WO2017085164A1 - Gegossene zu- und ablauföffnungen bei stahlguss- und eisen-gusskolben - Google Patents

Gegossene zu- und ablauföffnungen bei stahlguss- und eisen-gusskolben Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a piston having a lost-core cooling channel, wherein in a casting process using a casting mold into which the core is inserted prior to casting, a piston blank is cast using a casting melt and after solidification the foundry melt is taken from the piston blank of the mold and then the core is rinsed out and then a finishing of the piston blank to produce the piston, according to the features of the preamble of claim 1.
  • a lost core such as a sand core
  • a metallic holding piece wherein in the casting mold, a permanent magnet is present, on which this metallic holding piece is placed and thereby held.
  • the underside of the lost core surrounding the metallic holding piece rests on the holding device, in which the permanent magnet is, so that thereby a cylindrical end of the core is realized.
  • the core extends into a region of the casting mold which forms an inner region of the piston blank and, with the core, forms at least one opening having a rounded profile for the cooling channel after rinsing.
  • a lost nucleus e.g. a salt or sand core
  • any shapes of the opening can be realized.
  • the cross-section of the opening no longer has to be round, but may also have oval or any other shapes which are roundish in cross-section.
  • the lost core completely forms the opening area for access to the cooling channel, namely also starting from the interior of the piston, so that it must be rinsed only after casting and solidification of the casting melt. Machining operations, such as Drilling (in particular for the realization of the opening itself), or reworking by machining processes are completely eliminated, so that according to the invention there is no risk that smaller particles, which are produced during the machining, can penetrate into the cooling circuit of the internal combustion engine.
  • any shapes are provided in a further development of the invention that is formed as an opening at least one inlet opening with a circumferential bead by means of the core, optionally supplemented by the formation of the opening by means of the lost core at least as a drain opening also with a circumferential bead.
  • the invention therefore, not just an opening from the direction of the inner region of the piston is introduced in the direction of the cooling channel, but this also designed advantageous.
  • the circumferential bead at least around the inlet opening this area is not only reinforced but also given a shape by means of which cracks in the structure of the material around the opening are effectively avoided.
  • the cross-section of the opening must not be circular, but may also be viewed in cross-section oval or formed in its circulation with several changes in the course of an arcuate shape.
  • a beam splitter is formed.
  • This beam splitter is, for example, at the apex of the cooling channel, so that it protrudes downwards into the free region of the cooling channel when the piston stroke axis is considered.
  • an oil jet which is injected via the at least one inlet opening in the direction of the cooling channel, can be directed in a specific direction or in two different directions.
  • FIG. 1 shows a piston blank 1, which has an outer contour designated 2 after its production.
  • the piston blank 1 is produced by means of a corresponding casting process using a casting mold, wherein the casting mold has the inner contour of the outer contour 2 of the piston blank 1.
  • the casting mold can be designed in one or more parts.
  • a lost core 3 is provided, which is suitably arranged on or on the casting mold, eg the inner insert of the casting mold. It is also conceivable to provide more than one lost core 3.
  • the casting mold is filled with cast melt and waited until it has solidified. Subsequently, the mold is removed, wherein initially the lost core 3 remains in the produced piston blank 1. This is rinsed out in the usual form, thereby creating an interior in the piston blank 1 is formed, which corresponds to the outer shape of the core 3 and forms a cooling channel 4.
  • the contour shown in Figure 1 or the course of the cooling channel 4 is exemplary and not limited thereto. 5 with a dashed line is a finished contour after the piston blank 1 has been further processed. In particular, this finishing is done by machining the outer region of the piston blank 1. This finishing is done either after or possibly before rinsing the core 3.
  • the finished piston finally has per se known elements, such as a ring field, a pin bore 6, a piston skirt 7 and other conventional elements (such as optionally a combustion bowl) on ,
  • FIG. 2 shows a view into an inner region of a finished piston 8, which is based on the piston blank 1 according to FIG.
  • a finished piston 8 which is based on the piston blank 1 according to FIG.
  • connecting walls extend in the direction of the supporting piston shanks 7.
  • These are arranged on the underside of the upper part of the finished piston 8, wherein at least one inlet opening 9 is located on this underside.
  • a circumferential bead 10 is arranged around the inlet opening 9 around.
  • the cross section of the inlet opening 9 is circular, but may deviate from this geometric shape. The same then applies to the circumferential bead 10th
  • the injection of cooling oil takes place via the (at least one) inlet opening 9, so that the cooling oil can circulate in the cooling channel 4.
  • at least one drain opening 12 is present, which also with a circumferential bead thirteenth is provided, but does not have to be.
  • the openings 9, 12 are produced according to the invention mitteis the lost core 3, wherein by means of the lost core, which extends into a region of the mold, which forms an inner region of the piston blank 1, and the rounded Course of the opening 9, 12, for example, realized with the reinforcement of the respective area serving circumferential bead 0, 13, is produced.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (8), dereinen mittels eines verlorenen Kernes (3) erzeugten Kühlkanal (4) aufweist, wobei in einem Gießverfahren unter Anwendung einer Gießform, in die der Kern (3) vor dem Gießen eingesetzt wird, unter Verwendung einer Gießschmeize ein Kolbenrohling (1) gegossen und nach dem Erstarren der Gießschmelze der Kolbenrohling (1) der Gießform entnommen und anschließend der Kern (3) ausgespült wird und danach eine Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings (1) zur Erzeugung des Kolbens (8) erfolgt, wobei sich der Kern (3) bis in einen Bereich der Gießform erstreckt, die einen Innenbereich des Kolbenrohlings (1) ausbildet und mit dem Kern (3) zumindest eine einen gerundeten Verlauf aufweisende Öffnung für den Kühlkanal (4) nach dem Ausspülen gebildet wird.

Description

Gegossene Zu- und Ablauföffnungen bei Stahlguss- und Eisengusskolben
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung eines Kolbens, der einen mittels eines verlorenen Kernes erzeugten Kühlkanal aufweist, wobei in einem Gießverfahren unter Anwendung einer Gießform, in die der Kern vor dem Gießen eingesetzt wird, unter Verwendung einer Gießschmelze ein Kolbenrohling gegossen und nach dem Erstarren der Gießschmelze der Kolbenrohling der Gießform entnommen und anschließend der Kern ausgespült wird und danach eine Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings zur Erzeugung des Kolbens erfolgt, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, der auch Kühlkanalkolben genannt wird, ist aus der US 4,559,685 bekannt. Ein verlorener Kern, z.B. ein Sandkern, wird an seinen Enden mit einem metallischen Haltestück versehen, wobei in der Gieß- form ein Permanentmagnet vorhanden ist, auf den dieses metallische Haltestück aufgesetzt und dadurch gehalten wird. Die das metallische Haltestück umgebende Unterseite des verlorenen Kernes liegt auf der Halteeinrichtung, in der der Permanentmagnet ist, auf, sodass dadurch ein zylinderförmiges Ende des Kernes realisiert ist. Infolge dessen ergibt sich nach dem Ausspülen des Kernes aus dem fertiggegossenen Kol- benrohling ein relativ scharfkantiger Übergang in dem den Kühlkanal umgebenden Materialbereich des Kolben rohlings, sodass dadurch Spannungen im Gefüge des Materials des Kolbens entstehen, aus denen sich Risse bilden können, wenn der fertige Kolben im Betrieb des Zylinders der Brennkraftmaschine läuft. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Kern bis in einen Bereich der Gießform erstreckt, die einen Innenbereich des Kolbenrohlings ausbildet und mit dem Kern zumindest eine einen gerundeten Verlauf aufweisende Öffnung für den Kühlkanal nach dem Ausspülen gebildet wird. Mittels des Erstreckens des Kernes in einen Bereich der Gießform, die einen Innenbereich des Kolbenrohlings ausbildet, kann ein nahtloser Übergang um die Öffnung zu dem Kühlkanal realisiert werden. Diese Öffnung erstreckt sich dann nicht nur von der Öffnung selbst ausgehend in Richtung des Kühlkanales, sondern sie erstreckt sich auch in umgekehrter Richtung ausgehend von der Öffnung in Richtung des Innenbereiches. Nicht nur diese Erstreckung des Verlaufes der Öffnung, sondern auch der gerundete Verlauf der Öffnung für den Kühlkanal hat den Vorteil, dass keine scharfkantigen Übergänge entstehen, sodass dadurch Rissbildungen wirksam vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass mittels eines verlorenen Kernes, z.B. ein Salz- oder Sandkern, beliebige Formen der Öffnung realisiert werden können. Der Querschnitt der Öffnung muss nicht mehr rund sein, sondern kann auch oval oder andere beliebige im Querschnitt rundlich verlaufende Formen aufweisen. Außerdem ist es ein ganz wesentlicher Vorteil, dass der verlorene Kern vollständig den Öffnungsbereich für den Zugang zu dem Kühlkanal bildet, nämlich auch ausgehend von dem Innenbereich des Kolbens, sodass dieser lediglich nach dem Gießen und dem Erstarren der Gießschmelze ausgespült werden muss. Spanabhebende Bearbeitungen, wie z.B. Bohren (insbesondere zur Realisierung der Öffnung an sich), oder Nachbearbeitungen durch spanabhebende Verfahren entfallen vollständig, sodass nach der Erfindung nicht die Gefahr besteht, dass kleinere Partikel, die bei der spanabhebenden Bearbeitung entstehen, in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eindringen können.
Als Beispie! für beliebige Formgebungen sind in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass als Öffnung zumindest eine Zulauföffnung mit einem umlaufenden Wulst mittels des Kernes gebildet wird, optional ergänzt um die Bildung der Öffnung mittels des verlorenen Kernes zumindest als eine Ablauföffnung ebenfalls mit einem umlaufenden Wulst. Nach der Erfindung wird also nicht einfach nur eine Öffnung aus Richtung des Innenbereiches des Kolbens in Richtung des Kühlkanales eingebracht, sondern diese auch vorteilhaft gestaltet. Mittels des umlaufenden Wulstes zumindest um die Zulauföffnung herum wird dieser Bereich nicht nur verstärkt, sondern ihm auch eine Formgebung gegeben, mittels derer Risse im Gefüge des Materials um die Öffnung herum wirksam vermieden werden. Auch hier muss der Querschnitt der Öffnung nicht kreisförmig sein, sondern kann auch im Querschnitt betrachtet oval oder in ihrem Umlauf mit mehreren Änderungen des Verlaufes einer Bogenform ausgebildet sein.
Ebenfalls ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass mittels des Kernes zumindest im Bereich der Zulauföffnung ein Strahlteiler gebildet wird. Dieser Strahlteiler liegt beispielsweise im Scheitelpunkt des Kühlkanales, sodass er bei Betrachtung der Kolbenhubachse nach unten in den freien Bereich des Kühlkanales hineinragt. Dadurch kann ein Ölstrahl, der über die zumindest eine Zulauföffnung in Richtung des Kühlkanales eingespritzt wird, in eine bestimmte Richtung oder auch in zwei unterschiedliche Richtungen gelenkt werden.
Die Erfindung wird anhand eines Kolbens, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, im Folgenden näher beschrieben und anhand der Figuren erläutert. in Figur 1 ist ein Kolbenrohling 1 dargestellt, der eine mit 2 bezeichnete Außenkontur nach seiner Herstellung aufweist. Der Kolbenrohling 1 wird mittels eines entsprechenden Gießverfahrens unter Anwendung einer Gießform hergestellt, wobei die Gießform die Innenkontur der Außenkontur 2 des Kolben rohlings 1 aufweist. Die Gießform kann ein- oder mehrteilig gestaltet sein. Als ein Teil der Gießform ist ein verlorener Kern 3 vorgesehen, der in geeigneter Weise auf oder an der Gießform, z.B. dem inneren Einsatz der Gießform, angeordnet wird. Es ist auch denkbar, mehr als einen verlorenen Kern 3 vorzusehen. Nachdem der zumindest eine Kern 3 an der Gießform angeordnet und befestigt worden ist, wird die Gießform mit Gießschmelze aufgefüllt und abgewartet, bis diese erstarrt ist. Anschließend wird die Gießform entfernt, wobei zunächst der verlorene Kern 3 in dem hergestellten Kolbenrohling 1 verbleibt. Dieser wird in üblicher Form ausgespült, sodass dadurch ein Innenbereich in dem Kolbenrohling 1 entsteht, der der Außenform des Kernes 3 entspricht und der einen Kühlkanal 4 bildet. Die in der Figur 1 dargestellte Kontur bzw. der Verlauf des Kühlkanales 4 ist beispielhaft und hierauf nicht beschränkt. Mit 5 ist gestrichelt eine Fertigkontur bezeichnet, nachdem der Kolbenrohling 1 weiterbearbeitet worden ist. Insbesondere ist diese Fertigbearbeitung durch spanabhebende Bearbeitung des äußeren Bereiches des Kolbenrohlings 1 erfolgt. Diese Fertigbearbeitung erfolgt entweder nach oder ggf. auch vor dem Ausspülen des Kernes 3. Der fertigbearbeitete Kolben weist schließlich an sich bekannte Elemente auf, wie ein Ringfeld, eine Bolzenbohrung 6, einen Kolbenschaft 7 und weitere übliche Elemente (wie z.B. optional eine Brennraummulde) auf.
In Figur 2 ist eine Ansicht in einen Innenbereich eines fertigen Kolbens 8, der auf dem Kolbenrohling 1 gemäß Figur 1 basiert, dargestellt. Bei diesem beispielhaften Design ist erkennbar, dass ausgehend von den Bolzenbohrungen 6 sich Verbindungswände in Richtung der tragenden Kolbenschäfte 7 erstrecken. Diese sind an der Unterseite des Oberteiles des fertigen Kolbens 8 angeordnet, wobei sich auf dieser Unterseite auch zumindest eine Zulauföffnung 9 befindet. In diesem Ausführungsbeispiel ist um die Zulauföffnung 9 herum ein umlaufender Wulst 10 angeordnet. Hierbei ist der Querschnitt der Zulauföffnung 9 kreisförmig, kann aber von dieser geometrischen Form abweichen. Gleiches gilt dann auch für den umlaufenden Wulst 10.
Mit Blick durch die Zulauföffnung 9 in Richtung der Unterseite des Oberteiles des Kol- bens 8 ist noch ein optionaler Strahlteiler 11 in dem Kühlkanal 4 (genauer an dessen Scheitel, nach unten in Richtung der Zulauföffnung 9 ragend) dargestellt.
Bei dem Kolben 8 gemäß Figur 2 erfolgt das Einspritzen von Kühlöl über die (zumindest eine) Zulauföffnung 9, sodass das Kühlöl in dem Kühlkanal 4 zirkulieren kann. Damit es aus dem Kühlkanal 4 wieder austreten kann, ist gemäß Figur 2 zumindest eine Ablauföffnung 12 vorhanden, die ebenfalls mit einem umlaufenden Wulst 13 versehen ist, aber nicht sein muss. Die Öffnungen 9, 12 (und ggf. weitere Öffnungen) werden nach der Erfindung mitteis des verlorenen Kernes 3 hergestellt, wobei mittels des verlorenen Kernes, der sich bis in einen Bereich der Gießform erstreckt, die einen Innenbereich des Kolbenrohlings 1 ausbildet, auch der gerundete Verlauf der Öffnung 9, 12, beispielsweise realisiert mit dem der Verstärkung des jeweiligen Bereiches dienenden umlaufendem Wulst 0, 13, hergestellt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
1. Kolbenrohling
2. Außenkontur
3. verlorener Kern
4. Kühlkanal
5. Fertigkontur
6. Bolzenbohrung
7. Kolbenschaft
8. fertiger Kolben
9. Zulauföffnung
10. umlaufender Wulst
11. Strahlteiler
12. Ablauföffnung
13. umlaufender Wulst

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (8), der einen mittels eines verlorenen Kernes (3) erzeugten Kühlkanal (4) aufweist, wobei in einem Gießverfahren unter Anwendung einer Gießform, in die der Kern (3) vor dem Gießen eingesetzt wird, unter Verwendung einer Gießschmelze ein Kolbenrohling (1) gegossen und nach dem Erstarren der Gießschmelze der Kolbenrohling (1) der Gießform entnommen und anschließend der Kern (3) ausgespült wird und danach eine Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings (1) zur Erzeugung des Kolbens (8) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kern (3) bis in einen Bereich der Gießform erstreckt, die einen innenbe- reich des Kolbenrohlings (1) ausbildet und mit dem Kern (3) zumindest eine einen gerundeten Verlauf aufweisende Öffnung für den Kühlkanal (4) nach dem Ausspülen gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Öffnung zu- mindest eine Zulauföffnung (9) mit einem umlaufenden Wulst (10) mittels des Kernes
(3) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Öffnung zumindest eine Ablauföffnung (12) mit einem umlaufenden Wulst (13) mittels des Kernes (3) gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kernes (3) zumindest im Bereich der Zulauföffnung (9) ein Strahlteiler (11) gebildet wird.
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