DE19901705A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von Kolbenrohlingen aus Leichtmetall insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Gießen von Kolbenrohlingen aus Leichtmetall - insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen - wird ein Formhohlraum eines Gießwerkzeuges bzw. einer Kokille mit Schmelze gefüllt und diese unter Druck zum Erstarren gebracht sowie die Schmelze aus einem druckdichten Tiegel durch ein in die Schmelze eingetauchtes Steigrohr unter Druck auf den Schmelzespiegel gegen die Schwerkraft in den Formhohlraum gefördert; dabei wird der Raum vom Schmelzespiegel im Steigrohr bis in den Formhohlraum des Gießwerkzeuges mit Stickstoff geflutet sowie der Formhohlraum unter niedrigem Druck gefüllt, wonach der Druck zum Erstarren erhöht wird. Der Druck wird während des Füllens bevorzugt auf etwa 0,2 bar gehalten sowie ein Druck erzeugendes Strömungsmittel oberhalb des Schmelzespiegels geregelt zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Gießen von Kolbenrohlingen aus Leichtmetall - insbe­ sondere von Kolbenrohlingen für Verbrennungskraftmaschinen -, bei dem ein Formhohlraum eines Gießwerkzeuges bzw. ei­ ner Kokille mit Schmelze gefüllt und diese unter Druck zum Erstarren gebracht wird.

Üblicherweise werden Leichtmetallkolben nach dem Schwer­ kraftverfahren in Metallformen bzw. Kokillen gegossen, in­ dem die Form mit einem Gießlöffel von oben mit Schmelze ge­ füllt wird und das Metall unter atmosphärischem Druck er­ starrt. Die so gegossenen Kolben können aufgrund der Form­ füllung und des Erstarrungsablaufes sowohl oxydische Verun­ reinigungen als auch Mikroporositäten aufweisen, die zur Beeinträchtigung der technologischen Eigenschaften führen.

Der Zeitschrift "Gießerei 75", 1988, Nr. 17 ist auf Seite 495 eine Erörterung des sog. Cosworth-Prozesses zu entneh­ men, eines Niederdruck-Gießverfahrens mit elektromagneti­ scher Pumpe als Gießaggregat für Aluminium-Sandguß, dessen Vorzüge eine ruhige Formfüllung und gute Speisung sowie ein hohes Ausbringen sein sollen. Die Schmelze im Gießofen ist gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen und die quasi la­ minare Schmelzeströmung bei kurzem Fließweg gegen die Schwerkraft gerichtet. Es wird beschrieben, dass die Auf­ wärtsbewegung der Schmelze fast ausschließlich durch Gas­ druck im geschlossenen Niederdruck-Gießofen bewirkt wird. Als nachteilig sollen sich eine schlechte Steuerbarkeit der Metallsäule im Steigrohr sowie die Störempfindlichkeit der elektromagnetischen Pumpen gezeigt haben.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, das Verfahren - und eine Vorrichtung dazu - so zu verbessern, dass Kolbenrohlinge höherer Dichte und mit geringerem Oxydgehalt hergestellt zu werden vermögen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiter­ bildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmalen.

Erfindungsgemäß wird die Schmelze aus einem druckdichten Tiegel durch ein in die Schmelze eintauchendes Steigrohr - unter Druck auf dem Schmelzespiegel - gegen die Schwer­ kraft in den Formhohlraum gehoben, wobei der Raum über dem Schmelzespiegel im Steigrohr bis in den Formhohlraum des Gießwerkzeuges mit Stickstoff geflutet wird, um die sauer­ stoffhaltige Luft zu verdrängen und die Oxydbildung zu mindern; dieser Formfüllvorgang erfolgt mit so niedrigem Druck - bevorzugt etwa 0,2 bar -, dass Turbulenzen ver­ mieden werden. Nach Beendigung des Formfüllvorganges wird erfindungsgemäß zur Verbesserung der Speisung der Druck zum Erstarren erhöht, dies vorteilhafterweise auf etwa 0,7 bar.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung soll eine geregelte Zuführung eines den Druck erzeugenden Strömungsmittels oberhalb des Schmelzespiegels erfolgen und/oder eine gere­ gelte Temperaturführung - ein Kühlen oder Heizen - des Gießsystems eine gerichtete Erstarrung zum Anguss hin er­ möglichen. Dazu wird erfindungsgemäß am Ende der vorgewähl­ ten Erstarrungszeit eine an deren Beginn ausgelöste Kühlung beendet.

Vorteilhafterweise wird zudem der Schmelzestand im Steigrohr kontrolliert sowie durch ein entsprechendes Mess- und Regelsystem so hoch gehalten, dass kurze Zykluszeiten möglich werden.

Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz einer sauberen Schmelze, d. h. eine Schmelzebehandlung; durch letztere sollen Verunreinigungen in der Schmelze entfernt werden. Verunreinigungen sind in erster Linie Oxyde und Wasser­ stoff, die sich durch mehr oder weniger intensiven Kontakt mit der Umgebungsluft in der Schmelze bilden oder lösen.

Nach erfolgter Schmelzereinigung sollte unbedingt vermieden werden, dass durch Umfüllen der gereinigten Schmelze - aus dem Behandlungstiegel in den Tiegel der Gießmaschine - er­ neut intensiver Luftkontakt entsteht. Die Schmelzereinigung soll also erfindungsgemäß im Tiegel des Niederdruckofens durchgeführt werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der in einen druckdichten Tiegelhohlraum für eine Metallschmelze wenigstens ein unterhalb eines vor­ gesehenen Schmelzespiegels mündendes Steigrohr und über dem Schmelzespiegel zumindest eine Zuführung für das erwähnte druckerzeugende Strömungsmittel angeordnet sind; das Steigrohr ist andernends oberhalb des Tiegelraumes mit ei­ nem Kopfraum dem Formhohlraum vorgesetzt, und der Kopfraum weist eine Zuführung für den Stickstoff auf.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung soll nahe dem Formhohlraum dem Kopfraum eine Kühleinrichtung zugeordnet sein, die sich bevorzugt in einer Grundplatte der Kokille befindet. Auch hat es sich als günstig erwiesen, dem Steigrohr am Kopfraum eine Regelsonde zuzuordnen sowie eine Heizeinrichtung. Die Gegebenheiten im Formhohlraum sollen durch wenigstens eine in ihn einragende Füllkontaktsonde kontrolliert zu werden vermögen.

Für das zügige Durchführen des Gießzyklus ist mindestens eine Entnahmeeinrichtung für die Kolbenrohlinge von Bedeu­ tung, in deren Bewegungsbahn eine Schereinrichtung einragt; dieser Entnahmeeinrichtung kann zudem eine Kühleinrichtung zugeordnet sein.

Erfindungsgemäß soll der Tiegel für die Schmelzereinigung in ihm leicht zugänglich sein, weshalb seine Kante eine Trennebene zwischen Ofen und Gießaufbau bestimmt, der Gieß­ aufbau kann samt Steigrohr und der den Tiegel abdeckenden Ofenplatte angehoben werden. Diese Einheit wird entweder weggeschwenkt, um den Tiegel zugänglich zu machen, oder aber der Ofen ist mobil gestaltet; in letzterem Falle wird er aus der Gießanlage gezogen, mit Schmelze gefüllt und zu einer Schmelzereinigungsstation gebracht.

Es hat sich gezeigt, dass dank der beschriebenen Vorgehens­ weise auch ansonsten schwierig zu gießende Legierungen ein­ gesetzt zu werden vermögen, zum anderen können nunmehr auf­ grund der vorgeschlagenen Maßnahmen Kolbenrohlinge erzeugt werden, die sich durch höhere Dichte und geringeren Oxydge­ halt auszeichnen und somit - qualitätserhöhend - bessere technologische Eigenschaften aufweisen. Zudem ist der Pro­ zess kostensenkend automatisierbar, und es ist eine höhere Flexibilität durch bessere Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Kolbengrößen und kleinere Serien erreichbar. Des weiteren entsteht eine höhere Produktsicherheit durch gleichmäßigere Qualität und beherrschten Prozessablauf.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Niederdruckgießen von Kolbenrohlingen;

Fig. 2 den Längsschnitt der Fig. 1 in einer ande­ ren Betriebsstellung;

Fig. 3 die schematisierte Draufsicht auf eine mehrere der Vorrichtungen enthaltende An­ lage.

In einem Tiegel 10 eines mit einer nicht dargestellten Hei­ zung ausgestatteten Ofens 12 ist in dessen Tiegelraum 14 ein Schmelzebad 16 zu erkennen. Über dessen Schmelzespiegel 17 mündet in den druckdichten Tiegelraum 14 eine Leitung 18 für geregelte Druckluft.

Eine den Tiegel 10 druckdichtend überspannende horizontale Ofenplatte 20 wird in der Tiegelachse A von einem Steigrohr 22 durchgriffen, dessen Rohrraum 23 unterhalb einer - zur Ofenplatte 20 parallelen - Werkzeug-Grundplatte 24 an ei­ nem in der Werkzeug-Grundplatte 24 vorgesehenen Kopfraum 26 endet. Dem oberen Ende des Steigrohres 22 ist eine Regel­ sonde 28 zugeordnet, und nahe dieser sind Heizelemente 30 vorgesehen. Zudem ist die Grundplatte 24 bei 32 mit Kühlelementen ausgestattet und enthält eine zum Kopfraum 26 führende Stickstoffleitung 34.

Von der Oberseite 25 der Grundplatte 24 ragt eine Kokille bzw. ein aus einer Außenform 36 sowie einer Innenform 37 bestehendes Kolbenwerkzeug 38 auf; diese Formteile 36, 37 begrenzen einen Formhohlraum 40, zu dem eine Füllkon­ taktsonde 42 führt.

Zum Gießen eines bei 44 teilweise angedeuteten Kolbenroh­ lings aus Leichtmetall für Verbrennungskraftmaschinen wird der Kokillen- oder Formhohlraum 40 - unter niedrigem Druck von 0,2 bar - und mittels eines nicht gezeigten Proportio­ nalventils von unten über das in die Schmelze 16 eintau­ chende Steigrohr 22 gefüllt. Das Formfüllen erfolgt mit niedrigem Druck von etwa 0,2 bar, dank dessen Größenordnung Turbulenzen vermieden werden.

Dann wird der Kopfraum 26 über dem Schmelzespiegel im Steigrohr 22 bis in den Formhohlraum 40 mit Stickstoff ge­ flutet, um die sauerstoffhaltige Luft zu verdrängen und so die Oxydbildung zu vermindern. Nach Beendigung des Füllvor­ ganges geschieht die Erstarrung zur besseren Speisung unter Druckerhöhung auf etwa 0,7 bar; durch geregelte Temperatur­ führung - also Kühlen bzw. Heizen - des Gießsystems wird eine gerichtete Erstarrung zum Anguss hin ermöglicht.

Um die Schmelzereinigung in günstiger Weise durchführen zu können, werden zwei konstruktive Maßnahmen angeboten. Zum einen kann die Ofenplatte 20 samt Steigrohren 22 und Gieß­ aufbau von einer gemäß Fig. 2 durch den Tiegelrand 15 be­ stimmte Trennebene E angehoben und weggeschwenkt werden, um den Reinigungsprozess im Ofentiegel 10 zu ermöglichen. In einer anderen Ausgestaltung werden Ofenplatte 20, Steigrohre 22 und Gießaufbau so angehoben, dass der Gieß­ ofen 12 mit Tiegel 10 horizontal herausgezogen und zum Be­ füllen mit Schmelze sowie zu einer Schmelzreinigungsstation transportiert werden kann. Anschließend wird der gesamte Ofen 12 wieder unter die Niederdruckgießanlage geschoben sowie die Ofenplatte 20 samt Steigrohren 22 und Gießaufbau auf den Ofen 12 abgesenkt. Dazu können die elektrischen und pneumatischen Verbindungen zum Ofen 12 automatisch getrennt und wieder hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt einen Aufstellplan für vier - gesondert um Kippachsen Q für die Grundplatten 24 bewegbare - Gießma­ schinen oder Vorrichtungen 50 mit jeweils einem Paar von Kotrillen 38; jede Vorrichtung 50 kann mit einem, mit zwei oder mit mehreren Steigrohren 22 und einer entsprechenden Anzahl an Gießkokillen 38 ausgerüstet werden, so dass je Takt auch eine entsprechende Anzahl von Kolbenrohlingen 44 gegossen zu werden vermögen.

Zwischen jeweils zwei Vorrichtungen 50 ist in Fig. 3 ein Steuerpult 52 - für die Steuerung der Kolbenentnahme samt Folgevorgängen - zu erkennen sowie auf der anderen Seite jeder Vorrichtung 50 eine bei 54 angedeutete Entnahmeein­ richtung, mit der die Kolbenrohlinge 44 nach dem Gießzyklus automatisch entnommen werden. Der Entnahmeeinrichtung 54 ist eine Luftkühlung bzw. Gebläsekühlung 58 für den/die Kolbenrohlinge 44 zugeordnet, die definierte Abkühlungs­ bedingungen schafft.

Am Ende der Erstarrungszeit wird an der Kokille 38 die Küh­ lung unterbrochen, der Formhohlraum 40 geöffnet und der Kolbenrohling 44 von einem Spreizdorn od. dgl. Entnahmeein­ richtung 54 ergriffen. Nach dem Öffnen des Formmantels wird - unter Einfluss des einsetzenden Kühlstromes 58 - der Kolbenrohling 44 ausgehoben und in Entnahmerichtung x zu einer Gruppe von Scheren 56 gebracht, wo der Anguss oder Speiser von Kolbenrohling 44 abgetrennt wird. Das Entnahme­ werkzeug 54 fährt nun in eine Abwurfstation, in welcher der Kolbenrohling 44 in einen Korb 60 od. dgl. Aufnahmegefäß fällt; für jede der Kokillen 38 ist ein gesonderter Korb 60 vorgesehen. Während die Entnahmeeinrichtung 54 zur Schere 56 fährt, startet bereits ein neuer Gießzyklus.

Claims (23)

1. Verfahren zum Gießen von Kolbenrohlingen aus Leichtme­ tall insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem ein Formhohlraum eines Gießwerkzeuges bzw. einer Kokille mit Schmelze gefüllt und diese unter Druck zum Erstarren gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze aus einem druckdichten Tiegel durch ein in die Schmelze eingetauchtes Steigrohr unter Druck auf den Schmelzespiegel gegen die Schwerkraft in den Formhohlraum gefördert wird, wobei der Raum vom Schmel­ zespiegel im Steigrohr bis in den Formhohlraum des Gießwerkzeuges mit Stickstoff geflutet sowie der Form­ hohlraum unter niedrigem Druck gefüllt wird, wonach der Druck zum Erstarren erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine geregelte Zuführung eines Druck erzeugenden Strömungs­ mittels oberhalb des Schmelzespiegels.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Füllen des Formhohlraumes mit etwa 0,2 bar.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, dass das Füllen des Formhohlraumes über ein Pro­ portionalventil durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Schmelzestand im Steigrohr kon­ trolliert sowie durch ein Mess- und Regelsystem hoch gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch eine Erhöhung des Druckes zu Beginn des Erstarrungsvorganges auf zumindest etwa 0,5 bar, insbe­ sondere etwa 0,7 bar.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, dass durch geregelte Temperatursteuerung des Gieß­ systems eine gerichtete Erstarrung zum Anguss hin durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass am Ende der vorgewählten Erstar­ rungszeit eine an deren Beginn ausgelöste Kühlung been­ det wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass am Ende der Erstarrungszeit der Kol­ benrohling von einer Entnahmeeinrichtung ergriffen und nachfolgend ein anhängender Speiser abgetrennt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass kurze Zykluszeiten gesteuert werden.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fördern der Schmelze in den Formhohlraum diese im Tiegel gereinigt wird.

12. Vorrichtung zum Gießen von Kolbenrohlingen aus Leicht­ metall, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem ein Formhohlraum (40) eines Gießwerkzeuges bzw. einer Kokille (38) mit Schmelze gefüllt und diese unter Druck zum Erstarren gebracht wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einen druckdichten Tiegelhohlraum (14) eines Tiegels (10) für eine Metallschmelze (16) wenigstens ein unter­ halb eines vorgesehenen Schmelzespiegels (17) mündendes Steigrohr (22) und über dem Schmelzespiegel zumindest eine Zuführung (18) für ein durckerzeugendes Strömungs­ mittel angeordnet sind, wobei das Steigrohr andernends oberhalb des Tiegelraumes mit einem Kopfraum (26) dem Formhohlraum (40) vorgesetzt ist sowie der Kopfraum eine Zuführung (34) für Stickstoff aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kopfraum (26) nahe dem Formhohlraum (40) zu­ mindest eine Kühleinrichtung (32) zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch Kühleinrichtungen (32) in einer Grundplatte (24) für die Kokille (38).

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass dem Steigrohr (22) am Kopfraum (26) eine Regelsonde (28) zugeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steigrohr (22) am Kopfraum (26) eine Heizeinrichtung (30) zugeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem, der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formhohlraum (40) wenigstens eine Füllkontaktsonde (42) zugeordnet ist.

18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch eine Trennebene (E) zwischen dem Tiegel (10) und dem die Kokille (38) sowie das Steigrohr (22) umfassenden Gießaufbau, wobei letzterer unter Anheben des Steigrohres über den Tiegel relativ zu diesem bewegbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennebene (E) zwischen dem Tiegelrand (15) und einer auf diesen aufsetzbaren Ofen­ platte (20) verläuft, welche vom Steigrohr (22) durch­ setzt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Tiegel (10) vom Gießaufbau bzw. aus der Gießmaschine (50) radial entfernbar gestaltet ist.

21. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch zumindest eine der Gießma­ schine (50) zugeordnete Entnahmeeinrichtung (54), in deren Bewegungsbahn eine Schereinrichtung (56) angeord­ net ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmeeinrichtung (54) eine Kühleinrichtung (58) zugeordnet ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, gekenn­ zeichnet durch eine Gruppe aus mehreren Vorrichtungen oder Gießmaschinen (50), deren jeder eine Entnahmeein­ richtung (54) zugeordnet ist.