EP3470148B1 - Vorrichtung zur herstellung von gussteilen aus metall - Google Patents

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EP3470148B1
EP3470148B1 EP18178939.7A EP18178939A EP3470148B1 EP 3470148 B1 EP3470148 B1 EP 3470148B1 EP 18178939 A EP18178939 A EP 18178939A EP 3470148 B1 EP3470148 B1 EP 3470148B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
sleeve
section
venting
casting cavity
Prior art date
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Active
Application number
EP18178939.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3470148A1 (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
Application filed by Raskopf Sauerlander Werkzeugfabrik GmbH filed Critical Raskopf Sauerlander Werkzeugfabrik GmbH
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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 the production of cast parts made of metal or light metal alloys by gravity, tilting or low pressure casting with several mold segments that form mold shells and surround a casting cavity in a sealed manner in a casting position, the mold shell, the areas located locally high above the casting cavity which form air-collecting areas, has venting means at least in one of the high-lying areas, the or each venting means consisting of a channel opening into the air-collecting area and penetrating the wall of the mold shell, the venting insert having at least one coolant channel closed to the casting cavity, which on its outside the end opening out of the mold shell can be connected or connected to a coolant transport device, and a continuous ventilation channel which connects the casting cavity with the ambient atmosphere.
  • the air collection area is formed by a large-volume slot on the upper side of the mold part molds, to which a venting means is attached on the outside.
  • the venting means consists of a large-volume body, which on the outside has a two-part body made of poorly thermally conductive material, which on the inside surrounds a two-part body made of good thermally conductive material, this highly conductive body having a ventilation slot with various corrugations between its sub-bodies.
  • air slots are arranged between the venting means and the casting molds, which are intended to hinder or avoid the heat transfer.
  • an arrangement of cooling channels is provided in the poorly thermally conductive outer components of the venting means, which lead to a free space between the highly thermally conductive body and the outer poorly thermally conductive body in order to be able to additionally cool the highly thermally conductive body.
  • the invention is based on the object of creating a device of the generic type in which disruptive accumulations of air in the casting cavity are avoided, and blockage of ventilation elements can also be largely excluded.
  • the invention proposes that the ventilation insert made of a material that conducts heat well is inserted and fixed with a sleeve made of a material that is poorly heat conductive and surrounding the ventilation insert.
  • a through-channel is created in the area in which air can accumulate, that is to say in an area located locally high above the casting cavity, for example by using a drill.
  • This channel then serves to accommodate the ventilation insert together with the sleeve surrounding it.
  • the air mass located in the critical area can flow out through the ventilation channel of the ventilation insert.
  • the preferably provided coolant channel causes the ventilation insert to be cooled, so that the casting material flowing out into the ventilation channel solidifies.
  • a cast fin made of solidified material is thus created.
  • a clogging of the ventilation channel is avoided hereby because the cast fin, which is still formed in one piece with the casting body, is removed from the ventilation channel during demolding. After the casting has been removed from the mold, the casting mold is immediately available again for a new casting process in which the mold segments are closed again and liquid material is again poured into the casting cavity in the casting position.
  • the sleeve is made of poorly heat-conducting material. This means that the heat transfer from the casting material can essentially only take place at the end of the vent insert. This heat is dissipated via the coolant so that the corresponding cast fin is generated without the surface of the cast body to be generated being significantly thermally impaired.
  • the ventilation insert is made of metal, preferably steel.
  • the sleeve consists of ceramic material.
  • the sleeve extends over the entire length of the channel and is preferably flush with the channel at the end opening towards the casting cavity.
  • the sleeve has a collar at its end facing away from the casting cavity, which collar rests against the wall of the mold shell next to the channel.
  • vent insert with its end region facing the casting cavity ends flush with the sleeve and flush with the channel.
  • coolant channel is designed to surround the ventilation channel over its entire length.
  • the coolant duct can be designed in the manner of a helix, so that it surrounds the ventilation duct over its entire length in a helical manner and thus heat can be dissipated to a corresponding extent.
  • the ventilation insert In order to promote the formation of the solidification zone in the ventilation channel of the ventilation insert and to reduce it to the smallest possible zone, provision is also made for the ventilation insert to have a considerably smaller cross-section in its area surrounded by the sleeve than in the one across the sleeve in the direction of the wall the mold shell directed away projecting end region. In addition, it is provided here that the area with the smaller cross section is approximately half as large in diameter as the area with the larger cross section.
  • the ventilation duct has a diameter of 2 mm ⁇ 0.5 mm in a first area, which extends from the end opening to the casting cavity to just above the end of the sleeve, and in the further area up to the area facing away from the casting cavity End has a larger diameter of up to 4 mm.
  • venting channel extends conically widened at its end region opening into the casting cavity, preferably merging from an oval mouth or slot-shaped mouth into the circular cross section, the conical end region over about a third to over half the length of a first region , which extends from its end opening into the casting cavity to over the end of the sleeve.
  • the ventilation channel merges from an oval, elliptical or slot-shaped mouth contour into the smaller bore diameter of the ventilation channel, promotes the solidification process in the direction of the smaller semi-axis of the slot, the oval configuration of the bore or the elliptical configuration of the bore, so that inside the channel the melt is pinched off and further flow of the melt is prevented.
  • the ventilation insert has an assembly collar which, in the desired assembly position, rests against a collar of the sleeve and overlaps it, the assembly collar being fastened to the mold shell with fasteners.
  • FIGs 1 and 2 a device for producing cast parts made of metal, in particular light metal alloys, is shown schematically, which has two mold segments 1, 2 which form mold shells. In a casting position that is in Figure 2 As is illustrated, these mold segments 1, 2 surround a casting cavity 3, which has a region 4 which is located locally high above the casting cavity 3 and which forms an air-collecting region. In this air collection area a venting means, generally designated 5, is provided. For the arrangement of the venting means 5, a channel 6 penetrating the mold segment 2 is formed, which penetrates the mold shell 2 and opens into the collecting area 4.
  • a ventilation insert 7 is inserted tightly, which reaches through the corresponding channel 6 with a partial area and on the front side extends to the collecting area 4, the other end protruding significantly beyond the mold segment 2.
  • the ventilation insert 7 is tightly surrounded by a sleeve 8 made of poorly heat-conducting material, which is also inserted tightly into the channel 6.
  • the ventilation insert 7 at least one coolant channel 9 which is closed towards the casting cavity 3 and which can be or is connected to a coolant transport device at its ends 10, 11 opening out on the outside of the mold shell.
  • the coolant can be fed into the coolant channel at 10, the coolant then being able to be withdrawn again at 11 after passing through the coolant channel.
  • the ventilation insert 7 has a continuous ventilation channel 12, which connects the casting cavity 3 with the ambient atmosphere.
  • the ventilation insert 7 is preferably made of steel, while the sleeve 8 is made of ceramic material with poor thermal conductivity.
  • the length of the sleeve 8 is such that in the assembly position it extends over the entire length of the channel 6 and is flush with the channel 6 at the end opening towards the casting cavity 3.
  • the sleeve 8 has a collar 13 which, in the desired position, rests against the wall of the mold segment 2 next to the channel 6.
  • vent insert 7 closes with its end region facing the casting cavity 3 flush with the sleeve 8 and flush with the channel 6, as in FIG Figure 2 is made clear.
  • the coolant channel 9 is, as in the Figures 5.6 , 9.10 illustrated, designed so that it surrounds the ventilation channel 12 over its entire length, preferably in the manner of a helix.
  • the helix shape is in Figure 7 shown only as an example. It should clarify the shape and the course of the coolant channel 9.
  • the coolant can for example be supplied at 10 and withdrawn again at 11.
  • the ventilation insert 7 has a considerably smaller cross-section (diameter) in its area surrounded by the sleeve 8 than in the one across the sleeve 8 in the direction of the wall of the mold segment 2 facing away protruding end area.
  • the area with a smaller cross section is about half as large in diameter as the area with a larger cross section.
  • the ventilation channel 12 has a diameter of approx. 2 mm ⁇ 0.5 mm in a first area, which extends from the end opening into the casting cavity 3 to just above the end of the sleeve 8, in order to effect adequate air removal, as well as in the further area up to the end facing away from the casting cavity 3 has a larger diameter of for example up to 4 mm.
  • the ventilation channel 12 is widened conically.
  • the conical widening is denoted by 14.
  • the mouth 15 of this area is approximately oval or can also be slot-shaped or elliptical.
  • the conical region 14 extends approximately over a third to half the length of the first region of the Ventilation channel 12, which extends from its end opening into the casting cavity 3 to over the end of the sleeve 8.
  • the ventilation insert 7 has a mounting collar 16 with mounting holes 17. In the intended assembly position, this rests against a collar 13 of the sleeve 8 and overlaps it, as in particular in FIG Figure 2 It can be seen, this assembly collar 16 being fastened to the mold shell 2 with fastening means which engage through the fastening holes 17, for example screws.
  • the ventilation insert 7 has several zones, with the area A forming the solidification zone as the boundary area to the casting contour (cavity 3). Area B with the tightly coiled cooling channel is used for direct heat dissipation from zone A. The somewhat larger coiled area C of the cooling channel is used to dissipate heat in the remaining area of the ventilation insert 7.
  • the assembly of the entire unit is carried out with the following steps.
  • a hole is made (channel 6) into which the sleeve 8 made of poorly thermally conductive material, in particular ceramic, is tightly inserted, which is flush with the contour of the cavity 3.
  • the vent insert 7 is pushed tightly into the sleeve 8 with its end with a smaller diameter until the vent insert with its collar 16 rests on the collar 13 of the sleeve 8.
  • the entire unit is clamped and fastened to the corresponding molded part 2.
  • the function of the ventilation insert 7 during the casting process can be described in the following way.
  • a liquid casting material for example an aluminum alloy.
  • the casting material rises in the casting cavity 3 and displaces the air inside, in particular through the ventilation insert 7. Since the ventilation insert 7 has a sufficiently large air duct 12 of at least 2 mm in diameter, the air can escape very easily there.
  • the air first passes through the solidification zone A and then the further area of the ventilation channel 12. As soon as the air has escaped via the ventilation channel 12, the casting material rises below (at 14) into the area of the solidification zone A.
  • the solidification zone A is geometrically formed as a transition area which merges from an elliptical contour 15 into the smaller bore diameter of the ventilation channel 12.
  • the nozzle-shaped solidification zone at the end has a flow-compatible entry radius and necessary draft angles (preferably between 5 ° and 10 °).
  • the elliptical shape favors the solidification process in the direction of the smaller semiaxis, so that the formation of an insulation channel inside is counteracted and the melt is pinched off.
  • the helically designed 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 designed as a continuous helix and runs in area B and area C.
  • the descending coil supplies the cooling medium.
  • the ascending spiral leads the cooling medium together with the absorbed heat to the outside again.
  • the ascending branch meets the descending branch of the coil.
  • the sleeve 8 is used as an insulation element. As a result, the heat transport emanating from the casting material can essentially only take place at the end of the ventilation insert 7.
  • the cooling coil removes the heat from the cast material located in the solidification zone A and allows a cast fin to solidify there. If the cast part is now removed from the mold, this cast fin remains as an element protruding beyond the cast contour, which can be removed and leveled by simple reworking.
  • the heat dissipation is controlled, for example with water.
  • the heat dissipation in the ventilation insert 7 takes place on the one hand through the Thermal conduction of the material wall made of material with good thermal conductivity, in particular steel, to the continuous cooling channel 9 and, on the other hand, to the boundary layer of the cooling channels 9 as a result of a convective transition.
  • the heat transfer coefficient ⁇ is a function of several key figures, such as the Nusselt, Prandtl and Reynolds numbers. Since the cooling medium is usually fixed, for example water, and the channel cross-sections of the cooling channel 9 are geometrically predetermined, the heat dissipation is influenced essentially only via the flow speed of the cooling medium and its initial temperature. The temperature of the cooling medium is advantageously left to the ambient temperature, so that the flow rate or the flow rate per time is used to a decisive extent to control the cooling.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus Metall oder 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, wobei das oder jedes Entlüftungsmittel aus einem in den Luftsammelbereich mündenden die Wandung der Kokillenschale durchsetzenden Kanal besteht, wobei der Entlüftungseinsatz 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.
  • 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.
  • Aus der US 3 006 043 A ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussteilen aus Metall bekannt. Hierbei ist der Luftsammelbereich durch einen großvolumigen Schlitz an der Oberseite der Kokillenteilformen gebildet, an den ein Entlüftungsmittel außenseitig angesetzt ist. Das Entlüftungsmittel besteht aus einem großvolumigen Körper, der außenseitig einen zweiteiligen Körper aus schlecht wärmeleitendem Material aufweist, der innenseitig einen zweiteiligen Körper aus gut wärmeleitendem Werkstoff umgibt, wobei dieser gut leitende Körper einen vielfältig gewellten Entlüftungsschlitz zwischen seinen Teilkörpern aufweist. Zusätzlich sind zur Vermeidung von Wärmeübertragung zwischen dem Entlüftungsmittel und den Gießformen Luftschlitze angeordnet, die die Wärmeübertragung behindern oder vermeiden sollen. Zudem ist bei der bekannten Ausführungsform in den schlecht wärmeleitenden äußeren Bestandteilen des Entlüftungsmittels eine Anordnung von Kühlkanälen vorgesehen, die zu einem Freiraum zwischen dem gut wärmeleitenden Körper und dem äußeren schlecht wärmeleitenden Körper führen, um den gut wärmeleitenden Körper zusätzlich kühlen zu können.
  • Aus der JP 2013 166 154 A ist eine Anordnung von Abschreckplatten in Verbindung mit einer Gießform vorbekannt, die im wesentlichen ähnlichen Aufbau hat wie die aus der vorgenannten Druckschrift bekannte Ausführungsform.
  • Weitere Ausbildungen zur Entlüftung und Kühlung sind aus der EP 0 878 255 A2 und der EP 0 930 114 A1 bekannt.
  • 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 der Entlüftungseinsatz aus gut wärmeleitendem Werkstoff mit einer dem Entlüftungseinsatz umgebenden Hülse aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff eingesetzt und fixiert ist.
  • 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.
  • Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (14)

  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 (4) bilden, mindestens in einem der hoch gelegenen Bereiche Entlüftungsmittel aufweist, wobei das oder jedes Entlüftungsmittel aus einem in den Luftsammelbereich (4) mündenden die Wandung der Kokillenschale durchsetzenden Kanal (6) besteht, wobei der Entlüftungseinsatz (7) 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungseinsatz (7) aus gut wärmeleitendem Werkstoff mit einer den Entlüftungseinsatz (7) umgebenden Hülse (8) aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff eingesetzt und fixiert ist,
  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.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (8) bündig mit dem Kanal (6) an dem zur Gießkavität (3) hin mündenden Ende abschließt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (9) den Entlüftungskanal (12) über dessen gesamte Länge umgebend ausgeführt ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit kleinerem Querschnitt im Durchmesser etwa halb so groß wie der Bereich mit größerem Querschnitt ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (12) an seinem zur Gießkavität (3) mündenden Endbereich (14) konisch aufgeweitet verläuft, 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.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (12) von einer ovalen Mündung (15) oder schlitzförmigen Mündung in den kreisförmigen Querschnitt des Entlüftungskanals (12) übergeht.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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 befestigt ist.
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