DE4100779A1 - Verfahren zum giessen von nockenwellenrohlingen aus unterschiedlichen eisenwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Nockenwel­ lenrohlingen aus unterschiedlichen Eisenbasiswerkstoffen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus der DE-PS 6 65 129 oder aus der US-PS 21 07 747 als bekannt hervor­ geht.

Nockenwellen sollen im Bereich der Nockenoberfläche und mög­ lichst auch im Bereich der Lagerzapfen möglichst hart sein, weshalb man für diese Bereiche eine Gußlegierung verwendet, die unter Bildung von Eisenkarbiden erstarrt und zumindest bei einer Abschreckerstarrung eine sehr harte Gußoberfläche bildet. Dieses karbidische Abschreckgefüge läßt sich nur noch durch Schleifen bearbeiten, allerdings zeigt es im Gebrauch eine hohe Verschleißfestigkeit. Im Bereich von zerspanend zu bearbeitenden Teilen der Nockenwelle, wie z. B. Zahnräder oder Flanschen wäre ein solches karbidisch erstarrendes Abschreck­ gefüge unzweckmäßig, weil es sich nicht durch Fräsen, Drehen oder Bohren bearbeiten läßt. In diesen Bereichen müßte ein besser zerspanbarer Werkstoff vorgesehen werden.

Bei dem bekannten Verfahren nach der DE-PS 6 65 129 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Nocken einer Nockenwelle als einzelne ovale Scheiben mit einer gleichachsig zur Wel­ lenachse liegenden Bohrung ausgebildet und in die Gießform eingelegt werden; die Nockenscheiben sind aus einem sehr har­ ten und verschleißfesten Stahlwerkstoff gebildet. Der Wellen­ körper der Nockenwelle und andere zerspanend zu bearbeitenden Partien werden aus normalem Gußeisen hergestellt, der bei aus­ reichender Vorerwärmung der eingelegten Nockenscheiben beim Eingießen des Gußeisens von diesem oberflächennah angeschmol­ zen wird und aufgrund dessen mit dem Graugußwerkstoff des Wel­ lenkörpers verschweißt.

Bei dem in der US-PS 21 07 747 geschilderten Verfahren wird der Grundkörper einer Nockenwelle einschließlich Nocken und Lager aus einem legierten Gußeisen gegossen, wobei jedoch im Bereich einer später anzubringenden Verzahnung ein mindestens der Zahnradbreite entsprechender Einstich in dem Wellenkörper mit angegossen wird, der nach Art einer Keilwellenverzahnung mit axial verlaufenden Wülsten bzw. Nuten versehen ist. Nach Fertigstellung des solcher art gegossenen Vorproduktes für ei­ nen Nockenwellenrohling wird dieser in einer zweiten Gießstufe in eine neue Gießform eingelegt und dabei das Zahnrad im Be­ reich des erwähnten Einstiches angegossen, wobei es zum Teil zu einem Anschmelzen der wulstartigen Vorsprünge und dement­ sprechend zu einem Verschweißen zwischen Zahnradwerkstoff und Wellengrundwerkstoff kommt. Soweit der Wellengrundwerkstoff nicht angeschmolzen wird, kommt zumindest eine formschlüssige Verzahnung zwischen Wellengrundwerkstoff und Zahnradwerkstoff zustande. Der Zahnradwerkstoff ist im Hinblick auf die Zerspan­ barkeit und Gleiteigenschaften beim Zahneingriff optimal aus­ gewählt.

Das DE-GM 72 24 272 zeigt am Beispiel einer Förderschnecke für Mörtelpumpen ein Verbundgußverfahren, bei dem der zerspanend zu bearbeitende Kopfteil als vorgefertigtes Stück aus einem gut zerspanbaren Eisenwerkstoff in die Gießform eingelegt wird, wo­ bei er sich in die Gießformhöhlung für den eigentlichen Körper der Förderschnecke mit einem schlanken rechteckigen Zapfen er­ streckt. Der eigentliche Körper der Förderschnecke wird aus ei­ ner karbidisch erstarrenden Schalenhartgußlegierung gegossen, die den erwähnten Zapfen des Kopfstückes anschmilzt und mit diesem Verschweißt. Es ist ohne weiteres denkbar, dieses Ver­ fahren entsprechend auch auf die Herstellung von Nockenwellen­ rohlingen zu übertragen, indem die zerspanend zu bearbeiten­ den Antriebsteile bzw. Abtriebsteile der Nockenwelle aus einem vorgefertigten, gut zerspanbaren Stahl in eine Gießform einge­ legt werden, die dann bezüglich des Hauptteiles der Nockenwelle mit einer karbidisch erstarrenden Schalenhartgußlegierung aus­ gegossen wird, wobei die eingelegten Teile ansschmelzen und mit dem Werkstoff des Hauptteiles des Nockenwellenrohlinges innig verschweißen. Ein solches Anschmelzen und Verschweißen kann insbesondere dadurch begünstigt werden, daß in dem Bereich des gegenseitigen Kontaktes schmale vorstehende Rippen mit einer - für sich genommen - relativ geringen Wärmespeicherkapazität vorgesehen werden, die auch ohne Vorwärmung der eingelegten Eisenteile aufgrund des Eingießens des Werkstoffes des Nocken­ wellenhauptteiles örtlich aufschmelzen und auf diese Weise zu­ mindest ein streifenweises Verschweißen zwischen eingelegten Eisenteilen und Nockenwellenhauptteil sicherstellen. Die ein­ gelegten Eisenteile können aus einer Eisengußlegierung oder auch aus üblicherweise nicht gießbarem, vorzugsweise legierten Stahl für Zahnräder bestehen.

Der Nachteil all dieser geschilderten Fertigungsverfahren für eine gießtechnische Herstellung von Nockenwellenrohlingen aus unterschiedlichen Eisenbasiswerkstoffen ist in der kompli­ zierten, zweistufigen Fertigung zu sehen. Ein weiterer Nach­ teil liegt darin, daß die Verbindungsstelle zwischen den bei­ den unterschiedlichen Werkstoffen nicht optimal ist; die ge­ genseitige Verschweißung enthält unter Umständen Spalte, Luft­ einschlüsse oder Sandeinschlüsse, was Ausgangspunkt für Kor­ rosion und Ermüdungsrisse sein kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, das zugrunde gelegte Verfahren zum Gießen von Nockenwellenrohlingen aus unterschiedlichen Ei­ senbasiswerkstoffen dahingehend weiterzubilden, daß das Ferti­ gungsverfahren vereinfacht und die gegenseitige Verbindung zwischen den beiden unterschiedlichen Eisenbasiswerkstoffen verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank des gleichzeitigen Abgußes beider Eisenbasiswerkstoffe und deren gegenseiti­ ger Trennung nur durch eine relativ dünne Trennscheibe kommt es zu einer innigen Verschmelzung und Verschweißung zwischen beiden Werkstoffen. Außerdem wird in einem einzigen Gießvor­ gang mit zwei unterschiedlichen Eisenbasiswerkstoffen der Noc­ kenwellenrohling gegossen. Es braucht lediglich eine einzige Gießform hergestellt zu werden. Die Menge des sogenannten Kreislaufmateriales für Angußkanäle, Gießtrichter und Speiser ist auch bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren nicht größer als bei einem zweistufigen konventionellen Herstellungsverfah­ ren.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt die einzige Figur ei­ nen Querschnitt durch eine Gießform zum Abgießen eines Nocken­ wellenrohlinges aus unterschiedlichen Eisenbasiswerkstoffen.

Bei der in der Figur dargestellten Gießform ist ein fertiger Nockenwellenrohling 1 in der Höhlung der Gießform dargestellt. Und zwar besteht der Nockenwellenrohling 1 zum einen aus einem Hauptteil 4 und aus einem Antriebsteil 7 sowie aus einem Ab­ triebsteil 8. Der Hauptteil 4 umfaßt die später schleifend zu bearbeitenden Nocken 2 und die Lager 3 sowie den dazwischen befindlichen Wellenschaft. Dieser Hauptteil des Nockenwellen­ rohlings besteht aus einer bei rascher Erstarrung Eisenkarbide bildenden Gußlegierung, vorzugsweise aus einer Schalenhartguß­ legierung. Der Antriebsteil 7 besteht im wesentlichen aus einem Flansch 5, der spanabhebend mittels Drehen und Bohren fertig bearbeitet werden muß. Der Abtriebsteil 8 enthält einen Zapfen für ein Zahnrad 6, der zunächst überdreht werden muß und in den anschließend durch Fräsen eine Verzahnung eingeschnitten wird. Die An- und Abtriebsteile 7 und 8 bestehen aus einer gießbaren, aber karbidfrei erstarrenden Gußlegierung, beispielsweise aus Kugelgraphitguß. Im Bereich dieser Teile können dadurch bei guter Zerspanbarkeit wesentliche höhere mechanische Eigen­ schaften eingestellt werden, als im Hauptteil 4. Zentrisch im Innern des Nockenwellenrohlings ist eine ihn auf der ganzen Länge axial durchsetzende Bohrung vorgesehen, die später als Schmierölkanal zur Zufuhr von Schmieröl zu den Lagerstellen und den Nocken dient. Auch diese Bohrung soll mit abgegossen wer­ den.

Zum Abguß eines solchen Nockenwellenrohlings muß zunächst ei­ ne im Bereich der Nockenwellenachse quergeteilte Gießform aus Formsand 10 hergestellt werden, in die im Bereich des Umfanges einer jeden Nocke 2 ein ovales ringförmiges Schreckeisen 9 ein­ gelegt wird, das für eine harte Erstarrung der karbidisch er­ starrenden Gußlegierung zumindest im Bereich des Nockenumfan­ ges sorgt. Wie in der rechten Bildhälfte der Figur dargestellt, kann der unmittelbar formgebende Bereich der Gießform auch durch eine Croningform 11 gebildet sein, die ihrerseits in Formsand eingebettet ist. Im Bereich der axialen Stirnseiten der Gießformhöhlung sind zentrisch in die Gießform Kernmarken eingeformt, um darin einen Kern 12 zum Abformen der zentrischen Bohrung einlegen zu können. Es handelt sich hierbei um einen schlanken stabförmigen Kern 12, der zum einen ausreichend sta­ bil sein muß, daß er sich durch Eigengewicht, Temperaturverzü­ ge und Auftrieb durch die Schmelze nicht verbiegt, der aber andererseits nach Fertigstellung des Nockenwellenrohlings sich auch leicht aus der abgegossenen Bohrung wieder entfernen läßt. Zweckmäßigerweise kann als Werkstoff für den stabförmigen Kern 12 Glas mit eingefrorenen Eigenspannungszuständen verwendet werden. Hierdurch hat der Glasstab, solange er unverletzt ist, eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit. Werden jedoch die Eigenspannungszustände beispielsweise durch Ritzen des Glas­ stabes freigelegt, so zerfällt der Glasstab selbständig in ein feinkörniges Granulat, welches Rückstandsfrei aus der abgegos­ senen Bohrung herausrieselt.

In die Gießform werden noch zwei unterschiedliche Kanalsysteme für die beiden unterschiedlichen Gußwerkstoffe eingeformt. Und zwar wird ein System von Angußkanälen 14 im Bereich des Haupt­ teiles mit Eingießöffnung 15 und Speisern 16 für die Schmelze A, nämlich eine karbidisch erstarrende Gußlegierung eingeformt. Desgleichen wird ein zweites System von Angußkanälen 17 mit Eingießöffnung 18 und Speisern 19 für die Antriebs- und Ab­ triebsteile 7 bzw. 8, d. h. für eine karbidfrei erstarrende Gußlegierung B angeformt. Damit sich die unterschiedlichen Gußlegierungen A bzw. B nicht unkontrolliert in der Gießform­ höhlung ausbreiten und in Bereiche gelangen, wo sie nicht hin­ kommen sollen, ist an jeder Stelle des Kontaktes zwischen dem Hauptteil 4 und einem An- bzw. Abtriebsteil 7, 8 des Nockenwel­ lenrohlings jeweils ein Trennblech 13 bzw. 13′ eingeformt, das die entsprechenden Anteile der Gießformhöhlung voneinander ab­ teilt. Beim Abguß des Nockenwellenrohlings werden die Schmelze A für den Hauptteil 4 und die Schmelze B für die An- und Ab­ triebsteile 7 bzw. 8 gleichzeitig und gleichmäßig in die zuge­ ordneten Anteile der Gießformhöhlung in der Weise eingegossen, daß die Füllhöhen der beiden unterschiedlichen Schmelzen A bzw. B beiderseits der Trennfläche 13 und 13′ während des Abgußes annähernd gleich schnell ansteigen. Dabei werden die Trennble­ che durch die Schmelzen zumindest teilweise aufgeschmolzen, weil sie nur eine sehr geringe Wärmekapazität beinhalten und sehr schnell die Wärme der Schmelzen annehmen. Aufgrund des Anschmelzens oder Zerschmelzens der Trennbleche kommt es zu einer vollflächigen und innigen, zumindest mittelbaren Ver­ schweißung der beiden unterschiedlichen Schmelzen. Aufgrund der Tatsache, daß die beiden Füllhöhen der Schmelzen während des Abgußes dies und jenseits der Trennbleche annähernd gleich hoch sind, kann es trotz eines sehr weitgehenden Anschmelzens nicht zu einer unkontrollierten Verlagerung der Schmelzen in einen fremden Bereich hineinkommen, weil beim An- bzw. Aufschmelzen der Trennbleche sich die Schmelzen im Gleichgewicht halten. Erst nachdem die Form vollständig gefüllt ist, kann es zu einem vollständigen Aufschmelzen der Trennbleche kommen; in diesem Stadium sind die Fließvorgänge der Schmelzen im Formhohlraum jedoch beendet und es beginnt bereits die Erstarrung, sodaß dann die Gefahr eines unkontrollierten Ausweichens der Schmelze in fremde Bereiche hinein nicht mehr gegeben ist.

Bei der in der linken Bildhälfte dargestellten Verfahrensvari­ ante, bei der die Gießform bis in den unmittelbaren Bereich der Gießformhöhlung hinein aus Formsand 10 besteht, ist das Trenn­ blech 13 relativ weit in den Formsand hinein eingebettet. Es handelt sich dabei - für den Fall eines kernlos gegossenen Nockenwellenrohlings - um eine geschlossene runde Scheibe, die in entsprechende Schlitze des Formsandes eingesteckt wird. In dem zeichnerisch dargestellten Fall, daß der Nockenwellenroh­ ling unter Zuhilfenahme eines Kernes 12 mit axialer Bohrung abgegossen werden soll, weist das Trennblech 13 eine Mitten­ bohrung auf, mittels der es stramm auf den stabförmigen Kern 12 an der ihm zugeordneten Axialposition spielfrei aufgesteckt ist und gemeinsam mit dem Kern 12 in die Gießform eingelegt wird. Hierbei kann das Trennblech zusätzlich die Funktion einer Kernstütze übernehmen und den Kern 12 radial abstützen und zen­ trieren. Bei der in der rechten Bildhälfte dargestellten Aus­ führungsvariante, bei dem die Gießform im unmittelbaren Umge­ bungsbereich der Gießformhöhlung durch eine Croningform 11 ge­ bildet ist, ist das Trennblech 13′ als eine etwas kleinere Scheibe ausgebildet, die sich mit ihrem Außenumfang lediglich bis in den Bereich der Croningform 11 hinein erstreckt.

Zweckmäßig ist es, wenn das Trennblech während des Abgusses noch nicht vollständig aufgeschmolzen wird, sondern während dieser Zeit noch eine gewisse Eigensteifigkeit besitzt; opti­ malerweise sollte das Trennblech sich erst nach vollständiger Füllung der Gießformhöhlung und kurz vor Beginn der Erstarrung vollständig auflösen und mit den angrenzenden Schmelzen legie­ ren. Selbstverständlich wird der radiale Überstand des Trenn­ bieches, der in den Formsand 10 bzw. in die Croningform 11 hineinreicht, nicht mit aufgeschmolzen oder, soweit er vor­ übergehend schmilzt, erstarrt er anschließend wieder. Dieser radiale Überstand des Trennbleches muß beim anschließenden Gußputzen oder auch in der späteren spanabhebenden Bearbeitung entfernt werden. Das oben erwähnte vollständige Durchschmelzen der Trennbleche erst gegen Ende des Abgusses kann durch eine geeignete Bemessung der Wärmespeicherkapazität der Trennbleche und diese wiederum durch eine geeignete Wahl der Wandstärke der Trennbleche sowie ihres Werkstoffes beeinflußt werden. Und zwar wird erwartet, daß die Wandstärke mit etwa 0,5 bis 2,5 mm, vorzugsweise mit 1 bis 2 mm gute Ergebnisse erzielen läßt. Als Werkstoff für die Trennbleche kommen außer üblichem unlegierten Baustahl auch Kupfer und Grauguß in Frage. Kupfer löst sich besonders gut in den einzugießenden Schmelzen auf und legiert mit diesen in einer die Werkstoffanforderungen nicht beein­ trächtigenden Weise. Zwar gehen auch die anderen genannten Werkstoffe bei geeigneten Wanddickenbemessung in den schmelz­ flüssigen Zustand über, jedoch legieren sie nicht so innig und weiträumig wie Kupfer, sodaß an der Stelle des Trennbleches 13 bzw. 13′, jeweils ein schmaler Bereich von Graugußgefüge bzw. Baustahlgefüge in den Nockenwellenrohling zurückbleibt, was jedoch nicht weiter schädlich ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Gießen von Nockenwellenrohlingen aus unter­ schiedlichen Eisenbasiswerkstoffen annähernd gleicher Schmelz­ temperatur,

• - der Nockenwellenrohling besteht zum einen im Bereich der spä­ ter schleifend zu bearbeitenden Nocken und Lager und im Bereich des zwischen ihnen befindlichen Wellenschaftes - im folgenden zusammenfassend kurz Hauptteil genannt - aus einer bei Erstar­ rung Eisenkarbide bildenden Gußlegierung, vorzugsweise aus ei­ ner Schalenhartgußlegierung,
• - der Nockenwellenrohling besteht zum anderen im Bereich von später durch Fräsen, Drehen oder Bohren zu bearbeitenden Zahn­ rädern, Verbindungsflanschen oder dergleichen - im folgenden zusammenfassend kurz An- oder Abtriebsteil genannt - aus einer gießbaren und karbidfrei erstarrenden Gußlegierung,
• - wobei in eine Gießform mit einer dem Nockenwellenrohling ent­ sprechenden Höhlung in den dem Hauptteil des Nockenwellenroh­ lings entsprechenden Anteil der Höhlung eine Schmelze aus der karbidbildenden Gußlegierung eingegossen und am Umfang der Noc­ ken aus der Schmelze heraus abgeschreckt wird, wobei die Schmelze der karbidbildenden Gußlegierung mit dem Werkstoff der An- oder Abtriebsteile, der in die entsprechenden Anteile der Höhlung der Gießform eingebracht wurde, im Bereich der ge­ genseitigen Kontaktstellen zusammenschmilzt, dadurch gekennzeichnet,
• - daß bei der Herstellung der Gießform an der Stelle eines je­ den zwischen einem Hauptteil (4) und einem An- oder Abtriebs­ teil (7, 8) des Nockenwellenrohlings (1) gelegenen Kontaktes dieser Teile jeweils ein die entsprechenden Anteile der Gieß­ formhöhlung voneinander abteilendes Trennblech (13, 13′) in die Gießform eingeformt wird,
• - daß der oder alle dem Hauptteil (4) des Nockenwellenrohlings (1) entsprechende Anteil(e) der Gießformhöhlung zum einen und alle An- oder Abtriebsteile (7, 8) des Nockenwellenrohlings (1) entsprechende Anteile der Gießformhöhlung zum anderen mit je­ weils gesonderten Angußkanälen (14 bzw. 17), Eingußtrichtern (15 bzw. 13) und Speisern (16 bzw. 19) versehen sind und
• - daß der Werkstoff (B) für die An- oder Abtriebsteile (7, 8) ebenfalls als Schmelze und gleichzeitig mit der Schmelze (A) für den Hauptteil (4) des Nockenwellenrohlings (1) in die zu­ geordneten Anteile der Gießformhöhlung in der Weise eingebracht wird, daß die Füllhöhen der beiden unterschiedlichen Schmelzen (A und B) beiderseits der Trennbleche (13, 13′) während des Abgußes annähernd gleich schnell ansteigen,
• - wobei die beiden unterschiedlichen Schmelzen (A und B) an den erwähnten Kontaktstellen unter An- oder Aufschmelzen des jeweiligen Trennbleches (13, 13′) zumindest mittelbar mit­ einander verschmelzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Trennblech (13, 13′) als Werkstoff Kupfer aus­ gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Trennblech (13, 13′) Grauguß als Werkstoff ausge­ wählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Trennblech (13, 13′) unlegierter Baustahl als Werk­ stoff ausgewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennblech (13, 13′) aufgrund einer geringen Bemessung seiner Wärmespeicherkapazität erst nach dem vollständigen Ein­ füllen der beiden Schmelzen (A und B) selber vollständig auf­ geschmolzen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Trennfläche (13, 13′) etwa 0,5 bis 2,5 mm, vorzugsweise etwa 1,0 bis 2,0 mm beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zentrisch den Nockenwellenrohling (1) auf der ganzen Länge axial durchsetzende Bohrung durch Einlegen eines entsprechen­ den, stabförmigen Kernes (12) in die Gießformhöhlung an den Nockenwellenrohling (1) angegossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Kern (12) - zusätzlich zu den endseitigen Kernmarken - durch die vom Kern (12) spielfrei aufgenommenen Trennbleche (13, 13′) radial abgestützt und zentriert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für den Kern (12) Glas mit eingefrorenen Ei­ genspannungszuständen verwendet wird.