DE19963216A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von Rohlingen aus Leichtmetall - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Gießen von Rohlingen aus Leichtmetall - insbesondere von Kolbenrohlingen für Verbrennungskraftmaschinen - wird ein Formhohlraum eines Gießwerkzeuges bzw. einer Kokille mit Schmelze gefüllt und diese unter Druck zum Erstarren gebracht. Die Schmelze wird aus einem druckdichten Tiegel durch ein in die Schmelze eingetauchtes Steigrohr unter Druck auf den Schmelzespiegel gegen die Schwerkraft in den Formhohlraum gefördert, wobei der Raum vom Schmelzespiegel im Steigrohr bis in den Formhohlraum des Gießwerkzeuges mit Stickstoff geflutet sowie der Formhohlraum unter niedrigem Druck gefüllt wird. Dann wird der Druck zum Erstarren erhöht. Dank einer geregelten Temperatursteuerung des Gießsystems wird eine gerichtete Erstarrung zum Anguss hin durchgeführt; am Ende der vorgewählten Erstarrungszeit wird eine an deren Beginn ausgelöste Kühlung zum Erzeugen eines Temperaturgefälles für eine zur Schmelze hin gerichtete Erstarrung beendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Gießen von Rohlingen aus Leichtmetall - insbesondere von Kolbenrohlingen für Verbrennungskraftmaschinen -, bei dem ein Formhohlraum eines Gießwerkzeuges bzw. einer Kokille mit Schmelze gefüllt und diese unter Druck zum Er­ starren 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. Die Formfüllung erfolgt durch jene elektromagnetische Tauchpumpe, welche die Schmelze aus einem Tiegel in die Gießform fördert. Als nachteilig sollen sich eine schlechte Steuerbarkeit der Metallsäule im Steigrohr sowie die Störempfindlichkeit der elektromagneti­ schen 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 den 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; dann wird der Formhohlraum während des Formfüllvorganges unter niedrigem Druck - bevorzugt etwa 0,2 bar -, gefüllt, dass Turbulenzen vermieden werden, und eine im tiegelfernen Firstbereich befindliche Füllkon­ taktsonde beaufschlagt. Nach Beendigung des Formfüllvorgan­ ges wird dann 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 schematisierten Längsschnitt der Fig. 1 in einer anderen Betriebsstellung;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer anderen Vorrich­ tung zum Niederdruckgießen von Kolbenrohlingen;

Fig. 4 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 dieser vorgesehenen Kopfraum 26 endet. Dem oberen Ende des Steigrohres 22 ist eine Regelsonde 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 Formenteile 36, 37 begrenzen einen Formhohlraum 40, zu dessen tiegelfernen Firstbereich eine Füllkontaktsonde 42 führt.

Dann wird der Kopfraum 26 über dem Schmelzespiegel 17 im Steigrohr 22 bis in den Formhohlraum 40 mit Stickstoff ge­ flutet, um die sauerstoffhaltige Luft zu verdrängen und so die Oxydbildung zu vermindern.

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

Nach Beendigung des Füllvorganges und dem Ansprechen der erwähnten Füllkontaktsonde 42 geschieht die Erstarrung zur besseren Speisung unter Druckerhöhung auf etwa 0,7 bar; durch geregelte Temperaturführung - also Kühlen bzw. Heizen - des Gießsystems wird eine gerichtete Erstarrung zum Anguss hin ermöglicht.

Um die Schmelzereinigung, also das Abführen gelöster Gase od. dgl., in günstiger Weise durchführen zu können, werden zwei konstruktive Maßnahmen angeboten. Zum einen kann die Ofenplatte 20 samt Steigrohr/en 22 und Gießaufbau 46 von einer gemäß Fig. 2 durch den Tiegelrand 15 bestimmte Trennebene E angehoben und weggeschwenkt werden, um den Reinigungsprozess im Ofentiegel 10 zu ermöglichen.

In einer anderen Ausgestaltung werden Ofenplatte 20, Steigrohr/e 22 und Gießaufbau 46 so angehoben, dass der Gießofen 12 mit Tiegel 10 horizontal in Entnahmerichtung x herausgezogen und zum Befüllen mit Schmelze sowie zu einer Schmelzreinigungsstation transportiert werden kann. Im dar­ gestellten Beispiel der Fig. 3 ist die Ofenplatte 20 an einem aus - von einer Grundplatte 48 aufragenden - Stre­ ben 50 bestehende Gestell durch Gelenkstifte 51 angelenkt und andernends durch Fixierbolzen 52 in der skizzierten - horizontalen - Betriebsstellung festlegbar. Die Werkzeug- Grundplatte 24 ist ihrerseits an dem mit Lagerlaschen 21 ausgestatteten Anlenkende der Ofenplatte 20 schwenkbar ge­ lagert. Den Schwenkvorgang ermöglichen bei 54 angedeutete seitliche Kolben/Zylinder-Einheiten.

Die Ofenplatte 20 wird mit dem gesamten Werkzeugaufbau 46 durch die Kippzylinder 54 hydraulisch aufgeschwenkt. Das/die Steigrohr/e 22 schwenkt/schwenken aus dem Tiegel 10 heraus in waagrechte Position. Das auf einer von Hubzylin­ dern 56 gehaltenen Zentrierplatte 58 ruhende Ofengefäß 12 wird mit einem Stapler angehoben, wodurch auch die elektri­ sche Kupplung gelöst wird - das Ofengefäß 12 kann nun her­ ausgezogen werden.

Dann wird ein weiterer, mit Schmelze 16 gefüllter Ofen 12 mit dem Stapler in die ND-Anlage eingefahren und an einem Anschlag abgesenkt; die elektrischen Kontakte sind nun her­ gestellt. Es wird der gesamte Aufbau mit den Steigrohren 22 abgesenkt, bis die Ofenplatte 20 durch die frontwärtigen Fixierbolzen 52 in den vorderen Streben 50 fixiert worden ist. Nun wird die gesamte Ofeneinheit hydraulisch angehoben und gegen die Ofenplatte 20 gepresst.

Es wird also der gesamte Ofen 12 wieder unter die Nieder­ druckgießanlage geschoben sowie die Ofenplatte 20 samt Steigrohr/en 22 und Gießaufbau 46 auf den Ofen 12 abge­ senkt. Dazu können die elektrischen und pneumatischen Ver­ bindungen zum Ofen 12 automatisch getrennt und wieder her­ gestellt werden.

Fig. 4 zeigt einen Aufstellplan für vier - gesondert um Kippachsen Q für die Grundplatten 24 bewegbare - Gießma­ schinen oder Vorrichtungen 60 mit jeweils einem Paar von Kokillen 38; jede Vorrichtung 60 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 60 ist in Fig. 4 ein Steuerpult 62 - für die Steuerung der Kolbenentnahme samt Folgevorgängen - zu erkennen sowie auf der anderen Seite jeder Vorrichtung 60 eine bei 64 angedeutete Entnahmeein­ richtung, mit der die Kolbenrohlinge 44 nach dem Gießzyklus automatisch entnommen werden. Der Entnahmeeinrichtung 64 ist eine Luftkühlung bzw. Gebläsekühlung 68 für den/die Kolbenrohling/e 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 64 ergriffen. Nach dem Öffnen des Formmantels wird - unter Einfluss des einsetzenden Kühlstromes 68 - der Kolbenrohling 44 ausgehoben und in Entnahmerichtung x zu einer Gruppe von Scheren 66 gebracht, wo der Anguss oder Speiser von Kolbenrohling 44 abgetrennt wird. Das Entnahme­ werkzeug 64 fährt nun in eine Abwurfstation, in welcher der Kolbenrohling 44 in einen Korb 70 od. dgl. Aufnahmegefäß fällt; für jede der Kokillen 38 ist ein gesonderter Korb 70 vorgesehen. Während die Entnahmeeinrichtung 64 zur Schere 66 fährt, startet bereits ein neuer Gießzyklus.

Claims (23)

1. Verfahren zum Gießen von Rohlingen aus Leichtmetall, insbesondere von Kolbenrohrlingen für Verbrennungs­ kraftmaschinen, bei dem ein Formhohlraum eines Gieß­ werkzeuges 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, dadurch gekennzeichnet, dass durch geregelte Temperatursteuerung des Gießsystems eine gerichtete Erstarrung zum Anguss hin durchgeführt wird, wobei gegebenenfalls am Ende der vorgewählten Er­ starrungszeit eine an deren Beginn ausgelöste Kühlung zum Erzeugen eines Temperaturgefälles für eine zur Schmelze hin gerichtete Erstarrung beendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine geregelte Zuführung eines Druck erzeugenden Strömungsmittels oberhalb des Schmelzespiegels.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch das Füllen des Formhohlraumes mit etwa 0,2 bar.

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

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

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

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass am Ende der Erstarrungszeit der Kol­ benrohling von einer Entnahmeeinrichtung ergriffen und nachfolgend ein anhängender Speiser abgetrennt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass kurze Zykluszeiten gesteuert werden.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fördern der Schmelze in den Formhohlraum diese im Tiegel gereinigt wird.

11. Vorrichtung zum Gießen von Rohlingen aus Leichtmetall, insbesondere von Kolbenrohlingen für Verbrennungskraft­ maschinen, bei dem ein Formhohlraum (40) eines Gieß­ werkzeuges bzw. einer Kokille (38) mit Schmelze gefüllt und diese unter Druck zum Erstarren gebracht wird, ins­ besondere zur Durchführung des Verfahrens nach wenig­ stens einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in einen druckdichten Tiegelraum (14) eines Tiegels (10) für eine Metallschmelze (16) in einem Ofen (12) wenigstens ein unterhalb eines vorge­ sehenen Schmelzespiegels (17) mündendes Steigrohr (22) und über dem Schmelzespiegel zumindest eine Zuführung (18) für ein druckerzeugendes Strömungsmittel angeord­ net 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.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Firstbereich des Formhohlraums (40) wenigstens eine Füllkontaktsonde (42) zum Feststellen des Formfüllendes zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass dem Kopfraum (26) nahe dem Formhohlraum (40) zumindest eine Kühleinrichtung (32) zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 13, gekennzeichnet durch Kühleinrichtungen (32) in einer Grundplatte (24) für die Kokille (38).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steigrohr (22) am Kopfraum (26) eine Regelsonde (28) zugeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steigrohr (22) am Kopfraum (26) eine Heizeinrichtung (30) zugeordnet ist.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 16, 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.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, 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.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Tiegel (10) vom Gießaufbau (46) bzw. aus der Gießmaschine (60) radial entfernbar gestaltet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießaufbau (46) von Ofen (12) und Tiegel (10) abhebbar angeordnet sowie der Ofen ho­ rizontal ausfahrbar vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießaufbau (46) mit der Grund­ platte (24) und einer gegebenenfalls vorhandenen Ofen­ platte (20) durch Kolben/Zylinder-Einheiten (54) ab­ schwenkbar angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 21, gekennzeichnet durch zumindest eine der Gießma­ schine (60) zugeordnete Entnahmeeinrichtung (64), in deren Bewegungsbahn eine Trenneinrichtung, insbesondere eine Schereinrichtung (66), angeordnet ist, wobei ge­ gebenenfalls der Entnahmeeinrichtung eine Kühleinrich­ tung (68) zugeordnet ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, gekenn­ zeichnet durch eine Gruppe aus mehreren Vorrichtungen oder Gießmaschinen (60), deren jeder eine Entnahmeein­ richtung (64) zugeordnet ist.