DE19639052A1 - Dünnwandiges, aus Leichtmetall bestehendes Druckgußteil als Strukturbauteil für Karosserien - Google Patents
Dünnwandiges, aus Leichtmetall bestehendes Druckgußteil als Strukturbauteil für KarosserienInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von gegossenen dünnwandigen Strukturbau
teilen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und von einem Ver
fahren zum gießtechnischen Herstellen dünnwandiger Strukturbau
teile aus Leichtmetall für Karosserien nach dem Oberbegriff von
Anspruch 8, wie beides beispielsweise aus einem Beitrag von W.
Bovensmann "Neuzeitliche Druckgießmaschinen für präzise, groß
volumige Druckgußteile" in der Zeitschrift Gießerei-Praxis, Nr.
7/1966, Seiten 115 bis 119 als bekannt hervorgeht.
In dieser Literaturstelle aus dem Jahre 1966 ist zwar nur das
Druckgießen erwähnt und näher beschrieben, jedoch kommen neuer
dings auch andere, artverwandte Gießverfahren in Betracht. In
diesem Zusammenhang sei ein Druckgießen bei evakuierter Druck
gußform und das Thixocasting sowie das Thixoforming genannt.
Generell handelt es sich hierbei um Urformverfahren, bei denen
eine auf die Werkstückgröße abgestimmte Metallmenge in ein öf
fen- und schließbares Formgebungswerkzeug aus Metall ein
gebracht, die Form mit dem fließfähigen Leichtmetall gefüllt
und unter der Einwirkung eines hohen Druckes ausgeformt und das
Werkstück anschließend unter der Einwirkung dieses Druckes bis
zur Handhabbarkeit des Werkstückes erstarren gelassen und aus
der Form entnommen wird. Alle unter diese Definition subsumier
baren Formgebungsverfahren seien hier mit dem Begriff "Druck
gießen" erfaßt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf
die Sonderausgabe der Zeitschriften ATZ und MTZ aus dem Jahre
1996 zum Thema "Leichtmetalle im Automobilbau" mit Beiträgen
von B. Wendiger, A. Mundl: Thixocasting - Eine Umformtechnik
mit Zukunft" oder G. Springe: "Die Zukunft des Aluminiumeinsat
zes im Automobilbau" verwiesen werden. Bei richtiger Wahl und
Vorbehandlung des Vorproduktes mit globulitischen Gefüge und
temperaturgenauer Erwärmung des einzusetzenden Zylinderblocks
verhält sich der Gußwerkstoff thixotrop, läßt sich also einer
seits noch vorsichtig als Festkörper handhaben, fängt aber bei
Krafteinwirkung an zu fließen. Beim Thixocasting wird der teil
verflüssigte Block in eine mit der Gießform über einen Zufuhr
kanal verbundene Kolbenkammer eingelegt, von wo aus das
thixotrope Metall - ähnlich wie beim Druckguß - mittels eines
Kolbens unter hohem Druck in die Gießform eingespritzt wird.
Beim Thixoforming wird hingegen der teilverflüssigte Block
gleich in die noch offene Gießform eingelegt und - ähnlich wie
beim Gesenkschmieden - die Gravur durch kraftvolles und rasches
Schließen der Gießformhälften mit dem teilverflüssigten Metall
ausgefüllt.
Diesen Verfahren sind bezüglich der Gußstückgröße natürliche
Grenzen gesetzt. Zum einen wirken aufgrund der hohen erforder
lichen Drücke - bis zu 1600 bar - und aufgrund der Projektions
fläche der metallbenetzten Flächen der Gießform ganz beträcht
liche Kräfte auf die Gießmaschine und die Gießform ein, die
aufgrund der Werkstoffelastizität des Stahls nach dem Hook′-
schen Gesetz zu wenn auch geringen aber dennoch unvermeidbaren
Verformungen führen. Bei zunehmender Größe der Gießformen wer
den trotz zunehmender Aussteifung der Maschine und der Gießform
diese Verformungen so groß, daß die Gießform nicht mehr sauber
und gratfrei geschlossen gehalten werden kann. Eine weitere na
türliche Grenze für die Gußstückgröße insbesondere von dünnwan
digen Gußstücken stellt die maximal mögliche, d. h. erstarrungs
frei zurücklegbare Fließstrecke des Metalls während der Form
füllung dar. Trozt hoher Fließgeschwindigkeiten kommt es zumin
dest bei engen Formquerschnitten aufgrund des Kontaktes mit den
Formwandungen zu einer Abkühlung, die um so größer ist, je län
ger die Fließwege sind. Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß
bei den hohen Fließgeschwindigkeiten des Metalles die Schmelze
nicht in Form eines zusammenhängender Flüssigkeitsstrahles
strömt, sondern in viele einzelne Tröpfchen zerstäubt wird, die
aufgrund des hohen Formfülldruckes anschließend wieder zusam
mengepreßt werden. Mutet man den Schmelzepartikeln zu lange
Fließwege zu, so kühlen sie zu stark ab und verlieren ihre
Haftfähigkeit beim Zusammenpressen; das Gußstück wird porös und
brüchig. Bei Gießverfahren der hier angesprochenen Art, insbe
sondere Druckgießen, Thixocasting und Thixoforming bestehen al
so aus den dargelegten Gründen verfahrensimmanent Grenzen hin
sichtlich der Gußstückgröße, die jedoch nicht generell in Län
geneinheiten angegeben werden können, weil dies auch von ande
ren Einflußfaktoren, insbesondere der Gußstückart, seiner Form,
der Wanddicke und den Genauigkeitsanforderungen abhängt.
Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte
Strukturbauteil bzw. das Herstellungsverfahren dahingehend zu
verbessern, daß dünnwandig gegossene Strukturbauteile auch über
die verfahrensimmanenten Größenbegrenzung hinaus herstellbar
sind.
Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung der jeweiligen Gattung
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch
1 (Strukturbauteil) bzw. durch die kennzeichnenden Merkmale von
Anspruch 8 (Verfahren) gelöst. Danach werden die Gußstücke je
weils in mehreren, zeitversetzt nacheinander hergestellten Guß
teil-Tranchen gegossen, wobei diese an ihren gegenseitigen
Nahtstellen entlang einer definiert vorgegebenen formschlüssi
gen Kontur zusammengegossen werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den jeweiligen
Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung
anhand verschiedener in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines mehrtranchig in
einem einheitlichen Druckgußwerkzeug herzustellenden
Druckgußteiles am Beispiel eines Seitenwandteiles für
Fahrzeugkarosserien,
Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines an den Naht
stellen zwischen zwei aneinandergrenzenden Gußteil-Tranchen
einzufügenden Nahtstreifens,
Fig. 3 eine Ansicht auf eine Aufspannplatte einer Druckgußma
schine mit strichpunktiert angedeutetem Druckgußwerkzeug
und mit darin angeordnetem Rohteil für ein Seitenwand
teil nach Fig. 1 mit Einzeichnung der Lage der mehre
ren, zeitversetzt wirksam werdenden Gießzylinder und
Überlaufstellen für die einzelnen Gußteil-Tranchen und
Fig. 4 bis 6 verschiedene Nahtausführungen für ein mehrtranchig
in unterschiedlichen Druckgußwerkzeugen herzustellenden
Druckgußteiles.
Es sei zunächst anhand der Fig. 1 das in mehreren Gußteil-Tranchen
herzustellende Druckgußteil, nämlich beispielsweise
die Innenwandung einer zweischaligen Karosserieseitenwand, er
läutert. Auf dieses innenseitige Strukturbauteil von kompli
zierter, aber gießtechnisch einfach herstellbarer Form wird bei
der Fertigung der Rohbaukarosserie eine Außenbeplankung aus ge
zogenem Blech, vorzugsweise ein Leichtmetallblech aufge
schweißt, so daß eine stabile, aus Hohlprofilen gebildete Sei
tenwandkonstruktion entsteht, deren Außenschale der Außenhaut
form der Karosserie entspricht und die in ihrer Oberflächenform
hohen optischen Ansprüchen gerecht wird.
Das Seitenwandteil 1 enthält die beiden Türausschnitte und die
Anschlüsse bzw. Knotenelemente zu angrenzenden Trägern der
Fahrzeugkarosserie. Unten im Seitenwandteil ist der Boden
schweller 14 und oben der Dachschweller 13 angeordnet. Nach
vorne ist der Fahrertürausschnitt durch den Seitenholm der
Windschutzscheibe und die Anschlagsäule für die Fahrertür, die
sog. A-Säule 10 begrenzt. Zwischen den beiden Türen liegt der
Mittelpfosten, die sog. B-Säule 11; und der hintere Türaus
schnitt ist nach hinten durch die Radeinfassung und die sog.
C-Säule 12 begrenzt.
Wie eingangs bereits erwähnt, bereitet es große Schwierigkei
ten, so große Werkstücke als ein einheitliches Druckgußteil zu
gießen, weshalb das Seitenwandteil 1 erfindungsgemäß in mehre
ren Tranchen sukzessiv gegossen werden soll. Zu diesem Zweck
ist das Seitenwandteil in insgesamt drei Bereiche 3, 3′ und 3′′
unterteilt, in denen die einzelnen Gußteil-Tranchen 2, 2′ und
2′′ liegen, die über Nahtlinien 4 bzw. 4′ aneinandergrenzen und
an diesen Nahtstellen form- und stoffschlüssig verbunden sind.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel eines Seitenwandteiles
sind diese Nahtstellen im Bereich des Dach- (13) bzw. des Bo
denschwellers 14 angeordnet.
Das Gießen von Druckgußteilen in mehreren sukzessiv zu formen
den Tranchen kann auf grundsätzlich zweierlei Art und Weise er
folgen, wobei jedoch im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3
zunächst nur auf eine dieser Möglichkeiten eingegangen werden
soll. Und zwar können danach die Gußteil-Tranchen in unter
schiedlichen Abschnitten einer einheitlichen Gießform sukzessiv
gegossen werden, wobei an den Abschnittsgrenzen bzw. Nahtstel
len zur fluidischen Abtrennung der einzelnen Gießbereiche je
weils ein Nahtstreifen 8 nach Fig. 3 lagedefiniert und lage
stabil in das Druckgußwerkzeug eingelegt wird, der durch den
Gießvorgang form- und stoffschlüssig mit den einzelnen Gußteil-Tranchen
verbunden wird. Bei dieser Vorgehensweise werden die
einzelnen Gußteil-Tranchen 2, 2′ und 2′′ über den eingelegten
Nahtstreifen 8 mittelbar miteinander verbunden. Wegen der Ver
wendung nur eines einheitlichen Gießwerkzeuges 9 ist die Hand
habung der Werkstücke ebenso einfach, als wenn der Gießvorgang
in einen einzigen Zug erfolgen würde.
Der in Fig. 2 einzeln dargestellte Naht streifen weist zur Ver
besserung seiner Anbindung an die angrenzenden Gußteil-Tranchen
2 bzw. 2′ schwalbenschanzartig geformte Vorsprünge 20 auf, die
in der Wandstärke geringer sind als die Wandstärke des Gußtei
les und von diesem U-förmig übergriffen werden. Der Nahtstrei
fen besteht aus dem gleichen oder einem sehr ähnlichen Werk
stoff wie der des Gußwerkstückes selber, insbesondere was das
Temperaturdehnungsverhalten, den Schmelzpunkt und die Festig
keit anlangt. Die Vorsprünge 20 selber können zusätzlich noch
mit Durchbrüchen 21 versehen sein. Dadurch kommt eine vielfäl
tige formschlüssige Verklammerung des Streifen-Werkstoffes mit
dem Gußteil-Werkstoff zustande. Ein zusätzliches stoffschlüssi
ges Anbinden des Gußteil-Werkstoffes an den Nahtstreifen kann
insbesondere dadurch begünstigt werden, wenn der Nahtstreifen
auf etwa 400 bis 500°C vorgewärmt wird oder wenn er stark auf
geraut wird mit spitz aufragenden Materialaufwerfungen, die In
itialisierungsstellen für ein Anschmelzen darstellen. Aufgrund
der Vorwärmung oder der speziellen Aufrauhung schmilzt der
Naht streifen durch die Wärmezufuhr seitens der einströmenden
Gußteil-Schmelze oberflächlich an und geht mit ihr eine stoff
schlüssige Verbindung ein.
Die Fig. 3 zeigt eine Aufspannplatte 15 einer Druckgußmaschine
mit darauf strichpunktiert angedeutetem Druckgußwerkzeug 9. Die
Aufspannplatte ist durch Führungssäulen 18 gehalten. Entlang
dieser Führungssäulen ist eine andere, das gegenüberliegende
Gegenwerkzeug tragende Aufspannplatte zwischen Offen- und
Schließstellung des Druckgußwerkzeuges verfahrbar. Über die
Führungssäulen 18 werden auch die Schließkräfte zum Zusammen
halten der Werkzeughälften seitens der Druckzylinder der Druck
gußmaschine übertragen.
Zur besseren Beherrschung der beim Druckgießen auftretenden
Kräfte wird das Gußstück nicht auf der gesamten Erstreckung
einheitlich gefüllt und abgeformt, sondern zeitversetzt ab
schnittsweise gegossen und erstarren gelassen. Zu diesem Zweck
ist die erwähnte Einteilung des Gußstückes in Gußteilbereiche
3, 3′ und 3′′ entlang von Nahtstellen 4 bzw. 4′ im Dach- bzw. Bo
denschwellerbereich vorgesehen. An diesen Nahtstellen müssen
zur fluidischen Abtrennung der einzelnen Gießräume Nahtstreifen
nach Fig. 2 in das Werkzeug eingelegt werden, die formschlüs
sig in entsprechenden Aussparungen der Gravur aufgenommen und
dort lagedefiniert und lagestabil gehalten sind, so daß sie
nicht unter dem hohen Druck der Schmelze ausweichen können. Auf
diese Weise sind drei separate Gießräume in ein und demselben
Gießwerkzeug geschaffen, die zeitlich nacheinander nach der
Druckgußtechnik gefüllt werden können. So kann der komplette
Werkstück-Rohling in Gußteil-Tranchen sukzessiv vollständig bei
beherrschbaren Schließkräften gegossen werden.
Entsprechend der Anzahl von Gußteil-Bereichen 3, 3′ und 3′′ sind
mindestens drei, im dargestellten Beispiel sogar vier Gießzy
linder 16, 16′ und zweimal 16′′ vorgesehen, die jedoch nur zeit
versetzt wirksam werden. Entsprechend der mehreren Gußteil-Be
reiche sind auch mehrere Überlaufstellen 17 (zweimal), 17′ und
17′′ am Druckgußwerkzeug vorgesehen. Zur Anpassung an örtliche
Gegebenheiten und Größenverhältnisse des Werkstückes sind die
Gießzylinder 16, 16′ und 16′′ in einem Langloch parallel zur
Aufspannplatte 9 verfahrbar und in eine jeweiligen Bedarfsposi
tion justierbar und dort fixierbar.
Zur Herstellung eines Seitenwandteiles werden an den Nahtlinien
die Nahtstreifen in das Druckgußwerkzeug eingelegt, das Werk
zeug geschlossen und der Formhohlraum in dem ersten Gußteilbe
reich 3 über den Gießzylinder 16 gefüllt und insoweit das Werk
stück abgeformt. Dabei verbindet sich die Schmelze auch mit der
gezahnten Kontur des Nahtstreifens und geht nicht nur eine
formschlüssige, sondern bei geeigneter Vorbehandlung des Naht
streifens auch eine stoffschlüssige Verbindung ein. In dem er
sten Gußteilbereich wird der Schmelzendruck bis zur Erstarrung
der Schmelze aufrechterhalten. Nach Absenkung der Kolbenkraft
an dem ersten Gießzylinder 16 wird ein anderer Gießteilbereich,
beispielsweise der zweite Gießteilbereich 3′ über den zweiten
Gießzylinder 16′ gefüllt und der Gießdruck bis zur Werkstücker
starrung aufrechterhalten. Schließlich wird nach Druckentla
stung des zuletzt gegossenen Bereiches auch noch der letzte
Gußteil-Bereich 3′′ über die beiden Gießzylinder 16′′ gefüllt und
unter Druck ausgeformt und erstarren gelassen. Anschließend
kann das komplette Seitenwand-Rohteil 1′ aus dem Druckguß-Werkzeug
entnommen werden.
Gemäß einer anderen Vorgehensweise können die einzelnen Guß
teil-Tranchen in unterschiedlichen Druckgußwerkzeugen gegossen
werden. Dazu wird eine der Anzahl der Gußteil-Tranchen entspre
chende Zahl von Druckgußwerkzeugen und Druckgußmaschinen benö
tigt, wobei es sich hierbei um größen- und kräftemäßig be
herrschbare und im Prinzip konventionelle Werkzeug- und Maschi
nenbauformen handelt. In einer ersten Gießform bzw. Druckgußma
schine wird eine erste Gußteil-Tranche gegossen. Diese erste
Gußteil-Tranche wird in eine zweite Gießform bzw. Druckgußma
schine eingelegt und beim Druckgießen der zweiten Gußteil-Tranche
mit dieser zusammengegossen. Auf diese Weise kann eine
dritte, eine vierte usw. Gußteil-Tranche angegossen werden. Bei
dieser Vorgehensweise werden die Gußteil-Tranchen unmittelbar
miteinander verbunden. Es ist auch möglich, zunächst die beiden
dies- und jenseits einer mittleren Gußteil-Tranche 2′ liegenden
Gußteil-Tranchen 2 und 2′′ vorzufertigen und sie gemeinsam mit
der mittleren Gußteil-Tranche 2′, die als letzte gegossen wird,
zusammenzugießen.
Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4, 5 und 6 zeigen
Möglichkeiten auf, wie bei dieser Vorgehensweise und dem unmit
telbaren Aneinandergießen der einzelnen Gußteil-Tranchen ein
guter Verbund zwischen ihnen erzielt werden kann. Und zwar ver
läuft die Nahtlinie zwischen benachbarten Gußteil-Tranchen ge
zahnt oder wellenförmig und der Rand der anzugießenden Gußteil-Tranche
2′ umfaßt den im Querschnitt schwalbenschwanzförmig ge
stalteten Rand der benachbarten, zuvor gegossenen Gußteil-Tran
che 2 im Querschnitt U-förmig. Außerdem sind in den U-förmig
umfaßten Rand formschlüssig wirkende Konturelemente in Form von
Rillen 7, Durchbrüchen 7′ oder schwalbenschwanzartig sich ver
jüngende Randausbrüchen 7′′ vorgesehen.
Claims (12)
1. Dünnwandiges aus Leichtmetall bestehendes Druckguß-, Thi
xocasting- oder Thixoformingteil als Strukturbauteil insbeson
dere für Karosserien,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strukturbauteil (1) aus mehreren gleichartigen, sich
jeweils über einen Teilbereich (3, 3′, 3′′) des Strukturbautei
les (1) erstreckenden und aneinander anschließenden Gußteil-Tranchen
(2, 2′, 2′′) besteht, die an ihren gegenseitigen Naht
stellen (4, 4′) form- und stoffschlüssig verbunden sind.
2. Gegossenes Strukturbauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nahtlinie (4, 4′) zwischen benachbarten Gußteil-Tranchen
(2, 2′, 2′′) gezahnt oder wellenförmig verläuft.
3. Gegossenes Strukturbauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rand der einen, anzugießenden Gußteil-Tranche (2′, 2′′)
den Rand der benachbarten, zuvor gegossenen Gußteil-Tranche (2,
2′) im Querschnitt U-förmig umfaßt.
4. Gegossenes Strukturbauteil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der U-förmig umfaßte Rand der Gußteil-Tranche (2, 2′) form
schlüssig wirkende Konturelemente in Form von Rillen (7),
Durchbrüchen (7′) oder schwalbenschwanzartig sich verjüngende
Randausbrüchen (7′′) enthält.
5. Gegossenes Strukturbauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei benachbarte Gußteil-Tranchen (2, 2′, 2′′) mittelbar
über einen zwischengefügten Nahtstreifen (8) aus einem gleichen
Werkstoff verbunden sind.
6. Gegossenes Strukturbauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß es als Karosserie-Seitenwandteil (1) von Pkw-Karosserien
umfassend die A-, B- und die C-Säule (10, 11, 12) ausgebildet
ist.
7. Gegossenes Strukturbauteil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Karosserie-Seitenwandteil (1) in drei Gußteil-Tranchen
(2, 2′, 2′′) unterteilt ist, wobei die Nahtstellen (4, 4′) je
weils in den Dachschweller- (13) und in den Bodenschwellerbe
reich (14) gelegt sind.
8. Verfahren zum gießtechnischen Herstellen dünnwandiger Struk
turbauteile aus Leichtmetall für Karosserien, bei dem eine auf
die Gußstückgröße abgestimmte Metallmenge zentral in eine Gieß
form aus Metall eingebracht, das fließfähige Leichtmetall in
nerhalb der Gießform unter der Einwirkung eines hohen Druckes
ausgeformt und das Gußstück anschließend unter der Einwirkung
dieses Druckes bis zur Handhabbarkeit des Werkstückes erstarren
gelassen und aus der Gießform entnommen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gußstücke jeweils in mehreren Gußteil-Tranchen (2, 2′,
2′′) gegossen werden, wobei die Gußstück-Tranchen (2, 2′, 2′′)
eines Gußstückes (1) zeitversetzt nacheinander nach dem glei
chen Verfahren und aus einem zumindest annähernd gleichen
Leichtmetall jedoch in unterschiedlichen Gießformen oder unter
schiedlichen Abschnitten einer Gießform (9) gegossen werden und
an ihren gegenseitigen Nahtstellen (4, 4′) entlang einer defi
niert vorgegebenen formschlüssigen Kontur zusammengegossen wer
den.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die sukzessiv in unterschiedlichen Abschnitten einer Gieß
form gegossen Gußteil-Tranchen (2, 2′, 2′′) eines Gußstückes (1)
an der Nahtstelle (4, 4′) mittelbar unter Zwischenfügung eines
lagedefiniert an den Abschnittsgrenzen einlegbaren Nahtstrei
fens (8) zusammengegossen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine in einer ersten Gießform gegossene erste Gußteil-Tran
che (2, 2′) in eine zweite Gießform eingelegt und in dieser dem
Gießen der zweiten Gußteil-Tranche (2′, 2′′) dienenden zweiten
Gießform mit der zweiten Gußteil-Tranche (2′, 2′′) zusammenge
gossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß Karosserie-Seitenwandteile (1) von Pkw-Karosserien umfas
send die A-, B- und die C-Säule (10, 11, 12) gegossen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Karosserie-Seitenwandteile (1) in drei Gußteil-Tranchen
(2, 2′, 2′′) gegossen werden, wobei die Nahtstelle (4, 4′) in
den Dachschweller- und Bodenschwellerbereich (13, 14) gelegt
ist.
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