DE102010020227A1

DE102010020227A1 - Verfahren zur Erzeugung einer beliebig gestalteten Geometrie an Kolben von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102010020227A1
Application number: DE102010020227A
Authority: DE
Inventors: Michael Albert Janssen
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: EP2569121A1; DE102010020227B4; US20130062218A1; US20150224589A1; WO2011141071A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines gebauten, flüssigkeitsgekühlten Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, der ein Kolbenoberteil (2) und ein Kolbenunterteil (7) umfasst, die über eine Fügeebene (10) abgestützt und stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Zur Herstellung einer Durchtrittsöffnung (12) oder einer Bohrung in dem Kolben (1) ist ein elektrochemisches Verfahren, das Elysieren vorgesehen. Mit diesem Verfahren erfolgt ein gezielter Materialabtrag nach der jeweiligen Fertigstellung des Kolbenoberteils (2), des Kolbenunterteils (7) oder des Kolbens (1) nach einem Zusammenfügen beider Kolbenbauteile. Das Elysieren ermöglicht die Schaffung einer beliebig geometrisch gestalteten Topographie mit zumindest einer Durchtrittsöffnung (12), einer Ausnehmung oder einer Öltasche in Kühlbereichen oder Nichtkühlbereichen an dem Kolben (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines einteiligen oder gebauten, flüssigkeitsgekühlten Kolbens einer Brennkraftmaschine, der ein Kolbenkolbenoberteil und ein Kolbenkolbenunterteil umfasst. Zur Herstellung einer Öffnung oder Bohrung des Kolbens wird als ein elektrochemisches Verfahren ein Elysieren eingesetzt, mit dem ein metallischer Werkstoff abgetragen werden kann.
Bei Kolben für Brennkraftmaschinen (einteilige gegossene oder geschmiedete Kolben oder mehrteilige gebaute Kolben, bei denen die Teile kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander lösbar oder unlösbar verbunden werden) wurden bisher zur Darstellung einer freigeformten Oberflächentopographie bekannte Urformverfahren wie Gießen und Schmieden eingesetzt. Damit verbunden sind im Fall des Gießens komplizierte Werkzeuge, insbesondere Gießkerne und im Fall des Schmiedens zu berücksichtigende Auszugsschrägen für das Schmiedewerkzeug. Diese Urformverfahren unterliegen auch dem Nachteil einer rauen Oberflächenstruktur. Die durch mechanische Bearbeitung von Flächen herzustellenden Geometrien an Fertigkolben erstrecken sich zurzeit auf rotationssymmetrische Maßnahmen wie Drehen und Bohren oder ebene Fräsoperationen. Unabhängig von den eingesetzten mechanischen Maßnahmen erfordern diese ein aufwändiges Entgraten.
Aus der DE 199 59 593 A1 ist es bekannt, zur Herstellung von Bohrungen alternativ zur mechanischen Bearbeitung ein ECM-Verfahren (Elektro Chemical Machining) einzusetzen, das auch als „Elysieren” bezeichnet wird. Das Grundprinzip des elektrochemischen Materialabtragens entspricht dem einer elektrolytischen Zelle, bei welchem ein System aus Werkstück-Elektrolyt-Werkzeug die elektrolytische Zelle bildet, in der bei Verwendung geeigneter Elektrolytlösungen die Anode aufgrund von Ladungsaustauschvorgängen in Lösung geht. Zwischen der Anode (Werkstück) und der Kathode (Werkzeug) strömt durch einen Bearbeitungsspalt die Elektrolytlösung, wobei an der Kathode Wasserstoffionen entladen werden. Die an der Anode entstehenden Metallionen reagieren mit entsprechenden Reaktionspartnern unter Bildung von Metallhydrooxidverbindungen, die vom strömenden Elektrolyten mitgenommen und wegtransportiert werden. Das Elysieren ist eine Umkehrung der Galvanisierung.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren bereitzustellen, mit dem an fertigen Kolbenbauteilen oder einem fertigen Kolben durch ein elektrochemisches Verfahren, dem Elysieren beliebig gestaltete Topographien erzeugt werden können.
Die Lösung der Problemstellung besteht in einem Elysier-Verfahren, das nach der jeweiligen Fertigstellung des Kolbenoberteils oder Kolbenunterteils oder nach einem Zusammenfügen dieser Kolbenbauteile oder nach Fertigstellung des einteiligen Kolbens angewandt wird. Vorteilhaft ermöglicht das Verfahren einen Materialabtrag an einem fertigen Kolben oder fertigen Kolbenbauteil zur Schaffung von beliebig geometrisch gestalteten Topographien ausgeführt als Ausnehmung, Durchtrittsöffnung, Bohrung, Öltasche, Kontur oder Fläche in oder an dem Kolben. Vorteilhaft erfolgt dieses Verfahren ohne mechanische Beschädigung der umliegenden Oberflächen der durch einen Giess- oder Schmiedeprozess hergestellten Bauteile. Ein weiterer Vorteil des eingesetzten Verfahrens ist der hohe Grad an Maßhaltigkeit und Oberflächenbeschaffenheit sowie ein endkonturgenauer Materialabtrag. Diese mit geringen Prozesszeiten umsetzbare elektrochemische Bearbeitung kann sowohl für Kühlbereiche als auch für Nichtkühlbereiche des Kolbens eingesetzt werden.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass in einem Arbeitsgang bei gleichzeitig hoher Maßgenauigkeit und hoher Oberflächengüte eine gute Reproduzierbarkeit erreicht wird, wobei sich kein Werkzeugverschleiß einstellt. Der kalte Materialabtrag des Elysierverfahrens verursacht außerdem keine thermische oder verformungsbedingte Gefügebeeinflussung. Weiterhin entstehen weder nennenswerte Bearbeitungskräfte noch Verspannungskräfte im Kolben bei gleichzeitig vollständig gradfreier Bearbeitung. Die überragenden Eigenschaften des auch als ECM-Verfahren (Electro Chemical Machining) bezeichneten Verfahrens sind eine große Gestaltungsfreiheit auch für komplexe Raumformen. Außerdem ermöglicht das Verfahren ein flexibles Design bei der Gestaltung von Maßnahmen, die zur Kühlmittelversorgung und/oder zur Kühlmittelbeaufschlagung des Kolbens vorgesehen sind, die ohne Gestaltfestigkeitverluste realisiert werden können, die bisher nicht oder nur eingeschränkt umsetzbar waren. Das eingesetzte Verfahren erfordert keinen zusätzlichen Entgratungsaufwand und daraus resultierend ergibt sich eine Reduzierung der Herstellkosten.
Durch die Erfindung können Kühlkanäle, Kühlräume oder Öltaschen mit lokalen Erweiterungen zur Kühlungsoptimierung des Kolbens hergestellt werden, wobei erstmals alle Übergänge verrundet sind. Bohrungen, Durchtritte oder Ausnehmungen zur Versorgung bzw. Ableitung von Kühlmittel können optional gekrümmt, unrund, oval, langlochförmig ausgeführt werden. Weiterhin kann sich der Querschnitt einer Öffnung oder Bohrung über deren Längserstreckung ändern. Durch den eingesetzten Prozess werden alle Kanten verrundet und somit wird die Gefährdung der Gestaltfestigkeit gegenüber der mechanischen Bearbeitung deutlich reduziert. Die dabei erzielbare Oberflächenstruktur begünstigt die Strömung eines Kühlmittels, so dass diese Bearbeitung vorteilhaft zur Schaffung von Durchtritten, Öffnungen oder Ausnehmungen einsetzbar ist, über die ein Schmier- oder Kühlmedium einströmt oder abgeführt wird. Ebenso sind Ölabführungstaschen mit freier Formgebung auf den Nutflanken einbringbar. Diese Taschen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge auf der Nutenflanke und hin zum Nutengrund vollständig verrundet sind. Bei Bedarf ist in die Formgebung der Zuntengrund mit einbezogen, so dass auch das Öl hinter dem Ring über die Tasche abgeführt werden kann. Des Weiteren können die Taschen als vollständiger Durchbruch durch den letzten Ringsteg ausgeführt sein. Ein weiteres Merkmal sind die Öltaschen mit freier Formgebung im Solobereich, sowie die Ölnuten im Bolzenbereich um eine optimale Schmierung des Bolzens zu gewährleisten.
Das ECM-Verfahren ermöglicht auch die Schaffung komplexer, dreidimensionaler Freiformflächen am Fertigkolben. Dadurch kann der Kolben bezüglich seiner Funktion speziellen Erfordernissen angepasst werden wie z. B. Optimierung der Kühlungsfunktion, Durchflussoptimierung des Kühlmediums, Gewichtsoptimierung. Dieses wird erreicht durch einen im Vergleich zu den alternativen Fertigungsmöglichkeiten kostengünstigeren und weniger eingeschränkten Prozess.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Anwendung des elektro-chemischen Abtragens ermöglicht vorteilhaft eine große Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Ausrichtung, dem Verlauf und der Größe von Freiformflächen, Ausnehmungen oder Konturen. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass keinerlei Einschränkung hinsichtlich der geometrischen Formgebung besteht. Es sind somit dreidimensional gestaltete, geradlinig oder gekrümmt verlaufende Konturen oder Durchtritte mit kreisförmigen oder unrunden Querschnittsprofilen und über ihre Länge variierendem Durchmesser realisierbar. Weiterhin ermöglicht das eingesetzte Verfahren auch die Schaffung von trompetenförmigen, nicht rotationssymmetrischen Bohrungen. Die realisierbare Formgebung wird von der Zustellrichtung der Arbeitskathode (Elektrode) bestimmt, die nach Fertigstellung der geschaffenen Topographie wieder in Gegenrichtung bewegt werden muss. Diese Zustellrichtung kann abhängig von der Elektrodenform, die durch die einzubringende Geometrie bestimmt ist, auch unregelmäßig sein oder kurvenartig verlaufen, wodurch vorteilhaft mit dem eingesetzten Verfahren auch Konturen mit Hinterschnitten herstellbar sind.
Eine Kolbenherstellung, bei der das Elysierverfahren eingesetzt wird zum gezielten Abtrag des Werkstoffs an oder in einem Kolben, erfolgt in folgenden Schritten. Zur Herstellung des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils des gebauten Kolbens oder eines einteiligen Kolbens wird bevorzugt als Urformverfahren ein Schmiede- oder Gießprozess eingesetzt. Anschließend nach Abschluss erforderlicher mechanischer Operationen erfolgt zur Fertigstellung eine Reinigung des Kolbenbauteils von Schmierstoffen und/oder Kühlschmiermitteln, die bei der mechanischen Bearbeitung eingesetzt werden, um zum Beispiel anhaftende Späne zu entfernen. Zur Finish- oder Endbearbeitung einzelner Flächen oder Schaffung von beliebig geometrisch gestalteten Ausnehmungen, Öffnungen oder Konturen wird das Elysierverfahren eingesetzt. Abschließend erfolgt beim gebauten Kolben das Zusammenfügen von Kolbenunterteil und Kolbenoberteil, die über eine Fügezone abgestützt und mittels einer Schweißung stoffschlüssig oder mittels einer Schraubverbindung Kraftschlüssig verbunden werden. Alternativ dazu bietet es sich an, mit dem Elysierverfahren beispielsweise eine Durchtrittsöffnung zwischen dem Kühlraum und einem Kühlkanal nach einem Zusammenfügen des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils, und folglich in dem Fertigteil einzubringen.
Das Elysier-Verfahren umfasst folgende Schritte. Zunächst erfolgt ein manuelles oder automatisiertes Einbringen des Kolbens oder des Kolbenbauteils in eine Vorrichtung, in der der Kolben kalibriert, auf eine Nulllage ausgerichtet und fixiert ist. Anschließend erfolgt ein Absenken und Ausrichten der Arbeitskathode auf den zu bearbeitenden Kolbenbereich. Die weiteren Verfahrensschritte sehen das Anlegen einer Spannung bzw. eines Stroms und das Einspülen oder Umspülen der Arbeitskathode mit einem Elektrolytmedium vor, wobei der angelegte Strom bzw. die angelegte Spannung zeitlich über den Prozessverlauf geregelt werden kann. Zur Finishbearbeitung wird die Arbeitskathode beispielsweise entlang einer stetig gekrümmten Zustelllinie an den Kolben oder das Kolbenbauteil zwecks Materialabtrags herangeführt, zur Darstellung der vorbestimmten Geometrie oder Topographie.
Ein besonderer Vorteil des eingesetzten Elysier-Verfahrens besteht darin, dass dieses für Kolbenbauteile oder den gesamten Kolben unabhängig von dem Herstellverfahren, Schmiede- oder Gießprozess und den verwendeten metallischen Werkstoffen einsetzbar ist. Folglich können Kolbenbauteile aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen oder Materialien bearbeitet werden, bei denen z. B. Aluminium und/oder Stahl das Hauptlegierungselement bilden bzw. ein Kolbenteil aus Stahl mit einem weiteren Kolbenteil aus Leichtmetall kombiniert ist.
Bevorzugt kann das elektro-chemische Verfahren zur Erzeugung von einfachen oder komplizierten Freiformflächen an Kolbenbauteilen eingesetzt werden. Ebenso bietet es sich an das Verfahren einzusetzen, um Ausnehmungen, Durchtrittsöffnungen oder Bohrungen zwischen einem Kühlraum und dem Kühlkanal im Kolbenoberteil oder im Kolbenunterteil einzubringen oder die Größe von Kühlräumen zu vergrößern bzw. zu optimieren. Weiterhin können durch Elysieren im Kühlraum oder im Bereich der Bolzenbohrung des Kolbenunterteils Ausnehmungen oder Öltaschen geschaffen werden. Das Elysieren kann außerdem eingesetzt werden für eine Nacharbeit oder eine Endbearbeitung von bereits in einem Kolbenteil eingebrachten Öffnungen, Bohrungen oder Konturen.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung, in der der Kolben fixiert und die Arbeitskathode in einer Halterung aufgenommen und verschiebbar geführt ist. Zwischen dem als Anode geschalteten Werkstück, dem Kolben und dem Werkzeug, der Arbeitskathode (Elektrode) ist ein Spalt zur Strömung einer Elektrolytlösung vorgesehen. Ein elektrochemisches Abtragen des Werkstoffs erfolgt nach Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. Stroms zwischen der Anode und der isolierten, der Formgebung, z. B. der zu schaffenden Ausnehmung angepassten Arbeitskathode. Mittels einer Zustelleinrichtung wird die Arbeitskathode während des Abtragungsprozesses kontinuierlich nachgeführt. Dazu ist die Arbeitskathode vorteilhaft so in einer Halterung eingesetzt, dass eine kontrollierte, dem Abtragungsprozess entsprechende Verstellung erfolgt. Ein Federmittel bewirkt dabei eine federkraftunterstützte Verschiebung der Arbeitskathode. Die Halterung schließt außerdem Öffnungen zum Eintritt und Austritt für die Elektrolytlösung ein. Der Arbeitskathode sind auf der zur Anode gewandten Stirnseite nichtleitende Abstandshalter zugeordnet. Alternativ zu dem Federmittel kann auch ein Linearantrieb oder ein numerisch gesteuerter Antrieb zum Einsatz kommen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese nicht beschränkt ist, sind nachfolgend beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kolbens in einer Schnittdarstellung mit einer erfindungsgemäß hergestellten Durchtrittsöffnung im Kolbenoberteil,
2: ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem erfindungsgemäßen Kühlkanal,
3: ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem gegenüber 2 alternativ gestalteten Kühlkanal,
4: ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem erfindungsgemäß gestalteten Kühlraum,
5: ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einer erfindungsgemäß hergestellten Durchtrittsöffnung im Kolbenunterteil,
5a: in einer Einzelteilzeichnung, die Arbeitskathode zur Schaffung der Durchtrittsöffnung gemäß 5,
5b: in einer weiteren Ansicht die Arbeitskathode gemäß 5a,
6: ein sechstes Ausführungsbeispiel mit einem erfindungsgemäßen Kühlkanal,
7: ein siebtes Ausführungsbeispiel mit zwei unterschiedlich ausgeführten Durchtrittsöffnungen.
Die 1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen als Kühlkanalkolben ausgebildeten gebauten Kolben 1, bestehend aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 7. Ein Kolbenoberteil 2 des Kolbens 1 wird von einem Kolbenboden 3 abgeschlossen, in dem zentrisch eine Brennraummulde 4 eingebracht ist. Außenseitig wird das Kolbenoberteil 2 von einem Feuersteg 5 sowie einem sich anschließenden Ringfeld 6 umschlossen. An das Kolbenoberteil 2 schließt sich das Kolbenunterteil 7 an, das einen Kolbenschaft 8 bildet, der zur Aufnahme eines in 1 nicht abgebildeten Kolbenbolzens bestimmte, diametral gegenüberliegende Bolzenbohrungen 9 umfasst. Die bevorzugt durch ein Gießverfahren oder durch einen Schmiedeprozess hergestellten Bauteile, das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 7, sind über eine Fügeebene 10 abgestützt und insbesondere mittels einer Schweißeng stoffschlüssig verbunden. Zur Kühlung des Kolbens 1 ist in dem Kolbenoberteil 2 ein radial umlaufender Kühlkanal 11 integriert, der vorzugsweise durch einen lösbaren Gießkern, insbesondere einen Salz- oder Sandkern, hergestellt ist. Zur Abdichtung eines äußeren umlaufenden Ringspaltes 24, der sich zwischen dem Ringfeld 6 und dem Kolbenunterteil 7 einstellt, ist ein aus einem temperaturbeständigen Blechwerkstoff hergestelltes Einlegeteil 25 eingesetzt. Im Betriebszustand wird der Kolben 1 von einem Kühlmittel, insbesondere dem Schmieröl der Brennkraftmaschine, über eine in 1 nicht abgebildete Spritzdüse beaufschlagt. Das Kühlmittel wird dazu in einen zentrischen Kühlraum 13 des Kolbens 1 eingespritzt und gelangt über zumindest eine Durchtrittsöffnung 12 in den Kühlkanal 11. Alternativ dazu kann das Kühlmittel unmittelbar von der Spritzdüse über eine nicht dargestellte Eintrittsöffnung in den Kühlkanal 11 eingespritzt werden. Der Austritt des Kühlmittels aus dem Kühlkanal 11 erfolgt über zumindest eine nicht abgebildete Austrittsöffnung. Durch eine entsprechende Formgebung und Einbaulage verläuft der Kühlkanal 11 zumindest bereichsweise in übereinstimmenden Abständen zu dem Ringfeld 6 und der Brennraummulde 4.
Vor einer Fertigstellung des Kolbens 1, dem Zusammenfügen von dem Kolbenoberteil 2 mit dem Kolbenunterteil 7, kann die gekrümmt verlaufende Durchtrittsöffnung 12 durch ein Elysierverfahren in das Kolbenunterteil 7 eingebracht werden. Dazu ist das Kolbenunterteil 7 in einer Vorrichtung 14 positioniert, die eine Halterung 15 umfasst, in der eine Arbeitskathode 16 verschiebbar geführt ist. Die außenseitig dem Verlauf der Durchtrittsöffnung 12 entsprechend bogenförmig ausgebildete Arbeitskathode 16 ist auf einer mit dem Krümmungsradius der Durchtrittsöffnung 12 übereinstimmend verlaufenden Zustelllinie 17 einstellbar. Zur gleichzeitigen Einbringung von mehreren Durchtrittsöffnungen 12 in das Kolbenunterteil 7 kann die Vorrichtung 14 mit mehreren entsprechend lagepositionierten Arbeitskathoden 16 ausgestattet werden.
Beschreibung des Elysierverfahrens: Im Betriebszustand ist das Werkzeug, die Arbeitskathode 16 der Vorrichtung 14 mit dem Minuspol und das Werkstück, der Kolben 1, mit dem Pluspol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Damit bildet der Kolben 1 die Anode und die Arbeitskathode 16 die Kathode. Durch die in der Vorrichtung 14 bzw. Halterung 15 geführte Arbeitskathode 16 strömt eine Elektrolytlösung, zum Beispiel NaCl-Lösung. Die Elektrolytlösung durchfließt die Arbeitskathode 16 und strömt in Vorschubrichtung durch einen Spalt 19 aus der Stirnseite 18 der Arbeitskathode 16 in Richtung der Durchtrittsöffnung 12 des Kolbens 2 nach außen. In Vorschubrichtung ist die Arbeitskathode 16 von einem Federmittel 20 beaufschlagt. Aufgrund der dissoziierenden Wirkung des Stroms in Verbindung mit der Elektrolytlösung kommt es zu einer Abtragung von kleinen Werkstoffteilchen, die mit der Elektrolytlösung durch den Spalt 19 aus der Durchtrittsöffnung 12 im Kolben 1 geführt werden. Die Formgebung der Arbeitskathode 16 ist dabei angepasst an den Verlauf sowie die geometrische Formgebung der durch das Elysieren gewünschten Ausnehmung in dem Kolben 1. Alternativ zu dem beschriebenen Verfahren bietet es sich an, das Elysierverfahren auch zu einer größeren lokalen Werkstoffabtragung einzusetzen.
Die 2 bis 7 zeigen alternative Ausführungsformen von erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben mit unterschiedlich ausgebildeten, durch Elysieren hergestellten Topographien. Dabei gilt, dass Einzelheiten und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu vorab beschriebenen Einzelheiten und Bereiche aufweisen, die gleichen Bezugziffern tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
2 zeigt in einem Halbschnitt den Kolben 1, bei dem in das Kolbenoberteil 2 nach dem Herstellungsprozess und vor dem Zusammenfügen mit dem Kolbenunterteil 7 lokale Öltaschen 21 durch das Elysierverfahren eingebracht sind. Die umfangsverteilt im Kühlkanal 11 angeordneten Öltaschen 21 bewirken eine Vergrößerung des Kühlkanals 11 in Richtung des Kolbenbodens 3. Hierzu bietet es sich an, eine oder mehrere Arbeitskathoden mittels einer Vorrichtung gradlinig in den Kühlkanal 11 einzuführen, zwecks Einbringung von konisch sich verjüngenden, endseitig gerundeten Öltaschen 21, die innerhalb des Kühlkanals 11 eine zahnähnliche Struktur bilden. Weiterhin umfasst das Kolbenoberteil 2 in der unteren zum Kolbenschaft 8 zeigenden Nutwandung 23 mehrere durch ein Elysierverfahren hergestellte Ölablaufbohrungen 22.
Der Kolben 1 gemäß 3 umfasst den Kühlkanal 11, der kolbenbodenseitig ein wellenlinig verlaufendes Profil 26 bildet, das z. B. abweichende Tiefen zwischen einem Maß „x” und „y” aufweist. Weiterhin umfasst der Kolben 1 im Bereich des alternativ zu 1 abgebildeten Kühlraums 13 zumindest eine durch eine Rippe 28 getrennte wannenförmig gestaltete Ausnehmung 27. Zur Darstellung des Profils 26 und der Ausnehmung 27, die vor dem Zusammenfügen in das Kolbenoberteil 2 eingebracht werden, wird ebenfalls ein Elysierverfahren eingesetzt.
Die 4 zeigt den Kolben 1 mit einer konisch sich verjüngenden und bogenförmig verlaufenden Durchtrittsöffnung 29 zwischen dem Kühlraum 13 und dem Kühlkanal 11 im Bereich des Kolbenoberteils 2. In der zur Brennraummulde 4 gerichteten Wandung des Kühlraums 13 sind von Rippen 30, 31 begrenzte Ausnehmungen 32 eingebracht. Weiterhin schließt das Kolbenunterteil 7 in Richtung der Bolzenbohrung 9 verlaufende Öltaschen 33a, 33b ein.
Gemäß 5 ist in dem Kolbenunterteil 7 eine von dem Kühlkanal 11 zum Kühlraum 13 ansteigend verlaufende Durchtrittsöffnung 34 vorgesehen. Die Zustelllinie 36 verdeutlicht die Zustellung der Arbeitskathode 35 zur Herstellung der Zuströmleitung 34. Die 5a, 5b zeigen die Arbeitskathode 35, die entsprechend dem Verlauf der geometrischen Formgebung der Durchtrittsöffnung 34 gestaltet ist. Die trompetenförmig gestaltete Arbeitskathode 35 bildet ein stehend oval ausgerichtetes Querschnittsprofil, das sich von einem größten Durchmesser „x” zu einem Kleinstdurchmesser „y” verjüngt. Entsprechend stehen die umhüllenden Randkurven der Arbeitskathode 35 in einer Beziehung, wonach A₁ ≤ A₂ ≤ A₃ ausgelegt ist.
Eine weitere Anwendung des Elysierverfahrens zur Schaffung von gezielten Ausnehmungen im Kolben 1 zeigt die 6. Danach ist der Kühlkanal 11 mit bogenförmig in Richtung des Kolbenbodens 3 verlaufenden, zueinander versetzt angeordneten Öltaschen 37 versehen. Die zur Schaffung der Öltasche 37 eingesetzte Arbeitskathode 38 wird auf einer entsprechend bogenförmig verlaufenden Zustelllinie 39 geführt. Das Kolbenunterteil 7 des Kolbens 1 schließt weiterhin durch ein Elysierverfahren eingebrachte wannenförmige Ausnehmungen 40 ein, die durch eine Rippe 41 getrennt sind.
Die 7 zeigt Öffnungen und Bohrungen, die nach dem Zusammenfügen vom Kolbenoberteil 2 und Kolbenunterteil 7 durch ein Elysierverfahren am fertigen Kolben 1 hergestellt werden. Zwischen einem Kolbeninnenraum 42 und dem Kühlkanal 11 ist zum einen eine bogenförmig und konisch verlaufende Durchtrittsöffnung 43 vorgesehen. Die gegenüberliegend zur Durchtrittsöffnung 43 eingebrachte Durchtrittsöffnung 44 zeigt eine alternative Gestaltung. Der Verlauf dieser Durchtrittsöffnungen 43, 44 erfolgt unter Beachtung einer möglichen Zustellung der eingesetzten Arbeitskathoden, die durch die zugehörigen bogenförmig verlaufenden Zustelllinien 45, 46 gekennzeichnet sind. Außerdem sind an dem fertigen Kolben 1 im Bereich des Ringfeldes 6 die Ölablaufbohrungen 22 in der Nutwandung 23 durch das Elysierverfahren eingebracht.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Kolbenoberteil
3: Kolbenboden
4: Brennraummulde
5: Feuersteg
6: Ringfeld
7: Kolbenunterteil
8: Kolbenschaft
9: Bolzenbohrung
10: Fügeebene
11: Kühlkanal
12: Durchtrittsöffnung
13: Kühlraum
14: Vorrichtung
15: Halterung
16: Arbeitskathode
17: Zustelllinie
18: Stirnseite
19: Spalt
20: Federmittel
21: Öltasche
22: Ölablaufbohrung
23: Nutwandung
24: Ringspalt
25: Einlegeteil
26: Profil
27: Ausnehmung
28: Rippe
29: Durchtrittsöffnung
30: Rippe
31: Rippe
32: Ausnehmung
33a: Öltasche
33b: Öltasche
34: Durchtrittsöffnung
35: Arbeitskathode
36: Zustelllinie
37: Öltasche
38: Arbeitskathode
39: Zustelllinie
40: Ausnehmung
41: Rippe
42: Kolbeninnenraum
43: Durchtrittsöffnung
44: Durchtrittsöffnung
45: Zustelllinie
46: Zustelllinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19959593 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines einteiligen oder eines gebauten, flüssigkeitsgekühlten Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, der ein Kolbenoberteil (2) und ein Kolbenunterteil (7) umfasst, wobei zur Herstellung einer Durchtrittsöffnung (12) oder Bohrung des Kolbens (1) ein elektrochemisches Verfahren, ein Elysieren vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach der jeweiligen Fertigstellung des Kolbenoberteils (2), des Kolbenunterteils (7) oder des Kolbens (1) ein gezielter Materialabtrag durch Elysieren erfolgt, zur Schaffung von einer beliebig geometrisch gestalteten Topographie ausgeführt als Durchtrittsöffnung (12, 29, 34, 43, 44), Ölablaufbohrung (22), Ausnehmung (27, 32, 40) oder Öltasche (21, 33a, 33b, 37) in Kühlbereichen oder Nichtkühlbereichen in oder an dem Kolben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzprozess, das Elysieren, die Schaffung von beliebig gestalteten Freiformflächen oder Konturen mit zumindest einer Durchtrittsöffnung (12, 29, 34, 43, 44), Ölablaufbohrung (22), Ausnehmung (27, 32, 40) oder einer Öltasche (21, 33a, 33b, 37) mit dreidimensionaler Formgebung mit und ohne Hinterschnitt ermöglicht.
Verfahren zum Materialabtrag von lokalen Bereichen des Kolbens (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung in folgenden Schritten erfolgt: – Herstellen eines Kolbenunterteils (2) und Kolbenoberteils (7) des Kolbens (1) durch ein Urformverfahren wie ein Schmiede- oder Gießprozess, – Fertigstellung des Kolbenunterteils (7) und des Kolbenoberteils (2) durch mechanische Operationen, – Reinigung der Kolbenbauteile von Kühlschmiermittel und/oder Schmierstoffen und anhaftenden Spänen, – Endbearbeitung durch Elysieren zur Schaffung von beliebig geometrisch gestalteten Flächen oder Konturen wie Durchtrittsöffnung (12, 29, 34, 43, 44), Ölablaufbohrung (22), Ausnehmung (27, 32, 40) oder Öltasche (21, 33a, 33b, 37), – Zusammenfügen des Kolbenunterteils (7) und des Kolbenoberteils (2) mittels einer stoffschlüssigen Verbindung.
Verfahren zum Materialabtrag von lokalen Bereichen des Kolbens (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elysieren folgende Schritte umfasst: – manuelles oder automatisiertes Einbringen des Kolbens (1) oder eines Kolbenbauteils in eine Vorrichtung (14) und Ausrichten auf eine Nulllage und Spannen des Kolbens (1) oder des Kolbenbauteils, – Einstellung und Kalibrierung zumindest einer in einer Halterung (15) der Vorrichtung (14) geführten Arbeitskathode (16), – Absenken und Ausrichten der Arbeitskathode (16) auf dem zu bearbeitenden Kolbenbereich, – Anlegen einer Spannung bzw. eine Stroms und Einspülen oder Umspülen der Arbeitskathode (16) mit einem Elektrolytmedium, wobei der angelegte Strom bzw. die angelegte Spannung zeitlich über den Prozessverlauf geregelt werden kann, – Finishbearbeitung, indem die Arbeitskathode (16) auf einer Zustelllinie (17, 36, 39, 45, 46) geführt, einen Materialabtrag vornimmt, wobei die Formgebung der Arbeitskathode (16) an die zu schaffende Kontur angepasst ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenbauteile aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen und das Elysieren unabhängig vom Werkstoff und vom Herstellungsverfahren des Kolbenunterteils (7) und des Kolbenoberteils (2) wie Schmieden oder Gießen eingesetzt werden kann.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenoberteil (2) oder im Kolbenunterteil (7) zumindest eine Durchtrittsöffnung (12, 29, 34, 43, 44) zwischen einem Kühlraum (13) oder Kolbeninnenraum (42) und dem Kühlkanal (11) durch das Elysieren eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur lokalen Vergrößerung des Kühlkanals (11) brennraummuldenseitig Öltaschen (21, 37) eingebracht sind, die ein zahnprofilähnliches oder ein wellenförmiges Profil (26) bilden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Elysieren in dem Kühlraum (13) brennraummuldenseitig durch Stege (30, 31) getrennte Ausnehmungen (32) eingebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Bolzenbohrung (9) des Kolbenunterteils (7) zumindest eine Öltasche (33a, 33b) oder eine Ausnehmung (40) eingebracht ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Kolben (1) bestehende Durchtrittsöffnung (12, 29, 34, 43, 44), Ölablaufbohrung (22), Ausnehmung (27, 32, 40), Öltasche (21, 33a, 33b, 37), Öffnung, Bohrung oder Ausnehmung durch das Elysieren nachgearbeitet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) an der Vorrichtung (14) fixiert ist, in der die Arbeitskathode (16) in einer Halterung (15) aufgenommen und verschiebbar geführt ist und zwischen dem als Anode geschalteten Werkstück, dem Kolben (1) und dem Werkzeug, der Arbeitskathode (16) oder Elektrode ein Spalt (19) zur Strömung einer Elektrolytlösung vorgesehen ist und eine Zustelleinrichtung die Arbeitskathode (16) dem Abtragungsprozess entsprechend kontinuierlich verstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskathode (16) in der Halterung (15) kontrolliert, dem Abtragungsprozess entsprechend verstellbar ist, wobei ein Federmittel (20) eine federkraftunterstützte Verschiebung der Arbeitskathode (16) bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halterung (15) Öffnungen zum Eintritt und Austritt für die Elektrolytlösung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zur Anode, dem Kolben (1) zugewandten Stirnseite der Arbeitskathode (16) nichtleitende Abstandshalter angeordnet sind.