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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten
von Gießformen, insbesondere zum Bearbeiten von Gießkernen
oder anderen Formteilen, aus denen eine solche Gießform
zusammensetzbar ist, wobei die zu bearbeitenden Gießformteile
aus einem aus Formsand und Binder gemischten Formstoff hergestellt
sind, und die Vorrichtung eine Einrichtung zum Formen von Formelementen
an dem Gießformteil aufweist.
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Gießformen
der voranstehend angegebenen Art werden auch als "verlorene Formen"
bezeichnet, weil sie beim Entformen des in ihnen erstarrten Gussteils
zerstört werden. Dabei besitzen die Gießformen trotz
des Umstands, dass sie aus im Grundzustand riesel- bzw. fließfähigen
Formstoffen erzeugt sind, vor und während des Vergießens
der Metallschmelze eine Festigkeit, die es einerseits ermöglicht,
sie zu transportieren, und andererseits gewährleistet,
dass sie die gewünschte Form am Gussteil mit ausreichender
Genauigkeit abbilden.
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Das
Entfernen des Formstoffs von den äußeren Flächen
des ausreichend erstarrten Gussteil ist relativ einfach. So können
die äußeren Gießformteile auf einfache
Weise mittels geeigneter Werkzeuge von dem Gussteil abgesprengt
und anschließend zerkleinert werden. Ebenso können
die Gießformen mit Hilfe von ausreichend gebündelten,
scharf ausgerichteten Luft- oder Wasserstrahlen zerteilt werden. Wasser
kann dabei zum einen dazu genutzt werden, die Gießformteile
zu zerteilen, und zum anderen dazu dienen, die zerteilten Gießformteile
vollständig in ihre ursprünglichen Bestandteile
aufzulösen und aus dem Bereich der jeweiligen Entformungsmaschine
abzutransportieren. Das Gemisch aus Formstoff, Binder und Wasser
kann dann der Wiederaufbereitung zugeführt werden.
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Wasser
erweist sich darüber hinaus dann als Mittel der Wahl, wenn
aus feinen Kanälen, Öffnungen und vergleichbar
filigranen Formelementen des Gussteils die Hohlräume der
im Gussteil abbildenden Gießkerne entfernt werden müssen.
Mittels eines geeignet starken Wasserstrahls lassen sich auch solche
Kerne auf einfache Weise aus dem Gussteil schwämmen. Beispiele
für die Nutzung von Wasser zum Zerstören, Auflösen
und Abtransportieren von Gießformen sind in der
DE 195 25 307 A1 ,
der
DE 195 49 469
A1 und der
EP
0 974 414 B1 erläutert.
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Beim
Befüllen der Gießformen entstehen aufgrund des
in der Gießform noch vorhandenen Restwassergehalts und
des in Folge des Kontakts der Gießform mit der heißen
Schmelze einsetzenden Zerfalls des Formstoffs Gase. Diese und die
im Formhohlraum der Gießform unvermeidbar vorhandene Luft
müssen schnell aus der Gießform entweichen können,
da andernfalls Gasansammlungen zurückbleiben, die die in
die Form gefüllte Schmelze penetrieren und so eine deutliche
Verschlechterung des Gießergebnisses nach sich ziehen können.
Dabei können insbesondere die beim Eingießen der Schmelze
in der Gießform zurückbleibenden oder sich dort
neu bildenden Gasblasen Fehlstellen in und an dem Gussteil verursachen.
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Um
ein schnelles Entweichen der Luft und anderer Gase aus der Gießform
zu ermöglichen, ist es üblich, beispielsweise
in das die Gießform an ihrer Oberseite üblicherweise
abdeckende Gießformteil Entlüftungsöffnungen
einzuformen, über die der Formhohlraum der Gießform
mit der Umgebung verbunden ist. Abhängig von der Bauart
und dem Einsatzzweck der jeweiligen Gießform kann es sich
bei dem betreffenden Gießformteil um einen Deckkern oder
die Oberkastenform handeln.
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Während
bei manuell gefertigten Gießformen die Entlüftungsöffnungen
in der Regel ebenso manuell in das jeweilige Teil der Gießform
gestochen oder gebohrt werden, sind im großtechnischen
Gießbetrieb automatisierte Einrichtungen üblich,
die maschinell die erforderliche Anzahl von Entlüftungsöffnungen
in die Gießform einbringen. Dabei kommen Stech- oder Bohrwerkzeuge,
wie Dorne, Bohrer oder ähnliches, zum Einsatz, die in einer
mechanischen Hubbewegung die geforderten Öffnungen in das
jeweilige Gießformteil formen (Gießerei
Lexikon Ausgabe 2001, 18. Aufl., Verlag Schiele & Schön, Berlin, Seiten 332,
333).
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Der
Nachteil von solchen mechanisch arbeitenden Einrichtungen zum Einbringen
von Öffnungen in ein Gießformteil besteht darin,
dass der Geschwindigkeit der Bewegung ihrer Werkzeuge aufgrund der bei
deren Einsatz auftretenden kinematischen Energien Grenzen gesetzt
sind. Dies führt gerade in der Serienfertigung dazu, dass
die Erzeugung der Gießformteile und das Einformen der erforderlichen
Entlüftungsöffnungen zu zeitkritischen Arbeitsabschnitten
werden. Darüber hinaus unterliegen die Werkzeuge der bekannten
Einrichtungen aufgrund ihres dauernden reibenden Kontakts mit dem
Formstoff der Gießform einem erhöhten abrasiven
Verschleiß.
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Eine
andere Aufgabenstellung bei der Herstellung von Gießformteilen
besteht darin, dass vorgefertigte Gießformteile nachbearbeitet
werden müssen, um beispielsweise Fehler der Vorfertigung
auszugleichen oder komplexer geformte Konturen an dem jeweiligen
Formteil zu erzeugen. Auch die für die Herstellung solcher
Formelemente eingesetzten Werkzeuge unterliegen in der Praxis erhöhtem
Verschleiß.
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Vor
dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der
Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu schaffen, die es bei verkürzter Bearbeitungszeit
und vermindertem Wartungsaufwand ermöglichen, Formelemente
an der Gießform im Ganzen oder ihren Einzelteilen mit hoher
Präzision zu erzeugen.
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In
Bezug auf das Verfahren ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst worden. Vorteilhafte
Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen
Ansprüchen angegeben.
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Eine
die voranstehend genannte Aufgabe lösende Vorrichtung ist
erfindungsgemäß durch die in Anspruch 9 angegebenen
Merkmale gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind in den auf Anspruch 9 rückbezogenen Ansprüchen
enthalten.
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Gemäß der
Erfindung werden die jeweils an der Gießform oder deren
Teilen zu erzeugenden Formelemente mittels eines Flüssigkeitsstrahls
erzeugt. Bei den betreffenden Formelementen kann es sich beispielsweise
um in das jeweilige Gießformteil einzubringende Einsenkungen,
an dem Gießformteil auszuformende Absätze oder
Ausnehmungen handeln. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist dabei
die Erzeugung einer bestimmten, Hinterschneidungen oder vergleichbar
komplexe Formelemente umfassenden Kontur an einem Gießkern,
die sich in einer konventionellen Kernschießmaschine nicht
oder nur unter größeren Schwierigkeiten erzeugen
lassen.
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Eine
für die Praxis besonders wichtige Anwendung der Erfindung
besteht im Einformen von Durchgangsöffnungen in das jeweilige
Gießformteil. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich
bei den betreffenden Öffnungen um Entlüftungsöffnungen handelt,
die an den Gießformen üblicherweise jeweils in
großer Zahl vorhanden sein müssen und, wie erläutert,
bisher nur mit großem zeitlichen und apparativen Aufwand
erzeugt werden konnten. So lassen sich in erfindungsgemäßer
Weise mittels eines Flüssigkeitsstrahls insbesondere in
den Deckkern, der Oberkasten oder vergleichbare Teile einer Gießform in
kurzen Taktzeiten eine Vielzahl von Entlüftungsöffnungen
einbringen.
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Trotz
des Umstandes, dass erfindungsgemäß zu bearbeitende,
aus einem aus Formsand und Binder gemischten Formstoff hergestellt
Gießformteile in der Regel gegen einen Kontakt mit einer
Flüssigkeit, insbesondere Wasser, empfindlich sind, hat
sich überraschend gezeigt, dass derartige Gießformen und
Gießformteile in erfindungsgemäßer Weise
mit einem Flüssigkeitsstrahl bearbeitet werden können, ohne
dass es dabei zu einer besonderen Feuchtigkeitsaufnahme und damit einhergehend
zur Zerstörung kommt. Vielmehr zeigt sich, dass sich mittels des
Flüssigkeitsstrahls Formelemente an dem jeweiligen Gießformteil
ausbilden lassen, die eine den üblichen Anforderungen sicher
genügende Exaktheit ihrer geometrischen Abmessungen und
ihrer Formhaltigkeit besitzen. Trotz des unvermeidbaren Kontaktes zwischen
dem Flüssigkeitsstrahl und dem Formstoff-Material tritt
dabei nur so wenig Feuchtigkeit in das jeweilige Gießformteil
ein, dass diese Feuchtigkeitsmenge beim Abgießen der Schmelze
keinen Einfluss auf den Gießverlauf und das Gießergebnis hat.
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Der
für die vorrichtungsmäßige Umsetzung des
erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche apparative
Aufwand ist gering. So ist lediglich eine geeignete Hochdruck-Flüssigkeitspumpe
erforderlich, um einen entsprechend konzentrierten, mit hoher kinetischer
Energie auf das jeweilige Gießformteil treffenden Flüssigkeitsstrahl
zu erzeugen. Dazu können handelsübliche Hochdruckpumpen
und ebenso handelsübliche, an die Hochdruckpumpen angeschlossene
Düsen verwendet werden.
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Im
Hinblick auf die Verfügbarkeit, den Einfluss auf die Gießform
sowie die Entsorgung, Aufbereitung und Wiederverarbeitung der bei
der erfindungsgemäßen Bearbeitung anfallenden
Stoffe und Stoffgemische hat es sich als besonders günstig
erwiesen, wenn zur Erzeugung des erfindungsgemäß eingesetzten
Flüssigkeitsstrahls Wasser verwendet wird.
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Wenn
hier von einem "Wasserstrahl" die Rede ist, sind damit selbstverständlich
nicht nur solche Strahlen gemeint, die aus reinem Wasser erzeugt
sind, sondern auch sonstige Flüssigkeitsstrahlen, die auf
Wasser basieren und denen erforderlichenfalls geeignete Additive
zur Verbesserung des Arbeitsergebnisses zugegeben sind.
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Der
wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
bei der Erzeugung von Formelementen an aus einem aus einem Formsand
und einem Binder gebildeten Formstoff gefertigten Gießformteilen
und einer entsprechend ausgebildeten erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht darin, dass es zwischen dem jeweiligen Bearbeitungswerkzeug
und dem zu bearbeitenden Gießformteil zu keinem mechanischen
Kontakt mehr kommt. Vielmehr wird der Materialabtrag, der für
die Erzeugung des jeweiligen Formelements erforderlich ist, hydraulisch
und im Wesentlichen verschleißfrei vorgenommen. Gleichzeitig
nimmt der Flüssigkeitsstrahl das zu entfernende Material
aus dem Bereich des jeweiligen Formelements mit, so dass auch die
Entsorgung und Aufbereitung dieses Materials gegenüber
der üblichen Vorgehensweise deutlich vereinfacht ist.
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Mit
der Erfindung stehen somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Verfügung, die es bei geringem apparativen Aufwand und
auf ein Minimum reduziertem Wartungsbedarf ermöglichen,
innerhalb kurzer Bearbeitungszeiten Formelemente, wie Öffnungen,
Einsenkungen, Ausnehmungen oder Absätze an Gießformteilen
für eine "verlorene" Gießform herzustellen.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung wird nicht nur ein Formelement
mittels eines Flüssigkeitsstrahls an dem jeweiligen Gießformteil erzeugt,
sondern es werden mehr als ein Formelement, insbesondere eine größere
Zahl von Formelementen parallel zueinander durch eine entsprechende
Anzahl von Flüssigkeitsstrahlen hergestellt. Besonders
beim Einbringen von Öffnungen, wie Entlüftungsöffnungen,
in ein Gießformteil kann eine erhebliche Zeitersparnis
erzielt werden, wenn mehrere von ihnen in einem Arbeitsgang parallel
zueinander in das jeweilige Gießformteil eingeformt werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zu
diesem Zweck die Einrichtung zum Formen von Formelementen eine Vielzahl
von Düsen zum Abgeben jeweils eines Flüssigkeitsstrahls
aufweisen, wobei jeder Flüssigkeitsstrahl ein Formelement
in das jeweilige Gießformteil einbringen kann.
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Besonders
gute Arbeitsergebnisse lassen sich erzielen, wenn die den Flüssigkeitsstrahl
bildende Flüssigkeit, also insbesondere Wasser, mit einem hohen
Druck beaufschlagt wird und der Flüssigkeitsstrahl mit
dementsprechend hoher kinetischer Energie auf das zu bearbeitende
Gießformteil trifft. Zu diesem Zweck kann die Flüssigkeit
von einer Hochdruckpumpe mit einem Eingangsdruck von mindestens
800 bar, insbesondere mindestens 3.500 bar zu einer Düse
gefördert werden, die es als der die Formelemente formende
Flüssigkeitsstrahl verlässt. Je höher
der Flüssigkeitsdruck, desto höher ist dabei die Genauigkeit,
mit der sich das jeweilige Formelement erzeugen lässt.
In entsprechender Weise umfasst eine erfindungsgemäße
Vorrichtung eine Flüssigkeits-Hochdruckpumpe, insbesondere
eine Wasser-Hochdruckpumpe, wobei an diese Hochdruckpumpe eine der
Einrichtung zum Formen von Formelementen zugeordnete Düse
zum Abgeben eines Flüssigkeitsstrahls angeschlossen ist.
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Vielfältig
einsetzbar für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben wird
eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch, dass
die ihrer Einrichtung zum Formen von Formelementen zugeordnete,
den Flüssigkeitsstrahl abgebende Düse von einer
Stelleinrichtung getragen ist, die die Düse im Betrieb
in mindestens zwei Freiheitsgraden bewegt. Auf diese Weise lässt
sich der Flüssigkeitsstrahl in Bezug auf eine Fläche
an beliebigen Stellen positionieren, so dass an jedem Ort der betreffenden
Fläche das jeweils erforderliche Formelement erzeugt werden
kann. Bei der erfindungsgemäß eingesetzten Stelleinrichtung
kann es sich beispielsweise um einen konventionellen Industrieroboter
handeln, an dessen Gelenkarm die Düse befestigt ist. Die
Verwendung eines solchen Roboters zur Positionierung der Düse
erlaubt dabei eine maximale Freiheit bei der Anordnung des Flüssigkeitsstrahls.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel
wiedergebenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
jeweils schematisch in stark reduzierter Darstellung:
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1 eine
Gießform zum Gießen eines Motorblocks in einem
Querschnitt;
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2 eine
Vorrichtung zum Einbringen von Öffnungen in einen Deckkern
oder einen Gießform-Oberkasten der in 1 gezeigten
Gießform;
-
3 eine
alternative Vorrichtung zum Einbringen von Öffnungen in
einen Deckkern oder einen Gießform-Oberkasten der in 1 gezeigten
Gießform.
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Die
Gießform 1 ist in an sich bekannter Weise aus
einer größeren Zahl von Gießformteilen
zusammengesetzt, zu denen äußere, die Außenwände und
den Boden der Gießform 1 bildende Außenformteile 2, 3,
ein den von den Außenformteilen 2 umgebenen Formhohlraum
abdeckenden Deckkern oder Gießform-Oberkasten – nachfolgend
einheitlich als "Deckkern 4" bezeichnet –, sowie
eine größere Zahl von aus einzelnen Gießkernen
zusammengesetzten Gießkernpaketen 5, 6, 7 gehören,
die die äußere und innere Gestalt des erzeugenden,
hier nicht dargestellten Gussteils vorgeben.
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Die
Gießformteile (Außenformteile 2, 3; Deckkern 4;
Gießkerne der Gießkernpakete 5, 6, 7) sind
in ebenfalls bekannter Weise aus einem handelüblichen Formstoff
hergestellt, der aus einem Formsand und einem mit dem Formsand vermischten
organischen oder anorganischen Binder gebildet ist.
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In
den Deckkern 4 sind Entlüftungsöffnungen 8 eingeformt,
durch die beim Eingießen von Schmelze in den Formhohlraum
einerseits die im Formhohlraum vorhandene Luft entweichen kann und
andererseits auch die Gase austreten können, die in Folge des
Kontakts des heißen Gussmetalls mit dem Formstoff der Gießformteile
entstehen.
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Zum
Einbringen der Entlüftungsöffnungen 8 ist
eine Vorrichtung 9 vorgesehen, die eine Wasser-Hochdruckpumpe 10 und
einen über eine Leitung 11 mit der Hochdruckpumpe 10 verbundenen
Düsenkopf 12 umfasst. Der Düsenkopf 12 weist
eine Düse 13 auf, die an die Leitung 11 angeschlossen
ist. Erforderlichenfalls können dabei zwischen der Düse 13 und
der Leitung 11 an sich bekannte Regeleinrichtungen, wie
Ventile, Druckminderer etc. geschaltet sein, die hier jedoch der Übersichtlichkeit
halber nicht gezeigt sind.
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Der
Düsenkopf 12 ist über einen Support 14 an
einer horizontal ausgerichteten ersten Führungsschiene 15 in
Längsrichtung der Führungsschiene 15 verschiebbar
gelagert. Zum Verstellen des Supports 14 mit dem Düsenkopf 12 längs
der Führungsschiene 15 in X-Richtung ist ein Stellmotor 16 vorgesehen. Zum
Justieren der Position seiner Düse 13 kann der Düsenkopf 12 in
vertikaler Richtung Y auf dem Support 14 verschoben werden.
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Die
Führungsschiene 15 ist mit ihren Enden an jeweils
einer Stütze 17, 18 befestigt, die in
quer zur Führungsschiene 15 ausgerichteten Führungsschienen 19, 20 auf
der Basis 21 der Einrichtung 9 in Z-Richtung parallel
zueinander verschiebbar gelagert ist. Zum Verstellen der Position
der Stützen 17, 18 ist ein hier nicht
gezeigter Stellantrieb vorgesehen. Die Führungsschiene 15,
der Support 14, der Stellmotor 16, die Führungsschienen 19, 20 und
der den Führungsschienen 19, 20 zugeordnete,
nicht gezeigte Stellmotor bilden eine Stelleinrichtung mittels der
der Düsenkopf 12 mit der Düse 13 in
mindestens drei Freiheitsgraden X, Y, Z bewegt werden kann.
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Der
zu bearbeitende Deckkern 4 liegt unterhalb des Bewegungsbereichs
des Düsenkopfes 12 auf einem Gitterrost 22 oder
einem anderen vergleichbar flüssigkeitsdurchlässigen
Bauelement, das Teil eines Werkstückhalters 23 ist.
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Zum
Einbringen einer der Entlüftungsöffnungen 8 wird
der Düsenkopf 12 mit seiner Düse 13 oberhalb
der jeweiligen Position der betreffenden Entlüftungsöffnung 8 so
positioniert, dass die Längsachse des aus der Düse 13 austretenden
Wasserstrahls W im Wesentlichen senkrecht auf die der Düse 13 zugeordneten
ebenen Oberfläche des Deckkerns 4 ausgerichtet
ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, den
Wasserstrahl W schräg auf den Deckkern 4 zu richten,
wenn eine entsprechend schräge Anordnung der Entlüftungsöffnung 8 im
Hinblick auf ihre Funktion erforderlich ist. Dazu kann der Düsenkopf 12 mit
der Düse 13 um ein hier nicht dargestelltes, an
dem Support 14 vorgesehenes Gelenk verschwenkt werden.
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Bei
der in 3 dargestellten alternativen Vorrichtung 24 ist
der Düsenkopf 12 mit der Düse 13 am
freien Ende des Gelenkarms 25 eines konventionellen Industrieroboters 26 befestigt.
Der Industrieroboter 26 ist neben einem hier nur schematisch
angedeuteten Transportband 27 einer weiter nicht dargestellten
Gießform-Fertigungsanlage angeordnet. Aufgrund der bei
ihm standardmäßig vorgesehenen Gelenke ist er
in der Lage, den Düsenkopf 12 mit der Düse 13 nicht
nur in Richtung der X-, Y- und Z-Achsen zu bewegen, sondern auch
um diese Achsen jeweils zu drehen. Auf diese Weise können
die Durchgangsöffnungen 8 beispielsweise auch
mit einer windschiefen Ausrichtung ihrer Längsachsen in
den Deckkern 4 eingebracht werden, wenn dies im Sinne einer
optimierten Abströmung der in der Gießform 1 enthaltenen
bzw. beim Eingießen der Schmelze entstehenden Gase zweckmäßig
ist.
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Bei
den Vorrichtungen 9 und 24 gelangt das von der
Wasser-Hochdruckpumpe 10 mit einem Druck von 3.500 bar
beaufschlagte Wasser jeweils über die Leitung 11 zum
Düsenkopf 12 und tritt als scharf gebündelter
Wasserstrahl W aus der Düse 13 aus. Er trifft
mit entsprechend hoher kinetischer Energie auf den Deckkern 4 und
schneidet in ihn innerhalb kürzester Zeit die betreffende
Entlüftungsöffnung 8. Sobald der Wasserstrahl W
durch den Deckkern 4 getreten ist, wird der Wasserstrahl
W abgestellt und der Düsenkopf 12 weiterbewegt,
bis die Position der als nächstes zu erzeugenden Entlüftungsöffnung 8 erreicht
ist.
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- 1
- Gießform
- 2,
3
- Außenformteile
- 4
- Deckkern
- 5,
6, 7
- aus
Gießkernen zusammengesetzte Gießkernpakete
- 8
- Entlüftungsöffnungen
- 9
- Vorrichtung
zum Formen von Formelementen an dem Deckkern 4
- 10
- Wasser-Hochdruckpumpe
- 11
- Leitung
- 12
- Düsenkopf
- 13
- Düse
- 14
- Support
- 15
- Führungsschiene
- 16
- Stellmotor
- 17,
18
- Stützen
- 19,
20
- Führungsschienen
- 21
- Basis
der Einrichtung 9
- 22
- Gitterrost
- 23
- Werkstückhalter
- 24
- Vorrichtung
zum Formen von Formelementen an der Gießform 1
- 25
- Gelenkarm
des Industrieroboters 26
- 26
- Industrieroboter
- 27
- Transportband
- W
- Wasserstrahl
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19525307
A1 [0004]
- - DE 19549469 A1 [0004]
- - EP 0974414 B1 [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Gießerei
Lexikon Ausgabe 2001, 18. Aufl., Verlag Schiele & Schön, Berlin, Seiten 332,
333 [0007]