EP3470148A1 - Vorrichtung zur herstellung von gussteilen aus metall - Google Patents

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EP3470148A1
EP3470148A1 EP18178939.7A EP18178939A EP3470148A1 EP 3470148 A1 EP3470148 A1 EP 3470148A1 EP 18178939 A EP18178939 A EP 18178939A EP 3470148 A1 EP3470148 A1 EP 3470148A1
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EP
European Patent Office
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channel
sleeve
venting
casting
mold
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Application number
EP18178939.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3470148B1 (de
Inventor
Achim Tenbusch
Kai- Uwe Ekrutt
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Raskopf Sauerlander Werkzeugfabrik GmbH
Original Assignee
Raskopf Sauerlander Werkzeugfabrik GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B22C9/067—Venting means for moulds

Definitions

  • the invention relates to a device for producing castings from metal, in particular light metal alloys, by gravity, tilt or low pressure casting with multiple mold segments, which form mold shells and sealed in a casting position a casting cavity, wherein the mold shell, which is located locally high above the casting cavity Having areas that form air collection areas, at least in one of the high areas has venting means.
  • the present invention seeks to provide a device of the generic type, are avoided in the disturbing accumulation of air in the casting cavern, with moreover, a blockage of ventilation elements can be largely excluded.
  • the invention proposes that the or each venting means consists of an opening into the air collection area the wall of the mold shell passing through channel, in which a vent insert made of good heat conducting material is used and fixed with a surrounding the venting sleeve of poor thermal conductivity material wherein the venting insert preferably has at least one coolant channel closed to the casting cavity, which is connectable or connected to a coolant transporting device at its ends which terminate on the outside of the mold shell, and a continuous one Venting channel that connects the casting cavity with the ambient atmosphere.
  • the object initially set is achieved.
  • a through-channel is produced, for example by means of a drill.
  • This channel serves to hold the vent insert including this surrounding sleeve.
  • the air mass located in the critical area can flow out through the venting channel of the venting insert. Namely, when the mold halves of the mold are closed and the cavity is filled with casting material during the casting process, the casting material rises in the cavity upwards and displaces the air inside through the vent channel to the outside.
  • casting material urges into the vent channel, this material is shielded by the surrounding sleeve of poor thermal conductivity material against the mold shell, so that heat conduction from the mold shell is avoided on the vent insert.
  • cooling of the venting insert is effected by the preferably provided coolant channel, so that the casting material flowing out into the venting channel solidifies. It thus creates a cast fin made of solidified material.
  • the sleeve In order that heat is not removed from the cast body in this area of the cast surface by the cooling of the mass located in the venting channel of the venting insert, the sleeve is made of poorly heat-conducting material. This ensures that substantially only the front side on the vent insert of the casting material outgoing heat transfer can take place. This heat is dissipated via the coolant, so that the corresponding casting fin is produced without the surface of the cast body to be produced being significantly thermally impaired.
  • vent insert made of metal, preferably made of steel.
  • the sleeve consists of ceramic material.
  • the sleeve extends over the entire length of the channel and terminates preferably flush with the channel at the end opening towards the casting cavity.
  • the sleeve has, at its end remote from the casting cavity, a collar which bears against the wall of the mold shell next to the channel.
  • venting insert with its end facing the pouring cavity is flush with the sleeve and flush with the channel.
  • the coolant channel is designed surrounding the vent channel over its entire length.
  • the coolant channel can be designed in the manner of a helix, so that it coiled over its length surrounds the ventilation channel over its entire length and thus heat can be dissipated to a corresponding extent.
  • the venting insert has a considerably smaller cross-section in its area surrounded by the sleeve than in a direction beyond the sleeve in the direction of the wall the mold shell directed away protruding end portion.
  • the area with a smaller cross-section in diameter is about half as large as the area with a larger cross-section.
  • venting channel has a diameter of 2 mm ⁇ 0.5 mm in a first region, which extends from the end leading to the casting cavity to slightly above the end of the sleeve, and faces away from the casting cavity in the further region End has a larger diameter of up to 4 mm.
  • the venting channel extends conically widened at its end opening to the pouring cavity, preferably from an oval mouth or slot-shaped mouth in the circular cross-section, wherein the conical end region over about one-third to over half the length of a first region , which extends from its opening to the casting cavity end over the end of the sleeve, runs.
  • the solidification process is favored in the direction of the smaller half-axis of the slot, the oval configuration of the bore or the elliptical formation of the bore, so that in the interior of the channel the melt is pinched off and further flow of the melt is prevented.
  • the vent insert has a mounting collar which rests in assembly target position on a collar of the sleeve and this overlaps, wherein the mounting collar is fastened with fastening means on the mold shell.
  • FIGS. 1 and 2 schematically shows a device for the production of castings made of metal, in particular light metal alloys shown, the two mold segments 1, 2, which form Kokillenschalen.
  • these mold segments 1, 2 surround a casting cavity 3, which has a region 4 located locally above the casting cavity 3, which forms an air collecting region.
  • a generally designated 5 vent means is provided in this air collecting area.
  • a channel 6 passing through the mold segment 2 is formed, which passes through the mold shell 2 and opens into the collecting area 4.
  • a vent insert 7 is tightly inserted, which passes through the corresponding channel 6 with a partial area and the front side extends to the collecting area 4, wherein the other end protrudes significantly beyond the mold segment 2.
  • the venting insert 7 is tightly surrounded by a sleeve 8 of poorly heat-conductive material, which is also used tightly in the channel 6.
  • the vent insert 7 at least one coolant channel 9 which is closed towards the casting cavity 3 and which can be connected or connected to a coolant transport device at its ends 10, 11 which open out from the outside of the mold shell.
  • the coolant can be fed at 10 in the coolant channel, the coolant can then be withdrawn after passing through the coolant channel at 11 again.
  • the venting insert 7 has a continuous venting channel 12, which connects the casting cavity 3 with the ambient atmosphere.
  • the vent insert 7 is made of steel, while the sleeve 8 is made of ceramic material with poor thermal conductivity.
  • the sleeve 8 has a length such that it extends in the mounting collage over the entire length of the channel 6 and is flush with the channel 6 at the end opening towards the casting cavity 3. At its end facing away from the casting cavity 3, the sleeve 8 has a collar 13, which rests in the desired position on the wall of the mold segment 2 adjacent to the channel 6.
  • vent insert 7 closes with its end facing the pouring cavity 3 flush with the sleeve 8 and flush with the channel 6, as in FIG. 2 is clarified.
  • the coolant channel 9 is, as in the Figures 5,6 . 9.10 clarified, designed so that it surrounds the vent channel 12 over its entire length, preferably in the manner of a helix.
  • the helical shape is in FIG. 7 shown only as an example. It should clarify the shape and the course of the coolant channel 9.
  • the coolant may for example be supplied at 10 and withdrawn at 11 again.
  • the venting insert 7 has a considerably smaller cross section (diameter) in its region surrounded by the sleeve 8, than in a direction via the sleeve 8 in the direction of the wall of the molding segment 2 straightened projecting end region.
  • the area with a smaller cross-section in diameter is about half as large as the area with a larger cross-section.
  • the vent channel 12 has a diameter of approximately 2 mm ⁇ 0.5 mm in a first region, which extends from the end opening to the casting cavity 3 to slightly beyond the end of the sleeve 8, in order to effect a sufficient air removal, and in the further region up to the casting cavity 3 end remote from a larger diameter, for example, to 4 mm.
  • the ventilation channel 12 is widened in a conical manner.
  • the conical expansion is denoted by 14.
  • the mouth 15 of this region is approximately oval or can also be slit-shaped or elliptical.
  • the conical region 14 extends approximately over a third to half the length of the first region of the Venting channel 12, which extends from its opening to the casting cavity 3 end over the end of the sleeve 8.
  • vent insert 7 has a mounting collar 16 with mounting holes 17. This is in mounting desired position on a collar 13 of the sleeve 8 and overlaps this, in particular in FIG. 2 it can be seen, this mounting collar 16 is fastened with fastening means on the mold shell 2, which engage through the mounting holes 17, for example screws.
  • the venting insert 7 has, in principle, several zones, the area A forming the solidification zone as a boundary region to the casting contour (cavity 3).
  • the region B with the closely coiled cooling channel serves for direct heat removal from the zone A.
  • the slightly larger coiled region C of the cooling channel serves for heat removal in the remaining region of the venting insert 7.
  • the entire unit is assembled using the following steps.
  • a hole is set (channel 6), in which the sleeve 8 is made of poorly heat-conductive material, in particular ceramic tightly inserted, which is flush with the contour of the cavity 3 out.
  • the vent insert 7 is tightly inserted with its smaller-diameter end formed until the vent insert rests with its collar 16 on the collar 13 of the sleeve 8.
  • venting insert 7 during the casting process can be described in the following way.
  • the pouring cavity is filled with liquid cast material, for example an aluminum alloy.
  • the casting material rises in the casting cavity 3 upwards and displaces the air inside, in particular by the venting insert 7.
  • the venting insert 7 Since the venting insert 7 has a sufficiently large air duct 12 of at least 2 mm in diameter, the air can escape there very well. In this case, the air passes first the solidification zone A and then the further region of the venting channel 12. As soon as the air has escaped via the venting channel 12, the casting material rises at the bottom (at 14) into the region of the solidification zone A.
  • the solidification zone A is formed geometrically as a transition region, which merges from an elliptical contour 15 into the smaller bore diameter of the venting channel 12.
  • the nozzle-shaped solidification zone at the end has a flow-correct inlet radius and necessary Entungsungsschrägen (preferably between 5 ° and 10 °).
  • the elliptical shape in this case favors the solidification process in the direction of the smaller half-axis, so that the formation of an insulation channel is counteracted in the interior and the melt is pinched off.
  • the helical running cooling channel 9 has an inlet opening 10 and an outlet opening 11 for a cooling medium, for example water or air.
  • the cooling channel 9 is continuously formed as a continuous helix and extends in the area B and area C.
  • the exemplary embodiment is a double-threaded helical system.
  • the descending helix feeds the cooling medium.
  • the ascending helix carries the cooling medium together with absorbed heat back to the outside.
  • At the lowest point of the lower cooling coil meets the ascending with the descending branch of the helix.
  • the dissipated heat through the cooling coil is sufficiently large in order to solidify the local melt within the solidification zone A. So that only a selective zone on the casting surface of the casting is thermally affected, comes as an insulating element, the sleeve 8 to bear.
  • the cooling coil removes the heat in the lower region B of the casting material located in the solidification zone A, where it solidifies a cast fin. If the casting is now removed from the mold, this casting fin remains as an element projecting beyond the casting contour, which can be removed and leveled by simple reworking.
  • a control of the heat dissipation takes place, for example with water.
  • the heat dissipation in the venting insert 7 takes place on the one hand by the Heat conduction of the material wall of good heat-conducting material, especially steel towards the continuous cooling channel 9 and the other at the boundary layer of the cooling channels 9 due to a convective transition.
  • the heat transfer coefficient ⁇ is a function of several key figures, such as Nusselt, Prandtl and Reynolds number. Since the cooling medium is usually fixed, for example, water, and the channel cross sections of the cooling channel 9 are geometrically predetermined, the influence of the heat dissipation takes place substantially only on the flow rate of the cooling medium and its initial temperature.
  • the temperature of the cooling medium is left to the ambient temperature, so that the flow rate or the flow rate per unit time is used to control the cooling to a decisive extent.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus Metall mit mehreren Formsegmenten (1,2), die Kokillenschalen bilden und in einer Gießposition eine Gießkavität (3) abgedichtet umgeben, wobei die Kokillenschale, die lokal hoch oberhalb der Gießkavität (3) gelegene Bereiche aufweist, die Luftsammelbereiche bilden, mindestens in einem der hoch gelegenen Bereiche (4) Entlüftungsmittel aufweist, wobei das Entlüftungsmittel aus einem in den Luftsammelbereich (4) mündenden die Wandung der Kokillenschale durchsetzenden Kanal (6) besteht, in den ein Entlüftungseinsatz (7) aus gut wärmeleitendem Werkstoff mit einer den Entlüftungseinsatz (7) umgebenden Hülse (8) aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff eingesetzt und fixiert ist, wobei der Entlüftungseinsatz (7) einen zur Gießkavität (3) geschlossenen Kühlmittelkanal (9) aufweist, der an seinen außenseitig der Kokillenschale ausmündenden Enden (10, 11) an eine Kühlmitteltransportvorrichtung angeschlossen ist, und einen durchgehenden Entlüftungskanal (12), der die Gießkavität (3) mit der Umgebungsatmosphäre verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus Metall, insbesondere Leichtmetalllegierungen, durch Schwerkraft-, Kipp- oder Niederdruckguss mit mehreren Formsegmenten, die Kokillenschalen bilden und in einer Gießposition eine Gießkavität abgedichtet umgeben, wobei die Kokillenschale, die lokal hoch oberhalb der Gießkavität gelegene Bereiche aufweist, die Luftsammelbereiche bilden, mindestens in einem der hoch gelegenen Bereiche Entlüftungsmittel aufweist.
  • Derartige Vorrichtungen sind im Stand der Technik vielfach bekannt. Es wird hierzu beispielsweise auf die DE 10 2010 007 812 A1 hingewiesen.
  • Bei üblichen Vorrichtungen dieser Art tritt beim Gießen entsprechender Formteile mit solchen Kokillenwerkzeugen das Problem auf, dass sich Luftansammlungen in hochgelegenen Bereichen der Kokillenform bilden, die dazu führen, dass die Gießprodukte mit Luftrückständen behaftet sind und somit störende Kammern oder Blasen auf der Gussoberfläche entstehen. Diesem Effekt wird zwar entgegengewirkt, indem in den hochgelegenen Bereichen übliche Entlüftungselemente vorgesehen werden, nämlich Entlüftungsrillen, Entlüftungsbohnen, Kerbstifte und dergleichen. Bei der Anordnung und Ausbildung solcher Entlüftungselemente entsteht aber das zusätzliche Problem, dass diese Entlüftungselemente sich mit Gussmaterial zusetzen und somit nicht mehr funktionstüchtig sind oder zumindest teilweise zusetzen, sodass eine längere Zeit zur Entlüftung benötigt wird und/oder eine zeitaufwändige Reinigung erforderlich wird.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art zu schaffen, bei der störende Luftansammlungen in der Gusskaverne vermieden werden, wobei zudem eine Verstopfung von Entlüftungselementen weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass das oder jedes Entlüftungsmittel aus einem in den Luftsammelbereich mündenden die Wandung der Kokillenschale durchsetzenden Kanal besteht, in den ein Entlüftungseinsatz aus gut wärmeleitendem Werkstoff mit einer den Entlüftungseinsatz umgebenden Hülse aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff eingesetzt und fixiert ist, wobei der Entlüftungseinsatz vorzugsweise mindestens einen zur Gießkavität geschlossenen Kühlmittelkanal aufweist, der an seinen außenseitig der Kokillenschale ausmündenden Enden an eine Kühlmitteltransportvorrichtung anschließbar oder angeschlossen ist, und einen durchgehenden Entlüftungskanal, der die Gießkavität mit der Umgebungsatmosphäre verbindet.
  • Durch eine solche Ausgestaltung wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst. Gemäß der Erfindung wird in dem Bereich, in dem sich Luftansammlungen bilden können, also in einem lokal hoch oberhalb der Gießkavität gelegenen Bereich, ein Durchgangskanal erzeugt, beispielsweise mittels Einsatz eines Bohrers. Dieser Kanal dient dann zur Aufnahme des Entlüftungseinsatzes samt diesem umgebender Hülse. Beim Gießvorgang kann die in dem kritischen Bereich befindliche Luftmasse durch den Entlüftungskanal des Entlüftungseinsatzes abströmen. Wenn nämlich die Formhälften der Kokille geschlossen sind und beim Gießvorgang die Kavität mit Gussmaterial gefüllt wird, steigt das Gussmaterial in der Kavität nach oben und verdrängt dabei die im Inneren befindliche Luft durch den Entlüftungskanal nach außen. Sobald die Luft vollständig abgeführt ist, drängt Gussmaterial in den Entlüftungskanal, wobei dieses Material durch die umgebende Hülse aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff gegenüber der Kokillenschale abgeschirmt ist, sodass eine Wärmeleitung von der Kokillenschale auf den Entlüftungseinsatz vermieden wird. Zudem wird durch den vorzugsweise vorgesehenen Kühlmittelkanal eine Kühlung des Entlüftungseinsatzes bewirkt, sodass das in den Entlüftungskanal abströmende Gussmaterial erstarrt. Es entsteht somit eine Guss-Finne aus erstarrtem Material. Beim Entformen des Gussteils, also beim Öffnen der Formsegmente verbleibt an dem Gussteil die über die Kontur hinausragende Guss-Finne, die in einfacher Weise durch Nacharbeit entfernt und egalisiert werden kann. Eine Verstopfung des Entlüftungskanals wird hierduch vermieden, weil beim Entformen die Guss-Finne, die ja noch einstückig mit dem Gießkörper ausgebildet ist, aus dem Entlüftungskanal entfernt wird. Nach dem Entformen des Gussteiles steht die Gießform sofort wieder für einen neuen Gussvorgang zur Verfügung, in dem die Formsegmente wieder geschlossen werden und in der Gießposition wiederum flüssiges Material in die Gießkavität eingefüllt wird.
  • Damit durch die Kühlung der im Entlüftungskanal des Entlüftungseinsatzes befindlichen Masse dem Gusskörper nicht in diesem Bereich der Gussoberfläche Wärme entzogen wird, ist die Hülse aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass im Wesentlichen nur noch stirnseitig am Entlüftungseinsatz der vom Gussmaterial ausgehende Wärmetransport erfolgen kann. Diese Wärme wird über das Kühlmittel abgeführt, sodass die entsprechende Guss-Finne erzeugt wird, ohne dass die Oberfläche des zu erzeugenden Gusskörpers wesentlich thermisch beeinträchtigt wird.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Entlüftungseinsatz aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, besteht.
  • Auch ist bevorzugt vorgesehen, dass die Hülse aus keramischem Material besteht.
  • Um eine thermische Abschirmung des Entlüftungseinsatzes gegenüber dem umgebenden Material der Kokillenschale zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Hülse sich über die gesamte Länge des Kanals erstreckt und vorzugsweise bündig mit dem Kanal an dem zur Gießkavität hin mündenden Ende abschließt.
  • Um eine einfache Montage und eine lagesichere Anordnung zu erreichen ist vorgesehen, dass die Hülse an ihrem der Gießkavität abgewandten Ende einen Kragen aufweist, der an der Wandung der Kokillenschale neben dem Kanal anliegt.
  • Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass der Entlüftungseinsatz mit seinem der Gießkavität zugewandten Endbereich bündig mit der Hülse und bündig mit dem Kanal abschließt.
  • Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal den Entlüftungskanal über dessen gesamte Länge umgebend ausgeführt ist.
  • Beispielsweise kann der Kühlmittelkanal nach Art einer Wendel ausgeführt sein, sodass er über seine Länge gewendelt den Entlüftungskanal über dessen gesamte Länge umgibt und somit in entsprechendem Maße Wärme abgeführt werden kann.
  • Um die Bildung der Erstarrungszone im Entlüftungskanal des Entlüftungseinsatzes zu fördern und auf eine möglichst kleine Zone zu reduzieren, ist zudem vorgesehen, dass der Entlüftungseinsatz in seinem von der Hülse umgebenen Bereich einen erheblich kleineren Querschnitt aufweist als in einem über die Hülse in Richtung von der Wandung der Kokillenschale weg gerichtet vorragenden Endbereich.
  • Zudem ist hierbei vorgesehen, dass der Bereich mit kleinerem Querschnitt im Durchmesser etwa halb so groß wie der Bereich mit größerem Querschnitt ist.
  • Auch ist hierzu vorgesehen, dass der Entlüftungskanal in einem ersten Bereich, der von dem zur Gießkavität mündenden Ende bis gering über das Ende der Hülse reicht, einen Durchmesser von 2 mm ± 0,5 mm aufweist und in dem weiteren Bereich bis zum der Gießkavität abgewandten Ende einen größeren Durchmesser von bis 4 mm aufweist.
  • Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Entlüftungskanal an seinem zur Gießkavität mündenden Endbereich konisch aufgeweitet verläuft, vorzugsweise von einer ovalen Mündung oder schlitzförmigen Mündung in den kreisförmigen Querschnitt übergehend, wobei der konische Endbereich über etwa ein Drittel bis über die Hälfte der Länge eines ersten Bereichs, der von seinem zur Gießkavität mündenden Ende bis über das Ende der Hülse reicht, verläuft.
  • Dadurch, dass der Entlüftungskanal von einer ovalen, elliptischen oder schlitzförmigen Mündungskontur in den kleineren Bohrungsdurchmesser des Entlüftungskanals übergeht, wird der Erstarrungsvorgang in Richtung der kleineren Halbachse des Schlitzes, der ovalen Ausgestaltung der Bohrung oder der elliptischen Ausbildung der Bohrung begünstigt, sodass im Inneren des Kanales die Schmelze abgeschnürt wird und ein Weiterfließen der Schmelze unterbunden ist.
  • Zur Vereinfachung der Montage und Anordnung der entsprechenden Teile ist vorgesehen, dass der Entlüftungseinsatz einen Montagekragen aufweist, der in Montagesolllage an einem Kragen der Hülse anliegt und diesen übergreift, wobei der Montagekragen mit Befestigungsmitteln an der Kokillenschale befestigt ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigt:
    • Figur 1
    die Draufsicht auf eine Kokillenschale mit Entlüftungsmittel;
    Figur 2
    desgleichen im Schnitt II-II Der Figur 1 gesehen;
    Figur 3
    eine Einzelheit in Draufsicht analog Figur 1 gesehen;
    Figur 4
    die Einzelheit von unten gesehen;
    Figur 5
    die Einzelheit im Schnitt V-V Der Figur 3 gesehen;
    Figur 6
    die Einzelheit im Schnitt VI-VI der Figur 3 gesehen;
    Figur 7
    eine symbolhafte Darstellung einer Einzelheit in Ansicht;
    Figur 8
    die Einzelheit in Schrägansicht;
    Figur 9 + 10
    die Einzelheit im Schnitt Gesehen in Schrägansicht;
    Figur 11
    eine weitere Einzelheit in Schrägansicht.
  • In Figur 1 und 2 ist schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus Metall, insbesondere Leichtmetalllegierungen gezeigt, die zwei Formsegmente 1, 2 aufweist, die Kokillenschalen bilden. In einer Gießposition, die in Figur 2 verdeutlicht ist, umgeben diese Formsegmente 1,2 eine Gießkavität 3, die einen lokal hoch oberhalb der Gießkavität 3 gelegenen Bereich 4 aufweist, die einen Luftsammelbereich bildet. In diesem Luftsammelbereich ist ein allgemein mit 5 bezeichnetes Entlüftungsmittel vorgesehen. Zur Anordnung des Entlüftungsmittels 5 ist ein das Formsegment 2 durchsetzender Kanal 6 ausgebildet, der die Kokillenschale 2 durchsetzt und in den Sammelbereich 4 mündet. In diesem Kanal ist ein Entlüftungseinsatz 7 dicht eingesetzt, der den entsprechenden Kanal 6 mit einem Teilbereich durchgreift und stirnseitig bis an den Sammelbereich 4 reicht, wobei das andere Ende außen über das Formsegment 2 erheblich vorragt. Im Bereich des Kanales 6 ist der Entlüftungseinsatz 7 dicht von einer Hülse 8 aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff umgeben, die auch dicht in den Kanal 6 eingesetzt ist. Zudem weist der Entlüftungseinsatz 7 mindestens einen zur Gießkavität 3 hin geschlossenen Kühlmittelkanal 9 auf, der an seinen außenseitig der Kokillenschale ausmündenden Enden 10,11 an eine Kühlmitteltransportvorrichtung anschließbar oder angeschlossen ist. Beispielsweise kann das Kühlmittel bei 10 in den Kühlmittelkanal eingespeist werden, wobei das Kühlmittel dann nach Durchlauf des Kühlmittelkanales bei 11 wieder abgezogen werden kann. Zudem weist der Entlüftungseinsatz 7 einen durchgehenden Entlüftungskanal 12 auf, der die Gießkavität 3 mit der Umgebungsatmosphäre verbindet. Vorzugweise besteht der Entlüftungseinsatz 7 aus Stahl, während die Hülse 8 aus keramischem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht. Die Hülse 8 weist eine solche Länge auf, dass sie sich in der Montagesollage über die gesamte Länge des Kanals 6 erstreckt und bündig mit dem Kanal 6 an dem zur Gießkavität 3 hin mündenden Ende abschließt. An ihrem der Gießkavität 3 abgewandten Ende weist die Hülse 8 einen Kragen 13 auf, der in der Solllage an der Wandung des Formsegmentes 2 neben dem Kanal 6 anliegt.
  • Der Entlüftungseinsatz 7 schließt mit seinem der Gießkavität 3 zugewandten Endbereich bündig mit der Hülse 8 und bündig mit dem Kanal 6 ab, wie in Figur 2 verdeutlicht ist.
  • Der Kühlmittelkanal 9 ist, wie in den Figuren 5,6,9,10 verdeutlicht, so ausgebildet, dass er den Entlüftungskanal 12 über dessen gesamte Länge umgibt, vorzugsweise nach Art einer Wendel.
  • Die Wendelform ist in Figur 7 nur beispielhaft dargestellt. Sie soll die Form und den Verlauf des Kühlmittelkanals 9 verdeutlichen. Das Kühlmittel kann beispielsweise bei 10 zugeführt und bei 11 wieder abgezogen werden.
  • Wie beispielsweise aus den Zeichnungsfigur 5,6,9, 10 ersichtlich, weist der Entlüftungseinsatz 7 in seinem von der Hülse 8 umgebenen Bereich einen erheblich kleineren Querschnitt (Durchmesser) auf, als in einem über die Hülse 8 in Richtung von der Wandung des Formsegmentes 2 weggerichtet vorragenden Endbereich. Dabei ist der Bereich mit kleinerem Querschnitt im Durchmesser etwa halb so groß wie der Bereich mit größerem Querschnitt.
  • Der Entlüftungskanal 12 weist in einem ersten Bereich, der von dem zur Gießkavität 3 mündenden Ende bis gering über das Ende der Hülse 8 reicht, einen Durchmesser von ca. 2 mm ± 0,5 mm auf, um eine ausreichende Luftabführung zu bewirken, sowie in dem weiteren Bereich bis zum der Gießkavität 3 abgewandten Ende einen größeren Durchmesser von beispielsweise bis 4 mm.
  • An seinem zur Gießkavität 3 hin mündenden Endbereich ist der Entlüftungskanal 12 konisch aufgeweitet. Die konische Aufweitung ist mit 14 bezeichnet. Insbesondere in der Stirnansicht gemäß Figur 4 ist ersichtlich, dass die Mündung 15 dieses Bereiches etwa oval ausgebildet ist oder auch schlitzförmig oder elliptisch ausgebildet sein kann. Der konische Bereich 14 reicht etwa über ein Drittel bis die Hälfte der Länge des ersten Bereiches des Entlüftungskanales 12, der von seinem zur Gießkavität 3 mündenden Ende bis über das Ende der Hülse 8 reicht.
  • Zusätzlich weist der Entlüftungseinsatz 7 einen Montagekragen 16 mit Montagelochungen 17 auf. Dieser liegt in Montagesolllage an einem Kragen 13 der Hülse 8 an und übergreift diesen, wie insbesondere in Figur 2 ersichtlich ist, wobei dieser Montagekragen 16 mit Befestigungsmitteln an der Kokillenschale 2 befestigt wird, die durch die Befestigungslochungen 17 greifen, beispielsweise Schrauben.
  • Der Entlüftungseinsatz 7 weist im Prinzip mehrere Zonen auf, wobei der Bereich A die Erstarrungszone als Grenzbereich zur Gusskontur (Kavität 3) bildet. Der Bereich B mit dem eng gewendeltem Kühlkanal dient zur direkten Wärmeabfuhr aus der Zone A. Der etwas größer gewendelte Bereich C des Kühlkanales dient zur Wärmeabfuhr im Restbereich des Entlüftungseinsatzes 7.
  • Die Montage der gesamten Einheit erfolgt mit folgenden Schritten.
  • An der luftkritischen Stelle im Werkzeug wird eine Bohrung gesetzt (Kanal 6), in welche die Hülse 8 aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Keramik dicht eingesteckt wird, die zur Kontur der Kavität 3 hin bündig abschließt. In die Hülse 8 wird der Entlüftungseinsatz 7 mit seinem im Durchmesser kleiner ausgebildeten Ende dicht eingeschoben, bis der Entlüftungseinsatz mit seinem Kragen 16 am Kragen 13 der Hülse 8 anliegt. Über die Befestigungsmittellochungen 17 im Kragen 16 wird die gesamte Einheit an dem entsprechenden Formteil 2 geklemmt und befestigt.
  • Die Funktion des Entlüftungseinsatzes 7 beim Gießprozess lässt sich in folgender Weise beschreiben. Wenn die Formhälften der Kokille geschlossen sind (1,2) wird die Gießkavität mit flüssigem Gussmaterial, beispielsweise einer Aluminiumlegierung gefüllt. Dabei steigt das Gussmaterial in der Gießkavität 3 nach oben und verdrängt dabei die im Inneren befindliche Luft, insbesondere durch den Entlüftungseinsatz 7. Da der Entlüftungseinsatz 7 einen ausreichend großen Luftkanal 12 von mindestens 2 mm Durchmesser hat, kann dort die Luft sehr gut entweichen. Dabei passiert die Luft zuerst die Erstarrungszone A und dann den weiteren Bereich des Entlüftungskanals 12. Sobald die Luft über den Entlüftungskanal 12 entwichen ist, steigt das Gussmaterial unten (bei 14) in den Bereich der Erstarrungszone A hoch. Geometrisch gebildet wird die Erstarrungszone A als Übergangsbereich, der von einer elliptischen Kontur 15 in den kleineren Bohrungsdurchmesser des Entlüftungskanals 12 übergeht. Die düsenförmige Erstarrungszone am Ende besitzt ein strömungsgerechten Eintrittsradius und notwenige Entformungsschrägen (vorzugsweise zwischen 5° und 10°). Die elliptische Form begünstigt hierbei den Erstarrungsvorgang in Richtung der kleineren Halbachse, sodass im Inneren der Bildung eines Isolationskanals entgegengewirkt wird und die Schmelze abgeschnürt wird. Der wendelartig ausgeführte Kühlkanal 9 besitzt eine Eintrittsöffnung 10 und eine Austrittsöffnung 11 für ein Kühlmedium, zum Beispiel Wasser oder Luft. Der Kühlkanal 9 ist durchgehend als durchgängige Wendel ausgebildet und verläuft im Bereich B und Bereich C.
  • Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein zweigängiges Wendelsystem. Die absteigende Wendel führt das Kühlmedium zu. Die aufsteigende Wendel führt das Kühlmedium samt aufgenommener Wärme wieder nach außen ab. Am tiefsten Punkt der unteren Kühlwendel trifft sich der aufsteigende mit dem absteigenden Ast der Wendel. In der Phase, in welche das Gussmaterial in die Erstarrungszone A hochsteigt, soll funktionell sichergestellt werden, dass die abgeführte Wärme durch die Kühlwendel ausreichend groß ist, um die dortige Schmelze innerhalb in der Erstarrungszone A zum Erstarren zu bringen. Damit nur selektiv eine Zone an der Gussoberfläche des Gussteiles thermisch beeinträchtigt wird, kommt als Isolationselement die Hülse 8 zum Tragen. Hierdurch kann im Wesentlichen nur noch stirnseitig am Entlüftungseinsatz 7 der vom Gussmaterial ausgehende Wärmetransport erfolgen. Die Kühlwendel entzieht im unteren Bereich B dem in der Erstarrungszone A befindlichen Gussmaterial die Wärme und lässt dort eine Guss-Finne erstarren. Wird das Gussteil nun entformt, verbleibt diese Guss-Finne als über die Gusskontur hinausragendes Element, welches durch einfache Nacharbeit entfernt und egalisiert werden kann.
  • Zur aktiven Kühlung erfolgt eine Steuerung der Wärmeabfuhr, zum Beispiel mit Wasser. Die Wärmeabfuhr im Entlüftungseinsatz 7 erfolgt zum einen durch die Wärmeleitung der Materialwandung aus gut wärmeleitendem Material, insbesondere Stahl hin zum durchgehenden Kühlkanal 9 und zum anderen an der Grenzschicht der Kühlkanäle 9 infolge eines konvektiven Übergangs. Die Wärmeübergangszahl α ist dabei eine Funktion von mehreren Kennzahlen, wie Nußelt-, Prandtl- und Reynolds-Zahl. Da das Kühlmedium in der Regel fest steht, zum Beispiel Wasser, und die Kanalquerschnitte des Kühlkanals 9 geometrisch vorgegeben sind, erfolgt die Einflussnahme der Wärmeabfuhr im Wesentlichen nur über die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums und dessen Anfangstemperatur. Vorteilhafterweise wird die Temperatur des Kühlmediums der Umgebungstemperatur überlassen, sodass im entscheidenden Maße die Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise die Durchflussmenge pro Zeit zur Steuerung der Kühlung herangezogen wird.
  • Im Ergebnis wird hiermit ein fehlerfreies Gussstück erzeugt, wobei auch eine Verstopfung des Entlüftungseinsatzes vermieden wird, die zu aufwendigen Reinigungsarbeiten des Entlüftungskanales führen würden.
  • Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
  • Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus Metall, insbesondere Leichtmetalllegierungen, durch Schwerkraft-, Kipp- oder Niederdruckguss mit mehreren Formsegmenten (1,2), die Kokillenschalen bilden und in einer Gießposition eine Gießkavität (3) abgedichtet umgeben, wobei die Kokillenschale, die lokal hoch oberhalb der Gießkavität (3) gelegene Bereiche aufweist, die Luftsammelbereiche bilden, mindestens in einem der hoch gelegenen Bereiche (4) Entlüftungsmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Entlüftungsmittel aus einem in den Luftsammelbereich (4) mündenden die Wandung der Kokillenschale durchsetzenden Kanal (6) besteht, in den ein Entlüftungseinsatz (7) aus gut wärmeleitendem Werkstoff mit einer den Entlüftungseinsatz (7) umgebenden Hülse (8) aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff eingesetzt und fixiert ist, wobei der Entlüftungseinsatz (7) vorzugsweise mindestens einen zur Gießkavität (3) geschlossenen Kühlmittelkanal (9) aufweist, der an seinen außenseitig der Kokillenschale ausmündenden Enden (10,11) an eine Kühlmitteltransportvorrichtung anschließbar oder angeschlossen ist, und einen durchgehenden Entlüftungskanal (12), der die Gießkavität (3) mit der Umgebungsatmosphäre verbindet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungseinsatz (7) aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, besteht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) aus keramischem Material besteht.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) sich über die gesamte Länge des Kanals (6) erstreckt und vorzugsweise bündig mit dem Kanal (6) an dem zur Gießkavität (3) hin mündenden Ende abschließt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) an ihrem der Gießkavität (3) abgewandten Ende einen Kragen (13) aufweist, der an der Wandung der Kokillenschale neben dem Kanal (6) anliegt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungseinsatz (7) mit seinem der Gießkavität (3) zugewandten Endbereich bündig mit der Hülse (8) und bündig mit dem Kanal (6) abschließt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (9) den Entlüftungskanal (12) über dessen gesamte Länge umgebend ausgeführt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungseinsatz (7) in seinem von der Hülse (8) umgebenen Bereich einen erheblich kleineren Querschnitt aufweist als in einem über die Hülse (8) in Richtung von der Wandung der Kokillenschale weg gerichtet vorragenden Endbereich.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit kleinerem Querschnitt im Durchmesser etwa halb so groß wie der Bereich mit größerem Querschnitt ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (12) in einem ersten Bereich, der von dem zur Gießkavität (3) mündenden Ende bis gering über das Ende der Hülse (8) reicht, einen Durchmesser von 2 mm ± 0,5 mm aufweist und in dem weiteren Bereich bis zum der Gießkavität (3) abgewandten Ende einen größeren Durchmesser von bis 4 mm aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (12) an seinem zur Gießkavität (3) mündenden Endbereich (14) konisch aufgeweitet verläuft, vorzugsweise von einer ovalen Mündung (15) oder schlitzförmigen Mündung in den kreisförmigen Querschnitt übergehend, wobei der konische Endbereich (14) über etwa ein Drittel bis über die Hälfte der Länge eines ersten Bereichs, der von seinem zur Gießkavität (3) mündenden Ende bis über das Ende der Hülse (8) reicht, verläuft.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungseinsatz (7) einen Montagekragen (16) aufweist, der in Montagesolllage an einem Kragen (13) der Hülse (8) anliegt und diesen übergreift, wobei der Montagekragen (16) mit Befestigungsmitteln an der Kokillenschale befestig ist.
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