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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckgießzelle wenigstens umfassend eine Gießkammer und einen entlang einer Längsachse in der Gießkammer axial verschiebbaren Gießkolben, wobei an dem Gießkolben wenigstens ein Rührelement aufgenommen ist, welches um die Längsachse des Gießkolbens drehbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Druckgussverfahren zum Vergießen einer teilerstarrten Metallschmelze.
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STAND DER TECHNIK
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Beim Druckgussverfahren werden Metallschmelzen unter hohem Druck und einer hohen Formfüllgeschwindigkeit mittels eines Gießkolbens aus einer Gießkammer in eine Gussform gepresst, wo sie dann unter Bildung eines Gussteils erstarrt. Der Prozess der Formfüllung verläuft typischerweise turbulent, so dass Luft- und Oxideinschlüssen als charakteristische Gussfehler auftreten. Solche Gussfehler verschlechtern die mechanischen Eigenschaften der Gussteile und erschweren oder verhindern nachfolgende Behandlungsschritte der Wärmebehandlung und des Verschweißens.
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Zur Vermeidung derartiger Gussfehler sind Druckgussverfahren bekannt, welche auf dem Vergießen von thixotropen, teilerstarrten Metallschmelzen basieren. Die Temperatur einer solchen teilerstarrten Metallschmelze liegt im Erstarrungsintervall zwischen Liquidus- und Solidustemperatur der zugehörigen Metalllegierung und es wird typischerweise angestrebt, einen Festphasenanteil von bis zu 50 Gew.% auszuscheiden, bevor die Schmelze vergossen wird. Beim Vergießen einer solchen teilerstarrten Metallschmelze sind die Strömungsverhältnisse im Wesentlichen laminar, sodass die Bildung von unerwünschten Gaseinschlüssen signifikant vermindert und porenarme Gussteile hergestellt werden können. Ein weiterer Verfahrensvorteil besteht dabei in der geringeren thermischen Belastung der Gussform aufgrund der geringeren Temperatur der teilerstarrten Metallschmelze im Vergleich zu einem konventionellen Druckgussverfahren, sodass sich eine erhöhte Werkzeugstandzeit ergibt. Um die zum Vergießen notwendige Fließfähigkeit der teilerstarrten Metallschmelze zu gewährleisten, ist es notwendig, diese während der Abkühlung einer Scherung zu unterziehen, insbesondere mittels eines Rührprozesses. Durch die eingebrachten Scherkräfte werden die sich bildenden Dendriten der Festphase wiederholt gebrochen und ein im Wesentlichen globulitisches Keimwachstum begünstigt. Die derart behandelte Schmelze weist eine deutlich geringere Viskosität als eine dendritisch teilerstarrte Schmelze gleichen Festphasenanteils auf.
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Beispielsweise offenbart die
DE 101 22 336 A1 eine Schmelzebehandlungseinrichtung zur Erzeugung einer thixotropen Schmelze für eine Verarbeitung in einer Kaltkammer-Druckgießmaschine. Dabei ist vorgesehen, die Schmelzebehandlung in einer separaten Einrichtung außerhalb der Gießkammer durchzuführen und die Schmelze im gewünschten thixotropen Zustand in die Gießkammer zum weiteren Vergießen einzufüllen. Nachteilig an einer solchen räumlichen Trennung von Schmelzebehandlung und -verarbeitung ist der notwendige Transfervorgang. Das Zudosieren der vorbehandelten Schmelze in die Gießkammer kann nicht unter dem hohen Druck des Gießvorgangs erfolgen, so dass die thixotrope Schmelze eine für den Transfer ausreichende Viskosität aufweisen muss, wodurch der verarbeitbare Festphasenanteil limitiert ist.
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Die
US 5,579,825 A ,
US 2004/0055726 A1 sowie die
EP 1 046 444 A1 offenbaren Druckgussverfahren, bei denen die Erzeugung eines teilerstarrten Zustands der Metallschmelze innerhalb der Gießkammer durchgeführt wird, wozu Einrichtungen zum elektromagnetischen Rühren der Metallschmelze um die Gießkammer angeordnet sind. Das elektromagnetische Rühren stellt einen nachteilig energieintensiven Prozess dar und die entsprechenden Einrichtungen beschränken zudem die Zugänglichkeit der Gießkammer für weitere periphere Vorrichtungen.
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Die
KR 100 535 618 B1 offenbart eine Druckgießzelle, bei welcher der Gießkolben in der Gießkammer um seine Längsachse drehbar ausgebildet ist, und wobei an der Stirnseite des Gießkolbens ein kleinteiliges Rührelement in Form einer gezackten Kontur angeordnet ist. Durch eine Drehbewegung des Gießkolbens ist es damit möglich, einem randseitigen Teilvolumen einer in der Gießkammer aufgenommenen Metallschmelze eine Scherung aufzuprägen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Ausführungsform einer Druckgießzelle und eines entsprechenden Druckgussverfahrens zum Vergießen einer teilerstarrten Metallschmelze vorzuschlagen, worin insbesondere eine Rührbehandlung der Metallschmelze innerhalb der Gießkammer durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Druckgießzelle gemäß Anspruch 1 und einem Druckgussverfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Die erfindungsgemäße Druckgießzelle umfasst wenigstens eine Gießkammer und einen entlang einer Längsachse in der Gießkammer axial verschiebbaren Gießkolben, wobei an dem Gießkolben wenigstens ein Rührelement aufgenommen ist, welches um die Längsachse des Gießkolbens drehbar ist. Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Rührelement relativ zu dem Gießkolben und im Erstreckungsverlauf der Längsachse linear verfahrbar ist zwischen
- - einer Gießstellung, in welcher das Rührelement vollständig hinter eine Stirnseite des Gießkolbens zurückgefahren ist, und
- - einer Rührstellung, in welcher das Rührelement wenigstens abschnittsweise über die Stirnseite des Gießkolbens hinaus ausgefahren ist und sich in die Gießkammer hinein erstreckt.
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Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, mit dem ausfahrbaren Rührelement einen mechanischen Rührvorgang in einer erstarrenden Metallschmelze durchführen zu können, welcher eine im Erstreckungsverlauf der Längsachse homogene Rührwirkung entfaltet. Erfindungsgemäß ist dazu das Rührelement so weit ausfahrbar, dass es sich über die Stirnseite des Gießkolbens hinaus bis zu einer Abgussöffnung bzw. dem Beginn des Gießlaufs am gegenüberliegenden Ende der Gießkammer erstreckt und somit das gesamte Volumen einer in der Gießkammer befindlichen Metallschmelze im Erstreckungsverlauf der Längsachse durchläuft. Bei Drehung des Rührelements in der Rührstellung um die Längsachse des Gießkolbens ist dann eine gleichförmige Einbringung einer Rührwirkung und somit die Ausbildung eines homogenen und zum weiteren Vergießen optimierten Teilerstarrungsgefüges in der Metallschmelze ermöglicht.
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Betreffend die konkrete geometrische Gestalt des Rührelements ist dabei eine Vielzahl zweckmäßiger Ausführungsformen denkbar, beispielsweise stabförmig, spiralförmig oder gewunden, wobei dabei gewährleistet sein muss, dass in der Gießstellung des Rührelements keine Beeinträchtigung des Vergießvorgangs vorliegt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Gießzelle mehrere Rührelemente aufweisen, welche beispielsweise auch unterschiedlich geformt sein können.
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Bei dem erfindungsgemäß ausfahrbaren Rührelement handelt es sich um ein konstruktiv einfaches und somit robustes Bauteil und ein entsprechend bestückter Gießkolben kann insbesondere zur Nachrüstung einer konventionellen Druckgießzelle verwendet werden. Im Gegensatz zu den Vorrichtungen zur Schmelzbehandlung aus dem Stand der Technik stellt die erfindungsgemäße Druckgießzelle somit eine kompakte, apparativ einfache und energieeffizient betreibbare Lösung dar.
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In vorteilhafter Ausführungsform weist das Rührelement eine stabförmige Gestalt auf, und ist am Umfang des Gießkolbens aufgenommen, derart, dass das Rührelement an einer Innenwandung der Gießkammer anliegt. Insbesondere kann der Gießkolben zylinderförmig ausgebildet sein und das stabförmige Rührelement ist in einer Längsnut auf dem Zylindermantel aufgenommen und schließt bündig mit diesem ab, wobei die Gießkammer die Gestalt eines Hohlzylinders aufweist und das Rührelement an der inneren Mantelfläche der Gießkammer anliegt. Bei Drehung des Rührelements um die Längsachse des Gießkolbens wird somit die umfängliche Randschicht einer in der Gießkammer aufgenommenen Metallschmelze durchmengt. Diese Randschicht an der Innenwandung der Gießkammer unterliegt während des Erstarrungsprozesses typischerweise den höchsten Abkühlungs- und Keimbildungsraten und das Durchrühren dieser Schicht stellt somit einen besonders effektiven Vorgang zur Beeinflussung des Erstarrungsprozesses des gesamten Schmelzvolumens dar. Zudem werden somit unerwünschte Anhaftungen der Festphase an der Innenwandung verhindert.
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Vorzugsweise sind dabei mehrere Rührelemente in regelmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Gießkolbens aufgenommen. Beispielsweise können drei Rührelemente im Abstand von 120° angeordnet sein, und eine solche regelmäßige Anordnung führt zu einer Zentrierung des Rotationsschwerpunktes der Anordnung auf die Längsachse des Gießkolbens, sodass auch schnelle Drehbewegungen frei von Unwucht durchgeführt werden können.
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In vorteilhafter Ausführungsform ist das Rührelement außerhalb der Gießkammer mit einem Bügel starr verbunden, wobei der Bügel mittels eines Linearantriebs relativ zu dem Gießkolben entlang der Längsachse linear verfahrbar ist. Der Bügel dient insbesondere dazu, bei einer Druckgießzelle mit einer Mehrzahl von Rührelementen diese starr miteinander zu koppeln und mittels eines einzigen Linearantriebs linear verfahrbar zu gestalten. Vorzugsweise umfasst der Linearantrieb ein motorbetriebenes Schneckenrad, welches an dem Bügel aufgenommen ist und in eine auf dem Umfang des Gießkolbens angeordnete Zahnstange eingreift.
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Weiterhin umfasst der Gießkolben in vorteilhafter Ausführungsform eine innenliegende Kolbenstange und eine äußere Kolbenhülle, wobei die Kolbenhülle auf der Kolbenstange drehbar gelagert ist und wobei das Rührelement an der Kolbenhülle aufgenommen ist. Dabei ist an dem Gießkolben vorzugsweise ein Drehantrieb zur Drehung der Kolbenhülle um die Kolbenstange angeordnet, wobei der Drehantrieb einen Motor und ein Stirnradgetriebe umfasst. Beispielsweise weist der Gießkolben ein Kugelkopflager auf, wobei das Kugelkopflager zur drehbaren Lagerung der Kolbenhülle auf der Kolbenstange ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Druckgussverfahren zum Vergießen einer teilerstarrten Metallschmelze, welches wenigstens die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- - Bereitstellen einer Druckgießzelle gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei die Gießkammer eine Einfüllöffnung und eine Abgussöffnung aufweist,
- - Einfüllen einer Metallschmelze in die Gießkammer durch die Einfüllöffnung,
- - Vorschieben des Gießkolbens in eine Rührposition, in welcher die Einfüllöffnung durch den Gießkolben verschlossen ist, wobei sich das Rührelement in der Gießstellung befindet,
- - Ausfahren des Rührelements in die Rührstellung,
- - Rühren der Metallschmelze während einer Teilerstarrungsdauer mittels Drehens des Rührelements um die Längsachse des Gießkolbens,
- - Einfahren des Rührelements in die Gießstellung, und
- - Vergießen der teilerstarrten Metallschmelze mittels Vorschiebens des Gießkolbens bis zur Abgussöffnung.
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Vorzugsweise wird die Druckgießzelle mit Medienkanälen in einer Wandung der Gießkammer und/oder in dem Gießkolben zum Anschluss an eine Temperiervorrichtung bereitgestellt, wobei mittels der Temperiervorrichtung die Temperatur der Metallschmelze während der Teilerstarrungsdauer eingestellt wird. Die Einstellung gezielter Temperaturprofile stellt neben dem mechanischen Rührvorgang eine wesentliche Möglichkeit zur Beeinflussung des Erstarrungsprozesses der Metallschmelze dar. Die Temperiervorrichtung beaufschlagt die Medienkanäle mit gekühlten und/oder erhitzten Medien, wodurch Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr der Metallschmelze gesteuert werden.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1a eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Druckgießzelle mit Gießkolben in einer Einfüllposition,
- 1b eine entsprechende Querschnittsansicht,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Druckgießzelle mit Gießkolben in einer Rührposition, und
- 3 eine perspektivische Ansicht der Druckgießzelle mit Gießkolben in einer Abgussposition.
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Die Figuren zeigen eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckgießzelle 100, wobei die jeweils dargestellten Positionen und Stellungen des Gießkolbens 2 und der Rührelemente 3 unterschiedlichen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Druckgussverfahrens zugeordnet sind. In den perspektivischen Ansichten der 1a, 2 und 3 ist die Gießkammer 1 jeweils transparent dargestellt, um den in ihrem Inneren aufgenommenen Abschnitt des Gießkolbens 2 sichtbar zu machen. Zudem sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Medienkanäle 70, 71, 72 zum Anschluss an eine Temperiervorrichtung lediglich in der Querschnittsansicht der 1b dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Druckgießzelle 100 umfasst die Gießkammer 1 und den darin entlang seiner Längsachse z verschiebbaren Gießkolben 2. Die Gießkammer 1 weist die an ihrem Umfang aufgenommen Einfüllöffnung 11 zur Befüllung der Gießkammer 2 mit einer Metallschmelze auf, sowie die stirnseitige Abgussöffnung 12 zum Anschluss an eine Gussform. Der Gießkolben 2 umfasst die drei Rührelemente 3, welche in regelmäßigen Abständen von 120° an seinem Umfang aufgenommen sind. Die Rührelemente 3 schließen bündig mit der Kontur des Gießkolbens 2 ab und die in die Gießkammer 1 hineinreichenden Abschnitte der Rührelemente 3 liegen folglich in jeder Stellung an der Innenwandung 10 der Gießkammer 1 an. Der Umfang des Gießkolbens 2 wird gebildet durch die Kolbenhülle 22, welche die innenliegende Kolbenstange 21 umschließt. Die Rührelemente 3 sind außerhalb der Gießkammer 1 mit dem umlaufenden Bügel 4 starr verbunden und mittels des Linearantriebs 5 relativ zu dem Gießkolben 2 im Erstreckungsverlauf der Längsachse z linear verfahrbar. Der Linearantrieb 5 umfasst das an dem Bügel 4 aufgenommene Schneckenrad 51 und den das Schneckenrad 51 antreibenden Motor 53, sowie die auf dem Umfang der Kolbenhülle 22 angeordnete Zahnstange 52. Das Schneckenrad 51 befindet sich in Eingriff mit der Zahnstange 52 und die Drehung des Schneckenrades 51 wird somit in eine Linearbewegung des Bügels 4 und der damit starr verbundenen Rührelemente 3 umgesetzt. Zur Drehung der Kolbenhülle 22 um die Kolbenstange 21 ist an dem Gießkolben 2 der Drehantrieb 6 angeordnet, welcher den Motor 61 und das Stirnradgetriebe 62 umfasst. In der Querschnittsansicht der 1b ist das Kugelkopflager 23 ersichtlich, welches zur drehbaren Lagerung der Kolbenhülle 22 auf der Kolbenstange 21 ausgebildet ist.
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Die Medienkanäle 70, 71, 72, welche zum Zwecke der übersichtlichen Darstellung lediglich in der 1b eingezeichnet sind, dienen dem Anschluss der Gießzelle an eine hier nicht dargestellte Temperiervorrichtung, welche zum Betrieb von Kreisläufen kühlender oder wärmender Medien ausgebildet ist. Der Medienkanal 70 in der Wandung der Gießkammer 1 besteht aus zwei oder mehreren Längsbohrungen, welche mittels einer bzw. mehreren kurzen Querbohrungen im Bereich der Abgussöffnung 12 verbunden sind. Zur Temperierung des Gießkolbens 2 dienen die in der Kolbenstange 21 verlaufenden Medienkanäle 71 und 72. Dabei bildet der Medienkanal 71 als ein im Inneren des Medienkanal 72 aufgenommenes Rohr den Vorlauf des Medienkreislaufs, und der Rücklauf wird durch den Medienkanal 72 gebildet. Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform können sich die Medienkanäle 71 und 72 unter Verwendung einer geeigneten Dichtung auch bis in den gießkammerseitigen Stirnabschnitt der Kolbenhülle 22 erstrecken. Beispielsweise kann der gießkammerseitig an das Kugelkopflager 23 anschließende Stirnabschnitt der Kolbenhülle 22 aus einem besonders wärmeleitfähigen Werkstoff ausgebildet sein, insbesondere aus einer Kupferlegierung.
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In den 1a und 1b befindet sich der Gießkolben 2 in einer zurückgezogenen Einfüllposition, in welcher die Einfüllöffnung 11 der Gießkammer 1 freigegeben ist. Die Rührelemente 3 befinden sich dabei in der Gießstellung, in welcher die Stirnseiten der Rührelemente 3 mit der Stirnseite 20 des Gießkolbens 2 in Deckung gebracht sind, sodass die Rührelemente 3 vollständig hinter die Stirnseite 20 des Gießkolbens 2 zurückgefahren sind. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Druckgussverfahrens wird in dieser Stellung das Einfüllen einer Metallschmelze in die Gießkammer 1 durch die Einfüllöffnung 11 durchgeführt (zwecks Übersichtlichkeit ist hier auf eine Darstellung der Metallschmelze in den Figuren verzichtet worden). Anschließend erfolgt ein Vorschieben des Gießkolbens 2 in eine Rührposition, in welcher die Einfüllöffnung 11 durch den Gießkolben 2 verschlossen ist und in welcher sich der Gießkolben 2 so weit in die Gießkammer 1 hinein erstreckt, dass das verbleibende Volumen der Gießkammer 1 vollständig von der Metallschmelze ausgefüllt ist.
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Anschließend erfolgt das Ausfahren der Rührelemente 3 in die in der 2 dargestellte Rührstellung. In dieser Rührstellung erstrecken sich die Rührelemente 3 entlang der Innenwandung 10 der Gießkammer 1 bis zur Abgussöffnung 12, d.h. entlang des gesamten in der Gießkammer 1 aufgenommenen Volumens der Metallschmelze. Die in der 2 dargestellte Rührposition des Gießkolbens 2 mit der entsprechenden Rührstellung der Rührelemente 3 ist dabei exemplarisch zu sehen, und kann erfindungsgemäß an den jeweiligen Füllstand der Gießkammer 1 angepasst werden, beispielsweise kann durch weiteres Vorschieben des Gießkolbens 2 eine geringere Schmelzemenge behandelt werden. Während der Teilerstarrungsdauer der in der Gießkammer 1 aufgenommenen Metallschmelze werden die Rührelemente 3 über eine Drehung der Kolbenhülle 22 mittels des Drehantriebs 6 in Rotation um die Längsachse z versetzt und führen dabei zu einer Scherbelastung und Durchmischung der erstarrenden Metallschmelze. Durch Variation der Drehgeschwindigkeit der Rührelemente 3 oder beispielsweise durch definierte Rührintervalle kann dabei der Erstarrungsprozess der Metallschmelze im Detail zielgerichtet beeinflusst werden.
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Sobald die in der Gießkammer 1 aufgenommene Metallschmelze die zum Vergießen gewünschte Zusammensetzung hinsichtlich ihres Festphasenanteils aufweist, werden die Rührelemente 3 in die Gießstellung zurückgefahren, und, wie in 3 dargestellt, durch Vorschieben des Gießkolbens 2 bis zur Abgussöffnung 12 wird die teilerstarrte Metallschmelze vergossen, d.h. in eine hinter der Abgussöffnung 12 angeordnete Gussform eingepresst.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Druckgießzelle
- 1
- Gießkammer
- 10
- Innenwandung
- 11
- Einfüllöffnung
- 12
- Abgussöffnung
- 2
- Gießkolben
- 20
- Stirnseite Gießkolben
- 21
- Kolbenstange
- 22
- Kolbenhülle
- 23
- Kugelkopflager
- 3
- Rührelement
- 4
- Bügel
- 5
- Linearantrieb
- 51
- Schneckenrad
- 52
- Zahnstange
- 53
- Motor Linearantrieb
- 6
- Drehantrieb
- 61
- Motor Drehantrieb
- 62
- Stirnradgetriebe
- 70, 71, 72
- Medienkanal
- z
- Längsachse Gießkolben
