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Die Erfindung betrifft ein Druckgießwerkzeug zur Herstellung eines metallischen Druckgussbauteils, mit einer Kavität und mit wenigstens einem in der Kavität angeordneten oder in die Kavität hineinreichenden Schieber zur Ausbildung einer Hinterschneidung am herzustellenden Druckgussbauteil und mit einem Hydraulikantrieb zur Betätigung des Schiebers.
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Beim Druckgießen wird die als Dauerform ausgebildete Kavität eines Druckgießwerkzeugs unter Druck mit Metallschmelze befüllt, wobei die Metallschmelze anschließend in der Dauerform erstarrt und ein Druckgussbauteil bildet. Der eigentliche Gießprozess kann in drei Phasen gegliedert werden: eine Vorfüllphase, in der die Metallschmelze in eine Gießkammer bzw. Füllkammer gefördert wird, eine Formfüllphase, in der ein Gießkolben mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit die Metallschmelze aus der Gießkammer in die Kavität bzw. den Formhohlraum presst, und eine Nachdruckphase, in der mit dem Gießkolben ein sehr hoher statischer Druck für die Nachspeisung des Druckgussbauteils aufgebaut wird.
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Im Bereich von Materialanhäufungen am Druckgussbauteil ist prinzipbedingt eine erhöhte Erstarrungsporosität zu erwarten. Ursache hierfür ist die nur begrenzt vorhandene Möglichkeit, das während der Erstarrung auftretende Volumendefizit allerorten über die Gießkammer nachzuspeisen. Ein Druckgießwerkzeug kann daher wenigstens einen lokal wirkenden Nachverdichter (auch als Squeezer bezeichnet) aufweisen. In einem kritischen Bereich kann ein in der Kavität angeordneter oder in die Kavität hineinreichender bewegbarer Nachverdichter während des Erstarrungsvorgangs in der Nachdruckphase noch flüssige Metallschmelze in die Materialanhäufung pressen. Der Antrieb des Nachverdichters erfolgt zumeist über wenigstens einen zugehörigen Hydraulikantrieb, der bspw. außenseitig am Druckgießwerkzeug angeordnet ist.
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Um Hinterschneidungen im Druckgussbauteil ausbilden zu können, kann ein Druckgießwerkzeug wenigstens einen bewegbaren Schieber aufweisen, der in der Kavität angeordneter ist oder in die Kavität hineinreicht. Der Antrieb eines Schiebers erfolgt zumeist ebenfalls über wenigstens einen zugehörigen Hydraulikantrieb, der bspw. außenseitig am Druckgießwerkzeug angeordnet ist.
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Befindet sich im Bereich einer Hinterschneidung auch wenigstens eine für eine erhöhte Erstarrungsporosität anfällige Materialanhäufung, so kann zumeist kein Nachverdichter im Druckgießwerkzeug verbaut werden, da der Bauraum nicht ausreicht und/oder der werkzeugbauliche Aufwand schlicht und ergreifend zu hoch ist.
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Zum Stand der Technik wird neben den oben benannten Patentschriften ferner auf die
DE 28 18 442 A1 hingewiesen, in der ein Schieberelement zur Ansteuerung eines Druckfühlers beschrieben ist. Aus der
DE 32 32 893 C1 ist ein Nachverdichterstift bekannt, der gleichzeitig auch als Auswerferstift dienen kann. Aus der
EP 0 421 136 A2 und
DE 10 2005 011 311 B3 sind schwenkbare Formbacken und Schieber bekannt, die im herzustellenden Gussbauteil Hinterschneidungen ausbilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckgießwerkzeug der eingangs genannten Art anzugeben, dass die mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Druckgießwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeugs ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen. Der nebengeordnete Anspruch betrifft eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeugs.
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Das erfindungsgemäße Druckgießwerkzeug zur Herstellung eines metallischen Druckgussbauteils, wobei dieses Druckgießwerkzeug wenigstens einen in der Kavität angeordneten oder in die Kavität hineinreichenden Schieber zur Ausbildung einer Hinterschneidung am herzustellenden Druckgussbauteil und einen Hydraulikantrieb (oder dergleichen) zur Betätigung des Schiebers aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass dieses ferner wenigstens einen im Bereich der am Druckgussbauteil auszubildenden Hinterschneidung (lokal) wirksamen Nachverdichter aufweist, wobei dieser Nachverdichter baulich in den Schieber integriert bzw. eingebunden ist und mit Hilfe des Hydraulikantriebs des Schiebers betätigbar ist.
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Das erfindungsgemäße Druckgießwerkzeug weist eine Dauerform auf, so dass es sich um ein wiederverwendbares Werkzeug handelt, welches insbesondere in einer gängigen Druckgießmaschine eingebaut und in an und für sich bekannter Weise betrieben werden kann. Der Schieber zur Ausbildung einer Hinterschneidung ist längsverschieblich angeordnet und kann mit Hilfe des Hydraulikantriebs (hydraulisch betätigtes Verschiebemittel) zwischen wenigstens zwei Positionen (einer Arbeitsposition für die Formfüllphase und eine Entnahmeposition für die Entnahme des hergestellten Druckgussbauteils) verschoben werden. Der Nachverdichter ist ebenfalls längsverschieblich angeordnet, so dass dieser mit Hilfe des Hydraulikantriebs für den Schieber mit Kraft beaufschlagt und bewegt werden kann, um beim Erstarren der Metallschmelze eine so genannte Materialreserve (die bei der Werkzeug- und/oder Bauteilkonstruktion berücksichtigt ist) in die kritische Materialanhäufung im Bereich der Hinterschneidung nachzuschieben (lokales Nachverdichten). Vorzugsweise ist der Nachverdichter hierbei im Wesentlichen nicht an der Formbildung des herzustellenden Druckgussbauteils beteiligt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeug können kritische Materialanhäufungen am herzustellenden Druckgussbauteil, bei denen eine erhöhte Erstarrungsporosität zu erwarten ist, auch im Bereich von schiebergeformten Hinterschneidungen mit wenigstens einem Nachverdichter nachverdichtet werden, wozu der wenigstens eine Nachverdichter baulich in den Schieber integriert ist. Damit ist gemeint, dass der Schieber und der Nachverdichter baulich zusammengefasst sind, wodurch Bauraum eingespart wird. Die Erfindung lässt sich somit insbesondere auch bei verhältnismäßig kleinen Schiebern umsetzen. Ferner kann der werkzeugbauliche Aufwand reduziert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Druckgießwerkzeug kann mehrere Schieber mit wenigstens einem baulich integrierten Nachverdichter aufweisen. Bei der Bauteilkonstruktion können die Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeugs entsprechend berücksichtigt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeug wird der baulich im Schieber integrierte bzw. eingebundene Nachverdichter nicht über einen separaten Hydraulikantrieb betätigt (d. h. bewegt und mit Kraft beaufschlagt), sondern vermittels des Hydraulikantriebs für den Schieber. In anderen Worten formuliert heißt dies, dass der Schieber und der Nachverdichter, die baulich zusammengefasst sind, mit Hilfe eines gemeinsamen Hydraulikantriebs betätigbar sind bzw. betätigt werden. D. h. der gemeinsame Hydraulikantrieb erzeugt die Stellbewegungen und Stellkräfte, die insbesondere mittels eines Übertragungsmechanismus, worunter eine Gesamtheit von kinematisch zusammenwirkenden Einzelkomponenten zur mechanischen Bewegungs- und Kraftübertragung verstanden wird, auf den Schieber und den Nachverdichter übertragen werden. Anstelle eines Hydraulikantriebs kann auch ein anderer gleichwirkender Antrieb vorgesehen sein, wobei ein hydraulischer Antrieb aufgrund der erzeugbaren hohen Stellkräfte prädestiniert ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeug wird der Einsatz eines Nachverdichters im Bereich eines Schiebers ermöglicht, selbst dann, wenn der zur Verfügung stehende Bauraum dies eigentlich nicht zulässt. Im Stand der Technik nimmt ein Schieber mit einem hydraulischen Schieberantrieb und Schaltern bzw. Sensoren zur Positionsüberwachung des Schiebers bereits so viel Bauraum in Anspruch, dass für einen zusätzlichen Nachverdichter mit einem hydraulischen Nachverdichterantrieb kein Platz mehr vorhanden ist.
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Wegen des gemeinsamen hydraulischen Antriebs von Schieber und Nachverdichter wird auch dann der erfindungsgemäße Einsatz eines Nachverdichters ermöglicht, wenn für einen separaten hydraulischen Nachverdichterantrieb an der Druckgießmaschine kein freier Hydraulikkreislauf oder Hydraulikanschluss mehr zur Verfügung steht. Im Stand der Technik verhindert eine begrenzte Anzahl von Hydraulikkreisläufen oder Hydraulikanschlüssen an der Druckgießmaschine häufig den Einsatz von lokalen Nachverdichtern, insbesondere dann, wann das Druckgießwerkzeug mehrere Schieber aufweist und damit alle Hydraulikkreisläufe oder Hydraulikanschlüsse bereits belegt sind.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei dem gemeinsamen Hydraulikantrieb für den Schieber und den Nachverdichter um einen Hydraulikzylinder und insbesondere um einen doppelwirkenden Hydraulikzylinder handelt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Hydraulikantrieb bzw. Hydraulikzylinder außenseitig (bzw. von außen zugänglich) am Druckgießwerkzeug angeordnet ist.
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Bevorzugter Weise ist der Nachverdichter als längsbeweglicher Nachverdichterstift ausgebildet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass dieser Nachverdichterstift in einer im Schieber ausgebildeten Bohrung längsverschieblich aufgenommen bzw. geführt oder gelagert ist. Geeignete Führungsmittel könne vorgesehen sein.
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Der Schieber und der Nachverdichter des erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeugs sind bevorzugt über einen Übertragungsmechanismus (gemäß obenstehender Definition) mit dem gemeinsamen Hydraulikzylinder verbunden. Der Übertragungsmechanismus ist insbesondere derart ausgebildet, dass eine bedingte (d. h. in konstruktiv bzw. baulich vorgegebenen Grenzen ermöglichte) Bewegungsentkopplung zwischen dem Schieber und dem Nachverdichter gegeben ist.
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Das erfindungsgemäße Druckgießwerkzeug kann Schalter und/oder Sensoren zur Positionsüberwachung des Schiebers und/oder des Nachverdichters aufweisen. Zum erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeug kann ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Gießzyklus und zur Steuerung der Bewegungen und/oder Stellkräfte des Schiebers und des Nachverdichters gehören, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die von dieser Steuereinrichtung bewerkstelligte Steuerung die von den Schaltern und/oder Sensoren generierten Signale berücksichtigt.
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Das erfindungsgemäße Druckgießwerkzeug dient vorrangig zur Herstellung eines dünnwandigen Druckgussbauteils und insbesondere eines dünnwandigen Aluminium-Druckgussbauteils. Ebenso kann es sich z. B. um ein Zink-Druckgussbauteil oder um ein Mehrkomponenten-Druckgussbauteil handeln. Bei dem mit dem erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeug herstellbaren Druckgussbauteil handelt es sich bspw. um eine Motorkomponente, eine Ölwanne, einen Aggregatshalter, ein Getriebegehäuse oder dergleichen zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand einer schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figur näher erläutert. Die in der Figur gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können jedoch, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt im Bereich eines Schiebers an einem erfindungsgemäßen Druckgießwerkzeug.
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Das Druckgießwerkzeug 100 weist eine Werkzeugwandung 110 auf, die eine Kavität bzw. einen Formhohlraum 120 umschließt. Mit 130 ist ein Schieber bezeichnet, mit dem in einem herzustellenden Druckgussbauteil 200 eine Hinterschneidung 210 ausgebildet werden kann. Im Schieber 130 ist ein als Nachverdichterstift 140 ausgebildeter Nachverdichter integriert, wozu der Schieber 130 mit einer Bohrung 131 ausgebildet ist, in der der Nachverdichterstift 140 längsbeweglich und zum Schieber 130 relativbeweglich gelagert ist. Der Schieber 130 kann mit Hilfe des Hydraulikzylinders 150 betätigt werden. Mit dem selben Hydraulikzylinder 150 kann auch der Nachverdichterstift 140 betätigt werden. Mit 180 ist eine Befestigungsanordnung für den Hydraulikzylinder 150 bezeichnet.
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Weitere Komponenten und Elemente des Druckgießwerkzeugs 100 werden nachfolgend im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung bei einem Gießzyklus erläutert. Die hierbei verwendeten Richtungsangaben beziehen sich in nicht einschränkender Weise auf die in der Figur gezeigte Darstellung.
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Die Darstellung zeigt das Druckgießwerkzeug 100 zu Beginn eines Gießzyklus. Nach Auftragen eines Trennmittels auf die Flächen der Kavität 120 wird der Schieber 130 aus der gezeigten zurückgezogenen bzw. nach außen gezogenen Entnahmeposition nach unten bzw. nach innen in die Arbeitsposition bewegt. Die Stellbewegung wird von dem Hydraulikzylinder 150 erzeugt (Stellbewegungsrichtung A) und mit einem Übertragungsmechanismus, d. h. über die Kolbenstange 151, das obere Querstück 152, die Verbindungsstücke 153 und das untere Querstück 154 auf die rückseitig am Schieber 130 angeordneten Druckstücke 135 übertragen, wodurch der Schieber 130 nach innen bzw. einwärts oder gemäß Darstellung nach unten bewegt wird, bis dessen Stirnseite 132 die Position der Konturlinie 212 in der Ausnehmung 210 einnimmt. Danach erfolgt das Schließen des mehrteilig ausgebildeten Druckgießwerkzeugs 100. Gegebenenfalls kann der Schieber 130 auch nach dem Schließen des Druckgießwerkzeugs 100 in diese Arbeitsposition bewegt werden.
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In der im Druckgussbauteil 200 zu erzeugenden Hinterschneidung 210 befindet sich ein kritischer Bereich mit einer für eine erhöhte Erstarrungsporosität anfälligen Materialanhäufung 211, wobei dieser kritische Bereich bzw. die Materialanhäufung 211 nur schematisch angedeutet ist. Mit dem Nachverdichterstift 140 kann während des Erstarrungsvorgangs noch flüssige Metallschmelze aus einer Materialreserve innerhalb der Bohrung 131 im Schieber 130 und/oder aus einer speziell hierfür vorgesehenen Materialreserve am Bauteil 200 in die Materialanhäufung 211 gepresst werden, um eine Erstarrungsporosität bzw. Lunkerbildung zu vermeiden. Dieser Vorgang wird als Nachverdichten (bzw. Squeezen) bezeichnet.
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Der fest mit dem unteren Querstück 154 verbundene Nachverdichterstift 140 wird beim Verschieben des Schiebers 130 in dessen Arbeitsposition mit Hilfe des Hydraulikzylinders 150 (Stellbewegungsrichtung A) mit nach unten bzw. nach innen bewegt. Genau genommen wird zuerst der Nachverdichterstift 140 und dann der Schieber 130 (wenn das untere Querstück 154 an die Druckstücke 135 anstößt) einwärts bzw. nach unten bewegt.
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Um in der Bohrung 131 einen Hohlraum auszubilden, wird der Nachverdichterstift 140 mit Hilfe des Hydraulikzylinders 150 (Stellbewegungsrichtung B), wobei der Hydraulikzylinder 150 doppelwirkend ausgebildet ist, über die Kolbenstange 151, das obere Querstück 152, die Verbindungsstücke 153 und das untere Querstück 154 um eine kurze Wegstrecke nach oben bewegt bzw. nach außen bewegt oder zurückbewegt. In dieser Bewegungsphase verbleibt der Schieber 130 in seiner vorderen bzw. unteren Arbeitsposition. Die Möglichkeit zur begrenzten Relativbewegung zwischen dem Nachverdichterstift 140 und dem Schieber 130 wird durch eine konstruktiv vorgegebene Freigängigkeit bzw. Entkopplung bewerkstelligt, wozu der Schieber 130 bezüglich des unteren Querstücks 154 relativbeweglich gelagert ist. Die Relativbeweglichkeit bzw. Entkopplung zwischen dem Schieber 130 und dem Querstück 154 ist durch rückseitig am Schieber 130 angeordnete Führungsbolzen 137, die in korrespondierenden Lagerbohrungen 155 im Querstück 154 geführt sind, realisiert. Eventuell vorgesehene Lagerbuchsen oder sonstige Führungsmittel sind nicht dargestellt.
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Während dieser Bewegungsphase des Zurückbewegens des Nachverdichterstifts 140 wird der Schieber 130 über die zwischen seiner Rückseite und dem unteren Querstück 154 angeordneten und zwischen diesen Komponenten wirksamen Federelemente 160 in seiner Arbeitsposition gehalten. Gleichzeitig unterstützen diese Federelemente 160 das Zurückbewegen des Nachverdichterstifts 140, in dem diese nach oben bzw. nach außen gerichtete Kräfte auf das untere Querstück 154 aufbringen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Federelemente 160 derart ausgelegt sind, dass diese das Querstück 154 (zusammen mit dem Nachverdichterstift 140) selbsttätig nach oben bzw. nach außen drücken, sobald der Hydraulikzylinder 150 drucklos geschaltet ist, was die Steuerung vereinfachen kann.
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Durch das Zurückbewegen des Nachverdichterstifts 140 wird in der Bohrung 131 im Schieber 130 ein Hohlraum geschaffen, der von der Stirnseite 132 des Schiebers 130 bis zur Stirnfläche 142 des zurückgezogenen Nachverdichterstifts 140 reicht. In der sich nun anschließenden Formfüllphase, in der Metallschmelze mit hohem Druck in die Kavität 120 gepresst wird, wird auch der Hohlraum in der Bohrung 131 mit Metallschmelze gefüllt, wobei die hierbei in der Bohrung 131 aufgenommene Metallschmelze als Materialreserve dient. Während des Erstarrungsvorgangs kann diese Materialreserve mittels des Nachverdichterstifts 140 in die Materialanhäufung 211 gepresst werden (Nachdruckphase), um dort eine Erstarrungsporosität bzw. Lunkerbildung zu vermeiden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch am Druckgussbauteil 200 eine Materialreserve vorgesehen sein, die mittels des Nachverdichterstifts 140 in den kritischen Bereich 211 gepresst wird. Die Bewegung und die Stellkraft des Nachverdichterstifts 140 wird mit Hilfe des Hydraulikzylinders 150 erzeugt (Stellbewegungsrichtung A) und über den starren Übertragungsmechanismus aus Kolbenstange 151, oberem Querstück 152, Verbindungsstücke 153 und unterem Querstück 154 auf den Nachverdichterstift 140 übertragen. Der Schieber 130 verbleibt (aufgrund der Entkopplung zwischen Nachverdichterstift 140 und Schieber 130) währenddessen in seiner Arbeitsposition.
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Die obere bzw. äußere und die untere bzw. innere Endposition des Nachverdichterstifts 140 wird bauteilbedingt vorgegeben, wobei die Endpositionen auch davon abhängig sind, wo sich die Materialreserve bzw. das Schmelzenreservoir befinden. Ist eine Materialreserve nur am Druckgussbauteil 200 vorgesehen, kann auf das Zurückziehen bzw. nach außen Ziehen des Nachverdichterstifts 140 zur Ausbildung eines Hohlraum in der Bohrung 131 verzichtet werden oder ein solches Zurückziehen auf eine minimale Wegstrecke begrenzt werden.
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Nachdem die Metallschmelze in der Kavität 120 erstarrt ist, werden der Schieber 130 und der Nachverdichterstift 140 mit Hilfe des Hydraulikzylinders 150 (Stellbewegungsrichtung B) nach oben bzw. nach außen zurückbewegt. Hierbei wird zunächst der starr mit dem Hydraulikzylinder 150 gekoppelte Nachverdichterstift 140 und erst zeitversetzt der bedingt entkoppelte Schieber 130 zurückbewegt. Der Schieber 130 wird hierbei vom unteren Querstück 154 mitgenommen, wozu das untere Querstück 154 bei der Rückbewegung bzw. Aufwärtsbewegung an die an den Führungsbolzen 137 angeordneten Anschläge 138 anstößt. In der gezeigten Ausführungsform sind die Anschläge 138 einstellbar, wozu diese als endseitig auf die Führungsbolzen 137 aufgeschraubte Muttern ausgebildet sind. Nach Öffnen des Druckgießwerkzeugs 100 kann das hergestellte Druckgussbauteil 200 in einer Richtung senkrecht zur Darstellungsebene entformt werden. Gegebenenfalls kann auch erst das Druckgießwerkzeug 100 geöffnet und dann der Schieber 130 und der Nachverdichterstift 140 zurückbewegt bzw. nach außen bewegt werden.
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Mit 171 bis 174 sind Schalter und/oder Sensoren zur Positionsüberwachung des Schiebers 130 und des Nachverdichterstifts 140 bezeichnet. Anhand der von diesen Schaltern generierten Signale kann eine nicht dargestellte Steuereinrichtung (bzw. Steuergerät) den Gießzyklus und die Bewegungen des Schiebers 130 und des Nachverdichterstifts 140 steuern. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass bestimmte Abläufe und Bewegungen erst dann frei gegeben werden, wenn sich der Schieber 130 und/oder der Nachverdichterstift 140 in einer definierten Position befinden.
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Für das in der Figur gezeigte und vorausgehend erläuterte erfindungsgemäße Druckgießwerkzeug 100 bestehen zahlreiche konstruktive und/oder gestalterische Abwandlungs- und Alternativmöglichkeiten, die im Rahmen der Erfindung mit umfasst sein sollen.
