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Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zum Herstellen einer Leichtmetallfelge mit Felgenspeichen, wobei zwischen zwei Felgenspeichen ein Speichenfreiraum angeordnet ist und die Gießvorrichtung ein Werkzeug mit einer Teilform und einer Aussparung zum Erstellen des Speichenfreiraums, einen Stempel mit einer Aussparungserhöhungsgegenform und eine Dosiereinrichtung aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen der Leichtmetallfelge sowie eine Leichtmetallfelge.
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Aluminiumlegierungsfelgen (kurz Aluminiumfelgen oder Alu-Felgen genannt) werden im Allgemeinen in Niederdruck-Kokillenguss gefertigt. Durch den zentralen Anguss muss die Schmelze der dort geschlossenen Form immer über die Speichen verteilt werden, sodass diese nicht beliebig schlank ausgestaltet werden können.
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Zudem sind die Einfüllgeschwindigkeiten durch den geringen Durchmesser am Anguss sehr hoch, sodass viele Aluminiumlegierungen nicht verwendbar sind. Somit können Aluminiumlegierungsfelgen mittels Niederdruck-Kokillenguss nicht höherfeste Aluminiumlegierungen aufweisen.
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Weiterhin ist bei Aluminiumlegierungsfelgen, welche im Niederdruck-Kokillenguss hergestellt wurden, ein aufwändiges Zerspanen notwendig. Das bedeutet, dass der Zerspanungsanteil beispielsweise durch das notwendige Angusssystem sehr hoch ist. Zudem wird durch das Zerspanen die Gußhaut beeinträchtigt. Dies hat wiederum als Folge eine geringere Festigkeit.
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Die
EP 3 330 020 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Kokillenguss eines Leichtmetallrades aufweisend eine Felge, wobei die Schmelze über eine Öffnung im unteren Kokillenteil in die Kavität gelangt.
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In der
JP 2012-96 247 A ist eine Niederdruck-Gießapparatur für ein Fahrzeugrad offenbart, bei der durch Druckbeaufschlagung der Schmelze im Schmelzeofen die Schmelze in die Kavität gedrückt wird. Einen ähnlichen Formaufbau und dieselbe Art der Schmelzezuführung weist die
JP 2012-245 561 A auf.
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In der
DE 10 2016 106 256 B3 ist eine Gießvorrichtung zum Herstellen von Gussteilen im Niederdruckgießverfahren mit einem mehrteiligen Gusswerkzeug offenbart, wobei das Formoberteil und/oder die Seitenteile mittels einer Stellvorrichtung verstellbar sind und die mehrstufige Stellvorrichtung gleichzeitig als Schließvorrichtung für eine zentrale Angussöffnung dient.
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Die
EP 0 035 913 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Metallrades für die Gleismontage, bei dem in die Kavität im unteren Formteil zunächst verschleißresistente Hartmetallelemente zum Verstärken des Randes des Metallrades eingelegt werden und anschließend die Kavität im unteren Formteil mit einer vorgegebenen Schmelzemenge gefüllt wird. Nachfolgend wird die Form durch Nach-Unten-Bewegen des oberen Formteils geschlossen und dadurch das geschmolzene Metall in der Kavität der Form derart radial verteilt, dass die am äußeren Rande der Kavität befindlichen Hartmetallelemente von der Schmelze eingebettet werden. Hierbei ist in der Mitte des oberen Formteils eine Aussparung angeordnet, welche nicht die Schmelze beaufschlagt, sondern direkt in die zentrale Erhöhung des unteren Formteils zum Ausformen einer zentralen Bohrung des Metallrades in der Schließstellung eingreift.
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Die
DE 11 2013 007 406 T5 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, bei welchem geschmolzenes Metall über eine Schmelzeüberführung in eine Schusshülse überführt und durch Bewegen eines Stempels in der Schusshülse das Metall zentral in das Formwerkzeug gedrückt wird, sodass ein konventionelles Pressgießen vorliegt, bei dem der Druck lediglich auf den Querschnitt des Metalls in dem Zuführ-/Angusskanal aufgebracht wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Gießvorrichtung zum Herstellen einer Leichtmetallfelge mit Felgenspeichen, wobei zwischen zwei Felgenspeichen ein Speichenfreiraum angeordnet ist, und die Gießvorrichtung ein Werkzeug mit einer Teilform und einer Aussparerhöhung zum Erstellen des Speichenfreiraums, einen Stempel mit einer Aussparerhöhungsgegenform und eine Dosiereinrichtung aufweist, und das Werkzeug und der Stempel in einer Geschlossenstellung eine Kavität ausbilden und derart ausgestaltet sind, dass bei einem Zusammenführen des Stempels mit dem Werkzeug eine zuvor mittels der Dosiereinrichtung eingebrachte Leichtmetallschmelze die Kavität ausfüllt, wobei der Stempel an einem Stößel einer Presse angeordnet ist und in das Werkzeug zum Beaufschlagen der Leichtmetallschmelze einfahrbar ist und eine Höhe der Aussparerhöhung und eine Menge der Leichtmetallschmelze, welche mittels der Dosiereinrichtung in das Werkzeug eingebracht wird, derart eingestellt sind, dass ein oberer Teil der Aussparerhöhung in der Geschlossenstellung frei von der Leichtmetallschmelze ist.
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Somit kann eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit der Aluminiumlegierungsfelgen hergestellt werden, deren Zerspanungsanteil deutlich geringer ist. Zudem kann die Gußhaut im Wesentlichen unbehandelt bleiben, sodass eine höhere Stabilität und/oder Festigkeit gegeben ist.
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Weiterhin kann das Zuführen der Leichtmetallschmelze anders und somit mit geringeren Geschwindigkeiten in die Form erfolgen. Konsequenter Weise können somit erstmalig höherfeste Legierungen, welche nach dem Stand der Technik nicht druckgussfähig waren, eingesetzt werden.
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Insbesondere für den Fall, dass der Stempel mit einem Pressenstößel einer Presse verbunden ist, kann mit der vorliegenden Vorrichtung ein Pressgussverfahren erfolgen, mit dem beispielsweise höherfeste Aluminiumlegierungen für die Leichtmetallfelgen hergestellt werden können. Zudem können die Speichen schlanker ausgestaltet werden, wodurch sich zum einen eine Materialeinsparung und zum anderen größere Gestaltungsfreigaben ergeben.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
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Eine „Gießvorrichtung“ ist insbesondere eine Vorrichtung, in der oder mittels der eine Schmelze in eine gewünschte Form gebracht wird. Vorliegende Gießvorrichtung wird insbesondere zum Herstellen einer Leichtmetallfelge eingesetzt.
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Bei der „Leichtmetallfelge“ handelt es sich insbesondere um eine Autofelge, welche insbesondere das Rad eines Automobils ohne Autoreifen bezeichnet. Vorliegend ist nicht nur die Felge im engeren Sinne (äußerer Ring), sondern auch der Radkranz und/oder der Radflansch mit umfasst. Leichtmetallfelgen werden meist aus Aluminium- und gelegentlich aus Magnesiumlegierungen im Gussverfahren hergestellt. Die Leichtmetallfelge umfasst sowohl Speichen als auch eine Nabe. Die Nabe wird meist auf eine Welle, eine Achse oder einen Zapfen geschoben und bildet vorliegend insbesondere das Zentrum der Leichtmetallfelge. Die Nabe dreht sich im montierten Fall um die Achse, über die sie mit einem Lager verbunden ist. Die Leichtmetallspeiche verbindet insbesondere die Nabe mit der Felge (im engeren Sinne). Das Verwenden von (Felgen)Speichen bietet erhebliche Vorteile, insbesondere in Bezug auf Gewicht der Leichtmetallfelge. Somit korrespondieren die Felgenspeichen mit dem „Speichenfreiraum“.
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Im Gegensatz zur Felgenspeiche weist der Speichenfreiraum kein Material auf. So kann beispielsweise, sofern dieser groß genug ausgestaltet ist, durch diesen hindurchgegriffen werden.
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Ein „Werkzeug“ ist vorliegend insbesondere ein Formwerkzeug, mit welchem im Allgemeinen ein Urformen und Umformen realisierbar ist. Vorliegendes Werkzeug weist eine „Teilform“ auf, welche wesentlich für die Formgebung der Leichtmetallfelge ist. Im Zusammenwirken mit dem „Stempel“ bildet sich in einer Geschlossenstellung eine Kavität aus, welche vollständig mit Material ausgefüllt die Form der Leichtmetallfelge bildet. Somit bildet die Teilform im Zusammenwirken mit einer Form des Stempels die Form der Leichtmetallfelge aus.
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Formbildend ist vorliegend auch die „Aussparerhöhung“. Diese Aussparerhöhung realisiert beim Ausformen der Leichtmetallfelge den Speichenfreiraum. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, dass eine Leichtmetallschmelze die Aussparerhöhung lediglich umfließt und nicht vollständig bedeckt.
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Ein formgebender Bestandteil des Stempels ist die „Aussparerhöhungsgegenform“. Diese Aussparerhöhungsgegenform umschließt bei einem Zusammenführen von Stempel und Werkzeug die Aussparerhöhung. Somit sind Aussparerhöhung und Aussparerhöhungsgegenform komplementär zueinander.
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Die „Dosiereinrichtung“ appliziert eine definierte Menge an Leichtmetallschmelze der Kavität. Die Menge der Leichtmetallschmelze kann beispielsweise mittels Wiegen ermittelt werden oder anhand der bei bestimmten Temperaturen gegebenen Viskosität und sich somit ausbildenden Fließgeschwindigkeit über das Zuführen einer bestimmten Begrenzungsfläche bestimmen.
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Aufgrund dessen, dass der Stempel in das Werkzeug eingefahren werden kann, gibt es grundsätzlich drei Bezugszustände. Zum einen eine Offenstellung, in der beispielsweise ein Entnehmen der Leichtmetallfelge nach einem Herstellungsprozess erfolgt, ein Einfahrzustand, bei dem der Stempel in das Werkzeug eingeführt wird, und eine Geschlossenstellung, in der der Stempel im Bezug zum Werkzeug eine feste Endposition ausbildet. Da vorliegend insbesondere ein Nachverdichten erfolgen kann, können auch weitere Geschlossenstellungen vorliegen.
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Beim Zusammenführen des Stempels mit dem Werkzeug wird insbesondere der Stempel von der Offenstellung in die Geschlossenstellung überführt.
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Die „Leichtmetallschmelze“ ist insbesondere eine flüssige Metallschmelze, welche als Hauptbestandteil ein Leichtmetall, wie Magnesium und/oder Aluminium, aufweist.
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Der „obere Teil“ der Aussparerhöhung ist insbesondere der Bereich der Aussparerhöhung, welcher sowohl beim Einbringen und somit dem Applizieren der Leichtmetallschmelze in das Werkzeug und/oder während des Einfahrens des Stempels in das Werkzeug nicht durch die Leichtmetallschmelze benetzt wird. Somit wird sichergestellt, dass der Speichenfreiraum der Leichtmetallfelge nach der Fertigung der Leichtmetallfelge keinen Feststoff, wie beispielsweise verfestigte Leichtmetallschmelze, aufweist, welcher mittels Zerspanungsverfahren zu entfernen ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das Werkzeug weitere Aussparerhöhungen mit einer Höhe der jeweiligen Aussparerhöhung und der Stempel weitere (korrespondierende) Aussparerhöhungsgegenformen auf, wobei jeweils ein oberer Teil der jeweiligen Aussparerhöhungen in der Geschlossenstellung frei von der Leichtmetallschmelze ist.
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Somit kann eine Leichtmetallfelge gefertigt werden, welche mehrere Felgenspeichen und zwischen diesen Felgenspeichen mehrere Speichenfreiräume aufweist. Grundsätzlich könnten einzelne Aussparerhöhungen unterschiedliche Höhen aufweisen, wobei wesentlich ist, dass die Höhe ausreichend bemessen ist, sodass in der Geschlossenstellung der jeweils obere Teil der jeweiligen Aussparerhöhung frei von der Leichtmetallschmelze ist.
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Um ein Aufsteigen der Leichtmetallschmelze zwischen den komplementären Aussparerhöhungen und Aussparerhöhungsgegenformen zu verhindern, kann wenigstens teilweise beim Zusammenführen des Stempels mit dem Werkzeug und/oder in der Geschlossenstellung zwischen der Aussparerhöhung oder den Aussparerhöhungen und der Aussparerhöhungsgegenform oder den Aussparerhöhungsgegenformen ein Spalt ausgebildet sein, wobei ein Spaltmaß und/oder Eigenschaften der Leichtmetallschmelze derart eingestellt sind, dass der Spalt frei von der Leichtmetallschmelze ist.
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Der „Spalt“ ist insbesondere ein Freiraum, welcher sich zwischen der Aussparerhöhung und der korrespondierenden Aussparerhöhungsgegenform ausbildet. Dieser Spalt kann sich beim Einfahren des Stempels in das Werkzeug beispielsweise dann ändern, wenn die Aussparungserhöhung und/oder die Aussparungserhöhungsgegenform konisch ausgebildet ist oder sind. Wesentlich ist, dass beim Kontaktieren der Leichtmetallschmelze durch den Stempel ein Aufsteigen der Leichtmetallschmelze in den Spalt verhindert wird.
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Das „Spaltmaß“ bestimmt eine wertemäßige Angabe des Spaltes, beispielsweise in Millimeter. Das Spaltmaß kann durch bauliche Maßnahmen fest eingestellt werden. Durch die Temperatur der Leichtmetallschmelze kann insbesondere ein Einfluss auf die Viskosität der Leichtmetallschmelze genommen werden, sodass über die Temperatur und somit die Viskosität der Leichtmetallschmelze und der Größe des Spaltmaßes das Aufsteigen der Leichtmetallschmelze innerhalb des Spaltes verhindert werden kann.
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Um einen weiteren Parameter zur Verfügung zu stellen, welcher das Aufsteigen der Leichtmetallschmelze innerhalb des Spaltes verhindert, kann die Aussparerhöhung oder können die Aussparerhöhungen und/oder die Aussparerhöhungsgegenform und/oder die Aussparerhöhungsgegenformen spaltnah eine Oberfläche aufweisen, welche leichtmetallschmelzenabweisend sind.
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Dabei kann beispielsweise das Material der Aussparerhöhung oder das Material der Aussparerhöhungsgegenform bereits vollständig durch dieses Material gefertigt sein. Auch können Beschichtungen erfolgen, welche das Benetzen der Leichtmetallschmelze an der Oberfläche vermindern.
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Beispielsweise kann eine Beschichtung auf Stickstoffbasis vorgesehen sein, welche mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, kurz PVD) aufgebracht wird. Beispielsweise können Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN) oder Titanaluminiumnitrid (TiAlN) oder auch Chromnitrid (CrN), Chromvanadiumnitrid (CrVN) und Chromaluminiumnitrid (CrAlN) zum Einsatz kommen.
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„Spaltnah“ ist insbesondere dann gegeben, wenn das Material der Aussparerhöhung und/oder der Aussparerhöhungsgegenform so weit räumlich um den Spalt herum angeordnet ist, dass gerade bei gegebenem Spaltmaß und gegebener Viskosität durch das Material kein Aufsteigen der Leichtmetallschmelze erfolgt und ohne dieses Material ein Aufsteigen der Leichtmetallschmelze erfolgen würde.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Werkzeug eine Grundplatte und einen ersten Schieber und einen zweiten Schieber auf, sodass nach einem Abkühlen der Leichtmetallschmelze die Leichtmetallfelge entnehmbar ist.
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So kann beispielsweise durch ein Auseinanderschieben der Schieber entlang der Grundplatte zu deren Seiten in einer Offenstellung die sich ausgebildete Leichtmetallfelge vertikal nach oben von der Grundplatte abgezogen werden. Anschließend können die Schieber wieder zusammengeschoben werden, sodass die Schieber und die Grundplatte das eigentliche Werkzeug für die Herstellung der nächsten Leichtmetallfelge bilden. Um eine einfache Realisierung der Aussparungerhöhung oder der Aussparerhöhungen bereitzustellen, kann die Grundplatte die Aussparerhöhung und/oder die Aussparerhöhungen aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist oder weisen die Grundplatte und/oder der Stempel einen Durchgangslöcherbolzen oder mehrere Durchgangslöcherbolzen auf.
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Dabei sind diese Durchgangslöcherbolzen in ihrer Höhe derart ausgestaltet, dass wiederum ein Aufsteigen der Leichtmetallschmelze maximal soweit erfolgt, dass ein oberer Teil der Durchgangslöcherbolzen in der Geschlossenstellung nicht benetzt sind.
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Dadurch können wiederum spanende Schritte vermieden werden.
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Um insbesondere ein Nachverdichten der Leichtmetallfelge zu realisieren, kann der Stempel an einem Stößel einer Presse angeordnet sein.
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Somit kann die Gießvorrichtung zum Durchführen von Pressgussverfahren für Leichtmetallfelgen eingesetzt werden.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Leichtmetallfelge, insbesondere einer Aluminiumlegierungsfelge, mittels einer zuvor beschriebenen Gießvorrichtung, wobei in einer Offenstellung von Stempel und Werkzeug eine definierte Menge Leichtmetallschmelze in das Werkzeug mittels der Dosiereinrichtung eingefüllt wird, ein Füllstand der Leichtmetallschmelze im Werkzeug niedriger als die Höhe der Aussparerhöhung oder der Aussparerhöhungen eingestellt ist und der Stempel in das Werkzeug eingeführt wird, sodass die Leichtmetallschmelze durch ein Verdrängen die Kavität ausfüllt, sodass die Leichtmetallfelge in der Kavität ausgebildet wird.
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Somit kann ein Verfahren bereitgestellt werden, bei dem eine Leichtmetallfelge hergestellt wird, welche wesentlich geringeren Zerspanungsaufwand beim Nachbearbeiten erfordert.
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Zudem kann mit dem Gießverfahren eine Leichtmetallfelge hergestellt werden, welche deutlich schlankere Felgenspeichen aufweist.
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Um Schrumpfungslunker auszuschließen, kann während einer Formgebung der Leichtmetallschmelze zu einem Festkörper ein Nachverdichten mittels des Stempels erfolgen.
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Ein „Lunker“ oder auch „Schrumpfungslunker“ bezeichnet einen bei der Erstarrung gegossener Teile entstandenen Hohlraum.
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Unter einem „Festkörper“ wird eine Leichtmetallschmelze verstanden, welche ohne externe Kraft im Wesentlichen ihre Form nicht mehr ändert.
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Beim „Nachverdichten“ wird insbesondere der sich ausbildenden Form weiterhin eine Kraft aufgeprägt. Dabei kann die Kraft auch erhöht werden.
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Die „Formgebung“ erfolgt insbesondere in der Geschlossenstellung und umfasst den Prozess, indem sich die Form (hier beispielsweise die Leichtmetallfelge) durch Auskühlen und Verfestigen der Leichtmetallschmelze ausbildet.
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In einer Ausführungsform wird nach einem Verfestigen der Leichtmetallschmelze zur Leichtmetallfelge in einer Entnahmestellung von Stempel und Werkzeug die Leichtmetallfelge entnommen.
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Um die entstandenen Leichtmetallfelge auf die Achse eines Fahrzeuges anzupassen, kann eine mechanische Nachbearbeitung, insbesondere eine mechanische Nachbearbeitung einer Passbohrung, erfolgen. Dabei kann die Passbohrung sowohl durch Bohrung als auch durch Färsen oder durch sonstige spanende Arbeitsschritte hergestellt werden.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Leichtmetallfelge, welche nach einem der vorherigen Verfahrensschritte hergestellt wurde.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine stark schematische 3D-Explosionsdarstellung eines Werkzeugs, eines Stempels und einer hergestellten Aluminiumlegierungsfelge und
- 2 eine stark schematische dreidimensionale Darstellung des Stempels aus 1.
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Eine Gießvorrichtung weist ein Werkzeug 111 und einen zugeordneten Stempel 121 auf. Das Werkzeug 111 umfasst eine Grundplatte 113, an welcher mittig Stollen 117 angeordnet sind. Auf der Grundplatte 113 geführt sind ein erster Schieber 115 und ein zweiter Schieber 116. Die Grundplatte 113 zusammen mit dem Stollen 117 sowie dem ersten Schieber 115 und zweiten Schieber 116 bilden in einer Geschlossenstellung einen Teil der Form der Aluminiumlegierungsfelge 101 aus.
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Oberhalb des Werkzeuges 111 ist ein Stempel 121 vorgesehen, welcher an einem Pressenstößel (nicht dargestellt) einer Presse angeordnet ist. An seiner Unterseite weist der Stempel 121 Aussparungen 127 auf, welche mit den Stollen 117 korrespondieren.
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Die Aussparungen 127 sind etwas größer als die Stollen 117, sodass im Falle, dass der Stempel auf der Grundplatte 113 aufsetzt, sich zwischen den Seitenwänden der Stollen 117 und der Seitenwände der Aussparungen 127 ein Spalt ausbildet. Zudem ist die Form des Stempels 121 derart ausgestaltet, dass im Zusammenwirken mit dem Werkzeug 111 in einer Geschlossenstellung von Stempel 121 und Werkzeug 111 sich die komplette Form der Aluminiumlegierungsfelge 101 ausbildet.
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Vorliegend sei das Werkzeug 111 inklusive seiner Schieber 115, 116 geschlossen. Eine Dosiereinrichtung (nicht dargestellt) führt eine definierte Menge Aluminiumlegierungsschmelze mit einer Temperatur von 700°C durch Gießen von oben ein. Dadurch verteilt sich innerhalb des Werkzeugs 111 die Aluminiumlegierung, wobei ein Oberflächenspiegel der Aluminiumlegierung unterhalb der vertikalen Höhe der Stollen liegt.
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Der Pressenstößel verschiebt den Stempel 121 vertikal nach unten, sodass eine Unterseite des Stempels die Leichtmetallschmelze beaufschlagt. Zudem umschließen die Aussparungen 127 die Stollen 117. Das sich ausbildende Spaltmaß des sich ausbildenden Spaltes zwischen den Seitenflächen des Stollens 117 und den Seitenflächen der Aussparung 127 beträgt 50µm.
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Aufgrund dieses Spaltmaßes dringt beim weiteren vertikalen Verschieben des Stempels keine Aluminiumlegierungsschmelze in den Spalt, sondern die Aluminiumlegierungsschmelze wird in der sich ausbildenden Kavität durch Verdrängen verteilt, sodass die Kavität vollständig durch die Aluminiumlegierungsschmelze ausgefüllt ist. Anschließend erfolgt ein Abkühlen der Aluminiumschmelze. Dabei erfolgt durch die Presse ein Nachverdichten mittels des an dem Pressenstößel angeordneten Stempels 121, sodass die Aluminiumlegierungsschmelze keine Schrumpfungslunker ausbildet.
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Anschließend wird der erste Schieber 115 nach rechts und der zweite Schieber 116 nach links seitlich geöffnet und der Stempel 121 vertikal nach oben in eine Offenstellung verfahren. Anschließend wird durch ein vertikales Abziehen nach oben die Aluminiumlegierungsfelge 101 abgezogen.
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Nach einem vollständigen Auskühlen wird der Aluminiumlegierungsfelge 101 mittels Bohren eine zentrale Passbohrung aufgeprägt.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Aluminiumfelge
- 102
- Speichenfreiraum
- 103
- Speiche
- 111
- Werkzeug
- 113
- Grundplatte
- 115
- erster Schieber
- 116
- zweiter Schieber
- 117
- Stollen
- 121
- Stempel
- 127
- Aussparung
