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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung
von Gussbauteilen.
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Verschiedene
Verfahren zur Herstellung von Gussbauteilen aus metallischen Werkstoffen
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese unterscheiden sich
insbesondere hinsichtlich der Art der verwendeten Formen (verlorene
Formen, Dauerformen) sowie hinsichtlich des physikalischen Prinzips, durch
das eine Verteilung des geschmolzenen, fließfähigen Metallwerkstoffs in dem
Formhohlraum sichergestellt wird.
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Beim
Schwerkraftgießen
erfolgt der Einguss oberhalb der Form unter Nutzung der Schwerkraft. Unabhängig von
der Art der verwendeten Formen unterscheidet man beim Schwerkraftgießen zwischen einem
solchen mit steigendem und einem mit fallendem Guss. Beim steigenden
Guss fällt
die Schmelze über
den Einguss in einen Gießlauf,
von dem aus der Anschnitt an der Unterkante des Gussteils erfolgt. Das
geschmolzene Metall steigt dann im Formhohlraum nach oben. Beim
fallenden Guss (auch Kopfguss genannt), erfolgt der Anschnitt entweder
an der Oberkante des Gussteils oder über Speiser, die zum Ausgleich
eines Volumendefizits bei der Erstarrung des Metalls vorgesehen
sind. Die Schmelze fällt
dabei im Formhohlraum auf die Grundfläche und steigt dann im Bauteil
nach oben. In beiden Fällen
verläuft die
Erstarrungsrichtung des Metalls somit von unten nach oben, so dass jeweils
Speiser an dem Gussteil zum Ausgleich des Volumendefizits vorzusehen
sind. Häufig
werden bei diesen Verfahren zur Unterstützung einer gerichteten Erstarrung
kühlende
Maßnahmen
an der Unterseite der Form getroffen (Kühleisen, gekühlte Kokille,
etc.).
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Beim
Niederdruckgießen
erfolgt die Formfüllung über ein
beheiztes Steigrohr aus einem druckbeaufschlagten Warmhalteofen.
Hierbei wird zwischen Niederdruckgießen mit Niederdruckerstarrung
sowie Niederdruckgießen
mit Schwerkrafterstarrung unterschieden. Im ersten Fall wird das
Gussteil zumeist an der Unterseite angeschnitten. Durch ein Aufrechterhalten
des Fülldrucks
bis zur vollständigen
Erstarrung kann eine Nachspeisung über entsprechend stark auszulegende
Anschnitte erfolgen. In diesem Fall erfolgt eine Erstarrung entgegen
der Füllrichtung von
oben nach unten. Beim Niederdruckgießen mit Schwerkrafterstarrung
wird das Gussteil meist seitlich über ein entsprechendes Gießsystem
angeschnitten. Häufig
ist das Gießsystem
so ausgelegt, dass eine Nachspeisung darüber nicht möglich ist, so dass Speiser
oder Steiger an dem Gussteil vorgesehen werden müssen, über die die Nachspeisung des Gussteils
durch eine Nutzung der Schwerkraft erfolgen kann. Die Erstarrung
erfolgt in diesem Fall entgegen der Schwerkraft von unten nach oben.
Wie beim Schwerkraftgießen
können
beim Niederdruckgießen kühlende Maßnahmen
an der Unterseite der Form getroffen werden, um eine gerichtete
Erstarrung des Metalls zu unterstützen.
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Das
Druckgießen
kommt regelmäßig bei
der Serienherstellung von Bauteilen in großen Stückzahlen zum Einsatz. Hierbei
wird die Schmelze unter hohem Druck und mit relativ großer Geschwindigkeit
in eine in der Regel zweiteilige Dauerform gedrückt. Bei jedem Gießvorgang
wird ein definiertes Volumen der Schmelze in die Form gedrückt. Druckgussteile
besitzen in der Regel glatte, saubere Flächen und Kanten und sind äußerst maßgenau.
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Beim
Kippgießen
(auch Rotationsgießen
genannt) erfolgt die Formfüllung
durch eine Rotationsbewegung des Kerns und der Gießvorrichtung
während des
Abgusses. Durch die Drehung strömt
die Schmelze aus einem angeschlossenen Vorratsbehälter in
den Formhohlraum. Wie beim Schwerkraftgießen erfolgt die Erstarrung
entgegen der Schwerkraft von unten nach oben, so dass dementsprechend
auch hier Speiser vorzusehen sind, um ein Volumendefizit bei der
Erstarrung des Metalls ausgleichen zu können.
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Die
verschiedenen Gießverfahren
weisen spezifische Nachteile auf.
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Beim
Niederdruckgießen
mit Niederdruckerstarrung fungieren die Anschnitte gleichzeitig
als Speiser und müssen
dementsprechend stark ausgelegt werden. Dadurch kann z. B. bei Zylinderköpfen, die
regelmäßig über die
Brennräume
angeschnitten werden, ein erhöhter
Aufwand für
die Nachbearbeitung entstehen. Aufgrund der Erstarrungsrichtung
ist bei diesem Gießverfahren,
beispielsweise bei Zylinderköpfen,
die an den Brennräumen
angeschnitten wurden, mit einem gröberen Gefüge in den dem Brennraum angrenzenden
Bereichen zu rechnen, da die Erstarrungsgeschwindigkeit durch die
Nachspeisung an diesen Stellen am geringsten ist. Dies wirkt sich
negativ auf die mechanischen Kennwerte in diesem Bereich aus, was
insbesondere durch die hohe thermomechanische Belastung im späteren Betrieb des
Verbrennungsmotors zu Problemen führen kann.
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Beim
Schwerkraftgießen
mit steigendem Guss sowie beim Niederdruckgießen mit Schwerkrafterstarrung
ist ein aufwändiges
Gießsystem
erforderlich, um eine gleichmäßige, möglichst
laminare Formfüllung
zu erreichen. Dieses Gießsystem
ist nach dem Abguss wieder zu entfernen, was einen erhöhten Bearbeitungsaufwand
mit sich bringt. Zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften werden
im Brennraumbereich bei Formen für
Zylinderköpfe
zumeist Stahlkokillen eingesetzt. Zur Vermeidung von Kaltläufen, die
durch eine vorzeitige Abkühlung
des vorgelaufenen Metalls entstehen, müssen die Stahlkokillen in der
Regel vorgewärmt
werden. Dadurch wird jedoch auch die Wärmekapazität und als Folge hiervon die
Kühlleistung
verringert, was zu einem grobkörnerigen
Gefüge
und folglich zu schlechteren mechanischen Kennwerten führt.
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Beim
Schwerkraftgießen
mit fallendem Guss können
bedingt durch große
Fallhöhen
Turbulenzen auftreten, die zu Einschlüssen oder Füllblasen im fertigen Gussteil
führen.
Bei verlorenen Formen, die häufig
aus einem Sandgemisch hergestellt werden, kann die hohe kinetische
Energie der fallenden Schmelze zu Sandabtrag im Formhohlraum und
folglich zu Fehlstellen im Gussteil führen.
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Die
Herstellung von Gussteilen im Kippgießverfahren ist mit einem hohen
Anlagenaufwand verbunden. Die eingesetzten Sandkerne müssen so
fixiert werden, dass sie durch die Drehbewegung nicht verrutschen,
was zu Fehlern in den Dimensionen des fertigen Gussteils führen würde. Da
die Formen regelmäßig für die Formfüllung gekippt
werden, erfahren die eingelegten Kerne – neben der thermisch-mechanischen
Belastung durch die einströmende Schmelze – eine zusätzliche
mechanische Belastung durch die Verlagerung, was die Gefahr von
Kernbrüchen
und dadurch verursachten Ausschuss erhöht.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Gussbauteilen
anzugeben, das zumindest einen Nachteil aus dem Stand der Technik
verringert. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben
werden, das trotz eines geringen Anlagenaufwands die Herstellung
von qualitativ hochwertigen Gussbauteilen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, bei einem Verfahren zum Herstellen
von Gussbauteilen, bei dem ein metallischer Werkstoff in fließfähigem Zustand
in eine einen Formhohlraum ausbildenden Gießform eingebracht wird, eine
Zufuhrvorrichtung vorzusehen, die mindestens eine Austrittsöffnung aufweist,
wobei die Zufuhrvorrichtung während
des Gießprozesses
so positioniert wird, dass die Austrittsöffnung auf Höhe des Badspiegels
liegt.
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Hierdurch
kann erreicht werden, dass eine Schmelze möglichst nah an dem Punkt in
den Formhohlraum eingebracht wird, an dem diese erstarren soll.
Da auf diese Weise lange Wege, die von der Schmelze in der kalten
Form zurückgelegt
werden müssen,
vermieden werden, kann häufig
eine im Vergleich zum Stand der Technik geringere Gießtemperatur
verwendet werden und auf eine verhältnismäßig kalte Form gegossen werden,
ohne das Risiko von Kaltläufen
im Gussteil zu erhöhen.
Als Folge davon erhöht
sich die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze, was regelmäßig zu einem
feineren Gefüge
bzw. einem geringeren Dentritenarmabstand (DAS) führt. Dies
hat einen positiven Einfluss auf die mechanischen Kennwerte (insbesondere
Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung) und führt als
Folge dessen zu einer höheren
Betriebssicherheit des Gussteils. Bei einer Verwendung von z. B.
Sandkernen wirkt sich die geringe Gießtemperatur zudem positiv auf
die thermische Beanspruchung aus, so dass die Kerne weniger zu Verformungen
während der
Formfüllung
tendieren. Es können
daher konstantere Wandstärken
und maßhaltigere
Bauteile erzeugt werden. Weiterhin neigt eine Schmelze mit niedrigerer
Temperatur vor und während
des Gießens
weniger zur Aufnahme von Wasserstoff aus der Luft oder aus den Kernen,
mit der Folge, dass die Wasserstoffporosität reduziert und somit die Gussqualität des ganzen
Bauteils verbessert wird.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine einen Formhohlraum ausbildende Gießform sowie eine Zufuhrvorrichtung
für einen
fließfähigen, insbesondere
geschmolzenen metallischen Werkstoff auf, wobei die Zufuhrvorrichtung
mindestens eine Austrittsöffnung
aufweist und so ausgebildet ist, dass die Austrittsöffnung auf
Höhe des
Badspiegels positionierbar ist. Hierzu ist die Zufuhrvorrichtung
und/oder die Gießform
entsprechend verfahrbar ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, den fließfähigen metallischen
Werkstoff auf Höhe
des Badspiegels aus der Zufuhrvorrichtung austreten zu lassen, wobei
sich erfindungsgemäß die Austrittsöffnung der
Zufuhrvorrichtung genau auf der Höhe des Badspiegels oder auch – gegebenenfalls
in Abhängigkeit
von dem Gießvorgang,
wobei insbesondere die Qualitätsanforderungen
an das Bauteil sowie dessen Geometrie von Bedeutung sind – ober-
oder unterhalb des Badspiegels befinden.
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Neben
den bereits genannten Vorteilen der Erfindung kann durch eine Reduzierung
des Abstands zwischen der Austrittsöffnung und dem Badspiegel und
folglich der freien Fallhöhe
des Werkstoffs auf ein Minimum (ggf. auf Null) reduziert werden.
Dadurch können
große
Turbulenzen im Metallbad und Ausspülungen an den Kernen vermieden werden,
so dass das Risiko von Füllblasen
und Einschlüssen
reduziert wird.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die sich insbesondere bei der Herstellung
von groß dimensionierten
Gussbauteilen positiv auswirkt, wird die Position der Austrittsöffnung mit
dem ansteigenden Badspiegel angepasst. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
hierzu eine Steuerung für
den/die Antrieb(e), mit dem/denen die Zufuhrvorrichtung und/oder
die Gießform
verfahrbar sind, auf, die besonders bevorzugt zur regelmäßigen, d.
h. kontinuierlichen oder abgestuften Anpassung der Position der
Austrittsöffnung
während
des Gießprozesses dient.
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Hierdurch
wird eine Automatisierung des Gießprozesses ermöglicht,
die zu einer weiteren Verringerung des Herstellungsaufwands führen kann. Die
Steuerung zur Anpassung der Position der Austrittsöffnung kann
beispielsweise auf einer Auswertung der Messwerte von Sensoren,
die den Abstand zwischen der Austrittsöffnung und dem Badspiegel messen,
beruhen. Alternativ kann von einer Messung des Durchflusses des
Metalls auf die Höhe
des Badspiegels geschlossen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Zufuhrvorrichtung einen Injektor mit einem länglichen,
bevorzugt zylindrischen Grundkörper
auf, in dem eine Zufuhrleitung für
den metallischen Werkstoff vorgesehen ist, wobei in dem Injektor
die mindestens eine Austrittsöffnung
radial ausgebildet ist. Der längliche
Grundkörper
kann auf einfache Weise durch hierfür eingebrachte Öffnungen
in der Form oder bereits bestehende Kavitäten des Formhohlraums in diesen
eingeführt
werden, wobei die Dimensionen des Grundkörpers sowie der darin enthaltenen
Zufuhrleitung auf den Hohlraum sowie den erforderlichen Durchfluss
des Werkstoffs abgestimmt sein können.
Durch ein Umlenken des fließenden
Werkstoffs infolge der radial ausgerichteten Austrittsöffnung kann
der Werkstoff in einer Richtung, die möglichst parallel zu der von
dem Badspiegel definierten Ebene liegt, aus der Zufuhrvorrichtung
austreten, wodurch wiederum Turbulenzen in dem Metallbad vermieden
werden können.
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Vorzugsweise
sind eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen
in der Zufuhrvorrichtung vorgesehen, die so positioniert sind, dass
der Werkstoff, in Abhängigkeit
von der Position der Zufuhrvorrichtung in dem Formhohlraum auf möglichst
kurzem Wege verteilt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Zufuhrvorrichtung weiterhin einen Vorratsbehälter für den metallischen
Werkstoff auf. Dieser kann Bestandteil eines Warmhalteofens sein.
Der Vorratsbehälter
kann oberhalb des Injektors angeordnet sein und diesen unter Ausnutzung
der Schwerkraft mit dem metallischen Werkstoff versorgen. Der Vorratsbehälter kann
ebenfalls über
eine oder mehrere Zufuhrleitungen mit dem oder den Injektor(en)
verbunden sein. Weiterhin kann das Zuleiten des Werkstoffs zu den
Injektoren durch eine Druckbeaufschlagung des Werkstoffs erfolgen
bzw. unterstützt
werden.
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Um
ein ungewolltes Austreten von Werkstoff zu vermeiden, weist die
Zufuhrvorrichtung vorzugsweise ferner ein Verschlusselement für die Austrittsöffnung auf.
Dieses kann so ausgebildet sein, dass ein Austreten des Werkstoffs
aus der oder den Austrittsöffnungen
bei geschlossenem Verschlusselement verhindert wird. Beispielsweise
kann das Verschlusselement die Verbindungsöffnung zwischen dem Vorratsbehälter und
dem Injektor verschließen. In
diesem Fall kann ein Austreten des sich noch im Injektor befindlichen
Werkstoffs durch den dabei entstehenden Unterdruck im Injektor verhindert
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Mehrzahl von Zufuhrvorrichtungen bzw. Injektoren auf. Durch das
Einleiten des metallischen Werkstoffs an mehreren Positionen innerhalb
des Formhohlkörpers
kann eine schnellere und/oder gleichmäßigere Verteilung des Werkstoffs über dem
Querschnitt des Formhohlkörpers
erfolgen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt
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1:
eine erfindungsgemäße Vorrichtung während des
Gießprozesses
und
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2:
die Vorrichtung der 1 nach Beendigung des Gießprozesses.
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In
den Figuren ist eine Gießform
dargestellt, die im wesentlichen aus einer Bodenkokille 1,
einem äußeren sowie
einem inneren Formelement 2, 2' besteht.
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Innerhalb
des inneren Formelements 2' ist ein
Formhohlraum ausgebildet, der an einer Stelle nach oben hin offen
ist. Ein Injektor 3 einer Zufuhrvorrichtung 4 erstreckt
sich durch diese Öffnung
bis in den Formhohlraum hinein. Der Injektor 3 weist einen zylindrischen
Grundkörper 5 auf,
in dem eine Zufuhrleitung für
die Schmelze zu insgesamt vier Austrittsöffnungen (erkennbar in 2)
führt,
die am unteren Ende des Injektors 3 in radialer Richtung
vorgesehen sind.
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Der
Injektor 5 wird aus einem Vorratsbehälter 6 mit Schmelze
versorgt, so dass diese durch die vier radialen Öffnungen in den Formhohlraum
eingebracht wird.
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Mittels
eines nicht dargestellten Linearantriebs wird die Zufuhrvorrichtung 4,
d. h. die im wesentlichen aus Injektor 3 und Vorratsbehälter 6 bestehende
Einheit, so positioniert, dass die radial ausgerichteten Austrittsöffnungen
stets im wesentlichen auf Höhe
des Badspiegels positioniert sind. Die Position der Austrittsöffnungen
wird somit während
des Gießprozesses
kontinuierlich an den ansteigenden Badspiegel angepasst, indem die
Zufuhrvorrichtung 4 während
des Füllvorgangs
aus dem Formhohlraum herausgefahren wird.
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2 zeigt
die Vorrichtung nach Beendigung des Gießvorgangs. Die Zufuhrvorrichtung 4 ist vollständig aus
dem Formhohlraum herausgefahren. Ein weiteres Ausfließen von
Schmelze aus den Austrittsöffnungen
wird durch einen Stopfen 7 verhindert, der die Durchgangsöffnung zwischen
dem Vorratsbehälter 6 und
der Zufuhrleitung des Injektors 3 verschließt.