DE102013217251A1 - Method of sand casting aluminum-based piston for light-duty and medium-duty diesel engine, involves forming piston mold around pattern, introducing molten aluminum-based metal into piston mold and contacting piston mold with solvent - Google Patents
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Abstract
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zum Gießen von Motorkomponenten und im Spezielleren einen hochentwickelten Dieselkolben auf Aluminiumbasis mit komplexen Merkmalen und ein Verfahren zum Gießen desselben.The present invention relates generally to apparatus and methods for casting engine components, and more particularly to a sophisticated aluminum-based diesel piston having complex features and a method of casting the same.
Kolben, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, sind typischerweise aus einem Kopf (auch als eine Kuppel oder eine Krone bezeichnet), einem Schaft, einer oder mehreren Ringnuten und einem Steg zwischen den Nuten hergestellt. Zunehmend strenge Emissions- und Effizienzanforderungen schreiben vor, dass Kolben in Zukunft näher bei stöchiometrischen Bedingungen, höheren Zylinderdrücken und knapperen Packaging-Vorgaben arbeiten werden müssen, was wiederum höhere Komponentenbelastungs- und Betriebstemperaturbedingungen notwendig machen wird. Dies gilt insbesondere für in Dieselmotoren verwendete Kolben, die zunehmend verwendet werden, um Personenfahrzeuge zu betreiben, abgesehen davon, dass sie die vorherrschende Motorform für größere Geschäftsfahrzeuge sind. Ebenso werden hochentwickelte Kuppelkonstruktionen entwickelt, um einen gründlicheren, effizienten Verbrennungsvorgang zu erreichen, der die Temperaturen in der Brennkammer noch weiter erhöht. Diese hochentwickelten Kuppelkonstruktionen mit ihren dreidimensionalen (3D-)Profilen erfordern komplexere Formgestalten, was die Schwierigkeit beim Gießen der Kolben erhöht oder den Einsatz einer übermäßigen maschinellen Bearbeitung notwendig macht, um die erwünschte Kuppelgeometrie zu erreichen.Pistons used in internal combustion engines are typically made up of a head (also referred to as a dome or a crown), a stem, one or more annular grooves, and a land between the grooves. Increasingly stringent emissions and efficiency requirements dictate that in future, pistons will have to work closer to stoichiometric conditions, higher cylinder pressures, and tighter packaging specifications, which in turn will require higher component load and operating temperature conditions. This is especially true for pistons used in diesel engines, which are increasingly being used to operate passenger vehicles, in addition to being the predominant engine shape for larger commercial vehicles. Likewise, sophisticated dome designs are being developed to achieve a more thorough, efficient combustion process that further increases the temperatures in the combustion chamber. These advanced dome designs with their three-dimensional (3D) profiles require more complex shapes, which increases the difficulty in casting the pistons or necessitates the use of excessive machining to achieve the desired dome geometry.
Höhere Betriebstemperaturen erfordern die Verwendung von Materialien, die in der Lage sind, unter diesen Bedingungen zu arbeiten. Es wurden auch Kühlprogramme als eine Möglichkeit verwendet, die Lebensdauer der Kolben und ähnlicher Hochtemperaturkomponenten zu verbessern. Eine Möglichkeit, eine Kühlung zu bewerkstelligen, besteht darin, ein Motorschmiermittel durch Durchgänge (auch als Galerien bezeichnet) zu leiten, die in dem Kolben gebildet sind. Das Kühlen der Kuppel ist sehr vorteilhaft, da er direkt dem Verbrennungsvorgang ausgesetzt ist. Das Hinzufügen von Kühlkanälen erhöht jedoch die Schwierigkeit beim Gießen des Kolbens weiter.Higher operating temperatures require the use of materials capable of operating under these conditions. Cooling programs have also been used as a way to improve the life of the pistons and similar high temperature components. One way to accomplish cooling is to pass an engine lubricant through passages (also referred to as galleries) formed in the piston. The cooling of the dome is very advantageous because it is directly exposed to the combustion process. However, the addition of cooling channels further increases the difficulty in casting the piston.
Traditionelle verbrauchsfreie Formen des Gießens wie z. B. der Dauerformguss sind zum Bilden komplexer Gestaltungsformen nicht gut geeignet. Insbesondere begrenzt die dauerhafte Beschaffenheit der Form, verbunden mit den einspringenden Bereichen, die in einigen Gestaltungsformen wie z. B. den oben erläuterten 3D-Kuppelgestaltungsformen vorhanden sind, das Vermögen, das Teil zurückzuziehen, sobald das Gussteil erstarrt ist. Infolgedessen ist eine übermäßige maschinelle Bearbeitung notwendig, um die komplexen Gestaltungsformen zu produzieren. Diese zusätzliche maschinelle Bearbeitung trägt zu der Komplexität und zu den Kosten von Dauerformguss-Ansätzen bei. Auch die Teilequalität kann unter dem Dauerformguss leiden. Das Vorhandensein von Steigern kann die Mikrostruktur des Gussteils und das Ausmaß der erzielbaren Kornverfeinerung beeinflussen. Beispielsweise neigt die relativ große thermisch wirksame Masse der großen Steiger dazu, die Erstarrung der gegossenen Komponente zu verlangsamen, während eine schnellere Abkühlung und die damit einhergehenden verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie durch das Vorhandensein einer kleineren sekundären Dendritarmabstandes (SADS, vom engl. ”secondary dendrite arm spacing”) erwiesen, oft wünschenswert sind. Es kann ein Unterschied von bis zu 20% bei den mechanischen Eigenschaften an dem Einlaufort verglichen mit den Steigerseiten bestehen.Traditional consumption-free forms of casting such. Durable casting, for example, are not well suited for forming complex shapes. In particular, the permanent nature of the mold, associated with the re-entrant areas, which in some designs such as, for For example, if the 3D dome design forms discussed above are present, the ability to retract the part once the casting has solidified. As a result, excessive machining is necessary to produce the complex shapes. This additional machining adds to the complexity and cost of permanent casting approaches. The quality of parts can also suffer from permanent casting. The presence of enhancers can affect the microstructure of the casting and the extent of grain refinement that can be achieved. For example, the relatively large thermal mass of the large risers tends to slow the solidification of the cast component while providing faster cooling and the concomitant improved mechanical properties, such as the presence of a smaller secondary dendrite arm spacing (SADS) poor spacing ") are often desirable. There may be a difference of up to 20% in the mechanical properties at the inlet compared to the riser sides.
Um die Gestaltungsformeinschränkungen des Dauerformgusses zu überwinden, können andere Ansätze verwendet werden, welche verschiedene Formen des Gießens mit verlorener Form wie z. B. das Investmentgießen (oder Wachsausschmelzgießen), das Sandgießen und dergleichen umfassen. Das Investmentgießen beinhaltet üblicherweise die Verwendung einer/s verlorenen Form oder Musters und die Verwendung eines keramischen Formmaterials, bei dem das Teil in der Form zum Erstarren gebracht wird, sodass nur eine minimale maschinelle Nachgussbearbeitung erforderlich ist. Eine Variante des Sandgießansatzes, welches als Salzkerngießen bekannt ist, verwendet Techniken, die allgemein dem Sandgießen ähnlich sind, außer dass ein wasserlösliches Salz anstelle eines Frisch- oder Trockensandes für innere Formgeometrien verwendet wird. Sobald das Teil hergestellt ist, kann die Salzform mit Wasser weggewaschen werden, ohne das Teil zusätzlichen thermischen Belastungen auszusetzen. Das Sandkerngießen bringt Aufbewahrungs- und Handhabungsprobleme mit sich, die seinen Reiz mindern.In order to overcome the design constraints of permanent mold casting, other approaches may be used which incorporate various forms of lost mold casting, such as die casting. B. investment casting (or lost wax casting), sand casting and the like. Investment casting typically involves the use of a lost mold or pattern and the use of a ceramic molding material to solidify the part in the mold so that only a minimum of mechanical post-molding is required. One variant of the sand casting approach, known as salt core casting, uses techniques that are generally similar to sand casting, except that a water-soluble salt is used instead of a fresh or dry sand for internal molding geometries. Once the part is made, the salt form can be washed away with water without exposing the part to additional thermal stresses. Sand casting involves storage and handling problems that reduce its appeal.
Ein anderer Ansatz, der verwendet wurde, um eine Kuppel im Gusszustand zu schaffen, ist das Halbkokillengießen. Dieser Ansatz erfordert noch immer, dass die Brennraummulde maschinell bearbeitet wird. Wie bei den oben erläuterten Dauerformgussteilen ist auch ein beträchtliches Ausmaß an Trichterabnahme von der Kuppel erforderlich. Des Weiteren können leistungsstärkere (Hochleistungs)-Kolben auch ein Umschmelzen des Muldenrandes erfordern. Diese zusätzlichen Arbeitsschritte tragen wesentlich zu den Kosten des Kolbens bei. Dies gilt insbesondere für die Kosten der Umschmelzarbeit und die maschinelle Muldenbearbeitung und noch mehr für Kolben, die ausgestaltet sind, um unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen (auch als Anwendungen unter hoher Belastung bekannt, wie nachfolgend in größerem Detail erläutert) zu arbeiten, wie z. B. leistungsstarke Dieselkolben. Solche Kolben können bei Zylinderdrücken über 200 bar (sogar bis zu 230 bar) arbeiten und Temperaturen über 400°C erreichen; deshalb erfordern sie die Verwendung von Stahlschmiedeteilen mit einer noch größeren Auswirkung auf die Kosten.Another approach that has been used to create a dome in the cast state is semi-mold casting. This approach still requires that the combustion bowl be machined. As with the die castings discussed above, a considerable amount of funnel removal from the dome is required. Furthermore, higher performance (high performance) pistons may also require remelting of the bowl rim. These additional operations contribute significantly to the cost of the piston. This applies in particular to the costs of remelting and machine trough processing and still more for pistons designed to operate under high temperature and high pressure conditions (also known as high stress applications, as explained in more detail below), such as those described in more detail below. B. powerful diesel pistons. Such pistons can operate at cylinder pressures above 200 bar (even up to 230 bar) and reach temperatures above 400 ° C; therefore, they require the use of steel forgings with an even greater cost impact.
Starke Schwankungen der Betriebsbedingungen wie z. B. der oben angeführten Temperatur- und Druckbedingungen machen entsprechende Ausgestaltungsunterschiede zwischen Dieselkolben für hohe Beanspruchungen (die Busse, Traktoren, Langstreckenlastwagen, Baugeräte oder dergleichen) und denen mit Anwendungen mit leichten Beanspruchungen (welche Personenwagen, Leichtlastwagen oder dergleichen umfassen können) oder mit mittleren Beanspruchungen notwendig, wobei dieselbetriebene Fahrzeuge (und deren Beanspruchungen) in den USA, in Europa und anderswo gesetzlich definiert sind. In den USA kann z. B. über das maximal zulässige Gesamtgewicht (GVWR, vom engl. gross vehicle weight rating) zwischen Motoren für hohe, mittlere und leichte Beanspruchungen unterschieden werden, wobei Motoren für hohe Beanspruchungen solche sind, die mehr als einen gewissen Betrag (z. B. mehr als 33000 Pfund gemäß den Bundes- und Kalifornischen Richtlinien) wiegen, während Fahrzeuge für mittlere Beanspruchungen (z. B. zwischen 19500 und 33000 Pfund gemäß den Bundesrichtlinien und 14000 und 33000 gemäß den Kalifornischen Richtlinien) und für leichte Beanspruchungen (z. B. zwischen 8400 und 19500 Pfund gemäß den Bundesrichtlinien und 8500 und 14000 gemäß den Kalifornischen Richtlinien) geringeren Gewichten entsprechen. Es können auch andere Maßsysteme verwendet werden, wobei z. B. ein Dieselmotor für mittlere Beanspruchungen einer mit einem Hubraum zwischen etwa 4 Liter und etwa 7 Liter ist, während sein Gegenstück für hohe Beanspruchungen einen Hubraum zwischen etwa 10 Liter und 15 Liter aufweisen kann. Des Weiteren kann im Zusammenhang mit Dieselmotoren der Belastungszyklus durch Schleppanforderungen (die wiederum den Zylinderdruck bestimmen) definiert sein. Im Speziellen beruhen Anwendungen mit hohen Beanspruchungen auf Kolben auf Stahlbasis, sodass diese den rauen Bedingungen standhalten, denen sie durch die oben erwähnten Temperaturen und Drücke ausgesetzt sind.Strong fluctuations in operating conditions such. As the above-mentioned temperature and pressure conditions make corresponding design differences between high-pressure diesel pistons (the buses, tractors, long-distance trucks, construction equipment or the like) and those with light-duty applications (which may include passenger cars, light trucks or the like) or medium stresses necessary, whereby diesel-powered vehicles (and their demands) are legally defined in the USA, in Europe and elsewhere. For example, in the US For example, the maximum gross vehicle weight (GVWR) rating distinguishes between high, medium and light duty motors, with high duty motors being those exceeding more than a certain amount (eg more than 33,000 pounds according to Federal and California Directives), while medium duty vehicles (eg, between 19500 and 33000 pounds according to federal guidelines and 14000 and 33000 according to the California guidelines) and light duty (eg between 8400 and 19500 pounds according to federal guidelines and 8500 and 14000 according to the California guidelines) lower weights. Other measurement systems can also be used, with z. B. is a medium-pressure diesel engine with a displacement of between about 4 liters and about 7 liters, while its high-pressure counterpart can have a displacement between about 10 liters and 15 liters. Furthermore, in the context of diesel engines, the load cycle may be defined by drag requests (which in turn determine cylinder pressure). In particular, high stress applications rely on steel-based pistons to withstand the harsh conditions to which they are exposed by the above-mentioned temperatures and pressures.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Dieselkolbens. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein Muster für den Kolben vorgesehen wird, wobei das Muster eine Kuppel und eine einspringende Mulde umfasst; eine Kolbenform um das Muster herum gebildet wird, wobei die Form ein Zuschlagmaterial und ein Bindemittel umfasst; das Muster von der Kolbenform entfernt wird; eine Metallschmelze in die Kolbenform eingeleitet wird; die Kolbenform mit einem Lösemittel für das Bindemittel in Kontakt gebracht wird und das Bindemittel und der Zuschlag entfernt werden; die Metallschmelze abgekühlt wird; und die Metallschmelze zum Erstarren gebracht wird, um den Kolben mit der Kuppel und der einspringenden Mulde mit nur einer minimalen Notwendigkeit für eine weitere Nachgussbearbeitung zu bilden. In dem vorliegenden Kontext umfasst eine Nachgussbearbeitung (ist aber nicht beschränkt auf) eine maschinelle Bearbeitung der Mulde, gewisse Endbearbeitungstätigkeiten oder andere Vorgehensweisen. Wesentliche Ausmaße solch einer Nachgussbearbeitung sind jene Tätigkeiten, die beträchtliche zusätzliche Kosten oder Zeit beinhalten, um das Teil im Gusszustand für seine Endform vorzubereiten. Im Gegensatz zu einer wesentlichen maschinellen Nachgussbearbeitung oder dergleichen, würden routinemäßige oder gelegentliche Reinigungs- oder ähnliche Endzubereitungsschritte keine wesentliche maschinelle Nachgussbearbeitung ausmachen. Ebenso würde ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter Kolben im Wesentlichen im Gusszustand keine solchen zusätzlichen Schritte benötigen, um komplexe Gestaltungsformen wie z. B. die grundlegende einspringende Gestaltungsform der Mulde im Inneren der Kuppel zu definieren. Des Weiteren machen der Zuschlag und das Bindemittel typischerweise die Form aus. Das Sandgießen gemäß der vorliegenden Erfindung als solches wird kein wiederholtes Erzeugen von Schaum- oder Wachsmustern oder die Entfernung solcher Muster von einer Keramikform vor dem Gießen erfordern. Überdies ist zu erwarten, dass die Zykluszeiten beim Ablationsgießen (d. h. die Zeit, die vom Herstellen der Form bis zum Produzieren eines Gussteiles benötigt wird) kürzer sind, da es nicht notwendig ist, das Gussteil vollständig erstarren zu lassen, bevor es aus der Form genommen wird.One aspect of the invention is a method of manufacturing a diesel piston. In one embodiment, the method includes providing a pattern for the piston, the pattern including a dome and a recessed well; a piston mold is formed around the pattern, the mold comprising a aggregate material and a binder; the pattern is removed from the piston mold; a molten metal is introduced into the piston mold; the flask mold is contacted with a solvent for the binder and the binder and aggregate are removed; the molten metal is cooled; and solidifying the molten metal to form the piston with the dome and the re-entrant bowl with minimal need for further reflow processing. In the present context, refill processing includes (but is not limited to) machining the well, certain finishing operations, or other procedures. Significant dimensions of such a refining process are those activities that involve substantial additional cost or time to prepare the part as cast for its final shape. In contrast to substantial post-molding mechanical machining or the like, routine or occasional cleaning or similar finishing steps would not constitute a significant post-molding mechanical processing. Likewise, a piston made in accordance with the present invention would essentially not require such additional steps in the as-cast condition to accommodate complex shapes such as e.g. For example, to define the basic reentrant shape of the trough inside the dome. Furthermore, the aggregate and the binder typically make the shape. As such, sand casting according to the present invention will not require repeated generation of foam or wax patterns or the removal of such patterns from a ceramic mold prior to casting. Moreover, it is to be expected that the ablation-casting cycle times (ie, the time required from making the mold to producing a casting) are shorter because it is not necessary to completely solidify the casting before it is removed from the mold becomes.
Der Einsatz dieser Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für Gusskolben auf Aluminiumbasis für Dieselmotoranwendungen (insbesondere für Motoren für leichte Beanspruchungen und mittlere Beanspruchungen, bei denen die Zylinderdrücke bei etwa 200 bar oder darunter gehalten werden) verglichen mit ihren Gegenstücken auf Eisenbasis. Ein Grund, weshalb Aluminium das Metall der Wahl ist, besteht darin, dass es ungefähr ein Drittel der Dichte einer Komponente auf Stahlbasis aufweist (was zu einer Gewichtsreduktion und einer damit einhergehenden Vereinfachung von Lagern und ähnlichen Stützstrukturen führt, die besonders vorteilhaft bei Komponenten sind, die sich mit einer hohen Geschwindigkeitsrate drehen oder translatorisch verschieben). Ein anderer Grund besteht darin, dass Materialien auf Aluminiumbasis sehr gut gießbar sind und die Fähigkeit besitzen, bei niedrigeren Verarbeitungstemperaturen gebildet zu werden; dies beeinflusst wiederum in vorteilhafter Weise die Werkzeugbestückungsgestaltung, -haltbarkeit und -kosten. Des Weiteren, da die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium doppelt so hoch ist wie jene von Stahl, verringern Teile auf Aluminiumbasis den Bedarf an Kühlöl, das während eines Motorbetriebes durch die Galerien in dem Kolben hindurch zirkuliert werden muss, was wiederum die Motorölpumpenkonstruktion vereinfachen kann. Diese höhere Wärmeleitfähigkeit (und die damit einhergehende Fähigkeit, Überschusswärme abzutransportieren) verringert die Wahrscheinlichkeit, dass das Temperaturregime um die Krone und andere der Verbrennung benachbarte Komponenten herum eine unerwünschte Auswirkung auf die Emissionen und den Wirkungsgrad produzieren. Außerdem gestatten Gießprozesse, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, die Einbeziehung von Details wie z. B. einer gehärteten oberen Ringnut und die zuvor erwähnten Ölgalerien als einen natürlichen Teil des Gießprozesses zu bilden, wohingegen Stahlschmiedeteile eine nachfolgende Wärmebehandlung, maschinelle Bearbeitungs- oder Montagetätigkeiten erfordern würden.The use of this approach of the present invention is particularly advantageous for aluminum-based cast pistons for diesel engine applications (especially light duty engines and medium-duty engines where the cylinder pressures are maintained at about 200 bar or below) compared to their iron-based counterparts. One reason why aluminum is the metal of choice is that it has about one-third the density of a steel-based component (resulting in weight reduction and concomitant simplification of bearings and similar support structures that are particularly advantageous in components, which rotate at a high speed or translate). Another reason is that aluminum based materials are very are readily pourable and have the ability to be formed at lower processing temperatures; this in turn advantageously affects tooling design, durability and cost. Further, because the thermal conductivity of aluminum is twice that of steel, aluminum-based parts reduce the need for cooling oil to be circulated through the galleries in the piston during engine operation, which in turn can simplify the engine oil pump construction. This higher thermal conductivity (and the concomitant ability to remove excess heat) reduces the likelihood that the temperature regime around the crown and other components adjacent to the combustion will produce an undesirable effect on emissions and efficiency. In addition, casting processes, as used in the present invention, allow the inclusion of details such as e.g. As a hardened upper annular groove and the aforementioned oil galleries to form as a natural part of the casting process, whereas steel forgings would require subsequent heat treatment, machining or assembly activities.
Außerdem ist die Gusswerkzeugbestückung besser zugänglich für Änderungen, die als Folge von Validierungstestergebnissen oder anderen Konstruktionsmodifikationen erforderlich sein können. Überdies kann ein Guss-Dieselkolben im Hinblick auf die Masse im Gusszustand verglichen mit dem Kolben im geschmiedeten Zustand selbst in Fällen optimiert werden, in denen das Gussteil derart ist, dass beträchtliche maschinelle Nachguss-Bearbeitungstätigkeiten erforderlich sein können.In addition, the casting tooling is more accessible to changes that may be required as a result of validation test results or other design modifications. Moreover, a cast diesel piston may be optimized in terms of mass in the as-cast state as compared to the forged piston even in cases where the casting is such that considerable post-molding mechanical work may be required.
Wie oben erläutert, gibt es, während das Gießen im Allgemeinen (und das Gießen von Metallen auf Aluminiumbasis im Speziellen) vorteilhaft ist, Grenzen in Verbindung mit bestimmten Arten von Gießvorgängen. Beispielsweise sind Halbkokillen- und Dauerformgießprozesse zum Bilden komplexer Gestaltungsformen wie z. B. der in neueren, leistungsstärkeren Dieselkolben verwendeten, einspringenden Brennraummulden nicht gut geeignet. Der ablative Ansatz in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beseitigt die Notwendigkeit einer umfangreichen oder wesentlichen maschinellen Bearbeitung der Brennraummulde oder anderer Abschnitte des Kolbens mit einspringenden Merkmalen, während er dennoch die Einbeziehung von Details wie z. B. des Kerns für die Ölgalerie oder eines eisenhaltigen oberen Ringnuteinsatzes gestattet. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Ablationsgießen weist beträchtliche Unterschiede gegenüber dem oben erläuterten Investment-Gießansatz auf. Zum Beispiel sind Muster beim Ablationsgießen nicht in der Weise eines Investment-Gießmusters verbrauchbar. Während Investmentgießtechniken die Verwendung von Formen auf Aufschlämmungsbasis und Keramikbasis einsetzen, welche anschließend von dem Gussteil geschlagen oder sonst wie weggebrochen werden, verwendet das Ablationsgießen Quarzsand, Zirkonsand, Chromitsand oder dergleichen, die kein wiederholtes Beschichten, Stuckieren und Aushärten der Form erfordern; bedeutsamer Weise ist der beim Ablationsgießen verwendete Sand wiederverwendbar. Somit werden, während die Materialien auf Sandbasis, die verwendet werden, um den Zuschlag der vorliegenden Erfindung zu bilden, gewisse keramikartige Eigenschaften (einschließlich einer relativen Feuerbeständigkeit) zeigen können, sie insofern separat von Keramiken betrachtet, als sie (z. B. durch Beschichten, Stuckieren und Aushärten) nicht in eine andere Art von Struktur umgewandelt werden. Ebenso beginnt die Erstarrung des Metalls bei einem Ablationsgussteil in der Form nach dem Beenden des Füllens und wird während der Wasserablation der Form beendet. Das Ablationsgussteil kann noch immer eine gewisse maschinelle Nachgussbearbeitung erfordern.As discussed above, while casting in general (and casting of aluminum-based metals in particular) is beneficial, there are limits associated with certain types of casting operations. For example, half mold and permanent mold casting processes are used to form complex shapes such as, for example, As used in newer, more powerful diesel pistons, reentrant combustion bowl not well suited. The ablative approach in connection with the present invention eliminates the need for extensive or substantial machining of the combustion bowl or other portions of the plunging piston, while still minimizing the inclusion of details, such as, e.g. B. the core for the oil gallery or an iron-containing upper Ringnuteinsatzes allowed. The ablation casting used in the present invention has significant differences from the investment casting approach discussed above. For example, patterns in ablation casting are not consumable in the manner of an investment casting pattern. While investment casting techniques employ the use of slurry-based and ceramic-based molds which are subsequently impacted or otherwise broken away from the casting, ablation casting uses quartz sand, zircon sand, chromite sand or the like which does not require repeated coating, stuccoing and curing of the mold; Significantly, the sand used in ablation casting is reusable. Thus, while the sand-based materials used to form the supplement of the present invention may exhibit certain ceramic-like properties (including relative fire resistance), they are considered separate from ceramics in that they are (eg, by coating , Stuccoing and curing) can not be converted into another type of structure. Also, the solidification of the metal in an ablation casting in the mold begins after the completion of the filling and is completed during the water ablation of the mold. The ablation casting may still require some mechanical post-molding processing.
Der ablative Gießansatz der vorliegenden Erfindung – wenn er verwendet wird, um einen Dieselkolben auf Aluminiumbasis zu bilden – hat auch eine feine und einheitliche Mikrostruktur im Gusszustand zur Folge. Dies (zumindest teilweise) infolge der nicht vorhandenen Notwendigkeit für große Steiger, welche die Erstarrungszeiten verlangsamen und das Ausmaß der erzielbaren Kornverfeinerung beeinflussen würden. Durch die vorliegende Erfindung können Kornstrukturen innerhalb verschiedener Teile des Kolbens für die Eigenschaft maßgeschneidert werden, welche optimiert werden soll. Somit könnten dickere Teilabschnitte, die eine aggressivere Ablation und Abkühlung erfordern, bei anderen Raten als dünnere Teilabschnitte als eine Möglichkeit abgekühlt werden, um ein/e besonders wünschenswerte/s Kornverfeinerung oder Muster zu erreichen. Andere Vorgangsweisen wie z. B. Gegenschwerkraft- und ähnliche langsame Fülltechniken sind kostspielig einzurichten. Die durch die Sandformen der vorliegenden Erfindung möglich gemachten schnelleren Formfüllzeiten verbunden mit der Erstarrung durch Ablation der Form können in vorteilhafter Weise verwendet werden, um die Schwierigkeiten des Gießens eines Kolbens auf Aluminiumbasis mit solchen langsamen Fülltechniken zu vermeiden.The ablative casting approach of the present invention, when used to form an aluminum-based diesel piston, also results in a fine and uniform as-cast microstructure. This (at least in part) due to the non-existent need for large risers which would slow down the solidification times and affect the extent of grain refinement achievable. By the present invention, grain structures within different parts of the piston can be tailored for the property which is to be optimized. Thus, thicker sections that require more aggressive ablation and cooling could be cooled at rates other than thinner sections as a way to achieve particularly desirable grain refinement or patterning. Other procedures such. B. Counterbalancing and similar slow filling techniques are costly to set up. The faster mold filling times made possible by the sand molds of the present invention, combined with the solidification by ablation of the mold, can be advantageously used to avoid the difficulties of casting an aluminum based piston with such slow filling techniques.
Moderne komplexe Komponenten waren traditionellerweise nicht zugänglich für endmaßliche, einteilige oder ähnliche endformnahe Ansätze. Insbesondere in Bezug auf Kolben wird die Gussteilkomplexität typischerweise durch das Gießen einzelner Komponenten separat verringert. Beispielsweise können der Kronen- und Ringbandbereich gegossen, dann, anschließend zu einer aus den Mänteln, Kolbenbolzen oder dergleichen bestehenden zweiten Komponente zusammengefügt werden. Ebenso neigen Komponenten mit einspringenden Merkmalen (wie z. B. Brennraumkuppeln) dazu, von einteiligen Endform-Gussteilen weiter abzuweichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte Gussteile erfordern keine zweiteiligen Konstruktionen, um endmaßliche Eigenschaften für einen Gusskolben auf Aluminiumbasis mit hinterschnittenen, einspringenden Mulden und ähnlichen komplexen Merkmalen zu erzielen. Als solche können sie eine Monoblock-Aufbauform verwenden, wobei viele (oder alle) von den Merkmalen des Kolbens (wie z. B. die Kuppel, die Ringnuten, die Ölgalerie, die Mäntel und die Bolzenbohrungen) als ein massives Teil ausgebildet sind. Monoblock-Ausgestaltungen unterscheiden sich z. B. von einem angelenkten Kolben, in dem sich der Schaft unabhängig von dem Bolzen oder der Bolzenbohrung bewegt. Monoblock-Ausgestaltungen können als ein Teil gegossen werden, oder sie können zwei separate Teile sein, die starr miteinander verbunden sind (z. B. durch Schweißen). Die hierin offenbarten Kolben würden als ein Monoblock-Aluminiumaufbau im Gusszustand betrachtet werden. Ferner können solche Gießtechniken ein/e schnelle/s Abkühlen und Teilentnahme verwenden, um ausgezeichnete Kornstrukturen und einen hohen Durchsatz gefertigter Teile sicherzustellen. In dem vorliegenden Kontext haben die gegenständlichen Erfinder festgestellt, dass die Verwendung von Aluminiumkolben und eines Monoblock-Aufbaus für Dieselmotor-Anwendungen ohne hohe Beanspruchungen, bei denen Betriebsdrücke von nicht mehr als 200 bar vorhanden sind, gut geeignet sind. Des Weiteren erzielt der vorliegende Ansatz die Komplexitäten der hinterschnittenen Mulde, der Ölgalerie, des eingegossenen Ringnuteinsatzes und anderer Merkmale gleich aus der Form heraus mit einem geringen (oder keinem) Bedarf an Nachguss-Arbeitsschritten.Modern complex components were traditionally inaccessible to final, one-piece or similar near-net shape approaches. Especially with respect to pistons, casting complexity is typically reduced separately by casting individual components. For example, the crown and ring band area can be cast, then joined together to form a second component consisting of the jackets, piston pin or the like. As well Components with reentrant features (such as combustion chamber domes) tend to diverge from one-piece, endform castings. Castings produced in accordance with the present invention do not require two-part constructions to achieve ultimate properties for an aluminum based cast piston with undercut, recessed troughs and similar complex features. As such, they may use a monobloc structure, with many (or all) of the features of the piston (such as the dome, the annular grooves, the oil gallery, the shrouds, and the bolt holes) being formed as a solid part. Monobloc designs differ z. B. from a hinged piston, in which the shaft moves independently of the bolt or the pin hole. Monoblock designs may be cast as one piece or they may be two separate pieces that are rigidly connected together (eg, by welding). The pistons disclosed herein would be considered as a cast monobloc aluminum construction. Further, such casting techniques may use rapid cooling and part removal to ensure excellent grain structures and high throughput of fabricated parts. In the present context, the present inventors have found that the use of aluminum pistons and a monobloc assembly are well suited for high duty diesel engine applications where operating pressures of not more than 200 bar are present. Furthermore, the present approach achieves the complexities of the undercut trough, oil gallery, cast-in ring-groove insert and other features right out of the mold with little (or no) need for refilling operations.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein einteiliger Gusskolben auf Aluminiumbasis mit zumindest einem einspringenden Merkmal (insbesondere einer in der Kuppel des Kolbens geformten Mulde) offenbart. Der Kolben ist derart ausgestaltet, dass der Kolben nach dem Anordnen in einem Dieselmotor und bei einem Betrieb in demselben einem Betriebsdruck bis zu etwa 200 bar Zylinderdruck und einer Temperatur bis zu etwa 400 Grad Celsius standhalten kann. Diese Eigenschaften erlauben es ihm, über die normale Lebensdauer der zuvor erwähnten Dieselmotoranwendungen bei leichten Beanspruchungen oder mittleren Beanspruchungen zu arbeiten.According to another aspect of the present invention, there is disclosed a one-piece cast aluminum-based piston having at least one reentrant feature (particularly a trough formed in the dome of the piston). The piston is configured such that after placement in a diesel engine and operating in the same, the piston can withstand an operating pressure of up to about 200 bar cylinder pressure and a temperature of up to about 400 degrees Celsius. These properties allow it to operate over the normal life of the aforementioned diesel engine applications under light or medium load conditions.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:The following detailed description of specific embodiments is best understood when read in conjunction with the following drawings, wherein like structures are designated by like reference numerals and in which:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Zu Beginn Bezug nehmend auf die Fig., sind die einem Dieselkolben auf Aluminiumbasis zugehörigen Merkmale gezeigt, die in einer Weise wie hier gelehrt gegossen werden können. Im Speziellen umfasst ein Kolben
Ein Ablationsgießansatz kann verwendet werden, um einen Kolben mit einer Kuppel zu erzeugen, der eine einspringende Mulde im Gusszustand und einen optionalen inneren Kühlkanal beinhaltet. Das Ablationsgießen verwendet anorganische (d. h. wasserlösliche) Kerne, und es wird Wasser auf die Form gesprüht (bevorzugt aus vielen Richtungen), das langsam hinwegspült (daher der Ausdruck „Ablation”) und das Gussteil schnell abkühlt. Die schnelle Abkühlung führt zu verbesserten Materialeigenschaften. In dem vorliegenden Kontext ist eine schnelle Abkühlung eine solche, die deutlich schneller abläuft als traditionelle (z. B. Investmentguss)-Abkühlansätze. Während ein Investmentguss-Ansatz zwischen eine halbe Stunde und eine Stunde für eine entsprechende Abkühlung erfordern kann, kann ein gemäß dem vorliegenden Ablationsgießen hergestellter Dieselkolben auf Aluminiumbasis in nur drei bis fünf Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Des Weiteren gestattet es die Anwendung von Wasser, die Komponentenerstarrung und das Abkühlen getrennt voneinander zu steuern (z. B. durch Anwenden von Wasser auf spezifische Bereiche des Gussteils vor anderen oder durch Anwenden verschiedener Mengen von Wasser auf verschiedene Bereiche). Somit gestattet das Ablationsgießen, komplexe Teile mit einer durchweg feinen Erstarrungsmikrostruktur zu erzeugen, falls erwünscht. Durch das Bereitstellen der hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten und der verfeinerten Mikrostruktur, die oft notwendig sind, um bessere mechanische Eigenschaften (wie z. B. Zug- oder Ermüdungseigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen) über den Teilabschnitt zu erzielen, gestattet es das Ablationsgießen, Teile, die sowohl dünne und dicke Teilabschnitte kombinieren, wie auch solche mit komplexen inneren Kernen, zu bilden. Die Eigenschaften über den Teilabschnitt sind jenen überlegen, die mittels Muldenrandschmelzen hergestellt werden, welches die wünschenswerte feine Mikrostruktur nur bis zu einer Tiefe knapp unter der Oberfläche (z. B. wenige mm) bereitstellt.An ablation casting lug may be used to create a piston with a dome having a re-entrant valley in the casting condition and an optional internal cooling channel. Ablation casting uses inorganic (ie, water soluble) nuclei, and water is sprayed onto the mold (preferably from many directions), which slowly flushes away (hence the term "ablation") and rapidly cools the casting. The fast cooling leads to improved material properties. In the present context, rapid cooling is one that is significantly faster than traditional (eg, investment casting) cooling approaches. While an investment casting approach may require between half an hour and one hour for a corresponding cool down, an aluminum based diesel piston made in accordance with the present ablation casting may be cooled to room temperature in only three to five minutes. Furthermore, the use of water allows one to control component solidification and cooling separately (eg, by applying water to specific areas of the casting before others or by applying different amounts of water to different areas). Thus, ablation casting allows to create complex parts with a consistently fine solidification microstructure, if desired. By providing the high solidification rates and refined microstructure often necessary to achieve better mechanical properties (such as tensile or fatigue properties at room temperature and elevated temperatures) across the segment, ablation casting allows for parts to be removed Both thin and thick sections combine, as well as those with complex inner cores to form. The properties over the section are superior to those produced by trough edge melting, which provides the desirable fine microstructure only to a depth just below the surface (e.g., a few mm).
Das Ablationsgießverfahren ist in dem
Das Ablationsgießen wurde im Allgemeinen nicht zum Gießen von Dieselkolben und spezieller Dieselkolben mit einer einspringenden Mulde und noch spezieller für Dieselkolben auf Aluminiumbasis mit einspringenden Mulden oder ähnlichen hinterschnittenen Merkmalen verwendet.Ablation casting was generally not used for casting diesel pistons and special diesel pistons with a re-entrant trough, and more particularly aluminum-based diesel pistons with recessed troughs or similar undercut features.
Die
Die Verwendung des Ablationsgießens bietet die Möglichkeit, den Kolben mit einer endformnahen Kuppel ohne die beträchtliche Nachgussbearbeitung und/oder maschinelle Bearbeitung zu gießen, die für andere Prozesse erforderlich sind. Somit können die Kuppel und die Brennraummulde gleichzeitig gegossen werden. In einer speziellen Form würden die einspringende Mulde
Die Vorteile in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind aber nicht beschränkt auf eines oder mehrere der folgenden: reduzierte Kosten für die maschinelle Bearbeitung, eine verfeinerte Mikrostruktur im Gusszustand für verbesserte mechanische Eigenschaften, der Nutzen eines Sand-(oder ähnlichen)Formungsprozesses, um eine einspringende Region in der Kuppel maßzuschneidern, eine Reduktion des Gussteilgewichts, und die Beseitigung der Notwendigkeit eines inneren Salzkerns. Der traditionelle Salzkern könnte durch einen Zuschlagkern aus dem gleichen Material wie die Kolbenform ersetzt werden.The advantages associated with the present invention include, but are not limited to, one or more of the following: reduced machining costs, a refined as-cast microstructure for improved mechanical properties, the benefits of a sand (or similar) molding process tailoring a reentrant dome area, reducing cast weight, and eliminating the need for an inner salt core. The traditional salt core could be replaced by an aggregate core of the same material as the flask shape.
In einer Form kann das Sandgießen verwendet werden, um den Kolben
In einer speziellen Form kann die Form aus einem Sand hergestellt sein, der zum Ablationsgießen in der Lage ist, sodass komplexe Kuppelformen, einschließlich jener mit hinterschnittenen und inneren Kühlkanalmerkmalen, einfach und kostengünstig gefertigt werden können. Die Sandform kann als solche kann als Teil des Ablationsprozesses verwendet werden.In a special form, the mold may be made of a sand that is capable of ablation casting so that complex dome shapes, including those with undercut and internal cooling channel features, can be made easily and inexpensively. As such, the sand mold can be used as part of the ablation process.
Eine verbesserte Materialausbeute kann durch Eliminieren der großen Steiger realisiert werden, die oft als Teil eines Dauerformgieß-Arbeitsschrittes verwendet werden. Insbesondere kann durch Verwenden eines Ablationsgießansatzes die natürliche hohe Abkühlgeschwindigkeit zulassen, dass der gebildete Kolben
Zusätzlich zu der verfeinerten Mikrostruktur und den verbesserten Kolbeneigenschaften gestattet es die Verwendung des Ablationsprozesses, viel feinere Details, einschließlich komplizierter Kühlkanäle, in das Teil zu gießen. Der Prozess reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit einer Nachgussbearbeitung in dem Bereich um die Kuppel oder die Krone
Der Einsatz des Ablationsgießens für Dieselkolben hilft dabei, eine wesentliche mikrostrukturelle Verfeinerung durch Reduzieren oder Eliminieren der Notwendigkeit einer kostspieligen sekundären Nachgussbearbeitung, z. B. eine maschinelle Bearbeitung oder ein Umschmelzen, zu erreichen. In Fällen, in denen eine verfeinerte Mikrostruktur erwünscht ist, wie bei der Muldenkante oder anderen komplexen 3D-Regionen des Kolbens
Diese Erfindung nutzt den Ablationsgießprozess, um die Notwendigkeit großer Steiger an der Kolbenkuppel oder -krone
Anders als bei Stahlkolben, wo Zugangsmündungen und ähnliche Öffnungen zu und von den Ölgalerien oft überdimensioniert sind, um eine entsprechende Kernentnahme sicherzustellen, kann der Ablationsgießansatz zur Verwendung an Dieselkolben auf Aluminiumbasis der vorliegenden Erfindung klein bleiben, da Lösemittel auf Wasserbasis in der Lage sind, in solche Öffnungen mit reduzierter Größe einzudringen. Da sich die Kolben sehr schnell translatorisch hin- und her bewegen, wie oben erläutert, besitzen jegliche derartige Vereinfachungen wie z. B. die Reduktion der Ölzugangsleitungsgröße multiplikatorartige zusätzliche Vorteile in Bezug auf den Lager- und Stützstrukturaufbau, da ein Konstrukteur das Gewicht, die Komplexität oder eine ähnliche Robustheit solch einer Struktur reduzieren kann. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Kolbenaufbaus weisen die für die Öleintritts- und -austrittsmündungen der Ölgalerie
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.It should be understood that terms such as "preferred," "typical," and "typically" are not used herein to limit the scope of the claimed invention or to imply that certain features are critical, essential, or even important to the structure or function of the invention claimed invention. Rather, these terms are intended merely to highlight alternative or additional features that may or may not be used in a particular embodiment of the present invention.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen. It should be understood that in order to describe and define the present invention, the term "device" is used herein to represent a combination of components and individual components regardless of whether the components are combined with other components. A "device" according to the present invention may e.g. Example, an electrochemical conversion assembly or fuel cell, a vehicle in which an electrochemical conversion assembly according to the present invention is incorporated, etc. include.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.It should be understood that in order to describe and define the present invention, the term "substantially" is used herein to represent the natural level of uncertainty associated with any quantitative comparison, value, measurement or other representation can be. The term "substantially" is also used herein to represent the degree to which a quantitative representation may differ from a given reference without causing a change in the basic function of the subject under consideration.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen definiert ist.While certain representative embodiments and details have been shown to illustrate the invention, it will be obvious to those skilled in the art that various changes may be made without departing from the scope of the invention, which is defined in the following appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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