Konstruktion und Gießtechnik des Aluminium-Kurbelgehäuses der ...

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HEFT 3/4 GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013)Bild 5: EntwicklungBMW DieselKurbelgehäuse-GewichtundMotorleistungbis 2005 [3].4.2 Aluminium-Kurbelgehäuse der 2.GenerationIn der Gießkonzeptfestlegung der nachfolgenden Dieselmotorengenerationwurden diese Erkenntnisse hinsichtlichBauteilfestigkeit und Erstarrungsrichtung erstmals imKokillenguss umgesetzt [4, 7, 8]. Damit wurde die Basisfür höhere Bauteilfestigkeitswerte im Bereich des (dieZünddruck- und Leistungsentwicklung) limitierenden Lagerstuhlsgelegt. Die Verwendung einer Kokille ermöglichtauch in den anderen Bereichen des Bauteiles eineschnelle Erstarrung und damit gute Festigkeitswerte sowiegeringe Porositäten.Die „Niederdruckbefüllung mit Schwerkrafterstarrung“kombiniert die Vorteile des Niederdruckgusses und desSchwerkraftgusses (Bild 6):• die gesteuerte Füllung des Werkzeuges sowie• die Erstarrung von unten nach oben (Schwerkrafterstarrung)zum Brennraum hinund konnte auch in den damals neuen Fertigungsstrukturender Leichtmetallgießerei umgesetzt werden.Die Änderung der Erstarrungsrichtung und die neuenEntwicklungen im Bereich der Aufladung lassen zusätzlichden Zylindersteg in den Fokusder Motor- und Gießentwicklungtreten. Eine schnelle Erstarrungund ein geringer DAS im Lagerstuhlbereichführen zwangsweisezu einem höheren DAS imStegbereich (siehe auch Bild 10,1. Gen) und umgekehrt (2. Gen).Dieser dialektische Ansatz führtentweder zu nicht akzeptablenEinschränkungen der Motorenentwicklungoder der Substitutionvon Aluminium durch das dreimalschwerere Gusseisen, verbundenmit einer deutlichen Gewichtszunahmeim Motor und zusätzlichim Vorderwagen.Bild 6: Temperaturverteilung bei der Erstarrung des Zylinderkurbelgehäuses [4].4.3 Anorganische Sandkernfertigung:Zusammenfassungund VorteileDie Vorteile der anorganischenSandkernfertigung sind zwischenzeitlichumfangreich publiziert[7,8,9] und innerhalb der BMWAG nicht nur Teil der Gießereistrategie,sondern auch Teil der81
GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013) HEFT 3/4Konzernstrategie „CleanProduc tion“ (siehe auch Nachhaltigkeitsberichtder BMW AG [10]).Daher nur eine kurze Zusammenfassung:Bisher beruhte die Aushärtung von Sandkernen mithandelsüblichen organischen Bindersystemen auf katalytisch(Coldbox durch Amin) oder thermisch (Warmbox,Hotbox) eingeleiteten Vernetzungsreaktionen (Polymerisation).Die harzumhüllten Quarzsandkörner werdendurch kleberähnliche Binderbrücken bei der Sandkernfertigungmiteinander verbunden. Beim Gießen kommt eszum Kontakt mit der heißen Schmelze und daher zu Zersetzungsreaktionender organischen Binderanteile, ähnlicheiner Verbrennung unter Sauerstoffmangel mit entsprechenderRauchentwicklung.Die neuen wasserglasbasierten Silikatbinder sind vonihrer chemischen Struktur dem Quarzsand sehr ähnlich.Die Aushärtung des Kernes erfolgt über eine Polykondensationsreaktion,bei der Wasser abgespalten wird. DerKernsand muss also „nur“ durch das heiße Kernschießwerkzeugmit Heißluftspülung getrocknet werden [11].Die organische Rauch- und Kondensatentwicklung wirktsich negativ auf• die Arbeitsbedingungen der Mitarbeiter,• die Bauteilfestigkeit,• die Taktzeit,• die Anlagen- und Werkzeugverfügbarkeit sowie• die Abluftreinigung und den daraus resultierendenEnergieverbrauch aus.Der Wegfall dieser Verbrennungsprodukte führt zu vielenVorteilen, diese lassen sich in drei Gruppen zusammenfassen:• die Arbeitsbedingungen der Mitarbeiter• die Qualität und die Festigkeit der Bauteile• die KostenDie großen technologischen Anstrengungen mussten bisherim Feld der vorgelagerten Kernfertigung erbracht werden,um die Serieneinführung dieser anspruchsvollenTechnik überhaupt zu ermöglichen. Die Vorteile, basierendauf der neuen Bindertechnologie, haben sich im erstenAnsatz natürlich auch auf die nachfolgende Kokillengieß-und Werkzeugtechnologie ausgewirkt. Daher kurzdie Zusammenfassung der zu diesem frühen Zeitpunktbereits erzielten Optimierungspotenziale im Gießprozess,basierend auf dem Einsatz von anorganisch gebundenenSandkernen:• Taktzeit–15 Prozent• Produktivität+15 Prozent• Werkzeuginstandhaltung–50 Prozent• Werkzeugstandzeit+25 ProzentErst nach einer umfassenden Serienerfahrung über mehrereMillionen Bauteile sowie viele unterschiedliche Bauteil-und Werkzeugkonstruktionsstände (Kurbelgehäuse,Zylinderköpfe für Otto und Dieselmotoren, Fahrwerksteile)ist eine zusammenfassende Bewertung dieser Technologieund ihrer Potentiale möglich. Nun können auch alte,eingefahrene Grenzen der Werkzeug- und Gießkonzeptentwicklungneu bewertet und ggf. überfahren werden.5. Gießtechnik für Kurbelgehäuseder 3. GenerationDie bereits dargelegten Entwicklungen in der Motorentechnikhaben eine neue Betrachtung der Gießtechnik fürKurbelgehäuse erforderlich gemacht. Die strategische Ableitungeines Zielekataloges für ein neues Gieß- undWerkzeugkonzept führt zu folgenden Prämissen:1. Deutliche Steigerung der Festigkeit im Zylindersteg(Aufladung)2. Leichte Steigerung der Festigkeit im Lagerstuhl3. LDS-Tauglichkeit des Gefüges (Laufflächenbeschichtung)4. Absenkung der Taktzeit5. Reduktion des Kreislaufmaterials6. Hohe Dichtheitsanforderung nach Bearbeitung imZylindersteg/Zuganker7. Reduzierung des Kokillenverschleißes (Standzeit,Wartungskosten)8. Nutzung vorhandener Strukturen und WerkzeugkonzepteNach verschiedenen umfangreichen Konzeptuntersuchungenstellte sich nur eine Lösung als zielführend heraus:Die Basis ist die Speisung im thermischen Zentrum!Dies ist der Bereich, wo ohne massive Werkzeugbeeinflussungder Hotspot am Ende der Erstarrung entsteht.Das thermische Zentrum liegt in der Mitte des Zylindersegmentsim Bereich Lagerstuhl/unterer Totpunkt desKolbens. Alle bisherigen Lösungen waren durch die langenNachspeisewege (wegen der Bauhöhe) von oben nachunten oder von unten nach oben kompromissbehaftet.Speziell die Anforderung „Dichtheit der Zugankerbohrungen“führte immer wieder zu prozessualen Einschränkungen,wie lange Erstarrungszeiten oder beheizten Bereichendes Werkzeuges. Damit steigt natürlich der Verschleißund die Wartungsintensität der Gießkokillen. Erstdie umfangreiche Erfahrung im Kokillenguss mit anorganischgebundenen Sandkernen (z.B. Fahrwerksteile mitKernen und innenliegenden Speisern) und die konsequenteNutzung deren Vorteile, speziell• hohe thermische Stabilität• hohe chemische Stabilität• „Rauchfreiheit“ bzw. die sehr geringe Kondensatbildungzeigten diesen Weg als gangbar auf.5.1. Zentralspeiserkonzept:Technische UmsetzungBild 7 zeigt die Anordnung der Speiserkerne in der geöffnetenGießkokille. Die Einzelspeiser werden in einerhochautomatisierten Kernschießanlage mit Mehrfachwerkzeuggefertigt, anschließend manuell in die Kokilleeingelegt und sind im vergossenen Zustand nur 500 gschwer. Dieser fertigungstechnische Mehraufwand gehtnatürlich in die Gesamtbetrachtung des Systems ein.Bild 8 zeigt den nächsten Arbeitsschritt in der Kerneinlegereihenfolge.Das mit dem Wasserpumpenkern (FunktionsintegrationWasserpumpengehäuse ins Kurbelgehäuse)vormontierte Wassermantelkernpaket kann wegen desgeringen Gewichtes auch beim Sechszylindermotor manuellin die Kokille eingelegt werden. Aufwendige Kerneinlegevorrichtungen,die die Zugänglichkeit der Kokilleund die Platzsituation für den Mitarbeiter erschweren,müssen nicht eingesetzt werden. Die Kokille schließt, derKokillenhohlraum wird mit Aluminium gefüllt. Die an derStahlkokille anliegenden Bereiche erstarren zuerst, speziellgilt das für den Lagerstuhl, den Zylindersteg undauch den Zugankerbereich. Dies führt zu kurzen Erstarrungsintervallenund einem geringen Dendritenarmabstand(DAS). Natürlich kommt der Kokillenentlüftungeine entscheidende Rolle zu. Die erwärmte Luft aus dem82
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