DE4102358C2 - Im Druckgußverfahren herzustellendes Formteil, Verfahren zur Herstellung des Formteils sowie Hohlkörper zur Einlage in das Formteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Formteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung des Formteils sowie einen Hohlkörper zur Einlage in das Formteil. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung des Hohlkörpers zur Her­ stellung eines Formteils, insbesondere eines Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine.

Im Druckgußverfahren hergestellte Bauteile weisen eine erhöhte Oberflächengüte, höhere Festigkeit sowie geringere Lufteinschlüs­ se auf als im Schwerkraftguß hergestellte Teile. Außerdem können die erforderlichen Wandstärken reduziert werden, was zugleich eine Material- und Gewichtseinsparung bedeutet. Soweit Hohlräume vorgesehen sind, ist jeweils ein den entsprechenden Hohlraum wäh­ rend des Druckgießens einnehmender Kern erforderlich. Dieser Kern ist in der Regel Bestandteil eines beweglichen Teils der Druck­ gußform. Das öffnen der Druckgußform am Ende des Druckgußvorgan­ ges bedeutet zugleich ein Entkernen des Formteils (Druckgußteil). Bauteile mit gekrümmten Funktionshohlräumen, Hinterschneidungen oder dgl. sind auf diese Weise nicht herstellbar. Insbesondere betrifft dies die Herstellung von Zylinderköpfen für Brennkraft­ maschinen mit mehreren gekrümmten Ein- und Auslaßkanälen.

Aus DE 23 54 254 C3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formteiles bekannt, insbesondere eines Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine, wobei das Formteil durch ein Druckgußverfahren hergestellt wird, ein Hohlkörper in eine Druckgußform eingelegt und vor dem Druckgießen mit einem Kernmedium gefüllt wird, wobei das Kernmedium primär zu der Übertragung des spezifischen Preßdruckes auf die Innenkontur des Hohlkörpers dient und durch das Kernmedium an mindestens einer Öffnung des Hohlkörpers mindestens eine Stirnwandung gebildet wird, wobei nach dem Druckgießen das Kernmedium entfernt wird, der Hohlkörper im Formteil verbleibt und durch den Hohlkörper zumindest teilweise die Innenwandung des hergestellten Formteiles gebildet wird. Nachteilig hierbei ist es, daß insbesondere wenn die Druckgußform nicht gleichmäßig befüllt werden kann, eine Verschiebung bzw. Verlagerung des mit dem Kernmedium gefüllten Hohlkörpers innerhalb der Druckgußform auftreten kann, so daß - als Endeffekt - das so hergestellte Formteil nicht die Maße bzw. die Dimensionierung aufweist, wie dies ursprünglich beabsichtigt ist. Hieraus können entsprechend aufwendige Nachbearbeitungsvorgänge resultieren.

Aus DE 37 23 763 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem gesinterten Keramikmaterial und einem Metall zusammengesetzten Formteiles bekannt, wobei die Ausbildung eines Hohlraumes zwischen dem gesinterten keramischen Körper und dem Metall dadurch vermieden werden soll, daß in dem gesinterten keramischen Körper vor dem Rußvorgang an der Stelle, an welcher ein derartiger Hohlraum auftreten würde, eine Durchgangsausnehmung vorgesehen ist.

Schließlich offenbart DE 32 24 945 C1 einen im Druckgußverfahren hergestellten Zylinderkopf für wassergekühlte Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit in Reihe angeordneten Brennräumen. Der hier im Druckgußverfahren hergestellte Zylinderkopf wird entsprechend bearbeitet, insbesondere werden durch Bohrungen entsprechende Wasserräume gebildet, wobei die entsprechenden Verbindungskanäle durch Gußform-Züge ausformbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte, im Druckgußverfahren herzustellende Formteil so auszubilden, daß es auch mit gekrümmten Hohlräumen versehen sein kann.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich gemäß den kennzeichnenden Merk­ malen des Patentanspruchs 1. Danach ist ein im wesentlichen an der über den Gießvorgang gebildeten Innenkontur des Hohlraumes anlie­ gender Hohlkörper vorgesehen. Bei mehreren Hohlräumen sind entspre­ chend mehrere Hohlkörper vorhanden. Der Hohlkörper verbleibt auch nach der Fertigung im Formteil. Krümmungen, Hinterschneidungen oder dgl. sind deshalb unproblematisch.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hohlkörpers im Formteil ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-7. Die Ansprüche 8-10 betref­ fen ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Formteils.

Die Ansprüche 11-18 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Hohlkörpers zur Vorbereitung und Durchführung des Herstellungs­ verfahrens für das Formteil. Dabei geht es insbesondere um eine Erhöhung der Belastbarkeit des Hohlkörpers. Zur Aufnahme und Abstüt­ zung der beim Druckgießen auftretenden maximalen Drücke ist der Hohlkörper mit einem Kernmedium ausgefüllt, das den spezifischen Preßdruck auf die Innenkontur des Hohlkörpers überträgt.

Zur schnelleren Entkernung besteht das Kernmedium aus einem heraus­ rüttelbaren oder herausschmelzbaren Werkstoff.

Weiterhin können Montagehilfen zur Fixierung des Kernmediums und damit des Hohlkörpers in der Druckgußform vorgesehen sein.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Formteil mit Hohlkör­ per in einer Druckgußform,

Fig. 2 einen Schnitt A-A aus Fig. 1,

Fig. 2a einen Schnitt B-B aus Fig. 2,

Fig. 3 einen Schnitt C-C aus Fig. 1,

Fig. 4 eine weitere Ausführung von in der Fig. 1 gezeigten Montagehilfen,

Fig. 5 eine weitere Ausführung von in der Fig. 1 gezeigten Montagehilfen mit unterschiedlichen Durchmessern.

Gemäß Fig. 1 ist ein rohrartiger keramischer Hohlkörper 1, vorzugs­ weise Aluminiumtitanat-Keramik, mit einem Kernmedium 2, vorzugs­ weise Kernsand gefüllt. Ein Elastizitäts-Modul des Kernsandes ist durch Auswahl eines bestimmten Binderanteils und Einstellung einer bestimmten Packungsdichte dem beim Druckgießen zu erwarten­ den Prozeßdruck entsprechend eingestellt. Auf diese Weise wird eine Implosionsgefahr für den Hohlkörper 1 auch bei Gußverfahren mit besonders hohen Drücken vermieden. Insbesondere gilt dies für indirekte Druckgußverfahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Formteilen. Der Hohlkörper 1 ist in einer Druckguß­ form 3 angeordnet und bildet zugleich eine Außenkontur eines Funk­ tionshohlraumes 4 eines aus einer Aluminium-Druckgußlegierung bestehenden Formteils 5.

Die Wandstärke des Hohlkörpers 1 ist im wesentlichen konstant. Freie Flächen 6, 7 und 8 des Kernmediums 2 sind zum Schutz vor der Aluminiumschmelze mit einer insbesondere membranartigen, tempera­ turstabilen keramischen Schicht 6.1, 7.1, und 8.1 nahezu konstanter Wandstärke überzogen.

An den Stirnflächen des Hohlkörpers 1, das heißt im Bereich der freien Flächen 7 und 8 sind zylindrische Montagehilfen 9, 10, vorzugsweise aus Stahl vorgesehen. Diese erstrecken sich aus dem Kernmedium 2 heraus und sind mit einem freien Ende 9.1, 10.1 über ihren Umfang formschlüssig durch die Druckgußform 3 aufgenommen. In der Fig. 1 ist zwischen den freien Enden 9.1, 10.1 und der Druckgußform jeweils ein freier Raum 9.2, 10.2 erkennbar. Die Stiftenden sitzen demnach nicht mit ihren Stirnseiten in der Druck­ gußform 3 auf. Die Montagehilfen 9, 10 verkleinern die freie druck­ beaufschlagte Stirnquerschnittsfläche um den Betrag der Stiftquer­ schnitte, woraus eine Druck-Kraftkomponente in X- und Y-Richtung auf den Hohlkörper 1 während der Formfüllung (hydrostatische Druck­ belastung) resultiert. Über die Größe der Stiftdurchmesser kann somit eine definierte und begrenzte Druckfixierung eingestellt werden, die das Verlagern des Hohlkörpers 1 behindert und die genaue Positionierung unterstützt. Verschiedene Ausführungsformen der Montagehilfen 9, 10 werden weiter unten im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 erläutert.

Gemäß Fig. 2 (Schnitt A-A aus Fig. 1) sind zur Fixierung des keramischen Hohlkörpers 1 in der geschlossenen Druckgußform 3 über den Umfang des Hohlkörpers und an dessen Ende drei Kontaktstellen 11, 12 und 13 in der Höhe der Wandstärke des Formteils 5 im Abstand von etwa 120° zueinander angeordnet. In Höhe der Kontaktstellen 12 und 13 sind stirnseitig zwei Kontaktstellen 14 und 15 ausgeformt, die in Verbindung mit der zuvor beschriebenen Druckfixierung (Montage­ hilfe 9, 10) Rotations- und Translationsverschiebungen während des schmelzflüssigen Zustandes der Aluminiumlegierung verhindern. Die Teilansicht in der Fig. 2a verdeutlicht die Lage der Kontaktstellen 13 und 15 zueinander und in der Druckgußform 3. Fig. 3 zeigt die Anordnung von Kontaktstellen 14.1 und 15.1 am anderen Körperende entsprechend dem Schnitt C-C in Fig. 1. Die Kontaktstellen sind so angeordnet, daß später der Preßdruck der Schmelze ungehindert über die membranartigen Schichten 6.1, 7.1, 8.1 auf das Kernmedium 2 übertragbar ist.

Die Fig. 4 und 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Montagehilfen 9 und 10 aus Fig. 1. Während diese in der Fig. 1 ein V-Profil und eine kalotteneförmige Stirnseite (im Kernmedium 2) aufweisen, ist die Montagehilfe gemäß Fig. 4 in einem im Kern­ medium 2 befindlichen Bereich 16 mit tiefen Gewindegängen 16.1 versehen. Dadurch wird eine intensive Verbindung zwischen der Montagehilfe und dem Kernmedium 2 erzielt.

Gemäß Fig. 5 ist ein im Kernmedium 2 befindlicher Bereich 18 mit einem größeren Durchmesser 18.1 ausgebildet als der übrige Bereich 17 mit dem Durchmesser 17.1. Auf diese Weise ergibt sich eine Reduzierung der Flächenpressung und damit eine Druckunter­ setzung der Druckkräfte von der Montagehilfe auf das Kernmedium 2.

Die Erfindung ist nicht auf Druckgußverfahren mit Metall beschränkt. Vielmehr kann sie auch vorteilhaft bei Spritzgußverfahren und in Verbindung mit Kunststofformteilen Anwendung finden.

Bei Verwendung der Erfindung für die Herstellung von Zylinderköpfen von Brennkraftmaschinen mit sogenannten Portlinern ergeben sich für den Einsatz von keramischen Hohlkörpern besondere Vorteile, weil hier die Vorteile der Keramik bezüglich Wärmeisolation und Beständigkeit gegenüber Temperatur, Korrosion, Erosion, Oxidation und aggressiven Medien genutzt werden können.

Die Herstellung des Formteils 5 gemäß Fig. 1 wird nach folgendem Verfahren durchgeführt:

Es wird zunächst der Hohlkörper 1, einschließlich der Kontaktstel­ len 11, 12, 13, 14, 15, 14.1, 15.1, beispielsweise aus Aluminium­ titanat-Keramik geformt. Sodann wird dieser mit dem Kernmedium 2 gefüllt und die Montagehilfen 9, 10 in die freien Stirnflächen 7, 8 eingesetzt, vorzugsweise eingeschossen. Danach werden die freien Stirnflächen 6, 7, 8 mit der Schicht 6.1, 7.1, 8.1 zum Schutz gegen das Eindringen von Schmelze überzogen. Der derart gefüllte Hohlkör­ per 1 wird anschließend in eine Druckgußform (Teilform) eingelegt. Dabei kommen die freien Enden 9.1 und 10.1 der Montagehilfen in entsprechenden Aussparungen in der Druckgußform 3 zu liegen. Zugleich liegen die Kontaktstellen 11-15, 14.1 und 15.1 nahezu spielfrei an den Innenkonturen der Druckgußform 3 an. Schließlich wird die Druckgußform 3 geschlossen und in bekannter Weise im Druckguß mit Metallschmelze gefüllt. Nach dem Erstarren der Schmelze und dem öffnen der Form wird das Formteil 5 mit eingeschlossenem Hohl­ körper 1 entnommen und das Kernmedium 2 zusammen mit den Montagehil­ fen, z. B. durch Rütteln oder Ausschmelzen entfernt.

Bezugszeichenliste

1

Hohlkörper

2

Kernmedium

3

Druckgußform

4

Funktionshohlraum

5

Formteil

6

,

7

,

8

Freie Stirnflächen

6.1

,

7.1

,

8.1

Keramische Schicht

9

,

10

Montagehilfe

9.1

,

10.1

Freies Ende

9.2

,

10.2

Freier Raum

11

,

12

,

13

Kontaktstellen

14

,

15

Kontaktstellen

14.1

,

15.1

Kontaktstellen

16

Montagehilfebereich

16.1

Gewindegang

17

Freies Ende

17.1

Kleiner Durchmesser

18

Montagehilfebereich

18.1

Großer Durchmesser

Claims (24)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formteiles (5), insbesondere eines Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine, wobei das Formteil (5) durch ein Druckgußverfahren hergestellt wird, ein Hohlkörper (1) in eine Druckgußform eingelegt und vor dem Druckgießen mit einem Kernmedium (2) gefüllt wird, wobei das Kernmedium (2) primär zur Übertragung des spezifischen Preßdruckes auf die Innenkontur des Hohlkörpers (1) dient und durch das Kernmedium (2) an mindestens einer Öffnung des Hohlkörpers (1) mindestens eine Stirnwandung gebildet wird, wobei nach dem Druckgießen das Kernmedium (2) entfernt wird, der Hohlkörper (1) im Formteil (5) verbleibt und durch den Hohlkörper (1) zumindest teilweise die Innenwandung des hergestellten Formteiles (5) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine stiftförmige Montagehilfe (9, 10) vorgesehen wird, die sich über die Stirnwandung einenends in das Kernmedium (2) erstreckt und andernends über ihren Umfang formschlüssig in der Druckgußform (3) aufgenommen wird, daß durch die Montagehilfe (9, 10) die freie druckbeaufschlagte Stirnquerschnittsfläche der Stirnwandung verkleinerbar ist und daß die Größe des Durchmessers der stiftförmigen Montagehilfe (9, 10) derart gewählt wird, daß eine definierte und begrenzte Druckfixierung eingestellt wird oder ist, so daß - während des Gießens - die gewünschte Positionierung des Hohlkörpers (1) gewährleistet ist.

2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) aus keramischen Werkstoffen besteht.

3. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff aus Aluminiumtitanat-Keramik besteht.

4. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hohlkörper (1) Mittel zur Fixierung innerhalb der Druckgußform (3) aufweist.

5. Formteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fixierung als mit den Teilformen korrespondierende Kontakt­ stellen (11, 12, 13, 14, 15, 14.1, 15.1) ausgebildet sind.

6. Formteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt­ stellen (11-15.1) am Umfang des Hohlkörpers (1) und/oder im Bereich von Stirnseiten (6, 7) des Hohlkörpers (1) vorge­ sehen sind.

7. Formteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstellen (11-15.1) durch ein Formgebungsverfahren für den Hohlkörper (1) mit ausgeformt werden.

8. Verfahren zur Herstellung eines Formteils nach einem Ansprüche 1 bis 7, im insbesondere indirekten Druckgußverfahren und mit folgenden Schritten:

• 1. Herstellung eines Hohlkörpers (1) als Einlage für das Formteil (5), wobei das Kernmaterial für den Hohlkörper (1) als verlorene Form ausgebildet ist,
• 2. Einlegen des Hohlkörpers (1) in eine Druckgußform (3) unter Verwendung von Mitteln (11-15.1, 9, 10) zu Fixierung des Hohlkörpers (1) in der Druckgußform und im späteren Formteil,
• 3. Schließen der Druckgußform (3) und Druckgießen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) vor dem Druckgießen und gegebenenfalls vor dem Einlegen in eine Teilform der Druckgußform (3) mit einem Kern­ medium (2) gefüllt wird, das primär zur Übertragung des spezi­ fischen Preßdruckes auf die Innenkontur des Hohlkörpers (1) dient.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmedium (2) zumindest an den offenen Seiten (6, 7, 8) des Hohlkörpers (1) gegen das Eindringen von Schmelze abgedichtet wird.

11. Hohlkörper, insbesondere zur Einlage in ein nach einem indi­ rekten Druckgußverfahren zu fertigendes Formteil, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Kernmedium als Füllung zur Übertragung des spezifischen Preßdruckes auf die Innenkontur des Hohlkörpers.

12. Hohlkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmedium (2) aus einem eine schnelle Entkernung ermöglichenden Werkstoff besteht.

13. Hohlkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmedium (2) im wesentlichen aus Sand - gegebenenfalls mit Binderanteil - besteht.

14. Hohlkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmedium (2) aus einem bei niedriger Temperatur schmelzbaren Metall besteht.

15. Hohlkörper nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul des Kernmediums (2), insbesondere durch Auswahl einer bestimmten Dichte und/oder eines bestimmten Binderanteils oder bestimmter Beimengungen und Bestandteile an den zu erwartenden spezifischen Preßdruck angepaßt ist.

16. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kernmedium (2) eine Abdichtung (6.1, 7.1, 8.1) zumindest an den offenen Seiten (6, 7, 8) des Hohlkörpers (1) gegen das Eindringen von Schmelze aufweist.

17. Hohlkörper nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung (6.1-8.1) als Umhüllung, Beschichtung, Glasur oder Membran ausgebildet ist.

18. Hohlkörper nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung (6.1 bis 8.1) aus einem elastischen Keramikkleber besteht.

19. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine Montagehilfe (9, 10) in Gestalt eines zum Teil im Kernmedium (2) und zum anderen Teil in der Druckgußform (3) angeordneten Stifts vorgesehen ist.

20. Hohlkörper nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagehilfe (9, 10) unterschiedliche Durchmesser in der Druck­ gußform (3) und im Kernmedium (2) aufweist, insbesondere mit einem größeren Durchmesser (18.1) im Kernmedium (2) als in der Druckgußform (3) zur Reduzierung der Flächenpressung auf das Kernmedium (2).

21. Verwendung des Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 11 bis 20 zur Herstellung eines Formteils (5) im direkten oder indirekten Druckgußverfahren oder im Spritzgußverfahren.

22. Verwendung des Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 11 bis 20 zur Herstellung eines Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine mit keramischen Portlinern im direkten oder indirekten Druck­ gußverfahren oder im Spritzgußverfahren.

23. Hohlkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff herausrüttelbar oder herausschmelzbar ist.

24. Hohlkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Wismutlegierung ist.