DE19503832C2

DE19503832C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Sandkernen für Metallguß

Info

Publication number: DE19503832C2
Application number: DE19503832A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Sommer
Original assignee: SOMMER TECH ENTWICKLUNGEN GmbH
Current assignee: SOMMER TECH ENTWICKLUNGEN GmbH
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: DE19503832A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Sandkernen bzw. Sandformen (Sandballen bezeich net), wie sie z. B. beim Metallguß zur inneren und äußeren Begren zung des Gußteils verwendet werden. Der Sand wird in einem ersten Schritt in den Hohlraum eines Kern- bzw. Formkasten (Werkzeug be zeichnet) eingebracht und anschließend in einem zweiten Schritt durch Aushärtereaktion (Härter, Katalysator, im folgenden gemein sam als Härter/Härtergas bezeichnet) verfestigt.

Härterflüssigkeit wird zunächst einem Verdampfer, der Luft ent hält, zudosiert, dann mit Druckluft in den Sandballen eingetra gen. Die Einleitung des Gemischs in den Sandballen wird als Bega sungsvorgang bezeichnet. Anschließend wird der Luftstrom weiter aufrechterhalten, um rückkondensierten Härte wieder zu verdamp fen, das Gemisch im Sandballen zu verteilen und Härter aus dem Sandballen wieder auszutragen, was als Spülvorgang bezeichnet wird. Eine klare Trennung begasen und spülen ist nicht möglich. Beide Prozesse werden hier als Aushärtevorgang zusammengefaßt, bei dem Abluft mit den am Aushärteprozeß beteiligten gasförmigen Stoffen anfällt.

Ein herkömmlich aufgebautes Begasungsgerät führt die Begasung und Spülung durch.

Fa. Dossmann (WO 92/18267 A1) schlägt eine Kreislaufführung über einen Verdampfer, in dem Härterflüssigkeit in Luft verdampft wird (Gemischbildung) und den Sandballen vor. Der Einsatz zusätz lichen Spülgases ist nicht erforderlich.

Um den Aushärtevorgang besonders effizient zu gestalten, d. h. die Dosierung und den Verbrauch von Härterflüssigkeit klein zu hal ten, werden mehrere Entlüftungskanäle, die dem Eintritt des Ge mischs in den Sandballen naheliegen (Austrittszone 1 bezeichnet), zunächst in Sammelkammern geleitet, deren Gemischaustritt je mit einem Gasventil verschließbar ist.

Die vom Gemischeintritt am weitesten entfernt liegenden Entlüf tungskanäle (Austrittszone 2 bezeichnet), also vom Gemisch strö mungstechnisch am schlechtesten zu erreichenden Zonen im Sandbal len, sind beim Kernschießen und Begasen ständig geöffnet, während beim Begasen der Gasaustritt aus den Sammelkammern (Austrittszone 1) geschlossen gehalten werden. Dadurch wird zwar verhindert, daß über die Entlüftungskanäle der Austrittszone 1 beim Begasen Ge misch aus dem Sandballen und Werkzeug austritt und für den Aus härteprozeß verloren geht, nicht aber, daß innerhalb der Sammel kammern sich unkontrolliert eine Umgehungsströmung des Sandbal lens einstellt, die den Aushärteprozeß in bestimmten Bereichen des Sandballens beeinträchtigt.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die zugeführte Gemisch menge vollständiger als bisher bekannt und für den Aushärtvorgang wirkungsvoller durch den Sandballen zu führen, um folgende Vor teile zu erzielen:

- Reduzierung des Härtereinsatzes zur Senkung der Stoffkosten und Aufwendungen für die Abluftreinigung.
- Verkürzung der Aushärtezeiten zur Produktionssteigerung und Minimierung der Investkosten.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Im folgenden werden zunächst mehrere wirkungsvolle Einzelmaßnahmen erläutert, die den oben genannten Zielen dienen und kombiniert werden können.

Erste Maßnahme: Entlüftungskanäle mit Gasventilen oder Schiebern

Jedem Entlüftungskanal (Entlüftungsdüse) im Bereich der Aus trittszone 1 wird ein Gasventil zugeordnet. Entlüftungskanäle zwischen Entlüftungsdüse und Gasventil können bei Bedarf mitein ander verbunden werden (Bypaß), um einen austretenden Teilstrom in einem Bypaßstrom gezielt an Teilen des Sandballen vorbeizu führen und an anderer Stelle über Entlüftungsdüsen dem Sandballen wieder zuzuführen.

Durch Steuerung der Gasventile sind die Entlüftungskanäle beim Schießen des Sandballens geöffnet, so daß über alle Entlüftungs düsen Schießluft aus dem Werkzeug austreten kann, bei der Bega sung aber geschlossen, um den Austritt von Gemisch aus dem Sand ballen zu verhindern.

Mehrere, gleichzeitig betätigte Gasventile können durch Schieber ersetzt werden.

Die Betätigung der Gasventile oder Schieber kann selbsttätig durch Druckdifferenzen zwischen Sandballen und den Toträumen oder durch Hilfsenergie von außen erfolgen.

Bei der Selbstbetätigung wirkt der Gasdruck im Sandballen auf ein kolbenähnliches, bewegliches, vorzugsweise federbelastetes, aus reichend gegen die unterschiedlichen Druckräume abgedichtetes Element, das mit dem Ventilsitz verbunden ist. Bei höheren Gas druckwerten (Schießluft) wird der Öffnungsquerschnitt freigegeben und bleibt bei niedrigeren Werten (Begasen) gesperrt.

Die aktive Betätigung der Gasventile kann z. B. pneumatisch durch Überdruck in den Toträumen gegenüber dem Sandballen erfolgen, der die Gasventile geschlossen hält, in der Weise, daß der Druck des in den Sandballen zur Begasung eingeleiteten Gemischs diese si cher geschlossen hält.

Neben der gemeinsamen aktiven pneumatischen Betätigung der Gas ventile ist eine fluidische sowie elektrische Einzelbetätigung möglich.

Zweite Maßnahme: Äußerer Kreislauf mit Hilfe einer Gasförder pumpe/Verdichter

Das durch den Sandballen hindurchgetretene Gemisch wird am Aus tritt des Werkzeugs gefaßt, auf die Saugseite einer Gasförderpum pe/Verdichters geführt und erneut durch den Sandballen geleitet. Dadurch wird mit demselben Gemisch eine Mehrfachdurchströmung des Sandballens mit Härters erreicht, so daß die Härterdosierung ent sprechend kleiner gehalten werden kann. Außerdem fällt während der Begasung keine Abluft an.

Die Druckerzeugung zur Überwindung der Strömungswiderstände er folgt vorzugsweise mit einer nach dem Spiralkammerprinzip arbei tenden Strömungsmaschine, die weitgehend ein vom Gegendruck un abhängiges Fördervolumen aufweist und hohe Druckdifferenzen erzeugen kann: Läufer und Stator weisen spiralförmige Wände auf, die durch enge Spalte getrennte Gaskammern bilden; der Läufer führt kreisförmige Wischbewegungen aus, wodurch die Gaskammern von einem Ende der Spiralen zum anderen wandern, dabei sich verkleinern, so daß Gas vom einen Ende der Spirale zum anderen transportiert und dabei verdichtet wird.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines zweiteiligen Werkzeugs, das auf den Aufspanngehäusen der Maschine befestigt ist, die einzel nen Gasventile der Entlüftungskanäle der Austrittszone 1, die An ordnung bei der Zwangssteuerung der einzelnen Gasventile durch die Gasdrücke in den Toträumen des Werkzeugs und der lokalen Gas drücke im Sandballen an den Entlüftungsdüsen sowie die Durchströ mung des Sandballens mit Gemisch bei der Begasung, das über die von der Begasungsplatte in etwa am weitesten entfernten Entlüf tungsdüsen (Austrittszone 2) wieder austritt.

Die Austrittszone 1 der linken Aufspannplatte und der linken Werkzeughälfte bilden einen gemeinsamen Totraum, weil weder Auf spannplatte noch Werkzeug eine abgrenzende Wand aufweisen. Die wirksame Austrittszone 1 rechts besteht nur aus dem Totraum der rechten Werkzeughälfte, weil die Aufspannplatte rechts eine Rüc kwand zur (offenen) Werkzeughälfte aufweist.

Fig. 2 zeigt beispielhaft den Querschnitt eines in Fig. 1 ver wendeten durch Druck in den Toträumen gesteuerten Gasventils.

Dritte Maßnahme: Lage des Taupunkt und innerer Kreislauf

Die Art der Gemischaufbereitung vor dem Aushärtevorgang hat we sentlichen Einfluß auf den Ablauf des Aushärtevorgangs. Große Härtermengen führen im Verdampfer konventioneller Begasungsgeräte zu hohen Konzentrationen, die nur durch Temperaturanwendung deut lich über der Raumtemperatur in dem Verdampfer-Luftvolumen voll ständig verdampft werden können, wozu auch eine merkliche Zeit spanne benötigt wird.

Bei Rückkühlung des Gemischs im Verdampfer auf Raumtemperatur tritt Rückkondensation ein, d. h., der Taupunkt des Gemischs liegt über der Raumtemperatur.

Zumindest bei Aushärtebeginn, also beim Einströmen des hochkon zentrierten Gemischs in die i. R. unbeheizte Zuführleitung und im Eintrittsbereich des Sandballens tritt Rückkondensation ein. Dies hat zur Folge, daß der Aushärtevorgang länger dauert, weil für den Rest des Sandballens weniger Härtergas zur Verfügung steht und bei herkömmlichen Begasungsgeräten die rückkondensierte Här terflüssigkeit zuerst durch die sich entspannende und dabei ab kühlende Druckluft wieder verdampft werden muß.

In Bereichen rückkondensierten Katalysators des Cold-Box-Verfah rens bleibt der Sandballen weich, wie die Erfahrung lehrt, und in den restlichen Bereichen wird wegen des Unterangebots die Aushär tereaktion noch nicht angestoßen, so daß diese Bereiche ebenfalls weich bleiben.

Bei großen und komplizierten, insbesondere stark gegliederten Sandballen, ist ein größerer Härtereinsatz, verbunden mit länge ren Aushärtezeiten notwendig, um die auf Teilstromabzweigungen zurückzuführende Aushärteproblematik zu vermeiden. Durch Optimie rung der Lage und Größe der Entlüftungsdüsen können Härtereinsatz sowie Aushärtezeiten soweit reduziert werden, bis die bei der Aushärtung am stärksten benachteiligten Stellen gerade noch aus härten. Bei Unterschreitung dieser Grenzen entstehen zunehmend Zonen nicht ausgehärteten Sands, was zu Fehlern führt, die eine Weiterverwendung des gehärteten Sandballens i. R. ausschließen. Umgekehrt können nicht vollständig ausgehärtete Sandballen durch Erhöhung von Dosiermenge und Spülzeit wieder behoben werden.

Durch Höherdosierung des Härters läßt sich erfahrungsgemäß der Aushärtevorgang zeitlich nur bis zu dem Punkt beschleunigen, ab dem weitere Steigerungen keine Zeitverkürzungen mehr ergeben, was durch die beschriebenen Rückkondensationseffekte zu erklären ist. Um ausgehärtete Sandballen zu erhalten, muß eine größerer Masse an Spülluft eingesetzt werden, z. B. durch höheren Systemdruck in der Druckluftleitung oder längere Spülzeiten eingesetzt.

Die hier beschriebene dritte Maßnahme soll einen Beitrag leisten, kurze Aushärtezeiten bei niedriger Härterdosierung zu ermögli chen.

Kondensationseffekte in der Rohrleitung und im Sandballen können vermieden werden, wenn Rohrleitung, Gemisch, Sandvorrat und Werk zeug beheizt werden, was zu aufwendigen und teuren Einrichtungen führt, verbunden mit hohen Energiekosten. Die Temperatur des Sandvorrats ist auf etwa 25°C limitiert, um die Verdampfung der in den Harzen enthaltenen Lösemittel zugunsten einer längeren Verarbeitungszeit zu erreichen. Werkzeugheizungen sind besonders aufwendig und wegen der Wärmeträgheit des Sandballens ineffektiv. Flüssiger Härter wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Dosiervor richtung z. B. über eine Zerstäuberdüse in einen inneren Kreislauf eingespritzt, der vor dem Aushärtevorgang durch eine Gasförder pumpe/Verdichter mehrfach umgewälzt wird. In dem inneren Kreis lauf befindet sich auch ein Gemischbehälter, der mit seinem In halt so zu bemessen ist, daß bei der maximal dosierbaren Härter menge nach Verdampfung und Homogenisierung die Taupunktstempera tur im inneren Kreislaufvolumen unter der Raumtemperatur zu lie gen kommt.

Der innere Kreislauf besteht aus wesentlichen Teilen des äußeren Kreislaufs, wie Gasförderpumpe, Dosiereinrichtung sowie Gemisch behälter. Das Werkzeug wird nur im äußeren Kreislauf durchströmt.

In den Figuren sind die Sandballen selbst nicht dargestellt, ledig lich die Hohlräume für den Sandballen mithilfe der begrenzenden Wände. Die eingezeichneten Strömungswege in Werkzeug und Auf spanngehäusen wurden aus Darstellungsgründen teilweise unterbro chen. Pfeilenden in Hohlräumen bedeuten, daß in diese Bereiche Gas einströmt. Durchlaufende und aus darstellungstechnischen Gründen unterbrochene Strömungswege bedeuten Durchströmung.

Anstelle zweiteiliger sind auch drei- oder mehrteilige Werkzeuge sinngemäß einsetzbar, die hier jedoch nicht dargestellt und be schrieben wurden.

Fig. 1 und 2

Vor dem Aushärtevorgang wird aus der Trägergasversorgung (31) unter Druck stehendes Gas (Luft) über (38, 39) in die Toträume (42, 43) geleitet. Dieses bewirkt an den Gasventilen (30) zusätz lich zur Federkraft weitere Schließkräfte, die dem Gasdruck im Sandballen bei der Begasung die Gasventile geschlossen halten und auf diese Weise die Strömungswege (52, 53) unterbinden.

Das Gemisch tritt bei Normaldurchströmung des Sandballens an schließend bei (35) über die Begasungsplatte (5) in den Sandbal len ein, durchströmt diesen und tritt durch die Entlüftungsdüsen (21) und Entlüftungskanäle (7) über die Leitungen (36, 37) und (34) wieder aus.

Bei einer Kreislaufführung des Gemischs wird bei Normaldurchströ mung des Sandballens Leitung (34) an die Saugseite und die Druck seite der Gasförderpumpe/Verdichter an dem Gemischaustritt über Leitung (35) angeschlossen.

Vor dem Schießen des Sandballens herrscht in den Toträumen (42, 43) Atmosphärendruck, so daß die unter Überdruck stehende Schieß luft den Ventilteller (48) entgegen der Feder (51) vom Sitz ab hebt, so daß Schießluft aus dem Sandballen in die Toträume (42, 43) entweichen kann und auf den Wegen (38, 39, 32) (entgegen der dargestellten Pfeile) das System wieder verläßt. Ein Teil der Schießluft entweicht auch über die in etwa am weitesten entfernt vom Gemischeintritt (35) liegenden Entlüftungsdüsen (21) auf den Wegen (36, 37, 33).

Fig. 3

Die von der Dosiereinrichtung (60, 61, 62) bemessene Härtermenge wird in den Leitungsteil (66) z. B. vor die Gasförderpumpe (64) eingespritzt. Die innere Kreislaufführung zur Verdampfung des flüssigen Härters erfolgt über (66, 63, 64, 65 und 67) vor dem Aushärtevorgang. Die Ventile (77, 80, 81 und 82) sind dabei ge schlossen.

Die äußere Kreislaufführung zur Begasung führt bei Normalströ mungsrichtung durch das Werkzeug über (70, 80, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77 und 78), wobei das Gemisch über die Begasungsplatte (72) dem Werkzeug (73) zu- und über (74) abgeführt wird. Die Ventile (81 und 82) sind geschlossen.

Die äußere Kreislaufführung zur Begasung führt bei Richtungsum kehr der Durchströmung des Werkzeug über (70, 83, 81, 75 und 74) zum Werkzeug (73). Das Gemisch tritt über Entlüftungskanäle und düsen in den Sandballen ein. Es verläßt bei (72), der Begasungs platte wieder das Werkzeug und wird über (71, 84, 82, 78 und 66) zur Ansaugseite der Gasförderpumpe zurückgeführt. Die Ventile (77 und 80) sind geschlossen.

Bezugszeichenliste Erklärung der Positionsnummern

1

Aufspanngehäuse links

2

Aufspanngehäuse rechts mit Zwischenwand (

16

)

3

Werkzeughälfte links

4

Werkzeughälfte rechts

5

Begasungsplatte mit Bohrung für Gasdurchtritt

6

Entlüftungskanäle für Austrittszone

1

7

Entlüftungskanal für Austrittszone

2

9

Auswerferplatte im Werkzeug

10

Auswerferstift im Werkzeug

11

Auswerferplatte im Aufspannkasten

12

Auswerferstift im Aufspanngehäuse

13

Aktuator

14

Entlüftungskanal für Werkzeughälfte bei Aufspanngehäuse mit Zwischenwand (

2

,

4

)

15

Entlüftungskanal für Werkzeughälfte bei Aufspanngehäuse ohne Zwischenwand (

1

,

3

)

16

Abgedichtete Zwischenwand Aufspanngehäuse

17

Totraum in Werkzeughälfte bei Aufspanngehäuse mit Zwischen wand (ohne Einfluß)

18

Totraum in Werkzeughälfte bei Aufspanngehäuse ohne Zwischen wand

19

Dichtung

20

Feder

21

Entlüftungsdüsen Sandballen Austrittszone

2

22

Rückwand Aufspanngehäuse

23

Sandballen/ Hohlraum

30

Gasventil

31

Trägergasversorgung (z. B. Druckluft)

32

Abluft Schießen

33

Abluft Schießen

34

Gemischausgang Begasung (Normaldurchströmung)

35

Gemischeintritt Werkzeug (Normaldurchströmung)

36

Gemischaustritt Kernkastenhälfte links (Normaldurchströmung.) Austrittszone

2

37

Gemischaustritt Kernkastenhälfte rechts (Normaldurchströmung) Austrittszone

2

38

Eintritt Schaltgas Gasventile Aufspanngehäuse links

39

Eintritt Schaltgas Gasventile Werkzeughälfte rechts

40

Entlüftungsdüsen Sandballen Austrittszone

1

41

Verbindungskanal von Gasventilen (

40

)

42

Totraum Aufspanngehäuse links, Austrittszone

1

43

Totraum Werkzeughälfte links und rechts, Austrittszone

1

44

Wand Werkzeug für Sandballen

45

Entlüftungsdüse

46

Gasventil

47

Ventilkörper mit Ventilsitz

48

Ventilteller

49

Steg

50

Führung Ventilteller

51

Feder

52

Mögliche Stromrichtung (Überdruck im Sandballen)

53

Unterbundene Stromrichtung (Begasen)

60

Vorratsbehälter

61

Dosiergerät

62

Härterventil

63

Gasförderpumpe

64

Gemischbehälter

65

Rückführleitung innerer Kreislauf

66

Gemeinsame Leitungen innerer und äußerer Kreislauf

67

Ventil

70

Zuführleitung äußerer Kreislauf

71

Zuführleitung bei Normaldurchströmung

72

Begasungsplatte

73

Werkzeug

74

Gasaustritt Werkzeug (Begasung)

75

Rückführleitung bei Normaldurchströmung

75

Leitung

76

Leitung

77

Ventil

78

Rückführleitung äußerer Kreislauf

80

Ventil

81

Ventil

82

Ventil

83

Zuführleitung Richtungsumkehr

84

Rückführleitung Richtungsumkehr

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung von kunstharzgebundenen Sandbal len mit einem Werkzeug (3, 4), das einen mit Sand und Binder zu befüllenden Hohlraum (23), eine diesen abschließende Begasungs platte (5), die einen zum Anschluß an eine Härtergemisch-Zufüh rungsleitung bestimmten Eintritt (35) aufweist, von der Bega sungsplatte (5) am weitesten entfernte Gemischaustritte (36, 37) und Sammelkammern (42, 43) enthält, die durch zwischen dem Ge mischaustritt (36, 37) und der Begasungsplatte (5) angeordnete Entlüftungskanäle (6) mit dem Hohlraum (23) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Entlüftungskanal (6) der Aus trittszone 1 (42, 43) ein steuerbares Gasventil (30) zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasventile (30) durch Federn (51) in Schließstellungen gehalten sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasventile (30) mit Ventiltellern (48) versehen sind, die beim Vorhandensein eines Überdrucks in den Sammelkammern (42, 43) (Austrittszone 1) den Schließdruck der Federn (51) vergrößern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasventile (30) aus elektrisch steuerbaren Gasventilen (30) bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasventile (30) durch Differen zen der Drücke im Hohlraum (23) und in den Sammelkammern (42, 43) steuerbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Entlüftungskanäle (6) mit einem Bypaßkanal (41) verbunden sind und diese ein Gasventil (30) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig geschaltete Gasventile (30) durch einen Schieber ersetzt werden.

8. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasventile (30) beim Schießen des Sandballens geöffnet und beim Aushärtevorgang geschlossen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft so gewählt wird, daß die Gasventile (30) durch den beim Schießen des Sandballens im Hohlraum (23) entstehenden Überdruck selbsttätig geöffnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließkraft der Gasventile (30) beim Aushärtevorgang durch einen in den Sammelkammern (42, 43) angelegten Überdruck vergrößert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Begasungsplatte (5, 72) an die Druckseite (70) und die Gemischaustrittsstellen (36, 37) der linken und rechten Kernkastenhälften (3, 4) der Austrittszone 2 über (34) an die Saugseite (78) einer volumetrisch fördernden Gasförderpumpe/Verdichter) (63), vorzugsweise an einen Spiralkam merverdichter angeschlossen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aushärtevorgang nach der Här tereinspritzung (60, 61 und 62) die Verdampfung und Homogenisie rung des Gemischs in einem inneren Kreislauf (63, 66, 64, 65 und 67) erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Gemischbehälters (64) für die maximale Härterdosierung so groß gewählt wird, daß der Taupunkt im inneren Kreislauf unterhalb der niedrigsten Betriebs temperatur im System zu liegen kommt.