Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Kokille zum Stranggießen von
Metallen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 195 81 604 T1 ist eine Stranggießform für Metalle bekannt, bei welcher
eine gleichmäßig dicke Kokillenplatte aus Kupfer oder Kupfermaterial mit einer
Stützplatte aus Stahl über eine Vielzahl von Bolzen verbunden ist. Infolge der
thermisch bedingten Ausdehnung der Kokillenplatten im Gießbetrieb kommt es
insbesondere bei kürzen Bolzen zu einer nicht zu vernachlässigenden Biege- und
Zugbeanspruchung der Bolzen. Je nach Art der Befestigung der Bolzen an der
Kokillenplatte kann es bei aufgeschweißten Bolzen zu einem Ausfall der
Schweißverbindungen kommen oder bei eingeschraubten Bolzen zur
Überbeanspruchung des Gewindes. Im Extremfall können sogar Risse in der
Kokillenplatte auftreten. Um dies zu vermeiden, ist in der DE 195 81 604 T1
vorgesehen, die Kokillenplatte mit der Stützplatte in gleitender Anordnung miteinander
zu verbolzen, so daß die Kokillenplatte relativ zur Stützplatte dreidimensional
bewegbar ist. Dies wird durch Einsatz gleitender Befestigungsmittel
erreicht und durch eine Überdimensionierung der Durchgangsbohrungen in der
Stützplatte. Eine laterale oder zweidimensionale Bewegung der Bolzen und folglich
der Kokillenplatte ist möglich. Zusätzlich zu dieser Maßnahme werden
scheibenförmige Federringe vorgeschlagen, vorzugsweise in gestapelter Anordnung,
um die Vorspannung des Bolzens auch bei hohen Temperaturen aufrecht zu
erhalten. Die Federringe dienen dabei aus getriebetechnischer Sicht als eine
Gelenkanordnung mit einem Freiheitsgrad, nämlich als Schiebesitz.
Diesem Lösungsansatz haftet der Nachteil an, daß bei Verwendung stählerner
Federringe eine nicht unerhebliche Haftreibung zwischen den Federelementen
auftritt. Aufgrund der Vielzahl der Kontaktflächen zwischen den Federringen sowie
zwischen der Stützplatte und der Kokillenplatte summieren sich die Haftreibungskräfte,
so daß eine spannungsfreie Relativverlagerung der Kokillenplatte
ausgeschlossen ist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine flüssigkeitsgekühlte
Kokille zum Stranggießen von Metallen dahingehend zu verbessern,
daß die Haftreibung zwischen der Stützplatte und der Kokillenplatte reduziert ist und
eine gleichmäßige Ausdehnung der Kokillenplatte gegenüber der Stützplatte möglich
ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Erfindungswesentlich ist, daß eine Gelenkanordnung zwischen dem Bolzenkopf und
der Rückseite der Stützplatte vorgesehen ist mit Gelenkgliedern, die jeweils einem
der genannten Bauteile zugeordnet sind, wobei die Gelenkglieder einander
zugewandte Gleitflächen besitzen, zwischen denen ein Gleitelement unverlierbar
eingegliedert ist.
Gelenkanordnungen im Sinne der Erfindung sind Lagerungen, die eine laterale
Bewegung des Bolzens in einer größer als der Bolzendurchmesser ausgeführten
Durchgangsbohrung der Stützplatte ermöglichen und damit eine im wesentlichen
parallele Relativbewegung zwischen der Kokillenplatte und der Stützplatte zulassen.
Ein Gleitelement im Sinne der Erfindung ist jedes Element, das geeignet ist, die
Haftreibung und/oder die Gleitreibung zwischen den Gleitflächen herabzusetzen.
Eine Gleitfläche bzw. ein Gelenkglied ist feststehend mindestens mittelbar der
Stützplatte zugeordnet, während die korrespondierende Gleitfläche bzw. das korrespondierende
Gelenkglied eine vorzugsweise lateral zur Längsachse des Bolzens
verlaufende Relativbewegung vollzieht. Das Gleitelement ist insbesondere ringförmig
konfiguriert und von dem Bolzen durchsetzt und dadurch unverlierbar zwischen den
Gelenkgliedern gehalten. Das Gleitelement kann als separates Bauteil zwischen den
Gelenkgliedern aufgenommen sein.
Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 2 ist es möglich, das Gleitelement als
Gleitbeschichtung auszuführen, die wenigstens einer der Gleitflächen unlösbar
zugeordnet ist. Das heißt, nur eine der Gleitflächen oder auch beide Gleitflächen
können mit einer Gleitbeschichtung versehen sein. Die Gleitbeschichtung ist
geeignet, den Haftreibungswert und/oder den Gleitreibungswert zwischen den
Gelenkgliedern herabzusetzen und damit eine Relativbewegung des Bolzens
gegenüber der Stützplatte zu vereinfachen.
Als besonders zweckmäßig werden Gleitbeschichtungen angesehen, die Polytetrafluorethylen
(PTFE) enthalten. Durch die Verwendung von PTFE können die
Haft- und Gleitreibungswerte gegenüber vergleichbaren metallischen Gleitflächen
stark reduziert werden.
Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Haftreibungswert zwischen den
Gleitflächen kleiner als 0,1 ist. Insbesondere bei Verwendung von PTFE enthaltenden
Gleitbeschichtungen ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich,
Haftreibungswerte zwischen den Gleitflächen kleiner als 0,04 zu erreichen. Die
angegebenen Haftreibungswerte beziehen sich jeweils auf die trockene Reibung
zwischen den Gleitflächen. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch
möglich, zusätzliche Schmierstoffe zwischen den Gleitflächen vorzusehen, um auf
diese Weise die Reibung herabzusetzen. Insbesondere können auch
Festschmierstoffe zum Einsatz kommen. Hierunter sind z.B. Verbindungen mit
Schichtgitterstruktur zu verstehen, wie Graphit, Molybdänsulfid, Dichalcogenide,
Metallhalogenide, Graphitfluorid, hexagonales Bornitrit. Zu den Festschmierstoffen
zählen ferner oxidische und fluoridische Verbindungen der Übergangs- und
Erdalkalimetalle, ferner weiche Metalle wie Blei sowie Polymere, insbesondere Fluor
enthaltende Kunststoffe wie PTFE.
Neben lösbar oder unlösbar den Gelenkflächen zugeordneten Gleitelementen in
Form von Festschmierstoffen, bei denen die Gleitflächen parallel zueinander
ausgerichtet sind, ist es auch möglich, bei nicht zu einander parallelen Gleitflächen
mechanische Gleitelemente vorzusehen, mit deren Hilfe eine Relativbewegung
ermöglicht wird. Hierzu ist nach den Merkmalen des Patentanspruchs 6 vorgesehen,
daß die Gleitflächen der Gelenkglieder konkav ausgestaltet sind und jeweils mit einer
Pendelscheibe mit kugelhaubenförmiger Oberfläche im Eingriff stehen. Die
Pendelscheibe dient hierbei als Gleitelement zwischen den Gleitflächen. Die
Pendelscheibe ist ringförmig konfiguriert und besitzt den Gleitflächen zugewandte
kugelhaubenförmige Oberflächen. Bei einer Relativverlagerung der Gelenkglieder
erfolgt eine Winkelverlagerung der Pendelscheibe, die innerhalb der konkaven
Gleitflächen frei beweglich ist.
Die Gleitfächen sind nach Anspruch 7 als Kegelpfanne konfiguriert. Während eine
Kugelpfanne eine bessere Kraftübertragung und Führung der Pendelscheibe
ermöglicht, ist bei einer Kegelpfanne in jedem Fall nur eine linienförmige Führung
zwischen der Pendelscheibe und dem Gelenkglied gegeben. Eine Linienberührung
hat den Vorteil geringerer Kontaktflächen und bei geeigneter Werkstoffpaarung auch
geringerer Reibungskräfte.
Besonders günstig können zweigeteilte Pendelscheiben zum Einsatz kommen, da
diese als Normteile beziehbar sind. Derartige Pendelscheiben werden auch als
Kugelscheiben bezeichnet und besitzen eine kugelhaubenförmige Oberfläche und
eine kreisringförmige ebene Radialfläche. Zwei dieser Kugelscheiben können als
Scheibenhälfte einer Pendelscheibe dienen, wobei die Scheibenhälften mit ihren
Radialflächen einander zugewandt und mit nach außen weisenden
kugelhaubenförmigen Oberflächen zwischen die Gelenkglieder eingesetzt sind
(Anspruch 8). Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die
Pendelscheiben einstückig mit jeweils nach außen weisender kugelhaubenförmiger
Oberfläche auszuführen.
Wesentlich für eine sichere Anbindung der Kokillenplatten an die Stützplatten ist eine
ausreichende Spannkraft der Bolzen. Die notwendige Vorspannung muß hierbei
auch bei starken thermischen Schwankungen aufrecht erhalten werden. Zusätzlich
ist zu berücksichtigen, daß beim Einsatz einer Pendelscheibe nicht nur laterale
Verschiebungen bezogen auf die Bolzenlängsachse erfolgen, sondern je nach Lage
der Pendelscheibe auch geringfügige Veränderungen in Richtung der Längsachse.
Das heißt, der Abstand der Gelenkglieder variiert in Abhängigkeit von der Lage der
Pendelscheibe. Für die Dauerfestigkeit der Bolzenverbindung ist es daher bei
Gleitbeschichtungen zweckmäßig und bei Pendelscheiben notwendig, zwischen den
Bolzenkopf und der Rückseite der Stützplatte wenigstens ein Federelement
einzugliedern (Anspruch 9). Als Federelement können hierbei sowohl Federringe als
auch Elastomere, wie beispielsweise Gummi, dienen, die sowohl zwischen dem
Bolzenkopf und dem ersten Gelenkglied als auch zwischen zweiten Gelenkglied und
der Stützplatte vorgesehen sein können. Es ist selbstverständlich auch möglich,
mehrere Federelemente in gestapelter Anordnung vorzusehen, um hohe thermisch
bedingte Längenänderungen ausgleichen zu können und um die Vorspannkraft der
Bolzenverbindung aufrecht zu erhalten.
Neben den Gleitflächen im Bereich der Bolzenanordnung sind jedoch noch eine
Vielzahl weiterer Kontaktflächen auf der rückwärtigen Seite der Kokillenplatte und der
ihr zugewandten Seite der Stützplatte vorhanden. In Abhängigkeit der von den
Bolzen aufgebrachten Normalkräfte ist in der Fuge zwischen der Kokillenplatte und
der Stützplatte mit erheblichen Reibkräften zu rechnen, denen nach den Merkmalen
des Patentanspruchs 10 dadurch entgegen gewirkt wird, daß zwischen den parallel
zueinander beweglichen Kontaktflächen der Kokillenplatte und der Stützplatte ein
Gleitmittel eingegliedert wird. Obwohl die Materialpaarung Stahl - Kupfer bereits
einen reduzierten Gleitreibungswert besitzt, kann dieser durch zusätzliche
Maßnahmen weiter reduziert werden. Als Gleitmittel kommen hierbei vorzugsweise
Festschmierstoffe zum Einsatz, die unlösbar mit den jeweiligen Kontaktflächen der
Kokillenplatte und/oder der Stützplatte verbunden sind. Die Gleitmittel sind
vorzugsweise Beschichtungen (Anspruch 11). Dies können polymere
Beschichtungen sein, insbesondere auf Basis von PTFE (Anspruch 12) oder auch
flächige Gleitelemente (Anspruch 13), wie Gleitscheiben oder Gleitringe, mit denen
der Haftreibungswert zwischen den Kontaktflächen vorzugsweise aus einem Wert
kleiner als 0,1 herabgesetzt werden kann (Anspruch 14).
Im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich nur diejenigen Bereiche der Kokille
mit reibwertreduzierenden Gleitmitteln oder Gleitelementen ausgerüstet, in denen
auch eine Relativbewegung gewünscht ist. Für eine definierte Ausdehnung der
Kokillenplatte kann es zweckmäßig sein, beispielsweise den mittleren Bereich der
Kokillenplatte fest mit der Stützplatte zu verbolzen, so daß von diesem Bereich
ausgehend eine gleichmäßige thermische, spannungsfreie Ausdehnung der
Kokillenplatte möglich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- im Schnitt einen Teilbereich einer mit einer Stützplatte durch einen
Bolzen verbundenen Kokillenplatte;
- Figur 2
- in vergrößerter perspektivischer Darstellung den Bolzen der Figur 1
einschließlich einer Gelenkanordnung und
- Figur 3
- einen Bolzen mit einer weiteren Ausführungsform der Gelenkanordnung
in perspektivischer Darstellung.
Figur 1 zeigt im Querschnitt den Anbindungsbereich einer Kokillenplatte 1 aus Kupfer
oder einer Kupferlegierung, die rückwärtig an einer Stützplatte 2 befestigt ist. Die
Stützplatte 2 kann sowohl eine Adapterplatte sein als auch eine Bestandteil eines
nicht näher dargestellten Wasserkastens.
In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Kokillenplatte 1 und der Stützplatte 2
ein von Kühlmittel durchströmter Kühlspalt 3 ausgebildet. Dieser erstreckt sich
zwischen im Abstand zueinander angeordneten Plateausockeln 4, die sich aus der
Kühlmittelseite 5 der Kokillenplatte 1 inselartig erheben. In den dargestellten
Plateausockel 4 ist mittig ein Bolzen 6 eingeschraubt. Der Bolzen 6 faßt in einen
Gewindeeinsatz 7 in dem Plateausockel 4. Der Bolzen 6 durchsetzt mit Spiel eine
Durchgangsbohrung 8 in der Stützplatte 2. Die Durchgangsbohrung 8 ist in Richtung
zur Rückseite 9 der Stützplatte 2 im Durchmesser zu einer zylindrischen
Senkbohrung 10 erweitert. An dem sich in radialer Richtung erstreckenden
Bohrungsgrund 11 der Senkbohrung 10 greift die über den in der Senkbohrung 10
angeordneten Bolzenkopf 12 aufgebrachte Spannkraft unter Eingliederung einer
Gelenkanordnung 13 an der Stützplatte 2 an. Die Gelenkanordnung ist ein
Schiebesitz, der eine thermisch bedingte Verlagerung der Kokillenplatte 1 quer zur
Längsachse LA des Bolzens 6 ermöglicht. Eine Relativverlagerung wird grundsätzlich
erst dadurch möglich, daß die Durchmesser der Durchgangsbohrung 8 und des
Bolzens 6 unterschiedlich bemessen sind. Zusätzlich dient die Gelenkanordnung
dazu, die Haftreibung zwischen der gewissermaßen als Festlager dienenden
Stützplatte 2 und als Loslager fungierenden Kokillenplatte 1 herabzusetzen.
Dementsprechend besitzt die Gelenkanordnung 13 ein erstes dem Bolzenkopf 12
zugeordnetes oberes Gelenkglied 14 und ein der Rückseite 9 bzw. dem
Bohrungsgrund 11 in der Rückseite 9 zugeordnetes zweites unteres Gelenkglied 15,
das als Festlager (Figur 2) fungiert. Die Gelenkglieder 14, 15 sind jeweils als
Ringscheiben gestaltet und werden zentral von dem Bolzen 6 durchsetzt. Hierbei ist
der Durchmesser D des als Loslager fungierenden oberen Gelenkglieds 14 kleiner
bemessen als der Außendurchmesser D1 des unteren Gelenkglieds 15. Hierdurch ist
eine laterale Verlagerung des oberen Gelenkglieds 15 ohne seitliche Behinderung
möglich. Das untere Gelenkglied 15 ist in seinem Durchmesser D1 auf den
Durchmesser D2 der Senkbohrung 10 abgestimmt, so daß mit Ausnahme der
üblichen Toleranzen das Gelenkglied 15 nicht seitlich innerhalb der Senkbohrung 10
verlagerbar ist. Das Gelenkglied 15 erfüllt hierdurch seine Funktion als Festlager.
Zur Verminderung der Haftreibung und Gleitreibung sind die einander zugewandten
Gleitflächen 16, 17 der Gelenkglieder 14, 15 in der Weise aufeinander abgestimmt,
daß der Haftreibungswert kleiner als 0,1 ist. Hierzu ist in dem in Figur 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel das obere Gelenkglied 14 an seiner Gleitfläche 16 mit einer
PTFE-Beschichtung versehen, die somit als Gleitelement 18 von dem Bolzen 6
durchsetzt unverlierbar zwischen den Gleitflächen 16, 17 gehalten ist. Die Gleitfläche
17 des unteren Gelenkglieds ist auf die PTFE-Beschichtung in der Weise
abgestimmt, daß ihre Oberfläche eine geringe Rauheit hat. Als Gelenkglied 15 kann
daher eine metallische Ringscheibe mit polierter, gehärteter oder geschliffener
Oberfläche zum Einsatz kommen.
Oberhalb des Gelenkglieds 14 ist eine Stützscheibe 19 gleichen Durchmessers
angeordnet, die unterhalb eines einstückig an dem Bolzenkopf 12 ausgestalteten
Radialkragens 20 kleineren Durchmessers angeordnet ist. Die Stützscheibe 19 kann
optional unterhalb des Bolzenkopfs 12 eingefügt sein, um die Spannkräfte der
Schraubverbindung optimal auf die darunter liegende Gelenkanordnung 13 zu
übertragen. Die Stützscheibe 19 kann auch einstückig mit dem Bolzenkopf 12
ausgebildet sein. Der Bolzenkopf 12 selbst kann sowohl einstückig mit dem Bolzen 6
ausgebildet sein, das heißt ein Schraubenkopf sein, oder aber auch als Mutter auf
einen mit Gewinde versehenen Stehbolzen aufgesetzt sein. Der Bolzen 6 selbst kann
stoffschlüssig oder formschlüssig mit der Kokillenplatte 1 verbunden sein.
In Richtung auf den Bohrungsgrund 11 der Senkbohrung 10 schließt sich unterhalb
des unteren Gelenkglieds 15 ein Federelement 21 an. Dies kann beispielsweise eine
Ringscheibe aus elastomerem Material, wie z.B. Gummi, sein. Es können auch
mehrere Federelemente 21 in gestapelter Anordnung vorgesehen sein.
Als zusätzliche Maßnahme zur Herabsetzung der Reibung zwischen der Kokillenplatte
1 und der Stützplatte 2 ist vorgesehen, die Kontaktflächen 22, 23 zwischen
der Kokillenplatte 1 mit einem Gleitmittel zu versehen. Die Kontaktflächen 22, 23
befinden sich bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich des Plateausockels 4. Hier
kann beispielsweise ein flächiger Festkörperschmierstoff eingegliedert sein. Dadurch
steht die Stützplatte gegenüber der Kokillenplatte im Anbindungsbereich
ausschließlich über Gleitelemente und Gleitmittel in Kontakt, so daß eine effektive
Reduzierung des jeweils herrschenden Haftreibungswerts gegeben ist.
Eine weitere Ausführungsform einer Gelenkanordnung zeigt Figur 3. Hierbei
durchsetzt wiederum ein als Schraube 23 ausgeführter Bolzen 6' mittig eine
Gelenkanordnung 24. In ihrem Aufbau von unten nach oben ist unterhalb des
Bolzenkopfs 12' zunächst ein erstes ringförmiges Federelement 21' angeordnet, auf
das ein zweites ringförmiges Federelement 21" folgt. Hieran schließt sich als oberes
Gelenkglied 25 eine vorzugsweise gehärtete Stahlscheibe mit in der Bildebene nach
unten offenem eingearbeiteten Kegel an. Das Gelenkglied 25 fungiert
gewissermaßen als Kegelpfanne. In umgekehrter Konfiguration ist das untere
Gelenkglied 26 mit einer in Richtung auf den Bolzenkopf 12' weisenden
kegelförmigen Aufnahme versehen. Das heißt, die in der Darstellung der Figur 3
nicht näher sichtbaren Gleitflächen der Gelenkglieder 25, 26 sind
kegelstumpfmantelförmig konfiguriert. Zwischen den Gelenkgliedern 25, 26 ist eine
Pendelscheibe 27 angeordnet, deren in Richtung auf die Gelenkglieder 25, 26
weisende Oberflächen 28, 29 kugelhaubenförmig gestaltet sind und mit den
Kegelpfannen der Gelenkglieder 25, 26 in Linienberührung stehen.
In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Pendelscheibe 27 aus einer oberen
Scheibenhälfte 29 und einer unteren Scheibenhälfte 30. Die Scheibenhälften 29, 30
sind identisch konfiguriert und umgekehrt mit ihren ebenen Radialflächen
aufeinander gelegt. Dadurch, daß die Pendelscheibe 27 in den Kegelpfannen der
Gelenkglieder 25, 26 frei beweglich aufgenommen ist, kann eine Relativbewegung
des oberen Gelenkglieds 25 und damit des Bolzens 6' gegenüber dem als Festlager
fungierenden unteren Gelenkglied 26 erfolgen. Die Relativbewegung besteht hierbei
nicht nur im Ausgleich möglicher Winkelabweichungen zwischen den Gelenkgliedern
25, 26, sondern insbesondere auch in einer lateralen Verlagerung quer zur
Längsachse des Schraubbolzens 6'. Bei einer rein lateralen Verlagerung ist aufgrund
der gegebenen Geometrie jedoch ein Höhenausgleich innerhalb der
Gelenkanordnung 24 erforderlich. Die Höhenverlagerung des oberen Gelenkglieds
25 gegenüber dem unteren Gelenkglied 26 beträgt jedoch nur einen Bruchteil der
seitlichen Verlagerung. Es hat sich gezeigt, daß bei einer seitlichen Verlagerung von
etwa 3 mm die Höhenverlagerung bei etwa 0,1 mm liegt. Die Höhenverlagerung kann
über die Federelemente 21', 21" unter Aufrechterhaltung der Vorspannung
kompensiert werden.
Bezugszeichenaufstellung
- 1 -
- Kokillenplatte
- 2 -
- Stützplatte
- 3 -
- Kühlspalt zw. 1 u. 2
- 4 -
- Plateausockel v. 1
- 5 -
- Kühlmittelseite v. 1
- 6 -
- Bolzen
- 6' -
- Bolzen
- 7 -
- Gewindeeinsatz in 4
- 8 -
- Durchgangsbohrung in 2
- 9 -
- Rückseite v. 2
- 10 -
- Senkbohrung in 9
- 11 -
- Bohrungsgrund v. 10
- 12 -
- Bolzenkopf v. 6
- 12' -
- Bolzenkopf v. 6'
- 13 -
- Gelenkanordnung
- 14 -
- Gelenkglied v. 13
- 15 -
- Gelenkglied v. 13
- 16 -
- Gleitfläche v. 14
- 17 -
- Gleitfläche v. 15
- 18 -
- Gleitelement an 16
- 19 -
- Stützscheibe unter 20
- 20 -
- Radialkragen an 12
- 21 -
- Federelement
- 21' -
- Federelement
- 21" -
- Federelement
- 22 -
- Kontaktfläche v. 2
- 23 -
- Kontaktfläche v. 1
- 24 -
- Gelenkanordnung
- 25 -
- Gelenkglied v. 24
- 26 -
- Gelenkglied v. 24
- 27 -
- Pendelscheibe v. 24
- 28 -
- Oberfläche v. 27
- 29 -
- obere Scheibenhälfte v. 27
- 30 -
- untere Scheibenhälfte v. 27
- D -
- Durchmesser v. 14
- D1 -
- Durchmesser v. 15
- D2 -
- Durchmesser v. 10
- LA -
- Längsachse v. 6