DE102012204480A1

DE102012204480A1 - Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers

Info

Publication number: DE102012204480A1
Application number: DE102012204480A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Bubeck
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-26
Also published as: WO2013139845A3; WO2013139845A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers (1) für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben (2) einer Brennkraftmaschine mit einer, einen späteren Kühlkanal (3) bildenden Ausnehmung (4), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, a.) die Ausnehmung (4) ist nach innen offen und wird mit einem Salzgranulat befüllt, b.) der Ringträger (1) wird in Rotation versetzt, wodurch sich das Salzgranulat aufgrund der auf dieses einwirkendenden Zentrifugalkraft zu einem den Kühlkanal (3) bildenden Salzkern (5) verfestigt, c.) der Ringträger (1) samt verfestigtem Salzkern (5) wird auf eine Temperatur von ca. 200–250°C erwärmt, d.) der Ringträger (1) samt verfestigtem Salzkern (5) wird in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad (10) getaucht wird. Hierdurch kann ein kostengünstiger und qualitativ hochwertiger Aluminiumkolben (2) hergestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines einen derartigen Ringträger aufweisenden Aluminiumkolbens sowie eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Aluminiumkolben.
Aus der DE 103 25 916 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben eines Verbrennungsmotors mit einem auf dem Ringträgerrücken als eine nach unten offene Eindrehung ausgebildeten Kühlkanal bekannt. In die Eindrehung wird zu diesem Zweck Salzgranulat mit einem Druck von ca. 100 bis 300 N/mm² eingepresst, so dass sich in der Eindrehung ein Salzkern bildet. Um ein vollständigen Verschluss des durch den Salzkern gebildeten Kühlkanals zu bewirken wird der Ringträger zusammen mit dem Salzkern in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad getaucht.
Aus der DE 101 14 404 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Ringträger in eine Gießform eingebracht und von Gießschmelze beim Gießen umgeben wird. Dabei ist vorgesehen, dass vor dem Gießen in etwa auf gleicher Höhe des Ringträgers koaxial zu dem Ringträger ein ausspülbarer Kern eingebracht wird, wobei dieser nach dem Einbringen an dem Ringträger anliegt. Hierdurch sollen insbesondere Bauteile zur Herstellung des Kühlkanals entfallen und der Kühlkanal direkt an den Ringträger zur optimalen Kühlung angrenzen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welches insbesondere die vereinfachte Herstellung eines im Ringträger angeordneten Kühlkanals ermöglicht und zudem mithilft, einen besonders verschleißfesten Aluminiumkolben herzustellen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen gekühlten Ringträger für ein im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben mit einer nach innen offenen Ausnehmung auszubilden, die einen späteren Kühlkanal bildet und diese Ausnehmung mit einem Salzgranulat zu befüllen. Anschließend wird der Ringträger in Rotation versetzt, wodurch sich das Salzgranulat aufgrund der auf dieses einwirkenden Zentrifugalkraft bzw. aufgrund des auf dieses einwirkenden Drucks zu einem dem Kühlkanal bildenden Salzkern verfestigt. Anschließend wird der Verbund aus Ringträger und verfestigtem Salzkern auf eine Temperatur von ca. 200 bis 250°C erwärmt, woraufhin der Ringträger samt verfestigten Salzkern in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad getaucht wird und dadurch einen Aluminiumüberzug erhält. Durch den im Alfinbad hergestellten Aluminiumüberzug kann eine feste Verbindung mit dem Aluminiumkolben beim späteren Gießen des Aluminiumkolbens erreicht werden. Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Ringträger ist somit ein separates Verfestigen des Salzgranulats zum Salzkern nicht mehr erforderlich, da die Verfestigung hier ausschließlich aufgrund der Zentrifugalkraft bei der Rotation des Ringträgers erfolgt. Eine derartige Rotationsbewegung ist vergleichsweise einfach herzustellen, wobei über die Rotationsgeschwindigkeit einfach Einfluss auf den auf das Salzgranulat einwirkenden Druck und damit auf dessen Verfestigungsgrad genommen werden kann. Generell ist dabei auch denkbar, dass ein Befüllen der Ausnehmung mit Salzgranulat mehrmals erfolgt, unterbrochen durch bspw. einzelne Verfestigungsschritte. Es ist somit denkbar, dass der Ringträger zur Verfestigung des eingefüllten Salzgranulats in Rotation versetzt wird, wobei nach einem Verfestigen das abgesetzte Volumen in der Ausnehmung durch neues Salzgranulat aufgefüllt wird. Anschließend wird durch eine weitere Rotation auch dieses Salzgranulat verdichtet.
Zweckmäßig wird der Ringträger so schnell gedreht, dass ein auf das Salzgranulat einwirkender Druck von ca. 100 bis 300 N/mm² beträgt. Bei einem derartig gewählten Druck kann sichergestellt werden, dass das Salzgranulat zuverlässig zu dem den späteren Kühlkanal bildenden Salzkern verdichtet wird.
Zweckmäßig wird ein Überstand des verfestigten Salzkerns nach innen vor dem Alfinieren abgedreht. Hierdurch kann ein sauberer Abschluss und eine exakte Innenkontur des späteren Kühlkanals gewährleistet werden, wobei ein derartiges Abdrehen auf einem speziell dafür ausgebildeten Drehwerkzeug problemlos zu bewerkstelligen ist, da sich der verfestigte Salzkern vergleichsweise einfach bearbeiten lässt.
Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen derartigen Ringträger in eine Gießform für einen Aluminiumkolben einzulegen und anschließend die Gießform mit einer flüssigen Aluminiumschmelze auszugießen. Die Gießform kann anschließend geöffnet und der Aluminiumkolben entnommen werden, wobei zur Vollendung des Kühlkanals der Ringträger und/oder der Salzkern angebohrt werden und der Salzkern anschließend durch Ausspülen entfernt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Ringträgers kann somit ein gekühlter Aluminiumkolben fertigungstechnisch einfach, wirtschaftlich und mit höchster Präzision hergestellt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Ringträgers,
2 eine mögliche Einbausituation des erfindungsgemäßen Ringträgers in einen Aluminiumkolben,
3 eine weitere mögliche Ausführungsform des Ringträgers.
Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäß hergestellter gekühlter Ringträger 1 für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben 2 (vgl. 2) einer im übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine eine, einen späteren Kühlkanal 3 bildende Ausnehmung 4 auf. Gemäß der 1 ist dabei der Kühlkanal 3 noch mittels eines Salzkerns 5 ausgefüllt. Die Ausnehmung 4 ist dabei nach innen, d.h. zu einer Achse 6 des Ringträgers 1 bzw. des späteren Kolbens 2 hin offen ausgebildet. Der erfindungsgemäße Ringträger 1 wird dabei nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, welches sich im Wesentlichen in die nachfolgend erläuterten Verfahrensschritte unterteilt:
Zunächst wird in einem Verfahrensschritt 1a die Ausnehmung 4 mit einem Salzgranulat befüllt und im Verfahrensschritt 1b anschließend der Ringträger 1 um die Achse 6 in Rotation versetzt, wodurch sich das Salzgranulat aufgrund der auf dieses einwirkenden Zentrifugalkraft bzw. aufgrund des auf dieses einwirkenden Drucks zu dem den Kühlkanal 3 bildenden Salzkern 5 verfestigt. Das Einbringen des Kühlkanal bildenden Mediums, also beispielsweise eines den späteren Salzkern 5 bildenden kochsalzartigen Mediums, kann über eine Düse 12 mittels Einsprühen erfolgen, die eine zeitliche Taktung und zugleich eine mengenmäßige Dosierung erlaubt (vgl. 3). Im Verfahrensschritt 1c wird der Ringträger 1 samt verfestigtem Salzkern 5 auf eine Temperatur von ca. 200 bis 250°C erwärmt um dann im Verfahrensschritt 1d komplett in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad 10 getaucht zu werden. In diesem Alfinbad 10 wird der gesamte Ringträger 1, d.h. der Verbund aus Ringträger 1 und darin verfestigtem Salzkern 5 mit einer Aluminiumhaut überzogen, wodurch eine besonders feste Verbindung mit dem späteren im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben 2 erzielt werden kann.
Selbstverständlich ist dabei klar, dass die Verfahrensschritte 1a und 1b mehrmals durchgeführt werden können, da durch den auf das Salzgranulat einwirkenden Druck sich dieses nicht nur verfestigt, sondern auch eine Volumenverkleinerung erfährt, so dass diese Volumenreduzierung nach einem erstmaligen Rotieren aufgefüllt werden sollte, beispielsweise durch weiteres Einsprühen von salzartigem Medium mittels der Düse 12. Anschließend kann durch ein weiteres Rotieren das nachgefüllte Salzgranulat verdichtet werden.
Der Ringträger 1 wird dabei zum Verdichten des Salzgranulats so schnell gedreht, dass ein auf das Salzgranulat einwirkender Druck ca. 100 bis 300 N/mm² beträgt und dadurch ein zuverlässiges Herstellen des Salzkerns 5 gewährleistet werden kann. Vor dem Eintauchen des Verbundes aus Ringträger 1 samt verfestigten Salzkern 5 in das Alfinbad 10 kann selbstverständlich ein Überstand des verfestigten Salzkerns 5 innen abgedreht werden, so dass dieser eine glatte zylindrische Innenoberfläche 7 aufweist. Der Ringträger 1 kann generell aus einer Graugusslegierung mit einem Nickelanteil hergestellt werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Aluminiumkolbens 2 wird der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ringträger 1 zusammen mit dem darin verfestigten Salzkern 5 in eine nicht näher dargestellte Gießform für den Aluminiumkolben 2 eingelegt, wobei diese Gießform anschließend mit einer flüssigen Aluminiumschmelze ausgegossen wird. Nach einer gewissen Zeit, d.h. insbesondere nach dem Abkühlen, kann die Gießform geöffnet und der Aluminiumkolben 2 entnommen werden, wobei anschließend der Ringträger 1 und/oder der Salzkern 5 angebohrt werden, um dann den Salzkern 5 durch Ausspülen zu entfernen und den nunmehr vom Salzkern 5 zurückgelassenen Hohlraum, d.h. den Kühlkanal 3, herzustellen. Über das Anbohren des Ringträgers 1 bzw. des Salzkerns 5 ist nicht nur ein Entfernen des Salzkerns 5 durch ein Ausspülen möglich, sondern es wird zugleich ein Zu- und ein Ablauf für den späteren Kühlkanal 3 geschaffen, durch welchen Kühlmittel, insbesondere Öl, dem Kühlkanal 3 zugeführt und aus diesem wieder abgeführt werden kann.
Entsprechend der 5, weist der erfindungsgemäß hergestellte Ringträger 1 im Bereich der den Kühlkanal 3 bildenden Ausnehmung 4 zudem zwei Hinterschnitte 11, 11' auf, die insbesondere dazu beitragen die Festigkeit am Ringträgerrücken Das Einbringen des Kühlkanal bildenden Mediums, beispielsweise eines kochsalzartigen Mediums, sollte auch hier über eine Düse 12 mittels Einsprühen erfolgen, die eine zeitliche Taktung und zugleich eine mengenmäßige Dosierung erlaubt.
Ein Übergang 8 zwischen Flanke und Innenoberfläche 7 ist dabei beim erfindungsgemäßen Ringträger 1 vorzugsweise mit einem großen Radius ausgeführt, wodurch eine deutlich reduzierte Rissneigung erzielt werden kann. Mit dem erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumkolben gehen im Wesentlichen zwei große Vorteile einher: Die nach innen offene Ausnehmung 4 können insbesondere bisher an einem unteren äußeren Eckbereich 9 auftretende Risse vermieden werden, wobei zugleich die Herstellung des Salzkerns 5 und damit indirekt auch die Herstellung des Aluminiumkolbens 2 technisch einfach und kostengünstig möglich ist, bei gleichzeitig hoher Qualität.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10325916 A1 [0002]
DE 10114404 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers (1) für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben (2) einer Brennkraftmaschine mit einer, einen späteren Kühlkanal (3) bildenden Ausnehmung (4), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, a.) die Ausnehmung (4) ist nach innen offen und wird mit einem Salzgranulat befüllt, b.) der Ringträger (1) wird in Rotation versetzt, wodurch sich das Salzgranulat aufgrund der auf dieses einwirkendenden Zentrifugalkraft zu einem den Kühlkanal (3) bildenden Salzkern (5) verfestigt, c.) der Ringträger (1) samt verfestigtem Salzkern (5) wird auf eine Temperatur von ca. 200–250°C erwärmt, d.) der Ringträger (1) samt verfestigtem Salzkern (5) wird in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad (10) getaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte 1a.) und 1b.) mehrmals durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (1) so schnell gedreht wird, dass ein auf das Salzgranulat einwirkender Druck ca. 100 bis 300 N/mm² beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überstand des verfestigten Salzkerns (5) vor dem Verfahrensschritt 1d.) innen abgedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (1) aus einer Graugusslegierung mit einem Nickelanteil hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Bildung des Salzkerns (5) salzhaltiges Medium mittels einer Düse (12) in die Ausnehmung (4) eingesprüht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens (2), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte – ein Ringträger (1) wird gemäß den Verfahrensschritten a.) bis d.) nach Anspruch 1 hergestellt, – der Ringträger (1) wird in eine Gießform für den Aluminiumkolben (2) eingelegt, – die Gießform wird mit einer flüssigen Aluminiumschmelze ausgegossen, – die Gießform wird geöffnet und der Aluminiumkolben (2) entnommen, – der Ringträger (1) und/oder der Salzkern (5) werden angebohrt und der Salzkern (5) durch Ausspülen entfernt.
Brennkraftmaschine mit zumindest einem Aluminiumkolben (2) hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 7.