Gießkräfte beim Schwerkraftguss

Beim Schwerkraftguss treten Kräfte in verschiedenen Richtungen auf, die Anforderungen an die Stabilität einer Gießform stellen. Sie sind abhängig von der Gestalt des Formhohlraums, der Dichte der Schmelze und ggf. des Kernwerkstoffs, der Höhe des Eingusses bezogen auf den Formhohlraum und der Erdbeschleunigung (Fallbeschleunigung).

Je nach Richtung der wirkenden Kräfte unterscheidet man:

  • nach oben: Kernauftriebskraft FAK, Deckkastenkraft FD und Kernkraft gegen den Deckkasten FKL
  • nach unten: Bodenkraft FB, Kerngewichtskraft FGK und Belastungskraft FBel
  • seitlich: Seitenkraft FS, auf die Darstellung der Seitenkraft wurde hier verzichtet

Bei der Ermittlung der Kräfte beim Sandformguss wird unterschieden zwischen dem Gießen mit und ohne Kerne. 

Gießen ohne Kerne
Die Modelle, die dort zum Einsatz kommen werden als Naturmodelle bezeichnet. Ein Naturmodell entspricht genau dem späteren Gussteil.
Als Kräfte können hier nur Bodenkräfte, Deckkastenkräfte, Seitenkräfte und Belastungskräfte auftreten.

Gießen mit Kernen
Beim Gießen mit Kernen müssen die Kernmarken am Modell berücksichtigt werden sowie Formschrägen, die aber nicht in die Rechnung eingehen.
Als Kräfte können zusätzlich zu den oben genannten Kräften Auftriebskräfte, abhängig von der Dichte des Gießwerkstoffs, Kerngewichtskräfte, Kernkräfte gegen den Deckkasten und Belastungskräfte für den Oberkasten auftreten.
 

Berechnungsformeln:

Bodenkraft: FB= AB • h• ρfl • g

Deckkastenkraft: FD= A• h• ρfl • g

Seitenkraft: FS= A'• hS • ρfl • g

Kernauftriebskraft: FAK = FGS = VS • ρfl • g

Kerngewichtskraft: FGK =  V•  ρ• g 
(VS – vom Kern verdrängtes Metallvolumen!)

Kraft gegen den Deckkasten: FKL = FAK - FGK

Belastungskraft Deckkasten: FBel = s• (FD+FKL)
 

Einheiten für die verwendeten Variablen

 

Variablen

Einheiten

FD – Deckkastenkraft - Druckkraft der Schmelze gegen den Oberkasten

N

FB – Bodendruckkraft der Schmelze

N

FS – Seitendruckkraft der Schmelze

N

FAK – Kernauftriebskraft

N

FGK – Kerngewichtskraft

N

FKL – Kernkraft im Kernlager gegen den Deckkasten (Oberkasten)

N

FGS – Gewichtskraft der vom Kern verdrängten Schmelze

N

FBel – Belastungskraft Deckkasten

N

AD – wirksame Deckfläche Gussstück am Oberkasten

dm²

AB – Bodendruckfläche

dm²

A`S – projizierte seitliche Druckfläche

dm²

A`B – projizierte Druckfläche Boden 

dm²

ρfl – Dichte der Schmelze

kg/dm³

ρK – Dichte des Kernwerkstoffs

kg/dm³

g – Erdbeschleunigung

m/s²

hD – Druckhöhe Abstand Oberkante Einguss - Deckfläche

dm

hB – Druckhöhe Abstand Oberkante Einguss – Boden

dm

hs – Druckhöhe (Abstand Schwerpunkt Seitenfläche zu Oberkante Einguss

dm

VK – Volumen des gesamten Kerns

dm³

VS – vom Kern verdrängtes Schmelzevolumen

dm³

sF – Sicherheitsfaktor (1,2 bis 1,8)

 

 

Beispiel für ein Gussstück ohne Kerne

Auf dem Bild ist eine Scheibe dargestellt, die mithilfe eines Naturmodells gegossen werden soll. Der Werkstoff besteht aus EN-GJL300


 

Berechnen Sie:

  • die Deckkastenkraft FD
  • die Bodenkraft FB und
  • die Belastungskraft FBel

Gegeben: Skizze, Gießmetall, Erdbeschleunigung

Gesucht: FD, FB, FBel


Lösungsweg:

1. Schritt:
Berechnungsformeln für die Berechnung von FD, FB und FBel auswählen

F= A• h• ρfl • g
F= A• h• ρfl • g
FBel = s• (F+ FKL)

 

2. Schritt:
Bestimmung von AD

AD= Kreisring (Ø6 dm – Ø1,8 dm)

AD = 25,73 dm²

 

3. Schritt:
Bestimmung von hD

Die Druckhöhe hD bei nicht abgesetzten Flächen ist der Abstand zwischen der Oberkante des Eingusstümpels und der Berührungsfläche der Schmelze mit der Form.

hD = 2,5 dm – 0,45 dm
hD = 2,05 dm

 

4. Schritt:
Berechnung der Deckkastenkraft FD

FD= A• h• ρfl • g = 25,73 dm² • 2,05 dm • 6,5 kg/dm³ • 9,81 m/s²

FD= 3363,38 N

 

5. Schritt:
Berechnung der Bodenkraft FB

FB= A• h• ρfl • g

Die Schmelze drückt mit zwei unterschiedlichen Höhen auf den Boden des Unterkastens. Es müssen also zur Bestimmung der Bodenkraft zwei Teilkräfte bestimmt werden, die in der Summe die Höhe der gesamten Bodenkraft ergeben.

AB1 = 14,07 dm²

AB2 = 11,66 dm²

 

Druckhöhen der Flächen:

hB1 = 2,5 dm – 0,15 dm    (Siehe Skizze)
hB1 = 2,35 dm
hB2 = 2,5 dm         (Siehe Skizze)

FB1 = AB1 • hB1 •  ρFl • g = 14,07 dm² • 2,35 dm • 6,5 kg/dm³ • 9,81 m/s²
FB1 = 2018,36 N

FB2 = AB2 • hB1 • ρFl * g = 11,66 dm² • 2,5 dm • 6,5 kg/dm³ • 9,81 m/s²
FB2 =1858,75 N

FB = FB1 + FB2 = 2018,36 N + 1858,75 N
FB = 3877,11 N

 

6. Schritt:
Berechnung der Belastungskraft für den Oberkasten

Die Deckkastenkraft drückt in Abhängigkeit von der Dichte des Gießmetalls und der Fläche gegen den Oberkasten, so dass die Gefahr besteht, dass der Oberkasten angehoben werden kann und die Schmelze zwischen den Formhälften austritt. Das muss verhindert werden, indem die Formhälften verklammert werden oder ein Lasteisen auf den Oberkasten gelegt wird. Die Belastungskraft muss also bekannt sein.

FBel = s• (FD + FKL)

(sF: Sicherheitsfaktor zwischen 1,2...1,8; stellt einen Sicherheitszuschlag von 20% bis 80% dar)

FKL = 0, da keine Kerne zum Einsatz kommen; als Sicherheitsfaktor wird 1,5 gewählt (Mittelwert)

FBel = 1,5 • FD  = 1,5 • 3363,38 N

FBel = 5045,07 N


7. Schritt:
Optional kann noch die Masse der Lasteisen bestimmt werden

Damit ist zwar die Belastungskraft bekannt, nicht jedoch die Masse der Lasteisen mLast. Man bestimmt sie aus der allgemeinen Formel: 

F = m • g

mLast = FBel / g = 5045,07 N / 9,81 m/s²  
(1N = 1kg • m/s²)

mLast = 514,28 kg

Redaktion und fachliche Bearbeitung

Raimund Schmidt  
Berufliches Schulzentrum "Otto Lilienthal"
Freital-Dippoldiswalde