DE10330520A1

DE10330520A1 - Production of a cylinder crankcase with at least one cooling channels in an intermediate wall between adjacent cylinder recesses useful in the automobile industry for shortening vehicles

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

Production of a cylinder crankcase (5) with at least one cooling channels in an intermediate wall between adjacent cylinder recesses, where a mold core (4) is first introduced for forming the cooling channels in a casting mold, the mold core is recast, and after solidification the mold core is removed from the crankcase, with introduction of a wire (4) or a bendable tube-shaped mold core into the mold, and mold core is withdrawn from the crankcase after solidification.

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.The invention relates to a casting process for the production of a cylinder crankcase with at least one cooling channel in an intermediate wall between adjacent cylinder recesses, at first a mandrel to form the cooling channel into the mold introduced, then cast around the mold core and after solidification the mandrel is removed from the cylinder crankcase.

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.To meet the requirements of the automotive industry in terms of a compact design of engines, the engine manufacturers strive to ensure that the overall length of the Reduce engines. For this it is necessary to use the cylinder recesses to arrange a row of cylinders close to each other, which is accordingly result in thin cylinder walls. Due to the closer combustion chambers and the reduced heat dissipation subject to these thinned partitions, in particular in the top land area, a raised one thermal load, which makes it necessary in the partition to provide a cooling channel.

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.A method for introducing cooling channels into the cylinder partition walls is from the European patent application EP 0 197 365 known. In this method, separate cores are used, which bridge the two long sides of the jacket core in the later land areas of the cylinder and serve to form cooling water channels that connect the two longitudinal halves of the cooling water jacket to one another and thereby ensure heat dissipation in the area of the cylinder partition wall as a result of water circulation , The cores for the formation of the cooling water channels are expediently formed from zircon sand with a very fine grain size in order to achieve a high bulk density and thus a high strength of the core.

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.From the European patent application EP 0 974 414 a method for producing an engine block with a cooling channel arranged in the area of the intermediate walls of the cylinder is also known. In this engine block with closely spaced cylinder recesses, a cooling channel is created in an intermediate cylinder wall by casting around a mold core. In this case, a material which is soluble, combustible and / or brittle in a liquid is preferably used for the casting mold core, so that the casting mold core can be removed again from the channel after the casting has solidified. The mold core is held in the mold only at its ends, so that a cooling channel is formed which is limited only by a skin of the casting material.

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.A disadvantage with the from the stand the casting process known in the art is that the mold cores can only be removed from the mold using expensive means solidified cylinder housings can be removed. There is always a risk that remnants of the mold core remain and thus there is insufficient cooling of the partition is. The leftovers can also in the cooling circuit motor and damage seals or conveyor elements.

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.The object of the invention is To improve methods of the type mentioned at the outset in such a way that with minimized production costs, less time and improved qualities can be manufactured. This object is achieved according to the invention solved, that a metallic wire or a flexible tubular mandrel into the mold introduced and the mold core pulled out of the cylinder crankcase after solidification becomes. Through the idea according to the invention, is now the possibility created a cylinder crankcase with minimal production effort and reproducible high quality. In particular the metallic wire or elastically flexible tubular mold core can after casting from the cylinder crankcase be pulled out. By pulling out the mandrel, the gripped in the simplest way by an operator with a pair of pliers and can be pulled out to the conventional elaborate process for removing the mandrel from the cylinder crankcase become. The The mold core can only be inserted into the mold in such a way that the ends of the mandrel protrude from the cylinder crankcase after casting.

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.Regarding the ones to be used In principle, metals for the production of the mold core are no restrictions close. The material only has to higher Melting point than that of the casting material feature. The metals iron, copper, aluminum, or nickel are preferred their alloys, the alloys being flexible on the one hand, for example in the form of wires, and on the other hand must have a corresponding crack resistance, so that they can be pulled out of the finished cylinder crankcase. Of course also all Alloys of the metals mentioned can be used, but also others as the metals mentioned are used as alloy components can.

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.In order to take into account the shrinkage stresses of the cylinder crankcase and to be able to pull out the mandrel more easily, it is proposed according to the invention to coat the mandrel with a thermally resistant lubricant. The lubricant must also have a higher melting point than the casting material in order to not to evaporate during casting or to dissolve with the melt. Various manufacturing methods are available as methods for applying the lubricant to the mandrel. The lubricants can either be applied by means of a spray and / or immersion process or they can be deposited or formed on the surface of the mandrel by means of chemical reactions. Preferred materials that are applied by spraying and / or dipping processes are boron nitride or graphite. For example, these materials can be deposited in a silicate solution on the surface of the mandrel. There is also the possibility of producing the separating layer on the mandrel by chemical reactions in gas atmospheres, for example by oxidation or nitrite or sulfite formation. Etching or pickling of the mold cores are available as further chemical processes. The choice of the method used to apply the sliding layer depends on the layer thickness to be produced and varies depending on the shrinkage stresses in the casting method and material used.

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.A minimal coating thickness the lubricant on the mandrel is 0.01 mm, with preference a thickness of 0.01 mm - 1 mm is applied.

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.The diameter of the metallic Mold core varies between 0.5 mm and 2.5 mm. For example in a test engine mold cores with a diameter of 2 mm introduced, which significantly reduces the temperature in the Top land area could be achieved. Are the temperatures in the top land area under full load mostly over 200 degrees Celsius, so it was in the test engine only a temperature of 180 degrees Celsius measured. The pressure generated by the water pump is sufficient to be continuous even in these small cross sections flow of the cooling water through the cooling channel to ensure.

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.The mold core is placed in the mold before the casting. It is irrelevant whether with lost forms or permanent forms is worked. If permanent molds are used, the mold core can For example, be placed in the mold before the casting. When lost Shapes, such as sand cores, can be used in the mold core, for example be shot into the sand core. The insertion of the mandrel only has to in such a way that the mold core after the solidification of the cylinder crankcase can be gripped by the operator and pulled out. there there are no restrictions with regard to the orientation of the mandrel in the area of the cylinder partition. The mandrel can be bent between the on the outer surfaces of the Engine blocks arranged cooling channels arranged be and connect the outer cooling channels or horizontally into the mold be introduced.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.The invention is explained below of drawings closer explained and described.

Es zeigen:Show it:

1 das Schliftbild eines Schnitts durch einen Versuchskörper mit herausgezogenen Formkernen, 1 the cross-section of a section through a test specimen with pulled-out cores,

2 ein Ausführungsbeispiel als Schnitt durch ein Zylinderkurbelgehäuse im Bereich der Zylinderzwischenwand mit einem eingelegten Formkern. 2 an embodiment as a section through a cylinder crankcase in the region of the intermediate cylinder wall with an inserted mold core.

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.In the 1 is a test body 1 made of a hypoeutectic aluminum-silicon alloy, the form AlSi8Cu3. The sample has a width L of approximately 40 mm, which corresponds approximately to the width of an intermediate cylinder wall. Two different wires made of different materials and with different coatings were inserted into the sample. The upper cooling channel runs here 2 horizontal and the lower cooling channel 3 bent through the cast body. The moldings for the production of the cooling channels 2 . 3 were coated with a lubricant before casting. With the upper mold core for the cooling channel 2 it was an oxidized copper wire and the lower mandrel for the cooling channel 3 around an iron wire coated with boron nitride. After the aluminum melt had been cast and solidified, both wires could be pulled out of the cast body without any problems. With the method according to the invention, a significant innovation has now been created in the production of cooling channels in the area of cylinder partition walls. An elaborate removal of mold cores can be dispensed with by the concept according to the invention, which is not only an essential advantage in saving manufacturing steps, but also enables residue-free coring of the cooling channel. The micrograph of the test specimen also shows 1 that the cooling channels formed by the molded body 2 . 3 have a high degree of dimensional equality. In order to enable adequate cooling in the area of the intermediate walls of the cylinder, it is of course also conceivable to arrange several mold cores one above the other.

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.The 2 shows an embodiment of an arrangement of a mandrel 4 in the mold of a cylinder crankcase 5 , The mold core 4 is in the sand core 6 inserted and connects the two outer cooling jackets 7 . 8th of the cylinder crankcase 5 , The mold core 4 is in the area of the top land 9 arranged at top dead center (TDC) and in the area of the cylinder partition. After the conventional pouring of the sand core 6 and solidifying the cylinder crankcase 5 becomes the sand core 6 removed with the usual means, for example by shaking. Then the flexible mold core 4 can be pulled out very easily. To do this, the operator only has to 10 . 11 ) of the shape core 4 grasp with pliers and pull out. By applying the lubricant to the mandrel 4 pulling out is made easier on the one hand and on the other hand the shrinkage of the cast alloy can be taken into account. In addition to supporting the removal of the mandrel 4 From the cylinder crankcase, the lubricant has the task of binding the melt to the mandrel 4 to avoid. After removing the mandrel 4 In this embodiment, a horizontal cooling channel remains 12 in the cylinder partition 13 ,

Claims

Casting process for the production of a cylinder crankcase ( 5 ), with at least one cooling channel ( 2 . 3 . 12 ) in a partition ( 13 ) between adjacent cylinder recesses, in which - initially a mandrel ( 4 ) to form the cooling channel ( 2 . 3 . 12 ) placed in the mold, - then the mold core ( 4 ) and - after the solidification of the mold core ( 4 ) from the cylinder crankcase ( 5 ) is removed, characterized in that - a metallic wire ( 4 ) or flexible, tubular mandrel ( 4 ) placed in the mold and - the mold core ( 4 ) after solidification from the cylinder crankcase ( 5 ) is pulled out.

Casting method according to claim 1, characterized in that the mandrel ( 4 ) is coated with a thermally resistant lubricant before being introduced into the mold.

Casting method according to claim 2, characterized in that the lubricant on the mold core ( 4 ) is applied by means of a spray and / or immersion process.

casting process according to claim 2, characterized in that the lubricants Boron nitride or graphite are formed.

Casting method according to claim 2, characterized in that the lubricant on the surface of the mandrel ( 4 ) is applied by means of chemical reactions, oxides, nitrites or sulfides being formed in gas atmospheres or using etching or pickling processes.

casting process according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the lubricant with a coating thickness of more than 0.01 mm, preferably with a thickness of 0.5 mm - 2.5 mm, applied becomes.

Casting method according to one of claims 1 to 6, characterized in that a mold core ( 4 ) made of iron, copper, aluminum, nickel or their alloys.

Casting method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the mold core ( 4 ) is shot or inserted into the mold.