DE19904971A1 - Verfahren und Vorrichtung für die Herstellung von Motorblöcken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstellung von Motorblöcken mit einer Gießform, in welcher unter Einbindung in einem Motorblock (1) zu umgießende Zylinderlaufbuchsen (3) jeweils auf einen Kokillendorn (4) aufgesteckt sind, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Gemäß der Erfindung werden die aufgesteckte Zylinderlaufbuchse und der Kokillendorn in ihrem Wärmeausdehnungsverhalten derart aufeinander abgestimmt, daß die Zylinderlaufbuchse auf dem Kokillendorn wenigstens während der Erstarrungsphase des Gußmaterials spielfrei aufsitzt. Vorteilhaft erfolgt durch die Dorne eine genaue Zentrierung der Zylinderlaufbuchsen, wobei insbesondere Schieflagen der Buchsen im Motorblock vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstellung von Motorblöcken mit einer Gieß­ form, in welcher unter Einbindung in einen Motorblock zu umgießende Zylinderlaufbuchsen jeweils auf einen Kokillendorn aufgesteckt sind, sowie ein entsprechendes Herstellungsver­ fahren.

Eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art und ein entsprechendes Verfahren sind aus der DE-OS 28 54 958 bekannt. Mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung bzw. nach diesem bekannten Verfahren werden Aluminiumzylinderblöcke hergestellt, wobei die Zylinderlauf­ buchsen aus einer verschleißfesten Aluminiumlegierung bestehen, z. B. einer übereutekti­ schen Aluminiumsiliziumlegierung, während als Gußmaterial für den Motorblock eine weni­ ger verschleißfeste, aber dafür leichter zu bearbeitende Aluminiumlegierung verwendet wird. In der genannten Offenlegungsschrift ist angegeben, daß zur Erzielung eines gleich­ mäßigen Gusses eine ausreichende Wärmeabfuhr an der Buchse während des Umgießens gewährleistet sein muß. Diese Wärmeabfuhr erfolgt durch Kontakt der Zylinderlaufbuchse mit dem in ihr steckenden Kokillendorn, der zweckmäßig aus Metall besteht. Bei nicht häufig aufeinanderfolgenden Gießvorgängen kann die Wärmekapazität des Kokillendorns zur Abfuhr der Wärme ausreichen. Bei schneller Taktfolge ist zusätzlich durch Wasser- oder Preßluftkühlung des Kokillendorns Wärme abzuführen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung bzw. ein neues Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, durch welche bzw. welches die Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung von Motorblöcken weiter erhöht werden kann.

Gemäß der Erfindung werden die aufgesteckte Zylinderlaufbuchse und der Kokillendorn in ihrem Wärmeausdehnungsverhalten derart aufeinander abgestimmt, daß die Zylinderlauf­ buchse auf dem Kokillendorn wenigstens während der Erstarrungsphase des Gußmaterials spielfrei aufsitzt.

Durch diese Erfindungslösung läßt sich eine hochgenaue Positionierung der Zylinderlauf­ buchsen innerhalb des Motorblocks erreichen. Insbesondere können durch die Zentrierwir­ kung der spielfrei in den Zylinderlaufbuchsen steckenden Kokillendorne Schieflagen der Zylinderlaufbuchsen im Motorblock vermieden werden.

Vorzugsweise sind das Wärmeausdehnungsverhalten von Zylinderlaufbuchse und Kokillen­ dorn ferner derart aufeinander abgestimmt, daß die Zylinderlaufbuchsen auf dem Kokillen­ dorn nicht nur spielfrei sondern auch spannungsfrei aufsitzen. Damit lassen sich Spannungen im erstarrten Motorblock vermeiden, die entstehen, wenn die Zylinderlaufbuchsen im gedehnten Zustand mit dem erstarrten Gußmaterial verbunden würden.

Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kokillenmaterials größer als derjenige des Laufbuchsenmaterials ist, treten, bei gegebener Spannungsfreiheit während der Erstarrungs­ phase, Spannungen bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur auf, was im Hin­ blick auf die Abstützung der Laufbuchsen vorteilhaft ist. Wenn der Wärmeausdehnungs­ koeffizient des Kokillenmaterials geringer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Buch­ senmaterials ist, ergeben sich Spannungen der Zylinderlaufbuchse unterhalb der Schmelz-/Er­ starrungstemperatur des Gußmaterials, was zu Schwierigkeiten bei der Entfernung führen kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Zylinderlauf­ buchse und der Kokillendorn Materialien auf, die in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten einander angenähert, insbesondere angeglichen sind. Durch diese Maßnahme läßt sich ein spannungs- und dehnungsfreier Zustand der Zylinderlaufbuchse nicht nur während der Erstarrungsphase des Gußmaterials erreichen, sondern auch dann, wenn die Temperatur von Zylinderlaufbuchse und Kokillendorn oberhalb und unterhalb der Schmelztemperatur bzw. Erstarrungstemperatur des Gußmaterials liegt.

Eine geringe Spannung, mit welcher die Zylinderlaufbuchse auf dem Kokillendorn aufsitzt, kann jedoch von Vorteil sein, um in jeder Phase des Gießvorgangs für einen sicheren Halt der Zylinderlaufbuchsen auf den Kokillendornen zu sorgen. Eine solche geringfügige Span­ nung kann einerseits dadurch erzeugt werden, daß der Innendurchmesser der Zylinderlauf­ buchsen etwas geringer gewählt ist, als der Außendurchmesser des Kokillendorns, wobei die Zylinderlaufbuchsen auf die Dome im vorgewärmten Zustand leicht aufsteckbar sind, so daß nach Temperaturausgleich ein leichter Preßsitz gebildet ist. Ein solcher Preßsitz kann jedoch auch dadurch erzeugt werden, daß entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kokillenmaterials geringfügig größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Buchsenmaterials gewählt ist. Vorteilhaft kann in diesem Fall im abgekühlten Zustand die Zylinderlaufbuchse unter Gewährleistung leichter Entformbarkeit spannungsfrei auf dem Kokillendorn aufsitzen, während bei den höchsten, während des Gießvorgangs auftretenden Temperaturen der Zylinderlaufbuchse und des Kokillendorns die maximale Spannung und damit eine sichere Stützung der Zylinder­ laufbüchse durch den Kokillendorn gegeben ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung steht der Kokillendorn wenigstens bis zum Ende der Erstarrungsphase des Gußmaterials in Wärmekontakt zur gesamten Innen­ fläche der Zylinderlaufbuchse. Damit steht die größtmögliche Wärmeübergangsfläche zwi­ schen Zylinderlaufbuchse und Kokillendorn zur Verfügung. Insbesondere können die Aus­ gangstemperatur des Gußmaterials und die Ableitung von Wärme aus der Zylinderlauf­ buchse durch den Kokillendorn so bemessen sein, daß ein Schmelzen von Buchsenmaterial über eine gewünschte Oberflächenanschmelzung zur Bildung einer Stoffschlußverbindung zum Gußmaterial hinaus vermieden ist.

Als gut wärmeleitendes Kokillenmaterials kommt vorzugsweise ein Metall, insbesondere Mes­ sing in Betracht, wobei Messing im Ausdehnungskoeffizienten weitgehend dem als Buch­ senmaterial verwendbaren übereutektischen Aluminiumsiliziumlegierungen angeglichen ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Zylinderlaufbuchse über den Kokillendorn zur Verminderung der Temperaturdifferenz zwischen Zylinderlaufbuchse und Gußmaterial vorheizbar. Vorteilhaft lassen sich durch eine solche Vorheizung Beeinträchti­ gungen der Bindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem angrenzenden Gußmaterial vermeiden, welche bei größeren Temperaturdifferenzen zwischen Gußmaterial und Zylinder­ laufbuchse auftreten können.

In Betracht kommt z. B. eine induktive Heizung, wobei der Kokillendorn vorzugsweise hohl­ zylindrisch ausgebildet und ein entsprechendes Heizelement in den Hohlzylinder ein- und aus dem Hohlzylinder ausfahrbar ist, in dem hohlzylindrischen Kokillendorn, dessen Mantel­ dicke entsprechend der erforderlichen Wärmekapazität und entsprechend den Erfordernis­ sen der Ausbildung von Wirbelströmen bemessen ist, kommt es zu einer gleichmäßigen Auf­ heizung sowohl des Kokillenmantels als auch der darauf aufsitzenden Zylinderlaufbuchse, die damit gleichmäßig unter Vermeidung lokaler Überhitzungen auf die gewünschte Aus­ gangstemperatur für den Gießvorgang aufgeheizt werden kann.

Die Vorheizung ist derart steuerbar, daß einerseits Kaltlauferscheinungen beim Gießen ver­ mieden werden, andererseits genügend Wärme abgeleitet wird, so daß ein Schmelzen der Zylinderlaufbuchsen auf deren dem Gußmaterial zugewandten Oberfläche beschränkt bleibt.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnung weiter erläutert werden.

In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 1 ein durch Gießen gebildeter Motorblock bezeichnet. Der in einem Querschnitt unter Hervorhebung durch weite Schraffur dargestellte Motorblock besteht aus einer Aluminiumlegierung. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein die jewei­ ligen Zylinder des Motorblocks 1 umgebender Kühlmantel bezeichnet. In den Motorblock 1 sind Zylinderlaufbuchsen 3 durch Umgießen mit Gußmaterial eingebunden. Die Zylinderlauf­ buchsen bestehen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer übereutektischen Alumi­ niumsiliziumlegierung, die sich in ihrer Verschleißfestigkeit von der zur Bildung des übrigen Motorblocks verwendeten Aluminiumlegierung unterscheidet.

Die Zylinderlaufbuchsen 3 sitzen mit ihrer gesamten Innenfläche jeweils auf einem hohlzylin­ drischen Kokillendorn 4 auf, welcher Bestandteil einer im übrigen nicht gezeigten Gießform für den Motorblock 1 ist. Soweit die Gießform nicht gezeigt ist, handelt es sich in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel um eine Sandgießform.

Der hohlzylindrische Kokillendorn 4 besteht im vorliegenden Fall aus Messing und weist mit 20 × 10^-6/K einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher dem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten der übereutektischen Aluminiumsiliziumlegierung der Zylinderlaufbuchsen 3 angenähert ist, welcher 19-20 × 10^-6/K beträgt.

Die hohlzylindrischen Kokillendorne 4 haben eine Manteldicke von 10 mm, während die Manteldicke der Zylinderlaufbuchsen 3 ca. 5 mm beträgt.

Der Kokillendorn kann auch aus einer Aluminiumlegierung bestehen, die einen Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten von ca. 20 × 10^-6/K aufweist.

Mit dem Bezugszeichen 5 ist eine Induktionsheizeinrichtung für die Erzeugung von Wirbelheiz­ strömen in dem Kokillendorn 4 und der Zylinderlaufbuchse 3 bezeichnet. Entsprechend einem Pfeil 6 ist das stabförmig ausgebildete Heizelement 5 in den hohlzylindrischen Kokil­ lendorn 4 ein- und aus diesem ausfahrbar. Jeder Zylinderlaufbuchse 3 bzw. jedem Kokillen­ dorn 4 ist ein solches Heizelement 5 zugeordnet.

Der Innendurchmesser jeder Zylinderlaufbuchse 3 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des zugehörigen Kokillendorns 4.

Zur Herstellung eines Motorblocks wird die erwähnte Gießform aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt, wobei die Zylinderlaufbuchsen 3 auf ihren jeweiligen Kokillendorn 4 auf­ gesteckt werden. Das Aufstecken der Zylinderlaufbuchsen 3 auf die Kokillendorne 4 erfolgt im vorgewärmten Zustand der Zylinderlaufbuchsen, um den erwähnten Unterschied zwi­ schen dem Innendurchmesser der Zylinderlaufbuchsen und Außendurchmesser der Kokillen­ dorne auszugleichen. Nach dem Temperaturausgleich ist zwischen den Zylinderlaufbuchsen 3 und den Kokillendornen 4 so ein leichter Preßsitz gebildet, durch den der Halt der Zylinderlaufbuchsen 3 auf ihren Kokillendornen 4 während der Montage der Gießform gesichert ist.

Nach der Zusammensetzung der Gießform werden die stabförmigen Heizelemente 5 in die Kokillendorne 4 eingefahren, und es erfolgt eine Vorheizung, bei welcher die Zylinderlauf­ buchsen 3 über die Kokillendorne 4 gleichmäßig auf eine Temperatur von ca. 200°C aufge­ heizt werden.

Nach erreichter Vorheiztemperatur erfolgt das Eingießen von Gußmaterial in die Gießform, wobei die Zylinderlaufbuchsen 3, die selbst einen unmittelbar mit dem Gußmaterial in Berüh­ rung kommenden Bestandteil der Gießform bilden, umgossen werden. Die Ausgangstempe­ ratur des Gußmaterials beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 700°C.

Durch die Kokillendorne 4 ist trotz der Vorheizung eine ausreichende Wärmeableitung aus den Zylinderlaufbuchsen 3 gesichert, so daß es nicht in schädlichem Umfang zum Schmel­ zen von Buchsenmaterial kommen kann, dessen Schmelztemperatur niedriger als die Tem­ peratur des damit in Kontakt stehenden, noch flüssigen Gußmaterials liegt.

Durch die Vorheizung ist gewährleistet, daß sich das Gußmaterial an der Oberfläche der Zylinderlaufbuchsen 3 nicht zu schnell abkühlt, was zu einer Beeinträchtigung der Bindung zwischen dem Gußmaterial und den Laufbuchsen nach Erstarrung des Gußmaterials führen kann.

Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit sowohl des Buchsenmaterials als auch des Materials des Kokillendorns kommt es zu einem schnellen Temperaturausgleich, so daß selbst unmittelbar beim Eingießen von Gußmaterial, aber vor allem während der darauf folgenden Abkühl­ phase gesichert ist, daß die Zylinderlaufbuchsen 3 stets ohne Spiel und dazu nahezu span­ nungsfrei auf den Kokillendornen 4 aufsitzen. So kann es weder zu einer Verformung der Zylinderlaufbuchsen 3 noch zu einer Abweichung der Zylinderlaufbuchsen 3 von der gewünschten Lage innerhalb des Motorblocks kommen. Insbesondere während der Erstar­ rungsphase des Gußmaterials, in der die Einbindung der Zylinderlaufbuchsen 3 in den Motorblock 1 abgeschlossen wird, sind die Zylinderlaufbuchsen genau in der gewünschten Position ausgerichtet.

Schließlich ist durch die einander angeglichenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Buchsen- und Kokillenmaterials gesichert, daß das auch nach der Abkühlung, abgesehen von dem bewußt erzeugten leichten Preßsitz, die Zylinderlaufbuchse nahezu spannungsfrei auf dem Kokillendorn aufsitzt und so problemlos eine Entformung erfolgen kann.

Claims (14)

1. Vorrichtung für die Herstellung von Motorblöcken mit einer Gießform, in welcher unter Einbindung in einen Motorblock (1) zu umgießende Zylinderlaufbuchsen (3) jeweils auf einen Kokillendorn, (4) aufgesteckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgesteckte Zylinderlaufbuchse (3) und der Kokillendorn (4) in ihrem Wärme­ dehnungsverhalten derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Zylinderlaufbuchse (3) auf dem Kokillendorn (4) wenigstens während der Erstarrungsphase des Gußmaterials spielfrei aufsitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse (3) auf dem Kokillendorn (4) spielfrei aber dennoch span­ nungsfrei aufsitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse (3) und der Kokillendorn (4) Materialien aufweisen, die in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten einander angenähert, insbesondere ange­ glichen, sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kokillenmaterials geringfügig größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Buchsenmaterials ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillendorn (4) wenigstens bis zum Abschluß der Erstarrung des Gußmaterials in Wärmeleitkontakt zur gesamten Innenfläche der Zylinderlaufbuchse (3) steht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstemperatur des Gußmaterials und die Ableitung von Wärme aus der Zylinderlaufbuchse (3) durch den Kokillendorn (4) so bemessen sind, daß, abgesehen von einer Oberflächenanschmelzung zur Herstellung einer Stoffschlußverbindung zwi­ schen der Zylinderlaufbuchse und dem Gußmaterial, ein Schmelzen von Buchsenmate­ rial vermieden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kokillenmaterial ein Metall, insbesondere Messing, vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse (3) über den Kokillendorn (4) zur Verminderung der Tempe­ raturdifferenz zwischen dem Gußmaterial und der Zylinderlaufbuchse (3) vorheizbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine induktive Vorheizung vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokillendorn (4) einen Hohlzylinder umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlzylinder ein Heizelement einfahrbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchsen und das Gußmaterial aus unterschiedlichen Aluminium­ legierungen bestehen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform Elemente einer Sandform umfaßt.

14. Verfahren zum Herstellen von Motorblöcken, bei dem in einen Motorblock (1) einzubin­ dende Zylinderlaufbuchsen (3) jeweils auf einen Kokillendorn (4) einer Gießform zum Umgießen der Zylinderlaufbuchsen aufgesteckt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgesteckte Zylinderlaufbuchse und der Kokillendorn in ihrem Ausdehnungs­ verhalten derart aufeinander abgestimmt werden, daß die Zylinderlaufbuchse auf dem Kokillendorn wenigstens während der Erstarrungsphase des Gußmaterials spielfrei auf­ sitzt.