Verfahren und Giessform zum Herstellen eines Gusseisenkörpers und danach hergestellter Gusseisenkörper

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen einer einen langgestreckten Hohlraum aufweisenden, zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor vorgesehener Nockenwelle aus Gußeisen. Sie betrifft außerdem eine Gießform mit einem Formkern in der Eisengießerei und einen Gußeisenkörper.

[0002] Wenn ein langgestreckten Gußeisenteil als Hohlkörper mit entsprechend langgestrecktem Durchgang gegossen werden soll, muß ein Kern angefertigt und in die Form eingebracht werden, in die die Eisenschmelze zu gießen ist. In der GB-PS 11 91 202 wird vorgeschlagen, als Formkern ein Stahlrohr mit darin eingesetztem, mit Isolierstoff beschichtetem Stahlstab zu verwenden. Bei diesem Verfahren wird flüssiges Eisen in die Form gegossen und anschließend der Stahlstab aus dem Stahlrohr, das Bestandteil des Gußkörpers wird, herausgezogen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, daß an der Grenze zwischen dem Stahl und dem Gußeisen eine sehr harte, schwer zu bohrende Abschreckschicht entsteht. Der Aufwand für das Stahlrohr ist erheblich.

[0003] In einem weiteren aus der britischen Patentanmeldung 84 03 355 vom 02. Februar 1984 bekannten Verfahren besteht der Formkern aus einem mit Keramikpapier oder dergleichen Isolierstoff bewickelten Stahlrohrkern. Das Keramikpapier bildet bei diesem Verfahren eine Isolierschicht zwischen der in die Form gegossenen Schmelze und dem weit kühleren Stahlrohr. Die Isolierschicht wird durch die beim Gießen einfließende Eisenschmelze aufgebraucht, z. B. verbrannt, so daß sich das innen liegende Metallrohr nach dem Erstarren des hergestellten Gußkörpers aus diesem herausziehen läßt. Es ist sehr mühsam, jeden Formkern vor dem Einbringen in die Form mit dem vorgesehenen Isoliermaterial zu umwickeln; außerdem wird die Oberfläche der Wicklung nicht vollständig eben, so daß die Innenfläche der Durchgangsöffnung des herzustellenden Gußeisenstücks nachzubearbeiten ist.

[0004] Relativ ebene Innenflächen von Durchgangsöffnungen langgestreckter Gußeisenteile werden erhalten, wenn nach der GB-PS 15 96 442 ein Graphitstab als Formkern verwendet wird. Bei dieser Verfahrensweise ist das Handling außerordentlich schwierig und in der Praxis kaum durchführbar, da Graphitstäbe sehr bruchempfindlich sind und eine sehr poröse Oberfläche besitzen, so daß beispielsweise durch Hautkontakt aufgebrachte Feuchtigkeit und Fettreste zu Gießfehlern, wie Blasen, führen können. Außerdem werden bei einem Graphitkern ähnlich wie bei einem Sandkern Abstützungen auch im mittleren Bereich der Stablänge gebraucht, wenn das Längen/Durchmesser-Verhältnis des Kerns einen bestimmten Wert übersteigt.

[0005] Aus "Patent Abstracts of Japan", Band 4, Nr. 164, 14. Nov. 1980, S. 110 (JP-A-55 114 435 ) ist die Verwendung von Röhren aus Glas zum Herstellen von Kühladern in Turbinenschaufeln bekannt. Der Einsatz eines Quarzrohrs zum Bilden eines einseitig offenen, dünnen Lochs in einem Metallgußkörper wird berichtet in "Patent Abstracts of Japan", Band 9, Nr. 155, 29. Juni 1985 (JP-A-60 30 549). Die Eisengießerei wird in den Druckschriften nicht erwähnt. Mit dem Gießen von Nockenwellen hat der entsprechende Stand der Technik nichts zu tun.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer hohlgegossenen Nockenwelle, also eines relativ zur Länge dünnen Gußeisenkörpers, zu schaffen, das es erlaubt, sowohl Hohlkörper ohne Gußöffnung oder Hohlkörper mit sehr dünnen, beispielsweise lediglich zur Ölversorgung von Lagern geeigneten, Durchgangsöffnungen oder Sacklöchern, als auch Hohlkörper mit, beispielsweise gewichtsmindernd, relativ zum Werkstückaußendurchmesser dickem zylindrischem und/oder der Außenkontur des Werkstücks angepaßtem Hohlraum zu gießen. Die Innenfläche des Gußteils soll, wenn und insoweit sie überhaupt erreichbar bzw. von Bedeutung ist, ohne wesentliche Nachbearbeitung etwa der Oberflächengüte einer mechanischen Bohrung entsprechen, schließlich soll ein auch in der Praxis eines Gießereibetriebs problemloses Handling möglich sein. Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Gießform soll einen Formkern haben können, der ohne Abstützung seines mittleren Bereiches seiner Länge auch bei Längen/Durchmesser-Verhältnissen des Kerns von bis zu 500 mm/5 mm einzusetzen ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll auch eine hohlgegossene Nockenwelle herstellbar sein.

[0007] Die erfindungsgemäße Lösung besteht für das Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle darin, daß beim Gießen ein Formkern aus Glas verwendet wird. Der erfindungsgemäß vorgesehene Formkern kann eine glatte zylindrische oder auch eine den Erfordernissen nach Stabilität, Gewicht oder dergleichen konturierte Oberfläche besitzen. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

[0008] Eine zum Durchführen eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens geeignete Gießform kann einen aus Glas bestehenden Formkern besitzen, der ganz vom herzustellenden Gußeisenkörper umschlossen ist. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Gußeisenkörpers kann einen beim Gießen allseitig umschlossenen Hohlraum aufweisen, an dessen Innenkontur Glas, insbesondere Quarzgut, anliegt.

[0009] Durch die Erfindung werden ein Gießverfahren und eine Gießform mit stabartig langgestrecktem Formkern geschaffen, die es in der Eisengießerei erlauben, eine langgestreckte Nockenwelle als Hohlkörper zu gießen, ohne daß ein wesentliches Nachbearbeiten der Innenkontur erforderlich wäre und ohne daß in der Nockenwelle schwer zu durchbohrende Abschreckschichten oder dergleichen entständen. Das Verfahren und die Form mit einem Glasrohr als Formkern sind besonders gut geeignet zum Herstellen einer Nockenwelle, die bekanntlich für ihre Länge relativ dünn ist, aber aus Gründen der Gewichtserspranis oder als Ölzuführleitung eine teilweise oder ganz durchgehende Längshöhlung haben soll.

[0010] Nach dem Gießen und Abkühlen einer erfindungsgemäß wenigstens einseitig offen hergestellten Nockenwelle kann in deren Durchgangssackhöhlung oder dergleichen etwa noch verbliebenes Glas mit einfachsten Mitteln, die z. B. zum Entfernen von Sandkernen bekannt sind, insbesondere durch einfaches Bohren, durch Vibration, Strahlmittel oder Wasserhochdruck, ausgelöst werden.

[0011] Der erfindungsgemäße Formkern selbst kann als Hohlkörper oder massiv ausgebildet werden. Vor allem im Hinblick auf die mechanische oder thermische Stabilität werden hohle Formkerne bevorzugt. Beim Gießen einer Nockenwelle kann der Formkern länger als die Welle sein und daher wenigstens an einem seiner Längsenden außerhalb der Außenkontur der Nockenwelle abgestützt werden. Wenn der Formkern nur an einem Längsende außerhalb der Außenkontur einer Nockenwelle abgestützt wird, ist er innerhalb der Form mit Hilfe einer Kernstütze. z. B. wie üblich mit Hilfe von Stahlstückchen, zu positionieren, insbesondere um ein Aufschwimmen im zunächst flüssigen Eisen auszuschließen. Wenn der Formkern mit seinen beiden Längsenden ganz aus der Form herausragt, benötigt er in der Regel bis zu einem Durchmesser/Längenverhältnis nur etwa 1:100 keine Abstützungen, so daß ein stangenartig bzw. stabartig langgestreckter Formkern vorliegt, mit dessen Hilfe ein einen entsprechend langgestreckten, durchgehenden Hohlraum aufweisender Gußeisenkörper herzustellen ist. Im Verhältnis längere Kerne werden zweckmäßig etwa in der Mitte oben gegen ein Aufschwimmen abgestützt.

[0012] Wenn der Formkern einseitig innerhalb der Form endet, und - wie gesagt - an diesem Ende mit einer Kernstütze positioniert wird, entsteht bei entsprechend langgestrecktem stabartig dünnem Formkern ein ebenso langgestrecktes dünnes Sackloch in dem fertig gegossenen Werkstück.

[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich bevorzugt auch darauf, einen Gußeisenkörper herzustellen, der einen definierten Hohlraum ohne jeden durch das Gießen bedingten Zugang nach außen besitzt. Auch ein solcher Hohlraum kann stabartig langgestreckt sein und jeden beliebigen Wert von Stabilität, Gewicht oder dergleichen des herzustellenden Werkstücks unter Berücksichtigung von dessen Kontur vorgegeben werden. Im einfachsten Fall besteht ein Formkern zum Gießen eines einen definierten Hohlraum (ohne einen durch das Gießen bedingten Zugang) aufweisenden Gußeisenkörpers darin, daß ein Glasrohr an beiden Längsenden zugeschmolzen und mit Hilfe von Kernstützen an den Längsenden innerhalb der Form in für das Gießen ausreichend stabiler Weise positioniert wird. Vorzugsweise können die Kernstützen aus einem über den Formkern zu schiebenden Eisenring bestehen, an dem beispielsweise mit 120° gegenseitigem Abstand, Stützbeine angesetzt werden. Im allgemeinen werden jedoch, z. B. drei oder vier, getrennte Stützen verwendet. Grundsätzlich kann der geschlossene, beim Gießen ganz innerhalb der Form verbleibende Formkern jede beliebige Konfiguration als geschlossener Glaskolben aber auch als massiver Glaskörper besitzen.

[0014] Nach dem Vorangehenden wird erfindungsgemäß unter dem Begriff "Hohlraum" des Gußeisenkörpers eine Durchgangsöffnung mit zwei -gegebenenfalls axialen - Eingängen, ein Sackloch oder ein beim Gießen erzeugter ganz von dem Gußeisen umschlossener Raum verstanden. Während bei Vorhandensein einer durch das Gießen bedingten nach außen führenden Öffnung das innerhalb des Hohlraums bzw. an dessen Wänden verbliebene Glas nach dem Gießen entfernt werden kann, ist eine solche Nachbehandlung bei dem allseits umschlossenen Hohlraum nicht immer erforderlich oder erwünscht.

[0015] Ein allseitig umschlossener Hohlraum ist dann von besonderem Vorteil, wenn lediglich eine Gewichtsminderung erwünscht wird und/oder wenn der Hohlraum ganz definierte durch das Gießen nicht mit ausreichender Genauigkeit herzustellende Sacklöcher oder bis in das Innere durchgehende Öffnungen besitzen soll, die nachträglich mit Hilfe eines - durch kein Gußloch gestörten - Bohrers zu erzeugen sind. Beim Bohren von Sacklöchern wird im allgemeinen - meist schon bei der Konzeption des Gußkörpers - darauf zu achten sein, daß der Bohrer nicht bis an den Glaskern herankommt oder diesen durchstößt, weil es sonst in der Regel erforderlich wird, das Glas vollständig zu entsorgen. Wenn dagegen durchgehende Bohrungen hergestellt werden sollen, ist das Innere des Hohlraums im Prinzip meist ebenso zu behandeln, wie im Fall von ein- oder mehrseitig offen gegossenen Hohlräumen.

[0016] Zum Herstellen des erfindungsgemäßen Formkerns kommen verschiedene Gläser infrage. Bevorzugt werden Quarzglas und wegen des verminderten Aufwands vor allem Quarzgut. Quarzglas wird aus kristallinem Quarz durch vollständiges Schmelzen und Entgasen hergestellt. Demgegenüber kann das im Zusammenhang und der vorliegenden Erfindung ganz besonders bewährte Quarzgut bereits durch teilweises Schmelzen bzw. Sintern von Quarzsand erzeugt werden. In der Praxis günstig sind auch Gläser, die schon bisher dazu verwendet wurden, aus einer Stahl- oder Eisenschmelze Proben für Analysen nach Pipettenart zu ziehen. Wenn konturierte Kerne benötigt werden, kann ein erfindungsgemäßer, aus Glas bestehender Formkern mit Glasteilen größeren oder kleineren Durchmessers oder mit einem üblichen Formkern aus Sand kombiniert werden. Auch die konturierten Kerne des erfindungsgemäßen Typs können durch die Form durchgehen oder einseitig bzw. sogar rundum innerhalb der Form enden.

[0017] Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Gießform im Schnitt quer zur Längsrichtung eines langgestreckten Formkerns;

Fig. 2

eine untere Halbschale einer Gießform und einen als Glasrohr ausgebildeten Formkern; und

Fig. 4

eine Form im Schnitt mit einem allseitig eingeschlossenen Formkern.

[0018] Der Schnitt durch eine Gießform nach Fig. 1 zeigt die Unterform 1, die Oberform 2 und ein als Formkern dienendes Glasrohr 3. Beim Gießen wird der schraffierte Hohlraum zwischen Unterform 1 und Oberform 2 mit dem den späteren Gußeisenkörper 4 bildenden Eisenguß ausgefüllt. Obwohl der Erweichungspunkt des zum Herstellen des Glasrohrs verwendeten Glases 3 weit unterhalb der Temperatur des flüssigen Eisens liegt, entsteht beim Gießen und anschließenden Abkühlen des Gußeisenkörpers 4 eine der Oberflächenqualität des Glasrohrs 3 entsprechend glatte Innenfläche 5 des Gußkörpers 4.

[0019] Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Unterform 6 und eines Formkerns 7, mit deren Hilfe eine Nockenwelle herzustellen ist. Die Unterform 6 weist der Außenform des herzustellenden Gußeisenkörpers 4 entsprechende Vertiefungen 8 auf. Diesen Vertiefungen 8 entsprechend werden auf der Oberfläche des als Glasrohr ausgebildeten Formkerns 7 erhabene Zonen 9 vorgesehen. Die Materialverteilung bzw. Wegnahme wird vorzugsweise so getroffen, daß der herzustellende Gußeisenkörper 4 überall weitgehend gleiche Wandstärke erhält.

[0020] Fig. 3 zeigt eine Form im Schnitt mit allseitig zwischen Unterform 1 und Oberform 2 eingeschlossenem Formkern 7. Dieser wird in dem zwischen Unterform 1 und Oberform 2 verbleibenden Hohlraum mit Hilfe von je drei Kernstützen 10 so positioniert, daß das herzustellende Gußeisenstück 4 die gewünschte Innenkontur erhält. die Kernstützen 10 sollen so dimensioniert werden, daß sie den Formkern 7 nicht nur tragen sondern auch seinem Auftrieb im flüssigen Eisen widerstehen können.

[0021] Gemäß Fig. 3 können auch bei einem eingeschlossenen Formkern 7 Vertiefungen 8 und erhabene Zonen 9 an Unter-und Oberform 1, 2 bzw. am Formkern selbst vorgesehen werden, die einem Nocken des herzustellenden Gußeisenstücks 4 entsprechen.

[0022] Der in einer Gießform entsprechend Fig. 3 zu verwendende Formkern 7 kann sowohl als Hohlkörper als auch als Massivkörper aus Glas, vorzugsweise Quarzgut, ausgebildet werden. Da der Kern im wesentlichen aus Gründen der Gewichtsersparnis in den Gußeisenkörper eingebautwerden soll, ist es natürlich besonders günstig, als Formkern einen Hohlkörper aus Glas zu verwenden. Wegen des relativ (gegenüber Eisen) geringen spezifischen Gewichts von Glas ergibt sich aber auch bei Einsatz eines massiven Glaskörpers eine erhebliche Gewichtsverminderung des hergestellten Gußeisenkörpers.

[0023] Ohne Verletzung des fertigen Gußeisenkörpers kann man nicht ohne weiteres feststellen, ob der eingegossene Hohlraum die vorgesehene Position hat, ob also die Dicke der Wand um den Hohlraum herum, überall die gleiche gewünschte Stärke besitzt. Die entsprechende Qualitätsprüfung kann jedoch beispielsweise mit Hilfe von Ultraschall-Meßverfahren vorgenommen werden. Die Gießerei ist daher in der Lage, dem Abnehmer eine gleichbleibende Qualität zu garantieren.

[0024] Versuche haben ergeben, daß der Formkern außer als ein-oder beiseitig offenes Rohr auch - und bevorzugt - als Hohlkörper aus Glas auszubilden ist. Bei Versuchen wurde ein Glaskolben unter Normaldruck zugeschmolzen, in dem Kolben herrschte also normaler Luftdruck. ein solcher kolben wurde mit Hilfe von Kernstützen zwischen Ober-und Unterform so positioniert, daß er überall den gewünschten Abstand von der Außenform besaß. Nach dem Gießen und Abkühlen des Gußeisenkörpers konnte durch Ultraschall festgestellt werden, daß der Hohlkolben seine Position beim Gießen nicht verändert hat. Die weitere Überprüfung durch Aufsägen des Gußkörpers ergab ebenfalls eine einwandfreie Ausbildung und exakte Position des in dem Werkstück herzustellenden allseits eingeschlossenen Hohlraums.

Ansprüche

1. Verfahren zum Gießen einer einen langgestreckten Hohlraum aufweisenden, zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor vorgesehenen Nockenwelle aus Gußeisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Gießen ein Formkern (7) aus Glas verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein der Länge nach durch die Nockenwelle hindurchreichendes Glasrohr als Formkern (7) eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein allseits vom Gußeisen zu umschließender, hohler Glaskörper, insbesondere ein geschlossener Glaskolben, als Formkern (7) eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein massiver, vorzugsweise innerhalb des Gußeisens verbleibender, Glaskörper als Formkern (7) eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Formkern (7) mit Hilfe von, insbesondere aus einem über den Formkern (7) zu schiebenden Ring mit daran angesetzten Stützbeinen bestehenden, Kernstützen (10) positioniert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Formkern (7) aus einem Werkstoff nach Art des Materials eines zum Ziehen von Proben aus einer Stahl- oder Eisenschmelze geeigneten Glasrohrs, insbesondere aus Quarzglas, hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Formkern (7) aus Quarzgut hergestellt wird.

8. Gießform mit, insbesondere stabartig langgestrecktem, Formkern in der Eisengießerei zum Durchführen des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
einen aus Glas bestehenden, ganz vom herzustellenden Gußeisenkörper (4) zu umschließenden Formkern (7).

9. Gußeisenkörper (4) hergestellt nach dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
einen beim Gießen allseitig umschlossenen Hohlraum, an dessen Innenkontur Glas, insbesondere Quarzgut, anliegt.

Claims

1. Method of casting a cast iron camshaft having an elongated central space and intended for use in an internal combustion engine, characterized in that a moulding core (7) of glass is used during the casting process.

2. Method according to claim 1, characterized in that a glass tube extending throughout the length of the camshaft is used as moulding core (7).

3. Method according to claim 1, characterized in that a hollow glass body to be surrounded on all side by the cast iron, particularly a closed glass body, is used as moulding core (7).

4. Method according to claim 1, characterized in that a solid glass body, preferably remaining inside the cast iron, is used as a moulding core (7).

5. Method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the moulding core (7) is positioned with the aid of core supports (10) formed particularly of a ring to be pushed over the moulding core (7) with supporting legs mounted thereon.

6. Method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the moulding core (7) is made of a material of the type of a glass tube, particularly quartz glass, suitable for taking samples from a steel or iron melt.

7. A method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the moulding core (7) is made of translucent fused quartz.

8. A casting mould with a moulding core particularly elongated in the manner of a rod in the iron foundry for carrying out the method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in a moulding core (7) made of glass to be completely surrounded by the cast iron body (4) to be produced.

9. A cast iron body (4) made by the method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in a hollow space surrounded on all sides during the casting process, on the inner outline of which glass, particularly translucent fused quartz, applies.

Revendications

1. Procédé de coulée d'un arbre à cames en fonte prévu pour être utilisé dans un moteur à combustion, présentant en extension longitudinale un espace creux,
   caractérisé en ce que
   un noyau de moule (7) en verre est utilisé lors de la coulée.

2. Procédé selon la revendication 1,
   caractérisé en ce que
   un tube de verre traversant l'arbre à cames dans sa longueur est utilisé comme noyau de moule (7).

3. Procédé selon la revendication 1
   caractérisé en ce que,
   un corps en verre creux, à entourer de toutes parts par de la fonte, en particulier un récipient fermé en verre, est utilisé comme noyau de moule (7).

4. Procédé selon la revendication 1,
   caractérisé en ce que
   un corps en verre massif, restant de préférence à l'intérieur de la fonte, est utilisé comme noyau de moule (7).

5. Procédé selon une ou plusieurs des revendications 1 à 4,
   caractérisé en ce que,
   le noyau de moule (7) est positionné à l'aide du supports de moule (10), composés en particulier d'un anneau à glisser au-dessus du noyau de moule (7) sur lequel sont montées des pattes d'appui.

6. Procédé selon ou plusieurs des revendications 1 à 5,
   caractérisé en ce que,
   le noyau de moule (7) est fabriqué en un matériau du type de la matière utilisée pour un tube en verre adapté au prélèvement d'éprouvettes dans un bain d'acier ou de fer, en particulier en verre quartzeux.

7. Procédé selon une ou plusieurs des revendications 1 à 5,
   caractérisé en ce que,
   le noyau de moule (7) est fabriqué en silice fondue.

8. Moule comportant un noyau de moule, en particulier d'extension longitudinale en forme de barreau, pour la mise en oeuvre, dans la coulée de fonte, du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 7,
   caractérisé par
   un noyau de moule (7) en verre, à entourer de toutes parts par le corps (4) en fonte à fabriquer.

9. Corps (4) en fonte fabriqué selon le procédé conforme à l'une au moins des revendications 1 à 7,
   caractérisé par
   un espace creux, entouré de toutes parts lors de la coulée, sur le contour intérieur duquel est appliqué du verre, en particulier de la silice fondue.

Zeichnung