DE1958517A1

DE1958517A1 - Giessverfahren und Vorrichtung zum Durchfuehren des Verfahrens

Info

Publication number: DE1958517A1
Application number: DE19691958517
Authority: DE
Inventors: Miller Jun Glenn Evermont
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1968-11-26
Filing date: 1969-11-21
Publication date: 1970-06-11
Also published as: FR2024293A1

Description

20. November 1969

The Boeing Company

P,Oo Box 3707

Seattle, Washington 98124/USA

Gießverfahren und Vorrichtung zum

Durchführen des Verfahrens (|

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren, das insbesondere die Herstellung dünnwandiger Gußteile ermöglicht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der Luftfahrtindustrie werden viele große, dünnwandige Gußteile aus Aluminium- oder Magnesiumguß in Gestalt von Klappen, Abdeckungen, Teilen der Klimaanlagen, Türen für das Jahrgestell usw. verwendet. Diese Gußteile werden unter Verwendung genau gesteuerter üblicher Gießverfahren hergestellt. Die bekannten Gießverfahren ergeben bestimmte Schwierigkeiten bei der Herstellung dünnwandiger Gußteile aus Leichtlegierungen und setzen dem Stand der Technik praktisch dort eine Grenze, wo die Schmelze nicht mehr in der Lage ist, durch lange, dünne Passagen in der Form zu fließen, ohne das ein vorzeitiges Erstarren der Schmelze in diesen engen Hohlräumen auftritt· Minimale Wandstärke, Qualitätsanforderungen und große Ausdehnung ergeben einen hohen Anteil an Ausschuß.

Selbst mit Verbesserungen der üblichen Verfahren zum Herstellen großer, verwickelter, dünnwandiger Gußteile läßt sieh die minimale Wandstärke nicht wesentlich unter die derzeitige Grenzt von 2,03 bis 3,05 mm (0,08 bis 0,12") bringen. Diese durch dae Gießverfahren bedingten Grenzen bestimmen bei der Herstellung vieler Gegenstände die Wandstärke, obgleich diese im Hinblick

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auf die Erfordernisse der Festigkeit wesentlich, dünner sein dürfte. Dies wirkt sich in Industriezweigen, wo Gewichtsersparnis von entscheidender Bedeutung ist, "besonders nachteilig aus, ist jedoch auch für alle anderen Industrien vom Kostenstandpunkt aus unerwünschte

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung großer, dünnwandiger und ultradünnwandiger Gußteile von gesunder Struktur zu ermöglichen·

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, bei solchen Gußteilen mit geringem Ausschuß auszukommen·

Insbesondere soll gegenüber Gußteilen, die nach bisher üblichen Verfahren herstellbar sind, eine Gewichtsersparnis erzielt werden.

Auch bezweckt die Erfindung aufgrund der Fähigkeit, dünnere Gußteile hoher Qualität zu erzeugen, die Möglichkeit eines Materialaustausche·

Schließlich sollen schlechthin verbesserte Gußteile erzeugt werden. ·

Die Erfindung schafft ein neues Gießverfahren, das insbesondere, wenn auoh nicht ausschließlich, für die Herstellung dünnwandiger Gußteile mit Wandstärken wie beispielsweise etwa 2,03 mm, sowie für ultradünnwandige Gußteile mit Wandstärken von beispielsweise 0,51 mm (0,02") mit guten Ergebnissen verwendbar ist.

Große dünnwandige oder ultradünnwandige Gußteile hoher Qualität lassen sich in Sand- und/oder Gipsformen vorteilhaft naoh der Erfindung herstellen· Bewegbare Kerne werden in dtr oberen Hälfte der form vorgesehen. Nachdem die Schmelze eingegossen und während sie noch teilweise flüssig ist, wird der Kern abwärtabewegt, um den dünnen oder ultradünnen Querschnitt au bilden, während überaohüaaigea Metall aua dem Gußraum über ein reversibles Einguflayatea ausgetrieben wird· Steiger und/oder

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Reservoire können zum Verbessern der Steuerung des Schmelzflusses vorgesehen werden« Das Verfahren eignet sich für ultradünne Wände ausgezeichneter Qualität im Inneren und feinem Korn oder für ausgezeichnete Qualität der unmittelbar beim Guß gebildeten Oberflächen,, Die Erfindung eignet sich besonders für Aluminium- und Magnesiumlegierungen ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein«

Ein bewegbarer Kern, die lage dieses Kerns vor dem Gießen, das Material bzw. die Zusammensetzung des Kerns und der Form, überhitzte Schmelze, Eingußanordnung sowie Geschwindigkeit und Grad des Schließens des bewegbaren Kerns werden von der Erfin- " dung umfaßte

Der Kern und die Form werden aus wärmeisolierenden Materialien hergestellt, um einen zu raschen Wärmeübergang von der Schmelze zu vermeiden, da sich sonst eine dicke Gußhaut auf den Oberflächen der Form bildet und das Schließen des bewegbaren Kerns verhindert. Die Form wird so hergestellt, daß sie eine Kammer aufweist, in die der zugehörige bewegbare Kern im wesentlichen eingeführt wird, um einen vorläufigen Gußraum zu bilden. Bei dieser Stellung des Kerns unmittelbar vor dem Gießen ist der Kern in der Hauptsache in die Form eingesetzt, so daß die Gußhaut sich gleichmäßig auf beiden Oberflächen der Form bildet. j Diese vorläufige Stellung des im wesentlichen eingeführten bewegbaren Kerns ist derart, daß zusätzlicher Vorschub des Kerns zum Schließen der Form und damit zum Erreichen der endgültigen Wandstärke des Gußteils von der Größe des Gußteils abhängt und für dünnwandige oder ultradünnwandige Gußteile vorzugsweise zwischen 3,175 mm und 12,7 mm ( 1/8" und 1/2") beträgt. Die geschlossene Stellung des bewegbaren Kerns schafft den endgültigen Gußraum. Überhitzte Schmelze und die Anordnung der Eingüsse in Verbindung mit der wärmeisolierenden Art des Materials in der Form bestimmen die Dicke der Gußhaut, während des Gießens und während der Vorschubbewegung des Kerns nach dem Gießen. Auf die Temperatur der Schmelze während des Gießens kommt es wesentlich an. Die nachstehend gegebenen Temperaturen

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beziehen sich, aaf die fesperatur in der Gießpfanne* Die Über« iiltauag der Sehaelae kaam awisclien 2?j7 voad 138,5° (50 uod 25<f ?} otoerhal^ der normal en ttleßteeperataren fftr nledrigeohmelaende Legierungen wie 'Beispielsweise Aluminium und Magnesium liegen, wobei eine tffeerhitaimg um 97*2 Ms 110,8° (175 Ms 20G⁰J) als "bevorzugt angesehen wird, line tFberfiitsEiiig um Ms zn 221,6° (40O⁰F) kann für hochschmelzende Legierungen erforderlicii sein»

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Bs ist wiciLtig, daß die Schmelze/den Siißraum rasch unä druckarm eintritt» Die erforderliche Anzahl der Eingüsse fczw· Einlaufstege hängt von der Iregierung und von der Grröjße d.es G-ußteils ab. Das Verhältnis der Querschnitte von Gießtrichter zu Yerteiler zu Einlaufstegen (Anschnitte) bestimmt Anzahl und Größe der Stege» Das günstigste Verhältnis für jede Legierung und jede Größe des Gußteils ergibt sich als Erfahrungswert bei einem bevorzugten Verhältnis von 1:5s6 als Ausgangspunkte

Eine langsame, gleichförmige Schließbewegung wird verwendet, um hohe hydrostatische Drucke zu vermeiden, den Austritt von Gasen zu ermöglichen und Trägheitswirkungen der Strömung vorzubeugen_e Langsames Schließen der Form bezieht sich auf eine Zeitspanne von 1 Sek„ bis zu 60 Sek„ Die bevorzugte Schließzeit liegt bei 2 Sek. bis zu 10 Sek. Verschiedene Mittel können verwendet werden, um das gesteuerte Schließen der Form gerade so lange zu beeinflussen, wie eine genaue Steuerung erhalten wird. Beispiels^ weise kommen hierfür verschiedene mechanische Vorrichtungen in Betracht wie ein Schneckengetriebe, eine Zahnstange mit Ritzel, Nocken usw.; oder es können hydraulische oder pneumatische Vorrichtungen verwendet werden. Vorzugsweise verwendet wird eine Druckluftquelle} dazu Druckregler, Strömungssteuerung, Richtungssteuerung und ein doppelt wirkender Zylinder mit Öffnungen an jedem Ende des Zylinders» Bei der Durchführung der Erfindung muß mit der notwendigen Sorgfalt vorgegangen werden, da bei .einem unbeabsichtigten Herabfallen des Kerns nach dem Einführen der Schmelze in den Gußraum heiße Schmelze herausspritzen würde.

Die Erfindung ermöglicht eine ausgezeichnete Steuerung des Er-

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starrens der Schmelze„ Sie ermöglicht es, ultradünnwandige Gußteile von besonders feinem Korn und hoher Festigkeit zu erhalten? andererseits läßt sich "bei verminderter, aber ausreichender Festigkeit ein Gußteil mit besserer, unmittelbar beim Gießen erhaltener Oberfläche erzeugen,. Feinkörnigkeit und erhöhte Festigkeit des Gußteils lassen sich nach der Erfindung weiter dadurch verbessern, daß die Oberfläche des Gußraums im wesentlichen mit einem Film bzw· einem Überzug von wärmeabsorbierendem Material wie beispielsweise Metallpulver versehen wird. Die Filmstärke kann variieren von 0,051 bis 6,35 mm (0,002 bis 0,25")ο Für ultradünnwandige Gußteile liegt sie vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,254 mm (0,004 und 0,010"). Dies ergibt eine starke Abschreckung im Augenblick wo die Schmelze den Gußraum erreicht, aber die Abschreckung ist nur von kurzer Dauer und ergibt daher auf jeder Oberfläche des Grußraums nur einen gesteuerten Aufbau an Gußhaut, so daß jede Gußhaut 50$ oder weniger der Wandstärke des Gußteils beträgt, in dem Augenblick wo die Form vollständig geschlossen ist. Eine Änderung der Temperatur der Schmelze und/oder der Größe der Einlaufstege kann erforderlich werden, um die optimalen Bedingungen für jede Metallart oder jede Größe eines Gußteils zu bestimmen. Eine Änderung der Temperatur der Schmelze beeinflußt die Geschwindigkeit, mit der die Gußhaut sich bildet und eine Änderung der Eingüsse beeinflußt die hydraulische Erosion und damit den Anteil zu dem die Gußhaut wieder schmilzt· Die beste unmittelbar durch Gießen erzielte Oberflächenglätte läßt sieh dadurch erreichen, daß entweder die Bildung einer Grußhaut verhindert oder aber diese vollständig entfernt wird, bevor der Kern seine geschlossene Stellung erreicht, was durch Überhitzung der Schmelze und hydraulische Erosion erreichbar ist. Ein wärmeabsorbierender Film auf den Oberflächen der Form wird nicht verwendet, wenn es darauf ankommt, eine gute Glätte der Oberfläche unmittelbar durch das Gießen zu erzielen. Ein Gußteil von ultradünner Wandstärke mit bester Oberflächenglätte muß häufig so lange in der Form gehalten werden, bis es auf ';. 55 oder 110°(100 oder 200⁰F) über Raumtemperatur abgekühlt ist, um ein Verziehen, bzw. Werfen zu verhindern« -

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Sie Srfinduisg ist s&Ghsiehesä. anhand der Zeieksusg einer für das YerfahreiL aaol. der Brftntaag geeigneten Toirieiitiing nach übt Jfcfimtang beispielsweise näher Isesetoie'beii., und

eise Sei-feenauslott_r teilweise im Schnitt saeit HMe 1-1 der Mg₈ 2_f einer tevorzagtea form eioaer Yörrielitimg nacii der !Erfindung! -and

eine Draufsicht im Schnitt nach linie 2-2 der 1.

Bei dem gezeigten Ausftihrxmgebeispiel weist eine 3-ießTorrich— tung 10 eine Gießform 12 für geschmolzenes läetalü^auf_f die in Verbindung mit einem bewegbaren Kern 14 arbeitet, der seinerseits über eine Steuereinrichtung 16 bewegbar ist*, Diese Sieß— vorrichtung stellt eine verbesserte Vorrichtung zum Herstellen großer, flacher oder gebogener Gußteile dar„

Eine Basis 18 dient als Unterlage und kann aus beliebigem Material mit flacher Oberfläche und von ausreichender Festigkeit hergestellt sein, um den Aufbau der Gießvorrichtung 10 zu tragen und ihrer Bewegung standzuhalten»

Die Gießform 12 besteht bei dieser Ausführung aus einer Unterform 20 und einer Oberform 22 sowie den damit zusammenarbeitenden, nachstehend beschriebenen Elementen·

Die Unterform 20 ist in dem unteren Formkasten 24 erstellt und kann aus Sand oder Gips bestehen; beim vorliegenden Ausführung^ beispiel ist sie als Sandform aus grobkörnigem Silicasand ausgebildet. Die untere Oberfläche 26 des Gußraums ist als Teil der Unterform 20 in dieser ausgebildet. Einlaufstege 28 beschicken zwei Seiten des Gußraums für lange sehmale Gußteile}' zusätzliche, in Fig. 2 striokpunktiert angedeutete Einlaufstege 28 werden für breite Gußteile verwendet. Die Einlauföffnungen der Stege sind auf 1,524 mm (0.06«) gestellt und haben beim

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Übergang zum Gußraum gebogene Kanten, um die Rückströmung der überschüssigen Schmelze zu erleichtern. Verteiler 30 verbinden die Gießtrichter 32 mit den EinlaufStegen 28. Verteiler 30 erstrecken sich längs zweier Seiten für lange schmale Gußteile und entlang aller vier Seiten für breite Gußteile.

Auch die Oberform 22 besteht beim Ausführungsbeispiel aus grobkörnigem Silicasand und ist im oberen Formkasten 34 erstellt; sie befindet sich unmittelbar über der Unterform 20 und besitzt zwei Gießtrichter 32₀

Zur Ausrichtung zwischen Unterform und Oberform dienen vier A Stangen 36 von kreisförmigem Querschnitt. Am unteren Formkasten 24 für die Unterform sind vier Lagerhülsen 38 angeschweißt. Von den Lagerhülsen 38 befinden sich zwei an der einen Seite und zwei an der gegenüberliegenden Seite des Formkastens 24. Die Hülsen 38 nehmen die Stangen 36 in senkrechter Lage auf. In den Hülsen 38 vorgesehene Spannstifte 40 dienen zum Sperren der Stangen 36.

Der obere Formkasten 34 weist entsprechend vier Lagerhülsen 42 auf, die genau oberhalb der Hülsen 38 des unteren Formkastens liegen und gleichfalls Spannstifte 44 tragen.

Ein wärmeisolierender Kern 14, der sich in Verbindung mit der ( wärmeisolierenden Form 12 bewegt, besteht aus grobkörnigem Silicasand und ist so ausgebildet, daß er den größten Teil einer in der Form 12 vorgesehenen Kammer ausfüllt. Die Unterseite des bewegbaren Kerns 14 bildet die obere Oberfläche 46 des Gußraums 48. Senkrechte Steiger 50, von denen nur zwei in der Zeichnung gezeigt sind, werden zahlreich verwendet, so daß eine Draufsicht auf den bewegbaren Kern 14 Steigeröffnungen von 3,2 mm (1/8") über den ganzen Kern im Abstand von etwa 5 cm (Abstand von Steigermitte zu Steigermitte) verteilt zeigen würde. Entlüftungsöffnungen 52 befinden sich jeweils am oberen Ende jedes Steigers. Ein Kernrahmen 54 ist an den Enden von Kernführungen 56 befestigt. Vier solcher Führungen 56 sind vorgesehen und erstrecken sich durch die Kernplatte 58, an der sie

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- 8 durch Muttern 60 "befestigt sind.

Die Steuereinrichtung 16 für die Bewegung des Kerns 14 weist beim Ausführungsbeispiel eine bei 62 angedeutete Druckluftquelle auf sowie einen Druckregler 64· zum Aufrechterhalten konstanten Luftdrucks, ein Regelventil 66 für die Strömung zum Steuern der Bewegungsrate des Kerns 14» ein Verteilerventil 68 zum Steuern der Bewegungsrichtung des Kerns und einen doppelt wirkenden pneumatischen Zylinder 70 mit Kolbenstange 72 und Öffnungen 74-ο Yon dem Zylinder 70 aus wird der bewegbare Kern 14 über die Kolbenstange 72 angetrieben· Die Öffnungen 74 steuern die Abgabe von Luft aus dem Zylinder und ergeben in Verbindung mit dem Ventil 66 eine Verfeinerung der Steuerung der Bewegungsrate des Kerns 14o

Die Gießform 12, der bewegbare Kern 14 und die Steuereinrichtung 16 sind auf folgende Weise konstruktiv vereinigte Die Stangen 56 sind - wie erwähnt - an die Form 12 angeschlossen» Die Stangen 36 erstrecken sich nach oben durch eine Heberplatte 76ο Die Platte 76 ist unter Verwendung von Buchsen 78 und Sperrseheiben 80 an den Stangen 36 befestigt·

Die führungen 56 des bewegbaren Kerns erstrecken sich durch die Heberpia tte 76, und Muttern 82 dienen zum Einstellen der Weglänge des Kerns 14· Der doppelt wirkende Zylinder 70 ist an der Heberplatte 76 mittels eines Paßstückes 84 befestigt, während die Kolbenstange 72 zur Übertragung der Bewegung auf den Kern 14 durch ein Paßstück 86 mit der Kernplatte 58 verbunden ist, Abstandsscheiben 88 dienen zum Einstellen der Höhe des Gußraums und damit der Wandstärke des Gußteils·

Ein typisches Gußmaterial für diese Ausführungsform wäre beispielsweise die Aluminiumlegierung 356 S.A.E· (Bezeichnung der Society of Automotive Engineers für eine Aluminiumlegierung mit 6,5 bis 7,5$ Silizium, 0,25 bis 0,40j£ Magnesium und Rest Aluminium); der bewegbare Kern 14 würde dann so eingestellt, daß sein Weg über die Einstellung der Muttern 82 auf

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4,737 mis (O₁187") begrenzt wäre« Mit dem Kern in der am weitesten geöffneten, also oberen Stellung befände sioh der Gußraum 48 in der vorläufigen Grießstellung und beim Vorsohub des Kerns in die geschlossene Stellung wäre die endgültige Schließstellung erreicht. Diese Schließstellung würde beim Ausführungsbeispiel ein Gußteil mit einer Wandstärke von 0,1016 mm (0,040") ergeben, und diese Stärk« wird festgelegt durch Verwendung einer Abstandsscheibe 88 von gleichfalls 0,1016 mm. Der Regler 64 für den. luftdruck wird auf 6,30 kg/cm² (90 psi) eingestellt und das Yentil 66 in Verbindung mit den öffnungen 74 wird so eingestellt, daß ein gleichförmiger Vorschub des Kerns erfolgt und seine Sehließstellung in 5 Sek. erreicht wird. Das Verhältnis Gießtrichter 32 zu Verteiler zu Einlaufsteg 28 wird dabei auf 1:5:6 festgelegt, d.h. beim Ausführungsbeispiel das Verhältnis des Querschnitts von einem Gießtriohter 32 zu dem Querschnitt des zugehörigen Verteilers 30 zu den Querschnitten der zugehörigen Einlaufstege 28, wobei jeweils die kleinsten Querschnitte zugrundegelegt werden, also für den konischen Gießtrichter der untere Querschnitt, für den Verteiler 30 jedoch der kleinste Querschnitt vor der ersten Abzweigung eines Steges 28, während für die Stege die Summe der jeweils kleinsten Querschnitte der Einzelstege maßgebend ist.

Der bewegbare Kern 14 wird in die vorläufige bzw. Anfangsstellung gebracht und geschmolzenes Aluminium von 801 + 5,5° (1475 + 10°?) wird rasch durch die Gießtrichter 32 eingeführt, bis der Gußhohlraum 48 mit Schmelze gefüllt ist. Nachdem Eingießen wird das Verteilerventil 68 für den Vorsohub des bewegbaren Kerns betätigt. Der bewegbare Kern 14 wird dann in seiner endgültigen bzw. geschlossenen Stellung gehalten, bis das Gußteil auf etwa 205° (400°?) abgekühlt ist, worauf es der Gußform entnommen wird.

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Claims

20o November I969 1« The Boeing Company 'Da/is

Patentansprüche.:

Verfahren zum Herstellen von G-ußteilen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einsetzen eines bewegbaren, wärmeisolierenden Gießkern in eine gleichfalls wärmeisolierende Gießform in dieser ein vorläufiger Gußraum gebildet wird, worauf überhitzte, flüssige Schmelze in den vorläufigen Gußraum eingeführt wird, daß dann der bewegbare Kern vorgeschoben wird, worauf überschüssige Schmelze aus dem GuB-raum ausgetrieben und der bewegbare Kern so lansre in seiner geschlossenen Stellung gehalten wird, bis das Gußteil erstarrt ist₀

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Kern so lange in der geschlossenen Stellung gehalten wird, bis das G-ußteil auf eine Temperatur von etwa 110° (20O⁰F) über Raumtemperatur abgekühlt ist, worauf das Gußteil entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Oberflächen des vorläufigen Gußraums im wesentlichen mit einem Film aus wärmeabsorbierendem Material überzogen werden.

4β Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den bewegbaren Kern eine Anzahl von Steigern eingeführt wird.

5β Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine wärmeisolierende Form mit einer abwärtsgerichteten Kammer, deren Boden eine untere Oberfläche des Gußraums bildet jdurch einen wärmeisolierenden bewegbaren Kern, der sioh nach unten in die Kammer erstreckt und zwischen sich und der unteren Oberfläche ·

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des Gußraums einen vorläufigen G-ußraum bildet, wenn er weitgehend in die Kammer eingeführt istj eine Einführeinrichtung für Schmelze in den'Torläufigen Gußraumi und eine Einrichtung für den gesteuerten Vorschub des bewegbaren Kerns und für das Aufrechterhalten seiner Stellung nach dem Schließen.

Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die obere und die untere Oberfläche des vorläufigen G-ußraums mit einem wärmeabsorbierenden Material bedeckt sindo

7ο Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für den Vorschub des bewegbaren Kerns einen strömungsabhängigen Antrieb für den Vorschub des Kerns in die geschlossene Stellung aufweist, sowie ein ein strömungsfähiges Medium enthaltendes Steuersystem für den Antrieb und eine Steuerung für den Druck und die Strömungsrate des Mediums innerhalb des Systems«

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einführen der Schmelze in der wärmeisolierenden Form untergebracht ist und eine Öffnung zum Aufnehmen und Verteilen der Schmelze aufweist·

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, 'daß die Einrichtung zum Einführen der Schmelze einen Grießtrichter mit Verteiler und Eingußsteg aufweist und daß der Eingußsteg an der Übergangsstelle zum G-ußraum abgerundet ist.

Patentanwalts

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