EP1216771A2

EP1216771A2 - Inserted core for producing a casting mould and process for the production of such casting mould

Info

Publication number: EP1216771A2
Application number: EP01122817A
Authority: EP
Inventors: Ralph Berger; Frank Thiele
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-09-22
Publication date: 2002-06-26
Also published as: EP1216771A9; EP1216771A3; DE10059083C1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Einlegekerns zur Verwendung in einer Gussform, beispielsweise für ein Zylinderkopfgehäuse oder einen Kolben. Es wird vorgeschlagen, dass der Einlegekern aus einem Gemisch aus Metallgranulat und einem Bindemittel hergestellt ist. <IMAGE>The invention relates to the production of an insert core for use in a casting mold, for example for a cylinder head housing or a piston. It is proposed that the insert core is made from a mixture of metal granules and a binder. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Einlegekern für die Herstellung einer Gussform sowie das Verfahren zur Herstellung einer Gussform nach den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Hauptansprüche.The invention relates to an insert core for the production of a mold and the Process for producing a mold according to the features of the preambles of independent main claims.

Es ist allgemeiner Stand der Technik, bei der Herstellung von Gussteilen sog. verlorene Sandformen zu verwenden, die nach einem Gießvorgang nicht wieder verwendbar sind. Die dabei verwendeten Sandformen bzw. Sandkerne, die zur Erstellung einer Innenkontur bzw. eines Hohlraumes verwendet werden, können auf einfache Art und Weise schnell durch sog. Rapid Prototyping-Verfahren hergestellt werden. So werden beispielsweise von der Firma EOS GmbH Elektro Optical Systems Maschinen vertrieben, mit denen Formen und Kerne für das Sandguss-Verfahren direkt aus CAD-Daten ohne Verwendung von Modellen oder Kernkästen erzeugt werden können. Bei dem sog. Sandsinter-Verfahren wird die Anlage durch ein integriertes Materialfördersystem automatisch mit beschichteten Formsand gefüllt. Der als Sintermaterial beschichtete Formsand wird entsprechend der vorgegebenen CAD-Modell-Daten schichtweise durch zwei Laser belichtet. An den belichteten Stellen entsteht aufgrund einer chemischen Reaktion des beschichteten Formsandes ein fester Fügeverband. Nachdem eine Schichtdicke von ca. 0,2 mm abgetastet wurde, wird der Werkzeugtisch abgesenkt und die nächste Sandschicht aufgefüllt. Damit eignet sich das Laser-Sinter-System zum direkten Erzeugen von Sandgussformen -und kernen beliebiger komplexer Struktur.It is general state of the art, so-called lost in the production of castings To use sand molds that cannot be reused after a casting process. The sand molds or sand cores used to create an inner contour or a cavity can be used quickly and easily be produced by so-called rapid prototyping processes. For example distributed by the company EOS GmbH Elektro Optical Systems machines with which Molds and cores for the sand casting process directly from CAD data without use can be generated from models or core boxes. In the so-called sand sintering process the system is automatically integrated with an integrated material conveyor system coated molding sand filled. The molding sand coated as sintered material becomes according to the given CAD model data in layers by two lasers exposed. Due to a chemical reaction, the coated molding sand a firm joint. After a layer thickness of approx. 0.2 mm has been scanned, the tool table is lowered and the next one Filled in sand layer. This makes the laser sintering system suitable for direct Creation of sand molds and cores of any complex structure.

Aus der DE 195 33 529 A1 ist es weiterhin bekannt, bei der Herstellung von Motorblöcken eine Kombination von Sand- und Kokillenguss vorzusehen. Dabei besteht die zur Herstellung der Zylinderlauffläche vorgesehene Kokille aus einem Messingwerkstoff. Damit wird erreicht, dass die eingegossene Schmelze an de Oberfläche der Kokille in Folge der höheren Wärmeleitfähigkeit des Metalls schneller erstarrt, wodurch u.a. Gefügeverbesserungen erzielt werden können. From DE 195 33 529 A1 it is also known in the manufacture of Engine blocks to provide a combination of sand and permanent mold casting. There is the mold provided for the production of the cylinder running surface from a Brass material. This ensures that the poured melt on de Surface of the mold faster due to the higher thermal conductivity of the metal solidifies, which among other things Structural improvements can be achieved.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, die üblicherweise verwendeten gesinterten Sand-Einlegekerne für die Herstellung einer Gussform durch ein Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit herzustellen, wobei zur Herstellung der Form für den Einlegekern vorzugsweise auf das Sandsinter-Verfahren zurückgegriffen werden kann.In contrast, it is an object of the invention to use the sintered materials that are usually used Sand inlay cores for the production of a casting mold by a material with a higher one To produce thermal conductivity, being used to manufacture the mold for the insert core preferably the sand sintering process can be used.

Die Aufgabe wird erfindungemäß durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst.The object is achieved according to the invention by the features of the main claims.

Der Metall-Einlegekern muss nicht erst aufwendig gegossen werden, sondern kann auf einfache Art und Weise durch das Vermischen des Metall-Granulats mit dem Bindemittel hergestellt werden. Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit des Metall-Einlegekerns gegenüber den sonst üblicherweise verwendeten Sandkernen erfolgt eine beschleunigte Abkühlung der später zu gießenden Metallschmelze. Als Folge der schnell fortschreitenden Erstarrung entsteht ein verhältnismäßig feinkörniges und dichtes Gefüge, dass bessere Festigkeitseigenschaften aufweist. Damit steht ein insgesamt zeitund kosteneffektives Verfahren zur Verfügung, das die bekannten Rapid Prototyping Verfahren sinnvoll ergänzt.The metal insert core does not have to be cast, it can be opened simple way by mixing the metal granules with the binder getting produced. Due to the higher thermal conductivity of the metal insert core compared to the sand cores normally used, there is an accelerated Cooling of the molten metal to be poured later. As a result of the quick progressive solidification creates a relatively fine-grained and dense Structure that has better strength properties. So there is an overall time and cost effective method available that the well known rapid prototyping Procedures supplemented sensibly.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des erfindungemäßen Herstellungsverfahrens sowie des erfindungsgemäßen Aufbaus des metallischen Einlegekerns enthalten.Further advantageous refinements and improvements are in the subclaims the manufacturing method according to the invention and the construction of the invention metallic insert core included.

Zur Herstellung des Einlegekerns kann auf im Handel erhältliches Metallgranulat zurückgegriffen werden, das in Abhängigkeit vom Einsatzfall aus Edelstahl, Messing, Kupfer u.a. bestehen kann.To manufacture the insert core, commercially available metal granules can be used depending on the application made of stainless steel, brass, Copper and others can exist.

Um die Abschreckwirkung des Metall-Einlegekerns gegenüber der Metallschmelze weiter zu erhöhen, wird vorgeschlagen, im Einlegekern eine Kühlvorrichtung, z.B. in Form einer Kühlwasserspirale zu integrieren. The quenching effect of the metal insert core against the molten metal continues to increase, it is proposed that a cooling device, e.g. in form of a Integrate cooling water spiral.

Zur Herstellung des Einlegekerns wird auf einfache Art und Weise im Sandsinter-Verfahren eine Negativform des Einlegekerns hergestellt, in die später das Gemisch aus Metallgranulat und Bindemittel eingefüllt wird.The insert core is produced in a simple manner using the sand sintering process a negative form of the insert core is made, into which the mixture will later be made Metal granulate and binder is filled.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.Two embodiments of the invention are in the description below and Drawing explained in more detail.

Es zeigen

Fig. 1: eine Sandform für einen Brennraum-Einlegekern,
Fig. 2: ein Bodenkern mit aufgesetztem Brennraum- und Wassermantelkern,
Fig. 3: die zusammen gesetzten Kerne zur Herstellung eines Zylinderkopfgehäuses,
Fig. 4: die komplettierte Sandgussform,
Fig. 5: die Sandgussform beim Befüllen mit einer Aluminiumschmelze und
Fig. 6: eine Prinzipdarstellung einer Sandgussform für einen Kolben mit einem metallischen Einlegekern.

Show it

Fig. 1: a sand mold for a combustion chamber insert core,
Fig. 2: a floor core with attached combustion chamber and water jacket core,
Fig. 3: the assembled cores for the production of a cylinder head housing,
Fig. 4: the completed sand mold,
Fig. 5: the sand mold when filled with an aluminum melt and
Fig. 6: a schematic diagram of a sand mold for a piston with a metallic insert core.

Description of the embodiments

Nachfolgend wird die Herstellung eines metallischen Einlegekerns beschrieben, der exemplarisch anhand des ersten Ausführungsbeispiels für die Herstellung eines Zylinderkopfgehäuses im sog. Sandsinter-Verfahren verwendet bzw. eingesetzt wird. Das in der Beschreibungseinleitung erwähnte Sandsinter-Verfahren zur Erzeugung von Formen und Kernen aus CAD-Daten ist Stand der Technik und wird daher nur im für die Herstellung der Gussform erforderlichen Umfang beschrieben.The production of a metallic insert core is described below using the first exemplary embodiment for the production of a Cylinder head housing is used in the so-called sand sintering process. The sand sintering process mentioned in the introduction to the description for the production of Shapes and cores from CAD data is state of the art and is therefore only used for Production of the mold described the required scope.

In einem ersten Arbeitsschritt wird eine verlorene Form aus beschichtetem Formsand für einen Brennraum-Einlegekern (siehe Fig. 1) im Sandsinter-Verfahren hergestellt. Als nächster Schritt wird in die ggf. mit einem Heissluftfön o.ä. nachgehärtete Sandform für den Brennraum-Einlegekern ein Gemisch aus Metallgranulat und Zwei-Komponenten-Binder eingefüllt. Das Metallgranulat kann aus Edelstahl, Kupfer, Messing o.ä. Metallbzw. Metalllegierungen mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit bestehen.In a first step, a lost mold is made from coated molding sand for a combustion chamber insert core (see Fig. 1) manufactured in the sand sintering process. As The next step is to use a hot air dryer or similar. post hardened sand mold for the combustion chamber insert core is a mixture of metal granulate and two-component binder filled. The metal granulate can be made of stainless steel, copper, brass or the like. Metallbzw. Metal alloys with high specific thermal conductivity exist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde dabei Edelstahlgranulat mit den Spezifikationen: Materialbezeichnung 1.4825 Chemische Analyse C ∼ 0,17% Cr ∼ 18%
Ni ∼ 10%
Si ∼ 1,8%
Mn ∼ 1,2% Eigenschaften rostbeständig, kugelig Microstruktur austenitisch Härte Anlieferungszustand ∼ 300 HV,
Betriebsgemisch ∼ 450 HV Schüttdichte ∼4,7 kg/dm ³ Mittlerer Korndurchmesser 0,3mm Wärmeleitkoeffizient λ =14,6 J / m*K Spez. Wärmekapazität C = 500 J / kg*K oder Kupfergranulat mit den Spezifikationen: Chemische Analyse Cu ∼ 99,9% Eigenschaften kugelig Mittlerer Korndurchmesser 0,2-0,4 mm Schüttdichte ∼ 5,0 kg/dm ³ Wärmeleitkoeffizient λ=339 J / m*K Spez. Wärmekapazität C=390 J / kg*K verwendet. In the present exemplary embodiment, stainless steel granulate with the specifications: Material 1.4825 Chemical Analysis C ∼ 0.17% Cr ∼ 18%
Ni ∼ 10%
Si ∼ 1.8%
Mn ∼ 1.2% characteristics rust-resistant, spherical microstructure austenitic hardness Delivery condition ∼ 300 HV,
Operating mixture ∼ 450 HV bulk density ∼4.7 kg / dm ³ Medium grain diameter 0,3mm thermal conductivity coefficient λ = 14.6 J / m * K Specific heat capacity C = 500 J / kg * K or copper granulate with the specifications: Chemical Analysis Cu ∼ 99.9% characteristics spherically Medium grain diameter 0.2-0.4 mm bulk density ∼ 5.0 kg / dm ³ thermal conductivity coefficient λ = 339 J / m * K Specific heat capacity C = 390 J / kg * K used.

Beim Zwei-Komponenten-Bindemittel handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um NOVATHEN 540 (chem. Bezeichnung: Vorkatalysiertes Polyol der Firma Ashland), das üblicherweise zusammen mit der zweiten Komponente NOVATHEN 260 zur Herstellung von Sandkernen und Sandformen für Aluminiumguss verwendet wird. Zur Herstellung des Metall-Einlegekerns wird als erstes das Metallgranulat mit der ersten Bindemittel-Komponente NOVATHEN 540 vermischt, bevor die zweite Bindemittel-Komponente NOVATHEN 260 mit dazu gegeben und ebenfalls vermischt wird. Nach einer Aushärtezeit von ca. 15 min, kann der Brennraum-Einlegekern aus der Form herausgebrochen werden, wobei die Form selbst zerstört wird (verlorenen Form). Zur weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beim späteren Gießen der Metallschmelze kann zusätzlich in den Einlegekern z.B. eine Kupferspirale integriert werden, indem diese während der Befüllung der Brennraum-Sandsinterform mit Metallgranulat und dem Zwei-Komponenten-Binder darin eingebettet wird. Die restlichen für die Herstellung eines Zylinderkopfgehäuses erforderlichen Sandformen bzw. Sandkerne werden ebenfalls im Sandsinter-Verfahren hergestellt und wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt, zu einer Gesamt-Gussform zusammengesetzt. In Figur 2 ist der Bodenkern 2, der Brennraumkern 4 sowie der Wassermantel-Einlegekern 6 für das später wassergekühlte Zylinderkopfgehäuse zu sehen. Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, besteht die Gussform weiterhin aus vier Seitenkernen 8, 10, 12, 14, die über ein entsprechendes Verzahnungsprofil auf dem Bodenkern 2 aufgesetzt sind. Auf die Seitenkerne 8 bis 14 wird als Abschluss ein Deckelkern 16 aufgesetzt. Der Deckelkern 16 weist drei zylindrische Öffnungen 18 auf, in die, wie in Fig. 5 dargestellt, sog. Keramik-Isolierspeiser 20 zur Aufnahme der sich über die eigentliche Gussform hinaus ausdehnenden Schmelze eingesteckt sind. In die im Deckelkern 16 vorgesehenen schlitzförmigen Schächte 22 sind, wie in Fig. 5 dargestellt, Metallröhrchen 24 in die Aluminium-Schmelze eingesteckt. Da es beim Abguss durch den Binderanteil im Quarzsand zu einer hohen Gasentwicklung kommt, die zu erheblichen Gussfehlern führen kann, wird damit das Gas gezielt über die Metallröhrchen nach außen abgeleitet. Die im Deckelkern 16 diagonal versetzt zueinander angeordneten zylindrischen Öffnungen 26 dienen dabei zum Einfüllen der Metallschmelze. Dazu sind, wie in Fig. 5 dargestellt, Einfülltigel 27 auf die Öffnungen 26 aufgesetzt.The two-component binder is here Embodiment around NOVATHEN 540 (chemical name: pre-catalyzed polyol Ashland), which is usually used together with the second component NOVATHEN 260 is used to manufacture sand cores and sand molds for aluminum casting. To produce the metal insert core, the metal granulate with the first is first Binder component NOVATHEN 540 mixed before the second binder component NOVATHEN 260 is added and mixed as well. After a Curing time of approx. 15 min, the combustion chamber insert core can be removed from the mold be broken out, the form itself being destroyed (lost form). to can further increase the thermal conductivity during the subsequent casting of the molten metal additionally in the insert core e.g. a copper spiral can be integrated by this while filling the combustion chamber sand sinter with metal granulate and the two-component binder is embedded in it. The rest for making one Sand molds or sand cores required in the cylinder head housing are also in the Sand sintering process is produced and, as shown in FIGS. 2 to 4, into one Total mold assembled. In Figure 2, the bottom core 2, the Combustion chamber core 4 and the water jacket insert core 6 for the later water-cooled Cylinder head housing can be seen. As shown in Figs. 3 and 4, there is the mold continue from four side cores 8, 10, 12, 14, which have a corresponding Gearing profile are placed on the bottom core 2. On the side cores 8 to 14 a lid core 16 is placed at the end. The lid core 16 has three cylindrical openings 18 into which, as shown in FIG. 5, so-called ceramic insulating feeders 20 to accommodate the actual mold expanding melt are inserted. In the provided in the lid core 16 slot-shaped shafts 22 are, as shown in Fig. 5, metal tubes 24 in the Inserted aluminum melt. Since it is cast by the binder portion in the Quartz sand produces a high amount of gas, which leads to considerable casting errors can, the gas is specifically discharged to the outside via the metal tubes. The in Cover core 16 diagonally offset cylindrical openings 26 serve to fill the molten metal. For this purpose, as shown in FIG. 5, Filler 27 placed on the openings 26.

Die Verwendung eines metallischen Einlegekerns, der aus einem Metallgranulat und einem Zwei-Komponenten-Bindemittel hergestellt wird, ist nicht auf die Herstellung eines Zylinderkopfgehäuses eingeschränkt. Durch die Verwendung des Sandsinterns als Rapid Prototyping-Verfahren lassen sich beliebige Bauteilgeometrien erzeugen, die als Kerne für die Herstellung von Metallgusskörpern verwendet werden können.The use of a metallic insert core consisting of a metal granulate and a Two-component binder is not made to produce one Cylinder head housing restricted. By using sand sintering as a rapid Prototyping processes can be used to generate any component geometries, which are used as cores can be used for the production of metal castings.

Als zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 schematisch der Werkzeugaufbau für die Herstellung eines Kolbens dargestellt. Die Form zur Herstellung des Kolbens besteht aus einem sandgesinterten Unterteil 28, in das ein metallischer Einlegekern 30 mit einer zylindrischen Ausnehmung 32 zur Ausbildung eines zylindrischen Kolbenbodens eingesetzt ist. Wie im ersten Ausführungsbeispiel bereits beschrieben, wird der metallische Einlegekern 30 ebenfalls aus einem Metallgranulat und einem Zwei-Komponenten-Bindemittel hergestellt, wobei als Negativform für den Einlegekern 30 ebenfalls eine sandgesinterte Form verwendet wird. Auf das Unterteil 28 ist ein sandgesintertes Oberteil 34 aufgesetzt, das neben der Ausnehmung 36 für die Ausbildung des Kolbenmantels einen Kanal 38 zum Eingießen der Aluminiumschmelze sowie einen Keramik-lsolierspeiser 40 zur Aufnahme der sich über das Oberteil 34 hinaus ausdehnenden Aluminiumschmelze aufnimmt. Wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ist in dem Metall-Einlegekern 30 eine Kühleinrichtung in Form einer wasserführenden Kühlspirale 42 integriert. Damit wird während des Abgießens der Aluminiumschmelze die beschleunigte Abkühlung der erstarrenden Schmelze erreicht.As a second embodiment, the tool structure for the Production of a piston shown. The shape for making the piston consists of a sand-sintered lower part 28, in which a metallic insert core 30 with a cylindrical recess 32 for forming a cylindrical piston crown is inserted. As already described in the first embodiment, the metallic insert core 30 also made of a metal granulate and a two-component binder produced, the negative form for the insert core 30 a sintered form is also used. On the lower part 28 is a sand sintered top 34 placed next to the recess 36 for the Forming the piston skirt a channel 38 for pouring the aluminum melt as well as a ceramic insulating feeder 40 for receiving the upper part 34 expanding aluminum melt. As in the first Described embodiment is a cooling device in the metal insert core 30 integrated in the form of a water-conducting cooling spiral 42. So that during the Pouring off the molten aluminum accelerated cooling of the solidifying Melt reached.

Claims

Insert core for the production of a casting mold, for example for a cylinder head housing or a piston, characterized in that the insert core (4, 30) is made from a mixture of metal granulate and a binder.

Insert core according to claim 1, characterized in that the metal granulate consists of stainless steel, copper or brass.

Insert core according to claim 1 or 2, characterized in that a cooling device (42) is integrated in the insert core (4, 30).

Insert core according to one of the preceding claims, characterized in that the negative mold for the insert core (4, 30) is produced in the sand sintering process.

Process for producing a casting mold for a cylinder head housing, characterized by the following process steps:

Production of a mold from coated sand for a combustion chamber insert core using the sand sintering process,

Filling the sand mold with a mixture of metal granulate and binder,

Breaking the core out of the sand mold after a curing time,

Inserting the combustion chamber insert core into a floor core made of quartz sand,

Placing or positioning a water jacket insert core on the bottom core,

Assemble the remaining sand cores produced by the sintering process.

A method according to claim 5, characterized in that the combustion chamber insert core (4, 30) is cooled during the filling of the mold with the molten metal.