Leseprobe_Konstruktion+Fertigung (1)

Gesamtüberblick über das Konstruieren der Druckgießformen 25
1 Gesamtüberblick über das Konstruieren
von Druckgießformen
1.1 Prinzipieller Aufbau von Druckgießformen
Im Druckgießverfahren nimmt die Druckgießform eine zentrale Rolle ein. Neben der
Druckgießtechnologie und der Aufbereitung der Druckgusslegierung ist die Druckgießform
ein Baustein, der die Eigenschaften des Druckgussteils und die Wirtschaftlichkeit
des Druckgießverfahrens wesentlich beeinflusst. Die Druckgießformen werden grundsätzlich
nach gleichen Regeln und Richtlinien entwickelt und hergestellt. Es ist daher
nicht verwunderlich, dass die Konstruktionen von Druckgießformen sehr oft ähnlich
sind. Auf der Basis des beigestellten CAD-Modells des Druckgussteils mit Gießlaufsystem
baut der Konstrukteur ein Druckgießformkonzept auf, das im Wesentlichen aus
einem Druckgießformaufbau, Führungs- und Zentriersystem, Auswerfersystem und
Temperiersystem besteht. Eine solide Auslegung des Druckgießformaufbaus mit kräftigen
Formrahmen sowie Aufspannplatten und umlaufenden Dicht- oder Kontaktflächen
zwischen beweglichen und festen Formeinsätzen führt zu Formstabilität. Unzulässige
Durchbiegungen sowie die Maßungenauigkeit des Druckgussteils und das Herausspritzen
des flüssigen Metalls beim schlagartigen Einpressen während des Druckgießverfahrens
werden dadurch vermieden. Für die Anpassung der Formhälften beim Schließen
und Öffnen der Druckgießform sowie die Zentrierung der einzelnen Druckgießformplatten
wird ein Führungs- und Zentriersystem vorgesehen.
Während des Druckgießformöffnens wird das Gussstück mit dem Gießlaufsystem
aus der festen Formhälfte herausgerissen und mit der beweglichen Formhälfte mitgenommen.
Ist die Druckgießform geöffnet, wird das Gussstück über die Auswerfereinheit
der Druckgießmaschine und das Auswerfersystem der Druckgießform aus der beweglichen
Formhälfte ausgeworfen. Die Auswerferkraft der Druckgießmaschine muss damit
größer als die gesamte Schrumpfkraft sein, mit der das Gussstück im beweglichen Formhohlraum
aufgeschrumpft ist. Die gesamte Schrumpfkraft wird in erster Linie von der
Geometrie des Druckgussteils vorgegeben und kann sehr hoch sein. Die Kontur des
Druckgussteils kann sehr hohe Sprünge ergeben, die zu hohen Schrumpf- und Entformungskräften
führen. Für die Ausformung der Hinterschnitte ist eine Reihe von Schiebern
notwendig, die mechanisch über die Schrägsäulen oder hydraulisch über die Hydraulikzylinder
gesteuert werden.

26 Kapitel 1
1 2 3 4 5 6 7 8
27
26
25
24
23
22
9
10
11
12
13
14
21
15
20
19 18 17 16
Bild 1.1: Druckgießform für die Druckgießmaschine mit horizontaler Kaltkammer: 1) bewegliche
Aufspannplatte, Bild 1.1: 2) Druckgießform Distanzleiste, 3) für Zwischenplatte, die Druckgießmaschine 4) beweglicher mit horizontaler Formrahmen, Kaltkammer: 5) Schieberkörper, 1
6) Schrägsäulenaufnahme, bewegliche Aufspannplatte, 7) fester Formrahmen, 2 Distanzleiste, 8) feste 3 Zwischenplatte, Aufspannplatte, 4 beweglicher 9) Schrägsäule, 10) Schiebereinsatz
Formrahmen,
oder beweglicher
5 Schieberkörper,
Kern, 11) fester
6 Schrägsäulenaufnahme,
Formeinsatz, 12) und 13)
7 fester
feste
Formrahmen,
Kerne, 14 beweglicher
8 feste
Aufspannplatte, 9 Schrägsäule, 10 Schiebereinsatz oder beweglicher Kern, 11 fester
Formeinsatz, 15) Eingießbuchse, 16) Führungssäule, 17) Eingussverteiler, 18) Führungsbuchse,
Formeinsatz, 12, 13 feste Kerne, 14 beweglicher Formeinsatz, 15 Eingießbuchse, 16
19) Zentrierhülse, 20) Anschlagscheibe, 21) Auswerfergrundplatte, 22) Auswerferhalteplatte,
Führungssäule, 17 Eingussverteiler, 18 Führungsbuchse, 19 Zentrierhülse, 20
23) Auswerferstift, Anschlagscheibe, 24) Stützbolzen, 21 Auswerfergrundplatte, 25) Führungsbuchse, 22 Auswerferhalteplatte, 26) Führungsbolzen, 23 27) Auswerferstift,
Rückdruckstift
24 Stützbolzen, 25 Führungsbuchse, 26 Führungsbolzen, 27 Rückdruckstift

Gesamtüberblick über das Konstruieren der Druckgießformen 27
Der Temperierung der Druckgießform kommt eine tragende Rolle bei der Auslegung
des Formkonzeptes zu und muss einerseits für eine homogene, fein steuerbare
und ausgewogene Temperaturverteilung in der Druckgießform und andererseits für ein
rasches und gleichmäßiges Abführen der Wärmemenge sorgen, die durch die Schmelze
in die Druckgießform eingetragen wird. Beim Entwurf der Druckgießform werden die
Formhälften und die einzelnen Schieber mit einer bestimmten Anzahl der separaten
Temperierkreisläufe für eine gute Temperierung versehen. Damit lassen sich eine optimale
Zykluszeit und eine homogene Temperaturverteilung für hohe Prozesssicherheit
und höchste Standzeit der Druckgießform erzielen.
Obwohl eine einheitliche und normalisierte Druckgießform nicht existiert, gibt Bild
1.1 eine Darstellung über die am häufigsten verwendeten Konstruktionen. Es zeigt einen
Schnitt des grundlegenden Aufbaus der Druckgießform mit festen Kernen und einem
Schieber für die Druckgießmaschine mit horizontaler Kaltkammer. Die Druckgießform
wird zweiteilig ausgeführt und besteht somit aus der festen Formhälfte (Eingussformhälfte)
und der beweglichen Formhälfte (Auswerferformhälfte). Im gießbereiten Zustand
sind die beiden Formhälften durch die Formschließkraft der Druckgießmaschine fest
geschlossen. Die Kontaktfläche zwischen beiden Formhälften wird als Formteilebene
(Formteilfläche, Formtrennfläche, Trennungsfläche) bezeichnet. Die Öffnungs- und die
Schließbewegung der Druckgießform wird auf die bewegliche Formhälfte durch die
Formschließeinheit der Druckgießmaschine übertragen. Die feste Formhälfte wird mithilfe
der Aufspannplatte (8) an der festen Aufspannplatte der Druckgießmaschine befestigt,
während die bewegliche Formhälfte durch die Aufspannplatte (1) an der beweglichen
Aufspannplatte der Druckgießmaschine montiert wird.
Die feste Formhälfte ist mit einer Gießgarnitur der Druckgießmaschine verbunden,
die zur Aufnahme der Druckgusslegierung und als Zuführung in das Gießlaufsystem des
Gussstücks dient. Die Gießgarnitur besteht aus einer Gießkammer und einem Gießkolben.
Die Gießkammer kann in zwei Auslegungsvarianten als einteilige oder zweiteilige
Gießkammer ausgeführt werden. Die einteilige Gießkammer wird aus einem Stück des
Warmarbeitsstahls gefertigt und besteht aus der Gießkammer und der Eingießbuchse.
Gegenüber der einteiligen Gießkammer wird die zweiteilig konstruierte Gießkammer
verkürzt und besteht aus zwei miteinander verbundenen Bauteilen. Die Eingießbuchse
dient als Gießkammerverlängerung zum Anschluss an die verkürzte Gießkammer (15),
die in der festen Formhälfte angelegt und verstiftet wird. Die Zuführung des flüssigen
Metalls in den Formhohlraum erfolgt aus der Gießkammer durch das Gießlaufsystem,
das von der Eingussbohrung der Gießkammer oder der Eingießbuchse zu den Anschnitten
des Gussstücks führt und sowohl im Eingussverteiler (17) als auch im Formeinsatz
der beweglichen oder festen Formhälfte liegt. Der Formhohlraum wird stets höher als die
Gießkammer angeordnet, damit die in die Gießkammer gefüllte Schmelze nicht vor dem
Auslösen des Schusses in den Formhohlraum durch das Gießlaufsystem fließen kann.
In diesem Fall sind der Gießrest und das Gießlaufsystem mit dem Gussstück verbunden
und werden gemeinsam mit dem Gussstück aus dem Formhohlraum ausgeworfen.
Die feste Formhälfte besteht prinzipiell aus der festen Aufspannplatte (8) und dem
festen Formrahmen (7), in dem der feste Formeinsatz (11), der feste Kern (13), die

28 Kapitel 1
Eingießbuchse (15) und vier Führungssäulen (16) montiert werden. Die feste Aufspannplatte
(8) wird mit dem festen Formrahmen (7) durch die Führungssäulen (16) zentriert
und fest verschraubt. Ist ein Schieber erforderlich, übernimmt der feste Formrahmen
auch die zylindrische Schrägsäule (9) mit der Schrägsäulenaufnahme (6). Im Vergleich
zur festen Formhälfte ist die bewegliche Formhälfte komplizierter und besteht aus der
beweglichen Aufspannplatte (1), dem beweglichen Formrahmen (4) und dem Auswerfersystem
für die Entformung des Gussstücks. Im beweglichen Formrahmen (4) wird
der bewegliche Formeinsatz (14) mit dem festen Kern (12) und dem Eingussverteiler
(17) montiert, die sich auf die Zwischenplatte (3) stützen. Der Formrahmen (4) übernimmt
auch die Führungen für den Schieberkörper und die Verriegelung des Schiebers.
Zwischen der Aufspannplatte (1) und der Zwischenplatte (3) lassen sich die zylindrischen
Stützbolzen (24) einlegen, um die Durchbiegung der Zwischenplatte und dadurch
die Maßungenauigkeit des Gussstücks sowie das Herausspritzen des flüssigen Metalls
zu verringen. Die Stützbolzen dürfen jedoch das Gussstückentformen nicht behindern.
Um die Platten der beweglichen Formhälfte passgenau aufeinander zu bringen, sind
vier Führungsbuchsen (18) für die Führungssäulen (16) und die Zentrierhülsen (19)
vorgesehen. Die Aufspannplatte (1) wird fest mit dem beweglichen Formrahmen (4)
verschraubt. Dafür wird ein Auswerferkasten mit einer hohen Stabilität und einem Raum
zwischen der Aufspannplatte (1), der Zwischenplatte (3) und den Distanzleisten (2) für
das Auswerferpaket vorgesehen.
Der Formhohlraum wird in der Regel aus mehreren Formeinsätzen aufgebaut, die
mit festen und beweglichen Kernen von verschiedenen geometrischen Formen kombiniert
werden. Die runden oder rechteckigen Formeinsätze aus einem Warmarbeitsstahl
werden so konstruiert, dass sie in die Aussparungen der beweglichen und festen Formrahmen
eingesetzt und durch die Zwischenplatte (3) und die Aufspannplatte (8) befestigt
werden. Bei solcher Auslegung der Druckgießform lassen sich einerseits steife Formrahmen
zur Aufnahme der Formeinsätze aus einem vergüteten Werkzeugstahl fertigen,
andererseits lassen sich die Formeinsätze bei Beschädigungen sehr leicht austauschen.
Die Druckgießform wird dadurch mit einem geringen Aufwand hergestellt.
Die Hohlräume und Löcher im Gussstück, die in der Öffnungsrichtung der Druckgießform
liegen, werden durch die in den Formeinsätzen festsitzenden Kerne (12 und
13) geformt. Die unrunden oder asymmetrischen Kerne müssen gegen eine Drehbewegung
gesichert werden. Zur Ausformung von Bohrungen, Aussparungen, Durchbrüchen,
Stegen und Rippen, die an den Außenkonturen des Gussstücks liegen und nicht in die
Öffnungsrichtung der Druckgießform verlaufen dürfen, sind die beweglichen Kerne
oder die Schieber erforderlich. Der bewegliche Kern (10) muss beim Druckgießen
beständig im Formhohlraum bleiben und beim Öffnen der Druckgießform durch einen
eigenen Arbeitsgang aus der Hinterschneidung des Gussstücks gezogen werden, sodass
er das Gussstück zur Entformung freigibt. Zum Druckgießen wird der Schieber wieder
in die Gießstellung geschoben und verriegelt. Der Schieber kann in den Schieberkörper
(5) und den beweglichen Kern oder den Schiebereinsatz (10) eingeteilt oder aus einem
Stück des Warmarbeitsstahls gefertigt werden. Der Sitz des Schiebers und der Schieberführung
mit Verriegelung befindet sich üblicherweise im beweglichen Formrahmen

Gesamtüberblick über das Konstruieren der Druckgießformen 29
(4). Das Lösen und Einfahren des Schiebers geschieht durch die Schrägsäule (9), die im
festen Formrahmen (7) unter einer Neigung einbaut ist und in eine Bohrung des Schieberkörpers
(5) eingreift. Die Neigung der Schrägsäule darf nicht mehr als 20° betragen,
da sonst die Reibung und die Kräfte an der Schrägsäule so groß werden, dass mit frühzeitigen
Störungen im Betrieb der Druckgießform zu rechnen ist.
Durch die geradlinige Bewegung der Formhälfte beim Öffnen der Druckgießform
wird der Schieber zwangsläufig über die Schrägsäule (9) nach außen bewegt und beim
Schließen der Druckgießform wieder in die Gießposition eingefahren. Die Schrägsäule
kann in der Regel nach vollständigem Öffnen der Druckgießform mit dem Schieberkörper
nicht im Eingriff bleiben, wenn die bewegliche Formhälfte einen langen Hub
macht. In diesem Fall kann der Schieber unter dem Eigengewicht nach unten gleiten,
jedoch darf die Druckgießform dadurch nicht geschlossen werden. Um einen ausgefahrenen,
von der Schrägsäule gelösten Schieber im offenen Zustand der Druckgießform
zu fixieren, werden in der Regel die federnden Druckstücke angewandt. Das bewegliche
Element des federnden Druckstücks sichert den Schieber gegen die unbeabsichtigte Verschiebung
beim vollständigen Öffnen der Druckgießform nach unten. Beim Schließen
der Druckgießform wird der Schieber zwangsläufig nach unten in den Formhohlraum
gezogen und durch einen normalen Keil oder die Schrägsäulenaufnahme (6) mit einer
keilförmigen Schließfläche in der Gießstellung verriegelt. Dadurch werden die beim
Druckgießen auftretenden Kräfte nicht vom flüssigen Metall auf die gesamte Stirnfläche
des beweglichen Kerns (10) des Schiebers verschoben und die Schrägsäule (9) nicht
belastet. Die Schieber müssen mit entsprechenden Toleranzen gefertigt werden, ausreichend
lange Führungselemente besitzen und beim Druckgießen unbedingt fest sein. In
der Praxis werden häufig die mechanischen Kernzieheinrichtungen mit Schrägsäulen
angewandt, haben jedoch einen beschränkten Hub. Bei gewünschten langen Hüben und
großen Schrumpfkräften, die beim Ziehen des Schiebers aus dem Gussstück entstehen,
werden Schieber mit hydraulischen Arbeitszylindern konstruiert.
Um eine sanfte Umleitung der Schmelze bei der Richtungsänderung um 90 ° in das
Gießlaufsystem zu erzielen, wird der austauschbare Eingussverteiler (17) im beweglichen
Formrahmen (4) eingebaut. Die Schmelze wird weiter durch den Gießlauf von
der Eingussbohrung aus zum Anschnitt und in den Formhohlraum geleitet. Damit muss
der Verbindungskanal zwischen der Eingießbuchse (15) und dem Formhohlraum strömungstechnisch
als Ganzes entwickelt werden, um Wirbel und Strömungsablösungen
im Gießlaufsystem zu verringern. Der Eingussverteiler (17) und die Eingießbuchse (15)
gehören zu den hoch beanspruchten Bauteilen der Druckgießform und müssen temperiert
werden.
Da die Entformung des Gussstücks durch eine auf der Rückseite der beweglichen
Aufspannplatte der Druckgießmaschine angeordnete Auswerfereinheit geschieht, wird
das Auswerfersystem der Druckgießform in einem Raum der beweglichen Formhälfte
zwischen der Aufspannplatte (1), der Zwischenplatte (3) und den Distanzleisten (2)
angeordnet. In diesem Raum muss genügend Platz für den Einbau und den Hub der
Auswerferplatten (21 und 22) sein, die miteinander verschraubt werden. Außerdem
muss genügend Platz für die Führungen aus den Führungsbolzen (26) und den Füh-

30 Kapitel 1
Bild 1.2:Beispiele von Druckgießformen
(Uddeholm, CM Europa Stampi s.r.l.,
WEFOMA Werkzeug- und Formenbau
GmbH)

Gesamtüberblick über das Konstruieren der Druckgießformen 31
rungsbuchsen (25) sowie die Stützbolzen (24) vorhanden sein, um eine gute Führungssicherheit
der Auswerferplatten zu erzielen. Die Auswerferstifte (23) mit zylindrischen
und rechteckigen Köpfen, die zwischen den Auswerferplatten (21 und 22) befestigt
sind, werden durch die Bohrungen in der Zwischenplatte (3), dem Formeinsatz (14)
sowie dem Eingussverteiler (17) geführt und bei der Gussstückentformung auf die Gussstückoberflächen
und das Gießlaufsystem gearbeitet. Das Gussstück muss damit in der
Druckgießform so angeordnet werden, dass es durch ausreichend große Schrumpfkräfte
am Formeinsatz und den festen Kernen beim Öffnen der Druckgießform in der beweglichen
Formhälfte verbleibt. Somit wird es bei der geöffneten Druckgießform von den
Auswerferelementen mitgenommen und aus der beweglichen Formhälfte ausgestoßen.
Die Auswerferelemente werden so verteilt, dass sie das noch heiße und plastische Gussstück
relativ leicht ohne Beschädigungen und Verformungen entformen. Hierbei muss
besonders auf die Flächenpressung bei der Gussstückentformung geachtet werden, um
die Verformung der kleinen Gussstückquerschnitte zu vermeiden.
Nach der Gussstückentformung wird das Auswerferpaket aus den Auswerferplatten
(21 und 22) mit vorgeschobenen Auswerferelementen beim Schließen der Druckgießform
rechtzeitig wieder in seine Anfangslage zurückgeführt. Entsteht während der
Produktion auf der Druckgießmaschine ein Programmierfehler, ist es möglich, dass die
Auswerferelemente beim Schließen der Druckgießform auf die Gravuroberfläche der
festen Formhälfte anfahren und zerstört werden können, wenn das Auswerferpaket in
der Endposition der Gussstückentformung verbleibt. Um die Ausgangstellung des Auswerferpakets
sicherzustellen und solche Fälle auszuschließen, erfolgt beim Schließen
der Druckgießform die Rückbewegung des Auswerferpakets durch die Rückdruckstifte
(27). Die Rückdruckstifte werden zwischen den Auswerferplatten (21 und 22) befestigt,
durch die Bohrungen in der Zwischenplatte (3) und dem beweglichen Formrahmen
außerhalb des Formeinsatzes durchgeführt und mit der Formteilebene verbunden. Die
Stirnseiten der Rückdruckstifte müssen bei der geschlossenen Druckgießform genau
der Formteilebene angepasst werden. Beim Schließen der Druckgießform drücken die
Rückdruckstifte das Auswerferpaket automatisch zurück, dadurch werden die Auswerferelemente
der Gravuroberfläche der festen Formhälfte nicht berührt. Damit wird ein
sicheres Rückziehen des Auswerferpakets erreicht. Die Rückführung des Auswerferpakets
in die Ausgangsstellung durch die Auswerfereinheit der Druckgießmaschine lässt
sich auch hydraulisch betätigen.
Die Beherrschung der thermischen Vorgänge in der Druckgießform stellt einen wichtigen
Faktor beim Druckgießen dar. Nach der Auslegung des Auswerfersystems ist daher
als Nächstes eine fachgerechte Temperierung der Druckgießform vorzunehmen, um im
Entwurfsstadium der Druckgießform die Temperierkanäle und Temperierelemente in den
Formhälften richtig festzusetzen. Ein intelligentes Temperierkonzept hilft, die Zykluszeit
zu reduzieren sowie eine homogene Temperaturverteilung in der Druckgießform,
die Sicherung einer gleichmäßig hohen Druckgussteilgüte und eine hohe Standzeit der
Druckgießform zu gewährleisten. Die Formtemperatur ist für die Wärmeableitung der
Schmelze sowie die Erstarrung und Abkühlung des Gussstücks in der Druckgießform
von entscheidender Bedeutung. Die Temperierkanäle und die Temperierelemente sollten

32 Kapitel 1
in den Formeinsätzen, für feste Kerne und die Schieber sowie den Eingussverteiler und
der Eingießbuchse vorgesehen werden. Da die Formeinsätze im beweglichen Formrahmen
nicht immer genügend Platz bereit halten, können erforderliche Auswerferelemente
und durchgehende Temperierkanäle nicht immer optimal angeordnet werden. In Bild 1.2
sind drei Beispiele von Druckgießformen dargestellt, die eine Komplexität dieser Art
von Werkzeugen zeigen.
1.2 Verbindung zwischen der Auswerfeinheit der Druckgießmaschine
und dem Auswerferpaket der Druckgießform
Zum Antrieb des Auswerferpakets der Druckgießform und der Entformung des Gussstücks
bei der geöffneten Druckgießform verfügt die betreffende Druckgießmaschine
mit horizontaler Kaltkammer über eine Auswerfereinheit, die sich hinter der beweglichen
Aufspannplatte der Druckgießmaschine befindet (Bild 1.3). Die hydraulisch
betätigte Auswerfereinheit besteht aus dem Auswerfertisch, den zwei außermittig angeordneten
Auswerferzylindern, die mit dem Auswerfertisch verbunden sind, und vier
Führungssäulen. Die Kolbenstangen der Auswerferzylinder sind an der Aufspannplatte
der Druckgießmaschine befestigt, und die Bewegung des Auswerfertisches wird auf
vier Führungssäulen durch die zwei Auswerferzylinder gesteuert. Bei der beweglichen
Aufspannplatte der Druckgießmaschine wird eine große Anzahl von Bohrungen für
die Auswerferbolzen vorgesehen, die in senkrechten Reihen angeordnet werden. Die
richtige Anordnung der Auswerferbolzen sichert eine optimale Übertragung der Auswerfkraft
von der Auswerfereinheit der Druckgießmaschine zum Auswerferpaket der
Druckgießform. Die Anordnung, der Durchmesser und die Länge der Auswerferbolzen
werden aus den technischen Daten der Druckgießmaschine und der Konstruktion der
Druckgießform ausgelegt.
In Bild 1.4 ist eine Verbindung zwischen der Auswerfereinheit, den Auswerferplatten
(7 und 8) und der Druckgießform dargestellt. Die Auswerferbolzen (2) der
Druckgießmaschine werden am Auswerfertisch (1) an einem Ende befestigt und an
den Anschlussstücken vom anderen Ende berührt oder verschraubt. Die Zweiteiligkeit
des Auswerferbolzens, einerseits der Auswerferbolzen (2) der Druckgießmaschine und
andererseits des Anschlussstücks (4), ermöglicht es, das Auswerferpaket funktionsgerecht
einzusetzen. Die Auswerferbolzen werden mit einer konstanten Länge gefertigt
und verbleiben fest auf der Druckgießmaschine. Die Verlängerung dieser Auswerferbolzen
wird durch die Anschlussstücke, die von der Konstruktion der Druckgießform
abhängen, erreicht. Das Anschlussstück kann durch den Bund zwischen den Auswerferplatten
oder das Gewinde in der Auswerfergrundplatte (8) befestigt werden. Bei der
Betätigung der Auswerfereinheit der Druckgießmaschine drückt der Auswerfertisch (1)
durch die Auswerferbolzen (2) und die Anschlussstücke (4) auf die Auswerferplatten
und bewegt das gesamte Auswerferpaket der Druckgießform vorwärts. Die Rückbewegung
des Auswerferpakets erfolgt beim Schließen der Druckgießform selbsttätig durch
die Rückdruckstifte (6). Vor dem Schließen der Druckgießform kann das Auswerferpa-

Gesamtüberblick über das Konstruieren der Druckgießformen 33
Bild 1.3: a) Auswerfereinheit der Druckgießmaschine, b) bewegliche Aufspannplatte
der Druckgießmaschine mit Bohrungen für die Auswerferbolzen