DE102017211876B3

DE102017211876B3 - Kokille sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102017211876B3
Application number: DE102017211876.8A
Authority: DE
Inventors: Manfred Huber; Thomas Summer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-07-13
Also published as: WO2019011574A1; US11014149B2; CN110709189B; CN110709189A; US20200147678A1

Abstract

Kokille für einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine,wobei in und/oder an der Kokille ein Deckkern angeordnet oder anordenbar ist, welcher abschnittweise eine Funktionsfläche eines Bauteils, insbesondere eines Zylinderkopfes, formt, und wobei die Kokille ausgelegt ist, zumindest einen Teilbereich der Funktionsfläche zu formen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kokille, insbesondere für einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Zylinderkopfes, sowie eine Verwendung einer Kokille.
Kokillen sind wiederverwendbare Formen zum Gießen von Metallen und Legierungen. Dabei werden auch Kerne benötigt, um in den herzustellenden Gussteilen Hohlräume und/oder Hinterschneidungen fertigen zu können. Diese Kerne bestehen oftmals aus Sand und sind dementsprechend nur einmal verwendbar. Dadurch erhöhen sich die Verfahrenskosten. Hinzu kommt, dass die Kerne, insbesondere die Sandkerne, durch ihre Isolationswirkung die Erstarrung der Schmelze beeinflussen, sodass ggf. keine optimal gerichtete Erstarrung realisiert werden kann.
Die DE 20 2004 020 207 U1 betrifft eine Einrichtung zum Schwerkraftgießen von Leichtmetallgussteilen im Kokillen-Gießverfahren, die eine Reduzierung des Speisevolumens ohne pneumatische Nachspeisungen ermöglicht.
Die DE 10 2010 025 285 A1 betrifft eine Dauergießform zum Gießen eines Gussteils aus einer Metallschmelze, die aus mindestens zwei den Form- und Hohlraum der Dauergießform gegenüber der Umgebung abgrenzenden Dauergießformteilen zusammengesetzt ist, welche beim Entformen des Gussteils unzerstört erhalten bleiben.
Die DE 195 42 492 C1 betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem Kühlwasserraum, der sich in Kühlwasserraumabschnitte gliedert, die jeweils einem Brennraum zugeordnet sind und durch die Gaswechselkanäle und mindestens eine Kammer für eine Zündkerze oder Einspritzdüse verlaufen, wobei ein Kühlwasserzulauf durch Gießen hergestellt wird.
Die DE 20 2005 010 449 U1 betrifft eine Zylinderkopfhaube für einen Zylinderkopf mit einem Dichtungselement zwischen Zylinderkopfhaube und Zylinderkopf.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kokille, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils sowie eine Verwendung einer Kokille anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und insbesondere für die Herstellung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren geeignet sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Kokille gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß ist eine Kokille für einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, wobei in und/oder an der Kokille ein Deckkern angeordnet oder anordenbar ist, welcher abschnittsweise eine Funktionsfläche eines Bauteils, insbesondere eines Zylinderkopfes, formt, und wobei die Kokille ausgelegt ist, zumindest einen Teilbereich der Funktionsfläche zu formen bzw. (mit) auszubilden. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich insbesondere auf einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine. Die Kokille, das Verfahren sowie die Verwendung sind aber für die Herstellung verschiedenster (Guss-)Teile vorgesehen und anwendbar. Typische Gießverfahren sind beispielsweise das Schwerkraftgießen oder das Niederdruckgießen, wobei als Werkstoffe bevorzugt Stahl bzw. insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen, beispielsweise auch Aluminiummagnesiumlegierungen, zum Einsatz kommen. Der große Vorteil besteht vorliegend darin, dass die Funktionsfläche des Bauteils nicht ausschließlich über den Deckkern oder über die Kokille gebildet wird, sondern quasi durch ein Zusammenwirken der Kokille mit dem Deckkern. Dadurch ist es mit Vorteil möglich, die Größe des Deckkerns auf ein Minimum zu reduzieren, was sich direkt auf die Herstellungskosten auswirkt, da entsprechend weniger Formstoff für den Deckkern, welcher bevorzugt aus Sand hergestellt ist, benötigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Funktionsfläche ein Haubenflansch eines Zylinderkopfes. Mit dem Haubenflansch ist insbesondere diejenige Fläche des Zylinderkopfes gemeint, welche zum (späteren) Ventildeckel hin orientiert ist. Mit Vorteil ist der Deckkern derart gestaltet bzw. ausgelegt, dass er lediglich eine Kontur des Haubenflansches formt, während die sonstigen Bereiche des Haubenflansches durch die Kokille, mit anderen Worten also durch die Dauerform, abgebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Funktionsfläche eine (spätere) Dichtfläche eines Gussteils. Weiter bevorzugt weist die Funktionsfläche einen offenen oder geschlossenen Verlauf auf. Insbesondere bevorzugt ist die Fläche mäanderförmig bzw. weist Kurven, Radien, Bögen etc. und/oder auch gerade Abschnitte auf.
Bevorzugt weist die Kokille zwei beweglich angeordnete, insbesondere klapp- oder schwenkbare, (Dauer-)Formteile auf, bzw. umfasst diese, welche seitlich zum Deckkern hin verlagerbar sind. Zweckmäßigerweise kann dadurch der Deckkern einfach zwischen den Formteilen fixiert werden, wobei gemäß einer Ausführungsform zunächst der Deckkern angeordnet und im Anschluss die beiden Formteile runtergeklappt werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass in der Kokille zweckmäßigerweise neben dem Deckkern auch noch weitere Kerne, wie z. B. ein Wassermantel- und ein Ölraumkern, Kerne für die Ein- und Auslasskanäle etc., angeordnet sind bzw. sein können. Diese sind insbesondere unterhalb des Deckkerns positioniert.
Gemäß einer Ausführungsform weisen der Deckkern und die Formteile zum Formen der Funktionsfläche Formflächen auf, welche ohne Versatz ineinander übergehen. Zweckmäßigerweise wird dadurch eine stufenlose Funktionsfläche, insbesondere eine ebene Haubenflanschfläche, geformt. Alternativ kann zwischen den Formflächen der Formteile und des Deckkerns auch ein Versatz vorgesehen sein, wenn die Geometrie der Funktionsfläche dies erfordert.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht eine Länge des Deckkerns einer Länge des Bauteils entlang einer Längsrichtung (des Bauteils). Dies bedeutet, dass der Deckkern so lang ist, wie das Bauteil, gleichzeitig aber mit Vorteil eine Breite aufweist, die deutlich kleiner ist als die Breite des Bauteils, da hier die Kokille, insbesondere die beiden beweglich angeordneten Formteile, sozusagen flankierend am Deckkern, vorgesehen sind. Alternativ überspannt der Deckkern nur einen Teil einer Bauteillänge und dessen gesamte Breite. Weiter alternativ überspannt der Deckkern weder die Länge noch die Breite des Bauteils vollständig, sondern wird allseitig von (Dauer-)Formteilen flankiert.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Deckkern eine Vielzahl von zylindrischen bzw. im Wesentlichen zylindrischen oder auch konisch zulaufenden Speisern auf. Mit Vorteil kann durch den schlanken Deckkern, umfassend die Speiser, eine zu diesem hin gerichtete Erstarrung realisiert werden.
Bevorzugt sind die Speiser nacheinander entlang der Längsrichtung des Bauteils, insbesondere des Zylinderkopfs, angeordnet. Hierdurch ist eine optimale und gleichmäßige Formfüllung ermöglicht. Zudem kann das Speiservolumen sehr gering gehalten werden. Durch die minimale Größe des Deckkerns wirkt dieser nicht isolierend und es ist eine optimale gerichtete Erstarrung in Richtung der Speiser ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Deckkern zumindest ein Formelement auf, welches ausgelegt ist, eine Lagerstelle in der Funktionsfläche, insbesondere eine Lagergasse in dem Haubenflansch, zu formen. Zweckmäßigerweise ist die Formfläche des Deckkerns also nicht vollständig flach bzw. eben, sondern kann Vor- und/oder Rücksprünge aufweisen, um etwaige zusätzliche Geometrien bzw. Formen in die Funktionsfläche zu integrieren. Die Lagergasse dient insbesondere der Anordnung und Lagerung einer Nockenwelle.
Gemäß einer Ausführungsform weist zumindest eines der Formteile zumindest ein Formelement auf, welches ausgelegt ist, eine Lagerstelle in der Funktionsfläche, insbesondere eine Lagergasse in dem Haubenflansch, zu formen. Es gilt das in Bezug auf das Formelement des Deckkerns Gesagte.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gerichtet, insbesondere eines Zylinderkopfes einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen einer Kokille sowie eines Deckkerns;
- Formen einer Funktionsfläche eines Bauteils durch den Deckkern sowie zumindest teilweise durch die Kokille.

Der Vorteil liegt darin, die bzw. eine Funktionsfläche eines Bauteils gleichzeitig durch die Kokille und einen Kern, insbesondere einen Deckkern, zu formen. Dieser Ansatz ermöglicht es, den Deckkern, welcher zweckmäßigerweise aus Formsand geformt ist, so klein wie nötig zu formen und die Kokille bzw. die entsprechenden Formteile der Kokille möglichst groß.
Die Erfindung richtet sich weiter auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kokille oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen.
Für das Verfahren sowie für die Verwendung gelten die im Zusammenhang mit der Kokille erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend sowie umgekehrt und untereinander.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Kokille mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:

1: eine perspektivische Ansicht einer Kokille nebst Gussteil;
2: eine Schnittdarstellung der aus 1 bekannten Kokille nebst Gussteil;
3: eine perspektivische Ansicht eines Gussteils.

1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Kokille (nur teilweise dargestellt), umfassend zwei Formteile 22, in bzw. an welchen zwei klappbare bzw. schwenkbare Formteile 20 gelagert bzw. positioniert sind. Zwischen diesen ist ein Deckkern 40 angeordnet, welcher eine Vielzahl von Speisern 42 aufweist, die entlang einer Längsrichtung L eines Bauteils, hier insbesondere eines Zylinderkopfes 60, angeordnet sind. Die Form bzw. Kokille ist mit Gusswerkstoff 70 gefüllt. Erkennbar ist, dass der Deckkern 40 sowie die schwenkbaren Formteile 20 Formflächen 30 aufweisen, welche eine gemeinsame Funktionsfläche (vgl. Bezugszeichen 62 in 2) formen. Die Größe, insbesondere die Breite des Deckkerns 40 ist sozusagen auf ein Minimum beschränkt.
2 zeigt die im Wesentlichen aus der 1 bekannte Kokille in einer Schnittdarstellung. Über die Doppelpfeile an den schwenkbaren Formteilen 20 ist deren Beweglichkeit dargestellt. Zu erkennen ist, dass der Deckkern 40 einen Vorsprung 46 aufweist, welcher eine entsprechende Geometrie in dem späteren Gussteil formt. Daneben weisen der Deckkern 40 sowie die schwenkbaren Formteile 20 Formelemente 24 bzw. 44 auf, welche in dem Zylinderkopf 60 eine Lagergasse 64 bilden, vgl. hierzu insbesondere auch die 3.
3 zeigt den fertig gegossenen und entformten Zylinderkopf 60, wobei insbesondere die Funktionsfläche 62 bzw. der Haubenflansch 62 zu erkennen ist. Daneben ist die Lagergasse 64, welche der Anordnung einer Nockenwelle dient, gut erkennbar. Deutlich wird insbesondere, dass das Speiservolumen sehr gering ausfällt und die Kokille bzw. das Verfahren eine optimal zu den Speisern hin gerichtete Erstarrung ermöglichen.
Bezugszeichenliste

20: bewegliches, klappbares Formteil
22: Formteil
24: Formelement
30: Formfläche
40: Deckkern
42: Speiser
44: Formelement
46: Vorsprung
60: Bauteil, Zylinderkopf
62: Funktionsfläche, Haubenflansch
64: Lagergasse
70: Gusswerkstoff
L: Längsrichtung

Claims

Kokille für einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine, wobei in und/oder an der Kokille ein Deckkern (40) angeordnet oder anordenbar ist, welcher abschnittweise eine Funktionsfläche (62) eines Bauteils (60) formt, und wobei die Kokille ausgelegt ist, zumindest einen Teilbereich der Funktionsfläche (62) zu formen.
Kokille nach Anspruch 1, wobei die Funktionsfläche (62) ein Haubenflansch eines Zylinderkopfes (60) ist.
Kokille Anspruch 1 oder 2, wobei die Kokille zwei beweglich angeordnete, insbesondere klappbare, Formteile (20) umfasst, welche seitlich zum Deckkern (40) hin verlagerbar sind.
Kokille nach Anspruch 3, wobei der Deckkern (40) und die Formteile (20) zum Formen der Funktionsfläche (62) Formflächen (30) aufweisen, welche ohne Versatz ineinander übergehen.
Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Länge des Deckkerns (40) einer Länge des Bauteils (60) entlang einer Längsrichtung (L) entspricht.
Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckkern (40) eine Vielzahl von zylindrischen Speisern (42) aufweist.
Kokille nach Anspruch 6, wobei die Speiser (42) nacheinander entlang der Längsrichtung (L) angeordnet sind.
Kokille nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckkern (40) ein Formelement (44) aufweist, welches ausgelegt ist, eine Lagerstelle (64) in der Funktionsfläche (62), insbesondere eine Lagergasse in dem Haubenflansch, zu formen.
Kokille nach einem der Ansprüche 3-8, wobei zumindest eines der Formteile (20) ein Formelement (24) aufweist, welches ausgelegt ist, eine Lagerstelle (64) in der Funktionsfläche (62), insbesondere eine Lagergasse in dem Haubenflansch, zu formen.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Zylinderkopfes, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Kokille sowie eines Deckkerns (40); - Formen einer Funktionsfläche (62) eines Bauteils durch den Deckkern (40) sowie zumindest teilweise durch die Kokille.
Verwendung einer Kokille nach einem der Ansprüche 1-9 oder eines Verfahrens nach Anspruch 10 bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen.