DE4431713C2 - Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere von Nockenwellen aus Schalenhartguß, mit den weiteren Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Gattungsgemäße Vorrichtungen zum Herstellen von Gußstücken sind am Beispiel entsprechender Vorrichtungen zur Herstellung von Nockenwellen für Brennkraftmaschinen in der DE 35 32 196 C2 und in der EP 0 154 787 A1 beschrieben. Dabei wird jeder einzelne Nocken von einer jeweils zugeordneten Kokille beaufschlagt bzw. teilweise von dieser umgeben, wobei mit diesen "Kühleisen" der Zweck verfolgt wird, während des Gießvorganges örtlich die Abkühlung des geschmolzenen Metalls zu beschleunigen, um ein erwünschtes, überwiegend karbidisches Gefüge zu erhalten.

In der Praxis gut bewährt haben sich einstückige, massive gußeiserne Nockenwellen mit Nocken aus Schalenhartguß. Dies insbesondere wegen des guten Verschleißverhaltens von Schalenhartguß, besonders bezüglich der Wälzermüdungsfestigkeit und wegen des guten Dämpfungsvermögens von Eisengußwerkstoffen. Allerdings wird das erwünschte Resultat der schroffen Abkühlung der Nockenlaufflächen mittels der Kokillen durch die Rückerwärmung der Nockenumfangsbereiche durch im Nockenwellenkern noch vorhandene Schmelze beeinträchtigt, denn letztere bewirkt einen Anlaßeffekt in den kristallisierten Randschalen der Nocken. Dies tritt verstärkt auch deswegen auf, weil beim Gießen im Bereich der Nockenerhebungen Materialansammlungen des schmelzflüssigen Metalls vorhanden sind.

Während bei den im Stand der Technik gezeigten Nockenwellen die einzelnen Nocken voneinander beabstandet sind, sind für den Einsatz in Brennkraftmaschinen, insbesondere bei solchen mit mehreren Ventilen je Zylinder, auch Nockenwellen im Einsatz, bei denen mehrere Nockenerhebungen ohne Zwischenabstand ineinander übergehen, wie dies beispielsweise bei der in den Fig. 1a, 1b dargestellten Nockenwelle 1 der Fall ist. Dort liegen die einzelnen Nocken 2, 3, 4 unmittelbar nebeneinander, wobei der mittlere Nocken 3 eine kleinere Erhebung hat als die links und rechts daneben gelegenen.

Ungeachtet dieser baulichen Abweichung ist es natürlich auch hier erforderlich, die Laufflächen 5-7 durch Kühlelemente zu beaufschlagen, um die vorerwähnte Abschreckwirkung zu erreichen. Dies allerdings ist gerade bei der in den Fig. 1a und 1b gezeigten Bauform einer Nockenwelle insofern noch problematischer, als gerade auch in diesem Bereich besonders hohe Materialansammlungen des schmelzflüssigen Metalls vorhanden sind, wodurch der nachträgliche, an sich unerwünschte Anlaßeffekt noch begünstigt wird.

Das sich hieraus ergebende gießtechnische Problem stellt sich natürlich nicht nur bei der Herstellung von Nockenwellen für Brennkraftmaschinen, sondern auch bei anderen Gußstücken, die entsprechend unterschiedlich konturierte Oberflächenbereiche aufweisen, die einer durchgehenden Abschreckbehandlung unterzogen werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art, insbesondere von Nockenwellen aus Schalenhartguß, bereitzustellen, mit der die gewünschte Abschreckwirkung der betreffenden Gußstück-Oberflächenbereiche in optimaler Weise herbeiführbar ist, ohne daß dabei der gesamte Arbeitsablauf in nachteiliger Weise beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

Der nebengeordnete Patentanspruch 4 hat eine weitere Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe zum Inhalt.

Sowohl mit dem Merkmal - unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten - gemäß Patentanspruch 1, als auch mit dem weiteren Merkmal - Zwischenlegen wärmeleitender Beschichtungselemente - gemäß Patentanspruch 4 wird dem unter Verwendung der in erfindungsgemäßer Weise geformten Kühlkokillen in anmelderseits durchgeführten Gießversuchen aufgetretenem Problem Rechnung getragen, daß durch den Schrumpfungsprozeß des Nockenwellenwerkstoffes während der Abkühlphase die Gefahr des Einklemmens des in den Einschnitt hineinreichenden Bereiches der Kühlkokille gegeben ist, wodurch ein späteres Entformen erschwert oder ggf. sogar unmöglich gemacht werden könnte. Dieses Problem ergibt sich insbesondere dann, wenn die Entformung erst geraume Zeit nach Erstellen des Abgusses vorgenommen wird, wenn also Kühlkokille und Gußstück gemeinsam auf eine Temperatur von unter 100° Celsius abgekühlt haben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung ist anhand zweier Ausführungsbeispiele nachstehend beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt in

Fig. 1a und 1b einen Abschnitt einer Nockenwelle für Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die Zuordnung der Kühlkokille zu den abzuschreckenden Oberflächenbereichen des Gußstückes und

Fig. 3 eine Anordnung entsprechend der in Fig. 2, allerdings mit zwischengelegten Distanzelementen hoher Wärmeleitfähigkeit.

Die in den Fig. 1a-3 perspektivisch bzw. abschnittsweise dargestellte Nockenwelle 1 für eine Brennkraftmaschine soll als Schalenhartguß-Nockenwelle im Croning- Verfahren hergestellt werden. Sind pro Zylinder der Brennkraftmaschine drei Ventile vorgesehen, so weist die Nockenwelle 1 je Zylinder eine entsprechende Anzahl von Nocken auf, die somit eine Gruppe bilden. Durch den Versatz in Umfangsrichtung bezüglich der Hubkontur ergeben sich bereichsweise radial weiter innenliegende Nockenabschnitte, die allerdings ebenfalls einer oberflächigen Abschreckung unterzogen werden müssen, um das erwünschte überwiegend karbidische Gefüge zu erhalten.

Das hierfür verwendete metallische Abschreckteil ist als Kühlkokille 8 ausgebildet, welche die die den Nocken 2-4 entsprechenden Bereiche des Formhohlraumes umschließt. Die Kühlkokillen 8 sind in an sich bekannter Weise in eine Sandform 9 der Gießvorrichtung eingebettet. Dabei ist jeder Gruppe von Nocken 2-4 eine vorzugsweise einstückige massive Kühlkokille 8 mit entsprechend guter Abschreckwirkung zugeordnet. Deren Innenkontur entspricht dem Oberflächenverlauf (Laufflächen 5-7) der Nocken 2-4.

Die bei der Herstellung von Schalenhartguß-Nockenwellen eingesetzten Kühlkokillen sind in der Regel aus Grauguß hergestellt. Dieser Werkstoff hat einen etwa dem Nockenwellenwerkstoff entsprechenden linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei Gießversuchen wurde nun festgestellt, daß bei einer der Fig. 2 entsprechenden Konfiguration beim Abguß einer Nockenwelle 1 während der Abkühlphase die Kühlkokillen 8 im Bereich des mittleren Nockens 3 durch den Schrumpfungsprozeß eingepresst werden und später nicht mehr oder nur sehr schwierig auszuformen sind.

Abhilfe schafft hier der Einsatz erfindungsgemäßer Kühlkokillen 8, deren Werkstoff einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der (wesentlich) höher ist, als der des Nockenwellenwerkstoffes. Damit ist erreichbar, daß beim Abkühlprozeß nach unterschreiten der Soliduslinie das absolute Schrumpfungsmaß der Nockenwelle 1 kleiner ist als das der Kühlkokille 8, wodurch ein späteres Entformen problemlos möglich ist. Hierbei haben sich für den Kokillenwerkstoff Chrom-Nickel-Stähle, beispielsweise X5 Cr Ni Mo 17 12 2 oder X5 Cr Ni 18 10 empfohlen, deren lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten α größenordnungsmäßig etwa doppelt so groß sind wie der des üblicherweise für die Nockenwelle 1 verwendeten lamellaren Graugusses.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit, dem geschilderten Entformungsproblem abzuhelfen ist darin zu sehen, für die Kühlkokillen 10, wie im Stand der Technik an sich bekannt, Grauguß zu verwenden, während allerdings, wie in Fig. 3 gezeigt, an den durch den Schrumpfungsprozeß bezüglich Einpressgefahr besonders gefährdeten Abschnitten, nämlich an den stirnseitigen inneren Flanken 11, 12 der Nocken 2 und 4 eine dünne Beschichtung 13 aus einem Keramikwerkstoff oder aus Graphit vorgesehen ist. Diese an die Kühlkokille 10 angebrachte Beschichtung 13 wird vor dem Entformen oder auch während des Entformungsvorganges zerstört, so daß danach ein entsprechendes Untermaß der Kühlkokille 10 in dem ansonsten kritischen Bereich vorliegt.

Denkbar wäre auch die Kühlkokille 8 nicht einstückig auszubilden, sondern, wie in Fig. 2 strichliniert angedeutet, als Paket unmittelbar aneinanderliegender schei­ benförmiger Kühlkokillenelemente.

Hierbei ergibt sich dann auch die Möglichkeit der unterschiedlichen Werkstoff­ wahl. So könnten die den radial weiter innen liegenden Nockenabschnitten (Nocken 3) zugeordneten Kühlkokillenelemente aus besagtem Werkstoff (Chrom- Nickel-Stahl) mit höherem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, während die benachbarten Kühlkokillenelemente (den Nocken 2 und 4 zugeord­ net) nach wie vor aus lamellarem Grauguß bestehen.

Es versteht sich, daß bei Nockenwellen mit mehr als drei Nocken je Brennkraftma­ schinen-Zylinder (z. B. fünf Nocken bei Fünfventil-Technik) die vorstehend be­ schriebenen und in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kühlkokillen 8, 10 unter Beibehaltung der erfindungsgemäßen Merkmale konstruktiv angepaßt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Herstellen von Gussstücken, insbesondere von Nockenwellen aus Schalenhartguss, unter Verwendung von mindestens einer in einer Gieß­ form eingebetteten und einen Formhohlraum bereichsweise umschließenden Kühlkokille zur Herbeiführung einer beschleunigten Oberflächen-Abkühlung des Gießwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gussstücken, deren beschleunigt abzukühlende Bereiche erhabene und tieferliegende Abschnitte aufweisen, die Kühlkokille (8) diesen Oberflächenkonturen angepasst ist, aus einem Paket unmittelbar aneinanderliegender, scheibenförmiger Kühlkokil­ lenelemente besteht, wobei die Kühlkokillenelemente unterschiedliche Wär­ meausdehnungskoeffizienten aufweisen und dabei die den tieferliegenden Gussstückabschnitten zugeordneten Elemente der Kühlkokille (8) aus einem Werkstoff bestehen, dessen linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α höher ist als der des Gießwerkstoffes.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gießwerk­ stoff Grauguss und als Kokillenelementewerkstoff mit höherem Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten α ein Chrom-Nickel-Stahl verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kokillenelementewerkstoff mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten α X5 Cr Ni 18 10 oder X5 Cr Ni Mo 17 12 2 verwendet wird.

4. Vorrichtung zum Herstellen von Gussstücken, insbesondere von Nockenwellen aus Schalenhartguss, unter Verwendung von mindestens einer in einer Gieß­ form eingebetteten und einen Formhohlraum bereichsweise umschließenden Kühlkokille zur Herbeiführung einer beschleunigten Oberflächen-Abkühlung des Gießwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gussstücken, deren beschleunigt abzukühlende Bereiche erhabene und tieferliegende Abschnitte aufweisen, die Kühlkokille (10) dieser Oberflächenkontur im wesentlichen an­ gepasst ist, aus einem Werkstoff besteht, dessen linearer Wärmeausdeh­ nungskoeffizient α etwa dem des Gießwerkstoffes entspricht und an den durch den Schrumpfungsprozess während der Abkühlphase bezüglich Einpressge­ fahr relevanten Abschnitten wärmeleitende Beschichtungselemente (13) auf­ weist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschich­ tung (13) aus Keramik besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschich­ tung (13) aus Graphit besteht.