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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallgießverfahren und eine Gießmaschine zum Gießen von Metallteilen.
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Ein Schwerpunkt der Erfindung besteht darin, den Ertrag des SPM-Verfahrens („SPM” = Semi-Permanent Mould = Halbkokillenguss) zu verbessern, sodass er dem HPDC-Verfahren („HPDC” = High Pressure Die Casting = Hochdruckguss) entspricht.
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Das Halbkokillengießverfahren arbeitet mit denselben allgemeinen Prozeduren wie das Kokillengießverfahren, aber beim SPM-Verfahren werden dem Formprozess verlorene Kerne aus Sand oder anderen Materialien zugegeben, um eine gewünschte. Gestalt oder einen Innenkanal zu erzeugen. Beim Halbkokillenguss wird ein vorgeformter Kern in den Kokillenhohlraum eingeführt. Das Metall fließt um den Einsatz und erzeugt die/den gewünschte(n) Gestalt oder Kanal. Die Verwendung eines Sandkerns lässt es zu, den Einsatz leicht zu entfernen, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
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Es ist in der Gießereiindustrie bekannt, dass das Füllen eines Formhohlraums mit geschmolzenem Metall zum Erzeugen eines Hochqualitätsgussteils Präzision beim Durchführen aller aufeinander folgender Stufen des Gießprozesses erfordert, sodass das geschmolzene Metall ordnungsgemäß erstarrt und Gussteile mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften und ohne Oberflächendefekte, Einschlüsse von anderen Materialien und Gasen und mit geometrischer Maßhaltigkeit erzeugt.
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Die Qualität der Gussteile wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst. Zum Beispielmuss für Gussteile mit komplexer Geometrie und dünnwandigen Formen das geschmolzene Material überhitzt werden, um eine gute Fluidität zu erzielen, die gewährleistet, dass der Formhohlraum voll ausgefüllt wird. Je höher jedoch die Temperatur des geschmolzenen Metalls ist, desto länger dauert es, bis das Gussteil gekühlt und erstarrt ist.
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Sandformen erfordern beispielsweise zusätzlichen Aufwand, um die Wärme des flüssigen Metalls abzuführen, um ein ausreichend schnelles Erstarren zu gewährleisten. Wenn die Erstarrung mit einer zu niedrigen Kühlrate erfolgt, dann reicht die Mikrostruktur des festen Metalls nicht aus, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Zugdehnung zu erzielen.
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Es ist in der Gießereiindustrie weitverbreitete Praxis, die Formen von unten nach oben mit flüssigem Material zu füllen. Zweck dieser Maßnahme ist es, zu gewährleisten, dass das geschmolzene Metall in einem turbulenzfreien und ruhigen Strom in die Form fließt, damit keine Luft oder andere Gase eingeschlossen werden, die Poren in dem Gussteil bilden können.
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Dazu wird in der allgemeinen Praxis ein System von Angüssen, Angusskanälen und Anschnitten vorgesehen, das es zulässt, das geschmolzene Metall in einer Pfanne in das Kanalsystem der Form zu geben, sodass der Formhohlraum ausgefüllt wird, in dem das jeweilige Gussteil geformt wird, und in einen Steiger eintritt, der sich über dem obersten Rand des Gussteils befindet. Das im Steiger vorhandene flüssige Metall stellt die Menge an Metall bereit, die zum Ausfüllen eventueller Lücken nötig ist, die durch die Volumenkontraktion beim Erstarren des geschmolzenen Metalls entstehen können.
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Ein Beispiel für eine Maschine und ein Verfahren zum Gießen von Metallteilen durch direktes Gießen von geschmolzenem Metall von einer Gießpfanne mit Stopfenausguss in die Form findet sich in
US 7,140,415 .
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Vor dem Hintergrund des Standes der Technik war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Gießmaschine bereitzustellen, die die Porositätsdefekte aufgrund von Schrumpfen des Gussteils durch das Erstarren des Metalls minimiert.
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Mit Bezug auf den Gießvorgang wird dieses Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass er die Merkmale gemäß Anspruch 1 hat.
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Mit Bezug auf die Gießmaschine wird dieses Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie die Merkmale von Anspruch 9 hat.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Variationen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor und werden, wie auch das allgemeine erfinderische Konzept, nachfolgend und in den beiliegenden Zeichnungen erläutert.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Gießen von Metallteilen in einer Form einen von einer Umgebungswand und von internen Kernen gebildeten Formhohlraum. Die Form definiert den genannten Formhohlraum mit der Gestalt des genannten Gussteils. Die Form beinhaltet auch ein System von Angüssen, Angusskanälen oder Anschnitten, die einen Strömungskanal definieren, durch den das genannte geschmolzene Metall beim Gießen des geschmolzenen Metalls fließt, um den genannten Formhohlraum von unten nach oben zu füllen. Die Form umfasst ferner einen Steigerhohlraum, in dem beim Gießen eine bestimmte Menge an geschmolzenem Metall in Fluidverbindung mit dem genannten Formhohlraum gehalten wird, während das genannte geschmolzene Metall in dem genannten Formhohlraum erstarrt. Dadurch wird geschmolzenes Metall entsprechend dem Schrumpfeffekt des Erstarrens des genannten Metalls in dem genannten Formhohlraum zugeführt.
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Gemäß der Erfindung wird der Gießvorgang in zwei aufeinanderfolgenden Gießschritten durchgeführt:
- – einem ersten Gießschritt, bei dem ein erster Teil von geschmolzenem Metall dem genannten Strömungskanal zugeführt wird, um den genannten Formhohlraum zu füllen
und - – einem zweiten Gießschritt, in dem ein anderer Teil von geschmolzenem Metall direkt auf den Steigerhohlraum gegossen wird.
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Dementsprechend umfasst eine Gießmaschine zum Gießen von Metallteilen in einer Form gemäß der Erfindung einen Formhohlraum, der von einer Umgebungswand und von internen Kernen gebildet wird, die den genannten Formhohlraum mit der Gestalt des genannten Gussteils definieren. Ferner umfasst die Form ein System von Angüssen, Angusskanälen oder Anschnitten, die einen Strömungskanal definieren, durch den im Laufe des Gießens des geschmolzenen Metalls in die Form das genannte geschmolzene Metall fließt, um den genannten Formhohlraum von unten nach oben zu füllen, wobei die genannte Form ferner einen Steigerhohlraum umfasst, wobei eine bestimmte Menge an geschmolzenem Metall in Fluidverbindung mit dem genannten Formhohlraum gehalten wird, während das genannte geschmolzene Metall in dem genannten Formhohlraum erstarrt, sodass mehr geschmolzenes Metall entsprechend der durch das Erstarren des genannten Metalls in dem genannten Formhohlraum entstehenden Schrumpfung zugeführt wird. Erfindungsgemäß umfasst die Gießmaschine auch:
- – eine erste Öffnung, die in Fluidverbindung mit dem genannten Formhohlraum ist, sodass ein erster Teil des geschmolzenen Metalls in die Form gegossen werden kann, um den genannten Formhohlraum von unten nach oben zu füllen, und
- – eine zweite Öffnung in dem genannten Steigerhohlraum zum Gießen eines zweiten Teils des genannten geschmolzenen Metalls in den genannten Steigerhohlraum.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch Unterteilen des Füllens der Form in zwei Füllsequenzen, die zeitlich überlappen können, die aber vorzugsweise auf konsekutive Weise durchgeführt werden, die Produktivität des Gießens erhöht wird und Porositäts- und Schrumpfdefekte der erhaltenen Gussteile erheblich verringert werden.
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Für diesen Zweck der Erfindung wird das geschmolzene Gießmetall in einem ersten Arbeitsschritt durch Schwerkraft in die Form über die erste Formöffnung gegossen, sodass die das Gussteil bildende Form beginnend vom Boden aufwärts bis zum oberen Ende gefüllt wird.
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In einem zweiten Arbeitsschritt wird geschmolzenes Gießmetall separat vom ersten Strom in einen Steiger gefüllt, der auch mit dem Formhohlraum über eine geeignete Leitung verbunden ist. Der Steiger ist in der Region des oberen Endes der Form auf eine übliche Weise angeordnet, sodass geschmolzenes Metall im Laufe des Füllens des Formhohlraums in den Steiger fließt und sodass im Steiger vorhandenes geschmolzenes Metall umgekehrt zurück in den Formhohlraum fließen kann, falls das im Formhohlraum vorhandene Metallvolumen im Laufe des Erstarrens schrumpft.
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In dieser Hinsicht hat die Erfindung den wichtigen Vorteil, dass sie es zulässt, das Volumen des Steigers zu reduzieren. Die Reduktion des Volumens erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Höhe des Steigers vergrößert und gleichzeitig seine Breite reduziert wird. Die Breitenreduzierung soll die Höhenzunahme überkompensieren, um ein minimiertes Volumen des Steigers zu erzielen und dabei die Höhe des in den Steiger gefüllten Schmelzevolumens auf einem bestimmten Niveau zu halten.
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Zum Gießen des geschmolzenen Metalls kann eine Pfanne wie in der üblichen Praxis verwendet werden.
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Zum Vereinfachen des Füllens der Form im ersten Gießschritt kann der erste Teil des geschmolzenen Metalls in einen Speiserhohlraum gegossen werden, der mit dem Strömungskanal verbunden ist, über den das geschmolzene Metall in den Hohlraum der Form fließt. Zu diesem Zweck kann eine erfindungsgemäß ausgelegte Maschine einen Speiserhohlraum umfassen, der mit dem Strömungskanal verbunden ist, um das geschmolzene Metall aufzunehmen und um das geschmolzene Metall in den Strömungskanal zu speisen. Der Speiserhohlraum ist vorzugsweise über dem Niveau des Steigerhohlraums angeordnet, um zu gewährleisten, dass im Laufe des ersten Gießschrittes die indirekt aus dem Formhohlraum fließende Schmelze den Steigerhohlraum erreicht, bevor die Schmelze erstarrt.
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Wie zuvor erwähnt, sollte der zweite Schritt des Gießens, der gemäß den erfindungsgemäßen Füllprozessen durchgeführt wird, vorzugsweise beginnen, nachdem das vom Formhohlraum aufsteigende geschmolzene Metall in den Steigerhohlraum eingetreten ist. Dadurch werden Turbulenzen in dem im Formhohlraum vorhandenen geschmolzenen Metall vermieden, wenn im zweiten Gießschritt das geschmolzene Metall direkt in den Steiger gegossen wird. In der Praxis kann es vorteilhaft sein, den zweiten Gießschritt erst dann zu beginnen, wenn wenigstens 20% der Höhe des Steigerhohlraums mit geschmolzenem Metall gefüllt sind, das vom Hohlraum der Form aufsteigt. Um negative Effekte des direkten Gießens des geschmolzenen Metalls in den Steigerhohlraum zu vermeiden, kann der Start des zweiten Gießschrittes verschoben werden, bis wenigstens ein Drittel der Höhe des Steigerhohlraums indirekt mit vom Formhohlraum kommendem geschmolzenem Metall gefüllt ist.
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Die Strömungsraten, mit denen das geschmolzene Metall in die Form eintritt, können auf eine bekannte Weise durch das Design des in der Form vorgesehenen Eingusssystems reguliert werden (siehe z. B. Friedrich Nielsen: Gieß- und Anschnitttechnik-Grundlagen und Anwendung einer Methode; Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf). In der ersten Stufe sollte die Strömungsrate einen kritischen Wert nicht übersteigen, weil höhere Strömungsraten zu unerwünschten Turbulenzen in der Schmelze führen könnten. Für einen Zylinderkopf mit einem Gussgewicht von etwa 15 kg beträgt die typische Strömungsrate etwa 1 kg/s.
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Für die zweite Stufe kann die Strömungsrate freier justiert werden, weil keine empfindlichen Hohlraumsektionen des Formhohlraums, in denen eine gute Belüftung während des Füllprozesses gewährleistet werden muss, durch das in den Steiger gegossene geschmolzene Metall gefüllt zu werden brauchen. Demgemäß ist es möglich, die Schmelze im zweiten Gießschritt mit höheren Strömungsraten im Vergleich zur ersten Stufe zu gießen. Die Obergrenze der im zweiten Gießschritt justierten Strömungsrate wird dann erreicht, wenn die Schmelze beginnt, aus der Pfanne zu spritzen, anstatt laminar zu fließen.
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Das Auftreten von Turbulenzen oder eventuellen anderen negativen Effekten, die durch Zurückfließen von geschmolzenem Metall in das Strömungskanalsystem bewirkt werden könnten, wenn der zweite Gießschritt beginnt, können dadurch vermieden werden, dass das in den Angüssen, Angusskanälen oder Anschnitten des Strömungskanals vorhandene Metall wenigstens teilweise erstarrt ist, bevor der zweite Gießschritt beginnt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Kühlen insbesondere des Bereichs des Eingusses und der Anschnitte früher als beim Standardverfahren beginnt. Dadurch wird gewährleistet, dass das Metall in diesen Sektionen früh erstarrt, sodass verhindert wird, dass die Schmelze aus dem Formhohlraum in das Eingusssystem zurückfließt, wenn die zweite Gießphase begonnen hat. Dies lässt es zu, dass das endgültige Metallniveau im Speiserkopf höher ist als der Gießtrichter. Ein hohes Niveau im Speiserkopf wird bevorzugt, weil es den metallostatischen Druck erhöht, der die Erzeugung von Porosität beim Erstarren des Metalls im Formhohlraum reduziert.
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Der erste Gießschritt und der zweite Gießschritt können zeitlich überlappen. Um jedoch Turbulenzen zu vermeiden, die infolge einer Kollision zwischen der aus dem Formhohlraum hochsteigenden Metallschmelze und der direkt in das Steigrohr gegossenen Schmelze entstehen, wird bevorzugt, dass der zweite Gießschritt erst nach dem Ende des ersten Gießschrittes beginnt.
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Das Design des Steigerhohlraums oder des Speiserhohlraums sollte vorzugsweise eine horizontale oder geneigte Ebene bereitstellen, die mit einem äußeren Sandkern gestaltet werden kann, der den jeweiligen Hohlraum definiert. Beim Gießen der Schmelze gegen eine solche horizontale oder geneigte Ebene wird die kinetische Energie der Schmelze reduziert und das Mischen von heißer Schmelze und kälterem, teilweise erstarrtem Metall in dem Hohlraum wird auf das geringstmögliche Ausmaß beschränkt. Auch diese Maßnahme trägt zu einer optimierten Qualität des erfindungsgemäß erzeugten Gussteils bei. Aus demselben Grund kann es vorteilhaft sein, in der Form einen Sektor des Strömungskanals bereitzustellen, der so geneigt ist, dass die Längsachse des genannten Sektors einen spitzen Winkel mit der Schwerkraftrichtung bildet.
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Um die Integration in einen automatisierten Produktionsprozess zu vereinfachen, kann die Gießmaschine gemäß der Erfindung einen programmierbaren Controller zum Steuern des Betriebs von Robotern zum Ausführen der beiden aufeinanderfolgenden Gießschritte gemäß der Erfindung umfassen.
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Hauptzweck der Erfindung ist es, heißes Metall in den Steiger in mit dem SPM-P (Teilkokillengießprozess) erzeugten Gussteilen zu geben. Die höhere Steigertemperatur, die durch direktes Füllen des Steigers mit geschmolzenem Metall gemäß der Erfindung erzielt wird, erzeugt eine bessere direktionale Erstarrung gegenüber dem Querschnitt des Gussteils und hilft dabei, das Steigervolumen zu reduzieren, während die geringere Menge an in den unteren Bereichen des Gussteils passierenden Metalls mechanische Charakteristiken in Deckflächenbereichen verbessern kann.
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Da die für die Implementation der Erfindung benötigten Formen auf übliche Weise konstruiert werden können, kann die Erfindung ohne Schwierigkeiten auf jeder in der Gießereiindustrie etablierten Produktionslinie durchgeführt werden.
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Die Erfindung ist zum Gießen von Teilen für Brennkraftmotoren wie Blöcke und Zylinderköpfe aus Leichtmetalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen geeignet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer beispielhafte Ausgestaltungen zeigenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen jeweils schematisch in einer Querschnittsansicht:
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1a–1d eine Gießmaschine zum Gießen eines Motorblocks für einen Verbrennungsmotor in vier verschiedenen Stufen des Gießprozesses;
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2a–2d eine Gießmaschine zum Gießen eines Zylinderkopfs für einen Verbrennungsmotor in vier verschiedenen Stufen des Gießprozesses;
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3 einen Steiger der in 1 gezeigten Gießmaschine.
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Die in den 1a bis 2d gezeigten Gießmaschinen 1, 2 sind im Wesentlichen identisch, mit der Ausnahme, dass die Form 3 der Gießmaschine 1 zum Gießen eines Motorblocks vorgesehen ist, während die Form 4 der Gießmaschine 2 zum Gießen eines Zylinderkopfs vorgesehen ist.
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Demgemäß umfassen die Gießmaschinen 1 und 2 jeweils die jeweilige Form 3, 4, eine konventionelle Pfanne 5 zum Gießen von geschmolzenem Metall in die jeweilige Form 3, 4, einen Speiserhohlraum 6, einen Strömungskanal 7 und einen Steigerhohlraum 8.
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Jede Form 3, 4 besteht aus Sandkernen, die auf übliche Weise gebildet und zusammengefügt sind. Auf dieselbe übliche Weise werden zusätzliche Kerne 9 in dem jeweiligen Formhohlraum 10, 11 der Formen 3, 4 platziert, um Kanäle, Hohlräume und andere funktionelle Formelemente des in der jeweiligen Form 3, 4 zu gießenden Teils zu bilden.
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Der Speiserhohlraum 6 ist seitlich zu der Form und auf einem Niveau über und im Abstand vom oberen Rand des Formhohlraums 10, 11 der jeweiligen Form 3, 4 platziert. Der Speiserhohlraum 6 wird auf eine bekannte Weise von Sandkernen gebildet und hat an seinem Boden eine Öffnung, mit der der Eingang des Strömungskanals 7 verbunden ist.
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Der Speiser ist über den Strömungskanal 7 mit dem jeweiligen Formhohlraum 10, 11 verbunden, wobei der Strömungskanal 7 am Boden 16 des Formhohlraums 10, 11 endet. Der Strömungskanal 7 wird von einem System von Angüssen, Angusskanälen und Anschnitten gebildet, die auf eine bekannte Weise gebildet, aber der Deutlichkeit halber hier nicht dargestellt sind. Um sicherzustellen, dass die durch den Strömungskanal 7 gespeiste Schmelze so glatt wie möglich fließt, ist der Strömungskanalsektor 12, der zwischen dem Speiserhohlraum 6 und dem Teil 13 des Strömungskanals 7 verläuft, der sich unterhalb des Bodens 16 des jeweiligen Formhohlraums 10, 11 befindet, so geneigt, dass die Längsachse des Sektors 12 einen spitzen Winkel β zur Schwerpunktrichtung G bildet. Auf diese Weise steht der Speiserhohlraum 6 über den Strömungskanal 7 mit dem jeweiligen Formhohlraum 10, 11 in Fluidverbindung.
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Der Steigerhohlraum 8 ist im Deckelkern 14 ausgebildet, der den Kopf der jeweiligen Form 3, 4 bildet. Er ist mit dem jeweiligen Formhohlraum 10, 11 über im Boden des Steigerhohlraums 8 ausgebildete Öffnungen 15 verbunden. Demgemäß bilden die Öffnungen 15 einen Strömungskanal, über den der Steigerhohlraum 8 mit der Form 10, 11 der jeweiligen Form 3, 4 verbunden ist.
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in dem in den 1a, 2a gezeigten ersten Prozessschritt wird ein erster Teil einer Aluminiumschmelze M in den Speiserhohlraum 6 gegossen.
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Um eine glatte Füllung des Formhohlraums zu gewährleisten, erfolgt das Gießen der Aluminiumschmelze im ersten Gießschritt so, dass die Schmelze M in den jeweiligen Hohlraum 10, 11 mit einer Strömungsrate Q von weniger als 1,0 kg/s eintritt (1b, 2b).
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Die durch den Strömungskanal 7 fließende Schmelze M tritt in den jeweiligen Formhohlraum 10, 11 durch die im Boden 16 der jeweiligen Form 3, 4 ausgebildeten Öffnungen ein, sodass der jeweilige Hohlraum 10, 11 vom Boden 15 aufwärts gefüllt wird. Die in den Formhohlraum 10, 11 gespeiste Schmelze M steigt gegen die Schwerkraftrichtung auf, bis sie die im Boden des Steigers 8 gebildeten Öffnungen 15 passiert. Das Speisen der Schmelze M in den Speiserhohlraum 6 wird gestoppt, sobald der in die jeweilige Form 3, 4 gespeiste Schmelzteil M ausreicht, um die jeweilige Form 3, 4 zu füllen, sodass ihr jeweiliger Formhohlraum 10, 11 vollständig gefüllt ist und das Niveau der indirekt über die Öffnungen 15 in den Steigerhohlraum 8 eintretenden Schmelze M etwa ein Drittel der Höhe H des Steigerhohlraums 8 einnimmt.
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Nun wird geschmolzene Aluminiumschmelze M' mit der Pfanne 5 zusätzlich direkt in den Steigerhohlraum 8 gefüllt, sodass die Schmelze M, die sich bereits im Steigerhohlraum 8 befindet, mit frischer heißer geschmolzener Schmelze M' kombiniert wird. Demgemäß ist die Temperatur des im Steigerhohlraum 8 befindlichen Schmelzeteils M + M' erheblich höher, als dies der Fall wäre, wenn nur die vom Formhohlraum kommende Schmelze M im Steiger 8 vorhanden wäre. Aufgrund seiner höheren Temperatur hat der Schmelzteil M + M' ein optimiertes Fließverhalten, das gewährleistet, dass der Volumenverlust der Schmelze im Formhohlraum 10, 11 zuverlässig ausgeglichen wird, wobei der genannte Volumenverlust durch die Schrumpfung beeinflusst wird, die beim Erstarren der Aluminiumlegierungschmelze M auftritt.
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Es wird ein programmierbarer Controller 17 zum Steuern des Betriebs des Roboters 18 zum Bewegen der Pfanne 5 vorgesehen, um den jeweiligen Teil des geschmolzenen Metalls M, M' im Speiserhohlraum 6 (erster Gießschritt) und im Steigerhohlraum 8 (zweiter Gießschritt) zu gießen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Gießmaschinen
- 3
- Form der Gießmaschine 1
- 4
- Form der Gießmaschine 2
- 5
- Pfanne
- 6
- Speiserhohlraum
- 7
- Strömungskanal
- 8
- Steigerhohlraum
- 9
- Kerne
- 10
- Formhohlraum von Form 3
- 11
- Formhohlraum von Form 4
- 12
- Sektor von Strömungskanal 7
- 13
- Teil von Strömungskanal 7, der sich unter dem Boden 16 des Formhohlraums 10, 11 befindet
- 14
- Deckelkern der jeweiligen Form 3, 4
- 15
- Im Boden des Steigerhohlraums 8 ausgebildete Öffnungen
- 16
- Boden des jeweiligen Formhohlraums 10, 11
- 17
- Controller
- 18
- Roboter zum Bewegen der Pfanne 5
- β
- Winkel
- G
- Schwerkraftrichtung
- H
- Höhe des Steigerhohlraums 8
- H1/3
- Ein Drittel der Höhe des Steigerhohlraums
- M
- Erster Schmelzeteil
- M'
- Zweiter Schmelzeteil
