Sandformguss im Maschinenbau

Sandformguss im Maschinenformgussverfahren

Beim Sandguss, dem am weitesten verbreiteten Gießverfahren im Maschinenbau, werden verbrauchbare Sandformen verwendet, um komplexe Metallteile zu formen, die aus fast jeder Legierung hergestellt werden können. Da die Sandform zerstört werden muss, um das fertige Gussteil zu entnehmen, hat Sandguss in der Regel eine vergleichsweise niedrige Produktionsrate.

Der Sandformguss umfasst die Verwendung eines Ofens, eines Metalls, eines Modells und einer Sandform. Das Metall wird im Ofen geschmolzen und dann in den Hohlraum der Sandform, die durch das Modell gebildet wird, gegossen. Die Sandform trennt sich entlang einer Trennlinie und das erstarrte Gussteil kann entnommen werden. Die Schritte dieses Verfahrens werden in den nächsten Abschnitten genauer beschrieben.

Übersicht Sandformguss im Maschinenbau

Der Sandformguss wird im Maschinenformguss zur Herstellung einer Vielzahl von Metallteilen mit komplexen Geometrien verwendet. Diese Teile können in Größe und Gewicht stark variieren und reichen von ein paar hundert Gramm bis zu mehreren Tonnen. Einige kleinere Sandgussteile umfassen Komponenten wie Zahnräder, Riemenscheiben, Kurbelwellen, Pleuelstangen und Propeller für die Thermodynamik. Zu den größeren Anwendungen gehören Gehäuse für große Geräte und schwere Maschinensockel. Sandguss ist auch bei der Herstellung von Automobilkomponenten, wie Motorblöcken, Motorkrümmern, Zylinderköpfen und Getriebegehäusen üblich.

Prozesszyklus Sandformguss

Der Prozesszyklus für Sandformguss besteht aus sechs Hauptschritten, die im Folgenden näher erläutert werden.

  1. Formherstellung – Der erste Schritt im Sandformguss ist die Herstellung der Form für das Gussteil. Bei einem Einwegformverfahren muss dieser Schritt für jedes Gussteil durchgeführt werden. Eine Sandform wird geformt, indem Sand in jede Hälfte der Form gefüllt wird. Der Sand wird um das Modell gepackt, das eine Nachbildung der äußeren Form des Gussteils ist. Wenn das Modell entfernt wird, bleibt der Hohlraum zurück, der das Gussteil bilden wird. Alle inneren Merkmale des Gussteils, die nicht durch das Modell geformt werden können, werden durch separate Kerne geformt, die vor der Bildung der Form aus Sand hergestellt werden. Die Formherstellung umfasst das Positionieren des Modells, das Packen des Sandes und das Entfernen des Modells. Die Formgebungszeit wird von der Größe des Teils, der Anzahl der Kerne und der Art der Sandform beeinflusst. Wenn der Formtyp eine Heiz- oder Backzeit erfordert, verlängert sich die Formgebungszeit erheblich. Außerdem werden die Oberflächen des Formhohlraums oft mit einem Schmiermittel versehen, um die Entnahme des Gussteils zu erleichtern. Die Verwendung eines Schmiermittels verbessert auch das Fließen des Metalls und kann die Oberflächengüte des Gussteils verbessern. Das verwendete Schmiermittel wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Sandes und des geschmolzenen Metalls ausgewählt.
  2. Einspannen – Nachdem die Form hergestellt wurde, muss sie für das Gießen des geschmolzenen Metalls vorbereitet werden. Die Oberfläche des Formhohlraums wird zunächst geschmiert, um die Entnahme des Gussteils zu erleichtern. Dann werden die Kerne positioniert und die Formhälften geschlossen und sicher zusammengeklemmt. Es ist wichtig, dass die Formhälften fest verschlossen bleiben, damit kein Material verloren geht.
  3. Gießen – Das geschmolzene Metall wird in einem Ofen auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Nachdem die Form aufgespannt wurde, kann das geschmolzene Metall aus seinem Vorratsbehälter im Ofen geschöpft und in die Form gegossen werden. Der Guss kann manuell oder durch eine automatische Vorrichtung erfolgen. Es muss so viel geschmolzenes Metall gegossen werden, dass der gesamte Hohlraum und alle Kanäle in der Form gefüllt sind. Die Füllzeit ist sehr kurz, um ein vorzeitiges Erstarren eines Teils des Metalls zu verhindern.
  4. Abkühlung – Das geschmolzene Metall, das in die Form gegossen wird, beginnt abzukühlen und zu erstarren, sobald es in die Kavität eintritt. Wenn der gesamte Hohlraum gefüllt ist und das geschmolzene Metall erstarrt, wird die endgültige Form des Gussteils gebildet. Die Form kann erst nach Ablauf der Abkühlzeit geöffnet werden. Die gewünschte Abkühlzeit kann anhand der Wandstärke des Gussteils und der Temperatur des Metalls abgeschätzt werden. Die meisten der möglichen Fehler, die beim Sandformguss im Maschinenbau auftreten können, sind eine Folge des Erstarrungsprozesses. Wenn ein Teil des geschmolzenen Metalls zu schnell abkühlt, kann das Teil Schrumpfungen, Risse oder unvollständige Abschnitte aufweisen. Vorbeugende Maßnahmen können bei der Konstruktion sowohl des Teils als auch der Form ergriffen werden.
  5. Entformen – Nachdem die vorgegebene Erstarrungszeit abgelaufen ist, kann die Sandform einfach gebrochen und das Gussteil herausgenommen werden. Dieser Schritt, manchmal auch Ausschütteln genannt, wird typischerweise mit einer vibrierenden Maschine durchgeführt, die den Sand und das Gussteil aus dem Formkasten schüttelt. Nach dem Entfernen des Gussteils bleiben wahrscheinlich einige Sand- und Oxidschichten an der Oberfläche haften. Kugelstrahlen ist eine Möglichkeit, um den restlichen Sand zu entfernen, insbesondere von den Innenflächen, und um die Oberflächenrauheit zu verringern.
  6. Beschneiden – Während des Abkühlens erstarrt das Material aus den Kanälen in der Form am Teil. Dieses überschüssige Material muss entweder manuell durch Schneiden oder Sägen oder mit einer Abgratpresse vom Gussteil abgeschnitten werden. Die Zeit, die für das Abschneiden des überschüssigen Materials benötigt wird, kann anhand der Größe des Gussteilumfangs abgeschätzt werden. Ein größeres Gussteil erfordert eine längere Beschneidezeit. Das beim Beschneiden anfallende Ausschussmaterial wird entweder entsorgt oder im Sandgussverfahren wiederverwendet. Es kann jedoch sein, dass das Ausschussmaterial auf die richtige chemische Zusammensetzung aufgearbeitet werden muss, bevor es mit nicht recyceltem Metall kombiniert und wiederverwendet werden kann.

Ausrüstung im Sandgussverfahren

Form für den Sandformguss

Beim Sandguss ist das wichtigste Gerät die Form, die aus mehreren Komponenten besteht. Die Form ist in zwei Hälften unterteilt – die Oberseite (obere Hälfte) und die Unterseite (untere Hälfte), die sich entlang einer Trennlinie treffen. Beide Formhälften befinden sich im Inneren eines Kastens, des sogenannten Kolbens, der seinerseits entlang dieser Trennlinie geteilt ist. Der Formhohlraum wird durch Packen von Sand um das Modell in jeder Formhälfte des Kolbens gebildet. Der Sand kann von Hand gepackt werden. Maschinen, die mit Druck oder Schlag arbeiten, sorgen jedoch für ein gleichmäßiges Packen des Sandes und benötigen viel weniger Zeit, wodurch sich die Produktionsrate erhöht. Nachdem der Sand gepackt und das Modell entfernt wurde, bleibt ein Hohlraum zurück, der die äußere Form des Gussteils bildet. Einige Innenflächen des Gussteils können durch Kerne gebildet werden.

Kerne sind zusätzliche Teile, die die inneren Löcher und Durchgänge des Gussteils bilden. Kerne werden typischerweise aus Sand hergestellt, so dass sie aus dem Gussteil herausgeschüttelt werden können, anstatt die notwendige Geometrie zum Herausgleiten zu benötigen. Dadurch ermöglichen Sandkerne die Herstellung vieler komplexer innerer Merkmale. Jeder Kern wird in der Form positioniert, bevor das geschmolzene Metall gegossen wird. Um jeden Kern an seinem Platz zu halten, verfügt das Modell über Aussparungen, die als Kernabdrücke bezeichnet werden und in denen der Kern an seinem Platz verankert werden kann. Der Kern kann sich jedoch aufgrund des Auftriebs in der Metallschmelze noch verschieben. Weitere Unterstützung erhalten die Kerne durch sogenannte „Chaplets“. Dies sind kleine Metallstücke, die zwischen dem Kern und der Kavitätenoberfläche befestigt werden. Die Kügelchen müssen aus einem Metall mit einer höheren Schmelztemperatur als die des zu gießenden Metalls bestehen, um ihre Struktur zu erhalten. Nach der Erstarrung sind die Kügelchen in das Gussstück eingegossen und das überstehende Material der Kügelchen muss abgeschnitten werden.

Zusätzlich zu den äußeren und inneren Merkmalen des Gussteils müssen weitere Merkmale in die Form eingearbeitet werden, um den Fluss des geschmolzenen Metalls zu ermöglichen. Das geschmolzene Metall wird in ein Gießbecken gegossen, das eine große Vertiefung in der Oberseite der Sandform ist. Das geschmolzene Metall tritt am Boden dieses Beckens aus und fließt in den Hauptkanal, den sogenannten Anguss. Der Anguss ist dann mit einer Reihe von Kanälen verbunden, die als Angusskanäle bezeichnet werden und das geschmolzene Metall in die Kavität leiten. Am Ende jedes Kanals tritt das geschmolzene Metall durch einen Anschnitt in die Kavität ein, der die Durchflussrate steuert und Turbulenzen minimiert. Häufig sind an das Angusssystem Steigrohre angeschlossen.

Speiser sind Kammern, die sich mit geschmolzenem Metall füllen und während der Erstarrung eine zusätzliche Metallquelle darstellen. Wenn das Gussteil abkühlt, schrumpft das geschmolzene Metall und es wird zusätzliches Material benötigt. Ein ähnliches Merkmal, das hilft, die Schrumpfung zu reduzieren, ist ein offener Speiser. Das erste Material, das in den Hohlraum eintritt, kann vollständig hindurchgehen und in den offenen Speiser eintreten. Diese Strategie verhindert ein frühzeitiges Erstarren des geschmolzenen Metalls und bietet eine Materialquelle, um die Schrumpfung zu kompensieren. Schließlich sind kleine Kanäle vorgesehen, die von der Kavität zur Außenseite der Form verlaufen. Diese Kanäle dienen als Entlüftungsöffnungen, damit Gase aus dem Hohlraum entweichen können. Die Porosität des Sandes lässt auch Luft entweichen, aber manchmal sind zusätzliche Entlüftungsöffnungen erforderlich. Das geschmolzene Metall, das durch alle Kanäle (Anguss, Angusskanäle und Speiser) fließt, erstarrt am Gussteil und muss nach der Entnahme vom Teil getrennt werden.

Sand

Der Sand, der zur Herstellung der Formen verwendet wird, ist in der Regel Quarzsand (SiO2), der mit einer Art von Bindemittel gemischt wird, um die Form des Formhohlraums beizubehalten. Die Verwendung von Sand als Formmaterial bietet mehrere Vorteile für den Gießprozess. Sand ist sehr kostengünstig und widersteht hohen Temperaturen, sodass viele Metalle gegossen werden können, die hohe Schmelztemperaturen haben. Es gibt verschiedene Aufbereitungen des Sandes für die Form, die die folgenden vier einzigartigen Arten von Sandformen charakterisieren.

  1. Grünsandform – Grünsandformen verwenden eine Mischung aus Sand, Wasser und einem Ton oder Bindemittel. Die typische Zusammensetzung der Mischung ist 90 % Sand, 3 % Wasser und 7 % Ton oder Bindemittel. Grünsandformen sind die preiswertesten und am weitesten verbreiteten Formen.
  2. Hautgetrocknete Form – Eine hautgetrocknete Form ähnelt der Grünsandform, aber es werden zusätzliche Bindemittel hinzugefügt und die Oberfläche des Hohlraums wird mit einem Brenner oder einer Heizlampe getrocknet, um die Formfestigkeit zu erhöhen. Dadurch werden auch die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte verbessert, aber die Einfallfähigkeit wird verringert. Trockenhautformen sind teurer und benötigen mehr Zeit, was die Produktionsrate senkt.
  3. Trockene Sandform – Bei einer trockenen Sandform, manchmal auch Cold-Box-Form genannt, wird der Sand nur mit einem organischen Bindemittel vermischt. Die Form wird durch Einbrennen in einem Ofen verfestigt. Die resultierende Form hat eine hohe Maßgenauigkeit, ist aber teuer und führt zu einer geringeren Produktionsrate.
  4. No-Bake-Form – Der Sand in einer No-Bake-Form wird mit einem flüssigen Harz vermischt und härtet bei Raumtemperatur aus.

Die Qualität des verwendeten Sandes hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Qualität des Gussteils und wird üblicherweise durch die folgenden fünf Maße beschrieben:

  1. Festigkeit – Fähigkeit des Sandes, seine Form zu halten.
  2. Durchlässigkeit – Fähigkeit, eingeschlossene Gase durch den Sand entweichen zu lassen. Eine höhere Durchlässigkeit kann die Porosität der Form verringern, eine geringere Durchlässigkeit kann jedoch zu einer besseren Oberflächenbeschaffenheit führen. Die Permeabilität wird durch die Größe und Form der Sandkörner bestimmt.
  3. Thermische Stabilität – Fähigkeit, Schäden, wie z. B. Rissbildung, durch die Hitze des geschmolzenen Metalls zu widerstehen.
  4. Kollabierbarkeit – Fähigkeit des Sandes, während der Erstarrung des Gussteils zu kollabieren, oder genauer gesagt zu komprimieren. Wenn sich der Sand nicht zusammendrücken kann, kann das Gussteil nicht frei in der Form schrumpfen und es kann zu Rissen kommen.
  5. Wiederverwendbarkeit – Fähigkeit des Sandes, für zukünftige Sandformen wiederverwendet zu werden.

Ausrüstung für das Packen des Sandes

Es gibt viele Möglichkeiten, den Sand in die Form zu packen. Wie oben erwähnt, kann der Sand von Hand in die Form gepackt werden. Es gibt jedoch verschiedene Arten von Geräten, die ein effektiveres und effizienteres Packen des Sandes ermöglichen. Eine solche Maschine wird als Sandschleuder bezeichnet und füllt den Formkasten mit Sand, indem sie ihn unter hohem Druck antreibt. Eine Rüttelpresse ist ein gängiges Gerät, das den Kolben schnell rüttelt, um den Sand zu verteilen und ihn dann mit hydraulischem Druck im Kolben zu verdichten. Eine andere Methode, das sogenannte Prallformen, verwendet eine kontrollierte Explosion, um den Sand in den Kolben zu treiben und zu verdichten. Im Gegensatz dazu wird der Sand beim Vakuumgießen verpackt, indem die Luft zwischen dem Kolben und einer dünnen Kunststofffolie, die das Muster bedeckt, entfernt wird.

Das Verpacken des Sandes wird auch in einem Prozess automatisiert, der als kolbenloses Formen bekannt ist. Trotz des Namens des Prozesses wird immer noch ein Formkasten verwendet. Beim herkömmlichen Sandguss wird für jede Form eine neue Küvette verwendet. Beim kastenlosen Gießen wird jedoch ein einziger Hauptkolben in einem automatisierten Prozess zur Herstellung von Sandformen verwendet. Der Formkasten bewegt sich auf einem Förderband und wird mit Sand gegen das Modell im Inneren geblasen. Dieser automatisierte Prozess erhöht die Produktionsrate erheblich und hat auch viele Vorteile für die Gussteile. Durch das kastenlose Gießen können gleichmäßige Formen mit hoher Dichte hergestellt werden, die eine hervorragende Gussqualität ergeben. Außerdem verursacht der automatisierte Prozess nur geringe Abweichungen zwischen den Gussteilen.

Werkzeugbau

Das Hauptwerkzeug für den Sandformguss ist das Modell, das zur Herstellung des Formhohlraums verwendet wird. Das Modell ist ein Modell des Teils in Originalgröße, das einen Abdruck in der Sandform hinterlässt. Einige Innenflächen können jedoch nicht im Modell enthalten sein, da sie durch separate Kerne erzeugt werden. Das Modell wird etwas größer als das Teil hergestellt, da das Gussteil im Formhohlraum schrumpft. Außerdem können mehrere identische Modelle verwendet werden, um mehrere Abdrücke in der Sandform zu erzeugen, wodurch mehrere Hohlräume entstehen, die ebenso viele Teile in einem Gussteil produzieren.

Für die Herstellung eines Modells können verschiedene Materialien verwendet werden, darunter Holz, Kunststoff und Metall. Holz ist sehr verbreitet, da es leicht zu formen und kostengünstig ist, es kann sich jedoch leicht verziehen und verformen. Außerdem nutzt sich Holz durch den Sand schneller ab. Metall hingegen ist teurer, hält aber länger und hat höhere Toleranzen. Das Modell kann wiederverwendet werden, um die Kavität für viele Formen desselben Teils zu erstellen. Daher reduziert ein Muster, das länger hält, die Werkzeugkosten. Ein Muster für ein Teil kann auf viele verschiedene Arten hergestellt werden, die in die folgenden vier Typen unterteilt werden:

  1. Vollmodelle – Ein festes Muster ist ein Modell des Teils als ein einziges Stück. Es ist am einfachsten herzustellen, kann aber einige Schwierigkeiten bei der Herstellung der Form verursachen. Die Trennebene und das Angusssystem müssen separat festgelegt werden. Vollmodelle werden typischerweise für geometrisch einfache Teile verwendet, die in geringen Stückzahlen produziert werden.
  2. Geteilte Modelle – Ein geteiltes Modell modelliert das Teil als zwei separate Teile, die sich entlang der Trennlinie der Form treffen. Durch die Verwendung von zwei separaten Teilen können die Formhohlräume im Ober- und Unterteil separat hergestellt werden und die Trennlinie ist bereits festgelegt. Split-Modelle werden typischerweise für Teile verwendet, die geometrisch komplex sind und in mäßigen Stückzahlen produziert werden.
  3. Match-Plate-Modell – Ein Match-Plate-Modell ähnelt einem geteilten Modell, mit dem Unterschied, dass jede Hälfte des Modells an gegenüberliegenden Seiten einer einzigen Platte befestigt ist. Die Platte ist in der Regel aus Holz oder Metall gefertigt. Dieses Modelldesign gewährleistet die korrekte Ausrichtung der Formhohlräume im Oberteil und der Widerstand und das Angusssystem können auf der Match-Platte berücksichtigt werden. Match-Plate-Muster werden für größere Produktionsmengen verwendet und kommen häufig zum Einsatz, wenn der Prozess automatisiert ist.
  4. Cope-and-Drag-Muster – Ein Cope-and-Drag-Muster ähnelt einem Match-Plate-Muster, mit dem Unterschied, dass jede Hälfte des Musters an einer separaten Platte befestigt ist und die Formhälften unabhängig voneinander hergestellt werden. Genau wie bei einem Streichholzplattenmodell sorgen die Platten für eine korrekte Ausrichtung der Formkavitäten im Ober- und Unterteil und das Angusssystem kann auf den Platten angebracht werden. Cope- und Drag-Modelle sind oft für größere Gussteile wünschenswert, bei denen ein Match-Plate-Modell zu schwer und unhandlich wäre. Sie werden auch für größere Produktionsmengen verwendet und kommen häufig zum Einsatz, wenn der Prozess automatisiert ist.

Ein weiteres Werkzeug, das beim Sandformguss verwendet wird, ist ein Kernkasten. Wenn das Gussstück Sandkerne benötigt, werden die Kerne in diesen Kästen geformt, die einer Form ähneln und wie das Modell aus Holz, Kunststoff oder Metall hergestellt werden können. Die Kernkästen können auch mehrere Hohlräume enthalten, um mehrere identische Kerne herzustellen.

Werkstoffe

Beim Sandformguss kann fast jede Legierung verwendet werden. Ein Vorteil des Sandgusses ist die Fähigkeit, Materialien mit hohen Schmelztemperaturen zu gießen, einschließlich Stahl, Nickel und Titan. Nachfolgend sind die vier gängigsten Werkstoffe, die im Sandguss verwendet werden, mit ihren Schmelztemperaturen aufgeführt.

Materialien / Schmelztemperatur

  • Aluminiumlegierungen 660 °C
  • Messing-Legierungen 1082 °C
  • Gusseisen 1088-1260 °C
  • Stahlguss 1371 °C

Kostenelemente

Materialkosten

Die Materialkosten für den Sandformguss beinhalten die Kosten für das Metall, das Schmelzen des Metalls, den Formsand und den Kernsand. Die Kosten für das Metall werden durch das Gewicht des Teils bestimmt, das aus dem Volumen des Teils und der Materialdichte berechnet wird, sowie durch den Stückpreis des Materials. Die Schmelzkosten sind bei einem größeren Teilegewicht ebenfalls höher und werden durch das Material beeinflusst, da einige Materialien teurer zu schmelzen sind. Im Vergleich zu den Metallkosten sind die Schmelzkosten jedoch in der Regel unbedeutend. Die Menge des verwendeten Formsandes und damit die Kosten sind ebenfalls proportional zum Gewicht des Teils. Schließlich werden die Kosten für den Kernsand durch die Menge und Größe der Kerne bestimmt, die zum Gießen des Teils verwendet werden.

Produktionskosten

Die Produktionskosten im Sandformguss beinhalten eine Vielzahl von Arbeitsschritten, die zum Gießen des Teils verwendet werden, einschließlich Kernherstellung, Formherstellung, Gießen und Nacharbeiten. Die Kosten für die Herstellung der Kerne hängen vom Volumen der Kerne und der Menge ab, die zum Gießen des Teils verwendet wird. Die Kosten für die Formherstellung werden nicht wesentlich von der Teilegeometrie beeinflusst, wenn eine automatisierte Anlage verwendet wird. Die Einbeziehung von Kernen verlangsamt jedoch den Prozess etwas und erhöht daher die Kosten. Schließlich werden die Kosten für das Gießen des Metalls und die Reinigung des fertigen Gussteils durch das Gewicht des Teils bestimmt. Es dauert länger, ein größeres und schwereres Gussteil zu gießen und nachzubearbeiten.

Werkzeugkosten

Die Werkzeugkosten im Sandformguss bestehen aus zwei Hauptkomponenten – dem Modell und den Kernkästen. Die Kosten für das Modell werden in erster Linie von der Größe des Teils (sowohl der Hüllfläche als auch der projizierten Fläche) sowie von der Komplexität des Teils bestimmt. Die Kosten für die Kernkästen hängen zunächst von ihrer Größe ab, die sich aus der Menge und Größe der Kerne ergibt, die zum Gießen des Teils verwendet werden. Ähnlich wie beim Modell wirkt sich die Komplexität der Kerne auf die Zeit zur Herstellung dieses Teils des Werkzeugs (zusätzlich zur Kerngröße) und damit auf die Kosten aus.

Die Menge der zu gießenden Teile wirkt sich ebenfalls auf die Werkzeugkosten aus. Eine größere Produktionsmenge erfordert die Verwendung eines Werkzeugmaterials, sowohl für das Modell als auch für die Kernkästen, das sich bei der erforderlichen Anzahl von Zyklen nicht abnutzt. Die Verwendung eines stärkeren, haltbareren Werkzeugmaterials erhöht die Kosten im Sandformguss erheblich.

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