DE102007027337A1 - Internal-combustion engine's cooling channel piston manufacturing method, involves molding piston blank from steel material, and additionally deforming rotating flange such that flange contacts contact surface of piston blank - Google Patents
Internal-combustion engine's cooling channel piston manufacturing method, involves molding piston blank from steel material, and additionally deforming rotating flange such that flange contacts contact surface of piston blank Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens einer Brennkraftmaschine, wobei zunächst ein Kolbenrohling aus einem Stahlwerkstoff geformt wird, wobei dieser Kolbenrohling einen umlaufenden Kragen im Bereich eines Kolbenbodens und einen gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbenrohlings zurückliegenden Freibereich unterhalb des Kragens sowie einen Anlagebereich oberhalb eines Kolbenschaftes für den Kragen aufweist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The The invention relates to a method for producing a cooling channel piston an internal combustion engine, wherein first a piston blank is formed from a steel material, said piston blank a circumferential collar in the region of a piston crown and a relative to the outer diameter of the piston blank past outdoor area below the collar as well a contact area above a piston skirt for the Collar, according to the features of the preamble of Claim 1.
Ein
gattungsbildendes Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
für eine Brennkraftmaschine ist aus der
Dabei ist es erforderlich, dass zur optimalen Wirkung des Kühlkanales die Endbereiche des Kragens an dem Anlagebereich vollständig zur Anlage kommen, damit durch den umgeformten Kragen der Kühlkanal vollständig (bis auf erforderliche Zulauf- und Ablauföffnungen) geschlossen wird. Hierzu ist es erforderlich, mit großem Aufwand den Kragen derart in Richtung des Anlagebereiches umzuformen, dass er vollständig zur Anlage an den Anlagebereich kommt. Dabei kann allerdings aufgrund der Materialeigenschaften nicht ausgeschlossen werden, dass trotzdem Bereiche des Kragens von dem Anlagebereich wieder abheben und somit ein unerwünschter Spalt entsteht. Zur Verhinderung dessen ist schon vorgeschlagen worden, den Kragen in dem Anlagebereich an diesem unlösbar, z. B. durch eine Lötung oder Schweißung, anzufügen. Dies bedeutet aber einen unerwünschten weiteren Bearbeitungsschritt. Außerdem kann es innerhalb des Kühlkanales zu Schweißspritzern kommen, die sich bei der Zirkulation von Motoröl lösen und in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine gelangen können. Dort können sie dann insbesondere an den Zylinderlaufflächen große Schäden verursachen.there It is necessary that for optimal effect of the cooling channel the end portions of the collar at the investment area completely come to rest, so that by the formed collar of the cooling channel complete (except for required inlet and outlet openings) is closed. For this it is necessary, with large Effort to reshape the collar in the direction of the investment area, that he comes completely to the investment area. However, it can not be excluded due to the material properties be that anyway areas of the collar of the investment area take off again and thus creates an undesirable gap. To prevent this has already been proposed, the collar in the investment area at this insoluble, z. B. by a Soldering or welding, to attach. This but means an undesirable further processing step. Furthermore it may become spattered within the cooling channel that dissolve in the circulation of engine oil and get into the oil circuit of the internal combustion engine can. There they can then in particular to the Cylinder surfaces cause great damage.
Aufgrund
der heutigen Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen, in denen
ein solcher Kühlkanalkolben eingesetzt wird, hinsichtlich
des Schadstoffausstoßes und des Verbrauches, ist es erforderlich,
einen Kühlkanalkolben so herzustellen, dass er die an ihn
gestellten Anforderungen erfüllt. So hat bei Durchführung
des Verfahrens, welches aus der
Anstelle der Kaltumformung ist schon daran gedacht worden, eine Warmumformung (beispielsweise etwa oberhalb von 700 Grad Celsius) an dem Kolbenrohling durchzuführen. Dies verbessert zwar das Gefüge des bearbeiteten Kolbenrohlings und auch des später fertigen Kühlkanalkolbens, wobei es allerdings eines sehr hohen Energieaufwandes bedarf, um den gesamten Kolbenrohling auf das gewünschte und erforderliche Temperaturniveau zu erwärmen. Darüber hinaus kommt es bei Erwärmungstemperaturen etwa oberhalb von 550 Grad Celsius in nachteiliger Weise zu Verunderungen im Kühlkanal. Diese haben den gleichen Nachteil wie die Schweißspritzer.Instead of cold forming has already been considered, a hot forming (For example, above about 700 degrees Celsius) on the piston blank perform. Although this improves the structure the machined piston blank and also finished later Kühlkanalkolbens, although it is a very high Energy consumption is required to the entire piston blank to the desired and to heat required temperature level. About that In addition, it comes about at heating temperatures above from 550 degrees Celsius disadvantageously to marvels in the cooling channel. These have the same disadvantage as the spatter.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten Nachteile zu vermeiden. Es soll vor allen Dingen ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens angegeben werden, mit dem ein in der Brennkraftmaschine hochbelastbarer Kühlkanalkolben aus einem Stahlwerkstoff in einteiliger Ausführung hergestellt werden kann, wobei der Kolbenrohling durch die Ausführung des Verfahrens seine vorteilhaften Eigenschaften, die er durch seine Herstellung im Schmiedeverfahren erhält, weitestgehend beibehalten soll.Of the The invention is therefore based on the object described at the outset To avoid disadvantages. It should above all be a process for production a cooling channel piston are given, with a in the internal combustion engine highly loadable cooling channel piston made of a steel material in one-piece design can be, wherein the piston blank by the execution of the procedure its advantageous qualities, which he by his Production in the forging process receives, as far as possible should maintain.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.These The object is solved by the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der umlaufende Kragen in einem ersten Schritt in Richtung des Anlagebereiches des Kolbenrohlings umgeformt wird, ohne dass er den Anlagebereich berührt, dass in einem zweiten Schritt die Bereiche des Kolbenrohlings und des Kragens, die in dem Anlagebereich zur Anlage kommen sollen, erwärmt werden und in einem weiteren Schritt der Kragen derart weiter verformt wird, dass er den Anlagebereich berührt. Gegebenenfalls kann alternativ oder ergänzend auch der Biegebereich des Kragens lokal erwärmt werden.According to the invention, the peripheral collar is shaped in a first step in the direction of the abutment region of the piston blank, without it touching the abutment region, that in a second step the regions of the piston blank and the collar which are to come into abutment in the abutment region, are heated and in a further step, the collar is further deformed such that it touches the investment area. Optionally, as an alternative or in addition, also the bending area of the collar are heated locally.
Durch
die zwei aufeinander folgenden Umformschritte, zwischen denen eine
lokale Erwärmung erfolgt, werden die folgenden Vorteile
erzielt:
Aufgrund der Herstellung des Kolbenrohlings aus einem
Stahlwerkstoff in einem Schmiedeverfahren wird zunächst
die an sich bekannte und sehr gute Grundfestigkeit des Kolbenrohlings
erzielt. Anschließend wird der Kragen in Richtung des Anlagebereiches umgeformt,
sodass dessen umlaufende Kante schon in die Nähe des Anlagebereiches
des Kolbenrohlings kommt, wobei durch diese Umformung die Festigkeit des
Kolbenrohlings nach wie vor beibehalten wird und der umlaufende
Rand des Kragens in eine solche Position in Bezug auf den Anlagebereich
des Kolbenrohlings gebracht wird, die es gestattet, von dort diejenigen
Bereiche des Kolberohlings und des Kragens, die in dem Anlagebereich
zur Anlage kommen sollen, und gegebenenfalls alternativ oder ergänzend
jetzt auch den Biegebereich des von dem Kolbenrohling abstehenden
Kragens lokal erwärmen zu können. Anschließend
erfolgt eine weitere Umformung des Kragens, die sich aufgrund der
lokalen Erwärmung dahingehend einfacher gestaltet, als
dass durch die partiell ausgeführte Warmumformung das Ziel
erreicht wird, dass der umlaufende Rand des Kragens an dem Anlagebereich
zur Anlage kommt und somit den verschlossenen Kühlkanal
bildet. Durch die lokale Erwärmung des Biegereiches des von
dem Kolbenrohling abstehenden Kragens läßt sich
dieser auch wesentlicher einfacher umformen, als es bei einer Kaltumformung
der Fall wäre. Durch dieses erfindungsgemäße
Verfahren wird somit sichergestellt, dass der Kolbenrohling und
damit auch der fertige spätere Kühlkanalkolben
seine Grundfestigkeit beibehält, gleichzeitig aber auch
der Kühlkanalkolben durch die Umformung des Kragens nicht nur
gebildet, sondern auch vollständig geschlossen wird.The following advantages are achieved by the two successive forming steps between which local heating takes place:
Due to the production of the piston blank made of a steel material in a forging process, the known per se and very good basic strength of the piston blank is first achieved. Subsequently, the collar is deformed in the direction of the contact area, so that its peripheral edge comes already in the vicinity of the contact area of the piston blank, whereby the strength of the piston blank is still maintained by this deformation and the peripheral edge of the collar in such a position with respect to the abutment region of the piston blank is brought, which allows it to locally locally heat those areas of the Kolberohlings and the collar, which should come to rest in the investment area, and optionally alternatively or additionally now also the bending region of the protruding from the piston blank collar. Subsequently, a further deformation of the collar, which is made simpler due to the local warming, than that achieved by the partially performed hot forming the goal that the peripheral edge of the collar comes to rest on the contact area and thus forms the sealed cooling channel. Due to the local heating of the bending region of the projecting from the piston blank collar this can also much easier reshape than would be the case with a cold forming. By this method according to the invention is thus ensured that the piston blank and thus the finished later cooling channel piston retains its basic strength, but at the same time not only the cooling channel piston formed by the deformation of the collar, but also completely closed.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erwärmung der Bereiche des Kolbenrohlings, die in dem Anlagebereich zur Anlage kommen sollen, auf ein solches Temperaturniveau erfolgt, das diese Bereiche aufschmelzen. Dass heißt, dass der umlaufende Kragenrand des Kragens nach seiner Umformung in Richtung des Anlagebereiches und der korrespondierende Anlagebereich des Kolbenrohlings aufgeschmolzen werden, sodass die beteiligten Bereiche nach der weiteren Umformung des Kragens in Richtung des Kolbenrohlings eine quasi-formschlüssige Verbindung eingehen. Dabei ist sicher zu stellen, dass die Aufschmelzung der beteiligten Teile so erfolgt, dass sie nicht vollständig schmelzen und damit Material verloren geht. Außerdem ist sicher zu stellen, dass nach dem Aufschmelzvorgang die weitere Umformung in einem solchen Zeitfenster erfolgt, dass nach dem weiteren Umformvorgang die aufgeschmolzenen Bereiche von Kragen und Kolbenrohling im Anlagebereich die quasi-formschlüssige Verbindung eingehen können. Für den Fall, dass die Zeitspanne zwischen Aufschmelzvorgang und weiterem Umformschritt zu groß ist und wieder zu einer zumindest teilweise, insbesondere vollständigen Erstarrung der aufgeschmolzenen Bereiche führen sollte, führt dies trotzdem zu einem sehr guten formschlüssigen Zustand, in dem der Rand des Kragens formschlüssig an den Kolbenrohling anliegt und den Kühlkanal dichtend verschließt.In Further development of the invention is provided that the heating the areas of the piston blank which are in the contact area to the plant should come to such a temperature level that this Melt areas. That means that the orbiting Collar edge of the collar after its transformation in the direction of the investment area and melted the corresponding contact area of the piston blank so that the involved areas after the further transformation the collar in the direction of the piston blank a quasi-positive Make contact. It is important to make sure that the meltdown The parts involved are done so that they are not complete melt and thus material is lost. Besides, it is safe to make that after the melting process, the further transformation in such a time window, that after the further forming process the melted areas of collar and piston blank in the investment area can enter the quasi-positive connection. In the event that the time between reflow process and further forming step is too large and again to a at least in part, especially complete solidification should lead to the melted areas leads this nevertheless to a very good form-fitting state, in which the edge of the collar form fit to the piston blank abuts and closes the cooling channel sealing.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die weitere Umformung des Kragens, die zur Anlage seiner Enden an den Kolbenrohling führt, unter Druck in Richtung des Kolbenrohlings erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere die noch aufgeschmolzenen Bereiche (teigige Bereiche) oder die aufgeschmolzenen und schon erstarrten Bereiche des Kragens und des Kolbenrohlings zuverlässig zur Anlage kommen, um den Kühlkanal dichtend zu verschließen.In Further development of the invention is provided that the further transformation of the collar, which leads to the plant of its ends to the piston blank under Pressure in the direction of the piston blank takes place. This has the advantage that in particular the still melted areas (doughy areas) or the melted and already solidified areas of the collar and the piston blank reliably come to rest sealing the cooling channel sealing.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lokale Erwärmung durch einen hochfrequenten Wechselstrom, durch ein elektromagnetisches Wechselfeld oder durch Wirbelströme erfolgt. Diese durch elektrische Energie erzeugten lokale Erwärmung hat den Vorteil, dass sie sehr gut steuerbar ist und auf die jeweiligen Geometrien des Kolbenrohlings, insbesondere der Dicke und Länge des umlaufenden Kragens, sowie auf das Material des Kolbenrohlings abgestimmt werden kann. Eine solche elektrische Energie kann beispielsweise mittels einer Induktionsspule, die koaxial über den Kolbenschaft des Kolbenrohlings in Richtung des Anlagebereiches bewegt wird, lokal gezielt eingebracht werden. Neben der Erzeugung der Erwärmung mittels elektrischer Energie sind aber auch andere Verfahren wie z. B. das Richten einer Gasflamme auf die aufzuschmelzenden Bereiche, denkbar.In Further development of the invention is provided that the local heating by a high-frequency alternating current, by an electromagnetic Alternating field or by eddy currents. This through electrical energy produced local heating has the Advantage that it is very well controllable and on the respective Geometries of the piston blank, in particular the thickness and length the circumferential collar, as well as on the material of the piston blank can be coordinated. Such electrical energy can, for example by means of an induction coil coaxial with the piston skirt the piston blank is moved in the direction of the contact area, be introduced locally targeted. In addition to the generation of warming By means of electrical energy but other methods such as z. B. directing a gas flame to the areas to be melted, conceivable.
Schließlich betrifft die Erfindung einen Kühlkanalkolben, der nach den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.After all the invention relates to a Kühlkanalkolben after has been prepared by the method described above.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens einer Brennkraftmaschine wird im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.The inventive method for producing a Kühlkanalkolbens an internal combustion engine is below described and explained with reference to the figures.
Das
erfindungsgemäße Verfahren ist schrittweise in
den
Der
Kolbenrohling
Ein
solcher Kolbenrohling
Der
nächste Schritt ist in
Die
lokale Erwärmung ist in
Die
Nach
Ausführung der Schritte, wie sie vorstehend beschrieben
und in den
Abschließend
sei noch darauf hingewiesen, dass in den
- 11
- Kolbenrohlingpiston blank
- 22
- Kolbenbodenpiston crown
- 33
- Kragencollar
- 44
- Kolbennabenpin bosses
- 55
- Anlagebereichplant area
- 66
- Kolbenschaftpiston shaft
- 77
- Absatzparagraph
- 88th
- Kolbenhubachsepiston stroke
- 99
- Freibereichoutdoor Space
- 1010
- Induktionsspuleinduction coil
- 1111
- KühlkanalkolbenCooling channel piston
- 1212
- Kühlkanalcooling channel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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