-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gießen eines
Rohlings für
ein Bauteil, wobei das Bauteil insbesondere ein Werkzeug aus einem
metallischen Werkstoff ist.
-
Derartige
Rohlinge werden üblicherweise durch
Vollformgießen
hergestellt, indem ein Gießereimodell
erstellt wird, das mit Gießereisand
abgeformt wird. Der Abguss des Rohlings mit einer Metallschmelze
erfolgt anschließend
im Sandmodell. Nach dem Abgießen
muss der Gießereisand
aufbereitet oder entsorgt werden.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von
Rohlingen aufzuzeigen.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und/oder 9 gelöst.
-
Mit
der Vorrichtung nach Anspruch 1 wird eine individuell einstellbare,
wiederverwendbare Gießform
mit einer Vielzahl von in Höhenrichtung
unabhängig
voneinander verstellbaren Stempeln bereit gestellt. Zum Ausgleich
von temperaturbedingten Volumenänderungen,
wie sie insbesondere beim Gießen
von Metallschmelzen entstehen, ist wenigstens eine Seitenwand der
Vorrichtung verlagerbar gegenüber
der restlichen Vorrichtung ausgebildet. Bevorzugt ist dabei wenigstens
eine Seitenwand so verschieblich gelagert, dass ihr Abstand zu einer
benachbarten und/oder gegenüberliegenden
Seitenwand veränderbar
ist.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
Rohlinge aus Metallschmelzen in einer individuell einstellbaren
Gießform
hergestellt werden, ohne den Umweg über ein Gießereimodell und eine Sandgussform
nehmen zu müssen,
so dass die Prozesskette beim Vollformgießen von Metallschmelzen entscheidend
verkürzt
wird. Neben der Zeitersparnis ergeben sich auch Kosteneinsparungen,
da die erfindungsgemäße Vorrichtung
mehrfach wiederverwendbar ist und die Aufbereitung oder Entsorgung des
Gießereisandes
entfällt.
-
Zwar
ist aus der
DE 100
39 023 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Rohlings
bekannt, bei der die Kontur des Rohlings durch unabhängig voneinander
verstellbare Stempel nachgebildet werden kann. Die bekannte Vorrichtung
ist jedoch ganz offensichtlich nur zum Abguss von Kunststoffmaterialien geeignet,
die bei Raumtemperatur oder nur wenig höheren Temperaturen chemisch
aushärten.
Ein Gießereifachmann
wird daher die bekannte Vorrichtung aufgrund der Problematik der
temperaturbedingten Ausdehnung und Schwindung sowie der Abdichtungsproblematik
für den
Abguss von Metallschmelzen nicht in Betracht ziehen.
-
Durch
die Erfindung nach Anspruch 1 werden die genannten Probleme gelöst, indem
wenigstens eine der Seitenwände
gegenüber
der restlichen Vorrichtung verlagerbar ist.
-
In
besonders vorteilhafter Weise wird die Verschiebung der wenigstens
einen Seitenwand durch eine unter Vorspannung stehende Spanneinrichtung
ermöglicht,
die bevorzugt wenigstens eine mechanische Federn aufweist, beispielsweise
eine Schraubenfeder. Hierbei ist die Höhe der Vorspannung durch eine
Veränderung
der Federlänge
einstellbar. Die mechanische Feder ermöglicht in besonders vorteilhafter
Weise selbsttätig
eine Verlagerung der Seitenwand bei temperaturbedingten Volumenänderungen
der Vorrichtung.
-
Selbstverständlich kann
die Spanneinrichtung auch wenigstens eine hydraulische Feder aufweisen.
Daneben ist es ebenso denkbar, nicht selbsttätig nachgiebige Spanneinrichtungen
einzusetzen, wie beispielsweise eine elektromotorische Spanneinrichtung,
ggf. mit elektronischer Ansteuerungseinrichtung.
-
In
Ausgestaltung der Erfindung schließt sich an den Aufnahmeraum
für den
Gusswerkstoff unterseitig ein Paket von Führungsstangen mit endseitigem
Gewinde an, die durch ein Verstellwerkzeug so verdrehbar sind, dass
durch die in die Stempel eingreifenden Gewindeabschnitte der Führungsstangen die
vertikale Position der Stempel veränderbar ist. Hierbei sind die
Führungsstangen
selbst in axialer Richtung nicht verschiebbar.
-
Anspruch
9 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere
aus einem metallischen Gusswerkstoff. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird während
der Justierung der Höhenlage
der Stempel die Spanneinrichtung so weit gelöst, dass eine leichtgängige Verstellung
der Stempel gegeneinander möglich
ist. Nach dem Einstellen der Stempel wird die Vorspannung der Spanneinrichtung
erhöht.
Hierdurch wird eine Abdichtung des Aufnahmeraumes zu den Seiten
und nach unten hin erreicht und damit das grundlegende Problem der
Abdichtung bei der Verwendung von Gusswerkstoffen mit einer Schmelztemperatur
im Bereich von mehreren 100 °C
gelöst.
Legierungen wie beispielsweise ZAMAK weisen einen Schmelzpunkt von
mehr als 400 °C
auf. Versuche der Anmelderin, zur Abdichtung des Aufnahmeraums analog
der
DE 100 39 023 A1 handelsübliche,
hoch temperaturbeständigen
Folien (wie zum Beispiel die Folie mit dem Handelsnamen "Kapton" der Firma DuPont)
zu verwenden, haben ergeben, dass die Dehnfähigkeit handelsüblicher Folien
keinesfalls ausreicht, um sich exakt in den Ecken des Aufnahmeraums
anzulegen.
-
Demgegenüber werden
die Spalte zwischen den Stempeln und zwischen Stempeln und Seitenwand
erfindungsgemäß dadurch
abgedichtet, dass die Stempel vor dem Einfüllen des Gusswerkstoffes durch
Ausübung
einer Vorspannkraft auf die Seitenwände der Vorrichtung aneinander
gelegt werden. Damit werden die Spalte so weit reduziert, dass der Aufnahmeraum
abgedichtet wird.
-
In
bevorzugter Weise erfolgt das Zusammendrücken des Stempelpaketes durch
vier unabhängig voneinander
bewegliche Seitenwände.
-
Die
Vorspannkraft muss mindestens so groß sein wie die Kraft durch
die hydraulische Druckwirkung der flüssigen Schmelze.
-
Nach
dem Einbringen des Gusswerkstoffes in den Aufnahmeraum der Vorrichtung
wird abgewartet, bis der Gusswerkstoff erstarrt ist. Diese Ruhephase
kann im Ablauf des Herstellens des Bauteils so gelegt werden, dass
das Erstarren des Gusswerkstoffes über Nacht erfolgt. Abschließend wird
der Rohling aus dem Aufnahmeraum der Vorrichtung entnommen, nachdem
die Vorspannung der Spanneinrichtung verringert wurde.
-
Mit
und nach dem Einbringen der Metallschmelze erwärmt sich die Vorrichtung und
dehnt sich dabei aus. Diese thermische Dehnung in radialer Richtung
wird durch die Nachgiebigkeit der Spanneinrichtung ermöglicht,
wodurch ein Verklemmen oder eine Zerstörung der Vorrichtung verhindert
wird.
-
In
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die verbleibenden minimalen Spalte zwischen den Stempeln
durch Auftragen eines Trennmittels, beispielsweise einer handelsüblichen
Gießereischlichte,
abgedichtet. Das Trennmittel verhindert gleichzeitig eine Verbindung
zwischen den Stempeln und dem Gusswerkstoff.
-
Insbesondere
bei einer stark unregelmäßigen Kontur
des Rohlings, beispielsweise bei vereinzelten, stark in den Aufnahmeraum
hineinragenden Stempeln, ist die Verwendung allein des Trennmittels möglicherweise
nicht ausreichend, um ein Entnehmen des erstarrten und damit geschwundenen
Rohlings aus dem Aufnahmeraum zu gewährleisten. Für diesen
Fall wird eine Zwischenlage von nicht unerheblicher Dicke verwendet,
die sich unter dem heißen
Gusswerkstoff zum richtigen Zeitpunkt auflöst und somit einen zusätzlichen
Freiraum für
das Entformen des Rohlings schafft.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die einzelnen Stempel automatisiert entsprechend
der gewünschten
Kontur des Rohlings verstellbar sind. Dies kann beispielsweise durch
eine elektrische oder hydraulische Verstelleinrichtung für jede einzelne
Führungsstange
erfolgen. Die Verstelleinrichtung wird hierbei bevorzugt von einer
Steuerungseinrichtung angesteuert, in der die geometrischen Daten
des Rohlings oder des Bauteils abgelegt sind. Hierdurch wird eine
automatische Einstellung der Kontur des Aufnahmeraumes der Vorrichtung
erreicht, ohne zusätzliche
weitere Schritte, die ansonsten manuell vorgenommen werden müssen.
-
Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Ein
mögliches
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
näher erläutert. Es
zeigt:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in perspektivischer Ansicht,
-
2 eine perspektivische Darstellung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, unter Weglassung der Stempel und Führungsstangen,
-
3 eine perspektivische Darstellung
des Unterteils der Vorrichtung, mit einzelnen Führungsstangen und Stempeln,
-
4 ein vergrößerter Ausschnitt
aus 3,
-
5 eine Draufsicht auf die
Vorrichtung im Positionierzustand und
-
6 eine der 5 entsprechende Darstellung der Vorrichtung
im Gießzustand.
-
1 zeigt eine in ihrer Gesamtheit
mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Herstellung von Rohlingen. Die
Vorrichtung 1 ist quaderförmig, mit Seitenwänden 2,
die L-förmig
sind und so über
Eck reichen, dass jeweils zwei aneinander grenzende Seitenflächen des Quaders
hälftig
von einer Seitenwand 2 gebildet werden. Die Endabschnitte
der Seitenwände 2 grenzen mittig
im Bereich der Seitenflächen
der quaderförmigen
Vorrichtung 1 an Trennfugen 3 aneinander und sind
an jeder Trennfuge 3 durch zwei übereinanderliegende Spanneinrichtungen 4 miteinander
verbunden.
-
Im
Innenraum der Vorrichtung 1 befindet sich eine Vielzahl
von unabhängig
zueinander höhenverstellbaren
Stempeln 5, die nach oben und zu den Seiten hin einen Aufnahmeraum 6 für den Gusswerkstoff begrenzen.
Die Stempel 5 sind in ihrer Höhe so positionierbar, dass
sie die Kontur des Bauteils möglichst genau
nachbilden.
-
Jede
Spanneinrichtung 4 besteht aus einer Schraube 7,
einer Schraubenfeder 8 sowie einer Mutter 9. Die
Schrauben 7 durchsetzen jeweils Laschen 10 im Bereich der
Endabschnitte der Seitenwände 2, wobei
sich die Schrauben 7 einerseits direkt mit ihrem Schraubenkopf
und andererseits mittelbar über die
Muttern 9 und die Schraubenfeder 8 an gegenüberliegenden
Laschen 10 abstützen.
-
Die
von einer Spanneinrichtung 4 ausgeübte Vorspannung kann verändert werden,
indem die Position der Mutter 9 am Schaft der Schraube 7 verändert wird.
Zum Einstellen der Höhenlage
der Stempel 5 wird die Vorspannung der Spanneinrichtung 4 möglichst
gering gewählt.
Nach erfolgter Einstellung werden die Muttern 9 angezogen,
hierdurch die wirksame Federlänge
der Schraubendruckfeder 8 verringert, wodurch sich die
Vorspannung auf die Laschen 10 erhöht und sich die Trennfuge 3 zwischen
den beiden Seitenwänden 2 sowie
die Spalte zwischen den einzelnen Stempeln 5 verkleinern,
um eine Abdichtung des Aufnahmeraums 6 gegenüber dem
einzufüllenden
Gusswerkstoff zu erreichen. Nach dem Eingießen des Gusswerkstoffes kommt
es in Folge von Wärmedehnungen
innerhalb des Stempelpaketes zu einer Ausdehnung radial nach außen. Die
Spanneinrichtung 4 ist so auszulegen, dass sie nach der
aufgebrachten Vorspannung zur Abdichtung des Aufnahmeraums 6 noch
ausreichend Nachgiebigkeit aufweist, um die thermische Ausdehnung
kompensieren zu können.
-
Nach
dem Erstarren des Gusswerkstoffes ist auch die Vorrichtung 1 mit
dem Stempelpaket wieder abgekühlt
und hat in etwa ihre ursprüngliche
radiale Ausdehnung wieder eingenommen, wodurch die Vorspannung der
Spanneinrichtung 4 sich wieder reduziert hat. Zur Erleichterung
der Entnahme des Rohlings aus der Vorrichtung 1 wird nunmehr
die Vorspannung der Schraubendruckfedern 8 verringert,
indem die Muttern 9 gelöst
werden.
-
Während in 1 eine Vorrichtung dargestellt
ist, die zu Versuchszwecken erstellt wurde, zeigen die 2 bis 6 mit der Vorrichtung 11 eine
weiterentwickelte Ausführungsform
der Erfindung, bei der neben einem Oberteil 20 auch ein
Unterteil 30 dargestellt ist. Das Oberteil 20 besteht
aus vier Seitenwänden 12,
die jeweils paarweise zueinander parallel ausgerichtet sind. Im
Unterschied zu den Seitenwänden 2 der
Vorrichtung 1 sind die Seitenwände 12 der Vorrichtung 11 als
ebene Seitenflächen
ausgebildet. Die Seitenwände 12 stoßen an den
Ecken des quaderförmigen
Oberteiles 20 unter Bildung von Trennfugen 13 aneinander.
An jeder Außenseite
der Seitenwände 12 sind
jeweils drei übereinander
liegende Spanneinrichtungen 14 vorgesehen. Jede der einzelnen
Spanneinrichtungen 14 weist eine nicht dargestellte Zugfeder
in einem Rohr 21 mit rechteckförmigem Querschnitt auf, wobei
die Zugfedern als Tellerfederpakete ausgebildet sind. Somit sind
insgesamt drei übereinander
angeordnete „Spannringe" aus jeweils vier
Rohren 21 mit innenliegenden Federpaketen vorgesehen. Die
Vorspannung der Zugfedern kann verändert werden, indem eine Spannschraube 22 verstellt
wird. Zwei dieser Spannschrauben 22 sind in 2 am untersten "Spannring" dargestellt. Mit
Veränderung
der Vorspannung der Spanneinrichtungen 14 verkleinern oder
vergrößern sich die
jeweiligen Trennfugen 13 zwischen den Seitenwänden 12.
Die Verstellung wird durch nicht dargestellte Langlöcher im
Bereich der aneinander angrenzenden Endbereiche der Seitenwände 12 bzw.
der Rohre 21 ermöglicht.
-
Das
Unterteil 30 weist einen Rahmen 31 auf, der über Laschen 32 und
Bolzen 24 mit Laschen 23 am Oberteil 20 verbunden
ist. Die Verschieblichkeit der Seitenwände 12 des Oberteils 20 gegenüber dem Unterteil 30 wird
durch Langlöcher
in den Laschen 23 und/oder 32 ermöglicht.
Innerhalb des Rahmens 31 ist eine Vielzahl von Führungsstangen 33 angeordnet (siehe 3 und 4), die eine Verstellung der Stempel 15 (3 bis 6) ermöglichen.
-
In 3 sind beispielhaft vier
Stempel 15 und Führungsstangen 33 dargestellt,
jeweils in den Eckbereichen des durch das Oberteil 20 begrenzten Aufnahmeraumes 16.
Jede Führungsstange 33 greift mit
ihrem Gewindeabschnitt 34 an ihrem stempelseitigen Endabschnitt
in eine im unteren Bereich des Stempels 15 angeordnetes
Innengewinde ein. Die Führungsstangen 33 sind
drehbar gelagert, während die
Stempel 15 naturgemäß durch
ihre Rechteckform gegen Verdrehung gesichert sind. Somit wird durch ein
Verdrehen der Führungsstangen 33 eine Änderung
der Höhenlage
der Stempel 15 erreicht.
-
Die
Führungsstangen 33 weisen
an ihren stempelabgewandten Endabschnitten zylindrische Verdickungen 35 auf, über die
sie in zylindrischen Aussparungen einer Bodenplatte 37 des
Unterteils 30 drehbar gelagert sind. Durch eine schematisch angedeutete
Arretiervorrichtung in Form von senkrecht zu den Führungsstangen 33 verlaufenden
Leisten 38 wird eine Axialverlagerung der Führungsstangen 33 verhindert.
Die Arretierung in Axialrichtung kann aufgehoben werden, indem die
Leisten 38 in Richtung des Pfeils 39 aus dem Unterteil 30 herausgezogen
werden. Dies kann dann erforderlich sein, wenn sich ein oder mehrere
Stempel 15 nicht aus dem erstarrten Rohling lösen und
eine Entnahme des Rohlings nur unter Mitnahme des Stempels 15 und damit
auch der Führungsstange 33 möglich ist.
-
Die
Verdrehung der Führungsstangen 33 erfolgt
von der Unterseite der Bodenplatte 37 durch deren zylindrische
Aussparungen 36, indem ein nicht gezeigtes Verstellwerkzeug
in den stempelabgewandten Endabschnitt der Führungsstange 33 formschlüssig eingreift.
-
In
besonders vorteilhafter Weise kann die Vorrichtung 11 durch
eine nicht dargestellte motorische Verstelleinheit ergänzt werden,
die sich an die Unterseite der Bodenplatte 37 anschließt. Die
Verstelleinheit besteht dabei aus einer Vielzahl von rotatorisch
wirkenden Antriebseinheiten, entsprechend der Anzahl von Führungsstangen 33 und
Stempeln 15. Durch individuelle Ansteuerung der Antriebseinheiten
kann eine gleichzeitige und damit sehr zeitsparende Verstellung
der Gesamtheit der Führungsstangen 33 und
der Stempel 15 erzielt werden, um die gewünschte Kontur
des Rohlings möglichst schnell
einzustellen. Die geometrischen Daten der Kontur werden dabei vorteilhafterweise
von einer Steuerungseinrichtung so aufgearbeitet, dass durch unmittelbare
Ansteuerung der Antriebseinheiten die geometrischen Daten so umgesetzt
werden, dass sich die Stempel 15 entsprechend der gewünschten Kontur
einstellen, unter Berücksichtigung
der erforderlichen Bearbeitungszugabe für die spanende Bearbeitung.
Damit entfällt
jegliche manuelle Einstellarbeit an den Stempeln.
-
Alternativ
kann eine Antriebseinheit vorgesehen sein, die an die einzelnen
Führungsstangen 33 nacheinander
angekoppelt wird, so dass die Verstellung der Führungsstangen automatisiert
sequentiell erfolgt.
-
5 zeigt in schematisierter
Draufsicht das Oberteil 20 der Vorrichtung 11,
mit den vier Seitenwänden 12,
die über
die Trennfugen 13 aneinander stoßen. Die Seitenwände 12 schließen ein
Paket von insgesamt 7 × 10
Stempeln 15 ein. In dem in 5 dargestellten
Positionierzustand sind die Spanneinrichtungen 14 in der „Einstellposition", das heißt, die Trennfugen 13 sind
relativ groß,
und auch zwischen den Stempeln 15 und den Seitenwänden 12 sowie zwischen
den Stempeln 14 untereinander stellen sich Spalte 24 ein.
Durch diese Spalte 24 wird die Verstellung der Stempel 15 in
Höhenrichtung
Z erleichtert. Die Abdichtung der Vorrichtung 11 im Bereich der Trennfugen 13 an
den Ecken des Oberteils 20 erfolgt durch die in 3 näher dargestellten Stempel 15 an den
Eckpositionen des Stempelpaketes.
-
Nach
erfolgter Höheneinstellung
der Stempel 15 entsprechend der gewünschten Kontur des herzustellenden
Rohlings werden die Seitenwände 12 durch
Erhöhung
der Vorspannung aufeinander zu bewegt, wie aus den Pfeilen 25 hervorgeht.
In diesem "Gießzustand" wird eine Abdichtung
der Vorrichtung 11 erreicht, da nach dem Einfüllen des
Gusswerkstoffes dieser nicht durch die Spalte 24 seitlich
und nach unten aus dem Oberteil 20 heraustreten kann. Die Abdichtung
kann durch Auftragen von Gießereischlichte
vor dem Einfüllen
des Gusswerkstoffes verbessert werden.
-
Durch
die Gussschmelze werden die Stempel 15 ebenso wie die gesamte
Vorrichtung 11 erwärmt.
Die thermisch bedingte Ausdehnung insbesondere des Stempelpaketes
entgegen der Richtung der Pfeile 25 wird ermöglicht,
indem die Spanneinrichtung 14 unter Erhöhung der Vorspannung nachgibt
und die Seitenwände
hierdurch entgegen der Richtung der Pfeile 25 nach außen verlagert
werden.
-
Zur
Erleichterung des Entformens kann nach dem Erstarren des Gusswerkstoffes
die Vorspannung in den Spanneinrichtungen 14 wieder reduziert werden.
-
Zur
weiteren Erleichterung des Entformens können zusätzlich Zwischenlagen eingebracht
werden, die aus einem Material bestehen, das sich unter der Hitze
des Gusswerkstoffes auflöst.
Der hierdurch geschaffene Freiraum kann auch erforderlich sein, um
ein Aufschwinden des Gussrohlings auf die durch die Stempel 5 bzw. 15 gebildete
Form zu verhindern. Die zerstörbaren
Zwischenlagen können
beispielsweise von Pappscheiben gebildet werden, die beim Guss verbrennen.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bzw. 11 eignet
sich in besonderer Weise zur Herstellung von Rohlingen für Werkzeuge,
die zum Tiefziehen von Blechteilen für Kleinserien eingesetzt werden.
Als Gussmaterial kommt hierbei beispielsweise ZAMAK mit einer Schmelztemperatur
von etwa 400 °C
in Frage. Die Standzeit derart hergestellter Werkzeuge beträgt etwa
300 Tiefziehvorgänge
und eignet sich damit vorwiegend für die Herstellung in Kleinstserien oder
die Prototypenfertigung.
-
Die
Stempel 5 bzw. 15 bestehen beispielsweise aus
Vierkantrohren mit quadratischem Querschnitt, die oberseitig durch
eine Einlage zugeschweißt
sind, mit einer umlaufenden Fase zur Gewährleistung einer leichtgängigen Verschieblichkeit der
Stempel 5 bzw. 15 gegeneinander.
-
In
einer erfolgreich arbeitenden Pilotanlage gemäß den 2 bis 6 werden
Stempel 15 mit einem Kantenmaß von 20 mm × 20 mm
eingesetzt, mit einem Oberteil 20, das einen Aufnahmeraum
von maximal 1500 mm × 1000
mm begrenzt, was einer Anzahl von 3750 Stempeln entspricht. Hierdurch
ist es möglich,
die Kontur des Rohlings relativ genau an die gewünschte Oberfläche des
Bauteils anzupassen, so dass die nachfolgende spanende Bearbeitung
mit möglichst
wenig Materialabtrag und einer geringen Anzahl von Bearbeitungsschritten
erfolgen kann.