DE102005021428A1

DE102005021428A1 - Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kolbens

Info

Publication number: DE102005021428A1
Application number: DE200510021428
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2006-11-16

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kolbens (2), bei dem zunächst ein Rohling (1) eines einteiligen Kolbens (2) mit einer Anformung (11) geschmiedet wird, die die Form eines nach oben offenen Kragens hat, an den sich nach radial außen ein nach oben offener Kühlkanal (7) anschließt. Anschließend wird der Kühlkanal (7) durch Umwalzen der Anformung (11) nach radial außen verschlossen, wobei die Anformung (11) auf dem Kolbenboden (5) zu liegen kommt. Dem folgt ein Verschweißen der Anformung (11) mit dem Kolbenboden (5) durch Ausüben eines in Richtung der Bolzennaben (8) weisenden Druckes auf die Anformung (11), wonach der Kolben (2) durch Anwendung spanabhebender Fertigungsverfahren fertig gestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Patentschrift DE 37 13 191 C1 ist es bekannt, ein geschmiedetes Oberteil eines zweiteiligen Kolbens mit einem ringförmigen, geschlossenen Kühlkanal in Kolbenbodennähe herzustellen, indem zunächst ein Rohling mit einem Kolbenboden, mit an dem Kolbenboden angeformten Bolzennaben und mit einer am Kolbenboden angebrachten, über die Kolbenbodenebene nach radial außen hinausragenden, ringförmigen Anformung geschmiedet wird, wonach die Anformung zur Bildung des geschlossenen Kühlkanals in Richtung Bolzennaben umgebogen wird. Zum Schmieden des Rohlings wird ein Schmiedeverfahren angewandt, bei dem der Rohling mit einem einzigen in Richtung der Achse des herzustellenden Kolbens geführten Pressenhub hergestellt wird.

Nachteilig ist hierbei, dass mit diesem einachsigen Schmiedeverfahren nur Schmiedeteile ohne Hinterschnitte herstellbar sind, sodass in das auf die bekannte Weise hergestellte Oberteil gemäß Stand der Technik in einem separaten Arbeitsschritt Hinterschnitte für den Kühlkanal eingefräst werden müssten, wenn an den Rohling für Schaftelemente vorgesehene Materialelemente angeformt wären, bevor die Anformung zur Bildung des geschlossenen Kühlkanals umgeboden wird. Dies würde das bekannte Herstellungsverfahren sehr aufwendig gestalten und erheblich verteuern, wenn es zur Herstellung einer einteiligen Kolbens mit einem geschlossenen Kühlkanal verwendet würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und preisgünstiges Verfah ren zur Herstellung eines einteiligen, geschmiedeten Kolbens anzugeben, der einen ringförmigen, geschlossenen Kühlkanal in Kolbenbodennähe aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Hierbei sind zur Herstellung des einteiligen Kolbens mit geschlossenem Kühlkanal ausschießlich die drei Verfahrensschritte, Schmieden des Rohlings, Verschließen des Kühlkanal durch Umwalzen der Anformung und Fertigstellen des Kolbens durch Anwendung spanabhebender Fertigungsverfahren erforderlich, wodurch sich ein relativ einfaches und preisgünstiges Herstellungsverfahren ergibt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

1 einen geschmiedeten Rohling zur Herstellung eines Kolbens unter ausschließlicher Anwendung schmiedetechnischer Verfahrensschritte,

2 den Kolbenrohling nach demjenigen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein geschlossener Ringkanal gebildet wird, und

3 den fertigen Kolben.

1 zeigt einen geschmiedeten Rohling 1, aus dem in weiteren Verfahrensschritten ein Kolben 2 hergestellt wird, wie er in 1 strichpunktartige skizziert ist. Der Rohling 1 kann aus Stahl oder aus Aluminium bestehen und weist in seinem Innenbereich 3 bereits die Form des fertigen Kolbens 2 auf. Dessen Außenfläche 4 weist einen schmiedetechnisch bedingten Materialüberschuss auf, dessen Dicke an dem Abstand zwischen der Außenkontur des Rohlings 1 und der unterbrochenen Linie erkennbar ist, die den Umriss des letztlich sich ergebenden Kolbens 2 darstellt.
Grob geformt weist der Rohling 1 bereits diejenigen Elemente auf, aus denen der fertige Kolben 2 besteht, wie einen Kolbenboden 5 mit einer Verbrennungsmulde 6, in dessen Randbereich ein ringförmiger Kühlkanal 7 angeordnet ist. An der der Verbrennungsmulde 6 abgewandten Unterseite des Kolbenbodens 5 sind Bolzennaben 8 noch ohne Bolzenbohrungen angeformt, die von Schaftelementen 9 miteinander verbunden sind.
Der Kolbenboden 5 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine zur Kolbenachse 10 drehsymmetrische, nach oben offene, kragenförmige Anformung 11 auf, an die sich nach radial außen der ebenfalls nach oben offene Kühlkanal 7 anschließt. Soll ein Kolben 2 mit einer zur Kolbenachse 10 exzentrisch angeordneten Verbrennungsmulde 6 hergestellt werden, wird ein Rohling 1 mit einer nach oben offenen Anformung 11 verwendet, die zu einer parallel zur Kolbenachse 10 liegenden Längsachse drehsymmetrisch angeordnet ist.
Nach radial außen wird der Kühlkanal 7 von einem Element 13 des Rohlings 1 begrenzt, das nach Fertigstellung des Kolbens 2 dessen Ringpartie 14 ergibt. Hierbei ist die vom Kolbenboden 5 aus gemessene, axiale Länge "x" der Anformung 11 größer als der radiale Abstand "y" zwischen der radialen Außenfläche 15 der Anformung 11 und dem Feuersteg 12 des fertigen Kolbens 2.
Der nächste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Kühlkanal 7 geschlossen wird, wird durchgeführt, solange der Rohling 1 noch Schmiedetemperatur aufweist. Besteht der Rohling aus Stahl, beträgt die Schmiedetemperatur zwischen 600 °C und 1250 °C. Bei einem Rohling aus einer Aluminiumlegierung beträgt die Schmiedetemperatur ca. 500 °C. Hierbei wird der Rohling 1 in Drehung um die Kolbenachse 10 versetzt, während die Anformung 11 umgewalzt, d.h., mit Hilfe einer Walze nach radial außen gebogen wird. Nach einigen Umdrehungen des Rohlings 1 ist die Anformung 11 so weit nach außen gebogen, dass die radiale Außenfläche 15 der Anformung 11 auf dem radial äußeren Rand des Kolbenbodens 5 aufliegt, wie es in 2 dargestellt ist.
Solange der Rohling noch Schmiedetemperatur aufweist, wird im Anschluss daran ebenfalls mit Hilfe der Walze auf den radial äußeren Teil 16 der umgebogenen Anformung 11 ein derartiger Druck ausgeübt, dass sich eine Verschweißung zwischen der radialen Außenfläche 15 der Anformung 11 und dem Kolbenboden 5 ergibt. Hierdurch wird der Kühlkanal 7 hermetisch geschlossen.
Mittels spanabhebender Fertigungsverfahren wird der Kolben 2, wie in 3 dargestellt, fertiggestellt. Hierbei werden in 3 nicht dargestellte Ölzu- und Ölablauföffnungen zwischen dem Innenbereich 3 des Kolbens 2 und dem Kühlkanal 7 und zudem Bolzenbohrungen 17 in den Kolben 2 eingebracht.
Zur Vermeidung einer Oxidschicht auf dem Kolbenrohling 1, die insb. das Verschweißen der Außenfläche 15 der Anformung 11 mit dem Kolbenboden 5 sehr erschwert, kann der Prozess des Umwalzens der Anformung 11 zur Herstellung des geschlossenen Kühlkanals 7 unter einer Schutzgasatmophäre ablaufen. Ersatzweise ist es auch möglich, die Oxidschichten von den zu verschweißenden Flächen 15 und 5 vor Beginn des Druckschweißprozesses abzuschaben.

x: Länge
y: Abstand
1: Rohling
2: Kolben
3: Innenbereich des Kolbens 2
4: Außenfläche des Kolbens 2
5: Kolbenboden
6: Verbrennungsmulde
7: Kühlkanal
8: Bolzennaben
9: Schaftelement
10: Kolbenachse
11: Anformung
12: Feuersteg
13: Element des Rohlings 1
14: Ringpartie
15: radiale Außenfläche der Anformung 11
16: radial äußerer Teil der Anformung 11
17: Bolzenbohrung

Claims

1 Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kolbens (2) mit den folgenden Verfahrensschritten: – schmiedetechnische Herstellung zumindest eines Teiles eines Kolben (2) aus einem Rohlings (1) mit einem Kolbenboden (5) und mit Bolzennaben (8) auf der dem Kolbenboden (5) abgewandten Unterseite des Rohlings (1), gekennzeichnet durch – Schmieden eines Rohlings (1) für einen einteiligen Kolbens (2) mit einer zylinderförmigen Anformung (11), die einen nach oben offenen Kragen bildet, und eines sich nach radial außen daran anschließenden, nach oben offenen Kühlkanals (7), der radial innen von der zylindrischen Anformung (11) und radial außen von einem Element (13) begrenzt wird, dessen Oberfläche den radial äußeren Teil des Kolbenbodens (5) bildet – Verschließen des Kühlkanals (7) durch Umwalzen der zylinderförmigen Anformung (11) nach radial außen, wobei die Anformung (11) auf dem Kolbenboden (5) zu liegen kommt, – Verschweißen der Anformung (11) mit dem Kolbenboden (5) durch Ausüben eines in Richtung der Bolzennaben (8) weisenden Druckes auf die Anformung (11), und – Fertigstellen des Kolbens (2) durch Anwendung spanabhebender Fertigungsverfahrens.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwalzen der Anformung (11) unter einer Schutzgasatmophäre stattfindet.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformung (11) beim Umwalzen Schmiedetemperatur aufweist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformung (11) beim Verschweißen mit dem Kolbenboden (5) Schmiedetemperatur aufweist.