DE10330520A1

DE10330520A1 - Zylinderkurbelgehäuse mit vergossenem Kühlkanal

Info

Publication number: DE10330520A1
Application number: DE2003130520
Authority: DE
Inventors: Herbert MÖDING; Stephan Beer
Original assignee: KS Aluminium Technologie GmbH
Current assignee: KS Huayu Alutech GmbH
Priority date: 2003-03-01
Filing date: 2003-07-05
Publication date: 2004-09-16

Abstract

Gießverfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses (5), mit wenigstens einem Kühlkanal (2, 3, 12) in einer Zwischenwand (13) zwischen benachbarten Zylinderausnehmungen, bei dem zunächst ein Formkern (4) zur Bildung des Kühlkanals (2, 3, 12) in die Gießform eingebracht, danach der Formkern (4) umgossen und nach der Erstarrung der Formkern (4) aus dem Zylinderkurbelgehäuse (5) entfernt wird, wobei ein metallischer Draht (4) oder biegsamer, rohrförmiger Formkern (4) in die Gießform eingebracht und der Formkern (4) nach der Erstarrung aus dem Zylinderkurbelgehäuse (5) herausgezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses mit wenigstens einem Kühlkanal in einer Zwischenwand zwischen benachbarten Zylinderausnehmungen, bei dem zunächst ein Formkern zur Bildung des Kühlkanals in die Gießform eingebracht, danach der Formkern umgossen und nach der Erstarrung der Formkern aus dem Zylinderkurbelgehäuse entfernt wird.
Um den Anforderungen aus der Automobilindustrie in Bezug auf eine kompakte Bauweise von Motoren gerecht zu werden, liegt ein Bestreben der Motorenhersteller darin, die Baulänge der Motoren zu reduzieren. Hierzu ist es notwendig die Zylinderausnehmungen einer Zylinderreihe eng nebeneinander anzuordnen, wodurch sich entsprechend dünne Zylinderzwischenwände ergeben. Durch die enger beieinanderliegenden Brennräume und die verminderte Wärmeableitung unterliegen diese verdünnten Zwischenwände, insbesondere im Feuerstegbereich, einern erhöhten thermischen Belastung, die es erforderlich macht, in der Zwischenwand einen Kühlkanal vorzusehen.

Ein Verfahren zur Einbringung von Kühlkanälen in die Zylinderzwischenwände ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 197 365 bekannt. Bei diesem Verfahren werden separate Kerne verwendet, die die beiden Längsseiten des Mantelkernes in den späteren Stegbereichen des Zylinders überbrücken und zur Bildung von Kühlwasserkanälen dienen, welche die beiden Längshälften des Kühlwassermantels miteinander verbinden und dadurch für eine Wärmeabfuhr im Bereich der Zylinderzwischenwand in Folge von Wasserzirkulation sorgen. Zweckmäßigerweise werden die Kerne für die Bildung der Kühlwasserkanäle aus Zirkonsand mit sehr feiner Körnung geformt, um eine hohe Schüttdichte und damit eine große Festigkeit des Kerns zu erreichen.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 974 414 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks mit im Bereich der Zylinderzwischenwände angeordneten Kühlkanal bekannt. Bei diesem Motorblock mit eng beieinander angeordneten Zylinderausnehmungen wird in einer Zylinderzwischenwand ein Kühlkanal durch Umgießen eines Formkerns erzeugt. Hierbei wird für den Gießformkern vorzugsweise ein in einer Flüssigkeit lösbares, brennbares oder/und sprödes Material verwendet, so dass der Gießformkern nach dem Erstarren des Gußstücks wieder aus dem Kanal entfernt werden kann. Der Gießformkern wird in der Gießform lediglich an seinen Enden gehalten, so dass ein Kühlkanal gebildet wird, der ausschließlich durch eine Gußmaterialhaut begrenzt ist.

Ein Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gießverfahren ist der, dass die Formkerne nur mit aufwendigen Mitteln wieder aus den erstarrten Zylindergehäusen entfernt werden können. Dabei besteht stets die Gefahr, dass Reste des Gießformkerns verbleiben und somit eine unzureichende Kühlung der Zwischenwand gegeben ist. Die Reste können ebenfalls in den Kühlkreislauf des Motors gelangen und Dichtungen oder Förderelemente beschädigen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, dass mit minimierten Produktionskosten, geringerem Zeitaufwand und verbesserten Qualitäten gefertigt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein metallischer Draht- oder ein biegsamer rohrförmiger Formkern in die Gießform eingebracht und der Formkern nach der Erstarrung aus dem Zylinderkurbelgehäuse herausgezogen wird. Durch den erfindungsgemäßen Gedanken, ist nun die Möglichkeit geschaffen ein Zylinderkurbelgehäuse mit minimiertem Produktionsaufwand und reproduzierbar hohen Qualitäten herzustellen. Insbesondere der metallische Draht- oder elastisch biegsame rohrförmige Formkern kann nach dem Umgießen aus dem Zylinderkurbelgehäuse heraus gezogen werden. Durch das Herausziehen des Formkerns, der in einfachster Weise von einem Bediener mit einer Zange ergriffen und heraus gezogen werden kann, kann auf die herkömmlichen aufwendigen Verfahren zum Herauslösen des Formkerns aus dem Zylinderkurbelgehäuse verzichtet werden. Dabei muß der Formkern lediglich in der Weise in die Gießform eingelegt werden, dass die Enden des Formkerns nach dem Umgießen aus dem Zylinderkurbelgehäuse herausragen.

In Bezug auf die zu verwendenden Metalle zur Herstellung des Formkerns sind prinzipiell keine Einschränkungen zu machen. Der Werkstoff muß lediglich über einen höheren Schmelzpunkt als der des Gießwerkstoffs verfügen. Bevorzugt werden die Metalle Eisen, Kupfer, Aluminium, Nickel oder deren Legierungen, wobei die Legierungen einerseits biegsam sein, zum Beispiel in Form von Drähten, und andererseits eine entsprechende Rissfestigkeit aufweisen müssen, so dass sie aus dem fertigen Zylinderkurbelgehäuse herausgezogen werden können. Selbstverständlich sind auch sämtliche Legierungen aus den genannten Metallen einsetzbar, wobei auch andere als die genannten Metalle als Legierungskomponenten verwendet werden können.

Um die Schrumpfspannungen des Zylinderkurbelgehäuses zu berücksichtigen und um den Formkern leichter Herausziehen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Formkern mit einem thermisch beständigen Gleitstoff zu beschichten. Dabei muß der Gleitstoff ebenfalls einen höheren Schmelzpunkt als der Gießwerkstoff aufweisen, um nicht während des Gießens zu verdampfen oder mit der Schmelze in Lösung zu gehen. Als Verfahren zum Aufbringen des Gleitstoffs auf den Formkern stehen verschiedene Fertigungsverfahren zur Verfügung. Die Gleitstoffe können entweder mittels eines Sprüh- und/oder Tauchverfahrens aufgebracht werden oder sie können mittels chemischer Reaktionen auf der Oberfläche des Formkerns abgelagert oder gebildet werden. Bevorzugte Werkstoffe die mittels Sprüh- und/oder Tauchvorgängen aufgebracht werden sind Bornitrit oder Graphit. Diese Werkstoffe können zum Beispiel in einer silikatischen Lösung auf der Oberfläche des Formkerns abgelagert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit die Trennschicht auf dem Formkern durch chemische Reaktionen in Gasatmosphären zum Beispiel durch Oxidation oder Nitrit- oder Sulfitbildung zu erzeugen. Als weitere chemische Verfahren stehen das Ätzen beziehungsweise das Beizen der Formkerne zur Verfügung. Die Wahl des verwendeten Verfahrens zum Aufbringen der Gleitschicht ist abhängig von der zu erzeugenden Schichtdicke und variiert in Abhängigkeit von den Schrumpfspannungen im verwendeten Gießverfahren und Werkstoff.

Eine minimale Beschichtungsdicke des Gleitstoffs auf dem Formkern liegt bei 0,01 mm, wobei bevorzugt eine Dicke von 0,01 mm – 1 mm aufgetragen wird.

Der Durchmesser des metallischen Formkerns variiert zwischen 0,5 mm und 2,5 mm. So wurden beispielsweise in einen Versuchsmotor Formkerne mit einem Durchmesser von 2 mm eingebracht, wodurch eine deutliche Reduzierung der Temperatur im Feuerstegbereich erzielt werden konnte. Liegen die Temperaturen im Feuerstegbereich unter Vollast zumeist über 200 Grad Celsius, so wurde im Versuchsmotor lediglich eine Temperatur von 180 Grad Celsius gemessen. Dabei ist der von der Wasserpumpe erzeugte Druck ausreichend um selbst in diesen geringen Querschnitten eine kontinuierliche Strömung des Kühlwassers durch den Kühlkanal zu gewährleisten.

Der Formkern wird vor dem Umgießen in die Gießform eingebracht. Dabei ist es unerheblich ob mit verlorenen Formen oder Dauerformen gearbeitet wird. Werden Dauerformen eingesetzt so kann der Formkern zum Beispiel in die Kokille vor dem Umgießen eingelegt werden. Bei verlorenen Formen, wie beispielsweise Sandkernen, kann der Formkern zum Beispiel in den Sandkern eingeschossen werden. Das Einbringen des Formkerns muß lediglich in der Weise geschehen, dass der Formkern nach dem Erstarren des Zylinderkurbelgehäuses durch den Bediener ergriffen und heraus gezogen werden kann. Dabei gibt es keine Einschränkungen in Bezug auf die Orientierung des Formkerns im Bereich der Zylinderzwischenwand. Der Formkern kann gebogen zwischen den an den äußeren Oberflächen des Motorblocks angeordneten Kühlkanälen angeordnet sein und die äußeren Kühlkanäle verbinden oder waagerecht in die Gießform eingebracht sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen:
1 das Schliftbild eines Schnitts durch einen Versuchskörper mit herausgezogenen Formkernen,
2 ein Ausführungsbeispiel als Schnitt durch ein Zylinderkurbelgehäuse im Bereich der Zylinderzwischenwand mit einem eingelegten Formkern.
In der 1 ist ein Versuchskörper 1 aus einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, der Form AlSi8Cu3 dargestellt. Die Probe weist eine Breite L von etwa 40 mm auf, was in etwa der Breite einer Zylinderzwischenwand entspricht. In die Probe wurden zwei unterschiedliche Drähte aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlichen Beschichtungen eingelegt. Dabei verläuft der obere Kühlkanal 2 waagerecht und der untere Kühlkanal 3 gebogen durch den Gußkörper. Die Formkörper zur Herstellung der Kühlkanäle 2, 3 wurden vor dem Umgießen mit einem Gleitstoff beschichtet. Bei dem oberen Formkern für den Kühlkanal 2 handelte es sich um einen oxidierten Kupferdraht und bei dem unteren Formkern für den Kühlkanal 3 um einen mit Bornitrit beschichteten Eisendraht. Beide Drähte konnten nach dem Umgießen und Erstarren der Aluminiumschmelze problemlos aus dem Gußkörper herausgezogen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun eine wesentliche Neuerung bei der Herstellung von Kühlkanälen im Bereich von Zylinderzwischenwänden geschaffen worden. Auf ein aufwendiges Entfernen von Formkernen kann durch den erfindungsgemäßen Gedanken verzichtet werden, was nicht nur ein wesentlicher Vorteil bei der Einsparung von Fertigungsschritten darstellt, sondern auch eine rückstandsfreie Entkernung des Kühlkanals ermöglicht. Weiterhin zeigt das Schliffbild des Versuchskörpers 1, dass die durch die Formkörper gebildeten Kühlkanäle 2, 3 eine hohe maßliche Gleichheit aufweisen. Um eine hinreichende Kühlung im Bereich der Zylinderzwischenwände zu ermöglichen, ist es natürlich ebenfalls vorstellbar mehrere Formkerne übereinander anzuordnen.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung eines Formkerns 4 in der Gießform eines Zylinderkurbelgehäuses 5. Der Formkern 4 ist dabei in den Sandkern 6 eingelegt und verbindet dabei die beiden äußeren Kühlmäntel 7, 8 des Zylinderkurbelgehäuses 5. Der Formkern 4 ist dabei im Bereich des Feuerstegs 9 am oberen Totpunkt (OT) und im Bereich der Zylinderzwischenwand angeordnet. Nach dem herkömmlichen Umgießen des Sandkerns 6 und Erstarren des Zylinderkurbelgehäuses 5 wird der Sandkern 6 mit den üblichen Mitteln, zum Beispiel mittels Rütteln, entfernt. Anschließend kann der biegsame Formkern 4 sehr leicht herausgezogen werden. Dazu muß der Bediener lediglich eines der Enden (10, 11) des Form kerns 4 mit der Zange ergreifen und herausziehen. Durch das Aufbringen des Gleitstoffs auf den Formkern 4 wird dabei einerseits das Herausziehen erleichtert und andererseits können die Schrumpfungen der Gußlegierung berücksichtigt werden. Neben der Unterstützung des Entfernens des Formkerns 4 aus dem Zylinderkurbelgehäuse kommt dem Gleitstoff die Aufgabe zu, ein Anbinden der Schmelze an den Formkern 4 zu vermeiden. Nach dem Entfernen des Formkerns 4 verbleibt in diesem Ausführungsbeispiel ein waagerechter Kühlkanal 12 in der Zylinderzwischenwand 13.

Claims

Gießverfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses (5), mit wenigstens einem Kühlkanal (2, 3, 12) in einer Zwischenwand (13) zwischen benachbarten Zylinderausnehmungen, bei dem – zunächst ein Formkern (4) zur Bildung des Kühlkanals (2, 3, 12) in die Gießform eingebracht, – danach der Formkern (4) umgossen und – nach der Erstarrung der Formkern (4) aus dem Zylinderkurbelgehäuse (5) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein metallischer Draht (4) oder biegsamer, rohrförmiger Formkern (4) in die Gießform eingebracht und – der Formkern (4) nach der Erstarrung aus dem Zylinderkurbelgehäuse (5) herausgezogen wird.
Gießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (4) vor dem Einbringen in die Gießform mit einem thermisch beständigen Gleitstoff beschichtet wird.
Gießverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstoff auf den Formkern (4) mittels eines Sprüh- und/oder Tauchverfahrens aufgebracht wird.
Gießverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitstoffe aus Bornitrit oder Graphit gebildet werden.
Gießverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstoff auf die Oberfläche des Formkerns (4) mittels chemischer Reaktionen aufgebracht wird, wobei Oxyde, Nitrite oder Sulfide in Gasatmosphären gebildet oder Ätz- oder Beizverfahren verwendet werden.
Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstoff mit einer Beschichtungsdicke von mehr als 0,01 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,5 mm – 2,5 mm, aufgetragen wird.
Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkern (4) aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Nickel oder deren Legierungen verwendet wird.
Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (4) in die Gießform eingeschossen oder eingelegt wird.