DE102023120995A1

DE102023120995A1 - Intelligenter einsatzstift und verfahren zu seiner verwendung beim druckgiessen von ultragrossen gussteilen für ein fahrzeug

Info

Publication number: DE102023120995A1
Application number: DE102023120995.7A
Authority: DE
Inventors: Dale A. Gerard; Qigui Wang; Paul J. Boone
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2023-08-08
Publication date: 2024-06-06
Also published as: CN118122984A; US20240181523A1

Abstract

Ein System und Verfahren zur Verwendung eines intelligenten Einsatzstifts zur Herstellung eines Gussteils für ein Fahrzeug, wobei das Gussteil einen Ansatz mit einem Innengewinde umfasst. Das System umfasst eine Form und einen Einsatzstift, der in die Form eingesetzt werden kann. Die Form umfasst einen Abschnitt eines Formhohlraums, der einen ansatzförmigen Hohlraum und eine mit dem ansatzförmigen Hohlraum in Verbindung stehende Bohrung definiert. Der Einsatzstift umfasst einen ersten Abschnitt mit einem Außengewinde und einen zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt erstreckt. Der zweite Abschnitt des Einsatzstifts kann in die Bohrung eingesetzt werden, wobei sich der erste Abschnitt in den Abschnitt des Formhohlraums erstreckt, der den ansatzförmigen Hohlraum definiert. Der Formhohlraum wird mit einem geschmolzenen Metall gefüllt. Das geschmolzene Metall wird zu einem erstarrten Gussteil abgekühlt. Der Einsatzstift wird aus dem Gussteil gelöst und hinterlässt einen gegossenen Ansatz mit einer Innengewindebohrung.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ultragroße Druckgussteile, insbesondere Einsatzstifte und ein Verfahren zu deren Verwendung beim Druckgießen von ultragroßen Fahrzeugkomponenten.
Druckguss (high pressure die casting, HPDC) ist ein Metallgussverfahren, bei dem geschmolzenes Metall unter hohem Druck in einen Formhohlraum gepresst wird, der eine vorgegebene Form eines gewünschten Gussteils aufweist. Moderne Fahrzeuge, insbesondere Hybrid- und Elektrofahrzeuge, nutzen vermehrt einfachere Karosserieauslegungen, bei denen ultragroße Druckgussbleche und -komponenten verwendet werden. Ultragroße Gussteile aus einer Aluminiumgusslegierung ermöglichen eine leichtere und weniger komplexe Herstellung von Fahrzeugkarosserien, indem die große Anzahl von gestanzten Blechen, die zum Bilden der Karosserie erforderlich ist, durch weniger ultragroße einteilige Gussteile ersetzt wird. Diese ultragroßen Gussteile werden oft als Mega- oder Giga-Gussteile bezeichnet, was auf die enormen Ausmaße der zur Herstellung dieser Gussteile verwendeten Druckgussmaschinen zurückzuführen ist. Ein ultragroßes einteiliges Gussteil kann beispielsweise eine Breite von mindestens 0,8 Metern (m), eine Länge von mindestens 1 m und eine Höhe von mindestens 0,25 m aufweisen.
Einzelne Gussteile können durch Verschrauben der Gussteile zusammengefügt und verbunden werden. In die Gussteile sind tragende Abschnitte wie Ansätze zur Aufnahme von Bolzen oder Stiften eingearbeitet. Ein Ansatz ist in der Regel ein zylindrischer Ansatz, der sich von einer Wand eines Gussteils erstreckt und einen dickeren Querschnitt als die Wand aufweist. Der dickere Querschnitt ermöglicht es dem Ansatz, als tragendes Element zu dienen. Die Bolzenlöcher werden gebohrt und mit einem Gewinde versehen, um ein Innengewinde bereitzustellen, nachdem das Gussteil erstarrt ist und aus der Form ausgestoßen wurde. Bei den Bolzenlöchern kann es sich um Durchgangslöcher handeln, die sich vollständig durch den Ansatz erstrecken, oder um Sacklöcher, die sich teilweise durch die Ansätze erstrecken.
Die derzeitigen ultragroßen Gussteile, die Ansätze mit Innengewindebohrungen haben, erfüllen somit zwar ihren Zweck, nämlich die Verbindung einzelner Gussteile mit Bolzen oder Stiften, aber es besteht weiterhin die Notwendigkeit, die Festigkeit und Robustheit dieser Ansätze zu verbessern und gleichzeitig die Fertigungseffizienz der ultragroßen Gussteile zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß mehreren Aspekten wird ein System zum Gießen einer Fahrzeugkomponente offenbart. Das System umfasst einen Einsatzstift mit einem ersten Abschnitt mit einem Außengewinde und einem zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt erstreckt. Das System umfasst auch eine Form mit einer Innenfläche, die einen Formhohlraum definiert, und einer Bohrung, die mit dem Formhohlraum in Verbindung steht. Der zweite Abschnitt des Einsatzstifts kann in der Bohrung aufgenommen werden, derart, dass sich der erste Abschnitt des Einsatzstifts in den Formhohlraum hinein erstreckt. Ein Abschnitt des Formhohlraums definiert einen ansatzförmigen Hohlraum, und der erste Abschnitt des Einsatzstifts erstreckt sich in den ansatzförmigen Hohlraum.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der erste Abschnitt des Einsatzstifts ein distales Ende. Das Außengewinde verjüngt sich von einer ersten Gewindetiefe in Richtung des distalen Endes zu einer zweiten Gewindetiefe, die geringer ist als die erste Gewindetiefe. Die zweite Gewindetiefe beträgt 50 % bis 75 % der ersten Gewindetiefe. Der erste Abschnitt des Einsatzstifts weist eine Nitridbeschichtung auf, und der zweite Abschnitt des Einsatzstifts umfasst eine Endfläche, die eine Keiltasche mit einer vorgegebenen Form definiert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das System ferner eine Hülse mit einem Innengewinde, die an dem Außengewinde des ersten Abschnitts des Einsatzstifts befestigt werden kann. Die Hülse umfasst eine Außenfläche, die mindestens eins von einer Einbuchtung, einem Vorsprung und einem Dorn definiert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Einsatzstift ferner eine Manschette, die den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt einstückig verbindet, wobei die Manschette eine Ringfläche umfasst, die dem zweiten Abschnitt zugewandt ist. Die Form umfasst ferner eine ringförmige Sitzfläche, die die Bohrungsöffnung umgibt und dem Formhohlraum zugewandt ist, wobei die ringförmige Sitzfläche mit der Ringfläche der Manschette zusammenwirkt, um das Einführen des Einsatzstifts in die Bohrung vom Formhohlraum aus zu begrenzen. Die Bohrung ist dazu ausgelegt, dass ein Vakuum daran angelegt werden kann, das ausreicht, um den zweiten Abschnitt des Einsatzstifts in der Bohrung zu fixieren.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Einsatzstift eine Ringschulter, die dem ersten Abschnitt zugewandt ist. Die Bohrung umfasst eine innere Öffnung und eine äußere Öffnung. Die Form umfasst ferner eine innere Ringfläche in der Bohrung, die der äußeren Öffnung zugewandt und dazu ausgelegt ist, an der Ringschulter des Einsatzstifts anzuliegen, wenn der Einsatzstift von der äußeren Öffnung aus in der Bohrung aufgenommen wird.
Gemäß mehreren Aspekten weist ein Druckgießsystem eine Form mit einer Innenfläche auf, die einen ansatzförmigen Hohlraum und eine mit dem ansatzförmigen Hohlraum in Verbindung stehende Bohrung definiert. Das System weist ferner einen Einsatzstift auf, der einen ersten Abschnitt mit Außengewinde und einen zweiten Abschnitt umfasst, der sich von dem ersten Abschnitt erstreckt, wobei der zweite Abschnitt in der Bohrung aufgenommen werden kann, derart, dass sich der erste Abschnitt in den ansatzförmigen Hohlraum erstreckt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Einsatzstift eine Ringschulter, die dem ersten Abschnitt zugewandt ist. Die Bohrung umfasst eine innere Öffnung in direkter Verbindung mit dem ansatzförmigen Hohlraum und eine äußere Öffnung gegenüber der inneren Öffnung. Die Form umfasst ferner eine innere Ringfläche in der Bohrung, die der äußeren Öffnung zugewandt ist, eine Dichtungsplatte zum selektiven Abdichten der äußeren Öffnung der Bohrung und ein in der Bohrung angeordnetes Vorspannelement. Das Vorspannelement drückt den Einsatzstift, wenn er in der Bohrung aufgenommen ist, in eine Richtung zur inneren Öffnung, derart, dass die Ringschulter des Einsatzstifts an der inneren Ringfläche der Bohrung anliegt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Einsatzstift ferner eine Manschette, die den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt einstückig verbindet. Die Manschette weist eine Ringfläche auf, die dem zweiten Abschnitt zugewandt ist. Die Innenfläche der Form definiert ferner eine ringförmige Sitzfläche, die die Bohrungsöffnung umgibt. Die ringförmige Sitzfläche wirkt mit der Ringfläche der Manschette zusammen, um das Einführen des Einsatzstifts in die Bohrung aus dem ansatzförmigen Hohlraum zu begrenzen.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der erste Abschnitt des Einsatzstifts eine Nitridbeschichtung, die mindestens eines von Titannitrid (TiN), Titanaluminiumnitrid (TiAIN), Titancarbonitrid (TiCN) und Aluminiumtitannitrid (AlTiN) umfasst.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das System ferner eine Metallhülse mit einem Innengewinde, das komplementär zu dem Außengewinde des ersten Abschnitts des Einsatzstifts ist, derart, dass die Metallhülse am ersten Abschnitt des Einsatzstifts befestigt werden kann. Die Metallhülse umfasst eine Außenfläche, die eine Beschichtung aus mindestens einem von Zink (Zn), Nickel (Ni) und einer eutektischen AI-12%Si-Legierung aufweist.
Gemäß mehreren Aspekten wird ein Verfahren zum Gießen einer Fahrzeugkomponente offenbart. Das Verfahren umfasst Bereitstellen einer Form mit einer Innenfläche, die einen Formhohlraum definiert, und einer Bohrung mit einer inneren Öffnung in direkter Verbindung mit dem Formhohlraum; Bereitstellen eines Einsatzstifts mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt ein Außengewinde aufweist; Einsetzen des zweiten Abschnitts des Einsatzstifts in die Bohrung, derart, dass sich der erste Abschnitt in den Formhohlraum erstreckt; das Füllen des Formhohlraums mit einem geschmolzenen Metall, wobei das geschmolzene Metall den ersten Abschnitt einkapselt; Abkühlen des geschmolzenen Metalls zu einem erstarrten Gussteil; und Entfernen des Einsatzstifts aus dem erstarrten Gussteil durch Lösen des Einsatzstifts.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Formhohlraum einen Abschnitt, der einen ansatzförmigen Hohlraum definiert; und der erste Abschnitt des Einsatzstifts erstreckt sich in den ansatzförmigen Hohlraum.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner Abkühlen des geschmolzenen Metalls auf etwa 300 °C bis 500 °C, um ein erstarrtes Gussteil zu bilden, und Herausdrehen des Einsatzstifts bei etwa 300 °C bis 500 °C.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der erste Abschnitt ein distales Ende und das Außengewinde verjüngt sich von einer ersten Gewindetiefe zu einer zweiten Gewindetiefe. Die zweite Gewindetiefe beträgt 50 % bis 75 % der ersten Gewindetiefe.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner Befestigen einer Hülse an dem ersten Abschnitt des Einsatzstifts, bevor der Formhohlraum mit einem geschmolzenen Metall gefüllt wird. Das geschmolzene Metall kapselt die Hülse ein. Die Hülse umfasst eine strukturierte Außenfläche mit einem vordefinierten Muster oder Formen wie Vertiefungen, Erhebungen und schräge Erweiterungen, um die Verbindung der Hülse mit dem Gussteil zu verbessern.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu bestimmt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.

1 ist eine Darstellung eines Druckgießsystems, das einen Einsatzstift zum Bilden eines Ansatzes mit Innengewinde verwendet;
2 ist eine Darstellung eines Abschnitts eines ultragroßen Gussteils mit einem Ansatz mit Innengewinde gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
3 ist eine Darstellung eines Querschnitts an der Linie 2-2 von 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
4 ist eine Darstellung eines intelligenten Einsatzstifts gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform;
5 ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer Druckgussform, in der der Einsatzstift von 4 verwendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6 ist eine Darstellung eines intelligenten Einsatzstifts gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform;
7 ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer Druckgussform, in der der Einsatzstift von 6 verwendet wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
8 ist eine Darstellung des Einsatzstifts mit einer Einsatzhülse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
9 ist eine Darstellung des Einsatzstifts mit einer Einsatzhülse gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform;
10 ist eine Darstellung einer Endansicht eines Einsatzstifts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
11 ist eine Darstellung einer Endansicht eines Einsatzstifts gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform;
12 ist eine Darstellung einer Endansicht eines Einsatzstifts mit einer Einsatzhülse gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform;
13 ist ein Blockablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Verwendung eines intelligenten Einsatzstifts zum Gießen eines ultragroßen Gussteils mit einem Ansatz mit Innengewinde gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt; und
14 ist ein Detailquerschnitt der Oberfläche der Hülse mit einer schrägen Struktur.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und ist nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder den Gebrauch einzuschränken. Die dargestellten Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen offenbart, wobei gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen entsprechende Teile bezeichnen. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, und einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um Details bestimmter Merkmale zu zeigen. Die spezifischen offenbarten strukturellen und funktionellen Details sind nicht als einschränkend zu verstehen, sondern als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann die Ausübung der offenbarten Konzepte zu lehren.
Aluminium-Silizium-Legierungen werden in der Regel zum Druckgießen von Karosseriekomponenten verwendet, da sie leicht, gut formbar, in großen Mengen herstellbar und hochfest sind. Diese ultragroßen Aluminium-Silizium-Gussteile können komplizierte Details und unterschiedliche Dicken in den Querschnittsbereichen der Gussteile aufweisen. In Aluminiumgussteile sind in der Regel tragende Abschnitte wie etwa Ansätze eingearbeitet. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist ein Ansatz ein beliebiger erhabener oder hervorstehender Abschnitt eines Gussteils. Ein Ansatz kann ein Bolzenloch mit Innengewinde zur Aufnahme eines Gewindebolzens oder eines Gewindestifts umfassen. Das Bolzenloch kann ein Durchgangsloch sein, das sich vollständig durch den Querschnitt des Ansatzes erstreckt, oder ein Sackloch, das sich teilweise durch den Querschnitt des Ansatzes erstreckt.
Nachdem das erstarrte Gussteil aus der Druckgussform ausgestoßen wurde, wird üblicherweise eine CNC-Bearbeitung zum Bohren und Gewindeschneiden eines Ansatzes eingesetzt. Da Ansätze in der Regel schwer sind und einen viel größeren Querschnitt als die typische Gusswanddicke aufweisen, entsteht in den Ansätzen während der Erstarrung des Gussteils eine erhebliche Anzahl von Wärmestaus und ein hohes Maß an Schrumpfungsporosität. Die Zunahme an Porosität ist für die Herstellung robuster Innengewinde durch herkömmliches Bohren und Gewindeschneiden nicht förderlich. Die folgende Offenbarung stellt einen intelligenten Einsatzstift und ein Verfahren zur Verwendung desselben für das Gießen von dickeren tragenden Abschnitten, wie etwa Ansätzen, mit Bolzenlöchern mit robustem Innengewinde bereit. Der intelligente Einsatzstift macht eine CNC-Bearbeitung der Ansätze zur Herstellung der Bolzenlöcher und Innengewinde überflüssig.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckgießsystems 100. Das Druckgießsystem 100 umfasst eine Hochdruckgussform 102 mit einer Innenfläche 104, die einen Formhohlraum 106 definiert. Der Formhohlraum 106 ist dazu ausgelegt, ein geschmolzenes Metall 107 aufzunehmen, um ein ultragroßes Gussteil mit einer vorgegebenen Form des Formhohlraums 106 zu bilden. Das Druckgießsystem 100 umfasst auch einen Kolbenmechanismus 108, einen Gießmechanismus 110 und ein Gießkammersystem 112 zum Zuführen von geschmolzenem Metall in den Formhohlraum 106.
Die Form 102 ist in der Regel aus zwei Stücken 102a, 102b gebildet, von denen eines ein feststehendes Stück 102a und das andere ein abnehmbares Stück 102b ist, das dazu ausgelegt ist, die Entnahme des erstarrten Gussteils zu erleichtern. Ein Abschnitt des Formhohlraums definiert die Form eines Ansatzes 124. Mindestens eines der Formstücke 102a, 102b weist eine Bohrung 120 zur Aufnahme eines intelligenten Einsatzstifts 122 auf, der im Folgenden näher beschrieben wird. Die Bohrung 120 steht in direkter Verbindung mit dem Abschnitt des Formhohlraums, der den Ansatz 124 definiert.
2 ist eine Darstellung eines beispielhaften Abschnitts eines ultragroßen Gussteils 200 für ein Fahrzeug. Das ultragroße Gussteil 200 wird auch als erstarrtes Gussteil 200 oder Gussteil 200 bezeichnet. Das ultragroße Gussteil 200 umfasst mindestens einen Ansatz 224 mit einem Bolzenloch 226 mit Innengewinde 228. Beispiele für solche ultragroßen Gussteile sind Bodenplatten, Karosseriebleche, Batterieträger und andere tragende Komponenten mit unterschiedlichen Querschnittsdicken. Das ultragroße Gussteil 200 kann für Straßenfahrzeuge wie Pkws, Motorräder, Lkws und Anhänger, Sport Utility Vehicles (SUVs) und Wohnmobile (RVs) sowie für Geländefahrzeuge wie Wasserfahrzeuge und Luftfahrzeuge entwickelt und hergestellt werden.
Das ultragroße Gussteil 200 wird durch Gießen einer Legierung auf Aluminium-Silizium-Basis (Al-Si) unter Verwendung des Druckgießsystems 100 hergestellt. Die geschmolzene Legierung auf Aluminium-Silizium-Basis wird durch den Kolbenmechanismus 108 durch das Gießkammersystem eingespritzt, um den Formhohlraum 106, der den Abschnitt des Formhohlraums umfasst, der den Ansatz 124 definiert, innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit und mit einem vorgeschriebenen Druck zu füllen. Das geschmolzene Metall wird in der Form 102 bis zur Erstarrung abgekühlt und aus der Form 102 ausgestoßen. Das ausgeworfene, erstarrte Gussteil 200 wird dann nach Auslegungsmaßen und -toleranzen bearbeitet und bei Bedarf auf die gewünschten Spezifikationen wärmebehandelt. Der Ansatz 224, das Bolzenloch 226 und das Innengewinde 228 werden während des Druckgussverfahrens geformt.
3 ist eine Querschnittansicht an der Linie 2-2 des Abschnitts des ultragroßen Gussteils 200 aus 2. Das Gießen des Bolzenlochs 226 mit dem Innengewinde 228 wird durch den Einsatzstift 122 ermöglicht. Der Einsatzstift 122 wird in die Form 102 eingesetzt, bevor das geschmolzene Metall eingegossen wird. Nach dem Gießen und Erstarren wird der Einsatzstift 122 aus dem erstarrten Gussteil 200 entfernt, indem der Einsatzstift 122 aus dem Ansatz 224 herausgeschraubt wird, um das Bolzenloch 226 mit dem Innengewinde 228 freizulegen. Die Innengewinde 228 müssen nicht weiter bearbeitet werden, sobald der Einsatzstift 122 entfernt ist. Die durch den Einsatzstift 122 während des Gießverfahrens gebildeten Innengewinde 228 weisen im Vergleich zu mit dem herkömmlichen Bohr- und Gewindeschneidverfahren hergestellten Innengewinde bessere mechanische Eigenschaften auf.
Die meisten Metalle weisen in flüssigem Zustand eine geringere Dichte als in festem Zustand auf, weshalb die Gussteile beim Abkühlen schrumpfen können, wenn das geschmolzene Metall erstarrt. Die dickeren Abschnitte des Gussteils, wie etwa der Ansatz 224, schrumpfen proportional stärker als die vergleichsweise dünneren Abschnitte des Gussteils wie etwa die Wand 266. Um die unerwünschte Bildung von Porosität aufgrund der Schrumpfung des Gussteils während der Abkühlungs- und Erstarrungsphase zu vermeiden, wird ein Abschnitt des Einsatzstifts 122 im Hohlraum der Form angeordnet, der den Ansatz 224 definiert, bevor das geschmolzene Metall in den Hohlraum 106 gegossen wird. Der Einsatzstift 122 verringert das Volumen der geschmolzenen Legierung, das zum Gießen des Ansatzes 224 erforderlich ist, und dient als Wärmesenke, um eine Gusshaut 229 auf der Innenfläche 229 des Bolzenlochs 226, dem Innengewinde 228 und der unmittelbaren Unterschicht unter der Oberfläche des Bolzenlochs zu bilden. Die Gusshaut 229 weist eine geringere Porosität auf als der Kern des Gussteils und sorgt somit für ein robusteres Innengewinde 228 als das mit dem herkömmlichen Bohr- und Gewindeschneidverfahren hergestellte Innengewinde. Auf der Grundlage von Ermüdungsfestigkeitsprüfungen im Labor zeigt sich bei Gussteilen mit intakter Gusshaut 229 eine um 10 bis 15 % höhere Ermüdungsfestigkeit als bei Gussteilen, bei denen die Gusshaut entfernt wurde.
4 ist eine Seitenansicht eines Einsatzstifts 400 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Einsatzstift 400 umfasst einen ersten Abschnitt 402 mit einem Außengewinde 404, eine Manschette 406, die sich von dem ersten Abschnitt 402 erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 408, der sich von der Manschette 406 erstreckt. Die Manschette 406 umfasst eine erste Ringfläche 410, die dem ersten Abschnitt 402 zugewandt ist, und eine zweite Ringfläche 412, die dem zweiten Abschnitt 408 zugewandt ist. Wie am besten in 10 und 11 zu erkennen ist, umfasst der zweite Abschnitt 408 eine Endfläche 414, die eine Keiltasche 416 mit einer vorgegebenen Form zur Aufnahme eines eingeführten Keils 417 (gezeigt in 7) mit einer entsprechenden vorgegebenen Form aufweist.
Der erste Abschnitt 402 umfasst ein distales Ende 418, das von der Manschette 406 beabstandet ist. Das Außengewinde 404 verjüngt sich von der Manschette 406 zum distalen Ende 418, wobei das Außengewinde 404 proximal zum distalen Ende 418 eine Gewindetiefe von 50 % bis 75 % der Gewindetiefe proximal zur Manschette 406 aufweist. Die Gewindetiefe ist definiert als der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt 420 und dem Fußpunkt 422 eines Gewindes bei Messung senkrecht zur Längsachse-A, die sich durch die Länge des Einsatzstifts 400 erstreckt. Das sich verjüngende Gewinde erleichtert das Herausziehen des Einsatzstifts 400 aus dem erstarrten Gussteil 200 und verbessert den Bolzeneingriff und die Lastaufnahme.
5 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Abschnitt eines Druckgießsystems 500 unter Verwendung des Einsatzstifts 400 aus 4. Das Gießsystem 500 umfasst eine Druckgussform 502 mit einer Innenfläche 504, die einen Hohlraum 506 mit einer Form des Ansatzes 224 bildet. Die Innenfläche definiert ferner eine Bohrung 520, die dazu ausgelegt ist, den zweiten Abschnitt 408 des Einsatzstifts 400 aufzunehmen. Die Bohrung 520 umfasst eine ringförmige Sitzfläche 522, die dazu ausgelegt ist, an der zweiten Ringfläche 412 der Manschette 406 anzuliegen, wenn der Einsatzstift 400 in der Bohrung 520 aus der Richtung des Hohlraums 506 aufgenommen wird. Die zweite Ringfläche 412 wirkt mit der ringförmigen Sitzfläche 522 zusammen, um das Einführen des Einsatzstifts 400 in die Bohrung 520 zu begrenzen und so sicherzustellen, dass sich der erste Abschnitt 402 des Einsatzstifts 400 in den Hohlraum 506 erstreckt. Die Bohrung 520 ist ferner dazu ausgelegt, dass ein Vakuum 524 daran angelegt werden kann. Ein Vakuum 524 ist definiert als ein Druck, der unter dem Luftdruck liegt und ausreicht, um den Einsatzstift 400 an der Form 502 zu fixieren, wenn der zweite Abschnitt 408 des Einsatzstifts 400 in der Bohrung 520 aufgenommen ist. Das Vakuum 524 kann durch eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) erzeugt werden, die mit der Bohrung 520 in Verbindung steht.
6 ist eine Seitenansicht eines Einsatzstifts 600 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Einsatzstift 600 umfasst einen ersten Abschnitt 602 mit einem Außengewinde 604 und einen zweiten Abschnitt 608, der sich von dem ersten Abschnitt 602 erstreckt. Das zweite Ende umfasst einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des ersten Abschnitts 602, wodurch eine Ringschulter 610 gebildet wird, die dem ersten Abschnitt 602 zugewandt ist. Der zweite Abschnitt 608 umfasst eine Endfläche 614, die eine Keiltasche 616 mit einer vorgegebenen Form zur Aufnahme eines eingeführten Keils 417 mit einer entsprechenden vorgegebenen Form aufweist. Der erste Abschnitt 602 umfasst ein distales Ende 618, das von der Ringschulter 610 beabstandet ist. Das Außengewinde 604 verjüngt sich vom zweiten Abschnitt 608 zum distalen Ende 618, wobei das Außengewinde proximal zum distalen Ende 618 eine Gewindetiefe von 50 % bis 75 % der Gewindetiefe proximal zum zweiten Abschnitt 608 aufweist.
7 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Abschnitt eines Druckgießsystems 700 unter Verwendung des Einsatzstifts 600 aus 6. Das Gießsystem umfasst eine Form 702 mit einer Innenfläche 704, die einen Hohlraum 706 mit einer Form des Ansatzes 224 bildet. Die Innenfläche definiert ferner eine Bohrung 720, die dazu ausgelegt ist, das zweite Ende 608 des Einsatzstifts 600 aufzunehmen. Die Bohrung 720 erstreckt sich durch die Form 702 und umfasst eine innere Öffnung 724 und eine äußere Öffnung 726. Die Innenfläche 704 definiert ferner eine ringförmige Innenfläche 722, die der äußeren Öffnung 726 zugewandt ist. Die ringförmige Innenfläche 722 ist dazu ausgelegt, an der Ringfläche 610 des Einsatzstifts 600 anzuliegen, wenn der Einsatzstift 600 von der äußeren Öffnung 726 aus in die Bohrung 720 eingeführt wird.
Eine abnehmbare Endplatte 728 ist zum selektiven Verschließen der äußeren Öffnung 726 der Bohrung 720 bereitgestellt. Die Endplatte 728 kann durch abnehmbare Bolzen 730 oder Schrauben 730 an der Form fixiert sein. Ein Vorspannelement 732, wie etwa Spiralfedern 732, ist zwischen der Endfläche 614 des zweiten Abschnitts 608 des Einsatzstifts 600 und der Endplatte 728 angeordnet. Das Vorspannelement 732 drückt die Ringschulter 610 des Einsatzstifts 600 gegen die ringförmige Innenfläche 722 der Öffnung, wodurch der Einsatzstift 600 daran gehindert wird, vollständig in den Hohlraum 706 einzudringen.
Unter Bezugnahme auf 8 und 9 umfassen die erste und die zweite Ausführungsform der Einsatzstifte 400, 600 jeweils eine Metallhülse 800, 900 mit einem Innengewinde 802, 902, die an den Außengewinde des ersten Abschnitts 402, 602 der Einsatzstifte 400, 600 befestigt werden kann. In den gezeigten Ausführungsformen weisen die Metallhülsen 800, 900 und die entsprechenden Einsatzstifte 400, 600 ein normales paralleles Gewinde und kein sich verjüngendes Gewinde auf. Die Metallhülsen 800, 900 werden vor dem Gießen auf die intelligenten Einsatzstifte 400, 600 geschraubt.
Geschmolzenes Metall wird auf die Außenflächen 804, 904 der Hülsen 800, 900 gegossen. Sobald das Gussteil erstarrt ist, werden die Einsatzstifte 400, 600 aus den Hülsen 800, 900 herausgeschraubt oder gelöst, so dass die Hülsen 800, 900 im erstarrten Gussteil 200 verbleiben. Die Hülsen 800, 900 mit dem Innengewinde 82, 902 bleiben als Teil des Gussteils erhalten. Obwohl die Außenflächen 804, 904 der Hülsen 800, 900 zylindrisch dargestellt sind, versteht es sich, dass die Außenflächen 804, 904 auch andere Formen aufweisen können, die eine verbesserte metallurgische Verbindung und/oder mechanische Verriegelung mit dem Gussteil ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 12 können äußere Merkmale wie Einkerbungen 1202, Vorsprünge 1204, Stacheln 1206 und Strukturen 1208 auf der Außenfläche 804, 904 der Hülsen 800, 900 definiert sein, um die Hülsen 800, 900 mechanisch mit dem erstarrten Gussteil 200 zu verriegeln. Die Strukturen 1208 können vordefinierte Muster oder Formen wie Vertiefungen, Erhebungen und Schrägen umfassen, um die Verbindung der Hülse mit dem erstarrten Gussteil 200 zu verbessern. 14 zeigt einen Teilquerschnitt der Hülse 800, 800 mit einer schrägen Struktur 1210. Die Hülsen 800, 900 können aus einer Metalllegierung einschließlich H13-Stahl und hochlegierten Stählen gebildet sein. Die Außenfläche 804, 904 der Hülsen 800, 900 kann mit Zink (Zn), Nickel (Ni) oder einer eutektischen Legierung aus AI-12%-Si beschichtet sein, um eine bessere Verbindung mit dem Gussteil bereitzustellen.
13 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens 1300 zur Verwendung eines Einsatzstifts zum Gießen eines ultragroßen Gussteils mit einem Ansatz, der eine Gewindebohrung aufweist. Das Verfahren beginnt in Block 1302 mit dem Bereitstellen einer Form mit einer Innenfläche, die einen Formhohlraum definiert. Der Formhohlraum umfasst einen Abschnitt, der ein tragendes Element wie etwa einen Ansatz definiert. Die Innenfläche definiert ferner eine Bohrung mit einer Öffnung, die in direkter Verbindung mit dem Abschnitt des Formhohlraums steht, der das tragende Element definiert.
In Block 1304 umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Einsatzstifts mit mindestens einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt umfasst ein Außengewinde. Einsetzen des zweiten Abschnitts des Einsatzstifts in die Bohrung, derart, dass sich der erste Gewindeabschnitt in den Abschnitt des Hohlraums erstreckt, der das tragende Element definiert. Zumindest auf dem ersten Abschnitt der Einsatzstifte kann eine Nitridbeschichtung aufgebracht sein, um eine Lötung oder metallurgische Verbindung mit dem Gussteil zu verhindern. Die Nitridbeschichtung kann durch Ionen-/Plasmanitrieren und gesteuertes Gasnitrieren aufgebracht werden. Beispiele für Nitridbeschichtungen sind Titannitrid (TiN), Titanaluminiumnitrid (TiAIN), Titancarbonitrid (TiCN) und Aluminiumtitannitrid (AlTiN).
Fortfahrend mit Block 1306, Füllen des Formhohlraums mit einem geschmolzenen Metall, wobei das geschmolzene Metall den ersten Gewindeabschnitt einkapselt, und Abkühlen des geschmolzenen Metalls auf eine vorgegebene Temperatur, bei der das geschmolzene Metall erstarrt ist.
In Block 1308 endet das Verfahren mit dem Herausnehmen des Einsatzstifts aus dem massiven Gussteil durch Lösen des Einsatzstifts. Unter Bezugnahme auf 5 wird in dieser Ausführungsform die zweiteilige Form getrennt und das Gussteil ausgestoßen. Der Einsatzstift wird dann durch Drehen des Einsatzstifts gegen den Uhrzeigersinn aus dem ausgestoßenen Gussteil entfernt, wobei der Ansatz 224 mit einem Bolzenloch mit Innengewinde zurückbleibt. Unter Bezugnahme auf 7 wird in dieser Ausführungsform der Einsatzstift aus dem Gussteil entfernt, bevor das Gussteil aus der Form ausgestoßen wird. Der in die Keiltasche eingeführte Keil wird gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wobei der Einsatzstift in die Bohrung zurückgedrückt wird, sodass der Ansatz 224 mit einem Bolzenloch mit Innengewinde zurückbleibt.
Der optimale Zeitpunkt zum Entfernen der intelligenten Einsatzstifte aus dem Gussteil kann mit ausgefeilten Gusserstarrungs- und Eigenspannungssimulationen bestimmt werden. Das Gussteil sollte erstarren und auf eine Temperatur von etwa 300 °C bis 500 °C abkühlen, um eine ausreichende Festigkeit zu erreichen, damit der Stift entfernt werden kann. Das Entfernen des Stifts kann jedoch schwierig sein, wenn das Gussteil bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird, da das Aluminium schrumpft und sich um den Einsatzstift herum mehr Druckeigenspannung entwickelt. Der optimale Zeitpunkt für das Entfernen der intelligenten Einsatzstifte aus dem Gussteil kann auf der Grundlage von Gusserstarrungs- und Eigenspannungssimulationen für ein bestimmtes Gussteil bestimmt werden.
Die CNC-Bearbeitung von Ansätzen, insbesondere bei ultragroßen oder Giga-Gussteilen, kann sehr schwierig und teuer sein. Die oben beschriebenen intelligenten Einsatzstifte erzeugen in den Ansätzen Löcher mit einem Innendurchmesser mit Gewinde. Die intelligenten Einsatzstifte ermöglichen auch das Eingießen von Metalleinsätzen mit Innengewindebohrungen in den Ansätzen. Die intelligenten Einsatzstifte reduzieren oder eliminieren die Notwendigkeit der CNC-Bearbeitung zur Herstellung der Bolzenlöcher mit Innengewinde. Es versteht sich, dass die Einsatzstifte zusammen mit den Hülsen nicht auf das Druckgießen beschränkt sind. Die Einsatzstifte können auch in anderen Gießverfahren verwendet werden, darunter unter anderem Pressgießen, Niederdruckgießen und semipermanentes Formgießen.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Abwandlungen, die nicht vom allgemeinen Sinn der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung aufzufassen.

Claims

System zum Gießen einer Fahrzeugkomponente, umfassend: einen Einsatzstift, der einen ersten Abschnitt mit einem Außengewinde und einen zweiten Abschnitt umfasst, der sich von dem ersten Abschnitt erstreckt; und eine Form, die eine Innenfläche, die einen Formhohlraum definiert, und eine Bohrung umfasst, die mit dem Formhohlraum in Verbindung steht; und wobei der zweite Abschnitt des Einsatzstifts in der Bohrung aufgenommen werden kann, derart, dass sich der erste Abschnitt des Einsatzstifts in den Formhohlraum hinein erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt des Einsatzstifts ein distales Ende aufweist und wobei sich das Außengewinde von einer ersten Gewindetiefe in Richtung des distalen Endes zu einer zweiten Gewindetiefe, die geringer ist als die erste Gewindetiefe, verjüngt.
System nach Anspruch 2, wobei die zweite Gewindetiefe 50 % bis 75 % der ersten Gewindetiefe beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt des Formhohlraums einen ansatzförmigen Hohlraum definiert und der erste Abschnitt des Einsatzstifts sich in den ansatzförmigen Hohlraum erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt des Einsatzstifts eine Nitridbeschichtung umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem der zweite Abschnitt des Einsatzstifts eine Endfläche umfasst, die eine Keiltasche mit einer vorgegebenen Form definiert.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Hülse mit einem Innengewinde, das an dem Außengewinde des ersten Abschnitts des Einsatzstifts befestigt werden kann.
System nach Anspruch 7, wobei die Hülse eine Außenfläche umfasst, die mindestens eins von einer Einbuchtung, einem Vorsprung und einem Dorn definiert.
System nach Anspruch 1, wobei: der Einsatzstift ferner eine Manschette umfasst, die den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt einstückig verbindet, wobei die Manschette eine Ringfläche umfasst, die dem zweiten Abschnitt zugewandt ist; wobei die Form ferner eine ringförmige Sitzfläche umfasst, die die Bohrungsöffnung umgibt und dem Formhohlraum zugewandt ist, wobei die ringförmige Sitzfläche mit der Ringfläche der Manschette zusammenwirkt, um das Einführen des Einsatzstifts in die Bohrung vom Formhohlraum aus zu begrenzen; und wobei die Bohrung dazu ausgelegt ist, dass ein Vakuum daran angelegt werden kann, das ausreicht, um den zweiten Abschnitt des Einsatzstifts in der Bohrung zu fixieren.
System nach Anspruch 1, wobei: der Einsatzstift eine Ringschulter umfasst, die dem ersten Abschnitt zugewandt ist; die Bohrung eine innere Öffnung und eine äußere Öffnung umfasst; und die Form ferner eine innere Ringfläche in der Bohrung umfasst, die der äußeren Öffnung zugewandt und dazu ausgelegt ist, an der Ringschulter des Einsatzstifts anzuliegen, wenn der Einsatzstift von der äußeren Öffnung aus in der Bohrung aufgenommen wird.