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Die
Erfindung betrifft eine Formeinlage für einen Gießkern
und/oder eine Gießform gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Gießkern
für die Herstellung von Bauteilen aus Gießmetall
mit einer Formeinlage nach Anspruch 13 sowie eine Gießform
nach Anspruch 18.
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Zur
Herstellung von Bauteilen aus Gießmetallen mit innen oder
außen liegenden Konturen verwendet man gewöhnlich
Dauerformen oder verlorene Formen, ggf. mit innen oder außen
liegenden Gießkernen. Verlorene Kerne werden aus Sand in
Kernkästen hergestellt. Diese sind mit entsprechenden Formhohlräumen
versehen, in welche Einfüllöffnungen münden, über
die der mit einem Bindemittel vermischte Sand eingefüllt
wird.
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Nach
dem Einfüllen der Sandmischung in den Kernkasten folgt
die Aushärtung. Anschließend wird der nun in sich
formstabile Gießkern dem Kernkasten entnommen und – ggf.
zusammen mit weiteren Gießkernen – in einer Dauerform
oder verlorenen Form positioniert, welche im nachfolgenden Gießprozess
mit einem fließfähigen Metall, nämlich
einer Eisen- oder Nichteisenlegierung, gefüllt wird.
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Nach
dem Erstarren des Gießmetalls wird das Bauteil aus der
Gießform entnommen und ggf. vom Sand befreit. Anschließendes
Reinigen entfernt jegliche Formrückstände. Das
fertige Endprodukt weist nun die gewünschte Formgebung
auf.
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Eine
solche Formgebung kann beispielsweise eine Hohlraumstruktur aufweisen.
Ein Beispiel hierfür ist der Kühlwassermantel
einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. Deren Zylinderblock (Zylinderkurbelgehäuse)
hat eine oder mehrere Zylinderbohrungen, die von Zylinderwandungen
begrenzt sind. Um eine möglichst kompakte Bauform des Motors
zu erreichen, wählt man kleine Zylinderabstände,
so dass sich die Zylinderwandungen benachbarter Zylinder berühren.
Diese als Stege bezeichneten Bereiche werden jedoch nicht mehr von
Kühlmittel durchströmt, was zu thermischen Problemen
führen kann. Aus diesem Grund ist daher meist eine Kühlung
auch zwischen den sich berührenden Zylindern notwendig,
insbesondere im oberen Bereich des Brennraums der Zylinder, d. h.
am oberen Totpunkt der in den Zylindern gleitenden Kolben.
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Um
dies zu erreichen, hat man in die Zylinderstege Bohrungen eingebracht.
Diese weisen jedoch einen zu geringen Strömungsquerschnitt
auf. Zudem entsteht, bedingt durch den kreisförmigen Querschnitt
der Bohrungen, örtlich eine zu dünne Zylinderwandung,
die bei hoher Zünddruck- und Temperaturbelastung zur Rissbildung
neigen kann.
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In
DE-A1-33 00 924 wurde
vorgeschlagen, in die Zylinderstege Rohre einzugießen,
die eine Verbindung zwischen den seitlichen Kühlwassermänteln des
Zylinderblocks herstellen sollen. Problematisch hierbei ist, dass
die Rohre an den Enden vorgearbeitet und beim Gießen abgedichtet
werden müssen. Zudem werden die Rohre von den Zylinderbohrungen
angeschnitten, so dass innerhalb des Zylinders verschiedene Materialien
mit unterschiedlichen Material- und Oberflächeneigenschaften
vorhanden sind, was höchst problematisch ist.
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EP-A1-0 197 365 bildet
die Kühlwasserkanäle in den Zylinderstegen mit
separaten Kernstegen aus, die in Höhe des Zylinderbrennraumes
die beiden gegenüberliegenden Längsseiten des
Wassermantelkerns miteinander verbinden. Die Kernstege werden – unabhängig
vom Mantelkern – aus hochverdichtetem Zirkonsand geformt,
um die notwendige Festigkeit zu erlangen, und anschließend
im Gießkern eingepasst. Von Nachteil hierbei ist, dass
die Kernstege bei der Ausbildung sehr schmaler Kanäle leicht
brechen, was zu Schäden am Abguss führen kann. Überdies
fallen bei der Verwendung von Zirkonsand hohe Kosten an, weil das
Material relativ teuer und für die Herstellung der Kernstege
ein separates Werkzeug notwendig ist.
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Ein
aus
DE-C2-38 28 093 bekannter
Gießkern für den Wassermantel eines Zylinderblocks
verwendet für die Herstellung von Kühlwasserkanälen
in den Zylinderstegen separate Stützen in Form von rechteckigen
Platten aus gesinterter Oxidkeramik. Jede Keramikplatte ist an ihren
im Einbauzustand parallel zu den Zylinderachsen verlaufenden Rändern mit
im Querschnitt dreieckigen Randwülsten versehen, die beim
Kernschießen im Wassermantelkern verankert werden sollen.
Von Nachteil hierbei ist, dass die Herstellung dieser Keramikstützen
sehr kostenintensiv ist, weil die notwendigen Materialien und Werkzeuge
relativ teuer sind. Problematisch ist ferner, dass das Keramikmaterial
sehr widerstandsfähig ist, wodurch die Stützen
beim Gießprozess nicht zuverlässig zerstört
werden. Dann jedoch lassen sich die Materialreste beim Reinigen
des Bauteils nicht ohne weiteres entfernen.
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Ein
weiterer Nachteil der aus
DE-C2-38
28 093 bekannten Gießkerne besteht darin, dass
die Keramikplatten das Gießmetall an zahlreichen Stellen berühren.
Das Gießen auf Keramik kann jedoch zu einer Abschreckwirkung
für das Gießmaterial führen, wodurch
sich in den Berührungsbereichen ein anderes Materialgefüge
ausbilden kann. Dies wiederum führt häufig zu
Spannungen innerhalb des fertigen Bauteils oder zu Bearbeitungsproblemen.
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DE-A1-198 32 718 sieht
für die Ausbildung von kleineren Hohlräumen in
Gussteilen die Verwendung von separaten Kernteilen aus Kohlenstoff
vor, die nach dem Gießprozess unter Zuführung
von Sauerstoff ausgebrannt werden. Die Kernteile sind als Graphitplatten
ausgebildet. Sie werden als Brücken im Formhohlraum der
Zylinderbohrungszwischenwand angeordnet und mit ihren verdickt ausgebildeten
Enden beim Einschießen der Sandmischung in den Gießkern
eingeformt. Nachteilig hierbei ist, dass das Herstellen der Graphitplatten
aufwendig und teuer ist. Hinzu kommt, dass die Graphitplatten durch
einen zusätzlichen Arbeitsschritt ausgebrannt werden müssen.
Dies erfordert zusätzlichen apparativen Aufwand, was sich
ungünstig auf die Herstellkosten auswirkt. Unabhängig
von alledem sind Graphitplatten in der Handhabung sehr problematisch,
weil diese leicht brechen können, insbesondere wenn die
Dicke der Platte bei 0,5 bis 2 mm liegt.
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Ziel
der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der
Technik zu vermeiden und eine Formeinlage für eine Gießform
und/oder einen Gießkern zu schaffen, die für die
Ausbildung von kleinen bis sehr kleinen Hohlräumen oder
Ausnehmungen in Gussteilen geeignet ist. Die Formeinlage soll einfach
und kostengünstig aufgebaut und leicht zu handhaben sein,
wobei insbesondere die Bruchgefahr bei Dickenabmessungen kleiner
2 mm deutlich zu reduzieren ist. Die Formeinlage soll sich ferner
als verlorenes Formteil rasch und bequem aus dem fertigen Bauteil
entfernen lassen.
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Ein
weiteres wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, einen Gießkern
und/oder eine Gießform für die Herstellung von
Bauteilen aus Gießmetall zu schaffen, der bzw. die neben
größeren Hohlräumen auch für
die Ausbildung von kleinen bis sehr kleinen Hohlräumen
oder Ausnehmungen in Gussteilen geeignet ist. Der Gießkern
bzw. die Gießform soll einfach und kostengünstig
aufgebaut und leicht zu handhaben sein, sowie nach dem Gießprozess
vollständig und leicht zu entfernen sein. Angestrebt wird
ferner eine möglichst freie Gestaltung der Bauteile, insbesondere
mit eng oder schmal ausgebildeten Hohlräumen, Kanälen,
Ausnehmungen oder Konturbereichen.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 sowie
in den Ansprüchen 13, 18, 19 und 20 angegeben. Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 12 und 14 bis 17.
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Bei
einer Formeinlage für einen Gießkern und/oder
eine Gießform für die Herstellung von Bauteilen
aus Gießmetall, die mit kleinen und/oder schmalen Hohlräumen
zu versehen sind, mit einem Grundkörper, der wenigstens
einen Kontaktbereich zum Gießmetall und wenigstens einen
Kontaktbereich zum Gießkern und/oder zur Gießform
aufweist, sieht die Erfindung vor, dass der Grundkörper
aus einem faser- und/oder garnhaltigen Material gefertigt ist.
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Die
Verwendung von faser- und/oder garnhaltigem Material ermöglicht
die Herstellung von Formeinlagen, die innerhalb des Gießkerns
und/oder innerhalb der Gießform eine nahezu beliebige Gestalt
aufweisen können. Insbesondere lassen sich produktbezogene
Formen und Konturen realisieren, die mit bisher üblichen
Fertigungsverfahren und Materialien in der Gießereiindustrie
nicht möglich waren. Die Formeinlagen lassen sich aufgrund
der Eigenelastizität des faser- und/oder garnhaltigen Materials – je
nach Anwendung – extrem dünn ausbilden, so dass
innerhalb einer Hohlraumstruktur extrem kleine und/oder schmale
Frei- bzw. Hohlräume entstehen, ohne jedoch die Gefahr,
dass sich innerhalb der Formeinlagen Risse oder Bruchstellen ausbilden. Dadurch
können innerhalb des herzustellenden Bauteils keine Grate
oder Schadstellen entstehen, die zu Ausschuss führen oder
die später in einer aufwendigen Nachbehandlung entfernt
werden müssen.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Formeinlagen
besteht darin, dass diese im Vergleich zu herkömmlichen
Keramikstützen oder Kernteilen äußerst
kostengünstig gefertigt werden können. Zudem sind
für die Herstellung und Handhabung der erfindungsgemäßen
Formeinlagen keine aufwendigen Maschinen oder Apparaturen mehr notwendig.
Das verwendete Material sorgt vielmehr dafür, dass sich die
Formeinlagen mit ausreichender Festigkeit und in solch stabiler
Form ausbilden lassen, dass sie stets fest und lagegenau in den
Gießkern und/oder in die Gießform eingebunden
sind.
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Die
erfindungsgemäßen Formeinlagen können
beispielsweise bei der Ausbildung eines Kühlwassermantels
in einem Motorblock einer Hubkolben-Brennkraftmaschine Anwendung
finden, wobei mittels der Formeinlagen in den schmalen Zylinderstegen
zwischen den Zylinderbohrungen extrem dünne Kanäle
ausgebildet werden, die beispielsweise eine Breite von unter 1,5
mm aufweisen. Damit ermöglicht der Einsatz der Formeinlagen
aus faser- und/oder garnhaltigem Material dem Motorenkonstrukteur
die Ausbildung einer Stegkühlung bei optimal verbleibender
Zylinderwandung. Überdies ist kann der Wassersteg ohne
die bislang übliche Formschräge ausgebildet werden,
was die lichte Querschnittsfläche des auszubildenden Kanals
weiter erhöht.
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Bei
dem faserhaltigen Material handelt es sich um Pappe, Karton, Papier,
Vlies, Vliesstoff oder Filz, während das garnhaltige Material
ein Gewebe, ein Gestrick oder ein Gewirk ist. Diese Materialien lassen
sich nicht nur in optimaler Qualität kostengünstig
beschaffen, auch die Verarbeitung zu produktbezogenen Formeinlagen
ist einfach und mit geringem Kostenaufwand möglich.
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Das
aus Pappe, Karton, Papier, Vlies, Vliesstoff oder Filz bestehende
Material kann vor der endgültigen Formgebung und/oder dem
Einbinden in einen Gießkern und/oder eine Gießform
mechanisch, thermisch oder chemisch verfestigt werden, so dass die
Formeinlage eine ausreichende Festigkeit und Eigenstabilität
aufweisen.
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Das
faser- und/oder garnhaltige Material kann aus keramischen, Glas-
oder Kohlefasern bestehen, wodurch weitere Anwendungs- und Einsatzbereiche
erschlossen werden.
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Eine
wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das faser-
und/oder garnhaltige Material mit einem Bindemittel vermischt und/oder
getränkt ist. Die Formeinlage lässt sich dadurch
in einer vorgebbaren Form aushärten, ggf. in einem Arbeitsschritt
mit dem Aushärten des Gießkern und/oder der Gießform.
Die Formgebung der Formeinlage kann innerhalb des Kernkastens, innerhalb
der Gießform oder separat erfolgen. Das Bindemittel kann
trocken, feucht, flüssig oder gasförmig ausgebildet
sein.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass innerhalb
des Bauteils präzise Konturen mit sehr geringen Abmessungen
erzeugt werden können, die selbst strengen Toleranzanforderungen
genügen. Gleichzeitig sind die Bruchgefahr gegenüber
herkömmlichen Keramikstützen oder Kernteilen deutlich
reduziert, was sich günstig auf die Bauteilfunktion, die
Qualität und die Wirtschaftlichkeit der zu gießenden
Bauteile auswirkt.
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Von
Vorteil ist ferner, dass die für die Formeinlagen vorgesehenen
Materialien und der für die Herstellung des Gießkerns
und/oder der ggf. verlorenen Gießform verwendete Sand ähnliche
thermische Eigenschaften haben, so dass das Gießmetall
in den Kontaktbereichen mit den Formeinlagen nicht abgeschreckt
wird. Das Gefüge des Gießmetalls bleibt dadurch
unverändert homogen, was sich günstig auf die Qualität
der Bauteile auswirkt.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich darin, dass die Formeinlagen
die während des Erstarrungsprozesses auftretende Schwindung
des Bauteils nicht behindert. Im Bauteil können daher keine
zusätzlichen Spannungen entstehen.
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Die
Erfindung sieht weiter vor, dass der Grundkörper beschichtet
ist, beispielsweise mit einem üblichen hitzebeständigen
oder feuerfesten Material. Dadurch bleibt die Formeinlage bis zum
Erstarren der Oberfläche des gegossenen Bauteils formstabil
erhalten.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kontaktbereich des
Grundkörpers zum Gießkern und/oder zur Gießform
mit wenigstens einem Durchbruch versehen ist. Dadurch wird das Sandvolumen
des Gießkerns bzw. der Gießform zu beiden Seiten
der Formeinlage miteinander verbunden. Der Gießkern und
die Formeinlage bilden damit einen festen Verbund, der örtlich
nicht geschwächt ist.
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Der
Grundkörper der Formeinlage kann gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ein- oder mehrlagig ausgebildet sein,
wobei die einzelnen Lagen bzw. Schichten aus einem einheitlichen
Material oder aus verschiedenen faser- und/oder garnhaltigen Materialien
bestehen können.
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Um
die Festigkeit der Formeinlagen weiter zu erhöhen, kann
der Grundkörper eine Armierung aufweisen, die z. B. zwischen
den einzelnen Lagen des Grundkörpers angeordnet ist. In
Betracht kommt beispielsweise ein Lochblech oder ein Drahtgewebe, das
fest in die Formeinlage eingebunden ist.
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Die
Verwendung von Pappe, Karton oder Papier oder von anderen nicht
hitzebeständigen Materialien aus Vlies, Vliesstoff oder
Filz für die Ausbildung der Formeinlage hat weiter den
Vorteil, dass diese Materialien nach dem Erstarren des Gießmetalls
in der Gießform gemeinsam mit dem Bindemittel weitestgehend
verkohlt ist und bereits während des Reinigens rasch aus
dem fertigen Bauteil entfernt werden können. Die Formeinlage
hinterlässt dabei einen sauberen, gratfreien Öffnungsquerschnitt,
der beispielsweise als Kühlkanal im oberen Zylinderbereich einer
Brennkraftmaschine ausgebildet sein kann. Das gleiche gilt für
das garnhaltige Gewebe, Gestrick oder Gewirk, sofern es nicht hitze-
bzw. feuerbeständig ist. Das Material verkohlt während
des Gießprozesses und kann leicht aus dem Bauteil entfernt
werden.
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Wählt
man hingegen für die Formeinlage ein Material, das aus
hitze- oder feuerbeständigen Fasern und/oder Garnen besteht,
so verliert die Einlage nach dem Erstarren des Gießmetalls
seine Eigenstabilität, nicht jedoch ihren Zusammenhalt.
Die Formeinlage kann nun mit einem Greifwerkzeug aus dem Konturenbereich
des Bauteils entfernt werden. Auch hierbei entsteht ein Hohlraum,
der sauber und gratfrei ausgebildet ist und keiner Nachbearbeitung
mehr bedarf.
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Um
das Herausziehen der Formeinlage aus dem fertigen Bauteil zu vereinfachen,
ist der Grundkörper zweckmäßig mit einer
Lasche versehen, die gut erreichbar ist und beispielsweise in den
Freiraum der Gießform hineinragt. Die Lasche kann fest
mit dem Grundkörper der Formeinlage verbunden oder mit
dieser einstückig sein.
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Für
die Gestaltung einer kleinen und/oder schmalen Kontur in dem zu
gießenden Bauteil ist es zweckmäßig,
wenn der Grundkörper der Formeinlage im Querschnitt rechteckig,
konkav oder konvex ausgebildet ist. Beispielsweise kann man den
Grundkörper ein- oder beidseitig im Querschnitt zumindest abschnittsweise
konturgeprägt ausbilden, beispielsweise keilförmig,
was bei einer Zylinderstegkühlung im Hinblick auf die Strömungsverhältnisse
von Vorteil sein kann.
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Die
Erfindung sieht weiter den Einsatz der erfindungsgemäßen
Formeinlage in einem Gießkern vor, insbesondere für
die Herstellung von Bauteilen aus Gießmetall mit engen
oder schmalen Konturbereichen.
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Die
Formeinlage ist bevorzugt kraft und/oder formschlüssig
im Grundkörper des Gießkerns integriert, wobei
der Grundköper der Formeinlage beispielsweise in den Gießkern
eingeschossen wird. Dazu werden die freistehenden Kontaktbereiche
der Formeinlage zum Gießkern beim Füllvorgang
des Kernkastens vollständig mit Kernsand umgeben und von
diesem eingeschlossen, wobei das Bindemittel des Sandes eine feste
Bindung zwischen der Formeinlage und dem Gießkern gewährleistet.
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Alternativ
kann die Formeinlage auch nach dem Kernschießen in den
Gießkern eingesetzt werden und mechanisch, mittels eines
Klebers oder mittels einer zusätzlichen Vergussmasse gesichert
werden.
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Ein
so im Verbund gefertigter Gießkern kann beispielsweise
als Wassermantelkern den gesamten Konturenbereich für die
Wasserkühlung der Zylinderrohre einer Brennkraftmaschine
ausbilden. Die Formeinlagen können dabei Bestandteil einer
komplett montierten Kerneinheit bilden. Letztere kann die gesamte
Innen-, eventuell auch Außenkontur eines Zylinderkurbelgehäuses
formen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper
des Gießkerns und die in dem Gießkern integrieren
Formeinlagen beschichtet sind, beispielsweise mit einem üblichen
hitzebeständigen oder feuerfesten Material. Dadurch bleiben
der Gießkern und die Formeinlage bis zum Erstarren der Oberfläche
des gegossenen Bauteils formstabil erhalten. Durch eine gemeinsame
Beschichtung von Gießkern und Formeinlage entsteht eine
einheitliche in sich geschlossene Oberfläche.
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Wichtig
ist, dass die Formeinlagen und der Gießkern eine feste
und stabile Einheit bilden, die in eine entsprechende Gießform
eingesetzt werden können. Dementsprechend sieht die Erfindung
weiter eine Gießform für die Herstellung von Bauteilen
aus Gießmetall vor, die – im Falle einer verlorenen
Form – einen Grundkörper aus Sand oder – im
Falle einer Dauerform – einen Grundkörper aus
Metall aufweist. In dem Grundkörper können eine
Formeinlage und/oder ein Gießkern angeordnet und/oder integriert
sein.
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Mit
Vorteil sieht die Erfindung weiter die Verwendung einer Formeinlage
zur Herstellung eines Gießkerns vor. Ferner beansprucht
die Erfindung die Verwendung eines Gießkerns und/oder einer
Gießform mit einer Formeinlage zur Herstellung eines Bauteils
aus Gießmetall.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
Teil-Schnittansicht eines Zylinderblocks einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
Teil-Schnittansicht des Zylinderblocks von 1 in Höhe
der Linie I-I mit geschlossenem Steg,
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3 eine
Teil-Schnittansicht des Zylinderblocks von 1 in Höhe
der Linie I-I mit einem zwischen zwei Zylinderbohrungen ausgebildeten
Wasserspalt,
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4 eine
Seitenansicht einer Formeinlage,
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5 eine
Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Formeinlage,
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6 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Formeinlage,
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7 eine
auseinandergezogene Schrägansicht einer noch anderen Ausführungsform
einer Formeinlage,
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8 ein
Längsschnitt durch eine Formeinlage, und
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9 eine
Teil-Schnittansicht des Zylinderblocks von 1 in Höhe
der Linie I-I mit noch nicht entferntem Gießkern und Kernelement.
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Der
in 1 allgemein mit 1 bezeichnete Zylinderblock
ist für eine (nicht weiter dargestellte) Hubkolben-Brennkraftmaschine
vorgesehen. Es handelt sich um ein Bauteil, das in einer (gleichfalls
nicht gezeigten) Gießform aus einer Eisen- oder Nichteisenlegierung
gegossen wird.
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Der
Zylinderblock 1 hat eine Außenwandung 2 sowie
mehrere, beispielsweise in Reihe angeordnete Zylinderbohrungen 3,
die von Zylinderwänden 2' begrenzt sind Zwischen
der Außenwandung 2 und den Zylinderwänden 2' ist
ein Hohlraum 4 ausgebildet, der während des Betriebes
des Motors von Kühlwasser durchströmt wird, welches
die bei der Verbrennung entstehende Hitze abführt. Weitere
Ausnehmungen 6 können den auch als Wassermantel bezeichneten
Hohlraum 4 mit entsprechenden Hohlräumen in einem
(nicht gezeigten) Zylinderkopf verbinden, der mittels (nicht dargestellter)
Schrauben mit dem Zylinderblock 1 fest verschraubt wird.
Zur Aufnahme der Schrauben sind in dem Zylinderblock 1 Gewindelöcher 7 ausgebildet.
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Die
Zylinderwände 2' bilden – wie 2 näher
zeigt – zwischen je zwei Zylinderbohrungen 3 schmale
Stege 8, wobei die Breite B der Stege 8 zugunsten
einer kompakten Bauform des Motors relativ schmal sein kann.
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Um
thermische Probleme, insbesondere im oberen Bereich der Zylinderbohrungen 3,
d. h. im Bereich des oberen Totpunktes der in den Zylindern gleitenden
Kolben, zu vermeiden, ist – wie in 3 gezeigt – in
jedem Steg 8 ein schmaler Hohlraum 5 bzw. ein
Wassersteg ausgebildet, der es dem im Wassermantel 4 strömenden
Wasser ermöglicht, auch zwischen den Zylinderbohrungen 3 hindurch
zu strömen, um auf diese Weise die Zylinderwände 2' in den
schmalen Stegbereichen 8 zu kühlen.
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Die
Breite b der Wasserstege 5 liegt zwischen 0,5 mm und 3
mm. Sie ist damit deutlich kleiner als die Breite B der Stege 8,
so dass die Stabilität des Zylinderblocks 1 trotz
der schmalen Stege 8 bzw. der kompakten Bauweise des Motors
nicht beeinträchtigt wird. Die (nicht näher gezeigte)
Höhe der Wasserstege 5 ist den jeweiligen Bauteilbedürfnissen angepasst,
damit stets ausreichend Wasser hindurch hindurchströmen
kann. Innerhalb der Wasserstege 5 können bei Bedarf
Materialbrücken eingebracht sein, welche stabilisierend
und/oder wasserlenkend wirken.
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Für
die Ausbildung des in dem Zylinderblock 1 vorgesehenen
Wassermantels 4 wird ein Gießkern 100 verwendet
(siehe dazu 9), der in eine (nicht dargestellte)
Gießform eingesetzt wird. Der Gießkern 100 besteht
aus einem geeigneten Kernsand, der mit einem Bindemittel versehen
ist. Er wird in an sich bekannter Weise in einem (nicht gezeigten)
Kernkasten mittels einer (gleichfalls nicht dargestellten) Kernschießmaschine
hergestellt.
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Für
die Ausbildung der zwischen den Zylinderbohrungen 3 ausgebildeten
schmalen Wasserstege 5 sind innerhalb des Gießkerns 100 Formeinlagen 10 eingebracht,
die exakt in der Mitte der Stege 8 und in geeigneter Höhe
positioniert und ausgerichtet sind, so dass nach dem Gießprozess
und nach dem Entfernen des Gießkerns 100 und der
Formeinlagen 10 innerhalb des Bauteils 1 die gewünschte
Hohlraumstruktur 4, 5 ausgebildet ist.
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Die
Formeinlage 10 hat – wie die 6 näher
zeigt – einen Grundkörper 20, der etwa
mittig einen Kontaktbereich 22 zum Gießmetall
aufweist. Dieser Kontaktbereich 22 wird beispielsweise
durch die Linien 23, 23' begrenzt, d. h. zwischen
den Linien 23, 23' steht die Formeinlage 10 nach
dem Füllen der Form mit dem Gießmetall in Kontakt.
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Zu
beiden Seiten des Kontaktbereichs 22 zum Gießmetall
weist der Grundköper 10 jeweils einen weiteren
Kontaktbereich 24 auf, mit denen die Formeinlage 10 in
den Gießkern 100 eingebunden wird. Dieser und
die Formeinlagen 10 bilden mithin einen Verbundkörper,
der als vorgefertigte Einheit in die Gießform eingesetzt
werden kann. Bei Bedarf kann der Verbundkörper 100, 10 mit
einer Beschichtung versehen sein, beispielsweise einer Kernschlichte.
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Damit
jede Formeinlage 10 stets zuverlässig in den Gießkern 100 eingebunden
ist und damit sich der Sand zu beiden Seiten der Formeinlage verbinden
kann, sind in den Kontaktbereichen 24 des Grundkörpers 10 Durchbrüche 30 eingebracht.
Diese können – wie in dem Ausführungsbeispiel
der 6 gezeigt – rund ausgebildet sein. Sie
können aber auch eine andere Form haben. Wichtig ist nur,
dass die Formeinlagen 10 präzise und zuverlässig
in den Gießkern 100 eingebettet sind.
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Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jeder Grundkörper 20 der
Formeinlagen 10 aus einem faserhaltigen Material gefertigt
ist, wobei bevorzugt Pappe oder Karton verwendet wird. Man kann
aber auch ein Papier, ein Vlies, einen Vliesstoff oder Filz verwenden.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper 20 der
Formeinlage 10 aus einem garnhaltigen Material besteht,
insbesondere einem Gewebe, einem Gestrick oder einem Gewirk, das
aus keramischen, Glas- oder Kohlefasern gefertigt worden ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper 20 aus
einem faserhaltigen und einem garnhaltigen Material gefertigt ist, wobei
z. B. Pappe mit einem Filz oder einem Gewebe kombiniert werden kann.
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Um
den Formeinlagen aus dem faser- und/oder garnhaltigen Material die
für den jeweiligen Anwendungszweck gewünschte
Festigkeit und Standzeit zu verleihen, wird das Material mechanisch,
thermisch oder chemisch verfestigt. Insbesondere besteht die Möglichkeit,
das Material mit einem Bindemittel zu vermischen oder – im
Falle eines Gewebes zu tränken. Ergänzend oder
alternativ kann man die Formeinlage auch mit einem hitze- oder feuerfesten
Material behandeln oder beschichten.
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Der
Grundkörper 20 kann einlagig ausgebildet sein.
Er kann aber auch aus mehreren Schichten oder Lagen bestehen, die – je
nach Anwendungsfall – unterschiedliche Größenabmessungen
aufweisen und der Formeinlage 10 die gewünschten
Eigenschaften verleiht. Beispielsweise können mehrere Schichten
Karton oder Papier verwendet werden, die deckungsgleich übereinander
liegen oder in Stufen angeordnet sind und dadurch einer gewünschten Bauteilkontur
folgen. Oder man kombiniert verschiedene faser- und/oder garnhaltige
Materialien im Verbund, um produktbezogene Eigenschaften optimal realisieren
zu können.
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Wie 7 weiter
zeigt, kann innerhalb der Formeinlage 10 eine Armierung 40 ausgebildet
sein. Hierbei handelt es sich z. B. um ein Gitter aus Metall oder
um ein Lochblech. Die Armierung 40 kann den gesamten Grundkörper 20 abdecken
oder – wie in 7 dargestellt – nur
einen Teilbereich der Grundkörpers 20. Sie kann
aber auch über die Außenkonturen des Grundkörpers 20 hinausragen,
um beispielsweise im Gießkern eingebunden zu werden. Auch
hierdurch wird die Formeinlage 10 zuverlässig im
Gießkern positioniert und fixiert. Denkbar ist ferner,
dass die Armierung außen auf der Formeinlage 10 aufgebracht
ist.
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Um
die Formeinlage 10 nach dem Gießprozess aus dem
Bauteil 1 herausziehen zu können, ist an dem Grundkörper 20 in
der Ausführungsform von 5 eine Lasche 50 ausgebildet.
Diese ragt nach dem Einbringen der Formeinlage 10 in den
Gießkern 100 über dessen Oberfläche
oder über eine in den 4 bis 6 als
strichpunktierte Linie angedeutete Zylinderkopf-Kontaktfläche 25 hinaus.
In der Ausführungsform der 6 ist zu
beiden Seiten des Kontaktbereichs 22 zum Gießmetall
je eine Lasche 50 ausgebildet.
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Der
Grundkörper 20 der Formeinlage kann im Querschnitt
rechteckig, konkav oder konvex ausgebildet sein. Die in den 8 und 9 dargestellte
Ausführungsform sieht einen Querschnitt auf, der beidseitig
keilförmig ausgebildet ist, so dass der Hohlraum 5 in
den Stegen 8 weitestgehend den Konturen der Zylinderbohrungen 3 folgt,
was Material spart und die Kühlwirkungen in den Hohlräumen 5 erhöht.
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Das
Einbinden der Formeinlagen 10 in den Gießkern 100 erfolgt
bevorzugt während des Kernschießens in einem Kernformwerkzeug.
Hierzu wird die Formeinlage 10 zunächst in der
gewünschten Position innerhalb des Kernformwerkzeugs positioniert und
bei Bedarf fixiert. Anschließend werden die freistehenden
Kontaktbereiche 24 der Formeinlagen 10 beim Füllvorgang
des Kernformwerkzeugs vollständig mit Kernsand umgeben.
Nach dem Aushärten des Bindemittels sind die Formeinlagen 10 mit
dem Gießkern 100 zu einer festen und stabilen
Einheit verbunden. Durch die ggf. in den Kontaktbereichen 24 eingebrachten Öffnungen 24 wird
das Kernsandvolumen zu beiden Seiten des Grundkörpers 20 der Formeinlage 10 miteinander
verbunden. Der Gießkern 100 wird dadurch örtlich
nicht geschwächt.
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Ein
auf diese Weise gefertigter Gießkern 100, bestehend
aus Kernsand und den eingeschossenen Formeinlagen 10, wird
anschließend mit einer Schlichte überzogen und
getrocknet. Der nun zum Gießen fertige Gießkern 100 wird
anschließend in eine Gießform eingebracht. Er
formt zusammen mit den Formeinlagen 100 den gewünschten
Konturenbereich für die Wasserkühlung, mithin
den die Zylinderwandungen 2' umgebenden Wassermantel 4 und die
in den Zylinderstegen 8 ausgebildeten schmalen Wasserstege 5.
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Nach
erfolgtem Gießprozess wird der Gussrohling aus der Gießform
entnommen und entsandet. Dabei werden die aus Pappe, Karton oder
Papier gefertigten Formeinlagen 10 automatisch mit entfernt, weil
diese Materialien aufgrund der hohen Temperaturen während
des Gießprozesses verkohlt sind. Zusätzliche oder
gesonderte Reinigungsarbeiten sind nicht notwendig.
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Soweit
die Formeinlagen 10 aus Vlies, Vliesstoff, Filz, einem
Gewebe, einem Gestrick oder einem Gewirk gefertigt sind, können
diese nach dem Gießprozess mit einem einfachen Werkzeug
an den Laschen 50 gefasst und aus dem Zylinderkopf 1 entfernt
werden.
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Nach
diesen Arbeitsschritten hinterlässt die Formeinlage 10 einen
sauberen, gratfreien Öffnungsquerschnitt für eine
optimale Wasserführung innerhalb des Zylinderblocks 1,
bzw. im oberen Zylinderbereich der Brennkraftmaschine.
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Von
Vorteil hierbei ist, dass die erfindungsgemäßen
Formeinlagen 10 aufgrund der Materialwahl nicht nur einfach
und kostengünstig gefertigt werden können. Sie
ermöglichen insbesondere die Ausbildung von extrem engen
bzw. schmalen Ausnehmungen, Kanälen, Hohlräumen
und/oder Konturbereichen, die mit herkömmlichen Mitteln
nicht ausgebildet werden können. Die Formeinlagen 10 aus
faser- und/oder garnhaltigem Material sind ausreichend stabil, um
geforderte Abmessungen und Toleranzen exakt einhalten zu können.
Bei Bedarf kann das Material aber auch zusätzlich verfestigt
werden, beispielsweise mit einem Bindemittel. Gleichzeitig sorgt die
Eigenelastizität der verwendeten Materialen dafür,
dass die Formeinlagen 10 nicht brechen, selbst wenn Strukturen
von unter 1 mm ausgebildet werden. Die Haltbarkeit der Gießkerne 100 ist
deutlich erhöht, insbesondere während dem Transport
bzw. dem Handling.
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Die
erfindungsgemäßen Formeinlagen 10 ermöglichen
mithin die Realisierung von Konstruktionslösungen, die
mit bislang bekannten gießereiüblichen Fertigungsmethoden
und Materialien nicht zu verwirklichen waren. Ferner wird die Herstellung
von Bauteilen mit bereits durch herkömmliche Methoden realisierbaren
Querschnitten optimiert, insbesondere wird der durch Kernbruch bedingte
Ausschuss deutlich reduziert.
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Die
Rückstände der Formeinlagen 10 lassen sich
sehr leicht entfernen. Das gesamte System stellt damit eine kostengünstige
und effektive Lösung dar.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
So müssen die Formeinlagen 10 nicht zwingend in
die Gießkerne 100 eingeschossen werden. Man kann
die Grundkörper 20 auch kraft- und oder formschlüssig
festlegen, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen
oder Verklemmen. Ferner ist die Anwendung der Formeinlagen 10 nicht
auf die Ausbildung von engen Wasserstegen 5 zwischen den
Zylinderbohrungen 3 eines Zylinderblocks 1 beschränkt.
Sie bieten dem Konstrukteur vielmehr die Möglichkeit zur
Schaffung enger Konturenbereiche in Bauteilen, die mit bisherigen Formstoffen
und Fertigungsanlagen nicht möglich waren.
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Die
Anwendung der Formeinlagen 10 ist ferner nicht auf Gießkerne 100 beschränkt.
Man kann die Formeinlagen 10 auch in Gießformen
verwenden, um mit diesen filigrane oder enge Ausnehmungen und Konturbereiche
zu gestalten. Die Gießformen können – wie
auch die Gießkerne 100, aus Sand gefertigt werden.
Man kann aber auch Dauerformen verwenden und die Formeinlagen 10 dort
kraft- und formschlüssig einbringen.
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Man
erkennt, dass eine Formeinlage 10 für einen Gießkern 100 und/oder
für eine Gießform für die Herstellung
von Bauteilen 1 aus Gießmetall, die mit kleinen
und/oder schmalen Hohlräumen 5 zu versehen sind,
einen im Querschnitt rechteckigen, konkaven oder konvexen Grundkörper 20 hat,
der wenigstens einen Kontaktbereich 22 zum Gießmetall und
wenigstens einen Kontaktbereich 24 zum Gießkern 100 und/oder
zur Gießform aufweist. Um eine kostengünstige
und zuverlässige Ausbildung der kleinen bis sehr kleinen
Hohlräume oder Ausnehmungen in den Gussteilen 1 zu
ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Grundkörper 20 aus
einem faser- und/oder garnhaltigen Material gefertigt ist. Das faserhaltige Material
ist bevorzugt Pappe, Karton, Papier, Vlies, Vliesstoff oder Filz,
während das garnhaltige Material ein Gewebe, ein Gestrick
oder ein Gewirk ist. Das faser- und/oder garnhaltige Material kann
ferner mit einem Bindemittel vermischt und/oder getränkt
sein. In den Kontaktbereichen 24 zum Gießkern 100 und/oder
zur Gießform können Durchbrüche 30 vorgesehen
sein. Man kann die Formeinlagen 10 auch ohne jeden Durchbruch 30 ausbilden.
Oder man bringt einen oder mehrere (nicht gezeigte) Durchbrüche
in den Kontaktbereich des Grundkörpers 20 zum Gießmetall
ein, um dort weitere Materialkonturen zu schaffen. Um die Stabilität
der Formeinlage 10 zu erhöhen oder um eine bauteilbezogene
Kontur zu schaffen, kann der Grundkörper 20 mehrlagig
ausgebildet sein, wobei dieser mit einer Armierung 40 versehen
sein kann. Wenigstens eine an dem Grundkörper 20 ausgebildete
Lasche 50 kann dem Entfernen der Formeinlage 10 aus
dem Bauteil 1 dienen.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung
hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten,
räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können
sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen
erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Außenwandung
- 2'
- Zylinderwand
- 3
- Zylinderbohrung
- 4
- Hohlraum
(Wassermantel)
- 5
- Hohlraum
(Wassersteg)
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Gewindeloch
- 8
- Steg
- 10
- Kernelement
- 20
- Grundkörper
- 22
- Kontaktbereich
- 23,
23'
- Linie
- 24
- Kontaktbereich
- 25
- Zylinderkopf-Kontaktfläche
- 30
- Durchbruch
- 40
- Armierung
- 50
- Lasche
- 100
- Gießkern
- 110
- Grundkörper
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3300924
A1 [0007]
- - EP 0197365 A1 [0008]
- - DE 3828093 C2 [0009, 0010]
- - DE 19832718 A1 [0011]