DE102011115048A1

DE102011115048A1 - Schmiedevorrichtung zur Herstellung eines Kolbenrohlings und Verfahren zur Herstellung des Kolbenrohlings unter Verwendung der Schmiedevorrichtung

Info

Publication number: DE102011115048A1
Application number: DE102011115048A
Authority: DE
Inventors: Roland Grunert; Jürgen Friedrich; Timo Seng; Armin Wenzel
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-04-11
Also published as: JP2014528357A; US20150020566A1; EP2763805A1; CN104039475B; WO2013050020A1; US9782823B2; JP5976118B2; CN104039475A; EP2763805B1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Schmiedevorrichtung (1) zur Herstellung eines Kolbenrohlings (28), mit einer Schmiedeform (7, 10, 11) mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen und der radialen Außenfläche des Kolbenrohlings (28) entsprechenden Ausnehmung, mit einem die Ausnehmung begrenzende Schmiedeboden (8), und mit einem Mittelstempel (14), der aus einem Dorn (21) mit einem daran angebrachte, konisch zulaufenden Ansatz (24) mit einer der Innenfläche des Kolbenrohlings entsprechenden Form besteht. Zur Formung der radial äußeren Flächen der Kastenwände (27, 27') und zur Formung einer radial außerhalb der Kastenwände (27, 27') in den Kolbenboden (29) angeordneten, umlaufende Kühltasche (20) weist die Schmiedevorrichtung (1) zwei Seitenbacken (10, 11) auf, die in der Schmiedevorrichtung (1) schräg zur Längsachse (3) der Schmiedevorrichtung (1) beweglich gelagert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmiedevorrichtung zur Herstellung eines Kolbenrohlings, der einen Kolbenboden und am Kolbenboden angebrachte Schaftelemente aufweist, die über Kastenwände miteinander verbunden sind, mit einer Schmiedeform mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen und der radialen Außenfläche des Kolbenrohlings entsprechenden, durchgehenden Ausnehmung, mit einem die eine Seite der Ausnehmung begrenzende Schmiedeboden, und mit einem Mittelstempel, der aus einem Dorn mit einem daran angebrachte, konisch zulaufenden Ansatz mit einer der Innenfläche des Kolbenrohlings entsprechenden Form besteht, und der über die andere Seite der Ausnehmung mit dem Ansatz voran in die Schmiedeform einführbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Schmieden eines Kolbenrohlings, der einen Kolbenboden, und am Kolbenboden angebrachte Schaftelemente aufweist, die über Kastenwände miteinander verbunden sind mit den folgenden Verfahrensschritten:

– Einbringen eines erhitzten Stauchlings, aus dem der Kolbenrohling geschmiedet werden soll, derart in eine im Wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung einer Schmiedevorrichtung, dass er auf einem auf der einen Seite der Ausnehmung angeordneten Schmiedeboden zu liegen kommt,
– Einführen eines Mittelstempels, der aus einem Dorn mit einem daran angebrachte, konisch zulaufenden Ansatz mit einer der Innenfläche des Kolbenrohlings entsprechenden Form besteht, mit dem Ansatz voran in die andere Seite der Ausnehmung, wobei der Ansatz auf den Stauchling einwirkt und sich dabei die Kastenwände und die damit verbundenen Schaftelemente ausbilden
– Herausziehen des Mittelstempels aus der Ausnehmung der Schmiedevorrichtung,
– Auswerfen des Kolbenrohlings.

Eine Schmiedevorrichtung zur Herstellung eines Kolbenrohlings und ein Verfahren zum Schmieden des Kolbenrohlings unter Verwendung der Schmiedevorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der Japanischen Anmeldeschrift JP 2000 005840 A bekannt. Nachteilig ist hierbei, dass die Schmiedeform aus zwei Hälften besteht, die nach Beendigung des Schmiedeprozesses in radialer Richtung auseinandergezogen werden, um den Kolbenrohling auswerfen zu können. Unter Verwendung der bekannten Schmiedeform ist es unmöglich, in die Oberseite des Stauchlings radial außerhalb der Kastenwände umlaufende Kühltaschen einzuformen, denn diese Kühltaschen würden das Auseinanderziehen der Schmiedeform in radialer Richtung verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schmiedevorrichtung derart zu gestalten, dass in die Oberseite des Stauchlings radial außerhalb der Kastenwände eine umlaufende Kühltasche einformbar ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schmieden des Kolbenrohlings unter Verwendung der Schmiedevorrichtung anzugeben, bei dem in die Oberseite des Stauchlings radial außerhalb der Kastenwände eine umlaufende Kühltasche eingeformt wird.
Gelöst werden diese Aufgaben zum einen dadurch, dass die Schmiedeform zur Formung der radial äußeren Flächen der Kastenwände und zur Formung einer radial außerhalb der Kastenwände in den Kolbenboden angeordneten, umlaufende Kühltasche zwei Seitenbacken aufweist, die in der Schmiedevorrichtung schräg zur Längsachse der Schmiedevorrichtung in durch schräg liegende Pfeile darstellbare Richtungen beweglich gelagert sind, wobei die schräg liegenden Pfeile mit der Längsachse der Schmiedevorrichtung einen spitzen Winkel einschließen.
Beim Schmieden des Kolbenrohlings unter Verwendung der Schmiedevorrichturig wird diese Aufgabe zum anderen durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst:

– Einformen einer umlaufenden Kühltasche in den Stauchling unter Verwendung zweier Seitenbacken, deren Innenflächen die Form der radialen Außenflächen der Kastenwände aufweisen, und die in der Schmiedevorrichtung schräg zur Längsachse der Schmiedevorrichtung in durch schräg liegende Pfeile darstellbare Richtungen beweglich gelagert sind, wobei die schräg liegenden Pfeile mit der Längsachse der Schmiedevorrichtung einen Winkel von α ≤ 25° einschließen und in Richtung des Schmiedebodens aufeinander zulaufen, indem die Seitenbacken auf den Stauchling gepresst werden,
– Herausziehen der Seitenbacken aus der Schmiedevorrichtung in zu den schräg liegenden Pfeilen entgegengesetzte Richtungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 Teile einer Schmiedevorrichtung in Ausgangsposition mit einem eingelegten Stauchling aus Aluminium, aus dem im Laufe des Schmiedeprozesses ein Kolbenrohling hergestellt wird,
2 bis 5 in der Schmiedevorrichtung ablaufende Prozessschritte zur Herstellung des Kolbens und
6 einen Schnitt durch den in der Schmiedevorrichtung hergestellten Kolben.
1 zeigt eine Schmiedevorrichtung 1 zum Pressschmieden, die einen Gesenkmantel 2 aufweist, der in Richtung der Längsachse 3 verschiebbar mit einer Gesenkplatte 4 verbunden ist. Mittig weist der Gesenkmantel 2 eine runde Öffnung 6 auf, in der eine Gesenkbuchse 7 angeordnet ist, deren Funktion darin besteht, einen Schmiedeboden 8 und einen Mittelstempel 14 zu führen. Außerdem wird über den Innendurchmesser der Gesenkbuchse 7 der Außendurchmesser des Kolbenrohlings 28 (6) festgelegt. Der Gesenkmantel 2, die Gesenkplatte 4 und die Gesenkbuchse 7 ergeben hierbei das Untergesenk 5.
Der sich im Inneren der Gesenkbuchse 7 befindliche Schmiedeboden 8 liegt auf einer Gesenkplatte 4 auf. Auf dem Schmiedeboden 8 lagert ein Stauchling 9, aus dem der Kolbenrohling 28 (6) hergestellt wird. Der Stauchling 9 besteht aus AlSi12CuMgNi oder aus AlSi12Cu3Ni2Mg und hat eine Temperatur von 480°C.
Die weiteren Teile der Schmiedevorrichtung 1, nämlich Seitenbacken 10 und 11 und Niederhalter 12 und 13, sind neben dem Mittelstempel 14 an einer in 1 nicht dargestellten Hydraulikvorrichtung befestigt. Während an der Hydraulikvorrichtung die Niederhalter 12, 13 und der Mittelstempel 14 in Richtung des parallel zur Längsachse 3 der Schmiedevorrichtung 1 liegenden Pfeiles 15 beweglich gelagert sind, sind die Seitenbacken 10 und 11 in Richtung der schräg liegenden Pfeile 16 und 17 beweglich gelagert, wobei die schräg liegenden Pfeile 16 und 17 mit der Längsachse 3 einen Winkel α = 20° einschließen und in Richtung des Untergesenks 5 aufeinander zulaufen. Die Seitenbacken 10, 11 und der Mittelstempel 14 bilden hierbei das Obergesenk 18, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel dreiteilig ausgebildet ist. Die Seitenbacken 10, 11, die Niederhalter 12, 13 und der Mittelstempel 14 sind symmetrisch zu Längsachse 3 der Schmiedevorrichtung 1 angeordnet.
Im Rahmen des Verfahrens zum Schmieden des Kolbenrohlings 28 werden zunächst die Seitenbacken 10 und 11 in Richtung der schräg liegenden Pfeile 16 und 17 (1) soweit nach unten bewegt, bis sie auf dem Gesenkmantel 2 aufliegen, wie es in 2 dargestellt ist.
Im Anschluss daran werden die Niederhalter 12 und 13 in Richtung des Pfeiles 15 nach unten auf die Seitenbacken 10 und 11 zu bewegt (2), bis sie auf den Seitenbacken 10 und 11 aufliegen, wie es in 3 dargestellt ist. Der Gesenkmantel 2 wird dann gemeinsam mit den Seitenbacken 10 und 11 und den Niederhaltern 12 und 13 in Richtung des parallel zur Längsachse 3 der Schmiedevorrichtung 1 liegenden Pfeiles 19 (2) auf die Gesenkplatte 4 zu bewegt, bis der Gesenkmantel 2 auf der Gesenkplatte 4 aufliegt, wie es in 3 dargestellt ist. Hierbei wird von den Seitenbacken 10 und 11 in den Stauchling 9 eine umlaufende Kühltasche 20 eingeformt, die in 6 gut zu erkennen ist.
Im folgenden Verfahrensschritt wird (3) der Mittelstempel 14 in Richtung des Pfeiles 15 auf die Schmiedevorrichtung 1 zu bewegt, wobei der Dorn 21 in die Öffnung 22 zwischen den Seitenbacken 10 und 11 einfährt und, wie es in 4 dargestellt ist, insoweit auf den Stauchling 9 einwirkt, dass hierbei zwischen dem Dorn 21 des Mittelstempels 14 und den Seitenbacken 10, 11 die Schaftelemente 23 und die Kastenwände 27, 27' ausgebildet werden (6).
Der Dorn 21 weist hierzu einen konisch nach unten zulaufenden Ansatz 24 auf, der gemeinsam mit den gleichermaßen nach unten konisch zulaufenden Innenwänden 25, 26 der Seitenbacken 10, 11 dafür sorgen, dass, wie es in 6 dargestellt ist, die Kastenwände 27, 27' des Kolbenrohlings 28 schräg stehen und zum Kolbenboden 29 des Kolbenrohlings 28 hin konisch zulaufen.
Die Außenfläche des Kolbenrohlings 28 wird von einer Schmiedeform geformt, die aus den Seitenbacken 10, 11 und der Gesenkbuchse 7 besteht. Die radial äußere, zylinderförmige Mantelfläche 30 des Kolbenbodens 29 wird hierbei von der Gesenkbuchse 7 geformt, während für die Formung der radial äußeren Flächen der Kastenwände 27, 27' und der umlaufenden Kühltasche 20 die Seitenbacken 10, 11 verantwortlich sind.
In 5 sind die Schritte beim Öffnen der Schmiedevorrichtung 1 nach Abschluss des Schmiedevorganges dargestellt:

1a: Der Mittelstempel 14 fährt nach oben.
2a: Die Niederhalter 12, 13 fahren nach oben.
3a: Der Gesenkmantel 2 fährt nach oben, wobei die Gesenkplatte 4 stehen bleibt.
4a: Die Seitenbacken 10, 11 werden relativ zum Kolbenrohling 28 schräg nach oben abgezogen.
5a: Der Kolbenrohling 28 wird ausgeworfen.

In 6 ist der im Rahmen des oben beschriebenen Schmiedeprozesses hergestellte Kolbenrohling 28 aus Aluminium dargestellt. Neben einer eingeschmiedeten, umlaufenden Kühltasche 20 weist der Kolbenrohling 28 in Richtung Kolbenboden 29 aufeinander zulaufende, schräge Kastenwände 27, 27' auf, die die Schaftelemente 23 miteinander verbinden, und die den Vorteil haben, dass ein aus dem Kolbenrohling 28 unter Anwendung spanender Fertigungsverfahren hergestellter Kolben sehr viel höher belastbar ist, als ein Kolben mit parallel liegenden Kastenwänden.
Bezugszeichenliste

1a, 2a, 3a, 4a, 5a: Schritte beim Öffnen der Schmiedevorrichtung 1
1: Schmiedevorrichtung
2: Gesenkmantel
3: Längsachse
4: Gedenkplatte
5: Untergesenk
6: Öffnung
7: Gesenkbuchse
8: Schmiedeboden
9: Stauchling
10, 11: Seitenbacken
12, 13: Niederhalter
14: Mittelstempel
15, 16,: schräg liegende Pfeile
17: Pfeil
18: Obergesenk
19: Pfeil
20: Kühltasche
21: Dorn des Mittelstempels 14
22: Öffnung zwischen den Seitenbacken 10, 11
23: Schaftelement
24: Ansatz des Dorns 21
25, 26: Innenwände der Seitenbacken 10, 11
27, 27': Kastenwand
28: Kolbenrohling
29: Kolbenboden
30: radial äußere Mantelfläche des Kolbenbodens 29

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000005840 A [0003]

Claims

Schmiedevorrichtung (1) zur Herstellung eines Kolbenrohlings (28), der einen Kolbenboden (29) und am Kolbenboden (29) angebrachte Schaftelemente (23) aufweist, die über Kastenwände (27, 27') miteinander verbunden sind, – mit einer Schmiedeform (7, 10, 11) mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen und der radialen Außenfläche des Kolbenrohlings (28) entsprechenden, durchgehenden Ausnehmung, – mit einem die eine Seite der Ausnehmung begrenzende Schmiedeboden (8), und – mit einem Mittelstempel (14), der aus einem Dorn (21) mit einem daran angebrachte, konisch zulaufenden Ansatz (24) mit einer der Innenfläche des Kolbenrohlings entsprechenden Form besteht, und der über die andere Seite der Ausnehmung mit dem Ansatz (24) voran in die Schmiedeform (7, 10, 11) einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiedeform (7, 10, 11) zur Formung der radial äußeren Flächen der Kastenwände (27, 27') und zur Formung einer radial außerhalb der Kastenwände (27, 27') in den Kolbenboden (29) angeordneten, umlaufende Kühltasche (20) zwei Seitenbacken (10, 11) aufweist, die in der Schmiedevorrichtung (1) schräg zur Längsachse (3) der Schmiedevorrichtung (1) in durch schräg liegende Pfeile (16, 17) darstellbare Richtungen beweglich gelagert sind, wobei die schräg liegenden Pfeile (16, 17) mit der Längsachse (3) der Schmiedevorrichtung (1) einen Winkel von α ≤ 25° einschließen und in Richtung des Schmiedebodens (8) aufeinander zulaufen.
Schmiedevorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiedeform (7, 10, 11) eine auf der einen Seite der Ausnehmung angeordnete, rohrförmigen Gesenkbuchse (7) zur Formung der radial äußeren Mantelfläche (30) des Kolbenbodens (29) aufweist,
Verfahren zum Schmieden eines Kolbenrohlings (28), der einen Kolbenboden (29), und am Kolbenboden (29) angebrachte Schaftelemente (23) aufweist, die über Kastenwände (27, 27') miteinander verbunden sind, unter Verwendung einer Schmiedevorrichtung (1) nach Anspruch 1 mit den folgenden Verfahrensschritten: – Einbringen eines erhitzten Stauchlings (9), aus dem der Kolbenrohling (28) geschmiedet werden soll, derart in eine im Wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung einer Schmiedevorrichtung (1), dass er auf einem auf der einen Seite der Ausnehmung angeordneten Schmiedeboden (8) zu liegen kommt, – Einformen einer umlaufenden Kühltasche (20) in den Stauchling (9) unter Verwendung zweier Seitenbacken (10, 11), deren Innenflächen die Form der radialen Außenflächen der Kastenwände (27, 27') aufweisen, und die in der Schmiedevorrichtung (1) schräg zur Längsachse (3) der Schmiedevorrichtung (1) in durch schräg liegende Pfeile (16, 17) darstellbare Richtungen beweglich gelagert sind, wobei die schräg liegenden Pfeile (16, 17) mit der Längsachse (3) der Schmiedevorrichtung (1) einen Winkel von α ≤ 25° einschließen und in Richtung des Schmiedebodens (8) aufeinander zulaufen, indem die Seitenbacken (10, 11) auf den Stauchling (9) gepresst werden, – Einführen eines Mittelstempels (14), der aus einem Dorn (21) mit einem daran angebrachte, konisch zulaufenden Ansatz (24) mit einer der Innenfläche des Kolbenrohlings entsprechenden Form besteht, mit dem Ansatz (24) voran in die andere Seite der Ausnehmung, wobei der Ansatz (24) auf den Stauchling (9) einwirkt und sich dabei die Kastenwände (27, 27') und die damit verbundenen Schaftelemente (23) ausbilden – Herausziehen des Mittelstempels (14) aus der Ausnehmung der Schmiedevorrichtung (1), – Herausziehen der Seitenbacken (10, 11) aus der Schmiedevorrichtung (1) in zu den schräg liegenden Pfeilen (16, 17) entgegengesetzte Richtungen, – Auswerfen des Kolbenrohlings (28).
Verfahren zum Schmieden eines Kolbenrohlings (28) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchling (9) aus einer Aluminiumlegierung besteht und auf eine Temperatur von 480°C erhitzt wird.
Verfahren zum Schmieden eines Kolbenrohlings (28) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Stauchling (9) die Legierung AlSi12CuMgNi gewählt wird.
Verfahren zum Schmieden eines Kolbenrohlings (28) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Stauchling (9) die Legierung AlSi12Cu3Ni2Mg gewählt wird.