-
Verfahren zur räumlichen Festlegung, wie Zentrierung und Ausrichtung,
eines Gußstückes mit eingegossenem Strömungshohlraum für die Fertigbearbeitung Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlichen Festlegung, wie Zentrierung und
Ausrichtung, eines Gußstückes mit darin eingegossenem, maschinell nicht weiter zu
bearbeitendem Strömungshohlraum für die Fertigbearbeitung, insbesondere für den
ersten mechanischen Bearbeitungsvorgang, wie z. B. das Anbringen von Zentrierbdhrungen,
Fräsen von Bezugsflächen od. dgl., wonach dann alle weiteren Bearbeitungsvorgänge
ausgerichtet werden.
-
Zweck der Erfindung ist es, bei Gußstücken vorstehender Art, wo ein
erhöhter Genauigkeitsanspruch an die Strömungseigenschaften eines nur formtreu eingegossenen,
jedoch maschinell nicht weiter bearbeiteten Strömungshohlraumes gestellt wird, die
Fertigbearbeitung so durchzuführen, daß danach beliebige Gußstücke mit beliebigen
strömungsmäßig zugehörigen Maschinenteilen derselben Modellserie zusammengebaut
werden können, ohne daß dabei eine Änderung der durch die Formgebung des Strömungshohlraumes
festgelegten Strömungseigenschaften über eine geringe Toleranzstreuung hinaus auftritt
oder, mit anderen Worten, daß unter Einhaltung im wesentlichen gleichbleibender
Strömungseigenschaften beliebige Austauschbarkeit der fertigbearbeiteten Gußstücke
erzielt wird.
-
Gußstüclze dieser Art können bei allen ein strömendes Arbeitsmittel
benutzenden Maschinen vorkommen, bei denen es sich entweder darum handelt, die Strömungsenergie
unmittelbar in Arbeit umzusetzen (Kreiselradmaschinen, Turbinen), oder bei denen
dem Strömungsmittel eine energetische Zwischenfunktion, z. B. zur Gemischbildung
bei Verbrennungskraftmaschinen, zugewiesen ist, die an bestimmte, mit möglichst
geringer Abweidh.toleranz einzuhaltende Strömungsbedingungen gebunden ist.
-
Im folgenden wird die Erfindung bevorzugt an Hand der zuletzt erwähnten
Anwendungsform näher erläutert. Hierzu wird beispielsweise als Gußstück mit einem
Strömungshohlraum der Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine herangezogen,
bei der zur Durchführung der Gemischbildung und Verbrennung eine intensive Luftdrehung
im Verbrennungsraum durch die besondere Formgebung des im Zylinderkopf eingegossenen
Einlaßkanals erzeugt wird.
-
Die Strömungseigenschaften eines solchen Kanals sind nicht allein
durch die Forderung einer möglichst hohen Rotationsgeschwindigkeit der Luft bestimmt,
die einen starken Drall erfordert, sondern im gleichen Maße auch durch die Forderung
nach einer guten Füllung, welch letztere eine Funktion des Strömungswiderstandes
ist, der so klein wie möglich zu halten ist.
-
Diese beiden Forderungen - hoher Drall und möglichst verlustfreie
Strömung - müssen daher bei einem Einlaßkanal der vorbezeichneten Art in befriedigender
weise erfüllt sein, und dies ist insoweit möglich, als man in der Lage ist, derartige
Kanalformen mit strömungstechnisch hoher Vollkommenheit zu gestalten und sie auch
mit großer Formtreue nn den roh gegossenen Zylinderkopf einzugießen, ohne daß sie
einer maschinellen Nachbearbeitung bedürfen.
-
Schwierigkeiten treten jedoch hinsichtlich der Beibehaltung der durch
die gegossene Formgebung festgelegten Strömungseigenschaften dann auf, wenn der
nach bisher üblicher Verfahrensweise fertig bearbeitete Zylinderkopf mit dem übrigen
zugehörigen Maschinenteil, d. h. hier dem fertig bearbeiteten Zylinderblock, zusammengebaut
wird. Diese Schwierigkeiten sind besonders dann erheblich, wenn Austauschbarkeit
der fertig bearbeiteten Gußstücke verlangt wird.
-
Der Grund für diese Schwierigkeiten ist der, daß die Strömungseigenschaften
des zwar mit großer Formtreue eingegossenen Einlaßkanals in ganz außerordentlichem
Maße noch durch seine räumliche Relativlage zur Zylinderachse beeinflußt werden,
welchem Einfluß auch das den Einlaßkanal nach deni Zylinderraum hin abschließende
bzw. öffnende Einlaßventil unterliegt. Kleinste, .durch Bearbeitungsunstimmigkeiten
bedingte Versdhiebungen können hier bereits große Strömungsänderungen hervorrufen.
So kann z. B. eine geringe Verschiebung der Ventilmitte in Richtung auf -die Zylinderwandung
hin ein unverhältnismäßig starkes Ansteigen des Strömungswiderstandes und damit
eine Verminderung des Füllung,-grades zur Folge haben, oder es kann z. B. eine
geringe
Exzentrizität des Einlaßventils und des Ventilsitzes gegenüber dem unteren, im wesentlichen
zylindrischen Ende des eingegossenen Einlaßkanalz bereits .eine unzulässige Verminderung
der Rotation,-geschwindigkeit der Luftfüllung bewirken. Neben solchen reinen Minenversetzungen
können aber auch räumliche Schiefstellungen des im Zylinderkopf angeordneten Einlaßkanals,
beispielsweise bezogen auf die Achse des im Motorblock liegenden Zylinders, ähnliche
Auswirkungen haben.
-
Damit ergibt sich also neben der Forderung möglichst guter Formtreue
des gegossenen, nur verputzten, nicht weiter bearbeiteten Einlaßkanals die zusätzliche
Forderung auf möglichst genaue Einhaltung der gewünschten räumlichen Lage des Kanals
in bezug auf bearbeitete, erst im Zusammenbau der fertigen Maschine mit dem Einlaßkanal
zur Erzielung des gewünschten Strömungsverhaltens zusammenwirkend° andere Teile,
wie Einlaßv entil und Ventilsitz, Zvlinderblock und Zylinder.
-
Lm dies-- Forderungen zu genügen, zeigt die Erfindung den Weg für
ein neuartiges Fertigbearbeitungscerfahren, das von folgenden Überlegungen ausgeht:
Bei der bisher allgemein üblichen Verfahrensweise wird das Guß:stück, im gewählten
Beispiel der Zylinderkopf, nach irgendwelchen äußeren Konturen zum ersten Bearbeitungsvorgang,
normalerweise dem Anbringen von Zentrierbohrungen und/oder dem Fräsen von waagerechten
und senkrechten Bezugsflächen, aufgenommen, wonach sich dann alle weiteren Bearbeitungsvorgänge
richten. Wenn nach diesem Fertigbearbeitungsverfahren das angestrebte Ziel, nämlich
die Beibehaltung gleichbleibender Strömungseigenschaften, erreicht werden soll,
dann müssen die zur Zentrierung herangezogenen äußeren Konturen bereits beim Guß
mit großer Genauigkeit (engen Toleranzen) hergestellt werden; man arbeitet dabei
z. B. mit Kokilleneinsätzen in den Sandformen u. ä. Weiterhin ist die Lage des Kernes
für den Einlaßkanal in bezug auf die Zentrierungskonturen sehr genau festzulegen
und zwecks Unverrückbarkeit durch Gießeinflüsse sehr stabil zu gestalten, ebenso
wie auch nach erfolgtem Guß die Einhaltung der gegenseitigen räumlichen Lage genauestens
zu kontrollieren ist. Trotzdem kann dabei durch verschiedene, meist nicht zu vermeidende
Einflüsse des Gießvorganges, wie z. B. Aufschwimmen der Kerne, unregelmäßigen Schwund
beim Erkalten u. ä., praktisch die zu fordernde Genauigkeit bei einem verhältnismäßig
!hohen Prozentsatz der Gußstücke nicht erreicht werden, so daß der Anfall von Ausschuß
verhältnismäßig hoch ist.
-
Bei der bislang allgemein üblichen Methode der Fertigbearbeitung werden
sonach, anders ausgedrückt, die beiden Svsteme: a) unbearbeitete Strömungsräume
vor dem Guß, b) Bearbeitungsvorgänge nach dem Guß, auf ein gemeinsames drittes System:
c) Zentrierungskonturen vor und nach dem Guß, bezogen, das, für sich gesehen, durchaus
überflüssig ist und nur deshalb mit größter Genauigkeit hergestellt werden muß,
damit die beiden ersteren Systeme in ihrer gegenseitigen Lage zueinander richtig
angeordnet werden können. Trotz aller angewandten Sorgfalt ist der Erfolg jedoch
unsicher, da das System d) Strömungsräume nach dem Guß, gänzlich dem Zufall, d.
h. unkontrollierbaren Vorgängen, überlassen bleibt. Das Ausrichten von Gußstücken
nach der Form eines eingegossenen Hohlraumes ist zwar an sich bekannt. Hier handelt
es sich aber um Gußstücke mit Rotationskörperform und mit einer ein- oder Neidseitig
offenen, also leicht zugänglichen zentrischen Bährung, in die ein Zentrierdorn oder
eine ähnliche Vorrichtung eingesetzt werden kann. Ein solches Gußstück soll nur
auf seinem Außenmantel abgedreht und vor dieser Bearbeitung nach der Längsachse
der Bohrung zentriert werden. Durch ein derartiges Ausrichten wird hier aber lediglich
einer eventuellen Kernversetzung Rechnung getragen.
-
Demgegenüber wird durdh die Erfindung das System der Zentrierungskonturen
-gänzlich in Fortfall gebracht und ein Verfahren zur räumlichen Festlegung, wie
Zentrierung und Ausrichtung, eines Gußstückes mit darin formgetreu eingegossenem,
maschinell nicht zu bearbeitendem Strömungshohlraum für die Fertigbearbeitung, insbesondere
für den ersten, der weiteren Ausrichtung dienenden Bearbeitungsvorgang vorgeschlagen,
das erfindungsgemäß darin besteht, daß die räumliche Festlegung (Zentrierung und
Ausrichtung) des Gußstückes an den hierfür zugängigen Konturen des Strömungsraumes
selbst erfolgt.
-
Hierdurch lassen sich die Gußstücke so fertig be -arbeiten, daß die
durch die Formgebung des Strömungshohlraumes festgelegten Strömungseigenschaften
auch beim fertig bearbeiteten Gußstück erhalten bleiben, wenn dieses in beliebigem
Austausch mit einem zugehörigen Maschinenteil einer Modellserie zusammengebaut wird.
Die räumliche Festlegung des Gußstückes für den ersten Bearbeitungsvorgang erfolgt
dabei nadh weiteren Merkmalen der Erfindung in statisch bestimmter Weise an drei
abtastbaren Ortungspunkten des Strömungshohlraumes, z. B. an dessen Öffnungen und
einer durch diese zugänglichen Wendungsstelle des Strömungshohlraumes (D reipunktlagerung)
.
-
Als Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
können dabei an .sich bekannt. an den Öffnungen des Strömungshohlraumes einführbare
Abtast- und Feststellorgane, wie z. B. sogenannte Brillen oder Fühlstücke und-Fühlstifte"di.enen,
die in ihrer Lage zu den Werkzeugen der ersten Bearbeitungsmaschine fixiert sind.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das System der Bearbeitungsvorgänge
unmittelbar auf das System des eingegossenen, unbearbeiteten Strömungshohlraumes
nadh dessen Guß und Erkalten bezogen. Hierdurch ist es möglich, gleichbleibende
Strömungseigenschaften nach dem Zusammenbau der Maschine innerhalb eines verhältnismäßig
geringen Streubereiches zu gewährleisten, ohne daß Modellherstellungs-, Guß- und
Bearbeitungstoleranzen über ein normales Maß hinaus verschärft zu werden brauchen
und ohne daß ein hoher Ausfall an Ausschuß in Kauf genommen werden muß. Hierdurch
ergibt sich ein nicht unbeträchtlicher wirtschaftlicher Vorteil und Fortschritt
gegenüber den bisher üblichen Bearbeitungsverfahren.
-
In der Zeichnung ist die Erfindung an einem A,a:,-führungsbeispiel
veranschaulicht. Hierbei zeigt sehematisch: Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch
den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine längs der Achse des Einlaßkanals, Fig.
2 einen gegenüber Fig. 1 um 90° verdrehten senkrechten Schnitt in der Ebene, welche
die Achsen des Ein- und Auslaßventils enthält.
Im gegossenen, jedoch
noch unbearbeiteten Zylinderkopf 1 einer (nicht weiter gezeigten) Brennkraftmaschine
ist der Einlaßkanal2 angeordnet, der bei möglichster Vermeidung von Strömungswiderständen
drallerzeugend ausgebildet ist. Mit 3 ist der für die Erfindung nicht weiter in
Betracht kommende Auslaßkanal bezeichnet. Der Einlaßkanal2 ist angenommenerweise
mittels besonderer, an sich bekannter Kernherstellungs- und Gießverfahren mit großer
Formtreue im Zylinderkopf 1 eingegossen und befindet sich in einem Vorbereitungszustand,
.daß an ihm gemäß dem Verfahren der Erfindung der Zylinderkopf zum ersten Bearbeitungsvorgang
räumlich festgelegt, beispielsweise zentriert und aufgenommen werden kann. Zu dem
Zweck sind die zur Zentrierung und Ausrichtung herangezogenen Stellen - es sind
dies die Einlauföffnung 4, die später als Ventilsitz dienende Austrittsöffnung 5
sowie die Mitte der Ventilkanzel 6 - entsprechend vorgerichtet, indem vor allem
die Gußgrate sorgfältig entfernt werden. An dien so vorbereiteten Stellen läßt sich
alsdann das Gußstück (Zylinderkopf) eindeutig nach allen Seiten und Winkeln so zentrieren
und, ausrichten, daß eine stets gleichbleibende Lage des Einlaßkanals 2 im Raum
gewährleistet ist (Dreipunktlagerung). Dies kann an den beiden Kanalöffnungen 4
und 5 beispielsweise mittels sogenannter Brillen (nicht dargestellt) erfolgen, .deren
Öffnungen mit denen des Gußstückes optisch oder durch Fühlen zur Deckung gebracht
werden, oder die Zentrierung und Ausrichtung kann auch durch Einführung von vorzugsweise
konischen Fühlstücken 7 und 8 mechanisch bewerkstelligt werden. Wird die Mitte der
Ventilkanzel 6 als dritter Ortungspunkt benutzt, so kann .dies beispielsweise durch
einen an der Austrittsöffnung 4 eingeführten Fühlstift 9 geschehen; dieser ist zweckmäßig
an seinem Ende ballig ausgebildet und sitzt dann gegen eine ensprechend ballig vertiefte
Stelle der Gußoberfläche der Ventilkanzel 6 an.
-
Da der Fühlstift 9 und die Fühlstücke 7, 8 bzw. die diese ersetzenden
(nicht dargestellten) Brillen in ihrer Lage zu dien Werkzeugen der ersten Bearbeitungsmaschine
fixiert sind, befindet sich der Einlaßkanal nunmehr in der richtigen, auf das System
der Bearbeitungsvorgänge bezogenen räumlichen Lage. In dieser Lage wird er zur Aufnahme
der bei der Bearbeitung auftretenden Schnittkräfte eingespannt und anschließend
der erste Bearbeitungsvorgang vorgenommen, nach dem sich dann alle weiteren Bearbeitungsvorgänge
in bekannter Weise richten.