EP1094908B1 - Verfahren zur herstellung einer nockenwelle aus stahl und nach diesem verfahren hergestellte nockenwelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer nockenwelle aus stahl und nach diesem verfahren hergestellte nockenwelle Download PDF

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EP1094908B1
EP1094908B1 EP99947245A EP99947245A EP1094908B1 EP 1094908 B1 EP1094908 B1 EP 1094908B1 EP 99947245 A EP99947245 A EP 99947245A EP 99947245 A EP99947245 A EP 99947245A EP 1094908 B1 EP1094908 B1 EP 1094908B1
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casting
camshaft
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Volker Korte
Jürgen Schmid
Matthias Vogelsang
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/046—Use of patterns which are eliminated by the liquid metal in the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • B22C7/023—Patterns made from expanded plastic materials
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting
    • F02F2200/08—Casting using a lost model, e.g. foam casting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hollow camshaft made of steel.
  • Steel camshafts are known, for example, from JP 02 102 302 A.
  • the invention is concerned with the problem of being able to produce a hollow steel camshaft extremely efficiently.
  • the casting molds are constructed according to the principle of the lost foam casting system. This means that the camshaft with a extremely low material allowance for finishing as a lost form of, for example, a polymer blank is created and used. This unfolding during filling of the cast steel blank is placed in a sand mold, whereby the hollow interior is filled with sand.
  • the polymer there is used one having a special chemical composition which prevents harmful carburizing processes when the liquid steel is poured. As a result, the required in carrying out the teaching of the invention high geometric requirements are met by the mold.
  • the gate system used according to the invention by means of which it is possible to simultaneously deposit a plurality of camshafts, for example more than 50, is used.
  • camshaft blanks with Angusssystem serves the indicated in the dependent claims plug-in system. It can be dispensed with the use of adhesive, which has an advantageous effect on the casting quality.
  • Camshafts produced according to the invention are suitable and intended for valve trains of internal combustion engines, in which the valve actuation is effected in particular via a roller contact with the camshaft. In these cases, camshafts are required, the Hertzian surface pressures of up to 2,500 MPa during the entire engine life without Can endure tread damage.
  • the design as a hollow camshaft has the advantage, on the one hand to save weight and on the other hand to be able to lubricate through the camshaft.
  • the pouring device shown consists of a central, vertically aligned filling channel 1 for prison ceremonies in the device liquid casting material, which is connected at its lower end via horizontally star-shaped branching connecting channels 2 with Eing mankanälen 3 for the fusible models 4. All the aforementioned parts consist of material which melts under the casting material, for example a polymer known in the Lost Foam casting process. However, it may be appropriate to form the filling channel 1 of a non-melting material.
  • the camshaft models 4 are axially parallel to the respective pouring channel 3, around which they are distributed, arranged and connected to this over its height via a plurality of gate connections 5.
  • the individual Eing mankanäle 3, of which a plurality may be present, are closed at their upper ends in each case with a ceramic plug 6 as a throttle valve.
  • the melting during the implementation of the casting process parts 1, 2, 3, 4, and optionally also 5 of the pouring device are coated on their surfaces in each case with a dimensionally stable sizing.
  • the material of this sizing moreover, ensures a sufficient permeability of the dissolved when molding the lost moldings, that is, the polymer parts, forming gases.
  • This sizing in particular ensures a high surface quality of the camshafts produced according to the invention.
  • a molding box 7 is filled with sand in such a way that all meltable moldings are completely enclosed by sand.
  • Completely enclosed in the case of the camshaft casting molds means that they are also completely filled with sand in their inner, profiled cavity.
  • the sand enclosing the moldings is only filled into the molding box 7 as loose sand and pressed there in no particular way.
  • the molding box 7 vibrates to obtain a good molding sand distribution.
  • the individual parts of the caster are, as far as they are not made in one piece, simply frictionally inserted into each other.
  • the filling channel 1 are plugged into a composite part formed from the connecting channels 2 and the Eing mankanäle 3 in the connecting channels 2.
  • the camshaft models 4 are infected to the respective Eing mankanal 3 only via the gate connections 5. Even the camshaft Models 4 can be constructed of individual parts in the axial direction and plugged together.
  • the sequence of filling a molded within a molding box 7 in sand casting device is as follows.
  • Liquid casting material is introduced into the filling channel 1 and passes through the connecting channels 2 from below into the Eing mankanäle 3. From there, the casting material penetrates through the gate joints 5 in the individual camshaft models 4, wherein the casting material evenly in the respective Eing mankanal 3 and the ascends with this connected camshaft models 4.
  • the ceramic plug 6 is formed upon penetration of the casting material into the Eing mankanäle 3 in this a certain above atmospheric pressure lying casting pressure.
  • the individual mold parts of the pouring device dissolve in a way that is customary per se in the known Lost Foam casting method. To achieve a good casting quality and to ensure adequate dimensional stability of the casting device during the casting process of the sizing coating on the individual moldings is of particular importance.
  • the casting material in the form of the casting device can be easily pulled out of the sand bed of the molding box 7 and completely rid of the casting sand by shaking.
  • the individual camshafts, after their production in the casting method described, must still be mechanically freed from the respective sprues or runner channels. However, this is possible in a simple, professional way.
  • a particularly favorable material for a camshaft which can be produced according to the invention has the following composition in% by weight: carbon 0.5 to 2.5% chrome 1 to 18% silicon 0.1 to 1% manganese 0.1 to 1% molybdenum 0.1 to 2% vanadium 0.1 to 2% tungsten 0.1 to 2% other elements up to 4%
  • the camshafts are mechanically preprocessed at the bearing points and the cam points, surface hardened by, for example, inductive hardening, case hardening, carbonitriding or other comparable methods and then finished.
  • the finishing is conveniently carried out by grinding.
  • camshafts according to the invention have, in places which are not mechanically processed, a typical surface relief known from polystyrene parts.
  • the cavity of the camshaft is not machined mechanically.
  • the surface hardness is 150 to 400 HB.
  • the size of the casting defects is limited by the inventive method in a range of 1 mm below the cam surfaces to 0.1 mm.
  • the hardness of the cam surface is there, depending on the required surface pressure, between 35 and 70 HRC.
  • the cam surface typically has residual stresses between 50 and 600 MPa.
  • the structure of the camshaft according to the invention is ferritic-pearlitic or ledeburitic. In the area of surface hardening, martensitic or bainitic structures are typically present.
  • C, N or B contents increased by 0.1 to 3% may also be present in this range.

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Abstract

Eine Nockenwelle aus Stahlguß mit einem inneren Hohlraum mit einer insbesondere profilierten, zylindrischen Innenform ist in einem an sich bekannten 'Lost Foam'-Gießverfahren rationell herstellbar. Eine derart hergestellte Nockenwelle aus Stahl kann in ihren Laufflächenbereichen äußerst hohe Hertzsche Flächenpressungen über eine lange Lebensdauer schadlos ertragen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Herstellung einer hohlen Nockenwelle aus Stahl.
  • Nockenwellen aus Stahl sind beispielsweise bekannt aus JP 02 102 302 A.
  • Aus JP 61 115 660 A, JP 62 296 935 A, JP 41 67 946 A, JP 12 38 765 A und JP 63 26 42 48 A ist es bekannt, Nockenwellen aus Eisenwerkstoffen in einem "Lost Foam"-Gießverfahren herzustellen.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine hohle Nockenwelle aus Stahl äußerst rationell herstellen zu können.
  • Gelöst wird dieses Problem durch ein Herstellungsverfahren mit sämtlichen Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Gießformen sind nach dem Prinzip des Lost Foam-Gießsystems aufgebaut. Dies bedeutet, dass die Nockenwelle mit einer äußerst geringen Materialzugabe für die Endbearbeitung als verlorene Form aus beispielsweise einem Polymer-Rohling erstellt und eingesetzt wird. Dieser sich beim Einfüllen des Stahlgusses auflösende Rohling wird in eine Sandform eingelegt, wobei auch der hohle Innenraum mit Sand ausgefüllt wird.
  • Als Polymer wird ein solches eingesetzt, das eine spezielle chemische Zusammensetzung aufweist, durch die schädliche Aufkohlungsprozesse beim Eingießen des flüssigen Stahls verhindert werden. Hierdurch werden die bei der Durchführung der erfindungsgemäßem Lehre erforderlichen hohen geometrischen Anforderungen an die Gießform erfüllt.
  • Zur Verhinderung von Gießfehlstellen und auch aus wirtschaftlichen Gründen dient der erfindungsgemäß eingesetzte Angusssystem, durch das es möglich ist, eine Vielzahl von Nockenwellen, beispielsweise mehr als 50, gleichzeitig abzugießen. Zur Gewährleistung der Stabilität einer sogenannten Traube aus mehr als 50 Nockenwellenrohlingen mit Angusssystem dient das in den Unteransprüchen aufgezeigte Stecksystem. Dabei kann auf die Verwendung von Klebstoff verzichtet werden, was sich vorteilhaft auf die Gußqualität auswirkt.
  • Erfindungsgemäß hergestellte Nockenwellen sind geeignet und bestimmt für Ventiltriebe von Verbrennungsmotoren, bei denen die Ventilbetätigung insbesondere über einen Rollenkontakt zur Nockenwelle erfolgt. In diesen Fällen werden Nockenwellen benötigt, die Hertzsche Flächenpressungen von bis zu 2.500 MPa während der gesamten Motorlebensdauer ohne Laufflächenbeschädigungen ertragen können. Die Ausführung als hohle Nockenwelle besitzt den Vorteil, einerseits Gewicht einzusparen und andererseits durch die Nockenwelle hindurch schmieren zu können.
  • Ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung dargestellt.
  • In dieser zeigt in schematischer Darstellung die einzige
    • Fig. 1
    einen Sandformkasten ohne Sand mit einer aus einer Vielzahl einzelner, untereinander verbundener Modelle bestehenden Gieß-Einrichtung.
  • Die dargestellte Gieß-Einrichtung besteht aus einem zentralen, lotrecht ausgerichteten Einfüllkanal 1 für in die Einrichtung einzufüllendes flüssiges Gußmaterial, der an seinem unteren Ende über horizontal sternförmig abzweigende Verbindungskanäle 2 mit Eingießkanälen 3 für die aufschmelzbaren Modelle 4 verbunden ist. Sämtliche vorgenannten Teile bestehen aus unter dem Gußmaterial aufschmelzendem Material wie beispielsweise einem bei Lost Foam-Gießverfahren bekannten Polymer. Allerdings kann es zweckmäßig sein, den Einfüllkanal 1 aus einem nicht schmelzendem Material auszubilden.
  • Die Nockenwellen-Modelle 4 sind achsparallel zu dem jeweiligen Eingießkanal 3, um den sie verteilt sind, angeordnet und mit diesem über dessen Höhe über mehrere Anschnitt-Verbindungen 5 verbunden.
  • Die einzelnen Eingießkanäle 3, von denen eine Vielzahl vorhanden sein kann, sind an ihren oberen Enden jeweils mit einem Keramikstopfen 6 als Drosselventil verschlossen.
  • Die während der Durchführung des Gießverfahrens aufschmelzenden Teile 1, 2, 3, 4, und gegebenenfalls auch 5 der Gießeinrichtung sind an ihren Oberflächen jeweils mit einer formstabil wirkenden Schlichte überzogen. Das Material dieser Schlichte sorgt im übrigen für eine ausreichende Permeabilität der beim Auflösen der verlorenen Formteile, das heißt der Polymerteile, sich bildenden Gase. Diese Schlichte sorgt insbesondere für eine hohe Oberflächengüte der erfindungsgemäß erzeugten Nockenwellen.
  • Vor dem Füllen der Gießeinrichtung mit flüssigem Gußmaterial wird ein Formkasten 7 mit Sand derart aufgefüllt, dass sämtliche ausschmelzbaren Formteile vollständig von Sand eingeschlossen sind. Vollständig eingeschlossen bedeutet bei den Nockenwellengießformen, dass diese jeweils auch in ihrem inneren, profilierten Hohlraum vollständig mit Sand ausgefüllt sind. Der die Formteile umschließende Sand wird lediglich als loser Sand in den Formkasten 7 eingefüllt und dort in keiner besonderen Weise verpresst. Während des Einfüllens des Formsandes vibriert der Formkasten 7 zur Erzielung einer guten Formsandverteilung.
  • Bei für das Einfüllen des Gießmaterials vorbereitetem Zustand des Formkastens mit darin befindlicher Gießeinrichtung ragen lediglich die, die Eingießkanäle 3 verschließenden Keramikstopfen 6 und ein Einfülltrichter des zentralen Einfüllkanales 1 aus dem eingefüllten Sand heraus.
  • Die einzelnen Teile der Gießeinrichtung sind, soweit sie nicht einstückig hergestellt sind, einfach kraftschlüssig ineinandergesteckt. Ineinandergesteckt sind insbesondere der Einfüllkanal 1 in ein aus den Verbindungskanälen 2 gebildetes Verbundteil sowie die Eingießkanäle 3 in die Verbindungskanäle 2. Auch die Nockenwellen-Modelle 4 sind an den jeweiligen Eingießkanal 3 lediglich angesteckt und zwar über die Anschnitt-Verbindungen 5. Selbst die Nockenwellen-Modelle 4 können aus Einzelteilen in axialer Richtung aufgebaut und zusammengesteckt sein.
  • Der Ablauf des Befüllens einer innerhalb eines Formkastens 7 in Sand eingeformten Gießeinrichtung stellt sich wie folgt dar.
  • Flüssiges Gießmaterial wird in den Einfüllkanal 1 eingeführt und gelangt über die Verbindungskanäle 2 von unten in die Eingießkanäle 3. Von dort dringt das Gießmaterial durch die Anschnittverbindungen 5 in die einzelnen Nockenwellen-Modelle 4 ein, wobei das Gießmaterial gleichmäßig in dem jeweiligen Eingießkanal 3 und den mit diesem verbundenen Nockenwellen-Modelle 4 aufsteigt. Durch die Keramikstopfen 6 entsteht beim Eindringen des Gießmaterials in die Eingießkanäle 3 in diesen ein gewisser oberhalb Atmosphärendruck liegender Gießdruck. Unter der Hitze des Gießmaterials lösen sich die einzelnen Formteile der Gießeinrichtung in einer Art auf, wie es bei dem an sich bekannten Lost Foam-Gießverfahren an sich üblich ist. Für die Erzielung einer guten Gußqualität sowie die Gewährleistung einer ausreichenden Formstabilität der Gießeinrichtung während des Gießvorganges ist der Schlichten-Überzug auf den einzelnen Formteilen von besonderer Bedeutung.
  • Nach Abschluß des Gießvorganges und Erstarren des Gießmateriales kann das Gußmaterial in der Form der Gießeinrichtung einfach aus dem Sandbett des Formkastens 7 herausgezogen und durch Rütteln vollständig von dem Gießsand befreit werden. Damit ist ein äußerst rationelles Herstellungsverfahren gegeben. Es können beispielsweise mehr als 50 Nockenwellen in einer einzigen System-Anordnung in einem einzigen Gießvorgang erzeugt werden. Die einzelnen Nockenwellen müssen nach ihrer Herstellung in dem beschriebenen Gießverfahren selbstverständlich noch von den jeweiligen Angüssen bzw. Angusskanälen mechanisch befreit werden. Dies ist jedoch auf einfache, fachübliche Weise möglich.
  • Ein besonders günstiger Werkstoff für eine erfindungsgemäß herstellbare Nockenwelle besitzt folgende Zusammensetzung in Gewichts-%:
    Kohlenstoff 0,5 bis 2, 5 %
    Chrom 1 bis 18 %
    Silicium 0,1 bis 1 %
    Mangan 0,1 bis 1 %
    Molybdän 0,1 bis 2 %
    Vanadium 0,1 bis 2 %
    Wolfram 0,1 bis 2 %
    sonstige Elemente bis zu 4 %
  • Nach dem Gußvorgang werden die Nockenwellen an den Lagerstellen und den Nockenlaufstellen mechanisch vorbearbeitet, randschichtverfestigt durch beispielsweise induktives Härten, Einsatzhärten, Karbonitrieren oder andere vergleichbare Verfahren und sodann fertig bearbeitet. Die Fertigbearbeitung erfolgt zweckmäßigerweise durch Schleifen.
  • Als typisches Merkmal weisen erfindungsgemäße Nockenwellen an Stellen, die nicht mechanisch bearbeitet werden, ein von Styroporteilen her bekanntes, typisches Oberflächenrelief auf. Der Hohlraum der Nockenwelle wird mechanisch nicht bearbeitet. An Stellen der Nockenwelle, die nicht speziell randschichtverfestigt werden, beträgt die Oberflächenhärte 150 bis 400 HB. Die Größe der Gussfehlstellen ist durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem Bereich von 1 mm unterhalb der Nockenoberflächen auf 0,1 mm begrenzt. Die Härte der Nockenoberfläche beträgt dort, abhängig von der geforderten Flächenpressung, zwischen 35 und 70 HRC. Die Nockenoberfläche weist typischerweise Eigenspannungen zwischen 50 und 600 MPa auf. Das Gefüge der erfindungsgemäßen Nockenwelle ist ferritisch-perlitisch oder ledeburitisch. Im Bereich der Randschichtverfestigung liegen typischerweise martensitische oder bainitische Gefüge vor.
  • Bei speziellen erfindungsgemäßen Ausführungen der Randschichtverfestigung können in diesem Bereich auch um 0,1 bis 3 % erhöhte C-, N- oder B-Gehalte vorliegen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Nockenwelle aus Stahl,
    - in einem an sich bekannten "Lost Foam"-Gießverfahren mit einem aufschmelzbaren Modell (4), bei dem das gesamte Material der Nockenwelle in einem einzigen Gießprozess in die Gießform eingebracht und das Modell (4) von Formsand um- und ausgefüllt wird, wobei
    - die Nockenwelle durch Ausfüllen eines innerhalb des Formsands stehenden und von dem Formsand um- und ausgefüllten Modells (4) gegossen wird,
    - die Stahlschmelze von unten in das Modell (4) eingeführt wird,
    - über die Höhe des Modells (4) Anschnitte (5) zu einem achsparallel zur Achse des Modells (4) verlaufenden Eingusskanal (3) vorgesehen sind, durch den die Stahlschmelze von unten eingeführt wird,
    - der Eingusskanal (3) an seinem oberen Ende versehen ist mit einer Drosseleinrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck übersteigenden Druckes innerhalb dieses Kanals während des Gießvorgangs.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Nockenwelle eine profilierte, zylindrische Innenform aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drosseleinrichtung ein Keramikstopfen (6) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass über den Umfang eines Eingusskanals (3) verteilt mehrere Nockenwellen-Modelle (4) angeschlossen sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Eingusskanäle (3) von einem gemeinsamen, achsparallel zu den Eingusskanälen (3) verlaufenden Einfüllkanal (1) versorgt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nockenwellen-Modelle (4) und die Gießkanäle (1, 2, 3, 5) zumindest teilweise durch lediglich kraftschlüssige Steckverbindungen miteinander verbunden sind.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nockenwellen-Modelle (4) aus einzelnen, lediglich ineinandergesteckten Einzelteilen bestehen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sämtliche Nockenwellen-Modelle (4) sowie Gießkanäle (1, 2, 3, 5) lediglich in einem Formkasten mit lose eingebrachtem Gießsand um- und ausgefüllt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung einer Nockenwelle mit folgender Legierungzusammensetzung in Gewichts-Prozenten: Kohlenstoff 0,5 bis 2,5 % Chrom 1 bis 18 % Silicium 0,1 bis 1 % Mangan 0,1 bis 1 % Molybdän 0,1 bis 2 % Vanadium 0,1 bis 2 % Wolfram 0,1 bis 2 % sonstige Elemente bis zu 4 % Rest Eisen
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