EP3024607B1 - Giessvorrichtung und giessverfahren - Google Patents

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EP3024607B1
EP3024607B1 EP14738472.1A EP14738472A EP3024607B1 EP 3024607 B1 EP3024607 B1 EP 3024607B1 EP 14738472 A EP14738472 A EP 14738472A EP 3024607 B1 EP3024607 B1 EP 3024607B1
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EP
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manufactured
component
cylinder head
displacement element
die casting
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Andreas Fent
Hubert Lang
Richard Schächtl
Marcus STIER
Thomas Summer
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
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    • 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
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    • 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
    • B22D27/11—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of mechanical pressing devices

Definitions

  • the invention relates to a casting apparatus and a casting method for producing or finishing a cylinder head.
  • the feeder system serves to compensate for the shrinkage of the casting during cooling and to avoid voids inside the solidifying casting.
  • the feeder system When producing a cylinder head of a four-cylinder engine, the feeder system has a melt volume of about 14 kg, with 6-cylinder cylinder heads a melt volume of about 20 kg.
  • the Large amount of melt volume is therefore necessary to ensure that the melt in the feeder is still liquid when the component to be finished is finished. As a result, it is always possible to ensure compensation of the shrinkage via the feeder system.
  • the feed system is conventionally surrounded by the sandpit core and is thereby thermally insulated
  • a casting device for the production of components, in particular cylinder heads provided with a liftable from the component to be manufactured and reusable steel core, which is a movable, in the component to be manufactured having depressible displacement element.
  • the sandbox core with integrated feeder system used in the prior art method is completely substituted by the steel core.
  • a feeder system in the context of the prior art becomes obsolete.
  • the steel core is used instead of the previously used Sanddeckkerns placed on the component to be manufactured and forms its surface contour in the negative.
  • a displacer element is pressed into the not yet solidified component to be manufactured (melt), whereby the volume of the displacer element is displaced to melt.
  • This displaced melt volume serves as a substitute for the melt otherwise fed via the feeders. Dense feeding thus takes place with melting material, which is originally provided by the component to be manufactured itself. In this case it can be provided to provide a minimally increased machining allowance of melt material on the upper flange surfaces.
  • the displacement element is arranged at a position of the steel core, which correlates with a position of the component to be manufactured, which forms a recess in a final state of the component to be manufactured.
  • the impressions of the displacer in the component to be manufactured is thus simultaneously a production step of a recess in the component to be manufactured.
  • the position of the displacer corresponds to the position of the spark plug well of the cylinder head. The number of displacement in such a case depends on the number of cylinders to the cylinder head.
  • the displacer is designed as a movable steel pin which is pressed into the melt of the cylinder head and generates a cylindrical recess there.
  • the displacement element is equipped with a cooling device and / or heating device.
  • the Cooling device is designed to pass on the displacement element air, water or oil as a coolant, for example, over internal channels to cool it.
  • a heating device a heating cartridge is integrated in the displacer element in a possible embodiment.
  • Also part of the invention is a method for the production of a cylinder head in the casting process, wherein on the component to be lifted off and reusable steel core is used as a substitute for a Sandeckkern having a displacer, which is pressed for feeding in a melt, the solidified in the Condition forms the cylinder head.
  • the displacement element is first pressed into the cylinder head after the melt has cooled down to the extent that it has formed an outer skin. This is favorable because a wall shell is present on the sand core and not the melt is pressed into the sand core of the cylinder head.
  • the advantages of the device according to the invention and of the method according to the invention are, in particular, that the hitherto necessary sand core with integrated feeder system is completely replaced by a single steel core core.
  • the steel core according to the invention can be integrated into the casting plant, reusable and lifted off the component to be manufactured.
  • the feeder volume provided by the component to be manufactured itself is equivalent to only 10-15% of the original volume previously provided in feeders. Due to the reduced melt volume, a faster solidification and shorter cycle times occur. When using the space that is displaced by the displacer (for example, as a spark plug well), a subsequent chip process can be avoided become.
  • FIG. 1 a cylinder head 21 with feeder system 20 arranged thereon is shown in a perspective view.
  • the feeder system here for a four-cylinder engine, contains the melt, which compensates for the shrinkage of the solidifying component and ensures the supply of gas.
  • the feeder system 20 is surrounded by a sand cover core, not shown, which forms the upper end surface for the cylinder head 21 and receives the feeder system 20.
  • the sandpit core and feeder system 20 have considerable volume and weight.
  • FIG. 2 the casting device 10 according to the invention is shown in a side sectional view, with components that are not relevant to the invention are omitted.
  • the casting apparatus 10 has a steel core 1 that can be lifted off and reused by the cylinder head 2, through which a plurality of displacement elements 3 designed as steel pins extend.
  • the displacement elements 3 are movable and can be pressed by a control device 7 at a predetermined time and with a predetermined duck into the cylinder head.
  • a predetermined time means in this case that the melt of the cylinder head may not yet solidified, so that the penetrating displacer 3 leads to a displacement of melt.
  • the surplus of melt obtained by the displacement is distributed essentially over the entire cylinder head 2 and that as density feed.
  • the feeder system 20 off FIG. 1 is thus obsolete.
  • FIG. 3 is the pouring device 10 from FIG. 2 shown in perspective view.
  • the steel core 1 can be seen from its lower, the cylinder head 2 side facing.
  • the position of the displacement elements 3 is chosen such that they correlate with positions of the cylinder head 2, which in each case form the spark plug shaft in the finished state.
  • the steel core 1 has a plurality of projections 4 on its surface facing the cylinder head 2, which form a cavity in the finished state of the cylinder head 2.
  • the surface geometry of the steel core 1 can thus be selected to form a negative of the component to be manufactured, in this case the cylinder head 2.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a cylinder head 2, with the correlating to the displacement elements 3 positions 5, which form the spark plug shaft in the cylinder head 2.
  • the basic shape shown is poured as usual.
  • the feeder system 20 FIG. 1 but used in the steel core 1 integrated displacer 3 is pressed into the partially solidified melt of the cylinder head 2.
  • the casting apparatus 10 closes the component to be manufactured tightly with the steel core 1, so that the internal pressure rises due to the pressing in of the displacement elements 3, whereby the material disappearing during the melt is compensated.
  • the steel core can be lifted and the component, in this case the cylinder head 2 are removed.
  • an additional feeder system 9 is still used on a component to be manufactured, in particular in areas which are not in direct fluid communication with the positions 5. That is, in areas that can not be reached by the displaced melt material, an additional feeder system 9 may well be arranged. However, this is according to its volume and weight compared to the feeder systems according to FIG. 1 minimal.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, it is a number of variants conceivable, which makes use of the illustrated solution also of fundamentally different types.
  • the displacer does not have to form a spark plug well, but can free other, desired in the component to be machined recesses.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren zum Herstellen, beziehungsweise Fertigstellen eines Zylinderkopfs.
  • Beim Schwerkraftguss von Zylinderköpfen wird herkömmlicherweise ein großvolumiger und vergleichsweise schwerer Sanddeckkern verwendet, in dem ein Speisersystem integriert ist. Das Speisersystem dient unter anderem zur Kompensation des Schwindens des Gussstücks während der Abkühlung und zur Vermeidung von Lunkern im Inneren des erstarrenden Gussstücks. Bei der Herstellung eines Zylinderkopfes eines Vierzylindermotors weist das Speisersystem ein Schmelzvolumen von etwa 14 kg, bei 6-Zylinder-Zylinderköpfen ein Schmelzvolumen von ca. 20 kg auf. Die große Menge an Schmelzvolumen ist deshalb notwendig, um sicher zu stellen, dass die Schmelze im Speiser noch flüssig ist, wenn das zu fertigende Bauteil fertig ist. Hierdurch kann stets Ausgleichen des Schwindens über das Speisersystem gewährleistet werden. Das Speisesystem ist herkömmlicherweise von dem Sanddeckkern umgeben und wird hierdurch auch thermisch isoliert
  • An der bekannten Lösung ist nachteilig, dass beide Bauteile Speiser und Sanddeckkern ein hohes Gewicht aufweisen, das bei dem Verfahren verarbeitet werden muss. Dies führt zu einer großen Menge an Umlaufmaterial und langen Taktzeiten.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der Bauteile im Schwerkraftguss hergestellt werden können, ohne dass die bisherigen großen und schweren Speisersysteme zum Einsatz kommen müssen, welche die Taktzeit der Fertigung begrenzen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Bauteilen, insbesondere Zylinderköpfen bereitzustellen. Die erfindungsgemäßen Aufgaben werden gelöst durch die jeweiligen Merkmalskombinationen der Patentansprüche 1 und 7. Hierbei ist eine Gießvorrichtung für die Fertigung von Bauteilen, insbesondere Zylinderköpfen, bereitgestellt mit einem von dem zu fertigenden Bauteil abhebbaren und wiederverwendbaren Stahloberkern, der ein bewegliches, in das zu fertigende Bauteil eindrückbares Verdrängerelement aufweist. Der bei dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik verwendete Sanddeckkern mit integriertem Speisersystem wird vollständig durch den Stahloberkern substituiert. Ein Speisersystem im Sinne des Stands der Technik wird obsolet. Der Stahloberkern wird an Stelle des bisher verwendeten Sanddeckkerns auf das zu fertigende Bauteil aufgesetzt und bildet dessen Oberflächenkontur im Negativ ab. Zur Dichtspeisung wird ein Verdrängerelement in das noch nicht erstarrte zu fertigende Bauteil (Schmelze) eingedrückt, wodurch das Volumen des Verdrängerelements an Schmelze verdrängt. Dieses verdrängte Schmelzvolumen dient als Ersatz der sonst über die Speiser nachgeführten Schmelze. Die Dichtspeisung erfolgt somit mit Schmelzmaterial, das ursprünglich von dem zu fertigende Bauteil selbst bereitgestellt ist. Hierbei kann vorgesehen werden, eine minimal erhöhte Bearbeitungszugabe an Schmelzmaterial auf den oberen Flanschflächen vorzusehen.
  • In einer erfindungsgemäß günstigen Ausführung ist vorgesehen, dass das Verdrängerelement an einer Position des Stahloberkerns angeordnet ist, die mit einer Position des zu fertigenden Bauteils korreliert, welche in einem finalen Zustand des zu fertigenden Bauteils eine Aussparung bildet. Das Eindrücken des Verdrängerelements in das zu fertigende Bauteil ist somit gleichzeitig ein Herstellungsschritt einer Aussparung im zu fertigenden Bauteil. Bei der Herstellung eines Zylinderkopfs ist günstiger weise vorgesehen, dass die Position des Verdrängerelements der Position des Zündkerzenschachts des Zylinderkopfes entspricht. Die Anzahl der Verdrängerelemente richtet sich in einem solchen Fall nach der Zylinderzahl des zu Zylinderkopfes.
  • Für die Fertigung eines solchen Schachtes ist günstig, dass das Verdrängerelement als beweglicher Stahlstift ausgebildet ist, der in die Schmelze des Zylinderkopfes eindrückbar ist und dort eine zylindrische Aussparung erzeugt.
  • Ferner ist in einer Ausführung vorgesehen, dass das Verdrängerelement mit einer Kühleinrichtung und/oder Heizeinrichtung ausgestattet ist. Die Kühleinrichtung ist ausgebildet, am Verdrängerelement Luft, Wasser oder Öl als Kühlmittel beispielweise über innen liegende Kanäle vorbeizuführen, um dieses zu kühlen. Als Heizeinrichtung ist in einer möglichen Ausführung eine Heizpatrone in das Verdrängerelement integriert. Somit kann das Verdrängerelement gekühlt und/oder beheizt und die Einwirkung auf die Schmelze im Bereich des Verdrängerelements wahlweise und individuell abgestimmt werden. Ebenfalls Teil der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes im Gießverfahren, wobei ein an dem zu fertigenden Bauteil abhebbarer und wiederverwendbarer Stahloberkern als Substitution für einen Sandeckkern verwendet wird, der ein Verdrängerelement aufweist, das zur Dichtspeisung in eine Schmelze eingedrückt wird, die im verfestigten Zustand den Zylinderkopf bildet. Bei dem Verfahren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verdrängerelement erst in den Zylinderkopf gedrückt wird, nachdem die Schmelze soweit abgekühlt ist, dass sie eine Außenhaut gebildet hat. Das ist deshalb günstig, dass eine Wandschale am Sandkern vorliegt und nicht die Schmelze in den Sandkern des Zylinderkopfes gedrückt wird.
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere darin, dass der bisher notwendige Sanddeckkern mit integriertem Speisersystem vollständig durch eine einzigen Stahloberkern ersetzt wird. Der erfindungsgemäße Stahloberkern ist in die Gießanlage integrierbar, wiederverwendbar und von dem zu fertigenden Bauteil abhebbar. Das Speiservolumen, das durch das zu fertigende Bauteil selbst bereitgestellt wird, entspricht in nur noch 10-15 % des ursprünglichen Volumens, welches früher in Speisern bereitgestellt wurde. Aufgrund des reduzierten Schmelzvolumens kommt es zu einer schnelleren Erstarrung und zu kürzeren Taktzeiten. Bei einer Nutzung des Raumes, der durch das Verdrängerelement verdrängt wird (beispielsweise als Zündkerzenschacht), kann ein nachfolgender Spanungsprozess vermieden werden.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet, beziehungsweise werden nachstehend mit der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
    • Figur 1 einen Zylinderkopf mit einem Speisersystem gemäß dem Stand der Technik;
    • Figur 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gießen eines Zylinderkopfes;
    • Figur 3 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus Figur 2; und
    • Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfes aus Figur 2.
  • Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Teile in allen Figuren.
  • In Figur 1 ist ein Zylinderkopf 21 mit darauf angeordnetem Speisersystem 20 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Das Speisersystem, hier für einen vier-Zylindermotor, enthält die Schmelze, die den Schwund des erstarrenden Bauteils ausgleicht und die Dichtspeisung gewährleistet. Das Speisersystem 20 ist von einem nicht dargestellten Sanddeckkern umgeben, der die obere Abschlussfläche für den Zylinderkopf 21 bildet und das Speisersystem 20 aufnimmt. Der Sanddeckkern und das Speisersystem 20 weisen ein beträchtliches Volumen und Gewicht auf.
  • In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Gießvorrichtung 10 in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt, wobei für die Erfindung nicht relevante Bauteile weggelassen sind. Die Gießvorrichtung 10 weist einen von dem Zylinderkopf 2 abhebbaren und wiederverwendbaren Stahloberkern 1 auf, durch den sich mehrere, als Stahlstifte ausgebildete Verdrängerelemente 3 erstrecken. Die Verdrängerelemente 3 sind beweglich und über eine Steuervorrichtung 7 zu vorbestimmter Zeit und mit vorbestimmtem Duck in den Zylinderkopf eindrückbar. Zu vorbestimmter Zeit bedeutet hierbei, dass die Schmelze des Zylinderkopfes noch nicht erstarrt sein darf, so dass das eindringende Verdrängerelement 3 zu einer Verdrängung von Schmelze führt. Der durch die Verdrängung erzielte Überschuss an Schmelze wird im wesentlichen über den gesamte Zylinderkopf 2 verteilt und die als Dichtspeisung. Das Speisersystem 20 aus Figur 1 ist somit obsolet.
  • In Figur 3 ist die Gießvorrichtung 10 aus Figur 2 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Stahloberkern 1 ist von seiner unteren, dem Zylinderkopf 2 zugewandten Seite zu erkennen. Die Position der Verdrängerelemente 3 ist derart gewählt, dass sie mit Positionen des Zylinderkopfes 2 korrelieren, die im fertigen Zustand jeweils den Zündkerzenschacht bilden. Zusätzlich weist der Stahloberkern 1 mehrere Vorsprünge 4 auf seiner dem Zylinderkopf 2 zugewandten Oberfläche auf, welche im fertigen Zustand des Zylinderkopfs 2 einen Hohlraum bilden. Die Oberflächengeometrie des Stahloberkerns 1 kann somit ausgewählt werden, ein Negativ des zu fertigenden Bauteils, vorliegend des Zylinderkopfes 2 zu bilden.
  • Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfes 2, mit den zu den Verdrängerelementen 3 korrelierenden Positionen 5, welche in dem Zylinderkopf 2 den Zündkerzenschacht bilden. Auf eine Darstellung des Sandkerns zur Bildung der übrigen Hohlräume innerhalb des Zylinderkopfes 2 wurde verzichtet. Zur Herstellung des Zylinderkopfes 2 wird wie üblich die dargestellte Grundform gegossen. Zur Gewährleisung der Dichtspeisung wird jedoch nicht mehr das Speisersystem 20 aus Figur 1 verwendet, sondern die in den Stahloberkern 1 integrierten Verdrängerelemente 3 in die teilweise erstarrte Schmelze des Zylinderkopfes 2 eingedrückt. Die Gießvorrichtung 10 schließt mit dem Stahloberkern 1 das zu fertigende Bauteil dicht ab, so dass durch das Eindrücken der Verdrängerelemente 3 der Innendruck steigt, wodurch das bei der Schmelze schwindende Material ausgeglichen wird. Sobald die Schmelze ausreichend erstarrt ist, dass die Verdrängerelemente 3 wieder in den Stahloberkern 1 zurückgezogen werden können, ohne dass es zu einer Verformung in den entsprechenden Bereichen kommt, kann der Stahloberkern abgehoben und das Bauteil, vorliegend der Zylinderkopf 2 entnommen werden.
  • Erfindungsgemäß ist nicht ausgeschlossen, dass noch ein zusätzliches Speisersystem 9 auf einem zu fertigenden Bauteil verwendet wird, insbesondere in Bereichen, die nicht in unmittelbarer Fließverbindung mit den Positionen 5 stehen. D.h. in Bereichen, die nicht von dem verdrängten Schmelzmaterial erreicht werden können, kann durchaus ein zusätzliches Speisersystem 9 angeordnet werden. Dieses ist jedoch bezüglich seines Volumens und Gewichts verglichen zu den Speisersystemen gemäß Figur 1 minimal.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebene bevorzugte Ausführung. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch von grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise muss das Verdrängerelement keinen Zündkerzenschacht bilden, sondern kann andere, in dem zu fertigenden Bauteil gewünschte Aussparungen freipressen.

Claims (10)

  1. Schwerkraftgießvorrichtung für die Fertigung von Bauteilen, insbesondere Zylinderköpfen (2), mit einem von dem zu fertigenden Bauteil abhebbaren und wiederverwendbaren Stahloberkern (1), der als Substitution für einen Sanddeckkern dient, eine Oberflächenkontur des zu fertigenden Bauteils im Negativ abbildet und ein bewegliches, in das zu fertigende Bauteil eindrückbares Verdrängerelement (3) aufweist.
  2. Schwerkraftgießvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement (3) an einer Position des Stahloberkerns angeordnet ist, die mit einer Position des zu fertigenden Bauteils korreliert, welche im finalen Zustand eine Aussparung bildet.
  3. Schwerkraftgießvorrichtung für die Fertigung von Zylinderköpfen nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Verdrängerelements (3) der Position des Zündkerzenschachts des Zylinderkopfes (2) entspricht.
  4. Schwerkraftgießvorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement (3) als beweglicher Stahlstift ausgebildet ist.
  5. Schwerkraftgießvorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu fertigenden Bauteil zuweisende Oberfläche mindestens einen Vorsprung (4) aufweist.
  6. Schwerkraftgießvorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement (3) eine Kühleinrichtung und/oder Heizeinrichtung aufweist.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkopfes im Schwerkraftgießverfahren, wobei ein von dem zu fertigenden Bauteil abhebbarer und wiederverwendbarer Stahloberkern (1), der eine Oberflächenkontur des zu fertigenden Bauteils im Negativ abbildet, als Substitution für einen Sanddeckkern verwendet wird, wobei der Stahloberkern (1) ein Verdrängerelement (3) aufweist, das zur Dichtspeisung in eine Schmelze eingedrückt wird, die im verfestigten Zustand den Zylinderkopf bildet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement (3) in den Zylinderkopf (2) gedrückt wird, nachdem die Schmelze so weit abgekühlt ist, dass sie eine Außenhaut gebildet hat.
  9. Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement (3) als Stahlstift ausgebildet und in den zu fertigenden Zylinderkopf an einer Position gedrückt wird, welche den Zündkerzenschacht bildet.
  10. Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement (3) gekühlt und/oder beheizt wird.
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EP3024607A1 EP3024607A1 (de) 2016-06-01
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