet. Die Formgebung des Metalls findet
dann in diesem Temperaturbereich zwischen der Liquidus- und der
Solidustemperatur statt, in dem sich der Metallblock in einem teilflüssigen Zustand
befindet und abhängig
von der Temperatur bestimmte Flüssiganteile
aufweist.
-
Ein
Beispiel für
ein Werkzeug und ein Verfahren zum Thixoschmieden von Stahl ist
aus der
DE 103 46
265 B4 bekannt. Ein Verfahren zur Durchführung von
Thixoforming und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der
DE 199 26 653 A1 bekannt.
Bei beiden Verfahren wird ein im Grundzustand fester Körper mittels
einer Heizeinrichtung auf die Thixotropie-Temperatur erwärmt. Anschließend wird
der thixotrope Körper
zu einer definierten Werkstückform verpresst.
-
Ein
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beziehungsweise
Pressvorrichtungen besteht darin, dass die Qualität der mit
den bekannten Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen erzeugten
Formteile für
einige Anwendungsgebiete nicht ausreichend ist. Häufig treten
Poren sowie so genannte Lunker auf, die insbesondere in relativ dickwandigen
Formteilen im Bereich der größten Wandstärke entstehen
können.
Lunker können
den Querschnitt des Formteils schwächen und dadurch eine Kerbwirkung
hervorrufen, die die Festigkeit des Formteils verringern kann.
-
Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von Formteilen aus Metall, insbesondere aus Leichtmetall
oder aus einer Leichtmetalllegierung, sowie eine entsprechende Pressvorrichtung,
die insbesondere zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens geeignet ist, vorzuschlagen, mit denen
qualitativ hochwertige Formteile einfach und kostengünstig hergestellt
werden können.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Pressvorrichtung wird
die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe durch
eine Pressvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Die
Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich gemäß Anspruch
1 durch folgende Verfahrensschritte aus:
- – mindestens
ein in vertikaler Richtung bewegbares und mit einer Presskraft beaufschlagbares Formungswerkzeug
der Pressvorrichtung wird in einer Ausgangsstellung geöffnet;
- – eine
flüssige
Metallschmelze wird bei geöffnetem
Formungswerkzeug in eine Kolbenkammer mindestens eines Kolbens der
Pressvorrichtung eingefüllt,
- – das
Formungswerkzeug wird geschlossen,
- – die
Temperatur der Metallschmelze wird kontinuierlich gemessen,
- – sobald
die Temperatur der Metallschmelze einen Wert erreicht, der zwischen
der Solidus- und der Liquidustemperatur des Metalls liegt, wird
das Formungswerkzeug mit einer ersten Presskraft F1 beaufschlagt
und in vertikaler Richtung bewegt, bis mindestens ein Formungsmittel
innerhalb des Formungswerkzeugs mit dem Metall gefüllt ist,
- – das
Formungswerkzeug wird so lange mit einer zweiten Presskraft F2 beaufschlagt,
die größer als die
erste Presskraft F1 ist, bis das Metall in dem mindestens einen
Formungsmittel vollständig
erstarrt ist,
- – das
Formungswerkzeug wird geöffnet.
-
Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Formteile
aus Metall, insbesondere aus Leichtmetall (zum Beispiel Aluminium)
oder aus einer Leichtmetalllegierung (zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung),
hergestellt werden, die im Vergleich zu den mit den bekannten Verfahren
hergestellten Formteilen eine höhere
Fertigungsqualität
besitzen. Insbesondere können
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch in hohem Maße
gasdichte, dickwandige Formteile hergestellt werden, die darüber hinaus
auch schweißbar
sind. Dabei können
unerwünschte
Poren sowie Lunker, die beispielsweise in relativ dickwandigen Formteilen
im Bereich der größten Wandstärke entstehen,
weitgehend vermieden werden. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren zum Thixoschmieden von Leichtmetallen oder Leichtmetalllegierungen,
bei denen zunächst
ein Metallblock mit einer Heizvorrichtung bis zu einer Übergangstemperatur
zwischen dem festen und dem flüssigen
Zustand erhitzt wird, damit das Metall den thixotropen Zustand erreicht, wird
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine flüssige
Metallschmelze als Ausgangswerkstoff verwendet. In der Verwendung
einer flüssigen
Metallschmelze besteht ein wesentlicher Unterschied zu den aus dem
Stand der Technik bekannten Verfahren zum Thixoschmieden von Metallen.
-
Die
flüssige
Metallschmelze wird vorzugsweise turbulent mittels eines Gießlöffels oder
dergleichen von oben in die Kolbenkammer eingefüllt. Ein weiterer wichtiger
Aspekt des hier vorgestellten Verfahrens besteht darin, dass die
Metallschmelze nach dem Füllen
der Kolbenkammer so lange ohne Bewegung im Kolbenraum verbleibt,
bis sie eine Temperatur zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie
des Metalls erreicht und dadurch einen breiartigen Zustand einnimmt.
Erst dann wird die erste Presskraft F1 auf das Formungswerkzeug
ausgeübt,
um das Formungswerkzeug in vertikaler Richtung zu bewegen und das
mindestens eine Formungsmittel mit dem breiartigen Metall zu füllen. Dadurch,
dass im Anschluss daran eine zweite, größere Presskraft F2 auf das
Formungswerkzeug ausgeübt
wird und das Metall in dem mindestens einen Formungsmittel mittels
des stationären
Kolbens so lange einem höheren Druck
ausgesetzt wird, bis das Metall vollständig erstarrt ist, können in
vorteilhafter Weise unerwünschte Lunker
beziehungsweise Poren im Formteil vermieden werden.
-
Um
eine langsamere und damit auch bessere Formfüllung zu gewährleisten,
wird in einer vorteilhaften Ausführungsform
vorgeschlagen, dass das Formungswerkzeug dann mit der ersten Presskraft F1
beaufschlagt und in vertikaler Richtung bewegt wird, um das mindestens
eine Formungsmittel mit dem Metall zu füllen, wenn die Temperatur des
Metalls einen Wert erreicht, der näher an der Liquidustemperatur
als an der Solidustemperatur liegt. Es wird somit vorzugsweise erst
dann mit der Formfüllung
begonnen, wenn das Metall beziehungsweise die Metalllegierung damit
beginnt, erste Mischkristallen und damit eine feste Phase zu bilden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass das Formungswerkzeug nach dem Schließen mit
mindestens einer Schließeinrichtung
verriegelt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass sich das Formungswerkzeug
während
der Durchführung
des Verfahrens ungewollt öffnen
kann.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass das Formungswerkzeug vor dem Öffnen in
die Ausgangsstellung überführt wird.
Dadurch kann die Entnahme des mindestens einen Formteils aus dem
Formungswerkzeug nach der Herstellung sowie die erneute Befüllung der
mindestens einen Kolbenkammer mit dem flüssigen Metall vereinfacht werden.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird das Formungswerkzeug durch eine Bewegung eines
Werkzeugoberteils in vertikaler Richtung auf ein Werkzeugunterteil
geschlossen. Auf diese Weise kann das Schließen des Werkzeugs vereinfacht
und automatisiert werden, da keine zusätzlichen Einrichtungen zum
Schließen
des Werkzeugs benötigt
werden.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass das Metall durch die Beaufschlagung des Formungswerkzeugs mit
der ersten Presskraft F1 aus der Kolbenkammer des Kolbens in Querrichtung
durch mindestens einen Fließkanal
nach außen
in das mindestens eine Formungsmittel gedrückt wird. Vorzugsweise weist
der mindestens eine Fließkanal
im Vergleich zu den Formungsmitteln einen vergleichsweise kleinen
Querschnitt auf.
-
Überraschend
hat es sich gezeigt, dass die Qualität der Formteile verbessert
werden kann, wenn die zweite Presskraft mit Hilfe des mindestens
einen Kolbens innerhalb des mindestens einen Formungsmittels einen
Druck von mindestens etwa 800 bar erzeugt. Es hat sich gezeigt,
dass Formteile, die mit diesem Druckparameter hergestellt werden,
weitgehend frei von Poren beziehungsweise Lunkern sind.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass die erste und/oder die zweite Presskraft
mittels eines Hydraulikzylinders erzeugt werden/wird. Mittels des
Hydraulikzylinders können
auch große
Presskräfte
sehr einfach eingestellt und variiert werden.
-
Die
erfindungsgemäße Pressvorrichtung,
die insbesondere zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet ist, umfasst:
- – mindestens
ein Formungswerkzeug, das in vertikaler Richtung bewegbar ist,
- – mindestens
einen Kolben mit einer Kolbenkammer, die zur Aufnahme einer flüssigen Metallschmelze
geeignet ist,
- – Temperaturerfassungsmittel,
die zur Erfassung der Temperatur des Metalls in der Kolbenkammer geeignet
sind,
- – mindestens
ein Formungsmittel, das innerhalb des mindestens einen Formungswerkzeugs
angeordnet ist,
- – Mittel
zur Beaufschlagung des mindestens einen Formungswerkzeugs mit einer
Presskraft,
- – mindestens
einen Fließkanal,
durch den das Metall während
des Betriebs der Pressvorrichtung in das mindestens eine Formungsmittel
gedrückt werden
kann.
-
Die
Temperaturerfassungsmittel können
zum Beispiel mindestens ein Thermoelement umfassen, das vorzugsweise
in der Kolbenkammer angeordnet sein kann.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Pressvorrichtung wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine
Formungswerkzeug ein Werkzeugunterteil und ein Werkzeugoberteil
aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind. Durch diese konstruktive Maßnahme kann
das Befüllen
der Kolbenkammer des Kolbens mit dem flüssigen Metall erleichtert werden.
Darüber
hinaus kann die Entnahme des mindestens einen Formteils aus dem
Formungswerkzeug nach der Herstellung vereinfacht werden. Im Werkzeugoberteil
und im Werkzeugunterteil kann jeweils mindestens ein Formungsmittel
ausgebildet sein, in welches das Metall im breiartigen Zustand hineingedrückt werden
kann. Beispielsweise kann jedem Formungsmittel des Werkzeugunterteils
ein Formungsmittel des Werkzeugoberteils zugeordnet sein, so dass
die Formungsmittel nach dem Schließen des Werkzeugs gemeinsam
einen Formhohlraum bilden, der an die Kontur des herzustellenden
Formteils angepasst ist.
-
Es
besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit,
dass die Pressvorrichtung eine Grundplatte aufweist, auf der der
mindestens eine Kolben stationär
angeordnet ist.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Pressvorrichtung können
die Mittel zur Beaufschlagung des Formungswerkzeugs mit einer Presskraft mindestens
einen Hydraulikzylinder umfassen. Mit Hilfe des Hydraulikzylinders,
an dem beispielsweise die Oberseite des Werkzeugoberteils angebracht sein
kann, können
auf einfache Weise auch sehr große Presskräfte erzeugt werden, die das
mindestens eine Formungswerkzeug beaufschlagen.
-
Vorzugsweise
ist das mindestens eine Formungswerkzeug aus Stahl hergestellt.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform kann
vorgesehen sein, dass die Pressvorrichtung Zentrierungsmittel aufweist,
die für
eine Zentrierung des Werkzeugunterteils und des Werkzeugoberteils geeignet
sind. Auf diese Weise kann insbesondere die Bewegung des Formungswerkzeugs
vereinfacht werden.
-
Es
besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit,
dass die Zentrierungsmittel eine Anzahl von Führungssäulen umfassen, die sich im
Wesentlichen in vertikaler Richtung von der Grundplatte durch das
Werkzeugunterteil und/oder das Werkzeugoberteil hindurch erstrecken. Beispielsweise
kann die Pressvorrichtung zwei voneinander beabstandete Führungssäulen aufweisen.
-
Es
kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein,
dass die Pressvorrichtung Rückstellmittel
aufweist, die für
eine Beaufschlagung des mindestens Formungswerkzeugs mit einer Rückstellkraft
geeignet sind. Dadurch kann zum Beispiel erreicht werden, dass sich
das Formungswerkzeug bei einem Wegfall der äußeren Presskraft selbsttätig in die
Schließposition
zurückbewegen
kann.
-
In
besonders vorteilhafter Weise können
die Rückstellmittel
mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei Druckfedern umfassen.
Druckfedern können
generell relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden und
auf einfache Weise eine Rückstellkraft
für das
Formungswerkzeug zur Verfügung
stellen.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass die Pressvorrichtung mindestens eine Auslöseeinrichtung aufweist, geeignet,
das mindestens eine Formteil aus dem Werkzeug zu entfernen. Dadurch
kann das mindestens eine Formteil nach der Herstellung automatisiert
und ohne manuellen Eingriff aus dem Formungswerkzeug entfernt werden.
Auf diese Weise kann insbesondere die Prozessgeschwindigkeit der Pressvorrichtung
gesteigert werden.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Pressvorrichtung
mindestens eine Schließeinrichtung
aufweisen, geeignet, das Werkzeugoberteil und das Werkzeugunterteil
in der Schließposition
zu verriegeln. Die Schließeinrichtung kann
insbesondere seitlich am Werkzeugoberteil und/oder am Werkzeugunterteil
angebracht sein und hydraulisch betätigbar sein.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
-
1 eine
schematisch vereinfachte, teilweise transparent dargestellte Seitenansicht
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
einer Pressvorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist;
-
2 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung eines ersten Verfahrensschritts
eines Verfahrens zur Herstellung von Formteilen aus Metall, insbesondere
aus Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung;
-
3 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung eines zweiten Verfahrensschritts
des Verfahrens;
-
4 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung eines dritten Verfahrensschritts
des Verfahrens;
-
5 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung eines vierten Verfahrensschritts
des Verfahrens;
-
6 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung eines fünften Verfahrensschritts
des Verfahrens;
-
7 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung eines sechsten Verfahrensschritts
des Verfahrens;
-
8 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung eines siebten Verfahrensschritts
des Verfahrens.
-
Zunächst wird
auf 1 Bezug genommen, in der eine bevorzugte Ausführungsform
einer Pressvorrichtung 1, die zur Durchführung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Formteilen aus Metall, insbesondere aus Leichtmetall
beziehungsweise aus einer Leichtmetalllegierung geeignet ist, in
einer schematisch vereinfachten und teilweise transparenten Seitenansicht
gezeigt ist.
-
Die
Pressvorrichtung 1, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt
werden kann, umfasst in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein in vertikaler
Richtung bewegbares und mit einer Presskraft beaufschlagbares Formungswerkzeug 2,
das in diesem Ausführungsbeispiel
zweiteilig ausgeführt
ist und ein Werkzeugunterteil 20 sowie ein Werkzeugoberteil 21 umfasst.
Das Formungswerkzeug 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel
eine Stahl-Dauerform.
-
Ferner
umfasst die Pressvorrichtung 1 einen im Wesentlichen zylindrisch
geformten Kolben 3, der sich abschnittsweise durch eine
entsprechend geformte Aufnahmeöffnung
(nicht mit Bezugszeichen versehen) des Werkzeugunterteils 20 hindurch
erstreckt. Man erkennt, dass der Kolben 3 in diesem Ausführungsbeispiel
an einer Oberseite eines im Wesentlichen plattenförmigen Grundträgers 10 montiert ist.
Der Kolben 3 ist also stationär (das heißt: ortsfest und insbesondere
nicht in vertikaler Richtung bewegbar) am Grundträger 10 montiert.
Das Formungswerkzeug 2 ist während des Betriebs der Pressvorrichtung 1 relativ
zum Kolben 3 bewegbar.
-
An
einem oberen Ende, welches sich durch das Werkzeugunterteil 20 erstreckt
und damit dem Werkzeugoberteil 21 während des Betriebs der Pressvorrichtung 1 zugewandt
ist, weist der Kolben 3 eine Kolbenkammer 4 auf,
in die während
des Betriebs der Pressvorrichtung 1 eine flüssige Metallschmelze,
insbesondere flüssiges
Leichtmetall (zum Beispiel Aluminium) oder eine flüssige Leichtmetalllegierung
(zum Beispiel eine Aluminiumlegierung), eingefüllt wird. Aus der flüssigen Metallschmelze
wird dann mittels eines Verfahrens, dessen Verfahrensschritte später noch
näher beschrieben
werden, ein metallisches Formteil hergestellt.
-
Man
erkennt ferner, dass im Werkzeugunterteil 20 zwei erste
Formungsmittel 5 und im Werkzeugoberteil 21 zwei
korrespondierende zweite Formungsmittel 6 ausgebildet sind,
die als Formkonturen für
die Formteile, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt
werden, dienen. Die zwei ersten und zweiten Formungsmittel 5, 6 sind
in diesem Ausführungsbeispiel
als Ausnehmungen im Werkzeugunterteil 20 beziehungsweise
im Werkzeugoberteil 21 ausgebildet. Die einander zugeordneten
und in der geschlossenen Stellung des Formungswerkzeugs 2 übereinander
liegenden ersten und zweiten Formungsmittel 5, 6 bilden
im geschlossenen Zustand des Formungswerkzeugs 2, der in 3 dargestellt
ist, jeweils einen Formhohlraum (Kavität), in dem ein Formteil beziehungsweise
ein Abschnitt eines Formteils geformt werden kann. Man erkennt ferner
zwei Fließkanäle 13,
die sich in Querrichtung vom oberen Rand des Kolbens 3 nach
außen
zu den ersten Formungsmitteln 5 des Formungswerkzeugs 2 erstrecken.
Durch diese Fließkanäle 13 kann
während
des Betriebs der Pressvorrichtung 1, wie weiter unten näher erläutert, das
Metall aus der Kolbenkammer 4 in die ersten und zweiten
Formungsmittel 5, 6 gedrückt werden.
-
Es
besteht die Möglichkeit,
dass im Werkzeugunterteil 20 beziehungsweise im Werkzeugoberteil 21 weitere
Formungsmittel vorgesehen sind, so dass die Anzahl der Formteile,
die mittels der Pressvorrichtung 1 hergestellt werden können, gegebenenfalls
erhöht
werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Pressvorrichtung 1 mehr
als ein mit einer Presskraft beaufschlagbares Formungswerkzeug 2 aufweist.
-
Die
Pressvorrichtung 1 umfasst ferner einen im Wesentlichen
plattenförmig
ausgebildeten Grundträger 10,
der auf zwei Stützträgern 11 montiert
ist, und zwei vertikale Trägersäulen 8.
Die Pressvorrichtung 1 weist darüber hinaus einen hier nicht
explizit gezeigten Hydraulikzylinder auf, der in vertikaler Richtung
bewegbar ist und an dem das Werkzeugoberteil 21 befestigt
ist. Mit Hilfe des Hydraulikzylinders kann das Werkzeugoberteil 21 aus
der in 1 und 2 gezeigten geöffneten
Position des Formungswerkzeugs 2 in vertikaler Richtung
auf das Werkzeugunterteil 20 hin bewegt werden, um dadurch
das Formungswerkzeug 2 zu schließen. Ferner kann das gesamte
Formungswerkzeug 2 mittels des Hydraulikzylinders mit einer
variierbaren Presskraft beaufschlagt und in vertikaler Richtung
relativ zum Kolben 3 bewegt werden. Um bei der Durchführung des
Verfahrens eine Zentrierung des Werkzeugoberteils 20 und
des Werkzeugunterteils 21 zu ermöglichen, weist die Pressvorrichtung 1 zwei
Führungssäulen 9 auf,
die sich von der Grundplatte 10 in vertikaler Richtung
erstrecken, und in der geöffneten Werkzeugstellung
das Werkzeugunterteil 21 teilweise durchragen.
-
Die
Pressvorrichtung 1 kann ferner eine hier nicht explizit
dargestellte Auswurfeinrichtung für Formteile umfassen.
-
Die
Pressvorrichtung 1 umfasst darüber hinaus Rückstellmittel
für das
Formungswerkzeug 2, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei Druckfedern 12 umfassen,
die sich in vertikaler Richtung zwischen der Grundplatte 10 und
dem Werkzeugunterteil 20 erstrecken. Um bei verriegeltem
Werkzeug 2 eine ausreichende Schließkraft zur Verfügung zu
stellen, weist die Pressvorrichtung zwei hydraulisch betätigbare
Schließeinrichtungen 15a, 15b auf,
die seitlich an dem Werkzeugoberteil 21 angebracht sind.
Die Verriegelung des Werkzeugunterteils 20 und des Werkzeugoberteils 21 kann
vorzugsweise über
zwei abgeschrägte
Kolben erfolgen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Formteilen aus Leichtmetallen oder Leichtmetalllegierungen
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 bis 8 näher erläutert, in
denen die einzelnen Verfahrensschritte, die beispielsweise mittels
der in 1 gezeigten Pressvorrichtung 1 ausgeführt werden
können,
schematisch stark vereinfacht dargestellt sind. Einige der oben
bereits ausführlich
beschriebenen apparativen Details der Pressvorrichtung 1 wurden
aus Vereinfachungsgründen
weggelassen.
-
Im
ersten Verfahrensschritt wird das Formungswerkzeug 2 in
die in 2 gezeigte geöffnete Stellung überführt, in
der das Werkzeugoberteil 21 und das Werkzeugunterteil 20 in
vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind. Bei geöffnetem
Formungswerkzeug 2 wird dann eine flüssige Metallschmelze 30,
insbesondere eine Schmelze aus Leichtmetall (zum Beispiel Aluminium)
oder einer Leichtmetalllegierung (zum Beispiel eine Aluminiumlegierung),
in die Kolbenkammer 4 des Kolbens 3 eingegossen.
Das Eingießen
der flüssigen
Metallschmelze 30 erfolgt dabei vorzugsweise von oben, und
zwar turbulent mit einem Gießlöffel.
-
Im
zweiten Schritt, der in 3 schematisch dargestellt ist,
wird das Werkzeugoberteil 21 mit Hilfe des Hydraulikzylinders
in vertikaler Richtung abgesenkt und auf das Werkzeugunterteil 20 zu
bewegt. Dabei wird das Formungswerkzeug 2 geschlossen. Die
Zentrierung des Werkzeugunterteils 20 und des Werkzeugoberteils 21 erfolgt
mit Hilfe der oben bereits genannten Führungssäulen 9. Wenn die Unterseite
des Werkzeugoberteils 21 schließlich auf der Oberseite des
Werkzeugunterteils 20 aufliegt, wird das Formungswerkzeug 2 mit
Hilfe der beiden hydraulisch betätigbaren
Schließeinrichtungen 15a, 15b im
geschlossenen Zustand verriegelt.
-
Man
erkennt, dass im geschlossenen Zustand des Formungswerkzeugs 2 die
einander zugeordneten ersten und zweiten Formungsmittel 5, 6 des Werkzeugunterteils 20 beziehungsweise
des Werkzeugoberteils 21 übereinander liegen und dadurch einen
Formhohlraum (eine Kavität)
bilden, in dem mindestens ein Formteil beziehungsweise ein Abschnitt
eines Formteils geformt werden kann. Aus 3 ist ersichtlich,
dass sich die flüssige
Metallschmelze 30 nach dem Verriegeln des Formungswerkzeugs 2 zunächst immer
noch in der Kolbenkammer 4 des Kolbens 3 befindet.
-
In
einem nächsten
Verfahrensschritt, der in 4 dargestellt
ist, wird die Temperatur der Metallschmelze 30 mit Hilfe
mindestens eines Thermoelements, das vorzugsweise in der Kolbenkammer 4 angeordnet
ist, kontinuierlich überwacht.
Der vertikale Abstand zwischen der Unterseite des Werkzeugunterteils 20 und
dem Stützträger 10 ist
in 4 mit X bezeichnet. Sobald die Temperatur einen
Wert erreicht, der zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie des
Metalls beziehungsweise der Metalllegierung liegt, wird der nächste Verfahrensschritt
eingeleitet. Nach dem Befüllen
der Kolbenkammer 4 verbleibt die Schmelze 30 also
so lange ohne Bewegung in der Kolbenkammer 4, bis die Temperatur
diesen Wert erreicht. Das Metall ist dann in einem breiartigen Zustand,
der auch als thixotroper Zustand bezeichnet werden kann.
-
In
diesem teilflüssigen,
breiartigen Zustand weist das Metall abhängig von der Temperatur bestimmte
Flüssiganteile
und eine primäre
Festphase auf, die üblicherweise
eine dendritische Struktur hat.
-
Im
nächsten
Verfahrensschritt, der in 5 schematisch
vereinfacht dargestellt ist, wird das Formungswerkzeug 2 im
geschlossenem Zustand mit Hilfe des Hydraulikzylinders mit einer
ersten, relativ geringen Presskraft F1 beaufschlagt und mit geringer Geschwindigkeit
weiter in vertikaler Richtung nach unten bewegt. Die Wirkungslinie
der in axialer Richtung auf das Formungswerkzeug 2 einwirkenden
ersten Presskraft F1 ist in 5 durch
einen Pfeil angedeutet. Während
des Einwirkens der Presskraft wird das im Wesentlichen breiartige
Metall durch die beiden Fließkanäle 13 in
Querrichtung nach außen
in die als Formkontur dienenden ersten und zweiten Formungsmittel 5, 6 des
Werkzeugunterteils 20 beziehungsweise des Werkzeugoberteils 21 gedrückt, bis
diese vollständig
mit dem Metall gefüllt
sind. Der Abstand zwischen der Unterseite des Werkzeugunterteils 20 und
dem Stützträger 10 beträgt dann X-ΔX1.
-
In
einem nächsten
Verfahrensschritt wird dann, wie in 6 gezeigt,
mittels des Hydraulikzylinders der Pressvorrichtung 1 eine
zweite Presskraft F2 aufgebaut, die größer ist als die erste Presskraft F1.
Das Formungswerkzeug 2 wird dabei in vertikaler Richtung
weiter verfahren, bis der Abstand zwischen der Unterseite des Werkzeugunterteils 20 und
dem Stützträger 10 X-ΔX2 beträgt.
Dabei gilt ferner: ΔX1 < ΔX2. Die zweite Presskraft F2 bewirkt, dass
das breiartige Metall vollständig
aus der Kolbenkammer 4 verdrängt wird. Die Außenwand
des Kolbens 3 verschließt dabei die Fließkanäle 13.
-
Die
größere Presskraft
F2 und der dadurch herrschende höhere
Druck in den Formhohlräumen wird
so lange aufrechterhalten, bis das zunächst im Wesentlichen breiartige
Metall in den Fließkanälen 13 sowie
in den aus den ersten und zweiten Formungsmitteln 5, 6 des
Werkzeugunterteils 20 und des Werkzeugoberteils 21 gebildeten
Formhohlräumen
vollständig
erstarrt ist. Versuche haben gezeigt, dass der Druck, der während dieses
Verfahrensschritts in den Fließkanälen 13 sowie
in den ersten und zweiten Formungsmitteln 5, 6 herrscht,
mindestens etwa 800 bar betragen sollte, damit eine Lunker- und
Porenbildung in den Formteilen weitgehend vermieden werden kann.
Es hat sich gezeigt, dass bei steigendem Druck die Tendenz zur Lunker-
beziehungsweise Porenbildung in den Formteilen weiter verringert
werden kann.
-
Wie
in 7 gezeigt, wird das Formungswerkzeug 2 nach
dem Wegfall der zweiten Presskraft F2 im geschlossenen Zustand auf
Grund der Rückstellkraft
der Druckfedern 12 wieder in die in 3 dargestellte
Werkzeugschließstellung
zurückbewegt.
-
In 8 kann
man erkennen, dass im letzten Schritt das Werkzeugoberteil 21 wieder
in die in 2 gezeigte Ausgangsstellung überführt wird,
in der das Formungswerkzeug 2 geöffnet ist. Das Werkzeugoberteil 21 fährt dabei
in vertikaler Richtung hoch, während
das Werkzeugunterteil 20 in seiner Grundstellung verharrt.
In der geöffneten
Stellung des Formungswerkzeugs 2 kann das Formteil beziehungsweise
können
die Formteile aus dem Werkzeugunterteil 20 entnommen werden.
Vorzugsweise kann dazu eine Auslöseeinrichtung 15 eingesetzt werden.
-
In
der geöffneten
Ausgangsstellung des Formungswerkzeugs 2 kann dann, wie
bereits oben unter Bezugnahme auf 2 erläutert, wiederum
flüssige
Metallschmelze 30 in die Kolbenkammer 4 des Kolbens 3 eingefüllt werden.
Anschließend
können dann
die aufeinander folgenden Schritte des hier beschriebenen Verfahrens
erneut durchlaufen werden.