DE102006036369B4

DE102006036369B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen durch integriertes Schmelzen, Gießen und Umformen

Info

Publication number: DE102006036369B4
Application number: DE200610036369
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Kahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: DE102006036369A1

Abstract

Schmelz-, Gieß- und Prellverfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß stückiges Vormaterial in ein geschlossenes System unter Schutzgas eingebracht, aufgeheizt, geschmolzen und quantifiziert, über eine Druckkammer in einen Formhohlraum einer Form gefördert, dort unter erhöhtem Druck mit Ausbildung einer fehlerfreien Gußgefügestruktur erstarrt und das Bauteilgefüge nach der Erstarrung durch weiter erhöhten Druck bei veränderlichem Formhohlraum zum Fließen gebracht, damit zumindest teilweise in eine Knetgefügestruktur überführt und nach weiterer Abkühlung und Öffnen der Form das Bauteil mit Endabmessungen entnommen wird.

Description

Die große Herausforderung zur zwingend notwendigen Energieeinsparung und Emissionsreduzierung für den Klima- und Umweltschutz hat den Bedarf an komplex geformten Leichtbauteilen mit hoher Belastbarkeit im Verkehrswesen und allgemeinen Maschinenbau seit Jahrzehnten stetig ansteigen lassen.
Die Fertigungsverfahren für derartige Produkte hingegen können mit den ständig steigenden Qualitätsanforderungen und dem hohen Kostendruck nicht in gewünschter Weise Schritt halten, so daß hier ein andauernder Entwicklungsbedarf besteht.
Zu den wichtigsten Herstellungsverfahren derartiger Bauteile zählen das Gießen und das Umformen von Leichtmetall–Legierungen, die in den letzten Jahren einen beachtlichen Marktanteil im Wettbewerb mit Eisen und Stahl erreicht haben, mit weiter steigender Tendenz.
Die Gießverfahren einerseits gewähren eine einzigartige Freizügigkeit bei der Formgebung mit entsprechend kaum eingeschränkten konstruktiven Möglichkeiten. Sie sind andererseits jedoch auf geeignete Gußlegierungen angewiesen, die zumeist keine Spitzenwerte bei den Materialeigenschaften erreichen. Ein weiterer Nachteil beim Gießen sind die häufig auftretenden Gefügefehler wie Lunker, Gasporosität, Risse und Oxideinschlüsse, die ebenfalls die Bauteilbelastbarkeit beeinträchtigen. Derartige Gefügefehler müssen in besonderen Fällen nach dem Gießen in einem eigenständigen Verfahren des heißisostatischen Pressens (HIP) eliminiert werden, was jedoch einen hohen Zeit- und Kostenaufwand verursacht und für die Großseri enproduktion kaum geeignet ist.
Der klassische Schmelz- und Gießprozeß ist gekennzeichnet durch Umwelt und Arbeitsplatz belastende Rauch-, Lärm- und Hitzeemissionen, die in den dicht besiedelten europäischen Regionen ständig steigende Standort- und Behördenprobleme aufwerfen.
Das Schmelzen erfolgt fast ausschließlich an der Atmosphäre, bei größeren Betrieben in einer separaten Schmelzerei. Hier wird das Vormaterial, bestehend aus Neumetallmassein und internem Kreislauf, erschmolzen und einer aufwendigen metallurgischen Behandlung unterzogen. Der Transport der Schmelze zur Gießstation ist zumeist mit Umfüllvorgängen verbunden, die die Schmelzequalität erneut beeinträchtigen.
Insbesondere beim Gießen treten eine Vielzahl von Parametern gleichzeitig mit wechselseitiger Beeinflussung auf, die sich bis jetzt einer modernen Regelungstechnik noch weitgehend entziehen.
Schließlich muß bereits heute unter dem anhaltenden Kostendruck der Gußverbraucher eine stetige Verlagerung der Gußproduktion mit ihren für europäische Maßstäbe nicht sonderlich attraktiven Arbeitsplätzen in die Billiglohnländer beobachtet werden, was den steigenden Qualitätsanforderungen an die Bauteile alles andere als zweckdienlich ist. Darüber hinaus müssen mittel- bis langfristig gravierende volkswirtschaftliche Probleme in Kauf genommen werden.
Die Verfahren der Umformtechnik hingegen liefern Produkte mit höherer Festigkeit und Elastizität, sie sind jedoch bei der Formgebungsfreizügigkeit und damit im konstruktiven Design erheblich eingeschränkt. Die besseren Materialeigenschaften beruhen auf den hier verwendeten Knetlegierungen und der im Umformprozeß erreichbaren Gefügetextur.
Gießen und Umformen sind ursprünglich selbständige unabhängige Fertigungsverfahren mit spezifischen Legierungsgruppen (Guß- und Knetlegierungen), die als nicht austauschbar gelten.
Neuere Entwicklungen setzen sich zum Ziel, in einem mehrstufigen Prozeß des Gießens in eine Gießform und anschließendes Schmieden im Gesenk die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren und deren Nachteile zu überwinden. Hierzu wird in einem ersten Schritt ein Rohgußteil mit bekannter Gießtechnik erzeugt, der Gießform entnommen und dann in weiteren Schritten im Schmiedegesenk auf seine Endabmessungen gebracht. Dabei soll das Rohgußteil in seinen im Vergleich zum ursprünglich geometrisch sehr einfach geformten Schmiedeausgangsmaterial erheblich komplexer gestalteten Konturen sich den gewünschten Endabmessungen des fertigen Bauteils annähern. Bei den nachgeschalteten Stufen des Schmiedens soll aus der Gußgefügestruktur ein Gefüge mit Knettextur mit bekanntlich besseren mechanischen Eigenschaften erhalten werden.
Aus Gießerei 90 (2003) Nr. 2, S. 42–46 ist das New Rheo Casting Verfahren bekannt, bei dem ein Semi-Solid-Material, also ein halbfestes Material, im Gießprozeß direkt aus der Schmelze durch kontrollierte Abkühlung in einem Stahltiegel erzeugt wird. Nach der Abkühlung wird das halbfeste Material in einer UBE-Squeeze-Casting-Maschine in Form gebracht.
Aus der DE 654 267 A ist eine Presse zur Herstellung von Werkstücken bekannt, bei der verflüssigte oder in teigigem Zustand zugeführte Werkstoffe einem Preßdruck unterworfen werden. Dabei ist ein Hilfskolben vorgesehen, der unmittelbar nach Beendigung der Bewegung des Preßstempels einen Nachdruck auf das Preßgut ausübt, wodurch bei genauer Maßhaltigkeit ein vollkommen dichtes Werkstück erhalten wird.
Die DE 24 17 318 C3 betrifft eine Vorrichtung zum Flüssigpressen von einstückigen Metallformteilen. Dabei wird das geschmolzene Metall unter Druck geformt, während es sich noch in flüssiger Form befindet. Dabei wird solange ein Schmiededruck ausgeübt, bis der Gegenstand sich soweit abgekühlt hat, daß er aus der Formanordnung herausgenommen werden kann.
Die DE 38 12 740 C2 betrifft ein Gieß-Schmiede-Verfahren, bei dem ein Vorformling in einer Gießform durch Gießen hergestellt wird und anschließend eine Schmiedeumformung des Vorformlings erfolgt. Dabei verbleibt der Vorformling nach dem Gie ßen in der unteren Formhälfte der Gießform, die somit als eines der Gesenke beim Schmieden benutzt wird. Die obere zum Gießen benutzte Formhälfte wird durch ein anderes Gesenk ersetzt. Dabei ist die obere Gießformhälfte dem herzustellenden Formteil nur grob angepaßt, so daß bei der Schmiedeverformung noch ein Umformvorgang erforderlich ist, um die endgültige Form des Formteils zu erreichen.
Die DE 696 33 988 T2 zeigt ein Gießverfahren nach dem New Rheo Casting Prinzip, bei dem in einer ersten Stufe das Metall in vollständig flüssiger Form in einem Gießtiegel enthalten ist. In einer zweiten Stufe wird das Metall in ein isoliertes Gefäß gefördert. In der anschließenden dritten Stufe wird das Metall in dem isolierten Gefäß in einem teilweise geschmolzenen Zustand gehalten. Erst in der vierten Stufe wird das halbfeste Metall über eine Druckgußeinspritzhülse in einen Formholraum unter Druck eingebracht, wodurch letzten Endes die Formgebung vollzogen wird.
Das Patent EP 0 119 365 B1 beschreibt ein Verfahren („Cobapress") bei dem eine Aluminiumgußlegierung durch Schwerkraftgießen zu einem endabmessungsnahen Rohling geformt wird. Dieser wird anschließend aus der Form entnommen und in heißem Zustand (400–500°C) im Gesenk einer Schmiedepresse auf die Endabmessungen des gewünschten Bauteils gebracht. Im Schmiedegesenk sollen die Bauteileigenschaften durch einen kombinierten Effekt von „Pressen im Kern und Durchkneten der Oberfläche" verbessert werden. In weiteren Patentschriften ( FR 2 778 125 A1 und WO 01/49435 A1 ) aus der gleichen Quelle soll das Grundverfahren weiter ausgestaltet und optimiert werden. Dazu wird in einem Fall der Gußrohling nach der Entnahme aus der Gießform zur Wärmebehandlung durch einen Glühofen geschickt und danach im Gesenk weiter verformt. Im anderen Fall erhält der Gußrohling nach der Formentnahme durch Eintauchen in ein Becken einen Grafitschlichteüberzug, bevor er durch den Glühofen geschickt und schließlich im Gesenk auf Enddimension gebracht wird.
Die Anmeldung EP 1 380 662 A1 schlägt für die Herstellung hochbelastbarer Fahrwerkteile eine Knetlegierung vor, die zu einem groben Gußrohling mit konventioneller Gießtechnik vergossen wird, der größere Wanddicken und entsprechend größeren Abstand zur Endkontur des anschließend nacheinander in zwei Stufen geschmiedeten Fertigprodukts aufweist. Als Vorteil wird u. a. die Wiederverwendbarkeit des im Mehrstufenprozeß anfallenden hohen Anteils an Kreislaufmaterial angesehen.
Diese als Stand der Technik beschriebenen Fertigungsverfahren für hochbelastbare Leichtbauteile sind Mehrstufenprozesse und lassen aus technischer und wirtschaftlicher Sicht deutliche Nachteile erkennen.
Der in der ersten Prozeßstufe mit konventioneller Schwerkraftgießtechnik in eigener Form erzeugte Gußrohling birgt die klassischen Gußrisiken der Gefügefehler wie Lunker, Poren, Oxideinschlüsse und Risse. Soll er endkonturnah gegossen werden, dann muß auf eine Gußlegierung mit eingeschränkten mechanischen Kennwerten zurückgegriffen werden. Beim Einsatz einer Schmiedelegierung mit ihren ungünstigen Gießeigenschaften kann dagegen im ersten Schritt nur ein grober, dickwandiger Rohling mit größerem Abstand zur Endkontur erhalten werden. Die nachgeschalteten mindestens zwei Stufen der Umformung auf Endkontur erfordern eigene Gesenke in Schmiedepressen, was mit einem erheblichen maschinentechnischen Aufwand und entsprechend hohen Kosten verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen einstufigen Verfahrens und neuartiger Vorrichtungen, die die Fertigung von hoch beanspruchbaren Bauteilen auch mit großen Dimensionen, komplexer Formgebung mit Mehrfachfunktion in einer Kompaktanlage mit engster Kopplung und Regelung der Fertigungsschritte bei gleichzeitiger Taktzeitverkürzung auf besonders rationelle Weise ermöglichen.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß stückiges, insbesondere sortenreines Vormaterial in ein geschlossenes System unter Schutzgas eingebracht, aufgeheizt, geschmolzen und quantifiziert, über eine Druckkammer in einen Formhohlraum gefördert, dort unter erhöhtem Druck mit Ausbildung einer fehlerfreien Gußgefügestruktur erstarrt und das Bauteilgefüge nach der Erstarrung durch weiter erhöhten Druck bei veränderlichem Formhohlraum zum Fließen gebracht, damit zumindest teilweise in eine Knetgefügestruktur überführt und nach weiterer Abkühlung und Öffnen der Form das Bauteil mit Endabmessungen entnommen wird. Eine erfindungsgemäße Fertigungsanlage zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein insbesondere rohrförmiges Aufheizaggregat, einen Schmelzofen mit einer Druckkammer, ein Schutzgassystem und eine Form mit veränderlichem Formhohlraum.
Hierdurch können die Bedingungen bei den nach dem Stand der Technik in getrennten Einrichtungen ablaufenden Prozeßschritte des Schmelzens, Gießens, Verdichtens und Umformens optimiert und in einer kompakten Anlage integriert werden. Die entsprechende erfindungsgemäße Anlage schafft die Voraussetzungen, einen Automaten zu realisieren, der Handarbeit in der Produktion weitgehend überflüssig macht und die Umweltbelastung nachhaltig reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe herausragender Vorteile aus.
Die Zusammenführung bisher getrennter Prozesse des Schmelzens, Gießens, Verdichtens und Umformens in einer kompakten, gegen die Atmosphäre gekapselten Anlage bringt zunächst eine sehr wünschenswerte Entlastung von Arbeitsplatz und Umwelt im Vergleich zur herkömmlichen Verfahrensweise.
Als erstes kann durch die Verwendung von sortenreinem Vormaterial auf eine separate, an die Produktion gebundene Schmelzerei für das Aufschmelzen von hochwertigem Neumetall zusammen mit gießereiinternem, häufig verunreinigtem und somit minderwertigem Kreislaufmaterial und die damit notwendige aufwendige metallurgische Reinigung und Einstellung eines erforderlichen optimierten Keimzustands der gesamten Schmelze verzichtet werden. Als nächstes entfällt der Schmelzetransport zur Gießstation verbunden mit mehrfachem schädlichen Umfüllen und daraus notwendigem erneuten Reinigen.
Die erfindungsgemäß in den beheizten Schmelzofenr integrierte Dosiereinrichtung, die ohne störanfällige mechanisch arbeitende Ventile auskommt, erreicht mit ihrer zeitunabhängigen Gasdruckregelung eine hohe Genauigkeit bei der Volumenquantifizierung und kann endlich den altbekannten, an offener Atmosphäre arbeitenden und noch immer weit verbreiteten Schöpf- und Gießlöffel ersetzen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren treten nur sehr geringe Arbeitsplatz und Umwelt belastende Dämpfe und Hitzeemissionen auf, die bekanntlich auch mit kostspieligen Energieverlusten verbunden sind.
Insbesondere die stark emissionsbelastete und derzeit wieder stagnierende Magnesiumtechnologie könnte einen weiteren wünschenswerten Anschub erfahren. Darüber hinaus ergeben sich deutliche Vorteile bei der Verarbeitung von Legierungen, deren Bestandteile im schmelzflüssigen Bereich einen hohen Dampfdruck und eine starke Oxidationsneigung aufweisen (z. B. Zn-, Mg-, AlMg-, AlLi-, CuZn-Leg.) oder toxische Dämpfe emittieren (z. B. Pb, Be).
Ein weiterer Vorteil besteht im Aufheizen und Aufschmelzen einer Chargenmenge parallel zum Gießtakt. Die enge Kopplung des getrennten Aufheiz- und Schmelzbereichs erlaubt eine hohe Energieeinbringung mit wesentlich höheren Temperaturen des Einsatzmaterials vor dem vollständigen Aufschmelzen im Vergleich zur herkömmlichen Masselvorwärmung, vermeidet aber andererseits eine Blockierung im rohrförmigen Aufheizaggregat durch hochsteigende und erstarrende Schmelze. Es besteht die Möglichkeit, das einzuschleusende Chargenquantum auf das Gewicht des soeben gefertigten Bauteils abzustimmen. Damit ergibt sich der große Vorteil einer insgesamt geringen Menge an Flüssigmaterial in der Fertigungsanlage, was die Aufheiz- und Abkühlzeiten bei Produktionsstart und Ende erheblich verringert, die Flexibilität insbesondere bei einem Chargenwechsel, die hochbelastende Ofenentleerung und Reinigung von Hand deutlich verbessert und schließlich das grundsätzlich bei schmelzflüssigen Stoffen bestehende Sicherheitsrisiko drastisch reduziert.
Das erfindungsgemäße Aufheiz- Schmelz- und Dosiersystem ist über das beschriebene Einsatzgebiet hinaus vielseitig einsetzbar. So kann es im allgemeinen Druckguß für die Schußkammerbefüllung von oben, seitlich oder auch von unten zur Anwendung kommen. Es ist weiterhin geeignet für die Schmelzeversorgung an modernen Sandguß-Produktionsanlagen sowie im Kokillenguß mit Gießkarussells und Linearanlagen insbesondere auch beim neuen leistungsfähigen Rotacaster-Verfahren gemäß EP 0656819 B1 zur Befüllung der Gießwanne, sowie bei Sonderverfahren wie beispielsweise dem Niederdruck- und Gegendruckverfahren. Wird in solchen Anwendungsfällen die Schmelze von oben zugeführt, so hat das Steigrohr des Dosiersystems eine obere Umlenkung. Hier ist ein zusätzlicher Gasdruckanschluß von Vorteil, der den Schmelzezufluß beruhigt.
Weiterhin werden im Fertigungsablauf selbst eine Reihe erheblich verbesserter Bedingungen erzielt, die die Produktqualität und die Wirtschaftlichkeit seiner Fertigung deutlich erhöhen.
Im ersten Schritt der Formfüllung tritt die Schmelze durch große Querschnitte mit gleichmäßiger Temperatur in kurzer Zeit von unten in den Formhohlraum nahezu turbulenzfrei ein und füllt diesen, unterstützt durch einen schnellen und hohen Druckaufbau, konturenscharf aus. Hierbei werden die bekannten Gußfehler wie Schaumbildung, Lufteinschlüsse, Fließlinien und Kaltlaufstellen ausgeschaltet. Ein Verdüsen der Schmelze in den Formhohlraum wie beim Druckguß mit den besonders nachteiligen Gas- und Lufteinschlüssen im Bauteilgefüge findet nicht statt.
Die anschließende Erstarrung der Schmelze in der temperaturgeregelten Form unter hohem Druck, der auch mit Hilfe von in die Form eingebauten Druckelementen lokal im Erstarrungsintervall variiert werden kann, verläuft gelenkt unter Ausbildung eines feinkörnigen und dichten Gefüges frei von schrumpfungsbedingten Lunkern und Poren sowie Gasporosität, verursacht durch den in der Schmelze gelösten Wasserstoff, der sich bei den Standardverfahren während der Erstarrung ausscheidet.
Die durch die im letzten Schritt erfolgende Konturveränderung der Form mit dem erstarrten Bauteil auf geeignetem Temperaturniveau bewirkt bei hohem Druck ein Fließen des Materials, wodurch zumindest in wichtigen Bauteilbereichen ein umgeformtes Gefüge mit gegenüber der Gußstruktur deutlich besseren Eigenschaften erzielt werden kann. Schließlich verläuft die Produktion „in einer Hitze", was größere Temperaturschwankungen und -verluste vermeidet und zu einem großen Potential der Energieeinsparung führt.
Schlußendlich läßt die neue Verfahrensweise über den Einsatz von Gußlegierungen hinaus auch die Anwendung von Knetlegierungen zu und deckt damit den gesamten Werkstoffsektor der Leichtmetalle und niedrig schmelzender Schwermetallegierungen ab.
Zum Start des Verfahrensablaufs werden auf das Bauteilgewicht angenähert abgestimmte Vormaterialkörper durch eine gasdichte Abdichtung an der oberen Öffnung eines Chargierrohres beispielsweise mit Induktionsheizung eingeschoben und aufgeheizt. Auf ihrem Weg nach unten in einen beheizten Schmelzofen, beispielsweise einen Induktionsofen, wird der schmelzflüssige Zustand erreicht sowie eine geeignete Gießtemperatur eingestellt.
In einer ersten Verfahrensweise enthält der Schmelzofen eine neuartige Dosiereinrichtung, mit deren Hilfe ein dem Bauteilvolumen entsprechendes Schmelzequantum abgemessen wird. Aus dieser Dosiereinrichtung wird dann das Schmelzequantum unter Einwirkung von Gasdruck in eine Hochdruckkammer mit Kolben gefördert. In diesem Fall nimmt die Kammer das gesamte abgemessene Schmelzequantum auf, bevor es durch den Kolben in den Formhohlraum verdrängt wird.
In einer zweiten Verfahrensweise ist es aber auch möglich, eine entsprechend verkleinerte Hochdruckkammer einzusetzen, durch die hindurch ein undosierter Schmelzestrom direkt aus dem Schmelzofen in den Formhohlraum gefördert wird, wobei der Kolben erst gegen Ende der Formfüllung den Zufluß absperrt, die Form vollständig mit dem dadurch bestimmten Schmelzequantum konturenscharf füllt und einen hohen Druck in der Schmelze aufbaut. In diesem Fall kann auf den Einsatz der ofenintegrierten Dosiereinrichtung verzichtet werden. Der hohe Druck wirkt ab Ende der Formfüllung für die beginnende Erstarrung im Zusammenspiel mit weiteren Druckelementen in der Form. Nach abgeschlossener Erstarrung des Gußrohlings erfolgt an geeigneten Stellen des Formhohlraums eine Konturänderung der Form. Unter dem Einfluß hoher Prellkräfte folgt der Gußrohling der neuen Kontur bei geeigneter Temperatur durch Fließen und erreicht schließlich seine Endabmessungen. Nach Druckabbau kann die Form geöffnet, das Bauteil entnommen und gegebenenfalls einer Nachbehandlung unterzogen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen:
1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anlage bestehend aus Aufheiz- (1.2), Schmelz- (1.3) und Dosieraggregat (1.4), Schutzgassystem (1.5) und Gießform 2.
Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt im Prinzip die Produktionsanlage zur Ausübung des Verfahrens. Sie besteht aus der Schmelz- und Dosiereinrichtung 1 und einer Gieß- und Preßform 2 in einer nicht abgebildeten Hydraulikpresse.
Die Schmelz- und Dosiereinrichtung 1 gliedert sich in die Bereiche 1.1 für den Vormaterialeinschub mit Abdichtung, 1.2 für das Aufheizen, 1.3 für das Schmelzen und Warmhalten, 1.4 für das Dosieren sowie 1.5 für die Schutzgas-Druckregelung (nur prinzipiell dargestellt). Letztere ist so konstruiert, daß das Schutzgas bei Druckausgleich zur Atmosphäre in das System zurückgeführt wird und für die weiteren Dosiervorgänge erhalten bleibt.
Der Bereich 1.1 Vormaterialeinschub besteht aus einer nicht dargestellten Transportvorrichtung für das Chargiermaterial, beispielsweise bolzenförmige Vormaterialkörper 1.11, sowie der Schleuse 1.12 mit Dichtung 1.13 und Schutzgasführung 1.14. Die Transportvorrichtung kann beispielsweise aus einem elektrischen Rollenantrieb, einem elektrisch angetriebenen Gewindespindeltrieb mit Mutter und Schubhaken oder einem elektromagnetischen Antrieb nach dem Prinzip eines Linearmotors bestehen. Als Dichtung 1.13 in der Schleuse 1.12 kann beispielsweise ein elastisches Schlauchstück, das auf einer Tülle befestigt ist, für den Materialdurchschub verwendet werden.
Das Aufheizen der Vormaterialkörper erfolgt in einem Rohr 1.21, umgeben von einer Induktionsspule 1.22. Auch andere Wärmequellen sind anwendbar. Ein unkontrolliertes Durchrutschen des Chargiermaterials im Rohr 1.21 wird verhindert durch eine geeignete Neigung im Zusammenspiel mit elektrodynamischen Kräften, die dem Materialeinschub entgegenwirken, sowie einer Anstoßfläche 1.41 quer zur Einschubrichtung.
Für das Schmelzen und Warmhalten kommt beispielsweise ein Induktionsofen 1.3 zum Einsatz, der das auf unter Liquidus-Temperatur aufgeheizte Chargiermaterial vollständig aufschmilzt und auf Gießtemperatur bringt. Der Pegel der Schmelze 1.31 im Schmelzofen 1.3 kann vorteilhaft über einen elektromagnetischen Näherungssensor 1.32 kontrolliert werden. Es sind aber auch andere geeignete Sensoren verwendbar.
Eingesetzt in diesen Schmelzofen 1.3 ist das Dosiersystem 1.4 bestehend aus einem unten offenen Trennrohr 1.41 und einem Meßtiegel 1.42 mit Durchflußspalt 1.43 und Steigrohr 1.44. Letzteres ist am oberen Ende über den Füllspalt 1.45 mit einer Druckkammer 2.1 verbunden, in die ein Druckkolben 2.11 mit geeignetem Antrieb (nicht dargestellt) eingepaßt ist. Wird das Dosiersystem wahlweise für die Befüllung der Schußkammer einer Druckgießmaschine, Gießtümpel beim Schwerkraftgießen, Rotacaster-Gießwanne oder anderer Standardverfahren genutzt, dann erhält das Steigrohr am oberen Ende eine Umlenkung mit einer zusätzlichen Belüftungsmöglichkeit, die am Ende der Meßtiegelentleerung im Zusammenspiel mit dem Druckabbau das Spritzen der Schmelze eliminiert.
Die Gieß- und Preßform 2.2 (im Beispiel für ein PKW-Rad) besteht aus Grundplatte 2.21, Seitenschiebern 2.22 und Zentralkern 2.23, in die mehrere Preßstifte 2.24, 2.25 oder Preßbolzen 2.26 eingebaut sind. Alle beweglichen Formteile werden zum Öffnen und Schließen der Form sowie für die Aufbringung der Preßkräfte von nicht dargestellten Antriebsmitteln betätigt.
Zum Start eines Fertigungszyklus wird das Chargiermaterial 1.11 durch die Schleuse 1.12 eingeschoben und im Aufheizbereich 1.2 auf eine unter der Liquidus-Temperatur liegende Temperatur gebracht. Das erweichte Material gelangt bei weiterem Vorschub in den Schmelzofen 1.3, wird hier aufgeschmolzen und auf eine geeignete Gießtemperatur überhitzt. Der Schmelzepegel im Schmelzofen liegt bei Druckausgleich mit der Atmosphäre einige Millimeter unter dem Durchflußspalt 1.43.
Zum Abmessen eines Dosierquantums für den nächsten Schuß erfolgt mit Hilfe der Schutzgas-Druckregelung 1.5 eine Druckerhöhung über dem Pegel im Schmelzofen 1.3. Mit dem absinkenden Pegel im Ofen kommt es zu einem Pegelanstieg im Raum zwischen Trennrohr 1.41 und Meßtiegel 1.42. Jetzt strömt Schmelze durch den Durchflußspalt 1.43 und füllt den Meßtiegel auf das Niveau des Zwischenraums (Überdosierung). Nach Abbau der Druckerhöhung im Schmelzofen 1.3 fließt das überdosierte Schmelzequantum aus dem Meßtiegel bis zur Unterkante des Durchflußspalts 1.43 über den Zwischenraum in den Ofen 1.3 zurück, das Dosierquantum ist abgemessen. Anschließend wird das Dosierquantum durch gleichzeitige Gasdruckerhöhung im Meßtiegel 1.42 und Schmelzofen 1.3 über das Steigrohr 1.44 und den Füllspalt 1.45 in die Druckkammer 2.1 gefördert. Abhängig von der Größe des Bauteils kann die Schmelze teilweise auch bereits in den Formhohlraum 2.3 eintreten. Der jetzt vorrückende Druckkolben 2.11 in der Druckkammer 2.1 verschließt zunächst den Füllspalt 1.45 und preßt die Schmelze zur vollständigen Füllung des Formhohlraums 2.3 in die Form 2.2. Hier erstarrt die Schmelze unter wählbarem hohen Druck im Zusammenspiel der Preßbolzen 2.24 bis 2.26 mit dem Druckkolben 2.11 unter Ausbildung einer dichten, feinkörnigen Gußgefügestruktur. Nach im wesentlichen abgeschlossener Erstarrung wird unter weiterer Druckerhöhung mit Hilfe der Preßbolzen beispielsweise in der Reihenfolge 2.24, 2.25, 2.26 bei zurückweichendem Druckkolben 2.11 das erstarrte aber noch weiche Bauteilgefüge zum Fließen gebracht. Damit kommt es in wichtigen Bauteilbereichen zur Ausbildung einer Knetgefügestruktur mit deutlich erhöhten Festigkeits- und Dehnungseigenschaften. An Stelle der erwähnten Preßbolzen 2.24 bis 2.26 können auch beispielsweise andere Formteile wie Seitenschieber 2.22 und/oder Zentralkern 2.23 zur Druckerhöhung nach beendeter Erstarrung mit dem Ziel der Gefügeumwandlung genutzt werden. Schließlich ist es auch möglich, Teile der Form durch Einlagen oder Zwischenlagen während der Formfüllung und Erstarrung auf geeignete Distanz zu halten, was einer Volumenvergrößerung entspricht und nach deren Entfernung den Formhohlraum mit dem erstarrten Bauteil zu verkleinern. Nach weiterer Abkühlung und genügender Verfestigung wird die Form geöffnet und das Bauteil entnommen.

Claims

Schmelz-, Gieß- und Prellverfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß stückiges Vormaterial in ein geschlossenes System unter Schutzgas eingebracht, aufgeheizt, geschmolzen und quantifiziert, über eine Druckkammer in einen Formhohlraum einer Form gefördert, dort unter erhöhtem Druck mit Ausbildung einer fehlerfreien Gußgefügestruktur erstarrt und das Bauteilgefüge nach der Erstarrung durch weiter erhöhten Druck bei veränderlichem Formhohlraum zum Fließen gebracht, damit zumindest teilweise in eine Knetgefügestruktur überführt und nach weiterer Abkühlung und Öffnen der Form das Bauteil mit Endabmessungen entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vormaterial Leichtmetallegierungen, sowohl Guß- als auch Knetlegierungen zur Anwendung kommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteilherstellung vom Vormaterial bis zum Endprodukt in einer Hitze ohne Zwischenabkühlungen und erneutem Aufheizen abläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormaterialkörper durch einen Rollen-, einen mechanischen oder einen elektromagnetischen Linear-Antrieb in das geschlossene Schutzgassystem eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormaterialkörper durch eine gasdichte Schleuse in das Schutzgassystem eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen der Vormaterialkörper untereinander so gestaltet sind, daß ein Wärmeübergang zwischen den Körpern behindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der Vormaterialkörper zumindest angenähert dem Gewicht des produzierten Bauteils entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Vormaterialkörper rund, quadratisch oder abgeflacht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormaterialkörper in einem rohrförmigen Aufheizaggregat mit starker Heizleistung, insbesondere induktiv aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormaterialkörper im Aufheizaggregat mit geeigneten Mitteln am unkontrollierten Durchrutschen gehindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die im Aufheizaggregat bis zu Temperaturen im Solidus-Liquidus-Bereich aufgeheizten Vormaterialkörper anschließend im angekoppelten Schmelzofen mit hoher Leistung vollständig aufgeschmolzen und auf Gießtemperatur überhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze mit Hilfe eines in den Schmelzofen eingebauten Gasdruck-Dosiersystems auf ein dem zu produzierenden Bauteil entsprechenden Volumen quantifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das quantifizierte Schmelzevolumen mit Hilfe von Gasdruck oder einer elektromagnetischen Pumpe in eine Hochdruckkammer und anschließend aus dieser mit Hilfe eines Druckkolbens in den Formhohlraum gefördert wird, wobei ein hoher Enddruck aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze direkt aus dem Ofen mit Hilfe von Gasdruck oder einer elektromagnetischen Pumpe durch eine verkleinerte Druckkammer hindurch in den Formhohlraum gefördert wird und daß ein Druckkolben erst gegen Ende der Formfüllung vorrückt und einen hohen Enddruck aufbaut.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Erstarrungsablauf der Schmelze in der Form mit Hilfe von eingebauten Kühlkörpern nach dem Prinzip der gelenkten Erstarrung, insbesondere gemäß der Schwell-Sequenz-Kühlung geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Erstarrungsablauf der Schmelze in der Form, insbesondere in Abstimmung mit der Kühlung, durch Druckelemente zur Verkleinerung des Formhohlraums unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das erstarrte Material in der Form mit Hilfe beweglicher Formteile zum Fließen gebracht und seine Gefügestruktur aus einer Gußstruktur in eine Knetstruktur überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der beweglichen Formteile eine Volumenverkleinerung der Form bewirkt während ein anderer Teil die entsprechende Volumenvergrößerung ermöglicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Formfüllung der Form von unten erfolgt.
Fertigungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch ein Aufheizaggregat, einen Schmelzofen mit einer Druckkammer, ein Schutzgassystem und eine Form mit einem veränderlichen Formhohlraum.
Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsbereiche Materialaufheizung, Schmelzen, Dosieren, Giessen und Umformen unter dem Schutzgassystem miteinander verknüpft sind und zentral geregelt werden.
Anlage nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine gasdichte Schleuse für das stückige Vormaterial aus einem durch eine Tülle gehaltenen elastischen Schlauchstück für den Materialeinschub besteht.
Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der kontrollierte Transport der Vormaterialkörper im rohrförmigen Aufheizaggregat durch das Zusammenwirken von Antrieb, Rohrneigung, elektrodynamischen Gegenkräften sowie einer Anstoßfläche quer zur Einschubrichtung erreicht wird.
Schmelzofen für eine Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß am Ofendeckel ein Chargier- und Aufheizrohr für Vormaterialkörper, eine Dosiereinrichtung für die Schmelze sowie ein Niveausensor montiert ist.
Schmelzedosiereinrichtung für eine Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet durch einen Meßtiegel in einem unten offenen Rohr, der im oberen Bereich einen Durchflußspalt aufweist und mit einem Deckel mit Gasdruckanschluß versehen ist, durch den ein Steigrohr nach unten bis in Bodennähe des Meßtiegels ragt.
Schmelzedosiereinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr an einer oberen Umlenkung für die Schmelzeführung einen Gasdruckanschluß aufweist.
Gasdruckregelungseinheit für eine Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die die Schutzgasfüllung nach jedem Produktionstakt zurückgewonnen wird und über längere Zeiträume erhalten bleibt.
Gasdruckregelungseinheit für eine Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen Druckimpulse auf die Schmelze gegeben werden.