DE112009000915T5 - Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes mithilfe einer Opferhülse - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes mit einer vorbestimmten Zusammensetzung, der eine innere zylindrische Wandfläche aufweist, wobei die zylindrische Wandfläche zumindest eine vorbestimmte innere Querschnittsdimension und eine Höhe aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass:
ein Druckgusswerkzeug mit einem zylindrischen Flächenabschnitt vorgesehen wird, wobei der zylindrische Flächenabschnitt eine Höhe zum Bilden der zylindrischen Fläche des Gegenstandes und einen Querschnitt aufweist, der kleiner ist als der Querschnitt der zylindrischen Wandfläche;
eine hohle Hülsenbuchse auf dem Zylinderflächenabschnitt des Werkzeuges angeordnet wird, wobei die Buchse eine Dicke, eine Höhe, eine Querschnittsform und eine äußere Fläche aufweist, um die innere zylindrische Wandfläche des Gegenstandes zu definieren, wobei die hohle Buchse aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist;
eine Schmelze aus der Aluminiumlegierung des Gegenstandes gegen die äußere Fläche der Hülsenbuchse gegossen wird, wobei die Schmelze gegen die Buchsenfläche erstarrt und daran bindet, wobei die Dicke der Hülsenbuchse vorbestimmt ist, um einem Schmelzen oder Verzug durch...

Description

• Technisches Gebiet
• Diese Erfindung bezieht sich auf das druckbeaufschlagte Gießen von Aluminiumgegenständen, die innere zylindrische Flächen, insbesondere Flächen aufweisen, die geformt werden, indem eine Aluminiumlegierungsschmelze gegen eine oder mehrere Metall-Dauerformwerkzeugflächen gegossen wird und später die Formflächen von der/den Fläche/n des erstarrten Aluminiumgegenstandes getrennt werden. In einer illustrativen Ausführungsform betrifft diese Erfindung die Verwendung von Opfer-Aluminiumlegierungshülsen, die auf oder über den Formwerkzeugflächen in Vorbereitung auf das Hochdruckgießen von Aluminiumlegierungsmotorzylinderblöcken mit mehreren Zylinderbohrungen pro Gussteil angeordnet werden.
• Hintergrund der Erfindung
• Mehrzylindermotorblöcke wurden lange Zeit durch Gießprozesse produziert und dann maschinell bearbeitet und in Hubkolben-Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge und für andere Leistungsanforderungen montiert. Die Gussmotorblöcke einschließlich der Zylinderinnendurchmesser oder -flächen (gelegentlich als „Zylinderbohrungen” bezeichnet) werden für eine Präzisionspassung mit anderen Motorteilen einschließlich eines Zylinderkopfes und der Kolben (mit deren Kolbenringen), die sich in Hochgeschwindigkeitskontakt mit den Zylinderflächen in einem laufenden Motor hin- und herbewegen, maschinell bearbeitet. Es wurden Formen für solche Gussteile mit inneren runden zylindrischen Flächen aus verschiedenen Materialien hergestellt, die Sandformen mit Sandkernen zum Definieren der inneren zylindrischen Flächen und Metall-Dauerformen mit zurückziehbaren Kernstücken (Dornen) zum Formen der zylindrischen Flächen umfassen. Solche Mehrzylindergussteile wurden lange Zeit aus Gusseisen und in den letzten Jahrzehnten aus Aluminiumlegierungen hergestellt und können in Zukunft aus Magnesiumlegierungen hergestellt werden.
• Druckgussaluminiumlegierungs-Zylinderblöcke für Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren, insbesondere Benzinmotoren, wurden jahrelang produziert. Die Zylinderblöcke werden typischerweise unter Verwendung einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierungszusammensetzung gegossen, die in ihrem geschmolzenen Status ein geeignetes Formfüllvermögen zum Bilden der komplizierten Formen von Zylinderblöcken mit ihren eng beabstandeten Zylinderbohrungen, Kühlmitteldurchgängen und anderen Motorblockmerkmalen bereitstellt. Allerdings haben die Aluminiumlegierungszusammensetzungen nicht genug Härte und Verschleißfestigkeit auf den Zylinderflächen gezeigt, um einer Beschädigung durch Kolben und Ringe, die sich in einem laufenden Motor in Schiebeeingriff mit den Zylinderflächen hin- und herbewegen, zu widerstehen. Daher wurden verschleißfeste Eisenzylinderbuchsen (oder aus anderen verschleißfesten Materialien) in der Gießform angeordnet und die Aluminiumlegierung um die Buchsen herum gegossen, während der Zylinderblock geformt wurde. Die erstarrte Aluminiumzusammensetzung bildet den Großteil des Motorblocks, während die eingegossenen Buchsen an dem umgebenden Aluminium verankert sind und harte Zylinderwandflächen bereitstellen.
• Nun wurde zumindest eine Aluminiumlegierungszusammensetzung entwickelt, die sowohl ein Formfüllungsvermögen zum Gießen von Motorblöcken als auch Verschleißbeständigkeit gegenüber Kolben/Ringverschleiß bereitstellt. Diese Legierungen können in Sandformen mit Sandkernen gegossen werden, um Mehrzylindermotorblöcke ohne spezielle verschleißfeste Buchsen herzustellen. Für höhere Produktionsvolumina ist es jedoch erwünscht, Hochdruck-Druckgussmaschinen zum Formen solcher Aluminiumlegierungen zu verwenden. Wenn die Aluminiumlegierungsschmelzen jedoch in direkten Kontakt mit Metalldornen unter hohem Druck gebracht werden, haftet die Aluminiumzusammensetzung an den Dornflächen. Außerdem schrumpft das Material, während es erstarrt eng gegen die Dorne und es ist schwierig, die Gießwerkzeuge aus dem erstarrten Zylinderblock zu ziehen, ohne kostspielige Werkzeuge und/oder die inneren zylindrischen Flächen des Gussteiles zu beschädigen.
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zum Hochdruckgießen von Legierungsschmelzen auf Aluminiumbasis gegen Metallgießwerkzeugflächen (oft Eisenmetallflächen) bereitzustellen, welches das Kleben der Aluminiummaterialien an Dornen und anderen Werkzeugflächen vermeidet. Das Verfahren kann auch hilfreich beim Druckgießen von Magnesiumlegierungen und anderen Materialien, insbesondere in Gießanordnungen sein, wenn das Metall nach innen gegen die Werkzeugfläche schrumpft oder sonst wie daran haftet.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Beim Hochdruckgießen von Aluminiumlegierungsgegenständen sind Metalldauerformwerkzeuge entworfen und aufgebaut, um eine Füllung aus einer Aluminiumlegierungsschmelze aufzunehmen, die gegen Werkzeugflächen fließt, um die äußeren und inneren Flächen des Gegenstandes zu definieren. Die Werkzeuge umfassen zwei oder mehrere komplementäre Elemente, die geschlossen werden, um die Metallschmelze aufzunehmen und sie zu einer gewünschten Gegenstandsform abzukühlen und erstarren zu lassen. Dann werden die Werkzeuge geöffnet, um den erstarrten Gegenstand herauszunehmen. Dieser Prozess kann bei der Fertigung von vielen gleichen oder identischen Aluminiumgussgegenständen viele Male wiederholt werden.
• Wenn der Gegenstand innere Flächen aufweist wie z. B. einen Zylinderblock mit Zylinderbohrungen, wird/werden eine oder mehrere Gießwerkzeugfläche/n verwendet, um solche inneren Flächen des Gussgegenstandes zu formen. Diese Werkzeuge werden oft als Dorne bezeichnet und sie können an einem anderen Element des Gießwerkzeuges zur Bewegung in eine Position für einen Gießvorgang angebracht sein. Die Metallschmelzenfüllung fließt gegen die Dorne (und die anderen Formflächen), die durch innere Kühlleitungen oder durch Besprühen der Formflächen zwischen aufeinanderfolgenden Gießvorgängen gekühlt sein können oder nicht, und erstarrt gegen die Dornflächen, um innere Flächen des Gegenstandes zu bilden. Nachdem die Metallfüllung erstarrt ist, werden die Gießwerkzeuge geöffnet und die Dorne aus den hohlen Abschnitten des Gegenstandes herausgezogen. Wie erwähnt, kann die Aluminiumschmelze unter bestimmten Bedingungen an den Werkzeugflächen kleben und während das Aluminium erstarrt, schrumpft es gegen den Dorn oder die Dorne und macht es schwierig, die Werkzeuge herauszuziehen, ohne entweder das Gussteil oder die Werkzeuge zu beschädigen. Selbstverständlich verändert Gussmetall, das an der Dornfläche klebt, die festgelegte Form der Formfläche. Dieses Problem kann verschärft sein, wenn ein Gegenstand wie z. B. ein Mehrzylindermotorblock zwei bis sechs eng beabstandete innere Zylinderbohrungen aufweist.
• Eine Methode der Erfindung wird in der Ausführungsform eines Mehrzylindermotorblocks mit seinen mehreren runden inneren Zylinderflächen veranschaulicht. Allerdings ist das Verfahren dieser Erfindung offensichtlich auf das Dauerformgießen von anderen Gegenständen mit anderen inneren Flächenformen anwendbar. Eine Methode der Erfindung wird auch bei Verwendung von Aluminiumlegierungen veranschaulicht, die Erfindung kann aber nützlich beim Druckgießen von Magnesiumlegierungen und anderen Legierungen sein.
• In Methoden dieser Erfindung wird eine hohle, relativ dünnwandige zylindrische Hülse aus einer Aluminiumlegierung zur Anordnung über jedem/r Dorn oder anderen Werkzeugflächen, die verwendet werden, um innere Zylinderflächen des Motorzylinderblocks zu bilden, hergestellt (wenn Aluminiumlegierungen gegossen werden). Zum Beispiel werden die Dauerformwerkzeuge für einen Zylinderblock mit sechs Zylindern in Reihe üblicherweise sechs ähnlich geformte, eng beabstandete Dorne in Reihe aufweisen, die an einem Gießwerkzeug angebracht sind, um die inneren Flächen des Zylinderblocks, z. B. die Zylinderbohrungen, zu definieren. Gemäß einer Methode der Erfindung wird eine zylindrische Hülse über jedem Dorn angeordnet, bevor die Druckgusswerkzeuge geschlossen werden, um eine Füllung einer Aluminiumlegierung aufzunehmen. Der Innendurchmesser jeder Hülse gestattet es, die Hülse einfach über einer äußeren Fläche eines jeden Dorns anzuordnen und gegen diese zu passen, um die Hülse für die Metallschmelzenfüllung entsprechend zu positionieren und zu fixieren. Die Länge der Hülse und ihr Außendurchmesser sind dimensioniert, um eine innere Fläche des Gussteiles zu bilden. Daher bedecken die Aluminiumlegierungshülsen die Dorne und stellen Formflächen für die inneren Zylinderflächen des Zylinderblocks bereit. Wenn eine Aluminiumlegierungsgussschmelze in die geschlossenen Gießwerkzeuge gelangt, fließt sie gegen die Hülsenflächen und die anderen Formflächen des Werkzeuges. Die inneren Zylinderflächen sind jedoch durch die jeweiligen Hülsenaußenflächen definiert. Das Gussmetall erstarrt gegen die Hülsen und schrumpft gegen diese. Die Hülsen werden Teil des Gussmetalls. Während das Gussmetall gegen weitere Werkzeugflächen erstarrt, um äußere Flächen des Gussgegenstandes zu bilden, neigt die Metallschrumpfung dazu, das Gussmetall von diesen äußeren Werkzeugflächen zu trennen. Wenn das Gießwerkzeug wieder geöffnet wird, werden die Dorne von den inneren Flächen der Aluminiumlegierungshülsen zurückgezogen, ohne zu kleben, wie es der Fall wäre, wenn das Aluminium direkt gegen die Dorne erstarrt wäre. Wenn das neue Gussteil aus den Druckgusswerkzeugen herausgenommen wird, haften die Hülsen an den inneren Zylinderwänden des Motorzylinderblocks.
• Typischerweise werden mehrere Flächen eines neu gegossenen Motorzylinderblocks zur Montage mit passenden Teilen des Motors maschinell bearbeitet. Die Zylinderbohrungen des Motors werden oft sorgfältig maschinell auf Rundheit bearbeitet, und um sie auf einen Durchmesser zu vergrößern, um ihre jeweiligen Kolben/Ringanordnungen aufzunehmen. In solchen maschinellen Bearbeitungsvorgängen werden zumindest einige von den dünnwandigen Hülsen von dem Gussteil entfernt. In bevorzugten Ausführungsformen der Gusszylinderblockfertigung wird die Hülse vollständig maschinell herausgearbeitet und auch Abschnitte des Gussmetalls werden entfernt.
• Wie oben erwähnt, besteht die Hülse aus einer Aluminiumlegierung. In vielen Ausführungsformen der Erfindung kann es bevorzugt sein, die Hülse aus einer Aluminiumlegierungszusammensetzung herzustellen, die im Wesentlichen dieselbe ist, wie die Gusslegierungszusammensetzung. Dies stellt die Kompatibilität der Gusslegierung mit der Hülsenfläche sicher und erlaubt eine einfache Wiederverwendung von Spänen der maschinellen Bearbeitung aus der Hülsenentfernung. Alternativ kann die Hülse aus einer Legierung bestehen, die, während sie nicht die gleiche Zusammensetzung aufweist wie die Gusslegierung, aus einer Zusammensetzung besteht, welche die Wiederverwertung der Späne nicht wesentlich beeinflusst, zum Beispiel eine Legierung mit schlanker chemischer Zusammensetzung. Solche Legierungen „mit schlanker chemischer Zusammensetzung” können bevorzugt sein, da sie problemlos und schnell extrudieren und somit eine kostengünstige Fertigung mit einer dünnen Opferhülse ermöglichen. Somit wird in vielen Methoden der Erfindung die Hülse beim Gießen und maschinellen Bearbeiten des Gegenstandes geopfert. In diesen Ausführungsformen besteht die einzige Funktion der Hülse darin, die Dornflächen während des Gießens und der Trennung des Gussteiles von den Gießwerkzeugen zu schützen.
• Es wird einzusehen sein, dass die Länge, der Innendurchmesser (oder eine andere Abmessung) und ein Außendurchmesser (oder eine andere Abmessung) der Hülse an entsprechende Gießwerkzeug- und Gussgegenstandabmessungen angepasst sind.
• Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung verständlich.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• 1 ist eine Draufsicht der oberen Fläche eines Aluminium-Legierungsgussteiles für einen Reihen-Sechszylinder-Motorzylinderblock. Dieser Gegenstand ist repräsentativ für einen Gussgegenstand mit mehreren inneren Flächen, die vorteilhafterweise anfänglich durch Hochdruckgießen unter Verwendung von Aluminiumlegierungs-Opferhülsen gemäß der vorliegenden Erfindung geformt sind.
• 2 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Druckgusswerkzeuges mit einem Dorn und einer Aluminiumlegierungs-Opferhülse zum Gießen des inneren Zylinderflächenbereiches des Zylinderblocks von 1 an dem an der Stelle 2-2 angegebenen Schnitt.
• 3 ist ein Schrägriss einer hohlen, dünnwandigen Aluminiumlegierungshülse, wie mit der in 2 gezeigten Druckgusswerkzeugbestückung verwendet.
• 4 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht eines Zylinderblocks, wie gegossen, in Vorbereitung auf eine maschinelle Bearbeitung, die das Entfernen einer Opferbuchse und einen Abschnitt der Gusszylinderwandfläche veranschaulicht.
• Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
• Es gibt eine Reihe von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen bei der Verwendung von buchsenlosen Aluminiumzylinderblöcken einschließlich niedrigerer Kosten, Massenreduktion, Fertigungszuverlässigkeit und Einsatzdauerhaftigkeit. Allerdings war das Hochdruckgießen eines buchsenlosen Zylinderblocks problematisch.
• Die Bohrung des Blocks benötigt einen großen Kern oder Dorn (z. B. 75 mm Durchmesser mal 140 mm Länge) und eine Formschräge an der Werkzeugbestückung ist erforderlich, um den Ausstoß des Blocks zu ermöglichen. Allerdings verkompliziert die Formschräge (selbst wenn sie nur 1 Grad beträgt) die maschinelle Bearbeitung an der Schnitttiefe am Boden der Bohrung und erfordert daher eine maschinelle Bearbeitung außerhalb der Produktionslinie, um die Bohrung zum Aufbohren und Honen „gerade zu machen”. Sie kann auch eine Porosität unter der Oberfläche in dem Gussteil freilegen. In dem Beispiel der 140 mm langen Bohrung wäre die Differenz im Bohrungsdurchmesser für eine Formschräge von 1 Grad ungefähr 5 mm. Außerdem zeigte sich selbst bei Vorhandensein einer Formschräge, dass die thermische Kontraktion des Aluminiumgussteiles während des Erstarrens und Abkühlens bewirken kann, dass der Block gegen die Dorne bindet und sie von jedem Ende des Sechszylinderblocks quetscht, sodass der Ausstoß des Gussteiles noch immer nicht ohne Beschädigung an dem Gussteil oder der Werkzeugbestückung möglich ist.
• Diese Erfindung ist eine Alternative zu einer Formschräge. Sie besteht aus der Verwendung einer dünnwandigen Hülse, die auf den Bohrungsdorn passt und das Gießen und Ausstoßen des buchsenlosen Blocks ermöglicht. Die Hülse ist dünn genug, um während des anschließenden Aufbohrens und der Endbearbeitung des Zylinderblocks entfernt zu werden. Die Herstellung dieser Opferhülse mit derselben Legierung wie der Gusszylinderblock besitzt den Vorteil, die maschinelle Bearbeitung nach dem Gießen, die Fertigung und die Wiederverwertung zu vereinfachen, da keine Handhabungsprozeduren notwendig sind, wie es der Fall wäre, wenn eine Hülse aus einer anderen Zusammensetzung (z. B. Stahl) verwendet würde. Die Hülse kann durch Gießen und maschinelle Bearbeitung oder bevorzugt durch Strangpressen produziert werden, wobei Letzteres ein kostengünstigeres Verfahren ist.
• Aluminiumlegierungen, die für Aluminiummotorblöcke (die keine verschleißfesten Eisenbuchsen oder dergleichen benötigen) geeignet sind, waren typischerweise hypereutektische Aluminium-Siliziumzusammensetzungen wie z. B. A390. Diese Legierung kann druckgegossen werden wie z. B. in automatischen Getriebepumpenkörpern und -deckeln, war jedoch zumindest teilweise auf Grund der vorstehend ausgeführten Klebeprobleme nicht geeignet für Druckgussmotorblöcke. In jüngster Vergangenheit hat sich gezeigt, dass naheutektische Zusammensetzungen die geeignete Verschleißfestigkeit für Motoranwendungen aufweisen. Diese Legierungen weisen 10,5–13 Gew.-% Si mit weniger als 5 Gew.-% anderen Legierungselementen, die für ein verbessertes Gussteil zugesetzt werden, und Festigungsmittel auf. Jüngste, nicht veröffentlichte Berichte aus Europa zeigen, dass andere Hersteller hypoeutektischen Aluminium-Siliziumlegierungen mit 9–10 Gew.-% Si für diese Anwendung nachgehen. Diese Legierungen kommen traditionellen Druckgusslegierungen wie z. B. A380 oder A383 nahe. All diese Legierungen würden in dieser Anwendung aus dieser Erfindung Nutzen ziehen.
• 1 zeigt eine Draufsicht eines Zylinderblockgussteiles 10 für einen benzinbetriebenen Reihensechszylinder-Verbrennungsmotor. Die Methode der Erfindung wird in dem Beispiel dieser speziellen Motorkonfiguration beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. In dem Zylinderblock 10 weisen die sechs Zylinder 12A bis 12F jeweils die identische Form und Größe auf, und die Längsachsen (zu sehen als Punkte 14 in 1) der Zylinder sind parallel, gleich beabstandet und koplanar. In dieser Veranschaulichung ist der Zylinderblock zusammengegossener Block, da keine Kühlmitteldurchgänge in den fünf gemeinsamen Wänden 16 zwischen den sechs Reihenzylindern 12A–12F gebildet sind. Auf Grund der engen Ausrichtung der sechs Zylinder war es schwierig, diesen Block mit einer Hochdruckgusswerkzeugbestückung zu gießen und den Block von den sechs eng beabstandeten Dornen zu entfernen.
• Der Zylinderblock 10 weist einen flachen oben liegenden Oberseitenabschnitt 18 auf. Wie bei der Montage eines Motors gut bekannt, werden ein Zylinderkopf und eine Kopfdichtung, die beide nicht gezeigt sind, an den Zylinderblock 10 gegen die Oberseitenfläche 18 geschraubt. Der Zylinderkopf stellt den oberen oder Deckenabschnitt eines jeden Brennraumes bereit, der jedem Zylinder zugehörig ist. Luft/Kraftstoff-Einlassventile, Auslassventile und eine Zündkerze für jeden Zylinder sind dem Zylinderkopf zugeordnet. Selbstverständlich wird ein Kolben mit seiner Pleuelstange, nicht gezeigt, in jedem Zylinder 12A–12F montiert. Das untere Ende einer jeden Pleuelstange ist mit einer Kurbelwelle, nicht gezeigt, verbunden, die teilweise in dem unteren Abschnitt des Zylinderblocks 10 enthalten ist. Ein Kurbelgehäuse, nicht gezeigt, das an die untere Oberseite des Blocks 10 geschraubt ist, schließt den Rest der Kurbelwelle ein.
• Die erforderliche Form des Blocks ist auf Grund der Notwendigkeit einer Kühlung komplexer hergestellt. Ein herkömmliches flüssiges Kühlmittel, das Wasser und Ethylenglykol oder Propylenglykol umfasst, wird mit einer Wasserpumpe, nicht gezeigt, durch Kühlmitteldurchgänge in den Zylinderblock 10 gepumpt. In der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, tritt Kühlmittel in den Durchgangseinlass 20 an einem Ende der Reihe von Zylindern nahe dem Zylinder 12A ein. Die Kühlmittelströmung teilt sich bei 22 auf und strömt durch die Durchgänge 24 um Abschnitte nur der Umfangswände herum, die jeden Zylinder definieren. Da keine Kühlmitteldurchgänge in gemeinsamen Zylinderwandabschnitten 16 der Reihe von sechs Zylindern 12A–12F vorhanden sind, verläuft die Kühlmittelströmung entlang der Seiten nur der Reihe von Zylindern. Das Kühlmittel kann aus dem Block austreten und in den Zylinderkopf, nicht gezeigt, eintreten. Es hat sich als schwierig erwiesen, einen Zylinderblock 10 mittels Druckgießen herzustellen, ohne diese Erfindung zu verwenden. Der Ausstoß des Gussteiles aus den Gießwerkzeugen beschädigt oft die Zylinderflächen und benachbarte Kühldurchgänge, sodass Risse Undichtigkeit und das Verwerfen der Gussteile mit sich bringen.
• Diese Erfindung wird beim Hochdruck-Aluminiumlegierungsgießen eines Zylinderblocks wie dem in 1 gezeigten verwendet, der eine (und üblicherweise mehrere) durch eine Metallwerkzeugfläche geformte innere Zylinderfläche aufweist.
• 2 veranschaulicht einen fragmentarischen Abschnitt von Dauerformwerkzeugen zum Hochdruckgießen eines Mehrzylindermotorblocks, wie in 1 veranschaulicht. Der veranschaulichte Abschnitt der Werkzeugbestückung ist zum Gießen eines Abschnitts einer der Zylinderflächen (12D) an einem bei 2-2 von 1 angegebenen Bereich.
• In 2 ist ein Abschnitt einer Mehrelement-Druckgussform-Werkzeugbestückung 40 in der „geschlossen Position der Druckgießform” veranschaulicht. Die Mehrelement-Formwerkzeugbestückung umfasst ein oberes Druckgießformelement 42 (mit zwei teilweise gerundeten Kernen 64 zum Bilden von Kühldurchgängen an den Seiten der Zylinderbohrung), ein unteres Druckgießformelement 44 und seitliche Druckgießformelemente 46 und 48. Diese Druckgießformelemente sind aus einer geeigneten Stahlzusammensetzung gebildet (typischerweise maschinell bearbeitet), um Hochdruckgussarbeitsschritten und dem Einfluss einer druckgießbaren Aluminiumlegierungsschmelze standzuhalten. Abschnitte dieser Elemente (oder anderer, die nicht gezeigt sind) können mit einem nicht gezeigten Mittel erwärmt werden, um eine Füllung der Legierungsschmelze unterzubringen, und Abschnitte der Elemente (oder anderer, die nicht gezeigt sind) können mit einem nicht gezeigten Mittel gekühlt werden, um die Erstarrung der Schmelzenfüllung zu erleichtern, nachdem sie den durch solche Permanentformwerkzeugelemente definierten Gießhohlraum entsprechend gefüllt hat. Einige der Werkzeugelemente sind relativ zu anderen aus einer offenen Druckgießformposition, nicht gezeigt, in die veranschaulichte, geschlossene Druckgießformposition bewegbar.
• Auf der unteren Druckgießform 44 steht ein allgemein runder zylindrischer Dorn 50. Der Dorn 50 weist eine flache Bodenfläche 52 zum Stehen auf dem unteren Druckgießformelement 44 und ein oberes Nasenelement 54 zum Sperreingriff mit dem oberen Druckgießformelement 42 auf. Der Dorn 50 weist eine obere runde zylindrische Fläche 56 und eine untere runde zylindrische Fläche 58 auf. Aus einem Grund, der bald offensichtlich wird, weist die obere zylindrische Fläche 56 einen etwas größeren Durchmesser auf als die untere zylindrische Fläche 58.
• Eine hohle, runde, relativ dünnwandige zylindrische Hülse 60 wurde über dem Dorn 50 angeordnet. Ein Ende der zylindrischen Hülse ruht auf dem unteren Werkzeug 44. Wie in 2 ersichtlich, passt ein oberer Abschnitt der positionierten Hülse 60 eng gegen die obere zylindrische Fläche 56 des Dorns 50, und ein unterer Abschnitt der positionierten Hülse ist von der unteren zylindrischen Fläche 58 des Dorns 50 beabstandet. In dieser Veranschaulichung dient das Verhältnis des Flächenkontakts (z. B. die relativen Längen der Flächen 56, 58) zwischen der Hülse 60 und dem Dorn 50 dazu, die Hülse 60 zum Druckgießen sicher zu positionieren, jedoch ein einfaches Entfernen der Hülse und des Gussteils zu ermöglichen, wenn die Druckgießformelemente zum Herausnehmen des Gussteiles geöffnet werden. In der geschlossenen Position der Druckgießformelemente steht das obere Ende der Hülse 60 mit dem oberen Druckgießformelement 42 in Eingriff und ist durch dieses gesichert.
• In der geschlossenen Position der Druckgießform ist mit der Hülse 60 in Position auf dem Dorn 50 ein Gießhohlraum 62 zwischen einander zugewandten Abschnitten der Elemente 42, 44, 46, 48 und der Hülse 60 gebildet. Kernelemente 64, die ein Teil des oberen Werkzeugs 42 sind, bilden Kühldurchgänge wie die Durchgänge 24 in 1. Die Kernelemente 64 können von der Oberseite zu der Unterseite verjüngt sein, um das Herausziehen aus dem Gussmetall zu erleichtern. Selbstverständlich zeigt 2 nur einen Abschnitt des gesamten Druckgusshohlraumes zum Bilden des Zylinderblocks 10 von 1. 2 veranschaulicht die Verwendung einer Hülse 60 beim Bilden einer einzigen Zylinderfläche, zum Beispiel des Zylinders 12D im Bereich 2-2 von 1.
• 3 ist ein Schrägriss der hohlen, dünnwandigen, runden zylindrischen Hülse 60. Sechs solcher Hülsen und sechs Dorne (wie 50 in 2) werden beim Gießen der sechs Zylinderflächen 12A–12F beim Herstellen des Zylinderblocks 10 von 1 verwendet. In dieser Ausführungsform der Erfindung weist jede runde Hülse 60 eine Längsmittelachse 70 auf. Die Aluminiumlegierungswand, die die Hülse 60 bildet, weist zwei Enden 72, 74 auf, die in dieser Veranschaulichung rechtwinklig zu der Mittelachse 70 stehen. Jede Hülse 60 weist eine äußere Fläche 76 mit einem Durchmesser auf, der vorbestimmt ist, um einen Innendurchmesser „wie gegossen” für die Zylinderfläche des Zylinderblockgussteiles zu definieren. Die Länge der Hülse 60 zwischen den Enden 72, 74 ist gleich wie die Länge der Zylinderfläche des Gussteiles oder größer als diese. Die Länge der Hülse 60 kann länger sein als die Länge der Gussteilfläche, um die Hülse 60 zwischen den Druckgusswerkzeugen 42, 44 zu sichern. Die Dicke der Aluminiumlegierungswand der Hülse 60 ist derart festgelegt, dass die Hülse dem Druck der Druckgussfüllung der Aluminiumlegierungsschmelze standhalten kann und ohne zu schmelzen oder einen Verzug an das Gussmetall gebunden wird. Somit sind die Größe und Form eines Stützdorns (Dorn 50 in 2) und der Durchmesser der inneren Fläche 78 der Hülse 60 eine Funktion der gewünschten Dicke der Hülse in einer Druckgießanwendung. Im Allgemeinen wird die Dicke der in der Methode dieser Erfindung verwendeten Hülsenbuchsen nicht mehr als etwa vier Millimeter betragen.
• Die Hülsen, die gemäß dieser Erfindung verwendet werden (wie die Hülse 60), sind in geeigneter Weise aus einer Aluminiumlegierung gebildet, um mit der Zusammensetzung der Gusslegierung kompatibel zu sein. Bevorzugt sind die Aluminiumlegierungszusammensetzungen der Hülse und des Gussmaterials im Wesentlichen gleich. Die dünnwandigen Hülsen können z. B. durch Strangpressen eines Rohblocks in die Hülsenform oder durch maschinelle Bearbeitung eines Gussrohblocks aus der Aluminiumlegierung oder durch Gießen hohler Formen hergestellt sein. Die Hülsen können positive oder negative Merkmale auf ihrer Außenfläche aufweisen, die zulassen, dass die Metallschmelze in sie hinein und um sie herum fließt und mit diesen Merkmalen beim Erstarren in der Druckgießform gesperrt werden. Diese kleinen Verblockungen würden ein zusätzliches Sperren der Hülse an dem Motorblockgussteil bereitstellen, um sicherzustellen, dass die Hülsen immer mit dem Gussteil herauskommen werden, wenn das letztere herausgezogen wird.
• Wenn die Hülsen durch Strangpressen hergestellt werden sollen, können die positiven oder negativen Merkmale mit einer einfachen Druckgießformmodifikation problemlos auf der äußeren Strangpressfläche gebildet werden. Das Strangpressen kann auch verdreht sein, um sicherzustellen, dass diese Merkmale eine spiralförmige Konfiguration annehmen, sodass die gesperrten Bereiche nicht mehr in einer Reihe mit der Herausziehrichtung des Dorns stehen. Die Sperrmerkmale werden derart konstruiert sein, dass sie relativ flach sind, sodass sie den anschließenden Prozess der maschinellen Bearbeitung zum Bilden der Endbohrung des Motors nicht stören.
• Wenn die Hülsen durch Gießen hergestellt werden sollen, können diese Merkmale auch einfach und in jeder gewünschten Konfiguration in Bezug auf die Herausziehrichtung des Dorns oder durch Gießen hohler Formen hergestellt werden.
• Wie erwähnt, bindet ein Abschnitt der Druckgussaluminiumlegierungsschmelze an jede dornschützende Hülse, die bei der Herstellung des Gussteiles verwendet wird. Nachdem das Gussmetall erstarrt und entsprechend ausgehärtet ist, werden die Druckgussmaschinenformelemente geöffnet, und das Gussteil mit seinen daran gebundenen Hülsenbuchsen wird aus der Gießmaschine herausgenommen. Ein neuer Satz von Hülsenbuchsen wird dann auf die Dorne aufgebracht und die Maschine wird ansonsten für einen unmittelbar folgenden Gießarbeitsschritt vorbereitet. Es wird zugelassen, dass das herausgenommene Gussteil abkühlt, und es wird für Endbearbeitungsarbeitsschritte wie z. B. Reinigen und maschinelle Bearbeitung vorbereitet, um die Fertigung des Gussteiles abzuschließen. Diese Endbearbeitungsarbeitsschritte werden das Entfernen einiger oder aller gebundenen Hülsen durch geeignete maschinelle Bearbeitung umfassen.
• 4 veranschaulicht einen kleinen Abschnitt eines Zylinderbereiches eines Gusszylinderblocks wie z. B. die Zylinderfläche 12D des Zylinderblocks 10 von 1. In 4 ist eine Opferhülse 60 zu sehen, die an die Gussteilwand von etwas, das nach einer geeigneten maschinellen Bearbeitung die Zylinderfläche 16 der Zylinderbohrung 12D des Zylinderblocks 10 sein wird, gebunden ist. In dieser Veranschaulichung liegt der Innendurchmesser (die Abmessung A in 4) der Hülse typischerweise im Bereich von etwa 60 bis 70 mm. Die Dicke der Hülse 60 beträgt typischerweise etwa 1 bis 4 Millimeter, um den vorbestimmten Außendurchmesser, die Abmessung B in 4, zu erreichen. Der gewünschte Innendurchmesser der fertig gestellten Zylinderfläche 16 der Zylinderbohrung 12D ist als Abmessung C in 4 angegeben. Jeder Zylinder des Gussblocks wird Aufbohrarbeitsschritten oder dergleichen unterzogen, um die dornschützende Hülse 60 und zusätzliches Gussmaterial zu entfernen, um die Zylinderflächenabmessung C zu erreichen. Solche Arbeitsschritte maschineller Bearbeitung sind für jedes Gussteil festgelegt, um z. B. (eine) innere Zylinderfläche/n des Druckgussteiles auf eine/n geeignete/n Abmessung und Rundheitsgrad zu formen, und um eine geeignete Gussaluminiumlegierungsmikrostruktur für die vorgesehene Funktion der inneren Zylinderfläche freizulegen.
• Eine Methode der Erfindung wurde mit runden Hülsen veranschaulicht, die runde Druckgussmaschinendorne schützen. Es ist offensichtlich, dass. andere innere Zylinderflächen unterschiedliche Formen aufweisen können, und demzufolge unterschiedliche Gießwerkzeugformen und unterschiedliche Schutzhülsenformen erdacht und verwendet werden. In vielen Druckgussarbeitsschritten (aber nicht unbedingt allen Ausführungsformen der Erfindung) wird die Schutzhülse vollständig maschinell von der inneren Fläche des Gussteiles herausgearbeitet. In diesen Ausführungsformen der Erfindung wird jede Hülse geopfert, nachdem sie ihre Funktion erfüllt hat, die Präzision des Druckgießwerkzeuges gegenüber Erosion oder Verzug durch die Gussmetallschmelze zu schützen.
• Zusammenfassung
• Einige Druckgussaluminiumlegierungsgegenstände weisen innere zylindrische Flächen auf, wie z. B. die runden inneren Zylinderflächen eines Zylinderblocks für einen Verbrennungsmotor. Während der Gussteilerstarrung schrumpfen Aluminiumlegierungsschmelzen gegen die metallischen Dauerformwerkzeuge, die verwendet werden, um solche inneren Flächen zu pressen und zu definieren, und zeigen die Tendenz, an den Werkzeug flächen zu haften, was es schwierig macht, das Gussteil zu entfernen. Die Tendenz einiger Aluminiumgusslegierungen, an das Werkzeug zu löten, kann das Kleben weiter intensivieren. In dieser Erfindung wird eine Aluminiumlegierungshülse vor dem Gießen auf und über der Werkzeugfläche angeordnet und die Hülse isoliert das Werkzeug von der Aluminiumschmelze. Die Hülse wird an das Gussteil gebunden und erleichtert das Entfernen des Gussteiles aus dem Werkzeug. Die Hülse kann (und wird bevorzugt) maschinell vollständig von der inneren Gussteilfläche herausgearbeitet sein. Die Hülse kann aus derselben Zusammensetzung bestehen wie das Gussteil, wobei in diesem Fall die Handhabung und Wiederverwertung von Spänen der maschinellen Bearbeitung erleichtert ist. Die Methode der Erfindung ist auch auf das Druckgießen von Magnesiumlegierungen mithilfe von Opfer-Magnesiumhülsen anwendbar.

Claims (12)

1. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes mit einer vorbestimmten Zusammensetzung, der eine innere zylindrische Wandfläche aufweist, wobei die zylindrische Wandfläche zumindest eine vorbestimmte innere Querschnittsdimension und eine Höhe aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Druckgusswerkzeug mit einem zylindrischen Flächenabschnitt vorgesehen wird, wobei der zylindrische Flächenabschnitt eine Höhe zum Bilden der zylindrischen Fläche des Gegenstandes und einen Querschnitt aufweist, der kleiner ist als der Querschnitt der zylindrischen Wandfläche; eine hohle Hülsenbuchse auf dem Zylinderflächenabschnitt des Werkzeuges angeordnet wird, wobei die Buchse eine Dicke, eine Höhe, eine Querschnittsform und eine äußere Fläche aufweist, um die innere zylindrische Wandfläche des Gegenstandes zu definieren, wobei die hohle Buchse aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist; eine Schmelze aus der Aluminiumlegierung des Gegenstandes gegen die äußere Fläche der Hülsenbuchse gegossen wird, wobei die Schmelze gegen die Buchsenfläche erstarrt und daran bindet, wobei die Dicke der Hülsenbuchse vorbestimmt ist, um einem Schmelzen oder Verzug durch die Gussaluminiumlegierung standzuhalten, bevor die Gusslegierung erstarrt; der Gussgegenstand und die gebundene Hülsenbuchse von dem Gießwerkzeug entfernt werden; und die zylindrische Buchse maschinell von der inneren Fläche des Gussgegenstandes herausgearbeitet wird, um die innere zylindrische Fläche des Gegenstandes zu bilden.
2. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes nach Anspruch 1, wobei der Aluminiumlegierungsgegenstand zwei oder mehrere innere zylindrische Wandflächen aufweist, und eine hohle Hülsenbuchse beim Gießen jeder zylindrischen Wandfläche verwendet wird.
3. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes nach Anspruch 1, wobei die Buchse eine Dicke von nicht mehr als etwa vier Millimeter aufweist.
4. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung der Buchse im Wesentlichen dieselbe ist wie die Aluminiumlegierungszusammensetzung des Gussgegenstandes.
5. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes nach Anspruch 1, wobei die Hülsenbuchse an ihrer äußeren Fläche gebildete Flächenmerkmale zur Verblockungsbindung mit der Gussschmelze bei der Erstarrung der Gussschmelze aufweist.
6. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes mit einer vorbestimmten Zusammensetzung, der eine innere runde Zylinderwandfläche aufweist, wobei die runde Zylinderwandfläche zumindest eine/n vorbestimmte/n innere/n Durchmesser und Höhe aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Druckgusswerkzeug mit einem runden Zylinderflächenabschnitt vorgesehen wird, wobei der runde Zylinderabschnitt eine Höhe zum Bilden der runden Zylinderfläche des Gegenstandes und einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Zylinderfläche; eine hohle runde zylindrische Buchse auf der runden Zylinderwerkzeugfläche angeordnet wird, wobei die Buchse eine Höhe und eine äußere Fläche mit einem Außendurchmesser aufweist, um die innere runde Zylinderwandfläche des Gegenstandes zu definieren; eine Schmelze aus der Aluminiumlegierung gegen die äußere Fläche der Buchse gegossen wird, wobei die Schmelze gegen die Buchsenfläche erstarrt und daran bindet, wobei die Dicke der Buchse vorbestimmt ist, um einem Schmelzen oder einer Verformung durch die Gussaluminiumlegierung standzuhalten, bevor die Gusslegierung erstarrt; der Gussgegenstand und die gebundene Buchse von dem Druckgusswerkzeug entfernt werden; und die gesamte zylindrische Buchse maschinell von der inneren Fläche des Gussgegenstandes herausgearbeitet wird, um die runde innere zylindrische Fläche des Gegenstandes zu bilden.
7. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes nach Anspruch 6, wobei der Gegenstand ein Mehrzylindermotorzylinderblock ist, und wobei ein separates Gießwerkzeug und eine separate Hülsenbuchse beim Bilden jeder inneren zylindrischen Fläche des Zylinderblocks verwendet werden.
8. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes nach Anspruch 6, wobei die Buchse eine Dicke von nicht mehr als etwa vier Millimeter aufweist.
9. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes nach Anspruch 6, wobei die Zusammensetzung der Buchse im Wesentlichen dieselbe ist wie die Aluminiumlegierungszusammensetzung des Gussgegenstandes.
10. Verfahren zum Gießen eines Zylinderblocks nach Anspruch 7, wobei die gebundene Buchse maschinell von jeder Zylinderfläche herausgearbeitet wird und zusätzliches Gussmaterial maschinell von jeder Zylinderfläche herausgearbeitet wird.
11. Verfahren zum Druckgießen eines Aluminiumlegierungsgegenstandes oder eines Magnesiumlegierungsgegenstandes mit einer vorbestimmten Zusammensetzung, der eine innere zylindrische Wandfläche aufweist, wobei die zylindrische Wandfläche zumindest eine vorbestimmte innere Querschnittsdimension und eine Höhe aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Druckgusswerkzeug mit einem zylindrischen Flächenabschnitt vorgesehen wird, wobei der zylindrische Flächenabschnitt eine Höhe zum Bilden der zylindrischen Fläche des Gegenstandes und einen Querschnitt aufweist, der kleiner ist als der Querschnitt der zylindrischen Wandfläche; eine hohle Hülsenbuchse auf dem Zylinderflächenabschnitt des Werkzeuges angeordnet wird, wobei die Buchse eine Dicke, eine Höhe und eine Querschnittsform und eine äußere Fläche aufweist, um die innere zylindrische Wandfläche des Gegenstandes zu definieren, wobei die hohle Buchse aus einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung gebildet ist, die der Legierung des Gussgegenstandes entspricht; eine Schmelze aus der Aluminiumlegierung oder der Magnesiumlegierung des Gegenstandes gegen die äußere Fläche der Hülsenbuchse gegossen wird, wobei die Schmelze gegen die Buchsenfläche erstarrt und daran bindet, wobei die Dicke der Hülsenbuchse vorbestimmt ist, um einem Schmelzen oder Verzug durch die Gusslegierung standzuhalten, bevor die Gusslegierung erstarrt; der Gussgegenstand und die gebundene Hülsenbuchse von dem Druckgusswerkzeug entfernt werden; und die zylindrische Buchse maschinell von der inneren Fläche des Gussgegenstandes herausgearbeitet wird, um die innere zylindrische Fläche des Gegenstandes zu bilden.
12. Verfahren zum Druckgießen eines Gussgegenstandes nach Anspruch 11, wobei der Gegenstand ein Mehrzylindermotorzylinderblock ist, und wobei ein separates Gießwerkzeug und eine separate Hülsenbuchse beim Bilden jeder inneren zylindrischen Fläche des Zylinderblocks verwendet werden.

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