DE20221850U1

DE20221850U1 - Kernbaugruppe ,Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen eines Motorzylinderkopfes sowie damit hergestellter Motorzylinderkopf

Info

Publication number: DE20221850U1
Application number: DE20221850U
Authority: DE
Original assignee: Meccanica Bassi SpA
Current assignee: Meccanica Bassi SpA
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: RU2306194C2; BR0215900A; CA2500794A1; KR20050060070A; US20060108084A1; WO2004035245A1; EP1545811A1; CN1671493A; RU2005109149A; ITBS20020088A1; MXPA05002557A; JP2006502009A; ZA200501275B; AR038665A1; US20080017346A1; AU2002368287A1; TW200405836A; NO20052175L

Abstract

Kernbaugruppe zum Gießen eines Motorzylinderkopfes mit Kernen (12, 13) für Einlaß und Auslaßkanäle, wobei die Kerne einen verjüngten bzw. konischen Endabschnitt aufweisen, einem Ventilsitz (14, 15), der an jedem Kern angebracht ist, wobei der Ventilsitz eine konische Innenfläche, die auf den verjüngten bzw. konischen Endabschnitt des Kerns aufgepaßt ist, und eine gleichmäßig verjüngte bzw. konische Außenfläche hat, und einer Schicht eines Materials (18), das geeignet ist, um sich in Kontakt mit dem Gießmetall zu lösen, wobei die Schicht des Materials die geformten Zonen der Kerne beschichtet und teilweise die Ventilsitze auf eine derartige Weise, um einen einzelnen Körper zu bilden, wobei die Ventilsitze von dem beschichteten Material vorstehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein die Technologie der Herstellung von Gussteilen und insbesondere Schwerkraftkokillen- und Niederdruckprozesse, bei denen Kerne zur Herstellung von inneren Hohlräumen in dem Guss zum Einsatz kommen. Ein typisches Beispiel für einen derartigen Gussprozess ist ein Gussprozess, bei dem Motorzylinderköpfe hergestellt werden, wobei innere Kerne zur Herstellung des Wassermantels für das Motorkühlwasser, der Einlass- und Auslasskanäle sowie eines beliebigen weiteren sekundären Hohlraumes notwendig sind.
Stand der Technik
Im Allgemeinen erfolgt das Gießen eines Motorzylinderkopfes in mittleren und großen Produktionen unter Verwendung einer festen Außenform, die Kokille (chill) genannt wird, wobei innere und bisweilen auch äußere Kerne erforderlich sind, die in die Kokille eingesetzt (eingelegt) werden, sodass ein gussbereiter einzelner Körper gebildet wird.
Bei einem Gussprozess mittels einer Kokille mit Kernen aus Sand und polymerisiertem Harz besteht die Hauptschwierigkeit darin, das Innere des zu gießenden Teiles, das heißt die Kerne, mit dem Äußeren, das heißt der Kokille, auszurichten bzw. zu kollimieren, um die erforderliche Abmessungsgenauigkeit zu erhalten. Die Kerne werden in entsprechenden Formen, die Kernkästen (core boxes) genannt werden, hergestellt, woraufhin sie üblicherweise in der Nähe der Kokille vorzusammengesetzt werden.
Die Gruppe von vorzusammengesetzten Kernen wird von automatischen Vorrichtungen (Greifern und Aufsatzwerkzeugen) gesammelt und in die Kokille gelegt (hineingelegt). Nunmehr ist es möglich, das Schmelzmetall, das das zwischen den Sandkernen und der Kokille befindliche Volumen füllt, zu gießen.
Sandvorsprünge, die Muster (prints) genannt werden, werden an den Kernen hergestellt, um die eingelegte bzw. zusammengesetzte Kerngruppe in einer gewünschten Position zu halten. Derartige Muster werden in die Kokille gelegt und sind kein Bestandteil des sich durch das Gießen ergebenden Teiles. In dem speziellen Fall von Kernen für Einlass- und Auslasskanäle eines Motorzylinderkopfes, wovon die Oberflächen die endgültige Ausformung des Gusses bilden, werden derartige Kerne in den Wassermantelkern eingesetzt, wobei während des Schrittes des Bewegens der Kerngruppen in die Kokille, wenn das Einlegen bzw. Zusammensetzen manuell vorgenommen wird, diese bedingt durch die Wirkung von Zwischenräumen, die von der Metalldicke eingenommen werden, frei sind. Sodann gelangen sie schwerkraftbedingt in die untere Zone der entsprechenden in dem Wassermantelkern vorgesehenen Durchlässe. Sind die Kanalkerne in Kontakt mit dem Unterkasten (drag) (untere Basis) der Kokille, so nehmen sie die endgültige Position ein.
Erfolgt das Kerneinlegen bzw. -zusammensetzen mittels automatischer Systeme, so werden die Kanalkerne von einer speziellen automatischen Vorrichtung in geeigneten Positionen relativ zu dem Wassermantel gehalten, jedoch üblicherweise nur durch die Seite des Flansches in Kopplung mit den Einlass- und Auslassrohrleitungen. Der gesamte Vorgang bedarf eines sorgfältigen Vorgehens.
Da die traditionelle Technologie für den Wassermantelkern eine wie bei den anderen Kernen erfolgende separate Formung vorsieht, muss das Wassermantelkernkasteninnere ebenfalls mit sämtlichen anderen Teilen als Folge der Außendicke der gussinternen Teile (Kanäle und dergleichen mehr) und zur Aufnahme der anderen Kerne während des nachfolgenden Kerneinlegens bzw. -zusammensetzens versehen sein. Da die Kanalaußenteile kein Drafting erfahren, da sie normalerweise nur die Hälfte der Höhe des Wassermantels einnehmen, werden derzeit bewegliche Teile verwendet, die von Zahnrädern, Nockenwellen oder im optimalen Fall pneumatischen Zylindern mit einer nahezu durchweg erfolgenden Bewegung an geneigten Achsen gesteuert bzw. geregelt werden.
Für den Fall eines Motorzylinderkopfes ist es zum Zwecke der Vereinfachung der Extraktion der sich bewegenden Teile notwendig, eine größere Neigung (Draftingwinkel) vorzusehen und die Außendicke der Kanäle zu verformen, wodurch Überschussmaterial zum Erreichen der Minimaldicke, die für den Gussvorgang erforderlich ist, bereitgestellt wird. Dies geht mit der Verringerung des Wassermantelkernes mit dem Ergebnis einer größeren Sprödheit hiervon und einer geringeren Effizienz des Kühlkreislaufes einher.
In anderen Fällen wird das Problem, die Kanalkerne durch die in den Wassermantelkernen hergestellten Öffnungen hindurchgehen zu lassen, dadurch gelöst, dass letztere horizontal in zwei Hälften unterteilt werden, die anschließend nach dem Einsetzen der Kanäle mittels eines Klebstoffes aneinander angebracht werden.
Dies bedingt jedoch höhere Herstellungskosten und eine geringere Qualität des fertigen Erzeugnisses vor allem bedingt durch die Gussgrate, die in dem Wasserzirkulationsbereich entstehen können, sowie bedingt durch Gusseinschlüsse, die sich durch einen etwaigen Kontakt des Schmelzmetalls mit dem Halbkernfixierklebemittel entwickeln können.
Ein weiterer Gussprozess, der „Lost Foam" („verlorener Schaum") genannt wird, besteht im Ausführen einer Mehrzahl von Polystyrolsektoren unter Verwendung spezieller Gussformen. Sobald diese Sektoren aneinander angebracht sind, passen sie zu dem zu gießenden Teil. Das auf diese Weise erhaltene Polystyrolmodell wird beschichtet und sodann in einen Behälter gegeben, der anschließend durch Vibration mit gemeinem Sand oder einem ähnlichen Material gefüllt wird. Unter Verwendung eines speziellen Fließkanals, der ebenfalls aus Polystyrol hergestellt ist, fließt das Schmelzmetall in den Behälter. Verbrennt das Polystyrol, so wird es durch das Metall ersetzt, um so den gewünschten Guss zu bilden.
Dieser Prozess erlaubt den Verzicht auf das Ausführen und Einlegen der Kerne aus polymerisiertem Sand. Neben verschiedenen technologischen Problemen geht dieses Verfahren zudem mit dem Nachteil einher, dass für den Fall des Gießens eines Motorzylinderkopfes die Kanalausformungen trotz der Beschichtung nicht optimal sind, da ihre Oberflächen geformt und daher direkt von den Polystyroloberflächen abgeschlossen werden. Es können sich sogar Bindestellen infolge der Kopplung von Polystyrolsektoren bilden. Die notwendige Verwendung eines Klebstoffes ist zudem die Hauptursache für Einschlüsse. Der Prozess kommt selten zu Anwendung.
Aufgaben und Vorteile der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehend beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik durch Bereitstellen einer neuen Kernbaugruppe, Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen eines Motorzylinderkopfes zu überwinden, die das Herstellen von qualitativ höherwertigen Güssen, wodurch die Menge des Gussausschusses aufgrund von Abmessungsmängeln verringert wird, und des Weiteren das Einführen neuer Gestaltungsmerkmale ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kernbaugruppe, Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen eines Motorzylinderkopfes bereitzustellen, die eine perfekte relative Positionierung zwischen sämtlichen Kernen und ein einfaches Einsetzen der Kerne in die Form oder in einen weiteren Kern beliebiger Ausformung ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kernbaugruppe, Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen eines Motorzylinderkopfes bereitzustellen, die eine beträchtliche Vereinfachung der Kernkästen, das heißt ohne komplexe Ausformungen, Hinterschneidungen bzw. Einstiche und damit verbundene bewegliche Teile, ermöglichen und die daher kostengünstiger, verlässlicher und ablauffreundlicher sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kernbaugruppe, Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen von Motorzylinderköpfen bereitzustellen, die das Herstellen von Kernen für Einlass- und Auslasskanäle ohne Verformung an der Außendicke und mit den vielfältigsten und komplexesten Ausformungen ermöglichen, was zu einer besseren Motorleistung und zu ökologisch fortgeschritteneren Motoren in Bezug auf Abgase führt, insoweit dies durch die neue Gusstechnologie ermöglicht wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kernbaugruppe, Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen eines Motorzylinderkopfes bereitzustellen, die ein Einbetten von Einsätzen für die Kanäle in den Guss aus einem Material ermöglichen, das der durch das Schmelzmetall erzeugten Wärme standhält, um vollkommen glatte Kanäle herzustellen, die zu einer Verbesserung der Motoreffizienz beitragen.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch eine Kernbaugruppe, Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen eines Motorzylinderkopfes entsprechend den beigefügten Ansprüchen gelöst. Darüber hinaus wird durch die Erfindung ein entsprechender Motorzylinderkopf zur Verfügung gestellt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung erschließen sich besser unter Bezugnahme auf die begleitende, erläuternde und nichtbeschränkende Zeichnung, die sich wie folgt zusammensetzt.
1 zeigt Kerne aus Sand und polymerisiertem Harz zur Ausführung der Einlass- und Auslasskanäle eines Motorzylinderkopfes.
2 ist eine Schnittansicht der Kernkästen zur Formung der Kerne von 1 in einer Abwandlung mit Einsätzen um die Einlass- und Auslasskanäle.
3 zeigt die Kanalkerne mit Einsätzen aus der Herstellung mit dem Kernkasten von 2.
4 zeigt einen Ausschnitt der Kanalkerne mit einer Einsetzung in die Gussform für deren Beschichtung mit einem Schäumungsmaterial.
5 zeigt die mit dem Schäumungsmaterial beschichtete Gruppe von Ventilsitzen und Kanalkernen.
6 zeigt den noch leeren Wassermantelkernkasten.
7 zeigt den Kernkasten (6) mit der Gruppe der darin eingesetzten Kanalkerne von 5.
8 zeigt die Gruppe von Kernen, Ventilsitzen und der Schäumungsbeschichtung mit einer Herstellung durch Formung des Wassermantelkernes in dem Kernkasten der vorherigen Figur, wobei die Ventilführungen in die Beschichtung eingesetzt sind.
9 zeigt ein vollständiges Kokillenkernzusammensetz- bzw. -einlegschema der Kerngruppe der vorherigen Figur.
9a und 9b zeigen zwei vergrößerte Einzelheiten des Kernzusammensetz- bzw. -einlegschemas, wobei die schwarzen Teile die Unterschiede hinsichtlich Form und Volumen der Wassermantelabmessungen zeigen, die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden können.
10 zeigt das Kernzusammensetz- bzw. -einlegschema in einer Abwandlung mit Einsätzen.
Detailbeschreibung der Erfindung
Wie vorstehend ausgeführt worden ist, betrifft die vorliegende Erfindung eine Kernbaugruppe, Hauptkernkasten und Gußform zum Gießen eines Motorzylinderkopfes zum Herstellen von Güssen, die mit inneren Hohlräumen versehen sind. Wie bekannt ist, werden derartige Hohlräume hergestellt, indem in eine Form, so beispielsweise eine Kokille, die Schmelzmetall aufnehmen soll, ein oder mehrere Kerne eingelegt werden, die aus Sand oder einem polymerisierten Harz oder einem anderen Material gefertigt sind. Diese Kerne werden wiederum vorab in speziellen Formen, die Kernkästen genannt werden, hergestellt. Für den Fall von mehreren Kernen werden diese separat – jeder in einem eigenen Kernkasten – hergestellt und anschließend zusammengesetzt, bevor sie (zusammengesetzt) in die Form oder Kokille gelegt werden. Versehen sind die Kerne zu diesem Zweck üblicherweise mit komplementären Vorsprüngen und Hohlräumen, die positive und negative Muster (prints) genannt werden, zur wechselseitigen Stützung und mit anderen Sandvorsprüngen, die in die geeigneten Sitze in die Kokille gelegt werden sollen, die nicht Bestandteil des Gusses sind.
Die Erfindung sieht das Beschichten von einem oder mehreren Kernen, die aus Sand oder einem anderen Material gefertigt sind, mit einer Schicht aus Schäumungsmaterial, so beispielsweise Polystyrol, nur in den ausgeformten Zonen unter Verwendung einer speziellen Gussform und das anschließende Legen derselben in die Kokille vor.
Das Kernbeschichtungsmaterial soll sich in Kontakt mit dem Gussmetall zersetzen, wodurch es ersetzt wird, wodurch die erforderliche Gussdicke bestimmt ist, damit die fertige Gussoberfläche durch die Qualität der Kernoberfläche bestimmt ist.
Insbesondere ist die Erfindung für diejenigen Gussprozesse gedacht und von besonderem Vorteil, bei denen die Ausführung eines Hauptkernes und eines oder mehrerer sekundärer Kerne erforderlich ist. Entsprechend der Erfindung werden die sekundären Kerne nach der auf diese Weise erfolgenden Ausführung in den jeweiligen Kernkästen in die Gussform gelegt und mit Schäumungsmaterial nur in der Ausformungszone mit der für das Gießen erforderlichen Dicke beschichtet, woraufhin sie (vorzusammengesetzt) in den noch zu formenden, das heißt leeren Hauptkernkasten gelegt werden.
Um die bereits mit dem Schäumungsmaterial beschichteten sekundären Kerne aufzunehmen, ist der Hauptkernkasten an den Ausformungen der sekundären Kerne leer, da Ausformungen und Dicke durch die Kerne und durch die Beschichtungsschicht ersetzt werden. Infolgedessen ist der Hauptkernkasten sehr viel einfacher und kostengünstiger in der Ausführung, da er den Verzicht auf eine innere Unterschneidung bzw. einen inneren Einstich und auf beliebige sich bewegende Teile, die zur Ausführung der Inhalte der sekundären Kerne erforderlich sind, ermöglicht. Darüber hinaus verfügt der Hauptkernkasten nur über die Außenmuster der sekundären Kerne, die in denselben voreingesetzt werden. Hergestellt wird im Gefolge der Formung des Hauptkernkastens mit Sand und polymerisiertem Harz ein einzelner monolithischer Körper, der bereits zusammengesetzt ist und eine beträchtliche geometrische Genauigkeit aufweist, aus dem Hauptkern und den sekundären Kernen, die integral mit dem Hauptkern durch die die Gussdicke bildende Beschichtung gebildet sind.
Ein derartiger monolithischer Körper kann dann einfach transportiert und in die Form oder Kokille gelegt werden.
Über die Kerne aus Sand oder einem anderen Material hinausgehend kann die Erfindung auch auf dünne hohle Einsätze angewendet werden, die aus einem wärmebeständigen Material, so beispielsweise einem Metall oder einem Verbundmaterial gefertigt sind, und der Einbettung in den Guss zum Herstellen der inneren Oberflächen der Hohlräume mit perfekter Glätte dienen. Vom abmessungstechnischen Standpunkt aus kann der Hauptkernkasten sowohl Sandkerne wie auch mit einem Schäumungsmaterial beschichtete Einsätze aufnehmen.
Sollen Einsätze aus Metall oder einem anderen Material in den Guss eingebettet werden, weisen diese Einsätze einen inneren Leerraum auf und entspricht dieser Leerraum der Kernausgestaltung, so müssen sie in einen speziellen Kernkasten eingelegt werden, bei dem zusätzlich nur die Einsatzdicke Berücksichtigung findet, woraufhin das Formen erfolgt. Der sich ergebende Kern ist mit Mustern und eingebetteten Einsätzen nur in der ausgeformten Zone versehen, mit einer darüber hinaus gegebenen Funktion als Stütze für die Einsätze, weshalb ein derartiger Kern auch das Eindringen des Schmelzmaterials in den Leerraumteil der eingebetteten Einsätze verhindert.
Die Eigenschaft, die das Vornehmen des Voreinlegens der bereits beschichteten Kerne in einen noch zu formenden (leeren) Kernkasten ermöglicht, ermöglicht für derartige sekundäre Kerne eine Mitbildung in beliebigen geometrischen Ausformungen, die andernfalls nicht möglich wäre. Beim Gießen wird es daher möglich, sogar mehrere Durchlässe, Labyrinthe und andere vorher unmögliche Formen zu verwirklichen, was daher rührt, dass das Vornehmen eines nachfolgenden Zusammensetzens bzw. Einlegens erst nach dem Formen aller Kerne nicht notwendig ist.
Infolgedessen führt der beschriebene Prozess zu einer Außendicke von sämtlichen sekundären Kernen ohne irgendeine Verformung und mit einer perfekten plangemäßen Ausformung, was entsprechend der herkömmlichen Technologie nicht möglich ist, da oftmals innere Ausformungen eines Hauptkernkastens bewegliche Teile für ein Drafting erfordern, die nur mit spezieller Verformung hergestellt werden können.
Jedenfalls wird dem Gussingenieur eine neue Technologie an die Hand gegeben, die das Herstellen von Güssen ermöglicht, die sogar andere benachbarte und derzeit entsprechend den Randbedingungen der aktuellen herkömmlichen Gusstechnologie noch separat gegossene Teile einbetten können.
Diese neue Technologie kann auch zum Herstellen von Versteifungen durch das Vorbeschichten von brüchigen Kernen mit einem Schäumungsmaterial zum Zwecke der Vereinfachung des Umganges damit oder für einen größeren Schutz gegen Brüche nach dem Voreinsetzen in die Form oder zur Unterbindung des Effektes des metallostatischen Druckes verwendet werden.
Vorstehendes wird sowohl durch Vornehmen eines direkten Voreinlegens in die Gussform erreicht, wobei in diesem Fall die Beschichtungsdicke kleiner oder gleich der Gussdicke sein kann, oder durch Legen der vorbeschichteten Kerne in den zu formenden weiteren Kernkasten, wobei in diesem Fall die Beschichtung gleich der Gussdicke sein muss.
Um Hohlkerne wie auch Einsätze mit Polystyrol oder einem anderen gleichwertigen Material zu beschichten, ist die Bereitstellung einer speziellen Gussform, die aus einer einzelnen unteren negativen Hälfte und einer weiteren oberen negativen Hälfte besteht, da positive Muster aus den Kernen oder Einsätzen zur Beschichtung bestehen, notwendig.
Die Gussform ist mit sämtlichen Kernmustersitzen gleich den Kernkästen, den Formen oder Kokillen unter Einbeziehung der jeweiligen spezifischen Toleranzen und wärmebedingten Ausdehnungen ausgestaltet.
Detailbeschreibung des Ausführungsbeispieles der Erfindung
Das Ausführungsbeispiel ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für eine Anwendung bei einem Kokillengussverfahren eines Motorzylinderkopfes geeignet. In diesem Fall ist, wie in der begleitenden Zeichnung gezeigt ist, der Hauptkern 11 der Wassermantelkern, der wiederum derjenige ist, der die Kühlmittelkreislaufdurchlässe ausführt, wohingegen die sekundären Kerne hauptsächlich diejenigen im Zusammenhang mit dem Einlasskanal 12 und dem Auslasskanal 13 sind.
Letztere werden zusammen mit beliebigen anderen sekundären Kernen, so beispielsweise denjenigen, die den Abgaszirkulationsbereich bilden und irgendwie mit dem Wassermantelkern in Zusammenhang stehen, in jeweiligen Kernkästen auf herkömmliche Weise hergestellt. Nach der Formung werden diese Kerne in eine einzelne Gussform 19 (4) eingelegt, damit eine Beschichtung mit einem Schäumungsmaterial 18, so beispielsweise mit Polystyrol, erfolgen kann. Ventilsitze 14, 15 für die Einlass- und Auslassventile können vorab in die Gussform an speziellen Bezügen bzw. Bezugspunkten eingelegt werden. Darüber hinaus kann die Gussform mit beweglichen zylindrischen Stiften 16, 17 zur Ausführung von Sitzen 16', 17' (5) für die Ventilführungen 16'', 17'' versehen sein.
Polystyrol 18 oder ein gleichwertiges Material, das in die Gussform eingespritzt wird, umhüllt nur die ausgeformten Zonen der darin eingesetzten Kerne mit der erforderlichen Gussdicke, wobei die Kernmuster 12', 13' ausgeschlossen werden. Zudem sind die Ventilsitze an dem Außendurchmesser eingebettet, wohingegen sie innen an den konischen Kanten der Kanalkerne ausgerichtet sind. Für diese spezifische Anwendung müssen die Ventilsitze 14, 15 ein geeignetes Bearbeitungsmaterial an dem Innendurchmesser aufweisen. Der Außendurchmesser der Ventilsitze ist durch eine Verjüngung gleich dem Innendurchmesser ausgeführt, wobei die Verjüngung für das Beschichtungsmaterial zum Stützen und zum in einer Position erfolgenden Halten der Ventilsitze während der weiteren Bearbeitung bis hin zum Einlegen in die Kokille oder Gussform notwendig ist. Das Metall blockiert schließlich die Ventilsitze beim Gießen.
Die Gruppe aus den Kanälen 12, 13 und den Ventilsitzen 14, 15, die alle mit dem Schäumungsmaterial 18 beschichtet sind und daher aus einem einzigen Körper (5) bestehen, wird anschließend in den Wassermantelkernkasten 20 (6, 7) gelegt (voreingesetzt). Wie vorstehend ausgeführt worden ist, zeigt der Wassermantelkernkasten 20 einen sehr einfachen Aufbau, da er frei von Ausformungen entsprechend der Außendicke der voreingesetzten sekundären Kerne ist.
Anstelle von derartigen Ausformungen sind vielmehr Bezugssitze 20 und negative Muster 20'' (6) vorhanden, die die sekundären Kerne mit den jeweiligen Mustern und die mit dem Schäumungsmaterial beschichteten Ventilsitze aufnehmen sollen. Daher ist der Kernkasten frei von beliebigen Unterscheidungen bzw. Einstichen und beweglichen Teilen.
An diesem Punkt wird der Wassermantelkernkasten mit Sand und polymerisiertem Harz gefüllt, sodass sich eine äußerst akkurate und monolithische Gruppe ergibt, wobei der Wassermantelkern 11 die Außendicke der Kanalkerne aus dem Schäumungsmaterial an den ausgeformten Zonen (8) hält. Eine vollständige relative Positionierung zwischen allen Kernen wird daher ebenfalls hergestellt.
Ist die gesamte Gruppe aus sekundären Kernen, Ventilsitzen und Schäumungsmaterial zu einem einzigen Körper mit dem Wassermantelkern geformt, so können die Ventilführungen 16'', 17'' automatisch in die geeigneten Sitze 16', 17', die in dem Schäumungsmaterial hergestellt sind, eingesetzt werden. Spezielle Dichtelemente werden dann an den Bindestellen zwischen dem Schäumungsmaterial und der oberen Hälfte des Wassermantelkernkastens aufgebracht, um während des Formens Sandeinsickerungen in die Führungssitze zu verhindern.
Die Ventilführungen sind fest (ohne mittige Löcher), da ein mechanisches Bearbeiten zum Einsetzen der Ventilschäfte mit in den Guss eingebetteten Ventilführungen vorgenommen wird. Dies verhindert unter anderem die Verwendung von traditionellen Versteifungsprägungen um die Ventilführung in den Kanalkernen.
Die Ventilführungen sind mit einer negativen kreisförmigen Nut an den in dem Schäumungsmaterial eingebetteten Abschnitten versehen, die die Ventilführungen in dem Gussmetall, wenn letzteres das Schäumungsmaterial ersetzt, in Position hält.
Vorhanden in dem oberen Abschnitt der Ventilführung ist oftmals ein weiterer Kern 21 für einen Ölkanal, wie dies für den in 10 gezeigten Fall zutrifft, oder ein Kanal für einen Stößelbereich zur Ausführung von Speisern (risers) (Gussmetallzuführung bei kühlungsbedingtem Schrumpfen).
Infolgedessen ist das obere Ende der Ventilführungen stets in den richtigen Sitz gemäß Ausführung in dem oberen Kern 21 oder in dem Stößelbereichskern geführt und damit in der richtigen Position blockiert, und zwar auch dann, wenn das Gussmetall sich zersetzt hat oder das Schäumungsmaterial um die Ventilführungen zersetzt, ohne dass die jeweiligen Ventilführungen kaputtgehen. In dem unteren Abschnitt sind die Ventilführungen in jeweilige Sitze 22, die in den Kanalkernen hergestellt sind (3), eingesetzt und gestoppt.
Nunmehr kann die monolithische Gruppe aus dem Wassermantelkern 11, den sekundären Kernen, den Ventilsitzen, den Ventilführungen und dem Schäumungsmaterial zusammen mit anderen Kernen, so beispielsweise dem Kern 21, zusammengesetzt in die Kokille gelegt werden (9 und 10). Während des Gießens zersetzt sich das Schmelzmetall und ersetzt das Schäumungsmaterial, wodurch die erforderliche Dicke bestimmt ist und die Ventilsitze und Ventilführungen eingebettet sind.
10 zeigt dasselbe Zusammensetz- bzw. -einlegschema wie vorstehend beschrieben, wobei hier jedoch die Kanalkerne aus metallischen hohlen Einsätzen 23 bestehen (oder aus einem beliebigen anderen Material, das der durch das Gussmetall erzeugten Wärme standhalten kann), mit einer Füllung aus Sand und polymerisiertem Harz zur Erfüllung einer Stützfunktion wie auch zur Verhinderung eines Eindringens des Schmelzmetalls in die Einsätze. Das Innere dieser Einsätze weist dieselben Abmessungsmerkmale wie die Sandkerne auf. Die Kerne aus polymerisiertem Sand und die Einsätze 23 werden zu einem speziellen Kernkasten 10 geformt, der die Dicke der Einsätze (2) berücksichtigen muss.
An dem einen Ende enden die Einsätze an den Ventilsitzen, wohingegen sie an dem anderen Ende bündig mit dem Gussrohflansch enden. Da die Einlass- und Auslasskanalkerne 12, 13 und beliebige weitere sekundäre Kerne nach dem Beschichten mit dem Schäumungsmaterial 18 in den Wassermantelkernkasten 11 gelegt (vorzusammengesetzt) werden, bestehen keinerlei Ausgestaltungseinschränkungen für die Kanäle oder für die weiteren sekundären Kerne. Die Einlasskanäle können miteinander mit einer einzelnen Kammer ohne irgendeine Unterbrechung in horizontaler Richtung mit den oberen Teilen der Ventilsitze verbunden werden. Eine derartige Kammer kann sogar den Einlassrohrleitungskoppelflansch erreichen und eine einzelne Kammer integral mit derselben Rohrleitung bilden, ohne dass irgendwelche Probleme des Zusammensetzens mit dem Wassermantel auftreten würden. Ein derartiges Konzept kann auch auf Einsätze erweitert werden, die aus einem anderen Material gefertigt und in den Guss eingebettet sind.
Infolgedessen werden dem Ingenieur große Freiheiten bei der Ausgestaltung ermöglicht, da die derzeit gültigen Randbedingungen für die Ausgestaltung nicht mehr gelten, so beispielsweise der erzwungene Durchlass der Kanäle durch den Wassermantel. Wie beispielsweise in 9a und 9b gezeigt ist, kann der Wassermantelbereich mit einer runderen Ausgestaltung (schwarze Teile) anstelle der derzeit üblichen geneigten Oberflächen und scharfen Kanten zur Ermöglichung von Drafting ausgeführt werden. Die Außenkanalkerndicke ist ebenfalls frei von Verformungen, mit einer konstanten und perfekten plangemäßen Dicke.
Aus alledem ergibt sich, dass das Kokillengussverfahren, das vorgeschlagen worden ist und bei der Ausführung eines Motorzylinderkopfes Anwendung findet, die nachfolgenden Vorteile mit sich bringt:

• Einlass- und Auslasskanäle ohne irgendwelche Randbedingungen für das Innere und ohne Verformungen an der Außendicke mit konsequenter, konstanter Gussdicke;
• Einlass- und Auslasskanäle, die aus wärmebeständigen Einsätzen bestehen und während des Gießens eingebettet werden;
• eine höhere geometrische Genauigkeit in der Position der Einlass- und Auslasskanäle und des Wassermantels relativ zu den Brennkammern;
• ein Wassermantel mit einem größeren Wasserdurchlassvolumen in den kritischeren Zonen;
• Ventilsitze mit einer Einbettung während des Gießens;
• Ventilführungen mit einer Einbettung während des Gießens;
• die Möglichkeit des Verzichts auf Löcher, die für die Muster zum Stützen des Wassermantelkernes in dem Fließschritt erzeugt werden, wodurch die mechanische Bearbeitung, die zum Einbringen derartiger Löcher erforderlich ist, überflüssig wird.

Die Erfindung kann insbesondere zur Anwendung kommen in einem Gussverfahren zum Herstellen von Teilen, die mit inneren Hohlräumen oder Löchern versehen sind, wobei die Löcher und/oder Hohlräume hergestellt werden, indem in eine Form oder Kokille, die das geschmolzene Metall aufnehmen soll, ein oder mehrere Kerne, die aus Sand oder einem anderen Material gefertigt sind, eingelegt werden und wobei jeder Kern separat in einem geeigneten Kernkasten ausgeführt wird, gekennzeichnet durch einen vor dem Einlegen in die Form oder Kokille erfolgenden Schritt des Beschichtens wenigstens eines Kernes mit einer Schicht eines Materials, die dafür ausgelegt ist, sich in Kontakt mit dem Gussmetall zu zersetzen bzw. aufzulösen.
Vorzugsweise wird die Beschichtung auf den Kern nur in den Zonen und durch die Dicke der Gussausformung aufgebracht.
Weiter bevorzugt wird das Beschichten durch Spritzgießen auf den zu beschichtenden Kern vorgenommen.
Vorzugsweise wird ein Hauptkern, der in einem speziellen Kernkasten ausgeführt wird, zusammen mit einem oder mehreren sekundären Kernen, die mit dem Hauptkern verbunden werden sollen, verwendet, wobei das Gussverfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
Beschichten wenigstens eines sekundären Kernes nur in den Zonen und durch die ausgeformte Dicke mit einer Schicht eines Materials, die sich in Kontakt mit dem geschmolzenen Metall zersetzt bzw. auflöst;
Einsetzen der vorbeschichteten sekundären Kerne in den noch zu formenden Hauptkernkasten;
Formen des Hauptkernkastens; und
Einsetzen der bei dem vorherigen Schritt hergestellten monolithischen Gruppe, die aus dem Hauptkern, den sekundären Kernen und dem diese fest verbunden haltenden Beschichtungsmaterial besteht, in die Form oder Kokille, die das geschmolzene Metall aufnehmen soll.
Vorzugsweise ist der Hauptkern derjenige, der den Wassermantel 11 für den Motorkühlmittelkreislauf ausführen soll, und wobei die sekundären Kerne wenigstens die Kerne der Einlass- und Auslasskanäle 12, 13 umfassen, wobei die Kanalkerne in eine mit der Beschichtungsmaterialschicht 18 zu beschichtende einzelne Gussform 19 eingelegt werden, um einen in den speziellen Wassermantelkernkasten einzulegenden einzelnen Körper zu bilden.
Weiter bevorzugt werden zunächst Ventilsitze 14, 15 für die Einlass- und Auslasskanäle in die Gussform eingelegt und das eingespritzte Material umhüllt die Ventilsitze an dem Außendurchmesser.
Vorzugsweise werden vor dem Einsetzen der monolithischen Gruppe in die Form oder Kokille die Ventilführungen 16'', 17'' für die Einlass- und Auslassventile in die monolithische Gruppe eingesetzt, die den Hauptkern und die sekundären beschichteten Kerne umfasst.
Vorzugsweise bestehen die zu beschichtenden Kerne aus hohlen Einsätzen 23, die aus einem wärmebeständigen Material gefertigt sind, wobei der Hohlraum die plangemäße Ausformung darstellt.
Weiter bevorzugt bestehen die zu beschichtenden Kerne aus einem hohlen Einsatz nur für die ausgeformten Zonen und sind aus einem wärmebeständigen Material mit einer Füllung aus Sand und einem polymerisierten Harz hergestellt, um die Muster auszuführen und Metalleinsickerungen zu verhindern.
Vorzugsweise ist das Beschichtungsmaterial der Kerne aus Sand und polymerisiertem Harz oder der Einsätze ein Schäumungsmaterial, wie beispielsweise Polystyrol.
Des weiteren betrifft die Erfindung einen Hauptkernkasten für eines der obigen Gussverfahren, wobei dieser aus zwei Abschnitten besteht, die aufeinander geschlossen werden sollen, so dass er frei von Unterschneidungen bzw. Einstichen und daher von beweglichen Teilen zum Durchführen des Ziehens bzw. Drafting ist, und dass er Sitze und negative Muster 20', 20'' zum Aufnehmen und Blockieren in einer Position aufweist, die mit dem Beschichtungsmaterial vorbeschichtete sekundäre Kerne in der Position blockiert.
Vorzugsweise ist die Gussform mit zylindrischen beweglichen Stiften 16, 17 zum Ausführen von Sitzen 16', 17' in dem Beschichtungsmaterial für die Ventilführungen 16'', 17'' der Einlass- und Auslassventile versehen.
Weiter bevorzugt ist die Gussform zum Beschichten der Einlass- und Auslasskanalkerne 12, 13 in einem Gussprozess eines Motorzylinderkopfes zum Aufnehmen von Ventilsitzen 14, 15 für die Einlass- und Auslassventile ausgestaltet.
Des weiteren wird durch die Erfindung ein Motorzylinderkopf geschaffen, gekennzeichnet durch die Einbettung wenigstens eines hohlen Einsatzes 23, der aus Metall oder einem anderen wärmebeständigen Material hergestellt ist, dessen Inneres die Ausgestaltung des entsprechenden Einlass- und Auslasskanals bildet.

Claims

Kernbaugruppe zum Gießen eines Motorzylinderkopfes mit Kernen (12, 13) für Einlaß und Auslaßkanäle, wobei die Kerne einen verjüngten bzw. konischen Endabschnitt aufweisen, einem Ventilsitz (14, 15), der an jedem Kern angebracht ist, wobei der Ventilsitz eine konische Innenfläche, die auf den verjüngten bzw. konischen Endabschnitt des Kerns aufgepaßt ist, und eine gleichmäßig verjüngte bzw. konische Außenfläche hat, und einer Schicht eines Materials (18), das geeignet ist, um sich in Kontakt mit dem Gießmetall zu lösen, wobei die Schicht des Materials die geformten Zonen der Kerne beschichtet und teilweise die Ventilsitze auf eine derartige Weise, um einen einzelnen Körper zu bilden, wobei die Ventilsitze von dem beschichteten Material vorstehen.
Kernbaugruppe nach Anspruch 1, die des weiteren einen Wassermantelkern (11) aufweist, der die äußere Dicke der Kanalkerne umschließt und hält, die aus der Schicht des beschichteten Materials an den geformten Zonen bestehen.
Kernbaugruppe nach Anspruch 2, wobei Ventilführungen (16'', 17'') in jeweilige ausgerichtete Sitze (16', 17', 22) eingesetzt sind, die in der Schicht des beschichteten Materials und den Kanalkernen vorgesehen sind.
Kernbaugruppen nach Anspruch 3, wobei die Ventilführungen solid bzw. massiv sind, das heißt ohne zentrale Öffnung, wobei die mechanische Bearbeitung zum Einsetzen der Ventilstiele durchgeführt wird, wenn die Ventilführungen in den Gußkörper eingebettet sind.
Kernbaugruppe nach Anspruch 3 oder 4, wobei jede Ventilführung mit einer negativen kreisförmigen Nut bei einem in die Beschichtungsschicht des Materi als eingebetteten Abschnitt versehen ist auf eine derartige Weise, um das Gießmetall in Position zu halten, wenn das letztgenannte die Beschichtungsschicht des Materials ersetzt.
Kernbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kanalkerne aus hohlen Einsätzen (23) bestehen, die aus einem Metall oder einem beliebigen Material hergestellt sind, das der durch das Gießmetall erzeugten Wärme widerstehen kann, und mit Sand und polymerisiertem Harz gefüllt sind.
Hauptkernkasten zum Erhalten einer Kernbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser nur aus zwei Abschnitten besteht, die für das Schließen einer auf dem anderen vorgesehen sind, wobei dieser frei von Hinterschneidungen ist und deshalb frei von mobilen Teilen, und wobei dieser Sitze und Negativabdrücke (20', 20'') aufweist zum Erhalten und in Position Blockieren der Kanalkerne, die mit dem beschichtenden Material vorbeschichtet sind.
Gußform zum Beschichten von Einlaß- und Auslaßkanalkernen der Kernbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit zylindrischen mobilen Stiften (16, 17) versehen ist, die zum Verwirklichen zumindest eines Sitzes (16', 17') in dem beschichtenden Material für die Ventilführungen (16'', 17'') des Einlaß- und/oder Auslaßventils vorgesehen sind.
Gußform zum Beschichten der Einlaß- und Auslaßkanalkerne (12, 13) der Kernbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese spezielle Marken bzw. Referenzen aufweist, die geeignet sind zum Aufnehmen zumindest eines Ventilsitzes (14, 15) für das Einlaß- und/oder Auslaßventil.
Motorzylinderkopf dadurch gekennzeichnet, daß dieser zumindest einen hohlen Einsatz (23) einbettet, der aus Metall oder einem anderen wärmebeständigen Material hergestellt ist, dessen Inneres die Gestaltung bzw. Konstruktion des jeweiligen Einlaß- und Auslaßkanals bildet.