DE10057640A1 - Bruchtrennkerben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Ausbildung von Bruchtrennkerben zur Bruchtrennung von Gusseisenwerkstoffen und Kerbeinlagen zur Formung der Bruchtrennkerben. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bruchtrennkerbe zur Verfügung zu stellen, welche den Bruchverlauf bei der Bruchtrennung von Gusseisenmaterialien positiv beeinflusst und welche mit niedrigen Kosten und geringerem technischen Aufwand herstellbar ist. DOLLAR A Die Konzeption der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die Kerbspitzenwinkel der Bruchtrennkerbe für Gusseisenwerkstoffe gegen Null gehen, also im Extremfall parallel verlaufen oder aber so klein als möglich gehalten werden und dass weiterhin die Kerbspitzen einen großen Kerbspitzenradius aufweisen, wobei die Kerbtiefe und der Kerbspitzenradius in Abhängigkeit der Spannungsformzahl derart bestimmt wird, dass die Spannungsformzahl so hoch wie möglich gewählt wird. DOLLAR A Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass der Bruchverlauf in einer Ebene verläuft und die sich ergebenden Bruchflächen gleichmäßiger sind und nicht schräg zum Bruchband hin verlaufen und dass die Kerbeinlagen einfacher und kostengünstiger herstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft die Ausbildung von Bruchtrennkerben zur Bruchtrennung von Gusseisenwerkstoffen und Kerbeinlagen zur Formung der Bruchtrennkerben.

In beinahe allen Bereichen des Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbaues werden Gusseisenwerkstoffe eingesetzt. Es sind verschiedene Gusseisenwerkstoffe bekannt, wie z. B. Grauguss (GG), Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG), Gusseisen mit Lamellengraphit (GGL) und Gusseisen mit Vermikulargraphit (GGV). Die Bauteile aus diesen Materialien werden gegossen. Die Eigenschaften der verschiedenen Modifikationen variieren bei einigen Parametern, jedoch sind alle Modifikationen durch die Sprödigkeit der Gusseisenwerkstoffe geprägt. Die weitere mechanische Bearbeitung von Gusseisen gestaltet sich durch die besondere Sprödigkeit häufig problematisch.

Komplexere Bauteile können aus einzeln gegossenen und anschließend bearbeiteten Bauteilen zusammengesetzt oder auch, zur Vermeidung von aufwendigen Bearbeitungsschritten und der Nutzung anderer Vorteile, in einem Stück gegossen, anschließend zur Montage und Integration weiterer Bauteile getrennt und danach wieder passgenau zusammengesetzt werden.

Ein Beispiel für beide Verfahren ist die Fertigung von Zylinderkurbelgehäusen, den Kernbauteilen von Verbrennungsmotoren. Die Kurbelgehäuse und die Lagerdeckel können getrennt oder auch in einem Stück gegossen werden.

Das Gießen der Zylinderkurbelgehäuse in einem Stück bringt dabei erhebliche Vorteile für die Passgenauigkeit und die Stabilität.

Um die Montage der Kurbelwelle vornehmen zu können, wird das Zylinderkurbelgehäuse bei dem genannten Verfahren durch Bruchtrennung getrennt. Dabei wird eine Bruchtrennkerbe in geeigneter Geometrie und an geeigneter Stelle in das Zylinderkurbelgehäuse eingebracht und als Sollbruchstelle für den Trennungsbruch genutzt.

Die Bruchtrennkerben können nach dem Gießen in das Bauteil eingebracht werden oder auch beim Gießen durch Kerbeinlagen entstehen.

Ein im Stand der Technik unbefriedigend gelöstes Problem bei der Bruchtrennung ist die Sicherstellung eines exakten Bruchverlaufes.

Gesichert und im Stand der Technik beschrieben ist, dass die Kerbgeometrie einen Einfluss auf den Bruchverlauf besitzt.

In der Europäische Patentschrift EP 0 868 614 B1 wird vorgeschlagen Bruchtrennkerben 1 vorzusehen, deren Form so spitz wie technisch irgend möglich ist. Schematisch ist dies in Fig. 1 dargestellt. Der formgebende Radius der Kerbspitze 4, im folgenden auch als Kerbspitzenradius (R) 5 bezeichnet, wird dabei mit R = 0 (was streng genommen unmöglich ist) bis R ≦ 0,45 mm angegeben. Diese Bruchtrennkerben werden gemäß der o. g. Schrift mittels am Gusskern vorgesehener gesonderter Vorsprünge beim Gießen erzeugt. Die gesondert vorgesehenen Vorsprünge werden auch als Kerbeinlagen 8 bezeichnet. Sie haben die Funktion, die Geometrie der Bruchtrennkerben beim Gießen im Bauteil zu hinterlassen. Außerdem wirken sie auf die Struktur des sie umgebenden Materials durch einen Kühleffekt beim Gießen, bedingt durch die Wärmespeicherkapazität des Materials der Kerbeinlage. Da die Kerbeinlagen sich wie Kühleisen verhalten, ermöglichen sie durch Beschleunigung der Abkühlgeschwindigkeit im Kerbgrundbereich die Entstehung von Weißeinstrahlung. Das heißt, je größer die Wärmespeicherkapazität der Kerbeinlage ist, desto größer ist auch die positive Auswirkung auf die Struktur des die Kerbeinlage umgebenden Materials und letztlich auf die sich beim Bruchtrennen ergebenden Bruchverläufe.

Als besonders nachteilig an diesem Stand der Technik ist zu nennen, dass die Herstellung der Kerbeinlagen aufgrund der scharfkantigen Kerbspitzen sehr aufwendig ist und auch, dass die zu erreichende Rauhigkeit an den Seitenflächen der Kerbspitzen, den Kerbflanken 2, nur mit hohem technischen Aufwand realisierbar ist.

Daraus folgen sehr hohe Anfertigungskosten. Alternativ dazu führt eine zu große Rauhigkeit der Kerbeinlagen zu schlechteren Bruchergebnissen. D. h., der Bruchverlauf kann nur dann einigermaßen vertretbare Ergebnisse zeigen, wenn die Kerbeinlagen mit sehr hoher Genauigkeit und geringer Rauhigkeit und folglich mit sehr hohen Anfertigungskosten hergestellt werden.

Ein Kerbspitzenwinkel 3 von α = 15° ruft bereits sehr schlechte Bruchergebnisse hervor. Die scharfe Kerbspitze ermöglicht zudem nur eine geringe Belastung bei Risseintritt und hat ansonsten kaum Einfluss auf den Bruchverlauf, weil der Riss zu früh eintreten und somit vor dem Risseintritt die Spaltbruchspannung nur für den Kerbgrund und nicht für den gesamten Bruchflächenquerschnitt erreicht werden kann.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Bruchtrennkerbe zur Verfügung zu stellen, welche den Bruchverlauf bei der Bruchtrennung von Gusseisenmaterialien positiv beeinflusst und welche mit niedrigeren Kosten und geringerem technischen Aufwand herstellbar ist.

Die Konzeption der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die Kerbspitzenwinkel der Bruchtrennkerbe für Gusseisenwerkstoffe gegen Null gehen, also im Extremfall parallel verlaufen oder aber so klein als möglich gehalten werden und dass weiterhin die Kerben an ihren Enden Rundungen aufweisen, wobei diese Rundungen (Kerbspitzenradius) und die Kerbtiefe unter Berücksichtigung der Sollbruchfläche (Breite und Dicke des Bauteils) in Abhängigkeit der Spannungsformzahl derart bestimmt werden, dass die Spannungsformzahl so hoch wie möglich gewählt wird.

Die Kerbeinlagen für die erfindungsgemäßen Bruchtrennkerben sind korrespondierend gestaltet und somit dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbflanken parallel ausgebildet sind oder mit Rücksicht auf die Entformung der Kerbeinlagen mit einem geringen Kerbspitzenwinkel gestaltet sind, wobei aber der Kerbspitzenradius in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie und großer Spannungsformzahlen so groß wie möglich gewählt wird und dadurch an den Kerbspitzen relativ viel Material für die Weißeinstrahlung in das Gusseisenmaterial vorhanden ist.

Die Vorteile der Verwendung der erfindungsgemäßen Kerbeinlage und der dadurch erhaltenen erfindungsgemäßen Bruchtrennkerbe bestehen darin, dass vor dem Risseintritt die Spaltbruchspannung für den gesamten Sollbruchflächenquerschnitt erreicht wird, somit der Bruchverlauf in einer Ebene verläuft und die sich ergebenden Bruchflächen bei Gusseisenwerkstoffen und insbesondere bei Gusseisen mit Vermikulargraphit GGV gleichmäßiger sind und nicht schräg zum Bruchrand hin verlaufen und dass die Kerbeinlagen und damit letztlich die Bruchtrennkerbe infolge der großen Kerbspitzenradien und geringeren Anforderungen an die Rauhigkeit einfacher und kostengünstiger herstellbar sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1: Schnitt Kerbgeometrie gemäß EP 0 868 614 B1

Fig. 1.1: Schnitt Kerbspitzenradius

Fig. 2: Erfindungsgemäße Kerbgeometrie mit parallelen Kerbflanken

Fig. 2.1: Schnitt Kerbspitzenradius

Fig. 3: Erfindungsgemäße Kerbgeometrie mit kleinem Kerbflankenwinkel

Fig. 3.1: Schnitt Kerbspitzenradius

Fig. 4: Erfindungsgemäße Kerbeinlage mit parallelen Kerbflanken

Fig. 5: Erfindungsgemäße Kerbeinlage mit einem Kerbflankenwinkel von 3°

Als Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2 eine erfindungsgemäße Kerbgeometrie für eine Bruchtrennkerbe 1 zur Anwendung für die Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen.

Zur Gestaltung der Kerbspitzengeometrie werden übliche Diagramme zur Auswahl der Spannungsformzahl je nach Art der eingebrachten Bruchtrennbelastung und Bauteilform verwendet.

Beim Bruchtrennen der Kurbelwellenlagerdeckel wird die Belastung durch Zugbeanspruchung der Lagerdeckel eingebracht. Daher wurde zur Anpassung der Kerbspitzengeometrie das Spannungsformzahl - Diagramm der Zugbeanspruchung für Flachstahl herangezogen.

Mit Hilfe derartiger Diagramme werden Spannungsformzahlen zur Gestaltung von Bruchtrennkerben für Bauteile, die bei Beanspruchung nicht zu Bruch gehen sollen, bestimmt, indem man versucht, in dem tiefsten Bereich des Diagramms bei niedrigen Spannungsformzahlen zu bleiben.

In vorliegendem Fall werden einem Vorurteil der Fachwelt entgegen für die Gestaltung der Kerbgeometrie die größtmöglichen Formzahlen verwendet und überraschenderweise sehr gute Ergebnisse erzielt.

Der Kerbflankenwinkel 3 ist α = 0, wie aus Fig. 2 hervorgeht, d. h. die Kerbflanken 2 sind an den Kerbspitzen 4 parallel zueinander.

Für den Fall des Kurbelgehäuses wurde für die Kerbspitzengeometrie der Kerbeinlagen 8 bei eingegossenen Kerben nach Ermittlung eine Kerbtiefe 6 von 1,2 mm ein Kerbspitzenradius 5 von R = 0,8 mm bei einer Spannungsformzahl von 3,0 ermittelt. Gleichfalls vorteilhafte Ergebnisse werden bereits ab Spannungsformzahlen von 2,0 erreicht. Der Kerbspitzenradius 5 sollte dabei aber größer als 0,45 mm ausgebildet sein, um der erfindungsgemäßen Konzeption zu entsprechen.

Für den Fall, dass Entformungsprobleme auftreten, werden die Kerbflanken 2 gemäß Fig. 3 so gestaltet, dass der Kerbflankenwinkel 3 größer als 0° ist. Im vorliegenden Beispielfall beträgt α = 3°. Ebenso können Kerbflankenwinkel 3 zwischen 0° und 20° erfindungsgemäß erfolgreich angewandt werden, wenn die Kerbspitzenradien 5 an die Bauteilgeometrie angepasst gewählt werden, das heißt, je größer das Bauteil ist, desto größer ist der Kerbspitzenradius zu wählen.

In Fig. 4 ist eine Kerbeinlage 8 dargestellt, welche beim Gießen zur Erzeugung von erfindungsgemäßen Bruchtrennkerben 1 in Zylinderkurbelgehäusen angewandt wird. Die Kerbeinlage 8 kann zu Positionierungszwecken Zentrierbohrungen 9 aufweisen. Der Kerbspitzenradius 5 wurde mit 0,8 mm ausgeführt, die Dicke 7 der Kerbeinlage 8 beträgt 1,6 mm bei einer Gesamtlänge der Kerbeinlage 8 von ca. 80 mm. Die mit dieser Kerbeinlage erzeugten Kerbgeometrien entsprechen den in Fig. 2 und Fig. 2.1 dargestellten Bruchtrennkerben 1.

Fig. 5 zeigt, wie eine Kerbeinlage 8 gestaltet ist, um Bruchtrennkerben 1 gemäß Fig. 3 und Fig. 3.1 zu erzeugen. Werden Probleme bei der Entformung der Kerbeinlagen 8 erwartet, so kann man die die Kerbflanken 2 erzeugenden Flächen mit einem Winkel zwischen 0° und 15° zur Horizontalen ausbilden.

Vorteilhaft wurde in Fig. 3.1 ein Winkel von 3° verwendet, um Entformungsproblemen vorzubeugen.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere einfache und schnelle Anfertigung der Kerbeinlagen 8, da keine geringe Rauhigkeit und keine scharfen Spitzen der Kerbeinlagen erforderlich sind. Dennoch werden gute Bruchergebnisse bei geringeren Anfertigungskosten für die Kerbeinlagen im Vergleich zu den sehr scharfspitzigen Kerben erzielt, bei denen die Kerbspitzenflanken 2 mit der Horizontalen einen Kerbflankenwinkel 3 von α = 15° bilden.

Zudem liegt bei den Kerbeinlagen 8 gemäß Fig. 4 und 5 mit gerundeten Kerbenden ein größeres Materialvolumen der Kerbeinlagen in der Gussschmelze. Da die Kerbeinlagenenden sich in der Gussschmelze auch wie Kühleisen verhalten, kann bei Kerbeinlagen mit gerundeten Enden mehr Weißeinstrahlung im Kerbgrundbereich erzielt werden als bei solchen mit scharfen Kerbspitzen. Die Weißeinstrahlung aber wiederum begünstigt ebenfalls in gewissem Rahmen einen guten Bruchverlauf.

Ein guter Bruchverlauf erfordert einen Kerbflankenwinkel 3 von α gegen 0 sowie die Anpassung der Kerbgeometrie (Kerbtiefe 6 und Kerbspitzenradius 5) an die Bauteilgeometrie. Hierdurch wird die Universalität der erfindungsgemäßen Konzeption deutlich. Die offenbarten Ausführungsbeispiele zeigen die Kombination von Kerbflankenwinkel 3, Kerbspitzenradius 5 und Kerbtiefe 6 nur für ein konkretes Ausführungsbeispiel, wohingegen die Konzeption der Erfindung eine Vielzahl von möglichen Variationen der genannten Parameter beinhaltet.

Ein kleines Bauteil erfordert entsprechend klein dimensionierte Kerbspitzen (kleinerer Kerbspitzenradius 5, geringere Kerbtiefe 6), ein größeres Bauteil erfordert dagegen eine entsprechend größere Dimensionierung.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1

Bruchtrennkerbe

2

Kerbflanke

3

Kerbflankenwinkel, Kerbspitzenwinkel α

4

Kerbspitze

5

Kerbspitzenradius R

6

Kerbtiefe

7

Dicke der Kerbeinlage

8

Kerbeinlage

9

Zentrierbohrungen

Claims (9)

1. Bruchtrennkerbe, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbspitzenwinkel 3 der Bruchtrennkerbe 1 für Gusseisenwerkstoffe zwischen 0° und 20° aufweisen und dass weiterhin die Kerbspitzen 4 der Bruchtrennkerben 1 eine Rundung an den Kerbenden mit einem Kerbspitzenradius 5 aufweisen.

2. Bruchtrennkerbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbtiefe 6 und der Kerbspitzenradius 5 der Bruchtrennkerbe 1 unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie in Abhängigkeit der Spannungsformzahl derart bestimmt wird, dass die Spannungsformzahl so hoch wie möglich gewählt wird.

3. Bruchtrennkerbe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kerbspitzenwinkel 3 der Bruchtrennkerbe 1 kleiner als 20° und größer als 5° ausgebildet ist.

4. Bruchtrennkerbe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kerbspitzenwinkel 3 der Bruchtrennkerbe 1 kleiner als 5° ausgebildet ist.

5. Bruchtrennkerbe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsformzahl größer als 2 für die Bestimmung der Kerbtiefe 6 und des Kerbspitzenradius 5 gewählt wird.

6. Bruchtrennkerbe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsformzahl größer oder gleich 3 für die Bestimmung der Kerbtiefe 6 und des Kerbspitzenradius 5 gewählt wird.

7. Bruchtrennkerbe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerbspitzenradius 5 größer als 0,45 mm ausgebildet ist.

8. Bruchtrennkerbe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerbspitzenradius 5 größer oder gleich 0,8 mm ausgebildet ist.

9. Kerbeinlagen für die Herstellung von Bruchtrennkerben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbeinlagen 8 in dem die Kerbgeometrie erzeugenden Bereich Flächen für Kerbflanken 2 aufweisen, welche parallel zueinander ausgebildet sind oder die mit Rücksicht auf die Entformung der Kerbeinlagen 8 mit einem geringen Kerbspitzenwinkel 3 gestaltet sind, wobei aber der Kerbspitzenradius 5 und die Kerbtiefe 6 in Abhängigkeit großer Spannungsformzahlen so groß wie möglich gewählt werden und dadurch an den Kerbspitzen 4 viel Material der Kerbeinlage 8 für die Weißeinstrahlung in das Gusseisenmaterial vorhanden ist.