EP0401311B1 - Verfahren und giessform zum giessen von wellen - Google Patents

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EP0401311B1
EP0401311B1 EP89907655A EP89907655A EP0401311B1 EP 0401311 B1 EP0401311 B1 EP 0401311B1 EP 89907655 A EP89907655 A EP 89907655A EP 89907655 A EP89907655 A EP 89907655A EP 0401311 B1 EP0401311 B1 EP 0401311B1
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EP
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chill
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projecting
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Von Roll AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D15/00—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor
    • B22D15/02—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor of cylinders, pistons, bearing shells or like thin-walled objects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D15/00—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for casting shafts, in particular slim shafts, which also have projecting parts, in particular eccentric, bearing and cam parts, which are cast to achieve certain material properties by means of at least one mold placed in the mold, and a mold for Execution of the procedure.
  • camshafts are made of steel, while cast camshafts are preferred for vehicle engines.
  • the invention relates to the field of cast shafts that are manufactured in large numbers.
  • Cast camshafts should be inexpensive and still have a high quality in terms of wear resistance and damping.
  • the processing effort should be as small as possible, which means that material additions must be sought that do not go beyond what is required as grinding allowance.
  • the GP-A-2 175 521 from which the preambles of claims 1 and 5 start, column 1, line 5-21, is known to produce sand molds for casting such camshafts, whereby certain material properties are required to achieve them the storage areas and on the cams chill molds or scales be inserted.
  • the mold is usually in two parts and the mold is separated along the longitudinal axis of the camshaft. Accordingly, the model is also formed in two parts and the mold halves are molded with the model halves together with the molds.
  • this object is achieved in that means are provided on the mold or on the projecting parts of the model interacting with the mold, with which the penetration of sand into the mold cavity and the casting of the mold occur during the production of the mold errors on the circumferential surface of the projecting parts as well as larger material additions on the projecting parts are avoided.
  • sealing means are arranged on the circumferential surfaces of the projecting parts of the model of the shaft corresponding to the projecting parts of the shaft, with which sealing means the gap between the model and the mold is closed. This ensures that no molding sand gets into the space between the mold and the model and can then lead to surface defects or defects in the cast camshaft.
  • the part of the mold which forms the peripheral surface of the projecting parts is expediently provided with a waffle-shaped corrugation. It is thereby achieved that the surface of the above section is improved, which is essential by preventing the formation of ice flowers, cold welding spots and other surface defects.
  • the model division for the mold can be placed at the height of the vertical tangent point of the above section. It is thereby achieved that otherwise material additions occur in the shape division in the plane of the longitudinal axis of the shaft, for the removal of which additional machining work has to be used.
  • Fig. 1 shows a part of the model 1 of a shaft with protruding parts 2, 3, 4.
  • the protruding parts 2, 3, 4 are cams, which are used on the finished camshaft to control intake and exhaust valves of an internal combustion engine.
  • the one on the wave model The above-mentioned sections 5, 6 are, for example, bearing sections which have a larger diameter than the basic diameter 7 of the shaft model 1 and which are shaped in the casting mold by molding sand.
  • the above sections 5, 6 are sections with a circular diameter, but which is larger than the basic diameter 7 of the shaft of the model 1 or the camshaft.
  • molds 8, 9, 10 made of metal are placed, which form parts of the mold during the production of the casting mold.
  • the molds 8, 9, 10 can be individual molds, as shown in FIG. 1, but they can also be formed as part of a mold package 12, see FIG. 2, in which the molds 8, 9, 10 are formed by a Web 14 are connected to each other.
  • the first object is the need to prevent the formation of surface defects or defects on the projecting parts of the camshaft designed as cam disks; because when the cast camshaft is finished, an error-free surface should be obtained after removing the material addition.
  • sealing means 16 are provided on the projecting parts, with which the gap created by the play 15 between the outer contour of the projecting parts 2, 3, 4 and the inner contour of the molds 8, 9, 10 is closed.
  • the sealing means 16 can be designed differently. They are arranged on the above sections in such a way that at most one small, uncovered model section 17 remains. This uncovered model section should be at most about 2 mm.
  • the sealing means are two O-rings 18 made of a relatively soft elastomer.
  • the sealant is a flat seal 19, which is also made of a relatively soft elastomer.
  • the sealant is a lip seal 20. As with the O-ring seal 18, two such lip seals 20 are used to close the gap 15 at both ends.
  • the sealing means 16 are also removed when the model is removed.
  • FIG. 2 shows that the molds 8, 9, 10 are part of a mold package, which, however, need not be limited to three molds, but can also include further molds.
  • the advantage of using a mold package is that handling when molding the mold is made easier.
  • FIG. 3 A further measure is schematically shown in FIG. 3, with which material additions can be avoided.
  • the model that is used for the production of the mold which is usually in two parts, is also produced as a two-part model, one half of which is attached to a model plate.
  • the plane is usually through Longitudinal axis 22 of the camshaft selected.
  • two mold halves 23, 24 are shown for the two mold halves, which are used as a mold for the manufacture of one of the above-mentioned lots 2, 3, 4. Since these protruding parts are generally cams, which have an eccentric part which is not in the parting plane 21, the upper mold half 23 must have an inner contour 25 at this point, which enables the mold half to be placed on the model.
  • the lower mold half 24 is therefore given an inner contour 26.

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Abstract

An einem Modell (1) einer Welle werden an der von einer Kokille (8, 9, 10) umgebenen vorspringenden Partien (2, 3, 4) Dichtungsmittel (16) derart angeordnet, dass der dazwischenliegende Spalt (15) gegen das Eindringen von Sandkörnern abgeschlossen ist. Dadurch wird eine wesentliche Verringerung der Oberflächen-Fehler oder -Defekte an der gegossenen Welle erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Giessen von Wellen, insbesondere schlanken Wellen, die zudem vorspringende Partien, vor allem Exzenter-, Lager- und Nockenpartien aufweisen, welche zur Erreichung bestimmter Materialeigenschaften mittels mindestens einer in die Giessform eingelegten Kokille abgegossen werden, und eine Giessform zur Durchführung des Verfahrens.
  • Schlanke, gegossene Wellen werden heute in grossen Stückzahlen hergestellt, insbesondere in der Form von Nockenwellen, die beim Bau von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Bei grossen Verbrennungsmotoren werden die Nockenwellen aus Stahl hergestellt, während für Fahrzeugmotoren gegossene Nockenwellen bevorzugt werden.
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet gegossener Wellen, die in grossen Stückzahlen hergestellt werden. Gegossene Nockenwellen sollen preisgünstig sein und trotzdem eine hohe Qualität bezüglich der Verschleissfestigkeit und der Dämpfung aufweisen. Andererseits soll der Bearbeitungsaufwand möglichst klein sein, was soviel bedeutet, dass Materialzugaben angestrebt werden müssen, die nicht über das Mass hinausgehen, welches als Schleifzugabe erforderlich ist. Die etwa des GP-A-2 175 521, von welches die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 5 ausgehen, Sp.1, Z.5-21 zuendnehmen ist, ist er bekannt, zum Abgiessen solcher Nockenwellen Sandformen herzustellen wobei zur Erreichung bestimmter Materialeigenschaften an den Lagerpartien und an den Nocken Kokillen oder Schreckschalen eingelegt werden. Gewöhnlich ist die Giessform zweiteilig und die Formtrennung erfolgt in der Längsachse der Nockenwelle. Dementsprechend ist auch das Modell zweiteilig ausgebildet und die Formhälften werden mit den Modellhälften zusammen mit den Kokillen abgeformt.
  • Diese Herstellungsart der Giessformen hat sich im wesentlichen bewährt. Allerdings gelingt es hierbei nicht, so kleine Materialzugaben einzuhalten, wie dies im Interesse einer weiteren Verringerung des Arbeitsaufwandes bei der spanenden Endbearbeitung verlangt wird.
  • Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiter auszugestalten, dass die Materialzugaben gegenüber denjenigen nach dem bisherigen Verfahren verringert werden können, dass aber gleichzeitig die beim Angiessen der Form entstehenden Mängel an der Oberfläche des gegossenen Werkstückes, insbesondere im Bereich der Kokillen ebenfalls verringert oder ganz eliminiert werden.
  • Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass an der Kokille bzw. an den mit der Kokille zusammenwirkenden vorspringenden Partien des Modells Mittel vorgesehen werden, mit denen bei der Herstellung der Giessform das Eindringen von Sand in den Kokillenholhraum und beim Abgiessen der Giessform das Entstehen von Fehlern an der umfangseitigen Oberfläche der vorspringenden Partien sowie grössere Materialzugaben an den vorspringenden Partien vermieden werden. Zweckmässig werden an den den vorspringenden Partien der Welle entsprechenden vorspringenden Partien des Modells der Welle auf ihren Umfangsflächen Dichtungsmittel angeordnet, mit denen der Spalt zwischen dem Modell und der Kokille geschlossen wird. Dadurch wird erreicht, dass kein Formsand in den Zwischenraum zwischen Kokille und Modell gelangen und anschliessend bei der gegossenen Nockenwelle zu Oberflächen-Fehlern bzw. -Defekten führen kann.
  • Zweckmässig wird der die Umfangsfläche der vorstehenden Partien bildende Teil der Kokille mit einer waffelförmigen Riffelung versehen. Dadurch wird erreicht, dass die Oberfläche an der vorstehenden Partie verbessert wird, wesentlich ist, indem die Eisblumenbildung, Kaltschweissstellen und weitere Oberflächendefekte verhindert werden. Zusätlich kann die Modellteilung für die Kokille auf die Höhe des senkrechten Tangentenpunktes der vorstehenden Partie gelegt werden. Dadurch wird erreicht, dass sonst bei der Formteilung in der Ebene der Längsachse der Welle Materialzugaben entstehen, für deren Entfernung zusätliche Zerspanungsarbeit aufgewendet werden muss.
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung in einigen Ausführungsformen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Modellplatte mit darauf montiertem Modell einer Nockenwelle und aufgesetzten Kokillen an vorstehenden Partien der Nockenwelle,
    • Fig. 2 eine schematische räumliche Darstellung eines Kokillenpaketes mit drei Kokillen und
    • Fig. 3 einen Vertikalschnitt einer zweiteiligen Giessform im Bereich zweier gegenüberliegender Kokillen.
  • Fig. 1 zeigt einen Teil des Modells 1 einer Welle mit vorstehenden Partien 2, 3, 4. Die vorstehenden Partien 2, 3, 4 sind hierbei Kurvenscheiben, die an der fertigen Nockenwelle zur Steuerung von Einlass- und Auslassventilen eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Die am Wellenmodell dargestellten vorstehenden Partien 5, 6 sind beispielsweise Lagerpartien, die einen gegenüber dem Grunddurchmesser 7 des Wellenmodells 1 einen grösseren Durchmesser aufweisen und die in der Giessform durch Formsand geformt sind. Die vorstehenden Partien 5, 6 sind Partien mit einem kreisrunden Durchmesser, der jedoch grösser ist als der Grunddurchmesser 7 der Welle des Modells 1, bzw. der Nockenwelle.
  • Auf den vorstehenden Partien 2, 3, 4 sind Kokillen 8, 9, 10 aus Metall aufgesetzt, die bei der Herstellung der Giessform Teile der Giessform bilden. Die Kokillen 8, 9, 10 können einzelne Kokillen sein, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch können Sie auch als Teil eines Kokillenpaketes 12, siehe Fig. 2, ausgebildet sein, bei dem die Kokillen 8, 9, 10 durch einen Steg 14 miteinander verbunden sind.
  • Zwischen der Innenkontur der Kokillen 8, 9, 10 und der Aussenkontur der vorstehenden Partien 2, 3, 4 muss ein bestimmtes Spiel 15 eingehalten werden, das bei der Kokille 2 vergrössert dargestellt ist. Duch diesen Zwischenraum zwischen der vorstehenden Partie und der Kokille können Sandkörner eindringen, welche anschliessend bei der gegossenen Nockenwelle zu Oberflächen-Fehlern oder -Defekten führen können.
  • Da es ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Materialzugaben zu minimalisieren, stellt sich deshalb als erste Aufgabe die Notwendigkeit, das Entstehen von Oberflächen-Fehlern oder -Defekten an den den als Kurvenscheiben ausgebildeten vorstehenden Partien der Nockenwelle zu verhindern; denn bei der Fertigbearbeitung der gegossenen Nockenwelle soll nach Entfernen der Materialzugabe eine fehlerfreie Oberfläche erhalten werden.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass die an den Kurvenscheiben auftretenden Oberflächen-Fehler weitgehend vermieden werden können, wenn im Wellenmodell 1 an den vorstehenden Partien Dichtungsmittel 16 vorgesehen werden, mit denen der durch das Spiel 15 entstehende Zwischenraum zwischen der Aussenkontur der vorstehenden Partien 2, 3, 4 und der Innenkontur der Kokillen 8, 9, 10 geschlossen wird.
  • Die Dichtungsmittel 16 können hierbei verschieden ausgebildet sein. Sie werden so an den vorstehenden Partien angeordnet, dass höchstens eine kleine, unbedeckte Modellpartie 17 stehenbleibt. Diese unbedeckte Modellpartie soll höchstens etwa 2 mm betragen.
  • Bei der Kokille 8 sind die Dichtungsmittel zwei O-Ringe 18 aus einem verhältnismässig weichen Elastomer. Bei der Kokille 9 ist das Dichtungsmittel eine Flachdichtung 19, die ebenfalls aus einem verhältnismässig weichen Elastomer hergestellt ist. Bei der Kokille 10 ist das Dichtungsmittel eine Lippendichtung 20. Wie bei der O-Ringdichtung 18 werden zwei solcher Lippendichtungen 20 verwendet, um den Spalt 15 an beiden Enden abzuschliessen.
  • Nach dem Abformen des Modells werden mit dem Entfernen desselben auch die Dichtungsmittel 16 entfernt.
  • In Fig. 2 ist dargestellt, dass die Kokillen 8, 9, 10 Teil eines Kokillenpaketes sind, das jedoch nicht auf drei Kokillen beschränkt sein muss, sondern auch weitere Kokillen umfassen kann. Der Vorteil bei der Verwendung eines Kokillenpaketes besteht darin, dass die Handhabung beim Abformen der Giessform erleichtert wird.
  • In Fig. 3 ist eine weitere Massnahme schematisch dargestellt, mit welcher Materialzugaben vermieden werden können. Das Modell, das für die Herstellung der gewöhnlich zweiteilig ausgebildeten Giessform verwendet wird, wird ebenfalls als zweiteiliges Modell hergestellt, wobei je eine Hälfte auf einer Modellplatte befestigt ist. Als Trennfläche 21 wird gewöhnlich die Ebene durch die Längsachse 22 der Nockenwelle gewählt. In Fig. 3 sind zwei Kokillenhälften 23, 24 für die beiden Giessformhälften dargestellt, die als Form für die Herstellung einer der genannten vorstehenden Partien 2, 3, 4 eingesetzt werden. Da diese vorstehenden Partien im allgemeinen Kurvenscheiben sind, die eine exzentrische Partie aufweisen, die nicht in der Trennebene 21 liegt, muss die obere Kokillenhälfte 23 an dieser Stelle eine Innenkontur 25 aufweisen, die das Aufsetzen der Kokillenhälfte auf das Modell ermöglicht. Die untere Kokillenhälfte 24 erhält deshalb eine Innenkontur 26. Diese beiden Konturpartien 25, 26 der Innenkontur der Kokille weichen jedoch von der Aussenkentur 27 der Kurvenscheibe ab, so dass hier beim Abgiessen eine verhältnismässig grosse Materialzugabe entsteht.
  • Diese Materialzugabe kann dadurch vermieden werden, dass die Trennfläche aus der Ebene durch die Längsachse 22 der Nockenwelle parallel soweit verlegt wird, dass diese Trennfläche 28 den Punkt 29 der Kurvenscheibenkontur mit einer senkrechten Tangente schneidet. Auf diese Weise kann die verhältnismässig grosse Materialzugabe, welche durch die beiden Innenkonturpartien 25, 26 der beiden Kokillenhälften 32, 24 entsteht, vermieden werden.
  • Bei der Verwendung von Kokillen ist es bekannt, dass an der Oberfläche des Gussstückes Fliessfiguren, sogenannte Eisblumenbildung, entstehen können. Ein anderer in der Nähe der Oberfläche von Gussstücken entstehender Fehler stellt eine sogenannte Kaltschweissstelle dar. Die genannten Fehler verlangen deshalb eine bestimmte Mindestzugabe beim Giessen, damit sie bei der nachfolgenden Bearbeitung entfernt werden können. Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung durch entsprechende Massnahmen die Eisblumenbildung und Kaltschweissstellen zu vemeiden.
  • Es wurde überaschend festgestellt, dass die genannten Oberflächenfehler weitgehend vermieden werden können, wenn der die Umfangsfläche der vorstehenden Partien 2, 3, 4 bildende Teil 31 der Kokille 8, 9, 10 mit einer waffelartigen Riffelung 30 versehen wird, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Durch diese verhältnismässig einfache Lösung gelingt es, eine wesentliche Verminderung der Oberflächenfehler an diesem Teil 31 zu erreichen.
  • Durch die vorstehend beschriebenen Massnahmen der Abdichtung und Riffelung der Kokilleninnenfläche sowie des an sich bekannten Verlegens der Trennfläche des Modells bzw. der Giessform gelingt es, die im Hinblick auf eine Verkürzung der spanenden Bearbeitung, z. B. des Schleifens, wüsnchenswerte Verminderung der Materialzugabe zu verwirklichen, ohne dass dadurch Probleme bezüglich der erforderlichen Oberflächenqualität durch Oberflächen-Fehler oder -Defekte entstehen können.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Giessen von Wellen, insbesondere schlanken Wellen, die zudem vorspringende Partien (2, 3, 4), vor allem Exzenter-, Lager- und Nockenpartien aufweisen, welche zur Erreichung bestimmter Materialeigenschaften mittels mindestens einer in die Giessform eingelegten Kokille (8, 9, 10) abgegossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kokille (8, 9, 10) bzw. an den mit der Kokille zusammenwirkenden vorspringenden Partien (2, 3, 4) des Modells (1) Mittel vorgesehen werden, mit denen bei der Herstellung der Giessform das Eindrigen von Sand in den Kokillenhohlraum und beim Abgiessen der Giessform das Entstehen von Fehlern an der umfangseitigen Oberfläche der vorspringenden Partien (2, 3, 4) sowie grössere Materialzugaben an den vorspringenden Partien (2, 3, 4) vermieden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den, den vorspringenden Partien der Welle entsprechenden vorspringenden Partien (2, 3, 4) des Modells (1) der Welle auf ihren Umfangsflächen Dichtungsmittel (16) angeordnet werden, mit denen der vorhandene Spalt (15) zwischen dem Modell (1) und der Kokille (8, 9, 10) geschlossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Umfangsfläche der vorstehenden Partien (2, 3, 4) bildende Teil (31) der Kokille (8, 9, 10) mit einer waffelartigen Riffelung (30) versehen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellteilung für die Kokille (8, 9, 10) auf die Höhe des Punktes (29) der senkrechten Tangente an die vorspringende Partie gelegt wird.
  5. Modell zum Formen einer Giessform zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die als zweiteiliges Modell (1) mit mindestens einer Kokille (8, 9, 10) zum Formen vorstehender Partien (2, 3, 4) der Welle ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der die Umfangsfläche der vorspringenden Partie bildende Teil (31) der Kokille (8, 9, 10) mittels einer an dem Modell (1) der Welle angeordneten Dichtung abgeschlossen ist und mit einer waffelartigen Riffelung (30) versehen ist.
  6. Modell nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfläche (21) zwischen Kokillenhälften (23, 24) der Kokille (8, 9, 10) an dem die vorsprindenge Partie bildenden Teil (31) der Kokille (8, 9, 10) liegt und parallel zur Trennebene (21) der in der Längsachse (22) der Welle liegenden Trennebene (21) des Modells versetzt ist.
  7. Modell nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichent, dass die Dichtung (16) mit kleinem Abstand (17), z.B. höchstens 2 mm, von den Seitenwänden der vorspringenden Partie (2, 3, 4) angeordnet ist.
  8. Modell nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (16) eine in der Umfangsfläche der vorspringenden Partie (2, 3, 4) liegende Weichdichtung ist, z.B. ein O-Ring (18) oder eine Lippendichtung (20).
  9. Modell nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (16) eine Flachdichtung (19) ist, die sich über die gesamte Umfangsfläche der vorstehenden Partie (2, 3, 4) erstreckt.
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