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Die Erfindung betrifft ein Aluminiumdruckgussteil mit mindestens einem Hohlraum, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Behandlung eines solchen Aluminiumdruckgussteils. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Aluminiumdruckgussteil, das zur Steuerung von Fluidströmen eingesetzt wird und mindestens eine Bohrungsverschneidung aufweist, beispielsweise ein Aluminiumdruckgussteil in Form eines Ventilblocks einer Kältemittelventileinheit für ein Kraftfahrzeug. Eine solche Kältemittelventileinheit wird insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung von CO2-Kältemittelströmen eingesetzt. Mit Fluidströmen sind insoweit sowohl Flüssigkeiten als auch gasförmige Medien gemeint. Die Erfindung zielt dabei insbesondere auf die Nutzbarkeit von Aluminiumdruckgussteilen in Verbindung mit gasförmigen Medien ab.
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DE 10 2017 200 805 A1 ist ein mittels Absperrkolben autofrettiertes Ventilgehäuse bekannt. Dieses Gehäuse ist durch ein mehrschrittiges Verfahren hergestellt, wobei in einem ersten Schritt ein gusseisernes Rohteil durch Gießen hergestellt wird. Dazu sollen vorzugsweise verlorene Gusskerne verwendet werden. Es wird zwar auf die „denkbare“ Alternative verwiesen, statt Gusseisen Aluminium zu verwenden, auf die Herstellung des Absperrkolbens mittels Aluminiumdruckguss oder auf Aluminiumdruckgussteil zur Steuerung von Fluidströmen wird jedoch nicht Bezug genommen.
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US 2006/0196201 A1 ist ein Expansionsventil für einen Kühlkreislauf einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges offenbart. Dieses Ventil ist im Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt. Auf ein Aluminiumdruckgussteil zur Steuerung von Fluidströmen oder auf eine Behandlung des als Aluminiumdruckgussteil hergestellten Ventils wird jedoch nicht Bezug genommen.
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FR 2 264 195 A ist eine Hochdruckplungerpumpe mit einem zentrisch angeordneten Druckventil, einem hülsenartigen, zwischen Zylinder und Plunger gleitbar gelagerten, unter Federdruck stehenden, den Druckraum der Pumpe umschließenden, ausschließlich auf dem Plunger geführten Saugventilkörper bekannt, dem ein den Saughub begrenzender Anschlag zugeordnet ist. Der Saugventilkörper soll dabei bei einem in den Figuren des Dokuments dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei zylindrischen Hülsen bestehen, die durch Schrumpfung oder durch eine Autofrettage untereinander verbunden sind. Auf ein Aluminiumdruckgussteil zur Steuerung von Fluidströmen oder auf den Werkstoff, aus welchem die Hochdruckplungerpumpe hergestellt sein soll, wird nicht Bezug genommen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aluminiumdruckgussteil mit mindestens einem Hohlraum, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Behandlung eines solchen Aluminiumdruckgussteils zur Verfügung zu stellen, welche für die Verwendung mit gasförmigen Fluiden geeignet sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes Aluminiumdruckgussteil umfasst einen Gusskörper, der mindestens einen Hohlraum aufweist, wobei durch Einbringen eines hydraulischen Innendrucks in den mindestens einen Hohlraum des Gusskörpers zur Behandlung mittels Autofrettage die Werkstoffeigenschaften des Gusskörpers derart verändert wurden, dass der Gusskörper eine ausreichende Gasdichtheit zur Nutzung mit gasförmigen Medien aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß ein Aluminiumdruckgussteil mittels Autofrettage behandelt, um den Gusskörper für einen bestimmten Anwendungszweck gasdicht zu machen, insbesondere für das Durchströmen mittels eines gasförmigen Kältemittels, wie beispielsweise CO2. Diesbezüglich wird insbesondere darauf hingewiesen, dass Aluminiumdruckgussteile üblicherweise eine Vielzahl von Mikroporen und Mikrorisse aufweisen, was in der bisherigen Praxis dazu geführt hat, dass Aluminiumdruckgussteile für die Durchströmung mit gasförmigen Medien, insbesondere für die Durchströmung mit CO2, nicht ausreichend gasdicht waren und daher für den praktischen Einsatz nicht in Frage kamen. Durch die erfindungsgemäße nachträgliche Behandlung mittels Autofrettage wird die Zahl der Mikrorisse und Mikroporen in Aluminiumdruckgussteilen reduziert, indem diese durch Aufbringen eines hydraulischen Innendrucks verkleinert und/oder vollständig beseitigt werden. Gleichzeitig werden Druckeigenspannungen im Inneren des Gusskörpers erzeugt, die zu einer Verringerung von noch vorhandenen Mikrorissen und Mikroporen führen können, indem diese durch die Druckeigenspannungen zusammengedrückt werden. Ein weiterer durch die Behandlung des Aluminiumdruckgussteils mittels Autofrettage erzeugbarer Vorteil besteht darin, dass eine bestimmte, erforderliche Dauerfestigkeit durch die Behandlung mittels der Autofrettage erreicht werden kann bzw. eine bereits existierende Dauerfestigkeit mittels der Autofrettage erhöht und somit verbessert werden kann. Dementsprechend können die Wandstärken bei erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteilen reduziert werden. Alternativ oder in Ergänzung kann eine Aluminiumlegierung mit einer geringeren Festigkeit bei gleicher Wandstärke und gleicher Dauerfestigkeit gewählt werden. Im Ergebnis können erfindungsgemäße Aluminiumdruckgussteile entweder aufgrund einer alternativen Werkstoffauswahl aus einem kostengünstigerem Werkstoff hergestellt und/oder gewichtsoptimiert gestaltet werden, indem die Wandstärke reduziert wird.
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Die Wandstärken erfindungsgemäßer Aluminiumdruckgussteile liegen vorzugsweise zwischen 2 mm und 6 mm.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteils weist der Gusskörper mindestens eine Bohrungsverschneidung auf. Damit ist eine Kreuzungsstelle von zwei Bohrungen gemeint, wobei es sich entweder um Bohrungen gleichen Durchmessers oder um Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers handeln kann. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung der Autofrettage bei Aluminiumdruckgussteilen mit besonderen Vorteilen verbunden ist, wenn es sich um Aluminiumdruckgussteile mit mindestens einer Bohrungsverschneidung handelt. In diesem Fall kann die Dauerfestigkeit, insbesondere in Bereichen der mindestens einen Bohrungsverschneidung oder mehreren Bohrungsverschneidungen deutlich erhöht werden. Dadurch ergibt sich ein besonders großes Leichtbaupotenzial.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteils ist der Gusskörper aus einer Aluminiumlegierung mit einer Bruchdehnung von mindestens 6 % hergestellt. Bevorzugt wird der Gusskörper aus einer Aluminiumlegierung mit einer Bruchdehnung von mindestens 7 % und besonders bevorzugt mindestens 8 % hergestellt. Besonders gute Ergebnisse werden basierend auf Simulationsrechnungen mit den Aluminiumlegierungen AlMg6Si2MnZr und AISi10MnMg erwartet, welche unter der Produktbezeichnung MAGSIMALO-plus und SILAFONT®-36 vertrieben werden. Dabei beträgt die Bruchdehnung des Produkts MAGSIMAL Plus 9 % und die Bruchdehnung des Produkts SILAFONT®-36 11 %.
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Wenn der Gusskörper eines erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteils mittels eines geteilten Werkzeuges hergestellt ist, ist die Teilungsebene des Werkzeuges vorzugsweise derart gewählt, dass diese durch mindestens einen Punkt oder einen Bereich mit einer maximalen Betriebsbelastung gelegt ist. Unter der maximalen Betriebsbelastung ist dabei derjenige Zustand zu verstehen, welchem das erfindungsgemäße Aluminiumdruckgussteil bei späterer bestimmungsgemäßer Verwendung maximal ausgesetzt sein soll. Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteil beispielsweise um einen Ventilblock einer Kälteventileinheit (KVE) wird die maximale Betriebsbelastung durch die beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Kälteventileinheit maximal auftretenden Rahmenbedingungen festgelegt. Dies können beispielsweise ein maximaler Druck und/oder eine maximale Strömungsgeschwindigkeit eines durch die Kälteventileinheit geleiteten Fluids dienen. Diesbezüglich wird insbesondere auf Kälteventileinheiten verwiesen, die zur Steuerung eines gasförmigen Fluids dienen sollen, beispielsweise von CO2, das als Kältemittel eingesetzt wird. Wenn die Teilungsebene des Werkzeugs wie vorstehend beschrieben gewählt ist, kommt es im Bereich der Teilungsebene bei Herstellung im Aluminiumdruckgussverfahren üblicherweise zu einer Materialanhäufung. Diese Materialanhäufung ist mit vorteilhaften Ergebnissen im Falle einer nachfolgenden Autofrettage verbunden, d.h. die wie vorstehend beschriebene Wahl der Teilungsebene des Werkzeugs, insbesondere derart, dass diese durch ein oder vorzugsweise alle Bohrungsverschneidungen in einem Aluminiumdruckgussteil führt, schafft eine gute Ausgangsposition zur Erzielung einer späteren Gasdichtheit mittels Autofrettage, insbesondere bereits bei einem relativ geringen Autofrettagedruck von unter 1.000 bar.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteils sind in dem Gusskörper mindestens fünf Strömungskanäle ausgebildet. Dabei werden als Strömungskanäle solche Kanäle verstanden, die zur Durchleitung eines Fluids dienen, insbesondere zur Durchleitung von CO2. Bevorzugt sind in dem Gusskörper 5-15 Strömungskanäle angeordnet, besonders bevorzugt 7-12 Strömungskanäle.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteils ist in dem Gusskörper mindestens ein Strömungskanal mit einem Durchmesser von mindestens 5 mm ausgebildet. Bevorzugt beträgt der Durchmesser mindestens 6 mm, und besonders bevorzugt ist der Durchmesser eines Strömungskanals aus dem Wertebereich zwischen 5 mm und 10 mm gewählt, vorzugsweise zwischen 6 mm und 8 mm, insbesondere 7 mm.
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Die vorstehend genannten Werte und Wertebereiche für Strömungskanäle und Durchmesser von Strömungskanälen sind typische Werte, die sie bei Ventilblöcken von Kältemittelventileinheiten ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft insoweit insbesondere Aluminiumdruckgussteile, deren Gusskörper als Ventilblock einer Kältemittelventileinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Strömungskanälen und Steuerkanälen ausgebildet ist. Unter Steuerkanälen sind in diesem Zusammenhang insbesondere Bohrungen zu verstehen, welche vorzugsweise einen größeren Durchmesser als die Strömungskanäle aufweisen und sich von einer Außenseite des Gusskörpers bis zu mindestens einem Strömungskanal erstrecken. In derartigen Steuerkanälen kann insbesondere jeweils ein Steuerventil montiert sein, vorzugsweise durch direktes Einschrauben oder durch Einstecken in die Bohrung und anschließendes Befestigen mit einer Schraube oder mehreren Schrauben. Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßes Aluminiumdruckgussteil 5-10 Steuerkanäle auf, besonders bevorzugt 6-9 Steuerkanäle.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumdruckgussteils für ein Kraftfahrzeug mit einem Gusskörper, der mindestens einen Hohlraum aufweist, wobei der Gusskörper in einem ersten Verfahrensschritt im Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt wird und anschließend ein in dem Gusskörper ausgebildeter Hohlraum mittels Autofrettage derart behandelt wird, dass aufgrund einer Veränderung der Werkstoffeigenschaften des Gusskörpers im Bereich des mindestens einen Hohlraums eine ausreichende Gasdichtheit zur Nutzung des mindestens einen Hohlraums mit einem gasförmigen Medium erzielt wird. Auf die vorstehend bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteil beschriebenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen. Das Verfahren zur Herstellung im Aluminiumdruckgussverfahren wird vorzugsweise unter Verwendung von Schiebern durchgeführt, die während des Druckgießens in die Form eingebracht und anschließend wieder aus der Form herausgezogen werden.
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In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der erste Verfahrensschritt einen Druck-Nachguss mit Druck in der Größenordnung zwischen 800 bar und 1.500 bar. Bevorzugt wird ein Druck-Nachguss mit einem Druck in der Größenordnung zwischen 900 bar und 1.500 bar und besonders bevorzugt zwischen 1000 bar und 1.500 bar durchgeführt.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Behandlung des Gusskörpers mittels Autofrettage mit einem Druck zwischen 800 bar und 1.500 bar durchgeführt. Alternativ oder in Ergänzung wird nach der Herstellung des Gusskörpers im Aluminiumdruckgussverfahren zunächst eine spanende Bearbeitung und eine hydroerosive Schleifbearbeitung durchgeführt, bevor die Behandlung mittels Autofrettage erfolgt. Die vorstehend genannten Werte für den Druck zur Behandlung mittels Autofrettage sind bevorzugte Werte, welche in Verbindung mit Aluminiumdruckgussteilen, insbesondere in Form eines Ventilblocks einer Kälteventileinheit, zu besonders positiven Ergebnissen führen. Eine spanende Bearbeitung kann insbesondere durch Bohren und/oder Fräsen erfolgen. Anschließend erfolgt noch eine hydroerosive Schleifbearbeitung, um Kanten zu brechen bzw. Grate zu entfernen.
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Unabhängig von den in den Ansprüchen wiedergegebenen Verfahrensvarianten kann zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Aluminiumdruckgussteils auch ein mehrstufiges Autofrettieren erfolgen, um eine gewünschte Dichtheit zu erzeugen. Diesbezüglich wird insbesondere auf die Möglichkeit verwiesen, den Druck zur Behandlung mittels Autofrettage (Autofrettagedruck) mit jedem Verfahrensschritt zu erhöhen, um nach jedem Verfahrensschritt oder nach einer bestimmten anderen Vorgehensweise jeweils eine Dichtheitsprüfung durchzuführen. Die Behandlung mittels Autofrettage kann dann ggf. bedarfsweise beendet werden, sobald das Ergebnis der Dichtheitsprüfung eine für den jeweils bestimmten Zweck des Aluminiumdruckgussteils ausreichende Dichtheit ist. Diesbezüglich kann beispielsweise in einem ersten Verfahrensschritt mit einem Autofrettagedruck von 800 bar begonnen werden. Die Steigerung des Autofrettagedrucks kann dann mit jedem Schritt um einen vorgegebenen Wert gesteigert werden, um mit einer überschaubaren Zahl von Autofrettage-Behandlungsvorgängen eine gewünschte Dichtheit zu erzeugen. Nur beispielhaft wird in diesem Zusammenhang darauf verwiesen, den Autofrettagedruck mit jedem Schritt um 50 bar oder um 100 bar zu steigern.
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Der Vollständigkeit halber wird noch darauf hingewiesen, dass die Betriebsdrücke von Kälteventileinheiten, insbesondere wenn CO2 als Kältemittel verwendet wird, in der Praxis häufig zwischen 130 bar und 170 bar liegen. Der Druckbereich resultiert dabei aus dem auf Druck- und Temperaturänderungen basierenden Kreisprozess des Kältemittels. Die vorstehend genannte maximale Belastung kann insoweit auf der Grundlage eines maximalen angenommenen Betriebsdrucks ermittelt werden, indem der höchste Betriebsdruck angesetzt wird.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Aluminiumdruckgussteils 10 mit einem Gusskörper 12 in einer symmetrischen Darstellung sowie
- 2 eine Horizontal-Schnittdarstellung durch ein konstruktiv anders gestaltetes Aluminiumdruckgussteil gemäß der in 1 mit II gekennzeichneten Schnittebene.
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Das Aluminiumdruckgussteil 10 gemäß 1 weist mehrere Strömungskanäle 14 auf, von welchen in 1 vier Strömungskanäle 14 sichtbar sind. Die Strömungskanäle 14 weisen alle den gleichen Durchmesser auf und führen seitlich aus dem Gusskörper 12 heraus.
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Der Gusskörper 12 weist ferner mehrere Steuerkanäle 16 auf, von welchen in 1 vier Steuerkanäle 16 sichtbar sind. Die Steuerkanäle 16, welche in 1 allesamt auf der Oberseite 18 enden, weisen in der gezeigten Ausführungsform einen größeren Durchmesser auf als die Strömungskanäle 14. Die Steuerkanäle 16 dienen dazu, nicht dargestellte Ventileinheiten in den Steuerkanälen 16 anzuordnen, insbesondere durch Einschrauben der Ventileinheiten. Mit den Ventileinheiten kann dann der Durchfluss in einem Strömungskanal 14 und/oder von einem Strömungskanal 14 zu einem oder mehreren weiteren Strömungskanälen 14 gesperrt oder vollständig oder teilweise geöffnet werden.
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2 zeigt eine Längsschnittdarstellung analog zu der Schnittebene II. in 1, wobei in 2 eine andere konstruktive Ausführungsform eines Gusskörpers 12 dargestellt ist. Der in 2 dargestellte Gusskörper 12 weist eine Vielzahl von Strömungskanälen 14 und eine Vielzahl von Steuerkanälen 16 auf die jeweils größer ist als die Zahl der entsprechenden Strömungskanäle 14 und Steuerkanäle 16 bei der in 1 gezeigten Ausführungsform. Auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Durchmesser der Steuerkanäle 16 größer als der Durchmesser der Strömungskanäle 14.
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In Bereichen, in welchen sich zwei Strömungskanäle 14 oder ein Strömungskanal 14 und ein Steuerkanal 16 kreuzen, ergibt sich eine Bohrungsverschneidung 20, wobei in 2 nur einige der Bohrungsverschneidungen 20 exemplarisch mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Aluminiumdruckgussteil
- 12
- Gusskörper
- 14
- Strömungskanal
- 16
- Steuerkanal
- 18
- Oberseite
- 20
- Bohrungsverschneidung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017200805 A1 [0002]
- US 20060196201 A1 [0003]
- FR 2264195 A [0004]
