Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum druck- und/oder vakuumgestützten Gießen von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Herstellen von Werkstücken mittels Gießverfahren liegt ein besonderes Ziel darin, an vorbestimmten Stellen des gegossenen Werkstückes vorbestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Hierzu werden beispielsweise mittels Gießen Verbundmaterialien hergestellt, wobei beispielsweise in einem äußeren Bereich eine hohe Verschleißfestigkeit des Werkstoffes erzielt wird, während ein innerer Trägerkörper im wesentlichen duktil ausgebildet ist. Die Qualität gegossener Werkstücke ist in hohem Maße von der Art des Einfüllvorganges der Schmelze in die Gießform und dem darauf folgenden Erstarrungsvorgang abhängig.
Für eine exakt gesteuerte Befüllung einer Gießform mit einer Schmelze ist es beispielsweise aus EP 0 624 413 A1 bekannt, die Schmelze in einem druckdicht abgeschlossenen Schmelzofen anzuordnen, wobei der innere Raum des Schmelzofens mittels einer Druckerzeugungsvorrichtung unter Druck setzbar ist. Aus dem Schmelzofen ragt ein Keramiksteigrohr, welches in die Schmelze im Ofen eintaucht und mit einem Formhohlraum der Gießform verbunden ist. Auf diese Weise wird durch das Unterdrucksetzen des Schmelzofens Schmelze durch das Steigrohr in den Formhohlraum der Gießform gedrückt. Durch entsprechende Steuerung des Druckes im Schmelzofen kann auf vorbestimmte Art und Weise der Formhohlraum der Giessform mit Schmelze gefüllt werden.
Nach dem Befüllen des Formhohlraums der Giessform mit Schmelze ist es wünschenswert, zum Herstellen eines besonders homogenen und dichten Gefüges einen Nachdruck zu einem Zeitpunkt zu erzeugen, zu dem die Schmelze nur zum Teil durch Abkühlung auskristallisiert bzw. erstarrt ist. Hierzu ist es beispielsweise aus der DE-AS 1292795 bekannt, bei einer Niederdruckgiessvorrichtung nach dem Befüllen des Formhohlraumes mit Schmelze einen erhöhten Druck im Schmelzofen zu erzeugen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass durch die vielen, dem Steigrohr vorgelagerten Komponenten, wie Schmelzofen, Schmelztiegel und Druckerzeugungsvorrichtung, ein exaktes Halten eines vorbestimmten Druckes über eine längere Zeit schwierig ist. Es kommt systembedingt zu unerwünschten Druckschwankungen. Femer ist das in die Schmelze eintauchende Steigrohr aus Keramik gefertigt und somit nicht geeignet, einem höheren Nachverdichtungsdruck standzuhalten. Daher ist ein entsprechender Nachverdichtungsdruck auf relativ niedrige Drücke begrenzt, um eine Zerstörung des Keramiksteigrohres zu verhindern.
Aus der EP-A 937 525 ist eine Vorrichtung für das Niederdruckgiessen von Leichtmetallen insbesondere Aluminium bekannt, die ein druckbeaufschlagtes Schmelzegefäss enthält, in welches ein Steigrohr mit einem Verschluss nahe seiner äusseren Mündung eintaucht. Der Verschluss der Mündung des Steigrohres ist unmittelbar verschliessend bewegbar. Am Ende eines jeden Giesstaktes wird die vom Steigrohr in den Einguss reichende Schmelzesäule nahe der Mündung des Steigrohres unter gleichzeitigem Verschluss desselben abgeschert, wobei das beim Abscheren der Schmelzesäule nach oben verdrängte Schmelzevolumen in den Einguss der Giessform verdrängt wird und zumindest ein die Schmelzesäule gegen den Verschluss haltender Überdruck aufrecht erhalten wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der o.g. Art zu schaffen, mit der eine Nachverdichtung mit hohem Nachverdichtungsdruck möglich ist und gleichzeitig der hohe Nachverdichtungsdruck über einen längeren Zeitraum mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Bei der erfindungsgemädssen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Verschlussmittel und die zweite Druckerzeugungsvorrichtung einstückig als ein Kolben ausgebildet sind, welcher oberhalb des Steigrohrs angeordnet ist, wobei der Kolben an einem steigrohrseitigen Ende über einen ersten vorbestimmten axialen Bereich einen ersten Durchmesser aufweist, welcher einem Innendurchmesser des Steigrohres derart entspricht, dass der Kolben bei Einschieben in das Steigrohr mit dem ersten vorbestimmten axialen Bereich das Steigrohr druckdicht gegen den Formhohlraum verschließt, und in einem benachbarten zweiten vorbestimmten axialen Bereich einen Durchmesser aufweist, welcher dem Innendurchmesser der Formhohlraumerweiterung entspricht.
Dies hat den Vorteil, daß mit einer einzigen Bewegung eines einzigen Kolbens das Steigrohr verschlossen und gleichzeitig eine Nachverdichtung mit erhöhtem Druck im Formhohlraum durchführbar ist. Durch das Abschließen des Steigrohres vom Formhohlraum ist ein Schutz für das empfindliche Steigrohr vor entsprechenden Nachverdichtungsdrücken im Formhohlraum geschaffen, wodurch höhere Nachverdichtungsdrücke realisierbar sind. Femer sind durch die Abkopplung des Steigrohres negative Einflüsse auf die Nachverdichtung durch Druckschwankungen in der ersten Druckerzeugungsvorrichtung und/oder im Schmelzofen wirksam vermieden, wodurch sich bei der Nachverdichtung ein homogeneres Werkstoffgefüge einstellt. Ferner sind Druckschwankungen im Formhohlraum während der Nachverdichtung aufgrund von temperaturbedingten Verformungen des Steigrohres oder bezüglich des Steigrohres stromaufseitigen Komponenten verhindert.
Zweckmäßigerweise ist die erste Druckerzeugungsvorrichtung ein Druckbehälter und/oder ein Kompressor und/oder eine Vakuumpumpe.
Die Gießform ist beispielsweise eine Dauerform oder eine verlorene Form, insbesondere eine Kokille oder eine Sandgußform.
Die hergestellten Werkstücke sind beispielsweise Kolben, Bremsscheiben, Pleuel, Felgen u.a. oder Bauteile, bei denen Infiltration oder auch Gradientenstruktur sowie lokal verstärkte Bereiche realisiert sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Die aus Fig. 1 und 2 ersichtliche Gießvorrichtung umfaßt einen Schmelzofen 10 mit Beheizung 12, wie beispielsweise einer Heizwicklung, einer induktiven Heizung oder einer Widerstandsheizung, und mit einem im Schmelzofen 10 angeordneten Schmelztiegel 14. Der Schmelzofen 10 ist mittels eines Deckels 16 und einer entsprechenden Dichtung druckdicht abgeschlossen. Der so ausgebildete Druckraum 20 ist mittels einer ersten Druckerzeugungsvorrichtung 22, wie beispielsweise einem Druckbehälter, mit einem vorbestimmten Druck beaufschlagbar.
Durch den Deckel 16 hindurch erstreckt sich ein Steigrohr 24, beisp. ein Keramiksteigrohr, das in eine in dem Schmelztiegel 14 angeordnete Schmelze 26 eintaucht. An einem dem Schmelzofen 10 abgewandten Ende des Steigrohres 24 mündet dieses in einen Formhohlraum 28, welcher sich bis in eine Gießform 30, beisp. in eine Kokille, erstreckt. In der Gießform 30 bildet der Formhohlraum 28 in der dargestellten Ausführungsform einen Hohlraum zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine aus. Es ist jedoch klar, daß in der Gießform 30 jede beliebige Form ausgebildet sein kann. Es ist ferner eine Vakuumpumpe 32 vorgesehen, welche wahlweise die Gießform 30 abpumpt.
Benachbart bzw. axial fluchten gegenüberliegend zur Einmündung des Steigrohres 24 in dem Formhohlraum 28 ist eine Formhohlraumerweiterung 80 ausgebildet, in welcher ein Kolben angeordnet ist. Dieser Kolben ist in Pfeilrichtung 44 bewegbar und weist einen ersten Abschnitt 36 auf, welcher in seinem Außendurchmesser einem Innendurchmesser des Steigrohres 24 entspricht. In einem weiteren Abschnitt 38 weist der Kolben einen Außendurchmesser auf, welcher dem Innendurchmesser der Formhohlraumerweiterung 80 entspricht und größer als der Innendurchmesser des Steigrohres 24 ist. Der Außendurchmesser des Abschnittes 36 ist dabei derart gewählt, daß bei Einschieben dieses Abschnittes 36 in eine formhohlraumseitige Öffnung bzw. Einmündung des Steigrohres dieses druckdicht gegen den Formhohlraum verschlossen wird.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zunächst Schmelze 26 über das Steigrohr 24 in den Formhohlraum 28 eingeleitet. Nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, in der eine Auskristallisation bzw. Erstarrung der Schmelze im Formhohlraum 28 vorzugsweise an den Randbereichen zur Gießform 30 stattgefunden hat, wird der Kolben nach unten in Pfeilrichtung 44 gemäß Fig. 1 bewegt. Durch diese Abwärtsbewegung des Kolbens kommt dieser in eine Position, in der er die Einmündung 40 des Steigrohres 24 in den Formhohlraum 28 bzw. in die Formhohlraumerweiterung 80 mit dem ersten Abschnitt 36 verschließt. Diese Position ist in Fig. 2 dargestellt. Während des Verschließens des Steigrohres 24 mittels des Abschnittes 36 ist es von großer Bedeutung, daß die im Formhohlraum 28 bereits vorhandene Schmelze 26 in keiner Weise durch die Bewegung des Kolbens 36 bewegt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß bis zum Verschließen des Steigrohres 24 der Formhohlraum mit dem Steigrohr 24 und dem Druckraum 20 des Schmelzofens 10 verbunden bleibt, so daß sich durch die Bewegung des Kolbens kein Druck im Formhohlraum 28 aufbauen kann, da dieser in Richtung Schmelzofen 10 entweicht.
In der in Fig. 2 dargestellten Situation ist das Steigrohr 24 gegen den Formhohlraum 28 durch den ersten Abschnitt 36 vollständig und druckdicht verschlossen. Nunmehr kann in einem weiteren Schritt der Aufbau eines Nachverdichtungsdrukkes in dem Formhohlraum 28 erfolgen, wobei durch den Verschluß mittels des ersten Abschnittes 36 des Kolbens dieser Nachverdichtungsdruck nicht in das Steigrohr 24 und diesem vorgeschaltete Komponenten zurückwirken kann. Das Steigrohr 24 ist somit vor dem nachfolgend im Formhohlraum 28 erzeugten Nachverdichtungsdruck geschützt. Zum Erzeugen des Nachverdichtungsdruckes wird der Kolben weiter in Pfeilrichtung 44 bewegt, wobei der zweite Abschnitt die Formhohlraumerweiterung 80 und damit den Formhohlraum 28 selbst verkleinert, wodurch sich ein erhöhter Druck in dem Formhohlraum 28 aufbaut. Je weiter der Kolben in Richtung Steigrohr 24 bewegt wird, desto höher ist der in dem Formhohlraum 28 aufgebaute Druck. Durch diese Verschiebung des Kolbens ergibt sich durch die entsprechende Volumenverringerung des Formhohlraums 28 ein hoher Nachverdichtungsdruck. Da der Formhohlraum 28 ansonsten mit keinen beweglichen, druckvariablen oder druckinstabilen Teilen mehr verbunden ist, wie beisp. dem Steigrohr 24 oder dem Ofen 10, ergeben sich keine unerwünschten Schwankungen des Nachverdichtungsdruckes im Formhohlraum 28. Die Position des Kolbens kann sehr genau eingestellt und gehalten werden, so daß sich ein sehr genau vorbestimmbarer und besonders gut über einen längeren Zeitraum konstant haltbarer Nachverdichtungsdruck im Formhohlraum 28 ergibt. In der Folge wird ein besonders homogenes und gleichmäßiges Gefüge in dem so unter dem hohen Nachverdichtungsdruck stehenden Werkstück in der Gießform 30 erzielt.
Ein besonderes Problem ergibt sich beim Gießen mittels eines Niederdruckofens in eine Sandform, wobei ein im Sand der Sandform befindliches Gas mit der Schmelze reagieren kann. Daher wird, um dem entgegenzuwirken, folgendermaßen vorgegangen:
Dieses Verfahren ist sowohl bei metallischen Dauerformen mit Sandkemen als auch bei anderen Einlagen sowie bei Sandformen anwendbar. Im Falle der Sandform wird in einer vorteilhaften Weiterbildung das Sandpaket durch eine mit Schutzgas geflutete Haube bedeckt.
Durch die Nachverdichtung ergibt sich eine verkürzte Zykluszeit, da das Metall an Wänden der Form 30 gedrückt wird. Dies führt zu einem schnelleren Wärmeübergang. Im Gegensatz zur herkömmlichen Nachverdichtung ergibt sich eine turbulenzarme Formfüllung, da die Nachverdichtung erst nach vollständiger Formfüllung einsetzt.
Diese Technologie bietet u.a. ein großes Potential für die Herstellung von Verbundbauteilen, die durch beispielsweise Infiltration einer Vorform (preform) aus metallischem oder keramischem Material hergestellt werden. Ein Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren oder Bremsscheiben für Eisenbahnzüge. Eine besonders vorteilhafte Erweiterung des Gießverfahrens ergibt sich aus einer Kombination von Niederdruckgießen, Gegendruckgießen und Vakuumgießen. Die Erfindung kann sowohl bei metallischen Dauerformen als auch verlorenen Sandformen oder anderen Gießformen eingesetzt werden. Ein wesentliches Element der Erfindung liegt dabei darin, daß zunächst die Einmündung 40 des Steigrohrs 24 abgeschlossen wird. Die darauffolgende Nachverdichtung kann somit ohne Beschädigung des Steigrohres 24 durch entsprechende weitere Bewegung des einzigen Kolbens erfolgen. Gegebenenfalls wird der Prozeßablauf durch ein Vakuumziehen mittel der Vakuumpumpe 32 unterstützt.