DE102014017721A1

DE102014017721A1 - Verfahren zum Herstellen eines verlorenen Gießkerns, Gießkern sowie unter Verwendung eines derartigen Gießkerns hergestellter Kühlkanalkolben

Info

Publication number: DE102014017721A1
Application number: DE102014017721.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Issler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02
Also published as: WO2016087237A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verlorenen Gießkerns (70), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) Bereitstellen eines Formwerkzeugs (40) mit einem von wenigstens zwei Formhälften (40a, 40b) umschlossenen Hohlraum (41) zum Formen eines Kernrohlings (60); b) zumindest teilweises Auskleiden mindestens einer Formhälfte (40a, 40b) mit mindestens einem mit Öffnungen versehenen Einlegeteil (50); c) Formen eines Kernrohlings (60) aus einem Kernwerkstoff unter Einlassen des mindestens einen Einlegeteils (50) in die Oberfläche (61) des Kernrohlings (60); d) Entnehmen des Kernrohlings (60) mit dem in seine Oberfläche (61) eingelassenen mindestens einen Einlegeteil (50) aus dem Formwerkzeug (40); e) Entfernen des mindestens einen Einlegeteils (50) von der Oberfläche (61) des Kernrohlings (60), derart, dass ein fertiger Gießkern (70) mit strukturierter Oberfläche (71) resultiert. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen derartigen Gießkern (70) sowie einen unter Verwendung eines derartigen Gießkerns herstellbaren Kühlkanalkolben (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verlorenen Gießkerns, einen derartigen Gießkern sowie einen unter Verwendung eines derartigen Gießkerns hergestellten Kühlkanalkolben.
Verlorene Gießkerne dienen zum Herstellen von mit Hohlräumen versehenen Gusswerkstücken. Im Stand der Technik bekannt sind insbesondere Sandkerne und Salzkerne. Sandkerne werden insbesondere zur Herstellung großer Gusswerkstücke verwendet. Sandkerne und Salzkerne finden vielfältige Anwendung insbesondere zur Herstellung von gegossenen Kolben mit geschlossenem Kühlkanal. Nach dem Gießen des Gusswerkstücks wird der Gießkern in an sich bekannter Weise durch Auflösen, bspw. Ausspülen, aus dem Gusswerkstück entfernt.
Salzkerne werden in der Regel auf der Basis von Natriumchlorid, welches ggf. mit im Stand der Technik bekannten Zusätzen versehen ist, hergestellt. Hierzu wird durch Kaltpressen des Werkstoffs ein Grünling erzeugt, der eine dem herzustellenden Kühlkanal ähnliche Form aufweist und dieser in der Regel bei ca. 800°C gesintert. Das resultierende Sinterbauteil kann ggf. durch maschinelle Nachbearbeitung in die endgültige, dem herzustellenden Kühlkanal entsprechende Form gebracht werden.
Aus der DE 10 2009 015 984 A1 ist ferner ein Druckgussverfahren zur Herstellung von Salzkernen bekannt.
Der resultierende Salzkern weist in der Regel eine Oberflächenrauigkeit RZ von 30 μm bis 60 μm auf. Bei einem modernen Kühlkanalkolben ist aufgrund der hohen thermischen Belastung im Motorbetrieb ein effektiver Wärmeübergang zwischen dem Kolbenboden und dem im Kühlkanal zirkulierenden Kühlöl wesentlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen Kolben bereitzustellen, der einen besonders effektiven Wärmeübergang zwischen dem Kolbenwerkstoff und dem im Kühlkanal zirkulierenden Kühlöl sicherstellt.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Formwerkzeug mit einem von wenigstens zwei Formhälften umschlossenen Hohlraum zum Formen eines Kernrohlings; b) zumindest teilweises Auskleiden mindestens einer Formhälfte mit mindestens einem mit Öffnungen versehenen Einlegeteil; c) Formen eines Kernrohlings aus einem Kernwerkstoff unter Einlassen des mindestens einen Einlegeteils in die Oberfläche des Kernrohlings; d) Entnehmen des Kernrohlings mit dem in seine Oberfläche eingelassenen mindestens einen Einlegeteil aus dem Formwerkzeug; e) Entfernen des mindestens einen Einlegeteils von der Oberfläche des Kernrohlings, derart, dass ein fertiger Gießkern mit strukturierter Oberfläche resultiert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein nach einem derartigen Verfahren herstellbarer Gießkern sowie ein unter Verwendung eines derartigen Gießkerns hergestellter Kühlkanalkolben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf besonders einfache Weise ein Gießkern mit gezielt strukturierter Oberfläche hergestellt werden kann, wobei die Parameter der aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierenden Vertiefungen beliebig gewählt werden können, bspw. Anzahl, Querschnittsform, Länge, Breite und insbesondere die Tiefe. Der erfindungsgemäße Kühlkanalkolben weist dementsprechend einen geschlossenen umlaufenden Kühlkanal auf, dessen Oberfläche entsprechend gezielt strukturiert ist, d. h. mit lokalen Erhebungen versehen ist, die den Vertiefungen in der Oberfläche des Gießkerns entsprechen.
Im Ergebnis ist die Oberfläche des Kühlkanals selbst vergrößert, so dass der Wärmeübergang vom Kolbenwerkstoff auf das im Kühlkanal zirkulierende Öl im Motorbetrieb wesentlich verbessert wird. Ferner wird die Verwirbelung des Kühlöls im Kühlkanal verbessert, indem eine erhöhte Turbulenz und damit ein verbesserter Wärmeübergang vom Kolbenwerkstoff zum Kühlöl erzeugt werden. Insgesamt wird die Kühlung des Kühlkanalkolbens wesentlich verbessert und seine Temperatur im Motorbetrieb somit stärker gesenkt als im Stand der Technik.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist technisch einfach umsetzbar und kann problemlos in bestehende Produktionslinien integriert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Anwendung in allen bekannten Press- oder Gießverfahren für Gleßkerne.
Vorzugsweise wird in Schritt b) ein Einlegeteil aus einem metallischen Werkstoff verwendet, der insbesondere druck- und temperaturbeständig ist. Es ist aber auch denkbar, einen entsprechend druck- und temperaturbeständigen Polymerwerkstoff zu verwenden.
Das in Schritt b) verwendete mindestens eine Einlegeteil hat vorzugsweise die Form eines Gewebes, eines Gitters, eines Maschengitters, eines Netzes, eines Siebs, einer Lochfolie oder einer Lochplatte und kann dann auf besonders einfache Weise aus entsprechenden Halbzeugen hergestellt werden.
Bevorzugt wird ein Einlegeteil verwendet, welches aus Draht mit einem Durchmesser von 0,01 mm bis 0,3 mm hergestellt ist und daher für zahlreiche Kolbengrößen mit entsprechend dimensionierten Kühlkanälen geeignet ist. Der Abstand von Draht zu Draht kann hierbei 1 mm bis 5 mm betragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Sandkernen und Salzkernen geeignet. Für die Herstellung eines Salzkerns wird bevorzugt ein Salzwerkstoff auf der Basis von NaCl und/oder KCl verwendet.
Zweckmäßigerweise wird der in Schritt d) erhaltene Kernrohling vor Schritt e) einem an sich bekannten Sinterverfahren unterzogen. Als Alternative hierzu kann auch der in Schritt e) erhaltene Salzkern einem Sinterverfahren unterzogen werden. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung mindestens eines Einlegeteils aus einem Polymerwerkstoff von Vorteil, der sich während des Sintervorgangs thermisch zersetzt. Damit entfällt der separate Verfahrensschritt des mechanischen Entfernens des mindestens einen Einlegeteils von der Oberfläche des Kernrohlings.
Der resultierende Gießkern weist an seiner Oberfläche Vertiefungen mit einer Tiefe von vorzugsweise 0,05 mm bis 0,5 mm auf. Dementsprechend weist die Oberfläche des Kühlkanals des erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens Erhebungen mit einer Höhe von vorzugsweise 0,05 mm bis 0,5 mm auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Herstellen von Kühlkanalkolben aus einem Werkstoff auf der Basis von Aluminium, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Salz-kerns hergestellter Kühlkanalkolben im Schnitt;
2a ein Ausführungsbeispiel eines zur Herstellung eines erfindungsgemäß vorgesehenen Einlegeteils verwendeten Halbzeugs in einer Draufsicht;
2b einen Schnitt entlang der Linie IIb-IIb in 2a;
3 eine Darstellung des mit einem aus dem Halbzeug gemäß den 2a und 2b hergestellten Einlegeteil ausgekleideten Hohlraums eines Presswerkzeugs im Schnitt;
4 ein Ausführungsbeispiel eines mittels eines Presswerkzeugs gemäß 3 hergestellten Salzkernrohlings im Schnitt;
5 einen fertigen Salzkern aus einem Salzkernrohling gemäß 4 im Schnitt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft anhand der Herstellung eines Kühlkanalkolbens unter Verwendung eines Salzkerns beschrieben, ist aber für sämtliche Herstellungsverfahren für Gusswerkstücke unter Verwendung eines Gießkerns geeignet.
In 1 ist beispielhaft ein einteiliger gegossener Kühlkanalkolben 10 dargestellt. Der Kühlkanalkolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem Kolbenboden 12 auf, in den eine Verbrennungsmulde 13 eingebracht ist. Der Kolbenkopf 11 weist ferner einen Feuersteg 14 sowie eine Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolben ist in Höhe der Ringpartie 15 mit einem umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 16 versehen. Der Kolben weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft 17 mit Kolbennaben 18 auf, welche mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen sind. Die Kolbennaben 18 sind in an sich bekannter Weise über Laufflächen 21 miteinander verbunden.
Wie in 1 schematisch angedeutet ist, weist der umlaufende Kühlkanal 16 eine strukturierte Oberfläche mit Erhöhungen 16a auf, deren Dimensionen, insbesondere deren Anzahl und Höhe, gezielt eingestellt ist.
Die 2a und 2b zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Halbzeugs 30 in Form einer flachen Lochplatte 31 mit Öffnungen 32. Die Lochplatte 31 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem metallischen Werkstoff, bspw. einem Stahlblech. Selbstverständlich können die Halbzeuge beliebig gewählt werden, sofern aus ihnen Öffnungen aufweisende Einlegeteile hergestellt werden können. Beispiele hierfür sind Gewebe, Gitter, Maschengitter, Netze, Siebe oder Lochfolien.
3 zeigt einen Ausschnitt eines Presswerkzeugs 40 mit zwei Formhälften 40a, 40b, die einen Hohlraum 41 zum Pressen eines Salzkerns umschließen. Derartige Presswerkzeuge sind an sich bekannt. Erfindungsgemäß ist jede Formhälfte 40a, 40b mit je einem Einlegeteil 50 ausgekleidet. Hierzu wird das flache Halbzeug 30, im Ausführungsbeispiel die Lochplatte 31, in Teilstücke 31a, 31b geeigneter Größe geteilt, bspw. durch Schneiden, Stanzen, Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Jedes Teilstück 31a, 31b wird in an sich bekannter Weise mittels eines entsprechenden Stempels in eine Form gebracht, die der Innenkontur jeder Formhälfte 40a, 40b im Wesentlichen entspricht, so dass die resultierenden Einlegeteile 50 möglichst formschlüssig in die Formhälften 40a, 40b eingelegt werden können.
Gemäß 3 sind beide Formhälften 40a, 40b vollständig mit je einem Einlegeteil 50 ausgekleidet. Selbstverständlich können die Formhälften, je nach Anforderungen des Einzelfalls, nur teilweise mit mindestens einem Einlegeteil ausgekleidet sein. In vergleichbarer Weise kann auch nur eine Formhälfte 40a, 40b ganz oder teilweise mit mindestens einem Einlegeteil ausgekleidet sein. In diesen Fällen resultieren Gießkerne, deren Oberfläche teilweise strukturiert ist.
Anschließend wird in an sich bekannter Weise mittels des Presswerkzeugs 40 ein Salzkernrohling 60 gepresst, indem der mit den Einlegeteilen 50 ausgekleidete Hohlraum 41 mit einem Salzwerkstoff befüllt wird, der unter Beaufschlagung mit einem entsprechenden Druck zu dem Salzkernrohling 60 gepresst wird. Während des Pressvorgangs werden die Öffnungen 32 mit dem Salzwerkstoff aufgefüllt.
Der im Ausführungsbeispiel resultierende Salzkernrohling 60 ist in 4 dargestellt. Der Salzkernrohling 60 zeichnet sich dadurch aus, dass die Einlegeteile 50 in seine Oberfläche 61 eingelassen sind. Dies ergibt sich als Resultat des Pressvorgangs und des Eindringens des Salzwerkstoffs in die Öffnungen 32 der Lochplatte 31.
Schließlich werden die Einlegeteile 50 von der Oberfläche 61 des Salzkernrohlings entfernt, so dass ein erfindungsgemäßer Salzkern 70 resultiert, der an seiner Oberfläche 71 Vertiefungen 72 aufweist. Die Vertiefungen liegen, abhängig von der Auswahl des Halbzeugs 30, in definierter Anzahl, Länge, Breite, Querschnittsform und Tiefe vor.
Der Salzkernrohling 60 bzw. der Salzkern 70 können einem an sich bekannten Sinterverfahren unterzogen werden.
Zur Herstellung des Kühlkanalkolbens 10 wird der Salzkern 70 in an sich bekannter Weise in eine entsprechende Gießform eingelegt und mit einem metallischen Werkstoff, bspw. auf der Basis von Aluminium, umgossen. Nach Abschluss des Gießvorgangs liegt ein Kolbenrohling mit eingegossenem Salzkern 70 vor. Der Kolbenrohling wird in bekannter Weise endbearbeitet, und der Salzkern 70 mit Wasser ausgespült. Es resultiert der Kühlkanalkolben 10 gemäß 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009015984 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines verlorenen Gießkerns (70), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) Bereitstellen eines Formwerkzeugs (40) mit einem von wenigstens zwei Formhälften (40a, 40b) umschlossenen Hohlraum (41) zum Formen eines Kernrohlings (60); b) zumindest teilweises Auskleiden mindestens einer Formhälfte (40a, 40b) mit mindestens einem mit Öffnungen versehenen Einlegeteil (50); c) Formen eines Kernrohlings (60) aus einem Kernwerkstoff unter Einlassen des mindestens einen Einlegeteils (50) in die Oberfläche (61) des Kernrohlings (60); d) Entnehmen des Kernrohlings (60) mit dem in seine Oberfläche (61) eingelassenen mindestens einen Einlegeteil (50) aus dem Formwerkzeug (40); e) Entfernen des mindestens einen Einlegeteils (50) von der Oberfläche (61) des Kernrohlings (60), derart, dass ein fertiger Gießkern (70) mit strukturierter Oberfläche (71) resultiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Presswerkzeug (40) oder ein Gießwerkzeug verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein oder mehrere Einlegeteile (50) aus einem metallischen Werkstoff oder einem Polymerwerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein oder mehrere Einlegeteile (50) in Form eines Gewebes, eines Gitters, eines Maschengitters, eines Netzes, eines Siebs, einer Lochfolie oder einer Lochplatte (31) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlegeteil verwendet wird, welches aus Draht mit einem Durchmesser von 0,01 mm bis 0,3 mm hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von Draht zu Draht 1 mm bis 5 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) als Kernwerkstoff ein Salzwerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Salzwerkstoff reines NaCl oder reines KCl oder eine Mischung auf der Basis von NaCl und/oder KCl verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kernwerkstoff ein Werkstoff auf der Basis von Formsand verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt d) erhaltene Salzkernrohling (60) vor Schritt e) einem Sinterverfahren unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt e) erhaltene Salzkern (70) einem Sinterverfahren unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein oder mehrere Einlegeteile (50) aus einem Polymerwerkstoff verwendet werden, der sich während des Sintervorgangs thermisch zersetzt.
Gießkern (70), herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 12.
Gießkern nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass seine Oberfläche (71) Vertiefungen (72) mit einer Tiefe von 0,05 mm bis 0,5 mm aufweist.
Kühlkanalkolben (10) mit einem in einem Kolbenkopf (11) aufgenommenen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (16), herstellbar unter Verwendung eines Gießkerns (70) nach Anspruch 13 oder 14.
Kühlkanalkolben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kühlkanals (16) Erhebungen (16a) mit einer Höhe von 0,05 mm bis 0,5 mm aufweist.