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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gießform eines Gießwerkzeugs sowie eine solche Gießform.
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Stand der Technik
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Gießformen von Gießwerkzeugen können mit einer strukturierten Oberfläche versehen werden, durch diese strukturierte Oberfläche werden bekanntermaßen damit die Gießeigenschaften des Gießwerkzeuges verbessert. Durch Oberflächenstrukturen auf den Gießformen lassen sich die Eigenschaften wie die Formfüllung im Gießprozess oder die Festigkeit des Gussteils steigern.
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1 zeigt einen Stand der Technik, gemäß dem eine Strukturierung 11 auf der Formoberfläche 10 einer Gießform 1 mit einem Laserstrahl 18 eingebracht wird. Die Bearbeitung ist in einem Rippenabschnitt 12 der Gießform 1 gezeigt. Derartige Rippenabschnitte 12 treten an einer Vielzahl von Gussteilen auf. Sowohl bei Gussteilen für Aggregate wie Zylinderkopf, Kurbelgehäuse oder Getriebegehäuse aber auch Fahrwerksteilen wie Hilfsrahmen und Radträger. Seit einigen Jahren werden auch gegossene Strukturteile, wie Federbeintopf und Längsträger, in Großserienfahrzeugen verbaut. Diese Teile zeichnen sich in der Regel durch eine Vielzahl von Rippen aus. Die Rippenabschnitte 12 dienen zum Abguss von Verstärkungsrippen in der Struktur und unter Umständen auch für akustische Aspekte. Diese Rippenabschnitte 12 können hohe Schlankheitsgerade aufweisen. Beispielsweise sind Rippenabschnitte 12 mit einer Tiefe von 50 mm und einer Breite von 5 bis 6 mm bekannt. Beim Druckgießen können auch Rippen mit einer Breite von weniger als 2mm gefertigt werden. Die innenliegende Strukturierung der Formoberfläche 10 gestaltet sich folglich entsprechend aufwendig.
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Der Laserstrahl 18 sollte möglichst senkrecht auf die Formoberfläche 10 auftreffen. Um das Auftreffen des Laserstrahls 18 innerhalb des Rippenabschnittes 12 zu ermöglichen, wird eine Lanze 16 bereitgestellt, durch die der Laserstrahl 18 geführt wird, und schließlich wird der Laserstrahl 18 mit einer Umlenkeinheit 17 umgelenkt. Die Umlenkeinheit 17 ist beispielsweise durch ein Prisma gebildet, durch das der Laserstrahl 18 senkrecht auf die wesentlichen Teile der Formoberfläche 10 auftrifft und diese bearbeiten kann.
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Die
WO 00 / 53 364 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserstrukturieren von Werkstücken, wobei das Werkstück im Wesentlichen senkrecht zu den Laserstrahlen und senkrecht zu der Anordnung der Laserstrahlen bewegt und somit bearbeitet wird. Eine innenliegende Bearbeitung von Rippenoberflächen ist mit einem solchen Verfahren jedoch technisch sehr aufwändig und abhängig vom großen Schlankheitsgrad der Rippenabschnitte teilweise nicht möglich.
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Wird die Strukturierung 11 mit dem Laserstrahl 18 in die Formoberfläche 10 eingebracht, müssen lange Prozesszeiten hingenommen werden, überdies ist nicht jeder Oberflächenbereich mit dem Laserstrahl 18 erreichbar, wie beispielsweise der untere Grundbereich des Rippenabschnittes 12.
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Insbesondere die Innenkonturbearbeitung, gezeigt am Beispiel des Rippenabschnittes 12, ist basierend auf einem Laserstrahlabtrag nur mit hohem Aufwand möglich. Die Erreichbarkeit minimaler Rippenbreiten ist durch die Größe der Umlenkeinheit 17 begrenzt, beispielsweise wenn ein Prisma zur Umlenkung eine optische Mindestgröße aufweisen muss. Zudem ist eine veränderliche Ablenkung des Laserstrahls 18 durch das Prisma nicht möglich, die Ablenkung ist jedoch durch die unterschiedlichen Anstellwinkel der verschiedenen Bereiche der Rippenflanken erforderlich. Weiterhin zeigen Lösungen mit Hilfe des Prismas den Nachteil, dass durch die Umlenkung Ungenauigkeiten durch eine Streuung des Lasers auftreten können. Auch kann es zu einem Schwingen der Primaaufnahme kommen, wodurch die Position des Lasers nicht mehr präzise eingestellt werden kann.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Abtragverfahren bekannt, die auf dem sogenannten elektrochemischen Abtragen beruhen. Das elektrochemische Abtragen wird auch als Elysieren bezeichnet und erfolgt unter Einsatz der sogenannten Elektrolyse. Als Grundaufbau der Elektrolyse dienen eine Kathode und eine Anode, wobei die Kathode das Abtragwerkzeug bildet und das Werkstück durch die Anode gebildet wird. Das Abtragwerkzeug weist dabei sowohl die Negativform als auch die Negativstruktur des Werkstückes auf, wird die Kathode in die Oberfläche des Werkstückes gesenkt, so erfolgt am Werkstück unter dem Medium des Elektrolytes ein Werkstoffabtrag. Die Negativkontur des Abtragwerkzeuges kann folglich in der Formoberfläche des Werkstücks abgebildet werden.
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Die
DE 10 2010 020 227 A1 zeigt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei das Verfahren des Elysierens zum Materialabtrag eines Bereiches des Kolbens Anwendung findet. Die Strukturierung einer Oberfläche ist dabei nicht vorgesehen.
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Die
DE 600 08 130 T2 beschreibt die Anwendung des elektrochemischen Abtragens an einer Turbinenschaufel. Dabei geht es speziell um die Oberflächenkonturierung von innenliegenden Bereichen in Kühlbohrungen der Turbinenschaufel.
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Die
DE 10 2008 037 822 A1 beschreibt ein elektrochemisches Polieren auf Grundlage des elektrochemischen Abtragens am Beispiel einer Verdrängermaschine wie einer Schrägkolbenpumpe mit zu polierenden Funktionsoberflächen. Dabei soll eine möglichst glatte Oberfläche erreicht werden, um aufwendigere, insbesondere mechanische Oberflächenbearbeitungsverfahren einzusparen.
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Die
DE 101 32 408 C2 beschreibt eine Elektrode aus elektrisch leitendem Werkstoff zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in einem galvanischen Bad zum Beschichten oder Abtragen von metallischen Niederschlägen auf Werkstücken, wobei die Elektrode eine an die Form der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes angepasste eigene Formgestalt besitzt.
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In der
DE 103 57 629 A1 wird ein Verfahren zur Strukturierung von mittels Formkathoden und elektrochemischer Bearbeitungsverfahren hergestellten Bauteilen in Fluggasturbinenbeschrieben beschrieben.
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In der
EP 1 009 496 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Wärmeabfuhr einer Stranggusskokille, insbesondere in deren Badspiegelbereich, beschrieben.
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In der
DE 10 2006 050 160 A1 wird ein Verfahren zum Formen von sphärischen Linsen beschrieben, wofür ein elektrochemisches Verfahren verwendet wird.
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Die
EP 0 106 203 A1 beschreibt einen gegossenen Körper aus Gusseisen, Temperguss und Gusseisen mit Kugelgraphit, der Verbindungsrippen aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens zur Herstellung der Gießform eines Gießwerkzeugs, mit dem eine Formoberfläche der Gießform auf möglichst einfache Weise mit einer Strukturierung versehen wird. Dabei soll die Strukturierung mit einer möglichst geringen Bearbeitungszeit, hohen Genauigkeiten und hoher Reproduzierbarkeit in die Formoberfläche eingebracht werden können. Überdies soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Strukturierung der Formoberfläche an besonders schwer zugänglichen Bereichen auf erleichterte Weise vornehmen zu können.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einer Gießform gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Strukturierung durch ein elektrochemisches Abtragen in die Formoberfläche eingebracht wird.
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Der wesentliche Vorteil einer Strukturierung der Formoberfläche der Gießform mittels eines elektrochemischen Abtragens liegt in der hervorragenden Erreichbarkeit sämtlicher Formoberflächen auch im Innenkonturbereich. Weiterhin kann die Strukturierung hohe Genauigkeiten annehmen, und der Abtragprozess nimmt eine, im Vergleich zu konventionellen Verfahren, geringe Prozesszeit in Anspruch. Die Strukturierung erfolgt mit Vorteil über einer größeren Formoberfläche gleichzeitig, wohingegen ein Laserstrahl lediglich eine punktuelle Strukturierung ermöglicht. Durch das zeilenförmige Abscannen der Formoberfläche ergeben sich nachteilhafterweise lange Bearbeitungszeiten, welcher Nachteil mit der Strukturierung der Formoberfläche durch ein elektrochemisches Abtragen überwunden wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das für das elektrochemische Abtragen verwendete Werkzeug keinem Verschleiß unterliegt, sodass dieses Abtragwerkzeug für eine beliebig große Anzahl von zu strukturierenden Formoberflächen Verwendung finden kann. Dieser Vorteil führt zu geringeren Verfahrenskosten.
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Erfindungsgemäß weist die Gießform wenigstens einen Rippenabschnitt auf, in dem die Strukturierung der Formoberfläche ausgebildet wird. Beispielsweise dient die Gießform zur gießtechnischen Herstellung von Bauteilen für Fahrzeuge, die auf an sich bekannte Weise Verrippungen aufweisen. Die Verrippungen in dem Werkstück werden gebildet, indem in der Gießform taschenartige oder nutenartige Rippenabschnitte vorgesehen werden, die die entsprechenden Innenkonturen aufweisen. Eine Strukturierung der Formoberfläche ist insbesondere innerhalb der Rippenabschnitte von Vorteil, ebenso kann durch ein elektrochemisches Abtragen ein entsprechendes Abtragwerkzeug bereitgestellt werden, das auf einfache Weise derartige Innenkonturen erreicht.
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Mit besonderem Vorteil wird das elektrochemische Abtragen mittels eines Abtragwerkzeugs ausgeführt, das die Negativform wenigstens eines Abschnittes der Gießform aufweist. Insbesondere entsteht ein Vorteil, wenn das Abtragwerkzeug die Negativform des Rippenabschnittes aufweist. Ist beispielsweise der Rippenabschnitt in der Gießform durch eine schlitzartige Vertiefung gebildet, so bildet das Abtragwerkzeug eine zur schlitzartigen Vertiefung komplementäre Lamelle, die in die schlitzartige Vertiefung eingeführt werden kann. Folglich besteht die Möglichkeit, die Oberflächen auch innerhalb der schlitzartigen Vertiefung auf einfache Weise zu strukturieren. Ein besonderer Vorteil entsteht auch dann, wenn die Negativform des Abtragwerkzeugs im Wesentlichen der Kontur der schlitzartigen Vertiefung entspricht.
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Hinausgehend über die Negativform des Abtragwerkzeugs ist es von weiterem Vorteil, wenn die Oberfläche des Abtragwerkzeugs die Negativstruktur der Strukturierung aufweist. Damit kann die Negativstruktur in der Formoberfläche der Gießform durch den Prozess des Elysierens abgebildet werden, und durch die Abbildung der Negativstruktur entsteht die gewünschte Strukturierung. Dabei ist es bekannt, das Abtragwerkzeug als Kathode auszuführen, während das Werkstück die Anode bildet. Der Spalt zwischen der Kathode und der Anode wird mit einem Elektrolyt gefüllt, beispielsweise gebildet durch eine wässrige Lösung von Salz oder Säuren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterführend auch eine vorteilhafte Bereitstellung der Negativstruktur im Abtragwerkzeug. Die Negativstruktur wird vorzugsweise mittels einer Laserstrahlbearbeitung, einer Fräsbearbeitung oder einer Erodierbearbeitung in die Oberfläche des Abtragwerkzeugs eingebracht. Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass das Abtragwerkzeug aus einem Werkstoff umfassend Stahl, Aluminium oder Graphit bereitgestellt wird. Beispielsweise ist ein Abtragwerkzeug aus Graphit auf einfache Weise durch eine spanende Bearbeitung herstellbar, insbesondere um die Negativstruktur in der Oberfläche des Abtragwerkzeugs zu bilden. Weist das Abtragwerkzeug einen metallischen Werkstoff auf, so bieten sich Laserstrahlbearbeitungsverfahren oder eine Erodierbearbeitung an.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht dadurch, dass das Abtragwerkzeug einen Flüssigkeitskanal aufweist, durch den während des elektrochemischen Abtragens ein Elektrolyt geführt wird. Insbesondere dann, wenn das Abtragwerkzeug die Negativform eines Rippenabschnittes aufweist, können in der Längsrichtung des Rippenabschnittes Flüssigkeitskanäle oder Flüssigkeitsschlitze eingebracht werden, durch die das Elektrolyt bis in den tiefsten Punkt der schlitzartigen Vertiefung geführt wird. Ein Rückströmen des Elektrolyts erfolgt dabei durch den Spalt zwischen der Oberfläche des Abtragwerkzeugs und der Formoberfläche der Gießform.
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Wird das Abtragwerkzeug mit der Form einer Rippe bereitgestellt, die in einer Tiefenrichtung des Rippenabschnittes in diesen hineingeführt wird, so entsteht ein weiterer Vorteil, wenn das Abtragwerkzeug bereits mehrere Rippenformen aufweist, mit denen entsprechend zugeordnete Rippenabschnitte in der Gießform gleichzeitig bearbeitet werden können. Das Abtragwerkzeug weist mit besonderem Vorteil eine konturierte Oberfläche auf, die wenigstens einem größeren Teil der Formoberfläche der Gießform entspricht. Dadurch wird erreicht, dass ein großer Oberflächenanteil der Gießform bereits mit dem einmaligen Einsatz des Abtragwerkzeugs in der Formoberfläche strukturiert werden kann.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auf eine Gießform eines Gießwerkzeugs mit einer Formoberfläche, in die eine Strukturierung eingebracht wird, wobei zur Strukturierung das Verfahren zur Herstellung der Gießform verwendet wird, bei dem die Strukturierung durch ein elektrochemisches Abtragen in die Formoberfläche eingebracht wird. Die Formoberfläche der Gießform weist dabei eine Oberflächenqualität auf, die der typischen Qualität eines elektrochemischen Abtragens entspricht. Insbesondere weist die Formoberfläche keine Textur auf, wie diese typischerweise bei einer Lasermaterialbearbeitung oder bei einer spanenden Bearbeitung entsteht.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine Ansicht eines Rippenabschnittes einer Gießform mit einer innenliegenden Formoberfläche, die mit einem Laserstrahl materialbearbeitet wird, womit ein Stand der Technik wiedergegeben ist,
- 2 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Gießform, wobei die Formoberfläche durch ein elektrochemisches Abtragen strukturiert wird, und es ist ein Abtragwerkzeug gezeigt, das die Negativstruktur der Strukturierung aufweist und
- 3 eine fertig strukturierte Formoberfläche innenliegend im Rippenabschnitt, nachdem das Abtragwerkzeug aus dem Rippenabschnitt wieder entfernt wurde.
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1 zeigt einen Stand der Technik und ist im Zusammenhang mit dem einleitenden Teil der vorliegenden Beschreibung bereits gewürdigt worden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Rippenabschnittes 12 in einer Gießform 1, und der Rippenabschnitt ist im Querschnitt gezeigt und weist eine taschenartige Vertiefung auf. Derartige Rippenabschnitte 12 finden beispielsweise Verwendung in Gießformen 1 zur gießtechnischen Herstellung von Bauteilen für Fahrzeuge. Derartige Bauteile weisen Rippen auf, insbesondere Verstärkungsrippen, die in Rippenabschnitten 12 der Gießform 1 abgegossen werden. Dabei ist es bekannt, die Formoberfläche 10 insbesondere auch innerhalb des Rippenabschnittes 12 mit einer Strukturierung 11 zu versehen, wie diese in 3 gezeigt ist.
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3 zeigt die fertig strukturierte Gießform 1 innerhalb des Rippenabschnittes 12, und die Strukturierung 11 erstreckt sich über der gesamten Formoberfläche 10 innerhalb des Rippenabschnittes 12 der Gießform 1.
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Mit 2 ist erkennbar, dass das Verfahren zur Herstellung der Gießform 1 erfindungsgemäß ein elektrochemisches Abtragen vorschlägt, bei dem ein Abtragwerkzeug 13 verwendet wird, das eine Form aufweist, die der Negativform der Gießform 1 entspricht. Die Negativform entspricht dabei vorliegend dem Rippenabschnitt 12, und beispielsweise bildet die Negativform eine Art Lamelle, die in gezeigter Pfeilrichtung Z in den Rippenabschnitt 12 eingetaucht werden kann. Des Weiteren ist es denkbar, dass die Negativform auch in X und Y-Richtung verfahrbar ist und damit auch hinterschnittige Strukturen in Rippen eingebracht werden können.
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Die Oberfläche des Abtragwerkzeugs 13 weist die Negativstruktur 11' auf, die in der Formoberfläche 10 innerhalb des Rippenabschnittes 12 abgebildet wird, um schließlich die Strukturierung 11 zu erlangen, wie in 3 gezeigt.
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Die Gießform 1 bildet eine Anode, und das Abtragwerkzeug 13 bildet eine Kathode. Zwischen diesen beiden Elektroden wird durch einen Flüssigkeitskanal 14 ein Elektrolyt geleitet, in der Art, dass das Elektrolyt im Spalt zwischen den beiden Elektroden wieder zurückfließt, wie mit Strömungspfeilen angedeutet.
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Wird ein Gleichstrom angelegt, bewirkt dieser, dass an der Anode Metallionen von einem elektrischen Feld absorbiert, umgewandelt und aus dem Spalt durch das Elektrolyt abgespült werden. Das Elektrolyt kann auf hohe Strömungsgeschwindigkeit gebracht werden, um hohe Abtragsraten zu erzielen. Damit bildet der Prozess eine Umkehrung eines Galvanisierungsprozesses. Durch ein entsprechendes Nachführen des Abtragwerkzeugs 13 sowohl in der Tiefenrichtung Z als auch in lateraler Richtung, kann die gewünschte Oberfläche durchgehend im gesamten Rippenabschnitt 12 gebildet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gießform
- 10
- Formoberfläche
- 11
- Strukturierung
- 11'
- Negativstruktur
- 12
- Rippenabschnitt
- 13
- Abtragwerkzeug
- 14
- Flüssigkeitskanal
- 15
- Laserstrahlquelle
- 16
- Lanze
- 17
- Umlenkeinheit
- 18
- Laserstrahl
- Z
- Tiefenrichtung
