Verkürzung der Taktzeit bei der Serienherstellung von Kolben für Brennkraft- maschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens für Brennkraftma- schinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Bei der Serienproduktion von Kolben sind Gießwerkzeuge 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, beste- hend aus zwei Außenkokillenhälften, einem ein- oder mehrteiligem Kern, welcher die zum kleinen Pleuelauge weisende Innenkontur des Kolbens festlegt und einem Gießboden mit zentralem Speiser, der die zum Brennraum weisende Oberfläche des Kolbenrohlings definiert. Während Kern und Außenkokillenhälften auch nach dem Öffnen des Gießwerkzeugs nah beieinander verbleiben wird der Gießboden zur Verbesserung des Zugangs bei der KoI- benentnahme 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 Schmelze gefüllte Speiser bis zur vollständigen Erstarrung des Gussteils flüssig gehalten werden, um ausreichend Schmelze für die Nachspeisung zum Ausgleich der Volumenkontraktion bei der Erstarrung bereitzustellen. Beim Übergang des Me- talls 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 angeordnet, dass z.B. aufgrund der Schwerkraft Schmelze aus ihm ins Produkt 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 ausgebildet hat, welche den noch flüssigen Speiserinhalt in Position halten kann, darf die im Regelfall 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 Kolbenrohlings 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 durch Verkürzung der Erstarrungszeit die Taktzeit reduziert und die Produktivität deutlich erhöht werden kann. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Dabei ist vorgesehen, dass die Gießform geöffnet wird, bevor die Gießschmelze im Bereich des Speisers eine formstabile Randschale ausgebildet hat oder der Speiserinhalt insgesamt ausreichend fest geworden ist, um seine Form und damit auch seine Funktion aufrechtzuerhalten. Das heißt, dass der Zeitpunkt zum Öffnen der Gießform so früh gewählt ist, dass, wenn man plötzlich alle Teile der Gießform vom Kolbenrohling wegnehmen würde, der Teil des Kolbenrohlings der der Speiser darstellt, sich in Form einer „Pfütze" über den Kolben ausbreiten würde. Öffnen der Gießform soll hier und im folgenden bedeuten, dass nach Befüllung der Gießform mit Schmelze Teile der Gießform ihre Position soweit ändern, dass der Kolben entnommen werden kann.

Bei der Erfindung macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass, die Schmelze in Richtung des Speisers erstarrt. Denn durch den Kontakt der zugeführten Gießschmelze mit der in der Regel metallischen und damit gut Wärme abführenden Gießform erstarrt die Gießschmelze in den konturgebenden Bereichen der weniger dickwandigen Partien des späteren Kolbenrohlings zeitlich früher als im dickwandigen Bereich des Kolbenbodens unter dem Speiser und in dem isolierten Speiser selbst. Es bildet sich eine Art Topf (Fig. 2), innerhalb dessen sich noch nicht erstarrte Gießschmelze befindet.

Darüber ist der bis zuletzt flüssige Speiser angeordnet, aus dem ständig Schmelze zum Ausgleich der Volumenschwindung beim Übergang flüssig/fest in den noch flüssigen Bereich des Kolbens abfließt. Wird der Kolben zu ungefähr diesem Zeitpunkt ausgebaut, wobei allerdings die Funktion des Speisers erhalten bleiben muss, wird die Taktzeit bei der Serienproduktion von Serienkolben wesentlich verkürzt, da die abschließende Erstarrung des KoI-

bens, ohne die Zeit teuer Investitionsmittel zu beanspruchen, außerhalb des Gießwerkzeugs stattfindet.

Um die Funktion des Speiser bei dem erfindungsgemäß früh ausgebauten Kolben zu erhal- ten, sind in Ausgestaltung der Erfindung folgende Vorgehensweisen vorgesehen.

Zum einen macht man sich die Tatsache des mehrteiligen Aufbaus des Gießwerkzeugs zunutze. Der Teil des Gießwerkzeugs, der die brennraumseitige Kontur des Kolbenbodens bestimmt und der in der Regel auch den Speiser einschließt, also der Gießboden oder ein in- nerer Teil davon, bleibt auch nach der Entnahme des Kolbens aus dem Gießwerkzeug bis zur vollständigen Erstarrung des Rohlings an demselben. Während der Kolben mit dem aufsitzenden Gießboden außerhalb des Gießwerkzeugs erstarrt, kann das Werkzeug für den nächsten Guss vorbereitet und mit den Einlegeteilen befüllt werden. In Fortführung dieses Gedankens kann die Lösung auch so aussehen, dass nur ein Teil des Gießbodens, vor- zugsweise die isolierende Speiserhülse am ausgebauten Kolben verbleibt und erst beim Guss des übernächsten Kolbens wieder dem Werkzeug zugeführt wird. Auch die Verwendung eines Losteil in Form einer „Einmalspeiserhülle" oder eines billigen Einsatzes in der Speiserhülse welche nach Ausbau des Kolbens die Stabilität und damit die Funktion des Speisers gewährleistet, stellt eine Lösung dar.

Zum anderen kann die Form des Kolbenrohlings so umgestaltet werden, dass eng um den Speiser herum ein in Umfangsrichtung geschlossener Wall von in Kolbenaxialrichtung ausreichender Höhe entsteht (Fig. 3), der den Speiserinhalt nach Ausbau aus dem Gießwerkzeug in Position hält und die Funktion des Speisers gewährleistet. Durch eine dünnwandige Gestaltung des Walls ist sichergestellt, dass er frühzeitig erstarrt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenrohling gekühlt wird. Nach dem der Kolbenrohling aus der Gießform entnommen worden ist, ist die Gießschmelze im Speiserbereich und eventuell auch in dem sich daran anschließenden Be- reich des Kolbenbodens noch nicht erstarrt. Um die Abkühlung des Kolbenrohlings mit dem noch schmelzflüssigen Speiser außerhalb der eigentlichen Gießform zu bescheunigen, wird der Kolbenrohling daher gekühlt, was beispielsweise dadurch erfolgen kann, dass der Kolbenrohling mit dem angeformten Speiser bis zu einer vorgegebenen Höhe (oer gegebenenfalls vollständig) in ein Bad mit kühlender Flüssigkeit gestellt, mit einem kühlenden Gas oder einem kühlenden Gegenkörper umgeben wird.

Insgesamt bietet die Erfindung also den Vorteil einer verkürzten Taktzeit, bei der während der Erstarrung nicht abgewartet wird, bis die Gießschmelze in der Gießform einschließlich des Speisers vollständig erstarrt ist, sondern der Kolbenrohling schon vorher aus der Gießform entnommen wird, und die vollständige Entleerung außerhalb der Gießform erfolgt.