EP1888272B1 - Verkürzung der taktzeit bei der serienherstellung von kolben für brennkraftmaschinen - Google Patents

Verkürzung der taktzeit bei der serienherstellung von kolben für brennkraftmaschinen Download PDF

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EP1888272B1
EP1888272B1 EP06762039A EP06762039A EP1888272B1 EP 1888272 B1 EP1888272 B1 EP 1888272B1 EP 06762039 A EP06762039 A EP 06762039A EP 06762039 A EP06762039 A EP 06762039A EP 1888272 B1 EP1888272 B1 EP 1888272B1
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casting
piston
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cast part
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KS Kolbenschmidt GmbH
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    • 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
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    • 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
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00—Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots

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.
  • pistons 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.
  • These are usually multi-part tools, consisting of two outer mold halves, a single or multi-part core, which determines the small connecting rod eye facing inner contour of the piston and a casting tray with central feeder, which defines the combustion chamber facing surface of the piston blank. While the core and outer mold halves remain close together even after opening the casting tool, the pouring tray is moved up to two meters from the casting tool to improve access during the piston removal.
  • the inner surface of the feeder is usually lined with thermally highly insulating material.
  • the feeder which is also filled with melt, 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 (cavities) in the product must be avoided in any case, the feeder is arranged so that e.g. due to gravity melt from it can flow into the product.
  • the usually multi-part mold may be opened and the piston blank removed.
  • solidification time fixed times are given depending on the size of the piston blank to be produced. Only after expiration of this time and other times necessary to prepare the casting mold for the next casting operation, the following casting operation can begin.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method for mass production of a piston for internal combustion engines, with reduced by shortening the solidification time, the cycle time and productivity can be significantly increased.
  • the mold is opened and the casting is removed from the casting tool before the molten casting in the area of / the feeder is solidified to such an extent that the food content safely holding edge shell has formed or the / the total extent solidifies are that they have achieved dimensional stability, wherein further during and a certain time after the removal of the piston from the casting tool, the part of the tool which defines the contour of the feeder remains on the casting.
  • the casting mold is opened before the casting melt has formed a dimensionally stable edge shell in the region of the feeder or the contents of the feeder as a whole have become sufficiently strong in order to maintain its shape and thus also its function.
  • the time to open the mold is chosen so early that if one suddenly removed all parts of the mold from the piston blank, the portion of the piston blank that constitutes the feeder would spread in the form of a "puddle" over the piston would. Opening the mold here and below means that after filling the mold with melt parts of the mold change their position so far that the piston can be removed ..
  • melt solidifies in the direction of the feeder. Because by the contact of the supplied casting melt with the usually metallic and thus good heat dissipating casting mold solidifies the casting melt in the contouring areas of the less thick-walled parts of the later piston blank time earlier than in the thick-walled region of the piston crown under the feeder and in the isolated feeder itself. It forms a kind of pot, within which is not yet solidified foundry melt.
  • the solution can also be such that only a part of the casting floor, preferably the insulating feeder sleeve remains on the removed piston and is supplied to the tool again only during the casting of the next but one piston.
  • the shape of the piston blank can be reshaped so that tightly around the feeder a circumferentially closed wall of sufficient height in Kolbenaxialcardi height holds the Suiterinhalt after removal from the casting tool in position and ensures the function of the feeder.
  • a thin-walled design of the wall ensures that it solidifies early.
  • the piston blank is cooled. After the piston blank has been removed from the casting mold, the casting melt is in the feeder area and possibly also in the adjoining area of the piston crown not yet solidified. To accelerate the cooling of the piston blank with the still molten feeder outside the actual mold, the piston blank is therefore cooled, which can be done, for example, that the piston blank with the molded feeder up to a predetermined height (or possibly completely) in a bath with cooling liquid is placed, with a cooling gas or a cooling counter body is surrounded.
  • the invention thus offers the advantage of a shorter cycle time, during which is not waited during solidification until the molten casting is completely solidified in the mold including the feeder, but the piston blank is already removed from the mold, and the complete emptying outside of the Mold is done.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Bei der Serienproduktion von Kolben sind Gießwerkzeuge 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 mehrteiligem Kern, welcher die zum kleinen Pleuelauge weisende Innenkontur des Kolbens festlegt und einem Gießboden mit zentralem Speiser, der die zum Brennraum weisende Oberfläche des Kolbenrohlings definiert. Während Kern und Außenkokillenhälften auch nach dem Öffnen des Gießwerkzeugs nah beieinander verbleiben, wird der Gießboden zur Verbesserung des Zugangs bei der Kolbenentnahme 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 Schmelze 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 ins Produkt nachfließen kann.
  • Bei den bisherigen Herstellungsverfahren für die Serienproduktionen ist bekannt (zum Beispiel aus JP 07 124695 A , JP 58 086968 A oder WO 2006/045589 A ), 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, sondern 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 Kolbenrohling 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.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen anzugeben, mit dem durch Verkürzung der Erstarrungszeit die Taktzeit reduziert und die Produktivität deutlich erhöht werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Dabei ist vorgesehen, dass die Gießform geöffnet wird und das Gussteil dem Gießwerkzeug entnommen wird, bevor die Gießschmelze im Bereich des/der Speiser/s soweit erstarrt ist, dass sich eine den Speiserinhalt sicher haltende Randschale ausgebildet hat oder der/die Speiser insgesamt soweit erstarrt sind, dass sie Formstabilität erreicht haben, wobei weiterhin während und eine gewisse Zeit nach dem Ausbau des Kolbens aus dem Gießwerkzeug das Teil des Werkzeugs, welches die Kontur des Speisers festlegt an dem Gussteil verbleibt. Das heißt, dass die Gießform geöffnet wird, bevor die Gießschmelze im Bereich des Speisers eine formstabile Randschale ausgebildet hat oder der Speiserinhalt insgesamt ausreichend fest geworden ist, um seine Form und damit auch seine Funktion aufrechtzuerhalten. Das heißt, dass der Zeitpunkt zum Öffnen der Gießform so früh gewählt ist, dass, wenn man plötzlich alle Teile der Gießform vom Kolbenrohling wegnehmen würde, der Teil des Kolbenrohlings, der den Speiser darstellt, sich in Form einer "Pfütze" über den Kolben ausbreiten würde. Öffnen der Gießform soll hier und im folgenden bedeuten, dass nach Befüllung der Gießform mit Schmelze Teile der Gießform ihre Position soweit ändern, dass der Kolben entnommen werden kann..
  • Bei der Erfindung macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass die Schmelze in Richtung des Speisers erstarrt. Denn durch den Kontakt der zugeführten Gießschmelze mit der in der Regel metallischen und damit gut Wärme abführenden Gießform erstarrt die Gießschmelze in den konturgebenden Bereichen der weniger dickwandigen Partien des späteren Kolbenrohlings zeitlich früher als im dickwandigen Bereich des Kolbenbodens unter dem Speiser und in dem isolierten Speiser selbst. Es bildet sich eine Art Topf, innerhalb dessen sich noch nicht erstarrte Gießschmelze befindet.
  • Darüber ist der bis zuletzt flüssige Speiser angeordnet, aus dem ständig Schmelze zum Ausgleich der Volumenschwindung beim Übergang flüssig/fest in den noch flüssigen Bereich des Kolbens abfließt. Wird der Kolben zu ungefähr diesem Zeitpunkt ausgebaut, wobei allerdings die Funktion des Speisers erhalten bleiben muss, wird die Taktzeit bei der Serienproduktion von Serienkolben wesentlich verkürzt, da die abschließende Erstarrung des Kolbens, ohne die Zeit teuer Investitionsmittel zu beanspruchen, außerhalb des Gießwerkzeugs stattfindet.
  • Um die Funktion des Speiser bei dem erfindungsgemäß früh ausgebauten Kolben zu erhalten, sind in Ausgestaltung der Erfindung folgende Vorgehensweisen vorgesehen.
  • Zum einen macht man sich die Tatsache des mehrteiligen Aufbaus des Gießwerkzeugs zunutze. Der Teil des Gießwerkzeugs, der die brennraumseitige Kontur des Kolbenbodens bestimmt und der in der Regel auch den Speiser einschließt, also der Gießboden oder ein innerer Teil davon, bleibt auch nach der Entnahme des Kolbens aus dem Gießwerkzeug bis zur vollständigen Erstarrung des Rohlings an demselben. Während der Kolben mit dem aufsitzenden Gießboden außerhalb des Gießwerkzeugs erstarrt, kann das Werkzeug für den nächsten Guss vorbereitet und mit den Einlegeteilen befüllt werden. In Fortführung dieses Gedankens kann die Lösung auch so aussehen, dass nur ein Teil des Gießbodens, vorzugsweise die isolierende Speiserhülse am ausgebauten Kolben verbleibt und erst beim Guss des übernächsten Kolbens wieder dem Werkzeug zugeführt wird. Auch die Verwendung eines Losteil in Form einer "Einmatspeiserhülle" oder eines billigen Einsatzes in der Speiserhülse welche nach Ausbau des Kolbens die Stabilität und damit die Funktion des Speisers gewährieistet, stellt eine Lösung dar.
  • Zum anderen kann die Form des Kolbenrohlings so umgestaltet werden, dass eng um den Speiser herum ein in Umfangsrichtung geschlossener Wall von in Kolbenaxialrichtung ausreichender Höhe entsteht, der den Speiserinhalt nach Ausbau aus dem Gießwerkzeug in Position hält und die Funktion des Speisers gewährleistet. Durch eine dünnwandige Gestaltung des Walls ist sichergestellt, dass er frühzeitig erstarrt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenrohling gekühlt wird. Nachdem der Kolbenrohling aus der Gießform entnommen worden ist, ist die Gießschmelze im Speiserbereich und eventuell auch in dem sich daran anschließenden Bereich des Kolbenbodens noch nicht erstarrt. Um die Abkühlung des Kolbenrohlings mit dem noch schmelzflüssigen Speiser außerhalb der eigentlichen Gießform zu beschleunigen, wird der Kolbenrohling daher gekühlt, was beispielsweise dadurch erfolgen kann, dass der Kolbenrohling mit dem angeformten Speiser bis zu einer vorgegebenen Höhe (oder gegebenenfalls vollständig) in ein Bad mit kühlender Flüssigkeit gestellt, mit einem kühlenden Gas oder einem kühlenden Gegenkörper umgeben wird.
  • Insgesamt bietet die Erfindung also den Vorteil einer verkürzten Taktzeit, bei der während der Erstarrung nicht abgewartet wird, bis die Gießschmelze in der Gießform einschließlich des Speisers vollständig erstarrt ist, sondern der Kolbenrohling schon vorher aus der Gießform entnommen wird, und die vollständige Entleerung außerhalb der Gießform erfolgt.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens, wobei eine Gleßschmelze über einen Zuführbereich eine mehrteilige Gussform und den Speiser befüllt und abgewartet wird, bis die Gießschmelze in der Gießform soweit erstarrt ist, dass die äußere Kontur des Gussteils festliegt oder auch bis auf Restlfächen festliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform geöffnet wird und das Gusstell dem Gießwerkzeug entnommen wird, bevor die Gießschmelze im Bereich des/der Speiser/s soweit erstarrt ist, dass sich eine den Speiserinhalt sicher haltende Randschale ausgebildet hat oder der/die Speiser insgesamt soweit erstarrt sind, dass sie Formetabilität erreicht haben, wobei weiterhin während und eine gewisse Zeit nach dem Ausbau des Kolbens aus dem Gleßwerkzeug das Teil des Werkzeugs, welches die Kontur des Speisers festlegt an dem Gussteil verbleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil bereits vor der vollständigen Erstarrung durch ein Kühlmedium gekühlt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenrohling nach der Entnahme aus der Gießform derart abgestellt oder weiterbehandelt wird, dass die Oberfläche des Speisers den höchsten Punkt des Produkts bildet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil ein Kokillengussteil ist.
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