WO2013139845A2 - Verfahren zur herstellung eines gekühlten ringträgers - Google Patents

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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D21/02—Casting exceedingly oxidisable non-ferrous metals, e.g. in inert atmosphere
    • B22D21/04—Casting aluminium or magnesium

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cooled ring carrier for an aluminum piston to be produced in the casting method according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a process for the preparation of such a ring carrier having
  • Aluminum piston and an internal combustion engine with at least one such aluminum piston are provided.
  • From DE 103 25 916 A1 is a generic method for producing a cooled ring carrier for a produced by casting
  • Cooling channel known.
  • salt granules are pressed at a pressure of about 100 to 300 N / mm 2 , so that forms a salt core in the recess.
  • the ring carrier is immersed together with the salt core in an Alfinbad existing of an aluminum melt.
  • Cooling duct piston for an internal combustion engine in which a ring carrier is introduced into a casting mold and surrounded by molten casting during casting. It is envisaged that before flushing in about the same height of the ring carrier coaxial with the ring carrier a flushable core is introduced, which rests after insertion on the ring carrier. As a result, in particular components for the production of the cooling channel should be omitted and the
  • Cooling channel directly adjacent to the ring carrier for optimal cooling The present invention deals with the problem for a
  • the present invention is based on the general idea to form a cooled ring carrier for an aluminum piston to be produced in the casting process with an inwardly open recess, which forms a later cooling channel and to fill this recess with a salt granules. Subsequently, the ring carrier is set in rotation, causing the
  • the composite of ring carrier and solidified salt core is heated to a temperature of about 200 to 250 ° C, whereupon the ring carrier, including solidified salt core is immersed in an Alfinbad existing of an aluminum melt, thereby obtaining an aluminum coating. Due to the aluminum coating produced in Alfinbad can be a solid
  • Aluminum piston can be achieved.
  • a separate solidification of the salt granules to the salt core is no longer necessary, since the solidification takes place here exclusively due to the centrifugal force in the rotation of the ring carrier.
  • Rotational motion is relatively easy to produce, with the rotational speed simply influences the on the salt granules acting pressure and thus its degree of solidification can be taken.
  • a filling of the recess with salt granules takes place several times, interrupted by, for example, individual
  • the ring carrier is set to solidify the filled-in salt granules in rotation, wherein after solidification, the settled volume in the recess by new
  • Salt granules is filled. Subsequently, this salt granulate is compacted by a further rotation.
  • the ring carrier is rotated so fast that a on the
  • Salt granules acting pressure of about 100 to 300 N / mm 2 With such a selected pressure can be ensured that the salt granules is reliably compressed to the later cooling channel forming salt core.
  • a supernatant of the solidified salt core is turned inwards before Alfinieren.
  • a clean conclusion and an exact inner contour of the subsequent cooling channel can be ensured, with such a twisting can be done easily on a specially trained rotary tool, since the solidified salt core can be relatively easily edit.
  • the invention is further based on the general idea to insert such a ring carrier in a mold for an aluminum piston and then pour the mold with a molten aluminum melt.
  • the mold can then be opened and removed from the aluminum flask, wherein to complete the cooling channel of the ring carrier and / or the salt core are drilled and the salt core is then removed by rinsing.
  • the ring carrier according to the invention can thus be refrigerated aluminum piston produced in a simple, economical and with the highest precision manufacturing technology.
  • Fig. 1 is a sectional view through a part of an inventive
  • Fig. 3 shows another possible embodiment of the ring carrier.
  • FIG. 1 an inventively prepared cooled ring carrier 1 for an aluminum piston 2 to be produced in the casting process (see FIG. Fig. 2) of an otherwise not shown internal combustion engine, a later cooling channel 3 forming recess 4.
  • FIG. 1 is the
  • Cooling channel 3 is still filled by means of a salt core 5.
  • the recess 4 is inwardly, i. formed open to an axis 6 of the ring carrier 1 and the later piston 2 out.
  • the ring carrier 1 according to the invention is produced by a process according to the invention, which is in
  • step 1 b the ring carrier 1 is rotated about the axis 6, whereby the salt granules due to the force acting on this centrifugal force or due to this on this
  • cooling channel-forming medium that is, for example, a salt-like medium forming the later salt core 5
  • the ring carrier 1 together with solidified salt core 5 is heated to a temperature of about 200 to 250 ° C. in order then to be completely immersed in process step 1d in an aluminum bath 10 consisting of an aluminum melt.
  • the ring carrier 1 is thereby rotated so fast for compressing the salt granules that a pressure acting on the salt granules pressure is about 100 to 300 N / mm 2 and thereby a reliable production of the salt core 5 can be ensured.
  • a pressure acting on the salt granules pressure is about 100 to 300 N / mm 2 and thereby a reliable production of the salt core 5 can be ensured.
  • a supernatant of the solidified salt core 5 are turned off inside, so that it has a smooth cylindrical inner surface 7.
  • the ring carrier 1 can generally be produced from a cast iron alloy with a nickel content.
  • the ring carrier 1 produced according to the method according to the invention is placed together with the salt core 5 solidified therein in a non-illustrated mold for the aluminum piston 2, said mold is then poured with a molten aluminum melt. After a certain time, i. especially after cooling, the mold can be opened and the
  • Aluminum bulb 2 are removed, wherein then the ring carrier 1 and / or the salt core 5 are drilled to then remove the salt core 5 by rinsing and the cavity now left by the salt core 5, i. the cooling channel 3 to produce. About the drilling of the
  • Ring carrier 1 and the salt core 5 is not only a removal of the salt core 5 by rinsing possible, but it is also an inlet and a drain for the subsequent cooling channel 3 created by which coolant, in particular oil, the cooling channel 3 and fed this can be dissipated again.
  • the annular carrier 1 produced according to the invention also has two undercuts in the region of the recess 4 forming the cooling channel 3 1 1, 1 1 ', which in particular contribute to the strength of the ring carrier back
  • the introduction of the cooling channel-forming medium, such as a salt-like medium, should also be done via a nozzle 12 by means of spraying, which allows a temporal timing and at the same time a quantitative dosage.
  • a transition 8 between flank and inner surface 7 is at
  • Ring carrier 1 according to the invention preferably designed with a large radius, whereby a significantly reduced tendency to crack can be achieved.
  • the inwardly open recess 4 can be avoided in particular hitherto occurring at a lower outer corner region 9 cracks, at the same time the production of the salt core 5 and thus indirectly also the production of the aluminum piston 2 is technically simple and inexpensive possible at the same time high quality.

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Description

Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines einen derartigen Ringträger aufweisenden
Aluminiumkolbens sowie eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Aluminiumkolben.
Aus der DE 103 25 916 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers für einen im Gießverfahren herzustellenden
Aluminiumkolben eines Verbrennungsmotors mit einem auf dem
Ringträgerrücken als eine nach unten offene Eindrehung ausgebildeten
Kühlkanal bekannt. In die Eindrehung wird zu diesem Zweck Salzgranulat mit einem Druck von ca. 100 bis 300 N/mm2 eingepresst, so dass sich in der Eindrehung ein Salzkern bildet. Um ein vollständigen Verschluss des durch den Salzkern gebildeten Kühlkanals zu bewirken wird der Ringträger zusammen mit dem Salzkern in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad getaucht.
Aus der DE 101 14 404 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines
Kühlkanalkolbens für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Ringträger in eine Gießform eingebracht und von Gießschmelze beim Gießen umgeben wird. Dabei ist vorgesehen, dass vor dem Gießen in etwa auf gleicher Höhe des Ringträgers koaxial zu dem Ringträger ein ausspülbarer Kern eingebracht wird, wobei dieser nach dem Einbringen an dem Ringträger anliegt. Hierdurch sollen insbesondere Bauteile zur Herstellung des Kühlkanals entfallen und der
Kühlkanal direkt an den Ringträger zur optimalen Kühlung angrenzen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein
gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welches insbesondere die vereinfachte Herstellung eines im Ringträger angeordneten Kühlkanals ermöglicht und zudem mithilft, einen besonders verschleißfesten Aluminiumkolben herzustellen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen gekühlten Ringträger für ein im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben mit einer nach innen offenen Ausnehmung auszubilden, die einen späteren Kühlkanal bildet und diese Ausnehmung mit einem Salzgranulat zu befüllen. Anschließend wird der Ringträger in Rotation versetzt, wodurch sich das
Salzgranulat aufgrund der auf dieses einwirkenden Zentrifugalkraft bzw. aufgrund des auf dieses einwirkenden Drucks zu einem dem Kühlkanal bildenden Salzkern verfestigt. Anschließend wird der Verbund aus Ringträger und verfestigtem Salzkern auf eine Temperatur von ca. 200 bis 250°C erwärmt, woraufhin der Ringträger samt verfestigten Salzkern in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad getaucht wird und dadurch einen Aluminiumüberzug erhält. Durch den im Alfinbad hergestellten Aluminiumüberzug kann eine feste
Verbindung mit dem Aluminiumkolben beim späteren Gießen des
Aluminiumkolbens erreicht werden. Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Ringträger ist somit ein separates Verfestigen des Salzgranulats zum Salzkern nicht mehr erforderlich, da die Verfestigung hier ausschließlich aufgrund der Zentrifugalkraft bei der Rotation des Ringträgers erfolgt. Eine derartige
Rotationsbewegung ist vergleichsweise einfach herzustellen, wobei über die Rotationsgeschwindigkeit einfach Einfluss auf den auf das Salzgranulat einwirkenden Druck und damit auf dessen Verfestigungsgrad genommen werden kann. Generell ist dabei auch denkbar, dass ein Befüllen der Ausnehmung mit Salzgranulat mehrmals erfolgt, unterbrochen durch bspw. einzelne
Verfestigungsschritte. Es ist somit denkbar, dass der Ringträger zur Verfestigung des eingefüllten Salzgranulats in Rotation versetzt wird, wobei nach einem Verfestigen das abgesetzte Volumen in der Ausnehmung durch neues
Salzgranulat aufgefüllt wird. Anschließend wird durch eine weitere Rotation auch dieses Salzgranulat verdichtet.
Zweckmäßig wird der Ringträger so schnell gedreht, dass ein auf das
Salzgranulat einwirkender Druck von ca. 100 bis 300 N/mm2 beträgt. Bei einem derartig gewählten Druck kann sichergestellt werden, dass das Salzgranulat zuverlässig zu dem den späteren Kühlkanal bildenden Salzkern verdichtet wird.
Zweckmäßig wird ein Überstand des verfestigten Salzkerns nach innen vor dem Alfinieren abgedreht. Hierdurch kann ein sauberer Abschluss und eine exakte Innenkontur des späteren Kühlkanals gewährleistet werden, wobei ein derartiges Abdrehen auf einem speziell dafür ausgebildeten Drehwerkzeug problemlos zu bewerkstelligen ist, da sich der verfestigte Salzkern vergleichsweise einfach bearbeiten lässt.
Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen derartigen Ringträger in eine Gießform für einen Aluminiumkolben einzulegen und anschließend die Gießform mit einer flüssigen Aluminiumschmelze auszugießen. Die Gießform kann anschließend geöffnet und der Aluminiumkolben entnommen werden, wobei zur Vollendung des Kühlkanals der Ringträger und/oder der Salzkern angebohrt werden und der Salzkern anschließend durch Ausspülen entfernt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Ringträgers kann somit ein gekühlter Aluminiunnkolben fertigungstechnisch einfach, wirtschaftlich und mit höchster Präzision hergestellt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines erfindungsgemäßen
Ringträgers,
Fig. 2 eine mögliche Einbausituation des erfindungsgemäßen Ringträgers in einen Aluminiumkolben,
Fig. 3 eine weitere mögliche Ausführungsform des Ringträgers.
Entsprechend der Fig. 1 , weist ein erfindungsgemäß hergestellter gekühlter Ringträger 1 für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben 2 (vgl. Fig. 2) einer im übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine eine, einen späteren Kühlkanal 3 bildende Ausnehmung 4 auf. Gemäß der Fig. 1 ist dabei der
Kühlkanal 3 noch mittels eines Salzkerns 5 ausgefüllt. Die Ausnehmung 4 ist dabei nach innen, d.h. zu einer Achse 6 des Ringträgers 1 bzw. des späteren Kolbens 2 hin offen ausgebildet. Der erfindungsgemäße Ringträger 1 wird dabei nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, welches sich im
Wesentlichen in die nachfolgend erläuterten Verfahrensschritte unterteilt:
Zunächst wird in einem Verfahrensschritt 1 a die Ausnehmung 4 mit einem
Salzgranulat befüllt und im Verfahrensschritt 1 b anschließend der Ringträger 1 um die Achse 6 in Rotation versetzt, wodurch sich das Salzgranulat aufgrund der auf dieses einwirkenden Zentrifugalkraft bzw. aufgrund des auf dieses
einwirkenden Drucks zu dem den Kühlkanal 3 bildenden Salzkern 5 verfestigt. Das Einbringen des Kühlkanal bildenden Mediums, also beispielsweise eines den späteren Salzkern 5 bildenden kochsalzartigen Mediums, kann über eine Düse 12 mittels Einsprühen erfolgen, die eine zeitliche Taktung und zugleich eine mengenmäßige Dosierung erlaubt (vgl. Fig. 3). Im Verfahrensschritt 1 c wird der Ringträger 1 samt verfestigtem Salzkern 5 auf eine Temperatur von ca. 200 bis 250°C erwärmt um dann im Verfahrensschritt 1 d komplett in ein aus einer Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad 10 getaucht zu werden. In diesem Alfinbad 10 wird der gesamte Ringträger 1 , d.h. der Verbund aus Ringträger 1 und darin verfestigtem Salzkern 5 mit einer Aluminiumhaut überzogen, wodurch eine besonders feste Verbindung mit dem späteren im Gießverfahren
herzustellenden Aluminiumkolben 2 erzielt werden kann.
Selbstverständlich ist dabei klar, dass die Verfahrensschritte 1 a und 1 b mehrmals durchgeführt werden können, da durch den auf das Salzgranulat einwirkenden Druck sich dieses nicht nur verfestigt, sondern auch eine Volumenverkleinerung erfährt, so dass diese Volumenreduzierung nach einem erstmaligen Rotieren aufgefüllt werden sollte, beispielsweise durch weiteres Einsprühen von salzartigem Medium mittels der Düse 12. Anschließend kann durch ein weiteres Rotieren das nachgefüllte Salzgranulat verdichtet werden.
Der Ringträger 1 wird dabei zum Verdichten des Salzgranulats so schnell gedreht, dass ein auf das Salzgranulat einwirkender Druck ca. 100 bis 300 N/mm2 beträgt und dadurch ein zuverlässiges Herstellen des Salzkerns 5 gewährleistet werden kann. Vor dem Eintauchen des Verbundes aus Ringträger 1 samt verfestigten Salzkern 5 in das Alfinbad 10 kann selbstverständlich ein Überstand des verfestigten Salzkerns 5 innen abgedreht werden, so dass dieser eine glatte zylindrische Innenoberfläche 7 aufweist. Der Ringträger 1 kann generell aus einer Graugusslegierung mit einem Nickelanteil hergestellt werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Aluminiumkolbens 2 wird der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ringträger 1 zusammen mit dem darin verfestigten Salzkern 5 in eine nicht näher dargestellte Gießform für den Aluminiumkolben 2 eingelegt, wobei diese Gießform anschließend mit einer flüssigen Aluminiumschmelze ausgegossen wird. Nach einer gewissen Zeit, d.h. insbesondere nach dem Abkühlen, kann die Gießform geöffnet und der
Aluminiumkolben 2 entnommen werden, wobei anschließend der Ringträger 1 und/oder der Salzkern 5 angebohrt werden, um dann den Salzkern 5 durch Ausspülen zu entfernen und den nunmehr vom Salzkern 5 zurückgelassenen Hohlraum, d.h. den Kühlkanal 3, herzustellen. Über das Anbohren des
Ringträgers 1 bzw. des Salzkerns 5 ist nicht nur ein Entfernen des Salzkerns 5 durch ein Ausspülen möglich, sondern es wird zugleich ein Zu- und ein Ablauf für den späteren Kühlkanal 3 geschaffen, durch welchen Kühlmittel, insbesondere Öl, dem Kühlkanal 3 zugeführt und aus diesem wieder abgeführt werden kann.
Entsprechend der Fig. 5, weist der erfindungsgemäß hergestellte Ringträger 1 im Bereich der den Kühlkanal 3 bildenden Ausnehmung 4 zudem zwei Hinterschnitte 1 1 ,1 1 ' auf, die insbesondere dazu beitragen die Festigkeit am Ringträgerrücken Das Einbringen des Kühlkanal bildenden Mediums, beispielsweise eines kochsalzartigen Mediums, sollte auch hier über eine Düse 12 mittels Einsprühen erfolgen, die eine zeitliche Taktung und zugleich eine mengenmäßige Dosierung erlaubt.
Ein Übergang 8 zwischen Flanke und Innenoberfläche 7 ist dabei beim
erfindungsgemäßen Ringträger 1 vorzugsweise mit einem großen Radius ausgeführt, wodurch eine deutlich reduzierte Rissneigung erzielt werden kann. Mit dem erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumkolben gehen im
Wesentlichen zwei große Vorteile einher: Die nach innen offene Ausnehmung 4 können insbesondere bisher an einem unteren äußeren Eckbereich 9 auftretende Risse vermieden werden, wobei zugleich die Herstellung des Salzkerns 5 und damit indirekt auch die Herstellung des Aluminiumkolbens 2 technisch einfach und kostengünstig möglich ist, bei gleichzeitig hoher Qualität.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers (1 ) für einen im Gießverfahren herzustellenden Aluminiumkolben (2) einer Brennkraftmaschine mit einer, einen späteren Kühlkanal (3) bildenden Ausnehmung (4),
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte,
a. ) die Ausnehmung (4) ist nach innen offen und wird mit einem Salzgranulat befüllt,
b. ) der Ringträger (1 ) wird in Rotation versetzt, wodurch sich das Salzgranulat aufgrund der auf dieses einwirkendenden Zentrifugalkraft zu einem den Kühlkanal (3) bildenden Salzkern (5) verfestigt,
c. ) der Ringträger (1 ) samt verfestigtem Salzkern (5) wird auf eine Temperatur von ca. 200-250°C erwärmt,
d. ) der Ringträger (1 ) samt verfestigtem Salzkern (5) wird in ein aus einer
Aluminiumschmelze bestehendes Alfinbad (10) getaucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verfahrensschritte 1 a.) und 1 b.) mehrmals durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ringträger (1 ) so schnell gedreht wird, dass ein auf das Salzgranulat einwirkender Druck ca. 100 bis 300 N/mm2 beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Überstand des verfestigten Salzkerns (5) vor dem Verfahrensschritt 1 d.) innen abgedreht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ringträger (1 ) aus einer Graugusslegierung mit einem Nickelanteil hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zur Bildung des Salzkerns (5) salzhaltiges Medium mittels einer Düse (12) in die Ausnehmung (4) eingesprüht wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens (2),
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
ein Ringträger (1 ) wird gemäß den Verfahrensschritten a.) bis d.) nach Anspruch 1 hergestellt,
der Ringträger (1 ) wird in eine Gießform für den Aluminiumkolben (2) eingelegt,
die Gießform wird mit einer flüssigen Aluminiumschmelze ausgegossen, die Gießform wird geöffnet und der Aluminiumkolben (2) entnommen, der Ringträger (1 ) und/oder der Salzkern (5) werden angebohrt und der Salzkern (5) durch Ausspülen entfernt.
8. Brenn kraftmasch ine mit zumindest einem Aluminiumkolben (2) hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 7.
*****
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