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Die Erfindung betrifft ein Zylinderkopfbauteil, ein Verfahren zu dessen Herstellung, ein Werkzeug sowie eine Kokillenanordnung zum Ausführen des Verfahrens.
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Zylinderköpfe sind mechanisch und thermisch hoch beanspruchte Motorbauteile mit hochkomplexer Geometrie. Sie werden in der Regel – im Pkw-Bereich praktisch ausschließlich – aus Aluminiumlegierungen in Gießverfahren hergestellt und anschließend mechanisch bearbeitet. Zylinderköpfe weisen eine aufwändige Hohlraumgeometrie (Luft-/Gaskanäle, Kühlwasserhohlräume, Ölverteilung, Führungs- und Lagersitze, Dichtungsflächen etc.) auf, die zum Teil bereits beim Gießen und zum Teil durch anschließende mechanische Bearbeitung und die Montage von Zusatzelementen (Führungsbuchsen, Lagersitze, etc.) ausgebildet wird.
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Das am weitesten verbreitete Gussverfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes ist der Kokillenguss. Hinterschneidungsfreie metallische Dauerformen aus Grauguss oder Warmarbeitsstählen dienen dabei als vielfach verwendbare Außengussform, in die zur Abbildung der mit vielen Hinterschneidungen versehenen Innengeometrie Sand- und Metallkerne eingelegt werden.
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Bei den Sandkernen handelt es sich um sogenannte verlorene Kerne. Sie müssen für jeden Gießvorgang erneut hergestellt und in die Kokillenform eingesetzt werden.
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Metallkerne werden in Außenbereichen verwendet und dienen dort als „Kühleisen“, insbesondere im Bereich der Zylinderbrennräume, die im Betrieb besonders hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Solche Kühleisen zum Ausformen der Geometrie bewirken eine beschleunigte Abkühlung der dort eingegossenen Schmelze, sodass die Eigenschaften der verwendeten Metalllegierung (z. B. G-AlSi7MgCu0,5 und andere geeignete Primär- und Umschmelzlegierungen) in diesem Bereich günstig beeinflusst werden kann.
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Der Kokillenguss erlaubt insgesamt eine schnelle und gerichtete Erstarrung der umformten Metallschmelze, dabei wirkt eine vor dem Gießen auf die Innenoberfläche der Kokille aufgetragene Schlichte als Trennmittel und schützt die Kokille selbst gegen die einlaufende Metallschmelze. Der Kokillenguss erlaubt so einen feinen Gefügeaufbau, eine hohe Festigkeit sowie eine verbesserte Maßgenauigkeit und Oberflächengüte im Vergleich zu reinen Sandgussverfahren.
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Verbreitet sind der Schwerkraft-Kokillenguss, bei dem die Form mit Hilfe der Schwerkraft der Schmelze unter atmosphärischen Druck befüllt wird, sowie der Niederdruckguss, bei dem eine Schmelze mit einem Überdruck von etwa 0,1–0,38 bar über ein Steigrohr von unten in die Form gepresst wird. Es gibt auch Verfahren bei denen während des Gießprozesses die gesamte Form geschwenkt wird, um ein turbulenzfreies Befüllen zu ermöglichen (z.B. Rotocastverfahren). Bei allen bekannten Kokillengussverfahren mit eingelegten (verlorenen) Kern- und (wiederverwendbaren) Kühlelementen sind trotz der hohen Detailtreue und Formgenauigkeit Nachbearbeitungen erforderlich.
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Die dazu erforderliche mechanische Bearbeitung wird in der Großserienproduktion auf Transferstraßen oder auf verketteten Bearbeitungszentren durchgeführt. Das zunächst rohe Gussteil durchläuft dabei hintereinander mehrere Bearbeitungsstationen, in denen jeweils möglichst viele Bearbeitungsvorgänge zusammengefasst sind. Bei der Neuentwicklung von Zylinderköpfen wird die Fertigungsplanung bereits in die Projektphase berücksichtigt, um eine möglichst wirtschaftliche Fertigung mit möglichst geringem mechanischem Bearbeitungsaufwand realisieren zu können.
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Dabei fließen wichtige Überlegungen bereits in die Gestaltung der Formgebungselemente (Kokillenanordnung) ein:
- – Das Kokillenwerkzeug selbst, das Außengeometrien und hinterschneidungsfreie, entformbare Geometrien abformt. Dazu gehören insbesondere auch die Brennräume, bei denen die Temperaturführung beim Gießen ebenfalls zu beachten ist.
- – Das sogenannte Kernpaket (eingelegt in das Kokillenwerkzeug), mit dessen Hilfe Geometrien, die mit Werkzeugteilungen nicht entformbar sind, abgebildet werden (Hohlräume, Hinterschnitte, Kanäle). Diese Sandkerne bilden z.B. Blowby-, Ein- und Auslastkanäle, Ölraum- und Wasserkerne, sowie Übertritte zu den mit Hilfe des Kokillenwerkzeugs ausgeformten Bereichen.
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Dabei sind insbesondere die gas- und luftführenden Geometrien (siehe z.B.
DE 40 12 492 A1 ) besonders zu beachten, da bei diesen Kernelementen die den Einlasskanal und den Auslasskanal bilden, Sandkernelemente mit festen metallischen Kokillenbauteilen verbunden werden müssen, die beispielsweise den Brennraum abbilden (mittels der sogenannter Kühleisen). Hier können die Strömungseigenschaften in den Kanälen und den Übergangsbereichen (im Bereich der Ventilsitze) zum Brennraum maßgeblich beeinflusst werden.
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Zur sicheren Lagerung der Einlass- bzw. Auslasskanalkerne an den Kühleisen, die den Verbrennungsraum abbilden sollen, dienen sogenannte Kernschlösser bei denen eine formschlüssige Verbindung zwischen den Kernen und den Kühleisen realisiert wird. Ebene Stirnflächen am Kern und am gekoppelten Kühleisen liegen im Kernschlossbereich dicht aneinander. Lage und Positionierung wird über an den Kühleisen ausgebildete konische Zentrierpins realisiert, die in entsprechende Ausnehmungen an den Kernen eingreifen.
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Der Anschluss der Kerne (beispielsweise für den Einlass- oder Auslasskanal) ist funktionsbedingt im Bereich der später vollständig ausgebildeten Auslass- bzw. Einlassventilsitzringaufnahme ausgebildet. Im rohen Gussteil ist dieser Bereich so vorgeformt, dass bei der mechanischen Nachbearbeitung der eigentliche Ventilsitzringaufnahme sowie der Übergangsbereich zwischen Einlasskanal und Ventilsitzringaufnahme bzw. Brennraum in getrennten Arbeitsgängen nacheinander ausgearbeitet wird. Dabei wird zunächst in einem eigenen Bearbeitungsschritt mittels eines sogenannten Kontrollfräsers ein etwa kegliger Übergangsbereich zwischen Einlass- bzw. Auslassgeometrie und Brennraum ausgearbeitet und anschließend in einem weiteren Arbeitsgang die eigentliche Einlassventilsitzringaufnahme eingefräst. In einem weiteren Arbeitsgang wird dann die Einlassventilführung ausgearbeitet, die koaxial zur Einlassventilsitzringgeometrie verläuft.
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Aus funktionaler Sicht und unter der Berücksichtigung optimaler Materialausnutzung des Gussteils ist dieses Verfahren nicht zu beanstanden. Unter dem Gesichtspunkt einer optimierten (verkürzten) Durchlaufzeit für die mechanische Bearbeitung ist es jedoch wünschenswert, hier die mechanische Bearbeitung zu vereinfachen, um die gesamte Durchlaufzeit für die mechanische Bearbeitung herabzusetzen und damit die Fertigungskosten zu senken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.
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Eine weitere Aufgabe kann darin gesehen werden, auch bei einer vereinfachten mechanischen Nachbearbeitung, eine funktionell einwandfreie Gasströmungsgeometrie am Übergang Luft-/Gaskanal-Brennraum im Bereich des Ventilsitzringes zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1, das Werkzeug nach Anspruch 5 sowie die Kokille nach Anspruch 6 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Zylinderkopfbauteils ist das Bereitstellen einer Kokille mit einem Brennraum-bildenden Kühlelement und das Koppeln dieses Kühlelements mit einem Luftkanal-bildenden Kernelement mittels eines zwischen dem Kernelement und dem Kühlelement wirkenden Kernschlosses.
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Der Begriff „Luftkanal-bildendes Kernelement“ bezeichnet hier sowohl solche Kernelemente, die den eigentlichen Luftkanal, also den Einlasskanal bilden, als auch solche, die den (Ab) Gaskanal, also den Auslasskanal bilden.
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Dabei ist in einem Kernschlossbereich des Kühlelements ein Formelement zum Vorformen einer Ventilsitzgeometrie ausgebildet und es verläuft zwischen dem Kernelement und dem Formelement eine Koppelebene in der eine Anschlussfläche des Kühlelementes (des Formelements) und eine Anschlussfläche des Kernelements aneinander liegen.
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Diese Koppelebene ist entlang einer zu der Ebene senkrecht verlaufenden Normalen so zwischen Kernelement und Kühlelement angeordnet, und das Formelement und das Kernelement sind so ausgebildet, dass bei einer Bearbeitung eines mittels der Kokille hergestellten Gussteils entlang der Normalen eine vollständige Ventilsitzgeometrie in einem einzigen Arbeitsgang mit einer einzigen ersten Werkzeuggeometrie herstellbar ist.
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Weiter umfasst das Verfahren dann das Gießen eines Zylinderkopfbauteils in der Kokille sowie das Ausbilden der Ventilsitzgeometrie im Zylinderkopfbauteil mittels eines einzigen Werkzeugs, welches die erste Werkzeuggeometrie aufweist.
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Durch die besondere Gestaltung des Formelements und des Kernelements sowie durch die besondere Anordnung der Koppelebene zwischen dem am Kernelement Formelement und dem am Kühlelement ausgebildeten Koppelelement kann erreicht werden, dass die im Kernschlossbereich ausgebildete Gussgeometrie in einem einzigen Arbeitsgang und mit einer einzigen Werkzeuggeometrie vollständig bearbeitet werden kann, sodass die gewünschte Ventilsitzringaufnahmegeometrie am Zylinderkopfbauteil sofort ausgearbeitet werden kann.
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Damit kann die bisher erforderliche Vorbereitung durch einen sogenannten Kontrollfräser, der am Gussteil zunächst nur den Übergangsbereich zwischen Kernelement und Formelement im Bereich der Koppelebene bearbeitet, entfallen und ein vollständiger Fertigungsschritt eingespart werden. So können insgesamt die mechanischen Bearbeitungskosten für einen entsprechenden Zylinderkopf erheblich gesenkt werden. Das Verfahren ist grundsätzlich für die Einlass- und Auslasskanalanschlüsse anwendbar. Bei einem üblichen 4-Zylinder-Motor in 4-Ventil-Technik wird so die Bearbeitung an insgesamt 16 zu bearbeitenden Stellen erheblich vereinfacht.
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Bei einer Ausführung des Verfahrens beschreibt die erste Werkzeuggeometrie einen die Ventilsitzgeometrie definierenden Zylinder. Die Verwendung eines solchen Werkzeuges (beispielsweise eines Fräskopfes) erlaubt die vollständige Bearbeitung der Ventilsitzgeometrie in einem einfachen Senkvorgang, bei dem die zylindrische Werkzeuggeometrie linear entlang einer zentralen Führungsachse im Bereich der Luft-/Gaskanalmündung in den Zylinderkopf ausgeführt wird.
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Bei einer weiteren Ausführung wird gemeinsam mit der Ventilsitzgeometrie eine Ventilschaftführungsgeometrie ausgebildet. Dabei weist das Werkzeug dann eine zweite Werkzeuggeometrie auf, welche der Ventilschaftführungsgeometrie entspricht. Auf diese Weise wird in einem einzigen Arbeitsgang sowohl die Ventilschaftführungsgeometrie (z.B. zur passgenauen Aufnahme einer Führungshülse) als auch die Ventilsitzgeometrie ausgebildet, die konzentrisch zueinander und axial miteinander fluchtend entlang einer gemeinsamen Achse ausgebildet sind, die mit der Bearbeitungsachse des Werkzeugs zusammenfällt. Diese Achse definiert die Rotationsachse eines solchen Bohr-/Fräswerkzeuges als auch die lineare Bewegungsrichtung in der dieses Werkzeug in das Werkstück (den Zylinderkopf) einbracht wird. Damit wird auch sichergestellt, dass sowohl die Ventilsitzgeometrie als auch die Ventilschaftführungsgeometrie genau fluchten, sodass auch die dort vorgesehenen Führungs- und Dichtungselemente (Ventilführungshülse und Ventilsitzring) mit den erforderlichen engen Toleranzen eingesetzt werden können und eine verkantungsfreie Dicht- und Führungsfunktion des eigentlichen Ventils an dessen Tellerrand und am Führungsschaft realisiert wird.
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In einem weiteren Verfahren wird zusammen mit der Ventilsitzgeometrie eine (optionale) Übergangsgeometrie zwischen der Ventilsitzgeometrie und einer Luft-/Gaskanalgeometrie ausgebildet. Dazu weist das Werkzeug eine dritte dieser Übergangsgeometrie entsprechende Werkzeuggeometrie auf. Diese Verfahrensvariante ist dann sinnvoll, wenn – beispielsweise aus strömungstechnischen Gründen – ein scharfkantiger und gegebenenfalls spitzwinkliger Übergang zwischen Luft-/Gaskanalgeometrie und Ventilsitzgeometrie vermieden werden soll.
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Ein solcher scharfkantiger, spitzwinkliger Übergang kann strömungstechnische Effekte haben, wegen einer unerwünschten Abrisskante. Es können aber auch thermische Effekte auftreten, da ein solcher spitzwinkliger Bereich (insbesondere im Bereich des „heißen“ Auslasskanals) möglicherweise im Betrieb thermisch überbelastet wird und es dort zu lokalen thermischen Überhitzungsschäden kommen kann. Bei diesem Verfahren ist dann das Werkzeug mit einer dritten dieser Übergangsgeometrie entsprechenden Werkzeuggeometrie versehen. So eine Geometrie kann typischerweise eine kegelstumpfförmige Gestalt haben. Es können aber auch beispielsweise torisch-konvex bzw. konkav gekrümmte Teilflächen oder Kombinationen aus solchen Flächen vorgesehen werden.
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Ein erfindungsgemäßes Werkzeug zum Ausführen des oben geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens weist dann wenigstens eine der folgenden Werkzeuggeometrien auf:
- – Eine erste Werkzeuggeometrie, die einen die Ventilsitzgeometrie definierenden Zylinder beschreibt,
- – eine zweite Werkzeuggeometrie, die einer Ventilschaftführungsgeometrie entspricht, und
- – eine dritte Werkzeuggeometrie, die eine Übergangsgeometrie zwischen der Ventilsitzgeometrie und einer Luft-/Gaskanalgeometrie entspricht,
- – wobei so ein Werkzeug insbesondere als Bohrfräswerkzeug ausgebildet ist.
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Damit können bis zu drei für den Zylinderkopf wesentliche Funktionsflächen in einem einzigen Arbeitsgang ausgearbeitet werden. Dazu gehören:
- – die Ventilsitzgeometrie, die den Ventilsitzring aufnimmt, und so einen wesentlichen Beitrag für die erforderliche Dichtfunktion liefert,
- – die Ventilschaftführungsgeometrie, die zur Lagerung und fluchtenden Führung des Ventils und so für einen umlaufenden Dichtungssitz am Ventilsitzring verantwortlich ist, und schließlich
- – eine (optionale) Übergangsgeometrie, welche die mit der Luftzufuhr und Abgasabfuhr zusammenhängenden Strömungseigenschaften beeinflusst.
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Eine erfindungsgemäße Kokillenanordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Brennraum-bildendes Kühlelement und Luftkanal-bildendes Kernelement auf. Dabei sind Kühlelement und Kernelement mittels eines zwischen dem Kernelement und dem Kühlelement wirkenden Kernschlosses gekoppelt, wobei in einem Kernschlossbereich des Kühlelements ein Formelement zum Vorformen einer Ventilsitzgeometrie ausgebildet ist und zwischen Kühlelement und Formelement eine Koppelebene verläuft, in der eine Anschlussfläche des Kühlelements und eine Anschlussfläche des Kernelements aneinander liegen. Dabei ist die Koppelebene entlang einer zu dieser senkrecht verlaufenden Normalen so zwischen Kernelement und Kühlelement angeordnet, und das Formelement und das Kernelement sind so ausgebildet, dass bei einer Bearbeitung eines mittels der Kokille hergestellten Gussteils entlang der Normalen in einem einzigen Arbeitsgang eine vollständige Ventilsitzgeometrie mit einer einzigen ersten Werkzeuggeometrie herstellbar ist.
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Eine so gestaltete Kokillenanordnung führt zu einem Zylinderkopfbauteil, bei dem die Kernschlossbereiche, also die Übergangsbereiche, zwischen Luftkanal und Ventilsitzgeometrie so ausgebildet werden, dass sie in einem einzigen Arbeitsgang mit einer einzigen Werkzeuggeometrie bearbeitbar sind, um die endgültige Ventilsitzgeometrie zu erreichen. Insbesondere ist dabei das Formelement am Kühlelement so auszubilden und die Lage der Koppelebene so anzuordnen, dass dieser Bereich einschließlich möglicher Materialzugaben, die beim Gießvorgang dort ausgebildet werden, vollständig innerhalb der die Ventilsitzgeometrie definierenden Bearbeitungsgeometrie verläuft. Die Ventilsitzgeometrie wird beispielsweise durch eine Zylinderkontur definiert, innerhalb derer die zu bearbeitenden Rohgussbereiche liegen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Zylinderkopfbauteil, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Kokillenanordnung bzw. unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs hergestellt ist. Ein solches Zylinderkopfbauteil erfordert einen reduzierten Bearbeitungsaufwand und kann damit wirtschaftlicher produziert werden.
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Besonders wirtschaftlich ist eine solche Ausführung bei welcher die in der Kokillenanordnung abgeformte Kernschlossbereichskontur sowie die Formelementkontur vollständig innerhalb einer die Ventilsitzgeometrie definierenden Zylinderkontur angeordnet sind. Bei so einer Ausführung kann das gesamte bei der Bearbeitung (z.B. Fräsen) abzunehmende Material mit einem zylindrischen linear entlang der Rotationsachse bewegten Fräskopf vollständig abgenommen werden.
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Ausführungsbeispiele werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematisch dargestellte Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Kokillenanordnung,
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2 Kern- und Kühlelemente zur Ausbildung luft- und gasführender Bereiche aus der Darstellung in 1,
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2a ein luftführendes Kernelement und ein Kühlelement
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gussbauteils im unbearbeiteten Zustand, welches mit Hilfe der in 1 und 2 dargestellten Kokillenanordnung hergestellt wurde,
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4 das in 3 dargestellte Gussbauteil nach der mechanischen Bearbeitung mit eingebauter Ventilschaftführung und Ventilsitzring,
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5 Detail A aus 3,
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6 die in 5 dargestellte Anordnung mit gekennzeichneter Ventilsitzgeometriekontur,
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7 eine bearbeitete Ventilsitzgeometrie gemäß 6 mit zusätzlich bearbeiteten Übergangsbereichen (Detail B aus 4),
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8 ein schematisch dargestelltes Bearbeitungswerkzeug in Arbeitsposition in einem erfindungsgemäßen Zylinderkopfbauteil, und
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9 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Kokillenanordnung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 beschrieben.
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Die Darstellung in 1 zeigt eine Kokillenanordnung 1, bei der das die Außengeometrien formende Kokillenwerkzeug nur teilweise dargestellt ist. Von dem Kokillenwerkzeug ist nur ein Teilkernpaket 3 abgebildet sowie der Kokillenbestandteil, der den Brennraum eines Zylinders ausformt und der als Kühleisen 2 bezeichnet wird. Ebenfalls Bestandteil dieser Kokillenanordnung 1 sind Elementedeses (Teil)kernpakets 3, die in das Kokillenwerkzeug eingelegt werden und dort Hohlräume im Gusswerkstück definieren (z.B. Wassermantelkern 3a, Versorgungsleiste 3b, Auslasskanalkern 3c, Wasserübertritt 3d, Blowby-Kanalkern 3e sowie einen unteren Wassermantelkern 3f und den Einlasskanalkern 4).
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2 zeigt das Kühleisen 2, das als Brennraum-bildendes Kühlelement dient, sowie einen Einlasskanalkern 4 und den Auslasskanalkern 3c. Für eine komplette Kokillenanordnung sind insgesamt vier Kühleisen 2 vorgesehen, eines für jeden Zylinder, und pro Zylinder ein Einlasskanalkern 4, der zwei Einlasskanalanschlüsse mit Anschlussenden 4a, 4b bildet, und zwei Auslasskanalanschlusskerne, die gemeinsam den Auslasskanalkern 3c bilden.
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Die aus Formsand hergestellten Einlasskanalkerne 4 sowie die Auslasskanalkerne 3c sind über sogenannte Kernschlösser mit den Kühleisen 2 formschlüssig gekoppelt.
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2a zeigt in einer halbtransparenten Darstellung die Kernschlossbereiche 5 zwischen einem Kühleisen 2 und den Anschlussenden 4a und 4b eines Einlasskanalkerns 4. Zur Kopplung sind im Bereich der späteren Ventilsitzgeometrien Formelemente 6 ausgebildet, die an ihrer oberen Stirnseite jeweils eine Anschlussfläche 7 aufweisen an der eine entsprechende Anschlussfläche 8 des Einlasskanalkerns anliegen. Zur formschlüssigen Kopplung ragen Zentrierkegel 9 aus den Anschlussflächen 7 heraus und greifen in korrespondierende Ausnehmungen in den Anschlussflächen 8 der Einlasskanalkerne 4 (Anschlussenden 4a und 4b) ein (vgl. auch 5). Die Anschlussflächen 7 und 8 berühren sich dabei in einer Koppelebene 10, die zwischen dem Einlasskanalkern und dem Formelement 6 verläuft.
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In 3 ist ein Zylinderkopfbauteil 11 mit eingeformten Kühleisen 2 und dem Einlasskanalkern 4 dargestellt. Die Koppelebene 10 verläuft hier senkrecht zu einer Normalen 12. In einer anderen Ausführung kann die Koppelebene aber auch zur Normalen 12 geneigt sein.. Der Kernschlossbereich 5 ist so ausgebildet, dass sowohl die Konturen des Einlasskanalkerns 4 als auch die des Formelements vollständig innerhalb einer (später in der mechanischen Nachbearbeitung) zylindrisch ausgebildeten Ventilsitzgeometrie 13 (vgl. 4, 6 und 7) verlaufen. Dabei verläuft auch die Koppelebene 10 innerhalb dieser Ventilsitzgeometrie 13.
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Die Ventilsitzgeometrie 13 kann nun durch eine einfache lineare Vorschubbewegung in Richtung der Normalen 12 und durch Rotation um eine um eine mit der Normalen 12 zusammenfallenden Rotationsachse eingebracht werden. Dabei wird die Ventilsitzgeometrie 13 vollständig ausgearbeitet (vgl. 4 und das in 7 dargestellte Detail).
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4 zeigt konzentrisch zur Normalen 12 ausgebildete Bohrungen 14, die als Ventilschaftführungsgeometrie dienen und jeweils zur Aufnahme einer Führungshülse 15 vorgesehen sind. Ebenso ist ein in die Ventilsitzgeometrie 13 eingesetzter Ventilsitzring 13a angedeutet (vgl. auch 7).
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Ergänzend und optional kann zusätzlich zur Ventilsitzgeometrie 13 eine Übergangsgeometrie 16 vorgesehen werden, die einen Übergangsbereich zwischen der Luftkanalgeometrie 17 und der Ventilsitzgeometrie 13 schafft (siehe 4 und 7).
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6 illustriert dass die Ventilsitzgeometrie 13 in einem einzigen Arbeitsgang einzubringen ist, da die im Gussteil 11 abgeformte Kontur vollständig innerhalb der Kontur 13a der späteren Ventilsitzgeometrie 13 liegt.
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Die Ventilsitzgeometrie 13 sowie die Bohrung 14 (dient als Ventilschaftführungsgeometrie) können in einem einzigen Arbeitsgang ausgeführt werden. Dazu dient ein schematisch in 8 dargestelltes Bearbeitungswerkzeug 18, das vom Brennraum 19 her in Richtung der Normale 12 in das Zylinderkopfbauteil 11 eingeführt wird. Das Werkzeug 18 weist eine erste Werkzeuggeometrie 20 (gestrichelt dargestellt) auf, das als zylindrischer Fräskopf ausgebildet ist, der in seinem Stirnbereich 20A und seinem Umfangsbereich 20B eine entsprechende Schneidgeometrie aufweist. Das dargestellte Werkzeug weist eine zweite Werkzeuggeometrie 21 auf (strichpunktiert dargestellt), die zur Ausarbeitung der Bohrung 14 geeignet ist.
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Optional weist das Werkzeug 18 eine dritte Werkzeuggeometrie 22 auf (punktiert dargestellt), die der Übergangsgeometrie 16 (vgl. 4 und 7) entspricht und im dargestellten Ausführungsbeispiel eine konische Fräskontur aufweist. Das Werkzeug 18 ist also gegebenenfalls geeignet in einem einzigen Arbeitsgang (bohrend fräsend) die mechanische Bearbeitung von drei Funktionsflächen im Zylinderkopfbauteil 11 auszuführen, nämlich die Ventilsitzgeometrie 13, die Ventilschaftführungsgeometrie 14 und gegebenenfalls die Übergangsgeometrie 16. Die Übergangsgeometrie 16 kann neben der kegeligen Ausbildung z.B. auch eine torisch konvexe bzw. konkave Gestalt haben.
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Das Verfahren zur Herstellung des Zylinderkopfbauteils 11 ist in der 9 dargestellt. Dabei wird zunächst eine Kokillenanordnung 1 mit einem Brennraum-bildenden Kühlelement 2 und einem Luftkanal-bildenden Kernelement 4 bereitgestellt (Schritt 101). Das Kühlelement 2 und das Kernelement 4 werden mittels eines zwischen diesen wirkenden Kernschlosses 5 gekoppelt (Schritt 102). Dabei ist im Kernschlossbereich 5 des Kühlelements 2 ein Formelement 6 zum Vorformen einer Ventilsitzgeometrie 13 ausgebildet, und zwischen Kernelement 4 und Formelement 6 verläuft eine Koppelebene 10 in der eine Anschlussfläche 7 des Kühlelements 2 und eine Anschlussfläche 8 des Kernelements 4 aneinander liegen. Die Koppelebene 10 ist entlang einer zu dieser senkrecht verlaufenden Normalen 12 so zwischen Kernelement 4 und Kühlelement 2 angeordnet, und das Formelement 6 und das Kernelement 4 sind so ausgebildet, dass bei einer Bearbeitung eines in dieser Kokillenanordnung 1 hergestellten Zylinderkopfbauteils 11 entlang der Normalen 12 eine vollständige Ventilsitzgeometrie 13 in einem einzigen Arbeitsgang mit einer einzigen ersten Werkzeuggeometrie 20 herstellbar ist.
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Anschließend wird so ein Zylinderkopfbauteil 11 in der Kokillenanordnung 1 gegossen (und aus dieser entnommen) (Schritt 103), und schließlich wird die Ventilsitzgeometrie 13 mittels eines einzigen Werkzeugs 18 mit einer ersten Werkzeuggeometrie 20 im Zylinderkopfbauteil 11 ausgebildet (Schritt 104).
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Optional wird beim Ausbilden der Ventilsitzgeometrie 13 auch eine Ventilschaftführungsgeometrie 14 ausgebildet, und zwar mittels einer zweiten Werkzeuggeometrie 21, die der Ventilschaftführungsgeometrie 14 (Ventilschaftbohrung) entspricht (Schritt 104A). Weiterhin optional wird beim Ausbilden der Ventilsitzgeometrie 13 eine Übergangsgeometrie 16 zwischen der Ventilsitzgeometrie 13 und einer Luftkanalgeometrie 17 ausgebildet, wobei dazu am Werkzeug 18 eine dritte, der Übergangsgeometrie 16 entsprechende Werkzeuggeometrie 22 vorgesehen ist (Schritt 104B).
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Das oben für die Luftkanalgeometrie 17 und die dort ausgebildete Ventilsitzgeometrie 13 Gesagte gilt entsprechend für eine Abgaskanalgeometrie mit einer dort analog ausgebildeten Ventilsitzgeometrie, einer Ventilschaftführungsgeometrie und einer ggf. dort optional vorgesehenen Übergangsgeometrie.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kokillenanordnung
- 2
- Kühleisen
- 3
- (Teil)kernpaket
- 3a
- Wassermantelkern (oben)
- 3b
- Versorgungsleiste
- 3c
- Auslasskanalkern
- 3d
- Wasserübertritt
- 3e
- Blowby-Kanalkern
- 3f
- Wassermantelkern (unten)
- 4
- Einlasskanalkern
- 5
- Kernschlossbereich
- 6
- Formelement
- 7
- Anschlussfläche (Kühlelement)
- 8
- Anschlussfläche (Einlasskanalkern)
- 9
- Zentrierkonus
- 10
- Koppelebene
- 11
- Zylinderkopfbauteil
- 12
- Normale
- 13
- Ventilsitzgeometrie
- 13a
- Ventilsitzring
- 14
- Bohrung (Ventilschaftführungsgeometrie)
- 15
- Führungsbuchse
- 16
- Übergangsgeometrie
- 17
- Einlasskanalgeometrie
- 18
- Bearbeitungswerkzeug
- 19
- Brennraumgeometrie
- 20
- erste Werkzeuggeometrie
- 20A
- Stirnbereich
- 20B
- Umfangsbereich
- 21
- zweite Werkzeuggeometrie
- 22
- dritte Werkzeuggeometrie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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