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Die Erfindung betrifft ein Rotationsgießverfahren im Schwerkraftguss zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses mit zumindest einem zur Lagerung einer Kurbelwelle bestimmten Lagerstuhl im Bereich eines Kurbelraumes für die Kurbelwelle und mit einem Topdeckbereich zur Anordnung eines Zylinderkopfes, bei dem eine Gießform während des Gießvorganges um eine horizontale Schwenkachse gedreht wird, wobei zunächst ein offener Gießbehälter entfernt von der Gießform mit Schmelze für einen Gießvorgang gefüllt wird, dann der Gießbehälter mit einer die Eingussöffnungen einschließenden Eingussseite der Gießform verbunden wird, und anschließend die Gießform mit dem anliegenden Gießbehälter um die Drehachse bis zum Erreichen eines vorbestimmten Schwenkwinkels geschwenkt wird, während die Schmelze in die Gießform einströmt.
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Ein auch als Kippgießverfahren bezeichnetes Rotationsgießverfahren der genannten Art wird zum Gießen von Bauteilen aus Leichtmetall in der Praxis bereits vielfach eingesetzt und zählt daher aufgrund offenkundiger Vorbenutzung zum Stand der Technik. Beim Rotationsgießverfahren wird eine Gießform (Kokille) um eine Schwenkachse gedreht, während die Schmelze in die Gießform einströmt.
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Durch diese Maßnahme kann die Kokille in besonders vorteilhafter Weise ohne Strömungsturbulenzen mit der Metallschmelze gefüllt werden. Ein wesentlicher Vorteil des Rotationsgießverfahrens besteht darin, dass das beim herkömmlichen Schwerkraftkokillengießen gegebenenfalls auftretende Verspritzen des Metalles durch die Strömung der Metallschmelze entlang einer Innenwand der Gießform vermieden werden kann.
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In der
EP 1 155 763 A1 wird ein Rotationsgießverfahren beschrieben, bei dem eine Gießform mit nach oben weisender Eingussseite auf einer Grundplatte aufgebaut wird. Im Anschluss daran wird die fertige Gießform mit der Grundplatte um etwa 180° um eine horizontale Drehachse gedreht, sodass die Eingussseite nach unten weist.
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Ein Gießbehälter wird mit nach oben liegender Öffnungsseite mit Schmelze für einen Gießvorgang gefüllt. Im Anschluss daran wird der mit Schmelze gefüllte Gießbehälter mit einer Öffnungsseite abdichtend an der nach unten weisenden Eingussseite der Gießform angebracht. Die Gießform wird dann mit dem daran anliegenden Gießbehälter um etwa 180° um eine horizontale Achse gedreht, sodass die Schmelze in die Gießform einströmen kann. Im Anschluss daran wird der Gießbehälter von der Gießform entfernt.
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Aus der
DE 10 2004 015 649 B3 ist ein Verfahren zum Gießen von Bauteilen aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminiumlegierungen, nach dem Kippgießprinzip bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Schmelze im Kopfguss in einen an der Längsseite einer Gießform befindlichen Querlauf eingefüllt. Die Gießform wird dabei zunächst um einen Winkel von 45° bis 70° um ihre Längsachse gekippt. Danach beginnt das Einfüllen der flüssigen Schmelze in den Querlauf, bis etwa 1/5 der für den Guss des Bauteiles benötigten Schmelze in den Querlauf eingefüllt ist, ohne dass die Schmelze bereits in den Formhohlraum der Gießform einströmt. Anschließend wird die Gießform unter kontinuierlichem weiterem Einfüllen der Schmelze derart aus der gekippten Stellung in die Senkrechte gedreht, dass die Schmelze entlang einer Gießformwand in den Formhohlraum einströmt.
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Aus der
EP 0 656 819 B1 ist eine Vorrichtung zum Rotationsgießen bekannt, bei der eine Gießform mit einem nach unten offenen Einguss mit einem Gießbehälter mit nach oben offener Öffnung zusammengebracht wird, danach Schmelze für einen Abguss in den Gießbehälter eingefüllt wird und dann die Gießform mit dem anliegenden Gießbehälter um ca. 180° um eine horizontale Achse gedreht wird, sodass die Schmelze in die Gießform gelangt. Das Befüllen des Gießbehälters erfolgt hierbei über eine Einfüllöffnung, die mit einem besonderen Verschluss versehen ist.
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Die
DE 10 019 309 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Rotationsgießen, bei dem die Gießform um ca. 180° um eine horizontale Achse gedreht wird. Ein Gießbehälter wird mit seiner Öffnungsseite abdichtend an der Eingussseite der Gießform angebracht und die Gießform mit dem anliegenden Gießbehälter um ca. 180° um eine horizontale Achse gedreht, sodass die Schmelze in die Gießform gelangt.
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Oxidschichten werden dabei ebenso wie Verunreinigungen der Schmelze durch eine Zwischenwand zurückgehalten. Nach einer 90°-Drehung schwimmen Verunreinigungen der Schmelze oberhalb der Eingussöffnung, die in der 180°-Position in Bereiche gelangen, die als Steiger wirken und später bei der mechanischen Bearbeitung des Gussteiles entfernt werden.
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Die
EP 2 606 995 A2 offenbart ein Verfahren zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses, bei dem die Metallschmelze von unten nach oben strömt, indem die Schmelze im Ofen mit Druckluft beaufschlagt, um so die Schmelze, beispielsweise eine Aluminiumschmelze, von unten in das Steigrohr zu fördern. Die Schmelze gelangt zunächst nur in den die späteren Zylindermantelflächen abbildenden Teil des Formhohlraumes und erst dann auch in den oberen, das spätere Zylinderkurbelgehäuse mit den Lagerstühlen für die Kurbelwellenlager abbildenden Teil der Gussform. Als Formkerne für die späteren Zylinder dienen flüssigkeitsgekühlte, axial bewegliche Pinolen. Die Kühlung kann dabei durch ein flüssiges Kühlmedium im Inneren der Pinolen zur Kühlung der Mantelflächen der Pinolen erfolgen.
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Aus der
DE 198 03 866 A1 ist ein Verfahren zum Gießen eines Zylinderblocks bekannt. Unterhalb eines Zylinderbohrungskerns ist ein Kanal für die Schmelze ausgebildet, der auch als innerer Speiser wirkt.
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Gegenstand der
DE 10 2012 017 576 A1 ist ein Verfahren, bei dem eine Metallschmelze turbulenzfrei aus dem Gießbehälter entnommen und der weiteren Verarbeitung in Gießformen durch ein kippbares Dosiersystem mit Gießrohr zugeführt werden kann.
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Die
DE 199 41 316 A1 betrifft eine Gießform für die Herstellung eines Motorblockes mit einem Kühlkörper zur lokalen Ableitung von Wärme aus dem Gussmaterial, um die Lagerstege des Kurbelgehäuses einer erhöhten Wärmeableitung zu unterziehen. Das erstarrende Aluminium weist in diesen Bereichen schnellerer Abkühlung eine erhöhte Festigkeit auf, wodurch der Motorblock im Bereich der Kurbelwellenlagersitze stärker beansprucht werden kann. Der Kühlkörper bildet Wandabschnitte des Formhohlraumes der Gießform.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die zur Durchführung eines gattungsgemäßen Verfahrens erforderliche Dauer zu reduzieren und zugleich die dabei erzielbaren Materialeigenschaften zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Gießform während des Gießvorganges bis zu einer Endposition geschwenkt und der Lagerstuhl oberhalb des Topdeck-Bereiches in einer Überkopfposition positioniert wird. Hierdurch wirkt während des Gießprozesses und der sich daran anschließenden Erstarrung der Schmelze ein erhöhter Druck auf den die Basis für den Zylinderkopf bildenden Topdeck-Bereich, wodurch der Topdeck-Bereich des Zylinderkurbelgehäuses insbesondere durch rasche Abkühlung eine wesentlich erhöhte Festigkeit aufweist. Zugleich hat sich bei Versuchen bereits gezeigt, dass die entstehende Gefügestruktur eine optimale Basis zum Aufbringen von Beschichtungen im Bereich der Zylinderlaufbahnen durch gekühlte Pinolen (Dorne) bietet, wodurch insbesondere Zwischenbearbeitungsschritte oder gegebenenfalls einzusetzende Laufbuchsen entbehrlich sind.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens wird hingegen auch dadurch erreicht, dass die Gießform zwischen einer Startposition und der Endposition mit einem Schwenkwinkel von weniger als 110°, insbesondere zwischen 80° und 100°, besonders bevorzugt etwa 90°, geschwenkt wird. Hierdurch wird die Prozessdauer durch eine Reduzierung des Schwenkwinkels wesentlich reduziert. Zugleich wird der Füllprozess beschleunigt, sodass eine unerwünschte Oxidbildung der Schmelze durch den schnellen Einfüllprozess erheblich vermindert wird. Weiterhin wird so die Taktzeit verkürzt.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich bereits erwiesen, wenn der Gießbehälter eine verschließbare Ausgussöffnung aufweist, mit welcher der Gießbehälter in einer Einfüllposition zu der Eingussöffnung angeordnet und anschließend ein Verschluss der Ausgussöffnung geöffnet wird, sodass die Schmelze in die Eingussöffnung einströmt. Hierdurch entfällt das Umfüllen der Schmelze, weil der mit der Schmelze gefüllte Gießbehälter mit dem die Eingussöffnung einschließenden Bereich der Eingussseite dichtend verbunden und anschließend gemeinsam mit der Gießform um die Schwenkachse gedreht wird. Unerwünschte Oxideinschlüsse und Fremdluft in die Kokille könnten dadurch erheblich vermindert werden, wodurch es im Betrieb des so hergestellten Zylinderkurbelgehäuses zu reduzierten Verschleißerscheinungen kommt. Zudem wird durch den Fortfall des zusätzlichen Arbeitsschrittes die Prozessdauer verkürzt. Ersatzweise, je nach Bauteilgeometrie, gibt es die Möglichkeit, auch wie bisher mit festem Keramiktümpel oder andockbaren Gießbehälteraufsatz das Gusstsück zu befüllen.
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Hierzu hat es sich bereits als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Ausgussöffnung durch eine automatisierte Betätigung des Verschlusses in der mit der Eingussseite der Gießform verbundenen Position des Gießbehälters geöffnet wird. Hierdurch gelangt die Schmelze durch die Ausgussöffnung in die Gießform, wobei die Ausgussöffnung unterhalb des Schmelzefüllstandes in dem Gießbehälter liegt. Das Einströmen erfolgt somit nicht als freies Überströmen unter der Umgebungsatmosphäre sondern dieser gegenüber durch den Schmelzevorrat in dem Gießbehälter isoliert in die Eingussöffnung. Dadurch kommt es zu einer wesentlichen Reduzierung von Gaseinschlüssen in der Schmelze sowie zu einer wesentlich verminderten Oxidbildung. Der Verschluss ist hierzu beispielsweise als ein Schieber oder Stopfen ausgeführt, welcher durch eine translatorische Bewegung von einer der Eingussöffnung abgewandten Seite des Gießbehälters betätigt werden kann. Zur Betätigung dient beispielsweise ein an dem Gießbehälter vorhandener Aktuator oder ein Roboter. Selbstverständlich können auch andere Schließmechanismen, beispielsweise auch Ventile, zum Einsatz kommen.
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Dabei hat es sich auch bereits als besonders Erfolg versprechend herausgestellt, wenn der Gießbehälter durch die Ausgussöffnung mit der Schmelze für den Gießvorgang gefüllt wird, indem die Ausgussöffnung unterhalb einer Oberfläche eines Schmelzbades eines Schmelztiegels positioniert und die Schmelze ausschließlich durch die Ausgussöffnung in den Gießbehälter einströmt. Hierzu wird der Verschluss erst dann in eine geöffnete Position gebracht, wenn der Gießbehälter in das Schmelzebad in dem Ofen eingetaucht unterhalb der Badoberfläche. Dadurch strömt die Schmelze unterhalb der Badoberfläche in den Gießbehälter ein, während ein der umgebenden Atmosphäre ausgesetzter, oberflächennaher Anteil des Schmelzbades in dem Ofen zurückbleibt. Hierdurch gelangen die nach dem Stand der Technik unvermeidlichen Oxideinschlüsse nicht in die Gießform.
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Eine weitere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dann realisiert, wenn die Temperatur in einem einen Zylinderraum einer Brennkraftmaschine bildenden Bereich der Gießform mittels gekühlter Pinolen reduziert wird. Hierdurch kommt es zu einer raschen Erstarrung der die Zylinderwandflächen bildenden Bereiche des Zylinderkurbelgehäuses, welches aufgrund des kontrollierten, insbesondere in diesem Bereich des Zylinderkurbelgehäuses homogenen Erstarrungsverlaufes und der sich dadurch ausbildenden vorteilhaften Gefügestruktur, die Herstellung problemlos beschichtungsfähiger Innenwandflächen ermöglicht.
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Hierzu wird gemäß einer weiteren, ebenfalls besonders praxisgerechten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, zumindest einer Pinole ein Kühlmittel zugeführt, welches einen im Mantelbereich angeordneten Kühlkanal der Pinole schneckenförmig durchströmt und durch eine von dem Kühlkanal eingeschlossene zentrale Rückführleitung, beispielsweise parallel zur Mittellängsachse der Pinole, zurückgeführt wird. Durch eine gegebenenfalls dem Schmelzestrom entgegengesetzte Fließrichtung gelangt das Kühlmittel schnell in den zu kühlenden Bereich und ermöglicht eine gezielte Abkühlung des die Zylinderräume einschließenden Wandbereiches des Zylinderkurbelgehäuses. Beispielsweise tritt das Kühlmittel an einer Unterseite in den schneckenförmigen Kühlkanal ein und steigt entgegen der Schwerkraft bis zu einem oberen Bereich, um von dort durch einen zentralen Rückführkanal in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt zu werden.
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In ähnlicher Weise werden gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform die einen Lagerstuhl bildenden Bereiche der Gießform gekühlt, um so die Festigkeit in dem Bereich der Lagerstühle zu verbessern. Hierzu können ebenfalls kühlmitteldurchströmte Kühlelemente oder aber Massivkörper mit einer hohen Wärmekapazität zum Einsatz kommen. Weiterhin sind auch Elemente mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit vorteilhaft einsetzbar. Besonders bevorzugt ist ein Massivkörper aus Stahl, ein sogenanntes Kühleisen. Hierbei handelt es sich um jeweils separate Kühleisen je Lagerstuhl. Das Kühleisen ist in einem Sandkernpaket gelagert und ist so positioniert, dass die zugeführte Schmelze im Speiserbereich nicht gekühlt wird. Bevorzugt wird das Kühleisen zwischen einem Deckkern und einem Kurbelraumkern gehalten. Die Kühleisen können bei weiteren Gießvorgängen weiterverwendet werden. Das bevorzugte Material für ein Kühleisen ist eine 1.2342 Stahllegierung.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Variante der Erfindung wird als Gussmaterial ein Leichtmetall, insbesondere mit einem wesentlichen Materialanteil aus Aluminium, mit einem geringen Gehalt an Kupfer eingesetzt. Beispielsweise eigenen sich zu diesem Zwecke an sich bekannte Legierungen wie etwa AlSi9Cu3 (Fe) mit verringertem Cu-Gehalt, AlSi12Cu1 (Fe), AlSi10Mg (Fe) oder AlSi9, wodurch die Korrosionsgefahr wesentlich vermindert wird.
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Weiterhin hat es sich bereits als besonders sinnvoll erwiesen, wenn die Schmelze mit einem zumindest im Wesentlichen konstanten Volumenstrom in die Gießform einströmt. Hierzu wird die Gießform stetig, vorzugweise mit konstanter Drehgeschwindigkeit, die durch eine Formfüll-Simulation ermittelt wird, verschwenkt, um so eine gleichmäßige und kontrollierte Erstarrung der Schmelze zu erreichen und reproduzierbare Werkstoffeigenschaften des so hergestellten Zylinderkurbelgehäuses sicherzustellen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Diese zeigt in
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1 eine Abfolge der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Rotationsgießverfahrens;
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2 eine vergrößerte Darstellung eines mit der Gießform verbundenen Gießbehälters in einer Ausgangsposition vor Beginn des Rotationsgießverfahrens;
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3 eine perspektivische Darstellung des Gießbehälters;
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4 eine perspektivische Darstellung einer gekühlten Pinole.
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Das erfindungsgemäße Rotationsgießverfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Das herzustellende Zylinderkurbelgehäuse 1 umfasst zumindest einen zur Lagerung einer Kurbelwelle bestimmten Lagerstuhl 2 im Bereich eines eine Kurbelwelle aufnehmenden Kurbelraumes 3 und einen Zylinderkopf 4 mit einemeinen Topdeck-Bereich 4. Während des Gießvorganges wird eine Gießform 5 um eine nicht weiter dargestellte horizontale Achse entsprechend der dargestellten Positionen in den 1a bis 1f stetig verschwenkt. Dadurch gelangt die zunächst in einem Gießbehälter 6 bevorratete Schmelze durch eine Eingussöffnung 7 in das Innere der Gießform 5. Dabei ist die Schwenkbewegung beschränkt auf einen Schwenkwinkel zwischen den in den 1a und 1f dargestellten Positionen von insgesamt wenig mehr als 90°, um so die Taktzeit zur Durchführung des Gießprozesses zu verkürzen und die unerwünschte Oxidbildung zu verringern. Die Endposition ist entsprechend der 1f dann erreicht, wenn der Lagerstuhl 2 oberhalb des Topdeck-Bereiches 4 in einer Überkopfposition angeordnet ist. Mit anderen Worten: Nach dem Abgießen, während der Erstarrungszeit, ins das Topdeck 4 unten, wie es in 1f gezeigt ist.
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Bei dem gezeigten Gießverfahren handelt es sich um ein Schwerkraftgießverfahren, bei dem vor Beginn des Gießvorgangs ein Kernpaket in die Gießform 5 eingesetzt wird.
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Das Kernpaket ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass zum einen jeweils ein Kühleisen für den Lagerstuhlbereich zwischen einem Deckkern und einem Kurbelraumkern gehalten wird. Die Kühleisen im Lagerstuhlbereich sorgen für eine verbesserte Festigkeit des Bauteils durch die schnelle Abkühlung nach dem Gießvorgang.
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Zum anderen bildet das Kernpaket entsprechend einer ganz besonders vorteilhaften Weiterbildung einen Speiser im Kurbelraumbereich aus. Der Speiser ist direkt über den Zylindern und den Kurbelwellenlagern angeordnet und bewirkt eine optimale Speisung des Bauteils mit optimierten Bauteileigenschaften, in dem ab einem gewissen Kippwinkel direkt die heiße Schmelze in diesen Bereich fließt und somit optimal für die Erstarrung des Gussstückes wirken kann. Der Speiser weist einerseits eine Anbindung an den Zylinderrohrbereich und andererseits an den Hauptspeiser auf. Der Speiser ist somit direkt mit dem heißen Gussmaterial verbunden. Auf Grund der Lage des Speisers wird dieser auch als Zentralspeiser bezeichnet. Ein solcher Zentralspeiser ist für jeden Lagerstuhl vorgesehen und ist ein wichtiger Bestandteil des Gießkonzepts und bewirkt eine hohe Qualität der Bauteile insbesondere im Bereich der Zylinderlauffläche (durch die Speiserverbindung mit dem Zylinderrohrbereich). Die hohe Qualität der Zylinderlauffläche ist für eine nachfolgende Beschichtung der Zylinderlauffläche von großer Bedeutung. Die konkrete Form des Speisers wird durch die umgebenden Kerne definiert. Wichtig ist sowohl die gießtechnische Anbindung an den Hauptspeiser als auch an den Zylinderrohrbereich.
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Um den geringen Schwenkwinkel zu reduzieren, wird vorzugsweise abweichend von dem in der 1 gezeigten Gießbehälter 6 eine in den 2 und 3 dargestellte Variante des Gießbehälters 6 mit einer durch einen Verschluss 8 verschlossenen Ausgussöffnung 9 verwendet, die in ihrer gezeigten verschlossenen Position zunächst fluchtend zu der Eingussöffnung 7 der Gießform 5 an dieser dichtend angeordnet wird. Anschließend wird der mit einem Schieber 10 ausgeführte Verschluss 8 durch eine translatorische Stellbewegung in Pfeilrichtung 11 geöffnet, sodass die Schmelze in die Eingussöffnung 7 einströmt. Die Ausgussöffnung 9 wird zudem auch zum Befüllen des Gießbehälters 6 genutzt, indem dieser in ein Schmelzbad eingetaucht wird. Die Betätigung des Schiebers 10 erfolgt automatisiert mittels eines nicht dargestellten Roboters.
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Um den Erstarrungsprozess der Schmelze und damit die Gefügebildung in vorteilhafter Weise zu verbessern, werden die einen Zylinderraum einer Brennkraftmaschine bildenden Bereiche der Gießform 5 mittels gekühlter Pinolen 12 auf die gewünschte Temperatur gebracht. Hierzu wird der Pinole 12 ein nicht gezeigtes Kühlmittel zugeführt, welches einen im Mantelbereich angeordneten Kühlkanal 13 der Pinole 12 schneckenförmig durchströmt und durch einen von dem Kühlkanal 13 eingeschossenen zentralen Rückführkanal 14 in einen Kühlkreislauf zurückgeführt wird oder diesen gegebenenfalls auch in entgegengesetzte Fließrichtung durchströmt.
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Die Länge der Pinole ist von der Lage und Größe des Speisers im Kurbelraumbereich, als auch von den vorgegebenen Bauteileigenschaften des Gussteiles, abhängig. Beides muss vorher durch eine Gießsimulationen (Erstarrung, Lunker, ...) ermittelt werden.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Pinole nur in einem Teil des Zylinderraums zur Kühlung angeordnet ist und der Rest des Zylinderraums durch einen Sandkern gebildet wird. Im Bereich des Sandkerns erfolgt dabei keine zusätzliche Kühlung durch die Kühlpinole, sondern nur die normale thermische Abkühlung. Durch diese besondere Kombination von Kühlpinole und Sandkern können die Eigenschaften des Zylinderrohrs, bzw. der Zylinderlaufbahnen spezifisch eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkurbelgehäuse
- 2
- Lagerstuhl
- 3
- Kurbelraum
- 4
- Topdeck-Bereich Zylinderkopf
- 5
- Gießform
- 6
- Gießbehälter
- 7
- Eingussöffnung
- 8
- Verschluss
- 9
- Ausgussöffnung
- 10
- Schieber
- 11
- Pfeilrichtung
- 12
- Pinole
- 13
- Kühlkanal
- 14
- Rückführkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1155763 A1 [0004]
- DE 102004015649 B3 [0006]
- EP 0656819 B1 [0007]
- DE 10019309 A1 [0008]
- EP 2606995 A2 [0010]
- DE 19803866 A1 [0011]
- DE 102012017576 A1 [0012]
- DE 19941316 A1 [0013]
