DE2846519C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Metallen, insbesondere NE-Metallen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei bekannten Gießverfahren (US-PS 32 68 960 und DE-OS 28 18 442) wird nach dem Evakuieren der schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeuges die Metallschmelze mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit in die Ausnehmungen eingedrückt und im Anschluß daran über einen angießfernen Schmelzenüberschuß (Steiger oder Überlaufkanal) auf die Metallschmelze im Formhohlraum bis zur Erstarrung ein Nachdruck ausgeübt, so daß von dem Schmelzenüberschuß ein Teil zurück in den Formhohlraum fließen kann, um den bei der Erstarrung auftretenden Volumenschrumpf auszugleichen. Gegenüber dem ebenfalls bekannten Nachdrücken seitens des Angießsystems der Gießform hat das angießferne Beaufschlagen der Schmelze mit Nachdruck den Vorteil, daß eine größere Menge an noch fließfähiger Masse zur Verfügung steht. Die Umschaltung von Unterdruck auf Nachdruck soll in dem Augenblick erfolgen, an dem ein ausreichender Schmelzenüberschuß im Überlaufkanal ansteht. Außerdem sind die von der fließfähigen Masse bis zum Formhohlraum zurückzulegenden Wege relativ kurz. Obschon sich mit den bekannten Verfahren auch dickwandige Formteile frei von Luft- oder Gaseinschlüssen aus z. B. wärmebehandlungsfähigen NE-Metalllegierungen mit befriedigender Quialität herstellen lassen, treten häufig Schwierigkeiten bei der Fertigung von dünnwandigen Teilen oder Teilen mit großen Querschnittsunterschieden auf. Bei solchen Formteilen erstarrt die Metallschmelze häufig so rasch, daß der in der bisherigen Weise aufgebrachte Nachdruck nicht mehr voll wirksam werden kann. Dies hat nachteilige Auswirkungen sowohl auf die Maßhaltigkeit als auch auf die Güte des Gefüges der Formteile. Zu erwähnen ist ferner das Gießen im Gegendruckverfahren (DE-OS 19 51 010) zur Herstellung stark gashaltiger Formteile. Bei diesem Verfahren wird in der Gießform ein die Ausscheidung gelöster Gase verhindernder Partialdruck während der Füll- und Erstarrungsphase aufrechterhalten.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung zu schaffen, das bei geringem apparativen Aufwand eine wirtschaftliche Fertigung hochwertiger Formteile ermöglicht, bei denen bislang ein Ausgleich des Volumenschrumpfes während der Schmelzenerstarrung nicht oder nur in unbefriedigendem Maße erzielt werden konnte.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Danach wird in gesteuerter Beziehung zum angießfernen Nachdrücken zusätzlich auf die Metallschmelze im Formhohlraum ein Nachdruck angießseitig ausgeübt. Dadurch kann nicht nur erreicht werden, daß diejenigen Bereiche der Formteiles, die infolge der raschen Erstarrung während der Nachdruckphase kein schmelzflüssiges Material in ausreichender Menge seitens des angießfernen Schmelzüberschusses mehr durchlassen, über das Angießsystem die erforderliche Schmelzenmenge erhalten und unter Druck gesetzt werden können. Vielmehr ermöglicht das doppelseitige gesteuerte Nachdrücken, gezielt Einfluß auf die Erstarrungsphase nehmen zu können, indem dadurch das Wachstum der Keime in der Metallschmelze, von denen aus die Erstarrung ausgeht, von außen beeinflußt werden kann, so daß der Erstarrungsprozeß auf die Verhältnisse des jeweiligen Formteiles abgestimmt werden kann. Beispielsweise kann mit dem angießseitigen Nachdrücken vor, gleichzeitig mit oder nach dem Aufbringen des Nachdruckes über den angießfernen Schmelzenüberschuß begonnen werden. Die zeitliche Folge des Aufbringens des Nachdruckes über den angießfernen Schmelzenüberschuß und seitens des Angießsystems wird von den jeweiligen speziellen Fertigungsbedingungen, insbesondere von der Gestalt des Formteiles beeinfluß und kann durch Vorversuche optimiert werden. Da ähnlich wie bei den bekannten Verfahren die Schmelze mit niedrigen Drücken in den Formhohlraum eingebracht werden kann und wegen der geringen Druckverluste beim Nachdrücken, sind nur vergleichsweise niedrige Werkzeugschließkräfte erforderlich und kann daher das Verfahren mit vergleichsweise einfach aufgebauten unkomplizierten Werkzeugen und Zusatzausrüstungen durchgeführt werden.

Zum Aufbringen des angießseitigen Nachdruckes kann die Einspritzeinrichtung zum Eindrücken der Metallschmelze in den Formhohlraum einen Kolben aufweisen, der sich aus einem äußeren und einem relativ dazu beweglichen inneren Kolbenteil zusammensetzt, wobei die beiden Kolbenteile konzentrisch zueinander liegen und getrennt druckbeaufschlagt sind. Eine derartige Einspritzeinrichtung wird z. B. in der DE-OS 14 58 061 und US-PS 36 05 871 beschrieben. Die beiden Kolbenteile bewegen sich beim Eindrücken der Metallschmelze in die Ausnehmungen des Gießwerkzeuges zunächst gemeinsam, bis die Ausnehmungen gefüllt sind, wonach der äußere Kolbenteil zum Stillstand kommt, während der innere Kolbenteil mit kleinerem Durchmesser zum Aufbringen des Nachdruckes in die noch schmelzflüssige im Einspritzzylinder anstehende Masse hineinbewegt wird. Eine andere Art der Nachdruckaufbringung seitens des Angießsystems mittels eines Druckgases wird in der DE-AS 24 50 805 beschrieben. Auf die besagten Druckschriften wird damit ausdrücklich Bezug genommen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer geeigneten, bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Niederdruckgieß­ vorrichtung,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Werkzeughälfte in der Teilungsebene des Gießwerkzeuges nach Fig. 1 mit Darstellung von zwei Ausführungsformen von Einrichtungen zum Aufbringen des angießfernen Nachdruckes und Evakuierens der schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen im Gießwerkzeug.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Niederdruckgießvorrich­ tung im wesentlichen drei Hauptkomponenenten, nämlich ein Gießwerkzeug 1, eine Einspritzeinrichtung und eine Nach­ druckeinrichtung 13. Das Gießwerkzeug 1 besteht hier aus zwei Hälften 6, 7, die im dargestellten zusammengefahrenen Zustand zwischen sich schmelzenaufnehmende Ausnehmungen, be­ stehend aus dem eigentlichen Formhohlraum 3, einem zwischen diesem und der Fülleinrichtung sich erstreckenden unteren Ein­ gießkanal 2, und einem sich nach oben an den Formhohlraum anschließenden Steiger oder Überlaufkanal 5, bilden. Die beiden Werkzeughälften 6, 7 lassen sich mittels einer bekann­ ten mechanischen oder hydraulischen Schließ- und Öffnungs­ einrichtung aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegen.

Wie gezeigt, steht das dem Formhohlraum 3 abgewandte untere Ende des Eingießkanals 2 mit dem Innenraum eines Zylinders 9 der Einspritzeinrichtung in Verbindung. Im Zylinder 9 ist ein mit einer hydraulischen oder pneumatischen Kolbenzylindereinrichtung 12 verbundener Zwillings­ kolben 10 hin- und herbeweglich. Des weiteren ist im Bereich des dem Gießwerkzeug 1 abgewandten Endes des Zylinders 9 eine Füllöffnung 11 vorgesehen, durch die die zu vergießende Schmelze in den Zylinder eingegeben werden kann. Die Einspritzeinrichtung hat die Aufgabe, das schmelzflüssige Material in die schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeuges, d. h. in den Formhohlraum 3, den Eingießkanal 2 und den Steiger oder Überlaufkanal 5 einzudrücken.

Die Einrichtung 13 zum angießfernen Aufbringen des Nach­ druckes umfaßt in der gezeigten bevorzugten Ausführungs­ form 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 napf­ förmigen Kolbens 13 in Richtung auf und weg vom Überlauf­ kanal 5 ist eine vorzugsweise pneumatisch betätigte Kolben­ zylindereinrichtung 15 in axialer Ausrichtung zum Kolben 13 vorgesehen, die von einer am Gießwerkzeug 1 befestig­ ten Tragkonsole 16 gehalten wird und deren Betätigungskol­ ben über eine Kolbenstange 14 mit dem napfförmigen Kolben 13 verbunden ist.

Anstelle des durch ausgezogene Linien in Fig. 2 gezeigten napfförmigen Kolbens 13 kann auch, wie in Fig. 2 durch ge­ strichelte Linien angedeutet, eine Glocke 27 vorgesehen werden, die an ihrer unteren, dem Überlaufkanal 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 Werk­ zeugfläche treten, um einen gegenüber der Außenatmosphäre abgeschlossenen Raum zu bilden, in den ein Druckmedium ein­ geführt oder der evakuiert werden kann.

Wie weiter in Fig. 1 angedeutet, ist in Höhe einer mit dem Bezugszeichen 4 versehenen verengten, jedoch nicht obliga­ torischen Übergangsbohrung zwischen Überlaufkanal 5 und Formhohlraum 3 in nicht näher gezeigter Weise eine im wesent­ lichen 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 Schieber­ element 17 ist an seinem der Übergangsbohrung 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 Piezoquarz­ kristall handelt. Das vom Druckfühler 18 abgegebene Signal wird moduliert und dazu verwendet, bei Vorliegen eines be­ stimmten Druckes im Überlaufkanal eine Umschaltung nach­ folgend näher beschriebener Ventile von Unter- auf Über­ druck vorzunehmen.

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 Zweiwegeventil 20 zu einem Unter­ druckbehälter 21 führt, der an eine Unterdruckpumpe 22 an­ geschlossen ist. In die Leitung 19 oder gegebenenfalls direkt in den Innenraum der Hohlteile 13 bzw. 27 mündet eine wei­ tere 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.

Wie eingangs erwähnt, umfaßt die in Fig. 1 gezeigte Einspritz­ einrichtung einen Zwillingskolben 10, wie er z. B. in der DE-OS 14 58 061 mit den notwendigen Einsatzaggregaten beschrieben ist. Der Zwillingskolben 10 besteht aus einem größeren äußeren Kolbenteil, der im Zylinder 9 hin- und herbeweglich ist, und einem kleineren Kolbenteil, der in einer Längsbohrung des größeren Kolbenteils hin- und herbewegt werden kann. Der größere Kolbenteil steht mit einer hydraulischen Betätigungseinrichtung in Verbindung, die bei Druckbeaufschlagung beide Kolbenteile im Zylinder 9 vorschiebt. Eine weitere im Bewegungssystem des äußeren Kol­ benteils vorgesehenen hydraulische Betätigungseinrichtung er­ möglicht eine Bewegung des kleineren inneren Kolbenteils unabhängig von der Bewegung des äußeren Kolbenteils, wenn der äußere Kolbenteil nach Füllung der Ausnehmungen im Gießwerkzeug mit Metallschmelze zum Stillstand gekommen ist und infolge der verfestigten Außenhaut der im Zylinder 9 vor dem größeren Kolbenteil anstehenden Metallmasse nicht mehr vorbewegt werden kann. Wegen des geringeren Durchmessers des inneren Kolbenteils befindet sich jedoch vor diesem nach wie vor fließfähige Metallschmelze, die daher durch Vorschieben des inneren Kolbenteils noch in die Ausnehmun­ gen des Gießwerkzeuges eingedrückt werden kann. Im übrigen wird wegen der konstruktiven Ausgestaltung der Zwillingskolben-Einspritz­ einrichtung auf die DE-OS 14 58 061 verwiesen.

Die vorbeschriebene Gießvorrichtung arbeitet wie folgt:

Bei zusammengefahrenen Werkzeughälften 6, 7 und in Schließ­ stellung befindlichen Ventilen 20 und 25 wird eine dosierte Menge an Metallschmelze durch die Füllöffnung 11 in den Füll­ zylinder 9 eingegeben und der Zwillingskolben 10 soweit vorge­ schoben, bis die Öffnung 11 verschlossen ist. Anstelle des Verschließens der Öffnung 11 mit dem Zwillingskolben kann auch eine gesonderte, nicht gezeigte und gegebenenfalls in das obige Pneumatiksystem integrierte pneumatisch betriebene Schließeinrichtung vorgesehen werden.

Bei einer bestimmten vorgeschobenen Stellung des Zwillings­ kolbens 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 erreicht, wird über einen eben­ falls nicht gezeigten Schalter ein weiteres Signal erzeugt, welches das Zweiwegeventil 20 in Durchlaßstellung bringt, so daß die Leitung 19 und damit die Hohlteile 13, 27 mit dem Unterdruckbehälter 21 verbunden werden und die Luft sowie andere gasförmige Produkte aus dem Innenraum der Hohlteile 13, 27, dem Überlaufkanal 4, 5 im Formhohlraum 3, dem Ein­ gießkanal 2 und dem Füllzylinder 9 abgesogen werden. Im wesentlichen gleichzeitig damit schiebt sich der Zwillings­ kolben weiter vor und drückt die im Füllzylinder 9 befind­ liche Metallschmelze mit niedriger Strömungs­ geschwindigkeit über den Eingießkanal 2 in den Formhohlraum 3. Nach Füllung des Formhohlraumes 3 steigt überschüssige Schmelze im Überlaufkanal 5 auf, und bei einem bestimmten Ge­ fälledruck an Schmelze im Überlaufkanal entsprechend einem bestimmten Signalwert am Druckfühler 18 kommt der Zwillings­ kolben zum Stillstand und wird das Ventil 20 zurück in seine Schließstellung und das Ventil 24 in seine Stellung unter weiterer Druckbeaufschlagung der Kolbenzylindereinrichtung 15 bewegt, bei der in die zuvor mit der Unterdruckquelle verbundene Leitung 19 nunmehr über die Leitung 22 ein von der Druckpumpe 24 abgegebenes Druckmedium, z. B. Luft oder inertes Gas, eingeführt wird. Das in das Innere der Hohl­ teile 13 bzw. 27 strömende Druckmedium beaufschlagt die im Überlaufkanal 5 aufgestiegene bzw. im Formhohlraum 3 be­ findliche Schmelze mit einem bestimmten Druck (Nachdruck), der im Bereich von 2 bis 10 bar, vorzugsweise 5 bis 6 bar, liegen kann.

Das Signal zum Umschalten von Unterdruck auf Hochdruck auf die im Überlaufkanal 5 aufgestiegene Schmelze kann weiter erfindungsgemäß dazu ausgenutzt werden, die hydraulische Betätigungseinrichtung für den inneren Kolbenteil des Zwil­ lingskolbens im Füllzylinder 9 zu beaufschlagen, so daß sich dieser in die schmelzflüssige "Seele" der vor dem Zwil­ lingskolben anstehenden Metallmasse hineinbewegt, um auch über den Eingießkanal 2 einen angießseitigen Nachdruck auf­ zubringen. Dabei kann das angießseitige Nachdrücken mittels des Zwillingskolbens vor, während oder nach dem beschriebenen angießfernen Nachdrücken in Gang gesetzt werden, wobei die Wahl des richtigen Zeitablaufes insbesondere von der speziellen Formgebung des zu fertigenden Formteiles abhängt und durch Versuche leicht bestimmt werden kann. Der angieß­ ferne und angießseitige Nachdruck wird solange aufrechter­ halten, bis nach einer gewissen Zeit die Schmelze zur Ent­ formung des Formteiles ausreichend weit erstarrt ist. Danach wird der Zwillingskolben wieder zurückgefahren, das Drei­ wegeventil 25 in eine Stellung zur Ableitung des im Hohl­ teil 13 bzw. 27 sowie der Kolbenzylindereinrichtung 15 be­ findlichen Druckmedium bewegt, so daß das Hohlteil 13 bzw. 27 aus dem abdichtenden Eingriff mit dem Überlaufkanal ge­ langt, und werden die beiden Werkzeughälften 6, 7 zur Ent­ formung des Gußstückes auseinandergefahren.

Obschon die Erfindung in Verbindung mit einer Einspritzein­ richtung zum zwangsmäßigen Einbewegen der Metallschmelze in die Ausnehmungen des Gießwerkzeuges beschrieben wurde, versteht es sich, daß die Verfahrensschritte Evakuieren der schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen des Gießwerkzeuges sowie angießfernes und angießseitiges Nachdrücken auch beim reinen Gießen in Kokille vorteilhaft angewandt werden können, wo die Füllung des Formhohlraumes alleine durch Schwerkraft erfolgt. In diesem Fall könnte das angießseitige Nachdrücken z. B. auf pneumatischem Wege erfolgen. Des weiteren kann die Druckbeaufschlagung des angießfernen Schmelzenüberschusses statt auf der beschriebenen pneumatischen Weise auch mechanisch, z. B. mittels eines in den Überlaufkanal einge­ führten Kolbens erfolgen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Gießen von Metallen, insbesondere NE-Metallen, bei dem man die schmelzenaufnehmenden Ausnehmungen einer Gießform zunächst evakuiert, die Metallschmelze dann in die Ausnehmungen der Gießform hineinbewegt und im Anschluß an die Füllung der Gießform die Metallschmelze bis zur Erstarrung einem Nachdruck aussetzt, indem auf einen angießfernen Schmelzenüberschuß ein Druck ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in gesteuerter Beziehung zum angießfern ausgeübten Nachdruck die Schmelze einen unabhängigen angießseitigen Nachdruck ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angießseitige Nachdruck aufgebracht wird, indem auf einen Kernbereich der nach dem Formfüllvorgang in einem Füllzylinder verbleibenden Schmelzenmenge ein Druck ausgeübt wird.

3.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der angießseitige Nachdruck mechanisch aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der angießseitige Nachdruck mittels eines Druckgases aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der angießferne Nachdruck mittels eines auf den Schmelzenüberschuß einwirkenden Druckgases aufgebracht wird.