Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Serienherstellung eines Kol¬ bens für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspru¬ ches 1.

Bei der Serienproduktion von Kolben sind Maschinen mit Gießwerkzeugen bekannt, die eine Negativform für den herzustellenden Kolbenrohling darstellen und die über ein Zulaufsystem mit Gießschmelze befüllt werden. Es handelt sich in der Regel um mehrteilige Werkzeuge, bestehend aus zwei Außenkokillenhälften, einem ein- oder mehrteiligen Kern, welcher die zum kleinen Pleuelauge weisende Innenkontur des Kolbens festlegt und einem Gießboden mit einem zentralen Speiser, der die zum Brennraum weisende Oberfläche des Kolbenroh¬ lings im Rohzustand definiert. Während der Kern und die Außenkokillenhälften auch nach dem Öffnen des Gießwerkzeugs nah beieinander verbleiben, wird der Gießboden zur Ver¬ besserung der Zugangs bei der Entnahme des Kolbenrohlings weit weg, teilweise bis zu zwei Meter vom Gießwerkzeug fortbewegt. Die innere Oberfläche des Speisers ist in der Regel mit thermisch stark isolierendem Material ausgekleidet. Dadurch soll der ebenfalls mit Gießschmelze gefüllte Speiser bis zur vollständigen Erstarrung des Gussteils flüssig gehal¬ ten werden, um ausreichend Schmelze für die Nachspeisung zum Ausgleich der Volumen¬ kontraktion bei der Erstarrung bereitzustellen. Beim Übergang des Metalls vom flüssigen in den festen Zustand nimmt das Volumen um mehrere Prozent ab. Da metallfreie Räume (Lunker) im Produkt in jedem Fall vermieden werden müssen, wird der Speiser so angeord¬ net, dass z. B. aufgrund der Schwerkraft Schmelze aus ihm in Richtung des Kolbenrohlings nachfließen kann.

Bei den bisherigen Herstellungsverfahren für die Serienproduktionen ist bekannt, dass nach dem Einfüllen der Gießschmelze in die Gießform eine ausreichend lange Zeit abgewartet wird, während der nicht nur die in die Gießform eingefüllte Gießschmelze vollständig erstarrt,

sondern auch noch derjenige Teil der Gießschmelze, der sich im Speiser befindet. Erst wenn die Gießschmelze im Speiser erstarrt ist oder zumindest eine belastbare Randschale ausge¬ bildet hat, welche den noch flüssigen Speiserinhalt in Position halten kann, darf die im Re¬ gelfall mehrteilige Gießform geöffnet und der Kolbenrohling entnommen werden. Für diesen Zeitraum, dass heißt, vom Einfüllen der Gießschmelze in die Gießform bis zum Öffnen der Gießform (sogenannte Erstarrungszeit) sind je nach Größe des herzustellenden Kolbenroh¬ lings feste Zeiten vorgegeben. Erst nach Ablauf dieser Zeit und weiterer Zeiten, die nötig sind, um die Gießform für den nächsten Gießvorgang vorzubereiten, kann der folgende Gießvorgang beginnen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen anzugeben, mit dem die Qualität des Kolbens deutlich er¬ höht werden kann.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass nach dem Gießen des Kolbenrohlings die Öffnung des Speisers, insbesondere des nach oben hin offenen Endes der Speiserhülse, mit einem auf die Gießschmelze wirkenden Gasdruck beaufschlagt wird. Dies hat den Vorteil, dass der schon bekannte und sich bei der Serienherstellung von Kolben bewährte Kokillenguss mit den Vorteilen des Squeeze Casting Verfahrens verbunden wird, bei welchem das Gefüge der Gießschmelze unter Druck erstarrt. Einen besonders stabilen Prozess erhält man, wenn ausgehend von einem an sich bekannten Kokillengusswerkzeug (Kolbengießwerkzeug) ein

Gießboden mit Kragenspeiser verwendet wird. Ausgenutzt wird hierbei die große Dichtfläche zwischen dem Mundstück des Speisers und dem Kolben, dargestellt durch den Kragen und die Tatsache, dass sich das Mundstück der Speiserhülse unter Innendruck an die Innenwand des Speiserkragens anschmiegt und dadurch den Druckraum sicher von der Atmosphäre trennt. In die Öffnung des nach oben hin offenen Endes der Speiserhülse wird ein Gasdruck geleitet, der beispielsweise durch eine Druckleitung für ein Gas, wie beispielsweise Stick- stoff, zugeführt ist. Die in das Kokillengusswerkzeug eingefüllte Gießschmelze wird nach dem Füllen vor dem Erstarren und/oder auch nach dem teilweise Erstarren der Gießschmel¬ ze mit dem Gasdruck über die Speiserhülse beaufschlagt. Dabei ist vorgesehen, dass die Druckleitung während des Füllvorganges des Kolbengießwerkzeuges mit der Gießschmelze zur Umgebung hin offen ist. Der Zeitpunkt, zu dem die Gasdruckbeaufschlagung erfolgt, kann variabel und anhand vorgebbarer Kriterien variieren. So ist einerseits vorgesehen, dass der Gasdruck schon nach dem Füllen, aber noch vor dem Erstarren der Gießschmelze er¬ zeugt wird. Bei dieser sehr früh gewählten Druckbelastung der Gießschmelze wirkt sich der

Gasdruck nahezu auf alle Bereiche der eingefüllten Gießscrimelze in dem Kolbengießwerk¬ zeug aus, so dass auch das Nabengefüge des Kolbenrohlings eine Wirkung erfahren kann. Damit können auch die weiter von der Speiserhülse entfernten Bereiche des Kolbenrohlings in ihrem Gefüge gezielt beeinflußt werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass das KoI- bengießwerkzeug sehr gut und dicht schließt und der Anguß sehr früh erstarren muss, damit der Gasdruck auch tatsächtlich auf die sich in dem Kolbengießwerkzeug befindliche Gie߬ schmelze auswirken kann und verhindert wird, dass Gießschmelze durch die Druckbeauf¬ schlagung nach außen des Kolbengießwerkzeuges gelangen kann. Das Erstarren unter Gasdruck führt bekanntermaßen zu einem sehr dichten d.h. fast völlig lunkerfreiem Gefüge, da das Volumendefizit bei der Erstarrung durch den wirkenden Gasdruck sicherer ausgegli¬ chen wird. Während beim normalen Kokillenguss nur der hydrostatische Druck, der vom Speiser erzeugt wird, wirkt, addiert sich hier der Gasdruck hinzu. Bei reinem Schwerkraft- guss ergibt sich der Druck, der die Schmelze an die Erstarrungsfront treibt, aus dem hydro¬ statischen Druck einer Schmelzensäule von 200 bis 50 mm. Im Laufe der Erstarrung verrin- gert sich die wirksame Höhe, da die Erstarrungsfront sich auf die Oberfläche des Speisers zu bewegt. Bei zusätzlicher Beaufschlagung mit Gasdruck entspricht jedes bar Druck einer zusätzlichen Höhe an Metallsäule von rund 3 m. Da schon geringe Änderungen der Spei¬ serhöhe zu einer besseren Qualität führen, kommt es schon bei geringer zusätzlicher Druckbeaufschlagung zu einer massiven Steigerung der Homogenität des Gussteiles.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist darin zu sehen, dass nach dem Füllen des Kolbengießwerkzeuges die Ausbildung einer Randschale a us erstarrter Gießschmelze ab¬ gewartet wird. Diese Randschale aus erstarrter Gießschmelze hat den Vorteil, dass dadurch der auf die noch nicht erstarrte Gießschmelze wirkende Gasdruck von der Umgebung ge- trennt wird und damit verhindert wird, dass Gießschmelze aus dem Kolbengießwerkzeug austreten kann.

Bei den beschriebenen Verfahrensschritten mit der Beaufschlagung der Gießschmelze mit Gasdruck ist es möglich, die Druckbeaufschlagung über die> gesamte Zeitdauer konstant zu halten oder alternativ zu regeln, wobei es besonders vorteilhaft ist, im Zeitraum zwischen Beginn und Ende der Druckbeaufschlagung den Gasdruck zu steigern, so dass mit zuneh¬ mender Erstarrung der Druck erhöht wird, um ein gleichmässiges Gefüge der erstarrenden Gießschmelze zu erhalten.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der Gießschmelze während des Einfüllens in das Kolben¬ gießwerkzeug und/oder nach dem teilweise Erstarren hitzet>eständiges Fasermaterial beige¬ geben wird. Die Beifügung von Fasermaterial hat den Vorteil, dass alle oder nur bestimmte

Bereiche des Kolbenrohlings durch die Beigabe des Fasermaterials verstärkt werden, wozu besonders vorteilhaft ist, dass das Fasermaterial erst ab einem Zeitpunkt zugeführt wird, nachdem sich eine Randschale aus erstarrter Gießschmelze gebildet hat. Soll zum Beispiel gezielt der Muldenrand und / oder das Ringfeld des späteren Kolbens mit den Fasern ver- stärkt werden, sollte auch die Erstarrung der eingefüllten Gießschmelze im Nabenbereich abgewartet werden.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass zur Verbesserung der Dichtigkeit der Spei¬ serhülse diese mittels des Gasdruckes und / oder gegebenenfalls weiterer Mittel gegen den Kolbenboden und in den Speiserkragen zu pressen. Als weitere Mittel kommen hier zum Beispiel hydraulisch wirkende Aktuatoren in Betracht.

In der Figur wird wie folgt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrei¬ ben, wobei das erfindungsgemässe Verfahren nicht auf dieses Ausführungsbeispiel be- schränkt ist.

Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Gießwerkzeug bezeichnet, dass je nach geometrischer Gestal¬ tung des herzustellenden Kolbens aus mehreren Formen (Teilformen) besteht. Diese Teile; des Gießwerkzeuges 1 sind hier nur schematisch dargestellt, so dass es sich beispielsweise um einen Kern 2 für den Innenbereich und einen Kern 3 für das Bolzenloch handelt. Die üb¬ rige, äußere Gießform (oder auch Gießhälften) sind vorhanden, hier aber nicht weiter be¬ schrieben. In an sich bekannter Weise wird über eine Zuführeinrichtung Gießschmelze in das Gießwerkzeug 1 eingefüllt, so dass sich die freien Bereiche um die Kerne und Gießfor¬ men herum mit Gießschmelze auffüllen. Durch eine spezielle Ausgestaltung von Gießboden und Speiserhülse bildet sich um den Speiser ein Wall oder Kragen 4 der den Speiserinhalt in Position hält, wenn das Gießwerkzeug zur Realisierung kurzer Zykluszeiten verfahrensge¬ mäß zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, bei dem der Inhalt des „Kragenspeisers" 5 noch flüs¬ sig ist. Dabei bildet sich ein umlaufender Rand 4, auf den ein Kragenspeiser 5 aufsetzbar ist.

Innerhalb des Kragenspeisers 5 kann die Gießschmelze 6 bis auf ein gewünschtes Maß an¬ steigen, so dass oberhalb der eingefüllten Gießschmelze 6 nach dem Beenden der Zufüh¬ rung von Gießschmelze innerhalb des Kragenspeisers 5 ein Freiraum entsteht, über den die Gießschmelze mit einem Gasdruck beaufschlagt wird. Das Gas hierfür wird über eine Druck- leitung 7 zugeführt, die während des Einfüllvorganges der Gießschmelze gegenüber der Umgebung hin offen ist, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann. Nach Beendigung des Einfüllvorganges der Gießschmelze wird mit geeigneten Mitteln ein Gasdruck erzeugt, der

dann über die Druckleitung 7 auf die Schmelzenoberfläche im Kragenspeisers 5 wirken kann.

Bezugszeichenliste

1. Gießwerkzeug

2. Kern 3. Kern

4. Kragen des Speisers

5. Kragenspeiser

6. Gießschmelze

7. Druckleitung