EP2552623B1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM GIEßEN EINES KOLBENS FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for casting a piston for an internal combustion engine.
- the strength of the so-called piston pin bores, in which the piston pin is received for connection to a connecting rod, is of particular importance.
- the required strength can be achieved in particular by rapid quenching of the casting. According to the current procedure, such quenching takes place only outside the mold, when the entire piston is solidified so far that it can be removed from the so-called mold.
- the DE 10 2005 027 540 A1 relates to a method for producing a piston for internal combustion engines, wherein the mold is opened before the melt is solidified in the region of a feeder. Subsequently, the piston can be removed and cooled outside the mold.
- the WO 2008/128153 A1 relates to a device and a method for casting a piston, in which two collapsible mold halves and two cores are present.
- the invention has for its object to provide a method and apparatus for casting pistons for internal combustion engines, with which the strength can be improved, in particular in the area of the piston pin holes.
- At least one sleeve provided there is already retracted after an edge-layer solidification in the region of at least one piston pin bore, and this region is cooled by coolant supplied by at least one sleeve (14).
- the area of the piston pin bores in particular the largely cylindrical inner surface thereof, can be cooled and quenched more quickly than is possible with the current procedure, so that the strength in these areas is advantageously increased.
- only a certain surface layer solidification must be awaited, which makes it possible to withdraw a quill provided there, without jeopardizing the shape of the piston in this area.
- a quill is essentially a substantially cylindrical or slightly conical casting core, which effectively keeps the space later provided for the piston pin during casting, and around which the material surrounding the later piston pin bore is thus formed.
- the notion of the piston pin bore is to emphasize that this need not necessarily be formed by drilling as a procedural approach. Rather, it is usually two substantially cylindrical openings, in which the two ends of a piston pin are received, while therebetween in the installed state, the connecting rod.
- the material bypassing the piston pin bores can thus be cooled and quenched more quickly by the procedure according to the invention than was hitherto possible, so that a faster and directional solidification is possible, which leads to increased strength.
- the solidification speed of the piston material is increased, in particular in the area of the piston pin bores, which leads to quenching and increased strength.
- a directional solidification can be generated.
- the cooling to a reduced extent can be done by the supply of coolant, in particular compressed air through exactly one quill.
- Fig. 1 schematically shown in section casting device 20 for a piston 10 has various elements that initially define the outer shape of the piston. This applies to the tool part 22 in the region of the piston crown, the tool parts 24 in the region of the piston skirt and a so-called fixing ring 26 in the region of the underside of the piston.
- two sleeves 14 are provided in the embodiment shown, which are slightly conical.
- there is a core 16 which extends into the area above the pin bores 12 and against which the sleeves are located.
- Fig. 2 is shown after a first boundary layer solidification, which takes place in particular in the piston pin holes 12, at least one sleeve 14, in the embodiment shown, both sleeves 14, retracted to expose the region of the piston pin holes 12 in particular on the inside thereof. According to the invention, a targeted cooling of these inner surfaces takes place subsequently.
- the preferred approach is to retract the core 16 to expose also the inner surfaces in the area between the piston pin bores that have hitherto been applied to the core 16 and also to effect cooling and quenching, even before the piston as a whole the casting device or mold can be removed from the mold.
- the cooling of the area between the piston pin bores is effected only by a quill 14.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
- Bei Kolben von Verbrennungsmotoren ist die Festigkeit der so genannten Kolbenbolzenbohrungen, in denen der Kolbenbolzen zur Verbindung mit einem Pleuel aufgenommen ist, von besonderer Wichtigkeit. Die erforderliche Festigkeit kann insbesondere durch eine schnelle Abschreckung des Gusses erfolgen. Nach der derzeitigen Vorgehensweise erfolgt ein derartiges Abschrecken erst außerhalb der Kokille, wenn der gesamte Kolben soweit erstarrt ist, dass er aus der so genannten Kokille entformt werden kann.
- Die
DE 10 2005 027 540 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, bei dem die Gießform geöffnet wird, bevor die Schmelze im Bereich eines Speisers erstarrt ist. Nachfolgend kann der Kolben entnommen und außerhalb der Gießform gekühlt werden. - Die
WO 2008/128153 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens, bei dem zwei zusammenschiebbare Formhälften und zwei Kerne vorhanden sind. - Aus der
DE 10 2007 012846 B3 geht ein innengekühlter Gießkern für einen Kolben hervor. - Gemäß der
DE 103 59 066 A1 wird ein Teil einer Gießform gekühlt. - Schließlich betrifft die
US 2007/277952 eine Vorrichtung, bei der bestimmte Abschnitte eines Gussteils schnell gekühlt und verfestigt werden können. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Kolben für Verbrennungsmotoren zu schaffen, mit denen die Festigkeit insbesondere im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen verbessert werden kann.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
- Demzufolge wird bereits nach einer Randschichterstarrung im Bereich zumindest einer Kolbenbolzenbohrung zumindest eine dort vorgesehene Pinole zurückgezogen und dieser Bereich durch durch zumindest eine Pinole (14) zugeführtes Kühlmittel gekühlt. Hierdurch kann der Bereich der Kolbenbolzenbohrungen, insbesondere die weitgehend zylindrische Innenfläche derselben schneller gekühlt und abgeschreckt werden, als dies bei der derzeitigen Vorgehensweise möglich ist, so dass die Festigkeit in diesen Bereichen in vorteilhafter Weise erhöht wird. Hierzu muss lediglich eine gewisse Randschichterstarrung abgewartet werden, die es ermöglicht, eine dort vorgesehene Pinole zurückzuziehen, ohne die Form des Kolbens in diesem Bereich zu gefährden. Bei einer Pinole handelt es sich im Wesentlichen um einen weitgehend zylindrischen oder leicht konischen Gießkern, der beim Gießen gewissermaßen den später für den Kolbenbolzen vorgesehenen Raum freihält und um den herum somit das die spätere Kolbenbolzenbohrung umgebende Material geformt wird. Zum Begriff der Kolbenbolzenbohrung ist zu betonen, dass diese nicht notwendigerweise durch Bohren als verfahrensmäßige Vorgehensweise ausgebildet sein muss. Vielmehr handelt es sich um üblicherweise zwei im Wesentlichen zylindrische Öffnungen, in denen die beiden Enden eines Kolbenbolzens aufgenommen werden, während sich dazwischen im Einbauzustand das Pleuel befindet.
- Das die Kolbenbolzenbohrungen umgehende Material kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise somit schneller gekühlt und abgeschreckt werden, als dies bislang möglich ist, so dass eine schnellere und gerichtetere Erstarrung möglich ist, was zu einer erhöhten Festigkeit führt. Mit anderen Worten wird die Erstarrungsgeschwindigkeit des Kolbenmaterials insbesondere im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen erhöht, was zu einem Abschrecken und einer erhöhten Festigkeit führt. Ferner kann durch die beschriebene Vorgehensweise auch in anderen Bereichen des Kolbens eine gerichtete Erstarrung erzeugt werden.
- Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
- Es wird derzeit bevorzugt, die Kühlung der Kolbenbolzenbohrungen mittels Druckluft vorzunehmen. Die hierfür erforderlichen Druckluftleitungen können, so haben erste Überlegungen ergeben, für sämtliche Größen von Kolben, insbesondere Dieselkolben vorgesehen werden.
- Besonders bevorzugt wird derzeit, zwei Pinolen gleichzeitig zurückzuziehen und den Bereich der Kolbenbolzenbohrungen durch gleichzeitig durch die beiden Pinolen zugeführtes Kühlmittel zu kühlen.
- Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, einen zwischen den Kolbenbolzenbohrungen vorgesehenen Kern zurückziehbar zu gestalten. Dadurch kann insbesondere nach einer ersten Kühlung des Bereichs der Kolbenbolzenbohrungen, bevorzugt in vermindertem Umfang, weiterhin Kühlmittel, insbesondere Druckluft, zugeführt werden, so dass auch der Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen gekühlt werden kann. Mit anderen Worten wird das bis zum Zurückziehen des Kerns an diesem Kern anliegende Material gekühlt, um auch hier eine erhöhte Festigkeit zu realisieren.
- Die Kühlung in vermindertem Umfang kann durch die Zuführung von Kühlmittel, insbesondere Druckluft durch genau eine Pinole erfolgen.
- Insbesondere hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, Kühlmittel zunächst durch zwei Pinolen zuzuführen und nachfolgend, nachdem ein Kern zurückgezogen wurde, lediglich durch genau eine Pinole zuzuführen. Hierdurch wird ein besonders effizientes Durchströmen des Bereichs zwischen den Kolbenbolzenbohrungen mit Kühlmittel bewirkt.
- Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch die im Anspruch 7 beschriebene Gießvorrichtung, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest eine aus dem Bereich einer Kolbenbolzenbohrung zurückziehbare Pinole, durch die ein Kühlmittel zum Kühlen des Bereichs der Kolbenbolzenbohrungen zuführbar ist. Durch eine derartige Vorrichtung können die oben genannten Vorteile erreicht werden. Die bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen den vorangehend beschriebenen Verfahrensmerkmalen.
- Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Schnittansicht einer Gießvorrichtung mit einem gegossenen Kolben während einer ersten Erstarrungsphase;
- Fig. 2
- eine schematische Schnittansicht nach dem Zurückziehen der Pinolen;
- Fig. 3
- eine schematische Schnittansicht beim Zuführen von Druckluft durch die Pinolen; und
- Fig. 4
- eine schematische Schnittansicht nach dem Zurückziehen eines Werkzeugkerns.
- Die in
Fig. 1 schematisch im Schnitt gezeigte Gießvorrichtung 20 für einen Kolben 10 weist verschiedene Elemente auf, die zunächst die Außenform des Kolbens definieren. Dies gilt für das Werkzeugteil 22 im Bereich des Kolbenbodens, die Werkzeugteile 24 im Bereich des Kolbenmantels sowie einen so genannten Fixierring 26 im Bereich der Unterseite des Kolbens. Um die mechanische Nachbearbeitung im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen 12 möglichst gering zu halten und das Zurückziehen zu ermöglichen, sind bei der gezeigten Ausführungsform zwei Pinolen 14 vorgesehen, die leicht konisch ausgebildet sind. Ferner ist zum Freihalten des Bereichs zwischen den Kolbenbolzenbohrungen 12 für die spätere Aufnahme des Pleuels ein Kern 16 vorhanden, der bis in den Bereich oberhalb der Bolzenbohrungen 12 reicht, und an dem die Pinolen anliegen. Nachdem das Material für den Kolben 10 in flüssiger Form in die derart gestaltete Gießvorrichtung 20 eingefüllt wurde, erfolgt eine Erstarrung des Materials, ausgehend von den Randschichten. - Wie in
Fig. 2 gezeigt, wird nach einer ersten Randschichterstarrung, die insbesondere auch in den Kolbenbolzenbohrungen 12 stattfindet, zumindest eine Pinole 14, bei der gezeigten Ausführungsbeispiel beide Pinolen 14, zurückgezogen, um den Bereich der Kolbenbolzenbohrungen 12 insbesondere an der Innenseite derselben freizulegen. Erfingdungsgemäß erfolgt nachfolgend eine gezielte Kühlung dieser Innenflächen. - Wie in
Fig. 3 gezeigt ist, wird dies bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Zuführung von Druckluft durch die Pinolen 14 realisiert. Insbesondere weisen diese in dem gezeigten Fall zentrale Zuströmkanäle 28 auf. Durch die beschriebenen Kanäle 28 strömt Druckluft an die Innenflächen der Kolbenbolzenbohrungen 12, so dass diese gekühlt und abgeschreckt werden und nachfolgend eine erhöhte Festigkeit aufweisen. - In
Fig. 4 ist die bevorzugte Vorgehensweise dahingehend gezeigt, dass nachfolgend der Kern 16 zurückgezogen wird, um auch die Innenflächen im Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen, die bislang an den Kern 16 anlagen, freizulegen und auch hier eine Kühlung und Abschreckung zu bewirken, noch bevor der Kolben insgesamt aus der Gießvorrichtung oder Kokille entformt werden kann. Bevorzugt erfolgt die Kühlung des Bereichs zwischen den Kolbenbolzenbohrungen nur durch eine Pinole 14.
Claims (9)
- Verfahren zum Gießen eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem nach einer Randschichterstarrung im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen (12) zumindest eine dort vorgesehene Pinole (14) zurückgezogen und der Bereich zumindest einer Kolbenbolzenbohrung (12) durch durch zumindest eine Pinole (14) zugeführtes Kühlmittel gekühlt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlung mittels Druckluft erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pinolen(14) gleichzeitig zurückgezogen werden, und der Bereich zweier Kolbenbolzenbohrungen (12) durch gleichzeitig durch die Pinolen (14) zugeführtes Kühlmittel gekühlt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Randschichterstarrung im Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) zumindest ein Kern (16) zurückgezogen wird, und der Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12), vorzugsweise in vermindertem Umfang, gekühlt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel, insbesondere Luft, zunächst durch zwei und nachfolgend durch genau eine Pinole (14) zugeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel, insbesondere Luft, zunächst durch zwei Pinolen und nachfolgend, nachdem ein Kern zurückgezogen wurde, lediglich durch genau eine Pinole (14) zugeführt wird, wobei das Kühlmittel durch den Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) strömt. - Vorrichtung (20) zum Gießen von Kolben (10) für Verbrennungsmotoren mit zumindest einer aus dem Bereich einer Kolbenbolzenbohrung (12) zurückziehbaren Pinole (14), durch die ein Kühlmittel zum Kühlen des Bereichs der Kolbenbolzenbohrungen (12) zuführbar ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckluftzuführvorrichtung vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
ferner mit zumindest einem aus dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenbohrungen (12) zurückziehbaren Kern (16).
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