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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren, insbesondere zur Herstellung von Kolben von Verbrennungsmotoren.
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Stand der Technik
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Speziell im Motorenbau und hier insbesondere bei den Kolben hat Aluminium als Leichtbauwerkstoff eine besondere Bedeutung. Gleichzeitig stehen die betroffenen Bauteile unter einer erheblichen Belastung, so dass hohe Qualitätsstandards gewährleistet werden müssen.
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Dies gilt auch im Hinblick auf die im Rahmen der Herstellung der Kolbenrohlinge verwendeten Gießverfahren. Hierbei besteht eine Herausforderung darin, das Oxidieren der Aluminiumschmelze an der Atmosphäre und/oder bei hohen Fließgeschwindigkeiten der Schmelze zu verhindern.
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DE 10 2007 011 253 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren von Gussteilen durch direkte Formfüllung, bei welchem der metallische Werkstoff im fließfähigen Zustand mittels einer mindestens eine Austrittsöffnung aufweisenden Zufuhrvorrichtung in eine einen Formhohlraum ausbildende Gießform eingebracht wird, wobei die Zufuhrvorrichtung während des Gießprozesses so positioniert wird, dass die Austrittsöffnung auf der Höhe des Badspiegels liegt.
DE 10 2006 001 990 A1 beschreibt eine gekühlte Kokille für den Leichtmetallguss, bei dem die Kokille mit verschiedenen Kokillenkühlkreisläufen gekühlt wird.
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DE 102 58 370 A1 beschreibt ein Verfahren zum Befüllen von Gießformen und Gießmaschinen mit flüssigem Material, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein gasdichtes System mit einer in seinem Inneren befindlichen oberen und unteren Durchflussöffnung mit Hilfe einer Gasdruckregelung außerhalb eines Schmelzofens mit Schmelze gefüllt wird.
DE 10 2006 058 145 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen in Formen, die Form selbst und nach dem Verfahren und/oder in den Formen hergestellte Gegenstände, wobei in dem Verfahren gegossene Gegenstände nach dem Einguss des Metalls, aber vor dessen Erstarren, mit der Form gekippt werden, um dadurch eine erhöhte Qualität der Werkstücke zu erreichen.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Gießverfahren und eine Gießvorrichtung zu schaffen, mit der die Bildung von Oxiden in einer Aluminiumschmelze während des Gießens umfangreich verhindert werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch die im Anspruch 1 beschriebene Gießvorrichtung.
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Demzufolge weist diese eine Gießform und ein über der Form angeordnetes Schmelzegefäß auf, das einen Abschnitt aufweist, der in die Form derart hineinreicht, dass Schmelze unterhalb der Oberfläche oder des ”Spiegels” von bereits zugeführter Schmelze zuführbar ist. Durch die Anordnung des Schmelzegefäßes oberhalb der Form kann bewährter Schwerkraft-Kokillenguss verwendet werden. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, dass Schmelze, vorzugsweise während der gesamten Füllung, nach dem Einbringen einer Anfangsmenge, unterhalb der Oberfläche von bereits zugeführter Schmelze eingebracht werden kann. Hierdurch gelangt diese unterhalb der Oberfläche bereits eingebrachter Schmelze zugeführte Schmelze nicht in Kontakt mit der Atmosphäre und kann deshalb nicht oxidieren. Ferner kann eine weitgehend turbulenzfreie Füllung der Form erreicht werden. Während der Füllung der Form erfolgt eine direkte Nachspeisung, und aufgrund der Verhinderung der Bildung von Oxiden kann auf Gießfilter verzichtet werden. Die Form- oder Werkzeuggeometrien können vereinfacht werden, und Kosten können eingespart werden, weil beispielsweise kein Angusslauf und kein Speiser erforderlich sind. Durch den Verzicht auf Speiser, etc. wird außerdem das Kreislaufmaterial verringert.
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Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein endmaßnahes Gießen auch von komplizierten Gussteilgeometrien möglich. Dadurch ergeben sich des weiteren Taktzeiteinsparungen, insbesondere bei der maschinellen Bearbeitung. Ferner erfordert die Vorgehensweise gemäß der Erfindung einen deutlich geringeren Materialeinsatz, so dass die Erstarrungszeiten verkürzt werden können.
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Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß ersten Überlegungen wird als in die Form hineinreichender Abschnitt ein Rohr bevorzugt. Eine derartige Zuführung der Schmelze lässt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand realisieren und darüber hinaus, aufgrund eines vergleichsweise kleinen Strömungsquerschnitts, leicht steuern.
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Die Erstarrung der Schmelze kann zügig eingeleitet werden, und die Schmelze kann dennoch unterhalb des Badspiegels der Schmelze zugeführt werden, wenn das Schmelzegefäß und die Form bezüglich einander in der vertikalen Richtung bewegbar sind, insbesondere das Schmelzegefäß anhebbar ist. Insbesondere kann bereits nach Erreichen von geringen Füllhöhen mit der Erstarrungseinleitung begonnen werden, was eine Zeitersparnis bedeutet.
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In erfindungsgemäßer Weise wird die Fließgeschwindigkeit der Schmelze, die beispielsweise 0,5 m/s oder geringer sein sollte, um die Gefahr der Oxidbildung herabzusetzen, exakt gesteuert, weil das Schmelzegefäß zumindest ein, vorzugsweise einstellbares, Entlüftungsventil aufweist. Mit anderen Worten wird der Zulauf aus dem Schmelzegefäß in die Form beim Beginn der Zuführung der Schmelze geöffnet. Wenn jedoch das Schmelzegefäß im Übrigen hermetisch abgedichtet ist, wird keine oder wenig Schmelze in die Form gelangen. Diese Menge und insbesondere deren Fließgeschwindigkeit kann jedoch über das beschriebene Entlüftungsventil, um den Innenraum des Schmelzegefäßes mit der Atmosphäre zu verbinden, reguliert werden.
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Die Erstarrung der Schmelze in der Form kann in vorteilhafter Weise schnell erfolgen und insbesondere bereits während der weiteren Füllung der Form verursacht werden, indem die Form zumindest eine Kühleinrichtung, wie z. B. einen Kühlkanal aufweist.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden insbesondere beim Gießen von Kolben für Verbrennungsmotoren umfangreich genutzt, so dass eine hieran angepasste Form derzeit bevorzugt wird.
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Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 6 beschriebene Gießverfahren, bei dem die Zuführung der Schmelze von oberhalb der Form erfolgt und nach Zuführung einer Anfangsmenge unterhalb der Oberfläche der bereits zugeführten Schmelze vorgenommen wird. Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen im Hinblick auf die Verfahrensschritte im Wesentlichen den oben erläuterten bevorzugten Vorrichtungsmerkmalen und bringen die entsprechenden Vorteile mit sich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird eine beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 die erfindungsgemäße Gießvorrichtung in einem Ausgangszustand;
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2 die erfindungsgemäße Gießvorrichtung zu Beginn des Füllens der Form;
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3 die erfindungsgemäße Gießvorrichtung kurz nach Beginn des Füllens der Form; und
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4 die erfindungsgemäße Gießvorrichtung gegen Ende des Füllens der Form.
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Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Wie in 1 gezeigt ist, weist die erfindungsgemäße Gießvorrichtung 10 eine Form 12 und ein darüber angeordnetes Schmelzegefäß 14 auf. Das Schmelzegefäß 14 kann isoliert und/oder hermetisch abgedichtet sein und enthält bei der gezeigten Ausführungsform zwei Entlüftungsventile 16. In dem Schmelzegefäß 14 befindet sich in dem in 1 gezeigten Ausgangszustand Metallschmelze 18, die durch einen Verschluss 20 in der gezeigten Situation daran gehindert wird, aus der Öffnung 22 zu strömen. Bei dem gezeigten Beispiel ist der Verschluss 20 als Stopfenverschluss ausgebildet. An die Öffnung 22 schließt sich in Richtung der Form 12 ein Rohr 24 an, das, wie nachfolgend genauer erläutert, in die Form derart hineinreichen kann, dass Schmelze unterhalb der Oberfläche von bereits zugeführter Schmelze zuführbar ist. Der in die Form hineinreichende Abschnitt, insbesondere das Rohr 24 kann in einer von dem Schmelzegefäß 14 weg weisenden Richtung sich verjüngend, insbesondere konisch zulaufend ausgeführt sein. Zu der Form ist zu sagen, dass diese bei dem gezeigten Beispiel dem Gießen eines Rohlings für einen Kolben für einen Verbrennungsmotor dient, wobei bei dem gezeigten Beispiel der Kolbenboden 26, der im Betrieb der Brennkammer am nächsten ist, unten angeordnet ist, und sich der Schaft nach oben, in Richtung des Schmelzegefäßes 14 erstreckt. Hierdurch ist bei der gezeigten Ausführungsform das Rohr 24 besonders einfach derart anzuordnen, dass es in die Form hineinreicht. Insbesondere kann die tiefste Stelle des Hohlraums der Form 12 durch eine Aussparung 32 gebildet werden, die lediglich dafür vorgesehen ist, in der ”tiefsten” Stellung des Schmelzegefäßes 14 das untere Ende des Rohres 24 aufzunehmen. Insbesondere kann dieser Bereich des fertigen Gießteils, für den sich ein Kontakt der Metallschmelze mit der Atmosphäre nicht verhindern lässt, im Rahmen der Fertigbearbeitung des Gießteils vollständig entfernt werden.
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Der Zustand zu Beginn des Füllens der Form ist in 2 gezeigt. Insbesondere ist in diesem Fall das Ende des Rohres 24 an der tiefsten Stelle des Hohlraums der Form 12 angeordnet. In 2 ist der Verschluss 20 in offenem Zustand gezeigt, solange jedoch beide Entlüftungsventile 16 geschlossen bleiben, gelangt keine oder nur sehr wenig Metallschmelze 18 in die Form. Die Füllung des Hohlraums der Form 12 beginnt, wenn zumindest ein Entlüftungsventil 16 geöffnet wird. Es sei erwähnt, dass das Entlüftungsventil verwendet werden kann, um die Strömungsgeschwindigkeit der Metallschmelze 18 zu regulieren, insbesondere gering zu halten. Insoweit kann während des Füllens der Form das Schmelzegefäß 14 durch geeignete Einstellung zumindest eines Entlüftungsventils 16 gezielt be- und entlüftet werden. In jedem Fall kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Zuführung von Metallschmelze stets unterhalb des Füllstandes bereits zugeführter Schmelze erfolgen.
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Dies ist in 3 gezeigt, in welcher die Oberfläche 28 von bereits zugeführter Schmelze 30 gezeigt ist und zu erkennen ist, dass sich das Ende des Rohres 24, unterhalb dieser Oberfläche 28 befindet. Die weitere Metallschmelze kann somit in den Hohlraum der Form 12 zugeführt werden, ohne in Kontakt mit der Atmosphäre zu gelangen, so dass keine Oxide entstehen können. In 3 ist ferner zu erkennen, dass das Schmelzegefäß 14 verglichen mit dem in 2 gezeigten Zustand ein wenig angehoben wurde, um die Schmelze stets knapp unterhalb der Oberfläche 28 der bereits zugeführten Schmelze 30 zuzuführen und währenddessen bereits die Erstarrung in den ”unteren” Bereichen des Hohlraums der Form 12 beginnen zu lassen. Das Anheben des Schmelzegefäßes 14 oder alternativ das Absenken der Form 12 wird bis zu dem in 4 gezeigten Endzustand fortgesetzt. Nachfolgend wird das Schmelzegefäß 14 wieder verschlossen, und nach vollständiger Erstarrung kann das Gussteil, in dem gezeigten Fall ein Kolbenrohling, entnommen und die Form 12 erneut befüllt werden.
