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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Gießverfahren und
eine Gießvorrichtung
und insbesondere ein Gießverfahren
und eine Gießvorrichtung,
bei denen eine Induktionsheizung verwendet wird.
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Bei
einer Induktionsheizung wird elektrisch leitfähiges Material durch Induktion
von elektrischem Strom in ihm durch Anwendung eines Magnetfeldes zum
Schmelzen gebracht. Das Material wird als Ergebnis der Verlustleistung
in ihm, die dem elektrischen Widerstand des Materials zuordenbar
ist, während
der Strom durch es hindurchfließt,
d. h. der so genannten Ohmschen Heizung, erhitzt. Eine herkömmliche
Induktionsheizung besteht aus einem elektrischen Stromerzeuger oder
Wechselrichter, der einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung
erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung ist sowohl für stromgespeiste Wechselrichtersysteme,
bei denen ein Wechselstrom mit fester Amplitude erzeugt wird, als
auch für
spannungsgespeiste Wechseltrichtersysteme, bei denen Wechselspannung
mit fester Amplitude erzeugt wird, anwendbar. In beiden Fällen wird
der Strom oder die Spannung durch eine leitfähige Spule in Form eines Solenoids
geleitet, um ein Magnetfeld um die Spule zu erzeugen. Die magnetischen
Feldlinien bilden die Form einer Ringspule, bei der die Mittelachse
der Ringspule mit der Mittelachse der Spule übereinstimmt. Es ist üblich, das
zu schmelzende Material auf dieser Achse im Zentrum der Spule anzuordnen,
wo das Magnetfeld am dichtesten ist. Es ist ferner üblich, das
Material in dieser Position in einem Tiegel anzuordnen. Im fortgeschrittenen
Schmelzstadium enthält
der Tiegel sowohl feste als auch flüssige Phasen des Materials.
Selbst nach dem vollständigen
Schmelzen kann es notwendig sein, um ein qualitativ hochwertiges
Gusserzeugnis zu erhalten, die Induktionsheizung beizubehalten, um
das Material in einem übererhitzten
Zustand zu belassen. Sobald die geeignete Temperatur erzielt wurde,
muss das Material in eine Gießform
oder eine Kastenform transferiert werden. Dies wird normalerweise
entweder dadurch erzielt, dass der Tiegel gekippt wird, um dessen
Inhalt durch eine Nase oder einen anderen Auslass in die Gießform zu
gießen,
oder durch Beschleunigen des Tiegels, um dessen Inhalt unter Trägkeitsauswirkungen
auszuwerfen.
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Bei
beiden Systemen wird der Tiegel bewegt. Diese Bewegung ist dahingehend
problematisch, dass in den herkömmlichen
Verfahren, eine Trennung des Solenoids oder ein Entfernen des Tiegels von
dem Solenoid notwendig ist. Wenn keine Induktionsheizung anliegt,
kann ein schnelles Abkühlen
des Materials stattfinden, wenn der Tiegel bewegt wird. Ein derartiges
Abkühlen
kann die Qualität
des späteren
Gusses beeinträchtigen.
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Die
WO97/06060 (M4 Environmental
L. P.) offenbart eine Vorrichtung zum Gießen von geschmolzenem Metall
aus einem Tiegel in eine Gießform.
Die Vorrichtung umfasst eine Induktionsheizung zum Schmelzen des
Materials in dem Tiegel, der durch eine Haltevorrichtung gehalten
wird, welche um erste und zweite, voneinander entfernt angeordnete,
parallel liegende, horizontale Achsen gedreht werden kann. Diese
Achsen sind so angeordnet, dass es möglich ist, den Tiegel um die
Achsen so zu kippen, dass sich der Tiegel sowohl horizontal als auch
vertikal bewegt, mit dem Ergebnis, dass das geschmolzene Material
mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit über eine Ausgusslippe des Tiegels und
genau in die Gießform
fließt.
Es besteht jedoch weiterhin das Problem, dass das geschmolzene Material
während
des Ausgießens
wesentlich abkühlen kann,
wodurch die Gießqualität beeinträchtigt wird.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine Gießvorrichtung zur Verfügung gestellt,
welche umfasst:
Tiegelhalte- und Induktionsheizungsmittel,
das so angeordnet ist, dass ein Tiegel aufgenommen und gehalten
wird, der ein Material umfasst, das geschmolzen und aus einem Auslass
des Tiegels gegossen werden soll, wobei der Auslass an einer Vertikalachse angeordnet
ist, wobei das Halte- und Induktionsheizungsmittel ferner in der
Lage ist, eine Induktionsheizung an das Material anzulegen, um es
in dem Tiegel zu schmelzen; und
Bewegungsmittel, das, während das
Träger-
und Induktionsheizungsmittel weiterhin den Tiegel hält und an
das Material in ihm eine Induktionsheizung anlegt, in der Lage ist,
den Tiegel zu kippen, um das geschmolzene Material zu veranlassen,
aus dem Auslass des Tiegels zu fließen, wobei das Bewegungsmittel
den Tiegel so hält,
dass der Auslass während des
Kippens auf der Vertikalachse positioniert bleibt, wodurch das geschmolzene
Material aus dem Auslass des Tiegels zumindest im Wesentlichen auf
der Vertikalachse fließt.
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Die
bevorzugte Vorrichtung umfasst ferner eine Gießformaufnahmevorrichtung zur
Aufnahme einer Gießform,
mit einem Einlass auf der Vertikalachse, in welche das geschmolzene
Material aus dem Tiegel gegossen wird, während der Tiegel kippt, und
das Bewegungsmittel ist betätigbar,
um eine relative vertikale Bewegung zwischen dem Tiegel und der
Gießformaufnahmevorrichtung
stattfinden zu lassen, während
es gleichzeitig in Betrieb ist, um den Tiegel zu kippen, so dass
das geschmolzene Material aus dem Tiegel in den Einlass einer Gießform, die von
der Gießformaufnahmevorrichtung
aufgenommen ist, fließt.
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Die
Gießformaufnahmevorrichtung
kann vertikal stationär
sein, wobei das Bewegungsmittel betätigbar ist, um den Tiegel vertikal
abwärts
von einer Ausgangsposition in Richtung der Gießformaufnahmevorrichtung zu
bewegen.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Bewegungsmittel ein drehbares und vertikal bewegbares
Trägerelement
und Mittel zur Beschränkung
des Trägerelementes,
zur vertikalen Bewegung bei gleichzeitigem Drehen um eine Horizontalachse,
die die Vertikalachse schneidet, und wobei das Tiegelhalte- und
Induktionserhitzungsmittel mit dem Aufnahmeelement so verbunden
ist, dass der Auslass eines davon aufgenommenen Tiegels auf der
Vertikalachse liegt und dieser Achse folgt, wenn sich das Element
vertikal bewegt und dabei dreht, um den Tiegel zu kippen und vertikal
zu bewegen.
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Daher
adressiert dieser Aspekt der Erfindung das obenstehend genannte
Problem des unerwünschten
Abkühlens
des geschmolzenen Materials, indem die Induktionsheizung des Materials
aufrecht erhalten bleibt, während
der Tiegel zum Ausgießen seines
Inhalts gekippt wird. Die Erfindung adressiert ferner das Problem
der Anordnung unterschiedlicher Gießformgrößen, indem die Bewegung des
Tiegels während
des Kippens so kontrolliert wird, dass sich der Auslass, typischerweise
eine Nase, vertikal entlang einer vorbestimmten vertikalen Achse
in Richtung der Gießform
bewegt. In der Praxis ist der Einlass der Gießform ebenfalls auf dieser
Achse positioniert, so dass, unabhängig von der Größe der Gießform, geschmolzenes
Material, das aus dem Tiegel gegossen wird, im Wesentlichen entlang
der Vertikalachse in die Gießform
fällt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Gießverfahren zur Verfügung gestellt, das
die folgenden Schritte umfasst: Anordnen von zu schmelzendem Material
in einem Tiegel, der einen Auslass aufweist, der auf einer Vertikalachse
positioniert ist; Anlegen einer Induktionsheizung an das Material
in dem Tiegel, um das Material zum Schmelzen zu bringen; Zur-Verfügung-Stellung
einer Gießform mit
einem Gießformeinlass
auf der Vertikalachse; und Kippen des Tiegels, während die Induktionsheizung
an dem Material angelegt bleibt, wobei der Auslass des Tiegels auf
der Vertikalachse bleibt, um das geschmolzene Material von dem Auslass,
im Wesentlichen entlang der Vertikalachse, aus dem Tiegel in die
Gießform
zu gießen.
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Weitere
Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
in den anliegenden Ansprüchen
dargelegt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
Erfindung wird nun anhand der anliegenden Zeichnung, die lediglich
beispielhaft ist, genauer beschrieben. Es zeigt:
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1 diagrammatisch
bestimmte Komponenten einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung;
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2(a), 3(a) und 4(a) diagrammatisch und in sequentiellen perspektivischen
Ansichten die Funktion der in 1 gezeigten
Komponenten in den jeweiligen perspektivischen Ansichten in einem
Gießverfahren;
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2(b), 3(b) und 4(b) diagrammatisch dieselbe Sequenz wie die 2(a), 3(a) und 4(a) in den entsprechenden Vorderansichten;
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5 diagrammatisch
bestimmte Komponenten einer Gießvorrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung; und
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6 diagrammatisch
weitere Komponenten der Gießvorrichtung
der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
in den 1 bis 4 dargestellten
Komponenten sind Teil einer Induktionsheizung. In 1 gibt
die Bezugszahl 10 einen Tiegel an, in dem Material, typischerweise
ein Metall, geschmolzen werden soll, und aus dem das geschmolzene
Material in eine Gießform
oder eine Kastenform 12 gegossen wird, die in 6 gezeigt
ist. Der Tiegel ist in einer Induktionsspule 14 aufgenommen,
die Spulenleiter 16 aufweist. Wie gezeigt, halten die Spule 14 und
die Spulenleiter 16 den Tiegel vollständig. In einigen Situationen
können
auch weitere mechanische Trägerkomponenten
notwendig werden, um das Gewicht des Tiegels und dessen Inhalt zu
tragen. Um die Darstellung zu vereinfachen, wurden solche weiteren
Komponenten nicht dargestellt.
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Die
Spulenleiter 16, und weitere mechanische Trägerkomponenten,
falls zur Verfügung
gestellt, werden an einem Spannfutter 20 mit einem drehbaren
und vertikal bewegbaren Trägerelement 18 verbunden.
Die Form des Elementes 18 entspricht im Wesentlichen der
Form eines Kreissektors mit einer kreisförmigen Peripherie 22 und
einer zentralen Drehachse 24, die von dem Spannfutter 20 entfernt angeordnet
ist. Ein horizontal herausragender Steuerarm 26 ist an
der Achse 24 mit dem Element 18 verbunden.
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Ein
Ende 27 eines Kabels 28 ist mit einem festen Teil
des Rahmens der Induktionsheizung verbunden. Das andere Ende 30 des
Kabels 28 ist an der Peripherie 22 des Elements 18 in
Richtung eines Endes davon befestigt. Auf eine ähnliche Weise sind die gegenüberliegenden
Enden 32 und 34 eines anderen Kabels 36 mit
der festen Rahmenstruktur und der Peripherie 22 des Elements 18 in
Richtung des anderen Endes davon verbunden. Man sieht, dass die
Kabel in Rillen an der Peripherie des Elements angeordnet sind.
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Der
Auslass des Tiegels, in Form einer Nase 38, liegt auf der
Achse 24.
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Im
Einsatz werden die Inhalte des Tiegels durch Induktionsheizung mittels
des durch die Spule 14 erzeugten Magnetfeldes geschmolzen.
Wenn die geschmolzenen Inhalte in die Gießform 12 gegossen werden
sollen, wird der Steuerarm 26 vertikal abwärts bewegt,
wie durch den Pfeil 37 gezeigt. In der Praxis kann ein
geeigneter Antriebsmechanismus zur Verfügung gestellt werden, um den
Steuerarm abwärts
zu bewegen.
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Die
Abwärtsbewegung
des Steuerarms 26 bewegt auch das Element 18 vertikal
abwärts
und mit ihm die Spule 14, mechanische Trägerelemente, wenn
vorhanden, und den Tiegel 10. Gleichzeitig veranlasst die
Wirkung der Beschränkungsmittel,
die durch die Kabel 28 und 36 gebildet werden,
dass sich das Element 18 um die Achse 24 dreht,
wie durch den Pfeil 39 gezeigt. Daher führt das Element 18 mit seiner
Peripherie eine Rollbewegung aus und rollt in der Tat auf der Vertikalebene,
die die vertikalen Teile der Kabel enthält. Dies bewirkt, dass der
Tiegel derart gekippt wird, dass dessen geschmolzener Inhalt aus der
Nase 38 fließt.
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Dieser
Ablauf ist in den 2(a) bis 4(a) und 2(b) bis 4(b) dargestellt,
die ebenfalls zeigen, dass sich die Nase 38 während des
Kippen des Tiegels entlang derselben Vertikalachse 40 bewegt
wie die Achse 24, die diese Achse schneidet. Die Tatsache,
dass sich die Nase 38 entlang einer gleichmäßig vertikalen
Bahn bewegt, d. h. entlang der Achse 40, bedeutet, dass
erwartet werden kann, dass sein Inhalt im Wesentlichen auf genau
dieser Bahn herausfließt.
In dieser Hinsicht kann die vertikale Bahn, auf der das Material
herausfließt,
selbstverständlich
auch leicht von der vertikalen Achse abweichen, insbesondere wenn
der Tiegel schnell gekippt wird. Dennoch wird erwartet, dass das
ausgegossene Material bei normalem Betrieb, bei normaler Kippgeschwindigkeit,
zumindest im Wesentlichen der durch die Achse 24 gebildeten
vertikalen Bahn folgt.
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Andere
Beschränkungsmittel
als diejenigen, die in den 2(a) bis 4(a) und 2(b) bis 4(b) dargestellt sind, liegen im Bereich der Erfindung.
Ein weiteres Beispiel ist in 5 dargestellt, das
zeigt, wie das Element 18 so beschränkt werden kann, dass es durch
einen zahnstangenähnlichen Mechanismus
einer vertikalen Rollbewegung unterzogen wird. Die halbkreisförmige Peripherie
des Elements 18 ist mit Zähnen 42 ausgebildet,
die mit Zähnen 44 auf
einer vertikalen festen Stange 46 in Eingriff kommen. Auch
in diesem Falle ist während
des Kippens selbstverständlich
die Nase des Tiegels während
des Kippens beschränkt,
so dass sie sich entlang einer Vertikalachse bewegt, während sich das
Element 18 vertikal abwärts
bewegt.
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Die
Induktionsheizung bleibt während
der gesamten Dreh- und Vertikalbewegung des Tiegels aufrecht erhalten.
Auf diese Weise kann eine benötigte
hohe Temperatur in der Schmelze so lange wie möglich aufrecht erhalten werden,
um sicherzustellen, dass ein qualitativ hochwertiger Guss erhalten wird.
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Es
wird nun auf 6 Bezug genommen, die weitere
Komponenten der Gießvorrichtung
darstellt. Die Gießform
oder Kastenform 12 weist eine konische, kegelstumpfförmige äußere Form
auf und ist ergänzend
in einer konischen Aufnahmevorrichtung 50 aufgenommen.
Die Gießform 12 weist
einen zentralen, trichterförmigen
Einlass 52 auf, der auf der Vertikalachse 40 liegt
und derartig vertikal mit der Nase 38 ausgerichtet ist,
dass das geschmolzene Material, das aus dem Tiegel gegossen wird
und vertikal fällt,
aufgenommen wird.
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In
dieser Ausführungsform
weist die Gießform
innere Formenhohlräume
(nicht sichtbar) auf, die radial äußerlich des Einlasses liegen
und mit dem Einlass durch radiale Kanäle oder Durchlässe (ebenfalls
nicht sichtbar) kommunizieren. Das Gestell ist fest an einer vertikalen
Welle 54 befestigt, die von einem Lagerbock 56 getragen
wird. Ein Keilriemen oder Zahnriemen 57 wirkt zwischen
einer Riemenscheibe 58 auf einer Welle 60, die
durch einen Elektromotor 62 angetrieben wird, und einer
anderen Riemenscheibe 64 auf der Welle 54. Im
Betrieb drehen sich das Gestell 50 und die Gießform 12 um
die Vertikalachse.
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Dementsprechend
wird das geschmolzene Material, das aus dem Tiegel in den Einlass 52 fließt, aus
der Gießform
heraus in die Formenhohlräume durch
die internen Durchlässe
beschleunigt. Auf diese Art und Weise wird das geschmolzene Material
in die Formenhohlräume
gezwungen, um die Qualität des
erhaltenen Gusses zu verbessern.
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Die
Bezugszahl 70 in 6 zeigt
eine alternative Gieß-
oder Kastenform, die anstatt der Gießform 12 verwendet
werden kann, und die dennoch ergänzend
in dem Gestell 50 aufgenommen sein kann. Daher besteht
ein Vorteil der beschriebenen Anordnung darin, dass Gießformen
unterschiedlicher Kapazität
darin aufgenommen werden können.
Ein weiterer Vorteil ist die Zentralisierung und die korrekte Ausrichtung
der Gießform,
die durch die komplementären
Abschrägungen
an der Gießform
und dem Gestell erreicht wird.
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Die
Möglichkeit
der Dreheinstellung in der Verbindung zwischen der Solenoidspule
und dem Element 18, d. h. durch Dreheinstellung des Spannfutters 20,
wie obenstehend erwähnt,
ist ferner in mehreren Hinsichten vorteilhaft. Sie erlaubt, dass
die Anfangsausrichtung des Tiegels, d. h. bei der Ausgangsposition
des Tiegels, bezüglich
des Elementes 18 eingestellt wird. Durch die geeignete
Anpassung an diesem Verbindungspunkt ist es möglich, den Tiegel für unterschiedliche
Schmelzvolumen einzurichten, d. h. es ist möglich, den Kippwinkel des Tiegels so
einzustellen, dass das Gießen
unmittelbar nach Beginn oder kurz nach Beginn der Abwärtsbewegung und
Drehung des Elementes 18 beginnt. Dies ermöglicht wiederum
die Verwendung von Gießformen
mit unterschiedlichem vertikalem Maß, zum Beispiel die Gießformen 12 und 70.
Ferner können
somit Tiegel unterschiedlicher Kapazität angeordnet werden, da der
Ausgangkippwinkel immer so eingestellt werden kann, dass die Nase
oder ein anderer Auslass des Tiegels korrekt positioniert ist, um
eine vertikale Ortskurve zu beschreiben, wenn das Element 18 vertikal bewegt
wird und dreht.
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Wie
obenstehend gezeigt, kann die Schmelze in der Praxis nicht exakt
entlang der Achse 40 aus der Nase fließen, insbesondere, wenn der
Tiegel schnell gekippt wird, was dazu führt, dass die Schmelze mit
einem gewissen horizontalem Moment herausrast. Bei jedem einzelnen
Fall wird die Vorrichtung jedoch daraufhin eingestellt, dass sichergestellt ist,
dass der Gießformeinlass
in der Bahn des gegossenen Materials angeordnet wird und dies wird
generell sehr nahe an, wenn nicht sogar genau auf, der Vertikalachse 40 sein.
Die in dieser Beschreibung enthaltenen Hinweise darauf, dass die
Schmelze entlang der Vertikalachse fließt und der Gießformeinlass auf
der Vertikalachse liegt, sollten dementsprechend interpretiert werden.