DE10253615B4 - Verfahren zum kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen aus einer Metallschmelze und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zum kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen (7) aus einer Metallschmelze (8) in ein Formwerkzeug (1), bei welchem das Formwerkzeug (1) während des Erstarrungsvorgangs der Metallschmelze (8) in mindestens einer Achse gedreht und/oder geschwenkt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit variiert wird über eine adaptive Veränderung von Parametern, basierend auf
– einer gleichzeitig ablaufenden Simulation in Hinsicht auf eine optimale Wanddickenverteilung des hohlen Bauteils (7)
– und mittels Sensoren erfassten Gieß- und Bauteildaten.

Description

• Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum kernlosen Gießen zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
• Aus der Druckschrift DE 41 06 964 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formhäuten aus Kunststoff mittels Rotationsgießen bekannt.
• Aus der Druckschrift US 3 929 182 ist ein Schleudergußverfahren zum kernlosen Gießen von Hohlkugeln bekannt, bei welchem unter einer konstanten Winkelgeschwindigkeit Hohlkugeln aus einer Metallschmelze in ein Formwerkzeug hergestellt werden. Bei diesem Verfahren werden gleichmäßige rotationssymmetrische Hohlkugelformen mit einer konstanten Wanddicke produziert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen anzugeben, welche dafür geeignet sind, komplizierte Bauteilgestalten zu gießen, wobei die gegossenen Bauteile in ausgewählten Bereichen während des Gießens verstärkt werden und diesen Bauteilen dadurch zielgerichtet eine gewünschte Steifigkeit verliehen wird.
• Diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 8 gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüchen.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen aus einer Metallschmelze in ein Formwerkzeug. Bei diesem Verfahren wird das Formwerkzeug während des Erstarrungsvorgangs der Metallschmelze in mindestens einer Achse gedreht und/oder geschwenkt, wobei die Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit während des Erstarrungsvorgangs variiert wird.
• Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutzen, dass die Metallschmelze während des Drehens und/oder Schwenkens beim kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen an den Formwerkzeugwänden in unterschiedlicher Form und Geschwindigkeit erstarrt. Dies führt dazu, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der variablen Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit ein oder mehrere hohle Bauteile mit unterschiedlichen Wanddicken an der Aussenkontur erzeugt werden können. Dabei ermöglicht das Verfahren zum kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen das Herstellen von einfachen und komplexen Formen bzw. Aussenkonturen. Derartige Bauteile weisen im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen bessere mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise bessere Steifigkeit und Stabilität bei einem niedrigen Gewicht auf. Diese Bauteile eignen sich aufgrund ihres geringen Gewichts und wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften besonders für Anwendungen in der Automobilindustrie, z.B. als Trägerarten – insbesondere Integralträger – oder als Fahrwerksteile, wie Querlenker oder wie Teile der Hinterachse.
• Das erfindungsgemäße Verfahren schafft die Voraussetzungen zur Herstellung von derartigen Bauteilen ohne den Einsatz von Kernen. Dies führt zu einer erheblichen Reduktion der Herstellkosten, insbesondere durch die Materialeinsparung, das die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht. Gerade durch die Bewegung des Formwerkzeugs in Form eines Schwenkens und Drehens lassen sich sehr komplexe Bauteile realisieren, die insbesondere durch unterschiedliche Wandstärken besondere mechanische Eigenschaften zeigen.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zeitliche Verlauf der Variation der Rotations- oder Schwenkgeschwindigkeit in Abhängigkeit einer vorherigen oder gleichzeitig mit dem Herstellungsverfahren durchgeführten Simulation der Metallschmelzeerstarrung insbesondere in Hinsicht auf eine optimale Wanddickenverteilung des hohlen Bauteils verändert.
• Die Simulation des zeitlichen Verlaufs des Erstarrungsvorgangs der Metallschmelze ermöglicht es, gute Vorhersagen über die durch das Variieren der Rotations- oder Schwenkgeschwindigkeit beeinflussten Erstarrungsvorgängen im Bauteil, über die Werkstoffeigenschaften in ausgewählten Bauteilbereichen und über den zeitlichen Ablauf der Abkühlungsvorgängen im Werkstoff bzw. Bauteil zu gewinnen. Damit lassen sich die Bauteileigenschaften optimieren. Eine zu dem Gießvorgang gleichzeitig ablaufende Simulation erlaubt außerdem auf Basis von mittels Sensoren erfasste Gieß- oder Bauteildaten eine adaptive Veränderung der Parameter für den Gießvorgang und damit eine verbesserte Einstellung der gewünschten Wanddickenverteilung. Dies ermöglicht die Herstellung von sehr hochwertigen Bauteilen.
• Die vorherige Simulation der Erstarrung der Metallschmelze gewährleistet eine hinreichend genaue Vorhersage der Geometrie des Bauteils hinsichtlich werkstoffkundlicher, fertigungstechnischer und konstruktiver Überlegungen. Anhand der Gießsimulation mit der Berücksichtigung insbesondere temperatur- und gefügeabhängiger Werkstoffkenngrößen, wie bspw. Streckgrenze, Viskosität, Elastizitätsmodul, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient usw, werden das Strömungs-, Einfüll- und Erstarrungsverhalten berechnet. Zusätzlich liefert die Simulation Aussagen über Schrumpfungsprozesse. Dies führt zu einem kostengünstigen einfachen Herstellungsverfahren.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Formwerkzeug während der Rotation und/oder eines Schwenkens befüllt. Hierdurch ist eine homogene Verteilung der Metallschmelze entlang der Außenkontur des Bauteils gewährleistet. Dabei führt die homogene Verteilung der Metallschmelze zu einer gleichmäßigen Erwärmung der Form. Zusätzlich wird infolge der Überlagerung von Rotation und/oder des Schwenkens und der Befüllung des Formwerkzeugs eine Reduzierung der Gießzeit erreicht.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine erste getrennte Formhälfte befüllt und das Formwerkzeug nach der Befüllung mit einer zweiten Formhälfte geschlossen. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass trotz der komplizierten Außenkontur des Formwerkzeugs lediglich eine einfache Vorrichtung, bestehend aus zwei Formhälften, verwendet wird. Dabei kann die zweite Formhälfte aus einem oder mehreren Formteilen bestehen. Dies gewährleistet ein einfaches Ausformen nach dem Erstarrungsvorgang. Eine weitere Verbesserung der gewünschten Werkstoffeigenschaften kann über einen nachgelagerten Wärmebehandlungsprozess erfolgen.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Formwerkzeug durch eine oder mehrere Formwerkzeugöffnungen befüllt. Die Befüllung des Formwerkzeuges über eine Werkzeugöffnung wird mittels einer einfachen Vorrichtung erreicht und zeigt somit eine kostengünstige Vorrichtung und mithin ein kostengünstiges Gießen. Die Befüllung des Formwerkzeugs durch mehrere Werkzeugöffnungen gewährleistet eine schnellere und homogenere Befüllung sowie eine genauere Dosierung der Metallschmelze. Dies erlaubt das Gießen von sehr komplizierten Bauteilformen in einer für das Gießverfahren kurzen Gießzeit.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit abhängig von der Wahl der Achsen differenziert verändert oder gewählt. Nach diesem Verfahren wird insbesondere durch eine differenzierte Veränderung der miteinander überlagerten Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit eine bessere Verteilung der Metallschmelze auf der Außenkontur bei einfachen und im Besonderen auch bei sehr komplexen Bauteilformen ermöglicht. Dabei wird die differenzierte Veränderung der Rotations- und Schwenkgeschwindigkeit abhängig von der jeweiligen Bauteilform gewählt.
• In einer weiteren günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens steht das Formwerkzeug während des Erstarrungsvorgangs des flüssigen Metalls unter Innenüber- oder aber unter Innenunterdruck. Hierdurch wird die Herstellung von Bauteilen mit besseren Werkstoffeigenschaften ermöglicht. Das Vorhandensein einer Schutzgasatmosphäre, deren Zusammensetzung beispielsweise so gewählt wird, dass weder Ab- und Auskohlungen noch Oxydation der Metallschmelze innerhalb der Bauteilform auftritt, ermöglicht eine Reduzierung von Oxydationsvorgängen und führt damit zu hochwertigen Bauteilen, die insbesondere bei gleichzeitigem Einstellen eines gewünschten Innenüber- oder Innenunterdrucks zusätzlich verbessert werden. Dadurch werden mögliche Schrumpfungen an ungünstigen Stellen vermieden , die zu einer Lunkerbildung führen können. Eine verbesserte Gußqualität mit entsprechend geringeren oxydierten Einschlüssen kann damit erreicht werden.
• Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zum kernlosen Gießen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung enthält eine Steuereinrichtung, die die variable Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit einstellt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Herstellung von gegossenen Hohlbauteilen und zeigt somit die vergleichbaren Vorteile, wie bereits bei der Beschreibung des Gegenstands des Anspruchs 1 genannt sind.
• In einer besonderen Weiterbildung der Vorrichtung ist eine Simulationseinrichtung vorgesehen, welche mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Sie wirkt mit einer Steuereinheit dahingehend zusammen, dass die Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit entsprechend den Ergebnissen der gleichzeitig ablaufenden oder vorab abgeschlossenen Simulation variiert wird.
• Die Simulationseinrichtung ermöglicht über die Steuereinrichtung die zielgerichtete, optimierte Beeinflussung der Strömung des flüssigen Metalls auf der Innenkontur des Formwerkzeuges bzw. des Bauteils. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass das Abkühlverhalten und die Erstarrung durch anhand der Simulation optimierte Gießparameter wie Dreh- und/oder Rotationsgeschwindigkeit aber auch Abkühltemperatur gleichmäßig verlaufen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in 1 dargestellten, beispielhaften Ausführungsform dargestellt.
• Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von kernlos gegossenen hohlen Bauteilen auch Hohlkörper genannt mit den Schritten: a) Eingießen, b) Rotieren und Schwenken, c) Entleeren und d) Entnehmen.
• In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 werden in dem Verfahren zum kernlosen Gießen aus einer Metallschmelze 8 einfache Hohlkörper 7 in Form von Hohlkugeln mit nicht rotationssymmetrischen Wandstärkenverteilung mittels eines Formwerkzeugs 1 als Teil einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hergestellt. Die Vorrichtung zum kernlosen Gießen besteht aus einer Steuereinrichtung – hier nicht dargestellt – zur Steuerung der variablen Rotations- und Schwenkgeschwindigkeit des Formwerkzeuges 1, welches aus zwei Formhälften 2, 3 besteht. Zunächst wird gemäß Schritt a) das Formwerkzeug 1 mit einer flüssigen Metallschmelze 8 befüllt. Die Befüllung kann durch eine oder mehrere Formwerkzeugöffnungen – hier nicht dargestellt – in das Formwerkzeug 1 erfolgen. Dabei überschneidet sich der Befüllvorgang auch mit dem nächsten Schritt b), der das Rotieren und Schwenken beinhaltet. Das Rotieren und Schwenken ist mit Pfeilen dargestellt. Dabei wird das Formwerkzeug 1 in Drehung versetzt und geschwenkt. Die Metallschmelze 8 hat unter der Wirkung der Schwerkraft das Bestreben, stets im tiefsten Punkt der Vertiefung des Hohlraums 4 des Formwerkzeugs 1 zu bleiben.
• Durch den Schritt b), bei dem das Formwerkzeug 1 um verschiedene Raumachsen rotiert und geschwenkt wird, gelangt die flüssige Metallschmelze 8 an unterschiedliche Bereiche der Innenkontur 5 des Formwerkzeugs 1, wodurch sie an der Formwerkzeuginnenwand 5 erstarrt. Durch Haltezeiten oder Variation der Rotationsgeschwindigkeiten und Verschwenkgeschwindigkeiten werden unterschiedliche Wanddicken erzeugt. Durch diese variierte Rotations- und Schwenkbewegungen wird dabei die gesamte Innenkontur 5 des Formwerkzeugs 1 – diese entspricht der Formwerkzeuginnenwand – mit der flüssigen Metallschmelze 8 beaufschlagt, wodurch sich der Hohlkörper 7 mit differenzierten Wandstärken durch Erstarren bildet. Ein eventuell verbleibender Rest an Metallschmelze 6 wird gemäß Schritt c) durch die nicht dargestellten Werkzeugöffnungen entleert.
• Ist das Bauteil komplett erstarrt werden gemäß Schritt d) die Formhälften 2 und 3 getrennt und das Bauteil 7 entnommen. Die vollständige Abkühlung erfolgt außerhalb des Formwerkzeugs 1.
• Die durch das beschriebene Verfahren hergestellten hohlen Bauteilen aus einer Metallschmelze zeigen unterschiedliche Wandstärken und weisen damit eine besondere Steifigkeit auf.

Claims (8)

1. Verfahren zum kernlosen Gießen von hohlen Bauteilen (7) aus einer Metallschmelze (8) in ein Formwerkzeug (1), bei welchem das Formwerkzeug (1) während des Erstarrungsvorgangs der Metallschmelze (8) in mindestens einer Achse gedreht und/oder geschwenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit variiert wird über eine adaptive Veränderung von Parametern, basierend auf – einer gleichzeitig ablaufenden Simulation in Hinsicht auf eine optimale Wanddickenverteilung des hohlen Bauteils (7) – und mittels Sensoren erfassten Gieß- und Bauteildaten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Variation der Rotations- oder Schwenkgeschwindigkeit in Abhängigkeit einer Simulation der Metallschmelzeerstarrung in Hinsicht auf eine optimale Wanddickenverteilung des hohlen Bauteils (7) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formwerkzeug (1) während der Rotation und/oder des Schwenkens befüllt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Formhälfte befüllt wird und das Formwerkzeug (1) nach der Befüllung mit einer zweiten Formhälfte (2, 3) geschlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1) durch eine oder mehrere Formwerkzeugöffnungen befüllt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotations- oder Schwenkgeschwindigkeit abhängig von der Wahl der Achsen differenziert verändert oder gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1) während des Erstarrungsvorgangs der Metallschmelze (8) unter Innenüber- oder Innenunterdruck steht.
8. Vorrichtung zum kernlosen Gießen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält – eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Variation der Rotations- und/oder Schwenkgeschwindigkeit über eine adaptive Veränderung von Parametern, – eine Simulationseinrichtung, die mit der Steuereinrichtung verbunden ist, – Sensoren zur Erfassung von Gieß- und Bauteildaten.