铸芯、铸芯的应用和制造铸芯的方法

摘要

本发明涉及一种由型砂形成的铸芯(1)，该型砂的颗粒通过粘合剂互相接合，并设置为在内燃机发动机缸体(26)中塑造冷却通道(41，42，43，44)，还涉及铸芯(1)的应用和制造铸芯(1)的方法。根据本发明的铸芯(1)能简单和运行可靠地制造，并允许用铸造技术制造在其最窄点处最高3mm宽的通道。这样实现：铸芯(1)具有支承区段(2)、两个从支承区段(2)的侧面(10)突出和互相间隔设置的颈部区段(11，12)，和至少一个桥接区段(15，16)，桥接区段由颈部区段(11，12)保持与支承区段(2)间隔，颈部区段(11，12)间的区域(23，24)中作为其侧面(17，18)的互相距离测量的最小厚度(dmin)最高为3mm，并且铸芯(1)至少在其桥接区段(15，16)的区域中由型砂形成，其颗粒平均直径最高为0.35mm。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铸芯，该铸芯由型砂形成，该型砂的颗粒通过粘合剂互相连接，并且设置用于在用于内燃机的发动机缸体中构造冷却通道。

此外，本发明涉及这种铸芯的应用及其制造方法，其中通过射芯机将包含型砂和粘合剂的模制材料注射到芯模的模具空腔中并且随后使粘合剂硬化，以便于使铸芯具有所需的形状稳定性。

背景技术

所讨论类型的铸芯在这里作为待铸造部件中的铸造形状giessform的一部分构成通道、空腔和其它凹进。用于内燃机的发动机缸体借助铸芯成型例如输送冷却剂的通道，以及圆柱形的燃烧室。

现代高功率发动机的发动机缸体在运行中必须强化地冷却，以便于有针对性地使得由于高功率密度而产生的大量热量消散。这特别地适用于由轻金属材料例如铝合金制造的发动机缸体。同时，特别是在私人汽车的领域中，存在对越来越紧凑构造的驱动总成的需求，以便于一方面能够节省重量，并且另一方面使具有高功率的发动机可以放置在只有非常有限的空间的车体中。

紧凑的构造方式使得气缸组的气缸槽互相紧邻地设置。由此存在相应薄的气缸分隔壁。其特别是在其对应于气缸头的末端区段中暴露于增加的热负载。为了防止在此产生的热导致的裂缝或其他损坏，必须在所涉及的危险区域中进行强化的冷却。

为了能够将为此所需的冷却通道设置到保留在发动机缸体的两个气缸室之间的薄的分隔壁中，一种可能性是在铸造制造过程完成之后将冷却通道钻在缸体中。尽管该方法允许精确地制造尺寸非常小和窄的通道，但是对制造技术而言太复杂，因为它需要大量额外的制造步骤。这导致高成本。另一个缺点是，对制造技术而言，难以将具有最小的直径的通道的孔设置在存在于发动机缸体的相邻的汽缸槽之间的分隔壁的上部区域中，在使用中在该区域中产生最高的热负载。

为了避免这种复杂性，已经给出关于如何在以铸造工艺制造的情况下，将薄的和窄的通道设置到发动机缸体的在运行中受热负载高的区域中的不同的建议。这样，已经建议由尽可能不同的模制材料构成的芯，其分别以这样的目的选择，即，一方面确保关于精细的芯区段的足够的尺寸稳定性，该芯区段在铸造部件中塑造各个通道，另一方面，保证在发动机缸体固化之后能够尽可能顺利地去除芯材料，从而保证按照规定的流动。然而，对于由模制材料制成的芯的使用却已接近了由于芯为了即使在铸造工作占主导的条件下也能确保足够的生产率必须具有的尺寸稳定性和机械负载力所设定的极限，。

为了能够在轻金属发动机缸体中形成具有更小直径的通道，在EP 0 974 414 B1中已经建议通过具有相应尺寸的小玻璃管塑造这些通道，该小玻璃管放置到铸模中并且在在铸造期间通过铸造熔体包裹。这样选择小玻璃管的材料，即，其在铸造材料凝固过程中产生的应力下分裂成许多小块，随后可以顺利地将这些小块冲洗掉。

在这个方向上的其它提议在于，通过随后由成品铸件中取出的金属板或金属丝配件塑造通道。

上面提到的可能性在现有技术中已经保证了对于通道的制造或多或少大规模的和和经济上的成功，尽管其尺寸有限，这些通道足够大并且可以接触到，以便于能够移除形成它们的芯材料的相应残留碎片。

然而，在由铝材料铸造的新一代内燃机中，分隔壁的厚度已经减小到这样的程度，即，其中所需的冷却通道在其最窄的区段中具有小于3mm的净宽度。在由铝材料铸造的这种类型的发动机缸体中，在两个气缸室之间的分隔壁的最窄的区域中的冷却通道的净宽度在1-2mm的范围内。

发明内容

在现有技术的背景下，本发明的目的是提供一种铸芯，其可以以简单和运行可靠的方式制造，并且在此允许也通过铸造技术制造在其最窄点处的最大3mm宽的通道。

除此之外，应当给出一种优选的应用和一种用于制造进行该应用的铸芯的方法。

关于铸芯，本发明通过成型根据权利要求1的铸芯来实现该目的。

有利地，根据本发明的铸芯可以在铸模中使用，该铸模用于通过将铝溶液浇铸到铸模中以铸造技术制造内燃机的发动机缸体，其中铸芯的桥接区段在发动机缸体中塑造在发动机缸体的两个气缸室之间设置的冷却通道，该冷却通道的净宽度最大为3mm。

最后，就该方法而言，通过根据权利要求12来制造根据本发明的铸芯实现上述目的。

本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出，并且在下面详细阐述本发明的总体发明思想。

因此，根据本发明的设置为用于在内燃机的发动机缸体中塑造冷却通道的铸芯完全由型砂成型，型砂的颗粒通过粘合剂互相接合。根据本发明，铸芯具有支承区段、两个从支承区段的侧面突出并且互相间隔地地设置的颈部区段和至少一个桥接区段，其由颈部区段保持与支承区段间隔，在颈部区段之间的区域中作为其侧面的互相间隔距离测量出的最小厚度最大为3mm。在此，铸芯至少在其桥接区段的区域中由型砂成型，其颗粒平均直径最大为0.35mm。

因此，根据本发明的铸芯完全由型砂组成，型砂的颗粒以已知的方式通过合适的粘合剂互相接合，使得它们形成牢固的主体。

在此，尽管铸芯的桥接区段细工设计，铸芯的支承区段能够顺利地保持铸芯，以便于运输和插入铸模中。因此，根据本发明的铸芯也可以容易地作为成型为型芯组件的铸模的一部分。同样地，它可以顺利地用于任何其它铸造方法中，其中在相应的铸造部件之中或之上应该形成具有最小的尺寸的精细的通道。

由支承区段支承的颈部区段在待铸造的发动机缸体中形成流入和流出通道，通过这些通道为窄的、尺寸狭窄的冷却通道提供冷却剂，冷却通道在发动机缸体中分别通过由颈部支承的桥接区段塑造。其厚度在关键区域中减小到最大3mm，其中在实践中，最小厚度在该区域中为1-2mm。在此，涉及的关键区域对应于待铸造的发动机缸体的各个分隔壁的区域，在该区域中分隔壁最薄并且由分隔壁分隔开的气缸室互相最接近，在关键区域中根据本发明的铸芯的桥接区段是最窄的。

在此，对于本发明的实际实施而言关键的是，铸芯至少在其桥接区段的区域中由细颗粒的型砂成型。其粒度选择为使得桥接区段在铸造后在固化的铸件中分裂成细颗粒，从而剩余的芯碎片要么自动从完全凝固的发动机缸体中流出要么能冲洗掉。

已经令人惊讶地表明，铸芯不仅可以以常规方式通过在射芯机中注射来制造，而且在此也在窄的桥接区段的区域中提供一种表面特性，这种表面特性在待制造的冷却通道中产生足够光滑的内表面，而不需要为此施加复杂的涂层。这在型砂的颗粒的平均直径为最高0.27mm、特别是最高0.23mm时则是特别适用的。

如已经提到的，根据本发明的铸芯可以这样大规模地制造，即，借助于射芯机将包括型砂和粘合剂的模制材料射入模具的成型空腔中，随后使粘合剂硬化，以便于为铸芯赋予所需的形状稳定性，其中根据本发明，将颗粒的平均直径为最大0.35mm的型砂至少用作为铸芯的桥接区域的模制材料。显然，由于之前阐述的原因，这里颗粒的平均直径也可以最优地不大于0.27mm，特别是最高0.23mm。

在此，可以用模制材料实现最佳的加工结果，其中型砂和粘合剂不是作为混合物存在，而是型砂的颗粒分别由粘合剂包裹，其中也可以使以这种方式包裹的型砂颗粒的平均直径不大于0.35mm。当今，将用粘合剂包裹的根据本发明加工类型的型砂还用于所谓的“Croning方法”，在专业技术语言中也称其为“壳模铸造法(Maskenformverfahren)”，该型砂例如由Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH，杜塞尔多夫以品名VS744(平均粒度0.29mm+/-0.02mm)或VS1264(平均粒度0.21mm+/-0.02mm)供应。HüttenesAlbertus Chemische Werke GmbH也已经出版了论文“Das Maskenformverfahren:Eine deutsche Innovation zur Gussherstellung”，作者：Ulrich Recknagel，其中描述了壳模铸造法的技术和历史。

如果各个型砂颗粒的粘合剂包裹层是球形的，则使用Croning模制材料具有特别的优势。球形的形状确保在根据本发明的芯在常规射芯机中射出时模制材料的特别良好的性能。这样，尽管其尺寸最小，但是根据本发明的铸芯可以以高工作可靠性制造。

特别是当使用具有0.19-0.23mm的平均颗粒大小的粒度更细的型砂时，铸芯不仅能够在射芯机中顺利制造，而且也表明，由它们的桥接区段在相应铸造的发动机缸体中塑造的薄的冷却通道的表面均匀地具有足够的质量，而不需要为此施加涂层或其它改善表面的辅助剂，例如滑石或者类似物。

如果在使用其优选以粘合剂包裹的颗粒的平均直径为0.27mm或更大的较粗糙的砂的情况下证实在铸造部件中塑造的冷却通道的表面质量不足时，这可以通过至少在桥接区段上涂覆薄的铸型涂料或通常用于改善表面的其他试剂来解决。然而，在大于0.35mm的颗粒大小的情况下，具有根据本发明规定的尺寸的铸芯不再能够可靠地射出，并且用于平滑粗糙表面的耗费变得巨大，以至于从经济观点看这种应用不再有意义。因此，为了制造根据本发明的铸芯最佳地使用这种型砂，即，型砂的用粘结剂包裹的颗粒具有小于0.27mm，特别是小于0.25mm的平均直径。

用于将根据本发明的用于制造铸芯的型砂的颗粒优选包裹或混合的粘合剂通常是树脂，该树脂由于供热而与相应相邻的颗粒的树脂粘合并且硬化，从而产生牢固的复合物。

对于通过在射芯机中常规地射出芯而运行可靠的制造同样有利地在于，根据本发明的一个设计方案，根据本发明的铸芯的侧面分别以平滑过渡的方式过渡到颈部区段的外周面中并且其厚度从对应于各个颈部区段的最大厚度开始在桥接区段的纵向方向上连续地减小，直到减到最小厚度。桥接区段在支承它的颈部区段上的平滑连接以及厚度的持续减小还有利于，尽管在射芯机中的最小尺寸，模制材料也可靠地且足够紧密地填充空腔，该空腔塑造了铸芯的窄的桥接区段。

桥接区段在颈部区段上的平滑连接可以这样简化，即，颈部区段具有凸轮类型成型的横截面形状，其尖端朝向各个另外的颈部区段。以这种方式，桥接区段的侧面可以顺利地紧贴在颈部区段的外周面上，由此又在射芯过程中有助于用型砂填充桥接区段。

可以以根据本发明的方式制造这样的铸芯，该铸芯在其关键的、最小厚度区域中不仅具有最大3mm、特别是1-2mm的厚度，并且因此适合于在待制造的铸造部件中塑造具有净宽度为3mm和更小的、特别是1.5+/-0.5mm的冷却通道，而且其中，在关键区域中的高度也最小化。因此，在根据本发明的铸芯中，桥接区段的高度在其具有其最小厚度的区域中可以限制为最大4.5mm。

原则上可以考虑，只有根据本发明的铸芯的桥接区段由根据本发明的精细粒度的型砂形成，而铸芯的其他区段由较粗的型砂形成。为此，例如由精细粒度的型砂组成的桥接区段可以与铸芯的其他部分分开地射成，并且随后例如通过与由较粗的型砂中射成的铸芯的剩余部分粘合而连接。然而，当根据本发明的另一设计方案，铸芯分别完全由满足根据本发明的规格的型砂一件式成型，这对于制造技术方面而言更简单。

如果对于需要待散出的热量必要，根据本发明的铸芯毫无疑问也可以这样设计，从而其在待铸造的发动机缸体的各个薄的分隔壁中形成多于一个的窄的铸造通道。为此目的，两个或更多的互相间隔地设置的桥接区段可以由颈部区段支承，桥接区段分别具有其最小厚度分别最高为3mm的区域。当然，这里也可以是，额外的桥接区段有明显更小的最小厚度，例如1-2mm。

根据本发明的铸芯特别适用于在铸模中使用，该铸模用于通过将铝溶液浇铸到铸模中以铸造技术铸造内燃机的发动机缸体，其中铸芯的桥接区段在发动机缸体中塑造在发动机缸体的两个气缸室之间设置的冷却通道，该冷却通道的净宽度最大为3mm。

通过本发明，在每个内燃机发动机缸体中可以将薄的通道引入相应的分隔壁中，在内燃机发送机缸体中在两个气缸开口之间形成窄的分隔壁。显然，这包括了通过铸造技术铸造具有多于两个气缸开口的发动机缸体的可能性，通过根据本发明的各一个铸芯，在每个存在于相邻的气缸开口之间的分隔壁中塑造至少一个薄的通道。

附图说明

下面借助于示出实施例的附图详细地解释本发明：

图1以仰视图示出了铸芯。

图2以朝向其宽侧面的视图示出了铸芯；

图3以朝向其窄侧面的视图示出了铸芯；

图4以纵向剖面图示出了铸模的断面；

图5以俯视图示出了发动机缸体的断面。

具体实施方式

铸模1具有支承区段2，该支承区段具有带有互相相对的宽侧面3，4和同样互相相对的窄侧面5，6的窄的截棱锥的基本形状，窄侧面将宽侧面3，4相互连接。邻接上部的端面7，保持区段8，9成型为在宽侧面3，4上侧向突出，保持区段延伸经过支承区段2的高度的大约五分之一。

此外，在其下部的平面的端面10上，在支承区段2上形成两个颈部区段11，12，它们互相轴向平行地延伸并且从端面10垂直取向地突出。颈部区段11，12具有凸轮形的横截面形状，其凸轮尖端13，14分别指向另一个颈部区段12，11的方向。

在颈部区段11，12之间，两个桥接区段15，16在颈部区段11，12的纵向方向上互相间隔地并且与支承区段的端面10间隔地延伸。桥接区段15，16的纵轴L1，L2互相平行并且平行于支承区段2的端面10定向。

桥接区段15，16以其末端过渡到分别对应的颈部区段11，12中。为此，桥接区段15，16的侧面17，18紧贴到相应的颈部区段11，12的外周面19，20上。在此，它们切向地和平滑地延伸到颈部区段11，12的外周面区段21，22中，外周面区段在凸轮尖端13，14和颈部区段11，12的横截面的相应最厚的位置之间延伸。

在各个连接位置上(桥接区段15，16在这些连接位置上连接到相应的颈部区段11，12)，桥接区段15，16的作为其侧面17，18的距离而测量的厚度d对应于最大厚度d max，其大约为5mm，其中实际应用中，厚度d max也可以更大。从该最大厚度d max开始，桥接区段15，16的厚度d在相应另外一个颈部区段11，12的方向上连续减小，直到其在桥接区段15，16的设置在颈部区段11，12之间的中心区域23，24的中间达到其大约1.5mm的最小厚度d min。

以相应的方式，作为桥接区段15，16的顶面和底面的距离测量的桥接区段15，16的高度h从相应连接位置上的最大高度hmax开始向中心区域23，24的方向上连续地减小，直到在那里达到大约4.3mm的最小高度hmin。

铸芯1在此处未示出的、常规的射芯机中由市售的所谓“Croning型砂”一件式射成，“Croning型砂”的石英砂颗粒的平均粒径为0.21+/-0.02mm(对应于AFS粒度数68+/-3)并且其包裹有用作粘合剂的合成树脂。为此，型砂以2-6巴的压力注入加热至200-350℃的芯盒中，其中由于通过芯盒进行的供热，石英砂颗粒的粘合树脂烘烤在一起并且时效硬化。在为此所需的30-120秒的停留时间后，可以从芯盒中取出铸芯1。尽管其桥接区段15，16的精细的形状，铸芯具有足够的形状稳定性，以便于能够提供给进一步使用用途。特别地，它还在桥接区段15，16的区域中具有均匀精细粒状的表面，其质量很高，从而可以直接提供给进一步使用用途。在较粗糙的表面结构的条件下为了获得所需的质量原本是必需的涂层或其余的辅助剂的施加就此不是必需的。

将以上述方式形成和制造的铸芯1用作剩余部分以常规方式成型为芯组件的铸模25的一部分，该铸模在图4中仅是以断面的方式示出的，铸模用于浇铸内燃机的具有设置成排的气缸室27，28，29的、在图5中同样只是以断面的方式示出的由铝合金熔液铸造的发动机缸体26。在此，铸芯1通过覆盖芯30，31，32这样设置在塑造气缸室27-29的气缸芯33，34，35之间，从而使其桥接区段设置在位于气缸芯33-35之间的窄的自由空间36，37的在上部的、对应于覆盖芯30-32的区域的中心。各个自由空间36，37在制成的发动机缸体26中分别这样塑造气缸分隔壁38，39，即，使气缸分隔壁将分别相邻的气缸室27，28；28，29互相分隔。在相邻的气缸室27，28；28，29互相最靠近的区域40中，各个气缸间壁38，39的最小厚度dmin大约为5mm。

在向铸模25中浇铸铝合金熔液之后，铝铸造材料凝固。粘合铸芯1的砂粒的粘合剂由于伴随的加热而开始分裂。在此，以这种方式引入的热能通常仅足以开始分解过程。如果由此获得的铸芯1的碎片仍然太大而不能从由铸芯1形成的通道中流出，则将芯材料随后以已知方式通过针对性的处理进一步弄碎。为此，可以进行合适的热处理，在专业技术语言中也称其为术语“热脱砂(thermische Entsanden)”，其中通过针对性的供热持续使粘合剂分裂并且与之伴随着单个成型材料颗粒的连接的分解，直到成型材料能够流出。替代性地或补充地，还可以通过使铸模或铸件本身受到锤击、敲击、摇动或振动来机械地促进铸芯破裂。为了优化铸芯1的粉碎的模制材料从各个通道的排出，可以额外地用水或其他液体冲洗各个通道。

铸芯1的至少颈部区段和桥接区段11，12，15，16以这种方式分解成这样细的颗粒，从而尽管由型砂塑造的通道的尺寸最小化的情况下，其型砂从制成的铸件中自由地流出，或者如果需要可以冲洗掉。

各个铸芯1的颈部区段11，12可以与这里未示出的水套芯连接，水套芯在发动机缸体26中塑造冷却通道，通过冷却通道冷却发动机缸体26的在其外侧面上包围气缸室27-29的壁。以这种方式，在内燃机的实际使用中，冷却水经由通过颈部区段11，12塑造的流入通道和流出通道41，42通过在气缸分隔壁38，39中的窄的冷却通道43，44流动并且在气缸分隔壁38，39的高热负载的区域中提供有效冷却，冷却通道是通过桥接区段15，16塑造的并且在区域40中仅大约1.5mm宽和大约4.2mm高。

附图标记说明

1 铸芯

2 支承区段

3，4 支承区段2的宽侧面

5，6 支承区段2的窄侧面

7 支承区段2的上部的端面

8，9 保持区段

10 支承区段2的下部的平面的端面

11，12 铸芯的颈部区段1

13，14：颈部区段12，11的凸轮尖端

15，16 铸芯1的桥接区段1

17，18 桥接区段15，16的侧面

19，20：颈部区段11，12的外周面

21，22 外周面19，20的外周面区段

23，24 桥接区段15，16的中间区域

25 铸模

26 发动机缸体

27，28，29 发动机缸体26的气缸室

30，31，32 覆盖芯

33，34，35 气缸芯

36，37 气缸芯33-35之间的自由空间

38，39 发动机缸体26的气缸分隔壁

40 相邻的气缸室27，28；28，29互相最接近的区域

41，42 发动机缸体26的流入和流出通道

43，44 气缸分隔壁38，39中的冷却通道

d 桥接区段15，16的厚度

dmax 桥接区段15，16的最大厚度

dmin 桥接区段15，16的最小厚度

h 桥接区段15，16的高度

hmax 最大高度

hmin 最小高度

L1，L2 桥接区段15，16的纵轴