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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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Aus der
DE 32 47 129 A1 ist eine metallische Gießform für steigenden Druckguss mit mindestens zwei Formeinsätzen bekannt, zwischen denen wenigstens ein Arbeitshohlraum ausgebildet ist, der durch einen Anschnitt mit einem Eingusskanal verbunden ist.
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Die
DE 103 59 066 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Gussteilen im Schwerkraftkokillenguss, bei dem eine metallische Schmelze in eine mehrteilige Form (Kokille) gegossen wird und in wenigstens einem Teil
100,
101,
102 der Form wenigstens ein Kanal
109,
110,
111 vorgesehen ist, durch den ein als Kühlmedium dienendes Fluid geleitet wird, um die Temperatur der Kokille zu beeinflussen.
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Die
DE 199 63 216 A1 betrifft ein Verfahren zum Gießen von Rohlingen aus Leichtmetall - insbesondere von Kolbenrohlingen für Verbrennungskraftmaschinen - bei dem ein Formhohlraum eines Gießwerkzeugs bzw. einer Kokille mit Schmelze gefüllt und unter Druck zur Erstarrung gebracht wird.
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Die
DE 43 13 336 C2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Grauguss-Zylinderköpfen und ein Abkühlelement zur Durchführung des Verfahrens.
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Die 199 53 402 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Abgießen einer aus zwei Formhälften 11, 12 bestehenden Gießform 1.
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Die
DE 198 02 387 A1 zeigt eine Druckguss-Heißkanalvorrichtung mit einem gekühlten Gießformkern, der einen langgestreckten Körperabschnitt mit einem vorderen Abschnitt oder einem Kopf besitzt. Im Körperabschnitt des Gießkerns erstreckt sich ein Kühlungsrohr.
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Die
DE 196 06 380 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Druckgussmetallteils und eine Vorrichtung hierfür.
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Die
DD 250 875 A1 betrifft eine mehrteilige Dauergießform für Formguss, insbesondere für hohe Gießtemperaturen bei hohen Stückzahlen.
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Aus der
DE 94 07 715 U1 ist eine Gussform zum Herstellen von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen aus einer Leichtmetalllegierung bekannt.
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Die
DE 20 2005 021 053 U1 betrifft ein Werkzeugteil für gießtechnische Zwecke, insbesondere Konturteil für ein Druckgießwerkzeug, vorzugsweise für die Aluminium- und Magnesiumdruckgießtechnik.
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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 Abdichten 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
- 1 einen Grundplatteneinsatz gemäß dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung,
- 2 Grundplatteneinsatz der 1 in einer Seitenansicht,
- 3 den Grundplatteneinsatz der 1 in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie A - A,
- 4 einen erfindungsgemäßen Grundplatteneinsatz in einer Explosionsdarstellung und
- 5 den Grundplatteneinsatz gemäß 4 in einer Seitenansicht,
- 6 den Grundplatteneinsatz der 4 in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie A - A in 6 und
- 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.
