Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Herstellung einer hohlen Nockenwelle aus Stahl.
Nockenwellen aus Stahl sind beispielsweise bekannt aus JP 02 102 302 A.
Aus JP 61 115 660 A, JP 62 296 935 A, JP 41 67 946 A, JP 12 38 765 A und JP 63 26 42 48 A ist es bekannt, Nockenwellen aus Eisenwerkstoffen in einem "Lost Foam"-Gießverfahren herzustellen.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine hohle Nockenwelle aus Stahl äußerst rationell herstellen zu können.
Gelöst wird dieses Problem durch ein Herstellungsverfahren mit sämtlichen Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Gießformen sind nach dem Prinzip des Lost Foam-Gießsystems aufgebaut. Dies bedeutet, dass die Nockenwelle mit einer äußerst geringen Materialzugabe für die Endbearbeitung als verlorene Form aus beispielsweise einem Polymer-Rohling erstellt und eingesetzt wird. Dieser sich beim Einfüllen des Stahlgusses auflösende Rohling wird in eine Sandform eingelegt, wobei auch der hohle Innenraum mit Sand ausgefüllt wird.
Als Polymer wird ein solches eingesetzt, das eine spezielle chemische Zusammensetzung aufweist, durch die schädliche Aufkohlungsprozesse beim Eingießen des flüssigen Stahls verhindert werden. Hierdurch werden die bei der Durchführung der erfindungsgemäßem Lehre erforderlichen hohen geometrischen Anforderungen an die Gießform erfüllt.
Zur Verhinderung von Gießfehlstellen und auch aus wirtschaftlichen Gründen dient der erfindungsgemäß eingesetzte Angusssystem, durch das es möglich ist, eine Vielzahl von Nockenwellen, beispielsweise mehr als 50, gleichzeitig abzugießen. Zur Gewährleistung der Stabilität einer sogenannten Traube aus mehr als 50 Nockenwellenrohlingen mit Angusssystem dient das in den Unteransprüchen aufgezeigte Stecksystem. Dabei kann auf die Verwendung von Klebstoff verzichtet werden, was sich vorteilhaft auf die Gußqualität auswirkt.
Erfindungsgemäß hergestellte Nockenwellen sind geeignet und bestimmt für Ventiltriebe von Verbrennungsmotoren, bei denen die Ventilbetätigung insbesondere über einen Rollenkontakt zur Nockenwelle erfolgt. In diesen Fällen werden Nockenwellen benötigt, die Hertzsche Flächenpressungen von bis zu 2.500 MPa während der gesamten Motorlebensdauer ohne Laufflächenbeschädigungen ertragen können. Die Ausführung als hohle Nockenwelle besitzt den Vorteil, einerseits Gewicht einzusparen und andererseits durch die Nockenwelle hindurch schmieren zu können.
Ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung dargestellt.
In dieser zeigt in schematischer Darstellung die einzige
Die dargestellte Gieß-Einrichtung besteht aus einem zentralen, lotrecht ausgerichteten Einfüllkanal 1 für in die Einrichtung einzufüllendes flüssiges Gußmaterial, der an seinem unteren Ende über horizontal sternförmig abzweigende Verbindungskanäle 2 mit Eingießkanälen 3 für die aufschmelzbaren Modelle 4 verbunden ist. Sämtliche vorgenannten Teile bestehen aus unter dem Gußmaterial aufschmelzendem Material wie beispielsweise einem bei Lost Foam-Gießverfahren bekannten Polymer. Allerdings kann es zweckmäßig sein, den Einfüllkanal 1 aus einem nicht schmelzendem Material auszubilden.
Die Nockenwellen-Modelle 4 sind achsparallel zu dem jeweiligen Eingießkanal 3, um den sie verteilt sind, angeordnet und mit diesem über dessen Höhe über mehrere Anschnitt-Verbindungen 5 verbunden.
Die einzelnen Eingießkanäle 3, von denen eine Vielzahl vorhanden sein kann, sind an ihren oberen Enden jeweils mit einem Keramikstopfen 6 als Drosselventil verschlossen.
Die während der Durchführung des Gießverfahrens aufschmelzenden Teile 1, 2, 3, 4, und gegebenenfalls auch 5 der Gießeinrichtung sind an ihren Oberflächen jeweils mit einer formstabil wirkenden Schlichte überzogen. Das Material dieser Schlichte sorgt im übrigen für eine ausreichende Permeabilität der beim Auflösen der verlorenen Formteile, das heißt der Polymerteile, sich bildenden Gase. Diese Schlichte sorgt insbesondere für eine hohe Oberflächengüte der erfindungsgemäß erzeugten Nockenwellen.
Vor dem Füllen der Gießeinrichtung mit flüssigem Gußmaterial wird ein Formkasten 7 mit Sand derart aufgefüllt, dass sämtliche ausschmelzbaren Formteile vollständig von Sand eingeschlossen sind. Vollständig eingeschlossen bedeutet bei den Nockenwellengießformen, dass diese jeweils auch in ihrem inneren, profilierten Hohlraum vollständig mit Sand ausgefüllt sind. Der die Formteile umschließende Sand wird lediglich als loser Sand in den Formkasten 7 eingefüllt und dort in keiner besonderen Weise verpresst. Während des Einfüllens des Formsandes vibriert der Formkasten 7 zur Erzielung einer guten Formsandverteilung.
Bei für das Einfüllen des Gießmaterials vorbereitetem Zustand des Formkastens mit darin befindlicher Gießeinrichtung ragen lediglich die, die Eingießkanäle 3 verschließenden Keramikstopfen 6 und ein Einfülltrichter des zentralen Einfüllkanales 1 aus dem eingefüllten Sand heraus.
Die einzelnen Teile der Gießeinrichtung sind, soweit sie nicht einstückig hergestellt sind, einfach kraftschlüssig ineinandergesteckt. Ineinandergesteckt sind insbesondere der Einfüllkanal 1 in ein aus den Verbindungskanälen 2 gebildetes Verbundteil sowie die Eingießkanäle 3 in die Verbindungskanäle 2. Auch die Nockenwellen-Modelle 4 sind an den jeweiligen Eingießkanal 3 lediglich angesteckt und zwar über die Anschnitt-Verbindungen 5. Selbst die Nockenwellen-Modelle 4 können aus Einzelteilen in axialer Richtung aufgebaut und zusammengesteckt sein.
Der Ablauf des Befüllens einer innerhalb eines Formkastens 7 in Sand eingeformten Gießeinrichtung stellt sich wie folgt dar.
Flüssiges Gießmaterial wird in den Einfüllkanal 1 eingeführt und gelangt über die Verbindungskanäle 2 von unten in die Eingießkanäle 3. Von dort dringt das Gießmaterial durch die Anschnittverbindungen 5 in die einzelnen Nockenwellen-Modelle 4 ein, wobei das Gießmaterial gleichmäßig in dem jeweiligen Eingießkanal 3 und den mit diesem verbundenen Nockenwellen-Modelle 4 aufsteigt. Durch die Keramikstopfen 6 entsteht beim Eindringen des Gießmaterials in die Eingießkanäle 3 in diesen ein gewisser oberhalb Atmosphärendruck liegender Gießdruck. Unter der Hitze des Gießmaterials lösen sich die einzelnen Formteile der Gießeinrichtung in einer Art auf, wie es bei dem an sich bekannten Lost Foam-Gießverfahren an sich üblich ist. Für die Erzielung einer guten Gußqualität sowie die Gewährleistung einer ausreichenden Formstabilität der Gießeinrichtung während des Gießvorganges ist der Schlichten-Überzug auf den einzelnen Formteilen von besonderer Bedeutung.
Nach Abschluß des Gießvorganges und Erstarren des Gießmateriales kann das Gußmaterial in der Form der Gießeinrichtung einfach aus dem Sandbett des Formkastens 7 herausgezogen und durch Rütteln vollständig von dem Gießsand befreit werden. Damit ist ein äußerst rationelles Herstellungsverfahren gegeben. Es können beispielsweise mehr als 50 Nockenwellen in einer einzigen System-Anordnung in einem einzigen Gießvorgang erzeugt werden. Die einzelnen Nockenwellen müssen nach ihrer Herstellung in dem beschriebenen Gießverfahren selbstverständlich noch von den jeweiligen Angüssen bzw. Angusskanälen mechanisch befreit werden. Dies ist jedoch auf einfache, fachübliche Weise möglich.
Ein besonders günstiger Werkstoff für eine erfindungsgemäß herstellbare Nockenwelle besitzt folgende Zusammensetzung in Gewichts-%:
Nach dem Gußvorgang werden die Nockenwellen an den Lagerstellen und den Nockenlaufstellen mechanisch vorbearbeitet, randschichtverfestigt durch beispielsweise induktives Härten, Einsatzhärten, Karbonitrieren oder andere vergleichbare Verfahren und sodann fertig bearbeitet. Die Fertigbearbeitung erfolgt zweckmäßigerweise durch Schleifen.
Als typisches Merkmal weisen erfindungsgemäße Nockenwellen an Stellen, die nicht mechanisch bearbeitet werden, ein von Styroporteilen her bekanntes, typisches Oberflächenrelief auf. Der Hohlraum der Nockenwelle wird mechanisch nicht bearbeitet. An Stellen der Nockenwelle, die nicht speziell randschichtverfestigt werden, beträgt die Oberflächenhärte 150 bis 400 HB. Die Größe der Gussfehlstellen ist durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem Bereich von 1 mm unterhalb der Nockenoberflächen auf 0,1 mm begrenzt. Die Härte der Nockenoberfläche beträgt dort, abhängig von der geforderten Flächenpressung, zwischen 35 und 70 HRC. Die Nockenoberfläche weist typischerweise Eigenspannungen zwischen 50 und 600 MPa auf. Das Gefüge der erfindungsgemäßen Nockenwelle ist ferritisch-perlitisch oder ledeburitisch. Im Bereich der Randschichtverfestigung liegen typischerweise martensitische oder bainitische Gefüge vor.
Bei speziellen erfindungsgemäßen Ausführungen der Randschichtverfestigung können in diesem Bereich auch um 0,1 bis 3 % erhöhte C-, N- oder B-Gehalte vorliegen.