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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Druckgussbauteils, bei dem die Kavität eines bereitgestellten Druckgießwerkzeugs unter Druck mit Metallschmelze befüllt wird und anschließend die Metallschmelze in der Kavität erstarrt und das Druckgussbauteil bildet, wobei das Druckgussbauteil wenigstens eine zur Erstarrungsporosität neigende Materialanhäufung in Form einer Gewindebuchse aufweist.
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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 (Fülldruck) und hoher Geschwindigkeit die Metallschmelze aus der Gießkammer in die Kavität bzw. den Formhohlraum presst, und eine Nachdruckphase bzw. Erstarrungsphase, in der mit dem Gießkolben ein sehr hoher statischer Druck für die Nachspeisung des Druckgussbauteils beim Erstarren der Metallschmelze aufgebaut wird.
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Insbesondere im Bereich von Materialanhäufungen ist prinzipbedingt eine erhöhte Erstarrungsporosität am Druckgussbauteil zu erwarten. Ursache hierfür ist die nur begrenzt vorhandene Möglichkeit, überall am Druckgussbauteil das während der Erstarrung auftretende Volumendefizit über die Gießkammer nachzuspeisen. Ein Druckgießwerkzeug kann daher wenigstens einen lokal bzw. partiell wirkenden Nachverdichter (auch als Squeezer bezeichnet) aufweisen. Zum Stand der Technik wird auf die
DE 100 17 393 A1 verwiesen.
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Solche lokal bzw. partiell wirkenden Nachverdichter umfassen mechanische Verschiebemittel, die thermisch und mechanisch belastet sind, einem hohen Verschleiß unterliegen und störanfällig sind (z. B. Gefahr eines unerwarteten Ausfalls durch Festklemmen).
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Die nächstliegende
DE 100 17 393 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Druckgusskörpern, bei dem ein schmelzflüssiges Material unter hohem Druck in den Formhohlraum einer Dauerform eingegossen und durch Verschieben eines Formeinsatzes eine Nachverdichtung des erstarrenden Gusskörpers bewirkt wird. Zum Stand der Technik wird ergänzend auch auf die
DE 696 28 139 T2 ,
EP 0 241 426 A1 und
DE 198 30 025 B4 hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optimierten Herstellung eines wenigstens eine Gewindebuchse aufweisenden Druckgussbauteils anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kavität des bereitgestellten Druckgießwerkzeugs unter Druck (Fülldruck) mit Metallschmelze befüllt. Anschließend erstarrt die Metallschmelze in der Kavität und bildet ein Druckgussbauteil, wobei das Druckgussbauteil wenigstens eine zur Erstarrungsporosität neigende Materialanhäufung in Form einer Gewindebuchse aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass während der Erstarrung lokal im Bereich der (wenigstens einen) Gewindebuchse mit Hilfe einer Düse mit Richtcharakteristik gezielt Gas in die Kavität injiziert wird, welches zur Vermeidung von Erstarrungsporosität die zumindest noch teilweise flüssige Metallschmelze innerhalb der Gewindebuchse direkt verdichtet, derart, dass das injizierte Gas in axialer Richtung zumindest teilweise eine Gasblase innerhalb der Gewindebuchse ausbildet, die dann in radialer Richtung eine Verdichtung der Hülsenwandung bewirkt.
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Ein Druckgießwerkzeug zur Herstellung eines metallischen Druckgussbauteils (bzw. zur Herstellung von Druckgussbauteilen, aufgrund dessen Wiederverwendbarkeit), durch Druckgießen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, weist eine Kavität und wenigstens eine Gasinjektionseinrichtung, mit der zur Vermeidung von Erstarrungsporosität im Bereich einer Materialanhäufung am herzustellenden Druckgussbauteil lokal Gas in die Kavität injizierbar ist bzw. injiziert werden kann, auf.
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Unter einer Kavität wird ein wiederverwendbarer Formhohlraum (Dauerform) mit einer formgebenden Innenwand verstanden, deren Wandungsabschnitte, auch im Bereich von Materialanhäufungen und insbesondere im Bereich der wenigstens einen Materialanhäufung an der gezielt Gas injiziert wird, die Form bzw. die Gestalt des herzustellenden Druckgussbauteils vorgeben. Das Druckgießwerkzeug, das gegebenenfalls auch mehrere Kavitäten aufweisen kann, ist vorzugsweise in einer gängigen Druckgießmaschine eingebaut und kann in an und für sich bekannter Weise betrieben werden, insbesondere wie oben beschrieben.
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Ein erfindungsgemäß verwendbares Druckgießwerkzeug kommt prinzipiell ohne konventionelle Nachverdichter aus, womit die damit einhergehenden Nachteile wegfallen und insbesondere auch Bauraum eingespart wird (bspw. Wegfall der hydraulischen Antriebszylinder). Ungeachtet dessen kann das Druckgießwerkzeug quasi als Hybrid ausgebildet sein und auch konventionelle Nachverdichter (Squeezer) aufweisen. Insbesondere ist denkbar, dass im Bereich einer Materialanhäufung sowohl eine konventionelle Nachverdichtung (mit wenigstens einem Schieber oder dergleichen) als auch eine Gasinjektion vorgesehen ist.
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Um in wenigstens einer Materialanhäufung am herzustellenden Druckgussbauteil Erstarrungsporosität zu vermeiden, oder zumindest zu verringern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass während der Erstarrung (d. h. während der Erstarrungsphase) im Bereich dieser Materialanhäufung ein Gas bzw. Gasfluid direkt in die Kavität eingespritzt bzw. injiziert wird, welches dort sodann durch einen sich einstellenden Gasdruck direkt bzw. unmittelbar auf die Materialanhäufung einwirkt und die zumindest noch teilweise flüssige (oder auch breiige oder semiflüssige) Metallschmelze innerhalb dieser Materialanhäufung verdichtet. Unter „innerhalb” wird hierbei insbesondere verstanden, dass ein Verdichtungseffekt nicht oberflächlich oder nur oberflächlich, sondern vor allem im Inneren der Materialanhäufung eintritt.
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Wichtig ist, dass das in die Kavität injizierte Gas direkt auf den Bereich der betreffenden Materialanhäufung einwirken kann. Eine indirekte Einwirkung, bspw. über ein Nachspeisereservoir oder dergleichen, ist nicht vorgesehen. Insbesondere soll das lokal in die Kavität injizierte Gas nur der direkten Verdichtung der Metallschmelze während der Erstarrung im Bereich der Materialanhäufung dienen. Eine Ausbildung von Hohlräumen (durch Ausblasen oder dergleichen) und insbesondere von größeren hohlen Bauteilbereichen im Druckgussbauteil, wobei das injizierte Gas quasi als Kernersatz dient, ist nicht vorgesehen.
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Beim Injizieren weist das Gas bevorzugt einen gasförmigen Zustand auf. Ebenso ist denkbar, dass es sich um ein Flüssiggas handelt, welches beim Injizieren bzw. Einspritzen in einen gasförmigen Zustand übergeht. Das injizierte Gas bildet innerhalb der Kavität eine unter Gasdruck bzw. Innendruck stehende Gasblase bzw. einen Gashohlraum aus. Das Gas kann beim Öffnen des Druckgießwerkzeugs zur Bauteilentnahme entweichen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Gas bzw. Gasfluid mit Raumtemperatur in die Kavität injiziert wird. Aufgrund der hohen Temperaturen innerhalb der Kavität wird das injizierte Gas augenblicklich erwärmt, was zu einem erheblichen Druckanstieg innerhalb der sich ausbildenden Gasblase führt, wodurch der gewünschte Effekt der lokalen Verdichtung innerhalb der Materialanhäufung begünstigt wird.
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Um eine chemische Reaktion des injizierten Gases mit der Metallschmelze zu vermeiden oder zumindest in ihrem Ausmaß zu verringern ist bevorzugt vorgesehen, dass es sich bei dem Gas um Stickstoff oder ein Edelgas, wie bspw. Argon, handelt. Ebenso kann ein nichtreaktives Gasgemisch verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient vorrangig der Herstellung eines Leichtmetall-Druckgussbauteils. Bevorzugt handelt es sich um ein Aluminium-, Magnesium-, Zink- oder Mehrkomponenten-Druckgussbauteil. Demnach handelt es sich bei der in die Kavität einzufüllende Metallschmelze vorrangig um eine entsprechende Leichtmetallschmelze.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das herzustellende Druckgussbauteil und insbesondere Leichtmetall-Druckgussbauteil, bis auf die wenigstens eine Materialanhäufung, dünnwandig ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bspw. um eine Motorkomponente, eine Ölwanne, einen Aggregatshalter, ein Getriebegehäuse, ein Strukturbauteil oder dergleichen zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Bei der Materialanhäufung am herzustellenden Druckgussbauteil (wobei es sich vorzugsweise um ein Leichtmetall-Druckgussbauteil und insbesondere um ein im Wesentlichen dünnwandiges Druckgussbauteil bzw. Leichtmetall-Druckgussbauteil handelt) handelt es sich um eine Gewindebuchse oder dergleichen. Eine solche Gewindebuchse weist insbesondere einen massiven und im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt auf, in den während nachgelagerter spanender Bearbeitungsvorgänge eine Bohrung eingebracht und ein Innengewinde erzeugt wird.
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Es ist vorgesehen, dass das injizierte Gas in axialer Richtung (entsprechend der späteren Bohr- und/oder axialen Einschraubrichtung) zumindest teilweise eine Gasblase innerhalb der Gewindebuchse ausbildet, die dann aufgrund des Innendrucks in radialer Richtung eine Verdichtung der Hülsenwandung bewirkt bzw. herbeiführt. Auf diese Weise lassen sich porositätsfreie oder zumindest porositätsarme Gewindebuchsen erzeugen. Dies hat positiven Einfluss auf die späteren Verschraubungseigenschaften und reduziert die Aufwände bei den nachgelagerten spanenden Bearbeitungsvorgängen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zum Druckgießwerkzeug gehörende Gasinjektionseinrichtung wenigstens eine an der Innenwand der Kavität angeordnete Düse oder dergleichen zum lokalen Injizieren des Gases umfasst. Diese Düse kann eine Richtcharakteristik aufweisen, um das Gas bzw. Gasfluid in einer bestimmten Richtung in die Kavität zu injizieren. Bevorzugt ist diese Düse starr ausgebildet und unbeweglich angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass diese Düse in die Innenwand hinein zurückversetzt angeordnet ist und somit nicht in die Kavität hinragt bzw. nach innen von der Innenwand bzw. Kavitätswand vorsteht. Zu der Gasinjektionseinrichtung kann ferner ein der Düse vorgeschaltetes und insbesondere im Außenbereich des Druckgießwerkzeugs befindliches Ventil gehören, das von einer zum Druckgießwerkzeug und/oder zur Druckgießmaschine gehörenden Steuereinrichtung schaltbar oder steuerbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand einer schematischen Figur näher erläutert. Die in der Figur gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 veranschaulicht in mehreren Einzeldarstellungen den Vorgang der Gasinjektion.
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1a zeigt ausschnittsweise ein in der Erstarrungsphase befindliches komplex geformtes dünnwandiges Druckgussbauteil 100. Das Druckgussbauteil 100 befindet sich in der Kavität eines nicht dargestellten Druckgießwerkzeugs. Das Druckgussbauteil 100 weist eine zylindrische Materialanhäufung 120 auf, wobei es sich um eine Gewindebuchse handelt. Die axiale Richtung der Materialanhäufung bzw. Gewindebuchse 120 ist mit L bezeichnet. Quer hierzu erstreckt sich die radiale Richtung der Gewindebuchse 120.
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Um zu verhindern, dass sich in der Erstarrungsphase zu Erstarrungsporosität führende Lunker, Poren oder dergleichen in der Gewindebuchse 120 ausbilden können ist vorgesehen, dass während der Erstarrungsphase im Bereich dieser Gewindebuchse 120 ein Gas G bzw. Gasfluid direkt in die formbildende Kavität des Druckgießwerkzeugs injiziert wird. Aufgrund des sich einstellenden Gasdrucks wird die zumindest noch teilweise flüssige Metallschmelze innerhalb der Gewindebuchse 120 durch das injizierte Gas unmittelbar verdichtet.
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1b zeigt den Beginn des Gasinjektionsvorgangs, wobei insbesondere zunächst die vollständige Befüllung der Kavität mit Metallschmelze abgewartet wird. D. h. die Gasinjektion wird erst nach dem Füllvorgang, eventuell zuzüglich einer Wartezeit, gestartet. Das Gas G wird mit einer in der Kavitätswand angeordneten Düse 130 mit einem Förder- bzw. Einspritzdruck p in axialer Richtung L injiziert bzw. eingespritzt. Da zu diesem Zeitpunkt im Inneren der Gewindebuchse 120 die Metallschmelze noch flüssig ist, während sich im Randbereich bereits eine feste Haut bzw. erstarrte Randschicht ausgebildet hat, kann sich innerhalb der Gewindebuchse 120 eine Gasblase bzw. ein Gashohlraum B ausbilden.
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Durch den Förderdruck p und/oder die Menge des durch die Düse 130 lokal injizierten Gases G kann der sich in der Gasblase B einstellende Gasdruck eingestellt und/oder die Größe der sich ausbildenden Gasblase B an das nachfolgend noch in der Gewindebuchse 120 zu erzeugende Gewinde angepasst werden.
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1c zeigt den fortgeschrittenen Gasinjektionsvorgangs. Die Gasblase B hat sich vergrößert und im Wesentlichen ihr Endvolumen erreicht. Der Gasdruck bzw. Innendruck p' im Inneren der Gasblase B wirkt auf die Hülsenwandung ein und führt dort eine radiale Verdichtung bzw. Komprimierung der zumindest noch teilweise flüssigen Metallschmelze herbei. Dies ist durch die Vielzahl der Pfeile p' veranschaulicht.
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Der Gasdruck p' im Inneren der Gasblase B kann bis zur vollständigen Erstarrung der Metallschmelze aufrecht erhalten werden. Bei ausreichender Dichtheit der Kavität bleibt der Gasdruck p' auch nach dem Abschalten der Gaszufuhr G über die Düse 130 erhalten. Anderenfalls kann der Gasdruck p' mit konstantem Druckverlauf oder auch nicht konstantem Druckverlauf über die Düse 130 aufrecht erhalten werden. Die Gaszufuhr G durch die Düse 130 kann mit einem vor der Düse 130 befindlichen Ventil geschaltet und/oder verändert werden. Über die Düse 130 und ein solches Ventil kann gegebenenfalls auch ein gezieltes Abströmen des Gases G aus der Kavität bewerkstelligt werden.
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Die in 1b und 1c gezeigten Größenverhältnisse der Gasblase B in Bezug auf die Gewindebuchse 120 sind sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung nur schematisch und dienen der Veranschaulichung.
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Anhand verschiedener Parameter, wie bspw. Gasdruck, Druckverlauf, Druckhaltezeit und dergleichen, kann die Poren- und Lunkerbildung und die sich hieraus ergebende Porosität bzw. Erstarrungsporosität innerhalb der Materialanhäufung beeinflusst, verändert und insbesondere auch gezielt eingestellt werden.
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Nach dem vollständigen Erstarren der Metallschmelze kann das Druckgussbauteil 100 aus dem Druckgießwerkzeug entnommen werden. In einem nachgelagerten spanenden Bearbeitungsvorgang wird die Gewindebuchse 120 ausgebohrt, wobei nur die äußere Hülsenwandung erhalten bleibt, welche aufgrund der Verdichtung bzw. Komprimierung durch den Gasdruck p' während der Erstarrung keine oder nur eine geringe Erstarrungsporosität aufweist. Das im Weiteren erzeugte Innengewinde weist somit sehr gute Trageigenschaften auf.
