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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks, mit den Schritten Erzeugen: eines Speiserkerns, Einsetzen des Speiserkerns in eine Gussform und Befüllen der Gussform mit einem Flüssigmetall.
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Derzeit werden Kurbelgehäuse und Motorblöcke in verschiedenen Gießverfahren hergestellt, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Hochbeanspruchte Kurbelgehäuse bzw. Motorblöcke, die in Motoren, wie beispielsweise Dieselmotoren oder mittels Turboladern aufgeladenen Motoren Verwendung finden, werden im Niederdruckguss-, im Corepackage- oder im Schwerkraftgussverfahren hergestellt. Bei diesen Verfahren läuft die Erstarrung des flüssigen Materials von der Zylinderkopfseite zur Kurbelraumseite oder von der Kurbelraumseite des Motorblocks zur Zylinderkopfseite.
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Solche Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass durch den beschriebenen Erstarrungsverlauf entweder der kurbelraumseitige Lagerstuhl oder der Brennraumsteg am Zylinderkopf schneller erstarrt als das jeweilige andere, gegenüberliegende Ende des Motorblocks. Die Erstarrungszeit ist maßgeblich beteiligt an der Erzielung günstiger Materialeigenschaften des Motorblocks. Dabei sind besonders gute Materialeigenschaften zu erzielen, je schneller das Werkstück erstarrt. Folglich weisen Motorblöcke bzw. Kurbelgehäuse, die mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt sind, entweder Zylinderkopfstege oder Lagerstühle mit hohen Festigkeitswerten auf. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren liegt darin, dass die Erstarrung des Werkzeuges von einem Endbereich zu einem anderen Endbereich hin zu hohen Erstarrungszeiten und damit zu langen Prozesszeiten führt. Ferner werden auch hohe Werkzeugtemperaturen benötigt, wodurch sich ein besonders hoher Verschleiß des Werkzeuges ergibt.
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Die
US 1,670,725 A zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Radnaben.
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Die
JP 57 103 755 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von Gussbauteilen mit einem Speiserkern, bei dem die Austrittsöffnung des Speisers aus dem Speiserkern durch geeignete geometrische Maßnahmen optimiert wird.
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Aus der
EP 0 933 151 A1 ist eine Gießform und ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken bekannt, wobei ein Gießlauf an einer in Schwerkraftrichtung tiefsten Stelle des Formhohlraums durch diesen hindurch in Form eines Kanals und die Öffnung des Gießlaufes an einer in Schwerkraftrichtung tiefsten Stelle des Kanals ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2008 019 200 A1 schlägt ein Verfahren, eine Anordnung sowie eine Gießform zum Gießen und insbesondere Druckgießen von ein- oder mehrzylindrischen Leichtmetall-Zylindergehäusen vor. In der Wand der Gießform, welche in einem umgebenden Gießgehäuse sitzt, wird eine von innen her gekühlte Pinole verriegelt.
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Aus der
EP 1 498 197 A1 ist ein Verfahren zum Gießen von Kurbelgehäusen aus Gusseisen für Hubraumbrennkraftmaschinen mit einer Leistung bis ca. 1500 PS und einem Kurbelgehäusegewicht bis ca. 500 kg bekannt.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit verbesserten Eigenschaften, welche die oben genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils, welches als ein Motorblock ausgebildet ist, die Schritte: Erzeugen eines Speiserkerns, Einsetzen des Speiserkerns in eine Gussform und Befüllen der Gussform mit einem Flüssigmetall. Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt, dass der Speiserkern im Inneren der Gussform positioniert wird. Durch eine solche Positionierung des Speiserkerns erfolgt die Speisung während der Erzeugung des Gussteils aus einem mittleren Bereich heraus.
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Darüber hinaus weist das Verfahren den Schritt auf: Erzeugen einer Ausnehmung in dem Gussteil durch die Positionierung des Speiserkerns an einer vorbestimmten Position im Inneren der Gussform. Durch die Positionierung des Speiserkerns im Inneren der Gussform und damit auch im Inneren des zu erzeugenden Gussteils kühlt der Speiserkern als letztes ab und behält somit möglichst lange eine hohe Bauteiltemperatur. Dadurch kann der Speiser lange in einem flüssigen bis semiflüssigen oder teigförmigen Zustand gehalten werden, wodurch sicherstellt wird, dass das Gussteil während der Erstarrung mit Flüssigmetall gespeist wird. Als vorbestimmte Position wird ein Bereich bevorzugt, der in Längs-, Quer- sowie Hochrichtung des Gussteils mittig angeordnet ist und somit einem zentralen Bereich entspricht.
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Weiterhin kann das Verfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass nach dem vollständigen Befüllen der Gussform mit flüssigem Metall das Gussteil im Wesentlichen zeitgleich, von einander gegenüberliegenden Außenbereichen zum Innenbereich, abgekühlt wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass durch die starke Abkühlung der Außenbereiche diese guten Materialkennwerte, insbesondere hohe Festigkeitskennwerte, erreicht werden. Außenbereiche sind im Sinne der Erfindung als Randbereiche des Gussteils zu verstehen, die sich von der Oberfläche zum Bauteilzentrum hin erstrecken. Wenn das Gussteil als ein Motorblock ausgebildet ist, entsprechen die Außenbereiche bevorzugt einem Bereich, an dem ein Zylinderkopf angeschlossen wird, einem Bereich, an dem ein Kurbelwellengehäuse an den Motorblock angeschlossen wird, oder einem Bereich, an dem die Kurbelwelle an dem Motorblock gelagert wird.
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Ferner kann das Verfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass das Gussteil aus der Gussform entnehmbar ist, wenn sich ein Speiser im Inneren des Speiserkerns nach dem Abkühlen zumindest in einem teilweise teigförmigen Zustand befindet. Dies bietet den Vorteil, dass die Entformungszeit des Gussteils, d. h. die Zeit ab Gießstart bis zur Entnahme aus der Form, reduziert wird und damit die Gesamttaktzeit des Gießprozesses erniedrigt wird.
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Weiterhin ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Speiser im Inneren mindestens eines Zylinders eines zu erzeugenden Motorblocks angeordnet ist, wobei der Speiser mit einem vorbestimmten Bereich an einer Innenwand des Zylinders verbunden ist.
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Mit dem Verfahren wird ein Motorblock mit mindestens einer Ausnehmung, die im Inneren des Gussteils angeordnet ist, und mit mindestens einem Speiser erzeugt. Weiterhin kann der Speiser im Inneren der Ausnehmung vorgesehen sein.
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Darüber hinaus kann die Ausnehmung eine Innenwand aufweisen, wobei die Innenwand in mindestens einem vorbestimmten Bereich mit dem Speiser verbunden ist.
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Nachfolgend ist ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen schematisch, beispielhaft und nicht einschränkend:
- 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Gussteil;
- 2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Gussteils entlang der Schnittlinie B-B aus 1 ;
- 3 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Gussteils entlang der Schnittlinie A-A aus 1 ;
- 4 eine Schnittansicht durch eine Gussform, zur Erstellung eines Gussteils nach 1, entlang der Schnittlinie B-B aus 1;
- 5 einen Schnitt durch eine Gussform, zur Erstellung eines Gussteils nach 1, entlang der Schnittlinie C-C aus 1; und
- 6 eine Schnittansicht durch eine Gussform, zur Herstellung eines Gussteils nach 1, entlang der Schnittlinie A-A aus 1.
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Die 1 bis 3 zeigen ein Gussteil 10, das erfindungsgemäß in Form eines Zylinderblocks dargestellt ist.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen ersten Außenbereich 12 des Gussteils 10. Dieser erste Außenbereich 12 entspricht einem oberen Endbereich des Zylinderblocks 10, an dem ein Zylinderkopf des Motors montiert werden kann. Der obere Außenbereich 12 entspricht damit dem Zylinderkopfsteg. Mittig befinden sich in dieser Darstellung beispielhaft und nicht einschränkend zwei Ausnehmungen 15. Bei diesen Ausnehmungen 15 handelt es sich um Zylinder 15, in denen später die Kolben des Motors eingebaut werden. In dem Gussteil 10 können diese Ausnehmungen 15 als durchgehende Öffnungen vorgesehen sein, mit kreisrundem, ovalen oder mehreckigem Querschnitt. Alternativ dazu können im Gussformteil 10 unmittelbar nach der Entnahme aus einer Gussform die Ausnehmungen 15 als Sacklöcher ausgebildet sein, mit runden, ovalen oder mehreckigen Querschnittsformen. Sowohl in der Ausführungsform mit durchgehenden Löchern, wie auch in der Ausführungsform mit Sacklöchern, können die Ausnehmungen 15 ausgehend von dem zylinderkopfseitigen Ende zu einem kurbelwellenseitigen Ende des Motorblocks eine konisch zulaufende, prismische oder zylindrische Form aufweisen.
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In den Ausnehmungen 15 in 1 sind jeweils Speiser 13 dargestellt, die im Wesentlichen koaxial in den Ausnehmungen 15 angeordnet sind. Die Speiser 13 sind über Speiseranbindungen 13a mit dem Zylinderblock 10 verbunden. Die Ausnehmungen 15 weisen eine Innenwand 15a auf, die von der Zylinderkopfseite zu der Kurbelwellenseite des Motorblocks 10 konisch zuläuft und in dieser Richtung einen sich verjüngenden, kreisrunden Querschnitt aufweist. Die Speiseranbindungen 13a sind in einem vorbestimmten Bereich 15b mit der Innenwand 15a der Ausnehmung 15 verbunden. Der vorbestimmte Bereich 15b befindet sich dabei im Bereich der Gussteillängsachse, die der Schnittlinie A-A entspricht, auf Höhe zweier Zuganker 17, die in Querrichtung des Motorblocks benachbart sind, wie aus 1 erkennbar ist.
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In 2 ist eine Hochrichtung des Gussteils 10 durch den Pfeil Z definiert. Die oben genannten vorbestimmten Bereiche der Speicheranbindung 13b befinden sich in Gussteilhochrichtung Z unterhalb von Wassermänteln 14, wie aus 2 ersichtlich. Mit anderen Worten, die Speiseranbindungen 13a erstrecken sich in Motorblocklängsrichtung, und zwar unterhalb des tiefsten Bereichs der Wassermäntel 26. Die Wassermäntel bilden Aussparungen im Motorblock, die als Kühlkanäle genutzt werden.
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In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, können diese vorbestimmten Bereiche sich auch in Querrichtung des Zylinderblocks erstrecken, d. h. in einer Richtung, die der Schnittlinien B-B und C-C entspricht. In dieser Ausführungsform verlaufen die Speiseranbindungen 13a im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Motorblocks 10, zwischen zwei in Längsrichtung benachbarten Zugankern 17, und sind unterhalb der Wassermantelkerne 26 mit einer Innenwand 15a der Ausnehmung 15 verbunden. Eine diagonale Ausrichtung der Speiseranbindungen 13a ist ebenfalls denkbar.
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In beiden Ausführungsformen stellen die Zugankerbereiche 17 Bereiche mit Materialanhäufung dar, die während des Gussprozesses zur Verteilung von Flüssigmetall verwendet werden, um eine bessere Füllung der Gussform 20 zu erreichen. In diesen Bereichen, die somit als Kanäle genützt werden können, werden später Bohrungen mit Gewinden vorgesehen, an die der Zylinderkopf eines Motors geschraubt wird.
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Im Folgenden soll nun der Aufbau einer Gussform 20 sowie das erfindungsgemäße Gießverfahren anhand der 4 bis 6 beschrieben werden. Die Gussform 20 umfasst zumindest zwei Seitenteile 21a bzw. 21b, ein Unterteil bzw. ein Grundteil 22 und ein Oberteil 23. Diese Teile sind formgebend für die äußere Gussteilkontur und bestehen vorzugsweise aus Stahl. Im Inneren der Gussteilform 20 ist ein Speiserkern 24 vorgesehen, wie aus 4 ersichtlich. Die 4 stellt dabei eine Schnittansicht durch eine Gussform entlang der Linie B-B des Gussteils 10 aus 1 dar. Mit anderen Worten, würde man die Gussform 20 zur Herstellung des Gussteils 10 aus 1 entlang der Schnittlinie B-B schneiden, so würde man die Darstellung aus 4 erhalten. Selbiges gilt für die Darstellung aus 5, mit dem Unterschied, dass die 5 einer Schnittdarstellung entlang der Schnittstelle C-C aus 1 entspricht. In der Schnittansicht aus 5 wird das Werkzeugteil in einem Bereich zwischen zwei, in Längsrichtung des Motorblocks benachbarten Zylindern geschnitten. Wie aus dieser Schnittansicht erkennbar, weist die Gussform 20 im unteren Bereich Zuläufe 16 auf. Diese Zuläufe stellen Angüsse 16 dar, über die das Flüssigmetall während des Gießprozesses ins Innere der Form 20 eingebracht wird.
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6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus 1 durch die Gussform 20. Die Speiserkerne 24 sind in einem Innenbereich des Motorblocks, d. h. in Querrichtung mittig angeordnet und zwischen dem Oberteil 23 und dem Unterteil 22 eingespannt. Die Speiserkerne 24 weisen Durchlässe 25 auf, durch die das flüssige Metall in einen Hohlraum 27 fließen kann. In den Hohlräumen 27 bilden sich während des Gießverfahrens die Speiser 13 und in den Durchlässen 25 die Speiseranbindungen 13a aus.
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Im Folgenden soll der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft erläutert werden. In einem ersten Schritt wird zuerst der Speiserkern 24 hergestellt. Dieser weist eine Pinolenform auf, mit einem inneren Hohlraum 27 und ist vorzugsweise aus Sand ausgebildet.
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Anschließend wird die Gussform 20 zusammengesetzt, wobei die Seitenteile 21a, 21b, das Unterteil 22 und das Oberteil 23 in einer vorbestimmten Anordnung zueinander ausgerichtet und fixiert werden. Es bilden sich vorbestimmte Hohlräume in der Gussform 20, die die Form des späteren Gussteils 10 vorgeben. Dabei werden die Speiserkerne 24 an vorbestimmten Positionen in der Gussform 20 angebracht. Parallel dazu werden Wassermantelkerne 26 hergestellt und ebenfalls in die Gussform 20 eingebracht. Die Wassermantelkerne 26 sind, wie auch die Speiserkerne, aus Sand ausgebildet und dienen dazu, im späteren Gussteil 10 Öffnungen vorzuhalten, die als Kühlkanäle verwendet werden. Diese Kühlkanäle werden dann im laufenden Motor mit einem Fluid, vorzugsweise einer Kühlflüssigkeit oder auch einem Kühlgas, durchspült, um den laufenden Motor auf Betriebstemperatur zu halten.
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Nachdem die Gussform 20 vollständig zusammengesetzt ist mit den darin angeordneten Speiserkernen 24 und den Wassermantelkernen 26, wird im darauffolgenden Schritt die Gussform 20 mit Flüssigmetall befüllt. Das Flüssigmetall tritt dabei über die Angüsse 16 in den Innenbereich, d. h. in die inneren Hohlräume der Gussform 20 ein und verteilt sich in der Gussform 20, wobei es über die Durchlässe 25 in den Hohlraum 27 der Speiserkerne 24 fließt und den Speiser 13 ausbildet.
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Nachdem das Flüssigmetall sich vollständig in der Gussform 20 verteilt hat, und die Gussform 20 folglich vollständig gefüllt ist, erfolgt die Abkühlung. Dabei wird im Wesentlichen zeitgleich vom oberen Außenbereich 12 und von dem unteren Außenbereich 11 die Gussform 20 abgekühlt. Dies hat zur Folge, dass der Zylinderkopfstegbereich 12 und der Lagerstuhlbereich 11 schnell abkühlen und dadurch besonders hohe Festigkeitskennwerte erhalten. Folglich ergibt sich in dem Gussteil 10 eine Erstarrungsrichtung bzw. ein Erstarrungsverlauf, der von dem Zylinderkopfbereich 12 und dem Lagerstuhlbereich 11, bzw. dem Bereich, an dem das Kurbelgehäuse verschraubt wird, zur Mitte des Gussteils 10 verläuft. Mit anderen Worten, der Speiser 13 fungiert als thermischer Wärmespeicher und erstarrt als letzter Bereich des Gussteils.
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Der Speiser 13, der sich in einem zentralen Bereich des Gussteils befindet, bleibt deswegen möglichst lange in einem flüssigen bzw. teigförmigen Zustand. Schrumpfungseffekte, die in den abgekühlten Bereichen des Gussteils entstehen, können dadurch verringert werden, da aus dem noch im Wesentlichen flüssigen Speiser 13 Material in diese Bereiche nachfließen kann. Folglich wird durch dieses Verfahren die Gefahr der Bildung von Lunkern oder Lufteinschlüssen erheblich reduziert. Zudem kann vorteilhafterweise das Gussteil 10 auch schneller aus der Gussform 20 entfernt werden. Da die Oberfläche bzw. die äußeren Randbereiche bereits abgekühlt sind wenn das Gussteil 10 entnommen wird, wird die Gefahr von Rissbildung beim Entfernen aus der Gussform 20 verringert. Die vollständige Abkühlung des Gussteils 10, bzw. die Restabkühlung des Speisers 13, kann dann an der Umgebungsluft erfolgen. Folglich bietet das Verfahren gemäß der Erfindung eine erheblich kürzere Entformungszeit und damit auch eine wesentlich kürzere Taktzeit, verglichen mit den Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Aus der Positionierung der Speiser in einem zentralen Bereich der Gussform ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass kleinere Speiser verwendet werden können, so dass sich das Kreislaufmaterial reduziert. Das Kreislaufmaterial ist das Material, das von dem Gussteil unmittelbar nach dem Gießprozess entfernt werden muss, wie beispielsweise Angüsse, Speiser oder Bearbeitungsaufmaße. Diese werden üblicherweise eingeschmolzen und wiederverwendet. Je kleiner die Speiser, desto geringer ist das Kreislaufmaterial in der Prozesskette, wodurch der Energiebedarf des Prozesses reduziert wird.
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Nachdem das Gussteil 10 vollständig abgekühlt ist, werden der Speiserkern 24 und die Wassermantelkerne 26 entfernt und der Speiser 13 sowie die Speiseranbindungen 13a abgefräst bzw. herausgesägt. Selbst wenn im Vorgehenden auf einen Speiser 13 bzw. einen Speiserkern 24 Bezug genommen wurde, so gilt Gesagtes auch für Ausführungsformen, in denen mehrere Speiser bzw. Speiserkerne verwendet werden.
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Als Material für den gemäß der Erfindung erstellten Motorblock oder des Kurbelgehäuses kommt insbesondere AlSi7, AlSi8, Grauguss oder ein sonstiges Metall in Betracht. Der Gießprozess findet dabei vorzugsweise im Niedergussverfahren statt, wobei für die Füllung der Gussform 20, insbesondere der Ofenfüllstand, die Bauteilhöhe der Gussform sowie die relative Anordnung von Bauteil und Ofen wesentliche Faktoren sind.
