DE19956895C1 - Verfahren zum Abbauen der Eigenzugspannungen - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zum Abbauen von Eigenzugspannungen in einem aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Zylinderkopf. Die Eigenzugspannungen treten in einem einem Brennraum zugewandten Bereich auf, nachdem der Zylinderkopf aus der Gießwärme heraus eine Wärmebehandlung erfahren hat. Jeweils in einem Bereich eines über dem Brennraum angeordneten Schachts wird eine Zugspannung aufgebracht, welche eine plastische Verformung dieses Bereichs bewirkt. Dadurch wird eine elastische Druckvorspannung in einem dem Brennraum zugewandten Bereich des Zylinderkopfs erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbauen der Eigenzugspannungen in einem aus einer Aluminiumlegie­ rung gegossenen Zylinderkopf nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art und eine Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens.

Allgemein bekannt ist es, Zylinderköpfe aus Aluminium­ legierungen durch Gießverfahren herzustellen. Dabei werden überwiegend Gießverfahren mit verlorenen For­ men, wie z. B. Sandformen, eingesetzt. Nach dem Abküh­ len der gegossenen Rohlinge werden diese bearbeitet und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei den Aluminiumlegierungen für die Zylinderköpfe handelt es sich hierbei überwiegend um eine sogenannte "T6- Wärmebehandlung". Dabei werden die Aluminiumteile auf Temperaturen im Bereich zwischen 500°C und 600°C erwärmt und dann schlagartig abgeschreckt, wobei sich die Festigkeit und Härte des Aluminiums, aufgrund von Veränderungen in seiner Gefügestruktur, erhöht.

Aus energetischen Gründen ist man seit einiger Zeit dazu übergegangen, die gegossenen Zylinderkopfrohlinge aus der Gießwärme heraus über einen längeren Zeitraum auf einer Temperatur im Bereich zwischen 500°C und 600°C zu halten und diese dann direkt, also vor einer Weiter- bzw. Fertigbearbeitung, abzuschrecken.

Diese Kombination aus Gießen und nachfolgender Wärme­ behandlung bietet große energetische und logistische Vorteile. Die Zylinderkopfrohlinge werden dabei über eine Zeit von ca. 5 bis 6 Stunden auf dem entsprechen­ den Temperaturniveau gehalten, so daß das in dem Form­ sand befindliche Bindemittel verbrennen oder zersetzt werden kann. Der Sand kann dann vor der eigentlichen Wärmebehandlung zu seinem überwiegend größten Teil aus den Zylinderköpfen herausrieseln. Nach dem Abschrec­ ken, z. B. in einem Flüssigkeitsbad, werden die Zylin­ derkopfrohlinge dann direkt auf ihre endgültigen geo­ metrischen Konturen und Abmessungen fertig bearbeitet.

Aufgrund der sehr unterschiedlichen Wandstärken, ins­ besondere im Bereich der Angußstellen und Steiger, kommt es bei diesem energetisch vorteilhaften Verfah­ ren zu Nachteilen bezüglich von durch die Wärmebehand­ lung verursachter Eigenspannungen, welche in dem Zy­ linderkopf auftreten.

Besonders kritisch sind hier Eigenzugspannungen in dem Bereich, der später jeweils direkt über dem Brennraum angeordnet sein wird, und in welchem ein Schacht, als Öffnung zum Einbringen einer Zündkerze bei einem Otto­ motor oder als Injektorpfeife zum Einbringen des In­ jektors bei einem Dieselmotor, aus dem durch das Gieß­ verfahren urgeformten, vollen Material des Zylinder­ kopfs herausgearbeitet werden muß. In diesem, später dem Brennraum zugewandten Bereich dieses Schachts, dem sogenannten Brennraumdach, kommt es beim Betrieb einer mit diesem Zylinderkopf ausgestatteten Brennkraftma­ schine zu großen Zugspannungen aufgrund des in dem Brennraum auftretenden Drucks.

Als großer Nachteil stellt sich bei einem nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Zylinderkopf nun die Tatsache heraus, daß speziell in diesem Bereich des Brennraumdachs häufig Brüche auftreten, da sich die durch den Druck im Brennraum erzeugten Zugspannungen zu den aufgrund des Herstellungsverfahrens in diesem Bereich vorliegenden Eigenzugspannungen aus der Wärme­ behandlung addieren, so daß ein Bruch von Wandungen des Schachts auftreten kann.

Der allgemeine Stand der Technik kennt hier nur Ver­ fahren aus dem Bereich der Wärmebehandlung, wie z. B. eine dem Spannungsfreiglühen bei Stahlwerkstoffen ver­ gleichbare Erwärmung mit anschließendem Halten, welche eingesetzt werden können, um diese Spannungen abzubau­ en. Dies macht jedoch eine erneute Wärmebehandlung nach dem mechanischen Bearbeiten notwendig und erlaubt so den Einsatz des energetisch und logistisch vorteil­ haften, oben beschriebenen Herstellungsverfahrens nicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Abbauen der Eigenzugspannungen in Bereichen eines aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Zylinderkopfs zu schaffen, so daß das eingangs beschriebene energetisch sinnvolle Herstellungsverfahren ohne Probleme bezüg­ lich der Festigkeit im Bereich des Brennraumdachs ein­ gesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, daß jeweils im Bereich eines über dem Brennraum angeordne­ ten Schachts eine Zugspannung aufgebracht wird, welche eine plastische Verformung dieses Bereichs bewirkt. In diesem Bereich, also im Bereich von Wandungen des Schachts, wird durch ein plastisches Dehnen eine blei­ bende Längenausdehnung des Schachts erzeugt. Diese plastische Verformung der Wandungen des Schachts wird dabei in der Art und in dem Umfang durchgeführt, daß es zu einer elastischen Druckspannung bzw. Druckvor­ spannung in einem Bereich zwischen der plastischen Längendehnung und einem Brennraumdach kommt. In diesem entscheidenden, während des Betriebs durch die kriti­ schen Zugspannungen belasteten Bereich wird so also die elastische Druckvorspannung aufgebaut.

Wird im Betrieb der Brennkraftmaschine nun dieser Be­ reich durch eine, aufgrund der Drücke in dem Brennraum auftretenden Zugspannung belastet, so addiert sich diese zu der elastischen Druckvorspannung des Be­ reichs. Es können in diesem Bereich damit ohne Nach­ teile für die Festigkeit und ohne plastische Verfor­ mungen oder Brüche dieses kritischen Bereichs sehr hohe Zugspannungen, welche aufgrund der Drücke im Brennraum beim Betrieb einer mit dem Zylinderkopf aus­ gestatteten Brennkraftmaschine auftreten, verkraftet werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in den Unteransprüchen 6 und 7 näher definiert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnungen nachfolgend prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil eines Zylinderkopfs aus einer Alu­ miniumlegierung in einer Schnittdarstellung; und

Fig. 2 einen Teil des Zylinderkopfs gemäß Fig. 1 mit eingebrachten Werkzeugen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Zylinderkopf 1 bzw. ein Teil des Zylinderkopfs 1 dargestellt, welcher aus einer über­ wiegend aluminiumhaltigen Legierung gegossen und da­ nach mechanisch bearbeitet wurde.

In dem Zylinderkopf 1 sind zwei Kanäle 2a, 2b erkenn­ bar, welche mit einem Brennraum 3 eines nicht näher dargestellten Zylinders einer ebenfalls nicht darge­ stellten Brennkraftmaschine in Verbindung stehen. Au­ ßerdem sind in dem Zylinderkopf 1 zwei Kühlkanäle 4a, 4b eines nicht weiter dargestellten Kühlsystems für die Brennkraftmaschine angeordnet. Zentral oberhalb des Brennraums ist ein Schacht 5 dargestellt, welcher je nach Typ der Brennkraftmaschine eine nicht darge­ stellte Zündkerze (Ottomotor) oder einen nicht darge­ stellten Injektor (Dieselmotor) aufnehmen kann.

Bei der Herstellung des Zylinderkopfs 1 wird dieser aus einer Legierung auf Basis von Aluminium ge­ gossen. Gemäß dem eingangs beschriebenen Verfahren wird der Zylinderkopfrohling nach einer Haltezeit von ca. fünf bis sechs Stunden, welche sich direkt an das Gießen des Zylinderkopfrohlings anschließt und bei 500 °C bis 600°C stattfindet, gemäß einer T6- Wärmebehandlung zur Erhöhung seiner Festigkeit von dem genannten Temperaturniveau in einer Flüssigkeit auf Umgebungstemperatur bzw. Raumtemperatur abgeschreckt. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch der Bereich des Schachts 5 noch vollständig mit Material gefüllt, da der Schacht 5 erst nach dieser T6-Wärmebehandlung me­ chanisch aus dem Zylinderkopf 1 herausgearbeitet wird.

Aufgrund dieses sehr massiven Materialblocks in dem Zylinderkopfrohling kommt es zu einer verzögerten Ab­ kühlung des Bereichs, in welchem sich später der Schacht 5 befindet. Zusätzlich wird dieser Effekt durch sich in dem Brennraum 3 zugewandten Bereich der Kühlkanäle 4a, 4b ansammelnden Formsand aus dem Gieß­ verfahren weiter verstärkt, da dieser Formsand die Aluminiumlegierung gegenüber dem Abschreckmedium noch geringfügig isoliert.

Nach der Bearbeitung dieses massiven, eine hohe Wärme­ kapazität aufweisenden Bereichs des Zylinderkopfs, also insbesondere beim Einbringen des Schachts 5, kommt es dann zu hohen Eigenzugspannungen im Bereich von nach der Bearbeitung zurückbleibenden Wandungen 6 des Schachts 5. Besonders kritisch ist dabei der dem Brennraum 3 zugewandte Bereich der Wandungen 6 und ein im Bereich eines Brennraumdachs 7 liegender sich ver­ jüngender Abschnitt 8 des Schachts 5.

Da es nun beim Betrieb der Brennkraftmaschine in den Wandungen 6, überwiegend in dem sich verjüngenden Ab­ schnitt 8 des Schachts 5 zu hohen Zugspannungen, auf­ grund der in dem Brennraum 3 auftretenden Drücke, kommt, können die Wandungen 6 im Bereich des Brenn­ raumdachs 7 mechanisch leicht versagen.

Fig. 2 zeigt nun denselben Teilbereich des Zyinder­ kopfs 1 mit zwei eingebrachten Werkzeugen 9, 10 zur Durchführung des Verfahrens zum Abbauen der Eigenzug­ spannungen. Die Werkzeuge 9, 10, im dargestellten Aus­ führungsbeispiel handelt es sich dabei um einen Stem­ pel 9, welcher von einem zweiten Stempel 10 durchdrun­ gen wird, sind in zwei Werkzeugaufnahmen 11, 12 in dem Schacht 5 fixiert. In dem in Fig. 2 dargestellten Aus­ führungsbeispiel handelt es sich bei den Werkzeugauf­ nahmen 11, 12 jeweils um die Kombination aus einem Innengewinde 11a, 12a in dem Schacht 5 und einem Au­ ßengewinde 11b, 12b an dem jeweiligen Stempel 10, 9.

Indem auf die beiden Stempel 9, 10 nun entsprechende, durch die Pfeile F₁ und F₂ angedeuteten Kräfte aufge­ bracht werden, kommt es zu einer Dehnung der Wandungen 6 des Schachts 5 in einem Bereich X zwischen den bei­ den Werkzeugaufnahmen 11, 12.

Die Kräfte F₁, F₂ werden dabei so auf die Stempel 9, 10 aufgebracht, daß es zu einer plastischen, also ei­ ner dauerhaft anhaltenden Verformung bzw. Dehnung der Wandungen 6 in dem Bereich X zwischen den Werkzeugauf­ nahmen 11, 12 kommt. Diese plastische Dehnung, also ein Strecken oder ein Recken, verursacht dabei insge­ samt eine Längung der Wandungen 6. Aufgrund dieser plastischen Längung der Wandungen 6 des Schachts 5 kommt es im Bereich oberhalb der Werkzeugaufnahme 12 und überwiegend jedoch unterhalb der Werkzeugaufnahme 11, also in einem Bereich Y zwischen der Werkzeugauf­ nahme 11 und dem Brennraumdach 7, zu einem elastischen Zusammendrücken bzw. Stauchen der Wandungen 6.

Für das beschriebene Verfahren ist hierbei der Bereich Y zwischen dem Brennraumdach 7 und der unteren Werk­ zeugaufnahme 11 interessant. Durch das elastische Stauchen der Wandungen 6 wird in den Wandungen 6 eine elastische Druckvorspannung erzeugt. Durch diese ela­ stische Druckvorspannung, welche sich überwiegend im Bereich Y ergeben wird, kann der Bereich Y nun während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit weitaus höhe­ ren, durch den Druck im Brennraum 3 verurschachten Zugspannungen belastet werden, ohne daß die Festigkeit der Wandungen 6 aufgrund des Betriebs der Brennkraft­ maschine in einen kritischen Bereich gelangt und somit ein plastisches Verformen oder ein Einreißen der Wan­ dungen 6 des Schachts 5 im Bereich Y verursachen kann.

Selbstverständlich kann das oben beschriebene Verfah­ ren auch mit andersartigen Werkzeugen (nicht darge­ stellt) durchgeführt werden. So wäre z. B. ein Stempel denkbar, welcher auf dem sich verjüngenden Abschnitt 8 des Schachts 5 zu liegen kommt und den Schacht 5 ge­ genüber einer an seinem dem Brennraum 3 abgewandten Ende angeordneten Aufnahmeeinrichtungen plastisch dehnt.

Aufgrund der verbesserten Zugänglichkeit des Schachts 5 von der dem Brennraum 3 abgewandten Seite aus, ist es auch hierbei günstig, Werkzeuge einzusetzen, welche sich wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel durch­ dringen und so beide von der dem Brennraum 3 abgewand­ ten Seite des Schachts 5 in diesen eingeführt und be­ tätigt werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zum Abbauen von Eigenzugspannungen in einem aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Zy­ linderkopf, welche sich in einem einem Brennraum zugewandten Bereich aufbauen, nachdem der Zylinder­ kopf aus der Gießwärme heraus eine Wärmebehandlung erfahren hat, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in einem Bereich (X) eines über dem Brenn­ raum (3) angeordneten Schachts (5) eine Zugspan­ nung aufgebracht wird, welche eine plastische Ver­ formung dieses Bereichs (X) bewirkt, so daß eine elastische Druckvorspannung in einem dem Brennraum (3) zugewandten Bereich (Y) des Schachts (5) er­ zeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung durch ein plastisches Dehnen von Wandungen (6) des Schachts (5) erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Druckvorspannung im Bereich (Y) des Übergangs von dem Schacht (5) zu einem Brennraum­ dach (7) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Zugvorspannung durch ein an dem Schacht (5) angreifendes Werkzeug (10) aufgebracht wird, während ein dem Brennraum (3) abgewandtes Ende des Schachts (5) durch ein weiteres Werkzeug (9) gehalten wird, wobei die beiden Werkzeuge (9, 10) unter Krafteinwirkung (F₁, F₂) relativ zu­ einander bewegt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Werkzeuge (9, 10) sich durchdringen und zur Dehnung der Wandungen (6) des Schachts von der dem Brennraum (3) abgewandten Seite des Schachts (5) in diesen eingebracht werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht (5) zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Werkzeugaufnahmeeinrichtungen (11, 12) für die beiden Werkzeuge (10, 9) aufweist, wobei der Bereich (X) der Wandungen (6) des Schachts (5) zwischen den beiden Werkzeugaufnahmeeinrichtungen (11, 12) mittels der beiden Werkzeuge (10, 9) pla­ stisch dehnbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den beiden Werkzeugaufnahmeeinrichtun­ gen (11, 12) um in die Wandungen (6) des Schachts (5) eingebrachte Innengewinde (11a, 12a) handelt, wobei die Werkzeuge (10, 9) Außengewinde (11b, 12b) aufweisen.