Gießform zum Gießen eines Gussteils und Verwendung einer solchen Gießform

Die Erfindung betrifft eine Gießform zum Gießen eines Gussteils, die aus aus Formsand hergestellten Formteilen und Gießkernen zusammengesetzt ist und mindestens einen Gießkern zum Abbilden eines Raums in dem Gussteil aufweist.

Gießformen dieser Art werden insbesondere zum Gießen von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren verwendet. Dabei formt der Gießkern im Motorblock-Gussteil den jeweiligen Brennraum, während das andere Formteil die Kopffläche des Motorblocks abbildet, auf der bei der Montage als Anbauteil der Zylinderkopf des jeweiligen Verbrennungsmotors erforderlichenfalls aufgesetzt und befestigt wird.

Gerade im Bereich des übergangs zwischen dem im Gussteil durch den Gießkern geformten Raum und der Fläche, an der das Anbauteil montiert wird, kann es im praktischen Einsatz zu erheblichen Belastungen durch Einwirken von Wärme oder mechanischen Belastungen kommen. Die daraus resultierenden Spannungen im den Raum in dem betreffenden Bereich umgebenden Gussmaterial können so hoch sein, dass es zu Rissbildung und Brüchen kommen kann. Besonders kritisch ist dieses Problem bei Motorblöcken für moderne Verbrennungsmotoren, die aus Leichtmetall bzw. Leichtmetalllegierungen, wie Aluminium oder einer Aluminiumgusslegierungen, gegossen werden. Aufgrund der immer höheren Anforderungen, die einerseits an die

Leistungsfähigkeit und andererseits an die Minimierung des Gewichts solcher Motoren gestellt werden, kommt es gerade im Bereich der dem Zylinderkopf zugeordneten öffnung des jeweiligen ausgebildeten Zylinder- bzw. Brennraums zu extremen Belastungen, die zu lokalem Materialversagen im Bereich der Innenflächen des Brennraums führen kann. Bei einem mehrzylindrigen Motorblock mit eng benachbart angeordneten Brennräumen sind von diesen Schäden insbesondere die Stege betroffen, durch die die Zylinder zylinderkopfseitig voneinander getrennt sind. Bei modernen Motorkonstruktionen ist gerade in diesem Bereich die Anhäufung von Gussmaterial auf ein Minimum reduziert, um durch eine möglichst nahe Anordnung der Brennräume bei optimierter Energieausnutzung eine möglichst geringe Baulänge des Motorblocks zu erreichen.

Es ist versucht worden, die mechanische und thermische Belastbarkeit des Gussmaterials im Bereich der im praktischen Einsatz besonders stark belasteten Abschnitte von Gussteilen dadurch zu verbessern, dass die betreffenden Abschnitte im Zuge der Erstarrung des Gussteils gezielt gekühlt werden, so dass sich dort ein im Hinblick auf die jeweiligen Anforderungen günstiges Gefüge einstellt.

Zu diesem Zweck werden beispielsweise gemäß dem in der DE 195 33 529 C2 beschriebenen Verfahren zum Gießen eines Motorblockes aus Aluminium in einer Sandform die Zylinder- Hohlräume des Motorblocks durch in die Sandform eingesetzte Kokillen abgeformt, die aus einem Messing-Werkstoff bestehen. An der Oberfläche der Messing-Kokille erstarrt das Aluminium infolge der höheren Wärmeleitfähigkeit des Metalls der Kokille schneller als an der Oberfläche der Sandform. Dadurch entsteht dort bis in eine ausreichende

Tiefe ein Gefüge, das eine höhere Beständigkeit gegen die im praktischen Einsatz an den Laufflächen der Zylinder auftretenden Belastungen besitzt.

Praktische Erfahrungen mit dem voranstehend erläuterten, bekannten Verfahren haben gezeigt, dass es erforderlich ist, die Messing-Kokillen vor dem Eingießen der Schmelze in die jeweilige Gießform vorzuwärmen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass das mit dem Metall der Kokille in Kontakt kommende Gießmetall zu schnell erstarrt und sich Risse oder Materialbrüche einstellen. Die Notwendigkeit der Vorwärmung der Kokillen führt nicht nur zu einem höheren Fertigungsaufwand, sondern bringt auch das Problem mit sich, dass es nur unter großen Schwierigkeiten möglich ist, in bestimmten, eng umgrenzten Bereichen der Brenn- bzw. Zylinderräume von Verbrennungsmotoren ein bestimmtes, den dort im praktischen Einsatz herrschenden Bedingungen standhaltendes Gefüge zu erzeugen.

Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, eine Gießform zu schaffen, die es auf einfache Weise ermöglicht, Gussteile zu fertigen, bei denen mindestens ein lokal eng begrenzter Abschnitt mit einem gegenüber dem übrigen Gussteil unterschiedlichen Gefüge ausgebildet ist. Darüber hinaus sollte eine vorteilhafte Verwendung einer solchen Gießform angegeben werden.

In Bezug auf die Gießform ist diese Aufgabe erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

In Bezug auf die Verwendung ist die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Verwendung sind in den auf Anspruch 11 rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Bei einer erfindungsgemäßen Gießform ist der den jeweiligen Raum im Gussteil abbildende Gießkern in mindestens zwei Abschnitte aufgeteilt. Der erste Abschnitt ist dabei durch eine Kühlkokille gebildet, während der andere Abschnitt aus üblicherweise im Bereich des Sandguss eingesetztem Formsand besteht. Bei derartigen Formsanden handelt es sich bekanntermaßen um Gemische aus einem in der Regel rieselfähigen Formgrundstoff und einem Binder. Diese Formsandmischung wird in einem Kernformwerkzeug zu dem jeweiligen Formteil bzw. Gießkern geformt und durch eine geeignete mechanische, chemische und/oder thermische Behandlung so verfestigt, dass das erhaltene Teil bzw. der erhaltene Kern eine für den Gießvorgang ausreichende Formstabilität besitzt.

Die gemäß der Erfindung als Teil des den Raum abbildenden Gießkern eingesetzte Kühlkokille weist erfindungsgemäß eine vielfach höhere Wärmeleitfähigkeit auf als der Formsand, aus dem der übrige Abschnitt des Gießkerns gefertigt ist. Dementsprechend kommt es in dem Bereich der Gießform, in dem die in die Gießform gegossene Schmelze mit der Kühlkokille in Kontakt kommt, zu einer lokal begrenzten beschleunigten Abkühlung. Durch die Wahl des Materials und des Volumens der Kühlkokille kann dabei die Geschwindigkeit, mit der die lokal begrenzte Abkühlung erfolgt, und die dem Gussmetall jeweils entzogene Wärmemenge unmittelbar beeinflusst werden.

Dabei kann durch die Formgebung der Gießkokille die Ausdehnung des Bereichs, über den der gezielt beschleunigte Wärmeentzug erfolgen soll, auf einfache Weise durch die Gestalt der Kokille eingestellt werden. Soll beispielsweise beim Gießen eines Motorblocks das den in dem Motorblock abzubildenden Zylinderraum umgebende Gussmaterial zwecks Ausbildung eines besonders belastbaren Gussgefüges über eine bestimmte Teillänge des Zylinderraums gezielt und massiv abgekühlt werden, so wird dazu der den jeweiligen Zylinderraum abbildende Gießkern mit einer ringförmigen Kühlkokille ausgestattet, deren Höhe unter Berücksichtigung der Wärmewanderung der gezielt abzukühlenden Teillänge des Zylinderraums entspricht.

Neben der durch die Erfindung geschaffenen Möglichkeit, eine lokal eng begrenzte, gezielte Abkühlung im Bereich der Innenflächen eines in einem Gussteil abzubildenden Raums durchzuführen, besteht ein weiterer für die Praxis wichtiger Vorteil der Erfindung darin, dass die erfindungsgemäß verwendete Kühlkokille vor ihrem Einsatz weder einer besonderen Oberflächenbehandlung unterzogen noch vorerwärmt werden muss. So hat sich gezeigt, dass bei geeigneter Materialwahl und Formgebung die Kühlkokille auf einfache Weise aus dem fertig erstarrten Gussteil entformt werden kann. Darüber hinaus ergibt eine erfindungsgemäß eingesetzte Kokille im Bereich des mit ihr in Kontakt kommenden Gussmaterials eine so gute Oberflächenqualität, dass die Kokille ohne einen Schlichteauftrag in die Gießform eingesetzt werden kann. Dementsprechend kommt bei einer erfindungsgemäßen Gießform das Gussmaterial in unmittelbaren Kontakt mit der Kokille, so dass eine besonders schnelle, durch keine als Isolator wirkende Zwischenschicht behinderte Wärmeabfuhr eintritt.

Im Ergebnis ermöglicht die Erfindung so die kostengünstige Herstellung von Gussteilen, bei denen im Bereich eines in den Gussteilen jeweils auszubildenden Raums lokal eng begrenzte Zonen mit einem durch beschleunigte Abkühlung erzeugten Gussgefüge vorhanden sind.

Ihre durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erzielten Eigenschaften machen erfindungsgemäße Gießformen besonders geeignet für das in Großserien durchgeführte Gießen von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren, wobei ihre Vorteile insbesondere beim Gießen solcher Motorteile aus Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumgusslegierungen, zum Tragen kommen. Gerade beim Gießen von Motorblöcken wirkt sich die durch die Erfindung geschaffene Möglichkeit einer gezielten und massiven Kühlung in einem eng umgrenzten Teilbereich des jeweiligen Zylinderraums besonders günstig aus. Dies macht sich besonders bemerkbar, wenn es sich bei der gezielt abzukühlenden Zone des Motorblocks um den Bereich handelt, an dem der jeweilige Zylinderraum in die Montagefläche übergeht, auf der der Zylinderkopf des Motors montiert wird. Mit Hilfe der Erfindung ist es gerade dort möglich, das Gussmaterial im Zuge seiner Erstarrung gezielt so abzukühlen, dass dort optimal, den sich im praktischen Einsatz stellenden Anforderungen stets gerecht werdende Materialeigenschaften vorliegen.

Eine gerade im Hinblick auf die Massenfertigung vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Kühlkokille aus Gusseisen hergestellt ist. Aus Gusseisen bestehende Kühlkokillen lassen sich kostengünstig herstellen und weisen eine im Hinblick auf das hier

angestrebte Bearbeitungsziel günstige Wärmeleitfähigkeit auf .

Aus den bereits erwähnten Gründen ist eine erfindungsgemäße Gießform insbesondere zur Herstellung solcher Gussteile geeignet, bei denen im Bereich eines übergangs zwischen dem im Gussteil zu erzeugenden Raum und einer Montagefläche ein den dort im Betrieb auftretenden Belastungen gerecht werdendes Gefüge erzeugt werden soll. Eine für die Praxis wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, dass mindestens eines der Formteile einer erfindungsgemäßen Gießform an dem Gussteil eine Montagefläche abbildet, an der an dem Gussteil nach dessen Erstarrung ein Anbauteil montierbar ist und der Formkern insbesondere mit der Kühlkokille an dieses Formteil angrenzt. Um die gewünschte lokal begrenzte beschleunigte Abkühlung sicher zu bewirken, sollte dabei die Wärmeleitfähigkeit der Kühlkokille ebenfalls um ein Vielfaches höher sein als die Wärmeleitfähigkeit des die Montagefläche abbildenden Formteils .

Die lagerichtige Zuordnung der Kühlkokille und des übrigen Abschnitts des den Raum im Gussteil abbildenden Gießkerns kann bei einfacher Handhabung dadurch sichergestellt werden, dass an der Kühlkokille und dem übrigen Abschnitt des Gießkerns Formelemente ausgebildet sind, über die die Kühlkokille und der übrige Abschnitt des Gießkern formschlüssig miteinander verbunden sind.

Wird die Kühlkokille so eingesetzt, dass sie eine in die Montagefläche übergehende Zone des zu erzeugenden Gussteils kühlt, so ist es günstig, wenn an der Kühlkokille mindestens ein Formelement ausgebildet ist, das

formschlüssig in eine entsprechend geformte Ausnehmung des Formteils greift.

Dieses Formelement wird dabei bevorzugt als in das Formteil greifender Vorsprung ausgebildet. Die auf diese Weise in das betreffende Formteil greifende Kühlkokille überragt in diesem Fall die an dem Gussteil zu erzeugende Montagefläche, so dass die Entstehung von Graten oder vergleichbaren Formfehlern im Bereich der öffnung des jeweiligen Zylinderraums sicher verhindert ist. Indem die Innenfläche des Vorsprungs gegenüber der Längsachse der Kühlkokille so angeschrägt ist, dass sich der Durchmesser der öffnung des Gießkerns in Richtung des Formteils erweitert, kann dabei das Entformen der Kühlkokille aus dem fertigen Gussteil zusätzlich erleichtert werden.

Insbesondere bei der großtechnischen Verwendung einer erfindungsgemäßen Gießform ist es günstig, wenn der Gießkern mit der Kühlkokille von einem in den Gießkern reichenden Stempel gehalten ist. Dieser Stempel kann zum einen zum exakt positionierten Halten des Gießkerns genutzt werden. Darüber hinaus erlaubt ein solcher Stempel dann, wenn er mit einer entsprechenden Stelleinrichtung verkoppelt ist, eine automatische Montage des Gießkerns selbst .

Aufgrund der hohen Verschleißbelastungen, die im Bereich der Laufflächen der Zylinderräume eines Verbrennungsmotors auftreten, ist es vielfach erforderlich, in den Motorblock so genannte "Liner" einzugießen. Bei diesen Linern handelt es sich um beispielsweise aus Grauguss vorgefertigte rohrartige Bauelemente, deren Innendurchmesser dem Innendurchmesser des im Motorblock abzubildenden

Zylinderraums entspricht und deren Innenflächen im fertigen Motorblock die Laufflächen bilden, entlang derer sich im Betrieb der Kolben des Verbrennungsmotors bewegt. Auch bei einer erfindungsgemäßen Gießform lassen sich Liner in das zu erzeugende Gussteil bei gleichzeitiger Ausnutzung der Vorteile der Erfindung dann eingießen, wenn der Gießkern auf seiner Außenfläche einen in das Gussteil einzugießenden Liner trägt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert .

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Gießform G zum Gießen eines Motorblocks für einen Reihenvierzylinder- Verbrennungsmotor .

Die Gießform 1 ist aus verschiedenen jeweils aus Formsand gefertigten Formteilen 1,2,3 und Gießkernen 4,5,6,7 zusammengesetzt, die aus jeweils einem aus Formsand vorgefertigten Abschnitt 8 und einer Kühlkokille 9 gebildet sind.

Beim in der Figur oben dargestellten Formteil 1 handelt es sich um einen so genannten "Sohlenkern", der an dem zu gießenden Motorblock die Montagefläche 10, auch "Top-Deck- Fläche" genannt, abbildet, an der im Zuge der Montage des Verbrennungsmotors ein hier nicht dargestellter Zylinderkopf befestigt wird. Das gegenüberliegend zum Formteil 1 angeordnete Formteil 2 stellt den so genannten "Kurbelraumkern" dar, der am zu gießenden Motorblock den Kurbelraum abbildet.

Die Gießkerne 4,5,6,7 werden jeweils von einem Stempel 11,12,13,14 gehalten. Die Stempel 11-14 sind mit einer hier nicht gezeigten Stelleinrichtung verkoppelt, die sie aus einer Montagestellung, in der die Gießkerne 4,5,6,7 auf ihnen montiert werden, in die in der Figur dargestellte Stellung bewegen. Der vordere in den jeweiligen Gießkern 4- 7 hineinragende Abschnitt 15 der Stempel 11-14 ist dabei über die gesamte Höhe der Gießkerne 4-7 in Richtung des freien Stempelendes konisch zulaufend ausgebildet, um die Stempel 11-14 nach Abschluss des Gießvorgangs ungehindert aus den Gießkernen 4-7 ziehen zu können.

Der aus Formsand hergestellte Abschnitt 8 der Gießkerne 4-7 weist eine becherartige Form auf, wobei der von ihm umgebende Innenraum so an die Form des vorderen Abschnitts 15 der Stempel 11-14 angepasst ist, dass der betreffende Abschnitt 15 formschlüssig in dem Innenraum sitzt. An das vordere freie Ende des Abschnitts 15 ist dabei ein jeweils zentrisch auf der Stirnseite der Gießkerne 4-7 angeordneter Vorsprung 16 angeformt, der in eine korrespondierend geformte Ausnehmung 17 des Formteils 2 greift und darin ebenfalls formschlüssig gehalten sitzt.

An seinem gegenüberliegenden, der als monolithischer Block aus Grauguss gefertigten Kühlkokille 9 zugeordneten Rand weist der Abschnitt 8 der Gießkerne 4-7 jeweils einen umlaufenden Absatz 18 auf, in den ein ringförmig umlaufender, an die dem Abschnitt 8 zugeordneten stirnseitigen Rand der Kühlkokille 9 angeformter Vorsprung 19 greift. Auf diese Weise sind die Kühlkokillen 9 der Gießkerne 4-7 formschlüssig mit dem aus Formsand gefertigten Abschnitt 8 des jeweiligen Gießkerns 4-7 verkoppelt .

Die Kühlkokillen 9 weisen dabei selbst eine ringförmige Gestalt auf. Der von ihnen umgebene Innenraum ist dabei an die Form angepasst, die der vordere, ihnen jeweils zugeordnete Abschnitt 15 der Stempel 11-14 besitzt, so dass die Kühlkokillen 9 ebenfalls formschlüssig und im Wesentlichen spielfrei auf dem ihnen jeweils zugeordneten Stempel 11-14 gehalten sind.

An ihrem dem Formteil 1 zugeordneten oberen Rand ist an die Kühlkokillen 9 ebenfalls jeweils ein umlaufender Vorsprung 20 angeformt, dessen äußere Umfangsflache wie beim Vorsprung 19 sprungfrei in die Umfangsflache 21 des Hauptabschnitts der jeweiligen Kühlkokille 9 übergeht.

Die Kühlkokillen 9 weisen dabei eine in Richtung des freien Endes ihres Vorsprungs 19 zulaufende, leicht konische Form auf. Dazu ist die gemeinsame Umfangsflache 21 der Kühlkokillen 9 um einen Winkel von mindestens 2° gegenüber ihrer mit der Längsachse der Stempel 11-14 zusammenfallenden Längsachse L geneigt. In entsprechender Weise ist auch die Innenfläche der Kühlkokillen 9 geneigt. Die konische äußere Form der Kühlkokillen 9 erleichtert das Entformen der Kühlkokillen 9 aus einem Liner 22, der von dem jeweiligen Gießkern 4-7 formschlüssig gehalten ist und nach Abschluss der Erstarrung in dem in der Gießform G zu gießenden Motorblock verbleibt. In dem zu gießenden Motorblock umgeben die Liner 22 die Zylinderräume, die von den Gießkernen 4-7 in dem Motorblock abgebildet werden.

Die Höhe der Vorsprünge 20 der Kühlkokillen 9 ist so bemessen, dass sie bei fertig in der Gießform G positionierten Gießkernen 4-7 und Formteilen 1-3 jeweils über die Montagefläche 10 hinaus in jeweils eine

korrespondierend geformte Ausnehmung 23 des Formteils 1 greifen. Auf diese Weise wird eine Gradbildung im Bereich der öffnung der Zylinderräume des zu gießenden Motorblocks sicher verhindert.

In der Gießform G sind in an sich bekannter Weise hier nicht gezeigte Speiser und Füllkanäle ausgebildet, über die in die Gießform G gegossene Aluminiumschmelze in den von der Gießform G umgebenen Formhohlraum 24 fließt. Der dabei in die zu den Kühlkokillen 9 benachbarten Bereiche 25 des Formhohlraums 24 gelangende Schmelze wird über die Liner 22 und die jeweilige Kühlkokille 9 beschleunigt Wärme entzogen, so dass sie schneller erstarrt als die in den anderen Zonen des Formhohlraums 24 vorhandene Schmelze. Dementsprechend entsteht in den Bereichen 25 des zu gießenden Motorblocks ein gerichtetes, feinkörnigeres Gefüge, so dass der in diesem Bereich besonders belastete an die Montagefläche 10 angrenzende Abschnitt des Motorblocks den im praktischen Betrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen sicher standhält.

BEZUGSZEICHEN

1,2,3 Formteile

4-7 Gießkerne

8 aus Formsand gefertigter Abschnitt der Gießkerne 4- 7

9 Kühlkokille

10 Montagefläche 11-14 Stempel

15 vorderer Abschnitt der Stempel 11-14

16 stirnseitiger Vorsprung der Abschnitte 8

17 Ausnehmung des Formteils 2

18 Absatz der Abschnitte 8

19 Vorsprung der Kühlkokillen 9

20 Vorsprung der Kühlkokillen 9

21 Umfangsflache des Hauptabschnitts der Kühlkokillen 9

22 Liner

23 Ausnehmung des Formteils 1

24 Formhohlraum

25 zu den Kokillen 9 benachbarte Bereiche des Formhohlraums 24

G Gießform

L Längsachse der Kühlkokille 9