DE102012022954A1 - Casting core useful e.g. in automobile industry, comprises inner core surrounded by core jacket, whose inner shape corresponds to outer shape of inner core, and has physical property that is different from physical property of core jacket - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gusskern und ein Fertigungsverfahren für einen solchen Gusskern.The invention relates to a casting core and a manufacturing method for such a casting core.
Gusskerne werden im allgemeinen Maschinenbau wie auch im Automobilbau beispielsweise für die Fertigung von Verbrennungsmotor-Bauteilen, wie der Zylinderkopf oder der Motorblock, mit eingelassenen Kühlwasser- bzw. Ölkanälen eingesetzt oder generell immer dann, wenn mittels eines Giessverfahrens ein Hohlraum erzeugt werden soll. Es werden in der Regel verlorene Sand- oder Salzkerne eingesetzt, die nach dem Guss entweder in dem Hohlraum belassen werden, oder, wenn es sich um einen zugänglichen Hohlraum handelt, zerstörerisch entfernt werden.Cast cores are used in general mechanical engineering as well as in the automotive industry, for example, for the manufacture of internal combustion engine components, such as the cylinder head or the engine block, with recessed cooling water or oil channels or generally whenever a cavity is to be produced by means of a casting process. Lost sand or salt cores are usually used which, after casting, are either left in the cavity or, if it is an accessible cavity, destructively removed.
Solche Kerne sind bekannt und sind in der Regel einteilig. Unterschiedliche Bereiche des Gusskerns stellen dabei jedoch unterschiedliche Anforderungen an die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Gusskerns bzw. des Gusskern-Werkstoffs. So ist an einer Grenzfläche des Gusskerns mit einer Schmelze eine hohe Thermoschockbeständigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit erstrebenswert, während das Innere des Gusskerns zäh, schlagfest, formstabil sein soll und zum Einsatz im Druckguss eine hohe Druckbelastbarkeit aufweisen soll. Ferner werden an die Oberfläche des Gusskerns besondere Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit gestellt, wobei vor Allem die Rauigkeit möglichst gering sein soll. Aufgrund dieser unterschiedlichen und mitunter gegenläufigen Anforderungen wird im Stand der Technik bei der Auswahl des Gusskern-Werkstoffs bisher ein Kompromiss getroffen.Such cores are known and are usually one-piece. Different areas of the casting core, however, make different demands on the physical and / or chemical properties of the casting core or the casting core material. Thus, at an interface of the casting core with a melt, a high thermal shock resistance and low thermal conductivity is desirable, while the interior of the casting core should be tough, impact-resistant, dimensionally stable and should have a high compressive strength for use in die-casting. Furthermore, special demands are placed on the surface of the casting core with regard to the surface texture, wherein, above all, the roughness should be as small as possible. Because of these different and sometimes conflicting requirements, a compromise has been made in the prior art in the selection of the cast-core material so far.
Die
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gusskern bereitzustellen, der besser als bekannte Gusskerne an unterschiedliche Anforderungsprofile in verschiedenen Bereichen angepasst werden kann.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a casting core, which can be better adapted to different requirement profiles in different areas than known casting cores.
Diese Aufgabe wird durch einen Gusskern mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a casting core with the features of claim 1.
Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, ein Fertigungsverfahren für einen erfindungsgemäßen Gusskern bereitzustellen, das gut automatisierbar ist und mit dem Gusskerne mit gleichbleibend hoher Qualität erzeugt werden können.In addition, the task results to provide a manufacturing method for a casting core according to the invention, which is easy to automate and can be produced with the casting cores with consistently high quality.
Diese Aufgabe wird durch ein Fertigungsverfahren für einen Gusskern mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.This object is achieved by a manufacturing method for a casting core having the features of claim 6.
Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments are each carried out in the subclaims.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gusskerns weist einen Innenkern auf, der von einem Kernmantel umgeben ist. Die Innenform des Kernmantels korrespondiert mit der Außenform des Innenkerns, aber der Innenkern unterscheidet sich zumindest hinsichtlich einer physikalischen Eigenschaft von dem Kernmantel, der folglich zumindest eine andere physikalische Eigenschaft aufweist.A first embodiment of the casting core according to the invention has an inner core which is surrounded by a core jacket. The inner shape of the core sheath corresponds to the outer shape of the inner core, but the inner core differs at least in physical property from the core sheath, which consequently has at least one other physical property.
Durch einen erfindungsgemäß aufgebauten Gusskern wird es also möglich, verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen und dem jeweiligen Anforderungsprofil der Bereiche angepassten physikalischen Eigenschaften auszustatten. D. h., bei dem Kern handelt es sich um einen Mehrkomponentenkern. Selbstverständlich können sich die Bereiche nicht nur in einer physikalischen Eigenschaft, sondern auch in zwei oder mehr physikalischen Eigenschaften oder in einer oder mehr chemischen Eigenschaften unterscheiden. Ein solcher Kern kann beispielsweise für den Druckguss optimiert werden, wobei in diesem Fall der Innenkern aus einem druckfesten (jedoch üblicherweise nicht hochtemperaturbeständigen) Werkstoff bestehen kann und von einem Kernmantel aus einem temperaturbeständigen und thermoschockresistenten Werkstoff umgeben sein kann. Ein solcher Gusskern ermöglicht es also, die Produktion von Gussteilen mit Hohlräumen kostengünstiger durchzuführen, da der erfindungsgemäße Gusskern beispielsweise nicht vorgewärmt werden muss und auch höhere Drücke ertragen kann, was zu einer besseren Ausfüllung von Hinterschnitten und dergleichen beitragen kann.By means of a casting core constructed according to the invention, it is thus possible to equip different regions with different physical properties adapted to the respective requirement profile of the regions. That is, the core is a multicomponent core. Of course, the ranges may differ not only in one physical property but also in two or more physical properties or in one or more chemical properties. Such a core can be optimized for example for die casting, in which case the inner core may consist of a pressure-resistant (but usually not high-temperature resistant) material and may be surrounded by a core sheath made of a temperature-resistant and thermal shock resistant material. Such a casting core thus makes it possible to carry out the production of castings with cavities more cost-effectively, since the casting core according to the invention, for example, does not have to be preheated and can withstand higher pressures, which can contribute to a better filling of undercuts and the like.
In einer weiteren Ausführungsform kann die physikalische Eigenschaft eine thermische, mechanische, elektrische und/oder magnetische Eigenschaft sein. Der Kernmantel und der Innenkern können aus den (chemisch) gleichen, oder aus völlig unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.In a further embodiment, the physical property may be a thermal, mechanical, electrical and / or magnetic property. The core sheath and the inner core may consist of (chemically) identical, or completely different materials.
Der Kernmantel und der Innenkern müssen aber nicht aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen; wenn die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften bei gleichen Werkstoffen beispielsweise auch durch unterschiedliche Wärmebehandlungszustände, Porositäten oder Oberflächenzustände erreicht werden können, ist dies auch eine erfindungsgemäße Möglichkeit zum Einstellen der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften.The core sheath and the inner core need not consist of different materials; if the different physical properties of the same materials, for example, by different heat treatment conditions, porosity or surface conditions can be achieved, this is also a possibility according to the invention for adjusting the different physical properties.
In einer noch weiteren Ausführungsform können der Innenkern und der Kernmantel verbunden sein. Die Verbindung kann etwa durch ein Bindemittel, vorteilhaft ein Klebestoff, realisiert sein.In yet another embodiment, the inner core and the core sheath may be connected. The compound can be realized, for example, by a binder, advantageously an adhesive.
Liegen der Innenkern und der Kernmantel verbunden vor, so kann unter Anderem der Schrumpf vermindert werden, der ansonsten bei einer Druckbelastung des Kernmantels auftreten würde, indem der Spalt mit dem Bindemittel gefüllt wird. Ferner kann das Bindemittel dazu beitragen, die Wärmeleitung vom Kernmantel in den Innenkern zu verringern. Es ist auch vorteilhaft, wenn sich in dem „Spalt” zwischen dem Innenkern und dem Kernmantel kein Gas befindet, das sich bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt. Gas im Spalt kann den Kernmantel, der in der Regel eine vergleichsweise geringe Zugbelastbarkeit aufweist, schädigen, indem ein sich im Spalt einstellender Innendruck den Werkstoffzusammenhalt des Kernmantels lokal auflöst.If the inner core and the core sheath are joined together, the shrinkage which would otherwise occur during a pressure load on the core sheath can be reduced, among other things, by filling the gap with the binder. Furthermore, the binder can help to reduce the heat conduction from the core sheath into the inner core. It is also advantageous if there is no gas in the "gap" between the inner core and the core shell, which expands when the temperature increases. Gas in the gap can damage the core shroud, which generally has a comparatively low tensile strength, in that a internal pressure in the gap dissolves the material cohesion of the core shroud locally.
Des Weiteren kann der Kernmantel aus einem thermoschockbeständigen und/oder hitzebeständigen Werkstoff bestehen. Der Innenkern kann aus einem schlagfesten und/oder zähen und/oder formstabilen Werkstoff bestehen.Furthermore, the core sheath may consist of a thermal shock resistant and / or heat resistant material. The inner core may consist of an impact-resistant and / or tough and / or dimensionally stable material.
Die Hitzebeständigkeit im Sinne der Schmelztemperatur oder im Bezug auf eine für das Werkstoffkriechen relevante Temperatur muss im Einzelfall an die Schmelztemperatur des zu gießenden Werkstoffs angepasst werden bzw. im Sinne einer für das Werkstoffkriechen relevanten Temperatur in Zusammenschau mit einer zur Abkühlung des Gussteils notwenigen Zeitdauer gesehen werden. Besonders für den Druckguss bietet sich die vorgeschlagene Kombination von Werkstoffeigenschaften an: Da der druckfeste Werkstoff des Innenkerns in der Regel eine vergleichsweise geringe Temperaturbeständigkeit sowie Thermoschockbeständigkeit aufweist, soll er erfindungsgemäß von einem Kernmantel umgeben sein, der diesen Belastungen besser Stand hält.The heat resistance in the sense of the melting temperature or in relation to a relevant for the material creep temperature must be adapted in each case to the melting temperature of the material to be cast or seen in terms of a relevant for the material creep temperature in conjunction with a necessary for cooling the casting time period , Especially for diecasting, the proposed combination of material properties offers: Since the pressure-resistant material of the inner core usually has a relatively low temperature resistance and thermal shock resistance, it should be surrounded according to the invention by a core sheath that better withstands these stresses.
Der Werkstoff des Kernmantels kann eine Keramik oder ein Salz sein und der Werkstoff des Innenkerns kann ein Kunststoff, ein Metall aus der Gruppe umfassend Zink, Zinn, Aluminium, oder auch oder ein Granulat, bevorzugt Sand sein.The material of the core sheath may be a ceramic or a salt, and the material of the inner core may be a plastic, a metal from the group consisting of zinc, tin, aluminum, or even granules, preferably sand.
Eine erste Ausführungsform des Fertigungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Gusskern wird unter Verwendung einer öffenbaren Negativ-Dauerform, die eine der Außenkontur des Gusskerns entsprechende Haupt-Kavität aufweist, durchgeführt. Die Negativ-Dauerform weist wenigstens eine erste mit der Haupt-Kavität verbundene Öffnung auf. Das Fertigungsverfahren umfasst folgende Schritte:
- a) Bereitstellen eines flüssigen, aushärtbaren Kernmantel-Vormaterials und der Negativ-Dauerform,
- b) Befüllen der Haupt-Kavität mit dem Kernmantel-Vormaterial durch die erste Öffnung,
- c) Einstellen von Aushärtbedingungen an einer Grenzfläche der Negativ-Dauerform zu der Haupt-Kavität,
- d) Aushärten Lassen eines ersten Teils des Kernmantel-Vormaterials, das an der Grenzfläche anliegt,
- e) Einstellen eines Überdrucks in der Haupt-Kavität,
- f) Ausfließen Lassen eines zweiten Teils des Kernmantel-Vormaterials, das nicht ausgehärtet ist, durch die erste Öffnung, so Erhalten des Kernmantels,
- g) Einstellen eines Druckausgleichs zwischen der Haupt-Kavität und der Umgebung,
- h) Abkühlen Lassen des Kernmantels, Öffnen der Negativ-Dauerform und Auswerfen des Kernmantels,
- i) Befüllen des Kernmantels mit einem Innenkern-Material,
- j) Verschließen einer Öffnung des Kernmantels und Erhalten des Gusskerns.
- a) providing a liquid, hardenable core-shell precursor material and the negative permanent mold,
- b) filling the main cavity with the core material by the first opening,
- c) setting of curing conditions at an interface of the negative permanent mold to the main cavity,
- d) curing leaving a first part of the core material, which bears against the interface,
- e) setting an overpressure in the main cavity,
- f) passing a second part of the core material, which has not hardened, through the first opening, thus obtaining the core shell,
- g) adjusting a pressure balance between the main cavity and the environment,
- h) cooling leaving the core sheath, opening the negative permanent mold and ejecting the core sheath,
- i) filling the core sheath with an inner core material,
- j) closing an opening of the core sheath and obtaining the casting core.
Das flüssige, aushärtbare Kernmantel-Vormaterial kann hierbei eine Lösung, eine Schmelze oder eine Suspension, beispielsweise eine Salzschmelze, eine Salzlösung, eine gießbare Keramik oder jeder andere dem Fachmann geeignet erscheinende aushärtende Werkstoff sein.The liquid, curable core-shell starting material may be a solution, a melt or a suspension, for example a molten salt, a salt solution, a castable ceramic or any other hardening material that appears suitable to a person skilled in the art.
Die Negativ-Dauerform kann je nach eingesetztem Kernmantel-Vormaterial bzw. in Abhängigkeit der Temperatur des Kernmantel-Vormaterials beim Befüllen der Negativ-Dauerform aus einem metallischen Werkstoff, etwa einem Leichtmetall oder einer Leichmetalllegierung oder einem Stahl bestehen. Die Negativ-Dauerform kann so gefertigt sein, dass sie eine sehr glatte Oberfläche aufweist und ebendiese Oberflächenbeschaffenheit dem damit erzeugten Kernmantel aufprägt. Dadurch lässt sich ein erfindungsgemäß erzeugter Kernmantel (bzw. der Gusskern dessen äußere Oberfläche der Kernmantel ist) direkt zum Umguss in einem Druckgusswerkzeug verwenden. Der in Bezug auf die Oberflächengüte hochwertige Gusskern kann ohne oder mit nur sehr wenig (z. B. Entgraten der Kanten) Nacharbeit direkt eingesetzt werden. Ferner kann die Negativ-Dauerform eine Innenverrippung aufweisen, so dass außenverrippte Gusskerne damit herstellbar sind, die eine hohe Resistenz gegenüber Druckbelastungen aufweisen und so für Druckguss besonders geeignet sind.The negative permanent mold can be made of a metallic material, such as a light metal or a light metal alloy or a steel depending on the inserted core-shell material or depending on the temperature of the core-shell material when filling the negative permanent mold. The negative permanent mold can be manufactured in such a way that it has a very smooth surface and imprints this surface finish on the core sheath produced with it. As a result, a core sheath (or core core whose outer surface is the core sheath) produced according to the invention can be used directly for encapsulation in a die casting tool. The high-quality cast core with regard to the surface quality can be used directly without or with only very little (eg deburring of the edges) reworking. Furthermore, the negative permanent mold can have an inner ribbing, so that externally ribbed casting cores can be produced with it, which have a high resistance to pressure loads and are thus particularly suitable for diecasting.
Die Aushärtbedingungen können in Abhängigkeit des eingesetzten Kernmantel-Vormaterials ausgewählt und eingestellt werden; etwa ein Temperaturgradient zwischen der Schmelze bzw. Lösung und der Wand der Haupt-Kavität um das Aushärten an der Grenzfläche mit einer vorbestimmten Abkühlrate zu erreichen, da an der Wand der Haupt-Kavität das flüssige Kernmantel-Vormaterial im Schritt d) zuerst auszuhärten beginnt. Dort liegen die günstigsten Aushärtbedingungen vor. Anschließend baut sich kontinuierlich eine Schale ausgehärteten Kernmantel-Vormaterials auf, die letztlich den Kernmantel bildet. The curing conditions can be selected and adjusted depending on the core-shell starting material used; For example, a temperature gradient between the melt and the wall of the main cavity to achieve curing at the interface at a predetermined cooling rate, since on the wall of the main cavity, the liquid core-shell precursor begins to cure first in step d). There are the cheapest Aushärtbedingungen. Subsequently, a shell of hardened kernmantel raw material continuously builds up, which ultimately forms the core shell.
Das Einstellen der Aushärtbedingungen im Schritt c) kann, wenn es sinnvoll erscheint, jedoch auch schon nach dem Schritt a) durchgeführt werden. In diesem Fall ist allerdings zu beachten, dass es zu ungleichmäßigem Schalenwachstum kommen kann, da Teile bzw. Teilmengen des flüssigen Kernmantel-Vormaterials, die zuerst in die Form gefüllt werden, den Aushärtebedingungen länger ausgesetzt sind als andere Teile, die erst später eingegossen werden. Es kann jedoch gewünscht sein, einen Kernmantel mit Bereichen unterschiedlicher Wandstärken herzustellen. Dann kann das Befüllen der Haupt-Kavität etwa schrittweise erfolgen, um die unterschiedlichen Wandstärken durch unterschiedliche Kontaktzeiten mit den Aushärtbedingungen gezielt herbeizuführen.The setting of the curing conditions in step c) can, however, if appropriate, also be carried out after step a). In this case, however, it should be noted that uneven shell growth may occur because portions of the liquid core-shell precursor initially filled into the mold are exposed to the curing conditions longer than other portions which are later poured. However, it may be desirable to make a core shroud having areas of different wall thicknesses. Then, the filling of the main cavity can be carried out approximately stepwise in order to specifically bring about the different wall thicknesses by means of different contact times with the curing conditions.
„Überdruck” soll hierbei bedeuten, dass in der Haupt-Kavität gegenüber der Umgebung ein relativer Überdruck eingestellt wird, wobei natürlich auch die Umgebung auch evakuiert werden kann, wenn es sinnvoll erscheint."Overpressure" is intended to mean that in the main cavity relative to the environment, a relative overpressure is set, of course, the environment can also be evacuated, if it makes sense.
Nach Schritt h) liegt nur ein hohler Kernmantel vor. Um diesen Kernmantel noch druckfester zu gestalten, d. h., um ein Zusammendrücken während des Druckgusses zu vermeiden, wird dieser mit einem nur schwer komprimierbaren Stoff gefüllt, der den Innenkern bildet. Dies ist auch möglich, wenn konstruktiv keine Verrippung des Hohl-Gusskerns möglich ist. Es können neben den erwähnten Feststoffen und Granulaten natürlich auch Flüssigkeiten zum Befüllen des Gusskerns verwendet werden, wenn es sinnvoll erscheint. Wenn der Kernmantel mehr als eine Öffnung aufweist, müssen die weiteren Öffnungen natürlich verschlossen werden, bevor der Gusskern mit Innenkern erhalten werden kann. Der Innenkern lässt sich nach dem Entformen, was wiederum nach einem Einsatz im Umguss stattfindet, selbstverständlich aufbereiten und wiederverwenden, wodurch erfindungsgemäße Gusskerne sehr ökonomisch einzusetzen sind.After step h), only a hollow core shell is present. To make this core coat even more pressure-resistant, d. h., To avoid compression during die casting, this is filled with a difficult to compress material that forms the inner core. This is also possible if structurally no ribbing of the hollow casting core is possible. Of course, in addition to the mentioned solids and granules, it is also possible to use liquids for filling the casting core, if it makes sense. Of course, if the core shroud has more than one opening, the other openings must be closed before the inner core core can be obtained. Of course, after demoulding, which in turn takes place after use in an encapsulation, the inner core can be prepared and reused, as a result of which cast cores according to the invention can be used very economically.
Ein solches Fertigungsverfahren für einen Gusskern lässt sich gut automatisieren, wobei auf Erfahrungen aus der Gießereitechnik bzw. Spritzgusstechnik zurückgegriffen werden kann. Negativ-Dauerformen erlauben es ferner bei hohen Durchsatzraten eine gleichbleibend hohe Qualität im Sinne von Maßhaltigkeit und Oberflächengüte zu erzeugen.Such a manufacturing process for a casting core can be easily automated, based on experience in foundry technology or injection molding technology can be used. Negative permanent molds also allow for high throughput rates to produce a consistently high quality in terms of dimensional accuracy and surface quality.
In einer weiteren Ausführungsform des Fertigungsverfahrens kann nach dem Schritt h) der Schritt
- h') Beschichten zumindest einer inneren Oberfläche des Kernmantels mit einem Bindemittel,
- h ') coating at least one inner surface of the core sheath with a binder,
Durch Auftragen des Bindemittels wird ermöglicht, dass der Innenkern und der Kernmantel verbunden werden, was bei bestimmten Materialkombinationen nicht bereits durch die Materialien selbst erreicht sondern unterstützt werden muss. Wenn Innenkern und der Kernmantel verbunden sind, ergeben sich die bereits aufgeführten Vorteile hinsichtlich geringerer Wärmeleitung und Verhinderung einer Gasausdehnung in einem Spalt zwischen den beiden Teilen.By applying the binder is made possible that the inner core and the core sheath are connected, which in certain material combinations not already reached by the materials themselves but must be supported. When the inner core and the core sheath are joined, the advantages already mentioned result in less heat conduction and prevention of gas expansion in a gap between the two parts.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt eine perspektivische Ansicht eines geschnittenen Gusskerns.These and other advantages will be set forth by the following description with reference to the accompanying figure. The reference to the figure in the description is to facilitate the understanding of the subject matter. The figure is merely a schematic representation of an embodiment of the invention. It shows a perspective view of a cut casting core.
In der
Ebenfalls figurativ nicht dargestellt ist, dass der Innenkern
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DE102014221359A1 (en) * | 2014-10-21 | 2016-04-21 | Volkswagen Aktiengesellschaft | A method of manufacturing a die-cast metallic component using a salt core having an integral support structure and die cast component made therewith |
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DE102008002376A1 (en) | 2008-02-22 | 2009-08-27 | Bühler Druckguss AG | Disposable core such as salt core or sand core for die casting molds, comprises a core material, in which a reinforcing element is embedded |
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