DE4431713C2

DE4431713C2 - Device for the production of castings

Info

Publication number: DE4431713C2
Application number: DE19944431713
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Hannibal; Peter Huebschle
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2014-09-07
Also published as: DE4431713A1; GB2292899A; GB2292899B; GB9516758D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken, insbesondere von Nockenwellen aus Schalenhartguß, mit den weiteren Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a device for producing castings, in particular of camshafts made of chilled cast iron, with the others Features according to the preamble of claim 1.

Gattungsgemäße Vorrichtungen zum Herstellen von Gußstücken sind am Beispiel entsprechender Vorrichtungen zur Herstellung von Nockenwellen für Brennkraftmaschinen in der DE 35 32 196 C2 und in der EP 0 154 787 A1 beschrieben. Dabei wird jeder einzelne Nocken von einer jeweils zugeordneten Kokille beaufschlagt bzw. teilweise von dieser umgeben, wobei mit diesen "Kühleisen" der Zweck verfolgt wird, während des Gießvorganges örtlich die Abkühlung des geschmolzenen Metalls zu beschleunigen, um ein erwünschtes, überwiegend karbidisches Gefüge zu erhalten.Generic devices for producing castings are based on the example corresponding devices for the production of camshafts for Internal combustion engines in DE 35 32 196 C2 and in EP 0 154 787 A1 described. Each individual cam is assigned by a respective one Mold applied or partially surrounded by it, with this "Cooling iron" the purpose is pursued locally during the casting process Accelerate cooling of the molten metal to a desired, predominantly carbide structure.

In der Praxis gut bewährt haben sich einstückige, massive gußeiserne Nockenwellen mit Nocken aus Schalenhartguß. Dies insbesondere wegen des guten Verschleißverhaltens von Schalenhartguß, besonders bezüglich der Wälzermüdungsfestigkeit und wegen des guten Dämpfungsvermögens von Eisengußwerkstoffen. Allerdings wird das erwünschte Resultat der schroffen Abkühlung der Nockenlaufflächen mittels der Kokillen durch die Rückerwärmung der Nockenumfangsbereiche durch im Nockenwellenkern noch vorhandene Schmelze beeinträchtigt, denn letztere bewirkt einen Anlaßeffekt in den kristallisierten Randschalen der Nocken. Dies tritt verstärkt auch deswegen auf, weil beim Gießen im Bereich der Nockenerhebungen Materialansammlungen des schmelzflüssigen Metalls vorhanden sind.One-piece, solid cast iron has proven itself in practice Camshafts with cams made of chilled cast iron. This is particularly because of the good wear behavior of chilled cast iron, especially with regard to the Rolling fatigue strength and because of the good damping capacity of Cast iron materials. However, the desired result will be rugged Cooling of the cam running surfaces by means of the molds through the reheating the cam circumference areas by those still present in the camshaft core Melt affected because the latter causes a tempering effect in the crystallized edge shells of the cams. This is also increasing because because when casting in the area of the cam elevations material accumulations of the molten metal are present.

Während bei den im Stand der Technik gezeigten Nockenwellen die einzelnen Nocken voneinander beabstandet sind, sind für den Einsatz in Brennkraftmaschinen, insbesondere bei solchen mit mehreren Ventilen je Zylinder, auch Nockenwellen im Einsatz, bei denen mehrere Nockenerhebungen ohne Zwischenabstand ineinander übergehen, wie dies beispielsweise bei der in den Fig. 1a, 1b dargestellten Nockenwelle 1 der Fall ist. Dort liegen die einzelnen Nocken 2, 3, 4 unmittelbar nebeneinander, wobei der mittlere Nocken 3 eine kleinere Erhebung hat als die links und rechts daneben gelegenen.While the individual cams are spaced apart from one another in the camshafts shown in the prior art, camshafts are also used for use in internal combustion engines, in particular in those with several valves per cylinder, in which several cam elevations merge into one another without an intermediate distance, as is the case, for example, with the camshaft 1 shown in FIGS. 1a, 1b is the case. There, the individual cams 2 , 3 , 4 lie directly next to one another, the central cam 3 having a smaller elevation than the one on the left and right next to it.

Ungeachtet dieser baulichen Abweichung ist es natürlich auch hier erforderlich, die Laufflächen 5-7 durch Kühlelemente zu beaufschlagen, um die vorerwähnte Abschreckwirkung zu erreichen. Dies allerdings ist gerade bei der in den Fig. 1a und 1b gezeigten Bauform einer Nockenwelle insofern noch problematischer, als gerade auch in diesem Bereich besonders hohe Materialansammlungen des schmelzflüssigen Metalls vorhanden sind, wodurch der nachträgliche, an sich unerwünschte Anlaßeffekt noch begünstigt wird.Notwithstanding this structural deviation, it is of course also necessary to apply cooling elements to the running surfaces 5-7 in order to achieve the aforementioned quenching effect. However, this is even more problematic in the case of the design of a camshaft shown in FIGS. 1a and 1b, since particularly high material accumulations of the molten metal are present in this area, which further enhances the subsequent, undesirable starting effect.

Das sich hieraus ergebende gießtechnische Problem stellt sich natürlich nicht nur bei der Herstellung von Nockenwellen für Brennkraftmaschinen, sondern auch bei anderen Gußstücken, die entsprechend unterschiedlich konturierte Oberflächenbereiche aufweisen, die einer durchgehenden Abschreckbehandlung unterzogen werden müssen.The resulting casting problem is of course not just a problem in the production of camshafts for internal combustion engines, but also in other castings that contoured differently accordingly Surface areas have a continuous quenching treatment have to undergo.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen von Gußstücken der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art, insbesondere von Nockenwellen aus Schalenhartguß, bereitzustellen, mit der die gewünschte Abschreckwirkung der betreffenden Gußstück-Oberflächenbereiche in optimaler Weise herbeiführbar ist, ohne daß dabei der gesamte Arbeitsablauf in nachteiliger Weise beeinflußt wird.The invention is therefore based on the object of a device for producing castings of the type described in the preamble of claim 1, in particular of camshafts made of chilled cast iron, with which the desired quenching effect of the relevant casting surface areas in can be brought about in an optimal manner without the entire workflow in is adversely affected.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.This object is achieved with a device according to claim 1.

Der nebengeordnete Patentanspruch 4 hat eine weitere Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe zum Inhalt.The independent claim 4 has a further solution underlying task to content.

Sowohl mit dem Merkmal - unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten - gemäß Patentanspruch 1, als auch mit dem weiteren Merkmal - Zwischenlegen wärmeleitender Beschichtungselemente - gemäß Patentanspruch 4 wird dem unter Verwendung der in erfindungsgemäßer Weise geformten Kühlkokillen in anmelderseits durchgeführten Gießversuchen aufgetretenem Problem Rechnung getragen, daß durch den Schrumpfungsprozeß des Nockenwellenwerkstoffes während der Abkühlphase die Gefahr des Einklemmens des in den Einschnitt hineinreichenden Bereiches der Kühlkokille gegeben ist, wodurch ein späteres Entformen erschwert oder ggf. sogar unmöglich gemacht werden könnte. Dieses Problem ergibt sich insbesondere dann, wenn die Entformung erst geraume Zeit nach Erstellen des Abgusses vorgenommen wird, wenn also Kühlkokille und Gußstück gemeinsam auf eine Temperatur von unter 100° Celsius abgekühlt haben.Both with the characteristic - different coefficients of thermal expansion - according to claim 1, as well as with the further feature - interposing thermally conductive coating elements - according to claim 4 is the using the cooling molds formed in the manner according to the invention in problem encountered by the application borne that by the shrinking process of the camshaft material during the cooling phase there is a risk of the pinching in the incision is in the area of the cooling mold, resulting in a later De-molding could be made difficult or even impossible. This The problem arises in particular if the demoulding takes some time after the casting has been made, that is when the cooling mold and The casting is cooled together to a temperature below 100 ° Celsius to have.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung ist anhand zweier Ausführungsbeispiele nachstehend beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt inAdvantageous developments of the invention are in the respective subclaims specified. The invention is based on two exemplary embodiments below described and shown in the drawing. This shows in

Fig. 1a und 1b einen Abschnitt einer Nockenwelle für Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik, Fig. 1a and 1b, a portion of a camshaft for internal combustion engines according to the prior art,

Fig. 2 die Zuordnung der Kühlkokille zu den abzuschreckenden Oberflächenbereichen des Gußstückes und Fig. 2 shows the assignment of the cooling mold to the surface areas of the casting to be quenched and

Fig. 3 eine Anordnung entsprechend der in Fig. 2, allerdings mit zwischengelegten Distanzelementen hoher Wärmeleitfähigkeit. Fig. 3 shows an arrangement corresponding to that in Fig. 2, but with interposed spacers high thermal conductivity.

Die in den Fig. 1a-3 perspektivisch bzw. abschnittsweise dargestellte Nockenwelle 1 für eine Brennkraftmaschine soll als Schalenhartguß-Nockenwelle im Croning- Verfahren hergestellt werden. Sind pro Zylinder der Brennkraftmaschine drei Ventile vorgesehen, so weist die Nockenwelle 1 je Zylinder eine entsprechende Anzahl von Nocken auf, die somit eine Gruppe bilden. Durch den Versatz in Umfangsrichtung bezüglich der Hubkontur ergeben sich bereichsweise radial weiter innenliegende Nockenabschnitte, die allerdings ebenfalls einer oberflächigen Abschreckung unterzogen werden müssen, um das erwünschte überwiegend karbidische Gefüge zu erhalten.The camshaft 1 for an internal combustion engine shown in perspective or in sections in FIGS . 1a-3 is to be produced as a hard cast camshaft in the croning process. If three valves are provided per cylinder of the internal combustion engine, the camshaft 1 has a corresponding number of cams per cylinder, which thus form a group. The offset in the circumferential direction with respect to the stroke contour results in areas of the cam which lie radially further inward, but which also have to be subjected to surface quenching in order to obtain the desired predominantly carbide structure.

Das hierfür verwendete metallische Abschreckteil ist als Kühlkokille 8 ausgebildet, welche die die den Nocken 2-4 entsprechenden Bereiche des Formhohlraumes umschließt. Die Kühlkokillen 8 sind in an sich bekannter Weise in eine Sandform 9 der Gießvorrichtung eingebettet. Dabei ist jeder Gruppe von Nocken 2-4 eine vorzugsweise einstückige massive Kühlkokille 8 mit entsprechend guter Abschreckwirkung zugeordnet. Deren Innenkontur entspricht dem Oberflächenverlauf (Laufflächen 5-7) der Nocken 2-4.The metal quenching part used for this purpose is designed as a cooling mold 8 , which encloses the areas of the mold cavity corresponding to the cams 2-4 . The cooling molds 8 are embedded in a sand mold 9 of the casting device in a manner known per se. Each group of cams 2-4 is assigned a preferably one-piece solid cooling mold 8 with a correspondingly good quenching effect. Their inner contour corresponds to the surface profile (running surfaces 5-7 ) of the cams 2-4 .

Die bei der Herstellung von Schalenhartguß-Nockenwellen eingesetzten Kühlkokillen sind in der Regel aus Grauguß hergestellt. Dieser Werkstoff hat einen etwa dem Nockenwellenwerkstoff entsprechenden linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei Gießversuchen wurde nun festgestellt, daß bei einer der Fig. 2 entsprechenden Konfiguration beim Abguß einer Nockenwelle 1 während der Abkühlphase die Kühlkokillen 8 im Bereich des mittleren Nockens 3 durch den Schrumpfungsprozeß eingepresst werden und später nicht mehr oder nur sehr schwierig auszuformen sind.The cooling molds used in the production of die cast camshafts are usually made of gray cast iron. This material has a linear thermal expansion coefficient corresponding approximately to the camshaft material. In casting tests, it has now been found that, in a configuration corresponding to FIG. 2, when casting a camshaft 1 during the cooling phase, the cooling molds 8 are pressed in by the shrinking process in the area of the central cam 3 and are later no longer or only very difficult to form.

Abhilfe schafft hier der Einsatz erfindungsgemäßer Kühlkokillen 8, deren Werkstoff einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der (wesentlich) höher ist, als der des Nockenwellenwerkstoffes. Damit ist erreichbar, daß beim Abkühlprozeß nach unterschreiten der Soliduslinie das absolute Schrumpfungsmaß der Nockenwelle 1 kleiner ist als das der Kühlkokille 8, wodurch ein späteres Entformen problemlos möglich ist. Hierbei haben sich für den Kokillenwerkstoff Chrom-Nickel-Stähle, beispielsweise X5 Cr Ni Mo 17 12 2 oder X5 Cr Ni 18 10 empfohlen, deren lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten α größenordnungsmäßig etwa doppelt so groß sind wie der des üblicherweise für die Nockenwelle 1 verwendeten lamellaren Graugusses.This is remedied by the use of cooling molds 8 according to the invention, the material of which has a linear coefficient of thermal expansion which is (substantially) higher than that of the camshaft material. It is thus possible to achieve that the absolute shrinkage dimension of the camshaft 1 is smaller than that of the cooling mold 8 in the cooling process after the solidus line is undershot, so that subsequent demolding is possible without any problems. Here, chromium-nickel steels, for example X5 Cr Ni Mo 17 12 2 or X5 Cr Ni 18 10, have been recommended for the mold material, whose linear thermal expansion coefficients α are approximately twice as large as that of the lamellar gray cast iron usually used for camshaft 1 .

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit, dem geschilderten Entformungsproblem abzuhelfen ist darin zu sehen, für die Kühlkokillen 10, wie im Stand der Technik an sich bekannt, Grauguß zu verwenden, während allerdings, wie in Fig. 3 gezeigt, an den durch den Schrumpfungsprozeß bezüglich Einpressgefahr besonders gefährdeten Abschnitten, nämlich an den stirnseitigen inneren Flanken 11, 12 der Nocken 2 und 4 eine dünne Beschichtung 13 aus einem Keramikwerkstoff oder aus Graphit vorgesehen ist. Diese an die Kühlkokille 10 angebrachte Beschichtung 13 wird vor dem Entformen oder auch während des Entformungsvorganges zerstört, so daß danach ein entsprechendes Untermaß der Kühlkokille 10 in dem ansonsten kritischen Bereich vorliegt.Another possibility according to the invention to remedy the described demolding problem can be seen in using gray cast iron for the cooling molds 10 , as is known per se in the prior art, while, as shown in FIG endangered sections, namely a thin coating 13 made of a ceramic material or of graphite is provided on the front inner flanks 11 , 12 of the cams 2 and 4 . This coating 13 attached to the cooling mold 10 is destroyed before removal from the mold or also during the removal process, so that thereafter there is a corresponding undersize of the cooling mold 10 in the otherwise critical area.

Denkbar wäre auch die Kühlkokille 8 nicht einstückig auszubilden, sondern, wie in Fig. 2 strichliniert angedeutet, als Paket unmittelbar aneinanderliegender schei benförmiger Kühlkokillenelemente.It would also be conceivable not to form the cooling mold 8 in one piece, but, as indicated by the broken lines in FIG. 2, as a package of directly adjacent, disk-shaped cooling mold elements.

Hierbei ergibt sich dann auch die Möglichkeit der unterschiedlichen Werkstoff wahl. So könnten die den radial weiter innen liegenden Nockenabschnitten (Nocken 3) zugeordneten Kühlkokillenelemente aus besagtem Werkstoff (Chrom- Nickel-Stahl) mit höherem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, während die benachbarten Kühlkokillenelemente (den Nocken 2 und 4 zugeord net) nach wie vor aus lamellarem Grauguß bestehen.This also results in the possibility of different material selection. For example, the cooling mold elements assigned to the radially inner cam sections (cams 3 ) could consist of said material (chrome-nickel steel) with a higher linear coefficient of thermal expansion, while the adjacent cooling mold elements (assigned to cams 2 and 4 ) still consist of lamellar gray cast iron consist.

Es versteht sich, daß bei Nockenwellen mit mehr als drei Nocken je Brennkraftma schinen-Zylinder (z. B. fünf Nocken bei Fünfventil-Technik) die vorstehend be schriebenen und in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kühlkokillen 8, 10 unter Beibehaltung der erfindungsgemäßen Merkmale konstruktiv angepaßt werden.It is understood that in camshafts with more than three cams per internal combustion engine cylinder (z. B. five cams with five-valve technology) the above-described and shown in Figs. 2 and 3 cooling molds 8 , 10 while maintaining the invention Features to be adapted constructively.

Claims

1.Device for the production of castings, in particular of camshafts made of chilled cast iron, using at least one cooling mold embedded in a casting mold and partially enclosing a mold cavity in order to bring about an accelerated surface cooling of the casting material, characterized in that the accelerated cooling of castings Areas have raised and deeper sections, the cooling mold ( 8 ) is adapted to these surface contours, consists of a package of directly adjacent, disc-shaped cooling mold elements, the cooling mold elements have different coefficients of thermal expansion and the elements of the cooling mold ( 8 ) assigned to the lower casting sections are made from one Material exist, the linear thermal expansion coefficient α is higher than that of the casting material.

2. Device according to claim 1, characterized in that as a casting plant gray cast iron and as a mold element material with higher thermal expansion coefficient α a chrome-nickel steel is used.

3. Device according to claim 2, characterized in that as Mold element material with a higher coefficient of thermal expansion α X5 Cr Ni 18 10 or X5 Cr Ni Mo 17 12 2 is used.

4.Device for the production of castings, in particular of camshafts made of chilled cast iron, using at least one cooling mold embedded in a casting mold and partially enclosing a mold cavity to bring about an accelerated surface cooling of the casting material, characterized in that in the case of castings the accelerated cooling thereof Areas have raised and deeper sections, the cooling mold ( 10 ) is essentially adapted to this surface contour, consists of a material whose linear thermal expansion coefficient α corresponds approximately to that of the casting material and to the sections relevant to the driving process due to the shrinking process during the cooling phase with regard to injection molding Coating elements ( 13 ).

5. The device according to claim 4, characterized in that the coating device ( 13 ) consists of ceramic.

6. The device according to claim 4, characterized in that the coating device ( 13 ) consists of graphite.