Forschungsberichte

Eigenspannungen in druckgegossenen Aluminiumzylinderkurbelgehäusen

 

Wolfgang Blümlhuber

178 Seiten 93 Abbildungen Hieronymus Buchreproduktions GmbH, München, 2002 ISBN 3-89791-254-6

Diese Arbeit ermittelt den Einfluss einzelner Gießparameter beim Aluminiumdruckgießen auf die prozessbedingten Eigenspannungen empirisch und numerisch. Der Einfluss der Prozessparameter wird anhand von einfachen schwindungsunbehinderten Druckgussplatten im Sinne von Laborversuchen untersucht. Dabei werden sowohl die Eigenspannungen über die Bauteildicke als auch die Eigenspannungsverteilung über das gesamte Druckgussteil betrachtet. Aufbauend auf die in den Laborversuchen gewonnenen Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Eigenspannungszuständen wird der Einfluss des Verbundgießens im Aluminiumdruckguss anhand eines unter Serienproduktionsbedingungen gefertigten komplexen Aluminiumkurbelgehäuses untersucht. Dazu werden Laufbuchsen, die aus den Werkstoffen Gusseisen oder Aluminiumlegierungen bestehen und mit verschiedenen Herstellungsverfahren gefertigt werden, in Aluminiumkurbelgehäuse eingegossen. Die daraus resultierenden Eigenspannungen werden mit den rein prozessbedingten Eigenspannungen verglichen und dementsprechend für die Druckgießprozessauslegung gewichtet. Innerhalb des Verbundgießens werden die verschiedenen Buchsenwerkstoffe und deren Herstellungsverfahren bezüglich der im Gussteil entstehenden Eigenspannungsfelder gewichtet, so dass sich daraus praktisch anwendbare Empfehlungen für die Buchsenwahl in heterogenen Zylinderkurbelgehäusen ableiten lassen.

Aufgrund der empirisch ermittelten Ergebnisse wird ein auf die Bedürfnisse der Eigenspannungssimulation von Druckgieß- und Verbundgussprozessen abgestimmtes Konzept in das bereits bestehende thermisch und mechanisch entkoppelte FEM Simulationssystem der Fa. RWP, Rötgen, eingearbeitet. Nach einer Validierungsphase wird es möglich sein, zuverlässige Vorhersagen der Eigenspannungszustände und deren Ursachen nach dem Druckgießprozess in einem möglichst frühen Produktentwicklungsstadium zu treffen. Dazu werden die für die Temperaturfeld- und die Eigenspannungssimulation nur teilweise bekannten Materialstoffdaten der untersuchten, für Leichtbaumotorkomponenten am häufigsten verwendeten Druckgussaluminiumlegierung AlSi9Cu3 erweitert und ergänzt.

Da die verwendete Eigenspannungssimulation bisher im Sinne einer durch Eigenspannungen hervorgerufenen Versagensbestimmung (Warm- und Kaltrisse) eingesetzt wurde, wird diese durch Implementierung einer dreidimensionalen linearen Interpolation zwischen den Nachbarelementen auf einen FE-Knoten in ein Modul zur örtlich korrekten numerischen Eigenspannungsberechnung weiterentwickelt.

Diese Arbeit ermöglicht, die Eigenspannungssimulation auch zum derzeitigen Stand der Computertechnologie für hochkomplexe Druckgussteile wie Zylinderkurbelgehäuse in eine sich ständig verkürzende Produktionsentwicklungszeitschiene einzubinden.

Die Untersuchungen dieser Arbeit sind ferner darauf ausgerichtet, Druckgießereien und Konstrukteuren von Kurbelgehäusen empirisch und numerisch gestützte Kriterien zur Auswahl von Gießparametern, Buchsenwerkstoffen sowie Buchsenherstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe die Eigenspannungsausbildung in Druckgussteilen und Verbundgussteilen wie Motorkomponenten reduziert oder bezüglich des später folgenden Lastfalles verbessert werden kann.

Zudem soll diese Methodik dazu beitragen, die Auswahl des Zylinderlaufflächenwerkstoffs bezüglich der Eigenspannungsausbildung und der entstehenden Verzüge zu erleichtern.

In einem späteren Gussteileentwicklungsstadium soll durch eine wärmetechnische Optimierung des Gießprozesses im Bezug auf eine Reduktion von Eigenspannungen und Verzügen eine Qualitätssteigerung erzielt werden können.