EP0578705B1 - Verfahren zum giessen eines motorenteils aus aluminiumlegierung, insbesondere eines zylinderkopfes - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Motorenteiles, insbesondere eines Zylinderkopfes, aus Aluminiumlegierung mittels einer aus mehreren Teilen zusammengesetzten Gießform, wobei die Kernteile der Gießform aus einem nicht-metallischen Formstoff bestehen, mit dem zu gießenden Motorteil fest zu verbindende Bauelemente aus einem anderen höherschmelzenden Werkstoff als die Aluminiumlegierung beim Zusammenfügen der Teile zur vollständigen Gießform in diese an vorgegebenen Fixierungspunkten eingelegt werden und danach der Abguß erfolgt.
• Bei Motorenteilen, die aus Aluminiumlegierung hergestellt sind, ist es erforderlich, an mechanisch hochbeanspruchten Stellen Bauelemente, beispielsweise an den Ventilsitzen von Zylinderköpfen Ventilsitzringe aus einem anderen Material einzusetzen, die den hier geforderten Beanspruchungen standhalten. Speziell die Anordnung derartiger Ventilsitzringe wurde bisher in der Weise vorgenommen, daß an dieser Stelle in den Zylinderkopf eine entsprechende Ausnehmung nach dem Gießen mechanisch eingearbeitet wurde. Die einzusetzenden Ventilsitzringe wurden stark gekühlt, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, und dann in die eingearbeitete Ausnehmung eingelegt, so daß der Ventilsitzring aufgrund seiner Ausdehnung infolge der Erwärmung in Form einer "Schrumpfverbindung" reibschlüssig in der Ausnehmung des Zylinderkopfes festsitzt. Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, daß die Ausnehmung sehr präzise gefertigt werden muß, da für derartige Schrumpfverbindungen verhältnismäßig enge Toleranzen zwischen dem lichten Innendurchmesser der Ausnehmung einerseits und dem Außendurchmesser des einzusetzenden Ventilsitzringes andererseits eingehalten werden müssen. Bei herkömmlichen, insbesondere aber bei modernen Motoren mit mehr als zwei Ventilen je Zylinder ergibt sich somit ein hoher Fertigungsaufwand. Ferner besteht der Nachteil, daß in Einzelfällen im späteren Betrieb ein Ventilsitzring herausfallen kann, so daß der Motor stark beschädigt wird. Das Einbringen anderer Bauelemente, wie beispielsweise Ventilführungen oder dergl. erfordert ebenfalls eine Bearbeitung nach dem Guß.
• Aus der US-A-4 691 751 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Bauteile in einer Form mit Plastikmaterial zu einer Vormontageeinheit vergossen werden, deren Form der des späteren Gußteils entspricht. Hierbei können Kernteile in der Vormontageeinheit eingeschlossen sein. Die Vormontageeinheit wird dann mit weiteren Kernteilen zusammengesetzt und schließlich in einen Formkasten eingesetzt. Beim Gießen wird das Plastikmaterial zerstört und durch Schmelze ersetzt. Besondere Maßnahmen zum genauen Zusammenfügen der Kernteile sind nicht erkennbar. Der Einsatz des Plastikmaterials steht einem Vorheizen der Bauteile vor dem Gießen entgegen.
• Aus der EP 0 268 656 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formen für Gießereizwecke bekannt, bei dem jeweils einzelne Kernteile nach dem Formen in einzelnen Formmaschinen in jeweils einem ihrer Formteile verbleiben und diese dann mit den darin befindlichen Kernteilen zusammengeführt werden. Ein Einlgen von metallischen Bauteilen ist hierbei nicht vorgesehen.
• Aus der DE 39 37 402 A1 ist ferner ein Ventilsitzring bekannt, der auf seiner Außenseite Hinterschneidungen aufweist und der als nachzuarbeitender Rohling unmittelbar in den Zylinderkopf eingegossen werden soll. Es hat sich jedoch gezeigt, daß trotz der durch die Hinterschneidungen bewirkten formschlüssigen Einbindung, keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden konnten. Dies beruht darauf, daß bei den bisher verwendeten Gießformen eine exakte Positionierung des einzulegenden Ventilsitzringrohlings nicht möglich war, so daß bei der anschließenden Bearbeitung der Ventilsitzfläche aufgrund von Verschiebvungen erhebliche Abweichungen in der Zentrierung auftraten.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung von Motorteilen, insbesondere Zylinderköpfen aus Aluminiumlegierung das Einbringen von Bauelementen aus anderen, festeren Werkstoffen als dem Grundwerkstoff des Motorteils zu vereinfachen und die Präzision zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils nach Abschluß des Formprozesses der einzelnen Kernteile deren Form so geöffnet wird, daß das Kernteil mit einem Formteil verbunden bleibt, daß die Bauelemente in ein offenliegendes Kernteil eingelegt werden und daß die einzelnen zusammenzufügenden Kernteile mit ihren Formteilen durch definierte Relativbewegungen der Formteile zueinander zusammengefügt werden. Bei dieser Verfahrensweise wird mit Vorteil ausgenutzt, daß derartige Gießformen heute in der sogenannten Kernformtechnik mit großer Präzision hergestellt werden können. Hierbei wird die eigentliche Gießform wie ein Kern aus einem fließfähigen, aushärtbaren Formstoff hergestellt, wobei die Form insgesamt aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. Die hohe Präzision ist dadurch möglich, daß die einzelnen Kernteile jeweils in einer aus wenigstens zwei Formteilen bestehenden Kernform für sich geformt werden, daß jeweils nach Abschluß des Formprozesses der einzelnen Kernteile deren Form so geöffnet wird, daß der Kernteil mit einem Formteil verbunden bleibt und danach die einzelnen zusammenzufügenden Kernteile mit ihren Formteilen durch definiete Relativbewegungen der Formteile zueinander zusammengefügt werden. Bei der Herstellung von Motorblöcken, Zylinderköpfen oder dergl. ist eine derartige, vorstehend als "Kern" bezeichnete Gießform aus mehr als zwei Kernteilen zusammengesetzt, so daß das Formteil für einen als Basiskernteil definierten Kernteil als Träger und Zentrierelement mit diesem verbunden bleibt, bis alle nachfolgenden Fügeoperationen abgeschlossen sind, in denen jeweils die weiteren Kernteile mit Hilfe ihrer Formteile auf das Basiskernteil aufgesetzt sind. Erst danach wird der vollständige Kern, also die vollständige Gießform, aus dem Trägerelement ausgestoßen. Da bei diesem Verfahren die für das Zusammenfügen erforderliche geometrische Zuordnung und die daraus resultierende Relativbewegung der zusammenzufügenden Kernteile zueinander durch die entsprechende Ausrichtung und Bewegung der Formteile zueinander und nicht mehr durch die Kernteile selbst erfolgt, läßt sich der Fügevorgang mit großer Präzision durchführen, da die jeweils in ihrem Formteil gehaltenen Kernteile eine räumliche Ausrichtung ausweisen, wie sie nach einem vollständigen Ausformen nie wieder zu erreichen ist. Hierbei wird mit Vorteil ausgenutzt, daß bei einem Formprozeß, bei dem das Bindemittel des Formstoffes bzw. des Kernsandes nicht durch Temperatur sondern durch chemisch-katalytische Vorgänge aktiviert wird, die Formteile der einzelnen Formmaschinen praktisch die gleiche Temperatur aufweisen und so keinerlei Maßabweichungen der einzelnen Formteile zueinander durch Wärmedehnungen auftreten. Damit ist es möglich, die einzelnen Formteile mit einander zuordenbaren Führungs- und Zentrierflächen zu versehen, so daß die Genauigkeit beim Zusammenfügen der Kernteile über die mit ihnen verbundenen Formteile zu einer Gießform aus einem nicht-metallischen Formstoff unterstützt wird. Da alle einzelnen Teile der Gießform jeweils neu hergestellt und mit großer Präzision zusammengefügt werden, ist es nunmehr möglich, auch mit dem herzustellenden Motorteil fest zu verbindende Bauelemente aus einem anderen Werkstoff, insbesondere Ventilsitzringe an Zylinderköpfen, die in ihrer geometrischen Anordnung mit großer Genauigkeit angeordnet sein müssen, unmittelbar einzugießen. Hierzu ist es lediglich notwendig, an den betreffenden Teilen der Gießform entsprechende Fixierpunkte vorzusehen, auf die oder in die die einzugießenden Bauelemente beim Zusammenfügen der Gießform eingelegt werden. Damit ist es möglich, beispielsweise Ventilsitzringe mit konischem Verlauf der Außenfläche formschlüssig einzugießen. Hierdurch ist eine optimale Formgebung und Abmessung für die Bauelemente, insbesondere für die Ventilsitzringe, möglich. Diese können beispielsweise einen größeren Außendurchmesser als bisher aufweisen, wobei eine Durchmesservergrößerung von nur 1 mm bereits erhebliche Vorteile bietet. Da ein derartiger Ventilsitzring formschlüssig gehalten ist, bleibt er unlösbar mit dem Zylinderkopf verbunden.
• In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bauelemente vor dem Einlegen in die Gießform aufgeheizt werden. Hierdurch werden allzu große Temperaturunterschiede, die sich nachteilig auf das Gefüge der sie umschließenden Aluminiumlegierung auswirken können, vermieden. Dieses Verfahren ist schon deshalb möglich, weil der gesamte Fügevorgang zur Herstellung der Gießform mechanisiert ist, so daß es auch hier möglich ist, vorgeheizte Bauelemente, insbesondere vorgeheizte Ventilsitzringe, über einen in den Ablauf der Fügeoperationen integrierten Manipulator in das entsprechende Kernteil einzulegen. Da die Gießform aus einem nicht-metallischen Formstoff besteht, erfolgt auch nur ein verhältnismäßig geringer Wärmeabfluß bis zum Beginn des Abgusses.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen daß die Bauelemente nach dem Einlegen in die Gießform elektro-induktiv aufgeheizt werden. Hierdurch wird der Einlegevorgang beispielsweise für die Ventilsitzringe vereinfacht, da diese bei Raumtemperatur gehandhabt werden können, wohingegen der Aufheizvorgang erst dann in einer weiteren Station erfolgt, wenn die Ventilsitzringe bereits eingelegt sind. Das elektro-induktive Aufheizen der Bauelemente in der Gießform ist deshalb möglich, weil die Gießform insgesamt nicht aus Metall sondern nur aus mineralischem Formstoff bzw. Kernsand besteht, so daß die Bauelemente, insbesondere die Ventilsitzringe in der ganz oder teilweise zusammengefügten Gießform den einzigen metallischen Bestandteil darstellen. Damit ist es auch möglich, die Aufheizung berührungslos vorzunehmen, vorzugsweise unmittelbar vor dem Beginn des Gießvorganges.
• Während es grundsätzlich möglich ist, die in die Gießform eingelegten Bauelemente bei noch geöffneter Form elektro-induktiv aufzuheizen, was je nach Form des betreffenden Bauelementes notwendig ist, ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Bauelemente bei vollständig zusammengefügter Gießform von außen elektro-induktiv aufzuheizen. Hierdurch ist sichergestellt, daß die über den Wärmeabfluß aus dem aufgeheizten Bauelement möglichen Temperaturbeeinflussungen der Gießform erst bei vollständig zusammengefügter Gießform erfolgen und somit hier keine Formveränderungen auftreten können. Dies ermöglicht darüber hinaus eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die darin besteht, daß der Formhohlraum der Gießform vor Beginn des Aufheizens mit einem Schutzgas gespült wird. Dies hat den Vorteil, daß beispielsweise eingelegte Bauelemente aus Eisenwerkstoffen bis auf die Temperatur der einzugießenden Schmelze von etwa 800°C aufgeheizt werden können, ohne daß die einzugießenden Oberflächen oxidieren können und somit ein einwandfrei rein-metallischer Flächenkontakt zwischen dem Bauelement und dem Gießwerkstoff erzielt wird. Ein weiterer Vorteil des Aufheizens bei vollständig zusammengefügter Gießform besteht darin, daß je nach der Lage des einzugießenden Bauelementes in der Gießform, insbesondere bei obenliegenden Gießformen, mit dem Abguß noch während der Aufheizphase begonnen werden kann, so daß die gewünschte Endtemperatur für das aufzuheizende Bauelement in dem Augenblick erreicht ist, in dem der Kontakt mit der Schmelze eintritt.
• Die Erfindung wird anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

den Verfahrensablauf in Form eines Fließbildes,

Fig. 2

in einem vertikalen Teilschnitt einen in eine Gießform eingelegten Ventilsitzring,

Fig. 3

den fertigen Zylinderkopf mit eingegossenem Ventilsitzring.

• Eine aus Kernformsand hergestellte Gießform für einen Zylinderkopf muß wegen der vielen Hinterschneidungen und Kanäle aus mehreren Kernteilen zusammengesetzt werden. Die einzelnen Kernteile werden über gesonderte Kernformmaschinen hergestellt und dann zusammengefügt. Das Fließbild gem. Fig. 1 zeigt den Verfahrensablauf in vereinfachter Darstellung für eine aus nur zwei Kernteilen zusammengesetzte Gießform. Hierbei wird in einer Kernformmaschine I, die einen aus zwei Formteilen 1 und 2 gebildeten Formkasten aufweist, ein erster Kernteil 3 in üblicher Weise, beispielsweise nach dem cold-box-Verfahren aus einem entsprechenden Formsand hergestellt. Das zugehörige Kernteil 4, das zusammen mit dem Kernteil 3 die vollständige Gießform bildet, wird in einer zweiten Kernformmaschine II hergestellt, die eine aus einem Formteil 5 und einem zugehörigen Formteil 6 zusammengesetzte Kernform aufweist. Sobald die beiden Kernteile 3 und 4 "geschossen" sind, öffnen die Kernformen, wobei in der Kernformmaschine I der Kernteil 3 im Formteil 1 verbleibt und in eine erste Fügestation III verfahren wird. Auf das offenliegende Kernteil 3 wird nun ein einzugießendes Bauelement 7, beispielsweise ein Ventilsitzring, mit Hilfe eines Manipulators aufgelegt. In einem nächsten Verfahrensschritt, der in der Fügestation III oder in einer nächstfolgenden Fügestation IV erfolgen kann, wird nun von der Kernformmaschine II das zugehörige Kernteil 4, das noch mit dem Formteil 5 verbunden ist, positioniert und anschließend auf das Kernteil 3 abgesenkt bzw. das Kernteil 3 angehoben, so daß beide Kernteile 3 und 4 zur fertigen Gießform zusammengefügt werden. Das Formteil 5 wird dann vom Kernteil 4 gelöst und in einer weiteren Station V die fertige Gießform 3-4, die nunmehr den eingelegten Ventilsitzring 7 mit umschließt, vom Formteil 1, das während des ganzen Verfahrensablaufs als Zentrierung und Führungsmittel gedient hat, gelöst und zur Gießstation VI verfahren und dort abgegossen. Nach dem Erkalten wird die Gießform zerstört und der anfallende Formsand wieder aufbereitet. Der Ventilsitzring 7 wird bei dem hier dargestellten Verfahrensablauf zweckmäßigerweise erst aufgeheizt und dann über den Manipulator aufgelegt. Da die Gießform aus einem nicht-metallischen Werkstoff besteht und die Fügeoperation und die Weiterführung der vollständigen Gießform bis zur Gießstation VI in kurzer Zeit von statten geht, ist der Temperaturverlust bis zu dem Zeitpunkt, in dem der Ventilsitzring mit der Schmelze in Kontakt kommt, von untergeordneter Bedeutung.
• Das Verfahren zur Aufheizung des einzugießenden Bauelementes läßt sich beispielsweise bei einzugießenden Ventilsitzringen noch verbessern, da Zylinderköpfe verhältnismäßig flache Bauelemente darstellen, die ein elektro-induktives Aufheizen ohne allzu hohen Energieaufwand auch von außen ermöglichen, d.h. wenn die Gießform bereits vollständig zusammengefügt ist und sich in Kontakt mit der Gießvorrichtung befindet. Wie in Fig. 2 in einem vergrößerten Teilschnitt dargestellt ist, wird der Ventilsitzring 7 auf eine Kernmarke 8 des Kernteils 3 aufgesetzt, so daß bei geschlossener Gießform 3-4, wie in Fig. 1 für die Station V dargestellt, mit einem zugehörigen Teil 9 des Kernteils 4 der Ventilkanal freigehalten und zugleich der Ventilsitzrohling in der Gießform fixiert ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Außenfläche des Ventilsitzringes 7 konisch ausgebildet, so daß er nach Entfernen der Gießform wie Fig. 3 schematisch zeigt, formschlüssig im fertigen Gußstück 10 gehalten ist.
• Damit nun der eingelegte Ventilsitzring 7 unmittelbar im Bereich der Gießstation VI elektro-induktiv in der geschlossenen Form aufgeheizt werden kann, weist der Kernteil 3 eine nach unten offene Ausnehmung 11 auf, in die eine wassergekühlte Induktionsspule 12 eingeführt werden kann, die in ihrem, dem aufzuheizenden Ventilsitzring unmittelbar zugekehrten Stirnbereich mit einem Eisenkern 13 versehen ist. Diese Form der Aufheizung ist deshalb möglich, weil die Gießform 3-4 insgesamt außer den eingelegten Bauelementen, hier den Ventilsitzringen 7, keine metallischen Teile aufweist. Da die Gießform 3-4 zu diesem Zeitpunkt bereits vollständig geschlossen ist, kann der Formhohlraum 14 zunächst mit einem Schutzgas, beispielsweise Stickstoff durchspült werden, so daß dann die Ventilsitzringe 7 oxidationsfrei auf Temperaturen bis zu 800°C aufgeheizt werden können. Wegen der geringen Masse sind hierbei die Ventilsitzringe in wenigen Sekunden aufheizbar, so daß noch während des Aufheizvorganges mit dem Guß begonnen werden kann, so daß die Aufheizphase bei der gewünschten Endtemperatur erst in dem Augenblick beendet ist, wenn die in die Form einlaufende Schmelze mit den einzugießenden Bauelementen, hier den Ventilsitzringen 7, in Kontakt kommt. Durch diese zeitlichen Überschneidungen des Endes der Aufheizphase einerseits und des Beginns der Gießphase andererseits, kann eine für die Serienproduktion wünschenswerte Zeitverkürzung des Gießvorganges insgesamt erreicht werden.
• Das in Fig. 2 und 3 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines Zylinderkopfes für einen Motor mit vier Ventilen je Zylinder läßt den erheblichen fertigungstechnischen Vorteil des Verfahrens erkennen. Da die Ventilrohlinge 7 geometrisch genau in der gewünschten Zuordnung eingegeossen sind, wird die anschließende Fertigbearbeitung vereinfacht.

Claims (6)

1. Verfahren zum Gießen eines Motorteils, insbesondere eines Zylinderkopfes, aus Aluminiumlegierung mittels einer aus mehreren Kernteilen zusammengesetzten Gießform, wobei die Kernteile (3, 4) der Gießform aus einem nicht-metallischen Formstoff bestehen, mit dem zu gießenden Motorteil fest zu verbindende Bauelemente (7) aus einem anderen höherschmelzenden Werkstoff als die Aluminiumlegierung beim Zusammenfügen der Teile zur vollständigen Gießform in diese an vorgegebenen Fixierungspunkten (8) eingelegt werden und danach der Abguß erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
   daß jeweils nach Abschluß des Formprozesses der einzelnen Kernteile (3, 4) deren Form (1, 2; 5, 6) so geöffnet wird, daß das Kernteil (3, 4) mit einem Formteil (1; 5) verbunden bleibt,
   daß die Bauelemente (7) in ein offenliegendes Kernteil (3) eingelegt werden und
   daß die einzelnen zusammenzufügenden Kernteile (3, 4) mit ihren Formteilen (1; 5) durch definierte Relativbewegungen der Formteile (1,; 5) zueinander zusammengefügt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (7) vor dem Einlegen in die Gießform aufgeheizt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (7) nach dem Einlegen in die Gießform elektro-induktiv aufgeheizt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (7) bei vollständig zusammengefügter Gießform (3-4) von außen elektro-induktiv ausgeheizt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum (14) der Gießform (3-4) vor Beginn des Aufheizens mit einem Schutzgas gespült wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abguß noch vor Beendigung der Aufheizphase beginnt.

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