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Die
Erfindung betrifft einen Grundplatteneinsatz, wie er beim Gießen von
Kurbelgehäusen
für Verbrennungsmotoren
zum Einsatz kommt.
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Bei
einem Grundplatteneinsatz handelt es sich um einen Bestandteil eines
Gießwerkzeugs
(Kokille), das insbesondere beim Niederdruckgießen von Kurbelgehäusen eingesetzt
wird. Der Grundplatteneinsatz formt dabei den Kurbelraum des Gussteils.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter Grundplatteneinsatz weist folgenden
Aufbau auf. Der Grundplatteneinsatz, der als Kokille die Negativform des
Kurbelraums aufweist, ist hohl ausgeführt. In diesen Hohlraum, der
von einer Öffnung
an der Unterseite zugängig
ist, wird ein Kühleinsatz
eingesetzt und mit dem Grundplatteneinsatz dicht verschweißt. Der
Kühleinsatz
ist von einem Kühlmittelkanal
durchzogen, der sowohl innerhalb des Kühleinsatz als auch in Form
von offenen Kanälen
in der Oberfläche des
Kühleinsatzes
verläuft.
Bohrungen innerhalb des Grundplatteneinsatzes verbinden den Einlass-
bzw. Auslass dieses Kühlmittelkanals
in dem Kühleinsatz mit
einem Zu- bzw. Ablauf
für das
Kühlmittel.
Die Verwendung eines Kühleinsatzes
ermöglicht
auf einfache Weise einen komplexen Verlauf der Kühlmittelkanäle innerhalb des Grundplatteneinsatzes.
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Sowohl
der Grundkörper
des Grundplatteneinsatzes als auch der Kühleinsatz sind aus Stahl gefertigt.
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Dieser
aus dem Stand der Technik bekannte Grundplatteneinsatz eignet sich
lediglich für
den Einsatz eines gasförmigen
Kühlmediums,
beispielsweise Luft. Die Verwendung eines flüssigen Kühlmediums ist aufgrund der
damit verbundenen stärkeren Kühlung nicht
möglich,
da die damit verbundenen starken Temperaturunterschiede zwischen
dem kalten Kühleinsatz
und dem heißen
Grundplatteneinsatz durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zu
erheblichen Schubspannungen führen,
die zu einem Reißen
der Schweißnaht,
mittels der der Kühleinsatz
am Grundplatteneinsatz befestigt und abgedichtet ist, führen kann.
Ein Versagen der Schweißnaht
bewirkt jedoch, dass austretendes Kühlwasser direkt in das unterhalb
des Grundplatteneinsatzes angeordnete Schmelzbecken gelangt, was
zu einer mit einer hohen Unfallgefahr verbundenen explosionsartigen
Reaktion führt.
Durch die Verunreinigung der Schmelze mit austretendem Kühlwasser
sind zudem erhebliche Produktionsausfälle verbunden.
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Grundsätzlich weist
eine Kühlung
eines Grundplatteneinsatzes mittels eines flüssigen Kühlmediums aufgrund der deutlich
besseren Kühlwirkung
erhebliche Vorteile auf. Um geforderte Materialkennwerte im Lagerstuhlbereich
der Kurbelgehäuse zu
erreichen, ist es notwendig, diesen Bereich möglichst schnell abzukühlen und
die Schmelze vom flüssigen
in den festen Zustand zu überführen. Eine
Kühlung
des Grundplatteneinsatzes mit einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise Wasser,
ermöglicht
infolge des deutlich höheren
Wärmeübergangskoeffizienten
gegenüber
Luft einzelne Bereiche am Grundplatteneinsatz gezielt innerhalb
kürzester
Zeit zu kühlen.
Dadurch entstehen am Gussteil wesentlich bessere mechanische Kennwerte.
Zudem besteht eine deutlich verringerte Gefahr von Materialanhaftungen an
dem Grundplatteneinsatz, da dieser kälter betrieben wird. Der damit
verbundene geringere Verschleiß am
Werkzeug senkt die Produktionskosten durch eine längere Lebensdauer
des Grundplatteneinsatzes sowie längerer Wartungszyklen der Werkzeuge.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe
zugrunde, einen verbesserten Grundplatteneinsatz bereitzustellen,
der eine sichere Kühlung
mittels eines flüssigen Kühlmediums
gestattet.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Grundplatteneinsatz gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der untergeordneten Patentansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, einen Grundplatteneinsatz derart auszuführen, dass
dieser eine von oben zugängliche
Aufnahme für
den Kühlereinsatz
aufweist.
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Hierbei
geht die Erfindung davon aus, dass der erfindungsgemäße Grundplatteneinsatz
oberhalb eines Schmelzbeckens angeordnet ist. Demnach weist der
erfindungsgemäße Grundplatteneinsatz
einen Grundkörper
auf, in das eine Aufnahme für
einen Kühleinsatz
integriert ist, wobei die Aufnahme von der dem Schmelzbecken abgewandten
Seite zugänglich
ist.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Grundplatteneinsatzes ermöglicht,
dass dieser an seiner Unterseite und folglich an der dem Schmelzbecken
zugewandten Seite vollständig
geschlossen ausgeführt
sein kann. Ein mit einer hohen Unfallgefahr verbundener Austritt
von Kühlflüssigkeit
in das Schmelzbecken kann auf diese Weise wirksam verhindert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt der Kühleinsatz einen Abschnitt des
Grundplatteneinsatzes selbst dar. Vorzugsweise handelt es sich hierbei
um den oberen Abschnitt des Grundplatteneinsatzes. Diese Ausgestaltung
des Grundplatteneinsatzes ermöglicht
auf vorteilhafte Weise, die Kühlmittelkanäle, die – um einen
Austritt von Kühlflüssigkeit
in die Schmelze zu vermeiden – vollständig innerhalb
des Kühleinsatzes
verlaufen müssen,
möglichst
nah an die der Schmelze angrenzende Oberfläche heranzuführen.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht somit vor, dass zumindest ein Abschnitt
des Kühleinsatzes
eine Form aufweist, die der Negativform des zu gießenden Kurbelraums
entspricht. Ein solcher Kühleinsatz
ist vorzugsweise ferner mit einem Steg versehen, der in eine korrespondierende,
vorzugsweise (nahezu) vertikal verlaufende Aufnahme des Grundkörpers des
Grundplattteneinsatzes eingeschoben ist, um eine formschlüssige Verbindung
zwischen dem Kühleinsatz
und dem Grundkörper
sicherzustellen. Vorzugsweise sind bei dieser Ausführungsform
der Ein- und Auslass für
das Kühlmittel
in dem Steg des Kühleinsatzes
angeordnet. In Verbindung mit entsprechenden Bohrungen innerhalb
des Grundkörpers,
die den Ein- und Auslass für
das Kühlmittel
mit der Umgebung verbinden, kann eine einfache Versorgung des Kühleinsatzes mit
einem Kühlmittel
erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Grundplatteneinsatz zumindest
einen Kühlmittelzulauf
und einen Kühlmittelablauf
auf, die innerhalb der Bohrungen des Grundkörpers angeordnet sind. Der
Kühlmittelzulauf
und/oder Kühlmittelablauf
ist vorzugsweise über
Verbindungsmittel mit dem Einlass und/oder Auslass für das Kühlmittel
verbunden. Hierzu können beispielsweise
Gewindeverbindungen vorgesehen sein, so dass der Kühlmittelzulauf
und/oder Kühlmittelablauf
in den vorzugsweise in dem Kühleinsatz vorgesehenen
Einlass und Auslass für
das Kühlmittel eingeschraubt
wird.
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Schraubverbindungen
zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei einfacher Herstellbarkeit
eine feste, gegen ungewolltes Lösen
gesicherte und – gegebenenfalls
in Verbindung mit einem zusätzlichen Dichtelement – eine hinreichend
dichte Verbindung sicherstellen.
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Der
erfindungsgemäße Grundplatteneinsatz weist
daher in einer bevorzugten Ausführungsform ein
Dichtelement zum Abdichten der Verbindung zwischen dem Kühlmittelzulauf
und dem Einlass für
das Kühlmittel
und/oder zum Ab dichten der Verbindung zwischen dem Kühlmittelablauf
sowie dem Auslass für
das Kühlmittel
auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Kühleinsatz mit dem Grundkörper des
Grundplatteneinsatzes verschraubt. Anders als beispielsweise die
aus dem Stand der Technik bekannte Schweißverbindung zeichnet sich eine
Schraubverbindung durch eine Elastizität aus, die die unterschiedlichen
Wärmeausdehnungen
des kalten Kühleinsatzes
sowie des heißen
Grundplatteneinsatzes unbeschadet kompensieren kann. Für die Schraubverbindung
zwischen Kühleinsatz
und Grundplatteneinsatz weist der Grundkörper vorzugsweise vertikale
Bohrungen auf, die der Aufnahme von Schrauben dienen. Der Kühleinsatz weist
hierfür
entsprechende Innengewinde auf. Die Gewinde und folglich die entsprechende
Kontaktfläche
zwischen dem Grundkörper
und dem Kühleinsatz
ist vorzugsweise oberhalb des Einlasses sowie des Auslasses für das Kühlmittel
angeordnet, so dass im Fall einer Undichtheit im Bereich der Kühlmittelzufuhr
ein Entweichen von Kühlflüssigkeit über den
Spalt an der Verbindungsstelle zwischen Grundplatteneinsatz und
Kühleinsatz
sowie die senkrechten Bohrungen zur Aufnahme der Schrauben in das unterhalb
des Grundplatteneinsatzes angeordnete Schmelzbecken wirksam verhindert
werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Grundplatteneinsatz eine nach
unten abschließende
Keramikplatte auf, die diesen von dem darunter angeordneten Schmelzbecken
thermisch isoliert, um eine lokal große Erwärmung an der Unterseite des
Grundplatteneinsatzes zu vermeiden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt
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1 einen
Grundplatteneinsatz gemäß dem Stand
der Technik in einer Explosionsdarstellung,
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2 Grundplatteneinsatz
der 1 in einer Seitenansicht,
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3 den
Grundplatteneinsatz der 1 in einer Schnittansicht entlang
der Schnittlinie A-A,
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4 einen
erfindungsgemäßen Grundplatteneinsatz
in einer Explosionsdarstellung und
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5 den
Grundplatteneinsatz gemäß 4 in
einer Seitenansicht,
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6 den
Grundplatteneinsatz der 4 in einer Schnittansicht entlang
der Schnittlinie A-A in 6 und
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7 den
Grundplatteneinsatz der 4 in einer Schnittansicht entlang
der Schnittlinie B-B in 6.
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Ein
Grundplatteneinsatz gemäß dem Stand der
Technik ist in den 1 bis 3 dargestellt. Dieser
besteht aus einem Grundkörper 2', einem Kühleinsatz 3', der in eine
entsprechende, von unten zugängliche
Aufnahme des Grundkörpers 2' eingeschoben
wird, und einer Keramikplatte 4', die den Grundplatteneinsatz 1' thermisch von
der darunter befindlichen Aluminiumschmelze 5' isoliert.
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Der
dargestellte Grundplatteneinsatz 1' stellt einen Abschnitt der Kurbelraumkontur
des zu gießenden
Kurbelgehäuses
dar. Der vollständige
Kurbelraum entsteht dadurch, dass eine Mehrzahl der dargestellten
Grundplatteneinsätze 1' (häufig vier
bis sechs) an ihrer Breitseite anliegend hintereinander aufgereiht
und umgossen werden. Auf diese Weise entsteht ein Kurbelraum mit
einem nahezu quadratischen Querschnitt, der – entsprechend der Anzahl aneinander
gereihter Grundplatteneinsätze – von mehreren
Querstreben durchzogen ist, die als Lagerschale für die Kurbelwelle
dienen.
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Der
Kühleinsatz 3' besteht aus
(Werkzeug-)Stahl und weist die Form eines Quaders mit abgerundeten
Kanten auf. In den Kühleinsatz 3' sind Kühlmittelkanäle 6' integriert,
die sowohl innerhalb (vgl. 3) verlaufen
als auch in dessen Oberfläche integriert
sind (vgl. 1).
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Wie
in 3 ersichtlich ist, schließt der Kühleinsatz 3' allseitig bündig mit
dem Grundkörper 2' ab. Eine feste
Verbindung zwischen dem Grundkörper 2' und dem Kühleinsatz 3' wird mittels
einer Schweißnaht 7' erzielt. Diese
dichtet den Grundplatteneinsatz 1' zudem gegen ein Austreten des
Kühlmediums,
das dem Kühleinsatz 3' über Bohrungen 8' in dem Grundkörper 2' zu- bzw. abgeführt wird,
ab.
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In
den 4 bis 7 ist eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Grundplatteneinsatzes
dargestellt.
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Diese
weist einen Grundkörper 2 des
Grundplatteneinsatz 1 mit einer senkrecht verlaufenden Aufnahme
für den
Kühleinsatz 3 auf.
In diese Aufnahme des Grundkörpers 2 des
Grundplatteneinsatzes 1 wird der Kühleinsatz 3 von oben
eingeschoben, wobei der Kühleinsatz 3 aus
einem der Aufnahme korrespondierenden Abschnitt und einem weiteren,
oberen Abschnitt, der aufgrund seiner äußeren Kontur selbst einen Teil
des Grundplatteneinsatzes darstellt, besteht.
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Innerhalb
des Kühleinsatzes 3 sind
Kühlmittelkanäle 6 angeordnet,
die für
eine Kühlung,
insbesondere des thermisch hoch belasteten oberen Bereichs des Grundplatteneinsatzes 1 sorgen.
Die Kühlmittelversorgung
erfolgt mittels eines Kühlmittelzulauf- 9 sowie
eines Kühlmittelrücklaufrohrs 10,
die innerhalb entsprechender Bohrungen 8 in dem Grundkörper 2 des
Grundplatteneinsatzes 1 angeordnet sind und die über Schraubverbindungen
fest und dichtend mit dem Ein- bzw. Auslass für das Kühlmedium in dem Kühleinsatz 3 verbunden
sind. Eine betriebssichere Verbindung zwischen dem Grundkörper 2 des
Grundplatteneinsatzes 1 sowie dem Kühleinsatz 3 erfolgt über vier
Schraubverbindungen, die in zwei Ebenen parallel zur derjenigen,
die durch die Längsachsen
der Kühlmittelkanäle des Kühleinsatzes
gebildet wird, verlaufen. Die von unten einzusetzenden Schrauben 11 sind
in Aufnahmebohrungen 12 des Grundkörpers 2 des Grundplatteneinsatz 1 angeordnet
und greifen in entsprechende Innengewinde 13 des Kühleinsatzes 3 ein.
Die Schraubverbindungen sind derart in dem Grundplatteneinsatz 1 angeordnet,
dass sich die Trennfläche
zwischen dem Grundkörper 2 des
Grundplatteneinsatzes 1 und dem Kühleinsatz 3 im Bereich
der Verschraubungen deutlich oberhalb der Kühlmittelzu- und – abfuhr
befinden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass bei einer
undichten Verbindung zwischen den Kühlmittelrohren 9, 10 und
dem Kühleinsatz 3 Kühlmittel
durch den Zwischenraum zwischen dem Grundkörper 2 und dem Kühleinsatz 3 und
weiter durch die Aufnahmebohrungen 12 für die Schrauben 11 in
den Zwischenraum zwischen der Keramikplatte 4 und dem Grundplatteneinsatz 1 gelangt.
Dort ankommendes Kühlmittel
würde über (nicht
dargestellte) Bohrungen in der Keramikplatte 4, die der
Versorgung des zu gießenden
Volumens mit Metallschmelze dienen, in das unterhalb der Keramikplatte
angeordnete Schmelzbecken 5 eintreten.
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Durch
die besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Grundplatteneinsatzes kann
dieser mit einem flüssigen
Kühlmedium
betrieben werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass bei einer Undichtheit
in der Kühlmittelversorgung
flüssiges Kühlmittel
in die unterhalb des Grundplatteneinsatzes angeordnete Schmelzbecken
gelangt. Durch die damit einhergehende verbesserte Kühlung des Grundplatteneinsatzes
können
hochwertige Gussbauteile erzielt werden.