DE102009059658A1

DE102009059658A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie mittels dieses Verfahrens herstellbarer Kolben

Info

Publication number: DE102009059658A1
Application number: DE102009059658A
Authority: DE
Inventors: Klaus 73547 Keller
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-12-19
Filing date: 2009-12-19
Publication date: 2011-06-22
Also published as: US20140202001A1; EP2513462A1; WO2011072656A1; CN102844556A; BR112012015161A2; KR20120125606A; US20130000590A1; US9021695B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) aus einem Kolbenoberteil (11, 111, 211) und einem Kolbenunterteil (15). Hierbei wird ein band- oder plattenförmiges Halbzeug (22) aus einem metallischen Werkstoff bereitgestellt, aus dem ein ringförmiges Kolbenoberteil (11, 111, 211) oder ein ringförmiger Rohling (25) ausgestanzt wird, der zu einem Kolbenoberteil (11, 111, 211) fertig bearbeitet wird, wobei das Kolbenoberteil (11, 111, 211) mit einem Kolbenunterteil (15) zu einem Kolben (10) verbunden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einen mittels dieses Verfahrens herstellbaren Kolben.
Die DE 103 11 149 A1 offenbart einen Kolben aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, die mittels einer minimalen Anzahl von Schweißpunkten fixiert und durch anschließendes Schmieden miteinander verbunden werden. Derartige Kolben zeichnen sich dadurch aus, dass das Kolbenoberteil aus einem besonders temperaturbeständigen und widerstandsfähigen Werkstoff hergestellt wird, um einer Verzunderung insbesondere im Bereich der Verbrennungsmulde vorzubeugen. Die Herstellung eines derartigen Kolbens ist jedoch aufwändig und mit erheblichen Kosten verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, das mit möglichst geringem Aufwand und verringerten Kosten realisierbar ist.
Eine erste erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass ein band- oder plattenförmiges Halbzeug aus einem metallischen Werkstoff bereitgestellt wird, dass ein ringförmiger Rohling aus dem Halbzeug ausgestanzt und anschließend zu einem Kolbenoberteil fertig bearbeitet wird und dass das fertige Kolbenoberteil mit einem Kolbenunterteil zu einem Kolben verbunden wird.
Eine zweite erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass ein band- oder plattenförmiges Halbzeug aus einem metallischen Werkstoff bereitgestellt wird, dass mindestens eine Fläche des band- oder plattenförmigen Halbzeugs fertig bearbeitet wird, dass ein ringförmiges Kolbenoberteil aus dem Halbzeug ausgestanzt und schließlich mit einem Kolbenunterteil zu einem Kolben verbunden wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein mit diesen Verfahren herstellbarer Kolben.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein besonders einfaches, mit wenigen Herstellungsschritten realisierbares und damit kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Kolbens bereitgestellt wird. Insbesondere kann ein Kolbenoberteil bereitgestellt werden, dass auf besonders einfache Weise aus einem beliebigen geeigneten Werkstoff erhältlich ist. Damit ist es bspw. möglich, einen Kolben mit einem besonders widerstandsfähigen und temperaturbeständigen Kolbenoberteil auf einfache und kostengünstige Weise bereitzustellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise wird ein Halbzeug aus einem Stahlwerkstoff verwendet, so dass der fertige Kolben den Anforderungen im Motorbetrieb in optimaler Weise genügt. Insbesondere ist ein warm- oder kaltgewalzter Stahlwerkstoff besonders gut geeignet.
Für den Fall, dass aus dem Halbzeug ein Rohling ausgestanzt wird, wird dieser vorzugsweise entlang mindestens einer Fläche plan bearbeitet, bspw. durch Drehen oder Schleifen. Die plan bearbeitete Fläche bildet dann im fertigen Kolben den Kolbenboden.
Für den Fall, dass aus dem Halbzeug ein fertiges Kolbenoberteil ausgestanzt wird, wird vorzugsweise mindestens eine Fläche des Halbzeugs vor dem Ausstanzen plan bearbeitet. Die plan bearbeitete Fläche bildet dann im fertigen Kolben den Kolbenboden. Das Kolbenoberteil kann selbstverständlich nach dem Ausstanzen nach Bedarf fertig bearbeitet werden.
Je nach den Anforderungen des Einzelfalls können Halbzeuge mit einer Dicke von bis zu 15 mm verwendet werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass beim Ausstanzen mittels entsprechender Formgebung des Stanzwerkzeugs eine umlaufende untere Ausnehmung in den Rohling bzw. in das Kolbenoberteil und/oder mindestens eine umlaufende seitliche Ausnehmung in den Rohling bzw. das Kolbenoberteil eingearbeitet wird. Die untere Ausnehmung bildet im fertigen Kolben zumindest einen Teil eines Kühlkanals. Eine äußere Ausnehmung bildet bspw. einen Teil einer Ringnut. Eine innere Ausnehmung kann bspw. einen Teil einer Verbrennungsmulde bilden.
Das fertige Kolbenoberteil kann bspw. durch Schweißen oder Löten mit einem Kolbenunterteil zu einem fertigen Kolben verbunden werden. Der Kolben kann selbstverständlich anschließend nach Bedarf fertig bearbeitet werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 eine Draufsicht auf ein bandförmiges Halbzeug zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbenoberteils im Schnitt;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbenoberteils im Schnitt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens 10. Da die Erfindung für alle Kolbentypen und Kolbenmaterialien anwendbar ist, wird im Folgenden beispielhaft nur ein Kolbentyp zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung herangezogen.
Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel ein zweiteiliger geschweißter Kastenkolbens auf, dessen Aufbau an sich bekannt ist. Der Kolben 10 weist ein Kolbenoberteil 11 mit einem umlaufenden Feuersteg 12 auf. Das Kolbenoberteil 11 bildet einen Kolbenboden 11a sowie einen Teil einer Verbrennungsmulde 13 und weist unterhalb des Feuerstegs 12 eine Kolbenringnut 14 auf. Der Kolben 10 weist ferner ein Kolbenunterteil 15 mit zwei Kolbenringnuten 16, 17 sowie mit gegenüber den Kolbenringnuten 14, 16, 17 zurückgesetzten Kolbennaben 18 auf. Die Kolbennaben 18 sind mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 15 bilden zusammen einen umlaufenden Kühlkanal 21.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbzeugs 22, hier eines bandförmigen Halbzeugs, zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren. Das Halbzeug 22 besteht bspw. aus einem 10 mm dicken, warm- oder kaltgewalzten Stahlwerkstoff vom Typ 42CrMo4. Mit 23, 24 sind die Schnittlinien bezeichnet, entlang derer gemäß der vorliegenden Erfindung ein ringförmiger Rohling bzw. ein ringförmiges Kolbenoberteil ausgestanzt werden.
Für den Fall, dass das Halbzeug 22 ohne weitere Bearbeitung verwendet wird, wird ein ringförmiger Rohling 25 ausgestanzt. Der Rohling 25 wird entlang mindestens einer Fläche plan bearbeitet, bspw. durch Schleifen oder Drehen. Diese Fläche bildet im fertigen Kolben 10 den Kolbenboden 11a des Kolbenoberteils 11. Anschließend wird das fertige Kolbenoberteil 11 mit einem Kolbenunterteil 15 zu einem Kolben 10 verbunden, bspw. durch Löten oder Schweißen, wie Reibschweißen, Elektrodenschweißen oder Laserschweißen. Der Kolben 10 kann selbstverständlich anschließend nach Bedarf fertig bearbeitet werden.
Das Halbzeug 22 kann jedoch vor dem Ausstanzen weiter bearbeitet werden, indem mindestens eine seiner Flächen 26 plan bearbeitet wird, bspw. durch Schleifen oder Drehen. Anschließend wird ein ringförmiges Kolbenoberteil 11 ausgestanzt. Die plan bearbeitete Fläche 26 bildet im fertigen Kolben 10 den Kolbenboden 11a des Kolbenoberteils 11 bildet. Anschließend wird das fertige Kolbenoberteil 11 wie oben beschrieben mit einem Kolbenunterteil 15 zu einem Kolben 10 verbunden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines aus einem Halbzeug 22 ausgestanzten ringförmigen Kolbenoberteils 111. Das Kolbenoberteil 111 weist eine umlaufende untere Ausnehmung 127 auf, die im fertigen Kolben einen Teil eines umlaufenden Kühlkanals bildet, vgl. den Kühlkanal 21 in 1. Die Ausnehmung 127 wird gebildet, indem in an sich bekannter Weise das Stanzwerkzeug mit einer entsprechenden Prägeform versehen wird. Somit wird die Ausnehmung 127 gleichzeitig mit dem Stanzvorgang ausgebildet. Die zentrale Öffnung 113 des ringförmigen Kolbenoberteils 111 bildet im fertigen Kolben einen Teil einer Verbrennungsmulde, vgl. die Verbrennungsmulde 13 in 1. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für die Herstellung eines Rohlings aus dem Halbzeug 22.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines aus einem Halbzeug 22 ausgestanzten ringförmigen Kolbenoberteils 211. Das Kolbenoberteil 211 weist ebenfalls eine umlaufende untere Ausnehmung 227 auf, die im fertigen Kolben einen Teil eines umlaufenden Kühlkanals bildet, vgl. den Kühlkanal 21 in 1. Das Kolbenoberteil 211 weist ferner eine umlaufende äußere Ausnehmung 228 auf, die im fertigen Kolben einen Teil einer Kolbenringnut bildet, vgl. die Kolbenringnut 14 in 1. Die Ausnehmungen 227 und 228 werden gebildet, indem in an sich bekannter Weise das Stanzwerkzeug mit entsprechenden Prägeformen versehen wird. Somit werden die Ausnehmung 227 und 228 gleichzeitig mit dem Stanzvorgang ausgebildet. Die zentrale Öffnung 213 des ringförmigen Kolbenoberteils 211 bildet im fertigen Kolben einen Teil einer Verbrennungsmulde, vgl. die Verbrennungsmulde 13 in 1. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für die Herstellung eines Rohlings aus dem Halbzeug 22.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10311149 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen eines band- oder plattenförmigen Halbzeugs (22) aus einem metallischen Werkstoff, (b) Ausstanzen eines ringförmigen Rohlings (25) aus dem Halbzeug (22), (c) Fertigbearbeiten des Rohlings (25) zu einem Kolbenoberteil (11, 111, 211), (d) Verbinden des Kolbenoberteils (11, 111, 211) mit einem Kolbenunterteil (15) zu einem Kolben (10).
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen eines band- oder plattenförmigen Halbzeugs (22) aus einem metallischen Werkstoff, (b) Fertigbearbeiten mindestens einer Fläche (26) des band- oder plattenförmigen Halbzeugs (22), (c) Ausstanzen eines ringförmigen Kolbenoberteils (11, 111, 211) aus dem Halbzeug (22), (d) Verbinden des Kolbenoberteils (11, 111, 211) mit einem Kolbenunterteil (15) zu einem Kolben (10).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbzeug (22) aus einem Stahlwerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbzeug (22) aus einem warm- oder kaltgewalzten Stahlwerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (25) in Schritt (c) entlang mindestens einer Fläche plan bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) mindestens eine Fläche (26) des Halbzeugs (22) plan bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (c) das Kolbenoberteil (11, 111, 211) fertig bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbzeug (22) mit einer Dicke von bis zu 15 mm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausstanzen eine umlaufende untere Ausnehmung (127, 227) in den Rohling (25) bzw. in das Kolbenoberteil (11, 111, 211) eingearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausstanzen mindestens eine umlaufende seitliche Ausnehmung (228) in den Rohling (25) bzw. das Kolbenoberteil (11, 111, 211) eingearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine umlaufende seitliche Ausnehmung (228) am äußeren oder inneren Umfang des Rohlings (25) bzw. des Kolbenoberteils (11, 111, 211) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11, 111, 211) und das Kolbenunterteil (15) durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden.
Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, herstellbar mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2.