DE102010003345B4

DE102010003345B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010003345B4
Application number: DE201010003345
Authority: DE
Inventors: Isabella Sobota; Robert Sellner
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-03-27
Also published as: US8887794B2; EP2552626A1; DE102010003345A1; US20130092342A1; WO2011117343A1

Abstract

Verfahren zum Gießen eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem nach einer Randschichterstarrung im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen (12) zumindest eine dort vorgesehene Pinole (14) zurückgezogen und der Bereich zumindest einer Kolbenbolzenbohrung (12) gekühlt wird wobei ein Kühlmittel, insbesondere Druckluft durch zumindest eine Pinole (14) und/oder zumindest einen zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) vorgesehenen Kern (16) zugeführt wird, der vorzugsweise je zumindest eine in Richtung der jeweiligen Pinole weisende Austrittsöffnung für das Kühlmittel aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
Stand der Technik
Bei Kolben von Verbrennungsmotoren ist die Festigkeit der so genannten Kolbenbolzenbohrungen, in denen der Kolbenbolzen zur Verbindung mit einem Pleuel aufgenommen ist, von besonderer Wichtigkeit. Die erforderliche Festigkeit kann insbesondere durch eine schnelle Abschreckung des Gusses erfolgen. Nach der derzeitigen Vorgehensweise erfolgt ein derartiges Abschrecken erst außerhalb der Kokille, wenn der gesamte Kolben soweit erstarrt ist, dass er aus der so genannten Kokille entformt werden kann.
Die DE 10 2005 027 540 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, bei dem die Gießform geöffnet wird, bevor die Schmelze im Bereich eines Speisers erstarrt ist. Nachfolgend kann der Kolben entnommen und außerhalb der Gießform gekühlt werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Kolben für Verbrennungsmotoren zu schaffen, mit denen die Festigkeit insbesondere im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen verbessert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird bereits nach einer Randschichterstarrung im Bereich zumindest einer Kolbenbolzenbohrung zumindest eine dort vorgesehene Pinole zurückgezogen und dieser Bereich gekühlt. Hierdurch kann der Bereich der Kolbenbolzenbohrungen, insbesondere die weitgehend zylindrische Innenfläche derselben schneller gekühlt und abgeschreckt werden, als dies bei der derzeitigen Vorgehensweise möglich ist, so dass die Festigkeit in diesen Bereichen in vorteilhafter Weise erhöht wird. Hierzu muss lediglich eine gewisse Randschichterstarrung abgewartet werden, die es ermöglicht, eine dort vorgesehene Pinole zuruckzuziehen, ohne die Form des Kolbens in diesem Bereich zu gefährden. Bei einer Pinole handelt es sich im Wesentlichen um einen weitgehend zylindrischen oder leicht konischen Gießkern, der beim Gießen gewissermaßen den später für den Kolbenbolzen vorgesehenen Raum freihält und um den herum somit das die spatere Kolbenbolzenbohrung umgebende Material geformt wird. Zum Begriff der Kolbenbolzenbohrung ist zu betonen, dass diese nicht notwendigerweise durch Bohren als verfahrensmäßige Vorgehensweise ausgebildet sein muss. Vielmehr handelt es sich um üblicherweise zwei im Wesentlichen zylindrische Öffnungen, in denen die beiden Enden eines Kolbenbolzens aufgenommen werden, während sich dazwischen im Einbauzustand das Pleuel befindet.
Das die Kolbenbolzenbohrungen umgehende Material kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise somit schneller gekühlt und abgeschreckt werden, als dies bislang möglich ist, so dass eine schnellere und gerichtetere Erstarrung möglich ist, was zu einer erhöhten Festigkeit führt. Mit anderen Worten wird die Erstarrungsgeschwindigkeit des Kolbenmaterials insbesondere im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen erhöht, was zu einem Abschrecken und einer erhöhten Festigkeit führt. Ferner kann durch die beschriebene Vorgehensweise auch in anderen Bereichen des Kolbens eine gerichtete Erstarrung erzeugt werden.
Ferner wird in diesem Zusammenhang für ein zuzuführendes Kühlmittel, insbesondere Druckluft, vorgesehen, dass dieses durch zumindest einen zwischen den Kolbenbolzenbohrungen vorgesehenen Kern und/oder zumindest eine Pinole zugeführt wird. Ein derartiger Kern bzw. eine Pinole weist auch bei kleinen Kolbentypen ausreichend Raum zum Vorsehen von Druckluftleitungen und -düsen oder -öffnungen auf.
Insbesondere kann der Kern in vorteilhafter Weise je zumindest eine in Richtung der jeweiligen Pinole weisende Austrittsöffnung für das Kühlmedium aufweisen. Bevorzugt sind an dem Kern an zumindest einer, bevorzugt auf beiden Seiten, zwei Öffnungen, insbesondere in Form von Bohrungen vorgesehen, die gemäß der Darstellung in den beigefügten und nachfolgend erläuterten Figuren ”hintereinander” angeordnet sind und dementsprechend in den Figuren lediglich als eine Bohrung zu erkennen sind. Mit anderen Worten sind die beiden Bohrungen in radialer Richtung an unterschiedlichen Stellen und beispielsweise bezüglich der Kolbenachse symmetrisch. Ferner kann eine gemeinsame oder getrennte Zuführungen zu den verschiedenen Bohrungen vorhanden sein.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Es wird derzeit bevorzugt, die Kühlung der Kolbenbolzenbohrungen mittels Druckluft vorzunehmen. Die hierfür erforderlichen Druckluftleitungen können, so haben erste Überlegungen ergeben, für sämtliche Größen von Kolben, insbesondere Dieselkolben vorgesehen werden.
Besonders effizient kann der Beginn der Kühlmittelzuführung dadurch ausgelöst werden, dass die vorangehend erwähnten Austrittsöffnungen durch den Rückzug der jeweiligen Pinole freigegeben werden.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, einen derartigen Kern zurückziehbar zu gestalten. Dadurch kann insbesondere nach einer ersten Kühlung des Bereichs der Kolbenbolzenbohrungen durch den Kern, bevorzugt in vermindertem Umfang, weiterhin Kühlmittel, insbesondere Druckluft, zugeführt werden, so dass auch der Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen gekühlt werden kann. Mit anderen Worten wird der Kern zunächst nicht zurückgezogen, und das bis zum Zurückziehen des Kerns an diesem Kern anliegende Material wird gekühlt, um auch hier eine erhöhte Festigkeit zu realisieren. Nachfolgend kann Kühlmittel gleichzeitig über den Kern und zumindest eine Pinole zugeführt werden. Alternativ hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass nach dem Zurückziehen des Kerns die Kühlung des Kernraums, also des Bereichs, der an den Kern bis zu dessen Zurückziehen anliegt, dadurch erfolgt, dass Kühlmittel nur durch eine Pinole zugeführt wird. Die Kühlung in vermindertem Umfang kann somit durch die Zuführung von Kühlmittel, insbesondere Druckluft durch genau eine Pinole erfolgen.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch die im Anspruch 5 beschriebene Gießvorrichtung, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest eine aus dem Bereich einer Kolbenbolzenbohrung zurückziehbare Pinole und eine Einrichtung zum Kühlen des Bereichs der Kolbenbolzenbohrungen aufweist. Durch eine derartige Vorrichtung konnen die oben genannten Vorteile erreicht werden. Die bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen den vorangehend beschriebenen Verfahrensmerkmalen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Gießvorrichtung mit einem gegossenen Kolben während einer ersten Erstarrungsphase;
2 eine schematische Schnittansicht nach dem Zurückziehen der Pinolen;
3 eine schematische Schnittansicht beim Zuführen von Druckluft durch einen Werkzeugkern; und
4 eine schematische Schnittansicht nach dem Zurückziehen des Werkzeugkerns.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Die in 1 schematisch im Schnitt gezeigte Gießvorrichtung 20 für einen Kolben 10 weist verschiedene Elemente auf, die zunächst die Außenform des Kolbens definieren. Dies gilt für das Werkzeugteil 22 im Bereich des Kolbenbodens, die Werkzeugteile 24 im Bereich des Kolbenmantels sowie einen so genannten Fixierring 26 im Bereich der Unterseite des Kolbens. Um die mechanische Nachbearbeitung im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen 12 möglichst gering zu halten und das Zurückziehen zu ermöglichen, sind bei der gezeigten Ausführungsform zwei Pinolen 14 vorgesehen, die leicht konisch ausgebildet sind. Ferner ist zum Freihalten des Bereichs zwischen den Kolbenbolzenbohrungen 14 für die spätere Aufnahme des Pleuels ein Kern 16 vorhanden, der bis in den Bereich oberhalb der Bolzenbohrungen 12 reicht, und an dem die Pinolen anliegen. Nachdem das Material für den Kolben 10 in flüssiger Form in die derart gestaltete Gießvorrichtung 20 eingefüllt wurde, erfolgt eine Erstarrung des Materials, ausgehend von den Randschichten.
Wie in 2 gezeigt, wird nach einer ersten Randschichterstarrung, die insbesondere auch in den Kolbenbolzenbohrungen 12 stattfindet, zumindest eine Pinole 14, bei der gezeigten Ausführungsbeispiel beide Pinolen 14, zurückgezogen, um den Bereich der Kolbenbolzenbohrungen 12 insbesondere an der Innenseite derselben freizulegen. Erfindungsgemäß erfolgt nachfolgend eine gezielte Kühlung dieser Innenflächen.
Wie in 3 gezeigt ist, wird dies bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Zuführung von Druckluft durch den Werkzeugkern 16 realisiert. Insbesondere weist dieser in dem gezeigten Fall einen zentralen Zuströmkanal 28 und zwei sich davon erstreckende Seitenkanäle 30 auf, so dass insgesamt eine weitgehend T-förmige Gestaltung der Kanale entsteht. Durch die beschriebenen Seitenkanäle 30 strömt Druckluft an die Innenflächen der Kolbenbolzenbohrungen 12, so dass diese gekühlt und abgeschreckt werden und nachfolgend eine erhöhte Festigkeit aufweisen.
In 4 ist die bevorzugte Vorgehensweise dahingehend gezeigt, dass nachfolgend der Kern 16 zurückgezogen wird, um auch die Innenflächen im Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen, die bislang an den Kern 16 anlagen, freizulegen und auch hier eine Kühlung und Abschreckung zu bewirken, noch bevor der Kolben insgesamt aus der Gießvorrichtung oder Kokille entformt werden kann.

Claims

Verfahren zum Gießen eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem nach einer Randschichterstarrung im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen (12) zumindest eine dort vorgesehene Pinole (14) zurückgezogen und der Bereich zumindest einer Kolbenbolzenbohrung (12) gekühlt wird wobei ein Kühlmittel, insbesondere Druckluft durch zumindest eine Pinole (14) und/oder zumindest einen zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) vorgesehenen Kern (16) zugeführt wird, der vorzugsweise je zumindest eine in Richtung der jeweiligen Pinole weisende Austrittsöffnung für das Kühlmittel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mittels Druckluft erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kühlmittelaustrittsöffnung des Kerns (16) durch den Rückzug der zumindest einen Pinole (14) freigegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Randschichterstarrung im Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) zumindest ein Kern (16) zurückgezogen wird, und der Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12), vorzugsweise in vermindertem Umfang, gekühlt wird.
Vorrichtung (20) zum Gießen von Kolben (10) für Verbrennungsmotoren mit zumindest einer aus dem Bereich einer Kolbenbolzenbohrung (12) zurückziehbaren Pinole (14) und einer Einrichtung zum Kühlen des Bereichs der Kolbenbolzenbohrungen (12) wobei ein Kühlmittel, insbesondere Druckluft durch zumindest eine Pinole (14) und/oder zumindest einen zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) vorgesehenen Kern (16) zuführbar ist, der vorzugsweise zumindest je eine in Richtung der jeweiligen Pinole (14) weisende Austrittsöffnung für das Kühlmittel aufweist, die insbesondere durch den Rückzug der jeweiligen Pinole (14) freigebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckluftzuführvorrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, ferner mit zumindest einem aus dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) zurückziehbaren Kern (16).