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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Gießverfahren für Metalle und insbesondere einen Niederdruck-Semi-Kokillenguss für Gießverfahren einer Aluminiumlegierung.
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HINTERGRUND
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Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können oder auch nicht.
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Derzeit sind viele verschiedene Gießverfahren in Gebrauch, die Zylinderköpfe aus einer Aluminiumlegierung mit hoher Leistung herstellen. Niederdruck-Kokillen- und Niederdruck-Semi-Kokillengussverfahren verwenden Sandkerne für interne Kanäle und Merkmale. Diese Verfahren neigen jedoch dazu, Gussteile mit niedrigen mechanischen Eigenschaften herzustellen. Während Gussteile, die unter Verwendung eines Verfahrens verwendet werden, das als Rotacast® bekannt ist, eine eingetragene Marke von Nemak, verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen, neigt das Verfahren dazu, aufgrund langer Zykluszeiten und geringer Erträge hohe Kosten zu verzeichnen.
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So erzeugen einige aktuelle Aluminiumgussverfahren weniger teure Gussteile mit geringeren mechanischen Eigenschaften. Andere Verfahren stellen Gussteile mit hohen mechanischen Eigenschaften zu erhöhten Kosten her. Dementsprechend besteht in der Technik ein Bedarf für ein verbessertes Gießverfahren, das hochwertige, hochleistungsfähige Aluminiumgussteile zu niedrigeren, wettbewerbsfähigeren Kosten herstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumlegierung vor. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Gießformanordnung mit einem Angusssystem, einer Form der Kopf-Standfläche und einem Formhohlraum. Anschließend pumpt das Verfahren flüssige Aluminiumlegierung in das Angusssystem der Gießformanordnung und das befüllt den Formhohlraum. Die Form der Kopf-Standfläche wird aus der Gießformanordnung entfernt. Anschließend wird die Kopf-Standfläche und die Brennkammeroberfläche des Zylinderkopfs, die durch die Form der Kopf-Standfläche ausgebildet sind, abgeschreckt oder sehr schnell gekühlt.
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In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Bereitstellung einer Gießformanordnung mit einem Angusssystem, einer Form der Kopf-Standfläche und einem Formhohlraum, der ferner das Bereitstellen einer Gießformanordnung mit einer oberen Formhälfte und einer unteren Formhälfte beinhaltet. Das Angusssystem ist in der oberen Formhälfte und die Form der Kopf-Standfläche in der unteren Formhälfte beinhaltet und die Gießformanordnung ist umgekehrt.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Bereitstellung einer Gießformanordnung mit einem Angusssystem, einer Form der Kopf-Standfläche und einem Formhohlraum, der ferner das Bereitstellen einer Gießformanordnung beinhaltet, die überwiegend aus Sand und Harz hergestellt ist, und mit einer Form der Kopf-Standfläche, die aus Metall hergestellt ist.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Pumpen einer flüssigen Aluminiumlegierung in das Angusssystem der Gießformanordnung und das Befüllen des Formhohlraums ferner das Pumpen einer flüssigen Aluminiumlegierung in das Angusssystem der oberen Formhälfte und befüllt den Formhohlraum vollständig.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Entfernen der Form der Kopf-Standfläche aus der Gießformanordnung ferner das Drehen der Gießformanordnung und das Entfernen der Form der Kopf-Standfläche aus der Gießformanordnung.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Abschrecken einer Kopf-Standfläche und einer Brennkammeroberfläche des Zylinderkopfes ferner das Besprühen der Kopf-Standfläche und der Brennkammeroberfläche des Zylinderkopfes mit Luft, Wasser oder einer Kombination aus Luft und Wasser.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren ferner das Überführen der befüllten Gießformanordnung in einen Ofen zum Reinigen und für eine Wärmebehandlung, nachdem das Gussteil in der Gießformanordnung verfestigt ist.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Pumpen einer flüssigen Aluminiumlegierung in das Angusssystem der Gießformanordnung und das Befüllen des Formhohlraums ferner das Pumpen von flüssigem Aluminium in das Angusssystem mithilfe einer elektromagnetischen Aluminiumpumpe.
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Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Kommunikation mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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1 ist eine Unteransicht eines Zylinderkopfgießverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfgießverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine Explosionsansicht einer teilweise zusammengesetzten Gießformanordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine perspektivische Ausschnittsansicht einer Gießformanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ist eine perspektivische Ansicht eines Paares permanenter Formeinsätze gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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6A ist eine Stirnseitenansicht einer Gießformanordnung bei Beginn eines Gießverfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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6B ist eine Stirnseitenansicht einer Gießformanordnung bei Beginn eines Gießverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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7A ist eine Stirnseitenansicht einer Gießformanordnung während eines Gießverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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7B ist eine Stirnseitenansicht einer Gießformanordnung während eines Gießverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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8A ist eine Stirnseitenansicht einer Gießformanordnung während einem Gießverfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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8B ist eine Seitenansicht einer Gießformanordnung während eines Gießverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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9 ist eine perspektivische Unteransicht einer Gießformanordnung während eines Schrittes eines Gießverfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, und
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10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt.
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BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, wird in 1 und 2 ein Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung 10 mithilfe eines Semi-Kokillen-Gießverfahrens hergestellt und gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt und nun beschrieben. Im Allgemeinen beinhaltet der Zylinderkopf 10 Merkmale, wie etwa eine Kopf-Standfläche 12, Brennkammern 14, Einlass- und Auslassöffnungen 16, Nockenwellenlager 18, Zündkerzenlöcher 20, Wassermantelöffnungen 22 und Ölkanäle 24 sowie verschiedene andere Merkmale. Insbesondere beinhalten die wichtigen Merkmale des Zylinderkopfes 10, die zumindest teilweise während des Gießverfahrens ausgebildet sind, die Kopf-Standfläche 12 und die Brennkammern 14. Produktspezifikationen für die Kopf-Standfläche 12 und die Brennkammern 14 erfordern im Allgemeinen einen höheren Ertrag und eine höhere Zugfestigkeit als andere Bereiche des Zylinderkopfes 10. Schnellere Abkühlgeschwindigkeiten von Aluminiumlegierungen erzeugen beispielsweise eine feinere Mikrostruktur; etwa 20 μm dendritischer Armabstand (DAS nach Dendritic Arm Spacing). Andere Bereiche des Zylinderkopfes 10, die mit einer geringeren Geschwindigkeit abkühlen, können zu einem DAS von etwa 60 µm führen.
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Unter Bezugnahme nun auf 3 ist eine Gießformanordnung 30, die in einem Gießverfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen 10 gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dargestellt und wird nun beschrieben. Diese jeweilige Gießformanordnung 30 stellt zwei Gussteile des Zylinderkopfes 10 in einem Formhohlraum 8 her, der durch eine Anzahl von Sandkernen 32 und Sandformen 34 ausgebildet ist. Die Sandkerne 32 bilden einen Teil der äußeren Merkmale und alle inneren Merkmale des Gussteils des Zylinderkopfes 10 aus, die beispielsweise zwei Endkerne 36, zwei Seitenkerne 38, zwei Mittelkerne 40, zwei Kopfabdeckungskerne 42, zwei Auslassöffnungskerne 44, Einlassöffnungskerne 46, zwei Wassermantelkerne 48 und zwei Ölablasskerne 50 beinhalten. Die Sandformen 34 beinhalten eine hohe oder obere Formhälfte 62 und eine niedrige oder untere Formhälfte 64. Während der Anordnung der Gießformanordnung 30 werden alle Sandkerne 32 in vorgegebener Reihenfolge in die untere Formhälfte 64 eingesetzt. Sobald die Sandkerne 32 an der vorgesehenen Stelle angeordnet sind, wird die obere Formhälfte 62 auf die montierten Sandkerne 32 platziert, wodurch die Sandkerne 32 an der vorgesehenen Stelle befestigt werden. Einige Sandkerne 32 können Klebstoff, Schrauben und andere Rückhaltemechanismen erfordern, um die Sandkerne 32 an der vorgesehenen Stelle zu halten. Jedoch liegen diese Praktiken innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
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Von besonderem Interesse sind die beinhalteten Merkmale der oberen Formhälfte 62 und der unteren Formhälfte 64. Die obere Formhälfte 62 beinhaltet, zusammen mit dem Aufnehmen des oberen Abschnitts der Sandkerne 32, ein Angusssystem 66 zum Aufnehmen und Zuführen von flüssigem Metall an die Gießformanordnung 30. Während ein Abschnitt des Angusssystem 66 in 3 sichtbar ist, ist das Angusssystem 66 ausführlicher in 4 und 7B dargestellt. Das Angusssystem 66 der oberen Formhälfte 62 beinhaltet einen Einlass 68, einen Läufer 70 und mehrere Steigrohre 72. Insbesondere empfängt der Einlass 68 das flüssige Metall von einer Metallquelle; wie etwa einer elektromagnetischen Pumpe, und überträgt das flüssige Metall zum Läufer 70. Der Läufer 70 steuert die Durchflussmenge und die Turbulenz des flüssigen Metalls durch den Durchmesser und die Form des Läufers 70. Der Läufer 70 steht mit der Vielzahl von Steigrohren 72 in Verbindung und speist flüssiges Metall, die wiederum den Formhohlraum 8 der Gießformanordnung 30 speisen.
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Die untere Formhälfte 64 ist eine Sandform 34 und beinhaltet ein Paar Formen der Kopf-Standfläche 74, die die Kopf-Standfläche 12 und die Brennkammern 14 des Zylinderkopfes 10 bilden. Die Formen der Kopf-Standfläche 74 sind in 5 getrennt dargestellt. Die Formen der Kopf-Standfläche 74 sind vorzugsweise aus einem Werkzeugstahl hergestellt und in der unteren Formhälfte 64 angeordnet, bevor die Sandkerne 32 in die Gießformanordnung 30 montiert werden. Da die Formen der Kopf-Standfläche 74 aus einem anderen Material als die Sandkerne 32 oder die Sandformen 34 hergestellt sind, wirken die Formen der Kopf-Standfläche 74 während der Verfestigung von gegossenem Metall als Kühl- oder Wärmekörper und sorgen für eine höhere Abkühlgeschwindigkeit als durch den Sand der Sandkerne 32 und die Sandformen 34 vorgesehen ist.
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Unter Bezugnahme nun auf die 6A und 6B bis 9 sind Schritte für ein Verfahren zur Herstellung von gegossenen Zylinderköpfen aus einer Aluminiumlegierung 10 dargestellt und werden nun beschrieben. Nachdem die Gießformanordnung 30 untersucht und montiert ist, wird die Gießformanordnung 30 in eine Maschine eingeführt, die durch hydraulische Klemmmechanismen gesichert ist und so umgekehrt ist, dass die obere Formhälfte 62 der Gießformanordnung 30 und somit des Angusssystems 66 umgedreht ist, wie in 6A und 6B dargestellt. Eine Niederdruckquelle für flüssiges Aluminium ist für den Einlass 68 des Angusssystems 66 vorgesehen. Das flüssige Aluminium befüllt zuerst den Läufer 70 und die Steigrohre 72, bevor es den Formhohlraum 8 erreicht, und dann zuerst den oberen Abschnitt des Zylinderkopfes 10 befüllt. Wenn das flüssige Aluminium den Formhohlraum 8 vollständig befüllt, dreht die Maschine die gefüllte Gießformanordnung 30 um eine Drehachse j, sodass der Einlass 68 immer noch flüssiges Aluminium mit Niederdruck aufnimmt und die Gießformanordnung 30 so angeordnet ist, dass die obere Formhälfte 62 über der unteren Formhälfte 64 liegt. An dieser Stelle des Verfahrens hört die Niederdruckquelle des flüssigen Aluminiums auf zu pumpen. Die Gießformanordnung 30 ist in senkrechter Position angeordnet, wie in 7A und 7B mit dem letzten und damit dem heißesten flüssigen Aluminium dargestellt, um in die Gießformanordnung 30 einzutreten, die in den Steigrohren 72 des Angusssystems 66 liegt. Das erste flüssige Aluminium zum Verfestigen ist in der Kopf-Standfläche 12 und den Brennkammern 14 angeordnet.
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Der nächste Schritt des Verfahrens ist in 8A und 8B veranschaulicht, wobei die Formen der Kopf-Standfläche 74 von der unteren Formhälfte 64 entfernt werden, wodurch ein Zugang 76 zur verfestigten Oberfläche der Kopf-Standfläche 12 und den Brennkammern 14 erzeugt wird. Die Formen der Kopf-Standfläche 74 werden gekühlt, gereinigt und wieder in eine neue Gießformanordnung 30 eingesetzt. Die Gießformanordnung 30 ist über dem Abschrecksystem 78, wie in 9 dargestellt, angeordnet. Das Abschrecksystem 78 führt ein Druckwasserspray 80 durch den Zugang 76 der unteren Formhälfte 64 ein, um die Kopf-Standfläche 12 und die Brennkammern 14 mit einer noch höheren Abkühlungsgeschwindigkeit als durch die Formen der Kopf-Standfläche 74 vorgesehen ist weiter zu kühlen. Das Druckwasserspray 80 wird für eine vorgegebene Zeit fortgesetzt. Das Abschrecksystem 78 kann zudem ein forciertes Luft- oder Wassernebel-Kühlsystem beinhalten, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Gießformanordnung 30 wird dann auf eine Palette oder ein Gestell geladen und in einen Ofen zur Sandentfernung und für eine erste Wärmebehandlung geladen.
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Unter Bezugnahme nun auf 10 wird ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 100 zur Herstellung eines Zylinderkopfes aus einer Aluminiumlegierung 10 darstellt, nachfolgend beschrieben. Das Verfahren 100 beginnt mit einem ersten Schritt 102 des Bereitstellens einer Gießformanordnung 30, die umgekehrt ist. Die Gießformanordnung 30 beinhaltet einen Formhohlraum 8, eine obere Formhälfte 62 mit einem Angusssystem 66 und eine untere Formhälfte 64 mit einem Paar Formen der Kopf-Standfläche 74. Die Gießformanordnung 30 ist so umgekehrt, dass die obere Formhälfte 62 unterhalb der unteren Formhälfte 64 liegt. Ein zweiter Schritt 104 befüllt das Angusssystem 66 und den Formhohlraum 8 mithilfe einer Niederdruck-Flüssigaluminiumquelle. Ein dritter Schritt 106 dreht oder kehrt die Gießformanordnung 30 so um, dass die obere Formhälfte 62 über der unteren Formhälfte 64 liegt. Ein vierter Schritt 108 entfernt die Formen der Kopf-Standfläche 74 von der unteren Formhälfte 64. Ein fünfter Schritt 110 sprüht gekühltes Wasser auf die Kopf-Standfläche 12 und die Brennkammern 14 des Zylinderkopfes 10. Ein sechster Schritt 112 stellt die Gießformanordnung 30 in einen Ofen zur Sandentfernung und für eine Wärmebehandlung.
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Während die besten Ausführungsweisen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Erfindung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Ansprüche praktisch umgesetzt werden kann.
