WO2017009708A1 - VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES GIEβKERNS UND GIEβKERN - Google Patents

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES GIEβKERNS UND GIEβKERN Download PDF

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Sebastian TEWES
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Nemak SAB de CV
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing
  • each casting core consists of a molding material consisting of a binder and a foundry sand and optionally
  • molten metal is poured into the mold cavity enclosed by the respective casting mold. After or in the course of the solidification of the
  • a casting mold comprises several casting cores.
  • casting molds which are composed as a so-called “core package”, but they also shape the outer contour of the casting.
  • the casting cores are called molds, so-called
  • Core box halves a the casting core depicting mold cavity.
  • a molding material In this mold cavity with closed core box with pressure a molding material
  • Casting core in the core box is opened by moving at least one of the core box halves to remove the casting core.
  • the core box halves are combined in one
  • Molded materials used for the production of casting cores of the type in question are usually made of a molding base material, for example an inorganic,
  • inorganic or organic binders are used for this purpose.
  • inorganic binders the curing of the molding material takes place in the core box
  • Hot-box process while using organic binder, the cores are gassed in the mold with a reaction gas to cause by a chemical reaction of the binder with the reaction gas, the solidification (“cold box method”).
  • Binder systems based molding materials are available in the market in a variety of designs. It contains such Moldings, if necessary, additives to their
  • filigree shaped i. produce small diameter, elongated thin sections and equally finely formed branching cores whose dimensional stability is sufficient to be transported from the G confusekernher too to mold, to keep safe in the respective mold and also to absorb the loads occurring during casting of the melt.
  • filigree shaped i. produce small diameter, elongated thin sections and equally finely formed branching cores whose dimensional stability is sufficient to be transported from the G confusekernher too to mold, to keep safe in the respective mold and also to absorb the loads occurring during casting of the melt.
  • Kernkastens Ausformschrägen be provided to enable a reliable, non-destructive removal of the finished core from the core box.
  • the cores can have no undercuts that would hinder the demolding. Should still casting cores with such undercuts
  • the object has arisen to give a method that allows the production of complex shaped or optimized in terms of their quality cores in a simple manner.
  • the invention has this
  • a casting core which dissolves the above-mentioned object is characterized in that it is produced from a molding material which consists of a mixture of a binder and a foundry sand and optionally added additives, wherein the casting core is replaced by an external force
  • Such a casting core can be particularly by
  • existing casting core for the casting production of a casting comprises the following steps: a) molding of the casting core by introducing the molding material into a casting core mold;
  • the invention is based on the surprising finding, contrary to the previous estimates of the experts, that casting cores produced in a conventional manner can also be deformed at a suitable temperature if they already have their basic shape in a conventional manner
  • Deformation may be caused by bending, compression, tension, shear, torsional deformation, or any other deformation due to external forces applied to the respective core.
  • Molded cast cores subsequently obtained a shape that can not be produced with conventional core shooting machines, only with limited quality or only with great effort.
  • the invention thus provides a high degree of design freedom and complexity in casting development. This makes it possible to implement novel casting core designs in a technically simple way. In particular, the production of undercuts is possible by the inventive subsequent forming of the cores without the need for complex core boxes with loose parts are used.
  • the process according to the invention can also be used for the subsequent optimization of properties of the core cores obtained after core shooting. That's the way to go
  • the respectively suitable maximum deformation rate can be determined experimentally in a simple manner. By means of practical tests it could be shown here that even filigree casting cores can be reliably deformed in accordance with the invention if the rate of deformation is limited to a maximum of 2 mm / s, in practice
  • casting cores which have an elongated, filigree shape, can be safely bent, twisted, pulled or compressed.
  • Deformation occurs with deformation rates, which are in the areas mentioned in the previous paragraph.
  • the invention can be applied to any type of foundry cores made of molded materials of the type in question. This applies both to molding materials containing an inorganic binder and to
  • the optimum deformation temperature to which the cores are heated before the deformation according to the invention can also be determined by simple experiments.
  • Deformation temperatures which are in the range of 150-320 ° C, especially 180-300 ° C, are practical.
  • the upper limit of 300 ° C proves especially at
  • the deformation temperature should be maintained within the above range during the subsequent deformation, optimally a constant temperature level
  • a heated tool for example, a convection oven or a
  • Infrared lamp serve as a heat source. Also conceivable is a general or local heating of the casting core
  • the method according to the invention is also suitable for optimizing the shape of a casting core in the sense of a calibration.
  • the casting core after removal from the Core shooter heated in accordance with the invention and deformed by external force so that he
  • a first casting core can be produced, which has a recess.
  • a second casting core which has a projection, which is adapted to the shape of the recess of the first casting core.
  • the second casting core can now be joined to the first casting core such that the projection of the second casting core engages in the recess of the first casting core to form a joining zone. Subsequently
  • At least one of the casting cores passes through the working steps d) -f) and is thereby deformed in step e) such that in the region of the joining zone a dense positive-locking
  • Connection is formed, by which the two casting cores are interconnected. In this way, two or more cores can be connected through joints, the
  • Steps d) - f) passes through and is deformed in step e) by applying an external force such that material of the second casting core, which is arranged in the region of the recess of the first casting core, in the
  • the material is pressed into the recess of the other casting core, marks, paragraphs, surveys or the like may be present to facilitate the proper positioning of the casting cores together. If the recess of the first casting core is a passage opening, then it is also conceivable to pass the material of the second casting core as far as possible through the opening
  • the invention is based on a
  • Fig. 2 is a cuboid casting core before and after deformation in a lateral view, wherein the mold prior to deformation
  • 3a shows another rod-shaped casting core with a plurality of integrally formed thereon
  • the casting cores G1, G3 shown in FIGS. 1 and 3a-4b are examples of elongated,
  • Cylinder heads of this type are usually cast today from cast aluminum materials.
  • cylindrical G adaptern G2 is intended, for example, when casting a
  • Cylinder crankcase for an internal combustion engine to mold a cavity.
  • the casting cores G4, G5 shown in FIGS. 5a-5d represent casting cores which are joined together to form a casting core combination GK in order to form complex shapes of cavities or channels in a casting cast from an arbitrary molten metal melt
  • the casting cores Gl - G5 have each been produced in the so-called "PU cold-box process".
  • the binder used in the PU cold box process comprises two components, namely phenol-formaldehyde resin as the first component and isocyanate as the second component. Fumigation with a tertiary amine causes a polyaddition of these two components to form polyurethane.
  • the foundry sand in e suitable mixing unit, such as a vibratory mixer or Wing mixer, the phenol-formaldehyde resin and the isocyanate for two to five minutes, especially three minutes,
  • the added amount of the two components of the binder may vary depending on the application and foundry sand. Typically, they are based on the added amount of molding material between 0.4 and 1.2% per part. Particularly favorable has a ratio of 0.7% per part
  • the ready-mixed molding material has been shaped in a conventional core shooter to the casting cores Gl - G5.
  • the molding material with a shooting pressure of about
  • the curing process was carried out until the casting cores Gl - G5 had reached a strength of 150-300 N / cm 2 typical for PU cold box cores.
  • the target was an optimal value of 220 N / cm 2 .
  • the casting core G3 was dimensioned accordingly.
  • the respectively obtained casting cores Gl - G3 have now been heated in a convection oven at a heating rate of 5 ° C / s to a preheating temperature of 220 ° C.
  • the casting core Gl has been positioned with its end portions on two spaced apart blocks B1, B2 with rounded supports. Subsequently, a force was applied by a in
  • the load by the force K was quasi-static with a forming speed of 0.5 mm / s.
  • the initiated force K was 40 N.
  • the forming process was terminated after the desired deformation angle ß of about 20 - was reached 30 degrees.
  • the casting core G1 has been kept constant in a range around the deformation temperature of 220 ° C ⁇ 30 ° C.
  • the casting core G1 plastically deformed in this way has been cooled down to room temperature in still air. Subsequently, it could be used in the casting process like a conventionally shaped casting core.
  • the casting core G2 is like the casting core Gl in the
  • Kraftbeierschlagung KA has been deformed so that it has received the shape of an hourglass. There was a compression of the molding material, which had a positive effect on its dimensional stability and its surface texture. At the same time, the casting core has been calibrated so that its shape optimally met the geometric specifications.
  • the casting core G3 has also been heated to the deformation temperature in the manner described above for the casting core G1. Subsequently, the heated casting core 3 is clamped with its one end in a holder and acted upon at its other end as an external force with a force acting about its longitudinal axis L torque M. In this way, the casting core G3 could be twisted about its longitudinal axis L by an angle of 90 °.
  • the two casting cores G4, G5 are also in the
  • G thinkkerns G4 represents.
  • At least the casting core G5 is heated by a concentrated heating, for example in the hot
  • Air jet has been brought to a lying in the range of 180 - 300 ° C deformation temperature. Then, the casting core G5 has been acted upon by means of a suitable tool, not shown here, with an external force KX such that the material of the casting core G5 surrounding the recess A has been compressed. The material of the casting core G5 surrounding the recess A has been pressed against this projection against the projection V until the projection V is tightly enclosed by the material of the casting core G5 and a dense form-fitting connection is formed by which the casting core G4 is related in every degree of freedom on the casting core G5

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Abstract

Um auf einfache Weise die Herstellung auch komplex geformter oder hinsichtlich ihrer Beschaffenheit optimierter, für die gießtechnische Herstellung von Gussteilen vorgesehener Gießkerne (G1 - G5) zu ermöglichen, die aus einem Formstoff bestehen, der aus einem Binder und einem Formsand sowie optional zugegebenen Additiven gemischt ist, schlägt die Erfindung folgende Arbeitsschrittfolge vor: a) Formen des Gießkerns (G1 - G5) durch Einbringen des. Formstoffs in eine Gießkernform; b) Verfestigen des Formstoffs; c) Entnehmen des Gießkerns (G1 - G5) aus der Gießkernform; d) Erwärmen des Gießkerns (G1 - G5) auf eine Verformungstemperatur; e) Verformen des erwärmten Gießkerns (G1 - G5) durch Aufbringen einer Verformungskraft (Κ, ΚΑ, ΚΧ, Μ) auf den Gießkern (G1 - G5); f) Abkühlen des Gießkerns (G1 - G5)

Description

Verfahren zum Herstellen eines Gießkerns und Gießkern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines Gießkerns für die gießtechnische Herstellung eines Gussteils sowie einen Gießkern als solchen. Dabei
besteht der Gießkern jeweils aus einem Formstoff, der aus einem Binder und einem Formsand sowie optional
zugegebenen Additiven gemischt ist.
Gießkerne der hier in Rede stehenden Art werden
typischerweise für die gießtechnische Herstellung von
Gussteilen aus einer Metallschmelze verwendet. Sie werden als "verlorene Teile" bezeichnet, da sie zerstört werden, wenn das Gussteil aus der jeweiligen Gießform entformt wird.
Zur Herstellung eines Gussstücks wird Metallschmelze in den von der jeweiligen Gießform umschlossenen Formhohlraum abgegossen. Nach oder im Zuge der Erstarrung der
Metallschmelze zu dem Gussstück wird die Gießform von dem Gussstück getrennt.
Üblicherweise umfasst eine Gießform mehrere Gießkerne.
Diese bilden innerhalb des Gussteils Hohlräume, Kanäle und sonstige Ausnehmungen ab. Bei Gießformen, die als so genanntes "Kernpaket" zusammengesetzt sind, formen sie jedoch auch die Außenkontur des Gussteils ab. Die Gießkerne werden in Formwerkzeugen, so genannten
"Kernschießmaschinen" hergestellt, die einen in eine obere und eine untere Kernkastenhälfte geteilten Kernkasten umfassen. Der Kernkasten umgrenzt mit seinen
Kernkastenhälften einen den herzustellenden Gießkern abbildenden Formhohlraum. In diesen Formhohlraum wird bei geschlossenem Kernkasten mit Druck ein Formstoff
geschossen. Dieser Vorgang wird als "Kernschießen"
bezeichnet. Anschließend erfolgt das Aushärten des
Gießkerns im Kernkasten. Dann wird der Kernkasten durch eine Bewegung mindestens einer der Kernkastenhälften geöffnet, um den Gießkern zu entnehmen. Sofern ihre Größe dies zulässt, werden in der industriellen Massenfertigung in der Regel mehrere Gießkerne gleichzeitig in einem
Kernkasten abgeformt.
Für die Herstellung von Gießkernen der in Rede stehenden Art verwendete Formstoffe sind üblicherweise aus einem Formgrundstoff, beispielsweise einem anorganischen,
feuerfesten Formsand, und einem Binder gemischt. In der Praxis werden hierzu anorganische oder organische Binder eingesetzt. Bei der Verwendung anorganischer Binder erfolgt die Aushärtung des Formstoffs im Kernkasten durch
Wärmezufuhr und Feuchtigkeitsentzug ("Hot-Box-Verfahren"), wogegen bei Verwendung organischer Binder die Kerne im Formwerkzeug mit einem Reaktionsgas begast werden, um durch eine chemische Reaktion des Binders mit dem Reaktionsgas die Verfestigung zu bewirken ( "Cold-Box-Verfahren" ) .
Sowohl auf anorganischen als auch auf organischen
Bindersystemen beruhende Formstoffe sind im Markt in vielfältiger Ausführung erhältlich. Dabei enthalten solche Formstoffe erforderlichenfalls Additive, um ihre
Eigenschaften insbesondere im Hinblick auf Lagerfähigkeit, Fließverhalten etc. einzustellen.
Mit den bekannten, marktüblichen Formstoffen ist es
möglich, filigran geformte, d.h. geringe Durchmesser, langgestreckte dünne Abschnitte und ebenso fein geformte Verästelungen aufweisende Gießkerne herzustellen, deren Formstabilität ausreicht, um von der Gießkernherstellung zum Formenbau transportiert zu werden, in der jeweiligen Gießform sicher zu halten und auch die beim Abgießen der Schmelze auftretenden Belastungen aufzunehmen. Jedoch bringen es die Art ihrer Herstellung und des zu ihrer
Herstellung verwendeten Formstoffs mit sich, dass die
Gießkerne im hohen Maße spröde und dementsprechend
bruchempfindlich sind.
Die voranstehend beschriebene, in der industriellen
Massenfertigung übliche Vorgehensweise und auf dem Einsatz wiederverwendbarer Formen beruhende Art und Weise der
Herstellung bringt einige Beschränkungen bei der Formgebung der Gießkerne mit sich. So müssen im Formhohlraum des
Kernkastens Ausformschrägen vorgesehen sein, um eine betriebssichere, zerstörungsfreie Entnahme des fertigen Gießkerns aus dem Kernkasten zu ermöglichen. Bei Verwendung eines in der betrieblichen Praxis üblichen zweigeteilten Kernkastens können die Gießkerne keine Hinterschneidungen aufweisen, die das Entformen behindern würden. Sollen dennoch Gießkerne mit derartigen Hinterschneidungen
hergestellt werden, müssen mehrteilige
Kernkastenkonstruktionen verwendet werden, die einen hohen technischen Aufwand und einen entsprechend hohen
Investitionseinsatz erfordern.
Um bei der bekannten Gießkernfertigung Hinterschnitte abbilden zu können, werden so genannte "Losteile"
verwendet. Diese werden in den Kernkasten eingesetzt, dann mit Formstoff umschlossen und mit dem Gießkern aus dem Kernkasten entnommen. Aufgrund des durch die jeweils abzubildende Hinterschneidung bedingten Ineinandergreifens von Losteil und Formstoff des Gießkerns können die Losteile erst nach der Entnahme aus dem Gießkern gezogen werden.
Neben den mit ihrer Verwendung einhergehenden zusätzlichen Arbeitsgängen haben solche Losteile aus
produktionstechnischer Sicht in der Serienfertigung den Nachteil, dass sehr viele Losteile im Umlauf sein müssen, um einen ordnungsgemäßen, taktgerechten Arbeitsablauf zu gewährleisten .
Hinzukommt, dass selbst bei Verwendung von mehrteiligen Kernkästen die Freiheit bei der Formgebung der Gießkerne limitiert ist. So muss in jedem Fall sichergestellt sein, dass der Formstoff so in die Kernkastenkavität geschossen werden kann, dass er den Formhohlraum vollständig füllt und ausreichend verdichtet wird.
Mit der konventionellen Gießkernherstellung lassen sich daher bestimmte Kerngeometrien, wie beispielsweise nach Art einer Sanduhr, nach Art einer gewundenen Helixgeometrien oder vergleichbar komplex geformte Körper, gar nicht oder nur mit extremem Aufwand gefertigt werden. Trotz der prinzipiell hohen Gestaltungsfreiheit, die eine auf den Prinzipien des Urformens beruhende Kernherstellung bietet, kann daher nicht das volle Gestaltungspotenzial
ausgeschöpft werden, das beim Gießen mit verlorenen Kernen theoretisch möglich wäre.
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik hat sich die Aufgabe ergeben, ein Verfahren zu nennen, das auf einfache Weise die Herstellung auch komplex geformter oder hinsichtlich ihrer Beschaffenheit optimierter Gießkerne ermöglicht.
Ebenso sollte ein entsprechend gestalteter Gießkern geschaffen werden.
In Bezug auf das Verfahren hat die Erfindung diese
Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Herstellung von Gießkernen mindestens die in Anspruch 1 angegebenen
Arbeitsschritte durchlaufen werden.
Ein die voranstehend genannte Aufgabe erfindungsgemäß lösender Gießkern zeichnet sich dementsprechend dadurch aus, dass er aus einem Formstoff hergestellt ist, der aus einer Mischung aus einem Binder und einem Formsand sowie optional zugegebenen Additiven besteht, wobei der Gießkern durch eine durch äußere Krafteinwirkung
bewirkte Verformung in seine fertige Form gebracht ist. Ein solcher Gießkern lässt sich insbesondere durch
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen
erläutert . Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines aus einem Formstoff, der aus einem Binder und einem Formsand sowie optional zugegebenen Additiven gemischt ist,
bestehenden Gießkerns für die gießtechnische Herstellung eines Gussteils umfasst folgende Arbeitsschritte: a) Formen des Gießkerns durch Einbringen des Formstoffs in eine Gießkernform;
b) Verfestigen des Formstoffs;
c) Entnehmen des Gießkerns aus der Gießkernform;
d) Erwärmen des Gießkerns auf eine Verformungstemperatur;
e) Verformen des erwärmten Gießkerns durch Aufbringen einer Verformungskraft auf den Gießkern;
f) Abkühlen des Gießkerns.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden, den bisherigen Einschätzungen der Fachwelt entgegenstehenden Erkenntnis, dass sich in konventioneller Weise hergestellte Gießkerne bei einer geeigneten Temperatur auch noch verformen lassen, wenn sie bereits ihre Grundform in einer konventionellen
Kernschießmaschine erhalten haben. Die Verformung kann durch Biege-, Druck-, Zug-, Schub-, Torsionsverformung oder jede andere durch Aufbringen äußerer Kräfte bewirkte Verformung auf den jeweiligen Kern bewirkt werden. Durch die
erfindungsgemäße Verformung können aus handelsüblichen
Formstoffen hergestellte Gießkerne nachträglich eine Form erhalten, die mit konventionellen Kernschießmaschinen gar nicht, nur mit beschränkter Qualität oder nur mit besonders hohem Aufwand erzeugt werden können. Die Erfindung gewährt so ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit und Komplexität bei der Gussteilentwicklung. Damit können neuartige Gießkerndesigns technisch einfach umgesetzt werden. Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße nachträgliche Umformen der Kerne die Erzeugung von Hinterschnitten möglich, ohne dass dazu komplexe Kernkästen mit Losteilen zum Einsatz kommen müssen.
Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren zur nachträglichen Optimierung von Eigenschaften der nach dem Kernschießen erhaltenen Gießkerne eingesetzt werden. So lassen sich
Gießkerne in der erfindungsgemäßen Weise nachträglich
verdichten mit dem Erfolg, dass sie eine höhere
Formstabilität und verbesserte Oberflächenbeschaffenheit haben.
Abhängig von der Sprödigkeit, das der jeweilige Formstoff bei Erwärmung noch zeigt, und unter Berücksichtigung der
Grundform, die der jeweilige Gießkern nach dem Entnehmen aus der Kernschießmaschine hat, sollte die erfindungsgemäß vorgenommene Verformung mit einer langsamen
Verformungsgeschwindigkeit erfolgen. Die jeweils geeignete maximale Verformungsgeschwindigkeit kann auf einfache Weise experimentell ermittelt werden. Anhand von praktischen Tests konnte hier gezeigt werden, dass sich auch filigran geformte Gießkerne betriebssicher in erfindungsgemäßer Weise verformen lassen, wenn die Verformungsgeschwindigkeit auf höchstens 2 mm/s beschränkt ist, wobei in der Praxis
Verformungsgeschwindigkeiten von mindestens 0,01 mm/s die Regel sein sollten. Optimale Verformungsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 0,1 - 1,0 mm/s, insbesondere
0,3 - 0,7 mm/s. Bei Wahl dieser Verformungsgeschwindigkeiten lassen sich insbesondere Gießkerne, die eine langgestreckte, filigrane Form besitzen, sicher biegen, tordieren, ziehen oder stauchen.
Auch die bei der erfindungsgemäßen Verformung
aufzubringenden, von außen auf den jeweiligen Gießkern wirkenden Verformungskräfte können durch einfache Experimente ermittelt werden. Praktische Erprobungen haben hier gezeigt, dass sich mit Verformungskräften, die bei 8 mm betragenden Durchmesser einer im Querschnitt kreisrunden Proben im
Bereich von 5 - 100 N liegen bzw. spezifischen Festigkeiten der Gießkerne von 0,2 - 0,6 N/mm2 entsprechen, auch filigran geformte Gießkerne nachträglich in erfindungsgemäßer Weise verformen lassen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die
Verformung mit Verformungsgeschwindigkeiten erfolgt, die in den im voranstehenden Absatz genannten Bereichen liegen.
Verformungskräfte von 20 - 80 N (entsprechend spezifischen Festigkeiten von 0,1 - 0,4 N/mm2), insbesondere 30 - 70 N (entsprechend spezifischen Festigkeiten von 0,15 - 0,35
N/mm2), haben sich hier als besonders wirkungsvoll erwiesen.
Grundsätzlich lässt sich die Erfindung bei jeder Art von aus Formstoffen der hier in Rede stehenden Art hergestellten Gießkernen anwenden. Dies gilt sowohl für Formstoffe, die einen anorganischen Binder enthalten, als auch für
Formstoffe, die auf einem organischen Binder basieren.
Praktische Versuche haben hier ergeben, dass sich die
Erfindung besonders gut bei Gießkernen nutzen lässt, bei denen ein organischer Binder zum Einsatz kommt. Dabei wird davon ausgegangen, dass insbesondere derartige organische Binder in Folge der erfindungsgemäßen Erwärmung der Gießkerne nach Art eines Klebers wirken und so die Körner des Formstoffs, aus dem die Gießkerne geformt sind, miteinander verkleben .
Auch die jeweils optimale Verformungstemperatur, auf die die Gießkerne vor der erfindungsgemäßen Verformung erwärmt werden, kann durch einfache Experimente ermittelt werden.
Praktische Versuche haben hier ergeben, dass
Verformungstemperaturen, die im Bereich von 150 - 320 °C, insbesondere 180 - 300 °C, liegen, praxisgerecht sind. Die Obergrenze von 300 °C erweist sich insbesondere bei
Formstoffen mit organischen Bindern als wichtig, weil
andernfalls die Gefahr eines vorzeitigen Verfalls des Binders besteht .
Die Verformungstemperatur sollte während der nachträglichen Verformung im voranstehend genannten Bereich gehalten werden, wobei optimaler Weise ein konstantes Temperaturlevel
eingehalten wird.
Die Aufheizrate bei der Erwärmung der Gießkerne sollte
1 - 15 °C/s, insbesondere 4 - 8 °C/s, betragen.
Für die erfindungsgemäße Erwärmung können beispielsweise ein beheiztes Werkzeug, ein Umluftofen oder eine
Infrarotlampe als Wärmequelle dienen. Denkbar ist auch eine allgemeine oder lokale Erwärmung des Gießkerns
mittels eines konzentrierten heißen Luftstrahls oder
desgleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch, um im Sinne einer Kalibrierung die Form eines Gießkerns zu optimieren. Dazu wird der Gießkern nach der Entformung aus der Kernschießmaschine in erfindungsgemäßer Weise erwärmt und durch äußere Krafteinwirkung so verformt, dass er den
jeweiligen Vorgaben an seine Geometrie exakt entspricht.
Ebenso ist es denkbar, durch eine erfindungsgemäße Verformung zwei Kerne form- oder kraftschlüssig zu fügen, die
andernfalls miteinander verklebt werden müssten. Hierzu kann im Zuge der Ausführung der Arbeitsschritte a) - c) ein erster Gießkern erzeugt werden, der eine Ausnehmung aufweist.
Daneben wird ein zweiter Gießkern bereitgestellt, der einen Vorsprung aufweist, welcher an die Form der Ausnehmung des ersten Gießkerns angepasst ist. Der zweite Gießkern kann nun so mit dem ersten Gießkern gefügt werden, dass der Vorsprung des zweiten Gießkerns unter Ausbildung einer Fügezone in die Ausnehmung des ersten Gießkerns greift. Anschließend
durchläuft mindestens einer der Gießkerne die Arbeitsschritte d) - f) und wird dabei im Arbeitsschritt e) derart verformt, dass im Bereich der Fügezone eine dichte formschlüssige
Verbindung gebildet ist, durch die die beiden Gießkerne miteinander verbunden sind. Auf diese Art und Weise lassen sich zwei oder mehr Gießkerne durch Verbindungen, die
beispielsweise nach Art von Steck- oder Schnappverbindungen ausgebildet sind, miteinander verbinden.
Alternativ zur Bereitstellung eines Gießkerns mit einem an die Ausnehmung des anderen Gießkerns angepassten Vorsprung ist es auch möglich, einen ohne ausgeprägten Vorsprung ausgebildeten Gießkern an dem mit der Ausnehmung versehenen ersten Gießkern ordnungsgemäß zu positionieren und dann
Material des zweiten Gießkerns in die Öffnung des ersten Gießkerns zu drücken. Hierzu kann gemäß einer weiteren
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Ausführung der Arbeitsschritte a) - c) ein erster Gießkern mit einer Ausnehmung (A) erzeugt und ein zweiter Gießkern bereitgestellt werden, der dann am ersten Gießkern in einer vorbestimmten Lage positioniert wird, wobei nach dem
Positionieren mindestens der zweite Gießkern die
Arbeitsschritte d) - f) durchläuft und im Arbeitsschritt e) durch Aufbringen einer äußeren Kraft derart verformt wird, dass Material des zweiten Gießkerns, welches im Bereich der Ausnehmung des ersten Gießkerns angeordnet ist, in die
Ausnehmung des ersten Gießkerns eintritt und diese Ausnehmung füllt, so dass eine dichte formschlüssige Verbindung gebildet ist, durch die die beiden Gießkerne miteinander verbunden sind. Auf diesem Weg wird nach Art eines
Durchsetzfügeverfahrens eine form- oder kraftschlüssige
Verbindung zwischen den Gießkernen geschaffen. Dabei können selbstverständlich an dem Gießkern, dessen Material in die Ausnehmung des jeweils anderen Gießkerns gedrückt wird, Marken, Absätze, Erhebungen oder desgleichen vorhanden sein, um die ordnungsgemäße Positionierung der Gießkerne aneinander zu erleichtern. Handelt es sich bei der Ausnehmung des ersten Gießkerns um eine Durchgangsöffnung, so ist es auch denkbar, das Material des zweiten Gießkerns soweit durch die
Ausnehmung zu drücken, dass es auf der zum zweiten Gießkern gegenüberliegenden Seite sich verbreitert und eine feste Verbindung zwischen den Gießkernen nach Art einer
Nietverbindung geschaffen ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer
Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher
erläutert. Deren Figuren zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 einen stabförmigen Gießkern vor und nach einer Verformung in seitlicher Ansicht, wobei die Form vor der Verformung
gestrichelt und die Form nach der
Verformung durchgezogen dargestellt ist;
Fig. 2 einen quaderförmigen Gießkern vor und nach einer Verformung in seitlicher Ansicht, wobei die Form vor der Verformung
gestrichelt und die Form nach der
Verformung durchgezogen dargestellt ist;
Fig. 3a einen weiteren stabförmigen Gießkern mit einer Vielzahl von daran angeformten
Abzweigungen vor einer Verformung in seitlicher Ansicht; den Gießkern gemäß Fig. 3a in stirnseitiger Ansicht; den Gießkern gemäß Fig. 3 nach einer Verformung in seitlicher Ansicht; den Gießkern gemäß Fig. 4a in stirnseitiger Ansicht; zwei Gießkerne in den verschiedenen
Arbeitsschritten, die beim Verbinden dieser Gießkerne durchgeführt werden, jeweils in seitlicher, teilgeschnittener Ansicht . Die in den Figuren 1 und 3a - 4b dargestellten Gießkerne G1,G3 stehen beispielhaft für langgestreckte,
feingliedrige Gießkerne, die beispielsweise beim Gießen von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren filigran geformte Ölversorgungs- oder Kühlmittelkanäle abbilden. Zylinderköpfe dieser Art werden heute üblicherweise aus Aluminiumgusswerkstoffen gegossen .
Der in Fig. 2 dargestellte zylindrische Gießkern G2 ist dazu vorgesehen, beispielsweise beim Gießen eines
Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor eine Kavität abzuformen.
Die in den Figuren 5a - 5d dargestellten Gießkerne G4,G5 stehen für solche Gießkerne, die miteinander zu einer Gießkernkombination GK verbunden werden, um komplexe Formen von Hohlräumen oder Kanälen in einem aus einer beliebigen Metallschmelze gegossenen Gussteil
abzubilden.
Die Gießkerne Gl - G5 sind jeweils im so genannten "PU Cold-Box-Verfahren" hergestellt worden.
Der beim PU Cold Box Verfahren zum Einsatz kommende Binder umfasst zwei Komponenten, nämlich Phenol- Formaldehyd-Harz als erste Komponente und Isocyanat als zweite Komponente. Durch Begasung mit einem tertiären Amin wird eine Polyaddition dieser beiden Komponenten zu Polyurethan bewirkt.
Zur Herstellung des Formstoffs ist der Gießereisand in e geeigneten Mischaggregat, z.B. einem Schwingmischer oder Flügelmischer, dem Phenol-Formaldehyd-Harz und dem Isocyanat für zwei bis fünf Minuten, insbesondere drei Minuten,
vermischt. Die zugegebene Menge an den beiden Komponenten des Binders können je nach Anwendung und Gießereisand variieren. Typischerweise liegen sie bezogen auf die zugegebene Menge an Formstoff zwischen 0,4 und 1,2 % je Teil. Als besonders günstig hat sich ein Verhältnis von 0,7 % je Teil
herausgestellt .
Wenn hier von "Teilen" als Dosiermaß die Rede ist, so wird darunter verstanden, dass die Menge des jeweils in Teilen abgemessenen Bestandteils mithilfe eines für alle
Bestandteile gleichen Einheitsmaßes abgemessen wird und die erfindungsgemäß für die einzelnen Bestandteile jeweils vorgesehenen "Teile" das jeweilige. Vielfache dieses
Einheitsmaßes bezeichnen.
Der fertig gemischte Formstoff ist in einer konventionellen Kernschießmaschine zu den Gießkernen Gl - G5 geformt worden. Dabei ist der Formstoff mit einem Schießdruck von circa
2 - 6 bar, insbesondere 3 bar, in einen Kernkasten geschossen und dort verdichtet worden. Anschließend erfolgte die
Begasung der Gießkerne Gl - G5 im Kernkasten mit dem
gasförmigen Katalysator, dem tertiären Amin, um die
Aushärtung der Kerne zu bewirken. Der Aushärtungsvorgang wurde durchgeführt, bis die Gießkerne Gl - G5 eine für PU Cold-Box-Kerne typische Festigkeit von 150 - 300 N/cm2 erreicht hatten. Als Zielvorgabe galt hier ein als optimal angesehener Wert von 220 N/cm2.
Der so erzeugte stabförmige Gießkern Gl wies
beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt von 10 mm und eine Länge von 200 mm auf. Der Gießkern G3 war entsprechend dimensioniert.
Die jeweils erhaltenen Gießkerne Gl - G3 sind nun in einem Umluftofen mit einer Aufheizrate von 5 °C/s auf eine Vorwärmtemperatur von 220 °C durcherwärmt worden.
Die so erwärmten Gießkerne Gl - G3 sind anschließend verformt worden.
Der Gießkern Gl ist dazu mit seinen Endabschnitten auf zwei beabstandet zueinander angeordnete Böcke B1,B2 mit abgerundeten Auflagen positioniert worden. Anschließend erfolgte eine Kraftbeaufschlagung durch eine in
Schwerkraftrichtung wirkende Kraft K. Diese äußere Kraft K ist mittels eines hier im Einzelnen nicht
dargestellten Stempels aufgebracht worden, der mittig zur Längserstreckung des Gießkerns Gl ausgerichtet ist und an seiner mit dem Gießkern Gl in Kontakt kommenden Stirnfläche abgerundet ist, um Druckbelastungsspitzen des Gießkerns Gl bei der Verformung zu vermeiden. Die Belastung durch die Kraft K erfolgte quasi-statisch mit einer Umformgeschwindigkeit von 0,5 mm/s. Die dabei eingeleitete Kraft K betrug 40 N.
Der Umformprozess wurde beendet, nachdem der angestrebte Verformungswinkel ß von ca. 20 - 30 Grad erreicht war. Während des Verformungsvorgangs ist der Gießkern Gl konstant in einem Bereich um die Verformungstemperatur von 220 °C ± 30 °C gehalten worden. Der auf diese Weise plastisch verformte Gießkern Gl ist an ruhender Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt worden. Anschließend konnte er wie ein konventionell geformter Gießkern im Gießprozess verwendet werden.
Der Gießkern G2 ist wie der Gießkern Gl in der
voranstehend beschriebenen Weise erwärmt und
anschließend mit Hilfe eines stempelartigen, hier ebenfalls nicht gezeigten Werkzeugs durch äußere
Kraftbeaufschlagung KA so verformt worden, dass er die Form einer Sanduhr erhalten hat. Dabei kam es zu einer Verdichtung des Formstoffs, die sich positiv auf seine Formstabilität und seine Oberflächenbeschaffenheit auswirkte. Gleichzeitig ist der Gießkern kalibriert worden, so dass seine Form optimal den geometrischen Vorgaben entsprach.
Der Gießkern G3 ist ebenso in der oben für den Gießkern Gl beschriebenen Weise auf die Verformungstemperatur erwärmt worden. Anschließend ist der erwärmte Gießkern 3 mit seinem einen Ende in eine Halterung eingespannt und an seinem anderen Ende als äußere Kraft mit einem um seine Längsachse L wirkenden Drehmoment M beaufschlagt worden. Auf diese Weise konnte der Gießkern G3 um seine Längsachse L um einen Winkel von 90° tordiert werden.
Die beiden Gießkerne G4,G5 sind ebenfalls in der
voranstehend für die Gießkerne Gl - G3 beschriebenen Art erzeugt worden. Dabei wies der Gießkern G4 an seiner einen Stirnseite einen Vorsprung V auf, wogegen in die zugeordnete Stirnseite des Gießkerns G5 eine Ausnehmung A eingeformt worden ist, deren Form mit einem gewissen Übermaß ein Negativ der Form des Vorsprungs V des
Gießkerns G4 darstellt.
Dementsprechend konnte der Gießkern G4 mit seinem
Vorsprung V in die Ausnehmung A des Gießkerns G5
eingeführt werden, so dass die Gießkerne G4,G5 im
Bereich einer durch die Ausnehmung A umgrenzten Fügezone F gefügt waren.
Anschließend ist mindestens der Gießkern G5 durch eine konzentrierte Erwärmung beispielsweise im heißen
Luftstrahl auf eine im Bereich vom 180 - 300 °C liegende Verformungstemperatur gebracht worden. Dann ist der Gießkern G5 mit Hilfe eines geeigneten, hier nicht gezeigten Werkzeugs mit einer äußeren Kraft KX so beaufschlagt worden, dass das die Ausnehmung A umgebende Material des Gießkerns G5 zusammengepresst worden ist. Das die Ausnehmung A umgebende Material des Gießkerns G5 ist auf diese Wese gegen den Vorsprung V gedrückt worden, bis der Vorsprung V vom Material des Gießkerns G5 dicht umschlossen ist und eine dichte formschlüssige Verbindung gebildet ist, durch die der Gießkern G4 in jedem Freiheitsgrad in Bezug auf den Gießkern G5
unlösbar festgelegt und die Gießkernkombination GK gebildet ist.
BEZUGSZEICHEN ß Verformungswinkel
A Ausnehmung des Gießkerns G5
B1,B2 Böcke
F Fügezone
Gl - G5 Gießkerne
GK Gießkernkombination
Κ,ΚΑ,ΚΧ äußere Kräfte
L Längsachse des Gießkerns G3
Drehmoment
V Vorsprung des Gießkerns 4

Claims

P AT E N T AN S P RÜ C H E
Verfahren zum Herstellen eines Gießkerns (Gl - G5) für die gießtechnische Herstellung eines Gussteils, wobei der Gießkern (Gl - G5) aus einem Formstoff besteht, der aus einem Binder und einem Formsand sowie optional zugegebenen Additiven gemischt ist, umfassend folgende Arbeitsschritte :
a) Formen des Gießkerns (Gl - G5) durch Einbringen des Formstoffs in eine Gießkernform;
b) Verfestigen des Formstoffs;
c) Entnehmen des Gießkerns (Gl - G5) aus der
Gie kernform;
d) Erwärmen des Gießkerns (Gl - G5) auf eine
Verformungstemperatur;
e) Verformen des erwärmten Gießkerns (Gl - G5) durch
Aufbringen einer Verformungskraft (Κ,ΚΑ,ΚΧ,Μ) auf den Gießkern (Gl - G5) ;
f) Abkühlen des Gießkerns (Gl - G5) .
Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die
Verformungskraft (Κ,ΚΑ,ΚΧ,Μ) eine Biege-, Druck-, Zug-, Schub- oder Torsionsverformung des Gießkerns (Gl - G5) bewirkt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Verformung mit einer Verformungsgeschwindigkeit von höchstens 2 mm/s durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Verformungskraft 5 - 100 N beträgt.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gießkern (Gl - G5) im Arbeitsschritt b) vollständig ausgehärtet wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Binder des Formstoffs ein organischer Binder ist.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Verformungstemperatur 180 - 300 °C beträgt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Aufheizrate bei der Erwärmung der Gießkerne auf die Verformungstemperatur 1 - 15 °C/s beträgt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s durch Ausführung der Arbeitsschritte a) - c) ein erster Gießkern (G5) mit einer Ausnehmung (A) erzeugt wird, d a s s ein zweiter Gießkern (G4) bereitgestellt wird, der einen Vorsprung (V) aufweist, welcher an die Form der Ausnehmung (A) des ersten Gießkern (G4) angepasst ist, d a s s der zweite Gießkern (G5) so mit dem ersten Gießkern (G4) gefügt wird, dass der Vorsprung (V) des zweiten Gießkerns (G5) unter Ausbildung einer
Fügezone (F) in die Ausnehmung (A) des ersten Gießkerns (G5) greift, und d a s s anschließend mindestens einer der Gießkerne (G4,G5) die Arbeitsschritte d) - f) durchläuft und im Arbeitsschritt e) derart verformt wird, dass im Bereich der Fügezone (F) eine dichte formschlüssige Verbindung gebildet ist, durch die die beiden Gießkerne (G4,G5) miteinander verbunden sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s durch Ausführung der Arbeitsschritte a) - c) ein erster Gießkern mit einer Ausnehmung (A) erzeugt wird, d a s s ein zweiter Gießkern bereitgestellt und dieser Gießkern an dem ersten Gießkern in einer vorbestimmten Lage
positioniert wird, d a s s mindestens der zweite
Gießkern die Arbeitsschritte d) - f) durchläuft und im Arbeitsschritt e) durch Aufbringen einer äußeren Kraft derart verformt wird, dass Material des zweiten
Gießkerns, welches im Bereich der Ausnehmung des ersten Gießkerns angeordnet ist, in die Ausnehmung des ersten Gießkerns eintritt und diese Ausnehmung füllt, so dass eine dichte formschlüssige Verbindung gebildet ist, durch die die beiden Gießkerne miteinander verbunden sind .
11. Gießkern, der aus einem Formstoff hergestellt ist, der aus einer Mischung aus einem Binder und einem Formsand sowie optional zugegebenen Additiven besteht,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gießkern (Gl - G5) durch eine durch äußere
Krafteinwirkung (Κ,ΚΑ,ΚΧ,Μ) bewirkte Verformung in seine fertige Form gebracht ist.
12. Gießkern nach Anspruch 11, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s er durch
Anwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 11
ausgestalteten Verfahrens hergestellt ist.
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