DE19606380A1 - Verfahren zum Herstellen eines Druckgußmetallteils und Vorrichtung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Druckgußmetallteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung hierfür gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.

Beim Druckgießen von Metallteilen wird unter einem hohen Druck geschmolzenes Metall in eine Stahlform gepreßt die zu Beginn des Verfahrens auf eine Temperatur deutlich unter­ halb der Schmelztemperatur des Gußmetalls erwärmt und während des Betriebs zum Ver­ festigen des Gußmetalls gekühlt wird. Hierzu sind in der Metallform Bohrungen vorgesehen, durch die die Temperierflüssigkeit geführt wird. Insbesondere bei den sogenannten Kalt­ kammermaschinen, die für höherschmelzende Legierungen eingesetzt werden, ist hinsicht­ lich der Formkühlung ein hoher Aufwand zu treiben, da einerseits durch die Kühlung der Form deren Lebensdauer beeinflußt wird und andererseits über die Kühlung auch das innere Gefüge des Druckgußmetallteiles und damit auch dessen Eigenschaften beeinflußt werden. Entsprechend gibt es eine Vielzahl von Verfahrens- und Vorrichtungsvorschlägen zur Tem­ perierung des Gießwerkzeuges, beispielsweise DE-U 74 17 610, DE 26 47 039 A, DE 28 05 215 B, DE 30 07 802 A, DE 33 23 328 C und DE 22 33 132 A. Diese beschreiben Kühlvorrichtungen, die mit den Werkzeugen und/oder der Druckkolben/Zylindereinheit zur Temperierung derselben verbunden werden. Die Temperierflüssigkeit wird hierbei durch Bohrungen in den Werkzeugen durch geleitet. Die letzten beiden Schriften beschreiben spezielle Kühlkanäle in den Druckkolben, an die ebenfalls hohe Kühlforderungen gestellt werden. Bei all den Werkzeugen ist der Aufwand für eine effektive Kühlung erheblich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Druckgußmetall­ teils sowie eine Druckgußmetallform, bei denen mit geringem Aufwand eine effektive Küh­ lung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren mit den Maßnahmen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Bei der eingangs beschriebenen Druck­ gußmetallform wird die Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 15 gelöst.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Druckgußmetallteiles wird geschmolzenes Guß­ metall in eine Druckkolben-Zylinder-Einheit gefüllt und durch Verschieben des Druckkolbens in einen Hohlraum einer aus einem Metall gefertigten Form gepreßt. Das Gußmetall wird üblicherweise unter einem Druck zwischen 500 bis 1500 bar und insbesondere im Bereich 800 bis 1000 bar in die Form eingeschossen. Das Gußmetall hat hierbei eine Temperatur von über 600°C, meist über 650°C und insbesondere über 700°C, wobei das Gußmetall insbesondere eine Legierung ist. Besonders geeignet ist das Verfahren für Aluminium­ und/auch Magnesiumlegierungen. Entsprechend wird das Verfahren insbesondere mit Kalt­ kammermaschinen durchgeführt. Die Form, die mindestens zwei Formteile aufweist, wird durch Durchgleiten einer Kühlflüssigkeit durch mindestens eines der Formteile, vorzugs­ weise durch die Mehrzahl der Formteile oder durch alle gekühlt, um das eingepreßte Guß­ metall zu verfestigen. Nach dem Erstarren des Gußmetalls wird die Form geöffnet und das Druckgußmetallteil entnommen. Erfindungsgemäß erfolgt das Kühlen nicht wie bisher üblich im wesentlichen allein durch Durchleiten einer Kühlflüssigkeit durch Bohrungen, sondern zumindest in einem Formteil durch Durchleiten der Kühlflüssigkeit durch einen Kanal, der in das Formteil mit einem Gießmetall eingegossen ist, das einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Material des Formteils. Ein solcher eingegossener Kanal unterscheidet sich von Kanalbohrungen dadurch, daß er geometrisch anders gelegt werden kann, als Bohrungen, insbesondere kann der eingegossene Kanal eine oder mehrere Krümmungen, insbesondere Windungen enthalten, so daß eine größere Kanallänge in das Formteil und entsprechend eine größere Wärmeübertragungsfläche eingebracht werden kann, als mit Bohrungen allein. Neben dem eingegossenen Kanal können gewünschten falls zusätzlich noch übliche Boh­ rungen in dem Formteil zur weiteren Kühlung (und/oder Aufheizung) vorgesehen sein.

Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen der Kanal direkt in das Formteil eingegos­ sen wird (beispielsweise durch Einlegen eines Graphitrohres) und Umgießen desselben mit dem Formstahl, ist das erfindungsgemäße nachträgliche Eingießen eines Kanals mit einem verhältnismäßig niedrig schmelzenden Gießmetall wesentlich einfacher und kostengünstiger durchzuführen und erlaubt außerdem mehr Gestaltungsfreiheit als bei der Verwendung eines Graphitrohres.

Für das Formmaterial wird üblicherweise ein Stahl verwendet, insbesondere ein Warmfest­ stahl, beispielsweise 12 344 Warmfeststahl, und besonders vorteilhaft wird dieser noch gehärtet. Das Gießmetall hat vorzugsweise einen Schmelzpunkt < 260°, meist über 300° und insbesondere über 350°. Außerdem wird das Gießmetall (unter "Metallen" wird in der vorliegenden Erfindung meist eine Legierung verstanden) derart in das Formmaterial ein­ gebracht, daß es einen Druckstreß auf die mit ihm verbundenen Teile, insbesondere Form­ teile ausübt. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß das Gießmetall, insbesondere eine Zinklegierung wie beispielsweise Feinzinklegierungen für Gießzwecke, in eine erwärmte Form unter Umgießen eines Kühlkanals eingefüllt wird, wobei sich beim anschließenden Abkühlen die Form stärker zusammenzieht als die erstarrende Zinklegierung, so daß ein Druckstreß zwischen der Zinklegierung und der Form entsteht. Vorzugsweise wird mit dem Gießmetall eine Kühlschlange eingegossen, insbesondere eine solche, die mehrere Win­ dungen enthält (beispielsweise in der Form eines Tauchsieders). Auch hier übt die Zinklegie­ rung vorteilhaft den oben beschriebenen Druckstreß auf die Kühlschlange aus. Für das Material der Kühlschlange eignet sich beispielsweise einfaches Stahlrohr (ST 37 . . .), vor­ zugsweise ein gezogenes Rohr.

Vorteilhaft wird das Formteil im Gießbetrieb bei einer Temperatur von maximal 170°C (gemessen im Formteil nahe an der Kühlschlange) betrieben, auch höhere Betriebstempera­ turen bis etwa 220°C sind möglich. Kurzfristig darf die Temperatur auch 250°C erreichen und unter Umständen maximal 350°C. Vor dem Eingießen der Kühlschlange wird das Formteil vorteilhaft auf eine Temperatur höher als die vorgesehene Betriebstemperatur, vor­ zugsweise höher als die vorgesehene kurzzeitige Betriebstemperatur und insbesondere auf mindestens 370° erwärmt (ebenso die Kühlschlange) und dann das Gießmetall eingegos­ sen. Als Gießmetall kommt hier eine solche Legierung zum Einsatz, die sich beim vorge­ sehenen Betrieb des Formteils nicht verflüssigt.

Die Kühlschlange bzw. die Kanäle werden vorteilhaft in einer Sackbohrung in dem Formteil untergebracht, wobei Bohrlochdurchmesser 20 mm, meist 30 mm und insbesondere 40 mm vorteilhaft sind. Üblicherweise ist der Bohrlochdurchmesser aus Festigkeitsgründen auf 150 mm und insbesondere auf maximal 100 mm beschränkt. Die Sackbohrung wird außerdem vorzugsweise so in das Formteil eingebracht, das sie über einen größeren (insbesondere überwiegenden) Bereich zwischen 20 und 150 mm, insbesondere zwischen 35 und 100 mm von der Außenhaut des Formteils entfernt liegt, die die Kontur des Druck­ gußmetallteiles bestimmt. Insbesondere kommt für die vorliegende Erfindung als Formteil ein sogenanntes Kernteil in Betracht, das heißt ein Teil, das einen Hohlraum in dem Druckguß­ metallteil definiert, wobei vorteilhaft die Sackbohrung in Richtung auf den Hohlraum des Druckgußmetallteils eingebracht ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt insbesondere bei größeren Gegenständen, das heißt solchen mit einem Gewicht über 500 g und insbesondere über 1 kg zum Einsatz, wie beispielsweise bei Gehäusen für Getriebe, insbesondere Schalt- oder Automatikgetriebe für Kraftfahrzeuge. Entsprechend findet das Verfahren Einsatz vorteilhaft bei Druckgußmetall­ teilen, die in einem Minutentakt gefertigt werden, wobei insbesondere 2 bis 10 Minuten für einen Schuß benötigt werden.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, das nur der Kern den erfindungsgemäß eingebrachten Kanal enthält und nicht auch die den Kern umgebenden Formteile.

Gegenüber bisher verwendeten Verfahren, bei denen in den Formteilen Labyrinthbohrungen das Kühlmittel führen, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß es eine größere Wandstärke im Formteil zwischen der das Druckgußmetallteil definierenden Außen­ haut und dem Gießmetall, in dem der Kanal liegt, zuläßt, wobei dennoch eine genügende Kühlleistung vorhanden ist. Hierdurch wird auch eine längere Standzeit des Form teils er­ reicht, da bei einem Formteilriß Kühlmittel austritt und das Formteil unbrauchbar macht.

Die erfindungsgemäße Druckgußmetallform ist aufgebaut aus mindestens zwei Formteilen und hat einen Einlaß für geschmolzenes Gußmetall, das eine Temperatur < 600°C hat. Der Einlaß steht mit einem Hohlraum der Druckgußmetallform in Verbindung, der zur Herstellung eines Druckgußmetallteils mit dem geschmolzenen Gußmetall über den Einlaß füllbar ist. Zur Kühlung des in den Hohlraum eingebrachten geschmolzenen Gußmetalls enthält min­ destens eines der Formteile mindestens einen mit einer Kühlflüssigkeit befüllbaren Kanal, der mit einem Gießmetall in das Formteil eingegossen ist, wobei das Gießmetall einen nied­ rigeren Schmelzpunkt hat als das Formteilmaterial. Im übrigen weist die Druckgußmetallform vorteilhaft die Merkmale auf, wie sie oben bei dem Verfahren beschrieben sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Figur zeigt einen Kern einer Druckgußmetallform.

Ein Kern 1 bestimmt mit seinem vorderen Abschnitt 2 den Innenraum eines Wandlers eines Automatikgetriebes und ist aus einem 12 344 Warmfeststahl 3 hergestellt. Im Betrieb schließt der Kern 1 mit einem mittleren Bereich 4 mit einer Form ab.

Zur Kühlung des Kerns 1 ist in diesen eine 60 mm Bohrung 5 von außen bis kurz vor die Spitze des Kerns eingebracht, in der eine Kühlschlange 6 aus gezogenem Stahlrohr liegt. Zu- und Ablauf der Kühlschlange sind im hinteren Bereich des Kerns 1 nach außen geführt 7. Für eine gute Wärmeübertragung zwischen der Kühlschlange 6 und dem Warmfeststahl 3 ist die Bohrung 5 mit einer Feinzinkgußlegierung 8, Schmelzbereich 390°C, ausgegossen.

Die Feinzinkgußlegierung 8 ist hierbei so gewählt, daß ihr Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der des Warmfeststahls 3. Vor dem Ausgießen der Bohrung 5 werden der Warmfeststahl 3 und die Kühlschlange 6 auf ca. 400°C erwärmt, die Feinzinklegierung in die Bohrung 5 eingegossen und das ganze Abkühlen gelassen.

Die Bohrung 5 hat einen minimalen Abstand a zur Außenhaut, die mit dem flüssigen Alumi­ nium in Kontakt kommt, von ca. 30 mm und über einen größeren Bereich einen Abstand b von ca. 50 mm.

Über ein Sperrenblech ist der Kern 1 kreuzförmig mit drei weiteren gleichartig aufgebauten Kernen verbunden, die im Betrieb zwischen zwei Außenformhälften liegen (Vierschieber­ form). Der Kern 1 ist insbesondere für Aludruckgußbetrieb ausgelegt für Drücke im Bereich von 500 bis 1000 bar und einer Temperatur der Aluminiumlegierung von etwa 700 bis 750°C. Im Betrieb wird eine Temperatur von ca. 150°C in der Feinzinklegierung 8 erreicht.

Die anderen Formteile, mit denen der Kern zur Herstellung des Wandlergehäuses zusam­ menwirkt, sind mit den üblichen Labyrinthkühlbohrungen ausgerüstet, die Bohrungsdurch­ messer von 16 bis 20 mm haben.

Im Gießbetrieb wird zum Aufheizen des Kerns 1 ein Wärmeträgeröl mit einer Temperatur von ca. 250°C durch die Kühlschlange 6 gepumpt, bis der Kern eine gewünschte Betriebs­ temperatur von 60 bis 200°C hat. Anschließend wird mittels einer Druckkolben-Zylinder- Einheit flüssiges Aluminium in den Formhohlraum um den vorderen Abschnitt 2 des Kerns 1 eingepreßt und die Temperatur des Wärmeträgeröls auf bis zu 40°C reduziert. Nach dem Erstarren des Aluminiums werden die äußeren Formhälften geöffnet und das Wandler­ gehäuse von dem Kern 1 abgezogen. Anschließend wird die Form für den nächsten Schuß wieder verschlossen.

Claims (23)

1. Verfahren zum Herstellen eines Druckgußmetallteils mit den Schritten:

• - Einbringen geschmolzenen Gußmetalls mit einer Temperatur < 600°C in eine Druckkolben-Zylinder-Einheit;
• - Verschieben des Druckkolbens um das geschmolzene Gußmetall in einen Hohl­ raum einer metallenen Form zu pressen, die mindestens zwei Formteile aufweist, die den Hohlraum umschließen;
• - Kühlen der Form durch Durchleiten eines Kühlfluids durch mindestens eines der Formteile;
• - Erstarrenlassen des Gußmetalls zur Bildung des Druckgußmetallteils;
• - Öffnen der Form;
• - Entfernen des Druckgußmetallteils aus der geöffneten Form;

dadurch gekennzeichnet, daß beim Kühlen das Kühlfluid in mindestens einem der Formteile durch einen mit einem niedriger als das Formmaterial schmelzenden Gieß­ metall eingebrachten Kanal geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid durch eine Kühlschlange strömt, die mit dem Gießmetall eingegossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid durch eine metallische Kühlschlange, insbesondere durch eine Kühlschlange aus einem gezoge­ nen Metall durch geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid durch eine Sackbohrung durch geleitet wird, in der der Kanal eingegossen ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal mehrfache Krümmungen, insbesondere Windungen aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gießmetall ein solches mit einem Schmelzpunkt < 260°C, vorteilhaft < 300°C und insbesondere < 350°C eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gießmetall und dem dieses umgebenden Formteil ein Druckstreß besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießmetall einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das Formmaterial und daß das Formmaterial beim Ausgießen mit dem Gießmetall auf eine höhere Temperatur, ins­ besondere eine Temperatur oberhalb 300°C gebracht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das das Gießmetali enthaltende Formteil durch das Einbringen des geschmolzenen Gußmetalls maximal auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Gieß­ metalls erwärmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperierung des Formteils durch den Kanal eine Heizflüssigkeit geleitet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil mit dem eingegossenen Kanal als Kern eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die den Kern umgebenden Formteile überwiegend, insbesondere zu mindestens 80% der ein­ gebrachten Kühlleistung, über Labyrinthbohrungen gekühlt werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Formteil mit dem eingegossenen Kanal die Kühlung überwiegend durch diesen erfolgt, insbesondere mindestens 80% der Kühlleistung über diesen in das Formteil eingebracht wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß maximal ein Schuß je Minute erfolgt.

15. Druckgußmetallform aus mindestens zwei Form teilen, mit einem Einlaß für geschmol­ zenes Gußmetall einer Temperatur < 600°C, der mit einem Hohlraum der Druckguß­ metallform in Verbindung steht, der vorgesehen ist das geschmolzene Gußmetall auf­ zunehmen und in dem dieses unter Bildung eines Druckgußmetallteils erstarrt, und mit mindestens einem Kanal in mindestens einem der Formteile, der vorgesehen ist ein Kühl- und/oder Heizfluid aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal mittels eines Gießmetalls in das Formteil eingegossen ist, und daß das Gießmetall einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Formmaterial.

16. Druckgußmetallform nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal eine Kühlschlange ist, die mindestens eine Krümmung, insbesondere mindestens eine Windung aufweist.

17. Druckgußmetallform nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ schlange aus Metalle insbesondere einem gezogenen Metall ist.

18. Druckgußmetallform nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in eine Sackbohrung eingegossen ist.

19. Druckgußmetallform nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießmetall einen Schmelzpunkt < 260°, vorteilhaft < 300° und insbesondere < 350°C hat.

20. Druckgußmetallform nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gießmetall und dem Formteil, das dieses umgibt, ein Druckstreß besteht.

21. Druckgußmetallform nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießmetall einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das Formmaterial.

22. Druckgußmetallform nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil mit dem eingegossenen Kanal ein Kern ist.