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Die Erfindung betrifft eine Druckgießform bzw. ein Druckgießwerkzeug und ein Druckgießverfahren zur Herstellung eines (metallischen) Druckgussbauteils, welches einen hohlzylindrischen, insbesondere dünnwandigen, Bereich aufweist.
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Eine Druckgießform bzw. Druckgussform ist eine zumeist metallische (wiederverwendbare) Dauerform für die Herstellung von Druckguss(bau)teilen auf einer Druckgießmaschine. Eine Druckgießform weist hierzu einen Formhohlraum bzw. eine Kavität auf, der das Druckgussteil abbildet. Der Zulauf der flüssigen Schmelze zum Formhohlraum erfolgt ausgehend von einer maschinenseitigen Gießkammer (mit Presskolben) über ein druckgießformseitiges Einguss-Lauf-Anschnittsystem bzw. Angusssystem. Um das hergestellte Druckgussteil entformen zu können, ist eine Druckgießform meistens zweiteilig aufgebaut und besteht z. B. aus einer festen und einer beweglichen Formhälfte. Im Druckgussteil vorgesehene Hinterschnitte und Innen- bzw. Hohlkonturen können mithilfe von Schiebern bzw. Kernen, die bewegbar in der Druckgießform angeordnet sind, ausgeformt werden.
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Hohlzylindrische und insbesondere dünnwandige Bereiche sind schwierig herzustellen, insbesondere dann, wenn die Druckgussteile später hohen mechanischen Belastungen standhalten sollen und daher keine nennenswerten Gussfehler und daraus resultierende Schwachstellen aufweisen dürfen.
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In der
US 2002/0020510 A1 (siehe auch
DE 101 33 672 A1 ) ist die Herstellung einer Bremsscheibe (
130) mit einem hohlzylindrischen Bereich (
135) durch Druckgießen beschrieben. Die Bremsscheibe kann liegend (horizontal) hergestellt werden (siehe
4 bis
17), wobei der Formhohlraum (
22) der Spritzgussvorrichtung von unten mit einer flüssigen AI-Druckgusslegierung steigend befüllt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckgießform und ein Druckgießverfahren zur Herstellung eines (metallischen) Druckgussbauteils, welches einen hohlzylindrischen, insbesondere dünnwandigen, Bereich aufweist, anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur vermindert aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Druckgießform (Druckgießwerkzeug) mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch das erfindungsgemäße Druckgießverfahren (Verfahren zum Druckgießen) mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
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Die erfindungsgemäße Druckgießform zur Herstellung (wenigstens) eines Druckgussbauteils, welches (wenigstens) einen hohlzylindrischen, insbesondere dünnwandigen, Bereich aufweist, ist gekennzeichnet, durch:
- - (wenigstens) einen Formhohlraum, der den Abmessungen des zu gießenden bzw. herzustellenden Druckgussbauteils entspricht und der einen vertikal ausgerichteten hohlzylindrischen Abschnitt zur Ausformung bzw. für die Formgebung des hohlzylindrischen Bereichs des Druckgussbauteils aufweist; und
- - ein Angusssystem, über das der Formhohlraum von unten mit Schmelze befüllbar ist bzw. befüllt wird (sogenannte steigende Formfüllung), wobei dieses Angusssystem einen unterhalb des hohlzylindrischen Abschnitts des Formhohlraums angeordneten und sich horizontal erstreckenden Ringkanal und einen sich vertikal erstreckenden ringzylindrischen Steigkanal, der den Ringkanal mit dem unteren Ende des hohlzylindrischen Abschnitts des Formhohlraums verbindet, aufweist.
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Das herzustellende Druckgussbauteil ist also mit stehendem bzw. vertikal ausgerichtetem hohlzylindrischen Bereich in der Druckgießform ausgerichtet und am unteren Ende seines hohlzylindrischen Bereichs angeschnitten, d. h., der Anschnitt bzw. Zulauf zum Formhohlraum befindet sich am unteren Ende des vertikal ausgerichteten hohlzylindrischen Bereichs bzw. Abschnitts.
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Unter einem Ringkanal wird insbesondere ein zumindest näherungsweise reifen- bzw. ringartiger, z. B. torusförmiger, Kanal verstanden. Erfindungsgemäß hat dieser Ringkanal eine horizontale bzw. liegende Ausrichtung, wie auch in der Zeichnung veranschaulicht. Bevorzugt ist der Ringkanal umlaufend (d. h. über 360°), also ohne Unterbrechungen, und/oder mit konstantem Querschnitt ausgebildet, wobei prinzipiell auch Unterbrechungen und/oder Querschnittsveränderungen (z. B. Engstellen) vorgesehen sein können. Die Druckgießform kann einen unteren, vertikal bewegbaren Schieber aufweisen, an dem der Ringkanal (z. B. als Rinne oder dergleichen) ausgebildet ist.
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Unter einem ringzylindrischen Kanal wird ein, z. B. mit Kreisring-Querschnittsfläche oder dergleichen ausgebildeter, hohlzylindrischer Kanal verstanden. Erfindungsgemäß hat dieser ring- bzw. hohlzylindrische Kanal eine stehende bzw. vertikale Ausrichtung, wie auch in der Zeichnung veranschaulicht. Bevorzugt ist der ringzylindrische Kanal umlaufend (d. h. über 360°), also ohne Unterbrechungen, und/oder mit konstantem Querschnitt ausgebildet, wobei prinzipiell auch Unterbrechungen und/oder Querschnittsveränderungen (z. B. Engstellen) vorgesehen sein können (dadurch kann auf bauteilspezifische Gussprobleme reagiert werden).
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Beim Druckgießen wird zuerst der Ringkanal mit Schmelze bzw. flüssigem Metall gefüllt, wobei sich die Schmelze zunächst horizontal im Ringkanal verteilt und dann durch den ringzylindrischen Kanal hindurch vertikal aufsteigt (daher die Bezeichnung Steigkanal) und von unten in den hohlzylindrischen Abschnitt des Formhohlraums einfließt und diesen, insbesondere gleichmäßig steigend bzw. ansteigend, ausfüllt. Der Ringkanal und der ringzylindrische Steigkanal bewirken eine Beruhigung der Schmelzeströmung.
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Bevorzugt sind der hohlzylindrische Abschnitt des Formhohlraums sowie der Ringkanal und der ringzylindrische Steigkanal des Angusssystems, insbesondere in Bezug auf eine gemeinsame vertikale Achse, im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet.
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Bevorzugt ist der Übergang zwischen dem ringzylindrischen Steigkanal und dem unteren Ende des hohlzylindrischen Abschnitts als Ringspalt, insbesondere als umlaufender Ringspalt, ausgebildet, wobei der Ringspalt den Zulauf bzw. Anschnitt bildet. D. h., der hohlzylindrische Bereich bzw. Abschnitt ist über seinen gesamten Umfang (360°) angeschnitten. Dadurch kann ein großer Anschnitt- bzw. Zulaufquerschnitt realisiert werden. Ferner wird beim Druckgießen, wobei die Schmelze von unten über den gesamten Umfang des hohlzylindrischen Abschnitts zufließt, eine gleichmäßig steigende Formfüllung (mit einem einzelnen ansteigenden Schmelzespiegel) zumindest des hohlzylindrischen Abschnitts erreicht. Zu Gussfehlern führende Teilströme (wie in der
US 2002/0020510 A1 beschrieben; siehe Abs. [0019] und [0035]) werden also vermieden. Ferner können im Formhohlraum eingeschlossene Luft und Gase problemlos nach oben (z. B. durch ein Entlüftungssystem) entweichen und werden nicht in die Schmelze eingewirbelt. Die Gussbauteilqualität wird verbessert, der Ausschuss reduziert und die Gießformstandzeit verlängert.
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Das herzustellende Druckgussbauteil weist wenigstens einen hohlzylindrischen Bereich auf, mit einer im Wesentlichen zylindrischen Innen- bzw. Hohlkontur und eine diese Innenkontur umgebende Wandung, wobei die Wandung insbesondere dünnwandig ausgebildet ist und an der dünnsten Stelle eine bevorzugte Wanddicke von nicht mehr als 7,5 mm, insbesondere nicht mehr als 5,0 mm, aufweist. Der hohlzylindrische Abschnitt des Formhohlraums der Druckgießform ist dementsprechend ausgebildet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Ringkanal einen größeren Außendurchmesser aufweist als der ringzylindrische Steigkanal, sodass der Ringkanal in horizontaler Richtung (d. h. Querrichtung bzw. in radialer Richtung) den ringzylindrischen Steigkanal überragt. Der Übergang zwischen dem Ringkanal und dem ringzylindrischen Steigkanal ist bevorzugt als Ringspalt (d. h. ein Spalt mit Kreisringfläche), insbesondere als umlaufender Ringspalt, ausgebildet, der eine bevorzugte Spaltbreite von 2 mm bis 8 mm, insbesondere von 3 mm bis 6 mm, aufweist. Durch diesen Ringspalt hindurch kann die Schmelze aus dem Ringkanal in den ringzylindrischen Steigkanal einfließen, wobei der Ringspalt zunächst eine Rückhaltung der Schmelze im Ringkanal bewirkt, bis der Schmelzedruck so groß wird, dass die Schmelze durch den Ringspalt hindurch in den ringzylindrischen Steigkanal fließt und aufsteigt. Eine optimale Spaltbreite kann durch Gießsimulation ermittelt werden. Der Ringspalt ist bevorzugt über seinen gesamten Umfang mit einer gleichmäßigen Spaltbreite, z. B. 3,0 mm oder 4,0 mm, ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Druckgießverfahren weist folgende Schritte auf:
- - Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Druckgießform; und
- - Druckgießen, d. h. Ausführen eines Druckgießvorgangs, bei dem zuerst der Ringkanal mit Schmelze gefüllt wird und sich die Schmelze zunächst (horizontal) im Ringkanal verteilt und dann durch den ringzylindrischen Steigkanal aufsteigt und von unten in den Formhohlraum bzw. in dessen hohlzylindrischen Abschnitt einfließt und diesen gleichmäßig steigend ausfüllt (wie oben bereits beschrieben), wobei die Gießgeschwindigkeit erhöht wird, sobald die Schmelze (am Anschnitt bzw. Zulauf) in den Formhohlraum bzw. in den hohlzylindrischen Abschnitt einfließt.
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Das Druckgießen erfolgt also bevorzugt mit zwei Gießgeschwindigkeiten, einer ersten, geringeren Geschwindigkeit (erste Phase bzw. Vorphase), bis der Ringkanal und der ringzylindrische Steigkanal mit Schmelze gefüllt sind, und einer zweiten, höheren Geschwindigkeit, sobald die Schmelze (von unten) in den Formhohlraum einfließt (zweite Phase bzw. Druckgussphase). Dies kann durch Veränderung der Verfahrgeschwindigkeiten des Presskolbens realisiert werden. Die Umschaltung erfolgt z. B. zeit- oder kolbenpositionsgesteuert.
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Zum Druckgießen wird bevorzugt eine Aluminium- oder Magnesiumschmelze verwendet. D. h., das hergestellte Gussteil ist bevorzugt ein Aluminium- oder Magnesium-Druckgussbauteil.
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Das Druckgussbauteil ist bevorzugt ein Statortopf für eine E-Maschine (elektrische Maschine), insbesondere für eine Kraftfahrzeuganwendung. Der Statortopf weist einen Boden und eine zylindrische Mantelfläche auf. Die als umlaufende Wandung ausgebildete Mantelfläche ist bevorzugt dünnwandig ausgebildet (s. o.).
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine erfindungsgemäße Druckgießform.
- 2 veranschaulicht in einer schematischen perspektivischen Darstellung den Formhohlraum und einen Teil des Angusssystems der Druckgießform aus 1.
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Die in 1 gezeigte Druckgießform (Druckgießwerkzeug) 100 ist in einer nicht gezeigten Druckgießmaschine eingebaut und hat eine feststehende Formhälfte 110, eine bewegliche Formhälfte 120 und einen unteren, vertikal bewegbaren Schieber 130. Die Druckgießform 100 weist einen Formhohlraum 140 auf, in dem ein topfartiges (oder bei entsprechender Ausbildung auch rohrartiges) und im Wesentlichen rotationssymmetrisches Metalldruckgussbauteil erzeugt werden kann. Der Formhohlraum 140 weist einen hohlzylindrischen, stehend bzw. vertikal ausgerichteten Abschnitt 141 auf, mit dem beim Druckgießen ein entsprechender hohlzylindrischer Bereich am Druckgussbauteil erzeugt wird. Dabei wird die Hohl- bzw. Innenkontur durch einen am Schieber 130 vorhandenen Kern 135 abgebildet, wohingegen die Außenkontur durch die Formhälften 110, 120 abgebildet wird. Optional können weitere Schieber, z. B. ein oberer Schieber und seitliche Schieber, vorgesehen sein.
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Die Druckgießform 100 weist ferner ein Angusssystem 150 auf, mit dem der Formhohlraum 140 beim Druckgießen von unten gleichmäßig mit Schmelze S befüllt wird. Zum Angusssystem 150 gehört ein Lauf 152, ein Ringkanal 154, der sich mit einer horizontalen bzw. liegenden Ausrichtung unterhalb des hohlzylindrischen Abschnitts 141 befindet, und ein sich vertikal erstreckender ringzylindrischer Steigkanal 156, der den Ringkanal 154 mit dem Formhohlraum 140 verbindet und von unten in den hohlzylindrischen Abschnitt 141 einmündet. Der Ringkanal 154 und der quasi als Übergang fungierende ringzylindrische Steigkanal 156 erstrecken sich über 360° und sind somit umlaufend ausgebildet. Der Ringkanal 154 ist in den Schieber 130 integriert.
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Beim Druckgießen wird über den Lauf 152 zuerst der Ringkanal 154 mit Metallschmelze S gefüllt (z. B. Aluminiumschmelze), wobei sich die Schmelze S zunächst horizontal im Ringkanal 154 verteilt (der Ringkanal 154 kann insofern auch als Ringverteiler bzw. ringartiger Verteilungskanal bezeichnet werden) und erst dann durch den ringzylindrischen Steigkanal 156 aufsteigt und von unten in den Formhohlraum 140 bzw. in den hohlzylindrischen Abschnitt 141 einfließt und diesen gleichmäßig steigend ausfüllt. Gegebenenfalls erfolgt hierbei auch eine Umschaltung der Gießgeschwindigkeit, wie oben erläutert. Durch den Ringkanal 154 und den ringzylindrischen Steigkanal 156 wird eine gleichmäßig steigende Formfüllung des Abschnitts 141 und schließlich des gesamten Formhohlraums 140 erreicht. Der Ringkanal 154 wirkt insbesondere als Puffer und Ausgleichsbereich. Der ringzylindrische Steigkanal 156 kann auch als Steig(hohl)zylinder bezeichnet werden und ist bevorzugt mit konstanten Querschnitten (d. h. mit gleichbleibenden Außen- und Innendurchmessern) ausgebildet. Der ringzylindrische Steigkanal 156 muss ausreichend hoch sein, was z. B. durch Gießsimulation ermittelt werden kann.
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Das herzustellende Druckgussbauteil ist bspw. ein Statortopf für eine E-Maschine. Der Innendurchmesser beträgt z. B. 250 mm. Der Außendurchmesser beträgt z. B. 260 mm. Der Formhohlraum 140 bzw. der hohlzylindrische Abschnitt 141 ist dementsprechend ausgebildet. Der ringzylindrische Steigkanal 156 weist einen etwas geringeren Außendurchmesser auf. Der Ringkanal 154 weist z. B. einen Außendurchmesser von 320 mm auf, d. h. der Ringkanal 154 überragt in Horizontalrichtung bzw. in radialer Richtung sowohl den ringzylindrischen Steigkanal 156 als auch den hohlzylindrischen Abschnitt 141 des Formhohlraums 140. An der Außenfläche des herzustellenden Statortopfs können ferner durch entsprechende Ausgestaltung der Formhälften 110, 120 Kühl- und Versteifungsrippen vorgesehen sein.
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Der hohlzylindrische Abschnitt 141 des Formhohlraums 140, der ringzylindrische Steigkanal 156 und der Ringkanal 154 sind im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet, wie in 2 gezeigt. Zwischen dem Ringkanal 154 und dem ringzylindrischen Steigkanal 156 ist ein Ringspalt 155, d. h. ein Spalt mit Kreisringfläche, ausgebildet, der schraffiert dargestellt ist. Dieser Ringspalt 155 ist umlaufend über 360° ausgebildet und weist eine bevorzugte Spaltbreite von 2 mm bis 8 mm, insbesondere von 3 mm bis 6 mm, auf. Auch zwischen dem ringzylindrischen Steigkanal 156 und dem Formhohlraum 140 bzw. dessen hohlzylindrischen Abschnitt 141 befindet sich ein ebenfalls schraffiert dargestellter Ringspalt 157, dem eigentlichen Anschnitt (Ringanschnitt) bzw. Zulauf, der sich ebenso wie der Ringspalt 155 umlaufend über 360° erstreckt. Der vergleichsweise große Anschnitt 157 ermöglicht beim Druckgießen niedrige Strömungsgeschwindigkeiten der Schmelze S, wodurch die Lebensdauer bzw. Standzeit der Druckgießform 100 verlängert wird. Der Ringkanal 154 und der ringzylindrische Steigkanal 156 gehören zum Anschnitt- bzw. Angusssystem und bilden beim Druckgießen einen sogenannten Anguss, der später vom Druckgussbauteil entfernt und recycelt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Druckgießform
- 110
- Formhälfte
- 120
- Formhälfte
- 130
- Schieber
- 135
- Kern
- 140
- Formhohlraum
- 141
- Abschnitt (des Formhohlraums)
- 150
- Angusssystem
- 152
- Lauf
- 154
- Ringkanal
- 155
- Ringspalt
- 156
- Steigkanal
- 157
- Ringspalt (Anschnitt/Zulauf)
- H
- Horizontale
- S
- Schmelze
- V
- Längs-/Rotationsachse; Vertikale
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0020510 A1 [0004, 0013]
- DE 10133672 A1 [0004]
