DE102007027220A1 - Casting blank i.e. alluminium alloy cylinder head, determining, controlling and positioning method for four-cylinder petrol engine, involves obtaining best adapting position of combustion chamber emboss by adjusting and/or rotating blank - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung, Kontrolle und Positionierung eines Gussteilrohlings, insbesondere eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumlegierung, für eine Brennkraftmaschine.The The invention relates to a method for measurement, control and positioning a casting blank, in particular a cylinder head of a Aluminum alloy, for an internal combustion engine.
Moderne Brennkraftmaschinen erfordern ein hohes Maß an Präzision der Geometrie des Brennraumes, um einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Von besonderer Bedeutung sind dabei Form und Lage des Brennraumes.modern Internal combustion engines require a high degree of precision the geometry of the combustion chamber to ensure safe operation of the internal combustion engine to ensure. Of particular importance are form and location of the combustion chamber.
Insbesondere die Brennraumtiefe eines Zylinderkopfes beeinflusst entscheidend die Strömungsbahn der Kraftstoffgemischwolke und damit deren ordnungsgemäße Zündung und den Abbrand des Kraftstoffgemisches.Especially the combustion chamber depth of a cylinder head influences decisively the flow path of the fuel mixture cloud and thus their proper ignition and burnup of the Fuel mixture.
Gefordert wird aus diesem Grunde eine Brennraumtiefentoleranz von bis zu ±0,15 mm. Nach dem derzeitigen Stand der Technik im Schwerkraftkokillenguss sind derartige Toleranzen prozesssicher kaum herstellbar. Bei 10–20% der hergestellten Gussteilrohlinge liegen die Brennraumtiefentoleranzen außerhalb der geforderten Toleranz von ±0,15 mm.Required For this reason, a combustion chamber depth tolerance of up to ± 0.15 mm. According to the current state of the art in gravity chill casting Such tolerances process reliable hardly be produced. At 10-20% the manufactured casting blanks are the combustion chamber deep tolerances outside the required tolerance of ± 0.15 mm.
Prozesssicher können gießtechnisch Brennraumtiefentoleranzen von ±0,30 mm hergestellt werden.process reliability can by casting technique combustion chamber depth tolerances of ± 0.30 mm.
Zur
Erstaufnahme eines Gussteilrohlings eines Zylinderkopfes und dessen
exakter Ausrichtung ist es bekannt, am Zylinderkopf leicht zugängliche Aufnahmeflächen
auszubilden, an die Aufnahmeinstrumente einer Aufnahmevorrichtung
zur Anlage gebracht werden. Unter Bezugnahme auf die Positionen
der Aufnahmeinstrumente erfolgt dann eine exakte Ausrichtung des
Gussteilrohlings in drei Raumrichtungen, wodurch der Gussteilrohling
des Zylinderkopfes in eine bestimmte Bearbeitungsposition gebrachte
wird. Zur Orientierung für weitere Bearbeitungsvorgänge
erfolgt die Einbringung von Bezugsbohrungen, Bezugsflächen
oder dgl. (
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren der Erstaufnahme eines Zylinderkopfes so weiterzubilden, dass prozesssicher Zylinderköpfe gefertigt werden können, deren Brennraumtiefentoleranz geringer ist als die gießtechnisch gefertigte Brennraumtiefentoleranz, wobei der Anteil an aufgrund erheblicher Brennraumtiefentoleranzen nicht bearbeitbaren Gussteilrohlingen gegenüber Verfahren des Standes der Technik deutlich reduziert werden soll.task The invention is the known method of Erstaufnahme a Cylinder head so that process-reliable cylinder heads can be manufactured, the combustion chamber depth tolerance is lower than the casting-machined combustion chamber depth tolerance, the proportion of due to considerable combustion chamber deep tolerances non-workable cast blanks compared to process of the prior art should be significantly reduced.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem 1. Patentanspruch gelöst. Um Zylinderköpfe mit einer vorgegebenen Brennraumtiefentoleranz zu fertigen, die kleiner als die gießtechnisch realisierbare Brennraumtiefentoleranz ist, wird der Gussteilrohling zunächst mittels einer Aufnahmevorrichtung aufgenommen. Nachfolgend wird die räumliche Lage der gießtechnisch am Gussteilrohling erzeugten Aufnahmeflächen messtechnisch ermittelt. Dies kann mittels Aufnahmeinstrumenten erfolgen, die zur Anlage an Aufnahmeflächen gebracht werden. Entsprechend der ermittelten Position der Aufnahmeflächen wird ein Werkstückkordinatensystem gebildet. Es erfolgt eine Vermessung der Positionen der die Brennraumtiefen bestimmenden Wandbereiche der Brennkammern des Gussteilrohlings des Zylinderkopfes unter Bezug auf das gebildete Werkstückkoordinatensystem. Die gemessenen Positionen werden als charakteristische Messpunkte erfasst. Die charakteristischen Messpunkte werden unter Bezugnahme auf ein CAD-Modell des Zylinderkopfes durch Verschieben und/oder Rotieren des Gussteilrohlings best eingepasst, indem beispielsweise die Summe der quadrierten Abweichungen der charakteriatischen Messpunkte von den entsprechenden Werten des CAD-Modells minimiert wird. Die so gefundene Position des Gussteilrohlings wird fixiert. Aus der erfolgten Verschiebung und/oder Rotation des Gussteilrohlings wird eine Transformationsmatrix gebildet.These The object is achieved by a method according to FIG. Claim solved. To cylinder heads with a predetermined combustion chamber depth tolerance to produce, the smaller than the casting technology realizable combustion chamber depth tolerance is, the casting blank is first received by means of a receiving device. Subsequently, the spatial position of the casting on the casting blank produced receiving surfaces by measurement determined. This can be done by means of recording instruments, the to be brought into contact with receiving surfaces. Corresponding The determined position of the receiving surfaces becomes a workpiece coordinate system educated. There is a measurement of the positions of the combustion chamber depths determining wall areas of the combustion chambers of the casting blank of the cylinder head with respect to the formed workpiece coordinate system. The measured positions are used as characteristic measuring points detected. The characteristic measurement points are described with reference to a CAD model of the cylinder head by moving and / or rotating the casting blank best fit, for example, the sum of the squared deviations of the characteristic measuring points from the corresponding values of the CAD model is minimized. The position thus found the casting blank is fixed. From the effected shift and / or rotation of the casting blank becomes a transformation matrix educated.
Ist nach der Besteinpassung die Abweichung der Position eines der charkteristischen Messpunkte vom CAD-Modell größer als die vorgegebenen Brennraumtiefentoleranz, wird der Gussteilrohling als fehlerhaft qualifiziert und ausgesondert.is after best fitting the deviation of the position of one of the characteristic Measuring points of the CAD model larger than the given combustion chamber depth tolerance, the casting blank is qualified as defective and rejected.
Unter Anwendung der Transformationsmatrix auf das Werstückkordinatensystem können sodann Bezugsbohrungen, Bezugsflächen oder dgl. für ein transformiertes Werkstückkoordinatensystem am Gussteilrohling angebracht werden, anhand welchem die weitere Bearbeitung des Gussteilrohlings erfolgt.Under Application of the transformation matrix to the work piece coordinate system can then reference holes, reference surfaces or Like. For a transformed workpiece coordinate system be attached to the casting blank, based on which the other Processing of the casting blank takes place.
Natürlich kann die Transformationsmatrix auch unverwechselbar mit dem Gussteilrohling in Verbindung gebracht werden, so dass die Weiterbearbeitung des Gussteilrohlings stets unter Anwendung der Transformationsmatrix auf das durch die am Gussteilrohling angebrachten Aufnahmeflächen bestimmte Werstückkoordinatensystem durchgeführt wird.Naturally The transformation matrix can also be unmistakable with the casting blank so that the further processing of the Casting blanks always using the transformation matrix on the determined by the casting blank attached to the receiving surfaces Workpiece coordinate system is performed.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wesentliche Effektivierung der Fertigung von Zylinderköpfen, indem der Anteil der als fehlerhaft qualifizierten Gussteilrohlinge/Zylinderköpfe entscheidend reduziert wird. Dies wird letztlich dadurch erreicht, dass gießtechnisch unvermeidbare Toleranzen der Gussteilteilabmessungen aus dem Bereich des Gussteiles, der eine besonders enge Tolerierung erfordert, das heißt der Brennraumtiefe eines Zylinderkopfes, durch Verschiebung und/oder Rotation des Werstückkoordinatensystems auf andere Bereiche des Gussteilteiles transformiert werden, die bezüglich ihrer Abmessungen und Lage unkritisch sind und einen deutlich höheren Toleranzbereich aufweisen.The method according to the invention makes it possible to substantially intensify the production of cylinder heads by decisively reducing the proportion of defective cast parts / cylinder heads. This is ultimately achieved achieved that pouring technically unavoidable tolerances of Gussteilteilabmessungen from the region of the casting, which requires a particularly close tolerance, ie the combustion chamber depth of a cylinder head, are transformed by displacement and / or rotation of the Werstückkoordinatensystems to other areas of the casting part, in terms of their dimensions and location are uncritical and have a much higher tolerance range.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren unter Anwendung auf einen Gussteilrohling eines Zylinderkopfes für einen Vierzylinder-Ottomotor mit in Reihe angeordneten Zylindern, nachfolgend kurz Zylinderkopfrohling genannt, näher erläutert werden.following should the inventive method using on a casting blank of a cylinder head for one Four-cylinder gasoline engine with cylinders arranged in series, below briefly cylinderkopfrohling called, explained in more detail become.
Der Zylinderkopfrohling wurde im Schwerkraftkokillenguss hergestellt. Gießtechnisch wurden am Zylinderkopfrohling 6 Aufnahmeflächen erzeugt, von denen in drei kartesisch zueinander stehenden Ebenen 3 in einer ersten Ebene, 2 in einer zweiten Ebene und eine in der dritten Ebene liegen.Of the Cylinder head blank was produced in the gravity chill casting. Gießtechnisch were 6 receiving surfaces on the cylinder head blank generated, of which in three Cartesian levels 3 in a first level, 2 in a second level and one in the third level.
Der Zylinderkopfrohling wird von einer Spannvorrichtung aufgenommen und ggf. fixiert, die mit Aufnahmeinstrumenten zusammenwirkt, die durch Zustellbewegungen an den Aufnahmeflächen zur Anlage gebracht werden. Dabei ist es auch möglich, dass der Zylinderkopfrohling durch die Zustellbewegung der Aufnahmeinstrumente in eine definierte Position gedrängt und erst danach durch die Spannvorrichtung in dieser Position fixiert wird.Of the Cylinder head blank is received by a jig and possibly fixed, which cooperates with recording instruments by Delivery movements brought to the receiving surfaces to the plant become. It is also possible that the cylinder head blank by the feed movement of the recording instruments in a defined Position forced and only then by the tensioning device is fixed in this position.
Unabhängig davon, ob der Zylinderkopfrohling von der Spannvorrichtung aufgenommen und die Aufnahmeinstrumente nur zur Anlage an die Aufnahmeflächen gebracht werden oder durch die Zustellbewegung der Aufnahmeinstrumente eine Lageveränderung des Zylinderkopfes bewirkt wird, sind nach der Fixierung der Spannvorrichtung die räumlichen Positionen der Aufnahmeflächen bestimmt. Anhand der räumlichen Postionen der Aufnahmeflächen wird ein kartesisches Werkstückkordinatensystem bestehend aus x, y, und z-Achse gebildet, wobei eine Achse in Richtung der Zylinderreihe verläuft. Der Koordinatenursprung des Werkstückkoordinatensystems wird so gelegt, dass die Brennraumöffnungen des Zylinderkopfrohlinges in einer durch vorgenannte Achse und eine weitere Achse aufgespannten Ebene liegen. Rechtwinklig zu dieser Ebene verläuft dann die dritte in Richtung Brennraumtiefe weisende Achse. Anschließend erfolgt eine Vermessung der Brennraumtiefen der einzelnen Zylinder, wobei je Zylinder vier charakteristische Messpunkte gewählt werden. Die ermittelten Messwerte der charateristischen Messpunkte der Brennraumtiefen werden mit einem CAD-Modell des Zylinderkopfes verglichen. Die Abweichungen der Brennraumtiefen vom CAD Modell werden errechnet und mit einer vorgegebenen Toleranz verglichen. Liegen die Abweichungen innerhalb der vorgegebenen Toleranz wird das Verfahren beendet. Der Zylinderkopfrohling kann unter Bezugnahme auf das anhand der Positionen der Aufnahmeflächen gebildete Werkstückkoordinatensystem mechanisch weiterbearbeitet werden.Independently of whether the cylinder head blank received by the jig and the recording instruments only for contact with the recording surfaces be brought or by the advancing movement of the recording instruments a change in position of the cylinder head is effected, are after fixing the clamping device, the spatial positions the receiving surfaces determined. Based on the spatial Positions of the receiving surfaces becomes a Cartesian workpiece coordinate system consisting of x, y, and z-axis formed, with one axis in the direction the cylinder row runs. The origin of the coordinate Workpiece coordinate system is placed so that the combustion chamber openings the cylinder head blank in a by the aforementioned axis and a lie further axis spanned plane. Right angle to this Level runs then the third in the direction of the combustion chamber depth pointing axis. Subsequently, a survey of the Combustion chamber depths of the individual cylinders, with four characteristic cylinders per cylinder Measuring points are selected. The measured values of the Charateristic measuring points of the combustion chamber depths are calculated using a CAD model compared to the cylinder head. The deviations of the combustion chamber depths The CAD model is calculated and with a given tolerance compared. If the deviations are within the specified tolerance the procedure is terminated. The cylinder head blank can with reference to the formed by the positions of the receiving surfaces Workpiece coordinate system further processed mechanically become.
Liegen die Abweichungen nicht innerhalb der vorgegebenen Toleranz, erfolgt eine Besteinpassung der charakteristischen Messpunkte der Brennraumtiefen gegenüber dem CAD-Modell des Zylinderkopfes, wobei der Zylinderkopfrohling innerhalb des gebildeten Werkstückkoordinatensystems soweit verschoben und/oder gedreht wird, bis die Summe der quadrierten Abweichungen der gemessenen Brennraumtiefen vom CAD-Modell ein Minimum bildet. Natürlich ist es ebenso möglich, das gebildete kartesische Werkstückkoordinatensystem gegenüber dem Zylinderkopfrohling zu verschieben und/oder zu drehen.Lie the deviations are not within the specified tolerance a Besteinpassung the characteristic measurement points of the combustion chamber depths compared to the CAD model of the cylinder head, wherein the Cylinder head blank within the formed workpiece coordinate system as far postponed and / or rotated until the sum of the squared Deviations of the measured combustion chamber depths from the CAD model a minimum forms. Of course, it is equally possible that educated Cartesian workpiece coordinate system to move and / or rotate the cylinder head blank.
Die nach der Besteinpassung verbleibenden Abweichungen der Brennraumtiefen werden mit der vorgegebenen Toleranz verglichen. Liegen die verbliebenen Abweichungen der Brennraumtiefen außerhalb der vorgegebenen Toleranz, wird der Zylinderkopfrohling als fehlerhaft qualifiziert.The after besteinpassung remaining deviations of the combustion chamber depths are compared with the given tolerance. Lying the remaining Deviations of the combustion chamber depths outside the specified Tolerance, the cylinder head blank is qualified as faulty.
Liegen die verbliebenen Abweichungen der Brennraumtiefen innerhalb der vorgegebenen Toleranz, wird die Verschiebung und/oder Verdrehung des Zylinderkopfrohlinges bzw. des anhand der Positionen der Aufnahmeflächen gebildeten kartesischen Werkstückkoordinatensystems als Transformationsmatrix erfasst. Unter Anwendung der Transformationsmatrix auf das anhand der Positionen der Aufnahmeflächen gebildete kartesische Werkstückkoordinatensystem werden ein transformiertes Werkstückkoordinatensystem gebildet und mit diesem Werkstückkoordinatensystem korrespondierende Bezugsbohrungen, Bezugsflächen oder ähnliches in den Zylinderkopfrohling eingebracht. Die Weiterbearbeitung des Zylinderkopfrohlinges erfolgt dann stets unter Bezugnahme auf dieses transformierte Werkstückkordinatensystem.Lie the remaining deviations of the combustion chamber depths within the given tolerance, the displacement and / or rotation of the Cylinder head blank or the basis of the positions of the receiving surfaces formed Cartesian workpiece coordinate system as Detected transformation matrix. Using the transformation matrix on the basis of the positions of the receiving surfaces formed Cartesian workpiece coordinate system become a transformed Workpiece coordinate system formed and with this workpiece coordinate system corresponding reference holes, reference surfaces or the like introduced into the cylinder head blank. The further processing of the Cylinder head blank is then always with reference to this transformed workpiece coordinate system.
Alternativ kann die Transformationsmatrix natürlich auch unverwechselbar mit dem Zylinderkopfrohling in Verbindung gebracht werden, so dass dann für alle weiteren Bearbeitungen des Zylinderkopfrohlinges zunächst anhand der Aufnahmeflächen ein Werkstückkordinatensystem gebildet wird, auf welches die Transformationsmatrix angewendet wird.alternative Of course, the transformation matrix can also be distinctive be associated with the cylinder head blank, so then for all further processing of the cylinder head blank First, based on the receiving surfaces a workpiece coordinate system is formed, to which the transformation matrix applied becomes.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, aufgrund von prozesssicher durch Schwerkraftkokillenguss herstellbaren Zylinderkopfrohlingen mit Brennraumtiefentoleranzen von ±0,30 mm Zylinderköpfe zu fertigen, deren Brennraumtiefentoleranz ±0,15 mm beträgt, wobei der Anteil an fehlerhaften, d. h. außerhalb der Brennraumtiefentoleranz von ±0,15 mm liegenden Zylinderköpfen kleiner 10% ist. Dies ist deshalb von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung, weil der Zylinderkopfrohling bis zur mechanischen Bearbeitung, d. h. bis zum Zeitpunkt seiner Vermessung, schon eine erhebliche Bearbeitungstiefe erfahren hat. Die Bearbeitungsschritte Gießen, Entkernen, Putzen, Dichtheitstest, Vorbearbeitung und Wärmebehandlung wurden bereits durchgeführt.The method according to the invention makes it possible to manufacture cylinder heads whose combustion chamber geometry is based on cylinder head blanks which can be produced reliably by gravity die casting with combustion chamber deep tolerances of ± 0.30 mm fentoleranz ± 0.15 mm, wherein the proportion of faulty, ie lying outside the combustion chamber deep tolerance of ± 0.15 mm cylinder heads is less than 10%. This is of particular economic importance because the cylinder head blank has already undergone a considerable processing depth up to the mechanical processing, ie until the time of its measurement. The processing steps casting, coring, cleaning, leak test, pre-processing and heat treatment have already been carried out.
Durch die Methode der Besteinpassung, angewendet auf die Brennraumtiefe, werden bedingt durch gießtechnologische Fertigung unvermeidbare Toleranzen aus dem Bereich der Brennraumoberfläche des Zylinderkopfes auf andere Oberflächenbereiche des Zylinderkopfes verlagert, die unkritisch sind und daher wesentlich größer toleriert sein können.By the method of best fit, applied to the depth of the combustion chamber, become due to casting technology manufacturing unavoidable tolerances from the area of the combustion chamber surface of the cylinder head shifted to other surface areas of the cylinder head, which are uncritical and therefore much larger can be tolerated.
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