Verfahren und Vorrichtung zum Giessen von Gegenständen, Erzeugnis und Anwendung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zum Giessen von Gegenständen mittels einer Giessform und eines Kerns, ein Gussstück, hergestellt nach dem Verfahren und eine Anwendung des Ver fahrens zum Herstellen von hohlzylinderartigen Guss- rohlingen zur Weiterverarbeitung zu Kolbenringen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich da durch aus, dass durch eine Relativbewegung von Giess form und Schmelze der Formhohlraum mit der Schmelze in Verbindung gebracht wird, dass der Formhohlraum evakuiert wird, so dass die Schmelze darin aufsteigt, und die Evakuierung des Formhohlraums mindestens so lange aufrechterhalten wird, bis die kommunizierende Verbindung zwischen Formhohlraum und Schmelze durch erstarrtes Schmelzmaterial unterbrochen ist.
Das nach dem Verfahren hergestellte Gussstück kann ein hohlzylinderartiges Gussstück sein. Solche Gussstücke finden sehr vielseitige Verwendung, sei es als Einzel produkt oder als Ausgangsprodukt für weitere Ver arbeitung, z. B. zu Ventilsitzringen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens mit einer Giessform und einem Kern ist dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohl raum ein evakuierbarer, mit zumindest einer Einfüll- öffnung für die Schmelze versehener, im übrigen abge schlossener Raum ist, und dass Mittel vorgesehen sind, um die Giessform und die Schmelze relativ zueinander zu bewegen, derart, dass die Einfüllöffnung mit der Schmelze in Verbindung steht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. la-le Verfahrensschritte beim Giessen eines Gegenstandes, Fig. 2 eine Giessvorrichtung, Fig. 3 eine weitere Giessvorrichtung.
Ein Kern 1 (Fig. 1a) weist einen zylindrischen Teil 2 und einen scheibenförmigen Teil 3 auf. Im zylindrischen Teil des Kerns befindet sich eine Bohrung 4, welche einem konischen Teil 5 eines Dorns 6 entspricht. Der scheibenförmige Teil des Kerns ist mit zumindest einer Öffnung 7 versehen. Eine Giessform 8, bestehend aus zwei Hälften 9 und 10, weist einen Anschlussstutzen 11 auf, die mit einer (nicht gezeichneten) Unterdruckquelle in Verbindung gebracht werden kann. Die Unterseite der Hälften der Giessform haben eine Vertiefung 12 bzw. 13, die einer Verjüngung 14 des Kerns entspricht. Die Giessform ist mit Kühlkanälen 15 versehen.
Der Kern 1 wird auf den konischen Teil 5 des Dorns 6 geschoben und darauf z. B. mittels Vakuum gehalten (Fig. 1b), während die Giessform 8 um den Kern geschlossen wird. Die Vertiefungen 12, 13 des Kerns nehmen dabei die Verjüngung 14 des Kerns 1 auf; der scheibenförmige Teil 3 des Kerns bildet den Boden 16 der Giessform. Wie ersichtlich hat sich ein Formhohlraum 17 gebildet, begrenzt durch die Innen wand 18 der Giessform und den Umfang 19 des Kerns.
Für den Giessvorgang wird der Dorn 6 in Richtung einer Pfanne 20 (Fig. 1c) gesenkt, in welcher sich ein schmelzflüssiger Gusswerkstoff oder Schmelze 21 be findet. Der Spiegel der Schmelze ist mit 22 angedeutet. Der Dorn wird so weit gesenkt, bis der Boden 16 der Giessform in der Schmelze 21 eingetaucht ist. In diesem Moment wird der Anschlussstutzen 11 mit der Unter druckquelle in Verbindung gebracht, so dass der Form hohlraum 17 auf einem bestimmten Unterdruck eva kuiert wird. Dadurch steigt der Gusswerkstoff 21 durch die Öffnungen 7 auf und in den Formhohlraum.
Der Unterdruck wird so eingestellt, dass der Gusswerkstoff bis etwa das Niveau 23 im Formhohlraum aufsteigt und dann zu Ruhe kommt. Der Gusswerkstoff fängt nun an zu erstarren. Der Unterdruck wird so lange aufrecht erhalten, bis aller sich in dem Formhohlraum befindli cher Gusswerkstoff zu einem Gussstück 24 erstarrt ist. Der Unterdruck im Formhohlraum dient zusätzlich dem Absaugen der beim Giessvorgang entwickelten Gase. Nun wird der Dorn 6 angehoben und seitwärts ge- schwenkt, wobzi die Giessform aus der Pfanne entfernt und ausserhalb des Bereiches der Pfanne kommt.
Nach Öffnen der Giessform (Fig. 1d) wird das Gussstück 24 zusammen mit dem Kern 1 vom Dorn 6 entfernt. Nach träglich werden dann Gussstück und Form voneinander getrennt (Fig. 1e). Es ist nicht notwendig, den Unter druck aufrechtzuerhalten, bis der Gusswerkstoff im Formhohlraum völlig erstarrt ist. Der Unterdruck kann aufgehoben werden, sobald die kommunizierende Ver bindung zwischen Formhohlraum und Schmelze durch erstarrten GusswerkstöE, z. B. in oder im Bereich der öff- nungen 7 im Kern.
Die Erstarrung in diesen öffnungen kann durch deren geeignete Formgebung und Dimen sionierung und/oder zusätzliche Kühlvorrichtungen ge fördert werden.
Statt des geschilderten Vorganges, wobei die Giess form hinsichtlich der Schmelze bewegt wird, ist es selbstverständlich auch möglich, die Giessform stationär zu halten, und die Pfanne mit der Schmelze in Richtung der Giessform zu bewegen, bis der Spiegel der Schmelze den Boden der Giessform berührt.
Durch unsymmetrische Giessform und/oder Kern form kann das Gussstück unsymmetrisch gestaltet wer den. Durch geeignete Formgebung der Giessform-Innen- wand und/oder des Kernumfanges können der Umfang des gegossenen Gegenstandes bzw. dessen Hohlraum nach Belieben ausgebildet werden.
Das Verfahren eignet sich für das Giessen von Gegenständen aus Gusseisen mit lamellarem Graphii oder mit Kugelgraphit, aus Temperguss, Halbstahl, Bronzen und anderen Werkstoffen. Die Gegenstände können vor, während oder nach der Weiterverarbeitung in bekannter Weise wärmebehandelt werden, um die gewünschten, den jeweiligen Anforderungen angepassten Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Das Verfahren er möglicht einen raschen Giessvorgang. Durch seine Ein fachheit eignet sich das Verfahren ohne grossen Auf wand zur Automatisierung mittels sinngemäss konstru ierten Maschinen.
Die betriebsbereit dargestellte Vorrichtung weist eine zweiteilige, wassergekühlte Giessform 35 auf, bestehend aus zwei Formhälften 36 und 37. Die Giessform wird am Umfang 38 eines Dorns 39 zentriert. Die Giessform wird weiterhin getragen und zentriert an einer Schulter 40 des Dorns. Die Formhälfte 37 der Giessform weist einen Anschlussstutzen 41 auf, der über eine biegsame Leitung mit einer (nicht gezeichneten) Quelle für Unter druck verbunden werden kann. Der Dorn trägt mittels eines Unterdrucks auf seinem konischen Teil 42 einen Kern 43, während der Kern, ebenfalls mittels eines Unterdrucks, eine Scheibe 44 trägt.
Dazu ist der Dorn mit einer Längsbohrung 45 versehen, die mit mehreren, im konischen Teil 42 des Dorns befindlichen radialen Bohrungen 46 und 47 sowie Rillen 48 und 49 am Um fang des konischen Teils in Verbindung steht. Die Längsbohrung 45 kann über einen Anschlussstutzen 50 am Dornumfang mit (nicht gezeichneten) Quellen für Unterdruck und überdruck abwechselnd in Verbindung gebracht werden. Bei Unterdruck wird der Kern auf den konischen Teil des Dorns festgesaugt. Der Unter druck pflanzt sich fort durch eine Bohrung 51 im Kern bis in den Hohlraum 52 im Boden des Kerns. Der Hohlraum wird abgeschlossen durch die Scheibe 44, so dass diese gegen die Unterseite 53 des Kerns fest gesaugt wird.
Die Scheibe ist versehen mit öffnungen 54 für den Gusswerkstoff. Kern und Scheibe bestehen aus einem dem Gusswerkstoff entsprechenden, z. B. po rösen, keramischen oder anderen Material.
Die Scheibe dient zusätzlich dem Schutz der Giess form gegen die Hitze der Schmelze. Die Innenwand der Giessform weist eine ringförmige Aussparung 55 und eine Ringnut 56 auf. Diese beiden erzeugen an den Enden des Gussstücks Verstärkungen. Der Dorn 39 ist eine Verlängerung der Kolbenstange eines Arbeits zylinders, so dass die ganze Vorrichtung bezüglich der Schmelze auf und ab bewegt werden kann.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Um die Vorrichtung betriebsbereit zu machen, wird zunächst die Giessform um den Dorn geschlossen. Nach dem die Längsbohrung des Dorns auf Unterdruck ge bracht isst, wird erst der Kern auf den Dorn geschoben, und dann die Scheibe gegen die Unterseite des Kerns gedrückt, so dass beide haften bleiben. Die Vorrichtung wird nun in Richtung der Schmelze gesenkt, bis die Scheibe bis ungefähr halbe Dicke in der Schmelze ein taucht. Nun wird der Formhohlraum 57 in der Giess form auf Unterdruck gebracht, indem der Anschluss stutzen 41 mit der Unterdruckquelle verbunden wird.
Dadurch wird ein Teil des Gusswerkstoffes durch die öffnungen 54 in den Formhohlraum gesaugt, bis die Ringnut 56 ungefähr auf halber Höhe gefüllt ist. In diesem Zustand soll der Unterdruck dem Zylinder aus Gusswerkstoff das Gleichgewicht halten. Der Gusswerk- stoff wird nun zum Erstarren gelassen. Der Unterdruck im Formhohlraum und im Kern dient zusätzlich dem Absaugen der beim Giessvorgang gebildeten Gase, so dass ein porenfreies Gussstück gewährleistet ist. Der Unterdruck in dem Formhohlraum wird nach dem Er starren aufgehoben, wonach die Giessform geöffnet werden kann.
Anschliessend wird der Druck in der Längsbohrung des Dorns von Unterdruck auf über druck gewechselt, so dass Scheibe und Kern mitsamt Gussstück vom Dorn gedrückt werden.
Die Giessanlage gemäss Fig. 3 weist eine erhöhte Fahrbahn 65 auf, die von Säulen 66 und 67 getragen wird. Auf der Fahrbahn ist ein Wagen 68 angeordnet, auf welchem sich zwei Giesseinrichtungen 69 und 70 befinden. Der Wagen kann so über der Fahrbahn be wegt werden, dass beide Giesseinrichtungen abwechselnd in eine Giessposition 71 gefahren werden können. In der gezeichneten Lage befindet sich die Giesseinrichtung 69 in der Giessposition, während die Giesseinrichtung 70 am Ende der Fahrbahn betriebsfertig gemacht wird.
Bei der Giesseinrichtung 69 findet gerade ein Giessvor gang statt. Ist der Giessvorgang hier beendet, so wird der Wagen, nach links, in eine Abdruckposition ge fahren, wo die Giessform geöffnet und der Kern mit samt Gussstück entfernt werden. Daraufhin wird der Wagen zum linken Ende der Fahrbahn gefahren und für einen folgenden Giessvorgang betriebsfertig gemacht. Die Giesseinrichtung 70 befindet sich dann in der Giess position 71. Die Fahrbahn ist mit einer Arretiervor- richtung 72 für den Wagen versehen.
Jede Giesseinrichtung besteht aus einer zweiteiligen Giessform 73, die von einer Kolbenstange 74 eines am Wagen befestigten Arbeitszylinders 75 getragen wird. Die Formhälften 73a und 73b der Giessform sind je auf einem Hebel 76 bzw. 77 befestigt, die drehbar auf einem Fuss 78 bzw. 79 angebracht sind. Jeder Hebel ist zum öffnen und Schliessen der Giessform mit seinem freien Ende mit einer Kolbenstange 80 bzw. 81 eines Arbeitszylinders 82 verbunden. Die Formhälfte 73b ist mit einem Anschlussstutzen 83 für eine Unterdruck quelle versehen.
Die Kolbenstange 74 eines jeden Ar beitszylinders ist wie für Fig. 2 beschrieben mit einer Längsbohrung versehen, deren Unter- und Überdruck anschlussstutzen mit 84 bezeichnet ist. Der Arbeits zylinder 75 ist mit zum Beispiel hydraulischen Mitteln versehen, um die Ein- und Ausfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange, d. h. die Geschwindigkeit der Relativ bewegung von Giessform und Schmelze, regulieren zu können.
Die Giessposition 71 umfasst eine Pfanne 85 mit einem schmelzflüssigen Gusswerkstoff 86 mit Ober flächenspiegel 87. Der Gusswerkstoff wird mittels eines Brenners 88 auf die gewünschte Giesstemperatur ge halten. Die Pfanne ruht auf einem Tisch 89, der von einer Kolbenstange 90 eines Arbeitszylinders 91 ge tragen wird. Durch Betätigung dieses Arbeitszylinders nach jedem Giessvorgang, wird der Tisch und damit die Pfanne genau so viel angehoben, als der Oberflächen spiegel 87 der Schmelze durch den vorangegangenen Giessvorgang gesunken war. In dieser Weise kann der Hub der Kolbenstange 74 des Arbeitszylinders 75 der Giesseinrichtungen konstant gehalten werden bei gleich bleibender Eintauchtiefe der Giessform in die Schmelze.
Die Anlage weist weiterhin zwei Abdrückpositionen 95 und 96 auf, wo die Giessform über einem Kasten 97 bzw. 98 geöffnet und der Kern mitsamt des Guss- stücks von der Kolbenstange entfernt werden. Am linken und rechten Ende der Fahrbahn befindet sich ein Vor rat Kerne 99 und Scheiben 100 zum Betriebsbereit machen der Giessvorrichtungen.
Die Arbeitsweise der Giessanlage ist wie folgt: In der gezeichneten Lage befindet sich die Giess einrichtung 69 in der Giessposition 71. Durch Betätigung des Arbeitszylinders 75 ist die Giessform in die Schmelze gesenkt worden unter gleichzeitiger Erzeugung eines Unterdrucks in dem Formhohlraum der Giessform, so dass der Gusswerkstoff aus der Schmelze darin aufsteigt. Nach Erstarrung des Gussstücks wird die Giessform durch den Arbeitszylinder angehoben und der Wagen nach links gefahren, bis die Giessform sich in der Ab- drückposition 95 befindet.
Dort wird die Giessform durch Betätigung des Arbeitszylinders 82 geöffnet und durch Wechseln von Unterdruck auf Überdruck in der Kolbenstange 74 die Scheibe 105 und der Kern 106 mitsamt des Gussstücks abgedrückt. Sie werden in dem Kasten 97 aufgefangen und nachher sortiert. Daraufhin wird der Wagen zum linken Ende der Fahrbahn ge fahren, wo die Giesseinrichtung für einen neuen Giess vorgang bereit gemacht wird. Zur gleichen Zeit ist die Giesseinrichtung 70 in die Giessposition 71 angekom men, worauf ein zweiter Giessvorgang stattfindet. Ist dieser Giessvorgang beendet, so wird der Wagen zum rechten Ende der Fahrbahn gefahren. Unterwegs wird in der Abdrückposition 96 die Giessform geöffnet und der Kern mitsamt Gussstück abgedrückt.
Ist der Wagen zum Stillstand gekommen, so wird die Giesseinrichtung von neuem betriebsfertig gemacht.
Statt der beschriebenen Konstruktion, wobei die Giessform hinsichtlich der Schmelze bewegt wird, ist es möglich, die Anlage so auszuführen, dass die Giess form stationär bleibt, und die Pfanne mit der Schmelze in Richtung der Giessform bewegt wird. Weiterhin kann statt der beschriebenen linearen Anordnung der Giess einrichtungen, eine Anordnung gewählt werden, wobei die Giesseinrichtungen auf einem Drehtisch auf einem Kreis angeordnet sind.
Im folgenden ist die erfindungsgemässe Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung für die Herstellung von hohlzylinderartigen Gussrohlingen zur Weiterver arbeitung zu Kolbenringen, beispielsweise erläutert.
Der Bau von modernen Verbrennungsmotoren mit erhöhten Drücken im Zylinder und erhöhten Dreh zahlen als auch die Anwendung leichterer Bauweisen, haben die Beanspruchung der Kolbenringe beachtlich gesteigert. Dazu kommt der Wunsch nach der Ver wendung von Kolbenringen mit immer kleinerem Ma terialquerschnitt, vor allem aber Kolbenringe mit ge ringer Höhe. Demgemäss finden für Kolbenringe Werk stoffe von hoher statischer und dynamischer Festigkeit, hohem Elastizitätsmodul und hoher Zähigkeit, wie bei spielsweise bestimmte Temperguss- und Kugelgraphit- sorten, zunehmend Verwendung.
Ausserdem erscheint es heute für die Herstellung von hochwertigen Kolben ringen in den meisten Fällen unbedingt erforderlich, die Kolbenringe aus der fertigen Ringform weitgehend entsprechenden, gegossenen Rohlingen nach dem Form drehverfahren herzustellen.
Sowohl die Verwendung der genannten neuen Werkstoffe als auch die oft sehr geringe Höhe der Kolbenringe führen zu Schwierigkeiten beim Giessen und der nachfolgenden Bearbeitung der Rohlinge. Die bekannten Giessverfahren für die Herstellung von Kol benringen, nämlich das Einzelgussverfahren, das Schleu- dergussverfahren und das Büchsengussverfahren, genü gen nicht länger den Anforderungen. Das Einzelguss- verfahren nicht, weil seine metallurgischen Möglich keiten durch den geringen zu vergiessenden Material querschnitt der Kolbenringe den metallurgischen An forderungen in bezug auf das Gleit- und Laufverhalten und die Verschleissfestigkeit konträr sind.
Auch stellen die Erstarrungsbedingungen, wie sie bei diesem Ver fahren herrschen, dessen Wirtschaftlichkeit in Frage. Ein Hauptnachteil des Schleudergussverfahrens für die Herstellung von Kolbenringen ist, dass es nicht ermög licht, nichtrunde Rohlinge zu giessen, wie es zur Her stellung von Kolbenringen häufig erforderlich ist. Auch sind die notwendigen Bearbeitungszugaben gross und nicht über die ganze Länge des Aussenumfanges gleich.
Beim Büchsengussverfahren, wobei im grünen oder trok- kenen Sand gegossen wird, sind die Erstarrungsbedin- gungen ebenfalls ungünstig. Ausserdem erfordert dieses Verfahren verhältnismässig grosse, über die ganze Länge der Büchse nicht gleiche Bearbeitungszugaben am Aussen- und Innenumfang des Büchsenrohlings, was die Herstellung der Kolbenringe verteuert, besonders auch durch die hohe Festigkeit der modernen Kolben ringwerkstoffe.
Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens für die Herstellung von Kolbenringen treten diese Nach teile nicht auf. Die Kolbenringe werden von dem gemäss dem Verfahren hergestellten, hohlzylinderartigen Guss- rohlingen abgestochen. Da nicht im Sand gegossen wird, erfolgt die Erstarrung des Gusswerkstoffes rasch. Dem zufolge ist das Materialgefüge der Gussrohlinge feiner, was eine höhere Festigkeit der Kolbenringe bedeutet. Durch die rasche Erstarrung ist das Verfahren auch wirtschaftlich. Auch in dem Sinne, dass die notwendigen Materialzugaben gering sind, so dass die nachträgliche Zerspannungsarbeit gering ist.
Die gemäss dem Ver fahren hergestellten Kolbenringe entsprechen den Forde- rungen des neuzeitlichen Motorenbaus sowie der wirt schaftlichen Fertigung hochwertiger Kolbenringe vol lends. Das Verfahren eignet sich gleich gut für die Her stellung von kreisrunden, wie von nichtkreisrunden, z. B. ovalen, Kolbenringen. Für die Herstellung von nicht kreisrunden Kolbenringen werden die Giessform und der Kern mit entsprechendem radialem Querschnitt aus geführt.