DE102014109598A1

DE102014109598A1 - Gießkern, Verwendung eines Gießkerns und Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns

Info

Publication number: DE102014109598A1
Application number: DE102014109598.7A
Authority: DE
Inventors: Valentin Diel; Detlef Kube; Gerald Klaus
Original assignee: Tenedora Nemak SA de CV
Current assignee: Nemak SAB de CV
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2016-01-14
Also published as: EP3166740A1; KR20170023185A; PL3166740T3; US20170173670A1; ES2814149T3; EP3166740B1; JP2017521256A; WO2016005806A1; CN107073563A; HUE050240T2; KR101889053B1; US10850321B2; JP6246954B2; CN107073563B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gießkern (1), der aus einem Formsand geformt ist, dessen Körner durch einen Binder miteinander verbunden sind, und der dazu vorgesehen ist, in einem Motorblock (26) für einen Verbrennungsmotor einen Kühlkanal (41, 42, 43, 44) abzubilden, sowie eine Verwendung eines Gießkerns (1) und ein Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns (1). Der erfindungsgemäße Gießkern (1) lässt sich auf einfache, betriebssichere Weise herstellen und erlaubt es dabei, auch Kanäle, die an ihrer engsten Stelle höchstens 3 mm breit sind, gießtechnisch herzustellen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gießkern (1) einen Trägerabschnitt (2), zwei Zapfenabschnitte (11, 12), die von einer Seitenfläche (10) des Trägerabschnitts (2) abstehen und mit Abstand zueinander angeordnet sind, und mindestens einen mit Abstand zu dem Trägerabschnitt (2) von den Zapfenabschnitten (11, 12) gehaltenen Stegabschnitt (15, 16) aufweist, dessen als Abstand seiner Seitenflächen (17, 18) zueinander gemessene Minimaldicke (dmin) in einem zwischen den Zapfenabschnitten (11, 12) liegenden Bereich (23, 24) höchstens 3 mm beträgt, und dass der Gießkern (1) mindestens im Bereich seines Stegabschnitts (15, 16) aus einem Formsand geformt ist, dessen Körner einen mittleren Durchmesser von höchstens 0,35 mm besitzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gießkern, der aus einem Formsand geformt ist, dessen Körner durch einen Binder miteinander verbunden sind, und der dazu vorgesehen ist, in einem Motorblock für einen Verbrennungsmotor einen Kühlkanal abzubilden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Gießkerns und ein Verfahren zu seiner Herstellung, bei dem mittels einer Kernschießmaschine eine Formmasse, die einen Formsand und einen Binder umfasst, in einen Formhohlraum einer Kernform geschossen und anschließend der Binder gehärtet wird, um dem Gießkern die erforderliche Formfestigkeit zu verleihen.
Gießkerne der hier in Rede stehenden Art bilden als Teil einer Gießform in dem zu gießenden Bauteil Kanäle, Hohlräume und andere Ausnehmungen aus. So werden bei Motorblöcken für Verbrennungsmotoren mit Hilfe von Gießkernen beispielsweise die Kühlwasser führenden Kanäle, aber auch die zylindrisch geformten Verbrennungsräume ausgebildet.
Motorblöcke von modernen Hochleistungsmotoren müssen im Betrieb intensiv gekühlt werden, um die großen Wärmemengen, die aufgrund der hohen Leistungsdichte entstehen, zielgerichtet abzuführen. Dies gilt im besonderen Maße für Motorblöcke, die aus einem Leichtmetallwerkstoff, wie beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt sind. Gleichzeitig besteht insbesondere im Bereich der Personenkraftwagen der Wunsch nach immer kompakter gebauten Antriebsaggregaten, um einerseits Gewicht zu sparen und um andererseits auch in Karosserien, in denen nur eng begrenzter Raum zur Verfügung steht, Motoren mit hoher Leistung unterbringen zu können.
Die kompakte Bauform führt zu einer eng benachbarten Anordnung der Zylinderausnehmungen einer Zylinderreihe. Hieraus ergeben sich entsprechend dünne Zylinderzwischenwände. Diese sind insbesondere im Bereich ihrer dem Zylinderkopf zugeordneten Endabschnitte einer erhöhten thermischen Belastung ausgesetzt. Um hier die Entstehung von wärmebedingten Rissen oder sonstigen Beschädigung zu vermeiden, ist es erforderlich, auch in dem betreffenden gefährdeten Bereich eine intensive Kühlung vorzunehmen.
Eine Möglichkeit, den hierzu benötigten Kühlkanal in die zwischen zwei Zylinderräume eines Motorblocks verbliebene dünne Zwischenwand einzubringen, besteht darin, den Kühlkanal nach Abschluss der gießtechnischen Herstellung in den Block zu bohren. Diese Methode erlaubt zwar eine präzise Fertigung auch sehr klein und schmal dimensionierter Kanäle, ist fertigungstechnisch jedoch aufwändig, da sie eine große Zahl zusätzlicher Arbeitsgänge verlangt. Dies führt zu hohen Kosten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es herstellungstechnisch schwierig ist, in den oberen Bereich der zwischen benachbarten Zylinderausnehmungen vorhandenen Trennwand eines Motorblocks eine Kanalbohrung mit minimiertem Durchmesser einzubringen, in dem im Gebrauch die höchste thermische Belastung entsteht.
Um diesen Aufwand zu vermeiden, sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, wie dünne und schmale Kanäle in die im Betrieb thermisch hoch belasteten Bereiche eines Motorblocks bei der gießtechnischen Herstellung eingebracht werden können. So sind Kerne aus unterschiedlichsten Formmassen vorgeschlagen worden, die jeweils mit dem Ziel ausgewählt worden sind, einerseits eine ausreichende Formstabilität des filigranen Kernabschnitts, der den jeweiligen Kanal im Gussteil abbilden soll, sicherzustellen und andererseits zu gewährleisten, dass sich das Kernmaterial nach der Erstarrung des Motorblocks möglichst problemlos so entfernen lässt, dass eine ordnungsgemäße Durchströmung gewährleistet ist. Die Verwendung von aus Formmassen hergestellten Kernen stößt jedoch an Grenzen, die durch die Formstabilität und mechanische Belastbarkeit gesetzt werden, welche die Kerne besitzen müssen, um auch unter den in einem Gießereibetrieb herrschenden Bedingungen eine ausreichende Produktivität zu gewährleisten.
Um Kanäle mit noch kleineren Durchmessern in Leichtmetall-Motorblöcken abbilden zu können, ist in der EP 0 974 414 B1 vorgeschlagen worden, diese Kanäle durch ein entsprechend dimensioniertes Glasröhrchen abzubilden, das in die Gießform eingelegt und beim Abguss von der Gießschmelze umschlossen wird. Das Material des Glasröhrchens ist dabei so gewählt, dass es unter den im Zuge der Erstarrung des Gussmaterials auftretenden Spannungen in viele kleine Teile zerbricht, die anschließend problemlos ausgespült werden können.
Andere in diese Richtung zielende Vorschläge sehen vor, die Kanäle durch Blech- oder Drahteinsätze abzubilden, die anschließend aus dem fertigen Gussteil gezogen werden.
Die voranstehend erwähnten Möglichkeiten haben sich im Stand der Technik mit mehr oder weniger großen technischem und wirtschaftlichem Erfolg für die Erzeugung von Kanälen bewährt, die trotz ihrer begrenzten Abmessungen ausreichend groß und zugänglich sind, um die jeweils verbleibenden Bruchstücke des sie abbildenden Kernmaterials entfernen zu können.
Bei einer neuen Generation von aus Aluminiumwerkstoff gegossenen Verbrennungsmotoren ist die Dicke der Zwischenwände jedoch so weit reduziert, dass die darin erforderlichen Kühlkanäle in ihrem engsten Abschnitt eine lichte Weite von weniger als 3 mm besitzen. Bei aus Al-Werkstoff gegossenen Motorblöcken dieser Art liegt die lichte Weite der Kühlkanäle in dem Bereich, an dem die Zwischenwand zwischen zwei Zylinderräumen am schmalsten ist, im Bereich von 1–2 mm.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, einen Gießkern zu schaffen, der sich auf einfache, betriebssichere Weise herstellen lässt und es dabei erlaubt, auch Kanäle, die an ihrer engsten Stelle höchstens 3 mm breit sind, gießtechnisch herzustellen.
Darüber hinaus sollten eine bevorzugte Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung von Gießkernen, die dies leisten, angegeben werden.
In Bezug auf den Gießkern hat die Erfindung diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein solcher Gießkern gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise lässt sich ein erfindungsgemäßer Gießkern in einer Gießform für die gießtechnische Herstellung eines Motorblocks für einen Verbrennungsmotor durch Abgießen einer Aluminiumschmelze in die Gießform verwenden, wobei der Stegabschnitt des Gießkerns in dem Motorblock einen zwischen zwei Zylinderräumen des Motorblocks angeordneten Kühlkanal abbildet, dessen lichte Weite höchstens 3 mm beträgt.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe in Bezug auf das Verfahren besteht schließlich darin, dass die Herstellung eines erfindungsgemäßen Gießkerns nach Maßgabe von Anspruch 12 erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Ein erfindungsgemäßer Gießkern, der dazu vorgesehen ist, in einem Motorblock für einen Verbrennungsmotor einen Kühlkanal abzubilden, ist demnach vollständig aus einem Formsand geformt, dessen Körner durch einen Binder miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß weist nun der Gießkern einen Trägerabschnitt, zwei Zapfenabschnitte, die von einer Seitenfläche des Trägerabschnitts abstehen und mit Abstand zueinander angeordnet sind, und mindestens einen mit Abstand zu dem Trägerabschnitt von den Zapfenabschnitten gehaltenen Stegabschnitt auf, dessen als Abstand seiner Seitenflächen zueinander gemessene Minimaldicke in einem zwischen den Zapfenabschnitten liegenden Bereich höchstens 3 mm beträgt. Dabei ist der Gießkern mindestens im Bereich seines Stegabschnitts aus einem Formsand geformt, dessen Körner einen mittleren Durchmesser von höchstens 0,35 mm besitzen.
Ein erfindungsgemäßer Gießkern besteht somit vollständig aus Formsand, dessen Körner in an sich bekannter Weise mittels eines geeigneten Binders so miteinander verbunden sind, dass sie einen festen Körper bilden.
Der Trägerabschnitt des Gießkerns erlaubt es dabei, den Gießkern trotz der filigranen Ausgestaltung seines Stegabschnitts problemlos zu fassen, zu transportieren und in eine Gießform einzusetzen. So kann der erfindungsgemäße Gießkern ohne Weiteres auch Teil einer als Kernpaket ausgebildeten Gießform sein. Genauso kann er problemlos in jedem anderen Gießverfahren verwendet werden, bei dem im oder an dem jeweiligen Gussteil filigrane Kanäle mit minimierten Abmessungen ausgebildet werden sollen.
Die von dem Trägerabschnitt getragenen Zapfenabschnitte bilden im zu gießenden Motorblock den Zu- und Abströmkanal, über die der schmale, eng dimensionierte Kühlkanal mit Kühlmittel versorgt wird, der jeweils durch den von den Zapfenabschnitten getragenen Stegabschnitt im Motorblock abgebildet wird. Dessen Dicke ist in einem kritischen Bereich auf höchstens 3 mm reduziert, wobei in der Praxis die Minimaldicke in diesem Bereich 1–2 mm beträgt. Dabei ist der betreffende kritische Bereich, in dem der Stegabschnitt des erfindungsgemäßen Gießkerns am schmalsten ist, dem Bereich der jeweiligen Zwischenwand des zu gießenden Motorblocks zugeordnet, an dem die Zwischenwand am dünnsten ist und sich die durch die Zwischenwand getrennten Zylinderräume am nächsten kommen.
Entscheidend für die praktische Umsetzung der Erfindung ist hier, dass der Gießkern mindestens im Bereich seines Stegabschnitts aus einem feinkörnigen Formsand geformt ist. Dessen Korngröße ist so gewählt, dass der Stegabschnitt nach dem Abguss im erstarrenden Gussteil feinteilig zerfällt, so dass die verbleibenden Kernbruchstücke entweder selbststätig aus dem fertig erstarrten Motorblock ausrieseln oder ausgespült werden können.
Überraschend hat sich dabei gezeigt, dass sich die Gießkerne nicht nur in herkömmlicher Weise durch Schießen in einer Kernschießmaschine fertigen lassen, sondern dabei im Bereich des schmalen Stegabschnitts auch eine Oberflächenbeschaffenheit bieten, die im zu erzeugenden Kühlkanal ausreichend glatte Innenflächen erzeugen, ohne dass es dazu eines aufwändigen Schlichteauftrags bedarf. Dies gilt insbesondere dann, wenn der mittlere Durchmesser der Körner des Formsands höchstens 0,27 mm, insbesondere höchstens 0,23 mm, beträgt.
Wie schon erwähnt, lassen sich erfindungsgemäße Gießkerne dadurch großtechnisch herstellen, dass mittels einer Kernschießmaschine eine Formmasse, die einen Formsand und einen Binder umfasst, in einen Formhohlraum einer Kernform geschossen und anschließend der Binder gehärtet wird, um dem Gießkern die erforderliche Formfestigkeit zu verleihen, wobei erfindungsgemäß als Formmasse zumindest für den Stegbereich des Gießkerns ein Formsand verwendet wird, dessen Körner einen mittleren Durchmesser von höchstens 0,35 mm besitzen. Auch hier gilt aus den voranstehend erläuterten Gründen selbstverständlich, dass der mittlere Durchmesser der Körner optimalerweise nicht mehr als 0,27 mm, insbesondere höchstens 0,23 mm, beträgt.
Optimale Arbeitsergebnisse können dabei mit Formmassen erzielt werden, bei denen der Formsand und der Binder nicht als Mischung vorliegen, sondern bei denen die Körner des Formsands jeweils mit einem Binder umhüllt sind, wobei auch hier gilt, dass der mittlere Durchmesser der derart umhüllten Formsandkörner nicht größer als 0,35 mm ist. Mit Binder ummantelte Formsande der erfindungsgemäß verarbeiteten Art werden heute noch für das so genannte ”Croning-Verfahren”, in der Fachsprache auch ”Maskenformverfahren” genannt, eingesetzt und beispielsweise unter Bezeichnung VS744 (mittlere Korngröße 0,29 mm +/–0,02 mm) oder VS1264 (mittlere Korngröße 0,21 +/–0,02 mm) von der Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH, Düsseldorf, angeboten. Von der Hüttenes Albertus Chemische Werke GmbH ist auch die Abhandlung "Das Maskenformverfahren: Eine deutsche Innovation zur Gussherstellung" von Ulrich Recknagel veröffentlich worden, in der die Technik und Geschichte des Maskenformverfahrens dargestellt ist.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Croning-Formstoffen ergibt sich dann, wenn die Binder-Umhüllung der jeweiligen Formsandkörner eine kugelige Form hat. Die Kugelform sorgt für ein besonders gutes Verhalten des Formstoffs beim Schießen von erfindungsgemäßen Kernen in einer konventionellen Kernschießmaschine. So können mit hoher Betriebssicherheit erfindungsgemäße Gießkerne trotz ihrer minimierten Abmessungen hergestellt werden.
Insbesondere bei Verwendung des feinkörnigeren Formsands mit einer mittleren Korngröße von 0,19–0,23 mm lassen sich nicht nur Gießkerne problemlos in einer Kernschießmaschine herstellen, sondern es zeigt sich auch, dass die Oberfläche der durch ihren Stegabschnitt im jeweils gegossenen Motorblock abgebildeten dünnen Kühlkanäle regelmäßig eine ausreichende Qualität besitzt, ohne dass dazu Schlichte oder sonstige oberflächenverbessernde Hilfsmittel, wie Talkum oder desgleichen, benötigt werden.
Sollte sich bei Verwendung von gröberen Sanden mit mittleren Durchmessern ihrer vorzugsweise binderummantelten Körner von 0,27 mm und mehr herausstellen, dass die Oberflächenqualität der im Gussteil abgebildeten Kühlkanäle nicht ausreicht, kann dies durch Auftrag einer dünnen Schlichte oder eines anderen zur Verbesserung der Oberfläche üblicherweise verwendeten Mittels mindestens auf Stegabschnitt behoben werden. Bei Korngrößen von mehr als 0,35 mm lassen sich jedoch Gießkerne mit den erfindungsgemäß vorgegebenen Abmessungen nicht mehr zuverlässig schießen und der für den Ausgleich der groben Oberflächen zu treibende Aufwand wird so groß, dass eine Anwendung auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht mehr sinnvoll ist. Daher werden für die Herstellung erfindungsgemäßer Gießkerne optimalerweise solche Formsande verwendet, deren mit Binder ummantelte Körner im Mittel einen Durchmesser von weniger als 0,27 mm, insbesondere weniger als 0,25 mm, aufweisen.
Bei dem Binder, mit dem die Körner der erfindungsgemäß zur Herstellung der Gießkerne verwendeten Formsande vorzugsweise umhüllt oder vermischt sind, handelt es sich typischerweise um ein Harz, das in Folge von Wärmezufuhr mit dem Harz der jeweils angrenzenden Körner verklebt und aushärtet, so dass ein fester Verbund entsteht.
Zu einer betriebssicheren Herstellung durch konventionelles Schießen der Kerne in einer Kernschießmaschine trägt auch bei, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Seitenflächen des erfindungsgemäßen Gießkerns jeweils in einem sprungfreien Übergang in die Umfangsfläche der Zapfenabschnitte übergehen und seine Dicke ausgehend von einer dem jeweiligen Zapfenabschnitt zugeordneten Maximaldicke in Längsrichtung des Stegabschnitts kontinuierlich bis zu der Minimaldicke abnimmt. Der sprungfreie Anschluss des Stegabschnitts an die ihn tragenden Zapfenabschnitte und die kontinuierliche Dickenabnahme tragen dazu bei, dass der Formstoff trotz der minimierten Abmaße in der Kernschießmaschine auch den Hohlraum sicher und ausreichend dicht füllen, der den schmalen Stegabschnitt des Gießkerns abbildet.
Die sprungfreie Anbindung des Stegabschnitts an die Zapfenabschnitte kann dadurch vereinfacht werden, dass die Zapfenabschnitte eine nach Art eines Nockens geformte Querschnittform aufweisen, deren Spitze dem jeweils anderen Zapfenabschnitt zugewandt ist. Auf diese Weise können sich die Seitenflächen des Stegabschnitts problemlos an die Umfangsfläche der Zapfenabschnitte anschmiegen, wodurch wiederum die Befüllung des Stegabschnitts mit Formsand beim Kernschießen unterstützt wird.
In der erfindungsgemäßen Weise lassen sich Gießkerne erzeugen, die in ihrem kritischen, minimal dicken Bereich nicht nur eine Dicke von höchstens 3 mm, insbesondere 1–2 mm, besitzen und somit geeignet sind, im zu erstellenden Gussteil Kühlkanäle mit einer lichten Weite von 3 mm und weniger, insbesondere 1,5 +/–0,5 mm, abzubilden, sondern bei denen im kritischen Bereich auch die Höhe minimiert ist. So kann bei einem erfindungsgemäßen Gießkern die Höhe des Stegabschnitts in dem Bereich, in dem er seine Minimaldicke hat, auf höchstens 4,5 mm beschränkt sein.
Grundsätzlich ist es denkbar, nur den Stegabschnitt eines erfindungsgemäßen Gießkerns aus erfindungsgemäß feinkörnigem Formsand zu bilden, während die anderen Abschnitte des Gießkerns aus einem gröberen Formsand bestehen. Hierzu könnte beispielsweise der Stegabschnitt aus dem feinkörnigen Sand getrennt von den anderen Abschnitten des Gießkerns geschossen und anschließend beispielsweise durch Verkleben mit den aus gröberem Sand geschossenen übrigen Abschnitten des Gießkerns verbunden werden. Fertigungstechnisch einfacher ist es jedoch, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Gießkern jeweils vollständig in einem Stück aus einem Formsand geformt ist, der den erfindungsgemäßen Vorgaben genügt.
Sofern dies die abzuführende Wärmemenge erforderlich macht, kann ein erfindungsgemäßer Gießkern problemlos auch so ausgelegt werden, dass er mehr als einen schmalen Gießkanal in der jeweils dünnen Zwischenwand des zu gießenden Motorblocks abbildet. Zu diesem Zweck können von den Zapfenabschnitten zwei oder mehr beabstandet zueinander angeordnete Stegabschnitte getragen sein, die jeweils einen Bereich aufweisen, in dem ihre Minimaldicke jeweils höchstens 3 mm beträgt. Dabei gilt auch hier selbstverständlich, dass für die zusätzlichen Stegabschnitte deutlich geringere Minimaldicken, von beispielsweise 1–2 mm, möglich sind.
Ein erfindungsgemäßer Gießkern eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Gießform für die gießtechnische Herstellung eines Motorblocks für einen Verbrennungsmotor durch Abgießen einer Aluminiumschmelze in die Gießform, wobei der Stegabschnitt des Gießkerns in dem Motorblock einen zwischen zwei Zylinderräumen des Motorblocks angeordneten Kühlkanal abbildet, dessen lichte Weite höchstens 3 mm beträgt.
Mit der Erfindung lassen sich in jeden Verbrennungsmotorblock, bei dem zwischen zwei Zylinderöffnungen eine schmale Trennwand ausgebildet ist, dünne Kanäle in die betreffende Trennwand einbringen. Selbstverständlich schließt dies die Möglichkeit ein, bei der gießtechnischen Herstellung von Motorblöcken, die mehr als zwei Zylinderöffnungen aufweisen, in jeder der zwischen benachbarten Zylinderöffnungen vorhandenen Trennwände mittels jeweils eines erfindungsgemäßen Gießkerns mindestens einen dünnen Kanal abzubilden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung näher erläutert.
Deren Figuren zeigen jeweils schematisch:
1 einen Gießkern in einer Ansicht von unten;
2 den Gießkern in einer gegen seine eine Breitseite gerichteten Ansicht;
3 den Gießkern in einer gegen seine eine Schmalseite gerichteten Ansicht;
4 einen Ausschnitt einer Gießform in einem Längsschnitt;
5 einen Ausschnitt eines Motorblocks in Draufsicht.
Der Gießkern 1 weist einen Trägerabschnitt 2 auf, der die Grundform eines schmalen Pyramidenstupfes mit einander gegenüberliegenden Breitseiten 3, 4 und einander ebenfalls gegenüberliegenden Schmalseiten 5, 6 aufweist, die die Breitseiten 3, 4 miteinander verbinden. Angrenzend an die obere Stirnseite 7 sind an den Breitseiten 3, 4 seitlich abstehende Halteabschnitte 8, 9 ausgebildet, die sich etwa über ein Fünftel der Höhe des Tragabschnitts 2 erstrecken.
An seiner unteren planen Stirnseite 10 sind an den Trägerabschnitt 2 zudem zwei Zapfenabschnitte 11, 12 angeformt, die sich achsparallel zueinander erstrecken und senkrecht ausgerichtet von der Stirnseite 10 abstehen. Die Zapfenabschnitte 11, 12 weisen eine nackenartige Querschnittform auf, deren Nockenspitze 13, 14 jeweils in Richtung des jeweils anderen Zapfenabschnitts 12, 11 weist.
Zwischen den Zapfenabschnitten 11, 12 erstrecken sich in Längsrichtung der Zapfenabschnitte 11, 12 beabstandet zueinander und zur Stirnseite 10 des Trägerabschnitts zwei Stegabschnitte 15, 16. Die Längsachsen L1, L2 der Stegabschnitte 15, 16 sind parallel zueinander und zur Stirnseite 10 des Trägerabschnitts 2 ausgerichtet.
Mit ihren Enden gehen die Stegabschnitte 15, 16 in den jeweils zugeordneten Zapfenabschnitt 11, 12 über. Dazu sind die Seitenflächen 17, 18 der Stegabschnitte 15, 16 so an die Umfangsfläche 19, 20 des jeweiligen Zapfenabschnitts 11, 12 angeschmiegt. Sie laufen dabei tangential und sprungfrei in den Umfangsflächenabschnitt 21, 22 der Zapfenabschnitte 11, 12 aus, der sich zwischen der Nockenspitze 13, 14 und der jeweils dicksten Stelle des Querschnitts der Zapfenabschnitte 11, 12 erstreckt.
An der jeweiligen Anschlussstelle, an der die Stegabschnitte 15, 16 an den jeweiligen Zapfenabschnitt 11, 12 angeschlossen sind, entspricht die als Abstand ihrer Seitenflächen 17, 18 gemessene Dicke d der Stegabschnitte 15, 16 einer Maximaldicke dmax von ca. 5 mm, wobei in der Praxis die Dicke dmax auch größer sein kann. Ausgehend von dieser Maximaldicke dmax nimmt die Dicke d der Stegabschnitte 15, 16 in Richtung des jeweils anderen Zapfenabschnitts 11, 12 kontinuierlich ab, bis sie in einem mittig zwischen den Zapfenabschnitten 11, 12 angeordneten Mittenbereich 23, 24 der Stegabschnitte 15, 16 ihre Minimaldicke dmin von etwa 1,5 mm erreicht.
In entsprechender Weise nimmt die als Abstand der Ober- und Unterseite der Stegabschnitte 15, 16 gemessene Höhe h der Stegabschnitte 15, 16 ausgehend von einer an der jeweiligen Anschlussstelle gegebenen Maximalhöhe hmax in Richtung des Mittenbereichs 23, 24 kontinuierlich ab, bis dort eine Minimalhöhe hmin von ca. 4,3 mm gegeben ist.
Der Gießkern 1 ist in einem Stück in einer konventionellen, hier nicht gezeigten Kernschießmaschine aus einem handelsüblichen so genannten ”Croning-Formsand” geschossen worden, dessen Quarzsandkörner einen mittleren Korndurchmesser von 0,21 +/– 0,02 mm (entsprechend AFS Kornfeinheitsnummer 68 +/– 3 aufwiesen und mit einem als Binder dienenden Kunstharz ummantelt waren. Der Formsand ist dazu mit einem Druck von 2–6 bar in einen auf 200–350°C erwärmten Kernkasten geschossen worden, in dem das Binderharz der Quarzsandkörner in Folge der über den Kernkasten erfolgenden Wärmezufuhr miteinander verbackt und ausgehärtet sind. Nach einer hierzu erforderlichen Verweilzeit von 30–120 s konnte der Gießkern 1 aus dem Kernkasten entnommen werden. Er wies trotz der filigranen Gestalt seiner Stegabschnitte 15, 16 eine ausreichende Formfestigkeit auf, um ihn der weiteren Verwendung zuzuführen. Auch besaß er insbesondere im Bereich der Stegabschnitte 15, 16 eine gleichmäßig fein gekörnte Oberfläche, deren Qualität so hochwertig war, dass sie direkt der Weiterverwendung zugeführt werden konnte. Der Auftrag einer Schlichte oder eines sonstigen Hilfsmittels, das bei gröberen Oberflächenstrukturen erforderlich gewesen wäre, um die geforderte Qualität zu erreichen, war nicht erforderlich.
In der voranstehend erläuterten Weise gestaltete und hergestellte Gießkerne 1 werden als Teil einer in 4 nur ausschnittweise gezeigten, im Übrigen konventionell als Kernpaket ausgebildeten Gießform 25 eingesetzt, die zum Abgießen eines in 5 ebenfalls nur ausschnittweise gezeigten, aus einer Aluminiumschmelzlegierung gegossenen Motorblocks 26 für einen Verbrennungsmotor mit in Reihe angeordneten Zylinderräumen 27, 28, 29 eingesetzt werden. Dabei werden die Gießkerne 1 mittels Deckkernen 30, 31, 32 so zwischen den die Zylinderräume 27–29 abbildenden Zylinderkernen 33, 34, 35 angeordnet, dass ihre Stegabschnitte mittig im oberen, den Deckkernen 30–32 zugeordneten Bereich des zwischen den Zylinderkernen 33–35 vorhandenen schmalen Freiraums 36, 37 angeordnet ist. Der jeweilige Freiraum 36, 37 bildet beim fertigen Motorblock 26 jeweils die Zylinderzwischenwand 38, 39 ab, durch die die jeweils benachbarten Zylinderräume 27, 28; 28, 29 voneinander getrennt sind. In dem Bereich 40, in dem die benachbarten Zylinderräume 27, 28; 28, 29 sich am nächsten kommen, beträgt die minimale Dicke dmin der jeweiligen Zylinderzwischenwand 38, 39 etwa 5 mm.
Nach dem Abgießen der Aluminiumschmelzlegierung in die Gießform 25 erstarrt der Aluminiumgusswerkstoff. In Folge der damit einhergehenden Erwärmung beginnt der Binder zu zerfallen, der die Sandkörner des Gießkerns 1 zusammenhält. Die über diesen Weg eingetragene Wärmeenergie reicht dabei in der Regel nur aus, um den Zerfallsprozess zu starten. Falls die dadurch erhaltenen Bruchstücke des Gießkerns 1 noch zu groß sind, um aus den durch den Gießkern 1 abgebildeten Kanälen zu rieseln, wird das Kernmaterial anschließend in bekannter Weise durch eine gezielte Behandlung weiter zerkleinert. Dazu kann eine geeignete, in der Fachsprache auch unter dem Stichwort „thermisches Entsanden” bekannte Wärmebehandlung durchgeführt werden, bei der der Zerfall des Binders durch gezielte Wärmzufuhr so lange fortgesetzt und damit einhergehend die Verbindung unter den einzelnen Formstoffkörnern aufgelöst wird, bis der Formstoff rieselfähig ist. Alternativ oder ergänzend kann die Zerkleinerung des Gießkerns auch mechanisch unterstützt werden, indem die Gießform oder das Gussteil selbst Hammerschlägen, einem Klopfen, einem Schütteln oder einem Vibrieren ausgesetzt wird. Um den Austrag des zerkleinerten Formstoffs des Gießkerns 1 aus dem jeweiligen Kanal zu optimieren, kann der jeweilige Kanal zusätzlich mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit durchspült werden.
Mindestens die Zapfen- und Stegabschnitte 11, 12, 15, 16 der Gießkerne 1 zerfallen auf diese Weise so feinteilig, dass ihr Formsand trotz der minimierten Abmessungen der durch sie abgebildeten Kanäle frei aus dem fertigen Gussteil ausrieselt oder erforderlichenfalls ausgespült werden kann.
Die Zapfenabschnitte 11, 12 des jeweiligen Gießkerns 1 können mit einem hier nicht gezeigten Wassermantelkern verkoppelt sein, der in dem Motorblock 26 einen Kühlkanal abbildet, über den die die Zylinderräume 27–29 an ihrer Außenseite umgrenzenden Wände des Motorblocks 26 gekühlt werden. Auf diese Weise strömt im praktischen Einsatz des Verbrennungsmotors Kühlwasser über die durch die Zapfenabschnitte 11, 12 abgebildeten Zu- und Abströmkanäle 41, 42 durch die schmalen mittels der Stegabschnitte 15, 16 abgebildeten, im Bereich 40 nur ca. 1,5 mm breiten und ca. 4,2 mm hohen Kühlkanäle 43, 44 in den Zylinderzwischenwänden 38, 39 und sorgt im thermisch hoch belasteten Bereich der Zylinderzwischenwände 38, 39 für eine effektive Kühlung.
Bezugszeichenliste

1: Gießkern
2: Trägerabschnitt
3, 4: Breitseiten des Trägerabschnitts 2
5, 6: Schmalseiten des Trägerabschnitts 2
7: obere Stirnseite des Trägerabschnitts 2
8, 9: Halteabschnitte
10: untere plane Stirnseite des Trägerabschnitts 2
11, 12: Zapfenabschnitte des Gießkerns 1
13, 14: Nockenspitze der Zapfenabschnitte 12, 11
15, 16: Stegabschnitte des Gießkerns 1
17, 18: Seitenflächen der Stegabschnitte 15, 16
19, 20: Umfangsfläche der Zapfenabschnitte 11, 12
21, 22: Umfangsflächenabschnitt der Umfangsfläche 19, 20
23, 24: Mittenbereich der Stegabschnitte 15, 16
25: Gießform
26: Motorblock
27, 28, 29: Zylinderräume des Motorblocks 26
30, 31, 32: Deckkerne
33, 34, 35: Zylinderkerne
36, 37: Freiraum zwischen den Zylinderkernen 33–35
38, 39: Zylinderzwischenwände des Motorblocks 26
40: Bereich, in dem sich die benachbarten Zylinderräume 27, 28; 28, 29 am nächsten kommen
41, 42: Zu- und Abströmkanäle des Motorblocks 26
43, 44: Kühlkanäle in den Zylinderzwischenwänden 38, 39
d: Dicke der Stegabschnitte 15, 16
dmax: Maximaldicke der Stegabschnitte 15, 16
dmin: Minimaldicke der Stegabschnitte 15, 16
h: Höhe der Stegabschnitte 15, 16
hmax: Maximalhöhe
hmin: Minimalhöhe
L1, L2: Längsachsen der Stegabschnitte 15, 16

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0974414 B1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Abhandlung ”Das Maskenformverfahren: Eine deutsche Innovation zur Gussherstellung” von Ulrich Recknagel [0025]

Claims

Gießkern, der aus einem Formsand geformt ist, dessen Körner durch einen Binder miteinander verbunden sind, und der dazu vorgesehen ist, in einem Motorblock (26) für einen Verbrennungsmotor einen Kühlkanal (41, 42, 43, 44) abzubilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern (1) – einen Trägerabschnitt (2), – zwei Zapfenabschnitte (11, 12), die von einer Seitenfläche (10) des Trägerabschnitts (2) abstehen und mit Abstand zueinander angeordnet sind, und – mindestens einen mit Abstand zu dem Trägerabschnitt (2) von den Zapfenabschnitten (11, 12) gehaltenen Stegabschnitt (15, 16) aufweist, dessen als Abstand seiner Seitenflächen (17, 18) zueinander gemessene Minimaldicke (dmin) in einem zwischen den Zapfenabschnitten (11, 12) liegenden Bereich (23, 24) höchstens 3 mm beträgt, und dass der Gießkern (1) mindestens im Bereich seines Stegabschnitts (15, 16) aus einem Formsand geformt ist, dessen Körner einen mittleren Durchmesser von höchstens 0,35 mm besitzen.
Gießkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (17, 18) seines Stegabschnitts (15, 16) jeweils in einem sprungfreien Übergang in die Umfangsfläche (19, 20) der Zapfenabschnitte (11, 12) übergehen und seine Dicke (d) ausgehend von einer dem jeweiligen Zapfenabschnitt (11, 12) zugeordneten Maximaldicke (dmax) in Längsrichtung des Stegabschnitts (15, 16) kontinuierlich bis zu der Minimaldicke (dmin) abnimmt.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimaldicke (dmin) des Stegabschnitts (15, 16) höchstens 2 mm beträgt.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimaldicke (dmin) des Stegabschnitts (15, 16) mindestens 1 mm beträgt.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Stegabschnitts (15, 16) im Bereich (23, 24), in dem er seine Minimaldicke (dmin) hat, höchstens 4,5 mm beträgt.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er vollständig aus einem Formsand geformt ist, dessen Körner einen mittleren Durchmesser von höchstens 0,35 mm aufweisen.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Körner des Formsands höchstens 0,25 mm beträgt.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Körner des Formsands höchstens 0,23 mm beträgt.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfenabschnitte (11, 12) eine nach Art eines Nockens geformte Querschnittform aufweisen, deren Spitze (13, 14) dem jeweils anderen Zapfenabschnitt (12, 11) zugewandt ist.
Gießkern nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den Zapfenabschnitten (11, 12) zwei oder mehr beabstandet zueinander angeordnete Stegabschnitte (15, 16) getragen sind, die jeweils einen Bereich (23, 24) aufweisen, in dem ihre Minimaldicke (dmin) jeweils höchstens 3 mm beträgt.
Verwendung eines gemäß einem der voranstehenden Ansprüche beschaffenen Gießkerns (1) in einer Gießform (25) für die gießtechnische Herstellung eines Motorblocks (26) für einen Verbrennungsmotor durch Abgießen einer Aluminiumschmelze in die Gießform (1), wobei der Stegabschnitt (15, 16) des Gießkerns (1) in dem Motorblock (26) einen zwischen zwei Zylinderräumen (27, 28, 29) des Motorblocks (26) angeordneten Kühlkanal (43, 44) abbildet, dessen lichte Weite höchstens 3 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 beschaffenen Gießkerns (1), bei dem mittels einer Kernschießmaschine eine Formmasse, die einen Formsand und einen Binder umfasst, in einen Formhohlraum einer Kernform geschossen und anschließend der Binder gehärtet wird, um dem Gießkern (1) die erforderliche Formfestigkeit zu verleihen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die für den Stegbereich (15, 16) des Gießkerns (1) verwendete Formmasse einen Formsand umfasst, dessen Körner einen mittleren Durchmesser von höchstens 0,35 mm besitzen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner des Formsands mit dem Binder ummantelt sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner des Formsands mit ihrer Binder-Ummantelung eine kugelige Form besitzen.