EP3055088B1 - Giessform und damit hergestellter kolben - Google Patents

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EP3055088B1
EP3055088B1 EP14780430.6A EP14780430A EP3055088B1 EP 3055088 B1 EP3055088 B1 EP 3055088B1 EP 14780430 A EP14780430 A EP 14780430A EP 3055088 B1 EP3055088 B1 EP 3055088B1
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casting mould
casting
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Mahle International GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B22D25/02—Special casting characterised by the nature of the product by its peculiarity of shape; of works of art
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0076—Pistons  the inside of the pistons being provided with ribs or fins
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F2003/0007—Monolithic pistons; One piece constructions; Casting of pistons

Definitions

  • the present invention relates to a casting mold for casting a piston of an internal combustion engine.
  • the invention also relates to a piston cast in such a mold.
  • a surface texture called a waffle pattern has proved favorable in the art, by means of which not only the flowability of the casting material but also the air removal can be improved.
  • a disadvantage of the known waffle pattern is that it must be introduced in the pulling direction of the casting mold, since a demolding of the cast piston, which is outside the Waffelmusterausformschrägen, generates an undercut and thereby can lead to damage of the cast piston.
  • such surface textures are certainly desirable, not only for improved air removal, but also for indicating the origin of the piston produced with this mold.
  • the present invention therefore deals with the problem of specifying a casting mold, which in particular has a significantly increased flexibility with respect to a demolding direction.
  • the present invention is based on the general idea, in a conventional casting mold for casting a piston of an internal combustion engine
  • the present invention is based on the general idea to provide a surface texture formed by grooves in a known per se for casting a piston of an internal combustion engine now in the region of a later inner surface of a piston skirt, the demolding of the casting blank to approximately 90 ° to the surface texture, that is parallel to the surface texture.
  • the grooves forming the surface texture according to the invention have a depth of 0.2 mm ⁇ t ⁇ 0.5 mm, a width of 0.02 mm ⁇ b ⁇ 0.05 mm and groove walls which are around 0 ° ⁇ ⁇ 10 ° are inclined outwards. The cross section of such a groove is thus trapezoidal.
  • the grooves of the invention are smaller and also steeper than previous surface texture forming grooves and cause the mold during the casting process can be optimally vented, but the casting metal does not penetrate into the grooves and hooked there undercut.
  • the surface texture according to the invention is freely designable, but care must be taken that the individual grooves can be vented.
  • the surface texture can be used with or without protective gas and with or without size or with or without continuous coating and also in combination of permanent coating and size. Of particular advantage in the surface texture according to the invention with the grooves described above is that this creates a surface texture with a design that is difficult to imitate, which can serve as a proof of origin.
  • the grooves form a quadrilateral structure.
  • a quadrilateral structure can be, for example, a rectangular structure or a rhombic structure, which are also referred to in particular as a so-called waffle pattern, and which allow the cast blank to be removed from the casting mold in almost all directions, that is to say almost parallel to the surface.
  • the grooves are introduced by means of a laser.
  • the production of such grooves and indirectly also of such surface textures by means of lasers represents a cost-effective and at the same time high-quality production method.
  • a coating in particular a size, is applied to the surface texture.
  • Such a coating can at least partially narrow the groove at its entrance and thereby make penetration of the casting material more difficult.
  • there is no closing of the individual grooves due to the coating so that the air removal can also be ensured with coating, in particular continuous coating or sizing.
  • coating in particular continuous coating or sizing.
  • FIG. 1 shows a casting mold 1 according to the invention for casting a piston 2 shown only in regions (cf. FIG. 3 ) of an internal combustion engine in the region of a later inner surface 3 of a piston skirt a surface texture 5 formed by grooves 4.
  • the grooves 4 have the following dimensions according to the invention: A depth t, which is between 0.2 mm and 0.5 mm (see FIG. 2 ), a width b which is between 0.02 mm and 0.05 mm and outwardly inclined groove walls 6, wherein an inclination of the Nutennch 6 outwardly between 0 ° ⁇ ⁇ 10 °.
  • the casting mold according to the invention no longer has this disadvantage, since in this case the surface texture 5 is designed such that the casting material can not penetrate into the surface texture 5, that is to say in particular not into the grooves 4 and thereby leaves a great deal of freedom with respect to the demoulding direction no undercuts are generated. Nevertheless, the grooves 4 according to the invention or the surface texture 5 produced thereby also make it possible to improve the flowability and the air removal during the casting process of the piston 2.
  • the grooves 4 form a quadrangular structure, for example a square waffle pattern or else a rhombic structure.
  • a distance a which is between 0.2 mm and 2.0 mm.
  • An introduction of the grooves 4 and thus the surface texture 5 in the mold 1 can be done for example by means of laser, whereby the grooves 4 can be introduced not only extremely accurate, but also relatively inexpensive.
  • a special feature of the surface texture 5 makes it possible to create a mark of origin, whereby the piston 2 cast with the casting mold 1 according to the invention is unequivocally and easily attributable to a particular manufacturer.
  • the casting mold 1 in the area of the surface texture 5 can also have a coating 8, in particular a size.
  • a coating 8 or sizing is generally understood coating materials that are applied, for example, to molds 1, in particular to smooth a porous molding surface.
  • Such a coating 8 or sizing additionally insulates the substrate and protects it against the thermal stress of the molten metal during the casting of the piston 2.
  • the surface texture 5 or the grooves 4 forming these can be introduced, for example, with or without protective gas.
  • the grooves 4 according to the invention are smaller and steeper than grooves of previous surface textures, whereby ingress of the melt during the casting process and thereby the formation of undesirable undercuts can at least be reduced, preferably even avoided, but the ventilation required for optimum casting can be reliably ensured ,

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießform zum Gießen eines Kolbens einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem einen in einer solchen Gießform gegossenen Kolben.
  • Aus der US 5,857,440 A ist eine Gießform zum Gießen eines Kolbens einer Brennkraftmaschine bekannt.
  • Aus der US 2011/0073061 A1 und der US 2006/0051000 A1 sind Kolben von Brennkraftmaschinen bekannt. Aus der EP 2 133 165 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteils bekannt.
  • Beim Gießen von Kolben von Brennkraftmaschinen ist stets auf eine genügende Luftabfuhr während des Gießvorgangs zu achten, um insbesondere unerwünschte Lunker zu vermeiden. In der Technik hat sich hierbei eine als Waffelmuster bezeichnete Oberflächentextur als günstig erwiesen, mittels welcher nicht nur die Fließfähigkeit des Gussmaterials, sondern auch die Luftabführung verbessert werden können. Nachteilig bei dem bekannten Waffelmuster ist jedoch, dass es in Zugrichtung der Gießform eingebracht werden muss, da eine Entformung des gegossenen Kolbens, die außerhalb der Waffelmusterausformschrägen liegt, einen Hinterschnitt erzeugt und dadurch zu einer Beschädigung des gegossenen Kolbens führen kann. Gleichwohl sind solche Oberflächentexturen durchaus erwünscht, und zwar nicht nur zur verbesserten Luftabführung, sondern auch zur Herkunftskennzeichnung des mit dieser Gießform hergestellten Kolbens.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Gießform anzugeben, die insbesondere eine deutlich erhöhte Flexibilität hinsichtlich einer Entformungsrichtung aufweist.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer an sich bekannten Gießform zum Gießen eines Kolbens einer Brennkraftmaschine Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer an sich bekannten Gießform zum Gießens eines Kolbens einer Brennkraftmaschine nunmehr im Bereich einer späteren Innenoberfläche eines Kolbenhemds eine durch Nuten gebildete Oberflächentextur vorzusehen, die ein Entformen des Gussrohlings bis annähernd 90° zur Oberflächentextur, das heißt parallel zur Oberflächentextur zulässt. Hierzu weisen die die Oberflächentextur bildenden Nuten erfindungsgemäß eine Tiefe von 0,2 mm < t < 0,5 mm, eine Breite von 0,02 mm < b < 0,05 mm sowie Nutenwände auf, die um 0° < α < 10° nach außen geneigt sind. Der Querschnitt einer derartigen Nut ist somit trapezförmig. Die erfindungsgemäßen Nuten sind kleiner und zudem steiler als bisherige eine Oberflächentextur ausbildende Nuten und führen dazu, dass die Gießform während des Gießvorgangs optimal entlüftet werden kann, das Gießmetall jedoch nicht in die Nuten eindringt und dort hinterschnittartig verhakt. Generell ist die erfindungsgemäße Oberflächentextur frei gestaltbar, wobei allerdings darauf geachtet werden muss, dass die einzelnen Nuten entlüftet werden können. Die Oberflächentextur ist dabei mit oder ohne Schutzgas sowie mit oder ohne Schlichte bzw. mit oder ohne Dauerbeschichtung sowie auch in Kombination von Dauerbeschichtung und Schlichte einsetzbar. Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Oberflächentextur mit den zuvor beschriebenen Nuten ist, dass hierdurch eine Oberflächentextur mit einer schwer nachahmbaren Gestaltung erzeugt wird, die als Herkunftsnachweis dienen kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung bilden die Nuten eine Vierecksstruktur. Eine derartige Vierecksstruktur kann beispielsweise eine Rechteckstruktur oder eine Rautenstruktur sein, die insbesondere auch als sogenanntes Waffelmuster bezeichnet werden, und die ein Entformen des Gussrohlings aus der Gießform in nahezu alle Richtungen, das heißt bis nahezu parallel zur Oberfläche erlauben.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Nuten mittels eines Lasers eingebracht. Das Herstellen derartiger Nuten und indirekt auch damit derartiger Oberflächentexturen mittels Laser stellt eine kostengünstige und zugleich qualitativ hochwertige Fertigungsmethode dar.
  • Zweckmäßig ist auf der Oberflächentextur eine Beschichtung, insbesondere eine Schlichte, aufgebracht. Eine derartige Beschichtung kann die Nut an ihrem Eingang zumindest teilweise verengen und dadurch ein Eindringen des Gießmaterials erschweren. Zugleich erfolgt durch die Beschichtung kein Verschließen der einzelnen Nuten, so dass die Luftabführung auch mit Beschichtung, insbesondere Dauerbeschichtung oder Schlichte, gewährleistet werden kann. Zur Erhöhung der Werkzeugstandzeiten eigenen sich z.B. metallische oder keramische Beschichtungen oder Kombinationen derselben.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch
    • Fig. 1
    eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Gießform zum Gießen eines Kolbens mit angedeuteter Entformungsrichtung,
    Fig. 2
    eine Detaildarstellung der Gießform im Bereich einer Oberflächentextur,
    Fig. 3
    eine Ansicht auf die erfindungsgemäße Oberflächentextur an einer Innenoberfläche eines Kolbenhemds.
  • Entsprechend den Figuren 1 und 2 weist eine erfindungsgemäße Gießform 1 zum Gießen eines lediglich bereichsweise dargestellten Kolbens 2 (vergleiche Figur 3) einer Brennkraftmaschine im Bereich einer späteren Innenoberfläche 3 eines Kolbenhemdes eine durch Nuten 4 gebildete Oberflächentextur 5 auf. Die Nuten 4 weisen dabei erfindungsgemäße folgende Abmessungen auf: Eine Tiefe t, die zwischen 0,2 mm und 0,5 mm liegt (vergleiche Figur 2), eine Breite b, die zwischen 0,02 mm und 0,05 mm liegt sowie nach außen geneigte Nutenwände 6, wobei eine Neigung der Nutenwände 6 nach außen zwischen 0° < α < 10° liegt. Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Nuten 4 ist es im Unterschied zu bisherigen Oberflächentexturen möglich, einen gegossenen Kolben 2 in nahezu sämtliche Richtungen zu entformen, insbesondere sogar bis annähernd parallel zu einer Oberfläche der Oberflächentextur 5, wie dies gemäß der Figur 1 dargestellt ist. Der gemäß der Figur 1 gezeichnete Kreisbogen 7 gibt dabei die möglichen Entformungswinkel an, wobei ersichtlich ist, dass eine Entformung des Kolbens 2 aus der Gießform 1 nahezu richtungsunabhängig um nahezu 180° möglich ist. Dies war bei bisherigen Oberflächentexturen nicht möglich, da diese ausschließlich in Zugrichtung der Gießform eingebracht werden konnten. Eine Entformung, die außerhalb der Waffelmusterausformschrägen bzw. außerhalb der Nutenschrägen lag, erzeugte einen Hinterschnitt und führte zwangsläufig zu einer Beschädigung des Gussteils, das heißt im vorliegenden Fall des Kolbens 2.
  • Die erfindungsgemäße Gießform weist diesen Nachteil nicht mehr auf, da bei dieser die Oberflächentextur 5 so ausgelegt ist, dass das Gussmaterial nicht in die Oberflächentextur 5, das heißt insbesondere nicht in die Nuten 4 eindringen kann und dadurch eine große Freiheit bezüglich der Entformungsrichtung lässt, da keine Hinterschnitte erzeugt werden. Trotzdem ermöglichen auch die erfindungsgemäßen Nuten 4 bzw. die dadurch hergestellte Oberflächentextur 5 eine Verbesserung der Fließfähigkeit sowie der Luftabführung während des Gießvorgangs des Kolbens 2.
  • Betrachtet man die Figur 3, so kann man erkennen, dass die Nuten 4 eine Viereckstruktur bilden, beispielsweise ein quadratisches Waffelmuster oder aber auch eine Rautenstruktur.
  • Zwischen zwei benachbarten Nuten 4 ist dabei gemäß der Figur 2 ein Abstand a vorgesehen, der zwischen 0,2 mm und 2,0 mm liegt. Ein Einbringen der Nuten 4 und damit der Oberflächentextur 5 in die Gießform 1 kann beispielsweise mittels Laser erfolgen, wodurch die Nuten 4 nicht nur äußerst genau, sondern auch vergleichsweise kostengünstig eingebracht werden können. Durch eine besondere Gestaltung der Oberflächentextur 5 kann darüber hinaus ein Herkunftsmerkmal geschaffen werden, wodurch der mit der erfindungsgemäßen Gießform 1 gegossene Kolben 2 zweifelsfrei und leicht einem bestimmten Hersteller zuordenbar ist.
  • Betrachtet man nochmals die Figur 2, so kann man erkennen, dass die Gießform 1 im Bereich der Oberflächentextur 5 auch eine Beschichtung 8, insbesondere eine Schlichte, aufweisen kann. Unter Schlichten versteht man generell Überzugsstoffe, die beispielsweise auf Gießformen 1 aufgebracht werden, um insbesondere eine poröse Formteiloberfläche zu glätten. Hierzu benutzt man beispielsweise fein gemahlene, feuerfeste bis hochfeuerfeste Stoffe als Grundmaterial. Eine derartige Beschichtung 8 bzw. Schlichte isoliert zusätzlich den Untergrund und schützt diesen vor der thermischen Belastung durch die Metallschmelze während des Gießens des Kolbens 2. Die Oberflächentextur 5 bzw. die diese bildenden Nuten 4 können beispielsweise mit oder ohne Schutzgas eingebracht werden. Generell sind die erfindungsgemäßen Nuten 4 kleiner und steiler als Nuten bisherigen Oberflächentexturen, wodurch ein Eindringen der Schmelze während des Gießvorgangs und dadurch die Bildung von unerwünschten Hinterschnitten zumindest reduziert, vorzugsweise sogar vermieden werden kann, die für einen optimalen Guss erforderliche Entlüftung jedoch zuverlässig gewährleistet werden kann.
  • Mit der erfindungsgemäßen Gießform 1 lassen sich somit erhebliche Vorteile erzielen, nämlich
    • eine nahezu beliebige Entformungsrichtung,
    • eine Herkunftsbezeichnung durch eine bestimmte Gestaltung der Oberflächentextur 5,
    • eine zuverlässige Entlüftung während des Gießens des Kolbens 2.

Claims (7)

  1. Gießform (1) zum Gießen eines Kolbens (2) einer Brennkraftmaschine, wobei die Gießform (1) im Bereich einer späteren Innenoberfläche (3) eines Kolbenhemds eine durch Nuten (4) gebildete Oberflächentextur (5) aufweist und wobei die Nuten (4) folgende Abmessungen aufweisen,
    - eine Tiefe von 0,2 mm < t < 0,5 mm,
    - eine Breite von 0,02 mm < b < 0,05 mm, sowie
    - Nutenwände (6), die um 0° < α < 10° nach außen geneigt sind.
  2. Gießform nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nuten (4) eine Viereckstruktur bilden.
  3. Gießform nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen zwei Nuten (4) ein Abstand von ca. 0,2 mm < a < 2,0 mm liegt.
  4. Gießform nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nuten (4) mittels eines Lasers eingebracht sind.
  5. Gießform nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass auf der Oberflächentextur (5) eine Beschichtung (8), insbesondere eine Schlichte, aufgebracht ist.
  6. Gießform nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Oberflächentextur (5) als quadratisches Waffelmuster ausgebildet ist.
  7. In einer Gießform (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gegossener Kolben (2) mit im Bereich einer Innenoberfläche (3) des Kolbenhemds durch Nuten (4) gebildeten Oberflächentextur (5), wobei die Nuten (4) folgende Abmessungen aufweisen,
    - eine Tiefe von 0,2 mm < t < 0,5 mm,
    - eine Breite von 0,02 mm < b < 0,05 mm, sowie
    - Nutenwände (6), die um 0° < α < 10° nach außen geneigt sind.
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