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Niederdruckgießverfahren für Metalle, insbesondere NE-Metalle
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Die Erfindung betrifft ein Niederdruckgießverfahren für Metalle, insbesondere
NE-Metalle, bei dem die Metallschmelze in den Formhohlraum eines Gießwerkzeugs hineinbewest
und im Anschluß an die Formfüllung bis zur Erstarrung einem Nachdruck ausgesetzt
wird.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit einem Gießwerkzeug, dessen Formhohlraum mit einem Eingießkanal und
einem Uberlaufkanal in Verbindung steht, und mit einer Einrichtung zum Hineinbewegen
der Metallschmelze über den Eingießkanal in den Formhohlraum.
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Zur Herstellung von Gußstücken in großer Stückzahl aus NE-Metallen,
wie Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zink und.deren Legierungen und gegebenenfalls
Eisenmetallen, werden vorwiegend das Druckgießverfahren oder das Kokillengießverfahreangewendet.
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Bei beiden Verfahren wird die zu vergießende Metallschmelze über Eingießkanäle
in den Formhohlraum hineinbewegt, wobei dieser Vorgang beim Druckgießen unter Beaufschlagung
der in einem Gießzylinder eingegebenen Schmelze mit hohem Druck bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
erfolgt. Aus der DT-AS 2 450 805 bzw.
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DT-OS 1 458 061 ist es dabei bekannt, im Anschluß an den Formfüllvorgang
auf
die im Eingießsystem befindliche Merallschmelze zum Zwecke der Verdichtung und zum
Ausgleich des Volumenschrumpfes bei der Erstarrung der Schmelze einen Nachdruck
ausüben. Obschon mit dem Druckgießverfahren in wirtschaftlicher Weise dünnwandige
Gußstücke mit hoher Dichte und verwickelter Formgebung hergestellt werden können,
hat dieses Verfahren den Nachteil, daß wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeiten
beim Formfüllvorgang die Gefahr einer Vermischung der einströmenden Schmelze mit
im Eingießsystem und Formhohlraum befindlicher Luft sowie gasförmigen Zersetzungsprodukten
aus den zur Gußstücktrennung und Schmierung verwendeten Trennmitteln besteht. Die
hierdurch bedingte Porosität der Guß stücke läßt bei einer späteren Wärmebehandlung
eine pockennarbige und somit unbrauchbare Oberfläche entstehen. Wegen der hohen
Strömungsgeschwindigkeiten ist außerdem die Verarbeitung von eloxierfähigen Legierungen
mit hohem Reinheitsgrad nicht mgölich. Zwar hat man auch schon vorgeschlagen, den
Formhohlraum und das Eingießsystem beim Druckgießen vor der Formfüllung zu evakuieren,
doch tritt hierbei wegen der raschen Formfüllung und hohen Schußzahl die Schwierigkeit
auf, innerhalb der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit einen ausreichenden Unterdruck
in den schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeugs aufzubauen. Ein weiterer
mit dem bislang praktizierten Druckgießverfahren verbundener Nachteil ist die Notwendigkeit,
wegen der hohen Drücke entsprechend hohe Werkzeugschließkräfte vorzusehen, die zu
einer erheblichen Verteuerung der betreffenden Maschinen führen.
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Beim Kokillengießverfahren geschieht die Formfüllung dagegen mit niedriger
Strömungsgeschwindigkeit, indem die Metallschmelze in der Regel durch Schwerkraft
in den Formhohlraum über einen Eingießkanal einströmen gelassen wird. Zwar lassen
sich mit dem Kokillengießverfahren auch dickwandigere Gußteile herstellen, doch
weisen diese im Vergleich zu nach dem Druckgießverfahren hergestellten Gußstücken
eine geringere Dichte auf und erweist sich bei verwickelten Gußstücken eine reproduzierbar
gute Füllung des Formhohlraums als außerordentlich schwierig. Eine Verbesserung
in dieser Hinsicht wird durch das sog. SchleudergieSverfahren erzielt,
doch
wird die bessere Formfüllung durch einen erheblichen apparativen Aufwand eingekauft.
Ferner besteht auch beim Kokillengießverfahren trotz der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten
die Gefahr von Luft- oder Gaseinschlüssen, wenn Gußstücke mit Hinterschneidungen
gefertigt werden sollen, aus denen die Luft oder das Gas nicht oder nur mit erheblichem
Aufwand abgeführt werden können.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit denen sich auch
dickwandige Gußstücke großer Dichte und verwickelter Formgebung frei von Luft- oder
Gaseinschlüsseln auch aus wärmebehandelbaren Legierungen mit hohem Reinheitsgrad
mit geringem apDarativen Aufwand herstellen lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Eingeben
der Metallschmelze die schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeugs evakuiert
werden, die Metallschmelze dann mit geringer Strömungsgeschwindigkeit in die schmelzenaufnehmenden
Ausnehmungen eingedrückt und der Nachdruck über einen angießfernen Schmelzenüberschuß
ausgeübt wird.
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Da bei der Erfindung mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten während
der Formfüllung gearbeitet wird, lassen sich, ähnlich wie beim Kokillengießverfahren,
jedoch anders als beim Druckgießverfahren, auch Legierungen mit hohem Reinheitsgrad,
die eloxierfähig sind, verarbeiten. Dabei wird eine mit dem Druckgießverfahren vergleichbar
gute Formfüllung, insbesondere unter Berücksichtigung des Volumenschrumpfes der
Schmelze im Laufe deren Erstarrung, erzielt, da der angießferne Schmelzenüberschuß
im Anschluß an die Formfüllung einem mechanischen, vorzugsweise pneumatischen Nachdruck
ausgesetzt wird, so daß von dem Schmelzenüberschuß ein Teil zurück in den Formhohlraum
fließen kann und damit den Volumenschrumpf ausgleicht. Da hinsichtlich des Volumens
an überschüssiger Schmelzenmasse beim
erfindungsgemäßen Verfahren
grundsätzlich keine Beschränkungen vorliegen, spielt die Bildung einer nicht mehr
fließfähigen, teilweise erstarrten Außenhaut beim Nachdrücken nicht die Rolle wie
beim Nachdrücken seitens des Eingießsystems, da in dem Schmelzenüberschuß stets
eine ausreichende Menge an noch fließfähiger Masse enthalten ist. Außerdem sind
die von der fließfähigen Masse bis zum Formhohlraum zurückzulegenden Wege kürzer
als beim angießseitigen Nachdrücken, so daß wegen der geringeren Druckverluste mit
geringeren Druckhöhen ausgekommen wird. Dieser Vorteil in Verbindung mit dem nur
bei niedrigen Drücken erfolgenden Einschieben der Metallschmelze in den Formhohlraum
erfordert nur geringe Werkzeugschließkräfte und damit vergleichsweise einfach aufgebaute
unkomplizierte Werkzeuge und Zusatzausrüstungen. Durch das vor der Formfüllung vorgenommene
Evakuieren des Formhohlraums wird weiter sichergestellt, daß selbst bei hochverwickelten
Guß stücken das Auftreten von Luft- oder Gaseinschlüssen vermieden wird, wobei sich
die Evakuierung der schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen einfacher als beim Druckgießverfahren
realisieren läßt, da wegen des Arbeitens mit niederen Drücken praktisch keine Abdichtungsprobleme
entstehen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die
schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeugs auf einen Unterdruck evakuiert
werden, der um 0,1 bis 0,9 at unter dem Atmosphärendruck liegt. Für eine ausreichende
Füllung des Formhohlraums und einen Ausgleich des bei der Erstarrung der Schmelze
im Formhohlraum sich einstellenden Volumenschrumpfes reicht es gemäß einer anderen
Weiterbildung der Erfindung aus, daß die Metallschmelze einem Nachdruck von 2 bis
1Obar,vorzugsweise 5 bis 6bar,ausgesetzt wird. Dagegen liegen die z.B. in der DT-AS
2 450 805 vorgeschlagenen Nachdruckhöhen zwischen 50 und 100 bar.
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Die Metallschmelze kann in den Formhohlraum in bekannter Weise mittels
eines Kolbens eingeschoben werden, oder sie wird gemäß einer anderen Weiterbildung
der Erfindung durch das Vakuum in den Formhohlraum eingezogen.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßige
Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verbinden der schmelzenaufnehmenden
Ausnehmungen im GieB-werkzeug mit einer Uhterdruckguelleund einer Einrichtung zur
Druckbeaufschlagung der im Uberlaufkanal aufgestiegenen Metallschmelze.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch
aus, daß die Einrichtung zur Druckbeaufschlagung der im Überlaufkanal aufgestiegenen
Metallschmelze ein das dem Formhohlraum abgewandte Ende des Uberlaufkanals abdeckendes
Hohlteil ist, dessen Innenraum wahlweise mit der Unterdruckquelle oder einer Druckmediumquelle
verbindbar ist. Das abdeckende Hohlteil kann entweder ein napfartiger Kolben sein,
der in das besagte Ende des Uberlaufkanals dichtend einschiebbar ist, oder eine
Glocke, die in dichtendem Eingriff mit einem das besagte Ende des Uberlaufkanals
umgebenden Oberflächenbereich des Gießwerkzeugs bringbar ist.
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Die Umschaltung von Unterdruck auf Nachdruck soll in dem Augenblick
erfolgen, wo ein ausreichender Schmelzenüberschuß im Überlaufkanal vorliegt. Zu
diesem Zweck ist gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ein Druckfühler
vorgesehen, der bei einer vorgegebenen Füllstandshöhe (mit entsprechendem Gefälledruck)
an Metallschmelze im Uberlaufkanal anspricht. Der Druckfühler kann ein Piezoquarzkristall
sein, der in Eingriff mit einem Ende eines im Gießwerkzeug verschiebbar gelagerten
Schieberelementes steht, dessen anderes Ende von der im Uberlaufkanal aufgestiegenen
Metallschmelze im Bereich nahe dem Formhohlraum beaufschlagbar ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht von einer erfindungsgemäß
aufgebauten
Niederdruckgießvorrichtung mit Pneumatiksystem; Fig. 2 eine teilweise geschnittene
Ansicht von einer Werkzeughälfte in der Teilungsebene des Gießwerkzeugs nach Fig.
1 mit Darstellung von zwei Ausführungsformen für eine Einrichtung zum Aufbringen
des Nachdrucks und Evakuierens der schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen im Gießwerkzeug.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die erfindungsgemäße Niederdruckgießvorrichtung
im wesentlichen drei Hauptkomponenten, nämlich ein Gießwerkzeug 1, eine Werkzeugfülleinrichtung
und eine Nachdruckeinrichtung 13. Das Gießwerkzeug 1 besteht hier aus zwei Hälften
6, 7, die im dargestellten zusammengefahrenen Zustand zwischen sich schmelzenaufnehmende
Ausnehmungen, bestehend aus dem eigentlichen Formhohlraum 3, einem zwischen diesem
und der Fülleinrichtung sich erstreckenden unteren Eingießkanal 2, und einem sich
nach oben an den Formhohlraum anschließenden Steiger oder Uberlaufkanal 5, bilden.
Die beiden Werkzeughälften 6, 7 lassen sich mittels einer bekannten mechanischen
oder hydraulischen Schließ- und öffnungseinrichtung aufeinander zu bzw.
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voneinander weg bewegen.
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Wie gezeigt, steht das dem Formhohlraum 3 abgewandte untere Ende des
Eingießkanals 2 mit dem Innenraum eines Zylinders 9 der Fülleinrichtung in Verbindung.
Im Füllzylinder 9 ist ein mit einer hydraulischen oder pneumatischen Kolbenzylindereinrichtung
12 verbundener Kolben 10 hin und her beweglich. Des weiteren ist im Bereich des
dem Gießwerkzeug 1 abgewandten Endes des Füllzylinders 9 eine Füllöffnung 11 vorgesehen,
durch die die zu vergießende Schmelze in den Zylinder eingegeben werden kann.
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Die Nachdruckeinrichtung 13 umfaßt in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform
ein napfförmiges Hohlteil 13, welches sich nach
Art eines Kolbens
in das dem Formhohlraum 3 abgewandte und sich grundsätzlich zur Außenatmosphäre
öffnende Ende des Überlaufkanals 5 dichtend einschieben läßt und einen hohlen Innenraum
aufweist, vgl. Fig. 2. Zur Bewegung des napfförmigen Kolbens 13 in Richtung auf
und weg vom Uberlaufkanal 5 ist eine vorzugsweise pneumatisch betätigte Kolbenzylindereinrichtung
15 in axialer Ausrichtung zum Kolben 13 vorgesehen, die von einer am Gießwerkzeug
1 befestigten Tragkonsole 16 gehalten wird und deren Betätigungskolben über eine
Kolbenstange 14 mit dem napfförmigen Kolben 13 verbunden ist.
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Anstelle des durch ausgezogene Linien in Fiq. 2 gezeigten napfförmigen
Kolbens 13 kann auch, wie in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutet, eine Glocke
27 vorgesehen werden, die an ihrer unteren, dem Uberlaufkanal 5 bzw. Gießwerkzeug
1 zugewandten Endfläche eine Dichtung 28 trägt. Die Dichtung 28 kann in dichtenden
Eingriff mit der sich um die Mündungsöffnung des Überlaufkanals 5 erstreckenden
Werkzeugfläche treten, um einen gegenüber der Außenatmosphäre abgeschlossenen Raum
zu bilden, in den ein Druckmedium eingeführt oder der evakuiert werden kann.
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Wie weiter in Fig. 1 angedeutet, ist in Höhe einer mit dem Bezugszeichen
4 versehenen verengten, jedoch nicht obligatorischen Ubergangsbohrung zwischen Überlaufkanal
5 und Formhohlraum 3 in nicht näher gezeigter Weise eine im wesentlichen waagerecht
sich erstreckende Bohrung in einer der Werkzeughälften 6, 7 ausgebildet. In dieser
Bohrung ist ein Schieberelement 17 z.B. in Form eines Stößels oder einer Stange
druckdicht verschiebbar aufgenommen. Das Schieberelement 17 ist an seinem der Ubergangsbohrung
4 zugewandten Ende so ausgebildet, daß es bündig mit der Innenwand der Bohrung 4
abschließt, während das gegenüberliegende andere Ende des Schieberelements in Eingriff
mit einem Druckfühler 18 steht, bei dem es sich vorzugsweise um einen Piezoquarzkristall
handelt. Das vom Druckfühler 18 abgegebene Signal wird moduliert und dazu verwendet,
bei Vorliegen eines bestimmten
Druckes im Überlaufkanal eine Umschaltung
nachfolgend näher beschriebener Ventile von Unter- auf Überdruck vorzunehmen.
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Das in Fig. 1 schematisch gezeigte pneumatische System für die vorbeschriebene
Vorrichtung umfaßt eine mit dem Inneren des Kolbens 13 bzw. der Glocke 27 in Verbindung
stehende Leitung 19, die über ein Zweiweaeventil 20 zu einem .Unterdruckhehälter
21 führt, der an eine Unterdruckmpe22 angeschlossen ist.
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In die Leitung 19 oder gegebenenfalls direkt in den Innenraum der
Hohlteile 13 bzw. 27 mündet eine weitere Leitung 22, die über ein Dreiwegeventil
25 zu einer Druckpumpe 24 führt. Das Dreiwegeventil 25 steht weiter über eine Leitung
26 mit der Kolbenzylindereinrichtung 15 zur Auf- und Abbewegung des Kolbens 13 bzw.
der Glocke 27 in Verbindung.
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Die Arbeitsweise der vorbeschriebenen Vorrichtung ist wie folgt.
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Bei zusammengefahrenen Werkzeughälften 6, 7 und in Schließstellung
befindlichen Ventilen 20 und 25 wird eine dosierte Menge an Metallschmelze durch
die Füllöffnuny 11 in den Füllzylinder 9 eingegeben und der Füllkolben so weit vorgeschoben,
bis die öffnung 11 verschlossen ist. Anstelle des Verschließens der öffnung 11 mit
dem Füllkolben kann auch eine gesonderte, nicht gezeigte und gegebenenfalls in das
obige Pneumatiksystem integrierte pneumatisch betriebene Schließeinrichtung vorgesehen
werden.
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Bei einer bestimmten vorgeschobenen Stellung des Füllkolbens 10 wird
über einen nicht gezeigten Schalter ein Signal erzeugt, welches das Dreiwegeventil
25 so beaufschlagt, daß die Leitung 26 mit der Druckpumpe 24 in Verbindung kommt,
so daß die Kolbenzylindereinrichtung 15 den Kolben 13 bzw. die Glocke 27 in abdichtender
Beziehung zum Überlaufkanal 5 bewegt. Ist dieser Zustand eingenommen, wird über
einen ebenfalls nicht gezeigten Schalter ein weiteres Signal erzeugt, welches das
Zweiwegeventil 20 in Durchlaßstellung bringt., so daß die Leitung 19 und damit
die
Hohlteile 13, 27mit demunterdruckxhälter 21 verbunden werden und die Luft sowie
andere gasförmige Produkte aus dem Inneren der Hohlteile 13, 27, dem Uberlaufkanal
4, 5, dem Formhohlraum 3, dem Eingießkanal 2 und dem Füllzylinder 9 abgesogen werden.
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Im wesentlichen gleichzeitig damit schiebt sich der Füllkolben weiter
vor und drückt clie im Füllzylinder 9 befindliche Metallschmelze mit erfindungsgemäß
niedriger Strömungsgeschwindigkeit über den Eingießkanal 2 in den Formhohlraum 3.
Nach Füllung des Formhohlraums 3 steigt überschüssige Schmelze erfindungsgemäß im
Uberlaufkanal 5 auf, und bei einem bestimmten Gefälledruck an-Schmelze im Überlaufkanal
entsprechend einem bestimmten Signalwert am Druckfühler 18 kommt der Füllkolben
10 zum Stillstand und wird das Ventil 20 zurück in seine Schließstellung und das
Ventil 24 in eine Stellung unter weiterer Druckbeaufschlagung der Kolbenzylindereinrichtung
15 bewegt, bei der in die zuvor mit der Unterdalskquelleverbundene Leitung 19 nunmehr
über die Leitung 22 ein von der Druckpumpe 24 abgegebenes Druckmedium, z.B.
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Luft oder ein inertes Gas, eingeführt wird. Das in das Innere der
Hohlteile 13 bzw. 27 gelangende Druckmedium beaufschlagt die im Uberlaufkanal 5
aufgestiegene bzw. im Formhohlraum 3 befindliche Schmelze mit einem bestimmten Druck
(Nachdruck), der erfindungsgemäß im Bereich von 2 bis 10 bar, vorzugsweise 5 bis
6 bar, liegen kann. Dieser Nachdruck wird solange aufrechterhalten, bis nach einer
gewissen Zeit die Schmelze zur Entformung des Gußstückes ausreichend weit erstarrt
ist. Danach wird der Füllkolben 10 wieder zurückgefahren, das Dreiwegeventil 25
in eine Stellung zur Ableitung des im Hohlteil 13 bzw. 27 sowie der Kolbenzylindereinrichtung
15 befindlichen Druckmediums bewegt, so daß das Hohlteil 13 bzw. 27 aus dem abdichtenden
Eingriff mit dem Uberlaufkanal gelangt, und werden die beiden Werkzeughälften 6,
7 zum Entformen des Gußstückes auseinandergefahren.
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Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind somit:
Evakuieren der schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des
GieSwqrkzeuqs
auf einen Unterdruck , der um 0,1 bis 0,9 at unter dem Atmosphärendruck lieg6,=
Einishieben einer dosierten Menge an Metallschmelze mit niedriger Strömungsg-eSChWindigkeit
(relativ zu beim Druckgießen verwendeten Strömungsgesehwi-ndigkeiten von 20 bis
120 m/sec) in die schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeugs, und Aufbringen
eines Nachdrucks in einer Höhe von 2 bis 10 bar, vorzugsweise 5 bis 6 bar, auf einen
angießfernen Schmelzenüberschuß in den schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeugs.
Das erfindungsgemäße Niederdruck-Gießverfahren stellt damit eine Zwischenstufe zwischen
dem reinen Gießen in Kokille und dem Druckgießen dar. Es versteht sich jedoch, daß
die Verfahrensschritte Evakuieren der schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeugs
und Nachdrücken auf einen angießfernen Schmelzenüberschuß erfolgreich auch beim
reinen Gießen in Kokille angewandt werden können, und daher die Füllung des Formhohlraums
alleine durch Schwerkraft ebenso in den Schutzbereich der Erfindung eingeschlossen
ist. Des weiteren versteht es sich, daß die Druckbeaufschlagung des angießfernen
Schmelzenüberschusses statt durch die beschriebene pneumatische Weise auch mechanisch,
z.B. mit Hilfe eines in den Überlaufkanal eingeführten Kolbens erfolgen kann. Diese
und andere vom Fachmann bei Kenntnis der erfindungsgemäßen Lehre sich anbietenden
Modifikationen sollen ebenfalls eingeschlossen sein.
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