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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils durch Druckgießen oder Kokillengießen eines Leichtmetalls.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Salzkern für die Ausbildung eines Hohlraums beim Druckgießen oder Kokillengießen von Leichtmetallen.
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Beim Druckgießen wird flüssige Metallschmelze unter hohem Druck in eine Druckgussform gedrückt, wo sie dann zu einem Druckgussbauteil erstarrt. Das Druckgießen erfolgt auf einer Druckgießmaschine, in der die Druckgussform eingebaut ist. Kurze Zykluszeiten und die wiederverwendbare Druckgussform ermöglichen wirtschaftliche Produktionsbedingungen.
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Beim Kokillengießen wird flüssige Metallschmelze in eine als Kokille bezeichnete Dauergussform gegossen, wo sich diese infolge von Schwerkraftwirkung verteilt und zu einem Gussbauteil erstarrt. Das Kokillengießen ermöglicht bei (im Vergleich zum Druckguss) geringeren Form- bzw. Werkzeugkosten eine hohe Gießleistung.
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Sowohl beim Druckgießen als auch beim Kokillengießen können in den Gussbauteilen auszubildende Hohlräume durch Gießkerne erzeugt werden, die zuvor in die Kavität der Gussform eingelegt werden. Beim Gießen werden die Kerne dann von der Metallschmelze umgossen und können anschließend aus den Gussbauteilen herausgelöst werden. Mit aus Salz gebildeten Kernen, den sogenannten Salzkernen, sind einerseits komplexe Hohlraumgeometrien erzeugbar und andererseits können diese Salzkerne, auch bei Hinterschneidungen, in einfacher Weise aus den Gussbauteilen ausgespült bzw. herausgewaschen werden.
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In der
DE 10 2007 023 060 A1 wird ein zweistufiger Druckgießprozess zur Herstellung eines Leichtmetall-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, unter Verwendung eines insbesondere einstückigen Salzkerns zur Ausbildung eines Hohlraums für den Wassermantel. Der Salzkern wird in das betreffende Gießwerkzeug eingelegt und wird an den Werkzeugwänden abgestützt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils durch Druckgießen oder Kokillengießen eines Leichtmetalls anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungsgemäßen Salzkern. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anlog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils durch Druckgießen oder Kokillengießen (auch Niederdruckgießen) eines Leichtmetalls umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen wenigstens eines Salzkerns für die Ausbildung eines Hohlraums im herzustellenden Gussbauteil, wobei der Salzkern als Metallkörperchen ausgebildete Kernmarken für die definierte Lagerung dieses Salzkerns in einer Gussform aufweist;
- – Einlegen des Salzkerns in die Gussform, wozu die Gussform mit den Kernmarken bzw. Metallkörperchen korrespondierende Kernlagerstellen aufweist;
- – Gießen, d. h. Füllen der Gussform mit Metallschmelze, wobei der Salzkern umgossen bzw. umhüllt und (an den Berührungsstellen) eine stoffschlüssige Verbindung und gegebenenfalls auch formschlüssige Verbindung zwischen der Metallschmelze und den als Kernmarken fungierenden Metallkörperchen entsteht;
- – Entformen des durch Erstarrung der Metallschmelze gebildeten Gussbauteils aus der Gussform;
- – Abtrennen wenigstens eines stoffschlüssig und gegebenenfalls auch formschlüssig mit dem Gussbauteil verbundenen Metallkörperchens vom Gussbauteil, wodurch der Salzkern an dieser Stelle freigelegt und wenigstens eine Spülöffnung geschaffen wird; und
- – Ausspülen des Salzkerns durch diese Spülöffnung.
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Bei dem herzustellenden Gussbauteil handelt es sich bevorzugt um ein Zylinderkurbelgehäuse bzw. einen Zylinderblock eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug. Der wenigstens eine Salzkern dient insbesondere der Ausbildung eines komplex geformten Wassermantels und/oder einer sogenannten Wassergalerie.
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Die der Kernlagerung in der Gussform dienenden Metallkörperchen sind an den vorgesehenen Lagerstellen, wobei es sich zumindest bei einigen dieser Lagerstellen um spätere Hohlraumöffnungen im Gussbauteil handelt, mit dem Salzkern verbunden und insbesondere formschlüssig am Salzkern bzw. an einer aus Salz gebildeten Salzkernstruktur befestigt.
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Unter einem Metallkörperchen wird ein in Bezug auf das herzustellende Gussbauteil um ein Vielfaches kleinerer Metallkörper, insbesondere massiver Metallkörper, verstanden, der vorzugsweise eine einfache, hinterschnittfreie geometrische Außenform aufweist (z. B. Zylinder oder Quader) und dessen Oberfläche aus wenigen und somit verhältnismäßig großflächigen flachen und/oder gegebenenfalls auch gekrümmten Flächenstücken besteht.
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Nach dem Gießen können die am entformten Gussbauteil quasi angegossenen Kernmarken bzw. Metallkörperchen bspw. durch Abschlagen, Absägen und/oder spanenden Bearbeitung abgetrennt werden, wodurch Hohlraumöffnungen nach außen erzeugt werden, die dann als Spülöffnungen verwendbar sind. Allerdings müssen nach dem Entformen nicht alle Kernmarken vom Gussbauteil abgetrennt werden. Einige Kernmarken können als Einlegeteile mit bestimmten Funktionen (die Einlegeteile dienen bspw. als Anschraubpunkte und/oder einer lokalen Eigenschaftsveränderung) am oder im Gussbauteil verbleiben.
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Die als Metallkörperchen ausgebildeten Kernmarken gewährleisten beim Gießen, d. h. beim Befüllen der Gussform mit Metallschmelze, eine sichere und positionsgenaue Lagerung des Salzkerns in der Gussform, auch bei hohen Fülldrücken von bis zu 1000 bar und mehr. Hingegen können aus sprödem Salzmaterial gebildete Kernmarken abbrechen, wodurch der Salzkern verschoben wird und/oder brechen kann, was zu einer undefinierten Hohlraumlage und/oder zum Schmelzeeintritt in den zu erzeugenden Hohlraum führt. Aufgrund der verbesserten Kernlagerung bzw. -fixierung weisen die erzeugten Hohlräume bzw. Hohlraumstrukturen eine hohe Maßhaltigkeit auf. Die mit der Erfindung verbesserte Kernlagerung vereinfacht auch die wegen unterschiedlichen thermischen Verhaltens schwierige Materialabstimmung zwischen Salzkern, Gussform und Gusslegierung. Die Erfindung ermöglicht, bei niedriger Ausschussrate, die Serienherstellung von Leichtmetall-Gussbauteilen, insbesondere Aluminium- oder Magnesium-Gussbauteilen, mit komplexen Bauteil- und/oder Hohlraumgeometrien und mit hoher Bauteilfestigkeit und -steifigkeit. Dadurch ergeben sich auch neue konstruktive Ansätze für Leichtbaukonzepte. Ferner ergeben sich auch wirtschaftliche Vorteile.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest einige der als Kernmarken dienenden bzw. fungierenden Metallkörperchen zugleich die späteren Hohlraumöffnungen am herzustellenden Gussbauteil abdecken, um beim Gießen bzw. Befüllen der Gussform an diesen Hohlraumöffnungen das Eindringen von Metallschmelze in den zu erzeugenden Hohlraum zu verhindern. Die betreffenden Metallkörperchen sind hierzu entsprechen groß ausgebildet, so dass diese die betreffenden Hohlraumöffnungen vollständig abdecken können. Nach dem Entformen bzw. der Entnahme des Gussbauteils aus der Gussform ist der Salzkern vollkommen umhüllt bzw. eingeschlossen (d. h. der Salzkern hat keinen Kontakt zur Umgebung) und muss durch Entfernen bzw. Abtrennen wenigstens einer Metallkörperchen-Kernmarke an wenigstens einer Stelle freigelegt bzw. zugänglich gemacht werden, wobei die freigelegte Spülöffnung später als Hohlraumöffnung mit technischer Funktion verwendbar ist.
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Die als Kernmarken fungierenden Metallkörperchen und die zum Gießen verwendete Gusslegierung können aus einem im Wesentlichen gleichen leichtmetallischen Werkstoff oder zumindest aus ähnlichen leichtmetallischen Werkstoffen bestehen. Bevorzugt bestehen die Metallkörperchen und die Gusslegierung aus Aluminium (d. h. aus gleichen oder zumindest ähnlichen Aluminiumlegierungen) oder aus Magnesium (d. h. aus gleichen oder zumindest ähnlichen Magnesiumlegierungen).
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Analog zu den vorausgehenden Erläuterungen zeichnet sich der mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte Salzkern für die Ausbildung eines Hohlraums beim Druckgießen oder Kokillengießen von Leichtmetallen dadurch aus, dass dieser als Metallkörperchen ausgebildete Kernmarken für die definierte Lagerung in einer Gussform aufweist. Mit anderen Worten formuliert weist der Salzkern eine Salzkernstruktur mit daran angeordneten Metallkörperchen, die als Kernlager dienen bzw. fungieren, auf. Ein solcher Salzkern kann auch als Hybrid oder Salz-Metall-Verbundkern, insbesondere als Salz-Aluminium-Verbundkern oder Salz-Magnesium-Verbundkern, bezeichnet werden.
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Der Salzkern dient bevorzugt der Ausbildung eines Wassermantels oder einer Wassergalerie bei der Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors durch Druckgießen oder Kokillengießen eines Leichtmetalls.
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Der Salzkern ist, auch bei komplexer Gestalt bzw. Form, bevorzugt einstückig ausgebildet. Bei dem Salzkern kann es sich aber auch um ein sogenanntes Salzkern-Paket aus mehreren miteinander gefügten einzelnen Salzkernteilen handeln. Die vorzugsweise aus Aluminium oder Magnesium gebildeten Metallkörperchen können bspw. zylindrisch oder quaderförmig, insbesondere auch würfelförmig, sein. Die am Salzkern angeordneten Metallkörperchen können identisch oder auch unterschiedlich ausgebildet sein.
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Die als Kernmarken fungierenden Metallkörperchen sind bevorzugt formschlüssig am Salzkern befestigt. Insbesondere sind die Metallkörperchen steckverbindungsartig am Salzkern bzw. an einer Salzkernstruktur befestigt, wozu der insbesondere einstückig ausgebildete Salzkern bzw. dessen insbesondere einstückige Salzkernstruktur angeformte und vorstehende bzw. abragende Zapfen aufweist und die Metallkörperchen mit korrespondierenden Bohrungen, vorzugsweise Sacklochbohrungen, ausgebildet sind. Bevorzugt besteht zwischen den Zapfen des Salzkerns und den Bohrungen in den Metallkörperchen ein hinterschnittiger Formschluss.
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Bevorzugt ist/wird der Salzkern einstückig im Salzschmelz- bzw. Salzgussverfahren, insbesondere mittels Salzdruckgießen, hergestellt. Die als Kernmarken fungierenden Metallkörperchen können an den entsprechenden Stellen in die Salzkernform eingelegt werden, die hierfür entsprechend ausgebildet ist. Beim Gießen des Salzkerns kann die flüssige Salzschmelze in die Bohrungen in den Metallkörperchen einfließen, wodurch es zur formschlüssigen und gegebenenfalls auch stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Salzkern bzw. dessen Salzmasse und den Metallkörperchen kommt. Die Herstellung des Salzkerns kann auch auf andere Weise erfolgen, bspw. derart, dass zunächst der Salzkern im Schmelz- oder auch Pressverfahren hergestellt wird und nachfolgend die Metallkörperchen am Salzkern befestigt werden, bspw. durch Aufstecken auf die Zapfen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen mittels Druckgießen hergestellten Zylinderblock eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug.
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2 zeigt in perspektivischen Ansichten einen anderen mittels Druckgießen hergestellten Zylinderblock und die bei dessen Herstellung verwendeten Salzkerne.
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3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Salzkern für die Herstellung eines Zylinderblocks.
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4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Kernmarke des Salzkerns aus 3 und veranschaulicht die Situation innerhalb der Gussform zur Herstellung des Zylinderblocks.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen mit dem Salzkern aus 3 und 4 hergestellten Zylinderblock.
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Bei dem in 1 gezeigten Zylinderblock 100 handelt es sich um ein einstückiges Aluminiumgussteil, das mittels Druckguss hergestellt wurde. Zur Kühlung der Zylinder 110 weist der Zylinderblock 100 einen aus einem zusammenhängenden Hohlraum gebildeten Wassermantel 120 und eine Wassergalerie 130 auf. Der in 1 gezeigte Zylinderblock 100 hat eine sogenannte Open-Deck-Bauweise.
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2a zeigt einen als einstückiges Aluminiumgussteil ausgebildeten Zylinderblock 100 in einer sogenannten Closed-Deck-Bauweise, bei der der Wassermantel 120 und die Wassergalerie 130 als umgossene Hohlräume mit zahlreichen Hohlraumöffnungen 125 und 135 ausgebildet sind.
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Der Wassermantel 120 und die Wassergalerie 130 werden durch die in 2b gezeigten einstückigen Salzkerne 220 und 230 gebildet, die formgleich zum Wassermantel 120 und zur Wassergalerie 130 ausgebildet sind. Die Salzkerne 220 und 230 werden vor dem Gießen gemeinsam in die Gussform bzw. das Gießwerkzeug eingelegt und nach dem Gießprozess aus dem entformten Zylinderblock 100 mit einem Spülmedium ausgewaschen bzw. ausgespült. Die komplex geformten Salzkerne 220 und 230 sind zur definierten Lagerung in der Gussform mit angeformten Kernmarken 225 und 235 ausgebildet. Über diese Kernmarken 225 und 235 können zugleich auch die Hohlraumöffnungen 125 und 135 am Gussbauteil bzw. Zylinderblock 100 erzeugt werden. Die Erfindung sieht vor, dass die Kernmarken 225 bzw. 235 als mit dem Salzkern 220 bzw. 230 verbundene Metallkörperchen ausgebildet sind. Dies wird nachfolgend für den Wassermantel-Salzkern 220 erläutert, was analog für den Wassergalerie-Salzkern 230 gilt.
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3 zeigt den für die Ausbildung des Wassermantels 120 vorgesehenen Salzkern 220, bei dem die unterschiedlich gestalteten Kernmarken 225 durch Metallkörperchen 226 aus Aluminium gebildet sind, die an der einstückigen Salzkernstruktur 221 befestigt sind. Die Metallkörperchen 226, wobei es sich z. B. um Guss- oder Drehteile handeln kann, weisen beispielhaft eine zylindrische Form auf. Die Befestigung der Metallkörperchen 226 am Salzkern 220 bzw. dessen Salzkernstruktur 221 erfolgt durch eine hinterschnittige Formschlussverbindung, was in 4 durch eine Verzahnungsgeometrie veranschaulicht ist. Hierzu ist der Salzkern 220 bzw. die einstückige Salzkernstruktur 221 mit angeformten Zapfen 222 oder dergleichen ausgebildet und die Metall- bzw. Aluminiumkörperchen 226 sind mit hinterschnittigen Sacklochbohrungen 227 ausgebildet. Die feste Verbindung zwischen dem Salzkern 220 und den Metallkörperchen 226 kann direkt beim Urformen der Salzkernstruktur 221 erzeugt werden, wie obenstehend erläutert.
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4 veranschaulicht ferner die Situation innerhalb der Gussform 300 vor dem Gießen. Die Gussformwandung 310 ist mit taschenartigen Kernlagerstellen 315 ausgebildet, in die die als Kernmarken fungierenden Metallkörperchen 226 formschlüssig eingesetzt sind, wodurch eine sichere, stabile und belastbare Lagerung des Salzkerns 220 in der Gussform 300 bzw. deren Kavität 320 erreicht wird. Beim Gießen, d. h. beim Befüllen der Gussform 300 bzw. der Kavität 320 mit Aluminiumschmelze wird der Salzkern 220 umgossen, ohne dass die aus stabilem Aluminium bestehenden Kernmarken 226 abbrechen.
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An der in 4 gezeigten Lagerstelle wird beim Gießen eine durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen des Salzkerns 220 und der insbesondere metallischen Gussformwandung 315 verursachte Relativbewegung zwischen dem als Kernmarke fungierenden Metallkörperchen 226 und der Kernlagerstelle 315 ermöglicht, wie mit dem Doppelpfeil und dem Spielraum 330 veranschaulicht. Dadurch werden Spannungen im Salzkern 220 vermindert und die Gefahr von Kernbrüchen und/oder die Gefahr des Abbrechens der Kernmarke wird verringert. Das auf diese Weise zwischen einem als Kernmarke fungierenden Metallkörperchen 226 und der korrespondierenden Kernlagerstelle 315 gebildete Loslager weist keine aus sprödem Salzmaterial gebildeten Lagerteile (Kernmarke) auf. Durch eine geschickte Anordnung und Gestaltung von Fest- und Loslagern, was bspw. mithilfe einer Giessimulation ermittelt werden kann, ist auch unter Berücksichtigung unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen eine optimale Lagerung des Salzkerns 220 in der Gussform 300 bzw. deren Kavität 320 erreichbar und die Ausschussquote kann erheblich gesenkt werden.
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Beim Gießen entsteht auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Aluminiumschmelze und den als Kernmarken fungierenden Metallkörperchen 226. Aus 4 ergibt sich ferner anschaulich, wie das dargestellte als Kernmarke fungierende Metallkörperchen 226 die spätere Hohlraumöffnung 125 am herzustellenden Gussbauteil 100 abdeckt und durch den sich beim Gießen ergebenden Stoffschluss mit der Metall- bzw. Aluminiumschmelze auch abdichtet, so dass an dieser Hohlraumöffnung 125 ein etwaiges Eindringen von Metall- bzw. Aluminiumschmelze in den zu erzeugenden Hohlraum (Wassermantel 120) zuverlässig verhindert wird. Die Metallkörperchen 226 fungieren insofern auch als Deckel bzw. Verschlusstopfen für die späteren Hohlraumöffnungen 125.
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5 zeigt den nach dem Erstarren der Aluminiumschmelze entformten Zylinderblock 100 mit den in der erläuterten Weise angegossenen Kernmarken bzw. Metallkörperchen 226. Die Metallkörperchen 226 werden bspw. durch Abschlagen, Absägen und/oder spanende Bearbeitung abgetrennt, wobei die späteren Hohlraumöffnungen 125 (siehe 2a und 4) freigelegt und dadurch Spülöffnungen zum Ausspülen des Salzkerns 220 geschaffen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Zylinderblock (Zylinderkurbelgehäuse)
- 110
- Zylinder
- 120
- Wassermantel
- 125
- Hohlraumöffnung (Wassermantel)
- 130
- Wassergalerie
- 135
- Hohlraumöffnung (Wassergalerie)
- 220
- Salzkern (Wassermantel)
- 221
- Salzkernstruktur
- 222
- Zapfen
- 225
- Kernmarke
- 226
- Metallkörperchen
- 227
- Bohrung
- 230
- Salzkern (Wassergalerie)
- 235
- Kernmarke
- 300
- Gussform
- 310
- Gussformwandung
- 315
- Kernlagerstelle
- 320
- Kavität
- 330
- Spielraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007023060 A1 [0006]