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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Vermeidung von beim Abkühlen eines Gussstücks in einer Sandgießform mit Sand und Bindemittel als Formstoff durch Festschwindung hervorgerufenen Spannungsrissen sowie Kerneinlagen und Zugmittel zur Vermeidung von beim Abkühlen eines Gussstücks in einer Sandgießform mit Sand und Bindemittel als Formstoff durch Festschwindung hervorgerufenen Spannungsrissen.
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Zum Schwerkraftgießen von Formteilen aus Stahlguss, Gusseisen und auch NE-Metallen werden verlorene Formen genutzt, die mit Formstoff aus einem Sand-Bindemittel-Gemisch hergestellt werden. Die erzeugte Gießform muss dem statischen und dynamischen Gießdruck standhalten und deshalb eine hohe Festigkeit aufweisen. Zur Erzeugung des Hohlraumes in der Gießform, der die Metallschmelze aufnimmt, werden mehrteilige Modelle benutzt. Zur Entfernung der Modelle werden auch die Gießformen mehrteilig, bestehend aus mehreren Formkästen, ausgeführt. Nach dem Entfernen der Modellteile werden die Formkästen wieder zusammengelegt und verklammert. Das flüssige Metall wird über ein Gießsystem in die Gießform geleitet und erstarrt dort. Nach dem Erstarren kontrahiert das Metall beim Abkühlen weiter. Wenn der Gießformstoff unnachgiebig ist, kommt es zum Spannungsaufbau und nicht selten zum Reißen der Gussstücke. Risse entstehen im Allgemeinen, wenn die auftretenden Spannungen die Zugfestigkeit des Werkstoffs überschreiten. Sie lassen sich also vermeiden, indem die bei der Abkühlung des Gussstückes infolge Schwindungsbehinderung entstehenden Spannungen vermindert werden. Dafür können die Gießformstoffe mit deformablen Bestandteilen angereichert werden, was aber zu Form- und Maßabweichungen infolge des Gießdruckes führen kann. Die Gussstücke können auch bei hohen Temperaturen aus der Gießform ausgepackt und auf geeignete Weise nachbehandelt werden. Insbesondere bei Stahlgussmarken, die beim langsamen Abkühlen spröde Gefügeanteile ausbilden, müssen die heißausgepackten Gussstücke lösungsgeglüht und abgeschreckt werden. Diese Verfahrensweisen sind sehr arbeits- und energieaufwändig und für das Personal nicht ungefährlich.
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Der in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Abkühlen eines Gussstücks in einer Sandgießform mit Sand und Bindemittel als Formstoff durch Festschwindung hervorgerufene Spannungsrisse zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass beim Abkühlen eines Gussstücks in einer Sandgießform mit Sand und Bindemittel als Formstoff durch Festschwindung hervorgerufene Spannungsrisse vermeidbar sind.
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Dazu wird in die Sandgießform mindestens eine kegelstumpfförmige oder eine pyramidenstumpfförmige Kerneinlage und/oder mindestens ein mit mindestens einem Formstoffmitnehmer versehenes Zugmittel eingebracht, wobei sich das Zugmittel mit dem Formstoffmitnehmer in einem Bereich mit Formstoff geringerer Festigkeit als der diesen Bereich umgebenden Formstoff befindet. Nach Einsetzen der Festschwindung wird oder werden die Kerneinlage und/oder das Zugmittel bewegt, so dass Raum für die Kontraktion des Gussstücks in der Sandgießform geschaffen wird.
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Die Kerneinlage ist dazu eine kegelstumpfförmige oder eine pyramidenstumpfförmige Kerneinlage.
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Das Sandformgießverfahren erfolgt mittels mehrteiliger Formen aus Sand und Bindemittel vorzugsweise in entsprechenden Formkästen. Der Sand als temperaturbeständiger Formstoff weist zur Erhöhung der Festigkeit ein Bindemittel auf, so dass die Sandgießform dem statischen und dynamischen Druck beim Einfüllen der Metallschmelze standhält. Der Hohlraum der Sandgießform wird mittels eines Modells geschaffen, welches (außer beim Vollformgießen) vor dem Abguss aus der Sandgießform entfernt wird. Dabei werden insbesondere mehrteilige Modelle verwendet, die zur Entnahme des Modells mehrteilige Sandgießformen bedingen. Nach dem Entfernen der Modellteile werden die Formkästen wieder zusammengelegt. Das flüssige Metall wird in die Sandgießform eingeleitet und erstarrt darin. Dabei treten eine Flüssigschwindung und eine Erstarrungsschwindung auf, die durch Nachfüllen (Speisen) von flüssigem Metall ausgleichbar sind. Danach erfolgt die Festschwindung des erstarrten Gussstücks, die durch Speisung nicht ausgleichbar ist. Diese Festschwindung führt zu Spannungen in der unnachgiebigen Sandgießform und dem Gussstück, so dass Risse im Gussstück auftreten können. Das Verfahren, die Kerneinlage und das Zugmittel zeichnen sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass diese Spannungen vermindert werden können.
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Dazu wird während der Bewegung der Kerneinlage und/oder des Zugmittels mit dem Formstoffmitnehmer Raum und dabei insbesondere mindestens ein Hohlraum in der Sandgießform geschaffen. Durch die infolge des Hohlraumes erreichte Nachgiebigkeit des Formstoffs werden die durch die Festschwindung hervorgerufenen Spannungen im Gussstück vermindert.
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Die kegelstumpfförmige oder die pyramidenstumpfförmige Kerneinlage ist dazu so angeordnet, dass sich Kernformstoff zwischen dem Gussstück und der Kerneinlage befindet. Nach der Erstarrung des Gussstücks wird die Kerneinlage axial wenigstens um einen aus dem Schwindmaß des Gusswerkstoffs berechneten Betrag bewegt, so dass sich ein Hohlraum zwischen Kerneinlage und Kernformstoff ausbildet. Während der Festschwindung des Gussstücks kann der Kernformstoff, dessen Bindemittel infolge Wärmeeinwirkung thermisch abgebaut wird, in diesen Hohlraum eingedrückt werden, so dass eine Entspannung eintritt. Die Bewegung der Kerneinlage kann durch Einformen eines Hohlraums in der Sandgießform und Ankopplung eines Zugmechanismus erfolgen.
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Das Zugmittel mit dem Formstoffmitnehmer befindet sich in einem Bereich mit Formstoff geringerer Festigkeit gegenüber diesen Bereich umgebenden Formstoff höherer Festigkeit. Das Gussstück ist von Formstoff der höheren Festigkeit umgeben. Das Zugmittel endet außerhalb der Sandgießform. Bei Auftreten der Festschwindung wird das Zugmittel mit dem Formstoffmitnehmer aus der Form herausgezogen, wobei ein Kanal im Formstoff höherer Festigkeit entsteht, so dass infolge Festschwindung des Gussstücks Formstoff höherer Festigkeit in den Kanal gedrückt wird und eine Entspannung des Gussstücks eintritt.
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Das Verfahren eignet sich damit insbesondere zur Herstellung von Gussstücken aus Stahl, Gusseisen und Nichteisenmetallen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 5 bis 11 angegeben.
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Das Zugmittel wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 nach Erstarrung des Gussstücks aus der Sandgießform herausgezogen. Damit wird ein Hohlraum ausgebildet. Durch Festschwindung hervorgerufene Volumenänderungen führen durch die infolge des Hohlraumes erreichte Nachgiebigkeit des Formstoffs zu weniger Spannungen im Gussstück.
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Das Zugmittel zur Vermeidung von beim Abkühlen des Gussstücks in einer mehrteiligen Sandgießform durch Festschwindung hervorgerufenen Spannungsrissen ist das Zugmittel nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein mit wenigstens einem lösbaren Schloss und mindestens einem Formstoffmitnehmer versehenes Zugmittel, wobei das Schloss Zugmittelsegmente für die Sandgießformteile verbindet. Das Zugmittel besteht dazu vorteilhafterweise aus mehreren Zugmittelsegmenten, wobei sich jeweils ein Zugmittelsegment in einem Formkasten befindet. Das Schloss ist dabei so angeordnet und ausgebildet, dass es bei der Einformung des Modells nicht fest verschlossen ist. Nach Trennung der Formkästen, Entnahme des Modells und vor dem Wiederzusammenlegen der Formkästen wird es durch Einlegen eines Verbindungsstücks verschließbar gemacht, so dass die Zugmittelsegmente nach dem Zusammenlegen der Formkästen miteinander zum Zugmittel verbunden sind.
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Das Zugmittel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein gegliedertes Zugmittel.
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Das gegliederte Zugmittel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine Kette mit Kettengliedern. Zwischen Kettengliedern oder an Kettengliedern können sich Formstoffmitnehmer befinden. In einer einfachen Variante können das Platten sein.
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Der Formstoffmitnehmer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine Platte. Der Querschnitt und die Größe der Platte können vorteilhafterweise nach dem Querschnitt des Bereichs des Formstoffs geringerer Festigkeit gegenüber dem umgebenden Formstoff höherer Festigkeit ausgebildet sein. In Verbindung mit dem Zugmittel können auch größere Mengen Formstoff aus der Sandgießform entfernt werden, so dass auch größere Hohlräume zum Ausgleich von Volumenänderungen bei der Festschwindung des Gussstücks in der Sandgießform realisierbar sind. Die Formstoffmitnehmer können kreisförmig, oval oder mehreckförmig ausgeführt sein.
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Das Schloss weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 zwei über ein Verbindungsstück miteinander lösbar verbindbare plattenförmige Schlosshälften mit Positionierelementen auf. Die Schlosshälften lassen sich an der Oberfläche der Formkästen leicht positionieren, wobei die Trennflächen der Schlosshälften und die der Formkästen in einer Ebene liegen.
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Positionierelemente sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 Nut und Feder. Damit erlauben die Schlösser eine passgenaue Positionierung und Verbindung bei Sandgießformen aus mehreren Formkästen.
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Das Verbindungsstück besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 einen konischen nach oben verjüngten Kopf auf einem zylinderförmigen Element, wobei sowohl der konische Kopf als auch das zylindrische Element geschlitzt sind, so dass der Kopf ein zusammendrückbares Rastelement ist. Weiterhin weist das zylinderförmige Element auf der dem Kopf gegenüberliegenden Seite ein auf einem Schaft aufgesetztes balkenförmiges Arretierelement auf, welches durch eine rechteckförmige Öffnung einer Schlosshälfte führbar und durch Drehen gegen Herausziehen sicherbar ist.
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Das Verbindungsstück besitzt damit zwei axial angeordnete funktionelle Seiten. Die eine Seite dient dazu, das Verbindungsstück von Hand in die erste sich im Unterkasten befindende Schlosshälfte einzuführen und durch Drehen gegen Herausziehen zu sichern. Hierzu besitzt das Verbindungsstück das balkenförmige und auf einem Schaft aufgesetzte Arretierelement und die eine Schlosshälfte einen zylindrischen Hohlraum mit einer rechteckförmigen Öffnung, durch die das Arretierelement gesteckt und im darunter liegenden zylindrischen Hohlraum in dieser Schlosshälfte gedreht werden kann. Die andere Seite des Verbindungsstücks weist eine schnappverschlussartige Geometrie auf. Dazu besitzt das Verbindungsstück den konischen nach oben verjüngten Kopf auf dem zylinderförmigen Element, wobei der Basisdurchmesser des Kopfes größer als der des zylinderförmigen Elements ist. Sowohl der konische Kopf als auch das zylindrische Element sind geschlitzt und dadurch beim Einpressen in die entsprechend geformte andere Schlosshälfte elastisch zusammendrückbar. Nach Durchführung des konischen Kopfes durch eine ebenfalls konische Führung dieser Schlosshälfte kann sich der konische Kopf in einer größeren zylindrischen Vertiefung dieser Schlosshälfte wieder entspannen und dadurch einrasten. Durch Drehen des Verbindungsstücks können die Schlosshälften wieder voneinander getrennt werden, wobei das Arretierelement wieder durch die rechteckförmige Öffnung geführt wird.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Gussstück in Formkästen einer Sandgießform,
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2 ein Zugmittel als Kette mit Formstoffmitnehmern,
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3 die zusammengelegten Schlosshälften eines Schlosses in einer mittig geschnittenen Darstellung,
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4 ein Verbindungsstück für ein Schloss,
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5 ein zusammengefügtes und damit geschlossenes Schloss,
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6 eine Schnittdarstellung der Sandgießform mit dem Gussstück und Ketten mit Formstoffmitnehmern,
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7 konische Kerneinlagen im Kern eines weiteren Gussstücks und
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8 bewegte konische Kerneinlagen im Kern des weiteren Gussstücks.
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Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren zur Vermeidung von beim Abkühlen eines Gussstücks 1 in einer mehrteiligen Sandgießform 3 mit Sand und Bindemittel als Formstoff 2 durch Festschwindung hervorgerufenen Spannungsrissen und Zugmittel zusammen näher erläutert.
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Die 1 zeigt ein Gussstück 1 in Formkästen einer Sandgießform 3 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Ein Gussstück 1 besitzt zwei flanschartige Elemente, die nach der Erstarrung und bei der Festschwindung aufeinanderzu schwinden. Das Gussstück 1 befindet sich in einer zweiteiligen Sandgießform 3 mit einem Unterkasten 4 und einem Oberkasten 5. Weiterhin sind Speiser 6 und Schultern 7 am Gussstück gezeigt.
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Die 2 zeigt ein Zugmittel als Kette 8 mit Formstoffmitnehmern 9 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Ein Zugmittel ist als gegliedertes Zugmittel als Kette 8 ausgebildet. Zwischen Kettengliedern befinden sich die Formstoffmitnehmer 9 in Form von Platten, deren Grundflächen die Form eines Kegelschnitts, insbesondere eines Kreises, oder eines Mehrecks aufweisen.
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Weiterhin zeigen
die 3 die zusammengelegten Schlosshälften 11 eines Schlosses 10 in einer mittig geschnittenen Darstellung,
die 4 ein Verbindungsstück 21 für ein Schloss 10 und
die 5 ein zusammengefügtes und damit geschlossenes Schloss 10 jeweils in prinzipiellen Darstellungen.
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Die Kette 8 besteht aus Kettensegmenten für den Unterkasten 4 und den Oberkasten 5, die über ein Schloss 10 miteinander verbindbar sind und damit eine Kette 8 als Zugmittel bilden. Das Schloss 10 besteht im Wesentlichen aus zwei plattenförmigen Schlosshälften 11a, 11b und einem diese Schlosshälften lösbar miteinander verbindendes Verbindungsstück 21, wobei die erste Schlosshälfte 11a an der Oberseite des Unterkastens 4 und die zweite Schlosshälfte 11b korrespondierend an der Unterseite des Oberkastens 5 positioniert sind. Die erste Schlosshälfte 11a weist eine ringförmige Nut 12 auf, in die bei der Zusammenlegung eine dazu passende ebenso ringförmige Feder 13 der zweiten Schlosshälfte 11b eingreift, so dass eine genaue Positionierung gewährleistet ist.
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Das Verbindungsstück 21 besitzt zwei axial angeordnete funktionelle Seiten.
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Die eine Seite dient dazu, das Verbindungsstück 21 von Hand in die erste sich im Unterkasten 4 befindende Schlosshälfte 11a einzuführen und durch Drehen gegen Herausziehen zu sichern. Hierzu besitzt das Verbindungsstück 21 ein balkenförmiges, auf einem Schaft aufgesetztes Arretierelement 20 und die erste Schlosshälfte 11a einen zylindrischen Hohlraum 15 mit einer rechteckförmigen Öffnung 14, durch die das Arretierelement 20 des Verbindungsstücks 21 gesteckt und im darunter liegenden zylindrischen Hohlraum 15 gedreht werden kann.
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Die andere Seite des Verbindungsstücks 21 weist eine schnappverschlussartige Geometrie auf, die beim Aufsetzen des Oberkastens 5 auf den Unterkasten 4 infolge des Gewichts des Oberkastens 5 in die zweite Schlosshälfte 11b einrastet und dadurch die Verbindung herstellt. Zur Realisierung des Schnappverschlusses besitzt das Verbindungsstück 21 einen konischen nach oben verjüngten Kopf 18 auf einem zylinderförmigen Element 19, wobei der Basisdurchmesser des Kopfes 18 größer als der des zylinderförmigen Elements 19 ist. Sowohl der konische Kopf 18 als auch das zylindrische Element 19 sind geschlitzt und dadurch beim Einpressen in die entsprechend geformte zweite Schlosshälfte 11b elastisch zusammendrückbar. Nach Durchführung des konischen Kopfes 18 durch die ebenfalls konische Führung 16 der zweiten Schlosshälfte 11b kann sich der konische Kopf 18 in einer größeren zylindrischen Vertiefung 17 der zweiten Schlosshälfte 11b wieder entspannen und dadurch einrasten.
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Die Schlosshälften 11 sind jeweils mit einer Deckplatte 23 verschraubt, die das Schloss vor Verschmutzung bewahren. An diesen Deckplatten 23 sind die jeweiligen Kettensegmente von Unterkasten 4 und Oberkasten 5 beispielsweise mittels Ösen 22 befestigt.
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Nach dem Herausziehen des Zugmittels aus der Sandgießform 3 kann das Schloss durch Abschrauben der Deckplatten 23, Zurückdrehen des Verbindungsstücks 21 in der ersten Schlosshälfte 11a und Durchstecken des balkenförmigen Arretierelements 20 durch beide Schlosshälften 11 wieder gelöst werden.
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Die 6 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung der Sandgießform 3 mit dem Gussstück 1 und Ketten 8 mit Formstoffmitnehmern 9.
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Die Sandgießform 3 ergibt sich daraus, dass zunächst der Unterkasten 4 bearbeitet wird. Die untere Modellhälfte wird um 180° gedreht auf eine Formplatte gelegt und der Unterkasten 4 darüber gestellt. Um die Modellhälfte wird Formstoff 2b mit hoher Bindekraft und daraus folgernd hoher Festigkeit in vorausbestimmter Dicke auf die Modellhälfte aufgebracht. Dann erfolgt das Einlegen der hier dargestellten zwei Kettensegmente mit den Formstoffmitnehmern 9, wobei die ersten Schlosshälften 11a der Schlösser 10 auf der Formplatte aufliegen. Die Kettensegmente mit den Formstoffmitnehmern 9 werden mit Formstoff 2a geringer Bindekraft und damit gegenüber der Festigkeit des Formstoffs 2b geringerer Festigkeit verfüllt. Danach wird der Unterkasten 4 mit Formstoff 2b hoher Bindekraft vollständig gefüllt und abgestrichen.
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Danach wird der Unterkasten 4 um 180° gedreht, die obere Modellhälfte auf die untere positioniert und der Oberkasten 5 aufgesetzt. Auch hier wird nun Formstoff 2b mit hoher Bindekraft in vorgegebener Dicke auf das Modell aufgebracht. Die Kettensegmente für den Oberkasten 5 werden eingelegt, wobei deren zweiten Schlosshälften 11b mit ihren Federn 13 in die Nuten 12 der ersten Schlosshälften 11a im Unterkasten 4 eingepasst werden. Anschließend werden die Kettensegmente mit den Formstoffmitnehmern 9 im Oberkasten 5 mit Formstoff 2a geringer Bindekraft verfüllt, wobei die Kettensegmente herausragen.
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Nach Aushärtung wird der Oberkasten 5 vom Unterkasten 4 getrennt und die Modellhälften entfernt. Die Verbindungsstücke 21 werden in die ersten Schlosshälften 11a eingeführt und durch Drehen um 90° gegen Herausziehen arretiert. Der Oberkasten 5 wird auf den Unterkasten 4 aufgesetzt, wobei die Verbindungsstücke 21 in die zweiten Schlosshälften 11b des Oberkastens 5 einrasten. Damit werden die Kettensegmente mit den Formstoffmitnehmern 9 zu Ketten 8 mit den Formstoffmitnehmern 9 miteinander verbunden.
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Damit die Schlösser 10 mit den eingelegten Verbindungsstücken 21 beim Zusammenlegen der Formkästen wegen der geringeren Festigkeit des Formstoffes in den Kettenkanälen nicht in die Kettenkanäle gedrückt werden können und dadurch nicht schließen, kann unmittelbar unter die Schlosshälften eine Schicht Formstoff hoher Festigkeit eingebracht werden.
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Die Sandgießform 3 wird abgegossen. Nach vollständigem Erstarren des Gusswerkstoffes und Beginn der Festschwindung des Gussstücks 1 werden die Ketten 8 mit den Formstoffmitnehmern 9 in geeigneter Weise, beispielsweise mittels Kran, nach oben aus der Sandgießform 3 herausgezogen. Dadurch kann die Sandgießform 3 dem aus der Festschwindung resultierenden Schwindungsdruck des Gussstücks 1 nachgeben und Risse werden vermieden.
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Das Prinzip des Verschließens der Schlösser 10 mittels Verbindungsstück 21 kann bis auf die Anwendung von Nut 12 und Feder 13 auch in umgekehrter Position der Schlosshälften erfolgen.
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Die 7 zeigt konische Kerneinlagen 24 im Kern eines weiteren Gussstücks 26 in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer Ausführungsform kann ein weiteres Gussstück 26 darüber hinaus einen Hohlraum aufweisen, der durch das Einlegen eines Kernes mit Kerneinlagen 24 in die Sandgießform 3 realisiert wird. Die Kerneinlagen 24 sind beispielsweise Metallhülsen in Form eines Kegelstumpfes oder Pyramidenstumpfes. Die Kerneinlagen 24 sind von Kernformstoff 27 als ein weiterer Formstoff umgeben.
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Die 8 zeigt bewegte konische Kerneinlagen 24 im Kern des Gussstücks 26 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Nach dem Abgießen und vollständigen Erstarren des Gusswerkstoffes und Beginn der Festschwindung dieses Gussstücks 26 werden die Kerneinlagen 24 in geeigneter Weise, beispielsweise mittels Zugmechanismus und vorgesehener Hohlräume in der Sandgießform 3 axial verschoben. Die Konizität der Kerneinlagen 24 führt zu Hohlräumen 25 zwischen Kerneinlagen 24 und Kernformstoff 27, in die Kernformstoff 27 bei Festschwindung des Gussstücks 26 eingedrückt wird. Damit besteht die Möglichkeit, dass die Schale aus Kernformstoff 27 um das Schwindmaß des Gussstücks 26 nachgibt, um auf diese Weise Spannungen im Gussstück 26 abzubauen und Risse zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gussstück
- 2
- Formstoff
- 3
- Sandgießform
- 4
- Unterkasten
- 5
- Oberkasten
- 6
- Speiser
- 7
- Schulter
- 8
- Kette
- 9
- Formstoffmitnehmer
- 10
- Schloss
- 11
- Schlosshälfte
- 12
- Nut
- 13
- Feder
- 14
- rechteckförmige Öffnung
- 15
- zylindrische Hohlraum
- 16
- konische Führung
- 17
- zylindrische Vertiefung
- 18
- Kopf
- 19
- zylinderförmiges Element
- 20
- Arretierelement
- 21
- Verbindungsstück
- 22
- Öse
- 23
- Deckplatte
- 24
- Kerneinlage
- 25
- Hohlraum
- 26
- weiteres Gussstück
- 27
- Kernformstoff
