DE102011075300A1

DE102011075300A1 - Verfahren zur Herstellung einers Kolbens

Info

Publication number: DE102011075300A1
Application number: DE102011075300A
Authority: DE
Inventors: Sascha-Oliver Boczek
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-11-08
Also published as: US20120279390A1; DE102011075300A8; US9364923B2; US20150060526A1; US9108274B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kolbenoberteil (2) und einem Kolbenunterteil (3) zusammengesetzten Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, bei dem das Kolbenoberteil (2) über eine Kontaktfläche (4) mit dem Kolbenunterteil (3) verschweißt und dadurch ein dazwischen begrenzter Kühlkanal (5) ausgebildet wird. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zur Herstellung oder zum Freihalten einer Einlassöffnung (6) und/oder einer Auslassöffnung (7) des Kühlkanals (5) während oder unmittelbar nach dem Verschweißen des Kolbenoberteils (2) mit dem Kolbenunterteil (3) zumindest ein Dorn (8) vom Kolbenunterteil (3) aus im Kühlkanal (5) gehalten oder in diesen eingeschoben und nach dem Schweißvorgang wieder herausgezogen wird, so dass eine beim Schweißvorgang entstehende Schweißwulst (9) einen Querschnitt der Einlassöffnung (6) und/oder der Auslassöffnung (7) nicht verengt. Hierdurch lässt sich der Kolben (1) vergleichsweise kostengünstig herstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzten Kolbens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach einem derartigen Verfahren hergestellten Kolben sowie eine Spann-/Schweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Aus der DE 10 2008 034 430 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzten Kolbens einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem das Kolbenoberteil über eine Kontaktfläche mit dem Kolbenunterteil verschweißt und dadurch ein dazwischen gelegener Kühlkanal ausgebildet wird. Zur Einleitung eines Kühlmittels in den Kühlkanal wird in einer Eintrittsöffnung ein in das Kolbenunterteil eingesetztes und aus einem Kühlkanalboden hervorstehendes Strömungsrohr angeordnet, dessen Öffnung oberhalb von Schweißwülsten der Reibschweißverbindung angeordnet ist. In dieser Einbaulage wird das Strömungsrohr im Bereich der Kontaktgeometrie beidseitig partiell von den während der Reibschweißverbindung entstehenden Schweißwülsten lagefixiert. Das eingesetzte Strömungsrohr verbleibt nach Herstellung der Reibschweißverbindung im Kolben und sichert einen uneingeschränkten Querschnitt im Bereich der Eintrittsöffnung.
Nachteilig aus dem Stand der Technik ist, dass das zum Freihalten der Eintrittsöffnung zunächst das in das Kolbenunterteil einsetzbare Strömungsrohr montiert und justiert werden muss, wodurch ein nicht zu unterschätzender Montageaufwand entsteht. Zugleich fordert das Strömungsrohr, welches in gleicher Weise selbstverständlich auch in einer Austrittsöffnung des Kühlkanals positioniert werden kann, einen nicht zu unterschätzenden Lager- und Logistikaufwand.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere eine einfachere und kostengünstigere Herstellung eines aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzten Kolbens ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zum Freihalten einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung eines durch ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil begrenzten Kühlkanals eines Kolbens nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein im Kolben verbleibendes Strömungsrohr vorzusehen, sondern einen Dorn, der während oder unmittelbar nach dem Verschweißen des Kolbenoberteils mit dem Kolbenunterteil von letzterem aus im Kühlkanal gehalten oder in diesen eingeschoben und nach Abschluss des Schweißvorganges wieder aus diesem herausgezogen wird, so dass eine beim Schweißvorgang entstehende Schweißwulst einen Querschnitt der Einlassöffnung und/oder der Auslassöffnung nicht verengt. Der Dorn ist dabei erfindungsgemäß entweder fest mit einem das Kolbenunterteil haltenden Spannbacken verbunden oder verstellbar an diesem gelagert, so dass nach Abschluss des Schweißvorgangs der Dorn auf alle Fälle wieder aus der Einlassöffnung bzw. der Auslassöffnung herausgezogen wird und dadurch ausschließlich die Öffnung selbst im Kolben verbleibt. Der Kolben ist dabei in bekannter Weise aus einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil zusammengesetzt, wobei das Kolbenoberteil über eine Kontaktfläche mit dem Kolbenunterteil verschweißt, insbesondere reibverschweißt ist, und dadurch ein dazwischen begrenzter Kühlkanal ausgebildet werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere die vor dem eigentlichen Schweißvorgang erforderliche Montage eines Strömungsrohres im Kolbenunterteil entfallen, wodurch sich der Montageaufwand reduziert und sich dadurch der Kolben kostengünstiger herstellen lässt. Durch den Wegfall des bisher erforderlichen Strömungsrohres entfallen auch die Kosten hierfür, insbesondere Herstellungs-, Lager- und Logistikkosten, was den erfindungsgemäßen Kolben im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kolben ebenfalls verbilligt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist der zumindest eine Dorn fest mit einem das Kolbenunterteil während des Schweißvorgangs haltenden ersten Spannbacken verbunden und kann ausschließlich zusammen mit diesem bewegt werden. Das Kolbenunterteil wird bei dieser speziellen Ausführungsform im ersten Spannbacken eingespannt, wobei der zumindest eine Dorn bereits durch die Einlass- und/oder Auslassöffnung hindurch in den Kühlkanal hineinragt. Das Hineinragen des zumindest einen Dorns in den Kühlkanal reicht dabei zumindest bis zur Höhe der bei der Reibschweißverbindung entstehenden Schweißwülste. Im zweiten Spannbacken wird nun das Kolbenoberteil eingespannt, wobei der erste und der zweite Spannbacken Teil einer Spann-/Schweißvorrichtung sind. Nun beginnt der eigentliche Reibschweißprozess, bei dem die beiden Spannbacken gegeneinander gedrückt und verdreht werden. Die sich nach innen in den Kühlkanal dabei ausbreitenden Schweißwülste werden von den zumindest einem Dorn in ihrem weiteren Ausbreitungsprozess gebremst und aufgrund der Geometrie des zumindest einen Dorns an die Wände des Kühlkanals gedrückt. Nach Beendigung des Reibschweißprozesses öffnet die Spann-/Schweißvorrichtung, indem die beiden Spannbacken auseinanderfahren, woraufhin der geschweißte Kolben entnommen werden kann. Beim Entnehmen des Kolbens wird dabei der fest mit dem ersten Spannbacken der Spannvorrichtung verbundene Dorn aus der Einlass- und/oder der Auslassöffnung herausgezogen, ohne dass sich dabei deren Querschnitt verringert.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist der zumindest eine Dorn verstellbar am ersten Spannbacken der Spann-/Schweißvorrichtung angeordnet und zudem hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch und unabhängig vom ersten Spannbacken verstellbar. Hierzu ist am ersten Spannbacken eine, vorzugsweise hydraulische, Stelleinrichtung zum Verstellen des zumindest einen Dorns vorgesehen. Das Verfahren beginnt dabei wiederum damit, dass das Kolbenunterteil in den ersten Spannbacken und das Kolbenoberteil in den zugehörigen zweiten Spannbacken der Spann /Schweißvorrichtung eingespannt werden. Nun beginnt der Reibschweißprozess, bei dem das Kolbenoberteil über seine Kontaktfläche gegen das Kolbenunterteil gedrückt und dabei verdreht wird. Nach dem Drehstopp sind die jeweiligen Reibschweißbereiche an der Kontaktfläche noch so heiß, dass sie verformbar sind, woraufhin der zumindest eine Dorn mittels der Stelleinrichtung ausgefahren wird und dabei die Schweißwülste im Bereich der Einlass- und/oder Auslassöffnung beiseite drückt. Danach fährt der Dorn zurück in seine Ausgangsstellung in den ersten Spannbacken, woraufhin die Spann /Schweißvorrichtung geöffnet und der geschweißte Kolben entnommen werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform kann auf einfache und kostengünstige Weise gewährleistet werden, dass ein Querschnitt der Einlass-/Auslassöffnung freigehalten wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, verjüngt sich der zumindest eine Dorn zu seinem freien Ende hin und schafft dadurch insbesondere einen konischen Freihaltequerschnitt. Der sich verjüngende Dorn schafft dabei jedoch nicht nur einen konischen Freihaltequerschnitt, sondern erleichtert aufgrund seiner Form auch ein Abnehmen des Kolbenunterteils vom ersten Spannbacken bzw. ein Zurückfahren des Dorns mittels der Stelleinrichtung. Selbstverständlich sind auch andere Formen des Dorns denkbar. Darüber hinaus ist auch eine spezielle Materialauswahl für den Dorn oder eine Beschichtung desselben denkbar, die insbesondere das Wegdrücken der Schweißwülste und/oder das Herausziehen des Dorns begünstigen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 einen erfindungsgemäßen aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzten Kolben mit zugehörigen ersten Spannbacken einer Spann-/Schweißvorrichtung,
2 eine Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform des ersten Spannbackens mit aufgesetztem Kolben,
3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform des ersten Spannbackens.
Entsprechend der 1, wird ein erfindungsgemäßer Kolben 1 aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 3 zusammengesetzt, die über eine Kontaktfläche 4 miteinander verschweißt, insbesondere über eine Reibschweißverbindung, miteinander verbunden sind. Wie man dabei insbesondere auch den 2 und 3 entnehmen kann, wird durch das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 3 ein dazwischenliegender Kühlkanal 5 ausgebildet bzw. begrenzt. Zur Herstellung oder zum Freihalten zumindest einer Einlassöffnung 6 und/oder einer Auslassöffnung 7 des Kühlkanals 5 während oder unmittelbar nach dem Verschweißen des Kolbenoberteils 2 mit dem Kolbenunterteil 3 wird zumindest ein Dorn 8 vom Kolbenunterteil 3 aus im Kühlkanal 5 gehalten oder in diesen eingeschoben und nach dem Schweißvorgang wieder herausgezogen, so dass eine beim Schweißvorgang entstehende Schweißwulst 9 einen Querschnitt der Einlassöffnung 6 und/oder der Auslassöffnung 7 nicht einschränkt, das heißt nicht verengt.
Prinzipiell können dabei zwei unterschiedliche Verfahren angewendet werden, bei welchen zwei unterschiedliche erste Spannbacken 10, 10’, über die das Kolbenunterteil 3 während dem Herstellen der Reibschweißverbindung gehalten wird, verwendet werden. Bei der ersten Variante des Spannbackens 10 ist der Dorn 8 fest mit dem ersten Spannbacken 10 verbunden und kann daher ausschließlich zusammen mit dem ersten Spannbacken 10 verbunden werden (vgl. auch 2). Bei der zweiten Variante des ersten Spannbackens 10’ ist der zumindest eine Dorn 8 hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch verstellbar und kann dadurch unabhängig von dem ersten Spannbacken 10’ bewegt werden (vgl. 3).
Der erste Spannbacken 10, 10’ ist dabei Teil einer im Übrigen nicht gezeigten, erfindungsgemäßen Spann-/Schweißvorrichtung, die zusätzlich einen zweiten Spannbacken zum Halten des Kolbenoberteils 2 aufweist, wobei die beiden Spannbacken gegeneinander drückbar und in diesem Zustand zur Herstellung der Reibschweißverbindung gegeneinander verdrehbar sind.
Das Fertigen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 erfolgt dabei gemäß der ersten Verfahrensvariante wie folgt:
Zunächst wird das Kolbenunterteil 3 im ersten Spannbacken 10 eingespannt, wogegen das Kolbenoberteil 2 im nicht gezeigten und gegenüberliegenden zweiten Spannbacken der Spann-/Schweißvorrichtung eingespannt wird. Beim Aufspannen des Kolbenunterteils 3 auf den ersten Spannbacken 10 wird der integral mit dem ersten Spannbacken 10 ausgebildete Dorn 8 bereits durch die Einlass- oder Auslassöffnung 6, 7 hindurchgeführt. Anschließend erfolgt ein aufeinander zufahren und ein gegeneinander unter Druck ausgeübtes Verdrehen der beiden Kolbenteile 2, 3, woraufhin sich diese in ihrer Kontaktfläche 4 derart stark erwärmen, dass dort eine Reibschweißverbindung entsteht. Die dabei entstehenden Schweißwülste 9 werden von dem Dorn 8 in ihrer Ausbreitung in den Kühlkanal 5 hinein und insbesondere auch in einen Querschnitt der Einlassöffnung 6 bzw. der Auslassöffnung 7 gebremst und aufgrund der Geometrie des Dorns 8 an die Wände des Kühlkanals 5 gedrückt. Nach Beendigung des Reibschweißprozesses öffnet die erfindungsgemäße Spann /Schweißvorrichtung, indem die beiden Spannbacken auseinander gezogen werden. Beim sich daran anschließenden Abziehen des Kolbenunterteils 3 vom ersten Spannbacken 10 wird der zumindest eine Dorn 8 aus der Einlassöffnung 6 bzw. aus der Auslassöffnung 7 herausgezogen.
Das Fertigen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 erfolgt dabei gemäß der zweiten Verfahrensvariante wie folgt:
Zunächst werden das Kolbenunterteil 3 auf dem ersten Spannbacken 10’ und das Kolbenoberteil 2 auf dem gegenüberliegenden und nicht gezeigten zweiten Spannbacken aufgespannt. Anschließend erfolgt die Herstellung der Reibschweißverbindung an der Kontaktfläche 4 in gewohnter Weise. Nach Beendigung der Reibschweißverbindung sind die Reibschweißbereiche im Bereich der Kontaktfläche noch so heiß, dass sie verformbar sind. In diesem Moment fährt nun der hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch verstellbare Dorn 8 mit gezeigter Geometrie aus und schiebt die sich beim Reibschweißvorgang gebildeten Schweißwülste 9 zumindest im Bereich der Einlassöffnung 6 und/oder Auslassöffnung 7 beiseite. Anschließend wird der Dorn 8 in seine Ausgangsstellung zurückverfahren, woraufhin die Spann-/Schweißvorrichtung öffnet und das Kolbenunterteil 3 vom ersten Spannbacken 10’ entnommen werden kann.
Generell kann sich dabei der zumindest eine Dorn 8 zu seinem freien Ende hin verjüngen, wodurch insbesondere ein Wegdrücken der Schweißwülste 9 bei einem verfahrbaren Dorn 8 erleichtert wird, ebenso wie ein Herausziehen desselben am Ende des erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses. Selbstverständlich können dabei mehrere Dorne 8 am ersten Spannbacken 10, 10’ vorgesehen werden, insbesondere wenn das Kolbenunterteil 3 über mehrere Einlassöffnungen 6 und/oder Auslassöffnungen 7 verfügt. Für den Dorn 8 selbst können dabei unterschiedlichste Materialien, wie Metall oder Keramik, zum Einsatz kommen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Spann-/Schweißvorrichtung kann insbesondere der Querschnitt der zumindest einen Einlassöffnung 6 und/oder der zumindest einen Auslassöffnung 7 am Kolbenunterteil 3 freigehalten werden, ohne dass hierfür separate Strömungsrohre vorgehalten und eingebaut werden müssten. Hierdurch vereinfacht sich der Herstellungsprozess nicht nur, sondern er verbilligt sich zudem.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008034430 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines aus einem Kolbenoberteil (2) und einem Kolbenunterteil (3) zusammengesetzten Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, bei dem das Kolbenoberteil (2) über eine Kontaktfläche (4) mit dem Kolbenunterteil (3) verschweißt und dadurch ein dazwischen begrenzter Kühlkanal (5) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung oder zum Freihalten einer Einlassöffnung (6) und/oder einer Auslassöffnung (7) des Kühlkanals (5) während oder unmittelbar nach dem Verschweißen des Kolbenoberteils (2) mit dem Kolbenunterteil (3) zumindest ein Dorn (8) vom Kolbenunterteil (3) aus im Kühlkanal (5) gehalten oder in diesen eingeschoben und nach dem Schweißvorgang wieder herausgezogen wird, so dass eine beim Schweißvorgang entstehende Schweißwulst (9) einen Querschnitt der Einlassöffnung (6) und/oder der Auslassöffnung (7) nicht verengt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Dorn (8) fest mit einem das Kolbenunterteil (3) während des Schweißvorgangs haltenden ersten Spannbacken (10) verbunden ist und ausschließlich zusammen mit dem ersten Spannbacken (10) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Dorn (8) hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch verstellt wird und unabhängig von einem Spannbacken (10’) bewegbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (2) mit dem Kolbenunterteil (3) über eine Reibschweißverbindung verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Verschweißen des Kolbenoberteils (2) mit dem Kolbenunterteil (3) entstehende Schweißwulst (9) durch den zumindest einen Dorn (8) an die Wände des Kühlkanals (5) gedrückt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zumindest eine Dorn (8) zu seinem freien End hin verjüngt und dadurch einen konischen Freihaltequerschnitt schafft.
Kolben (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Spann-/Schweißvorrichtung mit einem ersten Spannbacken (10, 10’) zum Halten eines Kolbenunterteils (3) und einem gegenüberliegenden zweiten Spannbacken zum Halten eines Kolbenoberteils (2), wobei der erste Spannbacken (10, 10’) und der zweite Spannbacken gegeneinander drückbar und in diesem Zustand zur Herstellung einer Reibschweißverbindung gegeneinander verdrehbar, wobei am ersten Spannbacken (10, 10’) zumindest ein Dorn (8) vorgesehen ist, der zur Herstellung oder zum Freihalten einer Einlassöffnung (6) und/oder einer Auslassöffnung (7) des Kühlkanals (5) während oder unmittelbar nach dem Verschweißen des Kolbenoberteils (2) mit dem Kolbenunterteil (3) vom Kolbenunterteil (3) aus im Kühlkanal (5) gehalten ist oder mittels einer Stelleinrichtung in diesen eingeschoben und nach dem Schweißvorgang entfernbar ist, so dass eine beim Schweißvorgang entstehende Schweißwulst (9) einen Querschnitt der Einlassöffnung (6) und/oder der Auslassöffnung (7) nicht verengt.
Spann-/Schweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Dorn (8) fest mit einem das Kolbenunterteil (3) während des Schweißvorgangs haltenden ersten Spannbacken (10) verbunden ist.
Spann-/Schweißvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Dorn (8) mittels einer Stelleinrichtung hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch und unabhängig von einem ersten Spannbacken (10’ bewegbar ist.