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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckgiessteilen,
insbesondere von Teilen aus Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffen.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Felgen oder
Rädern für die Fahrzeugindustrie ebenso wie Motorblöcke
oder Strukturbauteile oder andere hochanspruchsvolle Druckgussteile.
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Felgen
oder Räder für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge,
werden heute nach dem Niederdruckgiessverfahren aus Aluminiumwerkstoffen hergestellt.
Dabei handelt es sich meist um einfach gesteuerte Niederdruckgiessmaschinen
mit hohem manuellen Arbeitsanteil. Jede Maschine benötigt eine
Bedienperson, die sowohl der hohen Temperaturen der Metallschmelze
als auch der Abgase des Giessprozesses ausgesetzt ist. Die Entformung
der gegossenen Teile ist aufwändig.
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Viele
Handoperationen beeinflussen die Teilequalität und die
Zykluszeit für den Abguss eines Rades beträgt
7 bis 12 Minuten. Designänderungen bedingen die Herstellung
neuer Formen.
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Der
Hersteller (Niederdruckgiesser) erwirbt die benötigte Aluminiumlegierung
in Barrenform ein und schmilzt diese in Schmelzöfen neben
der Niederdruckgiessmaschine auf, d. h. die Qualität kann
zudem von Maschine zu Maschine abweichen.
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Ein
Verfahren zum Giessen von Kraftfahrzeugrädern, aus Aluminium,
Magnesium oder dgl. Leichtmetallen in Niederdruckgiessmaschinen,
die im wesentlichen aus einem Tiegel zur Warmhaltung der Schmelze,
einer über dem Tiegel angeordneten Giessform sowie einem
von der Giessform ausgehenden, den Deckel des Tiegels durchragenden
und in die Schmelze einragenden Steigrohr bestehen, wobei das durch
das Giessen des Formteils verbrauchte Metall in die Giessmaschine
nachchargiert wird zeigt die
DE-C-3619525 .
Es ist dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Abguss ein Metallblock (Massel)
einer dem Gussgewicht im wesentlichen entsprechenden Masse in den
Gasraum über dem Badspiegel der Giessmaschine eingebracht
und vor bzw. nach dem Ziehen bzw. Auswerfen des Gussstückes
in das Bad der Giessmaschine eingebracht wird.
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Es
ist allgemein bekannt, Teile aus Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffen
durch Druckgiessen aus der Schmelze heraus oder auch halbfester, zugeschnittener
Bolzen (SSM-Verfahren oder Thixomolding) herzustellen. Bisher ist
es jedoch nicht gelungen, für derartige hochbelastete Teile
wirtschaftlich alternative Verfahren zu entwickeln.
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So
offenbart die
DE-C-195
38 243 ein Verfahren zur Herstellung eines semi-geschmolzenen Thixogiess-Giessmaterials
bei dem durch Thixogiess-Material, umfassend einen äusseren
Schichtabschnitt mit Dendriten um einen äusseren Umfang
eines Hauptkörperabschnitts herum aufweist, einer Hitzebehandlung
ausgesetzt wird, um ein semigeschmolzenes Giessmaterial mit darin
koexistenten festen und flüssigen Phasen zu erzeugen. Hierbei werden
die Dendriten, resp. Dendritenfragmente durch Erhöhen der
Temperatur des äusseren Schichtabschnitts bzgl. des Hauptkörperabschnitts
in sphärische feste Phasen transformiert, und der äussere
Schichtabschnitt in einen semigeschmolzenen Zustand gebracht. Durch
Nutzung von Skin-Effekten soll ein zu schnelles Aufheizen des Hauptkörpers verhindert
werden. Ein solches schrittweises Verfahren zum Aufheizen ist aufwendig
und erfordert mehrere Induktionsheizschritte mit unterschiedlichen
Frequenzen (Leistungen).
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In
der
US-PS 5 638 889 ist
ein Giessverfahren mit einer Giesseinrichtung offenbart. Das Aufwärmen
der Billets erfolgt in einer Heizeinrichtung der Giesseinrichtung
unmittelbar vor der Form. Die Aufheizung der Billets erfolgt mehrstufig
mit in Folge entsprechend hohen Zykluszeiten.
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Die
EP-A-710 515 beschreibt
ein Thixogiessverfahren von Rädern mit einer Rheocast-Legierung und
eine Einrichtung hierzu, bei der auch ein Roboter zum Einsatz kommt.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung von Druckgussteilen, eingeschlossen
Fahrzeugräder, ist in der
EP-B-1448331 beschrieben. In einer Druckgiesseinrichtung
mit Zufüh rungs- und Erwärmungseinrichtungen für
den Giesswerkstoff, einer Druckgiessmaschine, Handhabungsgeräten
und Steuereinrichtungen sind Heizeinrichtungen integriert, die ein
stufenweises Aufheizen von Bolzen aus Aluminiumwerkstoffen ausserhalb
der Druckgiessmaschine ermöglichen, die dann ohne nennenswerten
Kontakt zur Umgebungsluft in die Druckgiessmaschine gelangen.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugfelge aus Aluminium
gemäss der
DE-A-102005026829 mittels
eines Vakuum-Druckgiessprozesses wird flüssiges Aluminium
in die Form eingebracht. Die Schmelze wird zunächst in
die Giesskammer gesaugt und danach in die Formkavität gepresst,
wobei diverse Unzulänglichkeiten bzgl. Vakuum und Dosiermenge
auftreten können. Das Gussteil wird nach der Entnahme aus
der Form für ca. drei Stunden auf 200°C bis 400°C
erwärmt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
von Druckgiessteilen, insbesondere von Rädern oder Felgen
für Fahrzeug-Motorblöcke, Strukturbauteilen oder
anderen hochanspruchsvollen Druckgussteilen zu entwickeln, dass
eine einfachere und kostengünstigere Verfahrensführung
ermöglicht. Insbesondere sollen qualitativ hochwertige
Räder und dergleichen mit verringertem Aufwand herstellbar
werden. Die Umweltbelastungen sollen spürbar verringert
werden.
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Die
Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in
den Unteransprüchen offenbart.
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Die
Aluminiumwerkstoffe werden in einem Ofen aufgeschmolzen, gereinigt
und so vorbereitet, dass eine bessere Kornstruktur im Gussteil erreicht wird.
Die Schmelze wird mit einer Temperatur von lediglich ca. 610°C
bis max. 650°C in eine Giesskammer einer Druckgiessmaschine überführt
und mit einer Geschwindigkeit grösser 50 m/s (bis ca. 65
m/s) am Anschnitt in die Giessform verbracht.
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Bevorzugte
Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
offenbart.
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Bevorzugt
wird die Metallschmelze aus einem Ofen geschöpft und die
Schmelzeportion wird in die Giesskammer gegossen.
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In
einer an sich vorbekannten Druckgiesseinrichtung mit Zuführungs-
und Erwärmungseinrichtungen für den Giesswerkstoff,
einer Druckgiessmaschine, Handhabungsgeräten und Steuereinrichtungen
sind Heizeinrichtungen integriert, die ein handhaben und vergiessen
von Schmelze aus Aluminiumwerkstoffen ermöglichen.
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Nach
dem Druckgiessen bzw. Druckumformen werden die Gussteile in weiterer
Ausbildung des Verfahrens in einem speziellen Prozess gekühlt
und ausgelagert und zwar wesentlich schneller als bisher üblich.
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Wesentliche
Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens liegen darin,
dass es vollautomatisiert ausführbar ist, eine bessere
Kornstruktur erreicht wird und gegenüber einem Kokillenguss
eine Kostenreduktion von bis zu 30% erzielbar ist. Aufgrund der
niedrigen Schmelzetemperatur (üblich sind ca. 680–700°C
beim Stand der Technik) sinken zudem Energieverbrauch und Formverschleiss.
Auch gegenüber Thixogiessverfahren etc. sind die Aufwändungen
deutlich niedriger.
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Die
Zykluszeit pro Rad sinkt auf ca. 1 Minute.
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Herstellbar
sind insbesondere
- – Räderherstellung
im Druckguss
- – Motorblöcke R & V System
- – Strukturbauteile aller Arten
- – Hochanspruchsvolle Druckgussteile mit Dichtigkeitsanforderungen
- – Hochanspruchsvolle Druckgussteile mit mechanischen
Anforderungen wie Dehnung, Streckgrenz, Zugfestigkeit
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Es
können mit diesem Verfahren Legierungen verarbeitet werden
die bisher im Druckguss nicht verarbeitet werden konnten, z. B.
356/357,390.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel
an Hand einer Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung
zeigt in der
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1:
eine Giesszelle
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2:
die Umgebung einer Giessform.
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Die
Giesszelle beinhaltet eine Druckgiessmaschine 1 mit einer
adaptiven Form, einen Schmelz-Warmhalteofen 12 mit einer
integrierten Metallreinigung und separater Schöpfkammer,
ein Schöpfgerät 11 zur dosierten Beschickung
und Bereitstellung von Schmelze in der Giesskammer 17 der Druckgiessmaschine 1,
eine Steuereinheit 4, einen Monitor 2 sowie ein
Sprühgerät 5. Vorgesehen sind ebenfalls
ein Entnahmeroboter 3, Einrichtungen zur Formtemperierung 6,
eine Einrichtung zur Teilekontrolle 8 vor einem Förderband 9 zum
Austrag nicht qualitätsgerechter Teile sowie ein weiteres
Förderband 10 zum Austrag und Kühlung
der Gutteile.-Der Druckgiessmaschine 1 werden direkt Portionen
an Schmelze zugeführt, die vorher im Schmelzofen 12 erwärmt
wurden. Sie können in die Giesskammer der Druckgiessmaschine 1 überführt
werden.
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Im
Falle von Aluminiumwerkstoffen kommt z. B. bevorzugt eine Legierung
Nr. A356 (Al-Si7Mg0,3) zum Einsatz, die ein Abschrecken und Auslagern
der gegossenen Teile mit geringerem Zeitaufwand ermöglicht
(z. B. T5 oder ähnliche Behandlung).
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Der
Al-Werkstoff wird im Schmelzofen 12 bei ca. 630° bis
680°C geschmolzen und gereinigt bzw. gerührt.
Anschliessend wird eine Portion mit dem Schöpflöffel
des Schöpfgerätes 11 entnommen, in die Giesskammer 17 gefüllt
und mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 m/s (am Anschnitt)
in die. Form gepresst. Die Schmelzetemperatur beträgt dabei noch
610§C bis 650°C. Die Druckgiessmaschine ist mit
einer Echtzeitregelung ShotControl der Anmelderin ausgestattet.
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Durch
ein Verfahren bei tieferen Temperaturen als üblich (Aufschmelzen
des Metalls im Bereich von 630–680°C) ist das
Risiko der Verbrennung von Legierungselementen sehr klein. Ebenfalls
kann das Risiko von Oxidbildung minimiert werden. Durch die tieferen
Temperaturen können kürzere Zykluszeiten gefahren
werden, was wiederum zur wirtschaftlichen Betreibung von Druckgussanlagen
beiträgt. Durch die tieferen Giesstemperaturen kann die
Erstarrungsporosität bis zu 2/3 reduziert werden. Dank
der tiefen Metalltemperaturen kann die Lebensdauer der Werkzeuge
(Formen) verlängert werden.
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Vorteile
des Schmelz-Warmhalteofens mit Schöpfgerät sind:
- – weniger Luftüberschuss
im Brennraum (ca.2%), dadurch sehr gute und saubere Verbrennung
(bis zu 16% Luftüberschuss im normalen Schmelzofen)
- – weniger Oxydbildung und weniger Abbrand (ca.1.2%)
gegenüber ca.5% bei normaler Schmelzeaufbereitung
- – die Schmelze muss nicht mit Tiegel zur Maschine transportiert
werden und kann über den ganzen Zeitraum bis zur Verarbeitung
mit konstanter Temperaturführung gearbeitet werden
- – der Schmelz-Warmhalteofen ist mit einer integrierten
Begasungsanlage zur Metallreinigung ausgerüstet
- – die Schöpföffnung ist begasbar
(z. B. mit Argon um Oxydbildung an der Oberfläche zu vermeiden.
- – kein Transport von Flüssigmetall in der
Giesserei
- – Die Metallmenge wird mit dem Löffel genau
abgemessen und weist eine vernachlässigbare Toleranz auf
- – Im Metallschöpfer ist eine Kornfeinung integriert, die
geschöpfte Metallmenge ist somit korngefeint
- – Das Risiko dass die kornfeinen Elemente verbrennen
ist so nicht gegeben und es kann eine optimale Kornfeinung erreicht
werden
- – Durch das schnelle Einleeren in die Giesskammer kann
Zykluszeit reduziert werden, insbesondere bei grossen Metallmengen
- – Durch das Einleeren mit dem Schöpflöffel
in die Giesskammer, kann die Lebensdauer der Giesskammer bedeutend
verlängert werden.
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Die
Formen und Giesswerkzeuge sind modular aufgebaut, so dass pro Radtyp
kostengünstige und einfach austauschbare Formpakete gegeben sind.
Ein Schnellwechsel für den jeweils formgebenden Teil der
Formen ist möglich.
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Die
Form in der Druckgiessmaschine 1 ist z. B. zweiteilig oder
dreiteilig und variabel einsetzbar. Da das Felgenbett je Raddimension
unverändert bleibt, müssen nur zwei Formplatten
an unterschiedliches Frontdesign angepasst werden. Diese können noch Einsätze
enthalten, die aus einem günstigen und weniger hochfesten
Werkstoff bestehen. Damit kann die Lebensdauer solcher Einsätze
an die erforderliche Schusszahl angepasst werden und nur die Grundform
muss aus hochfestem Werkstoff bestehen.
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Weiterhin
können die Formplatten Schiebereinsätze enthalten,
die in definierten Bereichen einstellbare Höhen und Breiten
im Frontdesign (je nach Reifen- und Felgendimension) zulassen, so
dass nicht für jede Dimension eine extra Form benötigt wird.
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Gemäss
eines weiteren Ausführungsbeispieles weist die Giessform
für das Herstellen eines Fahrzeugrades aus z. B. Aluminiumwerkstoffen
einen festen Formrahmen 13 mit einer Formzentrierung sowie Formteile
bzw. Schieber 14 und Kühlspiralen auf. Der feste
Formrahmen 13 ist in üblicher Weise mit der Giesskammer 17 verbunden.
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Das
Füllen der Giessform erfolgt von der Nabe des Rades 18 und
zwischen der Nabenfläche und dem Anschnitt 19 an
der Angussrübe 20 aus. Giesskammer 17 und
Giesskolben der Druckgiessmaschine 1 bestehen bevorzugt
aus einem keramischen Werkstoff, um möglichst auf Schmier-
und Sprühmittel verzichten zu können.
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Die
Formteile bzw. Schieber 14 sind mit, nicht dargestellten,
Antrieben und Führungen versehen, um ein Ein- und Ausfahren
der Formteile bzw. Schieber 14 zu gewährleisten.
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Nahezu
senkrecht zur Auflageebene des festen Formrahmens 13 sind
Flächen zur Verriegelung der Schiebers 14 vorgesehen,
die parallel zur genannten Auflageebene auf dem Schieber 14 bzw. den
Formteilen angeordnet sind. Ebenfalls nahezu senkrecht zur genannten
Auflageebene sind weitere Flächen zur kombinierten Gegenverriegelung
und Formzentrierung vorgesehen.
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Entsprechende
Gegenkonturen sind im beweglichen Formrahmen 15 ausgebildet.
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Die
Flächen zur Verriegelung des Schiebers 14 befinden
sich bevorzugt auf dem Formrahmen 16 und besonders bevorzugt
in einer Linie. Die Flächen zur Formzentrierung sind unabhängig
von der Anzahl der Formteile bzw. Schieber 14 formumlaufend.
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Die
beim Giessen einwirkenden Kräfte werden somit im schwimmenden
Formrahmen 16 auf die Flächen zur kombinierten
Formzentrierung und Gegenverriegelung rechts und links vom Schieber 14 verteilt – Krafteinleitung
und Kraftweiterleitung befinden sich somit etwa auf einer Linie
und sind einfacher beherrschbar.
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Die
Formteile bzw. Schieber 14 sind für den gängigen
Bereich von Radgrössen (z. B. von 13'' bis 22'') vorhanden
und können in nur einem Satz Formrahmen 13, 15, 16 angeordnet
werden.
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Im
Hinblick auf das Druckgiessen von Strukturbauteilen u. a. wurde
festgestellt, dass
- – durch die schonende
Metallaufschmelzung, die Reinigung im Ofen durch Impeller und das
Abziehen der Metallbadoberfläche ergibt sich ein hohes Qualitätsniveau
der Schmelze für hoch beanspruchte Strukturbauteile, z.
B. im Karosseriebereich von Fahrzeugen
- – die Giesskammer soll wenn möglich mit keramischen
Baustoffen ausgeführt sein, da das Dentritenwachstum am
Rande soweit wie möglich vermieden werden kann
- – die Möglichkeit der Kornfeinung im Giesslöffel während
der Metalleinfüllung in die Giesskammer trägt
zu optimalen mechanischen Werten bei
- – Kornfeinungsprozesse im Schmelz- oder Warmhaltebereich
erhöhen die Gefahr eines Verbrennens chemischer Komponenten
- – durch das Arbeiten mit tieferen Temperaturen mit
der Maximal 59 Legierung kann die Bildung von Fadenfunkern vermieden
werden
- – die Korrosionsbeständigkeit wird verbessert durch
einen geringeren Anteil an Eutektikum an der Oberfläche
(feinkörniges Gefüge).
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- 1
- Druckgiessmaschine
- 2
- Monitor
- 3
- Entnahmeroboter
- 4
- Steuereinheit
- 5
- Sprühgerät
- 6
- Formtemperierung
- 7
- Kühlstation
- 8
- Teilekontrolle
- 9
- Förderband
für Teilekontrolle
- 10
- Förderband
mit Kühlstation
- 11
- Schöpfgerät
- 12
- Schmelz-Warmhaiteofen
- 13
- fester
Formrahmen
- 14
- Schieber
- 15
- beweglicher
Formrahmen
- 16
- schwimmender
Formrahmen
- 17
- Giesskammer
- 18
- Rad
- 19
- Anschnitt
- 20
- Angussrübe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3619525
C [0005]
- - DE 19538243 C [0007]
- - US 5638889 [0008]
- - EP 710515 A [0009]
- - EP 1448331 B [0010]
- - DE 102005026829 A [0011]