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Die Erfindung betrifft einen Gießkern, der die Grundform eines Hohlkörpers aufweist, wobei der Gießkern aus einem Formstoff geformt ist, welcher aus einer Mischung besteht, die aus einem Formsand und einem Binder sowie optional aus zur Einstellung seiner Eigenschaften zugegebenen Additiven gebildet ist.
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Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gießkerns.
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Gießkerne der hier in Rede stehenden Art dienen zur gießtechnischen Herstellung von Gussteilen aus einer Metallschmelze. In dem jeweiligen Gussteil bilden die Gießkerne Hohlräume, wie Kanäle oder Kammern, aus. Diese Hohlräume können zur Einsparung von Gewicht vorgesehen sein. In der Regel werden sie aber im praktischen Gebrauch von einem Fluid durchströmt.
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Um die Gießkerne nach der Erstarrung des Gussmaterials aus dem Gussteil entfernen zu können, werden sie als so genannte „verlorene Kerne“ eingesetzt. Zu ihrer Herstellung wird das in der oben erläuterten Weise gemischte Formstoffgemisch mit hohem Druck in die formgebende Kavität einer Kernschießvorrichtung eingebracht („geschossen“). Die Fließfähigkeit des Formstoffs, der Schießdruck und die Positionen, an denen der Formstoff in den Formhohlraum der zur Herstellung der Kerne vorgesehenen Maschine eingebracht wird, sind dabei so abgestimmt, dass eine vollständige Formfüllung auch bei besonders feinteiligen Kernen erzielt wird. Nach dem Kernschießen werden die Kerne durch Beaufschlagung mit Wärme oder Begasung mit einem Reaktionsgas so verfestigt, dass sie aus der Kernschießmaschine entnommen und in die jeweilige Gießform eingesetzt werden können, wo sie den beim Abgießen der Metallschmelze auftretenden Belastungen standhalten.
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Typische Beispiele für Gussteile, in denen derartige Kanäle und Hohlräume mittels Gießkernen abgeformt werden, sind Gehäuse für Antriebsmaschinen, die im Betrieb gekühlt werden müssen. In derartigen Maschinengehäusen sind in der Regel so genannte „Kühlmäntel“ vorgesehen, d.h., ein System von Kanälen, das den Bereich der Maschine umgibt, in dem im Betrieb in Folge von Energieumsätzen Wärme entsteht. Um hierbei eine optimale Durchströmung der kritischen Bereiche der Maschine und auf diese Weise einen maximalen Kühleffekt bei geringen Abmessungen zu sichern, werden höchste Anforderungen an die Qualität der Oberflächen der durch den Gießkern jeweils abgebildeten Kanäle gestellt.
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Die besondere Herausforderung bei der Herstellung von Gießkernen der hier in Rede stehenden Art besteht darin, dass die Gießkerne in der Regel keinen massiven Körper bilden, sondern vielfach durchbrochen sind, so dass ihre Wände fein zergliederte Strukturen bilden, die Inseln, in denen größere Mengen des Kernmaterials versammelt sind, größere und dickere Bahnen, fein verästelte Stege, größere Brücken und andere filigran geformte Formelemente umfassen können. Aufgrund der umlaufend geschlossenen, im Querschnitt typischerweise kreisförmigen oder ellipsoiden Grundgestalt der Gießkerne ist bei derart feinzergliederten Gießkernen das Entformen der Kerne aus der Kernschießmaschine nur mit großem Aufwand möglich. So müssen komplexe Schieberkonstruktionen und desgleichen vorgesehen werden, um trotz der großen Zahl von Hinterschnitten und Durchbrechungen die formgebenden Bauteile der Kernschießmaschine vom fertigen Kern trennen zu können. Abgesehen von den hohen Kosten, die eine derart komplexe Maschine mit sich bringt, erschwert dieser Aufwand eine großtechnische, schnell getaktete Serienfertigung von Gießkernen der hier in Rede stehenden Art.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Aufgabe ergeben, einen in seiner Grundform einem Hohlkörper entsprechenden Gießkern zu gestalten, der eine einfache Herstellung ermöglicht.
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Die Erfindung hat diese Aufgabe durch einen Gießkern gelöst, der mindestens die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt.
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Ebenso sollte die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gießkerns angeben.
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Diese Aufgabe hat die Erfindung dadurch gelöst, dass bei der Herstellung erfindungsgemäß gestalteter Gießkerne mindestens die in Anspruch 10 genannten Arbeitsschritte absolviert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
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Ein erfindungsgemäßer Gießkern, der die Grundform eines Hohlkörpers aufweist, wobei der Gießkern aus einem Formstoff geformt ist, welcher aus einer Mischung besteht, die aus einem Formsand und einem Binder sowie optional aus zur Einstellung seiner Eigenschaften zugegebenen Additiven gebildet ist, ist somit erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern in mindestens zwei Teilsegmente geteilt ist und an den Randseiten, mit denen zueinander benachbart angeordnete Teilsegmente aneinander stoßen, oder in der Nachbarschaft von diesen Randseiten miteinander formschlüssig zusammenwirkende Formelemente vorgesehen sind, über die die zueinander benachbart angeordneten Teilesegmente mindestens in einer Richtung durch Formschluss gegeneinander unbeweglich festgelegt sind.
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Ein erfindungsgemäßer Gießkern ist also nicht in einem Stück hergestellt, sondern aus zwei oder mehr Teilsegmenten zusammengesetzt. Da diese Einzelsegmente selbst keinen Hohlraum mehr umgrenzen, können sie im konventionellen Kernschießprozess mit einfach gestalteten Kernwerkzeugen hergestellt werden. Komplexe Schieberanordnungen, wie sie zur Abbildung von Hohlkörpern benötigt werden, sind zur Herstellung der Teilsegmente nicht erforderlich. Gleichzeitig sind die erfindungsgemäß gebildeten Teilsegmente aufgrund ihrer begrenzten räumlichen Ausdehnung auch dann vergleichbar unempfindlich, wenn sie filigran mit vielen Durchbrechungen und desgleichen gestaltet sind. Dies erlaubt es, die Teilsegmente unkompliziert zu lagern und zum Zusammenbau des Gießkerns zu transportieren. Dabei kann der Zusammenbau des erfindungsgemäßen Gießkerns im Zuge des Zusammenbaus der gesamten Gießform, in der er eingesetzt werden soll oder an einer hiervon separierten Stelle, vorgenommen werden.
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Dadurch, dass die Teilsegmente der erfindungsgemäßen Gießform durch die formschlüssig zusammenwirkenden Formelemente in ihrer relativen Lage fixiert sind, ist einerseits sichergestellt, dass die Teilsegmente beim Zusammenbau des Gießkerns auf einfache Weise ihre korrekte Position finden. Andererseits ist über die formschlüssige Verkopplung gewährleistet, dass die Teilsegmente beim Gießvorgang auch unter der Last der in die Gießform eingegossenen und den Gießkern penetrierenden Schmelze ihre Position beibehalten.
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Unterstützt werden kann bei einer erfindungsgemäßen Gießform der sichere Halt der Teilsegmente untereinander dadurch, dass die Teilsegmente im Bereich der sie formschlüssig miteinander verkoppelnden Formelemente miteinander verklebt sind. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Formelemente dazu zu nutzen, den erfindungsgemäßen Gießkern an die anderen Gießkerne oder Formteile der jeweiligen Gießform anzukoppeln. So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, die Formelemente, über die benachbarte Teilsegmente eines erfindungsgemäßen Gießkerns gegeneinander in mindestens einer Richtung unverschiebbar durch Formschluss festgelegt sind, als in radialer Richtung vorstehende Vorsprünge auszubilden. Derart als Vorsprünge ausgebildete, die Teilsegmente formschlüssig gegeneinander festlegende Formelemente ermöglichen beispielsweise ein einfaches Ankoppeln der Teilsegmente an die den Gießkern in der Gießform umgebenden Formteile und Kerne, wie Seitenkerne, und damit einen einfachen automatisierbaren Zusammenbau der erfindungsgemäßen Gießform.
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Nach dem Entformen bilden die Vorsprünge, die durch die zur formschlüssigen gegenseitigen Festlegung der Teilsegmente vorgesehenen Formteile gebildet sind, am fertigen Gussteil dann Öffnungen ab, die zu den durch die Gießform im Gussteil abgebildeten Hohlräumen, Kanälen etc. führen. Diese Öffnungen können durch nachträglich eingesetzte und mit dem umgebenden Material des Gussteils beispielsweise stoffschlüssig, z.B. durch Kleben oder Schweißen, verbundene Stopfen verschlossen oder in anderer Weise mit Zusatzmaterial, beispielsweise in einem Schweißvorgang, verschlossen werden.
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Vor dem Verschließen können die durch die Vorsprünge abgebildeten Öffnungen zum Versäubern eines möglicherweise vorhandenen Stegs genutzt werden, der sich durch Metallschmelze bilden kann, die in die Fügefuge zwischen zwei aufeinander treffenden Teilsegmenten gedrungen ist. Hierzu kann ein geeignetes spanabhebendes Werkzeug, wie ein Bohrer oder Fräser, durch die jeweilige Öffnung geführt werden.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Segmentierung, wenn der Gießform die Grundform eines sich in einer Längsrichtung erstreckenden Hohlzylinders mit zwei in Längsrichtung einander gegenüberliegenden Stirnseiten hat. Durch entsprechend gelegte Teilungsfugen zwischen den Teilsegmenten können bei einem derart zylinderrohrförmig gestalteten Gießkern die einzelnen Teilsegmente schalenartig geformt sein. Genauso kann es aber auch zweckmäßig sein, ein oder mehrere Teilsegmente so von den anderen Teilsegmenten der Gießform zu trennen, dass die betreffenden Teilsegmente ringförmig sind. Es versteht sich dabei von selbst, dass eine derartige ringförmige Gestaltung auch für alle Teilsegmente der Gießform vorteilhaft sein kann, wenn die Formgebung des Gießkerns einen entsprechenden Verlauf der Teilungsfugen zwischen den Teilsegmenten hergibt.
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Eine insbesondere für die Herstellung eines Kühlmantels einer elektrisch betriebenen Antriebsmaschine typische Gestaltung eines erfindungsgemäßen Gießkerns zeichnet sich dadurch aus, dass der Gießkern mindestens über einen Abschnitt als um den vom Gießkern umgrenzten Raum mäanderförmig verlaufendes Band ausgebildet ist.
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Wie voranstehend schon angedeutet, wird bei einem erfindungsgemäßen Gießkern der Verlauf der Teilungsfuge zwischen den Teilsegmenten eines erfindungsgemäßen Gießkern entsprechend dem Verlauf und der Anordnung der Strukturen gewählt, die im Bereich seiner Wandung vorgesehen sind, um im Gussteil Hohlräume, Kanäle und desgleichen abzubilden. Dabei kann sich die Teilungsfuge zwischen zwei benachbarten Teilsegmenten mindestens abschnittsweise in Längsrichtung des Gießkerns erstrecken oder zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung des Gießkerns verlaufen. Selbstverständlich kann eine Teilungsfuge auch in ihrem Verlauf ihre Richtung wechseln, also über einen Abschnitt in Längsrichtung des Gießkerns und über einen anderen Abschnitt in Umfangsrichtung und so fort verlaufen. Insbesondere im Fall, dass der Gießkern die Form eines Zylinderhohlkörpers aufweist, hat es sich dabei als zweckmäßig erwiesen, wenn sich die Teilungsebene zwischen mindestens zwei zueinander benachbarten Teilsegmenten von der einen bis zur anderen Stirnseite des Gießkerns erstreckt.
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Für die formschlüssige Festlegung der aneinander stoßenden Teilsegmente einer erfindungsgemäßen Gießform besonders geeignet herausgestellt hat es sich, wenn als Formelemente, über die benachbarte Teilsegmente gegeneinander in mindestens einer Richtung unverschiebbar durch Formschluss festgelegt sind, an der Randseite des ersten Teilsegments ein Vorsprung und an der Randseite des zweiten Teilsegments eine Ausnehmung ausgebildet ist, die der Vorsprung des ersten Teilsegments füllt. Die Ausnehmung kann dabei beispielsweise als keil-, konus- oder halbschalenförmige Einsenkung und der Vorsprung im Querschnitt entsprechend keil- oder halbkreisförmig ausgebildet oder als Konus geformt sein. Auf diese Weise finden die miteinander zu verkoppelnden Teilsegmente über ihre miteinander formschlüssig zusammenwirkenden Formelemente nach Art einer Selbstzentrierung beim Zusammensetzen des Gießkerns präzise ihre vorgesehene Relativposition.
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Der Kerngedanke der Erfindung besteht folglich darin, einen komplex geformten, in seiner Grundform einen Hohlkörper darstellenden Gießkern in Teilsegmente zu zerlegen, die aufgrund ihrer räumlich nicht mehr geschlossenen Gestalt einfacher herzustellen sind, gleichzeitig aber in dem Gießkern über geeignet gestaltete Formelemente so gegeneinander festgelegt sind, dass eine präzise Abbildung der jeweils durch den Gießkern im Gussteil abzuformenden Hohlräume, Kanäle und desgleichen gewährleistet ist.
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Diesem Kerngedanken folgend sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gießkerns mindestens folgende Arbeitsschritte vor:
- a) Herstellen der Teilsegmente des Gießkerns, wobei die Teilsegmente zueinander räumlich getrennt und körperlich unabhängig voneinander aus einem Formstoff geformt werden, der aus einem Formsand und einem Binder sowie optional zur Einstellung seiner Eigenschaften zugegebenen Additiven besteht;
- b) Zusammenfügen der räumlich getrennt voneinander hergestellten Teilsegmente zu dem Gießkern.
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„Räumlich getrennt“ und „körperlich unabhängig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass für jedes der Teilsegmente jeweils ein eigener formgebender Hohlraum in einer Kernschießmaschine vorgesehen ist. Dies schließt selbstverständlich die für die Praxis wichtige Möglichkeit ein, die Teilsegmente gemeinsam und gleichzeitig in einem Kernschießkasten zu formen, in dem für jedes der Teilsegmente ein Formhohlraum vorgesehen ist. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht eine kostengünstige und zeitsparende Herstellung jeweils eines Satzes von Teilsegmenten, die gemeinsam zu einem erfindungsgemäßen Gießkern zusammengesetzt werden können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Deren Figuren zeigen jeweils schematisch:
- 1 einen Gießkern in einer perspektivischen Ansicht von oben;
- 2 einen Ausschnitt A des Gießkerns gemäß 1;
- 3 das Unterteil eines Kernschießkastens in Draufsicht.
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Der Gießkern 1 weist die Grundform eines zylindrischen Hohlkörpers auf und umgrenzt dementsprechend einen Innenraum IR, der sich in Längsrichtung LR von der unteren Stirnseite SU zur oberen Stirnseite SO des Gießkerns 1 erstreckt.
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Der aus einem hierzu bewährten, aus einem Formsand und einem organischen oder anorganischen Binder in an sich bekannter Weise gemischten Formstoff geformte Gießkern 1 dient zum Abbilden eines Kühlwassermantels in einem Gehäuse für einen als Fahrzeugantrieb dienenden Elektromotor, der in einer hier weiter nicht dargestellten, beispielsweise als Kernpaket zusammengesetzten Gießform aus einer Leichtmetallschmelze, wie beispielsweise aus einem konventionellen Aluminiumgusswerkstoff, gegossen wird.
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Die Umfangswand 2 des Gießkerns 1 ist durch einen ringsegmentartigen, um die Längsachse LX des Gießkerns 1 umlaufenden Ringabschnitt 3 und einen Mäanderabschnitt 4 gebildet.
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Ausgehend von einem in radialer Richtung RR nach außen abstehenden, im fertigen Gehäuse eine Einströmöffnung darstellenden Vorsprung 5 erstreckt sich der nach Art eines Bandes mit einer gewissen Dicke geformte Ringabschnitt 3 über etwa drei Viertel des Umfangs des Gießkerns 1.
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An das Ende des Ringabschnitts 3 ist der Beginn des Mäanderabschnitts 4 angeschlossen. Die Windungen 6 des Mäanderabschnitts 4 sind jeweils so gelegt, dass seine Längsabschnitte 7 achsparallel zur Längsachse LX liegen. Dabei verläuft der Mäanderabschnitt 4 ausgehend von dem Ende des Ringabschnitts 3 in entgegengesetzter Richtung des Ringabschnitts 3 um den vom Gießkern 1 umgrenzten Innenraum IR, bis er mit seinem am Ende eines Längsabschnitts 7' vorgesehenen Ende benachbart zum Beginn des Mäanderabschnitts 4 angelangt. Der dort radial nach außen abstehende Vorsprung 8 bildet im fertigen Gehäuse die Abströmöffnung des durch den Gießkern 1 zu formenden Wassermantels ab.
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Der Gießkern 1 ist in neun Teilsegmente 9 - 17 aufgeteilt. Das erste Teilsegment 9 erstreckt sich ausgehend vom Vorsprung 5 über die Hälfte der Länge des Ringabschnitts 3. Das zweite Teilsegment 10 nimmt die zweite Hälfte des Ringabschnitts 3 ein. Das dritte bis neunte Teilsegment 11 - 17 erstreckt sich jeweils über etwa ein siebtel der Länge des Mäanderabschnitts 4, wobei das neunte Teilsegment 17 um den zum Ende des Mäanderabschnitts 4 führenden Längsabschnitt länger ist als die anderen Teilsegmente 11 - 16 des Mäanderabschnitts 4.
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Die Teilungsfugen (von denen in 1 die Teilungsfugen 18-24 sichtbar sind), in denen die Teilsegmente 9,10; 10,11; 11,12; 12,13; 13;14; 14;15; 15,16; 16; 17 aufeinander stoßen, verlaufen jeweils in einem ersten Abschnitt 25 in Längsrichtung LR und in einem daran anschließenden Abschnitt 26 in Umfangsrichtung UR , wobei der zwischen den Abschnitten 25 und 26 eingeschlossene Winkel ungleich 90° sein kann, die Ausrichtung des Abschnitts 25 also nicht nur eine Komponente in Längsrichtung LR, sondern auch in Umfangsrichtung UR und die Ausrichtung des Abschnitts 26 nicht nur eine Komponente in Umfangsrichtung UR, sondern auch in Längsrichtung LR aufweisen kann.
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Dabei ist im Bereich jeder Teilungsfuge 18 - 24 angrenzend an die jeweils in der Teilungsfuge 18 - 24 aufeinander treffenden Randseiten der Teilsegmente 9 - 16 ein Formelement 27a,27b,28a,28b,29a,29b,30a,30b in Form eines radial nach außen vorstehenden Vorsprungs ausgebildet. Von den an den Teilungsfugen 18 - 24 derart gebildeten Paaren 27a,27b; 28a,28b; 29a,29b; 30a,30b von Formelementen 27a - 30b weist das eine Formelement 27a,28a,29a,30a jeweils eine sich über seine Vorsprungslänge LV erstreckende Ausnehmung 31 auf, die nach Art einer im Querschnitt einem Drittelkreis entsprechend geformten Einkerbung geformt ist. Die den Formelementen 27a, 28a,29a,30a jeweils zugeordneten Formelemente 27b,28b,29b,30b sind dementsprechend keilförmig mit einem ebenfalls drittelkreisförmigen Querschnitt. Auf diese Weise füllen die Formelemente 27b,28b,29b,30b jeweils die Ausnehmung 31 der zugeordneten Formelemente 27a,28a,29a,30a, so dass aus Formelemente-Paaren 27a,27b; 28a,28b; 29a,29b; 30a,30b gebildete, radial nach außen vorstehende Vorsprünge einen insgesamt kreisförmigen Querschnitt besitzen.
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Über die an den Teilsegmenten 9 -17 jeweils vorgesehenen Formelemente 27a - 30b und ihre im Bereich der Teilungsfugen 18 - 24 aneinander stoßenden Randseiten sind die Teilsegmente 9 - 17 in Umfangsrichtung UR und in Längsrichtung LR gegeneinander formschlüssig so festgelegt, dass eine Relativbewegung in Umfangsrichtung UR und in Längsrichtung LR auf die untere Stirnseite SU verhindert ist.
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Zur Herstellung des Ringkerns 1 wird ein Kernschießkasten bereitgestellt, von dem in 3 das Unterteil 40 dargestellt ist. Der hier der Übersichtlichkeit halber weiter nicht gezeigte Kernschießkasten ist dabei so eingerichtet, dass in ihm die Teilsegmente 9 - 17 für zwei gleichartige Ringkerne 1 geschossen werden können. Dementsprechend sind in dem Unterteil 40 des Kernschießkastens und im zugehörigen, hier nicht dargestellten Oberteil des Kernschießkastens in entsprechender Weise zwei Sätze von räumlich voneinander separierten Formhohlräumen 49 - 57 eingeformt. Nach Schließen des Kernkastens können auf diese Weise zwei Sätze von Teilsegmenten 9 - 17 in an sich bekannter Weise geschossen werden. Diese werden anschließend zu zwei Ringkernen 1 zusammengesetzt. Dabei kann dieses Zusammensetzen erfolgen, bevor die Gießkerne 1 in die jeweilige Gießform gesetzt werden, oder die Teilsegmente 9 - 17 können in der jeweiligen Gießform zu dem in ihr vorgesehenen Gießkern 1 zusammengesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gießkern
- 2
- Umfangswand des Gießkerns 1
- 3
- Ringabschnitt des Gießkerns 1
- 4
- Mäanderabschnitt des Gießkerns 1
- 5
- Vorsprung
- 6
- Windungen
- 7,7'
- Längsabschnitte
- 8
- Vorsprung
- 9 - 17
- Teilsegmente
- 18 - 24
- Teilungsfugen
- 25
- in Längsrichtung LR verlaufender Abschnitt der Teilungsfugen
- 26
- in Umfangsrichtung UR verlaufender Abschnitt der Teilungsfugen
- 27a - 30b
- Formelemente
- 31
- Ausnehmung
- 40
- Kernkasten-Unterteil
- 49 - 57
- Formhohlräume
- IR
- vom Gießkern umgrenzter Innenraum
- LR
- Längsrichtung des Gießkerns 1
- LV
- Vorsprungslänge
- UR
- Umfangsrichtung des Gießkerns 1
- RR
- radiale Richtung
- SU
- untere Stirnseite des Gießkerns 1
- SO
- obere Stirnseite des Gießkerns 1
- LX
- Längsachse des Gießkerns 1
