DE10014744B4 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Hohlformen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Hohlformen, wie Dauerformen, Druckgußformen und Gesenken, die neben der formbestimmenden Innenkontur funktionale Hohlräume zum Beispiel für die Kühlung enthalten, bei welchem mittels Abguss in einer Gießform zunächst eine Zwischenform der Hohlform hergestellt wird, die ein geringes Aufmaß für die Bearbeitung in einer annähernd äquidistanten Materialschicht aufweist, welche durch Feinbearbeitung der formbestimmenden Innenkontur auf einer Werkzeugmaschine zum Beispiel durch Hochgeschwindigkeitsfräsen abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1) für die Zwischenform (2) aus mindestens zwei Formstoffblöcken gebildet wird, die eine obere und eine untere Halbschale (4, 5) ergeben, und die Geometriedaten der formbestimmenden Innenkontur der metallischen Hohlform mit Hilfe einer geeigneten Computersoftware als 3D-CAD-Daten erfasst und zu den Konturen der Zwischenform (2) entsprechenden CNC Bearbeitungsdaten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen von Formstoff generiert werden, wobei die formbestimmende Innenkontur (15) der Gießform (1) für die Zwischenform (2) in einem ersten Schritt mittels Schruppwerkzeugen aus den Formstoffblöcken großvolumig...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Hohlformen zur Anfertigung von Formteilen, zum Beispiel Dauerformen, Druckgußformen und Gesenken, durch Feinbearbeitung der formbestimmenden Innenkontur auf einer Werkzeugmaschine, zum Beispiel durch Hochgeschwindigkeitsfräsen, wobei mittels Abguss mit einer Gießform eine Zwischenform hergestellt wird die ein geringes Aufmaß für die Bearbeitung in einer annähernd äquidistanten Materialschicht aufweist wobei die Hohlformen neben der formbestimmenden Innenkontur funktionale Hohlräume zum Beispiel für die Kühlung enthalten.
• Ein derartiges Verfahren wurde bereits in der DE 19707906 C2 vorgeschlagen. Anhand der Geometriedaten eines Rohteils werden die Geometriedaten der Druckgußform als räumliches Negativ des Rohteils ermittelt. Im Bereich der konturbildenden Teile werden die Geometriedaten der Druckgußform durch ein zusätzliches Aufmaß modifiziert, um auf einem nachfolgenden Abguss einer Zwischenform die Ausbildung einer äquidistanten Materialschicht zu gewährleisten. Die Gießform wird in einer Laser – Sinteranlage hergestellt und für den Abguss vorbereitet. Der Gußrohling weist die Kontur der Druckgußform und eine etwa äquidistante Materialschicht auf, die mittels Hochgeschwindigkeitsfräsen auf Endmaß und erforderliche Oberflächenqualität bearbeitet wird.
• Nachteilig ist bei dem beschriebenen Verfahren, daß für das Herstellen der Zwischenform eine zusätzliche Laser – Sinteranlage benötigt wird. Das Herstellen der Gießform für die Zwischenform wird mit einer Laser – Sinteranlage schichtweise in der sogenannten Layertechnik vorgenommen, was vergleichsweise aufwendig ist. Beim Lasersintern können nur sehr geringe Schichtstärken gesintert werden, was einen großen Zeitaufwand erfordert. In der Hauptsache jedoch ist das Verfahren nur für Formen mit kleinen Abmessungen einsetzbar, weil der Arbeitsraum einer Laser – Sinteranlage begrenzt ist. Wenn Gießformen in größeren Abmessungen gefordert werden, müssen komplette Formen aus lasergesinterten Einzelteilen zusammengefügt werden, wodurch Probleme bei der Genauigkeit und Fügetoleranzen entstehen können.
• In der DE 198 25 448 A1 wird ein Verfahren zum direkten Herstellen einer verlorenen Gießform für Gusstücke aus Metall unter Verwendung von Gießereiformstoffen mit aushärtbaren Bindemitteln vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird ebenfalls mit einem CAD – System aus der Kontur der Gießform die Kontur einer zu bearbeitende Rohform generiert und auf eine Modelleinrichtung übertragen. Mit der zusätzlichen Modelleinrichtung wird eine Rohform mit einer Bearbeitungszugabe hergestellt, die eine Druckfestigkeit von mindestens 80 kg/cm2 aufweist. Diese Bearbeitungszugabe wird abschließend nach dem vollständigen Aushärteten des Formstoffs mittels Feinbearbeitung durch Formstoff- Fräsen abgetragen. Nachteilig ist die beschriebene Herstellung einer Zwischenform und die Anfertigung, einer zusätzlichen Modelleinrichtung.
• In der EP 864 121 B1 wird ein Layerverfahren für die Herstellung einer Gießform beschrieben. Die Gießform wird schichtweise in Schichten von 5 bis 50 Millimetern aufgebaut. Für den Aufbau einer einzelnen Schicht ist ein Handling – System vorgesehen, das sich eine Platte aus einem Plattenmagazin holt, die mit der vorangehenden Platte verklebt werden muß. Die Platten werden in einer automatischen Klebestation verklebt. Jede neue Platte wird mit einem kurzen Standardfräser mit einer Hochfrequenzspindel bearbeitet. Tiefere Kluften werden auf diese Weise in bearbeitbare Layer aufgeteilt. Die Fertigung erfolgt daher nach der Schichtmethode, bei der das Werkstück sukzessive aus plattenförmigen Materialschichten mit gleicher oder variabler Schichtdicke zusammengesetzt wird. Die Schichtdicke wird dabei so gewählt, dass in jeder Schicht an den zu bearbeitenden Stellen eine für einen Fräsvorgang ausreichende Materialstärke stehenbleibt. Das Verfahren ist zur Fräsbearbeitung komplizierter dreidimensionaler Werkstück, beispielsweise von Gießformen oder Erodierelektroden, bestimmt.
• Die nach dem Stand der Technik beschriebenen, auf der Layertechnik basierenden Verfahren, haben den Nachteil gemeinsam, daß der Aufbau der Schichten und die im Verfahrensablauf zeitlich dazwischen liegende mechanische Bearbeitung zeitaufwendig und unwirtschaftlich ist. Die Erfindung bezweckt eine höhere Wirtschaftlichkeit und den Arbeitsablauf bei der Herstellung von Zwischenformen zu beschleunigen.
• Diese Aufgabe der Herstellung einer Zwischenform, die ein geringes Aufmaß für die Feinbearbeitung in einer annähernd äquidistanten Materialschicht enthält, wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
• Durch die Aufteilung der Geometriedaten der metallischen Hohlform mit Hilfe einer geeigneten Computersoftware in Form von 3D – CAD – Daten zu einer Negativform in mindestens zwei blockförmige die formbestimmende Innenkontur aufweisende Halbschalen wird die Wirtschaftlichkeit durch Senkung der Maschinenkosten bei der Herstellung von metallischen Hohlformen gegenüber den bekannten Verfahren erheblich verbessert. Durch das großvolumige Ausräumen der formbestimmenden Konturen der Negativform durch das Hochgeschwindigkeitsfräsen und mit Schruppwerkzeugen können diese wesentlich schneller hergestellt werden. Eine zusätzliche Laser – Sinteranlage oder eine Modelleinrichtung ist nicht erforderlich. Gleichzeitig ist die Genauigkeit bei großen Hohlformen wesentlich größer. Da beim Lasersintern aus verfahrensbedingten Gründen die Größe der Gießform begrenzt ist, müssen bei Hohlformen mit großen Abmessungen mehrere mit Fehlertoleranzen behaftete Segmente aneinandergereiht werden, wodurch Probleme bei der Genauigkeit bedingt sind. Beim Zusammenbau von Segmenten oder bei der Layertechnik kann die Negativform durch einen Versatz der Konturen eine Gestaltabweichung aufweisen, die einen größeren Aufwand bei der nachfolgenden spanenden Bearbeitung oder ein unbrauchbares Gußteil zur Folge hat. Diese Nachteile werden mit dem vorgeschlagenen Verfahren sicher vermieden.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß die durch die Geometriedaten im Fräsprogramm vorgegebenen Strukturen im Bereich der formbestimmenden Innenkontur der Negativform integriert und mit einem entsprechenden Aufmaß modifiziert werden. Der zeitliche Aufwand für die Zwischenform kann erheblich gesenkt werden, wenn die in dem Fräsprogramm enthaltenen Geometriedaten für die Negativform bis auf das Aufmaß geglättet werden. Erst bei der abschließend erforderlichen Feinbearbeitung wird das vollständige Fräsprogramm eingesetzt. Die Innenkontur der Negativform kann auf diese Weise zunächst unter Berücksichtigung des Aufmaßes im Groben hergestellt werden. Es können Schruppwerkzeuge eingesetzt werden, die wesentlich schneller als Layerverfahren oder Lasersintern sind.
• Um die Hohlräume in der Hohlform herzustellen werden Formkerne benutzt, die beim Gießen der Zwischenform umgossen werden. Zweckmäßig können bekannte Verfahren zur Herstellung von Kernen eingesetzt und insbesondere Kernpakete gebildet werden. Die Formkerne können ein heiß oder kalt härtbares Bindersystem aufweisen, das nach dem Erstarren des Gußstücks leicht aus dem Hohlraum zu entfernen ist. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kühlkanal durch Umgießen eines rohrförmigen Formkernes aus einem einschweißenden oder nichteinchweißenden Metall erzeugt. Der rohrförmige Formkern aus Metall besitzt gegenüber einem mit einem Bindemittel hergestellten Formkern eine hohe Festigkeit, so daß dieser lediglich an seinen Enden gehalten werden muß. Es entfallen damit Kernnägel oder Kernstützen, welche die Standfestigkeit einer metallischen Hohlform negativ beeinflussen können. Die Kühlkanäle können dadurch besonders klein und konturengerecht ausgebildet werden, was im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden soll.
• In den zu dem Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen zeigt,
• 1 eine Gießform für das Herstellen einer Zwischenform,
• 2 das Oberteil einer metallischen Hohlform und
• 3 eine Gießform für das Herstellen einer Zwischenform für die Hohlform nach 2 in schematischer Darstellung.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in 2 gezeigten Kokillendorns 11 beschrieben. Um die Geometrie für eine in 1 stark schematisiert dargestellte Gießform 1 für die Zwischenform 2 eines Kokillendorns 11 einer dreidimensionalen metallischen Hohlform erzeugen zu können, wird für die Sollgeometrie anhand der CAD – Daten der Hohlform ein Fräsprogramm mit Hilfe einer automatischen dreidimensionalen Frässoftware für ein bestimmtes Werkzeug erstellt.
• Dieses Fräsprogramm wird in die numerische Steuerung einer Werkzeugmaschine geladen, die für die Hochgeschwindigkeitsbeaxbeitung vorgesehen ist. Das Fräsprogramm enthält die durch spanende Bearbeitung zu erzeugende formbestimmende Innenkontur 15 der Gießform 1. Innerhalb dieses Systems wird die Geometrie berechnet, die bei der Ausführung des Fräsprogramms mit dem entsprechenden Werkzeug unter Berücksichtigung der Innenkontur 15 mit dem kleinsten Innenradius der Gießform 1 entsteht. Damit ist das Fräsprogramm für die abschließende Feinbearbeitung der Gießform 1 geeignet. Für die mechanische Endbearbeitung der Hohlform mit einem zerspanenden Verfahren mit definierter Schneide hat sich das Hochgeschwindigkeitsfräsverfahren (HSC) als vorteilhaft erwiesen. Für die Durchführung dieses Verfahrensschrittes wird vorzugsweise das CNC – Programm verwendet, das die Frässoftware auf Basis vorliegender CAD-Daten erstellt hat. Durch Integration wird die Innenkontur 15 der Zwischenform 2 vergröbert, so daß die Bearbeitung einem Schruppvorgang entsprechen kann. Die Werkzeugmaschine kann insbesondere ein Fräsbearbeitungszentrum, eine CNC – gesteuerte Schleifinaschine, Fräsmaschine, Bohrwerk oder u. a. eine portalgestützte Bearbeitungseinheit enthalten.
• Die Gießform 1 nach 1 für die Herstellung einer Zwischenform 2 wird aus zwei Formstoffblöcken gebildet, die mindestens eine obere Halbschale 4 und eine untere Halbschale 5 aufweisen. Für die Formstoffblöcke können bekannte tongebundene, kalthärtende oder warm – beziehungsweise heißhärtende Formstoffe in Betracht kommen, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen und für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder das Formstoff- Fräsen geeignet sind. Das Fräsen der Formstoffblöcke erfolgt mit Schruppwerkzeugen, die ein großvolumiges Ausräumen der formbestimmenden Innenkontur 15 ermöglichen.
• In die Halbschalen 4, 5 werden nach der Feinbearbeitung Kernmarken 6 eingefügt, die zur Aufnahme eines Sandkerns 7 dienen. Der Sandkern 7 wird beim Gießen von den flüssigen Metall umhüllt und ergibt einen funktionsbedingen Hohlraum 8 beispielsweise für die Kühlung. Das Herstellen der Sandkerne 7 erfolgt mit konventionellen Herstellungsverfahren mittels Kernkasten, Schablonen oder durch Lasersintern, wobei die Sandkerne 2 in Analogie zur Formherstellung als verlorene Sandkerne 7 hergestellt werden. Diese sind nur einmalig verwendbar und werden nach dem Abgießen zerstört. Durch die einmalige Verwendung kann fast jede Gestalt von Hohlräumen 8 in der Zwischenform 2 realisiert werden. Das Verfahren kann demgemäß nicht auf Sandkerne 7 eingeengt werden, vielmehr sind anstelle von Sandkernen 7 auch weitere bekannte Kerne einsetzbar, die nach dem Gießen verloren sind.
• Sandkerne 7 werden mit einem heiß oder kalt härtbaren Bindersystem verfestigt, das die mechanische Verankerung der Sandkörner untereinander gewährleistet. Allgemein besitzen Sandkerne 7 und verlorene Kerne eine vergleichsweise geringe Festigkeit, wenn lange und schmale Kanäle ausgebildet werden sollen. Die schmalen Sandkerne 7 müssen in der Gießform 1 durch Kernstützen und Kernnägel festgehalten werden, damit sie beim Gießen nicht ihre Lage verändern oder zerstört werden. Aus den gleichen Gründen ist der lichte Durchmesser der mit Sandkernen 7 gefertigten Kanäle aus fertigungstechnischen Gründen meist größer als erforderlich.
• Um bei einem in 2 gezeigten Kokillendorn 11 einen konturennahen Kühlkanal 9 auszubilden, wird ein rohrförmiger Kanalformkern 12 aus Metall vorgesehen, der beim Gießen in das flüssige Metall vorzugsweise eingeschweißt wird. In dem in 3 gezeigten oberen Gießformteil 13 ist der Kanalformkern 12 aus Metall lediglich an seinen Enden gehalten, so daß auf zusätzliche Befestigungseinrichtungen beim Umgießen verzichtet werden kann. Durch den mit dem Kanalformkern 12 gebildeten konturennahen Kühlkanal 9 ist eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Kokillendorn 11 und damit eine hohe Wärmestandfestigkeit der Kokille gewährleistet.
• Außerdem weist die in 3 gezeigte Gießform 1 in dem unteren Gießformteil 14 eine integrierte Innenkontur 17 auf, bei der die CNC Bearbeitungsdaten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen auf einen konventionellen Schruppvorgang zusammengefaßt sind. Das Fertigstellen der Gießform 1 erfolgt mit feinbearbeiteten Einlegekernen 16, welche die formbestimmende Innenkontur 15 enthalten und entsprechend dem Aufmaß 3 für die Zwischenform 2 in einem separaten Arbeitsgang angefertigt worden sind. Auf diese Weise können die Geometriedaten im Fräsprogramm für die Gießform 1 zugunsten einer wirtschaftlichen Arbeitsweise erheblich vereinfacht werden. Das Fräsprogramm für die Gießform 1 kann damit wesentlich beschleunigt werden. Die Fertigungszeit für die Herstellung geometrisch komplizierter Teile wird gesenkt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Hohlformen, wie Dauerformen, Druckgußformen und Gesenken, die neben der formbestimmenden Innenkontur funktionale Hohlräume zum Beispiel für die Kühlung enthalten, bei welchem mittels Abguss in einer Gießform zunächst eine Zwischenform der Hohlform hergestellt wird, die ein geringes Aufmaß für die Bearbeitung in einer annähernd äquidistanten Materialschicht aufweist, welche durch Feinbearbeitung der formbestimmenden Innenkontur auf einer Werkzeugmaschine zum Beispiel durch Hochgeschwindigkeitsfräsen abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1) für die Zwischenform (2) aus mindestens zwei Formstoffblöcken gebildet wird, die eine obere und eine untere Halbschale (4, 5) ergeben, und die Geometriedaten der formbestimmenden Innenkontur der metallischen Hohlform mit Hilfe einer geeigneten Computersoftware als 3D-CAD-Daten erfasst und zu den Konturen der Zwischenform (2) entsprechenden CNC Bearbeitungsdaten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen von Formstoff generiert werden, wobei die formbestimmende Innenkontur (15) der Gießform (1) für die Zwischenform (2) in einem ersten Schritt mittels Schruppwerkzeugen aus den Formstoffblöcken großvolumig ausgeräumt und nach der anschließenden Feinbearbeitung mit Kernmarken (6) zum Einlegen von Kernen versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Schruppwerkzeugen erzeugte integrierte Innenkontur (17) der Gießform (1) mit Einlegekernen (16) versehen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (8) durch Umgießen eines Sandkernes (7) erzeugt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandkerne (7) durch ein Kernpaket gebildet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sandkern (7) ein heiß oder kalt härtbares Bindersystem aufweist, das nach dem Erstarren des Gußstücks leicht aus dem Hohlraum (8) entfernt werden kann.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sandkern (7) unter Einsatz eines Layerverfahrens oder mit Hilfe einer Laser – Sinteranlage hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beispiel ein Kühlkanal (9) durch Umgießen eines rohrförmigen einschweißenden oder nichteinchweißenden Kanalformkerns (12) aus Metall erzeugt wird, wobei der Kanalformkern (12) lediglich an seinen Enden gehalten wird.