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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Befüllen einer Schwerkraftgießform mit einer flüssigen Schmelze mit einem Anschnitt, über den die Schmelze in die Schwerkraftgießform einströmt, einem Zulauf, über den die Schmelze zum Anschnitt strömt und einem Strömungswiderstand, der im Zulauf oder im Anschnitt angeordnet ist, wobei der Strömungswiderstand als Einsatz ausgebildet ist, der sich durch den Kontakt zur Schmelze im Laufe des Füllvorgangs auflöst.
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Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zum Gießen von Zylinderkurbelgehäusen verwendet. Es ist erwünscht, eine gute thermische Schichtung beim Gießen zu erhalten. Daraus resultiert eine gelenkte Erstarrung mit kurzen Erstarrungszeiten, wodurch sich gewünschte hohe Festigkeiten und Duktilitäten verwirklichen lassen. Insbesondere sind auch möglichst geringe Dentritenarmabstände im Bereich der Brennraumplatte gefordert, welche nur bei entsprechend kurzen Erstarrungszeiten erreicht werden können.
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Entsprechend sind Verwirbelungen der Schmelze beim Füllen der Form dringend zu vermeiden. Wünschenswert wäre ein möglichst konstanter Volumenstrom der Schmelze beim Füllen der Form, welcher eine gute thermische Schichtung bewirkt und kurze Zykluszeiten ermöglicht. Zusätzlich wäre eine Beeinflussung der Strömungsrichtung im Anschnitt in die Gießform wünschenswert.
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Beim Schwerkraftgießen steht zu Beginn des Gießvorgangs der gesamte hydrostatische Druck an den Anschnitten des Gussbauteils an, welcher mit fortschreitender Füllung der Form abnimmt, so dass auch der Volumenstrom der Schmelze während des Gießvorgangs abnimmt. Bislang wurden zur Steuerung des Volumenstroms der Schmelze, geometrische Strömungswiderstände im Zulauf in Form von Umlenkungen oder Gießfiltern eingebracht, wodurch eine Reduzierung des Volumenstromes beim Einströmen in die Form erreicht wird.
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Ein auch nur näherungsweise konstanter Volumenstrom wird jedoch ebenso wenig erreicht wie eine gerichtete, sich während des Gießvorgangs ändernde Einströmung in die Form zur Erzielung einer erwünschten thermischen Schichtung.
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Aus der
DE 10 2006 008 432 B4 ist zwar ein Verfahren zur kontrollierten Formfüllung bekannt, bei dem über ein magnetisches Feld die Einströmgeschwindigkeit derart geregelt werden soll, dass Turbulenzen vermieden werden. Ein solches Verfahren ist jedoch sehr aufwendig durchzuführen und nimmt unerwünscht Einfluss auf die Verteilung der Legierungsbestandteile in der Schmelze.
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Des Weiteren ist es aus der
DE 198 59 032 A1 bekannt, Gießfilter aus einer offenporigen Keramik zu verwenden, wobei ein Filterwandbereich zur Anströmrichtung geneigt ausgebildet ist. Hierdurch soll eine besser reproduzierbare Einströmung über die Anschnitte erfolgen als bei bekannten Filtern. Turbulenzen sollen verhindert werden. Gezielte Beeinflussungen der Einströmrichtungen und -geschwindigkeiten sowie des Volumenstromes, welche sich im Laufe des Gießprozesses ändern, werden nicht offenbart.
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Des Weiteren ist aus der
DE 197 20 184 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung für die zeitabhängige Steuerung der in den Formhohlraum einer Gießform einströmenden Metallschmelze bekannt, wobei im Zulauf ein sich auflösender Gießeinsatz in Form einer Blende angeordnet ist. Hierdurch soll die Fließgeschwindigkeit der Schmelze zu Beginn des Gießvorgangs verringert werden. Es können jedoch Verwirbelungen zu Beginn des Gießprozesses durch die enge Blende nicht vollständig vermieden werden, da durch den geringen Querschnitt eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Befüllen einer Schwerkraftgießform bereitzustellen, mit der eine gerichtete Füllung der Form mit möglichst konstantem oder sich erwünscht änderndem Volumenstrom in die Form unter Vermeidung von Verwirbelungen oder eine Richtungsbeeinflussung des Schmelzestroms erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass der Einsatz eine sich in radialer Richtung ändernde Massenverteilung aufweist oder der Einsatz derart im Anschnitt angeordnet ist, dass eine Umlenkung des Schmelzestroms erfolgt, wird ein sich im Verlauf des Gießvorgangs reduzierender Strömungswiderstand geschaffen, so dass bei entsprechender Auslegung ein konstanter oder auch entsprechend der Auslegung sich wie erwünscht ändernder Volumenstrom erreichbar ist. Dies bedeutet, dass die Geometrie des Einsatzes sowohl bezüglich der Dicke des Einsatzes als auch bezüglich seiner Form so gewählt werden kann, dass der Druckabfall während des Gießens über dem Einsatz sich derart verändert, dass ein näherungsweise konstanter Volumenstrom erreicht wird. Gleichzeitig ist es je nach geometrischer Ausführung möglich, durch diesen Strömungswiderstand die Einströmrichtung der Schmelze in die Form zu beeinflussen. So kann eine Wirbelbildung beim Füllen der Gießform zuverlässig vermieden und eine erwünschte thermische Schichtung erreicht werden, die eine Optimierung des Korngrößengefüges ermöglicht. So kann eine gezielte thermische Schichtung erzielt werden, die es ermöglicht, beispielsweise die Dentritenarmabstände an der Brennraumplatte zu verringern, ohne zusätzliche Hilfsmittel benutzen zu müssen.
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In einer bevorzugten Ausführung besteht der Einsatz aus dem gleichen Material wie die Schmelze, so dass eine Beeinflussung von Legierungseffekten zuverlässig vermieden wird. Des Weiteren können die Einsätze in einem derartigen Fall mit gegossen werden, wodurch die Kosten zur Herstellung minimiert werden. Des Weiteren ist ein Auflösen des Einsatzes sichergestellt, da der Schmelzpunkt der Gleiche ist, wie der der Schmelze.
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Vorzugsweise ist der äußere Bereich des Einsatzes in einer Nut des Zulaufs oder des Anschnitts angeordnet. Je nachdem, um welche Art von Einsatz es sich handelt, kann sich diese Nut über den gesamten Umfang oder nur über Teilumfänge erstrecken. So wird eine Befestigung in der Vorrichtung ohne zusätzliche Bauteile durch einfaches Einsetzen der sich auflösenden Einsätze in die Vorrichtung vor dem Starten des Gießprozesses ermöglicht.
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Beim klassischen Schwerkraftguss wird zur Beeinflussung der Formfüllung der Einsatz im tiefsten Bereich des Zulaufs angeordnet. Diese Position entspricht der Anordnung eines Keramikfilters im Zulauf bei bekannten Anwendungen und hat sich als optimale Lage zur Beeinflussung des Volumenstromes herausgestellt.
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Wenn vorteilhafterweise ein zentraler Querschnitt durch eine Wand gebildet ist, die eine konstante Dicke aufweist, welche kleiner ist als die Dicke der umgebenden Bereiche, wird die Schmelze zunächst kurzzeitig vor dem Einsatz stehen, wodurch sich das Bad zunächst beruhigen kann. Nach Auflösen dieser Schicht wird ein größerer Querschnitt zur Schaffung einer ausreichenden Einströmgeschwindigkeit gleichzeitig freigegeben.
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In einer weiterführenden Ausführungsform weist diese zentrale Wand des Einsatzes eine Dicke von maximal 1 mm auf, so dass ein schnelles Auflösen nach dem Beaufschlagen des Einsatzes mit der Schmelze gewährleistet ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist in den Einsatz ein Gießfilter integriert, so dass die Funktion des Filterns gleichzeitig zur Beeinflussung des Volumenstroms durch ein Bauteil erfüllt wird.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführung ragt der Einsatz von einer Seitenwand in den Anschnitt. Diese Geometrie wirkt als Leitblech für die strömende Schmelze, welche zunächst abgelenkt werden kann und nach dem Auflösen des Keils in der Richtung strömt, die durch die Geometrie des Anschnitts gegeben ist.
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Insbesondere ist der Einsatz sich ins Innere des Anschnitts verjüngend ausgebildet, so dass zunächst ein Schmelzen des inneren Teils erfolgt, wodurch die Strömungsumlenkung durch den Einsatz im Laufe des Gießprozesses abnimmt.
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Es wird somit eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Füllung einer Schwerkraftgießform geschaffen, mit der die Volumenströme der Schmelze sowohl bezüglich der Richtung als auch der Geschwindigkeit beeinflusst werden können. Dies wird auf einfache und kostengünstige Weise realisiert.
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Zwei Beispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden anhand der Figuren im Folgenden erläutert.
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1 ist eine perspektivische Darstellung einer Schwerkraftgießanlage mit einer Vorrichtung zum Befüllen einer Schwerkraftgießform mit einem bekannten Füllsystem.
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2 ist eine Prinzipskizze eines Einsatzes im Zulauf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befüllen einer Schwerkraftgießform.
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3 ist eine Prinzipskizze eines Einsatzes im Anschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befüllen einer Schwerkraftgießform.
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Tümpel 2, aus welchem Schmelze über eine Vorrichtung 4 zum Befüllen zu einer Schwerkraftgießform 6 strömt.
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Die Vorrichtung 4 zum Befüllen der Gießform 6 besteht aus einem Zulauf 8, der fluidisch mit dem Tümpel 2 verbunden und geodätisch unterhalb des Tümpels 2 angeordnet ist. Im Zulauf befinden sich zwei Umlenkungen 10, 12, welche als geometrischer Strömungswiderstände wirken, durch die der Volumenstrom der Schmelze reguliert wird. Im folgenden Verlauf des Zulaufs 8 weist dieser eine im Wesentlichen umlaufende Nut 14 an seinen begrenzenden Wänden 16 auf, so dass sich eine kurze Erweiterung des Zulaufs 8 ergibt. In dieser Erweiterung wird üblicherweise ein hier nicht dargestellter Keramikfilter angeordnet, der einerseits die Oxidhaut der Schmelze zerstören und andererseits feste Teile in der Schmelze zurückhalten soll. Von hier aus gelangt die Schmelze zu Anschnitten 20 der Gießform 6, über die die Schmelze in die Gießform 6 strömt.
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Eine Beeinflussung der Einströmrichtung in die Form 6 ist lediglich durch die feststehende Lage der Anschnitte 20 möglich und bleibt über den Gießvorgang konstant. Des Weiteren wird während des Gießvorgangs der verfügbare hydrostatische Druck durch das Ansteigen des Schmelzespiegels in der Form 6 sinken, wodurch auch der Volumenstrom während des Befüllens der Form 6 sinkt. Die Füllkurve liegt somit fest. Eine idealere Füllung mit näherungsweise konstantem Volumenstrom ist nicht gegeben. Eine Änderung der Füllkurve sind nur durch Modifikationen am Filter und oder der Geometrie des Zulaufes 8 möglich.
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Erfindungsgemäß wird daher ein entdrosselter Zulauf 8 ohne Umlenkungen oder Strömungswiderstände bildenden Keramikfiltern verwendet, in dem ein Einsatz 22 entsprechend 2 oder ein Einsatz 24 entsprechend 3 angeordnet ist.
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Der Einsatz 22 befindet sich im Wesentlichen an der gleichen Position wie ein Gießfilter und somit im tiefsten Bereich 26 des Zulaufs 8. Er ist ebenfalls über seinen äußeren Bereich 28, im Beispiel gemäß 2 über seinen Außenumfang, in der Nut 14 axial und radial fixiert. In diesem radial äußeren Bereich 28 weist der Einsatz 22 eine konstante Dicke auf welche in Richtung zur Mittelachse etwa ab dem inneren Ende der Nut 14 abnimmt. Ein sich daran radial innen anschließender Bereich weist wiederum eine konstante Breite auf.
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Ein zentraler Querschnitt ist lediglich als dünne Wand 30 von circa 1 mm Dicke ausgeführt.
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Der Einsatz 22 ist aus einem Material herzustellen, welches einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb des Schmelzpunktes der Schmelze oder gleich dem Schmelzpunkt der Schmelze ist. So wird sichergestellt, dass der Einsatz durch die thermische Belastung durch die Schmelze aufgelöst wird.
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Wird nun Schmelze über den Tümpel 2 in den Zulauf 8 gegeben, wird diese zunächst am Einsatz 22 gestaut. Das Schmelzebad wird beruhigt, die Strömungen erliegen. Durch die Hitze der Schmelze löst sich im Folgenden die Wand 30 auf, wodurch der zentrale Querschnitt freigelegt wird, durch den im Folgenden die Schmelze zu den Anschnitten 20 und in die Gießform 6 strömt. In diesem Zustand ist der Tümpel 2 noch beinahe vollständig gefüllt, das heißt es liegt ein maximaler hydrostatischer Druck an. Der Einsatz 22 wirkt als Drossel, durch die der Volumenstrom reduziert wird. Im Laufe des Gießprozesses löst sich der Einsatz 22 weiter von Innen nach Außen auf, so dass ein stetig wachsender Querschnitt der Strömung zur Verfügung gestellt wird. Dabei ist auch zu beachten, dass der Einsatz 22 durch die wirkenden Kräfte in den Bereichen geringer Dicke gegebenenfalls zum Teil umgebogen wird, wodurch ebenfalls zusätzliche Durchströmungsquerschnitte freigegeben werden. Während der hydrostatische Druck durch die sinkende Füllhöhe des Tümpels 2 fällt, wächst also der Durchströmungsquerschnitt in einem Maß, welches von der Dicke und dem Material des Einsatzes 22 abhängig ist. Diese gegenläufigen physikalischen Randbedingungen können bei entsprechender Auslegung des Einsatzes 22 beispielsweise genutzt werden, um einen konstanten Volumenstrom oder eine andere gewünschte Füllkurve zu erhalten.
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Wird für den Einsatz 22 das gleiche Material gewählt wie für den zu gießenden Körper, ist der sich auflösende Einsatz 22 in keiner Weise im Gussstück nachweisbar und kann gegebenenfalls für folgende Gießgänge mit gegossen werden.
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In 3 ist ein weiterer Einsatz 24 dargestellt, dessen Funktion sich von dem in 2 dargestellten Einsatz 22 dadurch unterscheidet, dass nicht die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst wird, sondern vor allem die Strömungsrichtung in die Gießform 6. Dieser Einsatz 24 ist nicht im Zulauf 8, sondern direkt im Anschnitt 20 angeordnet. Der Einsatz 24 weist eine Keilform auf, das heißt, er verjüngt sich von einer begrenzenden Seitenwand 32 in Richtung zum Innern des Anschnitts 20.
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Wird dieser Einsatz 24 mit Schmelze beaufschlagt, so strömt die Schmelze entsprechend des Pfeils 34 zunächst am Keil des Einsatzes 24 entlang und erfährt eine entsprechende Umlenkung. Durch das Auflösen oder gegebenenfalls Umbiegen des Einsatzes 24 durch die thermische und strömungstechnische Belastung wird diese Umlenkung im Verlauf des Befüllens der Gießform 6 immer geringer, bis der Querschnitt vollständig freigegeben wird und die Strömungsrichtung der Schmelze im Wesentlichen der durch die Kanalform bestimmten Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil 36 entspricht. Je nach gewählter Form des Kanals und des Einsatzes 24 lassen sich so unterschiedliche Strömungsrichtungen darstellen. So kann beispielsweise zu Beginn des Gießvorgangs die Schmelze auf die Brennraumfläche eines Zylinderkurbelgehäuses gelenkt werden und nach dem Auflösen des Einsatzes 24 in Richtung der Speiser, wodurch eine gute thermische Schichtung mit verbesserten Korngrößenverteilungen im Bauteil erzielbar ist.
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Es werden somit verschiedene Möglichkeiten zur Beeinflussung und Änderung der Strömungsbedingungen während des Befüllens einer Gießform vorgestellt. Durch diese indirekte Steuerung des Fließverhaltens der Schmelze können die Bauteileigenschaften des Gussstücks durch Vermeidung von Turbulenzen in der Schmelze und gerichtete Strömungen verbessert werden.
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Selbstverständlich sind konstruktive Änderungen sowohl bezüglich der Anordnung und Befestigung der sich auflösenden Einsätze als auch bezüglich einer Anpassung der Form der Einsätze zum Erreichen gewünschter Strömungsbedingungen denkbar, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.
