DE69908212T2

DE69908212T2 - Verfahren und Einrichtung zum Giessen von Teilen aus Leichtmetall-Legierungen

Info

Publication number: DE69908212T2
Application number: DE69908212T
Authority: DE
Inventors: Philippe Meyer
Original assignee: Montupet SA
Current assignee: Montupet SA
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2019-03-09
Also published as: EP0941789A1; EP0941789B1; US20010050156A1; DE69908212D1; BR9904551A; CA2265231C; HUP9900591A3; PL331874A1; CA2265231A1; HU9900591D0; PL189660B1; JPH11320071A; FR2775917B1; FR2775917A1; HUP9900591A2; US6540007B2; ATE241441T1; HU221249B1

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen wie auch eine Einrichtung für das Ausführen dieses Verfahrens.
Die aktuelle Entwicklung von Aluminium auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge macht die Entwicklung von neuen Verfahren erforderlich, welche zugleich an die Notwendigkeit, die Produktionskosten zu minimieren, angepasst sind, an große Serien (typischerweise mehrere hunderttausend Teile pro Jahr und pro Produkttyp) angepasst sind und schließlich an die Herstellung von Teilen von optimaler Qualität und mit immer komplexeren Geometrien angepasst sind insbesondere unter dem Druck der gesetzlichen Regelungen gegen die Umweltverschmutzung, welche dazu führen, die maximale Gewichtseinsparung, die maximale Kompaktheit, die optimalen Leistungseigenschaften und die Integration von Funktionen anzustreben.
Die Qualität dieser Teile erstreckt sich ebenso auf die metallurgischen Aspekte (nämlich die Suche nach den besten Eigenschaften durch eine feinstmögliche und möglichst intakte Guss-Mikrostruktur in den beanspruchten Zonen) wie auf die dimensionalen Aspekte (insbesondere die maximale Maßgenauigkeit aller Geometrien des Teils, die für die Leistungseigenschaften des Fahrzeugs kritisch sind.
Es gibt gewiss eine bestimmte Anzahl von zur Verfügung stehenden Verfahren zur Herstellung von Kraftfahrzeugteilen. Aber es erweist sich, dass keines dieser Verfahren heute eine Gesamtheit von Eigenschaften aufweist, die die Gesamtheit der vorerwähnten Anforderungen ganz erfüllt.
Die Gießverfahren in metallische Gießformen, im wesentlichen das Verfahren durch Schwerkraft und das Niederdruckverfahren sind gewiss in wirtschaftlicher Hinsicht leistungsstark und liefern ein hohes Niveau von metallurgischer Qualität und Qualität, was die Abmessungen bzw. Dimensionen angeht. Sie sind indessen für die Herstellung von Teilen mit komplexen Formen nicht angepasst.
So werden die inneren Formen in diesem Fall durch Kerne aus chemisch gebundenem Sand hergestellt und diese Verfahren sind lediglich dann gut geeignet, wenn es möglich ist, die Gesamtheit dieser Kerne nach den Öffnen der Gießform und dem Herausnehmen des vorhergehenden Teils schnell einzusetzen. Dies gebietet, dass die Abfolgen des Positionierens an der Gießform relativ einfach bleiben, und erweist sich dementsprechend mit bestimmten beispielhaften Fällen, wie beispielsweise für Motorgetriebeblöcke oder Zylinderköpfe, wo man bis zu zwölf Kerne oder mehr gemäß ziemlich komplexen Bahnen und dementsprechend in einer übermäßig langen Dauer positionieren muss, als unverträglich.
Es existieren gleichfalls sogenannte „sand package"-Verfahren, insbesondere das von COSWORTH CASTINGS entwickelte Verfahren, welche entwickelt worden sind, um den weiter oben angegebenen Zielen zu entsprechen. Indessen sind diese Verfahren sehr teuer, denn sie müssen eine bedeutende Menge von chemisch gebundenem Sand einsetzen. Außerdem trägt im Falle des COSWORTH-Verfahrens die Notwendigkeit, einen speziellen Sand vom Zirconium-Typ anstelle des in der Gießerei gewöhnlich eingesetzten Siliciumdioxids zu verwenden, gleichfalls zu sehr hohen Betriebskosten bei. Außerdem erlauben diese Verfahren nicht, die metallurgische Qualität zu erzielen, die erzielt werden kann mit dem Einsatz von Gießformen, welche metallische Elemente umfassen, welche es erlauben, die Verfestigungsgeschwindigkeit der Aluminiumlegierung in den kritischsten Zonen zu erhöhen.
Es existiert gleichfalls ein sogenanntes „lost foam"-Verfahren, welches den Erfordernissen von geometrischer Komplexität und Produktion in großen Serien gut entspricht. Im Gegenzug ist das Niveau der erhaltenen metallurgischen Qualität sehr viel schlechter als die gegenwärtigen Standards beim Gießen in metallische Gießformen (durch Schwerkraft oder niedrigen Druck) dergestalt, dass dieses Verfahren gegenwärtig für bestimmte Anwendungen mit hohen Beanspruchungen nicht in Betracht gezogen werden kann.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Einschränkungen des Standes der Technik zu mildern und ein Gießverfahren vorzuschlagen, welches es erlaubt, auf die Bedürfnisse des Markts und insbesondere des Kraftfahrzeugmarkts besser zu antworten, wobei dieses zugleich wirtschaftlich auszuführen bleibt.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Gießverfahren vorzuschlagen, welches wenigstens zu einem substantiellen Teil physikalisch abbindenden Sand oder Grüngusssand einsetzt, welcher nicht die besonderen Wiederverwertungs- und Umweltprobleme, denen man bei den chemisch abbindenden Sanden begegnet, aufwirft.
So schlägt die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Gießen eines Teils aus einer Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung, vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es die aufeinanderfolgenden Schritte umfasst, bestehend aus:

– Herstellen einer Gießform mit Formabdruck oder Formhohlraum aus physikalisch abbindendem Sand,
– Einfügen eines verschiebbaren Verschlussmittels in die Gießform in der Nähe einer Materialzufuhrleitung der Gießform,
– Aufstellen der Gießform dergestalt, dass ihre Materialzufuhrleitung sich an der Unterseite befindet,
– Verbinden der Materialzufuhrleitung der Gießform mit einem Rohr für die Materialzufuhr von geschmolzener, unter Druck gesetzter Legierung,
– Durchführen des Auffüllens der Gießform mit der Legierung,
– vor einer jeglichen substantiellen Verfestigung des Teils Verschieben des Verschlussmittels, um die Materialzufuhrleitung zu verschließen, dann Umkehren der Gießform um ungefähr 180°, um eine Verfestigung im Schwerkraftmodus sicherzustellen.

Bevorzugte, aber nicht einschränkende Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die folgenden:

– es wird außerdem zwischen den Schritten des Befüllens und der Verfestigung ein Schritt eines Verschließens der unteren Region der Gießform, gefolgt von einer Trennung zwischen zwischen einem Rohr für die Materialzufuhr von geschmolzener Legierung und der Gießform vorgesehen.
– der Schritt des Verschließens ist weniger als etwa zehn Sekunden nach dem Ende des Befüllungsschritts beendet.
– der Schritt des Umkehrens oder Kippens ist spätestens 25 Sekunden, vorzugsweise 15 Sekunden nach dem Ende des Verschließens beendet.
– der Schritt des Umkehrens oder Kippens ist spätestens 15 Sekunden, vorzugsweise 5 Sekunden nach dem Ende des Verschließens beendet.
– man setzt eine Gießform aus Quarzsand mit einer Korngrößenverteilung von wenigstens 40 RFS, vorzugsweise wenigstens 55 AFS oder ferner 80 AFS für die Erzielung von hervorragenden Oberflächenzuständen ein.
– man setzt eine Gießform mit zwei Halbformkästen ein und der Schritt der Herstellung der Gießform umfasst die Phasen, bestehend daraus, dass man in den zwei Halbformkästen zwei Halbformabdrücke oder -hohlräume formt, man Formkerne in den zwei Halbformkästen, die mit ihrem Halbformabdruck oder -hohlraum auf der Oberseite angeordnet sind, anordnet und man die zwei Halbformkästen zusammensetzt.
– der Schritt des Zusammensetzens der zwei Halbformkästen führt zu einer Gießform in im allgemeinen horizontaler Position und das Verfahren umfasst außerdem den Schritt, der darin besteht, die Gießform bis zu einer im allgemeinen vertikalen Füllposition umkippen zu lassen.
– die Kerne sind aus chemisch abbindendem Sand hergestellt.
– die Kerne sind aus Quarzsand mit einer Korngrößenverteilung von wenigstens 40 AFS hergestellt.
– es wird außerdem nach Verfestigung des Teils ein Schritt einer Trennung des Teils und der Gießform vorgesehen, der es erlaubt, den Formabdrucksand und den Sand der Kerne getrennt zurückzugewinnen.
– es wird außerdem vor dem Schritt des Befüllens der Gießform ein Schritt einer Anordnung von wenigstens einer massiven Kühleinrichtung, die in einem Bereich der Gießform, der sich von dem Materialzufuhrbereich der Gießform entfernt befindet, plaziert wird, und nach der Verfestigung ein Schritt einer Rückgewinnung der Kühleinrichtungen) vorgesehen.

Gemäß einem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung eine Einrichtung zum Gießen eines Teils aus einer Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung vor, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst:

– eine Gießform, die in der Lage ist, durch Drehung um eine im wesentlichen horizontale Achse umgekehrt oder gekippt zu werden, die eine Rinne für die Zufuhr von geschmolzener Legierung aufweist und ein Mittel zum Verschließen dieser Rinne aufweist, und
– eine Vorrichtung zur Bewegung der Gießform, die in der Lage ist, die Gießform durch Drehung um die horizontale Achse zu verschieben, und ein Mittel zur Betätigung des Verschlussmittels aufweist.

Bevorzugte Aspekte dieser Einrichtung sind die folgenden:

– die Bewegungsvorrichtung weist Mittel auf, um die Gießform in Form einer Parallelverschiebung in Richtung eines Rohrs für die Materialzufuhr von geschmolzener Legierung zu verschieben.
– die Bewegungsvorrichtung ist gleichfalls in der Lage, die Gießform durch Drehung um die horizontale Achse zwischen einer Anfangsposition am Ausgang einer Station zum Zusammenbau der Gießform und einer Gießposition zu verschieben.
– die Bewegungsvorrichtung ist in der Lage, die Gießform um eine vertikale Achse herum zu verschieben, damit diese jeweils mit einer Fördereinrichtung zur Heranführung der Gießform, einem Niederdruckgießofen, der mit dem Rohr für die Materialzufuhr ausgerüstet ist, bzw. einer Fördereinrichtung zum Abgang der Gießform zusammenwirkt.

Schließlich schlägt die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt eine Gießform vor, die für das Gießen eines Teils aus einer Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung, bestimmt ist, wobei die Gießform mit einer Rinne für die Materialzufuhr von geschmolzener, unter Druck stehender Legierung ausgestattet ist, wobei die Gießform dadurch gekennzeichnet ist, dass sie um eine im wesentlichen horizontale Achse drehbar montiert ist derart, dass sie nach dem Befüllen umgekehrt oder gekippt werden kann, und dass sie ein mechanisches Verschlussmittel für die Materialzufuhrrinne umfasst.
Bevorzugte, aber fakultative Aspekte dieser Gießform sind die folgenden:

– die Gießform weist wenigstens einen Formabdruck aus physikalisch abbindendem Sand auf und das mechanische Verschlussmittel umfasst eine Metallplatte, die in den Formabdruck inkorporiert ist und direkt durch jenen geführt wird.
– die Gießform umfasst eine Scheinaussparung, die in gerader Linie vor (in Höhe von) einer Kante der genannten Metallplatte endet und in der Lage ist, eine Stange eines Betätigungsmittels der Platte aufzunehmen.
– die Platte weist wenigstens einen Führungsansatz auf, der in einer anfänglichen Position der Platte, in einen gegenüberliegenden Formabdruck der Gießform eindringt.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung werden besser ersichtlich beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels von jener, welche als Beispiel angegeben wird und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen aufgeführt wird, in welchen:
die 1 eine perspektivische schematische Ansicht einer Gießform und von deren Kernen, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren während eines Schritts des Zusammenbaus der Gießform eingesetzt werden, ist,
die 2a die Bestandteile der zusammenzubauenden Gießform in auseinandergezogener Seitenansicht veranschaulicht,
die 2b und 2c schematisch in einer Querschnittansicht die zusammengebaute Gießform während zwei Betriebsphasen des Verfahrens veranschaulichen,
die 3a bis 3e schematisch in vertikaler Längsschnittansicht fünf aufeinanderfolgende Schritte des erfindungsgemäßen Gießverfahrens veranschaulichen,
die 4a bis 4d schematisch vier aufeinanderfolgende Schritte für die Plazierung einer Vorrichtung zum Verschließen in der Gießform veranschaulichen,
die 5 schematisch perspektivisch die Region der Vorrichtung zum Verschließen in der Situation der 4a veranschaulicht,
die 6a bis 6c schematische Vorderansichten einer Einrichtung zur Bewegung der Gießform, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann, während dreier aufeinanderfolgender Phasen sind,
die 7a und 7b schematische Seitenansichten der Einrichtung der 6a bis 6c während zweier aufeinanderfolgender Phasen sind und
die 8a bis 8c schematische Draufsichten der Einrichtung der 6a bis 6c und 7a, 7b und von damit verbundenen Einrichtungen während dreier aufeinanderfolgender Phasen sind.
Unter Bezugnahme zuallerst auf die 1 wird eine Gießform 10 gezeigt, deren Formabdrücke aus physikalisch abbindendem Sand gebildet sind, d. h. ohne Verwendung von thermisch oder chemisch härtbarem Harz, und vorzugsweise aus Grüngusssand.
Es ist hier zur Unterrichtung festzuhalten, dass der Grüngusssand Kosten pro Gewichtseinheit aufweist, die zehn- bis fünfzehnmal niedriger sind als jene eines chemischen Sands vom Cold-Box-Typ. Außerdem wirft diese Art von Sand keine Wiederverwertungs- und Umweltverschmutzungsprobleme, die bekanntermaßen bei den chemisch abbindenden Sanden auftreten, auf.
Dieser Sand wird im Formkasten eingesetzt, dem wesentlichen Teil der Gießform, welcher in Form von zwei Halbgießformen 10a und 10b hergestellt wird, welche aus zwei metallischen Halbformkästen 17a und 17b gebildet werden, wobei jeder Halbformkasten einen Halbformabdruck 11a, 11b trägt, welcher durch die üblichen Techniken zur Herstellung von Gießformen aus Grüngusssand mit Hilfe eines Modells hergestellt wird.
Vor dem Schließen der zwei Halbformkästen einer auf dem anderen wird jeder Halbformkasten auf einer Fördereinrichtung C in offener Position, mit der Formabdruckseite nach oben, dergestalt präsentiert, dass das Zusammensetzen des Formkastens, d. h. die Positionierung der verschiedenen Kerne und Einsatzteile (Hauptgruppe von Kernen 13 und sekundäre individuelle Kerne 12), welche für die Erzielung der inneren Formen und von bestimmten äußeren Formen des herzustellenden Teils bestimmt sind, vereinfacht wird, wobei das hier schematisch veranschaulichte Beispiel jenes eines Motorgetriebeblocks ist.
Diese Kerne können mit der Hand manipuliert werden in dem Falle der kleinen Kerne 12 oder ferner durch Roboter, welche an aufeinanderfolgenden Arbeitsplätzen arbeiten (Fall der Hauptgruppe von Kernen 13). Diese Kerne bestehen vorzugsweise aus chemisch abbindendem Sand (vorzugsweise vom Cold Box-Typ oder gemäß dem Verfahren vom Typ „Isocet". Aus Kostengründen setzt man vorzugsweise Quarzsand (SiO₂) mit einer Korngrößenverteilung von etwa 55–60 AFS oder mehr ein, wobei die besten Oberflächenzustände bei den höchsten AFS-Korngrößenverteilungswerten erhalten werden.
Man beobachtet in der 2a, dass die Hauptgruppe von Kernen 13 in dem vorliegenden Beispiel außer verschiedenen Kernen aus chemisch abbindendem Sand 131, welche die gewünschte Geometrie bilden, metallische Einsatzteile 132, welche dazu bestimmt sind, Zylinderbüchsen zu bilden, wie auch einen massiven metallischen Kühlblock 16, wie man weiter unten sehen wird, aufweist. Dieser Kühlblock kann in die Gruppe von Kernen 13 während der Herstellung der Kerne 131 inkorporiert werden derart, dass eine Einstückstruktur zwischen den Kernen und der Kühleinrichtung realisiert wird.
Sind die Kerne einmal an Ort und Stelle plaziert, werden die beiden Halbformkästen zusammengesetzt, wobei der obere Halbformkasten, welcher anfänglich neben dem unteren Halbformkasten mit dem Formabdruck nach oben plaziert war, um 180° gekippt wird (siehe Position der 2a), um mit geeigneten Mitteln zur Positionseinstellung nach Skale auf dem unteren Halbformkasten montiert zu werden.
Unter Bezugnahme jetzt auf die 2b und 2c veranschaulicht die 2b die Position der Gießform 10 während der Befüllungsphase, wobei das Beispiel stets jenes des Gießens eines Motorgetriebeblocks ist.
Dieses Befüllen erfolgt durch Speiser 14 mit einer Materialzufuhr durch niedrigen Druck, deren Zuführungskanal 22 sich in dem zu diesem Zeitpunkt tiefliegenden Abschnitt der Gießform befindet. Die Aufstiegsrichtung des flüssigen Metalls wird durch die Pfeile F1 angegeben.
Man beobachtet hier, dass ein Befüllen durch einfache Schwerkraft hier aufgrund der Risiken von Turbulenz und der Erzeugung von Oxiden, die diese erzeugt, ausgeschlossen ist. Tatsächlich wird jedes in dem Materialzufuhrsystem erzeugte Oxid in diesem Fall in das Teil eingeschleppt und findet sich unwiderruflich immobilisiert in jenem wieder.
Im Gegenzug erlaubt die Tatsache, dass auf ein Befüllen durch niedrigen Druck zurückgegriffen wird, dieses Befüllen perfekt zu kontrollieren, ohne Turbulenzen zu erzeugen und unter Herbeiführung eines guten thermischen Gradienten in dem Teil und in der Gießform schon zu Beginn, wobei die Speiser 14 ab dem Ende des Befüllens die wärmsten Zonen bilden.
Die praktische Ausführung des Befüllens unter niedrigem Druck erfolgt vorzugsweise mit Inkontaktbringen der Sandgießform 10 mit einem Tauchrohr (in der 2a nicht gezeigt), welches mit einem dicht verschlossenen Ofen vom Typ Niederdruckofen, welcher an sich klassisch ist, verbunden ist. Nach diesem Andocken erfolgen das Aufsteigen des Metalls und die Kontrolle des Flusses durch Unterdrucksetzen des Ofens. Man kann gleichfalls in einer Variante eine elektromagnetische Pumpe einsetzen.
Ein vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Rückgriff auf ein mechanisches Verschließen des Materialzufuhrsystems ab dem Ende des Befüllens und vor dem Kippen der Gießform um 180°. Ein solches Kippen hat zum Ziel, die Speiser 14 in hohe Position zu bringen und die Verfestigung unter Bedingungen zu realisieren, die identisch sind zu jenen einer Materialzufuhr durch Schwerkraft.
Das Umkehren oder Kippen muss nach dem Verschließen auch so schnell wie möglich erfolgen. Untersuchungen haben tatsächlich erlaubt, zu zeigen, dass, wenn man nach dem Verschließen zu lange wartet, bevor man das Kippen ausführt, in dem Teil Fehler auftreten in Form von Falten oder Hohlräumen bzw. Vertiefungen, welche das Teil für eine Verwendung ungeeignet machen. Diese Fehler erklären sich aus einem Beginn der Verfestigung in den kühlsten Regionen der Gießform vor dem Kippen.
Konkret muss das Kippen bei einem Teil vom Typ Motorgetriebeblock oder Kraftfahrzeugmotorzylinderkopf spätestens 15 s und vorzugsweise spätestens 5 s nach dem Verschließen erfolgen.
Das Verschließen seinerseits wird nach dem Ende des Befüllens so schnell wie möglich ausgeführt dergestalt, dass keine Zeit verloren wird und dass keine Störungen durch einen Beginn der Verfestigung in der Materialzufuhrleitung auftreten. Vorteilhafterweise führt man das Verschließen spätestens 10 s nach dem Ende des Befüllens aus, ohne dass deswegen das Überschreiten dieses Grenzwerts Risiken für die Unversehrtheit des Teils aufwirft.
Das mechanische Verschließen der Materialzufuhr vor dem Kippen der Gießform weist zahlreiche Vorteile auf.
Es erlaubt zuallererst, den Druck unverzüglich auf Außendruck zu bringen und das Teil zurückzugeben, ohne dass es unter Flüssigkeitsdruck steht. Dies vermeidet das Anordnen einer komplexen Drehverbindung auf der Sandgießform.
Es garantiert außerdem in allen beispielhaften Fällen eine einfache und unverzügliche Unterbrechung des Flusses von flüssigem Metall.
In diesem Zusammenhang wird, wenn man erst nach dem Ende des Kippens den Druck auf Außendruck bringt, das Metall weiterhin aus den Speisern in Richtung des Materialzufuhrkreislaufs fließen. Da das natürliche Anhalten dieses Flusses lange dauert, typischerweise in der Größenordnung von 10 s bis mehrere zehn Sekunden, wird dies gebieten, die Trennung zwischen der Gießform und dem Tauchrohr für die Materialzufuhr zu verzögern, oder erfordert in Ermangelung dessen das Anordnen eines Aufnahmegefäßes für flüssiges Metall unter der Gießform oder unter ihrer Bahn in Richtung der folgenden Stationen.
Außerdem wird dieses Metall, welches abfließt, verloren gehen.
Im Gegenzug erlaubt im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verschlussvorrichtung dem gelieferten Metall, in der Gießform zu bleiben, so dass es im wesentlichen vollständig zu dem Verfahren beiträgt (Erhöhung des Volumens der Speiser).
In der Praxis kann das Verschließen durch die Betätigung eines metallischen verschiebbaren Verschlusses, welcher in der Sandgießform angeordnet ist, wie dies detaillierter weiter unten beschrieben werden wird (vertikal verschiebbarer Verschluss- oder Guillotine-System) oder durch eine jegliche andere mechanische Lösung, welche diese Funktion ausübt, ausgeführt werden.
Die 2c veranschaulicht die Position der Gießform 10 nach dem Kippen um 180°, wobei der hergestellte Motorgetriebeblock mit BM bezeichnet wird. Die Pfeile F2 geben die Richtung der Hauptausbreitung der Abkühlung an, wobei diese Abkühlung im wesentlichen erfolgt, indem sie von der massiven Kühleinrichtung 16, die sich jetzt an der Unterseite befindet, ausgeht.
Allgemeiner setzt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise eine oder mehrere Kühleinrichtungen ein, welche entgegengesetzt zu dem Steigerbemessungs- oder Speisesystem angeordnet sind und in den Formkasten während der Abfolgen des Einsetzens der Hauptgruppe von Kernen 13 aus chemisch abbindendem Sand in den Formkasten eingesetzt werden.
In dem Beispiel der Kühleinrichtung 16 in den 1, 2a bis 2c erlaubt diese, den thermischen Gradienten, der die Verfestigung in Richtung der Speiser fortschreiten lässt, zu akzentuieren bzw. zu unterstützen.
In der Praxis werden solche Kühleinrichtungen vorzugsweise aus Körpern aus Gusseisen oder einem anderen Material, welches adäquate Wärmeabsorptionskapazitäten bietet, gebildet. Diese Körper können gegebenenfalls zur Form gehören, d. h. dazu dienen, partiell die Geometrie des Teils zu realisieren.
Die Kühleinrichtungen werden vorzugsweise aus einem Stück bestehen. Sie können in den Kernkästen plaziert werden, welche zur Herstellung der chemisch abbindenden Kerne dienen, und in diese letzteren im Moment ihrer Herstellung durch Spritzen und Polymerisation des von Harz umhüllten Sands in dem Kernkasten eingefügt werden.
Nach der Verfestigung des Teils in vertikaler Position, Kühleinrichtung unten und Speiser oben (2c), werden die beiden Halbformkästen flach hingelegt derart, dass ihre Formteilfläche oder Verbindungsebene horizontal ist. Sie werden dann gewissenhaft voneinander getrennt. Das Teil wird mit seiner (seinen) Kühleinrichtung(en) und seinem chemisch abbindenden Kernsystem, beispielsweise durch einen Roboter, erfasst, dann einer Reinigung, beispielsweise durch Abbürsten, unterzogen derart, dass die Maximalmenge an physikalisch abbindendem Sand von dem Teil und dem Paket von chemisch abbindendem Sand entfernt wird.
Diese Trennung der beiden Sandarten erlaubt es, die Kosten der Wiederverwertung der Sande zu minimieren.
Außerdem gewinnt man in diesem Stadium die Kühleinrichtung en) 16 zurück, die erneut verwendet werden können.
Das Teil wird dann üblichen Putz- (Entfernung des Sands), Entgratungs-, Wärmebehandlungs-, Bearbeitungs- und Kontrollzyklen unterworfen.
Die 3a bis 3e veranschaulichen schematisch das Verfahren der Erfindung, in welchem auf der Höhe des Durchgangs 22 für die Zufuhr von flüssigem Metall, welcher dazu bestimmt ist, mit dem Tauchrohr 20 verbunden zu werden, Verschlussmittel, allgemein durch das Bezugszeichen 30 bezeichnet, von denen weiter unten ein Beispiel beschrieben werden wird, vorgesehen sind.
Zunächst sind die Verschlussmittel 30 offen und das Materialzufuhrrohr 20 wird an die Gießform 10 durch Bewegung der Gießform gemäß dem Pfeil F3 angedockt (3a). Genauer kommt dank einer Öffnung 21, welche in dem Formkasten der Gießform vorgesehen ist, das Materialzufuhrrohr 20 dann in Kontakt mit dem physikalisch abbindenden Sand der Gießform. Dann erfolgt das Befüllen durch niedrigen Druck (3b). Dann werden die Verschlussmittel eingesetzt, um den Hohlraum der Gießform, ist dieser einmal gefüllt, von dem Materialzufuhrsystem zu isolieren (Pfeil F4 in 3c), dann trennt man das Tauchrohr 20 von der Gießform 10 gemäß dem Pfeil F5 (3d). Schließlich erfolgt das Kippen durch Drehung um eine horizontale Achse A gemäß F6 in 3e).
Man kann gleichfalls vorsehen, die Drehung der Gießform um die Kippachse A nach dem Ende des Verschließens und während der Druckabsenkung im Ofen zu beginnen. Dies erlaubt, dass sich die letzten Tropfen flüssiger Legierung in dem Materialzufuhrrohr 20 während der Kippphase verfestigen, ohne dass gleichwohl dieses Kippen unter Druck ausgeführt wird, was für die Dichtigkeit der Kontaktoberfläche zwischen dem Materialzufuhrrohr 20 und dem Grüngusssand 11a, 11b der Gießform kritisch ist. Dies erlaubt gleichfalls eine leichte Zunahme des Produktionstakts.
Es ist hier festzuhalten, dass die Tatsache, dass die Trennung zwischen dem Materialzufuhrsystem und der Gießform so früh wie möglich während des Verfahrens erfolgt, es ermöglichen kann, den Produktionstakt zu erhöhen, da die Entleerung der Gießform und dementsprechend das Koppeln mit der in der Produktionskette nachfolgenden Gießform frühzeitiger ausgeführt werden können.
Die 4a bis 4d der 5 veranschaulichen ein konkretes Ausführungsbeispiel der Verschlussmittel 30. Jene umfassen eine Metallplatte 31, beispielsweise aus Gusseisen oder aus Stahl, mit einer Dicke in der Größenordnung von 2 bis 5 mm, eingesetzt in einen (hier 11b) der beiden Formabdrücke aus Grüngusssand während der Herstellung von jenem derart, dass sie sich in gerader Linie zu (in Höhe von) der Metallzufuhrrinne 22 befindet. An ihrem freien, in Richtung der Rinne 22 gewandten Ende weist die Platte 31 zwei seitliche Ansätze 31a auf, welche dazu bestimmt sind, eine erleichterte Positionierung der Platte 31 während der Herstellung der Halbgießform 11b zu ermöglichen wie auch das Führen der Platte während ih rer Verschiebung bis in die Verschlussposition zu vereinfachen. Zu diesem Zweck weist der entgegengesetzte Formabdruck 11a zwei im wesentlichen komplementäre Vertiefungen 33 auf, in welche die Ansätze während des Zusammenbaus der zwei Halbformkästen eingreifen können.
Man wird hier festhalten, dass die Verwendung von Grüngusssand für die Formabdrücke der Gießform es erlauben, eine solche Verschlussvorrichtung ohne Schwierigkeiten herzustellen, da die Plastizität des Grüngusssands es erlaubt, die Platte 31 zu verschieben, solange sie ausreichend dünn bleibt, ohne die Gießform zu beschädigen.
Die 4a veranschaulicht die Gestaltung des Formabdrucks 11b mit einer Modellplatte PM, wobei der Formabdruck die Verschlussplatte 31 und die beiden überstehenden Ansätze 31a mit umfasst.
Die 4b veranschaulicht das Zusammensetzen der beiden Halbformkästen, wobei die Enden der Ansätze 31a, 31a in die Vertiefungen 33 des gegenüberliegenden Formabdrucks eingreifen.
Die 4c veranschaulicht eine Vertiefung 34, welche in dem Formabdruck 11b gebildet ist und dazu bestimmt ist, die Stange 216 und den Kopf 216a eines Zylinders, welcher dazu bestimmt ist, auf die Platte 31 einzuwirken, um die Rinne 22 zu verschließen, vor dem Verschließen aufzunehmen. Der Boden dieser Vertiefung endet in kurzem Abstand von der Kante der Platte 31, welche sich entgegengesetzt zu der Rinne befindet.
Schließlich veranschaulicht die 4d die Situation, nachdem der Zylinder durch das Zwischenglied der Stange 216 und von dessen Kopf 216a die Platte 31 belastet hat, nachdem er örtlich den Grüngusssand verdrängt hat, um den Verschluss zu realisieren.
Die 6a bis 6c liefern ein Beispiel für eine Einrichtung EQ zur Bewegung der Gießform, welche ein Hauptgestell 100 umfasst, welches einen beweglichen Tragkonstruktionsabschnitt 106 umfasst, welcher auf eine Fußplatte durch das Zwischenglied einer Achse 104 montiert ist derart, dass man diesen um eine vertikale Achse B unter der Einwirkung eines Motors auf die Weise eines Karussels drehen kann.
Auf dem Abschnitt 106 ist ein zweites Gestell 200 montiert, das dazu bestimmt ist, eine Gießform 10 aufzunehmen und diese zu bewegen, wie man dies weiter unten sehen wird.
Dieses zweite Gestell weist einen Rahmen 202 auf, welcher drehbar montiert ist, beispielsweise durch ein Zahnrad 108, dessen Drehung um die horizontale Achse A durch einen geeigneten Motor (nicht gezeigt) gesteuert wird.
Die Gießform 10 ist in diesem Rahmen 202 mit ihrer Materialzufuhrrinne 22 nach außen gewandt montiert und wird zwischen einer durch einen Zylinder 208 belasteten Druckplatte 204 und einer Gegenplatte 210 an Ort und Stelle gehalten. Führungsrollen 206, 212, welche Auflagen entlang verschiedenen Richtungen definieren, erlauben es, die Gießform 10 in der Einrichtung in Position zu führen und festzustellen.
Man sieht in diesen Figuren gleichfalls den Zylinder 214 und dessen Austrittsstange 216, welche es erlauben, die in der Gießform befindliche Verschlussplatte 31 zu steuern, wie weiter oben beschrieben.
Die 7a und 7b veranschaulichen die gleiche Einrichtung in Seitenansicht mit dem Ofen 300, welcher mit seinem Materi alzufuhrrohr 20 ausgestattet ist. Man sieht in dieser Figur, dass das zweite Gestell 200 durch das Zwischenglied von Gleitschienen 110 auf aus einem Stück bestehenden Führungsschienen 220 des Hauptgestells 106 montiert ist, um sich unter der Einwirkung eines Zylinders (nicht gezeigt) gleitend bewegen zu können, wenn die Gießform 10 sich mit ihrer Materialzufuhrrinne 22 gegenüber dem Materialzufuhrrohr 20, in Annäherung an dieses Rohr und in Entfernung von diesem Rohr befindet.
Schließlich veranschaulichen die 8a bis 8c in Draufsicht die oben beschriebene Einrichtung beim Zusammenwirken mit der Fördereinrichtung C, auf welcher die Gießformen zusammengebaut werden, dem Niederdruckofen 300 und einer Fördereinrichtung C' für den Abgang der Produkte nach dem Gießen und Kippen in Richtung der Abkühlstation.
Jetzt werden die verschiedenen Phasen des Gießens in Formen beschrieben:

– an erster Stelle wird die Gießform auf der Fördereinrichtung C zusammengebaut, wie weiter oben beschrieben, und befindet sich in horizontaler Position der Bewegungseinrichtung (EQ) zugewandt, in welcher sie befüllt wird, wobei das zweite Gestell 200 vorab in Richtung der Fördereinrichtung mit der erforderlichen Orientierung gedreht wird (6a und 8a).

Die Einrichtung EQ bewirkt dann eine Drehung um 90° um die vertikale Achse B, damit die Gießform 10 dem Ofen zugewandt ist und, gleichzeitig oder separat, wird die Gießform um 90° gedreht, um ihre vertikale Gießposition einzunehmen ( 6b und 8b).
Die Gießform 10 wird dann in Form einer Parallelverschiebung in Richtung des Ofens 300 verschoben, um das Materialzufuhrrohr 20 in dichte Verbindung oder Kommunikation an deren Mate rialzufuhrrinne 22 heranzuführen (7a), und es erfolgt das Gießen bei niedrigem Druck.
Am Ende des Gießens wird die Rinne 22 verschlossen und der Druck des Ofens 300 wird abgesenkt derart, dass das Metall auf ein Niveau unterhalb von jenem des Materialzufuhrrohrs 20 gebracht wird, dann wird die Gießform 10 von dem Materialzufuhrrohr 20 getrennt und um die horizontale Achse A um 180° gekippt, wie weiter oben beschrieben (6c und 7b).
Gleichzeitig oder separat wird das Gestell 200 um 90° um die vertikale Achse B gedreht, um die Gießform 10 einer Abgangsfördereinrichtung C' zugewandt zu positionieren (8c), welche die Gießform in Richtung einer Abkühlstation dirigiert.
Jetzt wird nacheinander ein Beispiel der Herstellung eines Motorgetriebeblocks gemäß der früheren Technik (Beispiel 1), dann ein Beispiel der Herstellung des gleichen Motorgetriebeblocks mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.
Beispiel 1
Ein Motorgetriebeblock mit 4 Zylindern in Reihe und einem Gewicht von 18 kg wird hergestellt gemäß dem System mit einer Materialzufuhr mit niedrigem Druck, dargestellt in 2, aber ohne Kühleinrichtungen und mit einem Grüngusssand vom Zirconium-Typ mit einer Korngrößenverteilung von 113 AFS und der folgenden Zusammensetzung (in Masseprozent):
Bentonit: 1,8%
Wasser: 1,5%
wobei der Rest Zirkon-Sand ist.
Die inneren Kerne und die Kerne für die Enden (kurze Seiten des Blocks) werden mit chemisch abbindendem Sand hergestellt.
Die für das Schmelzgut eingesetzte Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf (in Masseprozent):
Si: 8, 6
Cu: 2,2%
Mg: 0,3
Fe: 0,4%
Mn: 0,3
wobei der Rest Aluminium ist.
Die Temperatur des Metalls im Zeitpunkt des Gießens beträgt 720°C.
Das Befüllen wird bei niedrigem Druck ausgeführt und dauert 15 s.
Das Verschließen des Materialzufuhrsystems erfolgt 2 Sekunden nach dem Ende des Befüllens.
Das Kippen um 180° erfolgt 30 Sekunden nach dem Verschließen.
Die Überprüfung des Motorgetriebeblocks zeigt einen hohen Porositätsgrad (von 1,5 bis 3%) in den Kurbelwellenlagern und das Vorhandensein von Blasen und von Vertiefungen, welche eine Ausdehnung in der Größenordnung eines Zentimeters erreichen können, in dem Teil, was für diese Art von Teil ganz und gar inakzeptabel ist.
Beispiel 2
Der gleiche Motorgetriebeblock wird mit einer Gießform aus Grüngussquarzsand mit einer Korngrößenverteilung von 55–65 AFS mit den gleichen Konzentrationen an Bentonit und an Wasser wie in Beispiel 1 hergestellt. Die inneren Kerne und die Kerne für die Enden werden wie in Beispiel 1 aus chemisch abbindendem Sand hergestellt. Eine Kühleinrichtung aus Gusseisen 16 wird angeordnet, wie in der 2 angegeben. Die Bedingungen des Schmelzguts und des Befüllens sind identisch zu jenen des Beispiels 1. Das Verschließen erfolgt 2 Sekunden nach dem Ende des Befüllens.
Das Kippen um 180° beginnt eine Sekunde nach dem Verschließen und dauert 4 s. Während dieser Kippphase ist es vorteilhaft, das Auf-Außendruck-Bringen des Niederdruckofens, der dazu dient, das flüssige Metall in die Gießform einzubringen, vorzunehmen.
Die Überprüfung des Blocks enthüllt, dass er keine Fehler vom Blasen- oder Vertiefungstyp aufweist und dass die Struktur der Legierung in gerader Linie vor (in Höhe) der Kühleinrichtung, in den Kurbelwellenlagern, unversehrt ist (weniger als 0,5% Porosität).
Selbstverständlich ist die Erfindung in keiner Weise auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern der Fachmann auf diesem Gebiet wird hierzu beliebige Varianten oder Modifizierungen beitragen, wobei er stets im Rahmen der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, bleibt.

Claims

Verfahren zum Gießen eines Teils aus einer Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass es die aufeinanderfolgenden Schritte umfasst, bestehend aus: – Herstellen einer Gießform (10) mit Formabdruck (11a, 11b) aus physikalisch abbindendem Sand, – Einfügen eines verschiebbaren Verschlussmittels (31) in die Gießform in der Nähe einer Materialzufuhrleitung (22) der Gießform, – Aufstellen der Gießform dergestalt, dass ihre Materialzufuhrleitung sich an der Unterseite befindet, – Verbinden der Materialzufuhrleitung der Gießform mit einem Rohr für die Materialzufuhr (20) von geschmolzener, unter Druck gesetzter Legierung, – Durchführen des Befüllens der Form mit der Legierung, – vor einer jeglichen substantiellen Verfestigung des Teils Verschieben des Verschlussmittels (31), um die Materialzufuhrleitung zu verschließen, dann Umkehren der Gießform um ungefähr 180°, um eine Verfestigung im Schwerkraftmodus sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschließschritt weniger als etwa zehn Sekunden nach dem Ende des Befüllungsschritts beendet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Umkehrens spätestens 25 Sekunden nach dem Ende des Verschließens beendet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Umkehrens spätestens 15 Sekunden nach dem Ende des Verschließens beendet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Gießform aus Quarzsand mit einer Korngrößenverteilung zwischen ungefähr 40 und ungefähr 55 AFS verwendet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Gießform aus Quarzsand mit einer Korngrößenverteilung von wenigstens 80 AFS verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Gießform mit zwei Halbformkästen (10a, 10b) verwendet und dass der Schritt der Herstellung der Gießform die Phasen umfasst, bestehend daraus, dass man in den zwei Halbformkästen zwei Halbformabdrücke formt, man Formkerne (12, 13) in den zwei Halbformkästen, die mit ihrem Halbformabdruck auf der Oberseite angeordnet sind, anordnet und man die zwei Halbformkästen zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Zusammensetzens der zwei Halbformkästen zu einer Gießform in im allgemeinen horizontaler Position führt und dass es außerdem den Schritt umfasst, der darin besteht, die Gießform bis zu einer im allgemeinen vertikalen Befüllungsposition umkippen zu lassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (12, 13) aus chemisch abbindendem Sand hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne aus Quarzsand mit einer Korngrößenverteilung von wenigstens 40 AFS hergestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es nach Verfestigung des Teils einen Schritt einer Trennung des Teils und der Gießform umfasst, der es erlaubt, den Formabdrucksand und den Sand der Kerne getrennt zurückzugewinnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem vor dem Schritt des Befüllens der Gießform einen Schritt einer Anordnung von wenigstens einer massiven Kühleinrichtung (16), die in einem Bereich der Gießform, der sich von dem Materialzufuhrbereich der Gießform entfernt befindet, plaziert wird, und nach der Verfestigung einen Schritt einer Rückgewinnung der Kühleinrichtung oder Kühleinrichtungen umfasst.
Einrichtung zum Gießen eines Teils aus einer Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: – eine Gießform (10), die in der Lage ist, durch Drehung um eine im wesentlichen horizontale Achse umgekehrt zu werden, die eine Rinne (22) für die Zufuhr von geschmolzener Legierung aufweist und ein Mittel (31) zum Verschließen dieser Rinne aufweist, und – eine Vorrichtung (EQ) zur Bewegung der Gießform, die in der Lage ist, die Form durch Drehung um die horizontale Achse zu verschieben, und ein Mittel (214, 216) zur Betätigung des Verschlussmittels aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (EQ) Mittel aufweist, um die Gießform in Form einer Parallelverschiebung in Richtung eines Rohrs (20) für die Materialzufuhr von geschmolzener Legierung zu verschieben.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung gleichfalls in der Lage ist, die Gießform durch Drehung um die horizontale Achse zwischen einer Anfangsposition am Ausgang einer Station zum Zusammenbau der Gießform und einer Gießposition zu verschieben.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung in der Lage ist, die Gießform um eine vertikale Achse herum zu verschieben, damit diese jeweils mit einer Fördereinrichtung (C) zur Heranführung der Gießform, einem Niederdruckgießofen (300), der mit dem Rohr für die Materialzufuhr (20) ausgerüstet ist, bzw. einer Fördereinrichtung (C') zum Abgang der Gießform zusammenwirkt.
Gießform (10), die für das Gießen eines Teils aus einer Leichtmetalllegierung, wie einer Aluminiumlegierung, bestimmt ist, wobei die Gießform mit einer Rinne (22) für die Materialzufuhr von geschmolzener, unter Druck stehender Legierung ausgestattet ist, wobei die Gießform dadurch gekennzeichnet ist, dass sie um eine im wesentlichen horizontale Achse (A) drehbar montiert ist dergestalt, dass sie nach dem Befüllen umgekehrt werden kann, und dass sie ein mechanisches Verschlussmittel (30, 31) für die Materialzufuhrrinne umfasst.
Gießform nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Formabdruck (11b) aus physikalisch abbindendem Sand aufweist und dass das mechanische Verschlussmittel eine Metallplatte (31) umfasst, die in den Formabdruck inkorporiert ist und direkt von jenem geführt wird.
Gießform nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Scheinaussparung (34) umfasst, die in gerader Linie vor einer Kante der genannten Metallplatte endet und in der Lage ist, eine Stange (216) eines Betätigungsmittels der Platte aufzunehmen.
Gießform nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (31) wenigstens einen Führungsansatz (31a) aufweist, der in einer anfänglichen Position der Platte, in einen entgegengesetzten Formabdruck (11a) der Gießform eindringt.