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Die Formel für die Strömungs­geschwindigkeit

Bei der Herstel­lung von Druck­guss­teilen ist die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit die wich­tigste Einfluss­größe.


Stefan Magerl (links), Entwick­lungs­in­ge­nieur im Bereich Platt­form­ent­wick­lung bei ebm-papst Landshut und Remo Fedele (rechts), Entwick­lungs­in­ge­nieur im Bereich Vorent­wick­lung bei ebm-papst Mulfingen

Beim Druck­guss wird die Schmelze mit hoher Geschwin­dig­keit und großem Druck in eine Form gepresst. Die Geschwin­dig­keit der Schmelze im Anschnitt va liegt übli­cher­weise zwischen 30 und 60 m/s. Gieß­drücke errei­chen Werte zwischen 400 und 800 bar. Hohe Form­füll­ge­schwin­dig­keit und Drücke ermög­li­chen es, Guss­teile mit großer Maßge­nau­ig­keit und sehr guter Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit herzu­stellen. Im Hohl­raum der Dauer­form entsteht der spezi­fi­sche Gieß­druck. Je höher er ist, umso höher ist die Anschnitt­ge­schwin­dig­keit.

Bei der Berech­nung des Gieß­drucks gilt es jedoch zu berück­sich­tigen, dass Strö­mungs­wi­der­stände an Quer­schnitts- und Rich­tungs­än­de­rungen, Ecken, Kanten und der Wand­rau­hig­keit auftreten, die über­wunden werden müssen. Diese Wider­stände werden durch eine dimen­si­ons­lose Kenn­zahl, den Wider­stand­ko­ef­fi­zi­enten φ, berechnet. Nach der Bernoulli-Glei­chung p=( va2)/(2 φ2) exis­tiert ein Zusam­men­hang zwischen Metall­druck und Anschnitts- bezie­hungs­weise Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit.

Bei nied­riger Geschwin­dig­keit besteht die Gefahr, dass der Anschnitt erstarrt, bevor sich die Nach­ver­dich­tung des flüs­sigen Metalls im Form­hohl­raum mit einem hohen Nach­druck auswirkt. Sie führt außerdem zu einer Ungleich­mä­ßig­keit im Strahl­ge­füge, wie beispiels­weise Schlacke- oder Oxid­teil­chen, und zu örtli­chen Verstop­fungen. Aller­dings verur­sa­chen nied­rige Strö­mungs­ge­schwin­dig­keiten weniger Turbu­lenz und sind für die Gasab­fuhr aus dem Form­hohl­raum günstig.

Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit

Darstel­lung der Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit

Höhere Strö­mungs­ge­schwin­dig­keiten bewirken durch lokalen Verschleiß und Kavi­ta­ti­ons­bil­dung eine Einschrän­kung der Lebens­dauer der Gieß­form. Mit ihnen erhalten Guss­stücke norma­ler­weise aber glatte Ober­flä­chen und fein­kör­niges Gefüge.

Je nach Gieß­werk­stoff und Guss­stück ist es daher wichtig, einen entspre­chenden spezi­fi­schen Druck zu wählen, um ein Guss­teil mit opti­maler Qualität zu bekommen. Dabei hilft eine Gieß­si­mu­la­tion. Diese nume­ri­sche Simu­la­tion ist vor allem eine mathe­ma­ti­sche Beschrei­bung der Bernoulli-Glei­chung. Sie stellt die Zusam­men­hänge von Druck und Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit in Abhän­gig­keit von der opti­malen Gieß­tem­pe­ratur der verschie­denen Legie­run­gen­gra­fisch dar. Die Ergeb­nisse erlauben, Bauteile und Werk­zeuge optimal zu gestalten.

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  • Mazl sagte am :

    Guter Beitrag, danke dafür. Mich würde jedoch inter­es­sieren wie sie den Wider­stand­ko­ef­fi­zi­enten berechnen?

    • Katrin Lindner sagte am :

      Guten Tag,

      vielen Dank für den Kommentar. Hier die Erläu­te­rung unseres Experten: „Der Wider­stands­ko­ef­fi­zient ist eine dimen­si­ons­lose Zahl und wird für die erste Ausle­gung ledig­lich abge­schätzt. Ein Wider­stands­ko­ef­fi­zient von 1,0 würde hier „kein Wider­stand“ bedeuten, je kleiner die Zahl desto größer der Wider­stand. Die Werte liegen bei übli­chen Druck­guss­werk­zeugen zwischen 0,6 und 0,8. Je mehr Umlen­kungen im Gieß­lauf sind, desto größer der Wider­stand (= klei­nerer Koef­fi­zient).“

      Viele Grüße, Ihr mag-Team