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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System zum Positionieren
von Kernen für
das Aluminiumformen mit metallischen Gußformen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Beim
Gießen
mit Sandkern von Gußteilen,
insbesondere aus einer Aluminiumlegierung oder einer anderen leichten
Legierung, trägt
die Genauigkeit der Positionierung der Sandkerne zur Genauigkeit
der Abmessungen der in Metallformen gegossenen Teile entscheidend
bei, da sie die wesentlichen inneren Formen des geformten Teils
beeinflußt
sowie einen Teil der äußeren Formen.
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Genauer
sind beispielsweise beim Formen von Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren
für Kraftfahrzeuge
wichtige Motorfunktionen direkt mit der Positionierung der Kerne
verbunden: dasselbe gilt für
Kanäle oder
Leitungen im Ansaug- oder Auspufftrakt, die vollständig durch
Kernherstellung realisiert sind und bei denen die Positionierungsgenauigkeit
einen direkten Einfluß auf
die Motoreigenschaften (Leistung, Verbrauch, umweltschädliche Emissionen,
etc.) hat.
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Das
Zusammenwirken zwischen den Kernen und den metallischen Gußformelement
stellt jedoch Probleme, die der Beherrschung der räumlichen
Positionierung zuwiderlaufen. Tatsächlich sind die Kerne im allgemeinen
auf Basis einer Sandmischung (meistens aus Siliziumdioxid) mit einer
gut definierten Körnung
und mit organischen chemischen Bindemitteln realisiert, die den
Zusammenhalt und die Widerstandsfähigkeit des Kerns sicherstellen.
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Diese
Bindemittel werden herkömmlich
gemäß zweier
großer
Verfahrensfamilien der Kernherstellung gehärtet, nämlich der sogenannten Technik
des „kalten
Kastens" (das heißt durch
den Einsatz eines gasförmigen
chemischen Katalysators) und der sogenannten Technik des „heißen Kastens" (das heißt durch
die Zuführung
von Wärme
durch den erhitzten Kernkasten selber). Unabhängig davon, welches dieser
beiden Kernherstellungsverfahren eingesetzt wird, verhalten sich
die Kerne beim Gießen
auf ähnliche
Weise. So beginnen die Bindemittel der Kerne, sobald diese in die
Gußform
gesetzt werden, die selbst eine bestimmte Temperatur hat, die typischerweise
zwischen 80°C
und 300°C
für die
kältesten
Teile und zwischen 400 und 500°C
für die wärmsten Teile
beträgt,
sich zu zersetzen und gasförmige
Rückstände freizusetzen.
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Dieser
Prozeß wird
zusätzlich
beim Gießen
von flüssigem
Aluminium beschleunigt, das in die Gußform unter Temperaturen eindringt,
die im allgemeinen zwischen 600 und 750°C betragen.
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Diese
gasförmigen
Rückstände kondensieren
auf den metallischen Teilen der Gußform und erzeugen lokal aufeinanderfolgende
Schichten von Ablagerungen, die die mehr oder weniger karbonisierten
festen Rückstände dieser
Zersetzung sind.
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Diese
Rückstände sind
extrem hart und verhindern die gute Positionierung der Kerne auf
den metallischen Abschnitten.
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Um
das Beispiel der Ansaug- oder Auspuffleitungen eines Zylinderkopfs
wieder aufzunehmen, wird dabei das Kammerprofil im allgemeinen durch
ein abgekühltes
metallisches Gußformelement
realisiert, das es gestattet, das Abkühlen des Aluminiums bei seinem
Festwerden lokal zu beschleunigen, und, indem es dies tut, lokal
seine Mikrostruktur zu verfeinern und seine Eigenschaften zu verbessern
(mechanische Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit
gegen Wärme
und Kälte,
Bruchdehnung, etc.).
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Auf
diesem abgekühlten
metallischen Element liegen die Kerne auf, die zur Ausformung dieser
Leitungen vorgesehen sind. Somit verschiebt die Ansammlung von Ablagerungen
auf der Kontaktfläche
des metallischen Gußformelements
die Leitungskerne und stört
die Positionierungsgenauigkeit, wobei die genannten Nachteile auftreten.
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Dieses
Problem kann bei der Herstellung praktisch nur dadurch gehandhabt
werden, daß für Führungen
und Abstützungen,
die sich auf den Flächen
der metallischen Elemente befinden und die mit den gegenüberliegenden
Flächen
auf dem Kern zusammenwirken, ein wesentliches Spiel gelassen wird
und daß durch regelmäßige Reinigungseingriffe
bei der Herstellung die Sauberkeit dieser Flächen beibehalten wird, beispielsweise
durch Bürsten.
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Diese
letzteren Operationen stören
die Produktion, da sie die Zykluszeiten verlängern, die Schlichte beschädigen, die
die Gußformelemente
vor dem flüssigen
Aluminium schützt,
und die es notwendig machen bei Bedarf diese Schlichte lokal auszubessern.
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Der
Gießer
will daher diese Reinigungen in möglichst großen Abständen durchführen, jedoch steht dies im
Widerspruch zur Beseitigung der Anreicherung von Ablagerungen.
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Somit
ist die tatsächliche
Praxis in der Produktion ein Kompromiß zwischen diesen verschiedenen Randbedingungen,
wodurch die räumliche
Positionierungsgenauigkeit der Kerne auf den metallischen Elementen
begrenzt wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegenden Erfindung zielt darauf ab, diese Einschränkungen
des Stands der Technik zu beheben.
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Sie
schlägt
hierfür
gemäß einem
ersten Aspekt eine Einrichtung zum Formen von Gußteilen, insbesondere von Zylinderköpfen von
Verbrennungsmotoren für
Fahrzeuge vor, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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Bestimmte
bevorzugte, jedoch nicht einschränkende
Eigenschaften der Einrichtung zum Gießen gemäß der Erfindung sind in den
abhängigen
Ansprüchen
2 bis 9 definiert.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Positionieren eines
Kerns in einer Gußform
zur Herstellung eines Gußteils
vor, wie es in Anspruch 10 definiert ist.
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Bevorzugte,
jedoch nicht einschränkende
Eigenschaften des Verfahrens gemäß der Erfindung
sind in den Ansprüchen
11 bis 15 definiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Weitere
Eigenschaften, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
von dieser besser deutlich werden, die nur beispielhaft und nicht
einschränkend
zu verstehen ist, und die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausgeführt ist,
in der:
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1 eine
Ansicht im Längsschnitt
einer Einrichtung zum Gießen
eines Zylinderkopfes darstellt,
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2 eine
schematische Querschnittsansicht derselben Einrichtung darstellt,
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3 eine
Querschnittsansicht im vergrößerten Maßstab eines
Details der Einrichtung gemäß der Erfindung
darstellt, und
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4 eine
Ansicht im Längsschnitt
des Details der 3 darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Zuerst
mit Bezug auf die 1 und 2 ist eine
herkömmliche
Realisierung eines Zylinderkopfs CL durch Schwerkraftgießen in einer
Gußform
dargestellt, die im wesentlichen aus einem abgekühlten metallischen Sockel S,
Aufsätzen
C und Einschubteilen T an den Enden zusammengesetzt ist, wobei die
Einschubteile die Gußform
senkrecht zu den Aufsätzen
C verschließen.
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Die
inneren Formen umfassen Hohlräume,
die durch die Kerne der Ansaugkanäle Na, der Auspuffkanäle Nech,
des Wasserkreislaufs Ne, des Ölkreislaufs
und Dachs Nht geformt werden (siehe insbesondere 2),
wobei letzterer Kern auch die Speiser realisiert, die es gestatten,
das Teil beim Erstarren mit flüssigem Metall
zu versorgen. Gemäß der für diesen
Teiletyp üblichen
Technik des Schwerkraftgießens
wird die Gußform über ein
Eingußsystem
SA von unten mit flüssigem
Metall versorgt (1).
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Der
Zylinderkopf ist hier ein Zylinderkopf für einen Dieselmotor mit vier
Zylindern, 16 Ventilen und Direkteinspritzung. Für diesen Zylinderkopftyp ist
die Positionierungsgenauigkeit der Ansaugkanäle, die durch die Positionierungsgenauigkeit
der entsprechenden Kerne bestimmt wird, wesentlich zur Festlegung
der Motoreigenschaften.
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Die
Einheit zum Gießen
aus Gußform,
Gußteil,
Ansatzstücken
ist in ihrer Gesamtheit in 1 schematisch
dargestellt.
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Gemäß der Erfindung
ist jedes Paar von Ansaugkanälen
mit metallischen Endeinsatzteilen I ausgestattet, wie dies schematisch
in 2 und detaillierter in den vergrößerten Ansichten
der 3 und 4 dargestellt ist. 4 veranschaulicht
ihrerseits durch einen Längsschnitt
die Tatsache, daß das
Einsatzteil I in 3 tatsächlich zwei Ansaugkanäle verbindet,
und sie veranschaulicht zusammen mit 3 die durch
dieses Einsatzteil realisierte Führung
und die Abstützungen.
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Die
wesentliche Aufgabe des Vorhandenseins des Einsatzteils I ist es,
daß das
metallische Gußformelement
nicht mehr direkt mit dem Kern in Kontakt ist, sondern daß es mit
dem Kern über
dieses fest mit dem Kern verbundene Einsatzteil in Kontakt ist und
gegebenenfalls über
ein oder mehrere weitere Einsatzteile, insbesondere ein weiteres
Einsatzteil am entgegengesetzten Ende des Kerns. Diesbezüglich ist
zu bemerken, daß die
Anzahl und die Anordnung der Einsatzteile im wesentlichen vom Aufbau
des Kerns und der für
seine Positionierung geforderten Genauigkeit abhängen.
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Jedes
Einsatzteil I hat vorteilhafterweise die folgenden Eigenschaften:
- – es
ist fest mit dem oder den betroffenen Kernen verbunden (hier zwei
Kerne Na1 und Na2 der Ansaugkanäle),
indem es bei der Herstellung des Kerns oder der Kerne im Kernkasten
positioniert wird;
- – es
hat einen Hauptteil 10, aus dem auf der Seite des Kerns
ein oder mehrere Verankerungsansatzstücke hervorstehen, wobei dies
hier zwei Ansatzstücke 111 bzw. 112 für jeden
der beiden Ansaugkanalkerne Na1 und Na2 sind, wobei diese Ansatzstücke im Moment
der Bildung (Anfertigung) der Kerne in der Masse aus Sand und organischem
Bindemittel eingefaßt
sind, derart, daß nach
dem Aushärten
der Bindemittel jeder Kern seine Ansatzstücke umschließt und daß zwischen
dem Kern und dem Ansatzstück
eine enge Verbindung realisiert ist;
- – der
Hauptteil 10 des Einsatzteils umfaßt Formen, die dafür geeignet
sind, seine Führung
und seine Positionierung und damit die des Kerns in im allgemeinen
komplementären
Formen zu realisieren, die auf oder im metallischen Gußformelement
vorgesehen sind, das sich gegenüberliegend
befindet (hier der Sockel S), wie dies weiter unten genauer zu sehen
sein wird;
- – das
Einsatzteil ist so gezeichnet, daß es die Kontaktfläche zwischen
dem Kern, mit dem es fest verbunden ist, und dem gegenüberliegenden
metallischen Gußformelement
derart bereitstellt, daß die
vom Abbau des Kerns unter Hitze stammende Ablagerung nicht die Positionierung
des Kerns stört,
der mit seinem oder seinen Einsatzteilen ausgestattet ist;
- – die
Form des Einsatzteils I ist so gewählt, daß es leicht hergestellt werden
kann, beispielsweise durch ein Metallformungsverfahren, insbesondere
von Aluminium unter Druck, wobei ein Material gewählt wird,
das mit der Legierung des zu gießenden Teils verträglich ist,
und das insbesondere beim Wiederaufschmelzen kein Verträglichkeitsproblem
hat;
- – vorzugsweise
werden außerdem
unabhängig
vom gewählten
Herstellungsverfahren für
das oder die Einsatzteile alle Formen und Flächen zum Führen und Abstützen auf
ein und demselben Werkzeugelement (typischerweise ein bestimmtes
Gußformelement)
zur Herstellung der Einsatzteile definiert. Dies gestattet es, unerwünschte gegenseitige
Verschiebungen in diesen Formen und Flächen zu vermeiden, was insbesondere
der Fall sein könnte,
wenn einige unter ihnen aus Gußvorgängen stammen
würden,
bei denen die Positionierung beim Gießen nicht immer mit einer guten
Genauigkeit sichergestellt ist.
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Es
werden nun beispielhaft mögliche
Führungen
und Abstützungen
für Einsatzteile
in den drei Raumrichtungen wie sie in 4 angegeben
sind detailliert beschrieben, wobei x die Längsrichtung des Zylinderkopfs
bezeichnet, y seine Querrichtung und z die Vertikale.
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In
einer Basisausführungsform
ist jedes Einsatzteil dafür
eingerichtet, eine genaue Positionierung des zugehörigen Kerns
festzulegen, indem es mit dem metallischen Gußformelement über von
Flächen
zusammenarbeitet, die entlang jeder der Achsen x, y und z Abstützungen
definieren.
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Somit
wird im vorliegenden Beispiel der Hauptteil 10 des Einsatzteils
in einer allgemein komplementären
im Sockel S ausgebildeten Aushöhlung 20 aufgenommen
und er hat auf seiner Unterseite eine allgemein quaderförmige Aushöhlung 12,
in die sich eine im wesentlichen komplementäre (bis auf ein unbedeutendes Spiel)
Ausstülpung 211 einfügt, die
vom Boden der Aushöhlung 20 hervorsteht.
Dies stellt die Positionierung des Einsatzteils und damit des Kerns
entlang der x und y-Achsen sicher. Außerdem besitzt das Einsatzteil
in der Umgebung seiner Aushöhlung 12 eine
Abstützfläche 123,
die dafür
eingerichtet ist, mit der Bodenfläche der Aushöhlung 20 des
Sockels in Kontakt zu kommen, derart, daß die Positionierung des Einsatzteils
und des Kerns entlang der z-Achse realisiert wird.
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Insbesondere 4 veranschaulicht
weitere Einrichtungen, und zwar 121, 122, 124 auf
der Seite des Einsatzteils und 212 auf der Seite des Sockels,
die ebenfalls zur guten Positionierung des Einsatzteils beitragen
können.
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Es
ist außerdem
zu beobachten, daß zum
leichteren Einführen
des Hauptteils 10 des Einsatzteils I in seine Aushöhlung 20 vorteilhafterweise
im Bereich der Seitenflächen
des Einsatzteils und der Aushöhlung
ein relativ großer
Abschrägungswinkel
vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise
sind es diese selben Einrichtungen des Einsatzteils (hier die Aushöhlung 12 und
die Fläche 123),
die verwendet werden, um das Einsatzteil im Kernkasten zum Zeitpunkt
des Anfertigens des Kerns zu positionieren. Hierdurch wird die erzielte
räumliche
Genauigkeit in Bezug auf die Positionierung des Kerns in der Gußform optimiert,
indem man sich nur auf ein einziges Spiel der Positionierungsflächen bezieht.
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In
bestimmten Fällen
und insbesondere für
das Beispiel eines Zylinderkopfes mit mehreren Zylindern ist es
nicht notwendig die Ansaugkerne in jeder Kammer entlang der drei
Achsen zu führen,
da diese Kerne außerdem
untereinander durch einen gemeinsamen Teil des Kerns Npa fest verbunden
sind, wie dies in 1 dargestellt ist.
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Bei
diesem Typ des Aufbaus und im besonderen Beispiel eines Motors mit
fünf Zylindern
kann es vorgesehen werden, daß die
von 1 bis 5 geordneten Einsatzteile (eines pro Zylinder) mit Aushöhlungen
zusammenarbeiten können,
die im Sockel S entlang der folgenden Führungen und Abstützungen
ausgebildet sind:
Einsatzteil 1: entlang y und z
Einsatzteil
2: entlang z
Einsatzteil 3: entlang x, y und z
Einsatzteil
4: entlang z
Einsatzteil 5: entlang y und z
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Außerdem liegt
der Dachkern hier entlang der z-Achse direkt auf der Hälfte der
Ansaugkanäle
auf (siehe 2), was die Abstützung der
Einsatzteile und damit des Satzes der Ansaugkanalkerne Na in z-Richtung sicherstellt.
Es ist hier zu bemerken, daß falls
notwendig ebenfalls Einsatzteile am oberen Ende der Kerne Na vorgesehen
sein können.
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Jedes
Einsatzteil I wird durch Gießen
unter Druck hergestellt. Zur Herstellung jedes Satzes von Ansaugkanalkernen
Na werden vor der Anfertigung fünf
Einsatzteile im Kernkasten plaziert. Das Kernherstellungsverfahren
ist hier das sogenannte Verfahren des "kalten Kastens" und es ist im vorliegenden Fall durch ein
Harzverhältnis
von 1% und durch einen siliziumhaltigen Sand mit einer Körnung von
55 AFS gekennzeichnet.
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Die
Zylinderköpfe
werden hier unter Schwerkrafteinwirkung gegossen, mit einer Standardlegierung vom
Typ AS7U3G mit der Zusammensetzung:
| Si: | 6,0–8,5 |
| Fe: | ≤ 0,50 |
| Cu: | 2,8–3,8 |
| Mg: | 0,05–0,50 |
| Zn: | ≤ 0,30 |
| Mn: | ≤ 0,30 |
| Ti: | ≤ 0,25 |
| weitere | |
| einzeln: | 0,05% |
| Gesamtheit: | ≤ 0,15% |
(Werte in Gewichtsprozent)
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Die
Gießtemperatur
(gemessen im Warmhalteofen) beträgt
740°C. Der
Sockel S wird mit Wasser abgekühlt.
Der Gießtakt
beträgt
7 bis 8 Teile pro Stunde.
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In
Bezug auf den im Bereich des Sockels befindlichen Herstellungsausstoß an gegossenen
Rohzylinderköpfen
gestattet es die gemäß der Erfindung
realisierte Führung
durch ein oder mehrere Einsatzteile, beim Gießen von 30 aufeinanderfolgenden
Zylinderköpfen
an einem Herstellungstag eine Positionierung der Enden der Ansaugleitungen
zu erhalten (gemessen am Teil nach dem Abkühlen, Entsanden, Beseitigung
der Systeme zum Speisen und Versorgen mit Metall und der Einsatzteile),
die durch eine Standardabweichung von weniger als oder gleich 0,1
mm in den drei Raumrichtungen x, y und z gekennzeichnet ist.
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Außerdem wird
visuell beobachtet, daß die
Führungsformen
des Einsatzteils sehr sauber und insbesondere frei von Ablagerungen
bleiben, wodurch die Reproduzierbarkeit der Führung über die Zeit sichergestellt
ist.
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Vergleichsbeispiel
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Derselbe
Zylinderkopf, nach denselben Prinzipien und mit derselben Legierung
aufgebaut, jedoch mit einer direkten Führung der Ansaugkanalkerne
im metallischen Sockel, gestattet es, Positionierungsgenauigkeiten
in x, y und z zu erhalten, die bestenfalls zwischen 0,20 und 0,25
mm liegen. Der Gießtakt
reduziert sich aufgrund der regelmäßigen Wartung der Gießform im
Verlauf der Produktion in der Größenordnung
von 5% bis 10% gegenüber
dem Beispiel gemäß der Erfindung.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die oben im besonderen
beschriebene Ausführungsform
eingeschränkt,
sondern der Fachmann weiß davon
zahlreiche Varianten und Modifikationen auszuführen.