DE102008055506A1

DE102008055506A1 - Druckgiessverfahren und Vorrichtung zum Druckgiessen

Info

Publication number: DE102008055506A1
Application number: DE102008055506A
Authority: DE
Inventors: Gilbert Moret; Werner Hanselmann; Bernhard Fritsche; Karsten Dr.-Ing. Richter
Original assignee: Buehler Druckguss AG
Current assignee: Buehler Druckguss AG
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckgießverfahren und eine Vorrichtung zum Druckgießen.
Ziel ist eine Verkürzung der Zykluszeiten und hierzu erfolgen das Schließen der Form und das Einfüllen von Metallschmelze in eine Gießkammer (4) simultan.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckgiessen, insbesondere zum Druckgiessen von Teilen aus Metalllegierungen, insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen, Magnesium- oder Zinkwerkstoffen sowie eine Vorrichtung zum Druckgiessen von solchen Teilen.
Die Herstellung von Druckgussteilen aus leichtmetallischen Schmelzen heraus ist bekannt. Hierzu wird eine Portion Schmelze in eine Giesskammer gefüllt und mittels eines Giesskolbens in eine Formkavität gepresst. Während eines Schusses muss der Übergang zwischen Giesskammer und Angusskanal der Form sorgfältig abgedichtet werden. Hierzu können verschiedenartige Schieber oder Ventile, resp. Rückschlagventile eingesetzt werden.
Es ist nach der DE-C-10064300 bekannt, einen Giesslauf einer Form so auszubilden, dass er einen Pfropfenaufnahmeraum für einen in einer Düse gebildeten und zu entfernenden Materialpfropfen aufweist, wobei der Giesslauf mindestens zwei getrennte Laufkanäle enthält, welche jeweils abschnittsweise als Pfropfenaufnahmeraum ausgebildet sind.
Die DE-A-4326325 offenbart ein Verfahren zum wahlweisen Entleeren eines metallurgischen Gefässes. Das Gefäss verfügt im Bodenbereich über einen Entleerungsstutzen, in dem ein Teil des Gefässinhaltes zum Erstarren gebracht wird, so dass ein Pfropfen entsteht. Der so verschlossene Entleerungsstutzen lässt sich dadurch öffnen, dass der Pfropfen zum Schmelzen gebracht wird. Hierzu ist dem Entleerungsstutzen eine Induktionsheizung zugeordnet.
Die EP-B-1165274 offenbart eine Druckgiessform, insbesondere zum Vakuum-Druckgiessen mit einer Einrichtung zum Evakuieren der Formkavität und der Giesskammer, wobei eine stirnseitige Öffnung der Giesskammer zur Form durch ein Ventil verschliess bar ist, wobei das Ventil einen Drosselkanal aufweist. Somit kann die Giesskammer entlüftet werden, während die Metallschmelze bereits in Richtung dieser Öffnung bewegt wird.
Aus der EP-A-1407841 ist eine Druckgiessmaschine mit einer Giesskammer bekannt, in der zwei Giesskolben angeordnet sind, die gegenläufig bewegbar sind, um Schmelze zu komprimieren bzw. in einem definierten Bereich der Giesskammer einer weiteren Behandlung zu unterziehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckgiessverfahren zu entwickeln, mit dem die Zykluszeit für Druckgiessteile aus Aluminium-, Magnesium- oder Zinkwerkstoffen oder auch höherschmelzender Metalle wie Kupfer oder Stahl je Schuss deutlich reduziert werden kann. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2.
Durch die Parallelisierung des Schliessens der Form und der Füllung der Giesskammer (Dosieren bzw. Füllen in Nebenzeit) kann Zeit gewonnen und die Qualität verbessert werden. Die Giesskammer wird teilweise bis vollständig mit Schmelze gefüllt, ohne Unterbrechung des Arbeitszyklusses der Giessmaschine. Die Giesskammer ist bevorzugt Teil einer horizontalen Kaltkammerdruckgiessmaschine.
Bei gefüllter Giesskammer und entlüfteter Form befindet sich keine Luft mehr in der Giesskammer. Die Füllung der Giesskammer kann zu 100% erfolgen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Nach dem Befüllen der Giesskammer mit einer definierten Schmelzeportion kann der Giesskolben langsam in Richtung Angusskanal verfahren werden, bis das verbleibende Kammervolumen bis gegen 100% gefüllt ist, wobei zugleich eine Entlüftung erfolgt.
Es kann sowohl mit komplett gefüllter wie auch mit „halbvoller” Giesskammer gefahren werden.
In bevorzugter Ausgestaltung wird der Verschluss durch mechanisch bewegte Verschlusselemente, insbesondere unabhängig voneinander wirkende Elemente gebildet.
Nach weiteren Ausführungsvarianten wird eine Öffnung der Giesskammer zur Form resp. zum Angusskanal durch einen Materialverschluss gebildet. Dieser Materialverschluss ist bevorzugt ein Pfropfen, der auch scheibenförmig sein kann aus zumindest teilerstarrtem Material (Giesswerkstoff), wobei das Material unter Liquidustemperatur abgekühlt ist. Vor dem nächsten Schuss ist dieser Pfropfen zumindest partiell aufzuschmelzen, wozu die Energie der in die Giesskammer nachgefüllten Schmelze und/oder einer Heizeinrichtung verwendet wird.
Der Giesskolben muss beim aktuellen Schuss vor dem zu bildenden Pfropfen stehen bleiben.
Es werden in diesem Fall keine weiteren mechanisch bewegten Verschlusselemente benötigt und es entsteht kein Materialverlust.
Der Verfahrensablauf enthält die Schritte:

– Formschliessen (einschliesslich evtl. Gelenkstreckung) und Füllung der Giesskammer
– Schuss auslösen
– Erstarren
– Form öffnen
– Teilentnahme
– Sprühen.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum Druckgiessen, die eine deutliche Verringerung der Zykluszeit eines Schusses ermöglicht. Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung einer Giesskammer einer Druckgiessmaschine zu einer Form mittels eines bewegbaren Verschlusses verschliessbar ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart. Insbesondere kann dies mittels eines Kolben oder Schiebers erfolgen, der horizontal oder vertikal verschiebbar ist.
Das Verschlusselement könnte aber auch wie bereits genannt ein „Pfropfen” aus zu vergiessender Schmelze sein. Weiterhin möglich ist auch ein Verschluss in Form eines Magnetfeldes.
Das Verschlusselement befindet sich bevorzugt auf der festen Formhälfte und schliesst die Giesskammer bzgl. der Öffnungsgrösse zumindest teilweise. Das Verschlusselement kann somit beim Schuss in dieser Position verbleiben, was ebenfalls eine Zeiteinsparung bewirkt.
Weiterhin kann auch ein Fliessfrontsensor gemäss DE-A-10011529 zur Ermittlung des Füllgrades in der Giesskammer angeordnet sein. Ebenso könnte mit der Maschinensteuerung ein optimaler Startpunkt für einen Schuss rückgerechnet werden, auch unter Abfrage eines Schliesssignals der Form.
Das Verschlusselement kann in geeigneter Weise beschichtet sein und eine Heizung oder Kühlung beinhalten.
Beim Stand der Technik folgt auf das Schliessen der Form die Ermittlung der Dosierbereitschaft und das Dosieren (Füllen) selbst als zusätzlicher Schritt.
Im Sinne der Erfindung ist Nebenzeit (3) die Ablaufzeit einer Tätigkeit, welche aus dem Zyklus ausgenommen ist und parallel zu anderen Tätigkeiten durchgeführt wird, ohne den Prozess zu verändern.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen die
1: Füllung der Giesskammer und simultane Schliessung der Form
2: Giessen mit geschlossenem Schieber
3: Verfahrensschema.
Eine Druckgiessmaschine weist eine Giesskammer 4 mit einer Einfüllöffnung 6 für Metallschmelze und einem Giesskolben 5 auf. Die Giesskammer 4 ist mit einer festen Formhälfte 1 verbunden, die wiederum mit einer beweglichen Formhälfte 2 korrespondiert. Wird die bewegliche Formhälfte 2 in Richtung des Pfeils 7 verfahren, wird die Kavität 3 gebildet. Vor einer Öffnung 9 der Giesskammer 4 zur Form ist ein vertikal beweglicher Schieber 8 angeordnet. Die Öffnung 9 ist Teil des Angusskanales, der obere Teil des Schiebers 8 kann dabei so ausgebildet sein, dass er den Beginn des Angusskanales mit bildet. Der Schieber 8 kann die Öffnung 9 auch vollständig verschliessen.
Wird nun die Giesskammer 4 mit einer leichtmetallischen Metallschmelze 10 gefüllt, wird gleichzeitig die bewegliche Formhälfte in Richtung des Pfeils 7 verfahren und die Form geschlossen. Kurz vor Beginn des Einfüllvorganges oder spätestens mit diesem wird der Schieber 8 nach oben bewegt, um die Öffnung 9 wenigstens teilweise zu verschliessen.
Ist die Form geschlossen und die Schmelzeportion vollständig in die Giesskammer 4 überführt, wird der Giesskolben 5 in Richtung der Öffnung 9 verfahren und die Metallschmelze 10 wird in die Kavität 3 gepresst.
Die Dosierung in die Giesskammer 4 kann von oben oder von unten erfolgen. Eine Öffnung für ein Dosieren von oben kann auch als Gegenloch zur Entlüftung der Giesskammer 4 verwendet werden (Abbau von Gegendruckwellen). Ebenso kann beim Vorfahren des Giesskolbens 5 die Form entlüftet werden.
Nach dem Befüllen der Giesskammer 4 mit einer definierten Schmelzeportion kann zudem der Giesskolben 5 langsam in Richtung Angusskanal verfahren werden, bis das verbleibende Kammervolumen bis gegen 100% gefüllt ist, wobei zugleich eine Entlüftung erfolgt.
Der Prozess kann also sowohl mit komplett gefüllter wie auch mit „halbvoller” Giesskammer gefahren werden.
Eine dem Giesskolben 5 gegenüberliegende stirnseitige Öffnung zu einem Angusskanal der Kavität 3 einer Form ist vollständig abdichtbar.
Diese Abdichtung der Öffnung wird durch einen Pfropfen aus dem zu vergiessenden Material erreicht. Gebildet wird dieser Pfropfen durch „überschüssige” Metallschmelze, indem der Giesskolben 5 nach einer Füllung der Giesskammer 4 soweit in Richtung der Öffnung verfahren wird, dass die Formkavität vollständig mit Metallschmelze gefüllt wird und ein Schmelzerest in der Giesskammer 4 vor der Öffnung verbleibt. Dieser Schmelzerest erstarrt zumindest teilweise und bildet so den Pfropfen. Nach dem Rückfahren des Giesskolbens 5 und der Füllung der Giesskammer 4 für den nächsten Schuss wird der Pfropfen beim Vorfahren des Giesskolbens 5 mittels einer Heizung zumindest teilweise wieder aufgeschmolzen. Ggf. kann auch die Wärme der Metallschmelze mit genutzt werden.
Nach erfolgtem Schuss wird die Form geöffnet und der Schieber 8 bewegt sich gleichzeitig (mit der Form) nach unten. Der Giesskolben 5 stösst den Pressrest aus und die Form wird für den nächsten Schuss gesprüht.
Der Schieber 8 kann aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, die bzgl. Isolieren, Kühlen oder Schmelzeresistenz geeignet sind.
Je nach Bedarf kann der Schieber 8 die Öffnung 9 beim Einfüllen der Metallschmelze 10 auch vollständig verschliessen und die Öffnung 9 wird erst zum Einpressen der Metallschmelze 10 vollständig oder teilweise geöffnet (in Abhängigkeit vom Füllungsgrad der Giesskammer 4).
Analog könnte der Schieber 8 auch horizontal bewegbar angeordnet sein. Ebenso ist eine ventilartige Ausbildung des Schiebers 8 denkbar.
In allen Fällen ist der Schieber 8 parallel verschiebbar zur Öffnung 9 der Giesskammer 4, wobei der Schieber 8 dann selbst an winklig verfahrbaren Führungshebeln angeordnet sein kann.
Weiterhin kann auch der Schieber eine Öffnung für den Durchlass der Schmelze enthalten. Der Schieber kann weiterhin eine zusätzliche Entlüftungsöffnung enthalten. Bei geschlossenem Schieber kann somit beim Vorfahren des Giesskolbens 5 die Giesskammer 4 entlüftet werden und nachfolgend wird der Schieber soweit verfahren, dass die Schmelze die Durchlassöffnung im Schieber passieren kann und in die Formkavität gelangt.
Die feste Formhälfte 1 kann auch Auswerfer oder dergleichen enthalten.
Die geschlossene Giesskammer 4 kann schon während eines Sprühvorganges mit der benötigten Schmelzemenge befüllt werden. Um Lufteinschlüsse möglichst gering zu halten, kann nach dem Befüllen der Giesskammer 4 eine Beruhigungszeit abgewartet werden.
In der Nebenzeit fährt der Giesskolben 5 soweit nach vorn, bis die Giesskammer 4 zu nahezu 100% gefüllt ist. Durch das Verschliessen der Giesskammer 4 können die genannten Vorgänge bei geöffneter Form während des Sprühens in der Nebenzeit vorgenommen werden. Die Zykluszeit wird deutlich reduziert.
Beim Öffnen der Form kann der Schieber 8 geschlossen gehalten werden, um Gussteil und Tablette voneinander zu trennen. Die Erstarrungszeit der Tablette kann somit ebenfalls in die Nebenzeit verlagert werden.
Ist die Giesskammer 4 zudem noch wärmeisoliert, kann auch deren Wärmeverlust reduziert werden. Alternativ könnte die Giesskammer auch gekühlt werden.
Es können Vorerstarrungen reduziert und die Gussteilqualität kann erhöht werden.
Die Giesskammer 4 kann aus einem Stahl bestehen, mit einem keramischen Werkstoff beschichtet sein, mit einer Keramikhülse ausgekleidet sein oder ganz aus Keramik oder einem Metall-Matrix-Komposit oder einem voll durchnitrierte, pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff bestehen.

1: feste Formhälfte
2: bewegliche Formhälfte
3: Kavität
4: Giesskammer
5: Giesskolben
6: Einfüllöffnung
7: Pfeil
8: Schieber
9: Öffnung
10: Metallschmelze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10064300 C [0003]
- DE 4326325 A [0004]
- EP 1165274 B [0005]
- EP 1407841 A [0006]
- DE 10011529 A [0022]

Claims

Druckgiessverfahren unter Verwendung einer horizontalen Kaltkammerdruckgiessmaschine, durch Einfüllen resp. Dosieren einer Metallschmelze in eine Giesskammer (4) und nachfolgendes Einpressen der Metallschmelze mittels eines Giesskolbens oder dergleichen in eine geschlossene Formkavität, sowie Entnahme des gegossenen Teiles nach Erstarrung der Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosieren resp. Füllen der Metallschmelze in eine Giesskammer (4) in der Nebenzeit erfolgt.
Druckgiessverfahren unter Verwendung einer horizontalen Kaltkammerdruckgiessmaschine, insbesondere durch Einfüllen resp. Dosieren einer Metallschmelze in eine Giesskammer (4) und nachfolgendes Einpressen der Metallschmelze in eine geschlossene Formkavität, dadurch gekennzeichnet, dass das Schliessen der Form und die Füllung der Giesskammer (4) simultan erfolgen resp. die Füllung der Giesskammer (4) mit Metallschmelze bei geöffneter Form oder während des Schliessens der Form erfolgt.
Druckgiessverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen der Giesskammer (4) mit einer Schmelzeportion der Giesskolben (5) langsam soweit in Richtung Angusskanal verfahren wird, bis das verbleibende Kammervolumen nahezu vollständig gefüllt ist, und zugleich eine Entlüftung erfolgt.
Druckgiessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass spätestens beim Beginn des Einfüllens der Metallschmelze (10) in die Giesskammer (4) mindestens eine Öffnung (9) derselben zur Formkavität mindestens teilweise geschlossen wird.
Druckgiessverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss magnetisch, thermisch oder mechanisch erfolgt.
Druckgiessverfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Giesskammer (4) durch Bewegung des Giesskolbens (5) entlüftet wird.
Druckgiessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrungszeit der Tablette in die Nebenzeit (20) fällt.
Druckgiessverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung zu einem Angusskanal der Kavität (3) nach jedem Schuss wieder dicht verschlossen wird.
Druckgiessverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Giesskolben (5) und Öffnung ein Schmelzerest verbleibt, der während oder nach einem Schuss zumindest teilweise erstarrt und die Öffnung im Sinne eines Pfropfens verschliesst.
Druckgiessverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Giesskolben (5) zum Zeitpunkt der Pfropfenbildung nahe an die Öffnung heranfährt.
Druckgiessverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfropfen nach erneuter Befüllung der Giesskammer (4) zumindest teilweise aufgeschmolzen wird.
Vorrichtung zum Druckgiessen, wobei die Vorrichtung eine horizontale Kaltkammerdruckgiessmaschine ist und eine Giesskammer (4) mit einer Einfüllöffnung (6) für das Einfüllen von Metallschmelze (10) und einen in der Giesskammer (4) angeordneten Giesskolben (5) aufweist und die Giesskammer (4) weiterhin mit einer festen Formhälfte (1) verbunden ist, die mit einer beweglichen Formhälfte (2) korrespondiert und eine Öffnung (9) der Giesskammer (4) in einen Angusskanal einer Formkavität mündet, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Öffnung (9) ein Ver schlusselement zum wenigstens teilweisen Verschluss dieser Öffnung beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement ein horizontal und/oder vertikal bewegbarer Schieber (8) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement und/oder die Öffnung (9) als Teil des Angusskanales ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Giesskammer (4) und/oder der Schieber (8) aus metallischen und/oder keramischen oder Verbundwerkstoffen bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Giesskammer (4) und/oder das Verschlusselement aus einem durchnitrierten, pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (8) parallel verschiebbar zur Öffnung (9) der Giesskammer (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (8) mit einer PVD-Beschichtung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Schieber (8) eine Heizung oder eine Kühlung integriert ist.