DE102008027682B4

DE102008027682B4 - Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen und hochfesten Bauteilen

Info

Publication number: DE102008027682B4
Application number: DE200810027682
Authority: DE
Inventors: Eduard Heidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: DE102008027682A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen und hochfesten Bauteilen in Blechstärke durch Gießen von Schmelze in einen Hohlraum (30) bildende Formteile (10, 20), wobei ein unterer Formteil (10) und ein oberer Formteil (20) den mit Schmelze zu füllenden Hohlraum (30) bilden und wobei beim Eingießen der Schmelze der untere und der obere Formteil (10, 20) weiter auseinandergefahren sind als es die Maße des gegossenen Bauteils (30''') erfordern, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze in den unteren Formteil (10) eingegossen wird, dass vor dem Erstarren der Schmelze die Formteile (10, 20) auf das geforderte Maß des Hohlraumes (30) zusammengefahren werden, wobei die heiße und flüssige Schmelze gepresst und die überschüssige Schmelze von Überlaufkammern (40) der Formteile (10, 20) aufgefangen wird, dass nach dem Pressen die noch heiße und verformbare Schmelze durch ein weiteres Zusammenfahren (V₃) der Formteile (10'', 20'') verdichtet wird und dass nach dem Erkalten der Schmelze und Entfernen des gegossenen Bauteils...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen und hochfesten Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Nach dem heutigen Stand des Metall-Gießverfahrens werden zwei oder mehr nicht verstellbare Formteile verwendet, die einen Hohlraum bilden, der durch die flüssige metallische Schmelze ausgegossen wird. Nach dem Erkalten der Schmelze wird das oder die Gussteile aus den Formteilen entnommen und weiter bearbeitet. Auf diese Weise lassen sich hoch komplexe Bauteile mit variierender, entsprechend der Belastung gestalteter Wandstärke herstellen. Auch Befestigungselemente verschiedener Art wie Verstärkungsrippen und Bohrungen lassen sich dabei in einem Arbeitsgang in das Bauteil einbringen.
Dieses Metall-Gießverfahren stößt an seine Grenzen, wenn dünnwandige und hochfeste Bauteile gewünscht werden, wie es z. B. im Fahrzeugbau der Fall ist. Das Füllen eines sehr dünnen Hohlraumes zwischen den Formteilen ist dabei nicht mehr möglich, da die Schmelze an den „kalten” Wänden der Formteile zu früh erkaltet und erstarrt. Auch das Einbringen der Schmelze unter Druck (Druckguss) bringt keine echte Verbesserung.
Die im Hohlraum zwischen den Formteilen enthaltene Luft kann aufgrund der hohen Fließgeschwindigkeit der Schmelze nicht restlos aus dem geschlossenen Hohlraum verdrängt werden, so dass ein Großteil der Luft in der Schmelze eingeschlossen wird.
Dies verursacht eine erhebliche Verschlechterung der Materialeigenschaften (Sprödigkeit). Daher werden u. a. für den Kraftfahrzeugbau mehrere leichtgewichtige Tiefziehteile aus Blechen hergestellt, die nach der Verformung zusammengefügt werden. Das Umformen eines Bleches kann oft nur in mehreren, aufeinander folgenden Schritten in verschiedenen Tiefziehwerkzeugen erfolgen. Anschließend müssen die Bleche in weiteren Schritten beschnitten, umgebördelt, entgratet, gebohrt und mit Befestigungs- und Verstärkungselementen versehen werden.
Ihre endgültige Festigkeit erlangen die Bauteile erst durch Schweißen, Löten, Nieten, Kleben und dgl. Um die Maßgenauigkeit einzuhalten, wird ebenfalls ein hoher Aufwand betrieben. Die Aufwendungen für Werkzeug und Personal sind beachtlich. Nach heutigem Stand der Technik ist dies jedoch das einzig bekannte Metall-Gießverfahren zum Herstellen von leichten dünnwandigen und hochfesten Bauteilen.
Aus der DE 10 2005 102 106 A1 ist ein Verfahren zum Spritzguss-Verfahren von Kunststoff-Bauteilen bekannt, das plastifizierbare, thermoplastische Masse verwendet. Nach dem Schließen der Formteile verbleibt ein Prägespalt, der die Schließbewegung der Formteile ermöglicht. Dieser Prägespalt kann jedoch keine thermoplastische Masse bei Spritzguss-Verfahren aufnehmen. Daraus ist keine Anregung für das Metall-Gießverfahren nach der Erfindung zu entnehmen.
In der DE 696 10 550 T2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Pressgießen beschrieben. Dabei wird in ein direktes und ein indirektes Pressgießen unterschieden.
Bei einem indirekten Pressgießen wird ein geschlossenes Formwerkzeug verwendet. Über einen Druckstempel wird das Metall mit festgelegtem Volumen in den Hohlraum des Formwerkzeuges eingepresst. Dabei verbleibt ein Großteil des Metalls als Angusskanäle und Stopfen am gegossenen Bauteil, das nachher vom Bauteil entfernt werden muss. Dieser Stand der Technik zeigt zudem ein Formwerkzeug, das mit den Formteilen eine Formkavität bildet, die dem Volumen des Bauteils entspricht. Das Volumen der Formkavität kann beim Verfestigen des Metalls in der Werkzeugform reduziert werden, wobei ein Verschlussglied gesteuert wird, das überschüssiges Metall abführt. Dazu ist über Leitungen ein Behälter am Formwerkzeug angeschlossen. Dies führt zu einem komplizierten Formwerkzeug. Schließlich zeigt die DE 100 17 151 C2 ein Verfahren zum Herstellen eines Metallgusserzeugnisses. Nach dem Füllen der geschlossenen Form wird auf die Schmelze Druck ausgeübt. Dabei wird der Formraum erweitert und zwar durch Absenken eines Presskolbens der Form. Dies löst die beim Metall-Gießen auftretenden Probleme nur teilweise und dies durch eine komplizierte Form.
Wie die DE 199 56 478 A1 zeigt, kann das Volumen des Hohlraumes zwischen den Formteilen auch dadurch verändert werden, dass die Wandungen der Form verstellbar sind und dass das Volumen des Hohlraumes in Abhängigkeit des Gießvorganges verändert werden kann. Auch dies erfordert ein kompliziertes Werkzeug.
Auch die WO 2008/047502 A1 zeigt ein Presswerkzeug mit einem im Werkzeug zusätzlich verstellbaren Teil, das durch das Metall in dem Hohlraum gesteuert wird und in Abhängigkeit von dem Arbeitsablauf gesteuert wird.
Die DE 197 46 167 A1 zeigt ein Leichtmetallbauteil, bei dem während der Herstellung als Gussteil ein Anbauelement als Einlegeteil eingegossen wird.
In der DE 10 2006 008 212 A1 ist ein Gussbauteil gezeigt, in das ein Einlegeteil eingegossen ist, das zur Verstärkung dient. Das Einlegeteil weist eine Mehrzahl von Abstandshalter auf, die bis zu den Aussenseiten des Bauteils reichen und so das dünnwandige Bauteil verstärken.
Die DE 1 280 505 A zeigt ein Verfahren zum Druckgießen dünnwandiger Metallteile von dem die Erfindung ausgeht. Die beiden Formteile bilden einen Hohlraum, der mit Schmelze gefüllt wird. Dabei wird die Schmelze in den unteren Formteil eingegossen. Die beim Gießen auftretenden Probleme Gasbildung in Verbindung mit Sprödigkeit des gegossenen Bauteils werden dabei dadurch ausgeschaltet, dass die Formschmelze in einen unter dem Formunterteil befindlichen und mit diesem durch ein Saugrohr verbundenen Ofen unter Überdruck eines inerten Gases gehalten und vor dem Einsetzen des konvexen Formoberteils in den konkaven Formunterteil durch Erhöhung des Inertgasdruckes bis zu einem Füllstandsniveau in den Formoberteil gedrückt wird. Die beim Eintauchen des Formoberteils in die Schmelze erfolgende Verdrängung der zwischen den beiden Formteilen befindliche, in Wandung des Gussstückes bildende Spalt wird vollständig mit Schmelze gefüllt. Darauf wird durch Senkung des Inertgasdruckes der Schmelzspiegel auf ein Füllstandsniveau innerhalb des Formoberteils abgesenkt.
Daraus ist schon ersichtlich, dass dieses Verfahren zum Druckgießen dünnwandiger Metallteile eine kompliziert aufgebaute Form erfordert, um eine nachträgliche Bearbeitung des gegossenen Bauteils zu vermeiden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen und hochfesten Bauteilen in Blechstärke zu schaffen, das einen einfachen Aufbau der Gussform aufweist, die in der Ausgestaltung einer Spritzgussform für Kunststoff näher kommt und bei der das Bauteil nach dem Gießen nur eine einfache Nacharbeit erfordert.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Der entscheidende Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, dass eine Form mit unterem und oberem Formteil verwendet werden kann, dass beim Eingießen und Pressen sowie Verdichten der Gussmasse die Formteile in unterschiedliche Stellungen eingestellt werden können, dabei bleibt jedoch immer eine Öffnung zu den Überlaufkammern offen. Die Gussform ist ähnlich aufgebaut, wie eine Spritzgießform für Kunststoffe, wird jedoch anders gesteuert und der in die Überlaufkammern geflossene überflüssige Teil der Gussmasse kann nach dem Erkalten der Gussmasse nach der Entformung leicht abgetrennt werden. Dies ist jedoch bei der wesentlich einfacheren Gussform kein schwerwiegender Nachteil.
Eine weitere Steigerung der Bauteilequalität bezüglich Festigkeit und Maßhaltigkeit kann dadurch erreicht werden, dass nach dem Pressen die noch heiße und plastisch verformbare Schmelze durch weiteres Zusammenfahren der Formteile verdichtet wird. Dieser weitere Arbeitsschritt, der sich nach dem Pressvorgang anschließt, führt zu einer weiteren Verdichtung der knetbaren Masse und bedingt eine deutliche Verbesserung des Gefüges und damit der Festigkeitseigenschaften. Es werden dabei durch den aufgebauten Druck Gussfehler wie Lunker, Erkaltungsrisse, Verzug und Maßungenauigkeiten in erheblichem Umfange reduziert oder ganz beseitigt.
In jedem Fall kann dabei vorgesehen werden, dass Verstärkungen, Befestigungselemente angegossen werden. Dies ist nur durch die Ausbildung der einander zugekehrten Oberflächen der Formteile möglich. Das zeitliche Verstellen der Formteile kann auf verschiedne Art durchgeführt werden. So kann nach einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Formteile durch kontinuierlichen, hydraulischen Druck verstellt werden.
Der zeitliche Ablauf der Verstellbewegung der Formteile kann jedoch auch so erfolgen, dass die Formteile durch pulsierenden, hydraulischen Druck verstellt werden.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Formteile durch auf ein oder beide Formteile ausgeübte mechanische Kräfte verstellt werden.
In jedem Fall kann der zeitliche Verlauf der Verstellung an den Zustand der Schmelze angepasst werden.
Die Erfindung wird anhand von Schnitten durch die aus zwei Formteilen bestehende Form näher erläutert, wobei die Schnitte die einzelnen Stellungen der Formteile zeigen.
1 die Stellung der Formteile in der Befüllungsphase,
2 die Stellung der Formteile nach dem Pressen der Schmelze,
3 die Stellung der Formteile nach der Reduzierung der Wandstärke durch Verstellen der Formteile in der heißen und noch plastisch verformbaren Schmelze und
4 die Formteile in der Entnahmestellung des erkalteten Bauteils und Andeutung des Trennvorganges der Überlaufteile am Bauteil.
Wie die 1 zeigt, werden die Formteile 10 und 20 der Form beim Einbringen der Schmelze in eine Stellung V₁ gebracht, in der sie einen Hohlraum 30 bilden, in den die fließende Schmelze ohne Gefahr des Erstarrens an den „kalten” Oberflächen der Formteile 10 und 20 erfolgen kann. Dieses Übermaß des herzustellenden Bauteils mit z. B. 1 mm Wandstärke wird mit ca. 5 mm gewählt. Der Einbringvorgang der Schmelze wird beendet, wenn der Hohlraum 30 nahezu voll mit Schmelze ist und diese schon in die Überlaufkammern 40 der Form tritt.
Dann erfolgt die Verstellung V₂ der Formteile 10 und 20 in die in 2 gezeigte Stellung 10' und 20'. Dabei kann die Wandstärke, die durch den Abstand der gegenüberliegenden Oberflächen der Formteile 10' und 20' gegeben ist, das Maß der Wandstärke bestimmen, das für das gegossene Bauteil 30' erwünscht ist. Wie die 2 zeigt, ist dabei in den Überlaufkammern 40' ein erhöhter Anteil der Schmelze aufgefangen.
Wenn nun eine höhere Festigkeit des Bauteils 30' gewünscht wird, dann können die Formteile 10'' und 20'' in eine weitere Stellung V₃ verstellt werden. Dies ist durch die kleinere Wandstärke des Bauteils 30'' angedeutet, wobei die überflüssige heiße, noch plastisch verformbare Schmelze in den Überlaufkammern 40'' aufgefangen wird.
Nach dem Erkalten des gegossenen Bauteils 30'' kann die Form mit den Formteilen 10''' und 20''' in die Entnahmestellung V₄ nach 4 verstellt werden. Das entnommene Bauteil 30'' kann von den Überlaufteilen 40'' befreit werden, wie mit den Bezugszeichen 50 angedeutet ist.
Vielfach ist es ausreichend, wenn die Formteile 10' und 20' aus der Stellung V₂ der 2 nach dem Erkalten des Bauteils 30' sofort in die Entnahmestellung V₄ der 4 gebracht werden.
Die Verstellung der Formteile 10' und 20' in die verschiedenen Stellungen V₁ bis V₄ kann kontinuierlich durch hydraulischen Druck erfolgen, wobei die Verstellgeschwindigkeit an die Einfüllbedingung der Schmelze und deren Erstarrungs- und Erkaltungsverhalten angepasst ist.
Die Verstellung kann jedoch auch pulsierend in entsprechenden Verstellschritten erfolgen, wobei anstelle des hydraulischen Druckes auch mechanische Stellkräfte verwendet werden können, die auf ein oder beide Formteile wirken.
Dabei kann von Vorteil sein, wenn ein Formteil, z. B. das untere Formteil 10, feststeht und nur das obere Formteil 20 die Verstellbewegungen ausführt.
Das Verfahren ist nicht auf Bauteile mit einheitlicher Wandstärke beschränkt. Es können Befestigungselemente und Verstärkungsrippen angegossen werden, wenn die Oberflächen der gegenüberliegenden Formteile entsprechend ausgeformt sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen von dünnwandigen und hochfesten Bauteilen in Blechstärke durch Gießen von Schmelze in einen Hohlraum (30) bildende Formteile (10, 20), wobei ein unterer Formteil (10) und ein oberer Formteil (20) den mit Schmelze zu füllenden Hohlraum (30) bilden und wobei beim Eingießen der Schmelze der untere und der obere Formteil (10, 20) weiter auseinandergefahren sind als es die Maße des gegossenen Bauteils (30''') erfordern, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze in den unteren Formteil (10) eingegossen wird, dass vor dem Erstarren der Schmelze die Formteile (10, 20) auf das geforderte Maß des Hohlraumes (30) zusammengefahren werden, wobei die heiße und flüssige Schmelze gepresst und die überschüssige Schmelze von Überlaufkammern (40) der Formteile (10, 20) aufgefangen wird, dass nach dem Pressen die noch heiße und verformbare Schmelze durch ein weiteres Zusammenfahren (V₃) der Formteile (10'', 20'') verdichtet wird und dass nach dem Erkalten der Schmelze und Entfernen des gegossenen Bauteils (30''') aus den auseinandergefahrenen (V₄) Formteilen (10''', 20''') der von den Überlaufkammern (40') aufgefangene Teil (40''') vom gegossenen Bauteil (30''') abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungen und Befestigungselemente angegossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (10, 20) durch kontinuierlichen, hydraulischen Druck verstellt (V₁, V₂, V₃, V₄) werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (10, 20) durch pulsierenden, hydraulischen Druck verstellt (V₁, V₂, V₃, V₄) werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (10, 20) durch auf ein oder beide Formteile (10, 20) ausgeübte mechanische Kräfte verstellt (V₁, V₂, V₃, V₄) werden.