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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 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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Aus der Patentschrift
DE 36 21 334 C1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Herstellen metallischer Formgußteile bekannt, bei denen zum Gießen von metallischen Werkstücken die Metallschmelze möglichst ohne Bildung von nichtmetallischen Verunreinigungen (Einschlüssen) in den Formhohlraum einer Gießform eingeleitet werden soll.
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Die Offenlegungsschrift
DE 103 27 165 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Leichtmetallgusserzeugnissen, insbesondere von Teilen aus Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussbauteilen anzugeben, das zumindest einen Nachteil aus dem Stand der Technik verringert. Insbesondere soll eine Vorrichtung angegeben werden, die trotz eines geringen Anlagenaufwands die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gussbauteilen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patent- anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der 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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Darüber hinaus 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
- 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung während des Gießprozesses und
- 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.
