EP1804985B1 - Verfahren und vorrichtung zur serienherstellung von kolben für brennkraftmaschinen unter gasdruckeinwirkung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur serienherstellung von kolben für brennkraftmaschinen unter gasdruckeinwirkung Download PDF

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EP1804985B1
EP1804985B1 EP05801991A EP05801991A EP1804985B1 EP 1804985 B1 EP1804985 B1 EP 1804985B1 EP 05801991 A EP05801991 A EP 05801991A EP 05801991 A EP05801991 A EP 05801991A EP 1804985 B1 EP1804985 B1 EP 1804985B1
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casting
feeder
gas pressure
collar
piston
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Siegfried Mielke
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KS Kolbenschmidt GmbH
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KS Kolbenschmidt GmbH
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
    • B22C9/088—Feeder heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • B22D23/02—Top casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/13—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for series production of a piston for internal combustion engines according to the features of the preamble of claim 1.
  • casting tools which represent a negative mold for the piston blank to be produced and which are filled via a feed system with casting melt.
  • They are usually multi-part tools, consisting of two outer mold halves; a one- or multi-part core, which defines the small conrod-facing inner contour of the piston and a casting bottom with a central feeder which defines the combustion chamber facing surface of the piston blank in the raw state. While the core and the outer mold halves remain close to one another even after the casting tool has been opened, the pouring tray is moved far away, sometimes up to two meters away from the casting tool, in order to improve access during removal of the piston blank.
  • the inner surface of the feeder is usually lined with thermally highly insulating material.
  • the feeder which is also filled with molten casting, should be kept liquid until complete solidification of the casting in order to provide sufficient melt for the make-up to compensate for the volume contraction during solidification.
  • the volume decreases by several percent. Since metal-free spaces (voids) must be avoided in the product in any case, the feeder is arranged so that z. B. due to gravity melt can flow out of it in the direction of the piston blank.
  • the DE 196 35 326 A1 and the WO 2004/105980 A1 show an apparatus or a method for producing a piston, wherein a casting melt is filled via a feed area in a multi-part casting mold.
  • the casting tool consists in a conventional manner of several mold parts that form the outer contour of a piston blank. For the supply of the casting melt in the casting tool separate feed areas are present.
  • the multi-part mold is closed by a G man convinced, which has no upwardly open end to which a pressure line is arranged. In this prior art, the pressurization takes place via the feed region, via which the casting melt is introduced into the casting tool.
  • a casting floor is present, to which a pressure line is connected in order to pressurize the casting melt with a gas pressure.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for mass production of a piston for internal combustion engines, with which the quality of the piston can be significantly increased.
  • the time at which the gas pressure is applied may vary and vary according to specifiable criteria. On the one hand, it is provided that the gas pressure is generated after the filling, but before the casting melt solidifies. At this very early selected pressure load of the casting melt affects the Gas pressure almost to all areas of the filled casting melt in the Kolbeng madtechnikmaschine, so that the hub structure of the piston blank can also have an effect.
  • the further removed from the feeder sleeve areas of the piston blank can be influenced in their microstructure, but care must be taken that the Kolbeng messtechnikmaschine very well and tightly closes and the sprue must solidify very early, so that the gas pressure on the Actual can affect casting liquid located in the piston casting tool and prevents casting melt can pass through the pressurization to the outside of the Kolbeng mantechnikmaschinemaschinees.
  • the solidification under gas pressure is known to lead to a very dense, ie almost completely void-free structure, since the volume deficit is more reliably compensated for solidification by the acting gas pressure. While in normal chill casting only the hydrostatic pressure generated by the feeder acts, the gas pressure is added here.
  • a preferred embodiment of the invention is to be seen in that after filling the Kolbeng mantechnikmaschines the formation of a peripheral shell of solidified casting melt is awaited.
  • This edge shell made of solidified foundry melt has the advantage that thereby acting on the not yet solidified casting melt gas pressure is separated from the environment and thus prevents casting melt can escape from the Kolbeng messtechnikmaschine.
  • the casting melt is added during filling into the Kolbeng madtechnikmaschine and / or after the partial solidification of heat-resistant fiber material.
  • the addition of fiber material has the advantage that all or only certain Regions of the piston blank are reinforced by the addition of the fiber material, which is particularly advantageous that the fiber material is supplied only from a time after a peripheral shell has formed from solidified casting melt. If, for example, the bowl rim and / or the ring field of the later piston are to be specifically reinforced with the fibers, the solidification of the filled casting melt in the hub area should also be awaited.
  • Reference numeral 1 designates a casting tool that, depending on the geometric design of the piston to be produced, consists of a plurality of molds (partial molds). These parts of the casting tool 1 are shown here only schematically, so that it is, for example, a core 2 for the interior and a core 3 for the bolt hole. The rest of the outer mold (or half casting) are present, but not further described here. In a manner known per se, pouring melt is introduced into the casting mold 1 via a feeding device, so that the free areas around the cores and casting molds are filled with cast melt.
  • a collar 4 is formed around the feeder holding the feeder contents in position when the casting tool is opened to realize short cycle times according to the method at a time when the contents of the "collar feeder" 5 are still liquid.
  • the casting melt 6 can rise to a desired level, so that above the filled casting melt 6 after the completion of the supply of casting melt within the collar feeder 5, a free space is formed, via which the casting melt is subjected to a gas pressure.
  • the gas for this purpose is supplied via a pressure line 7, which is open during the filling process of the casting melt relative to the environment, so that a pressure equalization can take place.
  • a gas pressure is generated by suitable means, the then can act on the melt surface in the collar feeder 5 via the pressure line 7.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Serien herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Bei der Serienproduktion von Kolben sind Maschinen mit Gießwerkzeugen bekannt, die eine Negativform für den herzustellenden Kolbenrohling darstellen und die über ein Zulaufsystem mit Gießschmelze befüllt werden. Es handelt sich in der Regel um mehrteilige Werkzeuge, bestehend aus zwei Außenkokillenhälften; einem ein- oder mehrteiligen Kern, welcher die zum kleinen Pleuelauge weisende Innenkontur des Kolbens festlegt und einem Gießboden mit einem zentralen Speiser, der die zum Brennraum weisende Oberfläche des Kolbenrohlings im Rohzustand definiert. Während der Kern und die Außenkokillenhälften auch nach dem Öffnen des Gießwerkzeugs nah beieinander verbleiben, wird der Gießboden zur Verbesserung der Zugangs bei der Entnahme des Kolbenrohlings weit weg, teilweise bis zu zwei Meter vom Gießwerkzeug fortbewegt. Die innere Oberfläche des Speisers ist in der Regel mit thermisch stark isolierendem Material ausgekleidet. Dadurch soll der ebenfalls mit Gießschmelze gefüllte Speiser bis zur vollständigen Erstarrung des Gussteils flüssig gehalten werden, um ausreichend Schmelze für die Nachspeisung zum Ausgleich der Volumenkontraktion bei der Erstarrung bereitzustellen. Beim Übergang des Metalls vom flüssigen in den festen Zustand nimmt das Volumen um mehrere Prozent ab. Da metallfreie Räume (Lunker) im Produkt in jedem Fall vermieden werden müssen, wird der Speiser so angeordnet, dass z. B. aufgrund der Schwerkraft Schmelze aus ihm in Richtung des Kolbenrohlings nachfließen kann.
  • Bei den bisherigen Herstellungsverfahren für die Serienproduktionen ist bekannt, dass nach dem Einfüllen der Gießschmelze in die Gießform eine ausreichend lange Zeit abgewartet wird, während der nicht nur die in die Gießform eingefüllte Gießschmelze vollständig erstarrt, sondem auch noch derjenige Teil der Gießschmelze, der sich im Speiser befindet. Erst wenn die Gießschmelze im Speiser erstarrt ist oder zumindest eine belastbare Randschale ausgebildet hat, welche den noch flüssigen Speiserinhalt in Position halten kann, darf die im Regelfall mehrteilige Gießform geöffnet und der Kolbenrahling entnommen werden. Für diesen Zeitraum, dass heißt, vom Einfüllen der Gießschmelze in die Gießform bis zum Öffnen der Gießform (sogenannte Erstarrungszeit) sind je nach Größe des herzustellenden Kolbenrohlings feste Zeiten vorgegeben. Erst nach Ablauf dieser Zeit und weiterer Zeiten, die nötig sind, um die Gießform für den nächsten Gießvorgang vorzubereiten, kann der folgende Gießvorgang beginnen.
  • Die DE 196 35 326 A1 und die WO 2004/105980 A1 (nachveröflentlicht) zeigen eine Vorrichtung beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Kolben, wobei eine Gießschmelze über einen Zuführbereich in ein mehrteiliges Gießwerkzeug eingefüllt wird. Das Gießwerkzeug besteht in an sich bekannter Weise aus mehreren Gießformteilen, die die äußere Kontur eines Kolbenrohlings bilden. Für die Zuführung der Gießschmelze in das Gießwerkzeug sind separate Zuführbereiche vorhanden. Die mehrteilige Gießform wird von einem Gießboden verschlossen, der kein nach oben offenes Ende aufweist, an den eine Druckleitung angeordnet ist. Bei diesem Stand der Technik erfolgt die Druckbeaufschlagung über den Zuführbereich, über welchen die Gießschmelze in das Gießwerkzeug eingefüllt wird.
  • Bei der WO 2004/105980 A1 ist ein Gießboden vorhanden, an dem eine Druckleitung angeschlossen ist, um die Gießschmelze mit einem Gasdruck zu beaufschlagen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen anzugeben, mit dem die Qualität des Kolbens deutlich erhöht werden kann.
  • Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Es ist vorgesehen, dass nach dem Gießen des Kolbenrohlings die Öffnung des Speisers, insbesondere des nach oben hin offenen Endes der Speiserhülse, mit einem auf die Gießschmelze wirkenden Gasdruck beaufschlagt wird. Dies hat den Vorteil, dass der schon bekannte und sich bei der Serienherstellung von Kolben bewährte Kokillenguss mit den Vorteilen des Squeeze Casting Verfahrens verbunden wird, bei welchem das Gefüge der Gießschmelze unter Druck erstarrt. Einen besonders stabilen Prozess erhält man, wenn erfindungsgemäß ausgehend von einem an sich bekannten Kokillengusswerkzeug (Kolbengießwerkzeug) ein Gießboden mit Kragenspeiser verwendet wird. Ausgenutzt wird hierbei die große Dichtfläche zwischen dem Mundstück des Speisers und dem Kolben, dargestellt durch den Kragen und die Tatsache, dass sich das Mundstück der Speiserhülse unter Innendruck an die Innenwand des Speiserkragens anschmiegt und dadurch den Druckraum sicher von der Atmosphäre trennt. In die Öffnung des nach oben hin offenen Endes der Speiserhülse wird ein Gasdruck geleitet, der beispielsweise durch eine Druckleitung für ein Gas, wie beispielsweise Stickstoff, zugeführt ist. Die in das Kokillengusswerkzeug eingefüllte Gießschmelze wird nach dem Füllen vor dem Erstarren und/oder auch nach dem teilweise Erstarren der Gießschmelze mit dem Gasdruck über die Speiserhülse beaufschlagt. Dabei ist vorgesehen, dass die Druckleitung während des Füllvorganges des Kolbengießwerkzeuges mit der Gießschmelze zur Umgebung hin offen ist. Der Zeitpunkt, zu dem die Gasdruckbeaufschlagung erfolgt, kann variabel und anhand vorgebbarer Kriterien variieren. So ist einerseits vorgesehen, dass der Gasdruck schon nach dem Füllen, aber noch vor dem Erstarren der Gießschmelze erzeugt wird. Bei dieser sehr früh gewählten Druckbelastung der Gießschmelze wirkt sich der Gasdruck nahezu auf alle Bereiche der eingefüllten Gießschmelze in dem Kolbengießwerkzeug aus, so dass auch das Nabengefüge des Kolbenrohlings eine Wirkung erfahren kann. Damit können auch die weiter von der Speiserhülse entfernten Bereiche des Kolbenrohlings in ihrem Gefüge gezielt beeinflußt werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass das Kolbengießwerkzeug sehr gut und dicht schließt und der Anguß sehr früh erstarren muss, damit der Gasdruck auch tatsächtlich auf die sich in dem Kolbengießwerkzeug befindliche Gießschmelze auswirken kann und verhindert wird, dass Gießschmelze durch die Druckbeaufschlagung nach außen des Kolbengießwerkzeuges gelangen kann. Das Erstarren unter Gasdruck führt bekanntermaßen zu einem sehr dichten d.h. fast völlig lunkerfreiem Gefüge, da das Volumendefizit bei der Erstarrung durch den wirkenden Gasdruck sicherer ausgeglichen wird. Während beim normalen Kokillenguss nur der hydrostatische Druck, der vom Speiser erzeugt wird, wirkt, addiert sich hier der Gasdruck hinzu. Bei reinem Schwerkraftguss ergibt sich der Druck, der die Schmelze an die Erstarrungsfront treibt, aus dem hydrostatischen Druck einer Schmelzensäule von 200 bis 50 mm. Im Laufe der Erstarrung verringert sich die wirksame Höhe, da die Erstarrungsfront sich auf die Oberfläche des Speisers zu bewegt. Bei zusätzlicher Beaufschlagung mit Gasdruck entspricht jedes bar Druck einer zusätzlichen Höhe an Metallsäule von rund 3 m. Da schon geringe Änderungen der Speiserhöhe zu einer besseren Qualität führen, kommt es schon bei geringer zusätzlicher Druckbeaufschlagung zu einer massiven Steigerung der Homogenität des Gussteiles.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist darin zu sehen, dass nach dem Füllen des Kolbengießwerkzeuges die Ausbildung einer Randschale aus erstarrter Gießschmelze abgewartet wird. Diese Randschale aus erstarrter Gießschmelze hat den Vorteil, dass dadurch der auf die noch nicht erstarrte Gießschmelze wirkende Gasdruck von der Umgebung getrennt wird und damit verhindert wird, dass Gießschmelze aus dem Kolbengießwerkzeug austreten kann.
  • Bei den beschriebenen Verfahrensschritten mit der Beaufschlagung der Gießschmelze mit Gasdruck ist es möglich, die Druckbeaufschlagung über die gesamte Zeitdauer konstant zu halten oder alternativ zu regeln, wobei es besonders vorteilhaft ist, im Zeitraum zwischen Beginn und Ende der Druckbeaufschlagung den Gasdruck zu steigern, so dass mit zunehmender Erstarrung der Druck erhöht wird, um ein gleichmässiges Gefüge der erstarrenden Gießschmelze zu erhalten.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass der Gießschmelze während des Einfüllens in das Kolbengießwerkzeug und/oder nach dem teilweise Erstarren hitzebeständiges Fasermaterial beigegeben wird. Die Beifügung von Fasermaterial hat den Vorteil, dass alle oder nur bestimmte Bereiche des Kolbenrohlings durch die Beigabe des Fasermaterials verstärkt werden, wozu besonders vorteilhaft ist, dass das Fasermaterial erst ab einem Zeitpunkt zugeführt wird, nachdem sich eine Randschale aus erstarrter Gießschmelze gebildet hat. Soll zum Beispiel gezielt der Muldenrand und / oder das Ringfeld des späteren Kolbens mit den Fasern verstärkt werden, sollte auch die Erstarrung der eingefüllten Gießschmelze im Nabenbereich abgewartet werden.
  • Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass zur Verbesserung der Dichtigkeit der Speiserhülse diese mittels des Gasdruckes und / oder gegebenenfalls weiterer Mittel gegen den Kolbenboden und in den Speiserkragen zu pressen. Als weitere Mittel kommen hier zum Beispiel hydraulisch wirkende Aktuatoren in Betracht.
  • In der Figur wird wie folgt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschreiben, wobei das erfindungsgemässe Verfahren nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
  • Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Gießwerkzeug bezeichnet, dass je nach geometrischer Gestaltung des herzustellenden Kolbens aus mehreren Formen (Teilformen) besteht. Diese Teile des Gießwerkzeuges 1 sind hier nur schematisch dargestellt, so dass es sich beispielsweise um einen Kern 2 für den Innenbereich und einen Kern 3 für das Bolzenloch handelt. Die übrige, äußere Gießform (oder auch Gießhälften) sind vorhanden, hier aber nicht weiter beschrieben. In an sich bekannter Weise wird über eine Zuführeinrichtung Gießschmelze in das Gießwerkzeug 1 eingefüllt, so dass sich die freien Bereiche um die Kerne und Gießformen herum mit Gießschmelze auffüllen. Durch eine spezielle Ausgestaltung von Gießboden und Speiserhülse bildet sich um den Speiser ein Kragen 4 der den Speiserinhalt in Position hält, wenn das Gießwerkzeug zur Realisierung kurzer Zykluszeiten verfahrensgemäß zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, bei dem der Inhalt des "Kragenspeisers" 5 noch flüssig ist.
  • Innerhalb des Kragenspeisers 5 kann die Gießschmelze 6 bis auf ein gewünschtes Maß ansteigen, so dass oberhalb der eingefüllten Gießschmelze 6 nach dem Beenden der Zuführung von Gießschmelze innerhalb des Kragenspeisers 5 ein Freiraum entsteht, über den die Gießschmelze mit einem Gasdruck beaufschlagt wird. Das Gas hierfür wird über eine Druckleitung 7 zugeführt, die während des Einfüllvorganges der Gießschmelze gegenüber der Umgebung hin offen ist, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann. Nach Beendigung des Einfüllvorganges der Gießschmelze wird mit geeigneten Mitteln ein Gasdruck erzeugt, der dann über die Druckleitung 7 auf die Schmelzenoberfläche im Kragenspeisers 5 wirken kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Gießwerkzeug
    2.
    Kern
    5 3.
    Kern
    4.
    Kragen des Speisers
    5.
    Kragenspeiser
    6.
    Gießschmelze
    7.
    Druckleitung

Claims (4)

  1. Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens,
    wobei eine Giessschmelze (6) über einen Zuführbereich in eine mehrteilige Giessform (1) befüllt wird,
    wobei die Giessform besteht aus zwei Aussenkokillenhälften, einem ein oder mehrteiligen Kern (2,3), welcher die zum kleinen Pleuelauge weisende Innenkontur des Kolbens festlegt, und einem Giessboden mit einem zentralen Speiser (5), der die zum Brennraum weisende Oberfläche des Kolbenrohlings im Rohzustand definiert,
    wobei nach dem Füllen des Kolbengiesswerkzeuges das nach oben hin offene Ende des Speisers mit einem auf die Giessschmelze wirkenden Gasdruck (7) beaufschlagt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Giessboden mit Kragenspeiser in Form einer speziellen Ausgestaltung von Giessboden und
    Speiserhülse derart, dass sich um den Speiser ein Kragen (4) bildet, verwendet wird, sodass eine Dichtfläche zwischen dem Mundstück des Speisers und dem Kragen entsteht, durch die der Druckraum von der Atmosphäre getrennt ist, und der Kragen den Speiserinhalt in Position hält, wenn das Giesswerkzeug zur Realisierung kurzer Zykluszeiten zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, bei dem der Inhalt des Kragenspeisers noch flüssig ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck nach dem Füllen des Gießwerkzeuges (1) vor dem Erstarren der Gießschmelze (6) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck nach dem Füllen des Gießwerkzeuges (1) und nach dem teilweisen Erstarren der Gießschmelze (6) erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießschmelze (6) während des Einfüllens in das Gießwerkzeug (1) und nach dem teilweise Erstarren hitzebeständiges Fasermaterial beigegeben wird.
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