DE19851258A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausfüllen von Hohlräumen bzw. Nuten eines Körpers mit einem flüssigen Metall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausfüllen von Hohlräumen und/oder Nuten eines Körpers mit einem flüssigen Metall, wobei das flüssige Metall durch Anlegen einer äußeren Kraft in die evakuierten Hohlräume gedrückt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem geschlossenen Gehäuse mit einer Halterung für den Körper, einer verschließbaren Saugöffnung an einem Ende des Gehäuses zum Evakuieren des Gehäuseinneren, eine Füllöffnung an einem anderen Ende des Gehäuses zum Einfüllen des flüssigen Metalls durch eine äußere Kraft in das evakuierte Gehäuse sowie die Verwendung des Verfahrenserzeugnisses als Rotor für einen Kurzschlußläufermotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der durch den Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens, als auch die Verwendung des Verfahrenserzeugnisses.

Wenn Hohlräume bzw. Nuten bzw. Kavernen eines bestimmten Körpers mit einem Metall gefüllt werden sollen, wie dies z. B. bei der Herstellung eines Rotors für einen Kurzschlußläufermotor der Fall ist, müssen die in die Hohlräume bzw. Nuten des Körpers einzufügenden Metallelemente nach dem Ausbilden des Körpers in diesen Körper eingefügt werden. Gegenwärtig sind hierzu verschiedene Verfahren bekannt.

Eine Möglichkeit Nuten bzw. Hohlräume eines Körpers mit einem Metallelement zu füllen, welche im Falle eines Rotors eines Kurzschlußläufermotors in Längsrichtung bzw. Axialrichtung eines zylindrischen Körpers verlaufen, besteht darin, Metallstäbe, wie z. B. Kupferstäbe, in den Körper an einer Stirnseite einzuklopfen, was auch als Ausstaben bezeichnet wird. Dieses Ausstaben ist sehr aufwendig, da eine größere Anzahl an Kupferstäben eingeklopft werden müssen. Im Falle eines Rotors für einen Kurzschlußläufermotor müssen zusätzlich beide Enden eines jeden Kupferstabes Kurzschlußringen verbunden werden, welche jeweils einzeln mit jedem Kupferstabende verlötet werden müssen. Dieses Anlöten der Ringe ist aufgrund der hohen Anzahl der erforderlichen Lötstellen ebenfalls sehr aufwendig und weiterhin weist eine solche Anordnung auch den Nachteil auf, daß an den einzelnen Lötstellen Defekte auftreten können, die die Qualität des Rotors erheblich verschlechtern bzw. diesen Rotor insgesamt sogar unbrauchbar machen können, da einzelne Kupferstäbe im ungünstigsten Fall nicht mehr elektrisch mit den an den Stirnseiten des Körpfers befindlichen Ringen elektrisch verbunden sind. Somit ist ein solches Verfahren auch deshalb nachteilig, weil das Anbringen der Kurzschlußringe an den einzelnen eingestabten Kupferstäben aufwendig und qualitativ problematisch ist.

Alternativ wurde versucht, die Hohlräume eines Körpers mit Metall auszufüllen, indem der Körper um eine vertikale Achse gedreht wird, wobei flüssiges Metall in die Mitte des Körpers eingeführt wurde, welches sich durch die Fliehkraft auf die Nuten in dem Körper verteilen sollte. Jedoch waren die Ergebnisse dieses Verfahrens nicht zufriedenstellend, so daß hiermit z. B. keine qualitativ hochwertigen Rotoren eines Kurzschlußläufermotors hergestellt werden konnten.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausfüllen von Hohlräumen bzw. Nuten eines Körpers mit einem flüssigen Metall vorzuschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen verringern bzw. vermeiden. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, mit welchem eine Füllung von Hohlräumen bzw. Nuten eines Körpers mit einem flüssigen Metall qualitativ hochwertig vorgenommen werden kann, sowie eine Vorrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Zusätzlich wird die Verwendung des Verfahrenserzeugnisses als Rotor für einen Kurzschlußläufermotor vorgeschlagen, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur darauf beschränken, sondern eine Vielzahl anderer Verwendungsmöglichkeiten bieten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie auch die Vorrichtung überall dort angewandt werden, wo Nuten bzw. Hohlräume oder auch Kavernen eines bestimmten Körpers mit einem Metall auszufüllen sind, ohne daß es sich hierbei um einen Rotor eines Elektromotors handeln muß.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das Verfahren von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen definierten Merkmalen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise:
Die Hohlräume bzw. Nuten bzw. Kavernen des Körpers, welche mit einem Metall gefüllt werden sollen, werden evakuiert bzw. in einen Unterdruckzustand versetzt, so daß durch diesen verringerten Druck eine geringere Gasmenge in diesen Hohlräumen ist, welche von dem einzufüllenden Metall bei einem Füllvorgang erst verdrängt werden muß. Weiterhin entsteht durch dieses Evakuieren ein Unterdruckzustand, welcher bewirkt, daß flüssiges Metall in diese Hohlräume eingesogen wird bzw. durch eine äußere Kraft, wie z. B. Umgebungsluftdruck, in diese Hohlräume gedrückt wird. Somit können diese Hohlräume bzw. Nuten fast vollständig luft- bzw. gasfrei mit flüssigem Metall gefüllt werden, so daß durch diese erhebliche geringere Gasdichte in den Hohlräumen auch weniger oder sogar gar keine Turbulenzen entstehen, wie es bei einem Füllvorgang der Fall wäre, wenn die Hohlräume mit Luft gefüllt wären. Dieses turbulenzfreie Ausfüllen der Hohlräume des Körpers mit einem flüssigen Metall sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Metalls innerhalb der Hohlräume. Da wenig bzw. gar kein Gas in diesen Hohlräumen vorhanden ist, werden auch die Oxidationsprobleme eines herkömmlichen Gießverfahrens vermieden. Ein herkömmlicher Gießstrahl bildet nämlich unmittelbar bei dem Kontakt zu einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre eine Oxidschicht aus, welche die Eigenschaften des erhaltenen Produkts nachteilig beeinflußt. Somit kann erfindungsgemäß auf ein Desoxidationsmittel verzichtet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, einen Integralguß auszubilden, d. h. daß eine Vielzahl von Hohlräumen bzw. Nuten oder auch Kavernen gleichzeitig und in einem Stück gefüllt bzw. ausgegossen werden können, so daß in dem als Endprodukt erhaltenen Körper das dann erstarrte flüssige Metall als ein Stück vorhanden ist, so daß z. B. im Fall eines Rotors für einen Kurzschlußläufermotor auch keine nachfolgenden Verarbeitungs- bzw. Verbindungsschritte, wie z. B. Zusammenlöten oder Zusammenschweißen, durchgeführt werden müssen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß anders als z. B. beim Einklopfen bzw. Ausstaben eines Körpers auch Hohlräume bzw. Kavernen vollständig mit Metall gefüllt werden können, welche eine solche Geometrie aufweisen, daß ein herkömmliches Ausstaben nicht möglich ist. Dies kann z. B. bei einer Kaverne oder einem Hohlraum der Fall sein, welcher sich mit veränderndem Querschnitt und mit mehreren Krümmungen in den Körper bzw. entlang des Körpers erstreckt. In eine solche Kaverne könnte kein Stab von außen eingeführt werden, da dieser beim Einführen mehrfach gebogen werden müßte, was ein vollständiges Einführen im ungünstigsten Fall unmöglich macht.

Dieser Vorteil des Verfahrens hinsichtlich der Unabhängigkeit der Anordnung bzw. Geometrie der Hohlräume in dem Körper ermöglicht es, auch Hohlräume mit einem völlig neuartigen Querschnitt und einem neuartigen Verlauf sicher und zuverlässig auf eine qualitativ hochwertige Art mit Metall auszuführen, so daß z. B. bei einem Rotor eines Kurzschlußläufermotors auch gekrümmte bzw. geschlängelte Stäbe mit z. B. trapezförmigem Querschnitt ausgebildet werden können, wie dies nach den Verfahren gemäß dem Stand der Technik bisher unmöglich war.

Die äußere Kraft, welche z. B. der Atmosphärendruck sein kann, drückt somit das flüssige Metall in die einzelnen Hohlräume bzw. Nuten hinein, ohne daß eine aufwendige einzelne Bearbeitung der einzelnen Hohlräume vorgenommen werden muß. Da die Hohlräume bzw. Nuten in einem Unterdruckzustand bzw. evakuiert sind, steht dem einströmenden flüssigen Metall nur ein geringer bzw. gar kein Luftdruck entgegen, so daß es nur geringe bzw. keine Verwirbelungen gibt, was zu einer verbesserten Qualität des erhaltenen gefüllten Körpers führt, da die Füllungen der einzelnen Hohlräume gleichmäßig ausgebildet werden. Das einströmende flüssige Metall wird durch die geringen Gasmengen auch nur geringfügig bzw. nicht oxidiert, was weiter zu einer verbesserten Qualität des erhaltenen Produkts beiträgt.

Vorteilhaft wird das flüssige Metall gas- und/oder turbulenzfrei in die evakuierten Hohlräume eingebracht, was z. B. durch starkes Evakuieren oder eine geeignete Form der Hohlräume bewirkt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den auszufüllenden Hohlräumen bzw. Nuten ein Hochvakuum, wobei der Druck unter 50 Torr, insbesondere unter 10 Torr (1 Torr = 133,3224 Pa) liegt, bevorzugt im Bereich 0,1 bis 1 Torr.

Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, daß zusätzlich zum Ausfüllen von Hohlräumen und/oder Nuten des Körpers an der einen Seite des Körpers ein oberer Ringraum ausgebildet ist, welcher auch mit flüssigem Metall gefüllt wird, wobei an der anderen Seite des Körpers ein unterer Ringraum ausgebildet ist, welcher ebenfalls gefüllt wird, wobei beide Ringräume mit den ausgefüllten Hohlräumen des Körpers in integraler Verbindung stehen, d. h., daß das gesamte Gebilde, bestehend aus unterem Ringraum, ausgefüllten Hohlräumen des Körpers, und oberem Ringraum, aus einem Guß gebildet wird, bzw. in einem Verfahrensschritt hergestellt wird. Natürlich kann auch nur ein einzelner Ringraum vorgesehen sein.

Bevorzugt wird der Körper in ein Gehäuse gegeben, wobei dann das Gehäuseinnere evakuiert wird. Es ist aber auch möglich das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen ohne den Körper zu ummanteln bzw. einzukapseln.

Es ist vorteilhaft, daß die äußere Kraft, welche das flüssige Metall in den evakuierten Hohlraum bzw. die evakuierten Nuten drückt, ein Umgebungsatmosphärendruck ist, was z. B. dadurch erreicht werden kann, daß die Kapsel bzw. der Körper in eine Schmelze des flüssigen Metalls getaucht wird, so daß bei anliegendem Unterdruck in den Hohlräumen der Atmosphärendruck auf die Schmelze bewirkt, daß das flüssige Metall in die Hohlräume bzw. auch die oberen und unteren Ringräume des Körpers hineingedrückt bzw. eingebracht wird.

Da in der Metallschmelze geringe Mengen von Gasen, hauptsächlich von Wasserstoff gelöst sein können, ist es vorteilhaft, die Schmelze vor deren Einbringen in den bereits unter Vakuum stehenden Hohlraum zu entgasen, um ein Entgasen der erstarrenden Schmelze und dadurch bedingte Gasporenbildung zu vermeiden. Die Vorentgasung der Schmelze geschieht am zweckmäßigsten in einem Vakuumofen.

Bevorzugt wird das Einsaugen bzw. Hineindrücken des flüssigen Metalls bzw. der Schmelze in die evakuierten bzw. unter Unterdruck stehenden Hohlräume und/oder Nuten bzw. Kavernen durch eine den äußeren Atmospährendruck unterstützende äußere Kraft beschleunigt. Diese unterstützende äußere Kraft kann z. B. die Schwerkraft sein. Alternativ bzw. zusätzlich ist es auch möglich, daß die unterstützende äußere Kraft eine Zentrifugalkraft ist, d. h. der Körper mit den zu füllenden Hohlräumen bzw. Kavernen wird so gedreht bzw. geschleudert, daß die auf den Körper wirkenden Zentrifugalkräfte das Einsaugen bzw. Hineindrücken der flüssigen Schmelze in die Hohlräume des Körpers unterstützt.

Es ist auch vorteilhaft, wenn auf die Oberfläche der Schmelze des flüssigen Metalls zusätzlich eine Druckkraft wirkt, die somit auch eine äußere unterstützende Kraft darstellt, welche einzeln oder in Kombination mit anderen äußeren Unterstützungskräften zum Beschleunigen bzw. Unterstützen des Auffüllens der Hohlräume des Körpers flüssigem Metall bzw. mit Schmelze verwendet wird.

Bevorzugt wird der Körper, welcher die zu füllenden evakuierten Hohlräume aufweist, vor dem Füllen der Hohlräume an einer Stelle luftdicht bzw. vakuumdicht mit einem Verschluß aus einem Material verschlossen, welches bevorzugt das gleiche Metall ist, wie das Metall, welches die Hohlräume des Körpers füllen soll.

Sollen z. B. die Hohlräume mit Kupfer gefüllt werden, so wird die Kapsel bzw. der Körper bevorzugt an einer Stelle vakuumdicht mit einem dünnen Kupferblech verschlossen, worauf dieser Körper mit der verschlossenen Stelle in eine Kupferschmelze eingetaucht wird. Da das Kupferblech zum Verschließen sofort in der Kupferschmelze gleichmäßig schmilzt, da es aus dem gleichen Metall wie die Schmelze ist, wird die verschlossene Stelle schlagartig in ihrem ganzen Querschnitt nach dem Schmelzen des dünnen Kupferblechs freigelegt, so daß die vor dem Schmelzen des Kupferblechs voll anstehende Schmelze durch die eben noch verschlossene Stelle in den Körper eintritt.

Da das Blech zum Verschließen der Stelle aus dem gleichen Metall gefertigt ist, wie das Metall in der Schmelze, entstehen keine Durchmischungen verschiedener Substanzen bzw. Legierungen, welche sich unter Umständen nachteilig auf die Qualität des erhaltenen Produkts auswirken können. Natürlich ist es auch möglich, daß gezielt ein anderes Metall als Blech zum Verschließen verwendet wird, so daß das Metall in der Schmelze zusammen mit dem abschließenden Metall eine Legierung ausbilden, welche als erstes in den Körper eintritt.

Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kapsel bzw. der Körper vor dem Gießen, d. h. vor dem Ausfüllen der Hohlräume mit dem flüssigen Metall z. B. durch Eintauchen in eine Schmelze, erwärmt, so daß das eintretende flüssige Metall nicht schon am unteren Teil der Kapsel bzw. des Körpers soweit abgekühlt wird, daß es erstarrt. Insbesondere wird bevorzugt, daß der Körper auf eine Temperatur von 600°C bis 800°C, vorzugsweise auf 700°C, erwärmt wird.

Im Falle des Eintauchens der Kapsel bzw. des Körpers in eine Schmelze wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, daß die Eintauchtiefe in diese Schmelze nur so groß ist, wie zum vollständigen Füllen der zu füllenden Bereiche mit dem flüssigen Metall nötig ist, d. h. die Kapsel bzw. der Körper wird nur soweit eingetaucht, daß das flüssige Metall nicht erheblich bzw. gar nicht in einen oberen Bereich des Körpers vordringt, wo dies nicht gewünscht ist.

Es wird bevorzugt, daß die Kapsel bzw. der Körper im Falle des Eintauchens in eine Schmelze so schnell in diese Schmelze eingetaucht wird, daß der Verschluß an der Öffnung der Kapsel bzw. des Körpers, welcher z. B. eine Metallplatte ist, erst schmilzt, wenn die Kapsel bzw. der Körper bis zu seiner gewünschten Endposition in die Schmelze eingetaucht ist. Dies kann z. B. durch die Eintauchgeschwindigkeit, als auch die Dicke des verschließenden Metallplättchens beeinflußt werden. Dieses schnelle Eintauchen hat den Vorteil, daß das Eindringen der Schmelze unter definierten Bedingungen erfolgt, so daß eine bestimmte vorgegebene Qualität erreicht werden kann.

Nach dem Eintauchen der Kapsel bzw. des Körpers in die Schmelze und nach dem Eindringen des flüssigen Schmelzmetalls in die Hohlräume bzw. Nuten des Körpers wird es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, daß die Kapsel bzw. der Körper an einer außerhalb der Schmelze liegenden Stelle gekühlt wird, so daß sich innerhalb der Kapsel bzw. des Körpers an der gekühlten Stelle erstarrtes Metall aus der flüssigen Schmelze ausbildet, welches als Pfropfen bzw. Rücklaufsperre für das in der Kapsel bzw. dem Körper befindliche flüssige Metall wirkt. Vorzugsweise hält die Kühlung solange an, bis eine ausreichende Verfestigung des Metalls eingetreten ist, vorzugsweise bis das gesamte flüssige Metall in dem Körper erstarrt bzw. abgekühlt ist. Vor dem Kühlen kann die Kapsel bzw. der Körper auch schon zum Teil aus der Schmelze herausgezogen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist in dem Körper, insbesondere im Zentrum oder in einer radial in dem Körper verlaufenden mittleren Stelle ein Hohlraum des Körpers mit einem bestimmten Material, z. B. einem keramischen Kern, ausgefüllt, welches verhindert, daß flüssiges Metall in diesen Hohlraum des Körpers eintritt. Dieses bestimmte Material, wie z. B. der keramische Kern, kann nach dem Erstarren des eingefüllten flüssigen Metalls bzw. der Schmelze aus dem Körper entfernt werden, so daß der Körper auch nicht gefüllte Hohlräume aufweist, welche insbesondere im mittleren Bereich des Körpers liegen können. Es wird bevorzugt, daß für die Herstellung der Kapsel bzw. des Körpers ein Material verwendet wird, welches nicht mit dem flüssigen Metall, wie z. B. der eingesaugten Kupferschmelze, reagiert. Ein solches Material kann z. B. ein oxidiertes Stahlblech sein. Natürlich sind andere Materialien ebenso vorteilhaft, welche nicht mit dem flüssigen Metall reagieren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, daß bestimmte Bereiche des Körpers nach der Abkühlung des eingefüllten flüssigen Metalls bzw. Metallgusses entfernt werden. Die Bezeichnung "Körper", wie vorangehend und nachfolgend verwendet, bedeutet nicht, daß dieser Körper aus einem Stück bestehen muß. Der Körper kann vielmehr aus einem inneren Körper bestehen, welcher zu füllende Hohlräume aufweist, wobei dieser innere Körper von einem Gehäuse bzw. einer Kapsel umgeben wird, welche z. B. daran angeordnete Rohre aufweisen kann, um das Innere der Kapsel einschließlich der Hohlräume des inneren Körpers in einen Unterdruckzustand durch Anlegen eines Unterdrucks mittels einer Pumpe an einem der Rohre zu versetzen.

Natürlich muß auch das verschließende Element des Körpers, wie z. B. das Kupferabschlußblech zum vakuumdichten Verschließen des Körpers, welches erst nach Eintauchen in die Kupferschmelze geschmolzen wird, nicht unmittelbar an dem inneren Körper angebracht werden, sondern kann auch an einer äußeren Öffnung eines der an der Kapsel angebrachten Rohre angeordnet sein. Die hierin verwendete Bezeichnung "Körper" kann somit sowohl den inneren Körper allein umfassen, als auch eine Anordnung bestehend aus dem umkapselten inneren Körper mit eventuell daran angebrachten Rohren. Die Erfindung kann in beiden Ausgestaltungen verwirklicht werden.

Bevorzugt wird das Entfernen eines Teils des Körpers, d. h. z. B. der Kapsel, durch Abdrehen vorgenommen. Alternativ sind andere materialbearbeitende Verfahren wie z. B. Feilen, denkbar, um bestimmte Teile des Körpers, wie z. B. die Umkapselung von dem inneren Körper zu entfernen.

Es wird bevorzugt, daß als das oben erwähnte Material bzw. Metall zum Füllen der Hohlräume des Körpers Kupfer verwendet wird. Natürlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit jedem anderen flüssigen Material bzw. Metall durchgeführt werden, wie z. B. einer Kupferlegierung oder Aluminium.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausfüllen von Hohlräumen und/oder Nuten eines Körpers mit einem flüssigen Metall weist folgende Merkmale auf: Ein geschlossenes Gehäuse bzw. eine Kapsel oder Umkapselung mit einer inneren Halterung für den Körper; eine verschließbare Öffnung an einem Ende des Gehäuses zum Evakuieren des Gehäuseinneren, z. B. durch Verbinden des Endes mit einer Pumpe; eine weitere Öffnung an einer anderen Stelle bzw. einem anderen Ende des Gehäuses zum Zuführen bzw. Einfüllen des flüssigen Metalls durch eine äußere Kraft in das unter Unterdruck stehende bzw. evakuierte Gehäuse.

Bevorzugt ist die verschließbare Öffnung zum Evakuieren des Gehäuseinneren über ein Rohr mit dem Gehäuse verbunden, d. h. das Rohr ist an einem Ende mit dem Gehäuse verbunden, wobei das andere dem Gehäuse abgewandte Ende verschließbar ist.

Ebenso wird bevorzugt, daß die Füllöffnung an dem Gehäuse über ein Rohr mit dem Gehäuse verbunden ist.

Natürlich ist es auch möglich, beide Öffnungen unmittelbar, ohne durch Rohre verlängert zu werden, an dem Gehäuse vorzusehen.

Der innere Körper in dem Gehäuse, welcher die zu füllenden Kavernen bzw. Nuten aufweist, ist vorzugsweise ein aus mehreren Blechen, insbesondere Elektroblechen, schichtartig aufgebauter Kern. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Rotor eines Kurzschlußläufermotors hergestellt werden soll, da eine solche Schichtung mehrerer Elektrobleche nachteilige Wirbelströme verringert bzw. verhindert.

Der äußere bzw. umkapselnde Teil des Körpers bzw. das Gehäuse wird bevorzugt aus einem Material gefertigt, das mit der eingesaugten bzw. eingefüllten Metallschmelze nicht reagiert. Ein solches Material kann z. B. ein oxidiertes Stahlblech sein.

Bevorzugt ist an der verschließbaren Öffnung zum Evakuieren des Gehäuseinneren ein Ventil vorgesehen, so daß das Gehäuseinnere nach dem Evakuieren mittels z. B. einer Pumpe luftdicht verschlossen und von der Pumpe getrennt werden kann, wobei der Unterdruckzustand in dem Gehäuse beibehalten wird. Natürlich kann das Verschließen auch durch Verschweißen nach dem Evakuieren des Gehäuseinneren oder andere geeignete Mittel bzw. Verfahren erfolgen.

Ebenso wird bevorzugt, daß bei der verschließbaren Öffnung, also z. B. zwischen dem Ventil und dem Gehäuseinneren, ein Metallgitter, z. B. ein Drahtnetzpfropfen oder auch Stahlwolle, angebracht ist, welcher bezüglich eines Gases durchlässig ist, so daß das Gehäuseinnere durch dieses Drahtnetz hindurch evakuiert werden kann. Jedoch ist dieser Drahtnetzpfropfen für eine aufschießende Schmelze undurchlässig, da dieser Drahtnetzpfropfen das schnelle Aushärten der Schmelze verursacht, weil dieser Drahtnetzpfropfen ein schnelles Ableiten bzw. Verteilen der Wärme bewirkt. Das Metallgitter bzw. der Drahtnetzpfropfen sollte einen höheren Schmelzpunkt als das flüssige Metall aufweisen.

Wie bei dem Kühlen an einer Stelle außerhalb der Schmelze durch äußere Kühl- oder Druckluft bzw. zugeführte Kaltluft wird durch das Drahtnetz ein Propfen aus ausgehärtetem Metall ausgebildet, welcher das flüssige Metall bzw. die weitere Schmelze daran hindert, bis zu dem Ventil durchzudringen, so daß das Ventil nicht mit der noch flüssigen und somit heißen Schmelze in Berührung kommt, was zu einer Zerstörung des Ventils führen kann, so daß das Ventil im folgenden wiederverwendet werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie eine Verwendung des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Produktes wird nachfolgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Körper, welcher von einer erfindungsgemäßen Kapsel bzw. einem Gehäuse umgeben ist, das gerade in eine Schmelze eingetaucht wurde; und

Fig. 2 einen Rotor für einen Kurzschlußläufermotor, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Die Kurzschlußstäbe wurden durch Abdrehen des Außendurchmessers des Blechpaketes sichtbar gemacht. Um den Querschnitt der Stäbe sichtbar werden zu lassen, wurde der Kurzschlußläufer in der Zeichnung teilweise geschnitten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Kapsel bzw. ein Gehäuse 2 auf, das aus einer zylinderförmigen Ummantelung 2a und oberen und unteren Abschlußplatten 2b und 2c besteht. Die oberen und unteren Abschlußplatten 2b, 2c sind mit der zylinderförmigen Ummantelung 2a an den Kanten verschweißt. Die obere Abschlußplatte 2b weist eine Öffnung auf, an der ein oberes Saugrohr 8 angebracht ist. Ebenso weist die untere Abschlußplatte 2c eine Öffnung auf, an welcher ein unteres Rohr 14 angebracht ist. Die Darstellung gemäß Fig. 1 ist jedoch nur schematisch, so daß es auch denkbar ist die obere Öffnung in der oberen Abschlußplatte 2b größer auszubildenden als die Öffnung in der unteren Abschlußplatte 2c.

Am oberen Ende des oberen Saugrohres 8 ist ein Drahtnetz 10 angebracht, welches flüssiges Metall bzw. eine Schmelze daran hindern soll, bis zum Ventil 12 vorzudringen, welches das Innere der Kapsel 2 luftdicht bezüglich des Äußeren der Kapsel 2 verschließt. Über eine an dem Ventil 12 bzw. dem oberen Rohr 8 angeschlossene Pumpe kann Luft in der durch einen Pfeil A gekennzeichneten Richtung aus dem Gehäuseinneren abgepumpt werden, so daß das Innere des Gehäuses 2 evakuiert bzw. in einem Unterdruckzustand ist. Natürlich kann die Kapsel 2 zum Evakuieren z. B. auch in eine Vakuumkapsel (nicht gezeigt) gesetzt werden.

Im Inneren des Gehäuses 2 wird durch Noppen bzw. umlaufende Ringe 20 der Körper 4 gehalten, welcher z. B. ein aus Blechen schichtartig aufgebauter Kern sein kann. Der Körper 4 weist verschiedene Hohlräume bzw. Nuten 5 auf, die durch das flüssige Metall gefüllt werden sollen, so daß sich darin ein festes Metallelement ausbildet. Im Inneren des in etwa zylinderförmigen Körpers 4 ist eine Keramik 6 angeordnet, welche besonders hitzebeständig ist, also z. B. einen Schmelzpunkt von 1000°C oder höher aufweist. Diese Keramik 6 kann mittels der gezeigten Verschraubung und geeigneter Scheiben sicher im Inneren des Körpers 4 befestigt bzw. gelagert werden. Natürlich muß diese Keramik nicht verschraubt werden, sondern kann durch andere geeignete Mittel, wie z. B. eine Preßpassung, in dem Körper 4 gehalten werden.

Das untere Rohr 14 ist an der unteren Öffnung mit einem Verschluß 16 abgedichtet, welcher z. B. aus Kupfer besteht. Wird nun das untere Rohr 14 mit dem Kupferverschluß 16 in eine Kupferschmelze 18, wie gezeigt, eingetaucht, so steht zunächst die heiße Schmelze 18 voll an dem Verschluß 16 an und bewirkt, daß dieser gleichmäßig aufgeschmolzen wird. Eine bestimmte Zeit nach dem Eintauchen wird dann der Verschluß 16 aufgeschmolzen, so daß die Schmelze 18 gleichmäßig und rasch in das evakuierte Innere des Gehäuses 2 eintreten kann, bedingt durch den Druckunterschied zwischen dem Gehäuseinneren und dem äußeren Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck.

Die in das Gehäuse hineinschießende Schmelze 18 füllt sämtliche Hohlräume des Gehäuseinneren 2 aus und wird erst von dem Drahtnetz 10 des oberen Rohres 18 gestoppt. Dabei werden neben den Hohlräumen 5 des Körpers 4 auch der obere Ringraum 3a und der untere Ringraum 3b des Gehäuseinneren mit flüssigem Metall 22 aus der Schmelze 18 ausgefüllt, so daß ein einstückiger Körper aus Metall an bzw. in dem Gehäuse 4 ausgebildet wird, welcher aus dem Metall 22a in dem oberen Ringraum 3a, verbunden mit dem Metall 22b in dem Hohlraum bzw. der Nut 5, verbunden mit dem Metall 22c in dem unteren Ringraum 3b besteht.

Durch eine nicht gezeigte Vorrichtung wird das Äußere des unteren Rohrs mit kalter Luft angeströmt, so daß sich im Inneren des unteren Rohres 14 ein grau dargestellter Bereich aus festem Metall 24 bildet, welcher bei ausreichender Abkühlung als Pfropfen bzw. Rücklaufsperre wirkt, so daß das im Gehäuseinneren befindliche flüssige Metall 22 nicht mehr aus diesem Gehäuse so austreten kann, selbst wenn das Gehäuse 2 aus der Schmelze 18 entfernt wird.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben:
Zunächst wird das Gehäuseinnere evakuiert bzw. in einen Unterdruckzustand versetzt, wobei Luft über eine Pumpe durch das Ventil 12 abgepumpt wird.

Anschließend wird das Ventil 12 verschlossen, so daß das Innere des Gehäuses 2 bezüglich des Gehäuseäußeren luftdicht verschlossen ist. An der unteren Öffnung des unteren Rohres 14 ist der Verschluß 16 vorgesehen, welcher vakuum- bzw. luftdicht ist. Nach dem Evakuieren des Gehäuses 2 wird das gesamte Gehäuse 2 auf eine Temperatur von ca. 700°C erwärmt, wobei darauf geachtet werden sollte, daß der Teil des oberen Rohres 8 mit dem Drahtnetz 10 und dem Ventil 12 nicht zu stark erhitzt wird.

Anschließend wird das evakuierte und erhitzte Gehäuse 2 mit dem darin angeordneten Körper 4 in die flüssige Schmelze 18 so eingetaucht, daß bei einer bestimmten Eintauchtiefe der Verschluß 16 schmilzt, so daß das flüssige Metall der Schmelze 18 in das Innere des Gehäuses 2 eintritt und alle Hohlräume ausfüllt, bis es im oberen Bereich des oberen Rohres 8 durch das Drahtnetz 10 abgekühlt wird und erstarrt.

Durch einfaches Betrachten des oberen Rohres 8 kann relativ leicht festgestellt werden, ob diese obere Rohr 8 glüht, was bedeutet, daß das flüssige Metall 22 aus der Schmelze 18 vollständig das Gehäuseinnere durchdrungen hat, so daß dann mit dem Beblasen des unteren Rohres 14 mit kalter Luft begonnen werden kann, wie durch die Pfeile an beiden Seiten des Rohres 14 gezeigt, so daß sich in dem Rohr 14 ein Bereich ausbildet, in welchem das flüssige Metall erstarrt bzw. aushärtet und einen Pfropfen aus festem Metall 24 bildet. Zu diesem Zeitpunkt kann das Gehäuse 2 wieder aus der Schmelze 18 genommen werden, da das im Gehäuseinneren befindliche flüssige Metall 22 in keiner Richtung mehr aus dem Gehäuse 2 austreten kann, da es durch Pfropfen aus festem Metall in dem oberen Rohr 8 und dem unteren Rohr 14 gehalten wird. Anstatt der Luftkühlung können an der gleichen Stelle auch Kühlbacken an das Rohr 14 angelegt werden.

Nach dem vollständigen Aushärten des in dem Gehäuseinneren befindlichen flüssigen Metalls 22 wird das Gehäuse bzw. die Kapsel 2 durch geeignete Bearbeitungsschritte entfernt, wobei z. B. das obere und untere Rohr abgesägt werden können und z. B. die zylinderförmige Ummantelung 2a abgedreht werden kann. Ebenso wird die im Zentrum des Körpers 4 befindliche Keramik 6 aus dem Körper 4 entfernt, so daß dieser Körper einen zylinderförmigen Hohlraum entlang seiner axialen Richtung aufweist.

Fig. 2 zeigt einen Rotor eines Kurzschlußläufermotors, welcher mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Dieser Rotor weist in axialer Richtung liegende Stäbe 50 auf, die in den Hohlräumen 5 des Körpers 4 ausgebildet worden sind. Weiterhin sind die jeweiligen Endbereiche der Stäbe 50 durch zwei gegenüberliegende Kurzschlußringe 60 verbunden, welche in dem oberen Ringraum 3a bzw. in dem unteren Ringraum 3b, wie in Fig. 1 gezeigt, ausgebildet worden sind.

Claims (32)

1. Verfahren zum Ausfüllen von Hohlräumen und/oder Nuten (5) eines Körpers (4) mit einem flüssigen Metall (22), dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall (22) durch Anlegen einer äußeren Kraft in die evakuierten Hohlräume und/oder Nuten (5) gedrückt bzw. eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall (22) gas- und/ oder turbulenzfrei in die evakuierten Hohlräume (5) eingebracht bzw. gedrückt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (5) auf einen Unterdruck von weniger als 50 Torr, insbesondere von weniger als 10 Torr evakuiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall (22) durch Anlegen der äußeren Kraft auch in einen oberen Ringraum (3a) und/oder einen unteren Ringraum (3b) bei bzw. an dem Körper (4) gedrückt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kraft der Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) in ein Gehäuse (2, 8, 14) gegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14, 16) in eine Schmelze (18) eingetaucht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drücken bzw. Einbringen des flüssigen Metalls (22) in die evakuierten Hohlräume (5) durch eine unterstützende Kraft beschleunigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unterstützende Kraft die Schwerkraft ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die unterstützende Kraft eine Zentrifugalkraft ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die unterstützende Kraft eine zusätzlich auf eine Oberfläche der Metall- Schmelze (18) wirkende Druckkraft ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14) vor dem Eintauchen in die Schmelze (18) vakuum- bzw. luftdicht mit einem Verschluß (16), insbesondere aus dem gleichen Metall wie das Schmelzmetall, verschlossen wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) vor dem Ausfüllen der Hohlräume (5) auf eine Temperatur von 600°C bis 800°C, vorzugsweise 700°C, erwärmt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14) soweit in die Schmelze (18) eingetaucht wird, daß der Körper (4) soweit als erforderlich mit flüssigem Metall (22) gefüllt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14) so schnell in die Schmelze (18) eingetaucht wird, daß der Verschluß (16) erst schmilzt, wenn das Gehäuse (2, 8, 14) bis zu einer bestimmten Endposition in die Schmelze (18) eingetaucht ist.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schmelze gelöste Gase aus der Schmelze entfernt werden, bevor das Gehäuse in die Schmelze eingetaucht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung von gelösten Gasen aus der Schmelze in einem Vakuumofen erfolgt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14) an einer bestimmten Stelle außerhalb der Schmelze (18) gekühlt wird, bis die in dem Gehäuse (2, 8, 14) befindliche Schmelze an zumindest einer Stelle ausgehärtet bzw. erstarrt ist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hohlraum in dem Körper (4) vor dem Füllen des Körpers (4) mit flüssigem Metall mit einem Kern (6) aus hochschmelzenden Material, wie z. B. Keramik, ausgefüllt wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Gehäuse (2, 8, 14) ein Material verwendet wird, das nicht mit dem flüssigen Metall (22) reagiert.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Gehäuse (2, 8, 14) oxidiertes Stahlblech verwendet wird.

22. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14) nach Abkühlung des flüssigen Metalls entfernt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14) durch Abdrehen entfernt wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Metall bzw. Schmelze (18) Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet wird.

25. Vorrichtung zum Ausfüllen von Hohlräumen und/oder Nuten und/oder Kavernen (5) eines Körpers (4) mit flüssigem Metall, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) ein geschlossenes Gehäuse (2, 8, 14) mit einer inneren Halterung (20) für den Körper (4);
• b) eine verschließbare Öffnung (8, 12) an einem Ende des Gehäuses (2, 8, 14) zum Evakuieren des Gehäuseinneren;
• c) eine Füllöffnung (14) an einem anderen Ende des Gehäuses (2, 8, 14) zum Einfüllen des flüssigen Metalls durch eine äußere Kraft in das Gehäuse (2, 8, 14).

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die verschließbare Öffnung (8, 12) über ein Saugrohr (8) an dem Gehäuse (2, 8, 14) angeordnet ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllöffnung über ein Füllrohr (14) an dem Gehäuse (2, 8, 14) angeordnet ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) aus einem aus Blechen, insbesondere aus Elektroblechen, schichtenartig aufgebautem Kern besteht.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 8, 14) aus einem Material besteht, welches nicht mit der eingesaugten Metallschmelze reagiert, insbesondere aus oxidiertem Stahlblech.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (12) an der verschließbaren Öffnung (8) vorgesehen ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß bei der verschließbaren Öffnung (8) ein Drahtnetz (10) vorgesehen ist, welches bezüglich Gas durchlässig und bezüglich des flüssigen Metalls (22) undurchlässig ist.

32. Verwendung des Produktes des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 24 als Rotor für einen Kurzschlußläufermotor.