EP1779943B1

EP1779943B1 - Verfahren und Anlage zum Giessen von Leichtmetall-Zylinderkurbelgehäusen in Sandformen

Info

Publication number: EP1779943B1
Application number: EP06018816A
Authority: EP
Inventors: Jutta Hoffmann
Original assignee: Honsel Werke AG
Current assignee: Honsel AG
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-05-07
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: ATE394186T1; DE502006000745D1; PL1779943T3; DE102005051561B3; EP1779943A1

Description

Die Erfindung betrifft das Herstellen von Leichtmetall-Zylinderkurbelgehäusen mit einem oder mehreren Zylindern im Sandguss.
Auf Grund des gegenüber Eisenwerkstoffen niedrigeren spezifischen Gewichts werden in Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge in großen Stückzahlen Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium- und/oder Magnesiumlegierungen eingesetzt. Diese werden je nach ihrer Geometrie, den Bauteilanforderungen und der Wirtschaftlichkeit mit den Verfahren: Druckguss, Schwerkraftkokillenguss, Niederdruckkokillenguss, Schwerkraftsandguss oder Niederdrucksandguss hergestellt.
Auf Grund der Eigenschaften der Aluminium- und Magnesiumgusslegierungen sind diese Werkstoffe, mit Ausnahme der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, ohne zusätzliche Maßnahmen nicht geeignet, eine abriebfeste Zylinderlauffläche bei Kolbenmotoren darzustellen. Deshalb werden in den meisten Fällen separate Zylinderbuchsen aus speziellen Werkstoffen, z.B. Grauguss, eingegossen oder nachträglich eingesetzt. Eine weitere Alternative stellt das Eingießen von komplexen Inserts dar. Nur durch Abguss eines Zylinderkurbelgehäuses als so genannter Monoblock aus einer übereutektischen Alsi-Legierung lassen sich ausreichend abriebfeste Zylinderlaufflächen ohne eingesetzte oder eingegossene Zylinderlaufbuchsen oder Inserts erreichen, jedoch sind diese übereutektischen Alsi-Legierungen schwierig zu vergießen und mechanisch zu bearbeiten.
Eine weitere Möglichkeit zum Erzielen geeigneter Laufflächen bietet das Beschichten der Zylinderrohre nach unterschiedlichen Verfahren, z. B. dem Nickelbeschichten oder Lichtbogen-Drahtspritzen, wobei unterschiedliche Präparate auf die Laufflächen aufgebracht werden. Dadurch erübrigt sich das Einsetzen von Buchsen mit dem Vorteil, ein breites Spektrum an Gusslegierungen für das Gehäuse verwenden zu können.
Zwar ist es bekannt, in Sandformen eine gezielte Wärmeabfuhr durch das Einformen von Kühleisen zu erreichen. Zweck dieser Kühleisen ist es, durch eine gezielte Wärmeabfuhr in Bereichen mit dicken Wandstärken eine gerichtete Erstarrung mit guter Durchspeisung über die gesamte Wandstärke zu erreichen, um eine Lunkerbildung in den Bereichen mit größeren Wandstärken zu vermeiden. Das Einformen von Kühleisen ist kompliziert und aufwändig, die Intensität der Kühlung ist durch die Geometrie und Masse der Kühleisen beschränkt, da diese die vom flüssigen Metall aufgenommene Wärme lediglich an die Sandform abgeben können, die eine schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt. Auch das Entfernen der mit Kühleisen versehenen Kerne ist aufwändig.
Andererseits sind gekühlte Metallpinolen beim Druck- und Kokillenguss, die mechanisch in die Dauerform eingefahren werden, ebenfalls bekannt. Diese gekühlten Metallpinolen dienen jedoch nicht dazu, die Oberflächenqualität der sie berührenden Metallschmelze zu verbessern, sondern dienen dazu, im Gussstück Hohlräume zu schaffen und dienen somit im Wesentlichen als Gießkerne, die wie die anderen Bereiche einer Dauerform stets gekühlt sein müssen und die selbstverständlich zum Entformen des Gussstücks aus der Form herausgefahren werden müssen, wenn sie nicht in Entformungsrichtung verlaufen.
In der DE 195 33 529 A1 ist ein Verfahren zum Gleßen eines Motorblocks aus Aluminium, dessen Laufflächen nach dem Ausfräsen der Zylinder-Hohlräume mit einem härteren Metall, insbesondere Nickel, beschichtet werden, beschrieben, bei dem der Motorblock in einer Sandform gegossen wird und die Zylinderhohlräume durch in die Sandform eingesetzte, ungekühlte Metallkokillen geformt werden. Vorzugsweise werden die Kokillen vor dem Gießen induktiv beheizt. In Folge der höheren Wärmeleitfähigkeit der Metallkokille erstarrt das eingegossene Aluminium an der Oberfläche der Kokille schneller als an der Oberfläche der Sandform. Dadurch entsteht dort bis in eine Tiefe, innerhalb deren der Metallabtrag durch das Ausfräsen bleibt, ein besseres Gefüge, vor allem ist die schrumpfungsbedingte Porosität erheblich vermindert.
In der JP-0219285 A1 ist des Weiteren eine Form zum Gießen von Zylinderkurbelgehäusen aus einer Leichtmetalllegierung beschrieben. Ein Modell aus Polystyrol wird in Formsand eingeformt, während eine ungekühlte Stahlpinole als Kern für die Bildung des Zylinderhohlraums dient. Die Stahlpinole ist mit radial nach innen ragenden Kühlrippen versehen, und der Hohlraum der Stahlpinole zwischen den Kühlrippen wird mit Formsand ausgefüllt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung von Leichtmetall-Zylinderkurbelgehäusen mit einem oder mehreren Zylindern in Reihen- oder V-Anordnung im Sandgussverfahren zu ermöglichen, deren Zylinderlaufflächen nach einer Beschichtung ausreichend abriebfest sind, ohne eingegossene Zylinderlaufbuchsen oder eine abriebfeste, jedoch schwierig zu bearbeitende übereutektische AlSi-Legierung zu erfordern.
Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wird eine Gießanlage zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses aus einer Leichtmetalllegierung in einer als Kernpaket ausgebildeten Sandform mit einer Gießplatte, auf der das Kernpaket mittels Knaggen definiert positioniert ist, einem mittels eines Hubzylinders absenkbaren, mittels Zentrierstücken und Elementen zur Höhenjustierung an der Gießplatte definiert positionierten Aufnahmerahmen und wenigstens einer am Aufnahmerahmen in einer Führung definiert positioniert, in wenigstens eine Öffnung in der Sandform nach dem Schließen derselben einfahrbaren, gekühlten Metallpinole als Kern für die Bildung des Zylinderhohlraums vorgeschlagen.
Des Weiteren wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen von Zylinderkurbelgehäusen aus einer Leichtmetalllegierung mit wenigstens einem Zylinder durch Gießen in einer Sandform vorgeschlagen, bei dem wenigstens eine gekühlte Metallpinole nach dem Schließen der Sandform als Kern für die Bildung des Zylinderhohlraums definiert positioniert in die Sandform eingefahren und nach einer gezielten, intensiven Wärmeabfuhr aus der Leichtmetallschmelze und dadurch bewirkten, gerichteten, möglichst porenfreien Erstarrung im Bereich der Zylinderlauffläche bei guter Durchspeisung über die gesamte Wandstärke wieder ausgefahren wird.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 8.
Die Erfindung geht somit von der Überlegung aus, dass die bisher üblichen Sandkerne für die Zylinderhohlräume durch in die Sandform ein- und ausfahrbare, gekühlte Metallpinolen ersetzt werden, die nicht ortsfeste oder verschiebbare Bestandteile der Gussform sind, sondern die unabhängig von der Sandform, die vorzugsweise als Kernpaket ausgebildet ist, an der Gießanlage befestigt sind und von dort in die entsprechenden Öffnungen der präzise positionierten Zylinderkurbelgehäuseform ein- und ausfahren.
Dieses Ein- und Ausfahren lässt sich programmieren und automatisch durchführen, wobei die Bewegung der gekühlten Metallpinolen in der Weise programmiert ist, dass das Ausfahren aus der Sandform in Abhängigkeit von der Gießtemperatur und der Erstarrungsgeschwindigkeit zeitlich gesteuert so erfolgt, dass kein Aufschrumpfen der Zylinderwand auf die Metallpinole und keine Beschädigung der Oberfläche der Zylinderwand eintreten.
Dies ist bei kleinen gekühlten Metallpinolen, wie sie in der US 4,875,518 in Verbindung mit dem Niederdruck-Kokillenguss beschrieben ist, nicht notwendig, da die in das Gussstück hineinragenden Pinolenteile kleinen Durchmessers stark konisch ausgebildet sein können und daher leicht entformbar sind. Die erfindungsgemäßen gekühlten Metallpinolen haben einen Durchmesser der im Wesentlichen der Zylinderbohrung entspricht, und ihre Länge beträgt in der Regel ungefähr das Doppelte der Zylinderbohrung. Bei diesen Abmessungen ist eine stark konische Gestaltung der gekühlten Metallpinolen nicht möglich, da hierdurch im Bereich des kleinsten Durchmessers bei der mechanischen Bearbeitung so viel Metall abgetragen werden müsste, dass die porenfreie Oberflächenschicht der Zylinderlauffläche mit abgetragen würde und der mit der Erfindung angestrebte Zweck verfehlt würde. Dementsprechend werden die gekühlten Metallpinolen aus der Gießform herausgezogen, sobald das flüssige Metall in diesem Bereich ausreichend erstarrt und formhaltend ist.
Dabei kann das Ausfahren beim Vorhandensein von mehreren Metallpinolen, das heißt bei Mehrzylinderkurbelgehäusen, aus der Sandform gleichzeitig oder zeitlich versetzt erfolgen.
Durch die gezielte, intensive Wärmeabfuhr aus der Leichtmetallschmelze für eine gerichtete, möglichst porenfreie Erstarrung im Bereich der Zylinderlaufflächen mit guter Durchspeisung über die gesamte Wandstärke und über das gesamte Gussstück werden die Erstarrungszeiten des Gussteiles insgesamt verkürzt, und entferntere Partien, zum Beispiel Lagerstühle, erhalten ebenfalls verbesserte Gefügemerkmale. Auch die Produktivität lässt sich insgesamt steigern.
Sehr wichtig ist es, die Sandform bezüglich der Metallpinolen genau auszurichten und die Metallpinolen mit Bezug auf die Zylinderbohrungen genau zu zentrieren. Dementsprechend umfasst die Gießanlage, wie bereits erwähnt, genaue Führungen für das Kernpaket und die Metallpinolen und Zentriereinrichtungen an der Führung gegenüber dem Kernpaket. Diese Zentriereinrichtungen lassen sich bei einem mehrzylindrigen V-Motor besonders einfach verwirklichen, wenn die Führungen für die gekühlten Metallpinolen auf entsprechend dem Zylinderwinkel geneigte Flächen des Deckkerns aufsetzen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des Näheren erläutert. In der Zeichnung ist eine Gießanlage zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses aus einer Leichtmetalllegierung für einen V-Motor schematisch dargestellt.
Es handelt sich um eine Niederdruck-Gießanlage, jedoch ist die Erfindung gleichermaßen auch zur Anwendung in einer Schwerkraft-Gießanlage geeignet.
Eine feststehende Gießplatte 7 ist oberhalb eines mit Leichtmetallschmelze 13 gefüllten Niederdruckofens 9 angeordnet und mit diesem über ein Steigrohr 8 verbunden. Auf der Gießplatte ist eine als Kernpaket 6 ausgebildete Sandform angeordnet, die in der Kernmontagestation auf die Gießplatte 7 gesetzt und dort mittels Knaggen 10 definiert positioniert wird.
Mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit 1 lässt sich ein Aufnahmerahmen 2 auf das Kernpaket 6 absenken, wobei sich am Aufnahmerahmen 2 angeordnete Zentrierelemente 11 in entsprechende Gegenstücke 12 auf der Gießplatte 7 einfügen, so dass eine definierte, exakte Position des Kernpakets 6 zum Aufnahmerahmen 2 gewährleistet ist. Zur definierten Höheneinstellung dienen die Elemente 17 am Aufnahmerahmen 2 und 16 auf der Gießplatte 7, die auf Anschlag gefahren werden.
In der dargestellten, abgesenkten Stellung des Aufnahmerahmens 2 ist das Kernpaket 6 mittels einer Druckplatte 14 unter Einwirkung von Druckfedern 15 auf die Gießplatte 7 aufgepresst und wird gegenüber dem Gießdruck, der durch Beaufschlagung der Leichtmetallschmelze 13 mit Gasdruck im druckfesten Niederdruckofen 9 bei der Formfüllung entsteht, zusammengehalten.
Vor dem Füllen der Form mit Metallschmelze werden am Aufnahmerahmen 2 in Führungen 4 verschiebbare gekühlte Metallpinolen 5 programmgesteuert und durch Kolben-Zylinder-Einheiten 3 betätigt in den Formhohlraum eingeführt. Nach dem Füllen der Form mit Metallschmelze und Erstarrung wenigstens der Zylinderwände werden die Metallpinolen 5 automatisch nach einem vorgegebenen Programm herausgezogen.
Um eine Aufschrumpfen und eine mögliche Beschädigung an der Oberfläche der Zylinderwandung zu verhindern, werden die Metallpinolen 5 programmgesteuert auf Grund vorgegebener Zeiten und Temperaturen gleichzeitig oder zeitlich versetzt aus der Form herausgezogen. Hierdurch ist es möglich, die Metallpinolen 5 ohne oder nur mit einer geringfügigen Entformungsschräge zu versehen. Durch die gezielte Wärmeabfuhr über die gekühlten Metallpinolen wird eine rasche, gerichtete Erstarrung der Zylinderwände erreicht und somit eine gute Oberfläche mit niedriger Porosität erzielt.
Durch die gezielte Wärmeabfuhr in den Gießformen mit gerichteter Erstarrung und guter Durchspeisung über die gesamte Wandstärke lassen sich die Gefügemerkmale auch in entfernteren Partien, zum Beispiel in den Lagerstühlen, verbessern und die Produktivität insgesamt steigern.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Metallpinolen 5 gegenüber dem Kernpaket 6 mit den Zylinderbohrungen genau und mit kleinen Toleranzen positioniert werden, was durch die Positionierung des Kernpakets 6 mittels der Bolzen 10, der Zentrierelemente 11, 12 und der Elemente 16, 17 zur Höhenjustierung zwischen der Gießplatte 7 und dem Aufnahmerahme 2, der genauen Führung der Metallpinolen 5 am Aufnahmerahmen 2, sowie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines Zylinderkurbelgehäuses eines V-Motors dadurch erreicht wird, dass die Führungen 4 für die Metallpinolen 5 entsprechend dem Zylinderwinkel auf geneigte Flächen des Deckkerns des Kernpakets 6 aufsetzen und dadurch ein Zentrieren und Ausrichten der Metallpinolen 5 gegenüber dem Kernpaket 6 bewirken.

Claims

Gießanlage zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses aus einer Leichtmetalllegierung in einer als Kernpaket (6) ausgebildeten Sandform mit einer Gießplatte (7), auf der das Kernpaket (6) mittels Knaggen (10) definiert positioniert ist, einem mittels eines Hubzylinders (1) absenkbaren, mittels Zentrierstücken (11, 12) und Elementen (16, 17) zur Höhenjustierung der Gießplatte (7) definiert positionierten Aufnahmerahmen (2) und wenigstens einer am Aufnahmerahmen (2) in einer Führung (4) definiert positionierten, in wenigstens eine Öffnung in der Sandform nach dem Schließen derselben einfahrbaren, gekühlten Metallpinole (5) als Kern für die Bildung des Zylinderhohlraums.
Gießanlage nach Anspruch 1, mit Zentriereinrichtungen an der Führung (4) gegenüber dem Kernpaket (6).
Gießanlage nach Anspruch 1 oder 2 mit mehreren gekühlten Metallpinolen (5) für einen mehrzylindrigen V-Motor, bei der die Führung (4) für die gekühlten Metallpinolen (5) auf entsprechend dem Zylinderwinkel geneigten Flächen des Deckkerns aufsetzen und die Zentriereinrichtungen bilden.
Verfahren zum Herstellen von Zylinderkurbelgehäusen aus einer Leichtmetalllegierung mit wenigstens einem Zylinder durch Gießen in einer Sandform, bei dem wenigstens eine gekühlte Metallpinole nach dem Schließen der Sandform als Kern für die Bildung des Zylinderhohlraums definiert positioniert in die Sandform eingefahren und nach einer gezielten, intensiven Wärmeabfuhr aus der Leichtmetallschmelze und einer dadurch bewirkten, gerichteten, möglichst porenfreie Erstarrung im Bereich der Zylinderlauffläche mit guter Durchspeisung über die gesamte Wandstärke wieder ausgefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die wenigstens eine gekühlte Metallpinole programmierbar automatisch in die Sandform hinein- und daraus herausgefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Ausfahren aus der Sandform in Abhängigkeit von der Gießtemperatur und der Erstarrungsgeschwindigkeit zeitlich gesteuert so erfolgt, dass kein Aufschrumpfen der Zylinderwand auf die Metallpinole und keine Beschädigung der Zylinderlauffläche eintreten.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, bei dem mehrere gekühlte Metallpinolen aus der Sandform gleichzeitig oder zeitlich versetzt aus der Sandform ausgefahren werden.
Verwendung von wenigstens einer gekühlten, nach dem Schließen einer Sandform unabhängig von dieser ein- und ausführbaren Metallpinole in einer Gießanlage nach einem der Ansprüche 1-3 als Kern für die Bildung des Zylinderhohlraums beim Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses aus einer Leichtmetalllegierung mit wenigstens einem Zylinder in der Sandform zur gezielten, intensiven Wärmeabfuhr aus der Leichtmetallschmelze für eine gerichtete, möglichst porenfreie Erstarrung im Bereich der Zylinderlauffläche, die zum Aufbringen einer abriebfesten Beschichtung geeignet ist.