DE2927239A1

DE2927239A1 - Kokillengussmaschine zur herstellung waermebestaendiger laeufer

Info

Publication number: DE2927239A1
Application number: DE19792927239
Authority: DE
Inventors: Mikiya Komatsu; Syunsuke Suzuki; Syuichi Takashima
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-07-06
Filing date: 1979-07-05
Publication date: 1980-01-24
Also published as: DE2927239C2; GB2029740A; JPS558365A; JPS58947B2; GB2029740B; US4284124A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kokillengußmaschine zur Herstellung wärmebeständiger Läufer.

Wärmebeständige Läufer, wie etwa der Abgasturbinenläufer für eine Aufladeeinrichtung, die in Zusammenwirkung mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird, umfaßt, wie dies in Fig. 13A und 13B gezeigt ist, eine Nabe m und eine Anzahl von Schaufeln n, die radial von der Nabe abstehen, wobei jede Schaufel stark gekrümmte Flächen aufweist. Bisher wurden derartige Läufer hauptsächlich durch das Wachsausschmelzverfahren hergestellt, welches verhältnismäßig komplizierte Gußformen erfordert. Da derartige Gußformen nicht einfach und ohne beträchtlichen Zeitaufwand hergestellt werden, konnten die Kosten des Erzeugnisses kaum gesenkt werden. Dementsprechend wurde die Anwendung eines Gußverfahrens mit Metallform oder des Kokillengußverfahrens als überlegen angesehen. Der Turbinenläufer hat im allgemeinen heißen Abgasen zu widerstehen, deren Temperatur 800⁰C erreicht. Deshalb besteht der Läufer normalerweise aus Metallen auf der Grundlage von Nickel, Kobalt oder Eisen, welche eine hohe Schmelztemperatur von beispielsweise etwa 1400⁰C aufweisen. Da die Metallform geschmolzenem Metall mit einer derartig hohen Temperatur ausgesetzt ist, kann niemals eine lange Lebensdauer der Form erwartet werden. Eine Kokillengußmaschine trifft ferner auf Probleme, die im Zusammenhang mit der Kompliziertheit der Formgebung der Kokille, der Anordnung der Antriebseinrichtungen zum öffnen oder Schließen der Kokille sowie der Zusammenwirkung von Kokille und Einguß- bzw. Einspritzeinrichtung zusammenhängen. Diese Probleme machen es schwierig, gewerblich verwendbare Kokillengußmaschinen für derartig spezielle Zwecke zu erstellen.

Turbinenläufer oder andere mechanische Bestandteile, deren Drehzahl hoch ist, sollten bezüglich der Drehachse nicht nur in der Form, sondern ebenso auch in der strukturellen Textur des Materials symmetrisch sein. Zu diesem Zweck wird geschmolzenes Metall zum Zeitpunkt des Gusses in den Formhohlraum rasch und

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symmetrisch bezüglich der Drehachse eingebracht, und nach der Fertigstellung des Gußvorganges wird das geschmolzene Material veranlaßt, sich gleichförmig und bezüglich der Achse symmetrisch zu verfestigen. Sonst werden Lunker im Produkt erzeugt, und die Verteilung der strukturellen Textur, das heißt des spezifischen Gewichts und der Festigkeit, wird bezüglich der Drehachse asymmetrisch. Mit diesen Fehlern können keine Produkte erreicht werden, die in der Lage sind, einer hohen Drehzahl zu widerstehen.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen; dort ist eine bekannte Kokillengußmaschine zur Herstellung von Läufern durch Kokillenguß von Aluminium oder gewöhnlichem Stahl gezeigt, welche eine Kokillenanordnung umfaßt, die eine stationäre Form a und eine bewegliche Form b umfaßt, sowie eine Einspritzanordnung, die einen Einguß c umfaßt, der sich von einer Kammer e mit einer öffnung d aus erstreckt, sowie einen Kolben f zum Einspritzen des geschmolzenen Metalls im Inneren der Kammer e durch den Einguß c in den Hohlraum h, der von den Formen a und b gebildet ist, wobei der Einspritzvorgang bezüglich der Achse der Formen oder des Produkts asymmetrisch bewirkt wird. Bei dieser Maschine treten die folgenden Probleme auf: Da der Abstand zwischen der öffnung d und dem Hohlraum h verhältnismäßig lang ist, neigt als erstes die Temperatur des geschmolzenen Materials dazu,abgegeben und verringert zu werden, während das Material durch den Einguß fließt. Um seine Temperatur ohne wesentliche Abnahme aufrechtzuerhalten, sollte geschmolzenes Metall der Gesenkanordnung mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit zugeführt werden, unter einer derartigen Strömungsbedingung würde allerdings als zweites die Strömung des geschmolzenen Metalls turbulent, wodurch die Formen vorzeitig beschädigt wurden. Schließlich sollte zum Kokillengießen mit Metallen, deren Schmelztemperatur beispielsweise 1400⁰C erreicht, die Temperatur des geschmolzenen Materials so hoch wie 1500⁰G sein. Im Gegensatz hierzu sollte, selbst wenn die Formen aus Wolframoder Molybdän-Legierungen bestehen, die Form angesichts ihrer Lebensdauer nicht höher als auf 300⁰C erhitzt werden. Somit

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erreicht der Temperaturunterschied zwischen Form und geschmolzenem Metall eine Höhe von 1200⁰C, wobei das Metall nicht gleichförmig gekühlt und verfestigt wird, und die strukturelle Textur nicht gleichförmig sein wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Kokillengußmaschine vorzusehen, welche in der Lage ist, wärmebeständige Legierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisengrundlage wirksam zu vergießen, um Läufer mit hoher Genauigkeit und Qualität zu erzeugen.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kokillengußmaschine vorzusehen, welche eine hinlängliche Lebensdauer hat und zur Herstellung derartiger wärmebeständiger Läufer geeignet ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kokillengußmaschine zur Herstellung wärmebeständiger Läufer vorgesehen, wobei diese eine Formanordnung und eine Einspritzanordnung umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Formanordnung mit mehreren Formsegmenten versehen ist, welche im wesentlichen in radialer Richtung bezüglich der Formachse zwischen einer inneren geschlossenen Lage und einer äußeren offenen Lage verlagerbar sind, sowie eine Einrichtung, um derartige Verlagerungen der Formsegmente zu verursachen, wobei die Formsegmente in ihrer inneren geschlossenen Lage einen Hohlraum bilden, der den Läufern entspricht, sowie einen Einguß, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht; daß die Einspritzanordnung unterhalb der Formanordnung angeordnet ist und mit einer Einspritzhülse, die koaxial zur Achse der Formsegmente angeordnet ist, einem Kolben, der hin- und herbeweglich innerhalb der Hülse angeordnet ist, und einer Einrichtung versehen ist, um den Kolben anzutreiben; und daß ferner eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Formanordnung in ihrer axialen Lage zwischen einer obersten Lage, in welcher die Formanordnung einen Abstand zur Einspritzanordnung aufweist, welcher es gestattet, das geschmolzene Metall in die Hülse einzugießen, und einer untersten Lage zu

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verlagern, in welcher der Einguß/ der von den Formsegmenten gebildet ist, in Verbindung mit dem Innenraum der Hülse gebracht ist.

Der Gegenstand der Erfindung ist anhand der beigefügten," schematischen Zeichnungen beispielsweise noch näher erläutert.

Fig. 1 ist die Ansicht eines Schnitts, der eine herkömmliche Kokillengußmaschine zeigt, wie sie oben erwähnt wurde;

Fig. 2 bis 6 sind teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansichten einer Kokillengußmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei aufeinanderfolgende Betriebsstellungen dieser Maschine gezeigt sind;

Fig. 7 ist die Ansicht eines Schnitts, der längs der Linie VII-VII in Fig. 2 vorgenommen wurde;

Fig. 8A und 8B ist die Ansicht eines Schnitts bzw. einer teilweise angebrochenen Bodenansicht der Formanordnung,

Fig. 9A und 9B sind eine Perspektivansicht bzw. eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines zurückfahrbaren Formsegments;

Fig. 9C ist eine schematische Ansicht eines Läufers, der dem Segment entspricht, das in Fig. 9A und 9B gezeigt ist;

Fig. 1OA und 10B sind jeweils Perspektivansichten von Abänderungen des Formsegments;

Fig. 10C und 10D sind schematische Ansichten von Läufern, die den in Fig.10A bzw.10B gezeigten Segmenten entsprechen;

Fig. 11A, ,1.1B"und- 11C ist die Ansicht eines Schnitts bzw. die Bodenansicht der Antriebseinrichtung für die Formsegmente bzw. die erläuternde Ansicht des Antriebsmechanismus¹ ;

Fig. 12 ist eine Bodenansicht einer abgewandelten Antriebseinrichtung; und

Fig. 13A und 13B ist eine Perspektivansicht bzw. die Ansicht eines Längsschnitts des oben erwähnten wärmebeständigen Läufers.

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Es folgt nun die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Fig. 2 bis 6 zeigt aufeinanderfolgende Betriebsstellungen der Kokillengußmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Maschine umfaßt eine obere Formanordnung 1, welche dazu eingerichtet ist, vertikal bezüglich einer Einspritzanordnung 8 verlagert zu werden, welche unterhalb der Anordnung 1 angeordnet ist, um den Kokillenguß durchzuführen. Eine derartige vertikale Verlagerung der Formanordnung 1 findet dadurch statt, daß man einen hydraulischen Zylinder 2A betätigt, der mit einem Hebelgetriebe bzw. Gestänge 4 verbunden ist, dessen Ramm- bzw. Hubeinrichtung 4a mittels vertikaler Führungsteile geführt wird, die für ein Paar Säulen 3 vorgesehen sind. Genauer gesagt, und wie in Fig. 7 gezeigt, trägt die Rammeinrichtung 4a an ihren gegenüberliegenden Enden nahe den Säulen 3 Wellen 4b, welche Rollen 4c drehbar abstützen. Jede der Rollen 4c ist verschieblich innerhalb eines Vertikalschlitzes aufgenommen, der in einer Führungsschiene 3a ausgebildet ist, die an der Innenseite der Säule 3 befestigt ist. Auf diese Weise wird die Formanordnung 1 veranlaßt, sich vertikal längs der Führungsteile 3a zu verlagern, die für die Säulen 3 vorgesehen sind, und zwar durch ihre Antriebseinrichtung oder den Zylinder 2A und das Hebelgestänge In den Zeichnungen bezeichnet 5 einen Einguß, 13 zurückfahrbare Formteile, die jeweils einen einen Hohlraum bildenden Abschnitt 10, einen den Einguß bildenden Abschnitt 11 und einen Halter für diese Abschnitte umfassen, k einen Hohlraum, der gebildet ist, wenn die Formsegmente 13 geschlossen sind, und der eine dreidimensionale Form aufweist, die identisch ist mit der des Enderzeugnisses, und 1 eine zentrale Achse der Formanordnung 1.

Die Einspritzanordnung 8, welche unterhalb der Formanordnung 1 angeordnet ist, wie dies oben festgestellt wurde, umfaßt eine sich vertikal erstreckende Einspritzhülse 6, die ein offenes oberes Ende 6a aufweist, sowie einen Kolben I₁ der verschieblich innerhalb der Hülse 6 angebracht ist und mittels eines hydraulischen Zylinders 2B veranlaßt wird, sich in der Hülse 6 hin- und herzubewegen. Die Anordnung 8 ist an einem Bett 9 be-

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festigt, das einen Sockelaufbau der Kokillengußmaschine bildet, wobei die Mittelachse Ip des Stößels 7 im wesentlichen mit der Achse 1 der Formanordnung 1 zusammenfällt. Es muß darauf hingewiesen werden, daß, weil die Rammeinrichtung 4a in ihre unterste Lage, die in Fig. 3 gezeigt ist, durch Betätigung des Hebelgestänges 4 bewegt wird, die unteren Endflächen 11a und die den Einguß bildenden Abschnitte 11 dicht gegen die obere Endfläche 6b der Hülse 6 angedrückt werden, und daß dann die Einspritzkammer 26 innerhalb der Hülse 6 und der Hohlraum k der Form miteinander in Verbindung stehen.

Der Aufbau der Maschine gemäß des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird getrennt nachfolgend noch näher im einzelnen beschrieben: ·

Formsegmente:

Es wird insbesondere auf die Figuren 8A und 8B Bezug genommen; die Anordnung 1 legt einen Hohlraum k in ihrem Inneren fest, dessen Form und Größe jeweils identisch mit dem des wärmebeständigen Läufers ρ sind, der durch ausgezogene Linien in Fig. gezeigt ist. Die Mittelachse 1 der Anordnung 1 entspricht der Drehachse I₁ des Enderzeugnisses p. Die Anordnung 1 umfaßt mehrere zurückfahrbare Formsegmente 13, deren Anzahl identisch ist mit der Anzahl der Schaufeln des Enderzeugnisses.

Für jedes der zurückfahrbaren Segmente 13 sind sowohl ein Abschnitt 10, der zum Bilden des Hohlraums k dient, und der Oberflächen entsprechend der Nabe m und der Schaufel η aufweist, wie auch der Abschnitt 11 sum Bilden des Eingusses 5, der mit dem Hohlraum k in Verbindung steht, beide an einem Halter 12 mittels Schrauben 12a befestigt. Jedes der derart zu einem Stück zusammengestellten Segmente 13 ist dazu eingerichtet, sich in radialer Richtung bezüglich der Mittelachse 1 hin- und herzubewegen.

Ein Beispiel des surückfahrbaren Segmentes 13 ist in Fig. 9A und 9B gezeigt, wobei es Oberflächen s und t aufweist/ die "

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jeweils der Nabe m und der Schaufel η des Enderzeugnisses ρ entsprechen, sowie eine Oberfläche u, welche dem Einguß 5 entspricht. Wie aus der Fig. 9 ersichtlich ist, sind Abschnitte des Hohlraums k, die den Schaufeln η entsprechen, jeweils durch ein Paar Flächen t gebildet, welche einander gegenüberliegen, wenn die Segmente 13 geschlossen sind. Jedes der Segmente ist mit einem abgesetzten Abschnitt ν ausgebildet, welcher dem Umfang v¹ der Schaufeln entspricht, wie dies in Fig. 9C gezeigt ist.

Die Figuren 10A und 10B zeigen Abwandlungen des zurückfahrbaren Formsegments 13. Das Segment entsprechend dieser Abwandlungen umfaßt ähnlich dem, das in Fig. 9A und 9B gezeigt ist, einen einen Hohlraum bildenden Abschnitt 10, einen einen Einguß bildenden Abschnitt 11, einen Halter 12 für diese Abschnitte, eine Oberfläche s, welche die Nabe des Läufers festlegt, Oberflächen t, welche jeweils eine Seite einer Schaufel des Läufers festlegen, sowie eine Oberfläche u, welche den Einguß festlegt. Um rippenförmige VorSprünge 31 an den Umfangskanten der Schaufel (Fig. 10C) zu bilden, umfaßt das in Fig. 10A gejZeigte Segment 13 Ausnehmungen 32, welche den Vor Sprüngen 31 ejntsprechenj. IM ferner gratartige dünnwandige Abschnitte 33 an den

Umfangskaiiten

der Schaufeln zu bilden (Fig. 10D), ist das in Fig. 10B gezeigte Segment 13"mit flachen Ausnehmungen 34 ausgebildet, welche den dünnwandigen Abschnitten 33 entsprechen. Ferner kann dieses Segment zusätzlich mit Ausnehmungen 32 ausgebildet sein, wie sie in Fig. 1OA gezeigt sind.

Der Zweck dieser Ausnehmungen 32, 34 wird nachstehend erläutert.

um einen Läufer zu erzeugen, der eine starke Schaufelkrümmung aufweist, können Risse 41 an den gekrümmten Abschnitten der Schaufeln ausgebildet sein (Fig. 13A). Dies wird auf die Tatsache zurückgeführt, daß zum Zeitpunkt der Verfestigung und Schrumpfung des geschmolzenen Metalls in den Abschnitten des Hohlraums, der den dünnwandigen Schaufelabschnxtten entspricht, das Material an der freien Schrumpfung bezüglich dem gekrümmten Abschnitt 10 zum Formen desJHohlrSums gehemmt wird, so daß eine

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Zugspannung p~ an derartigen Abschnitten erzeugt wird.

Die Ausbildung derartiger unerwünschter Risse 41 kann mittels der Gußform verhindert werden, die mit den Ausnehmungen 32 oder 34 ausgebildet ist. Die rippenförmigen Vorsprünge 31 nämlich, die durch entsprechende Ausnehmungen 32 gebildet sind, dienen als örtliche Widerstandselemente gegen die Zugspannung, die an der gekrümmten Oberfläche der Schaufeln erzeugt wird, und verhindern die Ausbildung von Rissen durch die Verteilung und Entlastung der Zugspannungen am mittleren Abschnitt der gekrümmten Oberfläche. Ferner dienen die dünnwandigen Abschnitte 33, die durch die Ausnehmungen 34 an den Umfangskanten der Schaufeln gebildet werden, zum Verlagern des Ausgangspunkts der Risse aus den Schaufeln hinaus, und zum Sicherstellen, daß die Risse nur im dünnwandigen Abschnitt 33 ausgebildet werden und nicht die Schaufeln oder wesentliche Teile des Enderzeugnisses erreichen. Mittels einer Gußform, die mit beiden Arten von Ausnehmungen 32 und 34 ausgebildet ist, findet eine Verteilung und Entlastung der Zugspannungen durch die Ausnehmungen 32 an den dünnwandigen Abschnitten statt. Gemäß der Ergebnisse von Experimenten wurde herausgefunden, daß es von Vorteil ist, daß die Dicke des dünnwandigen Abschnitts, der der Tiefe der Ausnehmung 34 entspricht, etwa eine Hälfte der ümfangsdicke der Schaufeln entspricht, und daß die Dicke der rippenförmigen VorSprünge, die der Tiefe der Ausnehmungen 32 entspricht, gleich ist der Ümfangsdicke der Schaufeln. Wo nur Ausnehmungen 32 gebildet sind, kann ihre Tiefe etwa die gleiche sein oder größer als die Dicke der Schaufeln in Umfangsrichtung.

Wie in den Figuren 13A und 13B gezeigt wird, umfaßt das Enderzeugnis ρ an seiner Kante des Abschnitts r mit großem Durchmesser der Nabe eine scharfe Kante w. Um einen derartigen Gegenstand durch Kokillenguß herzustellen, sollte ein entsprechender Abschnitt w» der Form (Fig. 9B) scharfkantig und dünnwandig sein. Durch diese Anordnung neigt allerdings der Abschnitt w', wenn er der hohen Temperatur des geschmolzenen Metalls ausgesetzt ist, dazu, Schaden zu nehmen. Angesichts eines derartigen Problems sind der den Hohlraum ±»ild£nde .Abaahaitt 10 und der den Einguß

bildende Abschnitt 11 als eine einstückige Einheit ausgebildet oder zusammengebaut, so daß nicht nur die dünnwandigen Abschnitte dem geschmolzenen Metall ausgesetzt sind. Auf diese Weise wird die Dauerhaftigkeit der Form weit verbessert.

Anordnung der Kokille bzw. Form:

Wie in den Figuren 8A und 8B gezeigt ist, werden die zurückfahrbaren Formsegmente 13 in einem Raum 18 aufgenommen, der durch eine obere Form 14, einen oberen Formrahmen 15, an dessen unterer Oberfläche die obere Form 14 befestigt ist, einen unteren Formrahmen 16, der mit einer Mittelöffnung 16a ausgebildet ist, die einen größeren Durchmesser als der maximale Durchmesser φ der Nabe des Erzeugnisses ρ aufweist, und eine Seitenwand 17 festgelegt ist/welche die Rahmen 15 und 16 miteinander verbindet. Die Formsegmente 13 sind an den jeweiligen Enden von Kolbenstangen 19a befestigt, die sich durch Bohrungen 17a der Seitenwand 17 in den Raum 18 erstrecken, und werden durch hydraulische Zylinder 19 angetrieben, die radial um die Seitenwand 17 herum mit vorbestimmtem Abstand zwischeneinander angeordnet sind. Die Zylinder veranlassen die Segmente, sich vorwärts in ihre geschlossene Lage zu bewegen, und sich in ihre offene Lage zurückzuziehen. Die Vorwärtsbewegung eines jeden Segments wird durch den Eingriff des oberen Abschnitts des Halters 12 mit dem Umfang 14a der oberen Form 14 begrenzt. Die Begrenzung für die Rückwärtsbewegung der Segmente ist so gewählt, daß der Aufweitungsdurchmesser der den Einguß bildenden Abschnitte 1Ί größer wird als der maximale Durchmesser φ (Fig. 13B) der Nabe des Erzeugnisses p.

Als Antriebseinrichtung für die zurückfahrbaren Segmente 13 können auch anstelle der oben erwähnten hydraulischen Einrichtungen mechanische Einrichtungen verwendet werden. In dem in Fig. 11A bis 11C gezeigten Beispiel ist der Halter 12 hinter dem zurückfahrbaren Formsegment 13 so ausgebildet,, daß er im wesentlichen die Form eines umgekehrten L aufweist. Der Halter ist an seinem horizontalen Abschnitt mit einer vertikalen Stange 21 versehen, die drehbar eine Führungsrolle 20 trägt. Die Seg-

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mente 13 werden durch Führungsschienen 16b geführt, die radial bezüglich der Mittelachse 1 der Form an der Innenoberfläche des unteren Formrahmens 16 angeordnet sind. Ein drehbarer Ring 22, der an seiner oberen Oberfläche eine Zahnstange bzw. eine Zahnspur 22a "aufweist, ist außerhalb des oberen Formrahmens 15 angeordnet, wobei dieser Ring an seiner Innenseite mit mehreren Kurvenplatten 23 verbunden ist, welche jeweils mit einer Nockenbzw. Steuernut 23a ausgebildet sind, welche sich in Eingriff mit der Führungsrolle 20 des TPormsegments 13 befinden. Um den Ring 22 um seine Achse um einen bestimmten Winkel zu schwenken, um die Formsegmente 13 vorwärts oder rückwärts zu bewegen, ist der Zahnkranz 22a des Ringes 22 mit einem Motor 24, der am oberen Formrahmen 15 befestigt ist, über ein Zwischenzahnrad 24b und ein Zahnrad 24a verbunden. Die Formsegmente werden durch Antreiben des Motors in normaler Richtung oder Rückwärtsrichtung geöffnet oder geschlossen.

Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Segmente mittels Gelenkhebel- bzw. Hebelgetriebemechanismen verlagert werden, von denen jeder einen ersten Lenker 25a umfaßt, der schwenkbar an der Innenseite eines drehbaren Rings angebracht ist, einen zweiten Lenker 25b, der schwenkbar am Halter 12 des Segments 13 angebracht ist, und einen Winkelhebel 25, der den ersten und zweiten Lenker miteinander verbindet und am Formrahmen schwenkbar angebracht ist. Auch bei diesem Beispiel werden die Segmente durch normale Drehung oder Rückwärtsdrehung des Rings 22 geöffnet oder geschlossen.

Um eine genaue Form des Hohlraums entsprechend dem Erzeugnis zu erhalten, wenn die Form geschlossen ist, und um das Auswerfen des kokillengegossenen Erzeugnisses zu erleichtern, muß die radiale Verlagerung der Formsegmente bezüglich der Mittelachse der Form genau und zwangsweise erfolgen. Dies wird durch die oben beschriebenen Antriebseinrichtungen erreicht.

Einspritzanordnung:

Insbesondere wenn Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt im Kokillenguß verwendet werden sollen, wie es bei der erfindungsgemäßen

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Maschine der Fall ist, sollte die Temperatur des geschmolzenen Metalls, das in die Einspritzhülse 6 eingegossen wird, weitestmöglich daran gehindert werden, abzufallen, bis das Metall in den Hohlraum der Form eingespritzt ist. Die Wärmeausbreitung von der Einspritzanordnung 8 durch deren Bestandteile hindurch oder über die Umgebungsluft findet unvermeidlich mehr oder weniger statt, und die Form der Anordnung wie auch ihre Aufnahmefähigkeit für geschmolzenes Metall sollte so bestimmt sein, daß die Temperatur des geschmolzenen Metalls sich nicht wesentlich ändert. Im Hinblick auf dies ist die Gestalt der Einspritzhülse 6 derart gewählt, daß, wenn sich der Kolben 7 hierin in seiner untersten Stellung befindet, wie dies in Fig.2 gezeigt ist, das Verhältnis (i/j) des Innendurchmessers i der Hülse zum Abstand j zwischen dem Kopf des Kolbens und dem oberen Ende der Hülse 0,7 bis 1,5 beträgt. Mit diesem Verhältnis wird der Oberflächenbereich des geschmolzenen Metalls innerhalb der Hülse eingehalten und die Wärmeabgabe hiervon erreicht einen Mindestwert. Dementsprechend wird die Temperatur des geschmolzenen Metalls innerhalb eines Bereichs gehalten, der für fehlerfreies Kokillengießen geeignet ist.

Das Volumen der Einspritzkammer 26, die das oben erwähnte Verhältnis aufweist, ist vorzugsweise 2- bis 6-mal größer als das des Enderzeugnisses p. Durch diese Anordnung kann die Temperatur des geschmolzenen Metalls innerhalb eines vernünftigen Bereichs gehalten werden, und die Ertragsrate bzw. Ausbeute des Gußmaterials kann verbessert werden.

Material der Maschine:

Es wird nun insbesondere auf Fig. 8 Bezug genommen; Bestandteile der Maschine, welche dem geschmolzenen Metall ausgesetzt sind, und zwar die obere Form 14, der den Hohlraum bildende Abschnitt 10 und der den Einguß bildende Abschnitt 11 der Formanordnung 1, sowie auch die Einspritzhülse 6 und der Kolben 7 der Ein.spritzanordnung 8 bestehen vorzugsweise aus Wolf rar .i-Legierung, welche eine hinlängliche Festigkeit aufweist, um der hohen Temperatur des geschmolzenen Metalls zu widerstehen. Als derartige Legie-

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rung ist beispielsweise ANVILOY 1150 bekannt, hergestellt von Mitsubishi Mallory Metallurgical Co., Ltd., Japan. Neben der Wolfram-Legierung können auch Molybdän und dessen Legierungen verwendet werden.

Der Kokillengußvorgang des wärmebeständigen Läufers, der in Pig. 13A und 13B gezeigt ist, und zwar mittels der oben beschriebenen Maschine, wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 6 beschrieben.

Fig. 2 zeigt einen Verfahrensschritt, bei welchem geschmolzenes Metall von einem Löffel 30 in die Einspritzhülse 6 über ihre obere öffnung 6a eingegossen wird und in die Kammer 26 gefüllt wird, die sich von der öffnung 6a zur oberen Fläche des Stößels 7 erstreckt.

Nach Fertigstellen des Eingießens wird der hydraulische Zylinder 2a betätigt, um die Verlagerung des Gestängemechanismus¹ 4 herbeizuführen, wodurch die Anordnung 1 veranlaßt wird, sich bezüglich der Einspritzanordnung 8 in ihre unterste Lage zu bewegen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. In dieser Lage werden, wie bereits vorher festgestellt wurde, die den Einguß bildenden Abschnitte 11 fest gegen die obere Endfläche 6b der Einspritzhülse 6 gedrückt. Ferner befinden sich die zurückfahrbaren Formsegmente 13 in ihrer vorderen oder geschlossenen Stellung, wobei sie den Hohlraum k, der dem Läufer entspricht, und einen Einguß 5 bilden.

Dann wird der hydraulische Zylinder 2B, der für die Einspritzanordnung 8 vorgesehen ist, betätigt, um eine nach oben gerichtete axiale Bewegung des Kolbens 7 innerhalb der Hülse 6 herbeizuführen, um das geschmolzene Metall im Inneren der Kammer 26 durch den Einguß 5 in den Hohlraum k zu drücken (Fig. 4).

Dieser Einspritzschritt sollte so kurz wie möglich nach dem Verfahrensschritt des Eingießens des geschmolzenen Metalls

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durchgeführt werden, um den Einfluß des TemperaturabfaIls des geschmolzenen Materials möglichst klein zu halten. Es wurde als vorteilhaft herausgefunden, den Verfahrensschritt des Einspritzens innerhalb 6 Sekunden nach der Fertigstellung des VerfahrensSchritts des Eingießens fertigzustellen.

In dem nachfolgenden Schritt, der in Fig. 5 gezeigt ist, wobei das kokillengegossene Erzeugnis p, nachdem es hinlänglich gepreßt und verfestigt ist, aus der Form ausgeworfen werden soll, werden sowohl der obere hydraulische Zylinder 2A als auch der Kolben 7 der Einspritzanordnung 8 nach oben gefahren. Unmittelbar bevor das Erzeugnis ρ völlig die Hülse 6 verläßt, werden die hydraulischen Zylinder 19 der Gesenkanordnung betätigt, um jedes der Segmente 13 zurückzufahren. Da das Erzeugnis ρ in diesem Stadium von der oberen Form 14 an seinem oberen Ende sowie vom Kolben 7 an seinem unteren Ende getragen wird, können die Segmente 13 ohne weiteres zurückgefahren werden, ohne das Erzeugnis ρ zu verformen.

Die Formanordnung 1 wird weiter nach oben in die in Fig. 2 gezeigte Position bewegt. Das Erzeugnis ρ kann in diesem Stadium der Formanordnung 1 folgen oder kann auch am oberen Ende der Hülse 6 oder des Kolbens 7 verbleiben, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Dies wird gemäß der Gestalt der oberen Form 14 festgelegt. Wenn nämlich die obere Form 14 eine ziemlich komplizierte Form aufweist, dann folgt das Erzeugnis ρ vorzugsweise der unteren Form 14 und wird dann von der Form dadurch getrennt, daß man einen Auswerferstift 31 betätigt. Nach dem Auswerfen des Erzeugnisses ρ werden der Auswerferstift 31, die Segmente 13 und der Kolbenstößel 7 in ihre Ausgangslagen zurückgeführt, und ein Kokillengußzyklus ist fertiggestellt.

Wärmebeständige Läufer ohne Gußfehler wurden durch Kokillengießen superwärmebeständiger Legierungen wie etwa der Schnelllegierung bzw. Haste-Legierung B bzw. der Legierung Hastelloy B auf Nickelgrundlage, der Legierung X40 auf Kobaltgrundlage und der Legierung LCN55 auf Eisengrundlage gemäß dem oben beschrie-

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benen Verfahren unter den folgenden Bedingungen erzielt:

Gewicht des Enderzeugnisses Gewicht des Gußmetalls Gußtemperatur ' Formtemperatur

Gußgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Kolbens)

Gießdruck

300 g

1000 - 2000 g 1600 + 25°C 200 - 300⁰C

0,2 - 0,4 m/s 50 - 200 kg/cm²

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Kokillengußmaschine der vorliegenden Erfindung bestehen die Bestandteile, welche dem geschmolzenen Metall ausgesetzt sind, und zwar die Hülse 6 und der Kolben 7 der Einspritzanordnung sowie die Pormsegmente 13 der Formanordnung 1,aus einem kompakten Siliziumnitrid-Körper, mittels dessen die oben erwähnten drei Legierungsarten dem Kokillenguß unterzogen wurden» Obwohl das Gewicht des Gußmetalls nur das Zwei- bis Dreifache des Gewichts des Erzeugnisses betrug, wurde als Ergebnis das Einlaufen des geschmolzenen Metalls nicht gestört oder beeinträchtigt, und es wurden Erzeugnisse mit überlegener Qualität erzielt. Dies liegt an der Tatsache, daß, weil die Wärmeleitfähigkeit des Siliziumnitrids niedriger ist als die-der Wolfram-Legierung, die Temperatur des geschmolzenen Metalls wirksamer beibehalten wird und eine vorzeitige Verfestigung am dünnwandigen Teil des Hohlraums verhindert ist, der den Formabschnitt 10 bildet. Ähnliche Vorzüge können erreicht werden, wenn bestimmte Bestandteile der Maschine statt aus Siliziumnitrid aus Keramikmaterialien wie etwa SiIiziumcarbid, Aluminiumoxid, Zirkondioxid oder Metall-Keramik-Verbundwerkstoff bestehen, die aus dem gesinterten Gemisch aus Keramikmaterialien und Metallen bestehen, wie etwa 80 Gewichtsprozent ZrB₂ - 50 Gewichtsprozent Mo, 20 Gewichtsprozent ZrB₂ bis 80 Gewichtsprozent W, 50 Gewichtsprozent SiN. bis 50 Gewichtsprozent Mo und dergleichen.

Wie aus der obenstehenden Beschreibung ersichtlich ist, gestattet die erfindungsgemäße Maschine das Kokillengießen wärme-

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beständiger Läufer in kurzer Zeit und mit hoher Genauigkeit.

Obwohl bestimmte vorteilhafte Ausführungsformen vorangehend erwähnt wurden, wird darauf hingewiesen, daß die obige Beschreibung nur beispielsweise vorgenommen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränken soll.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE. A. t-RÜNECKER

D)PL-ING

H. KINKELDEY

OH-ING

W. STOCKMAlR

Da-ING-AsE(CALTECHi

K. SCHUMANN

OHREaNAT-DPU-PHYS.

P. H. JAKOB

DIPU-ING.

G. BEZOLD

Da RER. NST- DlPL-CHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

5. Juli 1979 P 13 032

Nissan Motor Co., Ltd.

2, Takara-Cho, Kanagawa-Ku, Yokohama City, Japan

Kokillengußmaschine zur Herstellung wärmebeständiger

Läufer

Patentansprüc he

Kokillengußmaschine zur Herstellung eines wärmebeständigen Läufers, mit einer Formanordnung und einer Einspritzanordnung ,dadurch gekennzeichnet, - daß die Formanordnung (1) mit mehreren Formsegmenten (13) versehen ist, die im wesentlichen in radialer Richtung bezüglich ihrer Achse (1) zwischen einer inneren geschlossenen Lage und einer äußeren offenen Lage verlagerbar sind, sowie mit einer Einrichtung (19, 19a? 22, 22a, 23, 23,a j 22, 22a, 25, 25a, 25b), um derartige Verlagerungen der Formsegmente zu verursachen, wobei die Formsegmente in ihrer inneren geschlossenen Lage einen Hohlraum (k) festlegen, der dem Läufer (p) entspricht, sowie einen Einguß (5), der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, " -

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TELEFON (OS9) 2228 62 TELEX 05-23 380 TELEQRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

ORIGINAtINSPECTED

- daß die Einspritzanordnung (8) unterhalb der Formanordnung (1) angeordnet ist und mit einer Einspritzhülse (6) versehen ist, die koaxial zur Achse (1) der Formsegmente (13) angeordnet ist, einem Kolben (7), der hin- und herbeweglich innerhalb der Hülse angeordnet ist und einer Einrichtung (2B) zum Antreiben des Kolbens, und

- daß eine Einrichtung (2A) ferner zum Verlagern der Formanordnung (1) in ihrer axialen Richtung (1) zwischen einer obersten Lage (Fig. 2), in welcher die Formanordnung (1) einen Abstand zur Einspritzanordnung (8) aufweist, der das Eingießen geschmolzenen Metalls in die Hülse gestattet, und einer untersten Lage (Fig. 3) vorgesehen ist, in welcher der Einguß (5), der von den Formsegmenten (13) festgelegt wird, in Verbindung mit dem Innenraum (23) der Hülse (6) gebracht ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Formsegment (13) einen einen Hohlraum (k) bildenden Abschnitt (10) und einen einen Einguß (5) bildenden Abschnitt (11) aufweist, wobei beide Abschnitte einstückig ausgebildet sind.
3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Formsegment (13) einen einen Hohlraum (k) bildenden Abschnitt (10) und einen einen Einguß (5) bildenden Abschnitt (11) aufweist, wobei beide Abschnitte miteinander zu einem Teil zusammengefügt sind.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn sich die Formsegmente (13) in ihrer offenen Lage befinden, der größte Durchmesserabstand zwischen den den Einguß (5) bildenden Abschnitten (11) der Formsegmente, die einander zugewandt sind, größer ist als der maximale Durchmesser {j>) des Nabenabschnitts (m) des herzustellenden Läufers (p).

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Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn sich der Kolben (7) innerhalb der Hülse (6) in seiner untersten Lage befindet, der Abstand zwischen den obersten Endflächen von Kolben und Hülse das etwa 0,7- bis 1,5-fache des Durchmessers des Kolbens beträgt.

Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Hohlraums (23), der von der Hülse (6) und dem Kolben (7) festgelegt wird, wenn sich dieser in seiner untersten Lage befindet, das etwa 2- bis 6-fache des Volumens des Hohlraums (k) innerhalb der Formanordnung (1) beträgt.

Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der den Hohlraum (k) bildende Abschnitt (10) des Formsegments (13) mit Ausnehmungen (32) ausgebildet ist, die rippenförmigen VorSprüngen (31) entsprechen, die sich vom Umfang der Schaufeln (n) des herzustellenden Läufers (p) aus nach außen erstrecken.

Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der den Hohlraum (k) bildende Abschnitt (10) des Formsegments (13) mit einer flachen Ausnehmung (34) ausgebildet ist, welche einem gratartigen, dünnwandigen Vorsprung (33) entspricht, der sich von dem Umfang der Schaufeln (n) des herzustellenden Läufers (p) aus nach außen erstreckt.

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