Giessereitechnik 1.PDF FUNDICION

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Grundlagen der GieereitechnikPowerPoint-Prsentation des

Vereins Deutscher Giessereifachleute e.V. VDGwww.vdg.de

2005 VDG

In Zusammenarbeit mit der TU Mnchen - Fakultt fr Maschinenwesen, Lehrstuhl fr Umformtechnik und Gieereiwesen

Vorwort:Diese Folienprsentation gibt einen berblick ber das gesamte Gieereiwesen.

Sie richtet sich z.B. an Studenten technischer Fachrichtungen, insbesondere des Maschinenbaus.

Die Folien enthalten zum Teil Animationen. Im Text sind die Stellen, an denen der nchste Animationsschritt oder das nchste Bild aufgerufen werden soll, mit einem eingeklammerten Sternchen (*) markiert.Immer dann, wenn mit dem nchsten Mausklick eine neue Ansicht kommt, wird das Bild unten rechts mit einem Haken markiert.

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2 Geschichte

3 Grundlagen

4 Formverfahren SandgieenHandformen

5 Formverfahren SandgieenMaschinenformen

6 Kernherstellung

7 Feingieen

8 Lost-Foam-Gieverfahren

9 Vollformgieen fr Grobauteile

10 Dauerformen - Kokillengieverfahren

12 Dauerformen - Schleudergieen

1 Einleitung

Inhaltsbersicht

11 Dauerformen - Druckgieverfahren

13 Grundlagen der Gusskrperbildung

14 Metallurgie Erstarren von Metallen

15 Eisen-Gusswerkstoffe

16 Stahlguss

17 Gusseisen

18 NE-Metall-Gusswerkstoffe

19 Schmelzebereitstellung

20 Prozesssimulation in der Gieerei

21 Zahlen zur Gieereiindustrie

22 Alles aus einem Guss

Es gibt viele Bauteile, die sich nur durch Gieen sinnvoll fertigen lassen. Es ist also sinnvoll fr den in der Ingenieurausbildung stehenden, sich etwas tiefer mit den Mglichkeiten der Fertigungsverfahren zu befassen, die in der Fachsprache unter Gieen zusammengefasst werden. Auf dieser Folie sehen Sie eine kurze Zusammenstellung, mit welchen Themen im Bereich der Gieereitechnik sich diese Prsentation befasst.Den Groteil der Prsentation ist fr die Vorstellung der gngigsten Gieverfahren reserviert. Danach wird auf die typischen Werkstoffe eingegangen, die in der Gieereitechnik Verwendung finden.

Hieran schliet sich ein berblick ber weitere Prozessschritte an, die zum industriellen Erzeugen von Gussteilen notwendig sind.(*)

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1 EinleitungWie kann ein Bauteil aus Metall hergestellt werden?

GieenGieen

Schweien Schmieden Pressen von Metallpulver (Pulvermetallurgie) Mechanisches Bearbeiten

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1 EinleitungWelche Vorteile bietet Gieen?

Auch die komplizierteste Geometrie lsst sich realisieren. Endkonturnah geringer Aufwand zur Fertigbearbeitung. Alle technisch bedeutenden Werkstoffe sind giebar:

Blei, Zinn, Kupfer, Gold, Aluminium, Magnesium, Eisen und Stahl aber nicht alle Werkstoffe sind umformbar.

Werkstoff-Vielfalt = mageschneiderte Eigenschaften. Wirtschaftlichkeit. 100 % Recycelbarkeit = Umweltvertrglichkeit.

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1 Einleitung Alles aus einem Guss

Gegossene Bauteile sind berall im Einsatz.

Kleinste und grte Bauteilelassen sich aus Guss realisieren.

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Grobauteil

MAN B&W, Augsburg

Gewicht 92,6 t

Grobauteil.Dieses erste Bild zeigt ein typisches gegossenes Grobauteil. Es handelt sich um das Kurbelgehuse fr einen Grodieselmotor. Die Blickrichtung ist von unten in den Kurbelwellenraum hinein. Die Zylinderlaufbuchsen werden separat gegossen und oben an dieses Kurbelgehuse angeflanscht. Bauteile dieser Gre lassen sich nur mit dem Fertigungsverfahren Gieen herstellen. Wollte man ein solches Bauteil aus einem vollen Block, z. B. durch Frsen, herausspanen, mssten mehrere Kubikmeter Metall zerspantwerden.

Darber hinaus wren Krne und Zerspanungsmaschinen notwendig, die den mehrere hundert Tonnen schweren Block aufnehmen mssten. Auch durch Umformoperationen wie Schmieden lsst sich ein Bauteil mit diesen Maen und inneren Hohlrumen nicht fertigen.Mit anderen Fertigungsverfahren lieen sich also nur Einzelteile fertigen, die dann gefgt werden mssten. Damit lassen sich aber nicht die gleichen Bauteileigenschaften erreichen, die ein aus einem Stck gefertigtes Teil hat.Die einzig sinnvolle Fertigung fr solche Grobauteile ist es, flssiges Metall in die vorher vorbereitete Form zu gieen. (*)

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Gewicht:1100 g

Feingu Blank, Riedlingen

PrzisionsbauteilPumpenlaufrad aus Stahlguss

Przisionsbauteil.Auch bei diesem Przisionsbauteil einem Pumpenlaufrad handelt es sich um ein typisches Gussteil. Von seinen Maen wre es durchaus mglich, dieses Bauteil spanend zu fertigen. Allerdings wre bei einer spanendenFertigung das Verhltnis vom zerspanten Volumen zum eigentlichen Bauteil sehr ungnstig. Diese die Komplexitt der Freiformflchen des Laufrades wre durch spanendeFertigungsverfahren aufgrund der eingeschrnkten Zugnglichkeit nur mit groem Aufwand zu realisieren.

Dass diese Geometrie mit den Verfahren der Umformtechnik nicht zu erzielen ist, ist auf den ersten Blick ersichtlich. Eine solche Geometrie ist durch Schmieden oder andere Verfahren der Umformtechnik nicht in einem Stck zu fertigen.Bleibt die Mglichkeit, das Bauteil aus Einzelteilen zu fgen. Allein Aufgrund des Montageaufwandes ist dies nicht zu rechtfertigen. Solche Laufrder, z. B. auch Turbolader- laufrder, werden in mittleren bis groen Stckzahlen bentigt. Die variablen Kosten bei der Herstellung sollen so gering wie mglich sein. Die Werkzeugkosten hingegen verteilen sich aufgrund der hohen Stckzahl auf viele Bauteile.Das Feingieverfahren, auch Waschsausschmelzverfahren genannt, liefert derartige Bauteile in der gewnschten Qualitt zu vertretbaren Kosten. (*)

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2 Geschichte des GieensZeittafel der Gusswerkstoffe

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2 Geschichte des GieensZeittafel der Schmelztechnik

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Nordische Hochbronzezeit Sonnenwagen aus Nordische Hochbronzezeit Sonnenwagen aus TrundholmTrundholm, Seeland DK 14. Jh. v. Chr., Seeland DK 14. Jh. v. Chr.ltester figrlicher Hohlguss in Mittelltester figrlicher Hohlguss in Mittel-- und Nordeuropaund Nordeuropa

2 Geschichte des GieensBeispiele - Bronzezeit

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Marc AurelMarc Aurelgestorben 180 n. Chr.gestorben 180 n. Chr.RomRom

Heroen von RiaceGriechischer Gussum 460 v. Chr.gefunden 1972,Sdkste Kalabriens

2 Geschichte des GieensBeispiele - Bildguss

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Gusseiserner Mrser von Meister Pender aus Siegen, 1538.(Merkeln Gast aus Frankfurt goss schon 1390 gusseiserne Geschtze)

Wasserleitungsrohr aus geteilter Lehmform,seit etwa 1450

Kanonenkugel aus gusseisernen KokillenUm das Jahr 1400

2 Geschichte des GieensBeispiele Gusseisen aus Europa

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Spannweite 30,5 m. Gegossen 1777/78 von Abraham Spannweite 30,5 m. Gegossen 1777/78 von Abraham DarbyDarby IIIIII

2 Geschichte des GieensBeispiele Iron Bridge bei Wolverhampton, England

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Zusammenhaltbeibehalten

Zusammenhaltvermindern Zusammenhalt vermehren

Hauptgruppe 5Hauptgruppe 4Hauptgruppe 3Hauptgruppe 2

Hauptgruppe 6

Umformen Trennen Fgen

BeschichtenStoffeigenschaft ndern durch

Umlagern vonStoffteilchen

Aussondern vonStoffteilchen

Einbringen vonStoffteilchen

nd

erun

g de

rSt

off-

eige

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afte

nFo

rm

nach Dubbel

Zusammenhaltschaffen

Hauptgruppe 1

Urformen(Formschaffen)

Zusammenhaltschaffen

Hauptgruppe 1

Urformen(Formschaffen)

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3 Grundlagen Fertigungsverfahren nach DIN 8580

Einteilung der Fertigungsverfahren.Die Fertigungsverfahren werden im Maschinenbau allgemein nach DIN 8550 eingeteilt. Die Reihenfolge der Hauptgruppen 1 bis 6 folgt einer imaginren Fertigungskette. Hier ist von Bedeutung, dass vor allen weiteren Bearbeitungsschritten auf dem Weg zu einem Fertigteil zuerst einmal der Werkstoff in einer definierten Form vorliegen muss. Die Gewinnung des Ausgangsmaterials an sich, lassen wir hierbei auer Acht.

Die erste Fertigungsstufe ist also das Formschaffen aus formlosem Stoff, auch Urformen genannt.Das Urformen lsst sich nach dem Aggregatzustand des formlosen Stoffes weiter einteilen:(*)

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nach Dubbel

Urformen

gas- oder dampf-frmigerZustand

flssiger, breiiger

oder pastenfrmiger

Zustand

ionisierter Zustanddurch

elektrolytischesAbscheiden

fester, krnigeroder

pulverfrmigerZustand

Galvanoplastik PulvermetallurgieGieenPVD

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3 Grundlagen Einteilung der Urformverfahren

Der formlose Stoff kann in allen Aggregatzustnden vorliegen. Urformen aus dem gas- oder dampffrmigen Zustand in einen festen Zustand mit definierter Form wird nach dem englischen Physical VaporDeposition als PVD bezeichnet. Das Gieen beschftigt sich mit dem Formschaffen aus dem flssigen, breifrmigen oder pastenfrmigen Zustand.

Darber hinaus gibt es noch das Formschaffen aus dem ionisierten Zustand, die Galvanoplastik, und die Pulvermetallurgie, bei der feines Metallpulver in Formen gepresst und anschlieend im Ofen gesintert wird. (*)

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Gieen ist immer der erste Verarbeitungsschritt nach der Gewinnung eines metallischen Werkstoffes

Halbzeug

Metallschmelze

Formategieen

Endprodukt

Formgieen

3 Grundlagen Warum berhaupt Gieen ?

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Die Gieverfahren werden zunchst nach der Art des Erzeugnisses eingeteilt. Ist das Produkt des Gieverfahrens ein Halbzeug zur Weiterverarbeitung, so spricht man vom Formateguss. Typische Halbzeugformate sind Strnge,Rohre, Profile und Bnder, die im kontinuierlichen Stranggieverfahren erzeugt werden.

Im Weiteren werden die verschiedenen Verfahren des Formgieens nher besprochen. Ihnen ist gemeinsam, dass das Gussteil bereits die Endform des Bauteils plus, wenn notwendig Bearbeitungszugaben und spezielle Zusatzkonstruktionen fr das Gieverfahren enthlt. (*)

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nach Dubbel

Dauermodell und

verlorene Form

Verlorenes Modell und

verlorene Form Dauerform

Formverfahren

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3 GrundlagenEinteilung nach Art der Formherstellung

z.B. Sandguss z.B. Feinguss z.B. Druckguss

Die Formverfahren werden blicherweise danach unterschieden, ob eine Form oder ein Modell des Gussteils nur einmal oder mehrmals verwendet werden kann. Wenn ein Modell = Positiv mehrmals verwendet werden kann, spricht man von einem Dauermodell, wenn es bei der erstmaligen Verwendung zerstrt wird, von einem verlorenen Modell.

Wenn eine Form = Negativ mehrmals verwendet werden kann, spricht man von einer Dauerform, wenn sie bei der erstmaligen Verwendung zerstrt wird, von einer verlorenen Form. (*)

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Statisches Gieen(Schwerkraft- und Niederdruckgieen) verlorene Form Dauerform

Dynamisches Gieen Dauerform

Quelle: Spur

Bewegung der Form Schleudergieen Sturzgieen

Bewegung desGiematerials Druckgieen

Gieverfahren

Sandgieen Kokillengieen Feingieen

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3 GrundlagenEinteilung nach Art der Formfllung

Zustzlich zur Einteilung der Formverfahren ist eine Einteilung der Gieverfahren nach Bewegung und Dynamik von Giematerial und Form mglich.

Unter beide Systematiken der Einteilung der Verfahren lassen sich alle Gieverfahren einordnen, z.B. Schwerkraft- Sandgieen oder Niederdruck- Kokillengieen.

Einige Kombinationen sind allerdings nicht mglich oder technisch nicht sinnvoll. Wenn dies fr den Fachmann eindeutig ist, wird in der Praxis nur eine der beiden Bezeichnungen verwendet.Zum Beispiel versteht man unter Sandgieen stets das Schwerkraft-Sandgieen. Druckgieen dagegen ist nur mit metallischen Dauerformen (Druckgieform oder Druckgie-werkzeug genannt) mglich.Der Begriff Kokillengieen ist daher nur fr Schwerkraft- und Niederdruck-Kokillengieen blich. (*)

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4 Formverfahren SandgussBauteil

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Fertigungszeichnung

Modellplanung

Wenn ein Kunde ein Gussteil bentigt, stellt er in jedem Fall dazu eine Fertigungs- oder Fertigteilzeichnung her. In ihr ist das einbaufertige Bauteil mit allen funktionsrelevanten Massen und das Anforderungsprofil definiert, d. h. alle Bereiche die der Kunde bearbeitet haben will ebenso die Legierung und die bentigten mechanischen und dynamischen Festigkeitswerte sind darin dargestellt.

Aus dieser Fertigungs- oder Fertigteilzeichnung stellt der Gieer die Rohteilzeichnung her. In ihr ist nun der Zustand abgebildet wie der Gieer das Gussteil abzuliefern hat, d. h. alle Bearbeitungszugaben, nicht vorgegossene Bohrungen, Konizitten fr die Entformung, bentigte Radien, fr die mechanische Bearbeitung vorgesehene Transportlaschen.

Damit der Gieer einen Gesamtberblick ber die Gieeinrichtung erhlt wird eine Modellplanungszeichnung erstellt in der nun auch etwa bentigte Kernmarken abgebildet sind. Alle Zeichnungen knnen verkleinert in verschiedenen Mastben angefertigt werden.

Fr die Modellherstellung in klassischer Art wird vom Modellbauer ein Modellaufriss hergestellt, er wird mit einer Reinadel im Mastab 1:1 auf eine Hartholzplatte eingeritzt. In einem Modellaufriss werden alle Schnitte durch das gesamte Modell dargestellt und farblich gekennzeichnet. Der Modellbauer bertrgt alle Mae mit dem Stechzirkel auf das in Anfertigung befindliche Modell, denn der Modellaufriss ist nicht vermat. Er ist die einzige Darstellung in der der Schwindmastab bercksichtigt ist.

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Beispiel

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stilisierte Fertigungszeichnungohne Bemaung

einbaufertiges Gussteil

Diese Folie zeigt ein typisches Sandgussteil. Es handelt sich um einen hohl gegossenen Rohrkrmmer. Rechts ist ein Foto von einem realen Bauteil zu sehen. Links sind drei Ansichten des gleichen Teiles mit einigen Vereinfachungen zu sehen.

An dieser vereinfachten Geometrie soll der Weg von der Produktidee -vielleicht einer Bauteilzeichnung oder einem CAD- Datensatz - zum fertigen Gussteil erlutert werden. (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Modellgeometrie erstellen

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Fertigteil mitHohlrumen ModellKern

Diese Folie zeigt in orange die Sollgeometrie des zu gieenden Rohrkrmmers. Sie existiert nur als Zeichnung oder CAD- Datenmodell.Aus der Rohteilzeichnung wird die Modellplanungszeichnung erstellt um einen Gesamtberblick ber die Modelleinrichtung zu bekommen.Fr die Modellanfertigung nach klassischer Art wird ein Modellaufriss erstellt. Der Modellaufriss beinhaltet das Schwindma welches der Giewerkstoff bentigt um von der Soplidustemperaturbis zur Raumtemperatur zu erkalten und sich dabei zusammen zu ziehen, d.h. zu schwinden. Bei Aluminiumlegierungen betrgt dieser Faktor 1,2%. Der Modellaufriss ist im Gegensatz zu allen anderen Zeichnungen immer im Mastab von 1 : 1 dargestellt und nicht vermat.

Das Modell ist im Gegensatz zur Sollgeometrie nicht hohl. Der Bereich, den der Kern spter in der Form einnimmt, muss beim Erstellen der Sandform zunchst freigehalten werden. Damit der Kern in der Form nicht nach unten fllt, muss er an den Rndern der Form gelagert werden.

Der Platz, an dem diese Kernlager spter zu liegen kommen, muss beim Herstellen der Form ebenfalls freigehalten werden. Die Kernlager oder Kernmarken sind an diesem Modell zur Verdeutlichung dunkel eingefrbt.Nach dem Einformen muss das Dauermodell wieder aus der Form entnommen werden knnen. Zur Entnahme des Modells muss die Form geffnet werden. Das Modell muss also so verndert werden, dass die Form beim ffnen und Entnehmen des Modells nicht beschdigt wird. (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Mehrteiliger Aufbau des Modells

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Teilungsebene

AngusssystemSpeiser

zusammen-gesetztes Modell

Fixierung der Modellhlften

Die Lsung ist ein mehrteiliger Aufbau des Modells. Das Modell wird in der Teilungsebene oder Trennebene geteilt. Bei diesem Modell entstehen zwei Modellhlften. Die Speiser, die das Schmelze-reservoir fr die Flssigkeits- und Erstarrungsschwindung aufnehmen, mssen mit dem Modell entnehmbar sein. Mit dem Angusssystem wird sichergestellt, dass eins ruhige, steigende Formfllung erreicht wird.

Der Zulauf der Schmelze erfolgt daher ber ein separat geformtes Angusssystem, dass in der Teilungsebene mit dem eigentlichen Formhohlraum verbunden wird. Mit diesem mehrteiligen Modell kann nun eine Sandform erstellt werden. (*)

Die meisten Modelle fr das Formen von Hand werden heute aus Holz und Kunststoff angefertigt und sind fr Null- und Vorserien sowie kleinere Serien gedacht.

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Modellsand

Modell

4 Formverfahren Sandguss - Handformen Modellunterteil im Formkasten einformen

Formunterkasten

Zum Herstellen einer Form bentigt man zunchst einen Formkasten. Dieser Formkasten ist wie das Modell zweiteilig. Die Folie zeigt eine der beiden Formkastenhlften. Die Formksten sind oben und unten offen. Der verwendete Sand ist rieselfhig, hat einen bildsamen Zustand. Die Sandkrner sind also mit einem Bindemittel umhllt. Bei der klassischen Sandgieerei ist der Sand mit feinem Ton bzw. Bentonit umhllt. Das Sand- Ton- Gemisch wird mit Wasser vermengt.

Man spricht von tongebundenem oder bentonitgebundenem Sand. Dieser feuchte Sand wurde frher auch nach dem mittelhochdeutschen grn = feucht als Grnsand bezeichnet. Der Sand bleibt nach der Verdichtung an der Innenwand des Formkastens haften und bildet die Modellkontur als Negativ ab.In diese Formkastenhlfte wird zunchst die untere Hlfte des Modells mit der Teilungsebene nach unten eingelegt. (*)Damit sich die Modellkontur genau im Sand abzeichnet, wird die erste Sandschicht aufgesiebt.(*)Das Modell wird ganz mit dem aufgesiebtem Sand bedeckt. (*) (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Modellunterteil im Formkasten einformen

Hinterfllsand

Nach der ersten Schicht wird weiter Sand aufgefllt. (*)

Wenn der Modellsand die gesamte Modellflche abgedeckt hat, wird Formsand in den Formkasten eingefllt. Je nach Formkastenhhe erfolgt das in mehreren Schritten.

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Verdichten

4 Formverfahren Sandguss - Handformen Sand verdichten

In der Praxis werden oft mehrere Sandschichten nacheinander aufgebracht und verdichtet.Je detailreicher das Modell ist, desto sorgfltiger muss der Sand verdichtet werden.

Die jetzt oben liegende Sandflche wird nachher die Unterseite der fertigen Form. Der berstehende Sand muss abgeschabt werden, damit die Form nach dem Wenden eine flache Auflageflche hat. (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Kasten wenden und Modelloberteil einformen

Formunterkasten

Formoberkasten OK

UK

Auf die Modellunterseite werden nun die obere Modellhlfte (*) und der Oberkasten aufgesetzt. (*)Unter- und Oberkasten werden in der Praxis durch verschiedenartige Verstiftungen aufeinander positioniert. Diese sind hier in der Darstellung zur Verbesserung der bersichtlichkeit weggelassen worden.

Auf die Modelloberflche und die frei liegende Sandflche kann wiederum ein Trennmittel aufgebracht werden.Dann wird wieder die erste Sandschicht aufgebracht (*) und der Formkasten aufgefllt. Die Formfllung des Oberkasten ist analog zu der des Unterkastens.

(*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Sand verdichten

Abstreifschiene

Der Sand wird verdichtet und der berstand abgeschabt.Die Sandform selbst ist jetzt bereits fertig. Aber das Modell sitzt noch an der Stelle, den spter einmal das flssige Metall einnehmen soll. Die Form muss also noch einmal geffnet werden, um das Modell zu entnehmen. (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Formkasten ffenen

Hier ist die Form geffnet und bereit zur Modellentnahme. Damit man das Modell beim Entnehmen nicht verkantet, werden spezielle Entnahmestifte in die Teilungsebene des Modells eingeschraubt.In der Praxis haben die Modelle zustzlich Aushebeschrgen. Es ist einsichtig, dass der Einguss im Oberkasten nicht ohne Beschdigung der Sandform entnommen werden kann, wenn er genau zylindrisch ist. In diesem Beispiel soll der Anguss mit dem Modell zusammen nach oben entnommen werden. Der Einguss wird also als ein um wenige Grad geffneter Kegelstumpf ausgefhrt. Dieses Prinzip der Aushebeschrgen gilt fr alle Teile, die ohne Beschdigung der Form entnommen werden mssen.

Die Aushebeschrgen fr das Modell mssen daher bei allen Gussteilen, die mit einem Dauermodell erstellt werden sollen vorgesehen werden. (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Modell entnehmen

So kann das Modell ohne Beschdigung der Form entnommen werden. In diesem Fall sind die Speiser und das Angusssystem an der oberen Modellhlfte befestigt. Grere oder komplexere Giehilfen knnen aber auch als einzelne Modellteile ausgefhrt werden. (*)

Ein leichtes Losklopfen der Modelle erleichtert die Entnahme der Modellhlften aus dem Formkasten. Die hellblauen Einguss- und Speisermodelle sind bei manchen Modellplatten entgegen der Aushubrichtung konisch und mssen vor dem Trennen der Formksten entnommen.

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Eingusstrichter formen und Kern fertigen

Nachdem die Modellhlften entnommen worden sind, wird ein Eingusstmpel oder ein Eingusstrichter in den Sand im Oberkasten eingearbeitet. Fr das Gieen von Eisenlegierungen wird oft der hier gezeigte Eingusstmpel verwendet. Beim Gieen von Aluminium wird oft ein einfacher Trichter gebohrt.Nun fehlt noch der Kern, der den Hohlraum in dem Rohrstck beim Gieen frei von Schmelze halten soll.(*)

Die Kernherstellung wird spter noch besprochen; hier kommt der Kern zunchst einfach aus einer eigenen Form, dem Kernkasten, und wird in die Form eingelegt. (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Kern einlegen

Der Kern besitzt eine hhere Festigkeit als die Form. Der relativ schlanke Kern, der nur an seinen ueren Enden in der Form aufliegt, wrde sonst vom Druck der aufsteigenden Schmelze gebrochen.

Nachdem Der Kern eingelegt ist, kann die Form geschlossen werden.(*)

Der Kern besteht aus Sand und im allgemeinen aus einem chemischen Bindemittel und hat eine hohe Festigkeit, die dem Druck und der Temperatur solange widerstreben soll, bis die Schmelze (zumindest eine Randschale) erstarrt ist.

Nach dem Ausblasen der Formhlften kann der Sandkern bzw. die Sandkerne eingelegt werden und die Form geschlossen werden.Die beiden Formhlften mssen vor dem Abgieen noch beschwert oder verklammert werden, um den Auftriebskrften der Schmelze entgegen zu wirken.

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Gieen und Erstarren

Beim Gieen von Metallen mit hoher Dichte werden die Formksten zustzlich verklammert, damit der Oberkasten nicht durch den metallostatischen Druck der Schmelze aufschwimmen kann.Die Form ist damit zum Gieen bereit.Die Schmelze wird z. B. in einem Gietiegel am Hallenkran an den Gieplatz befrdert. (*)Mit dem Handrad am Tiegel kann der Tiegel gekippt werden und die Form wird gefllt. (*)

Durch den Einguss und den Lauf gelangt die Schmelze zum Anschnitt und fllt dann steigend von unten nach oben die Form. Die Luft in der Form entweicht in den umgebenden Formstoff. Wenn die Gefahr besteht, dass die Luft nicht in den Formstoff entweichen kann, sieht man am Modell zustzliche Entlftungen vor. Beim Fllen der Form muss die Schmelze ber die Erstarrungs-temperatur berhitzt sein. So wird sichergestellt, dass keine Vorerstarrung whrend der Formfllung eintritt. (Wenn die Form durch Vorerstarrung nicht mehr vollstndig gefllt werden kann, wird dieser Fehler als Kaltlauf bezeichnet.)Wenn die Form gefllt ist, khlt die Schmelze ab, erstarrt und erkaltet. (*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Gieen und Erstarren

Dieses Bild zeigt das erkaltete Gussteil in der Form. Es ist gut zu erkennen, dass hier bereits die Festkrperschwindung eingesetzt hat, das Gussteil also kleiner ist als die Form. Dabei schrumpft das Bauteil auf den innen liegenden Kern auf.

Beim Gieen von Eisenwerkstoffen zerfallen die Sandkerne durch die groe Wrmezufuhr oft von selbst. Beim Gieen von niedrig schmelzenden Legierungen, wie Aluminium, reicht die Temperatur oft nicht aus, damit die Kerne zerfallen. Dann ist hierfr ein zustzlicher Bearbeitungsschritt notwendig.Wenn das Bauteil vollstndig erstarrt ist, kann die Form bereits geffnet werden.(*)

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4 Formverfahren Sandguss - Handformen Formkasten entleeren und Kreislaufmaterial abtrennen

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Hierzu wird die Verklammerung der Ksten gelst und der Oberkasten angehoben. Das oft noch heie Gussteil wird aus dem Sand entnommen und von Sandresten befreit. Eingusssystem und Speiser werden abgetrennt und knnen spter wieder eingeschmolzen und erneut vergossen werden. Das Rohgussteil kann nun zum Fertigteil weiter bearbeitet werden.

In der Praxis kommt oft statt tongebundenem Sand) kaltharzgebundener Sand zum Einsatz. Der Sand (man spricht auch vom Formstoff) wird hierbei mit einem Bindemittel auf Harzbasis vermischt und hrtet nach dem Formen kalt, d.h. bei Raumtemperatur aus. Zur Wiederverwendung dieses Sandes ist eine Regenerierung erforderlich. Zur Wiederverwendung des tongebundenen Sand ist nur eine erneute Aufbereitung notwendig.Fr groe Serien wird der Verfahrensablauf mechanisiert. Man spricht dann von maschinen-geformtem Sandguss. Gieereien, die maschinengeformten Guss produzieren, bevorzugen in der Regel tongebundenen Sand wegen der einfachen Aufbereitung des Formstoffes und der kurzen mglichen Zykluszeiten.(*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Ober- und Unterkastenmodellplatten erstellen

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UK OK

Modellplatte

Teilungsebene

UK : Unterkasten OK : Oberkasten

Das geteilte Modell wird inklusive Giesystem auf zwei Modellplatten montiert.

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Formksten

Die Formksten laufen auf einem Transportsystem im Kreis. Wie schon beim Handformen sind die Formksten oben und unten offen.Nun werden die Modellplatten von unten gegen die Formksten gefahren.(*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Modellplatte fhrt ein

In diesem Beispiel werden Ober- und Unterkasten gleichzeitig geformt. Bei groen Formksten werden Ober- und Unterkasten immer abwechselnd geformt. Damit der Sand gezielt eingefllt werden kann, werden Fllrahmen auf die Formksten gesetzt.(*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Fllrahmen aufsetzen

Nach dem Aufsetzen der Fllrahmen wird im nchsten Schritt der Formsand in die Formksten gefllt. Der Fllrahmen hat das Volumen, welches zur Verdichtung bentigt wird.(*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Sand einfllen

Der Formstoff ist hier tongebunden und durch Wasserzugabe feucht. Man spricht hier vom Nassgussverfahren.

Im nchsten Schritt wird die Verdichtungseinheit ber den Fllrahmen gefahren, der mglichst dicht mit dem Formkasten abschlieen sollte.(*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Verdichtungseinheit aufsetzen

Verdichtungsluftzufuhr (Luftimpulsverfahren)

Die Verdichtungeinheit besteht in der Praxis oft aus einem Druckspeicher und dem zugehrigen Dsensystem. Die Verdichtungseinheit arbeitet mit Umgebungsluft. Durch den Impuls der auf den Sand auftreffenden Luft wird der aufgeschttete Sand zu einer Formhlfte verdichtet. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Verdichten mit Luftimpuls

Die Form hat jetzt die bentigte Festigkeit, allerdings steht noch Sand oben ber den Formkasten ber. Die Verdichtungseinheit und der Fllrahmen werden wieder nach oben gezogen und die berstnde mit einer Abstreifschiene abgezogen. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen berstehenden Sand abstreifen

Der abgezogene Sand fllt nach unten in das Sandrckfhrsystem und wird in die Sandaufbereitung transportiert.Jetzt werden die Modelle aus der Form gezogen. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Modellplatte fhrt aus

Dies geschieht, indem die Modellplatten wieder nach unten zurckfahren. In diesem Bild sind wiederum die Formschrgen vereinfacht dargestellt. Die Modelle mssen sich nach oben verjngen.

Zur weiteren Bearbeitung mssen die Formksten gewendet werden.Dazu fahren die Ksten einen Schritt weiter auf dem Transportsystem zum Kastenwender. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Modellplatte fhrt aus

Formkastengreifer

Die Greifer des Kastenwenders heben die Form an, (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Formksten wenden

drehen die Ksten um ihre Lngsachse (*) und setzen sie wieder ab.(*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Kern einlegen und Eingusstrichter bohren

Eingusstrichterbohrvorrichtung

Nun knnen weitere Formteile (Sandkerne, Siebe oder Giefilter) in den Unterkasten eingebracht werden. Fr den Rohrkrmmer ist dies wiederum der Kern, der die inneren Bauteilpartien beim Gieen von Schmelze freihlt. (*) Mglich sind auch zustzliche Sttzen fr den Kern, damit dieser nicht in der Schmelze aufschwimmen kann (Auftrieb durch den metallostatischenDruck, den die Schmelze auf den Kern ausbt). Weitere Giehilfen knnen Khlkokillen sein, die auf die Modellplatte vor dem Formvorgang an strker zu khlende Gussstckpartien angelegt werden, um in bestimmten Bereichen eine schnellere Erstarrung zu erreichen.

Khlkokillen werden in der Regel mit einem Schutzberzug (Schlichten) versehen. Schlichten sind Trennmittel auf keramischer Basis, die den direkten Kontakt der Schmelze mit der Khlkokille verhindern sollen. Auch die Kerne werden oft geschlichtet, damit sie den hohen thermischen Beanspruchungen standhalten.In den Oberkasten kann in dieser Position der Eingusstrichter gebohrt werden. (*) Der gelste Sand fllt nach unten weg.In der nchsten Position wird der Oberkasten angehoben. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Oberkasten anheben und wenden

Der Oberkasten ist hier schon wieder in die Gielage mit dem Eingusstrichter nach oben zurckgedreht worden. Der Unterkasten mit dem Kern verbleibt in dieser Lage und wird nun vom Transportsystem unter den Oberkasten gefahren. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Zulegen der Form

Nun kann die Form zum Gieen zugelegt werden. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Zulegen der Form

Die fertige Form wird nun zum zum Gieplatz transportiert. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Abgieen

Am Gieplatz wird die Schmelze wie bei eine handgeformte Form mit einer Gieeinrichtung (Handpfanne, Dosierlffel, Gieofen) ber das Eingusssystem in den Formhohlraum gegossen, wo es zum Gussteil erstarrt.

Aluminium wird oft aus Dosierfen gegossen. Es gibt auch die Mglichkeit, den Gieer durch einen Gieroboter zu ersetzen, der einen Gielffel in die Schmelze eintaucht und automatisiert die Form fllt. Heutige Formanlagen haben Taktzeiten von weniger als einer Minute.Nun beginnt die Erstarrung des Gussteils in der Form. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Erstarren

Das Bauteil erstarrt und schrumpft beim weiteren Abkhlen auf den Kern auf. Wenn das Bauteil erstarrt ist, hat es einen groen Teil seiner Wrme an die Sandform und den Formkasten abgegeben. Diese knnen die Wrme aber nur durch freie Konvektion sehr langsam weiter abgeben.

Damit das Bauteil schnell fr die weitere Bearbeitung auf Raumtemperatur abgekhlt werden kann, wird die Form geffnet. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Entformen/ Entleeren des Formkastens

Trennrost

Unwuchtmotoren

Whrend des Ausrttelns wird der Oberkasten vom Unterkasten abgehoben. Die Form hat durch die Wrme des Gussteils ihre Festigkeit verloren und zerfllt beim Entfernen des oberen Kastens. Der Sandkern ist wesentlich hrter als der Formstoff und muss deshalb durch geeignete Verfahren entfernt werden. Der lockere Sand fllt durch einen Trennrost in das Sandrckfhrsystem und gelangt in die Sandaufbereitung.

Die Gussteile und die Sandreste werden dann ber eine Rttelrinnegefrdert.Trennroste und Rttelrinne werden durch Unwuchtmotoren angeregt. Je nach Ausrichtung des Unwuchtmotors und Strke der Anregung knnen Wirkung und Frdergeschwindigkeit eingestellt werden. (*)

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Entnahmerinne

5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Rohgussteil vom Sand trennen, khlen und frdern

Trennrost

An einem zweiten Trennrost oder kurz dahinter werden die Rohgussteile von der Formanlage abgenommen und nach dem Entkernen, Trennen von Anguss und Speiser der Rohteilbearbeitung zugefhrt. (*)

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5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Kreislaufmaterial abtrennen

9

Hier ist eine Rohteilbearbeitung durch einen Roboter gezeigt. Je nach Teileart, Seriengren oder vom Kunden gewnschter Bearbeitung kann auch eine manuelle Bearbeitung sinnvoll und wirtschaftlich sein. Das Anschnitt- und Speisersystem wird in jedem Fall noch in der Gieerei entfernt und spter wieder eingeschmolzen.

Vor der Besprechung der Gesamtanlage einer Gieerei soll noch eine Alternative zur Formherstellung mit Luftimpuls gezeigt werden: eine Vielstempelpresse.(*)

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Sandaufbereitung

Zulegen

Eingusstrichterbohren

Fllen und Verdichten

WasserTonSand

Kernlager

Kern einlegen

GieenFormen

Erstarren und Abkhlen

Gussteile weitertrans-portieren

Kreislauf-material entfernen

Entformen Sand entfernen

5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Layoutbeispiel einer leistungsstarken Formanlage

9

Auf diesem Bild ist eine komplette Formanlage in ihrer rumlichen Anordnung zu sehen. Der Prozess beginnt mit dem Mischen von Quarzsand, Bentonit (Ton) und Wasser zu einem bildsamen Formsand.Mit diesem werden die Formen ber den Modellen erstellt. Die Kerneinlegestrecke ist bei leistungsstarken Formanlagen meist in einer Schleife ausgefhrt. So ist auch bei kernintensiven Bauteilen die Zugnglichkeit zum Einlegen der Kerne gewhrleistet. Nachdem der Eingusstrichter gebohrt ist (dieser Vorgang ist notwendig, da der Eingusstrichter auf der Modellplatte fest montiert ist), wird die Form zugelegt und am Gieplatz abgegossen.

Am Ende der Khlstrecke werden die Formksten geffnet. Die Gussstcke khlen weiter ab und werden an der Gussabnahme von der Formanlage entnommen. Das Kreislaufmaterial wird abgetrennt. Es verbleibt in der Gieerei und wird wieder eingeschmolzen. Die Rohteile werden zur internen Weiterverarbeitung oder zum Kunden versandt. Ein oder mehrere dieser Fomanlagenbilden das Herzstck einer Gieerei, die maschinengeformten Sandguss produziert.Zustzlich sind weitere untersttzende Abteilungen notwendig. (*)

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Quelle: Heinrich Wagner Sinto

5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Blick in eine Formanlage

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Quelle: Knkel-Wagner

5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Beispiel fr ein Anlagenlayout

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Quelle: Wagner-Sinto

5 Formverfahren Sandguss - Maschinenformen Beispiel fr ein Anlagenlayout

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Aufgabe von Kernen: Kerne formen Bauteil-Innenkonturen,

die nicht durch die Formhlften dargestellt werden knnen.

Anforderungen an Kerne: Magenauigkeit und Temperaturbestndigkeit Widerstand gegen Erosion beim Gieen durch die

Schmelze Formbestndigkeit gegen den Druck der Schmelze Entfernbarkeit (Kernzerfall) muss gewhrleistet sein

6 KernherstellungAufgaben von Kernen und Anforderungen an Kerne

9

Kern

(*)

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60

ca. 400 mm

Quelle: Rperwerk

6 Kernherstellung Kernpaket fr zwei Zylinderkurbelgehuse

9

Dieses Bild zeigt ein Kernpaket, das aus fnf Einzelkernen aufgebaut ist. Der groe zentrale Kern formt die Innenkonturen von zwei Vierzylinder-PKW- Motoren. Rechts und links angesetzt ist je ein Wassermantelkern. Darber sitzt rechts und links noch je ein Deckkern, der den Wassermantelkern umschliet und so dem Kernpaket Stabilitt gibt.

Auf der linken Seite sind gut die vier Kernmarken zu erkennen, ber die das Kernpaket in der Form positioniert wird. Es gibt also Kerne mit verschiedenen Aufgaben, auf die nun kurz eingegangen werden soll. (*)

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Beispiel Rohrverbinder: drei Teile im Formkasten:

Innenkern

Auenkern

Gussteil

6 Kernherstellung Begriffsbestimmung

9

Innenkern: formt die inneren Konturen von Gussteilen.Auenkern: formt Hinterschneidungen

in den Auenkonturen von Gussteilen.

(*)

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6 KernherstellungDauerkern und verlorener Sandkern

9

Dauerkern:Stahlkern, kann gezogen und mehr-fach wieder verwendet werden. Schieber und Kernzge werdenmeist mechanisch angetrieben

Verlorener Sandkern:Kern kann nicht gezogen werden undmuss beim Entleeren des Formkastenszerstrt werden, d. h., es muss ein Sandkern eingesetzt werden

Auch beim Gieen in Dauerformen knnen Kerne verwendet werden. Wenn dies Dauerkerne sind, spricht man von Schiebern.Wenn nur die ueren Formteile als Kokillen ausgefhrt werden knnen, der Kern aber bei jedem Guss verloren ist, spricht man wie beim Sandguss von Kernen. Typische Bauteile, die in Dauerformen mit verlorenen Kernen gegossen werden, sind Wasserarmaturen aus Kupferlegierungen. (*)

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Kernherstellungsverfahren arbeiten zumeist mit organischen Bindern. Der Kernsand (meist Quarzsand) wird mit Binder und einem Hrter vermischt und dann hei oder kalt ausgehrtet.Die wichtigsten Unterscheidungen von Kernherstellungsverfahren sind:

Heihrtend Hot-Box Warm-Box Maskenform-

verfahren

Kalthrtend Cold-Box Betaset SO2 Kaltharz

Sonderformen bentonitgeb. Sand lsand CO2- Sand Anorganische Binder

6 Kernherstellung Verschiedene Kernherstellungsverfahren

9

Das Cold- Box- Verfahren ist hier aufgrund seiner dominierenden Stellung in der Praxis besonders hervorgehoben. (*)

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Modell Kern

Verfahrensablauf am Beispiel Cold-Box-Verfahren

6 Kernherstellung Verfahrensablauf Kernschieen

9

Zur Darstellung der Kernherstellung soll wieder der Rohrkrmmer verwendet werden. Wie bereits vorher erklrt wurde, ist der Kern gegenber dem Hohlraum im Bauteil um die Kernmarken vergrert. An diesen Kernmarken wird der Kern spter von der Form umschlossen und dadurch sicher positioniert.Die Kerne werden aus Sand, in den meisten Fllen ist dies natrlicher Quarzsand, und Kunstharzbindemitteln sowie einem Hrter hergestellt. Zur Aushrtung dienen bei den kalten Verfahren Gase als Katalysator, bei den heien Verfahren sind es gas-oder elektrisch beheizte heie Kernksten.

Damit Kerne mit reproduzierbarer Geometrie erzeugt werden knnen, werden wiederum Werkzeuge bentigt. Diese heien in der Fachsprache Kernksten, auf englisch core box. Das Cold- Box Verfahren ist also ein Verfahren, bei dem der Kern in einem kalten Kernkasten hergestellt wird.(*)

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P

6 Kernherstellung Kernschiemaschine Grundstellung

Dieses Bild zeigt den Arbeitsraum einer Maschine zur Herstellung von Cold- Box- Kernen. Oben ist ein Sandbunker zu erkennen und unten der geffnete Kernkasten. Da der Sand aus dem Bunker mit Hilfe von Druckluft in die Form geschossen wird, heit dieser Aufbau in der Fachsprache Kernschiemaschine.Der Sandbunker ist fest an die Maschine montiert. Der Kernkasten kann hydraulisch geffnet und in der Hhe verfahren werden.Zustzlich kann der Kernkasten zur Kernentnahme nach vorne aus dem Arbeitsraum hinaus gefahren werden.

Der Sand, der hier im Bunker liegt, ist bereits auerhalb der Maschine mit einem Hrter und einem Harzbinder vermischt worden. Diese Mischung ist nicht mehr rieselfhig, sondern bereits leicht gebunden wie feuchter Sand.Um jetzt mit diesem Sand einen Kern zu fertigen, wird zunchst der Kernkasten geschlossen. (*)

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P

6 Kernherstellung Grundstellung Kernkasten geschlossen

Zwischen dem Sandbunker und dem Kernkasten befindet sich der Schiekopf. Der Schiekopf ist eine Dsenplatte, die den Sand aus dem Bunker zu den Eintrittsffnungen des Kernkastens leitet.Im nchsten Schritt wird der Kernkasten nach oben gegen den Schiekopf gefahren (*)

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P

6 Kernherstellung Schieen und Entlften

Die Maschine ist jetzt bereit zum Schuss. Das Druckventil kann geffnet werden.(*)

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P

6 Kernherstellung Schieen und Entlften

Das Druckventil ist geffnet und der Sand fliet durch den Schiekopf in den Hohlraum.(*)Unterhalb des Kernes sind im Kernkasten Luftauslasskanle zu erkennen, die nach rechts bzw. links aus dem Kernkasten hinaus fhren.Vor diesen Kanlen sitzen Schlitzdsen. So kann die Schieluft entweichen und der Sand verbleibt im Formhohlraum.Der mit Binder und Hrter vermischte Sand fllt nun den Formhohlraum aus. Ohne weiteres Zutun wrde der Kern nun innerhalb mehrerer Stunden aushrten.

Dies ist mit den Forderungen einer wirtschaftlichen Produktion nicht vereinbar. Durch eine Begasung mit Amin kann die Aushrtezeit auf wenige Sekunden verringert werden.Der Kernkasten wird zunchst wieder nach unten gefahren.(*)

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P

6 Kernherstellung Kernkasten begasen

Die Begasungsplatte wird eingefahren und der Kern wird begast. Das fliefhige Kernsandgemisch hrtet dadurch im Kernkasten aus. (*)

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P

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6 Kernherstellung Kernkasten ffnen

Die Begasungsplatte wird zurckgefahren und der Kernkasten geffnet. Dann fhrt der Kernkasten aus dem Arbeitsbereich der Maschine aus. Der Kern kann entnommen werden.

Beim Hot- Box- Verfahren sieht die Maschine hnlich aus wie beim Cold-Box- Verfahren. (*)

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P

6 Kernherstellung Hot-Box-Verfahren

Wie der Name schon sagt, wird der Kern hier in einem heien Kernkasten ausgehrtet. Der Kernkasten muss also aus Metall gefertigt und mit einer Heizung ausgestattet sein. Dafr ist keine Begasung des Kernes notwendig.

Die nchsten Bilder von Cold- Box-Maschinen sollen einen Eindruck von realen Kernschiemaschinen vermitteln. (*)

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Kernschiemaschine mit Absicherung des Arbeitsbereiches durch einen Lichtvorhang

Quelle: Rperwerk

6 Kernherstellung Kernschiemaschine

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Dieses Bild zeigt eine Kernschiemaschine mit Blick in den Arbeitsraum. Der hier eingebaute Kernkasten ist doppelt geteilt. Hier werden also in einem Arbeitsgang zwei Kerne gefertigt, einer rechts und einer links. (*)

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Sandzylinder mit Lufteintrittsdsen Quelle: Rperwerk

6 Kernherstellung Sandzylinder

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Luftein-trittsdse

Filter

Ergnzungsfolie:

Dieses Bild zeigt einen ausgebauten Sandzylinder mit den ber den Unfang verteilten Lufteintrittsdsen. Der Innendurchmesser des Sandzylinders ist abhngig vom Schievolumen der Kernschiemaschine. (*)

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Arbeitsraum einer Kernschiemaschine mit horizontal geteiltem Kernkasten

Schiekopf

Holz-Kunststoff, Kernksten fr Klein- und Mittelserien

Kernkastenunterteil

Kernkastenoberteil

Begasungsplatte

Quelle: Rperwerk

6 Kernherstellung Arbeitsraum einer Kernschiemaschine

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Ergnzungsfolie:

Auf diesem Bild sind im Arbeitsraum einer Kernschiemaschine die wesentlichen Bauteile zu erkennen. Oben der Schiekopf, in dem der Sandstrom aufgeteilt wird, mit einzelnen weien Eintauchdsen.Darunter befindet sich das Oberteil des Kernkastens, der auch nur als Oberkasten bezeichnet wird. In dieser Stellung gerade nach vorne gefahren sieht man den leeren Unterkasten. Im Rckraum der Maschine ist die zurckgefahrene Begasungsplatte zu erkennen.

Der Kernkasten ist aus Holz gefertigt und mit grnem Kunststoff ausgegossen. Fr solch einen Kernkasten fertigt der Modellbauer zuerst ein Modell des Kerns, also ein Positiv. Dieses Modell heit Kernseele. Dann wird die Kernseele in die aus Holz gefertigte Grundform des Kernkastens eingelegt. Das ganze mit Kunstharz ausgegossen und die Kernseele wieder entnommen. Es ist aber auch mglich, den Kernkasten ganz aus Holz zu bauen oder die Kernkontur in den Kunststoff zu frsen.(*)

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Kernkasten fr vier Kerne

Metallkernkasten fr Groserien

Quelle: Rperwerk

6 Kernherstellung Arbeitsraum einer Kernschiemaschine

9

Ergnzungsfolie:

Dieses Bild zeigt einen aus Metall gefertigten Kernkasten. Die Kernksten sind durch den Quarzsand beim Schievorgang stark abrasivemVerschlei ausgesetzt. Metallische Kernksten unterliegen einem geringeren Verschlei als die vergleichsweise weichen Holz- und Kunststoffkernksten. Da sie teurer sind, werden sie aber erst bei groen Serien eingesetzt.

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- Wachsmodelle herstellen- Modelltraube montieren- Modelltraube in den keramischen Schlicker tauchen- Feinkrniges feuerfestes Material

in mehreren Schichten aufbringen- Modellwachs im Dampfautoklaven ausschmelzen- Keramikform im Ofen brennen- Schmelze in die vorgeheizte Form gieen- Schmelze erstarrt zum Gussteil- Schnelles Zerstren der Form, um Schwindungsrisse

zu vermeiden

7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren bersicht, Verfahrensablauf

9

Durch die Notwendigkeit der Modellentnahme beim Sandgieen ist die mgliche Komplexitt der Form eingeschrnkt. Es liegt also nahe, ein Gieverfahren zu fordern, bei dem die Form zur Modellentnahme nicht mehr geffnet werden muss. Dadurch kann eine hhere Komplexitt der Bauteile erreicht werden.

Diese Folie zeigt die wichtigsten Schritte des Feingieverfahrens. (*)

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7 Feingieen / WachsausschmelzverfahrenGieprozess und Bauteile

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Diese Folie vermittelt einen ersten Eindruck vom Feingieverfahren. Die Schmelze wird in heie keramische Formen gefllt, aus denen vorher die Wachsmodelle ausgeschmolzen worden sind. Auf der rechten Seite ist ein fertiges Feingussteil zu sehen. Das hier gezeigte Teil ist ca. 200 mm hoch.

Wie bei den vorherigen Gieverfahren, sollen fr das Feingieverfahren die einzelnen Prozessschritte besprochen werden.(*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Wachsmodelle herstellen

Die Prozesskette beim Feingieen beginnt mit der Herstellung der Wachsmodelle. Im industriellen Prozess werden die Wachsmodelle in metallischen Werkzeugen hergestellt.Das hier dargestellte Werkzeug besteht nur aus zwei Hlften. In der Praxis bestehen diese Werkzeuge aus mehreren Teilen und Schiebern, um auch komplexe Hinterschneidungen darstellen zu knnen. An dem Spritzwerkzeug mit der Auswerferplatte und den Auswerferstiften auf der rechten Seite befindet sich eine Wachsspritze. Mit dieser Wachsspritze wird das erwrmte Wachs in den Formhohlraum gedrckt.(*)

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Im Wachsspritzwerkzeug khlt das Wachs ab und erstarrt dabei. Wenn das Modell ausreichende Festigkeit hat, kann das Werkzeug geffnet werden.(*)

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Damit das Wachsmodell nicht beschdigt wird, wird es durch die Auswerferstifte ohne Verkanten von der festen Formhlfte gelst (*)und entnommen. (*)

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Der Anschnitt, durch den das Wachs in das Wachsspritzwerkzeug gepresst worden ist, ist in der Regel nicht der Anschnitt fr die Schmelze. Daher wird der Wachsrest vom Einspritzen entfernt. (*)

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Das Modell ist jetzt fertig. In den meisten Fllen werden Feingussteile nicht einzeln abgegossen. Mehrere Teile werden zu einer Modelltraube montiert. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Modelltraube montieren

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Eingusshaube aus Wachs

Dieses Bild zeigt eine fertig montierte Modelltraube. Die einzelnen Modelle werden zum Montieren an der Verbindungsstelle erwrmt und mit dem angeschmolzenen Wachs an das Giesystem angesetzt. Dies ist das komplette Modell des spteren Abgusses.Auf dieser Wachstraube wird nun die keramische Form schichtweise aufgebaut. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Tauchen in Bindersuspension

Hierzu wird die Traube in einen feinen Keramikschlicker getaucht. Schlickerbezeichnet eine Suspension aus Wasser, Keramikpartikeln sowie Benetzungs- und Entmischungsmitteln. Von besonderer Bedeutung ist die erste Schlickerschicht. Die Korngre dieser Schicht bildet sich auf der Oberflche des spteren Gussstcks ab. (*)

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(*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Feuerfestes Material aufbringen

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Die mit Schlicker benetzte Traube wird im Sand- Luftstrom besandet und getrocknet. So bildet sich eine erste Formschale. Dieser Vorgang wird mehrere Male wiederholt. Je heier die Schmelze je fter. So wird auf dem Modell eine feste keramische Formschale aufgebaut.(*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Modelltraube besandet

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Dieses Bild zeigt noch einmal die besandete Modelltraube im Schnitt. Als nchstes muss das Modell aus der Form entfernt werden. Hierzu wird die Modelltraube mit der Eingussffnung nach unten in einen Ofen gestellt.(*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Modellwachs ausschmelzen

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Beim Erwrmen der Traube stellt sich allerdings ein besonderes Problem: Der thermische Lngenausdehnungskoeffizient der Formschale ist viel geringer als der des Wachses. Die Form wrde also bei der Erwrmung im Ofen von den darinnen liegenden Wachsmodellen gesprengt. Die Lsung liegt in der Verwendung eines Dampfautoklaven. Die Kombination von Wasserdampf und erhhtem Druck ergibt ein Medium mir erhhter Wrmeleitfhigkeit. Die Wrme kann also schneller eingeleitet werden als bei einem normalen Ofen. Die uerste Schicht des Wachses schmilzt dadurch, bevor das Wachsmodell durchgewrmt wird und sich zu stark ausdehnen kann.

Wenn sich dann der Kern des Modells erwrmt hat, ist das Modell bereits so weit geschmolzen, dass es die Form nicht mehr sprengen kann.Die Formschale hat nach dem entwachsen noch nicht gengend Festigkeit fr den Gieprozess.(*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Keramikform brennen

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In einem Keramikbrennofen wird die Keramikform bei ber 1000C gebrannt. Die gebrannte Form wird aus dem Ofen entnommen. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Feingussstcke abtrennen

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Zurck bleibt die Gietraube mit den Feingussteilen am Giesystem. Die Bauteile werden vom Giesystem abgetrennt. (*)Nun folgt die Weiterverarbeitung der Gussteile. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Reinigungsstrahlen

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In diesem Bild ist als Beispiel fr die Weiterverarbeitung das Strahlen mit einem metallischen Strahlmittel im Luftstrom gezeigt.Nun folgt der ganze Prozess noch einmal anhand von Bildern des realen Gussteils. (*)

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Quelle: Avalon

Rechter Schieber

Anschnitt des Wachssystems

Anschnitt des Gussteils

Dieses Bild zeigt die geffnete Feingieform mit dem Wachsmodell. In der rechten Formhlfte sind zwei Schieber zu erkennen, die die Hinterschneidung im oberen Teil des Modells darstellen. Am Modell selbst erkennt man den Anschnitt des Wachssystems.

Die Wachsform wird hier durch den Anschnitt des spteren Gussteilsgefllt. So wird die Oberflche des Gussstcks nicht durch das Entfernen der Wachsreste beschdigt. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Modelltraube montieren

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Hier sind die Modelle bereits auf das Giesystem montiert und fertig zum Tauchen in den Schlicker. (*)

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Dieses Bild zeigt das Eintauchen der Modelltraube in den Schlicker. Am linken Bildrand ist ein Rhrer im Bindergef zu erkennen. Damit sich die Feststoffe im Schlicker nicht absetzen knnen, wird der Schlickerstndig in Bewegung gehalten. Das gesamte Tauchbecken wird temperiert. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Feuerfestes Material aufbringen

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Dieses Bild zeigt den Aufbau der Formschale. Das linke Bild zeigt die Traube nach dem ersten Eintauchen in den Schlicker. Das rechte Foto zeigt die dicke Kruste, die durch den mehrmaligen Prozess aufgebaut worden ist. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Modellwachs ausschmelzen

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Hier zeigt das linke Bild die entwachsten Formen bei der Entnahme aus dem Damfpautoklaven. Das rechte Bild zeigt noch einmal die Formen, bevor sie im Keramikofen gebrannt werden. (*)

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Quelle: Avalon

7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Keramikform brennen

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Hier werden die ber 1000C heien Formen aus dem Ofen entnommen. (*)

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Quelle: Avalon

7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Gieen

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In die glhend heien Formen wird sofort gegossen. (*)

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7 Feingieen / Wachsausschmelzverfahren Beispiele fr Feingussteile

9Quellen: Buderus Guss, Brstlein Gusstechnik, Drrenberg Edelstahl

Dies sind einige der gegossenen Feingussteile. (*)

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8 Lost-foam-GieverfahrenVerfahrensschema

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Der Lost foam Gieverfahren ist ein spezielles Verfahren des Sandgusses bei dem das Modell nach der Formherstellung nicht entfernt wird, um dem Gusswerkstoff Platz zu machen. Das Modell sowie Angussstck und Speiser bestehen stattdessen aus (geschumtem) Polystyrol (EPS). Der EPS wird mit einer keramischen Schlichte berzogen und in bindemittelfreien Formsand eingebracht. Da in der Form selbst kein Hohlraum ist, muss der Formstoff nur vibriert, aber nicht eigentlich verdichtet werden. Beim Eingieen der Schmelze vergast nun durch die Hitze das Polystyrol. Der Gievorgang ist abgeschlossen, wenn das flssige Aluminium den EPS vollstndig verdrngt hat und erstarrt ist.

Dank moderner Klebetechnik knnen selbst geometrisch kompliziertesteFormstcke durch Hinterschnitte und Bohrungen mit einem einteiligen Modell realisiert werden. Auf diese Art und Weise knnen kleine, unterschiedliche Formstcke zu so genannten Trauben zusammengesetzt und gleichzeitig gegossen werden. Das Verfahren eignet sich gut zur Herstellung von Serien aber auch Prototypen. Die mechanischen Eigenschaften entsprechen in etwa denjenigen des Sandgusses. Es kann eine hohe Abbildungs- und Magenauigkeit erreicht werden bei Einsatz geeigneter Formsande und deren entsprechender Verarbeitung. Gleiches gilt fr die giebaren Mindestmae bei Wanddicken und Bohrungsgren.

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Quelle: Al-Taschenbuch

8 Lost-foam-GieverfahrenFormfllung

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Schmelze Schlichte

QuarzsandEPS- Material

Dieses Bild zeigt in einer Momentaufnahme die Vorgnge bei der Fllung einer Sandform. Von oben fliet die Schmelze in das EPS-Material und zersetzt das EPS- Material. Das expandierte Polystyrol wird durch die Wrmeenergie der Schmelze verflssigt, vergast und anschlieend pyrolysiert(verbrannt). Die Schmelze nimmt dann vollstndig den frei werdenden Hohlraum ein.

Das Modell wird vor dem Einformen mit einer keramischen Schlichte berzogen. Diese Schlichte ist mit der ersten Schlickerschicht beim Feingieen vergleichbar. Hier ist allerdings eine Porositt der Schlichteschicht erwnscht. Die beim Vergasen des Modells entstehenden Kohlenwasserstoffe sollen die Schlichte passieren knnen. Die Metallschmelze dagegen muss von der Schlichte aufgehalten werden. (*)

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8 Lost-foam-Gieverfahren Verlorenes Polystyrolschaumstoffmodell (EPS)

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Dieses Bild zeigt eine Modelltraube, die aus mehreren EPS-Modellscheiben zusammengeklebt worden ist. Der Kleber ist rot dargestellt. Durch das Zusammenkleben von Teilmodellen knnen auch Geometrien von hoher Komplexitt mit Hinterschneidungen dargestellt werden ohne das Sandkerne verwendet werden mssen..

Dieses Beispiel zeigt vereinfacht eine Gietraube mit zentralem Einguss und rechts und links einem Zylinderkopf. (Dies ist eine vereinfachte Darstellung fr die Gietraube der Zylinderkpfe von BMW- Sechszylinder- Motoren). Diese Modelltraube soll in ungebundenen rieselfhigen Sand eingeformt und abgegossen werden. (*)

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8 Lost-foam-GieverfahrenSchlichten der Modelltraube

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Zunchst wird die Gietraube in Schlichte getaucht und dabei langsam gedreht, damit die Schlichte alle Hinterschneidungen benetzen kann. Die Modelltraube wird zu diesem Zweck meist in einem Kfig gehalten um so dem starken Auftrieb zu begegnen. Diese keramische Schlichte muss wegen der unterschiedlichen Dichte seiner einzelnen Bestandteile permanent gerhrt und temperiert werden. Der Schlichteberzug ist 0,1 0, 3 mm dick.(*)

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8 Lost-foam-Gieverfahren Trocknen der Schlichte

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Nach dem Tauchen wird die geschlichtete Modelltraube mit getrockneter Luft von ca. 45 C getrocknet. Nach dem Trocknen wird die Gietraube in einen Formbehlter gestellt. (*)

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8 Lost-foam-GieverfahrenEinformen in binderfreien Sand

Dieses Bild zeigt die Gietraube im Formbehlter. Der lose rieselfhige Quarzsand wird von oben Sand sequenziell eingefllt. (*) In jeder Sequenz wird der ganze Formbehlter in eine horizontale oder vertikale Vibration versetzt. Durch diese Bewegung wird der Quarzsand fliefhig und dringt in alle Hohlrume der Modelltraube ein.

In der Praxis werden hohe Schttgutsulen schrittweise gefllt und verdichtet. Danach ist die Form fertig zum Gieen. (*)

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8 Lost-foam-Gieverfahren Gieen

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Die Form wird durch den zentralen Einguss gefllt. Durch die Wrmeenergie der Schmelze wird das EPS- Material zersetzt und die Schmelze steigt von unten nach oben in die Bauteilgeometrie bis der Hohlraum ( EPS- Modelltraube) komplett durch das Metall gefllt ist. Nach dem Erstarren wird der Formbehlter gekippt und der lose rieselfhige Sand und die Gusstraube flieen heraus.

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8 Lost-foam-GieverfahrenAusleeren

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Der Sand um die erstarrte Gusstraube ist rieselfhig. Hier ist nun der gekippte Zusatnd dargestellt. Die Gusstraube fliet mit dem Sand heraus und wird im Anschluss daran mit einem Manipulator in heies Wasser von 40 -80 C abgeschreckt und damit von Sandresten und anhaftender Schlichte gereinigt. Die Gussteile werden dann vom Kreislaufmetall getrennt und gehen in die weitere Bearbeitung. Der Sand enthlt nach dem Gieen die Pyrolyseprodukte des EPS und muss daher anteilig (ca. 10% der Sandmenge) recycelt werden.

Damit der Sand im Kreislauf gefhrt werden kann, kann es notwendig sein, die Anreicherung der Kohlenwasserstoffe im Formsand zu begrenzen. Der Sand wird dann durch eine Nachverbrennung der Kohlenwasserstoffe wieder aufbereitet. (*)

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8 Lost-foam-Gieverfahren Beispiele Modell

Quelle: Gustahl Lienen

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8 Lost-foam-GieverfahrenBeispiele Abguss

Quelle: Gustahl Lienen

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9 Vollformgieen fr Grobauteile in kaltharzgebundenen Sand

Fr die Herstellung von groen Formteilen mit Polystyrolmodellen ist die deutsche Bezeichnung Vollformgieen blich. Typische Bauteile, die nach diesem Gieverfahren hergestellt werden, sind die groen Formwerkzeuge fr die Blechverarbeitung in der Automobilindustrie.

Dieses Bild zeigt das Modell eines groen Umformwerkzeuges. Das Modell wurde aus einen EPS- Block herausbearbeitet oder aus einzelnen EPS- Platten erst zusammengeklebt und dann durch mechanisches Bearbeiten hergestellt. Diese Darstellung zeigt das Modell in der Gielage mit der Wirkflche nach unten. Je nach Anforderung au die bentigte Oberfflchenqualitt des Gueeteiles wird das Modell geschlichtet oder nicht, dann bernimmt der gebundene Formsand die Schlichtefunktion.. An das Bauteil werden Einguss- Anschnitt- und Speisersystem montiert. (*)Oben auf dem Gussstck sitzen die Speiser.

Bei diesen groen Gussstcken dauert die Erstarrung oft einige Stunden.Durch die Gielage mit der Wirkflche nach unten wird die Qualitt des Gussstcks nicht von Oxiden und Verunreinigungen in der Schmelze beeintrchtigt. Die Verunreinigungen sind leichter als die Schmelze und steigen in das Kreislaufmaterial auf. Das vollstndige Modell wird meist geschlichtet (*). Anschlieend wird das Modell in die Giegrube eingesetzt (*), und dort mit kaltharzgebundenem Sand eingeformt.(*)

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9 Vollformgieen fr Grobauteile in kaltharzgebundenen Sand

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Nach der Aushrtung der Form wird diese mit Schmelze gefllt . Auch hier wird das EPS- Material, es wird beim Aluminiumgieen verwendet oder dass EPMMA- Material, es wird beim Eisen und Stahlgieen verwendet, von der Wrmeenergie der Schmelze zersetzt.(*)

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9 Vollformgieen fr Grobauteile Beispiel

Quelle: Heger Guss Kreiselpumpe aus Ferrocast EN-GJS-400-15, Gewicht 8180 kg

Kreiselpumpe aus Ferrocast EN-GJS-400-15, Gewicht 8180 kg, Bild:HegerGuss

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9 Vollformgieen fr Grobauteile Beispiel

Quelle: Heger Guss

Stnder fr Zahnrad-stomaschine

EN-GJL-250 Gewicht 4000 kg

Stnder fr ZahnradstomaschineEN-GJL-250Gewicht 4000 kg

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10 DauerformverfahrenKokillengieverfahren

9

Quelle: Kurtz

Das bereits vor 5000 Jahren verwendetet Gieverfahren mit Dauerformen ist das Schwerkraftkokillengieen. Wie bei den bisher besprochenen Gieverfahren wird die Schmelze mit Hilfe der Schwerkraft in die Form gefllt.(*)

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10 KokillengieverfahrenBeispiel

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70 mmTeilungsebene

Teilungsgrat zweier

Stahlkerne

Speiser/ Einguss

Diese Folie zeigt ein einfaches Kokillengussteil, bei dem die Formfllung durch Schwerkraft erfolgte. Der T- Verbinder aus Aluminium wurde in einer metallischen Dauerform gegossen. Wie sieht nun die Form aus, in der dieses Bauteil gegossen worden ist?Am dnnen Rohrstck ist am Grat auf der Auenseite oben noch gut die vertikale Teilungsebene zu erkennen. Die Innenkontur dieses Bauteils wird ebenfalls durch die Stahlform dargestellt. Innen ist der horizontale Gussgrat zu erkennen, an dem ein oberer und ein unterer Kern aufeinander standen. Die Kerne sind metallische Dauerkerne und werden auch als Schieber bezeichnet.

Das dnne Rohr nach vorne wird durch einen dritten Schieber dargestellt.Die Gielage ist durch den Eingusstrichter eindeutig zu erkennen.Es handelt sich also um eine vertikal geteilte Form mit drei Schiebern.Bei geringen Anforderungen werden Kokillen aus Grauguss gefertigt. Bei hohen Anforderungen und groen Stckzahlen werden die Formen auch aus Warmarbeitsstahl gefertigt.Wie sieht nun der Gieprozess im Einzelnen aus?(*)

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10 SchwerkraftkokillengieverfahrenKokille geffnet

Schieber oben

Schieber unten

Feste Aufspannplatte

Feste Kokillenhlfte

Fhrungssulen

Gussteilausstoer

Bewegliche Aufspannplatte

Bewegliche Kokillenhlfte

Diese Folie zeigt die geffnete Kokillengiemaschine. Die vertikal geteilte Form ist in eine horizontal arbeitenden Giemaschine eingebaut. Hier ist nur der aktive Bereich der Maschine dargestellt. Links ist die bewegliche Formhlfte die auf die bewegliche Aufspannplatte aufgespannt ist. Die bewegliche Aufspannplatte ist auf den vier Fhrungssulen hdraulisch beweglich gelagert. Die Hydraulikkolben und das Maschinengestell sind in dieser Darstellung weggelassen worden. Rechts ist die feste Formhlfte an die feste Aufspannplatte angeflanscht. In der festen Aufspannplatte werden die Schieber gefhrt.

Durch die bewegliche Aufspannplatte wird noch ein Auswerferstift gefhrt, mit dem spter das Gussteil von der Form gelst wird.Die Maschine ist also fertig gerstet und kann nun zum Gieen geschlossen werden.(*)

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10 SchwerkraftkokillengieverfahrenKokille geschlossen

Hier ist die Maschine geschlossen und der Rohrverbinder kann nun gegossen werden. Fr ein solch kleines Teil wird die Schmelze von Hand mit dem Gielffel in die Form gefllt.(*)

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10 SchwerkraftkokillengieverfahrenFormfllung und Erstarrung

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10 SchwerkraftkokillengieverfahrenGussteilentnahme

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Nach der Erstarrung des Gussteils wird die bewegliche Formhlfte wieder zurckgefahren. Die Schieber fahren zurck und der Auswerferstift drckt das Teil aus der Form heraus.(*)

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10 NiederdruckkokillengieverfahrenProzessablauf

Kokille geffnet

Ofen drucklos

Dieses Bild zeigt eine Niederdruckgiemaschine im Schnitt. Im unteren Teil der Anlage befindet sich ein Warmhalteofen und im oberen Teil ist die geffnete Kokille zu sehen.Die obere Kokillenhlfte und die seitlichen Schieber sind beweglich gelagert und werden in der Regel hydraulisch bettigt.

Wenn, wie in diesem Fall, direkt aus dem Ofen gegossen wird, spricht man von einem Gieofen. Der Gieofen wird durch eine hier nicht dargestellte Einfllffnung mit Flssigmetall aus einem Schmelzofen versorgt.Nach dem Befllen wird der Gieofen gasdicht verschlossen.Der Ofen kann nun unter Druck gesetzt werden. Im Ofeninnern befindet sich ein Steigrohr, durch das die Schmelze nach oben in den Formhohlraum (= Kavitt ) gedrckt werden kann.Der Giezyklus beginnt mit dem Schlieen der Kokille. (*)

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Druckbeaufschlagung

0,2 0,5 bar

Kokille geschlossen

Nun wird der Ofen unter Druck gesetzt. Die Schmelze steigt im Steigrohr nach oben und fllt die Kavitt aus. (*) Das Giematerial wird dabei unten aus dem Ofen abgezogen. Das Bauteil bleibt frei von den an der Oberflche aufschwimmenden Verunreinigungen. Whrend der Erstarrung wird der Druck aufrecht erhalten. Das Steigrohr wird beheizt, damit die Schmelze dort nicht einfriert. Man hat also die Mglichkeit mit oben liegenden Speisern aufgrund der Schwerkraft und von unten mit dem Druck der Schmelzesule im Steigrohr zu speisen. Das hier gezeigte Alu- Rad wird in der Regel nur vom innen liegenden Anguss gespeist, da der Stern des Rades meist die dickste Bauteilpartie darstellt.

Wenn die Erstarrung des Bauteils abgeschlossen ist, fllt der Druck im Steigrohr ab und die Schmelzesule sinkt wieder in das Schmelzebad des Ofens ab. (*)Jetzt ist die Anlage wieder druckfrei und die Kokille kann geffnet werden. (*)

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Kokille geffnet,

Gussteil erstarrt

Ofen drucklos

Auswerfervorgefahren

Nun fhrt die Auswerferplatte nach oben und die Auswerferstifte heben das Bauteil aus der Kokille. Das Bauteil kann nun vom Maschinenbediener oder mit einem Roboter entnommen werden. (*)

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9

Gussteil wird entnommen

Damit ist der Prozess des Niederdruckgieens abgeschlossen.Vor dem nchsten Zyklus kann eine Schlichte aufgebracht werden.Die Formfllung beim Niederdruckgieen erfolgt langsam, in der Regel wird die Form ruhig steigend von unten gefllt. Dadurch wird die Verwendung von Sandkernen mglich. So knnen auch komplexere Teile als das hier gezeigte Alu- Rad durch Niederdruckgieen hergestellt werden. Aluminium-Zylinderkpfe werden z. B. im Kokillengie- verfahren gefertigt. Die komplexen Innenstrukturen, wie Wassermantel und lraum, werden dabei durch Sandkerne dargestellt.

Der Anteil des Kreislaufmaterials ist beim Niederdruckgieen besonders gering. Durch das Aufrechterhalten des Giedruckes zum Speisen knnen je nach Bauteilgeometrie Speiser eingespart werden.Das Kokillengieen hat allerdings einen Nachteil: Die Form wird relativ langsam gefllt. Dadurch wird die Maschine fr jeden Zyklus lange belegt und dnnste Wandstrken sind nicht darstellbar, da die Schmelze bereits vor vollendeter Formfllung erstarren wrde.Was liegt also nher, als die Giegeschwindigkeit zu erhhen?(*)

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10 NiederdruckkokillengieverfahrenAluminiumrad in der unteren Kokillenhlfte

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Quelle: bbs Fahrzeugtechnik AG

Dieses Bild zeigt eine solche Kokille mit dem Aluminiumrad, das gerade gegossen worden ist. Das Rad liegt auf der unteren Kokillenhlfte. Die obere Kokillenhlfte ist hochgefahren und auf dem Bild nicht sichtbar. Die Auenkontur der Felge wurde durch vier seitliche Schieber geformt. Die Schieber sind in dieser Position alle zurckgefahren, damit das Gussteil entnommen werden kann.Aber zum Niederdruckgieen wird auer der Kokille auch eine spezielle Niederdruckgiemaschine bentigt.(*)

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10 NiederdruckkokillengieverfahrenBeispiel Aluminiumrad

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RW-Rad bbs Fahrzeugtechnik AG; Quelle: schweiger-carparts.de

Borbet Binno B4 Quelle: www.cw-fahrzeugtechnik.de

Die weiteren Gieverfahren mit Dauerformen unterscheiden sich vor allem durch die Art der Formfllung.Die naheliegendste nderung ist es, die Schmelze nicht von oben in die Kokille zu gieen, sondern sie von unten in die Form zu drcken.Das so entstehende Gieverfahren heit Niederdruck-Kokillengieen.Durch dieses Verfahren lsst sich eine besonders ruhige, kontrollierte Formfllung erreichen.(*)Dieses Bild zeigt typische Niederdruck-Kokillengussteile.Die meisten Aluminiumrder fr PKW werden im Niederdruckgieverfahren produziert. Daher soll das Gieverfahren anhand dieses Bauteils erklrt werden.Zunchst bentigt man eine metallische Dauerform, die Kokille. (*)

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11 DauerformverfahrenDruckgieverfahren

Die hohe Giegeschwindigkeit wird ber einen hohen Giedruck realisiert. Das Verfahren, das hierdurch entsteht, heit Druckgieen. Das Druckgieen ist also auf den ersten Blick eng mit dem Kokillengieen verwandt.Daher sollen zunchst einige grundlegende Unterschiede der beiden Verfahren dargestellt werden.(*)

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11 DruckgieverfahrenKaltkammer - Warmkammer

Druckgieverfahren

Kaltkammer DG-Verfahren

Schmelze wird fr jeden Zyklus aus dem Dosierofen in die Giekammer eingefllt.

geeignet fr Al-, Mg- und Cu-Legierungen

Warmkammer DG-Verfahren

Schmelze befindet sich im an die Druckgiemaschine angeflanschten Warmhalteofen.

geeignet fr Mg-, Sn-, Zn-Legierungen (nicht aggressiv gegen Stahlwarmhaltetiegel)

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Die Druckgieverfahren werden unterteilt in Warmkammerverfahren und Kaltkammerverfahren. Diese Unterteilung bezieht sich nicht auf den Gieprozess selbst, sondern auf die Schmelzezufhrung.Bei Kaltkammermaschinen wird die Schmelze fr jeden Giezyklus von einem externen Ofen zugefhrt. Dies ist bei den hherschmelzenden Legierungen auf Al- und Mg- Basis notwendig. Diese Legierungen werden mit ca. 700C vergossen. Thermischer und chemischer Angriff dieser Legierungen wrden beim dauerhaften Kontakt mit der Giekammer zu starkem Verschlei fhren.

Bei Warmkammermaschinen ist die Schmelzezufhrung in die Maschine integriert.Allerdings knnen mit Warmkammermaschinen nur Legierungen mit geringerer Schmelzetemperatur gegossen werden.Dies sind vor allem Zinn- und Zinklegierungen. Zink hat eine Schmelztemperatur von 420C und Zinn eine von nur 232C, die Liquidustemperaturen der Gusslegierungen liegen noch etwas niedriger.Das Druckgieen soll zunchst an einer Kaltkammermaschine besprochen werden. (*)

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11 Druckgieverfahren, schematisch und Anlagenbeispiele Warmkammer- (links) und Kaltkammer-(rechts)

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11 Druckgieverfahren Zylinderkurbelgehuse aus Al-Druckguss

Rohteil

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Quelle: Mller-Weingarten

Dieses Bild zeigt ein Kurbelgehuse fr einen Fnfzylinder- PKW- Motor der Firma Volvo. Links ist das Rohteil und rechts das bearbeitete Fertigteil zu sehen.Am Rohteil hngt noch der Anguss. (*)

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11 Druckgieverfahren Grundaufbau einer Kaltkammerdruckgiemaschine

Hydraulik-zylinder

Kniehebelmechanik Werkzeug oderDruckgieform

Sulen

Druck-speicher

Auswerfer

Zuganker Einpress-aggregat

Giekammer

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bewegliche Aufspannplatte

feste Aufspannplatte

Hydraulikplatte

Giekolben

Hier ist der Grundaufbau einer horizontalen Druckgiemaschine dargestellt. In der Mitte der Maschine sind die beiden Formhlften, dunkel dargestellt.Die linke Formhlfte ist an der beweglichen Aufspannplatte angeflanscht. Die bewegliche Aufspannplatte ist auf vier waagerechten Sulen verschiebbar gelagert. Sie wird ber eine Kipphebelmechanik bewegt, die von einer Hydraulik angetrieben wird. DieHydraulikplatte ist ber die vier Sulen, auf denen die bewegliche Aufspannplatte luft, mit der rechten, der festen Aufspannplatte verbunden. Die Fhrungssulen der beweglichen Aufspannplatte sind also gleichzeitig die Zuganker, ber die sich die Schliehydraulik absttzt. Die feste Aufspannplatte und die feste Formhlfte haben im unteren Bereich einen Durchbruch,

durch den sie Schmelze in die Form gefhrt werden kann. In diesen Durchbruch ist die Giekammer eingesetzt. Die Giekammer kann von oben mit Schmelze befllt werden, von rechts kommt der Giekolben und auf der linken Seite ist sie zur Druckgieform hin offen.Der Giekolben wird beim Gieen ber eine vom Druckspeicher angetriebene Hydraulik bewegt.Diese Schieeinheit ist mit Zugankern an der festen Aufspannplatte angeflanscht.Oben auf der festen Aufspannplatte sitzt noch ein Sprhgert, das die Form zwischen den Gievorgngen reinigt.Zur Besprechung des Druckgie-zyklus soll nur der Arbeitsbereich der Maschine betrachtet werden. (*)

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11 Druckgieverfahren Arbeitsbereich einer Druckgiemaschine

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Arbeitsbereich fr Druckgieform und

Entnahme des Gussteiles

Hier ist nur noch der am Giezyklus aktiv beteiligte Bereich der Druckgiemaschine dunkel dargestellt. In der beweglichen Aufspannplatte, in schwarz dargestellt, befindet sich die Auswerferplatte mit den Auswerferstiften.(*)

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11 Druckgieverfahren Form geffnet

Hier ist der Arbeitsbereich nun vergrert dargestellt. Der Zyklus beginnt mit dem Schlieen der Form und dem Befllen der Giekammer mit Schmelze.(*)

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11 Druckgieverfahren Giekammer befllen

Nach dem Befllen der Giekammer steht die Schmelze vorne an der beweglichen Formhlfte und hinten am Giekolben an.Nun fhrt der Giekolben langsam vor, verschliet die Einfllffnung und schiebt die Schmelze bis zum Anschnitt. Man spricht hier von der ersten Fase. Dann folgt die Fllung der Form in zwei weiteren Fasen. Die zweite Fase istz die Formfllfase, die dritte die Vachverdichterfase.(*)

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11 Druckgieverfahren Formfllung 1., 2., 3. Phase und Erstarrung

Die Formfllung wird auch als Schuss bezeichnet. Innerhalb von 30- 50 Millisekunden wird die Form gefllt (2.Faase). bergangslos wird dann wird auf den zweiten Druckspeicher umgeschaltet und der Nachdruck aufgebracht (3.Fase). Unter diesem Druck erstarrt das Bauteil. Wenn die Erstarrung abgeschlossen ist, ffnet sich die bewegliche Formhlfte wobei der der Giekolben den Anguss mit nach vorn drckt. Dann fhrt er in seine Ausgangsstellung zurck.(*)

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11 Druckgieverfahren Form ffnen, Gussteil ausstoen und entnehmen

Das Bauteil hngt jetzt noch in der Form. Das Bauteil hngt immer in der Formhlfte, auf die es durch eine Festkrperschwindung nach dem Erstarren aufgeschrumpft ist. Bei dieser Anordnung ist das die Zylinderseite der Form mit den konkaven Geometrieelementen der Zylinderlaufbuchsen und des Wassermantels.Die Auswerferplatte fhrt vor und lst das Bauteil von der Form.In der Groserienanwendung wird das Druckgussteil von einem Entnahmeroboter aus der Form entnommen. Die Form hat nach dem Gieen eine stark erhhte Oberflchentemperatur.

Beim Druckgieen von Aluminium betrgt die Gietemperatur je nach Legierung knapp 700C und die Oberflchentemperaturen der Form liegen beim ffnen zwischen 400 und 500C.Auf Dauer wrde diese Temperaturbelastung zu erhhtem Verschlei an der Form fhren. Daher fhrt nun das Sprhgert in die geffnete Form ein.(*)

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11 Druckgieen Form sprhen und ausblasen

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Die Form wird hier in der Regel mit einer Wachs- Wasser- Emulsion gesprht. Das Wasser verdampft und khlt dabei die Form. Der Sprhkopf ist fr jede Form individuell. Die filigranen Teile der Form knnen so gezielt in kurzer Zeit gekhlt werden.Das Paraffin bleibt in der Form zurck und bildet einen Trennfilm zwischen der Form und dem nchsten Gussstck. Das Verdampfen dieser Khlemulsion gibt der Druckgieerei ihren charakteristischen Geruch nach Paraffin und eine hohe Luftfeuchtigkeit. Man zieht den entstehenden Dampf direkt an der geffneten Form mit einer Dampfhaube ab.

Damit ist der Zyklus beendet und die Druckgiemaschine steht fr den nchsten Zyklus bereit.Wie verluft nun die Formfllung im einzelnen? Um dieser Frage nachzugehen, wird im folgenden eine typische Schusskurve betrachtet.(*)

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137

11 Druckgieverfahren Schusskurve

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0

100

200

300

400

500

600

100 200 300 400 500 600 700 800Zeit [ms]

0

1

2

3

4

5

s

v

p

Weg (Giekolben) [mm] Kolbengeschwindigkeit [m/s]


Hier ist das Messprotokoll einer typischen Schusskurve zu sehen. s ist der vom Giekolben zurckgelegt Weg in mm.v ist die Geschwindigkeit des Giekolbens.p ist der anliegende Druck.Von 0 bis ca. 610 ms fhrt der Giekolben langsam vor, bis die verbleibende Giekammer ganz mit Schmelze ausgefllt ist und die Schmelze am Einguss ansteht.Dann wird der Schiedruck auf das System gegeben. Der Druck p steigt an und die Kolbengeschwindigkeit schnellt auf ber 4 m/s. Der Einbruch in den Kennlinien fr v und p resultiert aus der hohen Dynamik des Vorganges. Ideal ist natrlich s das Integral ber v.Nach etwa 40 ms ist bei 650 ms die Form gefllt.

Das Hydrauliksystem wird umgeschaltet auf den Nachdruck, der noch hher als der Schiedruck ist.Typische Werte fr groe Kaltkammer-Druckgiemaschinen sind Flldrcke von 600 bar und Nachdrcke von 900 bar.

Die Taktzeit einer solchen Druckgiemaschine liegt meist zwischen 30 und 100 Sekunden. Daraus folgt eine hohe Ausbringung an DruckgussteilenDie Druckgiemaschine ist daher oft das Zentrum einer Fertigungszelle, in der das Bauteil gleich weiter verarbeitet wird. (*)

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EinlegeteileDosierofen

Kreislaufmaterial

Gussteil

11 Druckgieverfahren Beispiel fr eine automatisierte Produktionsinsel

Vollstndigkeits-kontrolle

Presse

Tauchbecken

Markieren

9

Dieses Bild zeigt eine solche Produktionsinsel, wie sie fr Groserienteile blich ist.Der Arbeitszyklus der Druckgiezelle beginnt bei geffneter Druckgieform. Einlegeteile, die im Gusstck eingegossen werden sollen, werden von einem Roboter in die Druckgieform eingebracht. (*) Bei Zylinderkurbelgehusen aus Aluminium sind dies meist Ringe, Hlsen oder aber Laufbuchsen aus Eisenlegierungen. Nach dem Schlieen der Form wird die Giekammer mit Schmelze aus dem Dosierofen befllt und das Druckgussteil gegossen. (*)Ein zweiter Roboter entnimmt das Gussteil auf der anderen Seite der Maschine. Der Roboter hlt das Teil vor mehrere Lichtschranken. (*) So kann kontrolliert werden, ob filigrane Strukturen mit dem Teil entformt worden sind oder evtl. noch in der Form festhngen.

Zur Verkrzung der Taktzeiten werden die Teile so frh wie mglich aus der Form entnommen. Fr eine weitere Bearbeitung sind sie dadurch oft noch zu hei.Damit die Teile dennoch sofort weiter bearbeitet werden knnen, werden sie z. B. in ein Wasserbecken getaucht oder mit Wasser gezielt abgeduscht. (*)Sicherheitsteile in der Automobilindustrie erhalten oft noch eine individuelle Seriennummer. (*)Hier erfolgt die Markierung durch einen Laser, aber auch Strichcode- Aufkleber oder Stanzmarkierungen sind blich.In einer Stanzpresse werden schlielich das Angusssystem und weiteres Kreislaufmaterial abgetrennt. (*)In der Realitt beginnt sofort nach dem Entnehmen des Bauteils das Sprhen der Form und der nchste Giezyklus.(*)

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11 Druckgieverfahren Grundriss einer Druckgieerei

Werk-zeug-bau

Sozialrume

Versand

Ein-lege-teile

Gieerei evtl. Wrme-behandlungKugel-

strahlen BearbeitungSchmelzerei

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Dieses Bild zeigt beispielhaft die Maschinenanordnung in einer Druckgieerei mit 12 Maschinen.Das Aluminium wird flssig in Thermobehltern angeliefert und in die Warmhaltefen umgefllt. (Auf die Schmelzeversorgung wird im Kapitel Schmelzebereitstellung noch genauer eingegangen.)Bei zwei fen kann sichergestellt werden, dass immer mindestens einer der fen lieferfhig ist.Von den Warmhaltefen wird die Schmelze mit Gabelstaplern in Transportpfannen zu den Dosierfen an den Druckgusszellen verteilt. Von den Druckgiezellen wird das Kreislaufmaterial zurck zum Schmelzbetrieb gefahren und tritt wieder in den Schmelzekreislauf ein.

Die Gussteile werden je nach Legierung wrmebehandelt. Je nach Kundenanforderung werden die Teile z. B. mit Stahlkugeln gestrahlt. In der Automobilindustrie verlangen die Kunden heute einbaufertige Bauteile. Dann werden noch in der Gieerei die Funktionsflchen bearbeitet und die komplett bearbeiteten Teile direkt ans Band der Automobilhersteller geliefert.

Nach dieser theoretischen Besprechung des Druckgieens folgen nun Fotos aus der Praxis.(*)

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11 DruckgieverfahrenFoto einer Druckgiemaschine


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Kniehebelgelenk Fhrungssulen Einpressaggregat

Auswerfer

Absttzplatte

Bewegliche Aufspannplatte

Feste Aufspannplatte

Dieses Bild zeigt eine GDK 2000, Hersteller Mller- Weingarten, Esslingen.In der Mitte ist gut die Kniehebelmechanik zu erkennen und rechts daran befestigt die bewegliche Aufspannplatte. Die Fhrungen der beweglichen Aufspannplatte sind gleichzeitig die Zuganker, die die feste Aufspannplatte mit der Absttzplatte verbinden.An der beweglichen Aufspannplatte sind drei Auswerferstifte an der Auswerferplatte zu erkennen.

Im Werkzeugeinbauraum ist gerade keine Druckgieform eingebaut. Das Schieaggregat steht bei dieser Maschine auf einem eigenen Maschinenbett und ist nur durch Zuganker mit der festen Aufspannplatte verbunden.Oben auf dem Schieaggregat sitzen die Druckspeicher fr den Schuss und den Nachdruck.(*)

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11 DruckgieverfahrernFoto einer Druckgiezelle 1


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Dies ist der Blick auf eine Druckgiezelle.Es handelt sich um eine Maschine mit 4100 kN Schliekraft.Der Arbeitsbereich der Maschine ist unter der gelben Abdeckung gekapselt. So kann der beim Sprhen der etwa 400C heien Form mit dem Trennmittel entstehende Dampf gefasst und abgesaugt werden. Das Trennmittel ist meist eine wssrige Emulsion Verdnnungsverhltnis 1 : 100.Rechts vorne im Bild steht der Dosierofen, der gerade aus einer Transportpfanne befllt wird.

Der Entnahmeroboter legt die Teile zunchst in die Entgratpresse links im Bild. Unten aus der Presse wird das Kreislaufmaterial mit einem Frderband in den orangen Schrottbehlter gefrdert.Das fertige Gussteil legt der Roboter auf eine Rutsche. Von der Rutsche wird das Teil vom Maschinenbediener abgenommen und palettiert.(*)

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11 DruckgieverfahrenFoto einer Druckgiezelle 2

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Dies ist ein Blick in eine weitere Druckgiezelle.In der Maschine ist gerade kein Werkzeug eingebaut und die bewegliche Aufspannplatte ist ganz zurckgefahren. Der Entnahmeroboter hlt die Teile zunchst zur Vollstndigkeitskontrolle vor die Lichtschranken, die ber der Rutsche montiert sind.Dann werden die Teile im Wasserbecken abgeschreckt. ber die Rutsche gelangen die Teile danach aus der Roboterzelle in den Arbeitsbereich des Maschinenbedieners zur Sichtkontrolle oder direkt zur Weiterbearbeitung.

Nach dieser ausfhrlichen Darstellung des Druckgieens mit der Kaltkammermaschine soll die Warmkammermaschine nur noch kurz vorgestellt werden.

(*)

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11 Druckgieverfahren Warmkammermaschine

9

a) Bauteilb) bewegliche

Formhlftec) feste Formhlfted) Giezylindere) Druckkolbenf) Druckkammerg) Druckbehlterh) Tiegeli) Arbeitsofenj) Steigkanalk) Dse

Quelle: Spur

a b c k

d

e

f

gh

i

j

Dieses Bild zeigt den Schnitt durch eine Warmkammer-Druckgiessmaschine.Feste und bewegliche Aufspannplatte und die Formhlften sind analog der Kaltkammermaschine aufgebaut.Der Warmhalteofen ist direkt an die Maschine angeflanscht.Der Druckkolben fhrt nach unten und schliet die Druckkammer vom Schmelzebad ab. Dann drckt der Kolben die Schmelze durch den Steigkanal (Schwanenhals) und die beheizte Dse in die Druckgieform.Nach der Erstarrung fhrt der Kolben wieder in seine Ausgangslage zurck. Die Schmelze aus dem Warmhaltetiegel kann wieder in die Fllkammer laufen. Die Form wird geffnet und das Bauteil entnommen.

Die durch den Druckkolben aufgebrachte Kraft ist weit geringer als bei den Hydraulikaggregaten der groen Druckgiemaschinen. Im Warmkammerverfahren werden hauptschlich Kleinteile aus Zinn- und Zinklegierungen hergestellt. Typische Bauteile sind Modellauto- und Modelleisenbahnteile, aber auch Baubeschlge, Scharnierteile usw.Die Warmkammermaschinen sind daher recht kompakte Anlagen.(*)

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11 Druckgieverfahren Warmkammerdruckgiemaschine

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Quelle: www.frech.com

Dieses Bild zeigt eine moderne Warmkammermaschine. Rechts ist der Ofen. An der linken Seite des Ofens ragt der Giezylinder, in dem sich der Giekolben bewegt, nach oben. Die Form ist hinter der blauen Schiebetr verdeckt. Unter der Form befindet sich hier ein Rutschblech ber welches die Abgsse aus dem Maschinenbereich heraus rutschen knnen. Der Vorteil ist, dass die Schutztre geschlossen bleibt und die Taktzeit somit kurz gehalten werden kann.(*)

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11 DruckgieverfahrenAluminiumdruckgussteile

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Quelle: Honsel

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11 DruckgieverfahrenMagnesiumdruckgussteile

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11 DruckgieverfahrenZinkdruckgussteile

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Beispiel fr ein Zinkdruckgussteil fr den Maschinenbau. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Oberflchengte und minimale Wandstrken unter 1 mm aus.Die Formen halten im Zinkdruckguss mehrere hunderttausend Giezyklen (Schuss) aus.Die Taktzeiten der Maschinen sind kurz, die Maschinenverfgbarkeit hoch und dadurch auch die Ausbringung hoch.

Das Verfahren ist damit auch hervorragend fr die Produktion von Groserien und Massenartikeln geeignet.Die Grenzen des Verfahrens liegen in der Einschrnkung der Legierungswahl auf niedrig schmelzende Metalle.(*)

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Bohrungsdurchmesser 320 mm bis 640 mmWerkstoff: Gusseisen mit Lamellengrafit EN-GJL

Quelle: Jrgensen, Srup-Mlllmark

12 Schleudergieen Zylinderlaufbuchsen fr Grodieselmotoren

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Es gibt noch viele mgliche Variationen und Kombinationen der Gieverfahren.Hier soll hier nur noch ein Verfahren besprochen werden.Es ist das Schleudergieverfahren.Von diesem Gieverfahren sind verschiedenste Anordnungen mglich und eine wird hier herausgegriffen.Dieses Bild zeigt Zylinderlauf

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