DE19716440C1 - Vorrichtung zum Vergießen von metallischen Werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Vergießen von metalli­ schen Werkstoffen nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Für das Vergießen von metallischen Werkstücken werden üblicherweise, wie es auch in der EP 387 107 A2 erwähnt ist, Formen aus Gips oder keramischer Masse angefertigt. Dazu wird ein Wachsmodell in einer Küvette plaziert und mit Gips umgossen. Die Küvette weist einen zylindrischen, gelochten Stahlmantel auf, wie es beispielsweise in der DE 23 00 666 B2 beschrieben ist. Nach dem Aus­ schmelzen des Wachsmodells wird die Küvette umgedreht und in einer Vakuum­ kammer mit Metall vergossen.

Bei dieser Art des Topfgusses ist es nicht möglich das flüssige Metall unter hohem Druck einzufüllen, da die Form den Druckunterschied zwischen dem außen anliegenden Vakuum und dem mit Überdruck eingebrachten Metall nicht standhält. Der sich elastisch verformende Stahlmantel stützt die Form dabei zu wenig an ihrer Außenseite ab. Der z. B. in der DE 32 18 326 A1 beschriebene Überdruck ist nur ausreichend, um den Gießvorgang zu beschleunigen. Das Abgießen unter Druck ist deshalb bisher nur mit metallischen Formwerkzeugen möglich. Die damit er­ reichbaren Vorteile, wie beispielsweise eine geringe Lunkerbildung, eine hohe Oberflächenqualität oder die Möglichkeit, sogenannte Kompounds, also Mischun­ gen aus Metallen und Faserwerkstoffen, zu vergießen, waren mit Gipsformen nicht erreichbar.

Es war daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Vergießen von metallischen Werkstoffen in Gips- oder Keramikformen so auszubilden, daß unter Druck abgegossen werden kann, ohne dabei die Form zu zerstören oder zu be­ schädigen.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Durch die elastische Innenwand der Küvette wird es möglich die Form an ihrer Außenseite trotz anliegendem Vakuum so abzustüt­ zen, daß durch den innen anliegenden Druck nur Druckkräfte auf das Formmaterial, jedoch keine Zugkräfte wirken. Die hoch druckfeste, aber gegen Zugkräfte sehr empfindliche Formmasse nimmt dadurch keinen Schaden. Die neue Küvette er­ möglicht nicht nur verschiedene Längen von Gießformen, sondern es ist auch ein gewisser Spielraum im Durchmesser gegeben, weil die elastische Innenwand auf die Gießform eine zentrierende Wirkung hat.

Ein weiterer Vorteil ist in der leichten Entformbarkeit zu sehen. Gerade bei größeren Formen war es oftmals schwierig nach dem Guß das fest in dem Stahl­ mantel sitzende Formmaterial, die Küvette und den fertigen Gießling zu trennen. Durch die elastische Innenwand kann die Form nun ohne Probleme aus der Küvette entnommen und durch Abschrecken von dem Gießling abgetrennt werden.

Die elastische Innenwand kann beispielsweise nur im Bereich der oberen Öff­ nung der Küvette mit der Außenwand dicht verbunden sein, so daß zwischen der Küvettenwand und der elastischen Innenwand ein luftdichter Zwischenraum ent­ steht.

Die elastische Innenwand läßt sich jedoch auch doppelwandig ausbilden, so daß bei einer sehr einfachen Ausführungsform keinerlei Verbindung zwischen der Küvettenwand und der elastischen Innenwand bestehen muß. In beiden Fällen kann die fertige Gießform in die Küvette eingesetzt und diese fest mit der Druckkammer zur Aufnahme des Schmelztiegels verbunden werden. Danach wird der Zwischen­ raum mit Druckluft gefüllt, so daß sich die Gießform selbständig zentriert und fest nach oben gedrückt wird. Auf diese Weise können mit einer einzigen Küvettengröße ganz verschiedene Gießformen in die entsprechende, für das Vergießen notwendi­ ge Position unterhalb des Schmelztiegels gebracht werden.

Für einen schnellen und sauberen Gießvorgang muß die Gießform vor dem Vergießen evakuiert werden. Damit sich die elastische Innenwand nicht hinderlich oder verzögernd auswirkt, weist die mit der Gießform in Kontakt befindliche Seite luftführende Kanäle auf, die so ausgelegt sind, daß sie aus der Gießform austreten­ de Luft direkt zu einer Bohrung leiten, die mit einer Vakuumquelle verbunden ist.

Um die zentrierende Wirkung zu stärken und Beschädigungen der elastischen Innenwand zu vermeiden ist der Boden der Küvette nach außen gewölbt, so daß möglichst ein Küvetteninnenraum ohne Kanten entsteht. Soll diese Wirkung noch verstärkt werden, ist es vorteilhaft auch die Gießform in einem Gefäß mit gewölbten Boden zu fertigen, so daß auch die Gießform selbst keine scharfen Kanten auf­ weist.

In vorteilhafter Weise ist die Druckkammer zur Aufnahme des Schmelztiegels mit einer zentrischen Öffnung in ihrem Boden versehen. Auch wird die Küvette mit einem Deckel verschlossen, der mittig eine Öffnung aufweist. Der Schmelztiegel besitzt an seiner Unterseite einen trichterförmigen Fortsatz, der in gießfertigem Zu­ stand der Vorrichtung durch die Öffnung im Boden der Druckkammer in die Öffnung des Küvettendeckels ragt. Die Anordnung ist so aufgebaut, daß sich in der Kammer aufgebauter Druck nur über den trichterförmigen Fortsatz des Schmelztiegels in die in der Küvette befindliche Gießform fortpflanzen kann.

Sowohl Küvette als auch Druckkammer weisen einen Flansch auf, wobei die Verbindung über eine dazwischen liegende Dichtung hergestellt wird. Diese Dich­ tung bewirkt die Druckfestigkeit des Systems nach außen.

Die Druckkammer zur Aufnahme des Schmelztiegels ist mit einer Induktions­ heizung versehen, die ein einfaches Schmelzen des metallischen Werkstoffes in dem Schmelztiegel unter Vakuum ermöglicht.

Die Druckkammer ist sowohl mit einer Druck- als auch mit einer Vakuum­ quelle verbindbar, während die Küvette nur an eine Vakuumquelle angeschlossen werden kann. Auf diese Weise wird es möglich, das Schmelzen des Metalls unter Vakuum vorzunehmen, und gleichzeitig die Form zu evakuieren. Für den Gießvor­ gang kann dann die Druckkammer mit Druck beaufschlagt und die Form weiterhin evakuiert werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels, das anhand der Zeichnung eingehend erläutert wird.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A durch die Vorrichtung in Fig. 1 ohne Gießform.

Die Vorrichtung weist eine Druckkammer 1 und eine Küvette 20 auf, die über Klammern 3 verbunden werden können. Ebenfalls über Klammern 3 kann auf die Druckkammer ein Deckel 2 aufgesetzt und über den Dichtring 5 druckdicht mit der Kammer verbunden werden. Hierzu ist sowohl an dem Deckel 2 als auch an der Wand der Druckkammer jeweils ein nicht näher bezeichneter Flansch vorgesehen der von der Klammer 3 umgriffen wird. Der Boden 14 der Druckkammer 1 weist eine zentrische Öffnung 15 auf.

Innerhalb der Druckkammer steht auf dem Boden 14 ein Schmelzgefäß 6 dessen Ablaufstutzen 9 durch die Öffnung 15 im Boden 14 der Druckkammer ragt. Ein Ablaßventil 10 wird durch den Ventilkörper 11 und den Ablaufstutzen 9 sowie den Ventilschaft 12 gebildet. Der lose auf dem Schmelzgefäß 6 aufliegende und mit Druckausgleichsöffnungen versehene Deckel 7 des Schmelzgefäßes 6 weist eben­ falls eine zentrische Öffnung auf, wobei oberhalb der Öffnung ein Solenoid 13 mit dem Deckel 7 verbunden ist. Bei einer elektrischen Ansteuerung des Solenoid 13 hebt sich der Ventilschaft 12 und öffnet somit das Ablaufventil 10.

An der Innenwand der Druckkammer 1 ist eine Induktionsheizung 8 vorgese­ hen, die das Schmelzgefäß bis auf die benötigte Temperatur aufheizt.

Die Küvette 20 weist einen zylindrischen Mantel und einen nach außen ge­ wölbten Boden 30 auf. Der Mantel besitzt an seinem oberen Rand einen Außen­ flansch 21 und, darunter liegend, einen Innenflansch 22. Auf dem Innenflansch liegt der Deckel 23 auf, der wiederum eine zentrische Öffnung 26 für den Durchtritt des Ablaufstutzens 9 des Schmelzgefäßes 6 aufweist. Im Randbereich des Deckels befindet sich eine Bohrung 27. Der Deckel 23 ist so dimensioniert, daß er bündig mit dem oberen Rand des Außenflansches 23 abschließt.

Zwischen dem Boden 14 der Druckkammer 1 und dem Deckel 23 der Küvette, sowie der Oberfläche des Außenflansches 23 ist eine elastische Dichtplatte 19 an­ geordnet. Die Öffnung 24 der Dichtplatte hat einen Durchmesser, der so ausgelegt ist, daß der Ablaufstutzen 9 fest umschlossen wird. Damit wird ein Druckübergang zwischen Druckkammer 1 und Küvette 20 nur noch über den Ablaufstutzen 9 mög­ lich.

Über der Öffnung 27 in dem Deckel 23 hat auch die Dichtplatte 19 eine Öff­ nung 25. Diese Öffnung läßt einen Luftkanal zwischen der Küvette 20 und der Boh­ rung 27 in der Außenwand der Druckkammer 1 frei. Die Bohrung 17 ist mit dem Saugstutzen 18 verbunden, der an eine hier nicht gezeigte Vakuumquelle ange­ schlossen ist. Die Verbindung zwischen Druckkammer und Küvette wird über die Klammern 3 aufgebaut, die die Flansche 16 und 21 umgreifen.

An der Innenwand der Küvette 20 ist eine doppelwandig aufgebaute, elasti­ sche Innenhaut 31 angebracht. Der Innenraum 32 der Innenhaut 31 kann über den Stutzen 33 mit einem Medium, etwa einem Gas oder einem Fluidum, befüllt werden. Die Innenhaut ist vorteilhaft etwa bis zu zwei Dritteln der Küvettenhöhe mit deren Innenwand verklebt.

In Fig. 2 läßt sich die Oberflächenstruktur der nicht verklebten Seite der In­ nenhaut 31 erkennen. Es sind von der Mitte ausgehende Kanäle 34 vorgesehen, die oberhalb der Innenhaut in den freibleibenden Ringkanal 29 münden. Die erha­ benen Flächen 35 bilden die seitlichen Begrenzungen der Kanäle 34.

Alternativ kann die nicht verklebte Seite auch mit runden Noppen versehen sein, deren Abstand so dimensioniert ist, daß auch hier durchgehende Kanäle ent­ stehen, die ebenfalls in den Ringraum 29 münden. Auch eine Kanalstruktur in Form eines rautenförmigen Gitters ist realisierbar.

Für einen Gießvorgang muß zuerst die Gießform 28 in der Küvette 20 plaziert werden. Hierzu wird der Innenraum 32 der elastischen Innenhaut 31 über den Stut­ zen 33 evakuiert. Die Innenhaut 31 legt sich dadurch dicht an die Innenwand der Küvette 22 an. Die Gießform 28 kann nun bequem in die Küvette eingesetzt wer­ den.

Nun wird der Deckel 23 eingesetzt und die Dichtplatte 19 aufgelegt. Nach dem Aufsetzen der noch offenen Druckkammer 1 kann die Verbindung der beiden Gefäße über die Klammern 3 hergestellt werden.

Der Innenraum 32 der elastischen Innenhaut 22 kann jetzt beispielsweise mit Luft aufgepumpt werden. Dadurch zentriert sich die Gießform 28 und wird von un­ ten gegen den Deckel 23 gedrückt.

In die offene Druckkammer 1 wird das Schmelzgefäß 6 - mit geschlossenem Ventil 10, aufgesetztem Deckel 7 und mit der benötigten Menge Metall befüllt - ein­ gesetzt. Nun kann die Druckkammer 1 mit Hilfe des Dichtrings 5, dem Deckel 2 und den Klammern 3 druckfest verschlossen werden.

Zum Schmelzen des Metalls wird die Druckkammer über den Anschlußstut­ zen 4 evakuiert. Gleichzeitig wird auch die Küvette 20 über die Öffnung 27 im Dec­ kel 23, die Öffnung 25 in der Dichtplatte 19, die Bohrung 17 in der Wand der Druck­ kammer und den Saugstutzen 18 evakuiert. Über die Poren in der keramischen Masse der Gießform und die Kanäle 34 baut sich auch in den Kavitäten 36 ein Va­ kuum auf.

Wenn das Metall den flüssigen Aggregatzustand erreicht hat, wird unter Bei­ behaltung des Unterdruckes an dem Saugstutzen 18 das Ventil 10 geöffnet und gleichzeitig in der Druckkammer 1 über den Anschlußstutzen 4 ein Überdruck auf­ gebaut. Das flüssige Metall wird dadurch mit großer Geschwindigkeit in die Kavitä­ ten 36 gedrückt bis diese vollständig - ohne Lufteinschlüsse - gefüllt sind. Das Ven­ til 10 wird wieder geschlossen und der Überdruck in der Druckkammer 1 abgebaut. Nun kann auch die Küvette mit atmosphärischem Druck beaufschlagt werden.

Nach dem Trennen von Druckkammer und Küvette wird der Innenraum 32 der elastischen Innenhaut 31 evakuiert, so daß die nun gefüllte Gießform 28 frei in der Küvette steht. Nach dem Erstarren des Metalls, aber noch vor dem Auskühlen wird die Gießform aus der Küvette entfernt und zum Entformen in kaltes Wasser ge­ taucht. Dabei zerspringt die Gießform durch den Thermoschock und gibt die Werk­ stücke frei.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird so auf sehr einfache Weise ein lunkerfreier Abguß mit hoher Oberflächengüte erreichbar. Durch sehr niedere Kü­ vettentemperaturen ist auch sehr feinkörniges Gefüge erreichbar. Auch die leichte Entformbarkeit durch das freie Herausnehmen der Gießform aus der Küvette nach dem Abguß hat sich als großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erwiesen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Vergießen von metallischen Werkstoffen in eine Form aus Gips oder keramischer Masse mit einer Druckkammer, einem ersten Gefäß zur Aufnahme des flüssigen metallischen Werkstoffs und einem weiteren Gefäß mit zylindrischer Außenwand und einem Boden zur Aufnahme der Form, welches mit der Druckkammer verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das weite­ re Gefäß eine elastische Innenwand aufweist, die sich über den Boden und die zylindrische Außenwand erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Innenwand doppelwandig ausgebildet ist und einen luftdicht abschließbaren Zwischenraum begrenzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der doppelwandigen Innenwand luftführende Kanäle aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des weiteren Gefäßes nach außen gewölbt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer in ihrem Boden eine zentrische Öffnung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Gefäß einen Deckel mit einer zentrischen Öffnung aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gefäß einen verschließbaren trichterförmigen Auslauf aufweist, der in die zentrische Öffnung einsetzbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gefäß und die Druckkammer über einen Flansch mit dazwischen liegender Dichtung verbindbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckkam­ mer eine Induktionsheizung für das erste Gefäß vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer und das Gefäß separat mit einer Vakuumquelle verbindbar sind.