DE2258993C3 - Vakuumgießanlage und Verfahren zum Betrieb derselben - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vakuumgießanlage mit einer Schmelzkammer mit Schmelztiegel, einer darunter angeordneten Abgießvorrichtung, über die die Gießform beschickt wird, die nach ihrer Beschickung in einen Aufnehmer abgesenkt und im Formenraum seitlich ausgefahren wird. Bei einer bekannten Vakuumgießanlage dieser Art (DT-AS 1 262 521) sind mehrere Aufnehmer auf einer Drehscheibe innerhalb des Formenraumes angeordnet und die Gießform wird über einen Absenkstempel aus der Abgießvorrichtung in dem im Formenraum auf der Drehscheibe fixierten Aufnehmer abgesenkt. Das Metall gelangt hierbei im schmelzflüssigen Zustand innerhalb der Gießform in den Formenraum, wo die Erstarrung einsetzt und je nach den Wärmeabfuhrbedingungen innerhalb des Formenraumes fortschreitet, bis die Gießform nach Weiterschalten der Drehscheibe an einer anderen Stelle nach oben ausgefahren wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gerichtete Erstarrung der Schmelze herbeizuführen, durch welche die Körner innerhalb des fertigen Gußkörpers ausgerichtet in einer Richtung verlaufen, um ein Werkstück mit isotropen Eigenschaften zu erhalten, der insbesondere zur Herstellung von Turbinenschaufein für Gasturbinenstrahltriebwerke geeignet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Vakuumgießanlage der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß unter der Abgießvorrichtung eine beheizte Gießkammer vorgesehen ist aus der die beschickte Gießform mit steuerbarer Abzugsgeschwindigkeit in den Aufnehmer im Formenraum absenkbar ist. Durch diese Gießanlage können unter Verwendung der gerichteten Erstarrung Werkstücke erzeugt werden, deren Eigenschaften mit höherer Sicherheit vorausbestimmt werden können als bei Benutzung herkömmlicher Gießverfahren. Die erfindungsgemäße Vakuumgießanlage ist auch in besonderer Weise für automatischen Betrieb geeignet.

Es ist zwar durch die US-PS 3 376 915 bereits ein Verfahren zur Erlangung eines Gußgefüges mit in einer Richtung verlaufenden Erstarrung bekannt, wobei ein Temperaturgradient in einem Ofen aufgebaut und dann geschmolzenes Metall in eine Kokille im Ofen eingefüllt und partiell erwärmt wird. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine Vakuumgießanfage. bei der die gerichtete Konstruktur in der nach dem Aufnehmer überführten Gießform erlangt wird.

Es ist ferner bei Vakuumgießanlagen durch die DT-AS 1 2i4 359 bereits bekannt, die Gießform zu beheizen. Die Heizeinrichtung dient aber hier lediglich zum Vorheizen, wie es beim Präzisionsgießon häufig notwendig ^:st, oder zum Warmhalten der in die Schleusenkammer eingesetzten Gießform. Eine gerichtete Erstarrung wird nicht erreicht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Gießform von einer den Aufnehmer koaxial durchsetzenden Stange getragen, die mit einer Kühlwasserzuführung für die Gießform ausgestattet ist und von einem Kolbenantrieb betätigt wird. Hierdurch läßt sich die Absenkgeschwindigkeit und der hierdurch beeinflußte Kornaufbau gemäß jedem gewünschten Programm auf einfache Weise steuern. Die Kolbenstange des Kolbenantriebs greift dabei zweckmäßigerweise mit einer Platte 45 in einen Mitnehmerring 46 der Hubstange ein, und sie trägt eine Nockenbehn, deren Nokkenfolgeorgan die Absenkgeschwindigkeit des Kolbenantriebs steuert.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Vakuumgießanlage, und dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform zunächst schnell aus der Gießkammer abgezogen wird, bis eine stabilisierte Bedingung erreicht ist, bei der die Wärmezufuhr der Wärmeabfuhr entspricht, daß dann die Gießform langsam weiter abgesenkt wird, bis eine Erstarrung des Hauptteils des Gußstückes erreicht ist, und daß abschließend die Gußform schnell in den Aufnehmer abgesenkt wird. Durch diese Verfahrensschritte wird eine Kornslruktur des Werkstücks erreicht, die in besonderer Weise für Schaufeln von Gasturbinenstrahltriebwerken geeignet ist, die im Betrieb einer hohen Zentrifugalkraft ausgesetzt sind und deshalb in Radialrichtung höhere Festigkeitseigenschaften erfordern als in Umfangsrichtung.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vakuumgießanlage,

F i g. 2 eine Grundrißansicht der Vakuumgießanlage gemäß F i g. 1.

F i g. 1 zeigt eine Vakuumgießanlage, die eine erste Schmelzkammer 10 aufweist, die auf dem Kopfteil einer Gießkammer 11 ruht und die in der in F i g. 1 dargestellten Anordnung auf dem Kopfteil des Formenraumes 12 angeordnet ist. Die Schmelzkammer ist

von der Gießkammer durch ein oberes Gatterventil 13 und durch ein zweites unteres Gatterventil 14 getrennt. Vorzugsweise werden unterschiedliche Ventilarten benutzt, z. B. ein Hubventil und ein Schwingventil, und um eine Beschädigung der Ventildichtungen zu verhindern, und um eine höhere Änderungsgescbwindigkeit der Temperatur zwischen der Ofenkammer und der Wegzugskammer zu erhalten, kann es zweckmäßig sein, das Ventil selbst n-.K Wasser zu kühlen. Das obere Gatterventil wird durch einen Kolbenantrieb 15 betätigt während das untere Gatterventil durch einen Kolbenantrieb 16 verstellt wird. Samtliche Kammern sind so angeordnet, daß sie über Kanäle 17,18 und 19 evakuiert werden können, die an eine Vakuumpumpe anschließbar sind, wenn eine Evakuierung erforderlich ist Die KanäJs 17 und 19 sind mittels eines Einzelventils 20 mit der Pumpe verbunden, während der Kanal 18 ein getrenntes Ventil 21 besitzt. Ein weiteres Ventil 22 ist vorgesehen, um die Leitungen 17 und 19 nach der Atmosphäre hin entlüften zu können.

Innerhalb der Kammer 10 ist eine Induktionsspule 23 angeordnet, die einen Teil der automatischen Bodenausgießeinrichtung bildet. Die Spule wird über Sammelschienen 24 und 25 mit Strom gespeist und über die Rohre 26 und 27 mit Wasser gekühlt. Die Stromzufuhr nach der Spule wird durch eine automatische Folgestufe gesteuert, die in F i g. 1 nicht dargestellt ist.

In der in F i g. 1 dargestellten Lage ist ein Schmelztiegel 28 innerhalb der Induktionsspule 23 angeordnet. Der Schmelztiegel 28 trägt eine Charge von Metall 29 und ist an einem Flansch 30 aufgehängt. Der Boden des Schmelztiegels kann von einer nicht dargestellten, über dem Ventil 13 angeordneten Trägerplatte gehaltert sein. Der Flansch 30 wird durch den Kolbenantrieb 31 vertikal verschoben und dichtet das Beschickungsloch 32 in der oberen Oberfläche der Kammer 10 ab. Das Gatterventil 13 ist in der Öffnungsstellung gezeigt, und es ermöglicht daher einen freien Durchtritt geschmolzenen Metalls aus dem Schmelztiegel 28 in die Gießkammer 11. Innerhalb dieser Kammer ist ein Formheizofen 32 angeordnet, der elektrisch entweder mittels eim Widerstandsheizelementes (in Gestalt eines Einzelhcizelementes oder in Gestalt mehrer Hei. elemente, was zu bevorzugen ist) oder statt dessen muteis eines Induktionsheizgerätes beheizt wird. Das Heizgerät umgibt eine Mittelfläche, in der eine Form 33 von einer wassergekühlten Kokille 34 getragen wird, die ihrerseits auf einer Spindel 35 ruht, die von Spindelmuttern 36 und 37 getragen wird, die ihrerseits von Tragarmen 38 und 39 abgestützt werden. Die Arme 38 und 39 werden von einer Indexspindel 40 gelagert, wobei der Arm 38 das Haupttragorgan für den Formenraum 12 bildet.

Eine Wasserkühlung für die Kokille 34 wird über Leitungen bewirkt, die sich innerhalb der Spindel 35 von Einlaßöffnungen 41 und Auslaßöffnungen 42 erstrekken.

Der Arm 38 trägt den Hauptleil des Forrcienraumes 12, die als zylindrische Kammer ausgebildet und koaxial von der Spindel 35 gelagert wird und gegenüber dieser kurz über dem Lager 36 abgedichlet ist. Die Wände der zylindrischen Kammer werden durch Wasser gekühlt, das durch Kanäle 100 in den Wänden strömt. Das Kühlwasser wird über nicht dargestellte flexible Rohre zugeführt. Das offene Ende des Formenraumes 12 ist gegenüber der stationären Platte 43 abgedichtet, die von dem unteren Teil der Kammer !1 getragen wird und jenen Teil des Formenraumes 12 umschließt, die einen Raum für das Gatterventil 16 bildet. Dieses Ventil ist in Öffnungsstellung dargestellt und infolgedessen kann die Kokille 34 und demgemäß die Form 33 vertikal aus der Kammer 11 abgezogen werden, wobei die Vertikalbewegung der Spindel 35 durch Gleiten innerhalb der Lager 36 und 37 ermöglicht wird.

Um eine Vertikalbewegung der Spindel 35 zu bewirken, ist ein Kolbenantrieb 44 vorgesehen, der eine Platte 45 in Vertikalrichtung verschiebt Die Platte 45 greift in eine Umfangsnut einer Flanschhülse 46 ein, die auf der Spindel 35 festgelegt ist Um die Geschwindigkeit dieser Vertikalbewegung zu steuern, ist außerdem ein Nocken 47 an dieser Platte 45 befestigt der mit einer Rückführungseinrichtung 48 zusammenwirkt die ihrerseits den Druck des dem Kolbenantrieb 44 zugeführten Strömungsmittels steuert wodurch eine vorbestimmte Geschwindigkeit beim Anheben bzw. Absenken der Spindel 35 erreicht wird Mikroschalter 49 und 50 arbeiten mit den Stirnflächen des Nockens 47 zusammen, um die Vertikalbewegung der Spindel 35 in Richtung nach oben und unten zu begrenzen.

Der hydraulische Stellantrieb 44 kann durch andere Anordnungen ersetzt werden, beispielsweise könnte eine Führungsspindel benutzt werden, um die Spindel 35 anzuheben oder abzusenken. Diese Führungsspindel könnte mittels eines hydraulischen Motors oder eines elektrischen Motors mit variabler Drehzahl angetrieben werden. Die Führungsspindel würde eine noch einfachere Steuerung der Vertikalstellung der Spindel ermöglichen.

Um eine einfache Beschickung und Entfernung der Form zu bewirken, könnte der Apparat mit zwei Chargenschmelztiegelabstützvorrichtungen und zwei Formträgeranordnungen versehen sein. So wird der Kolbenantrieb 31 von einem Arm 51 vom oberen Ende der Indexspindel 40 getragen, und dieser Arm 51 erstreckt sich um den gleichen Abstand nach der anderen Seite der Spindel 40, um einen Kolbenantrieb 52 zu tragen, der in der gleichen Weise ausgebildet ist wie der Kolbenantrieb 31 und der einen Flansch 53 trägt, welcher dem Flansch 30 gleicht. Der Flansch 53 trägt eine frische Schmelzrinne 54. die eine frische Metallcharge 55 aufnimmt. In gleicher Weise erstrecken sich die Arme 38 und 39 nach der anderen Seite der Spindel 40 und tragen eine weitere Trägerspindel 56, die der Spindel 35 entspricht und eine weitere Wegzugskammer 57 trägt, in der eine Kokille 58 und eine Form 59 angeordnet sind.

Der Schmelztiegel 54 und die Form 59 können leicht ersetzt werden, wenn die Spindel 56 sicli in der dargestellten Stellung befindet, in der sie von der ersten und zweiten Kammer 10,11 frei gekommen ist. Um entweder den Formenraum 12 oder 57 mit der unteren Oberfläche der Platte 43 zu berühren, ist die Indexspindel 40 auf einem Kolbenantrieb 60 montiert, der einen Indexkolbenantrieb 61 umfaßt, der die Spindel so lange dreht, bis sie entweder den Flansch 30 und den Formenraum 12 oder den Flansch 53 und die Kammer 57 in eine bestimmte Stellung gegenüber der ersten und zweiten Kammer 10 bzw. 11 bringt. Ein zweiter Kolbenzylinderantrieb 62 hebt oder senkt die Spindel 40 derart, daß die obere Oberfläche des Formenraumes 12 oder 57 mit dem übrigen Apparat zusammenwirkt.

F i g. 2 zeigt, wie eine Zahl dieser Einheiten ausgelegt werden kann, um den Vorteil einer einzigen Vakuumeinheit und einer Induktionsspulenspeiseeinrichtung zu erhalten, obgleich je nach dem erforderlichen Leitungssystem es auch wirtschaftlicher sein kann, eine Vakuumeinheit für eine kleinere Zahl von Gußeinheiten zu

IO

benutzen. Jede Vakuumeinheit umfaßt mehrere Pumpen, von denen jede in einem anderen Druckbereich arbeitet. Es ist ersichtlich, daß eine Mehrzahl von getrennten Einheiten 70,71,72 in Ringform in diesem Fall um eine einzige zentrale Vakuumeinheit 80 und eine Induktionsspulenspeiseeinrichtung 81 angeordnet ist. Eine Folgestufe 83 betätigt die verschiedenen Ventile jeder Einheit nacheinander und sie betätigt die Vakuumstufe und die Induktionsspulenspeisevorrichtung.

Das System arbeitet wie folgt:

In der in F i g. 1 dargestellten Stellung ist ein Chargenschmelztiegel in der Induktionsspule 23 angeordnet, und die Folgestufe betätigt die Induktionsspule, d. h. sie speist sie mit Strom, um den Schmelzzyklus einzuleiten. Die Metallcharge im Schmelztiegel wird in vorbestimmter Weise so geschmolzen, daß die gesamte Charge geschmolzen ist, bevor ein schmelzbarer Pflock am unteren Ende des Schmelztiegels zum Schmelzen kommt, durch den das geschmolzene Metall ausströmen kann. Wenn dies der Fall ist, dann strömt das Metall unter Schwerkraft über das offene Ventil 13 in die Form 33, die auf Schmelztemperatur des Metalls durch die Heizeinrichtung 32 vorerhitzt ist. Die Metallmenge innerhalb des Schmelztiegels ist sorgfältig so gewählt, daß sie gerade ausreicht, um die Form 33 zu füllen. Nachdem die Form 33 einmal gefüllt ist, wird das Gatterventil 13 durch den Kolbenantrieb 15 geschlossen, und infolgedessen wird die Kammer 10 isoliert.

Nunmehr wird der Kolbenantrieb 44 betätigt, um die Platte 45 zurückzuziehen und um infolgedessen die Form 33 und die Kokille 34 aus der Kammer 11 wv.₅zuziehen. Der Nocken 47 regelt die Wegzugsgeschwindigkeit derart, daß die Form schnell aus der Kammer weggezogen wird, bis eine stabilisierte Bedingung erreicht ist, bei der die Wärmeströmung nach der Form und von dieser weg ausgeglichen ist, und die Form wird dann langsam aus der Kammer abgezogen, bis eine Erstarrung des Hauptteils des Gußstückes erreicht ist, und schließlich wird die Form schnell vollständig aus der Kammer 11 herausgezogen, bis der Nocken 47 mit dem Mikroschalter 50 in Berührung gelangt, der die Rückzugsbewegung des Kclbenantriebs 44 anhält. Auf diese Weise werden optimale Eigenschaften für unterschiedliche Gußteile erreicht.

In dieser Stellung befindet sich die Form 33 vollstendig innerhalb des Formenraumes 12, und infolgedessen kann das Gatterventil 14 durch den Kolbenantrieb 16 geschlossen werden, v*odurch die Kammer 11 von dem Formenraum 12 isoliert wird. Nunmehr wird das Ventil 22 geöffnet, während das Ventil 20 geschlossen wird. So werden die Kammern 10 und der Formenraum 12 nach der Atmosphäre hin entlüftet, während die Kam mer 11 im evakuierten Zustand verbleibt. Wenn dei Formenraum 12 auf atmosphärischen Druck gebrachi ist, wird der Kolbenantrieb 62 betätigt, um die Spinde 40 abzusenken, während gleichzeitig der Kolbenantriet 31 den Flansch 30 und den Schmelztiegel 28 wegzieht Wenn diese Kolbenantriebe voll betätigt sind, dreht dei Antrieb 61 die Spindel 40, um einen neuen Schmelztiegel 54 in eine Lage über der Kammer 10 zu überführer und um die neue Kammer 57 und die Form 59 in ihre Lage unter der Platte 43 zu überführen.

Der Kolbenantrieb 62 hebt wiederum die Spindel 4( und bringt die Kammer 57 in Dichtungseingriff mit dei Platte 43, und gleichzeitig senkt der Kolbenantrieb 52 den Flansch 53 und bringt ihn in Dichtungseingriff mil der oberen Oberfläche der Kammer 10, so daß dei Schmelztiegel 54 innerhalb der Induktionsspule 23 zi liegen kommt.

Das Ventil 22 ist nunmehr geschlossen und das Venti 20 geöffnet, wodurch die Kammern 10 und 57 evakuier werden. Wenn dieser Evakuierungsvorgang vollende ist, bewirkt ein druckabhängiger Schalter, daß die KoI benantriebe 15 und 16 die Gatterventile 13 und 14 öff nen und die Kammern 10, 11 und 57 miteinander ir Verbindung setzen. Der Kolbenantrieb 4', hebt nun mehr die Spindel 56 an und infolgedessen auch die Ko kille 58 und die Form 59.

Das Anheben der Form wird wiederum mit einei nicht konstanten Geschwindigkeit durchgeführt, wöbe die Geschwindigkeit so berechnet ist, daß eine thermi sehe Stoßbeschädigung der Form vermieden wird, wo bei gleichzeitig eine optimale Arbeitsgeschwindigkei erzielt wird.

Es können verschiedene Abwandlungen des Geräte; vorgenommen werden. So kann beispielsweise eine dei Kammern 10 und 11 und der Formenraum 12 odei sämtliche Kammern können mit Wasser gekühlt wer den, entweder über eingebaute Kühlkanäle oder übei angelötete Rohre, durch die Kühlwasser strömen kann Auch die Chargenschmelzanordnung kann in gewissei Hinsicht abgewandelt werden, z. B. kann ein kippbarei Schmelztiegel benutzt werden, um die Charge zi schmelzen und auszugießen.

Außerdem kann es erforderlich sein, den zum Anhe ben und Absenken der Beschickungseinrichtung um der Wegzugseinrichtung vorgesehenen Mechanisms abzuwandeln. So können beispielsweise Elektromoto ren und Kettenantriebe an Stelle der hydraulischen An triebe benutzt werden, und es wäre außerdem möglich einen einzigen Kolbenantrieb an Stelle der Kolbenan triebe 61 und 62 zu benutzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vakuumgießanlage mit einer Schmelzkammer mit Schmelztiegel, einer darunter angeordneten Abgießvorrichtung, über die die Gießform beschickt wird, die nach ihrer Beschickung in einen Aufnehmer abgesenkt und im Formenraum seitlich ausgefahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Abgießvorrichtung (13) eine beheizte Gießkammer (11) vorgesehen ist, aus der die beschickte Gießform (33) mit steuerbarer Abzugsgeschwindigkeit in den Aufnehmer (100) im Formenraum (12) absenkbar ist.

2. Vakuumgießanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (33) von einer den Aufnehmer (100) koaxial durchsetzenden Stange (35) getragen wird, die mit einer Kühlwasserzuführung für die Gießform ausgestattet ist und von einem Kolbenantrieb (44) betätigt wird.

3. Vakuumgießanlage nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange des Kolbenantriebs (44) mit einer Platte (45) in einen Mitnehmerring (46) der Hubstange (35) eingreift und eine Nockenbahn (47) trägt, deren Nockenfolgeorgan (48) die Absenkgeschwindigkeit des Kolbenantriebes (44) steuert.

4. Verfahren zum Betrieb einer Vakuumgießanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (33) zunächst schnell aus der Gießkammer (11> abgezogen wird, bis eine stabilisierte Bedingung erreicht ist, bei der die Wärmezufuhr der Wärmeabfuhr entspricht, daß dann die Gießform langsam weiter abgesenkt wird, bis eine Erstarrung des Hauptteils des Gußstückes erreicht ist und daß abschließend die Gießform schnell in den Aufnehmer (100) abgesenkt wird.