EP2841223B1 - GIEßVERFAHREN UND -WERKZEUG - Google Patents

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EP2841223B1
EP2841223B1 EP13723434.0A EP13723434A EP2841223B1 EP 2841223 B1 EP2841223 B1 EP 2841223B1 EP 13723434 A EP13723434 A EP 13723434A EP 2841223 B1 EP2841223 B1 EP 2841223B1
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EP
European Patent Office
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piston
casting
axis
rotation
filling
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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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    • 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 use of a casting tool.
  • Vorbe angles For the standing casting are known as Vorbe anglessussinot machines, which make it possible to pour in a tilted up to 30 degrees from the vertical state.
  • the 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 tool cavity defining tooling sections are rotated or tilted at least 45 degrees about a horizontal axis so that the axis of rotation of the piston to be cast moves in the vertical direction this preferably at least approximates.
  • the basic idea of the invention thus consists essentially in filling the casting cavity in a largely "lying" position of the casting cavity. This offers particularly favorable filling conditions, since comparatively thin regions, such as, for example, the remaining wall thickness between a later cooling channel of a piston and a ring carrier can be filled better than in the standing casting method.
  • foreign substances that are defects in the cast component, such as oxides or almin residues, when filling in the lying state are advantageously conducted into regions of the workpiece which can later be removed with little effort or have to be processed 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 rotationally symmetrical component is cast, whose G confusehohlraum is filled in the horizontal casting with a single-sided feeder. In the tilting according to the invention in the direction of the stationary casting method, the cheaper, largely symmetrical feeding behavior of a central feeder is used. In particular, 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 known in the prior art devices and methods in which individual tool sections adjacent to the casting cavity, but not define this total, are pivotable, are so far not comparable with the inventive approach.
  • the tool can be referred to as a mold.
  • the 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 Location of the axis of rotation of the component during solidification are adjustable.
  • the tilt angle By a flexible adjustment of the tilt angle, the filling behavior and / or the solidification behavior can be influenced in an advantageous manner.
  • the axis of rotation of the piston to be cast be largely aligned horizontally during filling.
  • the liquid material is filled at a lateral region of the piston to be cast.
  • 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 complete filling a kind of dirt bag, in which any impurities were flushed.
  • 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.
  • the figure shows schematically the procedure according to the invention in the casting of a piston for an internal combustion engine.
  • the feeder is located on one side of the workpiece, after filling, and for solidifying the workpiece but at the highest point of the workpiece.
  • the reference numeral 14 denotes a sprue which is located laterally in the filling of the casting cavity, as shown in the figure "in front of" the mold cavity.
  • the gate 14 is preferably provided at a location other than the feeder 16, and preferably separately therefrom.
  • a recess 18 is preferably provided in the mold cavity which forms a kind of dirt pocket to which impurities are flushed. 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 generated 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, is tilted after filling of the molten material in such a way that the axis of rotation of the component to be produced is substantially perpendicular is aligned.
  • the feeder 16 is in an upper region in this state. In this orientation, it is to be expected for the solidification conditions that they lead to advantageous properties on the component produced.
  • this floor area can be provided by the procedure according to the invention as a finished cast floor area with corresponding contours that can no longer be reworked.

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

Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, sowie eine zugehörige Verwendung eines Gießwerkzeugs.
  • 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 A1 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 eine zugehörige Verwendung zu schaffen, das/die 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 Speisungsverhalten 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, sind 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 die erfindungsgemäße Verwendung eines Gießwerkzeugs 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 Formhohlraum zu befüllen.
  • Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch die im Anspruch 8 beschriebene Verwendung eines Gießwerkzeugs, mit dem das vorangehend beschriebene Verfahren einschließlich seiner Vorteile vorrichtungstechnisch umgesetzt wird. Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäß verwendeten 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 Ausgangszustand, 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 werden 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 (12)

  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 einem seitlichen 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. Verwendung eines Gießwerkzeugs 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, in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kippwinkel einstellbar ist.
  10. Verwendung 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. Verwendung 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. Verwendung 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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