EP2841223A2 - GIEßVERFAHREN UND -WERKZEUG - Google Patents

GIEßVERFAHREN UND -WERKZEUG

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EP2841223A2
EP2841223A2 EP13723434.0A EP13723434A EP2841223A2 EP 2841223 A2 EP2841223 A2 EP 2841223A2 EP 13723434 A EP13723434 A EP 13723434A EP 2841223 A2 EP2841223 A2 EP 2841223A2
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EP
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casting
piston
axis
rotation
filling
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EP13723434.0A
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EP2841223B1 (de
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Celestine OBUNA
Jacques Guyon
Thomas Hutzler
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
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    • 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
    • B22D27/08—Shaking, vibrating, or turning of moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • 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
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B22D19/0027—Cylinders, pistons pistons

Definitions

  • the invention relates to a method for casting a piston for an internal combustion engine, as well as an associated
  • rotationally symmetrical components such as pistons for internal combustion engines, are horizontal and stationary
  • CH 135526 A relates to a method and a mold for casting composite blocks, in which during casting the angular position of the mold is changed.
  • the invention has for its object to provide a casting method and an associated tool that is improved over the known approaches, and to combine at least some of the advantages of both the horizontal and the standing casting.
  • Tool sections after filling the casting cavity or at least towards the end of this process and before solidification rotated by at least 45 degrees about a horizontal axis or tilted so that the axis of rotation of the piston to be cast moves in the direction of the vertical and this preferably at least approaches.
  • the invention thus consists essentially in the
  • Effort can be removed or edited anyway and thus removed.
  • the invention makes use of the advantages of the upright casting method insofar as the feeding behavior is better here. This is essentially due to the fact that a largely
  • the improved feed is expected to reduce the porosity in the molded component.
  • the casting cavity is tilted as a whole, so that the axis of rotation of the component to be cast, as described, changes its orientation.
  • the tool can be referred to as a mold.
  • Tilting movement in other words, the position of the axis of rotation of the component during filling, and / or the tilt angle and / or the position of the axis of rotation of the component during solidification are adjustable.
  • Tilt angle can advantageously be influenced individually the filling behavior and / or the solidification behavior.
  • the axis of rotation of the piston to be cast be largely aligned horizontally during filling. For the same reasons it offers advantages when the
  • Rotation axis of the piston to be cast during solidification is largely aligned vertically.
  • pouring piston is filled.
  • the mold cavity has at least one recess which is located in an upright casting manner in an upper, preferably at the highest region of the mold cavity. This forms in this area after the
  • the advantages of the upright casting method can be used particularly extensively by arranging a feeder after tilting the casting cavity in an upper region, in particular at a location other than the sprue.
  • the method according to the invention unfolds its advantages in a particular way when the component to be cast is cast with at least one insert, such as a ring carrier and / or a core for a cooling channel of a piston for an internal combustion engine.
  • at least one insert such as a ring carrier and / or a core for a cooling channel of a piston for an internal combustion engine.
  • Casting tools substantially correspond to those of the previously described, preferred method. It should also be noted that the individual features of all the methods described herein are applicable to the device and vice versa.
  • a feeder 16 is present. During filling, the feeder is located on one side of the workpiece, after filling, and for solidification of the workpiece but at the highest
  • Mold cavity is located.
  • the gate 14 is preferably provided at a location other than the feeder 16, and preferably separately therefrom. At the highest point when pouring the mold cavity is preferably a recess 18 in the
  • Mold cavity provided which forms a kind of dirt bag, are flushed to the impurities. Here they can be easily removed during subsequent processing.
  • the recess 18 may be provided at an arbitrary position along the axis of rotation A of the piston 10.
  • the symmetry of the piston 10 to be produced in the course of the solidification process is utilized in that the mold cavity defining the later piston, as shown in the right-hand area of the figure, after the filling of the
  • molten material is tilted such that the axis of rotation of the component to be produced largely
  • the feeder 16 is oriented vertically. In the embodiment shown, the feeder 16 is in an upper region in this state. In this orientation is for the
  • This floor area can therefore by the procedure of the invention as finished cast and not more
  • nachzubesder floor area are provided with appropriate contours.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zum Gießen eines Kolbens (10) für eine Verbrennungsmotor, werden die den Gießhohlraum definierenden Werkzeugabschnitte nach dem Befüllen und vor dem Erstarren um zumindest 45 Grad um eine horizontale Achse derart gekippt, dass sich die Rotationsachse (A) des Bauteils (10) in Richtung der Vertikalen bewegt. Es wird ferner ein Gießwerkzeug zum Gießen eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor offenbart, bei dem die den Gießhohlraum definierenden Werkzeugabschnitte nach dem Befüllen und vor dem Erstarren um mindestens 45 Grad um eine horizontale Achse derart kippbar sind, dass sich die Rotationsachse (A) des Kolbens (10) in Richtung der Vertikalen bewegt.

Description

Gießverfahren und -Werkzeug
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, sowie ein zugehöriges
Gießwerkzeug .
Bei rotationssymmetrischen Bauteilen, wie zum Beispiel Kolben für Verbrennungsmotoren, sind liegende und stehende
Gießverfahren bekannt. Bei den liegenden Gießverfahren ist die Rotationsachse des zu gießenden Bauteils im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Dieses Verfahren kommt gegenwärtig mehrheitlich bei der Herstellung von Dieselkolben in Einsatz, die überwiegend mit Einlegeteilen, wie zum Beispiel
Ringträgern und Salzkernen für den späteren Kühlkanal
eingegossen werden. Zum Gießen von Kolben für Ottomotoren, die größtenteils keine Eingießteile aufweisen, kommt
überwiegend die stehende Gießweise zum Einsatz.
STAND DER TECHNIK
Für die stehende Gießweise sind als Vorbenutzungsgegenstände Maschinen bekannt, die es ermöglichen, in einem bis zu
30 Grad aus der Vertikalen gekippten Zustand zu gießen.
Aus der DE 10 2006 058 145 AI geht ein Gießverfahren hervor, bei dem das Einbringen des Materials nach dem Prinzip des Bodengusses und die Erstarrung nach dem Prinzip des
Kopfgusses erfolgt. Die CH 135526 A betrifft ein Verfahren und eine Form zum Gießen von Verbundblöcken, bei dem während des Gießens die Winkellage der Form verändert wird. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gießverfahren und ein zugehöriges Werkzeug zu schaffen, dass gegenüber den bekannten Vorgehensweisen verbessert ist, und zumindest einige der Vorteile sowohl der liegenden als auch der stehenden Gießweise zu kombinieren.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum Einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge werden die den Gießhohlraum definierenden
Werkzeugabschnitte nach dem Befüllen des Gießhohlraums oder zumindest gegen Ende dieses Vorgangs und vor dem Erstarren um zumindest 45 Grad um eine horizontale Achse derart gedreht oder gekippt, dass sich die Rotationsachse des zu gießenden Kolbens in Richtung der Vertikalen bewegt und sich dieser vorzugsweise zumindest annähert. Der Grundgedanke der
Erfindung besteht somit im Wesentlichen darin, den
Gießhohlraum in einer weitgehend „liegenden" Position des Gießhohlraums zu befüllen. Dies bietet besonders günstige Füllbedingungen, da vergleichsweise dünne Bereiche, wie zum Beispiel die verbleibende Wanddicke zwischen einem späteren Kühlkanal eines Kolbens und einem Ringträger besser befüllt werden können, als bei der stehenden Gießweise. Ferner werden Fremdstoffe, die in dem gegossenen Bauteil Fehlstellen darstellen, wie beispielsweise Oxide oder Alfinreste, bei dem Befüllen im liegenden Zustand in vorteilhafter Weise in Bereiche des Werkstücks geleitet, die später mit wenig
Aufwand entfernt werden können oder ohnehin bearbeitet und damit entfernt werden müssen.
Die Erfindung nutzt die Vorteile der stehenden Gießweise insofern, als hier das Speisungsverhalten besser ist. Dies beruht im Wesentlichen darauf, dass ein weitgehend
rotationssymmetrisches Bauteil gegossen wird, dessen Gießhohlraum bei der liegenden Gießweise mit einem einseitig liegenden Speiser gefüllt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Kippen in Richtung der stehenden Gießweise wird das
günstigere, weitgehend symmetrische Spei sungsverhalten eines zentralen Speisers genutzt. Es wird insbesondere erwartet, dass durch die verbesserte Speisung die Porosität in dem gegossenen Bauteil verringert wird.
Erfindungsgemäß kommt es darauf an, dass der Gießhohlraum insgesamt gekippt wird, so dass die Rotationsachse des zu gießenden Bauteils, wie beschrieben, ihre Ausrichtung ändert. Die im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und
Verfahren, bei denen einzelne Werkzeugabschnitte, die an den Gießhohlraum angrenzen, diesen jedoch nicht insgesamt
definieren, verschwenkbar sind, ist insoweit mit der
erfindungsgemäßen Vorgehensweise nicht vergleichbar.
Das Werkzeug kann insgesamt als Kokille bezeichnet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Um das Verhalten des in den Gießhohlraum zu füllenden oder eingefüllten Materials in vorteilhafter Weise besonders fein beeinflussen zu können, wird bevorzugt, dass die
Kippbewegung, mit anderen Worten, die Lage der Rotationsachse des Bauteils beim Einfüllen, und/oder der Kippwinkel und/oder die Lage der Rotationsachse des Bauteils beim Erstarren einstellbar sind. Durch eine flexible Einstellung des
Kippwinkels kann in vorteilhafter Weise das Füllverhalten und/oder das Erstarrungsverhalten individuell beeinflusst werden .
Um die Vorteile und die bestehende Erfahrung mit liegenden Gießweisen besonders umfangreich nutzten zu können, wird derzeit bevorzugt, dass die Rotationsachse des zu gießenden Kolbens beim Befüllen weitgehend horizontal ausgerichtet ist. Aus den gleichen Gründen bietet es Vorteile, wenn die
Rotationsachse des zu gießenden Kolbens beim Erstarren weitgehend vertikal ausgerichtet ist.
Für die Befüllung des Gießhohlraums wird zur Nutzung der Vorteile einer liegenden Gießweise bevorzugt, dass das flüssige Material an einem seitlichen Bereich des zu
gießenden Kolbens eingefüllt wird. Mit anderen Worten befindet sich ein Anguss in einem seitlichen Bereich und bevorzugt etwa im unteren Drittel des bei liegender Gießweise zu befüllenden Gießhohlraums.
Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Gießwerkzeug bietet es Vorteile, wenn der Formhohlraum zumindest eine Aussparung aufweist, die sich bei liegender Gießweise in einem oberen, bevorzugt am höchsten Bereich des Formhohlraums befindet. Hierdurch bildet sich in diesem Bereich nach dem
vollständigen Befüllen eine Art Schmutztasche, in die jegliche Verunreinigungen gespült wurden.
Die Vorteile der stehenden Gießweise lassen sich besonders umfangreich dadurch nutzen, dass ein Speiser nach dem Kippen des Gießhohlraums in einem oberen Bereich, insbesondere an einer anderen Stelle als der Anguss, angeordnet ist.
Wie eingangs angedeutet, entfaltet das erfindungsgemäße Verfahren in besonderer Weise seine Vorteile, wenn das zu gießende Bauteil mit zumindest einem Einlegeteil, wie zum Beispiel einem Ringträger und/oder einem Kern für einen Kühlkanal eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gegossen wird. Wenngleich es leichter ist, und deshalb eine bevorzugte Möglichkeit darstellt, Eingießteile bei einer liegenden Ausrichtung des zu gießenden Bauteils einzulegen, wird es für bestimmte Anwendungsfälle bevorzugt, Eingießteile bei stehender Gießweise einzulegen, nachfolgend das Werkzeug zu kippen, und bei liegender Gießweise den Formhohl äum zu befüllen .
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 8 beschriebene Gießwerkzeug, mit dem das vorangehend beschriebene Verfahren einschließlich seiner Vorteile vorrichtungstechnisch umgesetzt wird. Die
bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gießwerkzeugs entsprechen im Wesentlichen denjenigen der vorangehend beschriebenen, bevorzugten Verfahren. Es sei außerdem erwähnt, dass die einzelnen Merkmale sämtliche hierin beschriebenen Verfahren auf die Vorrichtung anwendbar sind und umgekehrt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Figur zeigt schematisch die erfindungsgemäße
Vorgehensweise beim Gießen eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor .
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Wie in der Figur zu erkennen ist, wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand des positiv dargestellten, zu gießenden Kolbens 10 für einen Verbrennungsmotor erläutert, es versteht sich jedoch, dass der Gießhohlraum, den der spätere Kolben einnimmt, zunächst leer ist und von geeigneten, nicht
dargestellten, Werkzeugabschnitten definiert und umgrenzt wird. Wie in der Figur dargestellt, ist die Rotationsachse A des zu erzeugenden Kolbens im Ausgangs zustand, das heißt zum Befüllen des Formhohlraums, weitgehend horizontal
ausgerichtet. Etwa in der Mitte des Kolbens ist dessen
Kolbenbolzenbohrung 12 zu erkennen. Ferner ist für das gezeigte Beispiel in dem einen Endbereich, der nach dem
Kippen (vergleiche den rechten Teil der Figur) oben ist, ein Speiser 16 vorhanden. Während des Befüllens, befindet sich der Speiser an einer Seite des Werkstücks, nach dem Befüllen, und zum Erstarren des Werkstücks jedoch an der höchsten
Stelle des Werkstücks. Mit 14 ist in der Figur ein Anguss bezeichnet, der sich beim Befüllen des Gießhohlraums
seitlich, gemäß der Darstellung in der Figur "vor" dem
Formhohlraum befindet. Der Anguss 14 ist bevorzugt an einer anderen Stelle als der Speiser 16, und bevorzugt getrennt hiervon vorgesehen. An der beim Eingießen höchsten Stelle des Formhohlraums wird bevorzugt eine Aussparung 18 in dem
Formhohlraum vorgesehen, die eine Art Schmutztasche bildet, zu der Verunreinigungen gespült werden. Hier können diese bei der nachfolgenden Bearbeitung leicht entfernt werden. Die Aussparung 18 kann an einer beliebigen Stelle entlang der Rotationsachse A des Kolbens 10 vorgesehen sein.
Die Symmetrie des zu erzeugenden Kolbens 10 im Rahmen des Erstarrungsvorganges wird dadurch genutzt, dass der den späteren Kolben definierende Formhohlraum, wie im rechten Bereich der Figur gezeigt, nach dem Einfüllen des
schmelzflüssigen Materials derart gekippt wird, dass die Rotationsachse des zu erzeugenden Bauteils weitgehend
senkrecht ausgerichtet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform befindet sich der Speiser 16 in diesem Zustand in einem oberen Bereich. In dieser Ausrichtung ist für die
Erstarrungsbedingungen zu erwarten, dass sie an dem erzeugten Bauteil zu vorteilhaften Eigenschaften führen. Beispielsweise befinden sich Fremdstoffe, wie zum Beispiel Oxide und
Alfinreste aufgrund des Einfüllens im liegenden Zustand in einem Randbereich des Kolbens, wo sie leicht entfernt v/erden können, und nicht, wie dies bei einem Einfüllen im stehenden Zustand zu erwarten ist, in einem Bodenbereich des Kolbens. Dieser Bodenbereich kann demnach durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise als fertig gegossener und nicht mehr
nachzubearbeitender Bodenbereich mit entsprechenden Konturen vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Gießen eines Kolbens (10) für einen
Verbrennungsmotor, bei dem die den Gießhohlraum
definierenden Werkzeugabschnitte nach dem Befüllen und vor dem Erstarren um zumindest 45 Grad um eine
horizontale Achse derart gekippt werden, dass sich die Rotationsachse (A) des Bauteils (10) in Richtung der Vertikalen bewegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kippwinkel einstellbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (A) des Kolbens (10) beim Befüllen weitgehend horizontal ausgerichtet ist .
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (A) des Kolbens (10) beim Erstarren weitgehend vertikal ausgerichtet ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gießmaterial an an ei em seitliehen Bereich des Kolbens (10) eingefüllt wird .
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Speiser (16) nach dem Kippen der Werkzeugabschnitte in einem oberen Bereich des Kolbens (10) angeordnet ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Kolben (10) zumindest ein Einlegeteil, wie z.B. ein Kern für einen Kühlkanal und/oder ein Ringträger eingegossen wird.
8. Gießwerkzeug zum Gießen eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem die den Gießhohlraum
definierenden Werkzeugabschnitte nach dem Befüllen und vor dem Erstarren um mindestens 45 Grad um eine
horizontale Achse derart kippbar sind, dass sich die Rotationsachse (A) des Kolbens (10) in Richtung der Vertikalen bewegt.
9. Gießwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kippwinkel einstellbar ist.
10. Gießwerkzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Speiser an einem entlang der Rotationsachse (A) des Kolbens (10) am Ende des Kolbens (10) liegenden Bereich angeordnet ist.
11. Gießwerkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die den Gießhohlraum definierenden Werkzeugabschnitte derart kippbar sind, dass ein Speiser (16) nach dem Kippen in einem oberen Bereich angeordnet ist .
12. Gießwerkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum zumindest eine Aussparung (18) aufweist, die sich bei waagrechter Ausrichtung der Rotationsachse des zu gießenden Kolbens (10) in einem oberen Bereich, bevorzugt an einem
höchsten Punkt befindet.
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