VORRICHTUNG ZUM NIEDERDRUCKGIESSEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Niederdruckgießen, die eine einen Ofenraum begrenzende Ofenwandung, eine im Ofenraum angeordneten Schmelztiegeleinrichtung, eine Heizeinrichtung zum Erhitzten der Schmelztiegeleinrichtung, zumindest eine Druckeinrichtung zum Anlegen eines Überdrucks an die Schmelztiegeleinrichtung umfasst. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der Ofenraum in einer Draufsicht eine größere Länge im Vergleich zur Breite aufweist, so dass der Ofenraum eine in einer Längsrichtung langestreckte Form ausbildet, wobei, vorzugsweise in etwa gleichmäßig verteilt, über in etwa 60% bis 95% der Länge des Schmelztiegels in Längsrichtung mehrere sich in vertikaler Richtung erstreckende Steigrohre angeordnet sind.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Niederdruckgießen.

[0002] Niederdruckgießen ist ein industrielles Gießverfahren zur Herstellung von Gussstücken. Dabei wird Metallschmelze, insbesondere Aluminium, aber auch Magnesium, Kupfer, Eisen und/oder Stahl mittels zumindest eines Steigrohrs von unten in einen Formhohlraum einer Gussform, meist eine Kokille (Dauerform), oder eine Sandform oder Feingussform (Schalenform) gedrückt. Eine entsprechende Aufwärtsbewegung des flüssigen Metalls entgegen der Schwerkraft erfolgt zumeist durch Gasdruckbeaufschlagung (Gasdruckprinzip) der Schmelze.

[0003] Eine entsprechende Vorrichtung zum Niederdruckgießen umfasst demgemäß einen Ofenraum, in dem ein Schmelztiegel anordbar ist, eine entsprechende Heizeinrichtung zum Erwärmen einer in dem Schmelztiegel vorgehaltenen Schmelze. Weiterhin ist der Ofenraum mit einem Gas beaufschlagbar, wobei im Schmelztiegel ein Steigrohr derart angeordnet ist, dass nach einer entsprechenden Beaufschlagung des Ofenraumes mit einem Gas, z.B. Druckluft, die Schmelze über ein Steigrohr in eine meist zweigeteilte Gussform (bewegliches Oberteil, festes Unterteil) gedrückt wird, wobei ein Formhohlraum der Gussform durch die aufsteigende Schmelze gefüllt wird. Die Gussform kann einen Gießkolben (plunger) und pressluftgesteuerte Verschlüsse aufweisen.

[0004] Derartige Schmelztiegel sind aus Tongrafit ausgebildet und werden bei der Herstellung gebrannt. Die Tiegel weisen in der Draufsicht eine kreisförmige Form auf. Aufgrund des Herstellungsprozesses der Tiegel ist die maximale Größe der Tiegel begrenzt. Ein Innendurchmesser dieser Tiegel beträgt in etwa 1730 mm Ein maximaler Innendurchmesser beträgt in etwa 1350 mm auf dem Steigrohre bzw. deren Zentrale Längsachsen anordbar sind.

[0005] Durch die Gasdruckbeaufschlagung der Schmelze gelangt diese steigend über das Steigrohr in einen Formhohlraum. Nach der vollständigen Füllung der Gussform bleibt der Gasdruck aufrechterhalten, um eine Nachspeisung zum Ausgleich von Volumendefiziten (Lunkern) beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand sicherzustellen. Dabei ist eine gerichtete Erstarrung von oben nach unten erwünscht, um eine möglichst günstige Gussstückgestaltung und/oder Querschnittsabstufungen zu realisieren. Diese Technik begünstigt einen dichten und porenfreien Guss.

[0006] Bei der Konstruktion der Gussform muss darauf geachtet werden, dass das flüssige Metall alle Formbereiche füllt, bevor in den vom Einguss entfernten und dünnwandigen Partien die Erstarrung einsetzt. Um das Entstehen von Volumendefiziten, die Bildung von Lunkern, zu verhindern, ist es meist erforderlich, bei bestimmten Bereichen des Gussstücks die Erstarrung entweder durch Isolation zu verzögern oder sie durch Kühlstifte zu beschleunigen.

[0007] Um Hohlräume bzw. komplexe Konturen abzubilden, sind Gießkerne, auch in Form von Kernpaketen, erforderlich, die vor der Formfüllung an entsprechenden Stellen der Kokille fixiert werden. Nach dem Abkühlen wird die Form geöffnet und das Gussteil entnommen. Die eingesetzten Kerne, deren Bindemittel vergast oder verbrannt ist, werden durch eine Rüttelvorrichtung aus dem Gussteil entfernt. Auch Salzkerne finden Verwendung, zu deren Entfernung das Gussteil in Wasser gelegt wird. Metallische Kerne werden mit einem Knippeisen gezogen, bevor die Form geöffnet wird.

[0008] Der Einsatz von Sandkernen in den abzugießenden Formen oder das Abgießen von kompletten Sandpaketen ist ein weit verbreitetes Verfahren. Ist jedoch eine extrem hohe Oberflächengüte ohne sichtbare Fehlstellen erforderlich, kommen auch Kerne aus Gips zum Einsatz.

[0009] Sandgießanlagen bieten ein breites Anwendungsspektrum. Dies beginnt bei den Formen, die von chemisch gebundenen Sandformen über Konstruktionen mit Grünsandformanlagen bis zu Gipsformen für spezielle Teile mit hohen Anforderungen an die Konturgenauigkeit reichen. Im Feinguss in Keramikformen sind sogar feine Strukturen von 1 mm Wandstärke möglich. So vielfältig die Formen sind, so unterschiedlich sind die Teile. Von kleinen Teilen mit nur wenigen kg Gewicht bis zu ganzen Gehäusen von 260 kg und mehr Gussgewicht ergibt sich eine breite Palette vom High-Tech-Prototypen-Einzelteil bis hin zur Großserienanwendung.

[0010] Geometrisch komplizierte Keramiktrauben sollten schnell und dennoch beruhigt gefüllt werden. Eine solche Art der Formfüllung ist nötig, um sehr dünnwandige Teile mit vielen Querschnittsänderungen gießen zu können. Zudem müssen dabei die geforderten mechanischen Eigenschaften erreicht werden.

[0011] In der DE 199 36 973 A1 ist eine Vorrichtung zum Niederdruckgießen von Metallen offenbart. Diese umfasst einen Gießofen mit einer Einfüllkammer und ein Steigrohr, das endseitig über eine Gießdüse sukzessive mit Hohlräumen aufweisenden Sand-Gussformkästen verbindbar ist. Die Gießdüse ist aus feuerfestem Material ausgebildet und weist ein auswechselbares Mundstück auf.

[0012] Aus der DE 10 2008 051 998 A1 geht ein Gießverfahren hervor, bei dem flüssiges Gießmaterial aus einem Niederdruckofen und der Niederdruck über eine Eingusssäule entgegen der Schwerkraft zu einem in Sand eingebetteten Schaumstoffmodell eines Gusskörpers in einem Gießbehälter transportiert wird. Dabei wird das Schaumstoffmodel zerstört und hinterlässt einen Hohlraum, der mit dem Gießmaterial aufgefüllt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass der Niederdruck am Niederdruckofen nach Beendigung des Gießens soweit abgesenkt wird, dass zumindest ein Teil des noch in der Eingusssäule befindlichen und noch flüssigen Gießmaterials in den Niederdruckofen zurückfließt.

[0013] In der DE 10 2004 050 781 A1 ist ein Niederdruckvollformgießverfahren offenbart, bei der eine geregelte Formfüllung ermöglicht werden soll, wobei im Bereich einer Verbindungsöffnung eines Formbehälters das flüssige Metall durch ein eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Verbindungsstück transportiert wird. Infolgedessen soll eine gerichtete Erstarrung von unten nach oben und eine feinkörnige Struktur des Urstücks erreicht werden.

[0014] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Gießen bereitzustellen, mit der Bauteile mit großen Grundflächen und/oder relativ dünnwandige Bauteile sicher und zuverlässig herstellbar sind.

[0015] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Gießen bereitzustellen, die energieeffizient ausgebildet sowie einfach aufgebaut ist und die sicher und zuverlässig im Betrieb ist.

[0016] Eine oder mehrere dieser Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0017] Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Niederdruckgießen vorgesehen. Diese umfasst eine einen Ofenraum begrenzende Ofenwandung, eine im Ofenraum angeordnete Schmelztiegeleinrichtung, eine Heizeinrichtung zum Erhitzen der Schmelztiegeleinrichtung, und zumindest eine Druckeinrichtung zum Anlegen eines Überdrucks an die Schmelztiegeleinrichtung. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ofenraum in einer Draufsicht eine größere Länge im Vergleich zu seiner Breite aufweist, so dass der Ofenraum eine in einer Längsrichtung langgestreckte Form ausbildet, wobei vorzugsweise in etwa gleichmäßig verteilt über in etwa 60% bis 95% der Länge in Längsrichtung des zumindest einen Schmelztiegels mehrere, sich in vertikaler Richtung erstreckende Steigrohre angeordnet sind.

[0018] Unter einer in einer Längsrichtung langgestreckten Form wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass der Ofenraum in einer Draufsicht von oben in etwa rechteckförmig mit oder ohne abgerundete bzw. abgeschrägte Ecken oder elliptisch bzw. oval ausgebildet ist. Das bedeutet, es sind Formen vorgesehen, die eine größere Länge im Vergleich zu ihrer Breite aufweisen, so dass eine Erstreckung entlang der Länge der Form in der Draufsicht als Längsrichtung bezeichnet wird.

[0019] Dadurch, dass der Ofenraum in einer Draufsicht eine größere Länge im Vergleich zu seiner Breite aufweist, so dass der Ofenraum eine in einer Längsrichtung langgestreckte Form ausbildet, wobei vorzugsweise in etwa gleichmäßig verteilt über in etwa 60% bis 95% der Länge des Schmelztiegels mehrere, sich in vertikaler Richtung erstreckende, Steigrohre angeordnet sind, kann gegenüber einem Ofenraum mit einem einzigen zylindrischen Schmelztiegel ein wesentlicher größerer Steigrohrabstand vorgesehen werden. Auf diese Weise ist es möglich, relativ große und/oder dünnwandige Gussteile herzustellen.

[0020] Relativ große Gussformen für dünnwandige Bauteile können häufig nur relativ langsam befüllt werden. Dies ist dahingehend nachteilig, dass es zu einem relativ raschen Abkühlen der Schmelze während des Befüllens kommt. Zudem ist es auf Grund von Volumendefiziten und der Bildung von Lunkern generell schwer derartige Formen zu befüllen.

[0021] Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Raster von Steigrohren vorgesehen werden, das sich über eine größere Distanz als bei herkömmlichen Schmelzöfen erstrecken kann.
Im Folgenden wird der Abstand zwischen zwei maximal voneinander in einem solchen Raster beabstandeten Steigrohren als Steigrohrdistanz bezeichnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Steigrohren in einem solchen Steigrohrraster wird als Steigrohrabstand bezeichnet.

[0022] Die Erfindung erlaubt somit Raster mit einem Steigrohrabstand von minimal 250 mm und insbesondere minimal 200 mm. Die Steigrohrdistanz kann zumindest 105 cm bzw. zumindest 110 cm vorzugsweise zumindest 135 cm, insbesondere zumindest 150 cm bzw. zumindest 180 cm oder zumindest 200 cm betragen. Weiterhin kann mit der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Öfen ein größeres Schmelztiegelvolumen bereitgestellt werden. Auf diese Weise steht mehr Material zum Vergießen zur Verfügung.

[0023] Insbesondere ist bei der vorliegenden Erfindung durch die große Steigrohrdistanz der in Längsrichtung endseitig angeordneten Steigrohre, vorteilhaft, dass bei einer großen Form das flüssige Metall alle Formbereiche mit kurzem Weg innerhalb der Gussform erreicht und so diese zuverlässig füllt, bevor in den vom Einguss entfernten und insbesondere dünnwandigen Bereichen der zu gießenden Gussform die Erstarrung einsetzt.

[0024] Auf diese Weise wird die Entstehung von Volumendefiziten, die Bildung von Lunkern, effektiv verhindert. Da in dem zumindest einen Schmelztiegel mehrere Steigrohre zum Befüllen der Gussform über eine größere Länge in Längsrichtung angeordnet sind kommt es bei der Erstarrung in nahezu keinem Bereich des Gussstücks vor, das die Erstarrung entweder durch Isolation verzögert oder durch Kühlstifte beschleunigt werden muss. Somit kann eine entsprechende Vorrichtung äußerst kostengünstig und wartungsarm aufgebaut werden, da auf die entsprechenden Bauteile verzichtet werden kann. Weiterhin sind große Gussstücke von hoher Qualität sicher und zuverlässig herstellbar.

[0025] Dadurch ist es möglich, relativ große, dünnwandige Bauteile, wie z.B. Batteriegehäuse für Kraftfahrzeuge, herzustellen, beziehungsweise Gussformen zum Herstellen solcher Bauteile auf einfache Weise effizient zu Befüllen.

[0026] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Niederdruckgießen ermöglicht somit einen gesteuerten Druckfüllprozess und ist durch die große Steigrohrdistanz zur Herstellung dünnwandiger Gussteile besonders geeignet. Weiterhin lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht Vollautomatisieren, wodurch eine hohe Wirtschaftlichkeit in der Serienfertigung durch steuerbare Prozesse erzielt wird.

[0027] Zudem lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine turbulenzarme Formfüllung mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Druckkurven für einen Formfüllprozess verwenden. Der Druck kann mit einer Druckkurve gesteuert werden, bei welcher bis zu 20 Punkte (Druck/Zeit) aufeinanderfolgend ansteuerbar sind. Durch eine hohe Druckspeisung ist es möglich, beste Gefügeeigenschaften im zu gießenden Bauteil zu erreichen.

[0028] Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die mehreren, Steigrohre über eine Länge von in etwa 60% bis 75% bis in etwa 75% bis 95% in Längsrichtung des Schmelztiegels angeordnet sind.

[0029] Eine kleinste Distanz zweier in Längsrichtung, jeweils endseitig angeordneter Steigrohre bzw. der in Längsrichtung am weitesten voneinander beabstandeten bzw. endseitig angeordneten Steigrohre, kann zumindest 105 cm bzw. 110 cm bis 220 cm betragen. Alternativ kann eine kleinste Distanz der endseitig angeordneten Steigrohre auch im Bereich zwischen 115 cm bis 195 cm bzw. 120 cm bis 190 cm bzw. 130 cm bis 180 cm betragen.

[0030] Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Schmelztiegeleinrichtung ein wannenartig ausgebildeter Schmelztiegel sein, der in einer Draufsicht in etwa eine langgestreckte Form aufweisen.

[0031] Unter einem wannenartigen Schmelztiegel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Form verstanden, die in einer Draufsicht eine größere Länge im Vergleich zur Breite aufweist und beispielsweise rechteckförmig mit abgerundeten oder abgeschrägten Ecken oder oval bzw. elliptisch ausgebildet ist. Dabei weist der Schmelztiegel eine größere Erstreckung in der in Längsrichtung im Vergleich zu einer quer dazu verlaufenden Breitenrichtung bzw. einer Breite und einer in vertikaler Richtung erstreckenden Höhe auf.

[0032] Die Heizeinrichtung kann dann vorzugsweise im Schmelztiegel im Bereich einer den Schmelztiegel begrenzenden Bodenwandung und oder diesen in vertikaler Richtung umgebend angeordnet sein.

[0033] Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Heizeinrichtung sich im Bereich der Bodenwandung in horizontaler Richtung, insbesondere quer zur Längsrichtung oder auch in Längsrichtung erstreckt.

[0034] Dadurch, dass im Bereich einer den Schmelztiegel begrenzenden Bodenwandung die Heizeinrichtung angeordnet ist, kann die Schmelze von unten erhitzt werden. Der Schmelztiegel wird mit flüssiger Schmelze beladen. Die Heizeinrichtung muss daher lediglich die Wärme zur Verfügung stellen, welche von der Schmelze während der Verweildauer im Schmelztiegel abgegeben wird. Die Heizeinrichtung wird nicht zum Aufschmelzen der Schmelze verwendet.

[0035] Dadurch, dass die Heizeinrichtung im Bereich des Bodens des Schmelztiegels angeordnet ist, ist es möglich, zusätzlich Heizstrahler oberhalb der Schmelze vorzusehen. Dies erlaubt eine zusätzliche Wärmezufuhr. Jedoch begrenzen derartige Heizstrahler das Raster an Steigrohren, weshalb vorzugsweise alleine eine im Bodenbereich vorgesehene Heizeinrichtung ausgebildet wird.

[0036] Die Heizeinrichtung weist vorzugsweise mehrere elektrisch betriebene Heizstäbe. Die Heizstäbe können jeweils in einem Aluminiumtitanatrohr angeordnet sein. Die Aluminiumtitanatrohre können ein Stück beabstandet vom Boden des Schmelztiegels angeordnet oder unmittelbar in die Bodenwandung des Schmelztiegels integriert sein. Das Integrieren der Aluminiumtitanatrohr bzw. der Heizstäbe in die Bodenwandung ist beim Reinigen des Schmelztiegels vorteilhaft.

[0037] Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Schmelztiegeleinrichtung zwei, in der Draufsicht kreisförmig ausgebildete Schmelztiegel, die im Ofenraum angeordnet sind, aufweisen.

[0038] Dadurch, dass zwei Schmelztiegel im Ofenraum angeordnet sind, wobei jeder Schmelztiegel zumindest ein Steigrohr aufweist, kann gegenüber einem Ofenraum mit einem einzigen in der Draufsicht kreisförmigen Schmelztiegel ebenfalls eine große Steigrohrdistanz vorgesehen werden.

[0039] Diese beiden Schmelztiegel können in horizontaler Richtung geringfügig beabstandet voneinander angeordnet sein. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die zwei Schmelztiegel in einem aneinander angrenzenden Bereich einander geringfügig überlappen, so dass die zwei Schmelztiegel von einer gemeinsamen Trennwandung räumlich voneinander getrennt sind.

[0040] Jeder dieser Schmelztiegel kann eine separate Druckeinrichtung aufweisen. Durch das Vorsehen zweier Schmelztiegel besteht die Gefahr, dass in beiden Schmelztiegeln unterschiedliche Drücke vorherrschen können, so dass die Schmelze mit unterschiedlichem Druck über die Steigrohre in eine Form getrieben wird. Daher weisen die beiden Druckeinrichtungen jeweils eine separate Druckregeleinrichtung für die einzelnen Tiegel auf.

[0041] Durch das Vorsehen zweier separater Druckeinrichtungen können zwei kleine Gussformen unabhängig voneinander aber gleichzeitig mit Schmelze aus jeweils einem der beiden Tiegel gefüllt werden. Mit dieser Vorrichtung kann selbstverständlich auch eine große Gussform mit Schmelze aus beiden Tiegeln gleichzeitig befüllt werden.

[0042] Die Heizeinrichtung kann jeden der Schmelztiegel in einer horizontalen Draufsicht von oben in einem Winkel von in etwa, jeweils 200°, beziehungsweise 235°, beziehungsweise 270°, beziehungsweise 300° umgeben. Auf diese Weise ist eine äußerst effiziente Erwärmung der in den Schmelztiegeln vorgehaltener Schmelze möglich.

[0043] Die Schmelztiegel können in etwa zylinderförmig ausgebildet sein und in einer Draufsicht von oben einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Durch den kreisförmigen Querschnitt der Schmelztiegel liegen gleichmäßigere Druckverhältnisse in der Schmelze vor, wenn diese mittels der Druckeinrichtung durch Anlegen eines Überdrucks an den Ofenraum mit Druck beaufschlagt werden.

[0044] Weiterhin kann eine Umwälzeinrichtung zum Umwälzen der in dem bzw. den Schmelztiegeln vorgehaltenen Schmelze vorgesehen sein. Diese Umwälzeinrichtung kann beispielsweise als Rotor oder als Impeller ausgebildet sein, um die Schmelze zur gleichmäßigen Erwärmung mit der Umwälzeinrichtung umzuwälzen.

[0045] Die Steigrohre der Schmelztiegel bilden vorzugsweise in der Draufsicht ein in etwa rechteckförmiges oder ovales Steigrohrarray zum Befüllen einer Gussform aus. Das Steigrohrarray kann in der Längsrichtung zumindest acht, insbesondere zumindest zehn und vorzugsweise zumindest zwölf Steigrohre und in einer quer dazu verlaufenden Breitenrichtung zumindest drei bzw. zumindest vier Steigrohre umfassen.

[0046] Die Vorrichtung zum Niederdruckgießen kann an eine Gussform mit einer Grundfläche von in etwa 2,20 m x 1, 35 cm aufweisen.

[0047] Die Ofenwandung kann eine Ofenaußenwandung aufweisen, die vorzugsweise aus Stahl ausgebildet ist und/eine Ofenzwischenwandung, die zwischen der Ofenaußenwandung und der Heizeinrichtung und/oder dem bzw. den Schmelztiegeln vorgesehen ist, die vorzugsweise aus Keramik ausgebildet ist.

[0048] Die Schmelztiegel können im Wesentlichen aus Tongrafit mit einem Siliziumanteil ausgebildet sein.

[0049] Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Niederdruckgießen mit vorzugsweise einem in etwa rechteckförmigen oder ovalen Steigrohrarray sind bspw. Leichtmetallgussteile mit besonders hohen Anforderungen an Festigkeit, Dehnung, Druckdichtheit und Schweißbarkeit herstellbar.

[0050] Die qualitativen und wirtschaftlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung für hoch beanspruchbare Aluminiumgussteile ist durch die beiden Schmelztiegel und das Steigrohrarray begründet. Die Schmelze wird durch Gasdruckbeaufschlagung der Schmelztiegel über das Steigrohrarray oder eine Verteilerbox programmier- und steuerbar in die Gussform aus Stahl oder Gusseisen verbracht. Nach Einsetzen der Randschalenerstarrung wird der Gasdruck zur Dichtspeisung erhöht, der Speisungsdruck liegt hierbei etwa vierzigmal höher als beim Schwerkraftgießen.

[0051] Das bringt auf Grund der Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und insbesondere des Steigrohrarrays folgende Vorteile, wie z.B.:

• äußerst turbulenzarme Formfüllung mit bis zu zwanzig unterschiedlichen Druckkurven für nur einen Formfüllprozess,
• hohe Druckspeisung für beste Gefügeeigenschaften, und
• hoher Automatisierungsgrad des Gießprozesses.

[0052] Das führt zu folgenden Effekten, die sich bei der Gussfertigung und in den Gussteileigenschaften widerspiegeln und den Forderungen der Gussanwender und Gusskonstrukteure bezüglich höher belastbarer und leichterer Gussteile vielfach besser entsprechen können, als mit bekannten Niederdrucköfen hergestellte Gussteile:

• feinkörniges Gefüge durch gelenkte Erstarrung (Luft/Wasser/LW-Gemische),
• höhere Festigkeits- und Dehnungseigenschaften als bei Schwerkraft- Kokillengussteilen,
• hohe Druckdichtheit durch oxid- und porenarmes Gefüge,
• problemlose Schweißbarkeit durch Porenfreiheit, und
• hohe Wirtschaftlichkeit in der Serienfertigung durch steuerbare Prozesse.

[0053] Das Niederdruckgießen von Aluminiumgussteilen in Kokillen auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist aufgrund des wannenförmigen Schmelztiegels bzw. der beiden Schmelztiegel und des Steigrohrarrays erhebliche Vorteile auf. So erfolgt die Formfüllung äußerst turbulenzarm und ist maschinenseitig über unterschiedliche Druckkurven für nur einen Formfüllprozess steuerbar, was vor allem für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Teilen dienlich ist. Die Schmelze hat bei der Formfüllung keinen Kontakt mit der Umgebung, weshalb sie sauber bleibt. Durch die hohe Druckspeisung sind diese Gussteile dicht und erhalten beste Gefügeeigenschaften.

[0054] Der Gießprozess ist auf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Niederdruckgießen hoch automatisierbar, weshalb das Verfahren auch für die Serienfertigung besonders gut geeignet ist. Die Vorrichtung zum Niederdruckgießen kann daher mit einer Gießsteuerungseinrichtung versehen sein, die neben der Vordruckbestimmung auch die Nutzung von mehreren weiteren Druckstufen mit einer Regelgenauigkeit von +/-1 mbar ermöglicht, und mit Handlingrobotern, Peripheriegeräten und Fördertechnik ausgestattet werden kann. Eine hoch produktive Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Niederdrucken mit Shuttlewechselofen und Medienbaumkühlung (Wasser, Luft, Nebel) und Steuerung über Zeit und Temperatur, die selbst die prozesssichere Herstellung komplizierter Gusssortimente wie Motorblöcken- oder Fahrwerksteilen usw. ermöglicht.

[0055] Das Niederdruckgießen ist durch den gesteuerten Druckfüllprozess besonders für die Herstellung dünnwandiger Gussteile geeignet.

[0056] Die vorliegende Erfindung kann auch als Vorrichtung zum Niederdruck-Kokillengießen ausgebildet sein. Diese kommt vor allem für die Herstellung von Leichtmetallgussteilen (Aluminium und Magnesium) zum Einsatz. Die Niederdruckgussteile kommen im anspruchsvollen Maschinenbau, Fahrwerks-, Getriebe- und Motorenbau sowie bei vakuum- oder hydraulikdichtem Gussteilen zur Anwendung.

[0057] Der Anteil von Niederdruckgussteilen innerhalb der in Kokillen gegossenen Aluminiumgussteile wächst ständig, teilweise auch in Substitution von GJS- oder Al-Druckgussteilen, da das Verfahren überall dort eine Alternative ist, wo Qualität und Wirtschaftlichkeit gefordert sind. Beim Niederdruckgießen können Sandkerne eingesetzt werden, die Teile sind vergütbar durch entsprechende Wärmebehandlungen. Somit bietet die vorliegende Erfindung ein sehr breites Anwendungsspektrum.

[0058] Zum Herstellen hochfester Eisengussteile kann die vorliegende Erfindung auch zum Niederdruck-Sandgießen ausgebildet sein, wo statt der metallischen Kokillen Sandformen zur Anwendung kommen.

[0059] Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen in

Figur 1

eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Niederdruckgießen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer seitlich geschnittenen Ansicht ohne einen Ofendeckel,

Figur 2

die Darstellung aus Figur 1 mit einem Ofendeckel in einer Draufsicht von oben,

Figur 3

eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Niederdruckgießen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ohne einen Ofendeckel, und

Figur 4

die Darstellung aus Figur 3, wobei ein Schmelztiegel der Vorrichtung mit einem Deckel, der sechs Steigrohre aufweist, abgedeckt ist.

[0060] Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Niederdruckgießen anhand eines ersten Ausführungsbeispiels beispielhaft erläutert (Figuren 1 und 2).

[0061] Die Vorrichtung 1 umfasst einen Ofenraum 2. Der Ofenraum 2 ist von einer Ofenwandung 3 begrenzt.

[0062] Die Ofenwandung 3 weist eine Ofenaußenwandung 4 auf, die aus Stahl ausgebildet ist. Weiterhin weist die Ofenwandung 3 eine Ofenzwischenwandung 5 auf, die aus einem feuerfesten Material, wie z.B. eine feuerfeste Ausmauerung, Keramik, feuerfeste Stampfmasse, feuerfeste Spritzmasse oder feuerfester Beton, ausgebildet ist.

[0063] Die Ofenzwischenwandung 5 ist mit einer feuerfesten Schicht 6, insbesondere einer Aluminiumoxidschicht, einer feuerfesten Ausmauerung, Keramik, feuerfesten Stampfmasse, feuerfesten Spritzmasse oder feuerfesten Beton, beschichtet. Die Aluminiumoxidschicht kann mit einem Bindemittel auf die Ofenzwischenwandung aufgetragen oder in Form von Platten angeordnet sein.

[0064] Die Keramik ist vorzugsweise eine dichte, schlecht benetzbare feuerfeste Oxidkeramik mit geringer Wärmedehnung.

[0065] Die feuerfeste Schicht ist bei Gebrauch in Kontakt mit der Schmelze und bildet somit eine Schmelztiegeleinrichtung 6. Diese Schmelztiegeleinrichtung 6 ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein wannenartig ausgebildet und die Ofenwandung 3 bildet somit einen wannenartigen Schmelztiegel 7.

[0066] Der Schmelztiegel 7 weist eine sich in einer, in der horizontalen Ebene, erstreckenden Längsrichtung 8 langgestreckte Form auf.

[0067] Eine Länge 9 des wannenartigen Schmelztiegels 7 in Längsrichtung 8 beträgt in etwa 190 cm bis 250 cm.

[0068] Quer zu dieser Längsrichtung 8 ist in der horizontalen Ebene eine Breitenrichtung 10 vorgesehen, über die sich der wannenförmige Schmelztiegel über eine Breite 11 von in etwa 120 cm bis 150 cm erstreckt.

[0069] Durch eine entsprechende Erstreckung in vertikaler Richtung 16 bzw. in einer Höhe kann der Schmelztiegel in etwa einen Inhalt von 4000 kg bis 5000 kg Schmelze, insbesondere Aluminiumschmelze, aufnehmen.

[0070] Im Bereich einer Bodenwandung 12 des Schmelztiegels ist eine Heizeinrichtung 13 vorgesehen.

[0071] Die Heizeinrichtung 13 umfasst vorzugsweise mehrere, sich im Bereich der Bodenwandung 12 in horizontaler Richtung erstreckende elektrische Heizstäbe 14.

[0072] Weiterhin weist die Vorrichtung 1 einen den Ofenraum und insbesondere den Schmelztiegel 7 abdeckenden Ofendeckel 15 auf.

[0073] Im Ofendeckel 15 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel achtzehn Steigrohrmuffen 17 vorgesehen. In den Steigrohrmuffen 17 sind entsprechende Steigrohre 18 angeordnet. Die achtzehn Steigrohre 15 bilden ein rechteckförmiges Steigrohrarray 19 (gestrichelte Linie) aus.

[0074] Auf dem Steigrohrarray 19 ist eine beispielsweise zweiteilig ausgebildete Gussform (nicht dargestellt) anordbar.

[0075] Diese Gussform kann beispielsweise ein bewegliches Oberteil und ein ortsfest angeordnetes beziehungsweise feststehendes Unterteil aufweisen. Die Gussform begrenzt einen Formhohlraum der durch die in den Steigrohren aufsteigende Schmelze befüllbar ist. Weiterhin weist eine solche Gussform zumindest einen Gießkolben (Plunger) auf.

[0076] Durch Anordnung des Ofendeckels 15 auf der Ofenwandung 3 ist der Ofenraum 2 als luftdichter Behälter beziehungsweise Raum ausgebildet.

[0077] Weiterhin weist der Ofenraum 2 zumindest einen Anschluss zum Verbinden mit einer Druckeinrichtung (nicht dargestellt) zum Anlegen eines Überdrucks an den Ofenraum auf. Die Vorrichtung ist vorzugsweise als ein Ofen zum Niederdruckgießen ausgebildet. Der Überdruck wird durch Zuführen von getrockneter Luft (Taupunkt ca. -40°C) erzeugt.

[0078] Im Ofendeckel 15 können mit Klappen verschließbare Einfüllöffnungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein.

[0079] Diese Öffnungen sind derart bemessen, dass eine Umwälzeinrichtung (nicht dargestellt), wie beispielsweise ein Rotor oder ein Impeller durch diese hindurchführbar ist.

[0080] Zum Reinigen des Ofens ist dann vorgesehen, die Umwälzeinrichtung in die Schmelze einzutauchen und Gas zuzuführen. Als Gas wird vorzugsweise Stickstoff oder Argon verwendet. Die Gasblasen transportieren den Schmutz an die Oberfläche, wo er als Krätze entfernt werden kann.

[0081] Dieser Vorgang kann auch durch Abheben des Ofendeckels 15 erfolgen. Je größer die Öffnungsfläche der mit Klappen verschließbaren Öffnungen bzw. die Fläche des Schmelztiegels in der Draufsicht ausgebildet ist, desto einfacher ist die Reinigung.

[0082] Die Öffnungen können auch zum Befüllen des Schmelztiegels vorgesehen sein.

[0083] Zum Reinigen des Ofens bzw. der darin befindlichen Schmelze kann der Ofen mit einem oder mehreren Spülsteinen versehen sein, mit welchem dem Ofen Spülgas zugeführt werden kann.

[0084] Es können auch ein oder mehrere Einfüllkanäle vorgesehen sein. Derartige Einfüllkanäle erlauben ein Füllen des Ofens, ohne dass der Ofen aus einer entsprechenden Maschine verfahren werden muss. Das Füllen erfolgt vorzugsweise über eine Filtereinrichtung, um die Zufuhr von Schmutz zu begrenzen.

[0085] Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Niederdruckgießen anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels beispielhaft erläutert (Figuren 3 und 4). Sofern nichts anderes beschrieben ist, weist diese Vorrichtung dieselben technischen Merkmale wie eine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildete Vorrichtung auf. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0086] Die Vorrichtung 1 umfasst den Ofenraum 2. Der Ofenraum 2 ist von der Ofenwandung 3 begrenzt.

[0087] Die Ofenwandung 3 weist die Ofenaußenwandung 4 auf, die aus Stahl ausgebildet ist. Weiterhin weist die Ofenwandung 3 die Ofenzwischenwandung 5 auf, die aus Keramik ausgebildet ist.

[0088] Der Ofenraum 2 ist in einer Draufsicht beziehungsweise in einem horizontalen Querschnitt in etwa oval ausgebildet.

[0089] Im Ofenraum 2 ist die Schmelztiegeleinrichtung 6 angeordnet.

[0090] Die Schmelztiegeleinrichtung 6 umfasst zumindest zwei Schmelztiegel 7, die im Ofenraum 3 angeordnet sind. Die Schmelztiegel 7 sind im Wesentlichen aus Grafit mit einem Siliziumanteil ausgebildet.

[0091] Die Schmelztiegel 7 sind zylinderförmig mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von in etwa 1,3 m ausgebildet.

[0092] Im Bereich zwischen der Ofenzwischenwandung 5 und den beiden Schmelztiegeln 7 ist die Heizeinrichtung 13 angeordnet.

[0093] Die Heizeinrichtung 13 umgibt Mantelwandungen der beiden Schmelztiegel in einer horizontalen Draufsicht von oben in einem Winkel von in etwa um 270 °C.

[0094] Weiterhin weist die Vorrichtung 1 einen oder zwei den Ofenraum und insbesondere die Schmelztiegel 6 abdeckende Ofendeckel 15 auf.

[0095] Im bzw. den Ofendeckeln 15 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel 6 gleich beabstandet voneinander angeordnete Steigrohrmuffen 17 vorgesehen. Der Ofendeckel 15 ist im Bereich beider Schmelztiegel 6 gleichartig ausgebildet, sodass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwölf Steigrohrmuffen 17 vorgesehen sind.

[0096] In den Steigrohrmuffen 17 sind die Steigrohre 18 angeordnet. Jeweils sechs Steigrohre 18 eines Schmelztiegels 6 sind in etwa gleich beabstandet und rechteckförmig angeordnet.

[0097] Die zwölf Steigrohre 18 bilden das Steigrohrarray 19 (gestrichelte Linie) aus.

[0098] Das Steigrohrarray 19 ist demgemäß im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls rechteckförmig ausgebildet. Auf diesem Steigrohrarray 16 ist eine beispielsweise zweiteilig ausgebildete Gussform (nicht dargestellt) anordbar.

[0099] Die Gussform kann beispielsweise ein bewegliches Oberteil und ein ortsfest angeordnetes beziehungsweise feststehendes Unterteil aufweisen. Die Gussform begrenzt einen Formhohlraum der durch die in den Steigrohren aufsteigende Schmelze befüllbar ist. Weiterhin weist eine solche Gussform zumindest einen Gießkolben (Plunger) auf.

[0100] Das Steigrohrarray kann je nach Gussform mit einer nahezu beliebigen Anzahl von Steigrohren ausgebildet werden. Dabei können in jedem Schmelztiegel ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder mehr Steigrohre anordbar sein. Vorzugsweise sind die Steigrohre jedoch immer gleich beabstandet voneinander angeordnet und bilden gemäß dem ovalen Ofenraum beziehungsweise aufgrund der beiden Schmelztiegel 6 in der Regel ein sich in einer Ebene quer zur Tiegellängsrichtung erstreckendes Steigrohrarray 16 aus.

[0101] Die Steigrohre können auch als Vielfach-Steigrohre ausgebildet sein.

Bezugszeichenliste

[0102] 

1

Vorrichtung

2

Ofenraum

3

Ofenwandung

4

Ofenaußenwandung

5

Ofenzwischenwandung

6

Schmelztiegeleinrichtung

7

Schmelztiegel

8

Längsrichtung

9

Länge

10

Breitenrichtung

11

Breite

12

Bodenwandung

13

Heizeinrichtung

14

Heizstäbe

15

Ofendeckel

16

vertikale Richtung

17

Steigrohrmuffe

18

Steigrohr

19

Steigrohrarray

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Niederdruckgießen umfassend
eine einen Ofenraum begrenzende Ofenwandung,
eine im Ofenraum angeordneten Schmelztiegeleinrichtung,
eine Heizeinrichtung zum Erhitzten der Schmelztiegeleinrichtung,
zumindest eine Druckeinrichtung zum Anlegen eines Überdrucks an die Schmelztiegeleinrichtung,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ofenraum in einer Draufsicht eine größere Länge im Vergleich zur Breite aufweist, so dass der Ofenraum eine in einer Längsrichtung langestreckte Form ausbildet, wobei, vorzugsweise in etwa gleichmäßig verteilt, über in etwa 60% bis 95% der Länge des Schmelztiegels in Längsrichtung mehrere sich in vertikaler Richtung erstreckende Steigrohre angeordnet sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine kleinste Distanz zweier in horizontaler Längsrichtung, jeweils endseitig angeordneter Steigrohre zumindest 105 cm bzw. zumindest 110 cm bzw. zumindest 135 cm und insbesondere zumindest 180 cm beträgt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmelztiegeleinrichtung ein wannenartiger Schmelztiegel ist, der in einer Draufsicht von oben in etwa oval ausgebildet ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmelztiegeleinrichtung zumindest zwei Schmelztiegel aufweist, die in einer Draufsicht in etwa kreisförmig ausgebildet sind.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
das die zwei Schmelztiegel von einer gemeinsamen Trennwandung räumlich voneinander getrennt sind

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Schmelztiegel eine separate Druckeinrichtung aufweist.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Heizeinrichtung eine Mantelwandung der Schmelztiegeleinrichtung umgibt und/oder dass die Heizeinrichtung in vertikaler Richtung im Bereich einer die Schmelztiegeleinrichtung begrenzenden Bodenwandung angeordnet ist.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steigrohre ein vorzugsweise rechteckförmiges oder ovales Steigrohrarray zum Befüllen einer Gussform ausbilden, wobei das Steigrohrarray in der Längsrichtung zwischen vier und zwölf bzw. zwischen sechs und acht Steigrohre und in einer quer dazu verlaufenden Breitenrichtung zwei bis fünf bzw. drei bis vier Steigrohre umfasst.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ofenwandung (3) eine Ofenaußenwandung (4), eine Ofenzwischenwandung (5) und eine feuerfeste Schicht (6) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ofenaußenwandung (4) aus Stahl ausgebildet ist und/oder die Ofenzwischenwandung (5) aus einem feuerfesten Material, einer feuerfesten Ausmauerung, Keramik, einer feuerfesten Stampfmasse, einer feuerfesten Spritzmasse oder aus feuerfestem Beton ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die feuerfeste Schicht (6) eine Aluminiumoxidschicht ist oder aus einer feuerfesten Ausmauerung, Keramik, feuerfesten Stampfmasse, feuerfesten Spritzmasse oder feuerfestem Beton ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Heizeinrichtung in der Nähe einer Bodenwandung angeordnet oder in die Bodenwandung integriert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Heizeinrichtung mehrere elektrisch betriebene Heizstäbe umfasst.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Heizstäbe jeweils von einem Aluminiumtitanatrohr umgeben sind.

Zeichnung