DE10017391A1 - Verfahren zur Herstellung von metallischen Dauerformen und Dauerform - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Dauerformen zur ur- oder umformenden Fertigung mit mindestens einem Formteil (1, 23) mit einem Hohlraum (6), wobei die jeweiligen Formteile (1, 23) der Dauerform nach der Vollformgießtechnik hergestellt werden unter Verwendung eines verlorenen Modells (2, 20), das in einer Form (8) getragen und mit Formmaterial (9) umgeben wird und sich bei Kontakt mit dem schmelzflüssigen Gußmetall (10) zersetzt, wobei bei der Modellherstellung das Modell (2, 20) mit mindestens einem Kanal (3a, b, c) zur späteren Aufnahme eines Kühl- und/oder Heizfluids in dem Formteil versehen wird, die jeweiligen Kanäle (3a, b, c) ebenfalls mit dem Formmaterial (9) gefüllt, von dem schmelzflüssigen Gußmaterial (10) umflossen und nach dessen Erstarrung von dem Formmaterial (9) bereinigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Dauerformen zur ur- oder umformenden Fertigung sowie eine Dauerform mit mindestens einem Formteil mit einem Hohlraum, die das ur- oder umzuformende Material aufnimmt, und mit mindestens einem Kanal, der vorgesehen ist, ein Kühl- oder Heizfluid aufzunehmen.

Bei dem bekannten Druckgießverfahren von Metallteilen wird ein geschmolzenes Material mit hohem Druck in eine Metallform, üblicherweise Stahlform, gepreßt, die bei Beginn des Verfahrens auf eine Temperatur deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des zu vergießenden Materials, üblicherweise Gußmetall, erwärmt und zum Erstarren des Gußmetalls gekühlt wird. Es ist beispielsweise bekannt, Dauerformen für den Druckguß während des Gießprozesses von außen zu kühlen; diese Kühlart ist allerdings mit der Gefahr von Brandrissen verbunden.

Es ist auch bekannt, in der Metallform Temperierkanäle durch Bohren oder Fräsen einzubringen, durch die die Temperierflüssigkeit geführt wird. Eine solche Formkühlung beeinflußt einerseits die Lebensdauer der Dauergußform, andererseits können über die Kühlung der Form auch das innere Gefüge des Druckgußkörpers bzw. -bauteils und damit auch dessen Eigenschaften beeinflußt werden.

In diesem Zusammenhang schlägt beispielsweise die DE 197 51 472 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Druckgußmetallteils in einer Dauerform aus mindestens zwei Formteilen vor, wobei die Kühlung während des Gießprozesses nicht im wesentlich allein durch Durchleiten von Kühlflüssigkeit durch zylindrische Kanalbohrungen erfolgt, sondern durch Durchleiten der Kühlflüssigkeit durch einen Kanal, der in eine Kanalbohrung nachträglich mit einem verhältnismäßig niedrig schmelzenden Gießmetall eingegossen wird. Dieses Verfahren erlaubt eine größere Gestaltungsfreiheit der Kanalführung im Vergleich zu den glattflächigen (zylindrischen) Bohrungen. Gleichwohl ist es auch bei dieser Methode notwendig, anfänglich Bohrungen in die Formteile einzubringen. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es nicht möglich, diese Bohrungen in unmittelbare Nähe der Oberflächen der Formteile einzubringen. In der DE 197 51 472 A1 wird es sogar als Vorteil angesehen, daß das darin vorgeschlagene Verfahren eine größere Wandstärke im Formteil zwischen der den Druckgußkörper definierenden Außenhaut und dem Gießmetall, in dem der Kanal liegt, zuläßt, wobei dennoch eine gute Kühlleistung vorhanden ist.

Die vorliegende Erfindung geht von dem Problem aus, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von metallischen Dauerformen bereitzustellen, wobei die Dauerformen eine effektive Temperierung während der Ur- bzw. Umformung gewährleisten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die jeweiligen Formteile - beim Druckgießen üblicherweise zwei - der Dauerform nach der Vollformgießtechnik hergestellt werden unter Verwendung eines verlorenen Modells als Positiv für das jeweilige Formteil, das in einer Kastenform getragen und mit Formmaterial, beispielsweise partikelförmigem Material - wie Sand-, hinterfüllt wird und sich bei Kontakt mit dem schmelzflüssigen Gußmetall zersetzt, wobei bereits bei der Modellherstellung das Modell mit mindestens einem Kanal zur späteren Aufnahme eines Kühl- und/oder Heizfluids in dem Gußformteil versehen wird, die jeweiligen Kanäle ebenfalls mit dem Formmaterial gefüllt, von dem schmelzflüssigen Gußmaterial umflossen und nach dessen Erstarrung von dem Formmaterial bereinigt werden.

Erfindungsgemäß wird die bekannte Vollformgießtechnik zur Herstellung einer thermisch optimierten Dauergußform, insbesondere zur Verwendung für den Druckguß und damit für das Urformen, angewandt. Das Vollformgießen, auch bekannt als Gießen mit verlorenen Modellen oder Schaumstoffmodellen, ist eine Gießtechnik, bei der ein aus einem insbesondere Polymerschaummaterial, wie beispielsweise Polystyrol oder Polymethylmethacrylat gebildetes Modell in einer Kastenform getragen und von einem nicht gebundenen partikelförmigen Material, wie beispielsweise Quarzsand, umgeben wird. Wenn das geschmolzene Metall mit dem Modell in Kontakt kommt, zersetzt sich das Schaummaterial, wobei die Zersetzungsprodukte in die Zwischenräume des Sandes eindringen, während das geschmolzene Metall den Hohlraum ersetzt, der durch das verlorene Schaummaterial gebildet wurde, um ein Gußteil herzustellen, das eine identische Konfiguration besitzt wie das Modell.

Im Zusammenhang mit dieser Erfindung soll der Begriff Vollformgießtechnik jedoch nicht nur auf Modelle aus Polymerschaummaterial sowie ein partikelförmiges Formmaterial, wie Sand, beschränkt sein. So können anstelle von Formsand auch keramische Formstoffe oder Graphit zur Hinterfüllung des Modells verwendet werden. Im Falle von nicht partikelförmigen Stoffen, die weniger gut die bei der Zersetzung des Modells entstehenden Gase aufnehmen können, empfiehlt es sich, das Modell vorher auszugasen. Ebenfalls bleibt es uneingeschränkt, auf welche Weise das verlorene Modell hergestellt wird und aus welchem Material es besteht. Es muß allein die Voraussetzung erfüllen, daß es sich bei Kontakt mit dem zu vergießenden Metall zersetzt.

Es wird der Umstand ausgenutzt, daß Kühlkanäle einfacher in das Modell eingebracht werden können - beispielsweise durch Umschäumen eines Negativs mit Kunststoff - als durch Bohren in das bereits gegossene Formteil. Der Kanalverlauf ist nicht mehr beschränkt auf einen zylindrischen geradlinigen Bohrungsverlauf, es wird im Gegenteil die Integration komplexer Heiz-/Kühlsysteme erreicht.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Modell so gestaltet, daß die jeweiligen Kanäle innerhalb des Modells in unmittelbarer Nähe zur Modelloberfläche verlaufen und somit nach dem Vollformgießen in unmittelbarer Oberflächennähe in den Gußformteilen. In Weiterentwicklung hierzu wird vorgeschlagen, daß die jeweiligen Kanäle innerhalb des Modells entsprechend der Kontur des späteren Gußformteils verlaufen. Unter Kontur wird in diesem Zusammenhang der Verlauf bzw. die Ausbildung der Oberfläche im Gußformteil verstanden. Beim endabmessungsnahen bzw. endkonturierten Gießen ist die Oberfläche bereits an die Außenkontur des Gußkörpers angepaßt. Mittels des vorgeschlagenen Herstellungsverfahren können demnach Dauerformen hergestellt werden, deren Kühlsystem ebenfalls bereits an die Außenkontur des Gußkörpers angepaßt ist.

Durch den lokal angepaßten Wärmehaushalt wird ein verbessertes Fließverhalten des zu formenden Werkstoffs erreicht. In den optimiert beheizbaren Dauerformen werden gute Ergebnisse beim Umformen von Knetlegierungen, beispielsweise auf Magnesium- Basis, erreicht. Beim Druckgießen ist es möglich, komplexe, endabmessungsnah gegossene, dünnwandige Gußkörper herzustellen, bei denen schwindungsbedingte Risse und Poren bei Wanddickensprüngen und Materialanhäufungen vermieden werden können. Der Dichtevorteil von Leichtmetallegierungen, der bisher durch Gießfehler, wie Porositäten, Kaltfluß oder Heißrisse, wie sie insbesondere beim Druckgießen auftreten, eingeschränkt wurde, kann nun ausgeschöpft werden.

Nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bereits das Modell mit einer Gravur versehen und dient als Positiv für das spätere Gußformteil, welches dann ebenfalls auf seiner Oberfläche für ein endabmessungsnahes Gießen mit dieser Gravur versehen ist. Diese Gravur kann erhoben oder vertieft sein.

Nach einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Vollformgießtechnik mit der Verbundgießtechnik kombiniert, indem in das Modell vor seinem Einformen mit dem partikelförmigen Material ein Formsegment eingesetzt wird. Beim Gießen des schmelzflüssigen Metalls und mit Auflösen des Modellmaterials wird dieses Formsegment in das sich ergebende Gußformteil integriert bzw. eingegossen. Dieses Formsegment kann aus Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften gefertigt sein. Durch die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften sind die Gußformteile bzw. die Dauerform optimal an die jeweiligen Gießbedingungen der Gußmaterialien, beispielsweise schwierig zu vergießende Magnesiumlegierungen, anpaßbar. Durch die Werkstoffauswahl des Formsegmentes ist zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit der Dauerform einstellbar. Zudem kann der Verschleißgrad verringert werden, indem das Formsegment beispielsweise oberflächengehärtet ist oder -beschichtet ist. Für ein endabmessungsnahes Gießen ist das Formsegment mit einer an den Gußkörper angepaßten Gravur versehen.

Insgesamt ist mittels der vorgeschlagenen Kombination des Vollform- und Verbundgießens die Herstellung von Dauerformen möglich, die eine effektive Temperierung in Oberflächennähe bieten und gleichzeitig durch das Eingießen von einem oder mehreren Formsegmenten und somit individueller Anpassung an das jeweils zu vergießende Material das Herstellen fehlerarme, komplexe und dünnwandiger Gußteile, vorzugsweise im Druckguß, ermöglichen.

Es empfiehlt sich, beim Vollformgießen die Gießform, d. h. die Kastenform, zu evakuieren. Dies ermöglicht die Herstellung von Gußstücken mit sehr geringem Sauerstoff-, Stickstoff- und/oder Wasserstoff-Gehalten. Eine Nachbearbeitung der Formteile für die Dauerform erfolgt vorteilhafterweise über die bekannten Verfahren des Fräsens oder des Funkenerodierens.

Zudem wird eine Dauerform mit den Merkmalen nach Anspruch 10 beansprucht. Diese Dauerformen dienen zum Ur- oder Umformen von vorzugsweise Gußmetall, bevorzugt Leichtmetalle und deren Legierungen, aber auch beispielsweise von Kunststoff.

Bei der Dauerform handelt es sich bevorzugt um eine Druckgußmetallform, die mindestens zwei Formteile zur Ausbildung eines Formhohlraums umfaßt, mit einem Einlaß für geschmolzenes Gußmaterial, der mit dem Formhohlraum in Verbindung steht, wobei geschmolzenes Gußmaterial in den Formhohlraum über den Einlaß eingespritzt wird und unter Bildung eines Gußkörpers in diesem erstarrt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:

Fig. 1 bis 4 die schematische Abfolge der Herstellung eines Formteils für eine Dauerform zum Druckgießen nach der Vollformgießtechnik;

Fig. 5 bis 9 die schematische Abfolge der Herstellung eines Formteils für eine Dauerform zum Druckgießen nach der Vollform- Verbundtechnik.

Die Fig. 1 bis 4 geben schematisch die Abfolge zur Herstellung eines Formteils 1 für eine Dauerform zum Druckgießen wieder, die sich üblicherweise aus zwei solchen Formteilen 1 zusammensetzt. In Fig. 1 ist ein Modell 2 dargestellt, hier aus Polystyrol gefertigt, welches bereits integrierte Kanäle 3a, b, c für das Heiz- bzw. Kühlsystem in der Dauerform sowie ein Eingußsystem 4 mit mehreren Angüssen aufweist. Die Kanäle 3a,b,c verlaufen in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des Modells. Die Oberfläche 5 des Modellabschnitts, der den Formhohlraum 6 in der Dauerform bilden wird, ist bereits mit einer Gravur (hier mit durchgezogenen Linien angedeutet) zwecks endabmessungsnahem Gießen versehen.

Dieses Modell 2 wird in Anschluß an einen Schlickervorgang, in der es mit einer keramischen Schicht 7 versehen wird, in eine Kastenform 8 eingesetzt und mit Sand 9 hinterfüllt (Fig. 2). Ebenfalls werden die Kühlkanäle 3a,b,c sowie der gravierte Formhohlraum 6 mit Sand gefüllt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird anschließend das Gußmetall 10 mittels geeigneter Gußpfannen 11 eingegossen und die Form gleichzeitig evakuiert (12). Wenn das geschmolzene Metall 10 mit dem Modell in Kontakt kommt, zersetzt sich das Schaummaterial, wobei die Zersetzungsprodukte in die Zwischenräume des Sandes 9 eindringen, während das geschmolzene Metall den Hohlraum ersetzt, der durch das verlorene Schaummaterial gebildet wurde, um ein Gußteil herzustellen, das eine identische Konfiguration besitzt wie das Modell. Die mit Sand gefüllten Kühlkanäle bleiben demnach hohl.

Nach erfolgter Erstarrung werden das Gußstück bzw. Formteil 1 und die eingegossenen Kühlkanäle 3a, b, c von dem Sand befreit und das Angußsystem 4 entfernt. Um die Abbildungsgenauigkeit noch weiter zu erhöhen, kann das Formteil evtl. einer Nachbearbeitung in Form eines Erosionsvorgangs unterworfen werden. Hierbei werden - üblicherweise in einem Ölbad - in den Formhohlraum 6 mit gravierter Oberfläche 5 eine Elektrode 13 eingebracht, die die gewollte Gußabdruckoberfläche aufweist, und aufgrund des Funkenschlags 14 zwischen der Elektrode 13 und der Oberfläche 5 Fehlstellen abgetragen. Alternativ ist das Abtragen von Gießfehlern durch einen Fräsvorgang möglich, hier schematisch dargestellt (15).

Nach der zweiten Verfahrensalternative (Fig. 5 bis 9) wird die Vollformgießtechnik mit der Verbundgießtechnik kombiniert. Hinsichtlich der übereinstimmenden Bauteile werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Ebenso wie bei der ersten Variante wird eine Modell 20 aus geschäumten Polystyrol hergestellt, das geometrieangepaßte Kühlkanäle 3a, b, c aufweist. Im Gegensatz zu dem Modell nach der reinen Vollformgießtechnik wird bei der zweiten Ausführungsform die Gravur nicht direkt in die Modelloberfläche eingearbeitet, sondern - nach einem Schlickervorgang - ein vorgefertigtes graviertes, schalenförmiges, Formsegment 21 in den Hohlraum 22 des Modells eingesetzt (Fig. 6), welches die abzugießende Gravur für den späteren Gußkörper bildet. Die Pfeilrichtung zeigt die Einsetzrichtung an. Ein solches Formsegment 22 ist hinsichtlich seiner Werkstoffauswahl an das später in der Dauerform zu vergießende Material angepaßt.

Es muß allerdings beachtet werden, daß das Formsegment 22 so beschaffen ist, daß es bei Kontakt mit dem schmelzflüssigen Gußmetall 10 im wesentlichen nicht seine Form verliert bzw. Gravurveränderungen aufweist.

Fig. 7 zeigt den sich anschließenden Einsetzvorgang des Modells 20 nebst integriertem schalenförmigen Formsegment 21 in eine Kastenform 8 und Hinterfüllung mit Sand 9. Es folgt der Gießvorgang, wobei das Kunststoffmaterial des Modells schmilzt und sich das Gußmaterial 10 bei Kontakt mit dem Formsegment 21 mit diesem fest verbindet (Fig. 8). Das erstarrte Formteil mit eingegossenem Formsegment 21 wird der Kastenform 8 entnommen und von dem Sand gereinigt. Analog zur ersten Variante kann sich ein Nachbearbeitungsschritt anschließen, vorzugsweise durch Erodieren oder Fräsen 15. Als Endprodukt liegt ein Formteil 10 aus Gußmetall, vorzugsweise aus Stahlguß, vor, welches in Kombination mit einem zweiten Formteil eine Dauergußform ergibt, vorzugsweise für den Druckguß. Das schalenförmig in den Formhohlraum integrierte Formsegment 21 mit variierenden technologischen Eigenschaften gewährleistet die Herstellung fehlerarmer, komplexer und dünnwandiger Druckgußteile.

Nachfolgend wird beschrieben, welche Prozeßschritte dem eigentlichen Vollformgießen bzw. Vollform-Verbundgießen vorausgehen, um, ausgehend von Dauerformen bekannter Art, erfindungsgemäße thermisch optimierte Dauerformen herzustellen. In einem ersten Schritt erfolgt eine Simulation der Dauerform bzw. eines Formteils der Dauerform, insbesondere hinsichtlich seines Wärmehaushalts, beispielsweise hinsichtlich lokaler Wärmespitzen bzw. -senken. In Abhängigkeit von diesem Ergebnis erfolgt die Ermittlung eines optimierten Verlaufs der Temperierkanäle sowie eine Anpassung an das Vollformgießen. Es schließt sich die Konstruktion einer Dauerform an, die mittels der Vollformgießtechnik herstellbar ist und gleichzeitig den optimalen Verlauf von Temperierkanälen aufweist. Auf Basis dieser Dauerform werden ein Kunststoff-Modell bzw. Formen zur reproduzierbaren Herstellung von Kunststoff- Modellen erstellt. Es folgt die Herstellung des Gußformteils bzw. der Dauerform nach dem Vollformgießen oder einer Kombination aus Vollformgießen und Verbundgießen sowie evtl. eine Nachbearbeitung.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Formteil

2

Kunststoff-Modell nach einer ersten Variante

3

a, b, c Kanäle

4

Eingußsystem

5

Oberfläche eines Modellabschnitts

6

Formhohlraum

7

Schlickerschicht

8

Kastenform

9

Formmaterial, hier Sand

10

Gußmetallschmelze

11

Gußpfanne

12

Vakuum-System

13

Elektrode

14

Funkenschlag

15

Nachbearbeitung mittels Fräsen

20

Kunststoff-Modell nach einer zweiten Variante

21

Formsegment

22

Formhohlraum

23

Formteil mit eingegossenem Formsegment

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Dauerformen zur ur- oder umformenden Fertigung mit mindestens einem Formteil (1, 23) mit einem Hohlraum (6), dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Formteile (1, 23) der Dauerform nach der Vollformgießtechnik hergestellt werden unter Verwendung eines verlorenen Modells (2, 20), das in einer Form (8) getragen und mit einem Formmaterial (9) umgeben wird und sich bei Kontakt mit dem schmelzflüssigen Gußmetall (10) zersetzt, wobei bei der Modellherstellung das Modell (2, 20) mit mindestens einem Kanal (3a, b, c) zur späteren Aufnahme eines Kühl- und/oder Heizfluids in dem Formteil versehen wird, die jeweiligen Kanäle (3a, b, c) ebenfalls mit dem Formmaterial (9) gefüllt, von dem schmelzflüssigen Gußmaterial (10) umflossen und nach dessen Erstarrung von dem Formmaterial (9) bereinigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Kanäle (3a,b,c) innerhalb des Modells (2, 20) in unmittelbarer Nähe zu dessen Oberfläche verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Kanäle (3a, b, c) innerhalb des Modells an die formgebende Oberfläche des späteren Gußformteils (1) angepaßt verlaufen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell (2) mit einer Gravur (5) versehen wird und als Positiv für das spätere Gußformteil (1) dient.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vollformgießtechnik mit der Verbundgießtechnik kombiniert wird, indem in das Modell (20) vor seinem Einformen mit dem Formmaterial (9) mindestens ein Formsegment (21) eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Formsegment (21) Werkstoffe mit unterschiedlichen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formsegment (21) mit einer vorgefertigten Gravur versehen ist und schalenförmig in den Formhohlraum (6) des Modells (20) eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußformteile (1, 23) durch Erodieren oder Fräsen nachbearbeitet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstellung der Kunststoff-Modell-Ausführung auf Basis folgender vorausgehender Prozeßschritte erfolgt:
Simulation einer Dauerform bzw. eines Formteils der Dauerform, insbesondere hinsichtlich seines Wärmehaushalts,
Ermittlung eines Verlaufs der Temperierkanäle, der sowohl thermisch optimiert ist als auch die Bedingungen für das Vollformgießen erfüllt,
Konstruktion einer Dauerform, die wiederum als Vorlage für das Kunststoff- Modell dient.

10. Dauerform für ur- oder umformende Fertigungsverfahren aus mindestens einem Formteil (1, 23) mit einem Hohlraum (6), der das ur- oder umzuformende Material aufnimmt, und mit mindestens einem Kanal (3a, b, c), der vorgesehen ist, ein Kühl- oder Heizfluid aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Kanal (3a, b, c) in unmittelbarer Nähe zur Formteiloberfläche und an dessen Kontur angepaßt verläuft, wobei die jeweiligen Formteile mittels Vollformgießtechnik gegossen sind.