Mit Gießerkompetenz Bearbeitungskosten sparen

Kontrollierter Abkühlungsverlauf garantiert verzugsfreie Gussprodukte. Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus benötigen vielfach großformatige Gussteile. Bei solch großen Bauteilen verursachte...

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Kontrollierter Abkühlungsverlauf garantiert verzugsfreie GussprodukteUnternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus benötigen vielfach großformatige Gussteile. Bei solch großen Bauteilen verursachte die Kompensation prozessbedingter Maßabweichungen durch Eigenspannungen und Verzug bisher erhebliche Bearbeitungskosten. Neuere Untersuchungen zu den Wirkmechanismen und die Hilfe moderner Simulationsprogramme ermöglichen eine deutliche Einengung dieser Abweichungen. ,,Von vielen Großgussteilen werden nur Einzelstücke oder relativ kleine Serien benötigt. Der Gießer hatte deshalb bisher wenig Möglichkeiten, ihren Herstellprozess zu optimieren", weiß Herbert Werner, Geschäftsführer der Meuselwitz Guss Eisengießerei GmbH. Deshalb mussten aus Sicherheitsgründen entsprechend hohe Bearbeitungszugaben vorgesehen werden, um sicherzustellen, dass es nicht im Verlauf des Gießprozesses zu unzulässigen Abweichungen kommt. Diese Zugaben wurden später bei der Bearbeitung mit hohen Kosten wieder heruntergespant. Zu den wichtigsten Unsicherheitsfaktoren gehören die bei der Abkühlung auftretenden Eigenspannungen im Gussstück, in deren Folge es zu Rissen und damit zu hohen Mehraufwendungen oder sogar zu Ausschuss kommen kann, sowie Verzug. Eigenspannungen können darüber hinaus während der mechanischen Bearbeitung zu weiterem Verzug führen. Besonders kostentreibend wirkt sich dies beim Gießen von Einzelstücken aus, weil bisher keine Möglichkeit bestand, diese Effekte durch Anpassungsmaßnahmen nach Vermessung des ersten Gussteils zumindest teilweise zu kompensieren. Moderne Hilfsmittel zur Ursachenforschung,,Inzwischen verfügt der Gießer über moderne Hilfsmittel, mit deren Hilfe sich Eigenspannungen und Verzug besser vorhersagen und beeinflussen lassen", ergänzt Ralf Bethge, Arbeitsvorbereiter bei Meuselwitz Guss. Ursache beider Phänomene sind Spannungen im Gussteil, die durch Temperaturunterschiede bei der Abkühlung hervorgerufen werden. Dabei kommt es innerhalb eines bestimmten Temperaturfensters zu plastischer Verformung des Werkstoffs. Entscheidend ist daher der Abkühlverlauf des Gussteils und auch seine Verweilzeit in der Form. Eigenspannungen können maßgeblich durch eine Minimierung der Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Gussteilbereichen während der Abkühlung im Temperaturbereich zwischen 600°C und 400°C verringert werden. Das kann durch Konstruktionsänderungen zur Vermeidung von Materialanhäufungen oder aber auch durch partielle Kühlung und/oder Aufheizung der Form ermöglicht werden. Im Rahmen eines Forschungsprogramms ,,Produktion 2000" habe man in enger Zusammenarbeit mit dem Gießerei-Institut der TU Bergakademie Freiberg in den vergangenen Jahren diese Zusammenhänge intensiv untersucht.,,Im Großgussbereich erzeugen wir Bauteile aus Eisengusslegierungen mit einer maximalen Abmessung von 12000 mm 3 4000 mm 3 1600 mm in Gießgruben oder von 14500 mm 3 2500 mm 3 1200 mm im Caisson", sagt Werner. Das Legierungsprogramm umfasst Gusseisen mit Lamellen- (EN-GJL) und mit Kugelgraphit (EN-GJS). Bei solch großen Teilen könne der Verzug ohne weiteres 20 mm und mehr erreichen. In den vergangenen Jahren habe man den Verlauf der Abkühlung bis zum Erreichen der erforderlichen Ausleertemperatur von etwa 150°C in Abhängigkeit von wichtigen Einflussgrößen wie Gesamtgewicht, Modul der Gussteilbereiche, Sperrigkeit des Gusskörpers, thermische Eigenschaften des Formstoffes, Wanddicke der Form, Werkstoff und Ausleertemperatur systematisch untersucht. Bei repräsentativen Gussteilen wurde das Abkühlverhalten mit Temperatursensoren aufgezeichnet. Dabei gelang es, eine quantitative Beziehung zur Berechnung eines Erwartungswertes für die Verformung abzuleiten. Diese theoretische Beziehung wurde anschließend mit Blick auf den Praxiseinsatz verfeinert und zusätzlich theoretisch mit Hilfe des Simulationsprogramms Cast-CAE überprüft. ,,Heute sind wir in der Lage, bereits vor dem ersten Abguss einen recht realistischen Erwartungswert für die Verformung abzuleiten und bei der Fertigung geeignete Gegenmaßnahmen vorzusehen" verrät Werner.Konstrukteur und Gießer arbeiten eng zusammen,,Um optimale Ergebnisse zu erreichen, sollte der Konstrukteur dem Gießer die Möglichkeit der Einflussnahme auf die konstruktive Gestaltung des Gussteils einräumen", sagt Bethge. Bei der Optimierung komme es entscheidend auf das Prozesswissen des Gießers an, denn Ursache für die Schwankungen sind beispielsweise der Fertigungsort (Formkasten oder Formgrube) mit seinen individuellen Abkühlungsverhältnissen, der Einfluss der Temperaturverteilung in der Umgebung und somit auch in der Form, die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Formstoffes, die Ausleertemperatur des Gussstückes in Verbindung mit den konstruktiv vorgegebenen individuellen Abkühlungskriterien der einzelnen verzugsgefährdeten Großgussteile. Der Gießer sei aufgrund seiner Fertigungserfahrung in der Lage, diese Faktoren schon bei der Auslegung der Konstruktion so zu berücksichtigen, dass die Abweichungen weiter minimiert werden können und ein nahezu exakter Wert für die zu erwartende Verformung vor dem ersten Abguss berücksichtigt werden kann. Damit leiste er einen wichtigen Beitrag zur Erzeugung von möglichst endabmessungsnahen Werkstücken. ,,Zur Zeit haben wir einen Stand erreicht, bei dem wir die verzugsbedingten Maßabweichungen bei zahlreichen typischen Gussteilen mit Genauigkeiten zwischen 3 und 5 mm vorhersagen - und entsprechend kompensieren können", freut sich Werner. Dies ermögliche eine deutliche Verringerung der Bearbeitungszu-gaben mit Gewichtsreduzierung, Material- und Energieeinsparungen in der Gießerei sowie erhebliche Verkürzungen der Maschinenbelegungszeiten bei der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung.