DE102019106643A1

DE102019106643A1 - Wassermantelkern

Info

Publication number: DE102019106643A1
Application number: DE102019106643.3A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Heinrich
Original assignee: Schaufler Tooling & Co KG GmbH
Current assignee: Schaufler Tooling & Co KG GmbH
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17
Also published as: WO2020187573A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wassermantelkerns, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:a. Einbringen von Strukturen zur Ausbildung von Kühlkanalabschnitten in wenigstens zwei getrennte Wassermantelkernabschnitte; undb. Fügen der Wassermantelkernabschnitte, um einen Wassermantelkern mit wenigstens einem Kühlkanal zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wassermantelkerns. Die Erfindung betrifft ferner einen dazugehörigen Wassermantelkern, sowie ein dazugehöriges Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Motorgehäuses.
Zylinderblöcke (auch „Motorblöcke“ genannt) weisen unabhängig von der Art ihrer Herstellung eine Zylinderwand mit einer Innenseite auf, entlang derer der Kolben eines fertig montierten Motors auf und ab gleiten kann. Die Innenseite der Zylinderwand kann eine durch Bearbeitung eines Gussteils entstandene Oberfläche sein, welche auch beschichtet sein kann, oder die Innenseite der Zylinderwand ist durch die Innenseite einer Buchse gebildet, die in ein Gussteil eingegossen ist. Die Zylinderwand ist von Kühlwasserkanälen (auch „Wassermantel“ genannt) umgeben, die ihrerseits nach außen von einer Außenwand des Zylinderblocks begrenzt sind. Der Wassermantel wird im Betrieb des Motors mit Wasser umspült, um so die Kühlung des Motorblocks um die Zylinder herum sicherzustellen. Ein Zylinderblock des Typs „open-deck“ ist zumindest im Bereich des Wassermantels hinterschnittfrei, weist also keine mit eingegossenen Materialabschnitte zwischen Zylinderwand und einer Außenwand auf. Somit kann ein solcher Zylinderblock als günstiges Druckgussteil hergestellt werden. Um dabei den Wassermantel auszubilden, wird ein Wassermantelkern in die Druckgussform eingesetzt. Bei Reihenblöcken wird dieser in der Regel als Teileinsatz im Haupteinsatz der beweglichen Formfläche, bei V-Blöcken als Teileinsatz im Schiebervorsatz der Schrägschieber, eingesetzt.
Der Wassermantelkern ist in der Regel aus Warmarbeitsstahl (1.2343, 1.2344, 1.2367 oder vergleichbarer hochreiner Sondergüten) ausgeführt. In den vergleichsweise dünnen Wänden kann dabei aus Platzmangel keine klassische Kühlung eingebracht werden, was im Betrieb des Wassermantelkerns zu einer starken Aufheizung während des Füllvorgangs beim Druckgießen führt. Nach Teilentnahme muss der Wassermantelkern deswegen entsprechend stark durch in der Regel wasserbasierte Trennstoffe heruntergekühlt werden, was insbesondere in einem Sprühvorgang geschieht. Dies führt zu vergleichsweise starken Wechseln zwischen Druck- und Zugspannungen. Daraus resultiert eine mäßige Lebensdauer eines Wassermantelkerns von typischerweise 10.000 bis 20.000 Gießzyklen.
Um trotz der vergleichsweise dünnen Wandstärken eine Kühlung bereitzustellen, ist zum einen ein 3D-Metalldruckverfahren (auch Pulverbettverfahren genannt) bekannt geworden. Dabei können frei gestaltbare Kühlkanäle in dem gedruckten Wassermantelkern hergestellt werden. Die Kosten dieser Wassermantelkerne betragen jedoch wenigstens das Dreifache eines konventionell gefertigten Wassermantelkerns, so dass eine Wirtschaftlichkeit selbst bei deutlicher Lebensdauerverlängerung kaum gegeben ist.
Andererseits ist das Einbringen sogenannter „jet-coolings“ in Form von dünnen Stichkühlungen bekannt geworden. Allerdings sind derartige Stichkühlungen nur in vergleichsweise dicken Wandpartien eines Wassermantelkerns einbringbar. Der größte Teil des Wassermantelkerns bleibt demgegenüber ungekühlt, sodass durch die lokale Kühlung die Spannungsspitzen im Laufe eines Produktionszyklus sogar noch verstärkt werden können, was zu einer weiterhin mäßigen Lebensdauer des Wassermantelkerns führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den genannten Nachteilen des Standes der Technik abzuhelfen.
Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wassermantelkerns vorgeschlagen. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

a. Einbringen von Strukturen zur Ausbildung von Kühlkanalabschnitten in wenigstens zwei getrennte Wassermantelkernabschnitte; und
b. Fügen der Wassermantelkernabschnitte, um einen Wassermantelkern mit wenigstens einem Kühlkanal zu erhalten.

Die Strukturen können dabei insbesondere an Fügeflächen der Wassermantelkernabschnitte eingebracht werden. Nach dem Einbringen der Strukturen können die Wassermantelkernabschnitte gefügt werden, um so insgesamt einen, insbesondere einstückigen, Wassermantelkern mit wenigstens einem Kühlkanal zu erhalten.
Dabei sind zunächst zwei separate Wassermantelkernabschnitte vorhanden, also zwei getrennte Bauteile. Dies kann entweder dadurch erfolgen, dass ein hergestellter Wassermantelkern(-Rohling) in wenigstens zwei Teile aufgetrennt, beispielsweise aufgeschnitten, wird. Denkbar wäre allerdings insbesondere auch, dass zunächst wenigstens zwei getrennte Wassermantelkernabschnitte(-Rohlinge), also wenigstens zwei Bauteile, hergestellt werden. Dadurch, dass zunächst wenigstens zwei getrennte Wassermantelkernabschnitte vorhanden sind, kann auf vergleichsweise einfache Weise eine Struktur, insbesondere an den späteren Fügeflächen der Wassermantelkernabschnitte, eingebracht werden. Daraufhin können die Wassermantelkernabschnitte gefügt werden, um so insgesamt einen insbesondere einstückigen (monolithischen) Wassermantelkern herzustellen.
Insgesamt kann erfindungsgemäß vergleichsweise kostengünstig wenigstens ein Kühlkanal in einen Wassermantelkern eingebracht werden. Beim Betreiben des Wassermantelkern in einer Druckgussvorrichtung kann Kühlfluid durch den Kühlkanal geleitet werden, um so die thermisch bedingte Spannungsbelastung des Wassermantelkerns zu reduzieren und die Lebensdauer, insbesondere die leistbare Gießzyklenanzahl, des Wassermantelkerns zu verlängern.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wassermantelkernabschnitte in Schritt b. übereinander angeordnet und dann gefügt werden.
Folglich ist denkbar, dass die Wassermantelkernabschnitte in Form von wenigstens zwei Lagen übereinander angeordnet werden, um so nach dem Fügen insgesamt den einstückig ausgebildeten Wassermantelkern auszubilden. Der jeweilige Wassermantelkernabschnitt kann dabei eine horizontale Erstreckung entlang einer Haupterstreckungsebene aufweisen. Senkrecht dazu kann der jeweilige Wassermantelkernabschnitt eine vertikale Erstreckung mit einer Höhe h aufweisen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wassermantelkernabschnitte jeweils eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, wobei in Schritt a. in wenigstens eine Oberseite eines Wassermantelkernabschnitts eine Aussparung eingebracht wird, wobei in Schritt a. in wenigstens eine Unterseite eines anderen Wassermantelkernabschnitts eine dazu komplementäre Aussparung eingebracht wird, und wobei die Wassermantelkernabschnitte so gefügt werden, dass die Aussparungen nach dem Fügen der beiden Wassermantelkernabschnitte einen horizontalen Kühlkanalabschnitt ausbilden.
Die Oberseite des einen Wassermantelkernabschnitts bildet folglich eine Fügefläche aus, die mit der Unterseite des anderen Wassermantelkernabschnitts, die ebenfalls eine Fügefläche ausbildet, gefügt werden kann. Vor dem Fügen können Aussparungen in besonders einfacher Art und Weise in die Unterseite beziehungsweise Oberseite eingebracht werden. Die Wassermantelkernabschnitte können dann so gefügt werden, dass die Aussparungen übereinander zur Anlage gelangen, um so einen Kühlkanalabschnitt auszubilden.
Die Oberseite beziehungsweise Unterseite kann dabei jedenfalls abschnittsweise bogenförmig ausgebildet sein, so dass sich auch die Aussparung jedenfalls abschnittsweise bogenförmig erstrecken kann. Nach dem Fügen der beiden Wassermantelkernabschnitte wird folglich ein sich jedenfalls abschnittsweise bogenförmig erstreckender Kühlkanalabschnitt bereitgestellt. Dieser bogenförmige Kühlkanalabschnitt kann insbesondere in dem Bereich liegen, wo ein Zylinder des Zylinderblocks gegossen wird.
Vorteilhaft ist auch, wenn der horizontale Kühlkanalabschnitt nach dem Fügen einen ovalen oder langlochartigen Querschnitt aufweist. Dabei kann sich die Haupt-Symmetrieachse im Fall einer symmetrischen ovalen Ausbildung senkrecht zur Haupterstreckung des Wassermantelkerns erstrecken. Im Fall eines langlochartigen Querschnitts kann dieser dementsprechend in Form eines stehenden Langlochs ausgebildet sein. Dadurch kann insbesondere eine hinreichende Strömungsfläche bereitgestellt werden, so dass trotz der beengten Raumverhältnisse - da der Wassermantelkern eine vergleichsweise geringe Wandstärke aufweist - eine hinreichende Kühlung des Wassermantelkerns bereitgestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist, wenn in Schritt a. an den Kanten der Aussparungen eine Materialaussparung, insbesondere eine Fase, vorgesehen wird. Eine derartige Fase kann in besonders einfacher Weise nach dem Einbringen der Aussparungen vorgesehen werden.
In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass Schritt b. einen Diffusionsschweißvorgang umfasst. Bei einem derartigen Diffusionsschweißvorgang können die einzelnen Wassermantelkernabschnitte zu einem einstückigen Wassermantelkern verbunden werden. Im Zuge des Diffusionsschweißvorgangs werden die einzelnen Wassermantelkernabschnitte an den Fügeflächen miteinander verbunden. Dabei ist denkbar, dass dabei auch Material in Richtung der Kühlkanalabschnitte fließt. Durch das Vorsehen einer Fase an den Kanten der Aussparungen kann das Material die Fasen auffüllen, so dass auch nach dem Diffusionsschweißvorgang die Kühlkanalabschnitte nicht verstopft sind, sondern vielmehr immer noch einen hinreichenden Querschnitt aufweisen. Die Fasen können folglich als eine Art Schweißhohlnaht bzw. Schweißhohlkehle angesehen werden.
Denkbar ist allerdings auch, dass Schritt b. einen Vakuumhartlötvorgang umfasst. Auch ein derartiger Fügevorgang hat sich als geeignet herausgestellt. Allerdings lässt das Diffusionsschweißen eine bessere „Haltbarkeit“ der Fügestelle erwarten.
Vorteilhafterweise werden die Wassermantelkernabschnitte vor dem Fügevorgang mittels Passstiften verbunden.
Die einzelnen Wassermantelkernabschnitte können so passgenau verbunden werden, so dass nach dem Fügen insbesondere einzelne Aussparungen in den Ober- beziehungsweise Unterseiten der Wassermantelkernabschnitte übereinander zu liegen kommen, um so einen Kühlkanalabschnitt auszubilden. Die Passstifte können dabei in den Wassermantelkernabschnitts-Rohlingen in Bereichen außerhalb der finalen Wassermantelkerngeometrie gesetzt werden, sodass die Passstifte nach der Fertigbearbeitung nicht mehr im Wassermantelkern vorhanden sind.
Alternativ kann in den Wassermantelkernabschnitts-Rohlingen (ggf. ebenfalls außerhalb der finalen WassermantelkernGeometrie) eine geeignete Passgeometrie, beispielsweise in Form von Zapfen und korrespondierenden Bohrungen, angearbeitet werden. Dies hat den Vorteil, dass keine separaten Passstifte zum Fügen der Wassermantelkernabschnitts-Rohlinge benötigt werden und folglich beim Herstellungsvorgang auch nicht vergessen werden kann, die Passstifte vorzusehen, was die Fehlergefahr beim Herstellungsvorgang reduziert.
Vorzugsweise werden zur Herstellung des Wassermantelkerns 3 bis 5 Wassermantelkernabschnitte miteinander gefügt. Denkbar wäre auch, mehr als drei bis fünf Wassermantelkernabschnitte vorzusehen. Drei bis fünf Wassermantelkernabschnitte erlauben allerdings eine Herstellung eines Wassermantelkerns mit wenigstens einem Kühlkanal bei überschaubaren Mehrkosten. Dabei ist denkbar, dass der spätere untere Wassermantelkernabschnitt lediglich an seiner Oberseite eine Aussparung aufweist, während der spätere obere Wassermantelkernabschnitt lediglich an seiner Unterseite eine Aussparung aufweist, während die dazwischenliegenden Wassermantelkernabschnitte an ihrer Ober- und Unterseite Aussparungen aufweisen. Die Wassermantelkernabschnitte können nach dem Einbringen der Aussparungen dann übereinander angeordnet werden, um so wenigstens einen Kühlkanal auszubilden.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, dass in Schritt a. senkrecht zu einer Haupterstreckung der Wassermantelkernabschnitte wenigstens ein vertikaler Kühlkanalabschnitt in wenigstens einen Wassermantelkernabschnitt eingebracht, insbesondere eingebohrt, wird. Dieser vertikale Kühlkanalabschnitt kann insbesondere zu einem Kühlfluidanschluss, insbesondere einem Wasseranschluss führen, so dass Kühlfluid über einen vertikalen Kühlkanalabschnitt zu den horizontalen Kühlkanalabschnitten geführt werden kann und über einen weiteren vertikalen Kühlkanalabschnitt aus dem wenigstens einen Kühlkanal abgeführt werden kann.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verfahren den weiteren Schritt umfasst: c. Härten des gefügten Wassermantelkerns.
Das Härten kann beispielsweise einen Wärmebehandlungsvorgang mit wenigstens einem daran anschließenden Anlassvorgang aufweisen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Verfahren den weiteren Schritt umfasst:

d. Bearbeiten des Wassermantelkerns, um dem Wassermantelkern seine Endform zu verleihen.

Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: e. Spannungsarmglühen des Wassermantelkerns.
Hierdurch können insbesondere die Eigenspannungen des Wassermantelkerns reduziert werden. Der Wassermantelkern kann anschließend noch beschichtet, beispielsweise nitriert und/oder PVD-beschichtet, werden. Das Aufbringen von Multilayerschichten ist denkbar.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Wassermantelkern, hergestellt mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein derartiger Wassermantelkern weist wenigstens einen Kühlkanal auf. Der Wassermantelkern ist dabei mit überschaubaren Kosten im Vergleich zu kühlungsfreien Wassermantelkernen herstellbar. Damit kann ein Wassermantelkern mit Kühlung insbesondere wirtschaftlich günstiger hergestellt werden im Vergleich zu einem mittels 3D-Metalldruckverfahren hergestellten Wassermantelkern.
Schließlich wird die eingangs gestellte Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Motorgehäuses mittels Druckguss, wobei in eine Druckgussform ein erfindungsgemäßer Wassermantelkern eingesetzt wird, und wobei während des Druckgussvorgangs wenigstens zeitweise ein Kühlfluid durch den wenigstens einen Kühlkanal des Wassermantelkerns hindurchgeleitet wird.
Der Zylinderblock kann dabei in der sogenannten „open-deck“-Konfiguration ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Wassermantelkern kann folglich in die Druckgussform eingesetzt werden. Bei Reihenblöcken kann der Wassermantelkern in der Regel als Teileinsatz im Haupteinsatz der beweglichen Formhälfte und bei V-Blöcken als Teileinsatz im Schiebervorsatz der Schrägschieber eingesetzt sein. Nach dem Herstellen eines Zylinderblocks kann dieser vom Wassermantelkern abgezogen werden. Der Zylinderblock kann dabei wenigstens einen, insbesondere allerdings mehrere, beispielsweise drei Zylinder, aufweisen. Dadurch, dass während des Druckervorgangs wenigstens zeitweise Kühlfluid, insbesondere Wärmeträgeröl oder (beheiztes) Kühlwasser, durch den wenigstens einen Kühlkanal des Wassermantelkerns hindurchgeleitet wird, können thermische Spannungen im Wassermantelkern reduziert werden, was in vorteilhafterweise zu einer längeren Lebensdauer führt. Vorzugsweise werden Wärmeträgeröl oder beheiztes Kühlwasser mittels Druckwassergeräten verwendet. Durch den geringen Abstand zur Konturoberfläche kann dennoch eine ausreichende Kühlwirkung erzielt werden. Zudem kann vermieden werden, dass der Wassermantelkern unnötig kalt wird. Dies reduziert zusätzlich Spannungen beim nächsten Füllvorgang.
Denkbar ist auch eine getaktete Kühlung, beispielsweise mit jet-cooling-Verfahren, oder ohne „Entleerung“ der Kühlkanäle nach der aktiven Kühlphase.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
Es zeigen:

1 schematische Draufsicht auf einen Zylinderblock eines Motorgehäuses;
2 schematische perspektivische Darstellung eines Wassermantelkerns gemäß einer Ausführungsform;
3 eine weitere perspektivische Darstellung der Ausführungsform gemäß 2;
4 eine nochmals weitere Darstellung der Ausführungsform gemäß 2; und
5 schematische perspektivische Darstellung eines Wassermantelkernabschnitts vor dem Fügen.

1 zeigt insgesamt einen Zylinderblock 10, der in diesem Fall drei Zylinder 12, 14, 16 aufweist. Jeder Zylinder erstreckt sich dabei entlang einer ihm zugeordneten Zylinderachse 18, 20, 22. Jeder Zylinder 12, 14, 16 ist durch jeweils eine Zylinderwand 24, 26, 28 begrenzt. Jede der Zylinderwände 24, 26, 28 weist eine nach radial innen weisende, zylindrische Lauffläche 30, 32, 34 auf. Ferner weisen die Zylinderwände 24, 26, 28 jeweils eine nach radial außen weisende Wandfläche 36, 38, 40 auf. Die genannten Wandflächen 36, 38, 40 bilden eine radiale innere Begrenzung für einen Kühlkanal 42 (auch Wassermantel 42 genannt). Der Kühlkanal 42 wird dabei ferner von einer Innenseite 44 einer Außenwand 46 des Zylinderblocks 10 begrenzt. Der Zylinderblock 10 liegt folglich als sogenannter „open-deck“-Typ vor. Der Zylinderblock 10 wird im Druckgussverfahren hergestellt. Um den Wassermantel 42 herzustellen, wird ein Wassermantelkern in die Druckgussform eingesetzt. Bei Reihenblöcken wird dieser in der Regel als Teileinsatz im Haupteinsatz der beweglichen Formhälfte eingebracht, und bei V-Blöcken als Teileinsatz im Schiebervorsatz der Schrägschieber. Mittels des Wassermantelkerns kann folglich ein Hohlraum zur Ausbildung des Wassermantels im Zylinderblock 10 hergestellt werden. Im Betrieb des Motors wird der Wassermantel 42 mit Kühlfluid, insbesondere mit Wasser umspült, um so eine Kühlung des Zylinderblocks 10 um die Zylinder 12, 14, 16 herum bereitzustellen.
2 zeigt insgesamt einen Wassermantelkern 48 gemäß einer Ausführungsform. Der Wassermantelkern 48 kann aus Warmarbeitsstahl hergestellt sein.
Der Wassermantelkern 48 weist drei nahezu zylindrische Abschnitte 50, 52, 54 auf, die an in 3 ersichtlichen Übergängen 56, 58, 60, 62 ineinander übergehen. Nahezu zylindrisch bedeutet, dass die Abschnitte 50, 52, 54 eine Entformungsschräge von beispielsweise 1-2° je Seite aufweisen können, um ein Gussteil nach dem Gießvorgang vom Wassermantelkern wieder entformen zu können. Die Zylinder 50, 52, 54 sind dabei hohlzylindrisch mit einer Gehäusewandung 51, 53, 55 ausgebildet, wobei die Übergänge 56, 58 bzw. 60, 62 über Verbindungsabschnitte 57, 59 im oberen Bereich des Wassermantelkerns 48 miteinander verbunden sind (vgl. 4). Der Wassermantelkern 48 ist insgesamt einstückig ausgebildet und weist einen Kernabschnitt 49 auf, welcher dazu ausgebildet ist, eine Fluidzufuhr bzw -abfuhr zu ermöglichen. Jeder Zylinder 50, 52, 54 ist dabei mit jeweils einem Kühlkanal 64, 66, 68 versehen. Jeder Kühlkanal 64, 66, 68 weist horizontale Abschnitte 70, 72 und 74 auf, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Wassermantelkerns 48 verlaufen. Die einzelnen horizontalen Kühlkanalabschnitte 70, 72, 74 sind über vertikale Kühlkanalabschnitte 76, 78, 80 verbunden, wobei die vertikalen Kühlkanalabschnitte 76, 78, 80 folglich senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Wassermantelkerns 48 verlaufen.
Durch die in 3 ersichtliche Unterseite 82 des Wassermantelkerns 48 erstrecken sich vertikale Kühlkanalabschnitte 84, 86, durch die Kühlfluid in den Kühlkanal 64 einführbar beziehungsweise ausführbar ist. Gleichermaßen erstrecken sich weitere Kühlkanalabschnitte 88, 90, 92, 94 durch die Unterseite 82 hindurch, um die Kühlkanäle 66, 68 mit Kühlfluid zu versorgen. Der mittlere Kühlkanal 66 weist ferner einen horizontalen Verbindungskühlkanalabschnitt 96 auf, der sich durch den Verbindungsabschnitt 59 hindurch erstreckt.
Der Wassermantelkern 48 wird insgesamt durch folgendes Verfahren hergestellt:

Der einstückige Wassermantelkern 48 umfasst insgesamt fünf Wassermantelkernabschnitte 102, 104, 106, 108, 110 (vgl. 2). Der mittlere Abschnitt 106 ist dabei in 5 als Einzelteil gezeigt. Die einzelnen Abschnitte 102 bis 110 liegen dabei zunächst als Einzelteile vor. Dabei können die Abschnitte 102 bis 110 entweder als einzelne Bauteile hergestellt sein. Denkbar wäre allerdings auch, dass zunächst ein Bauteil hergestellt wird, dass die Abschnitte 102 bis 110 umfasst und dass das Bauteil dann entlang von Trennebenen auseinander getrennt wird, um die Abschnitte 102 bis 110 als Einzelteile zu erhalten. Vorzugsweise werden die Abschnitte 102 bis 110 zunächst als Einzelteile getrennt gefertigt. Dafür können kleinere Maschinen und vergleichsweise kurze Werkzeuge mit vergleichsweise schnellen Bearbeitungsparametern in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.

Wie in 5 gezeigt ist, umfasst der Wassermantelkernabschnitt 106 nahezu zylindrische Wandungen 112, 114, 116, eine Außenseite 118, eine Innenseite 120, eine Unterseite 122 und eine Oberseite 124. Nahezu zylindrisch bedeutet, dass die Wandungen 112, 114, 116 eine Entformungsschräge von beispielsweise 1-2° je Seite aufweisen können, um ein Gussteil nach dem Gießvorgang vom Wassermantelkern wieder entformen zu können. In vertikaler/senkrechter Richtung 125 weist der Wassermantelkernabschnitt 106 eine Höhe h auf. Die nahezu zylindrischen Wandungen 112, 114, 116 sind dabei an den seitlichen Übergängen von einer Wandung zur anderen Wandung offen. Dies trifft auch für die weiteren Abschnitt 104 sowie 108-110 zu. Abschnitt 102 weist demgegenüber durchgängige, nahezu bzw. insbesondere auch vollständig, zylindrische Wandungen auf (vgl. 2-4). Ferner umfasst der Abschnitt 106 einen Teil des Kernbschnitts 49. Zunächst werden an der Unterseite 122 Aussparungen 126, 128, 130 eingebracht. Dies kann beispielsweise durch einen Fräsvorgang erfolgen. Die Aussparungen 126 bis 130 bilden folglich horizontale Aussparungen aus. Ferner werden vertikale Kühlkanalabschnitte 132, 134 eingebracht, beispielsweise eingebohrt. Gleichermaßen werden an der Oberseite 124 Aussparungen eingebracht.
In ähnlicher Weise werden in den Abschnitten 104, 108 an den jeweiligen Ober- und Unterseiten Aussparungen und vertikale Kühlkanalabschnitte angebracht. Ferner werden Aussparungen an der Unterseite des Abschnitts 110 und an der Oberseite des Abschnitts 102 angebracht.
Sodann werden die Abschnitte 102 bis 110 übereinander angeordnet, wobei diese zur passgenauen Anordnung mittels Passstiften oder angearbeiteten Passgeometrien (beides nicht gezeigt) angeordnet werden. Daraufhin werden die Abschnitte 102 bis 110 durch einen Diffusionsschweißvorgang miteinander unlösbar verbunden, um insgesamt einen monolithischen Wassermantelkern 48 zu erhalten. Die jeweiligen Ober- und Unterseiten stellen folglich Fügeflächen dar. Dabei kommen Aussparungen voneinander gegenüberliegenden Oberseiten und Unterseiten der Abschnitte 102 bis 110 übereinander zur Anlage, um so horizontale Kühlkanalabschnitte auszubilden. Ein horizontaler Kühlkanalabschnitt kann dabei insbesondere einen ovalen oder stehenden langlochartigen Querschnitt aufweisen. Im Fall einer ovalen Konfiguration kann es sich um einen ellipsenförmigen Querschnitt handeln, wobei sich die Hauptachse der Ellipse in vertikaler Richtung erstreckt. Gleichermaßen erstreckt sich im Fall eins Langlochs die Hauptachse in vertikaler Richtung. Dadurch kann das begrenzte Raumangebot optimal ausgenutzt werden, um dennoch eine hinreichende Kühlfluiddurchflussmenge bereitstellen zu können.
Die vertikalen Kühlkanalabschnitte 132, 134 werden an den Übergängen 136, 138 eingebracht, an denen, wie in 5 deutlich zu erkennen ist, die Wandstärke b2 größer ist als die Wandstärke b1 in anderen Abschnitten (vgl. komplementär dazu 1). Während des Diffusionsschweißvorgangs kann Material in Richtung der Aussparungen 126 bis 130 fließen. Um dadurch eine unerwünschte Verengung der entstehenden Kühlkanalabschnitte zu vermeiden, kann an den Kanten 140 der Aussparungen eine Fase eingebracht, beispielsweise eingeschliffen oder insbesondere eingefräst, werden.
Fließendes Material an den Fügeflächen kann folglich die Fasen auffüllen. Dennoch kann in vorteilhafter Weise eine Verringerung des Kühlkanalabschnitts-Querschnitts vermieden werden.
Nach dem Diffusionsschweißvorgang kann der Wassermantelkern 48 gehärtet werden, beispielsweise durch Wärmebehandlung mit anschließenden Anlassvorgängen. Daraufhin kann der Wassermantelkern 48 auf die finale Geometrie fertig bearbeitet werden. Dabei ist insbesondere denkbar, dass erst nach dem Härten aus einem Rohling die finale Geometrie hergestellt wird. Dadurch kann ein Härteverzug minimiert werden. Anschließend kann durch Spannungsarmglühen die Eigenspannung des Wassermantelkerns 48 reduziert werden.
Der so hergestellte Wassermantelkern 48 (vgl. 2-4) umfasst drei Kühlkanäle 64, 66, 68 mit jeweils horizontalen Kühlkanalabschnitten in vier zueinander parallelen Haupterstreckungsebenen sowie mit jeweils vertikalen Kühlkanalabschnitten, die die horizontalen Kühlkanalabschnitte miteinander verbinden.
Der Wassermantelkern 48 kann im Bereich des Segments 102 (vgl. 2) in einer Gießform, insbesondere in einer Aussparung des beweglichen Formeinsatzes, gehalten werden und kann durch sogenannte Pinolen (die den Zylinderraum ausfüllen können und durch eine Stufe die die jeweils drei kleineren und größeren Durchmesser des Segments 102 ausfüllen kann) in der Form gehalten werden.
Insgesamt können durch das Verfahren auf kostengünstige Art und Weise Kühlkanäle 64, 66, 68 in einen Wassermantelkern 48 eingebracht werden. Wenn sodann Zylinderblöcke 10 gegossen werden, kann während des Druckgussverfahrens Kühlfluid, insbesondere Wärmeträgeröl oder (beheiztes) Kühlwasser, durch die Kühlleitungen 64, 66, 68 hindurchgeleitet werden, um thermische Spannungen zu reduzieren und somit die Lebensdauer des Wassermantelkerns 48 in vorteilhafter Weise lang zu halten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wassermantelkerns (48), das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a. Einbringen von Strukturen (126, 128, 130, 132, 134) zur Ausbildung von Kühlkanalabschnitten (70, 72, 74, 76, 78, 80) in wenigstens zwei getrennte Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110); und b. Fügen der Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110), um einen Wassermantelkern (48) mit wenigstens einem Kühlkanal (64, 66, 68) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110) in Schritt b. übereinander angeordnet und dann gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110) jeweils eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, wobei in Schritt a. in wenigstens eine Oberseite eines Wassermantelkernabschnitts (102, 104, 106, 108, 110) eine Aussparung eingebracht wird, wobei in Schritt a. in wenigstens eine Unterseite eines anderen Wassermantelkernabschnitts (102, 104, 106, 108, 110) eine dazu komplementäre Aussparung eingebracht wird, und wobei die Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110) so gefügt werden, dass die Aussparungen (126, 128, 130) nach dem Fügen der beiden Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110) einen horizontalen Kühlkanalabschnitt (70, 72, 74) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der horizontale Kühlkanalabschnitt (70, 72, 74) nach dem Fügen einen ovalen oder langlochartigen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei in Schritt a. an den Kanten (140) der Aussparungen (126, 128, 130) eine Materialaussparung, insbesondere eine Fase, vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt b. einen Diffusionsschweißvorgang umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Schritt b. einen Vakuumhartlötvorgang umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110) vor dem Fügevorgang mittels Passstiften oder Passgeometrien verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Herstellung des Wassermantelkerns (48) 3 bis 5 Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110) miteinander gefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt a. senkrecht zu einer Haupterstreckung der Wassermantelkernabschnitte (102, 104, 106, 108, 110) wenigstens ein vertikaler Kühlkanalabschnitt (76, 78 80) in wenigstens einen Wassermantelkernabschnitt (102, 104, 106, 108, 110) eingebracht, insbesondere eingebohrt, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den weiteren Schritt: c. Härten des gefügten Wassermantelkerns (48).
Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den weiteren Schritt: d. Bearbeiten des Wassermantelkerns (48), um dem Wassermantelkern (48) seine Endform zu verleihen.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend den weiteren Schritt: e. Spannungsarmglühen des Wassermantelkerns (48), und daran anschließend insbesondere noch beschichten, beispielsweise nitrieren und/oder PVD-beschichten, des Wassermantelkerns (48).
Wassermantelkern (48), hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks (10) eines Motorgehäuses mittels Druckguss, wobei in eine Druckgussform ein Wassermantelkern (48) nach Anspruch 14 eingesetzt wird, und wobei während des Druckgussvorgangs wenigstens zeitweise ein Kühlfluid durch den wenigstens einen Kühlkanal (64, 66, 68) des Wassermantelkerns (48) hindurchgeleitet wird.