Druckgießen

Beim Druckgießen wird in sehr kurzer Zeit mit sehr hohen Drücken die Formfüllung vorgenommen. Dabei wirken sehr große Kräfte auf die Form. Diese Kräfte müssen durch das Werkzeug und vor allem durch die Druckgießmaschine aufgenommen werden. Je nach Höhe der wirkenden Sprengkräfte Fsp wird dann die Auswahl der Druckgießmaschine vorgenommen. Dabei ist der wichtigste Parameter die Formschließkraft bzw. Zuhaltekraft FZ. Heute haben Druckgießmaschinen bereits Formschließkräfte bis 61.000 kN. Dieser Wert wird sich in den nächsten Jahren noch erhöhen, falls es erforderlich ist.

Für die Berechnung der Formschließkraft (Zuhaltekraft) ist es erforderlich einen Gießdruck pG auszuwählen, der vom verwendeten Gießwerkstoff und der späteren Belastbarkeit der Bauteile abhängt. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt diesen Zusammenhang.

 

Klasse

GD-AI

GD-Mg

GD-Zn

GD-Cu

I - Standard-Teile350350150350
II - Technische Teile450450250450
III - Druckdichte Teile900900350900


Tabelle 1: Richtwerte für mittlere Gießdrücke pG in bar

 

Das Zusammenwirken der Kräfte beim Druckgießen zeigen die nachfolgenden Grafiken:

Man unterscheidet zwei Kräfte, die auf die Formschließkraft  FZ Einfluss haben:

Die Kräfte, die durch den Druck der Schmelze auf die Schieber entstehen, werden als Kernzugkräfte FK bezeichnet.

Damit die Schieber während der Formfüllung nicht aus der Form gedrückt werden, werden sie beim Schließen der Form verriegelt (Siehe Grafik Entstehung der Nebenkräfte).

Einfluss auf die Höhe der Schieberkräfte Fsch hat der Winkel der Verriegelung α. Er wird deshalb für die Berechnung mit berücksichtigt.

Berechnungsformeln für das Druckgießen

Berechnung der Formschließkraft FZ

Der Faktor 1,2 bedeutet 20% für die Sicherheit.

Berechnung der Sprengkraft Fsp in kN

(siehe Tabelle 2) mit

Der Faktor 1,3 ist ein Zuschlag von 30%, der sich aus der Fläche für Anschnitte und Überläufe oder Entlüftungskanäle ergibt.

Berechnung der Schieberkräfte Fsch und der Kernzugkraft FK in kN

mit

und

Unter einer projizierten Fläche Aproj oder  AKproj versteht man Flächen, die sich ergeben würden, wenn man rechtwinklig auf die Teilungsebene der Form sieht. Es entsteht ein zweidimensionales Bild des Formhohlraums.

Beim Berechnen der auftretenden Kräfte ist besonders auf die Maßeinheiten der physikalischen Größen zu achten. Für die Berechnungen mit den o. g. Gleichungen sind die in der Tabelle 2 enthaltenen Einheiten zu verwenden.

Physikalische Größe

Einheit

Aprojcm2
Akprojcm2
pGbar (1bar = 10 N/cm2)
FZkN
FSpkN
FKkN
FSchkN


Tabelle 2: Angabe der Physikalischen Größen

Berechnungsbeispiel

Der dargestellte Druckgussdeckel besteht aus EN AC-AlSi9Cu3(Fe)und soll auf einer Kaltkammer-Druckgießmaschine gefertigt werden. Das Formnest ist so konstruiert, dass 4 Teile mit einem Schuss gefertigt werden können. In der beweglichen Formhälfte sind 4 feste Kerne mit Ø8 mm und ein fester Kern mit Ø30 mm. Der Kern mit Ø40 mm ist in der festen Formhälfte angeordnet.

Das Teil ist der Belastungsklasse II – Technische Teile – zugeordnet.

Bei diesem Teil liegen alle Kerne in Öffnungsrichtung des Werkzeugs, so dass keine beweglichen Kerne erforderlich sind.

Berechnen Sie die erforderliche Formschließkraft FZ (Zuhaltekraft) für das oben abgebildete Teil.

Schritt 1
Zusammenstellung der benötigten Formeln

Formschließkraft:

Da keine Schieber vorhanden sind, wird die Schieberkraft gleich 0 gesetzt.
Somit vereinfacht sich die Formel für FZ zu FZ = 1,2 • FSp

Sprengkraft:

Schritt 2
Sprengkraft Fsp berechnen. 
Dazu ist es nötig, vorher die projizierte Fläche für ein Gussstück zu berechnen. In diesem Fall wird die Fläche wie die Vorderansicht der Zeichnung gebildet, jedoch ohne Berücksichtigung des Ø40, da wir nur mit der projizierten Fläche rechnen!

Schritt 3
Nun wird die Gesamtfläche aufgeteilt in Teilflächen. 
Dort wo Kerne die Durchbrüche im Werkstück schaffen, entsteht kein Druck, so dass sie von der Fläche abgezogen werden müssen.

Berechnung der projizierten Fläche:

AGrund = Aquadrat = a²    
Adiff = Abzüge durch Verrundungen
A8 = AKreis mit Ø8 mm
A30 = Akreis mit Ø30 mm

Aproj = Agrund – Adiff – 4 • A8 – A30
Da auch hier auf die Maßeinheiten zu achten ist, werden alle Längenmaße in cm umgerechnet!

Agrund= (8 cm)² = 64 cm²
Adiff = wenn man von einem Quadrat einen Kreis subtrahiert, so bleiben die vier Eckstücke übrig!

Adiff = (2 cm)² - (π/4) • (2 cm)² = 0,86 cm²    
A8 =  (π/4) • (0,8 cm)² • 4 = 2,01 cm²
A30 = (π/4) • (3 cm)² = 7,07 cm²
Aproj = Agrund -  Adiff - A8 - A30 = 64 cm²-0,86 cm²-2,01 cm²-7,07 cm² (für ein Teil)

Lösung:

Aproj = 54,06 cm²

Schritt 4
Berechnung der Sprengkraft

(4 Teile) 

Lösung:

Fsp = 1265,0 kN

Schritt 5
Berechnung der Formschließkraft

FZ = 1,2 • FSp = 1,2 • 1265,0 kN

Lösung:

FZ = 1518 kN

Übungsaufgaben

Grundlage für das Lösen der 3 folgenden Aufgaben ist die Beispielrechnung zum Thema Druckgießen. Wenn Sie die Reihenfolge der Abarbeitung solcher Aufgaben nachvollziehen, dann sollten die Aufgaben auch lösbar sein.

Aufgabe 1:

Die Zeichnung stellt einen Hebel dar, der als Druckgussteil aus EN AC-AlSi12(Fe) gefertigt werden soll. Die Anforderungen an den Hebel sind der Kategorie II – Technische Teile – zuzuordnen. Mit einem Schuss sollen vier Teile gegossen werden.
Auf Radien und Formschrägen wurde in der zeichnerischen Darstellung verzichtet.

Berechnen Sie die projizierte Fläche Aproj, die Sprengkraft Fsp und die Formschließkraft FZ!

 

Ergebnisse zum Vergleich:  
Aproj = 130,24 cm²
Fsp = 761,9 kN
FZ = 914,28 kN

Aufgabe 2:

Der abgebildete Achshalter soll durch Druckgießen hergestellt werden. Als Werkstoff wird eine Aluminium-Druckgusslegierung mit der numerischen Bezeichnung EN AC-46000 verwendet. Die Teile werden der Kategorie „Technische Teile“ zugeordnet. Im Formnest des Werkzeugs sind 4 Teile angeordnet. Der Verriegelungswinkel beträgt 15°. Die Schieber haben die Form von Rechtecken.
Auf die Darstellung von Radien und Formschrägen wurde verzichtet, da sie für die Berechnung nur eine untergeordnete Rolle spielen.

Aufgaben:
1. Schlüsseln Sie die Werkstoffbezeichnung nach der chemischen Zusammensetzung auf.
2. Berechnen Sie die Sprengkraft Fsp
3. Berechnen Sie die Schieberkräfte FSch
4. Berechnen Sie die Formschließkraft FZ

 

Ergebnisse zum Vergleich:  
zu 1.: Werte können aus dem Tabellenbuch ermittelt werden
zu 2.: Fsp = 1475,84 kN
zu 3.: Fsch = 9,65 kN
zu 4.:  FZ = 1782,59 kN

Aufgabe 3:

Die Druckgussform für den dargestellten Gehäusedeckel ist so konstruiert, dass die Gehäusewandung ohne Platte durch zwei Schieber gebildet wird.
Das Druckgussteil besteht aus EN AC -AlSi12((Fe). Im Formnest soll ein Teil gefertigt werden. Das Teil unterliegt der Kategorie „Technische Teile“ hinsichtlich seiner Verwendung. Für die Verriegelung der beiden Schieber ist ein Verriegelungswinkel von 12° vorgesehen.
Radien und Formschrägen wurden nicht berücksichtigt (Ausnahme R3 für die Augen).

Aufgaben
1. Schlüsseln Sie die Werkstoffbezeichnung nach der chemischen Zusammensetzung auf.
2. Berechnen Sie die Sprengkraft Fsp
3. Berechnen Sie die Schieberkräfte FSch
4. Berechnen Sie die Formschließkraft FZ


Ergebnisse zum Vergleich:  
zu 1.: Werte können aus dem Tabellenbuch ermittelt werden
zu 2.: Fsp = 377,1 kN
zu 3.: Fsch = 50,15 kN

Quelle: 

Mit freundlicher Genehmigung von

Raimund Schmidt  
Berufliches Schulzentrum "Otto Lilienthal"
Freital-Dippoldiswalde