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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussbauteilen.
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Vor allem im Bereich der Herstellung von Automobilfahrwerksteilen gewinnt der Einsatz von Aluminium als Leichtbauwerkstoff an Bedeutung. Um die erforderlichen Bauteilsteifigkeiten zu erzielen und so die Leichtbaupotentiale des Aluminiums optimal ausnutzen zu können, sind besondere hüllenartige Strukturen notwendig. So werden Bauteile aus Aluminium teilweise nicht mit Vollquerschnitten, sondern innen hohl oder mit leichtem Kernmaterial ausgestaltet. Hierbei kommen vor allem Leichtkerne bzw. Hybridleichtkerne zum Einsatz. Diese werden bei der Herstellung der Gussbauteile umgossen und bilden so den Kern des Gussbauteils. Beim Umgießen der Leichtkerne ist eine stabile Fixierung notwendig, um der Leichtkern beim Befüllen des Formhohlraumes mit dem flüssigen Metall in seiner Position zu halten und gegen Auftrieb zu sichern.
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Dieses Problem kann theoretisch durch den Einsatz von Edelstahldrähten gelöst werden, mittels welcher der Leichtkern in der Gussform fixiert wird. Von Nachteil ist hierbei allerdings, dass durch den Einsatz von Edelstahldrähten relevante Materialunterschiede zwischen der Fixierung und dem Gusswerkstoff bestehen. Dies wirkt sich insofern negativ auf das Gussbauteil aus, als dass das Gussbauteil nicht überall die gleichen mechanischen Kennwerte aufweist. Darüber hinaus durchdringt das eingesetzte Fixiermaterial die Bauteiloberfläche, wodurch Angriffspunkte für Korrosion entstehen.
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Eine weitere Vorrichtung zum Abstützen eines Kernes in einer Form ist aus der
DE 38 73 305 T2 bekannt. Hierbei wird ein Kern in einer Wachsform durchgehend in gleichem Abstand zum Inneren einer Keramikformkappe gehalten, wobei die Abstützung durch mehrere Stifte erfolgt, welche während des Gieß- und Erstarrungsverfahrens unversehrt bleiben und so den Kern fest positionieren. Hierbei ist es vorgesehen, die Stifte im Anschluss im Bauteil zu belassen. Falls Bauteil und Stifte aus unterschiedlichen Materialien bestehen, weist das Bauteil nicht überall die gleichen mechanischen Kennwerte auf. Weiterhin ist bei diesem Verfahren ein Ausschleudern der Stifte unter Einwirkung von Zentrifugalkräften auf das Bauteil möglich. Handelt es sich bei den Bauteilen um Turbinenschaufeln, so mag dies keine nachteilige Auswirkung mit sich bringen. Bei der Anwendung dieser Vorrichtung zur Herstellung anderer Bauteile können kleine Löcher aber durchaus eine nachteilige Auswirkung auf die Bauteile haben. Durch die Löcher kann Feuchtigkeit ins Innere des Bauteils dringen, was zu Korrosion führen kann.
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Die
DE 1 301 013 A offenbart ein Verfahren zum Fertigen von Vorpresslingen für Kolben mit Hohlräumen, wobei die Hohlräume durch Salzkerne ermöglicht werden. Hierbei werden die Salzkerne durch eine zangenförmige Vorrichtung in der Schmelze fixiert. Die Salzkerne werden von dieser Vorrichtung so lange gehalten, bis die Schmelze beginnt zu erstarren und die Kerne darin verankert sind. Nachteilig hierbei ist der hohe Zeitaufwand sowie energetisch betrachtet die sehr hohen Verfahrenstemperaturen. Die Salzkerne müssen einer Vorerwärmung unterzogen werden, um Spannungen im Bauteil zu vermeiden, welche sonst zu Rissen führen könnten. Um Restspannungen zu vermeiden, ist ein Homogenisierungsglühen notwendig, womit wiederum ein hoher Zeit- und Energieaufwand verbunden ist.
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In der
DE 693 23 817 T2 wird ein Präzisionsgießen unter Verwendung eines Kernes mit integrierter Wanddickenkontrollvorrichtung beschrieben. Hierbei werden zur Positionierung des Kerns einstückig an den Kern angeformte Vorsprünge genutzt. Dadurch werden zwar Stützen überflüssig, aber dennoch ist eine minimierte Kernbewegung relativ zu der Gießform nicht auszuschließen. Darüber hinaus können Löcher beim Entfernen der Vorsprünge in der Gussteilwand zurückbleiben. Generell gelten Löcher als Korrosionsstartpunkte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei welchem Leichtkerne in der Gießform vom Befüllen des Formhohlraumes bis zum vollständigen Erstarren des Metalls so fixiert werden, dass die Oberfläche des Gussteils den Hybridkern einerseits ohne jegliche fixierungsbedingte Öffnung umschließt und andererseits keine relevanten Materialunterschiede in Legierung und mechanischen Kennwerten gegenüber dem Grundmaterial des Bauteils auftreten. Ferner soll eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens aufgezeigt werden.
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Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch die Maßnahmen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Gussbauteilen umfasst prinzipiell folgende Schritte:
- a) Einlegen eines Leichtkerns in einen von Gussformhälften einer Gussform gebildeten Formhohlraum;
- b) Schließen des Formhohlraums durch Zusammenfügen der Gussformhälften;
- c) Einführen wenigstens eines Fixierstabes durch einen Fixierspeiser zur Abstützung des Leichtkerns von oben;
- d) Befüllen eines Formhohlraumes der Gussform mit flüssigem Metall;
- e) Lokales Kühlen des flüssigen Metalls oberhalb des Leichtkerns zur Erzeugung temporärer Erstarrungskernstützen;
- f) Entfernen des wenigstens einen Fixierstabes, wobei das den Fixierstab umgebende flüssige Metall in den frei werdenden Bereich des Formhohlraumes nachströmt.
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Als flüssiges Metall zur Erzeugung von gegossenen Leichtbauteilen wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eingesetzt. Mit diesem Verfahren können neben Gussbauteilen mit Leichtkernen auch Schmiederohlinge mit Leichtkernen hergestellt werden. Darüber hinaus kann als Gusswerkstoff auch beispielsweise Magnesium Stahlguss eingesetzt werden.
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Der Leichtkern wird durch wenigstens eine Kernstütze abgestützt. Diese Kernstütze kann direkt am Leichtkern angeordnet sein und mit diesem in dem unteren Bereich des Formhohlraums positioniert werden. Es ist ebenso möglich, die Kernstützen fest mit einer Innenwand im unteren Bereich des Formhohlraums zu verbinden.
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Vorzugsweise kommen wenigstens zwei oder drei Fixierspeiser zum Einsatz, welche bevorzugt in die höchsten Punkte des Formhohlraums münden. Durch jeden Fixierspeiser wird jeweils ein Fixierstab eingeführt. Die Anordnung der Fixierspeiser wird dabei so gewählt, dass der Leichtkern durch die Fixierstäbe gleichmäßig gegen Auftrieb abgestützt wird.
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Vorzugsweise können in die abzustützende Oberfläche des Leichtkerns Ausnehmungen zur Aufnahme von Enden der Fixierstäbe eingebracht werden. Dies ermöglicht eine genauere Positionierung und verhindert, dass die Fixierstäbe möglicherweise in die eine oder andere Richtung von der Oberfläche des Leichtkerns abrutschen. Die Enden der Fixierstäbe können beispielsweise konisch verjüngend, spitz auslaufend oder kegelstumpfförmig ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen in der Oberfläche des Leichtkerns und die Enden der Fixierstäbe zueinander komplementär ausgebildet, so dass beide formschlüssig ineinander greifen.
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Ist der Leichtkern über die Kernstützen und Fixierstäbe in dem Formhohlraum der Gussform lagefixiert angeordnet, erfolgt das Befüllen des Formhohlraums mit flüssigem Metall. Vorzugsweise erfolgt das Befüllen über so genannte Anschnitte im unteren Bereich des Formhohlraums. Das flüssige Metall steigt nach dem Befüllen des Formhohlraums in den Fixierspeisern weiter nach oben. Dabei ist sichergestellt, dass das Metall in den Fixierspeisern länger flüssig bleibt als das Metall innerhalb des Formhohlraumes.
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Durch den Einsatz von in dem oberen Bereich des Formhohlraums angeordneten Kühlmodulen wird das flüssige Metall, welches sich zwischen einer Oberseite des Leichtkerns und einer Innenwand im oberen Bereich des Formhohlraums befindet, lokal gekühlt. Dadurch wird bewirkt, dass dieser Bereich gegenüber dem umgebenden flüssigen Metall früher erstarrt als das übrige flüssige Metall innerhalb des Formhohlraumes. So bilden sich in den gekühlten Bereichen temporäre Erstarrungskernstützen aus. Diese Erstarrungskernstützen stützen den Leichtkern gegenüber der Innenwand im oberen Bereich des Formhohlraums ab und sichern ihn so gegen Auftrieb. Die temporären Erstarrungskernstützen übernehmen also die Aufgabe der Fixierstäbe, so dass diese aus dem Formhohlraum entfernt werden können, bevor die Schmelze vollständig erstarrt ist.
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Die Fixierstäbe können über eine Fixierbrücke miteinander gekoppelt sein, so dass die Verlagerung mehrerer Fixierstäbe relativ zum Formhohlraum gleichzeitig erfolgt. Darüber hinaus können oberhalb des Formhohlraums Führungen vorgesehen sein, mittels welcher ein Verkanten der Fixierstäbe bei Einführen in und beim Entfernen aus dem Formhohlraum vermieden wird.
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Da die Fixierstäbe mittig in den heißesten und zuletzt erstarrenden Bereichen der Fixierspeiser angeordnet sind, kann das flüssige Metall aus den Fixierspeisern nach Entfernen der Fixierstäbe in den frei werdenden Bereich des Formhohlraums nachströmen, so dass das Metall den Leichtkern ohne jegliche fixierbedingte Öffnung vollständig umschließt.
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Da die Erstarrungskernstützen durch lokales Kühlen des Gussmetalls gebildet werden, verschwinden diese nach dem Abkühlen des gesamten Metalls innerhalb des Formhohlraumes in der homogenen Metallschicht, welche um den Leichtkern gebildet wurde.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Kernstützen, auf denen der Leichtkern aufgelegt wird, nicht zwingend erforderlich. Es ist auch denkbar, dass auf die Kernstützen verzichtet wird, indem der Leichtkern direkt in den Formhohlraum eingelegt und durch die Fixierstäbe fixiert wird. Beim Eingießen des flüssigen Metalls in den Formhohlraum entsteht aufgrund der geringeren Dichte des Leichtkerns von z. B. 0,6 g/cm3 gegenüber dem flüssigen Metall (z. B. Aluminium ca. 2,7 g/cm3) eine hohe Auftriebskraft, die das Gewicht des Leichtkerns deutlich übersteigt und ihn gegen die Fixierstäbe nach oben drückt. Sobald diese Auftriebskraft in ausreichendem Maße wirkt, können die Fixierstäbe um einen bestimmten Betrag angehoben werden, der der vorgegebenen unteren Wanddicke, die ansonsten über Kernstützen eingestellt wird, entspricht. Nachdem die Erstarrungskernstützen an der Oberseite des Leichtkerns ausgebildet sind, können auch die Fixierstäbe in bekannter Weise entfernt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine mehrteilige Gussform, insbesondere mit Gussformhälften. Dabei ist an einer Gussformhälfte mindestens ein Speiser angeordnet, wobei wenigstens ein Speiser als Fixierspeiser ausgebildet ist, durch welchen ein Fixierstab zur Sicherung des Leichtkerns gegen Auftrieb in einen Formhohlraum der Gussform einführbar ist.
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Vorzugsweise befinden sich im oberen Bereich der Gussform zwei oder mehr Fixierspeiser. Darüber hinaus ist vorgesehen, einen Speiser ohne Fixierstab am höchsten Punkt einer Gussformhälfte anzuordnen. Die Aufgabe der Speiser, auch Steiger genannt, besteht darin, die Lunkerbildung im Gussteil in Folge der Materialschrumpfung beim Erstarren zu verhindern. Dies geschieht dadurch, dass das flüssige Metall, welches in den Speisern beim Befüllen des Formhohlraumes aufsteigt, die nach dem Erstarren des Formhohlraums auftretende Materialschrumpfungen ausgleicht, indem es vom Speiser zurück in den Formhohlraum fließt. Um diese Funktion zu gewährleisten, ist die Vorrichtung so ausgelegt, dass das flüssige Metall im Speiser als letztes erstarrt, also gegenüber dem Metall in dem Formhohlraum länger flüssig bleibt.
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Da die Fixierspeiser eine ähnliche Aufgabe zu erfüllen haben, wird auch hier dafür gesorgt, dass das flüssige Metall in den Fixierspeisern so lange flüssig bleibt, bis die Fixierstäbe nach der Ausbildung von Erstarrungskernstützen aus dem Formhohlraum entfernt werden können. So können die entstehenden freien Bereiche des Formhohlraums durch aus den Fixierspeisern nachfließendes flüssiges Metall vollständig verschlossen werden.
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Zur Erzeugung der Erstarrungskernstützen ist in einem oberen Bereich der Gussform wenigstens ein Kühlmodul angeordnet. Vorzugsweise sind mehrere Kühlmodule vorgesehen. Die Kühlmodule sind derart zueinander beabstandet, dass die sich ausbildenden Erstarrungskernstützen den Leichtkern gleichmäßig gegen Auftrieb abstützen. Als Kühlmodule werden z. B. Kühleisen, Kühlschieber oder auch Wasserkühler eingesetzt. Dabei ist vorgesehen, die Kühlmodule so im Abstand zu den Speisern und Fixierspeisern anzuordnen, dass diese nicht mitgekühlt werden. Es ist also darauf zu achten, dass die Kühlwirkung der Kühlmodule das flüssige Metall in den Speisern und Fixierspeisern nicht vorzeitig abkühlt, was ein Nachfließen behindern würde.
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Um ein gleichmäßiges Entfernen der Fixierstäbe aus dem Formhohlraum zu gewährleisten, sind diese in einer bevorzugten Ausführungsform über eine Fixierbrücke miteinander gekoppelt und können über diese Fixierbrücke relativ zur Gussform verlagert werden. Durch Anordnung einer oder mehrerer Führungen oberhalb des Formhohlraums kann ein Verkanten der Fixierstäbe beim Einbringen in oder beim Entfernen aus dem Formhohlraum verhindert werden.
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Das flüssige Metall, das nach dem Ziehen der Fixierstäbe in die dadurch freiwerdenden Bereiche nachströmt, ermöglicht ein vollständiges Umschließen der Oberfläche des Leichtkerns mit einer homogenen Metallschmelze. Nach der Entnahme des Gussbauteils aus der Vorrichtung weist das Gussbauteil somit auch keine durch gießtechnische Fixierungsmittel bedingte Steifigkeitssprünge auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung können der Herstellung von Gussbauteilen mit einem Leichtkern auch für alle anderen üblichen Hohlgussverfahren eingesetzt werden. Dabei eignet sich das Verfahren sowohl für den Einsatz bei vertikal geteilten als auch bei horizontal geteilten Gussformen. Bei vertikal geteilten Gussformen weisen verteilhafter Weise beide Gussformhälten im oberen Bereich Fixierstäbe und Kühlmodule auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend am Beispiel einer horizontal geteilten Gussform anhand der schematischen Figuren näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine Gussform 1 bestehend aus einer unteren Gussformhälfte 2 und einer oberen Gussformhälfte 3. Beide Gussformhälften 2, 3 schließen einen Formhohlraum ein, innerhalb dessen ein Leichtkern 4 angeordnet ist. Der Leichtkern besteht aus einem Füllmaterial, wie beispielsweise Sand mit entsprechenden Bindemitteln. Es kann sich auch um besonders hitzebeständige und gegenüber Aluminiumlegierungen besonders leichte Materialien handeln, wie z. B. Vermikulit, wobei sich Vermikulit durch ein besonders geringes spezifisches Gewicht auszeichnet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger Leichtkern 4 vorgesehen, wobei die Geometrie des Formhohlraums als auch die des Leichtkerns rein beispielhaft gewählt ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, in einem Gießvorgang mehrere Leichtkerne in einem gemeinsamen Formhohlraum zu platzieren bzw. entsprechend komplexere Formhohlräume zu wählen. Die stark abstrahierte Darstellung dient lediglich zur Veranschauung des Verfahrens.
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Die Positionierung des Leichtkerns 4 innerhalb der unteren Gussformhälfte 2 erfolgt über Kernstützen 5. Dabei können diese Kernstützen 5 sowohl direkt am Leichtkern 4 oder direkt an der unteren Gussformhälfte 2 angeordnet sein. Dabei können die Kernstützen 5 entweder fest mit der unteren Gussformhälfte 2 verbunden sein oder in Abhängigkeit von der Geometrie des Leichtkerns 4 in der unteren Gussformhälfte 2 angeordnet werden.
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Die obere Gussformhälfte 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Speiser 6 auf, welcher im höchsten Bereich der oberen Gussformhälfte 3 angeordnet ist. Darüber hinaus sind in der oberen Gussformhälfte 3 zwei Fixierspeiser 7 angeordnet, welche ebenfalls in höheren Bereichen der oberen Gussformhälfte 3 angeordnet sind. Dabei sind die Fixierspeiser 7 gleichzeitig in einem solchen Abstand zueinander angeordnet, dass eine gleichmäßige Abstützung des Leichtkerns 4 gegen Auftrieb ermöglicht wird.
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Mittig der Fixierspeiser 7 sind Fixierstäbe 8 angeordnet, welche in den Formhohlraum 9 eindringen und den Leichtkern 4 von oben abstützen. Hierfür können, wie in dem in 2 dargestellten Ausschnitt II dargestellt, Ausnehmungen 10 im Leichtkern 4 vorgesehen sein, welche Enden 11 der Fixierstäbe 8 aufnehmen. In diesem Ausführungsbeispiel sind Fixierstäbe 8 mit sich stufenförmig verjüngenden Enden 11 vorgesehen. Die zur Aufnahme der Enden 11 vorgesehene Ausnehmung 10 wurde mit einer zur Geometrie der Enden 11 der Fixierstäbe 8 komplementären Geometrie versehen, um ein formschlüssiges Ineinandergreifen zu gewährleisten.
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Darüber hinaus weist die obere Gussformhälfte 3 Kühlmodule 12 auf, durch welche das in den Formhohlraum 9 gefüllte flüssige Metall 13 punktuell gekühlt werden kann.
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Wird nur der Formhohlraum 9, wie hier über die Pfeile P dargestellt, mit dem flüssigen Metall 13, bei welchem es sich vorzugsweise um Aluminium oder einer Aluminiumlegierung handelt, befüllt, strömt das flüssige Metall 13 auch in dem Speiser 6 und den Fixierspeisern 8 nach oben. Sobald dies erfolgt ist, wird über die Kühlmodule 12 das flüssige Metall 13 zwischen einer Innenwand 14 und einer Oberseite 15 des Leichtkerns 4 punktuell abgekühlt, so dass es früher erstarrt als das umgebende flüssige Metall 13. Dadurch bilden sich lokale starre Bereiche in Form von Erstarrungskernstützen 16, welche sich in der oberen Hälfte des Formhohlraums 9 von der Innenwand 14 der oberen Gussformhälfte 3 zur Oberseite 15 des Leichtkerns 4 erstrecken und diesen somit ebenfalls gegen Auftrieb abstützen.
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Sobald die Erstarrungskernstützen 16 ausgebildet sind, werden die Fixierstäbe 8, welche zur gemeinsamen Verlagerung über eine Fixierbrücke 17 miteinander gekoppelt sind, relativ gegenüber der oberen Gussformhälfte 3 verlagert und aus dem Formhohlraum 9 entfernt. Zur Verhinderung eines Verkantens beim Entfernen oder Einführen der Fixierstäbe 8 in den Formhohlraum 9 sind an der oberen Gussformhälfte 3 Führungen 18 vorgesehen.
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Das bis jetzt noch flüssig gehaltene Metall 13 aus den Fixierspeisern 7 kann in die dadurch frei werdenden Bereiche des Formhohlraums 9 nachströmen, um dadurch ein vollständiges Umgießen des Leichtkerns 4 zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gussform
- 2
- Gussformhälfte
- 3
- Gussformhälfte
- 4
- Leichtkern
- 5
- Kernstützen
- 6
- Speiser
- 7
- Fixierspeiser
- 8
- Fixierstäbe
- 9
- Formhohlraum
- 10
- Ausnehmungen
- 11
- Enden v. 8
- 12
- Kühlmodul
- 13
- Metall
- 14
- Innenrand v. 3
- 15
- Oberseite v. 4
- 16
- Erstarrungskernstützen
- 17
- Fixierbrücke
- 18
- Führungen
- P
- Pfeil Befüllung
