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Die Erfindung betrifft ein umgeformtes buchsenartiges Teil, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Buchsenartige Umformteile, wie Lagerbuchsen, Pumpenstempel, Hydraulikkolben, Kolbenhemden von Kolben für Verbrennungsmotoren, werden häufig als Schmiedeteile aus schmiedefähigen Nichteisenmetallen, wie Bronzen, Messing, Leichtmetall-Legierungen, aber auch den verschiedensten Eisenlegierungen, hergestellt. Rohlinge werden zumindest teilweise – meist warm – unter Verfestigung der geschmiedeten Bereiche umgeformt – bspw. geschmiedet. Derartige Buchsen sind für verschiedenste Anwendungen gebrächlich, sodass die Erfindung keineswegs auf die Herstellung von geschmiedeten Stahlbuchsen eingeschränkt ist, obwohl sie nachfolgend anhand von Buchsen, die sich insbesondere für Kolben für Verbrennungsmaschinen eignen, näher erläutert wird.
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Unter Buchse wird in diesem Zusammenhang ein hohles, im Querschnitt im wesentlichen ringförmiges Bauteil mit einem geschlossenen, kreisförmigen Ende verstanden.
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Bisher werden Metall-Buchsen allgemein mit gleichmässiger Wandstärke aus Vollmaterial gebohrt oder umgeformt – bspw. geschmiedet. Dabei haben viele geschmiedete oder auch durch Innenhochdruckumform-Verfahren oder Rundkneten erhaltene Buchsen den Vorteil der Kaltverfestigung des Materials.
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Üblicherweise wird dabei ein Vollmaterial-Rohling in eine oder mehrere Gravuren von Formen – bspw. Schmiedegesenken – eingebracht (bspw. Vorgravur und Fertiggravur), um auch hohe Umformgrade von grösser 6 und mehr abhängig vom Material verwirklichen zu können. Beim Rundkneten wird über einen Dorn geknetet, welcher die Innenform stabil hält. Allerdings muss nach dem Rundkneten ein Formschritt, wie ein Kalibrierschritt in einer Schmiedeform, stattfinden, um Formtreue zu erhalten.
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Da bspw. Kolben für Hydraulikpumpen oder Verbrennungsmotoren einen hohen Umformgrad erfordern, wird zur Füllung der Gravurteile auch häufig mit Gratpolster gearbeitet. Dadurch werden die langen Fließwege des zu schmiedenden Materials gleichmäßig auf die Umformstufen verteilt.
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In Anbetracht der generell ständig steigenden Anforderungen an leichte Bauteile und/oder solche mit geringem Materialverbrauch ist es Aufgabe der Erfindung, Buchsen für die o. g. Einsatzgebiete zu schaffen, die leichter sind und weniger Material verwenden.
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Die Aufgabe wird durch eine Buchse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine Vorrichtung dafür.
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Dadurch, dass die Wandstärke durch einen Umformvorgang, wie Schmieden, zwischen Buchsenboden und Buchsenöffnung bei unveränderter innerer Weite reduziert wird, kann eine erhebliche Materialersparnis erzielt werden.
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Diese Teile haben, falls sie als Kolben in Motoren laufen, noch dazu eine verringerte Reibung gegen die Laufbuchse bzw. die Zylinderbohrung, da eine geringere Kontakt-Aussenwandfläche – bspw. an einer Zylinderbohrung – anliegt. Somit kann eine Verbrauchsverringerung erzielt werden. Da sie eine geringere Wärmekapazität haben, als bekannte Teile, wird weniger Wärme aufgenommen, die dissipiert werden muss. Dies ist insbesondere bei Gleitlagerbuchsen vorteilhaft.
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Die Gewichtsersparnis, die durch diese Ausführungsform erzielt wird, ist besonders beim Einsatz der Buchsen in mobilen Anwendungen (Grossmotoren, Fahrzeuge, Kraftfahrzeuge aller Art) wichtig und aus Umweltgründen erstrebenswert. Sie ermöglicht aber auch eine bessere Beschleunigung der Kolben selbst, falls sie Teile von Motorkolben sind. Durch die Schmiedeverfestigung im verringerten Wandbereich kann dennoch eine gute und ausreichende mechanische Belastbarkeit der Buchsenwände für die meisten Anwendungszwecke erzielt werden. Die erfindungsgemässe Form kann aber auch durch andere Umform-Verfahren, welche eine Verfestigung im Wandbereich der Buchse sicherstellen, erzielt werden, wie durch IHU oder Rundkneten über einen Dorn.
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Erfindungsgemäss wird also ein umgeformtes buchsenartiges Teil, das: einen Boden (10); eine an den Boden anschliessende, damit einstückige Wand (30) mit einem Wandabschnitt verringerten Aussendurchmessers (30) und einen Öffnungsabschnitt (20), wobei die Wand (30) kaltverfestigt ist und einen zur Aussenkontur im wesentlichen parallelen Faserverlauf aufweist, geschaffen. Durch die Umformverfestigung ist es möglich, geringe Wandstärken zu realisieren trotz zufriedenstellender mechanischer und thermischer Belastbarkeit der Wände. Insbesonder werden dadurch auch Verbrauchseinsparungen bei in Motoren laufenden Kolben jeglicher Art erzielt, da eine stark verringerte Reibungsfläche gegen die Laufbuchsenwand vorliegt und weniger Reibungsenergie zu überwinden ist. Vorteilhafterweise weist das buchsenartige Teil eine Knetlegierung auf – es kann aber auch aus mehreren Schichten bestehen – bspw. kann das Innere des Teils aus einem anderen Material bestehen (bspw. einem Gleitlagermetall), als das Äussere des buchsenartigen Teils, wobei beide Schichten dann gemeinsam umgeformt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Knetlegierung ausgewählt aus Titan-, Aluminium-, Magnesium-, Eisen-, Bronze-, Messinglegierungen. Bei Motorkolben hat sich bspw. ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 42CrMo4, ausscheidungshärtenden Stählen, hoch chromhaltigen Stählen bewährt, es werden aber auch Aluminiumlegierungen etc. eingesetzt
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Ein häufiger Einsatz erfindungsgemässer buchsenartiger Teile ist als Kolbenunterteil eines Verbrennungsmotors oder Lagerbuchse. Bei Lagerbuchsen kommt zum Tragen, dass diese die meiste Belastung eine Lagerbuchse im Bodenbereich der Buchse sowie im Öffnungsbereich stattfindet – die dazwischenliegende Wand ist geringer belastet und muss daher meist nicht die gleiche mechanische Belastbarkeit aufweisen.
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Es ist auch möglich, dass ein mehrschichtiges Material gemeinsam umgeformt und so die Materialschichten verbunden sind. Typischerweise kann so eine härtere Aussenbuchse mit einer Lagermetall-Innenwand hergestellt werden. Dabei können bspw. zwei buchsenartige Rohlinge ineinander angeordnet und sodann gemeinsam zur Endform geschmiedet werden. Die beiden Materialien können bereits durch Löten, Schweissen oder auch mechanisch miteinander verbunden sein, sodass der gelötete Verbund sodann zur Endform umgeformt wird. Auf diese Art und Weise kann eine Innenschicht mit besseren Lagereigenschaften gebildet werden, wodurch das aufwendige Giessen von Lagermetall oder Spritzbeschichten vermieden werden kann.
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Bei einer Anwendung der Erfindung als Motorkolben für Verbrennungsmotoren jeglicher Art kann eine Hemdlänge zwischen 40 mm und 200 mm; bevorzugt 60–85 mm und eine Wandstärke zwischen 3 mm und 12 mm, wobei im Bereich reduzierter Dicke eine Wandstärke zwischen 3–5 mm eingestellt ist, mit Stahl als Schmiedewerkstoff, erzielt werden.
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Ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung einer Buchse reduziert die Dicke der Buchsenwände zumindest partielle durch ein quer einwirkendes Umformwerkzeug in einem vorherbestimmten Bereich umformend, während der Innendurchmesser durch eine Abstützung konstant gehalten wird.
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Dabei wird die Buchse in einem Schmiedewerkzeug in üblicher Weise geschmiedet, welches quer zur Hauptschmiederichtung betätigbare Werkzeuge aufweist.
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Eine Ausführungsform einer Anlage zur Herstellung eines erfindungsgemässen buchsenartigen Bauteils besitzt ein Kolbenschmiedegesenk mit einer geteilten Kolbenunterteilgravur, welches quer zur Hauptgesenkachse betätigbare Querkalibrierwerkzeuge aufweist.
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Bspw. kann eine Vorrichtung zum einstufigen Schmieden von buchsenartigen Verbrennungsmotor-Kolbenunterteilen eine Form zum Schmieden einer Vorform zu einem fertigen Buchsen-Schmiedeteil in einem einzigen Schmiedeschritt mit:
- – einen oberen Formdorn C,
- – einen äusseren Formring A mit einem quer zu den Formdornen verlaufenden Querwerkzeugen D;
- – einen unteren Formdorn B
- – eine Ausstosseinrichtung mit:
- – einem unteren Ausstosser H zum Ausstoss durch den unteren Formdorn B
- – einem oberen Ausstosser G zum Ausstoss durch den oberen Formdorn C; und
- – einem Spannfuss E zur Abstützung des unteren Formdorns B, durch den der untere Ausstosser H betätigbar ist,
wobei die Formdorne C und B sowie das Querwerkzeug D beim Schmieden in den Formring A mit darin befindlichem Vorpressling einfahren können und so denselben schmiedeumformen und durch die durch die Formdorne C und B betätigbaren Ausstosser G, H das Schmiedeteil anschliessend entformbar ist, umfassen.
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Heute ist es aus verschiedensten Gründen erwünscht, minimale Kolben-Wandstärken bei möglichst großer Kolbenhemdlänge zu erzielen. Dies führt zu geringerem Gewicht, besserem thermischen Ausdehnungsverhalten und langer Führung in der Laufbuchse. Diese erwünschte geringe Wandstärke ist bei möglichst grosser Kolbenhemdlänge nur durch eine sehr tiefe Gravur zu erzielen und ist nur über ein weiteres Bearbeitungsaufmaß realisierbar.
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Ein derartiges Vorgehen ist dann energieaufwendig, wenn mehrere – mindestens zwei Schmiedestationen vorgesehen werden. Wegen der Abkühlung der Schmiedeteile zwischen den Stationen mußten Maßnahmen zur Verhinderung derselben getroffen werden, die zusätzlichen Handhabungsaufwand fordern.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, in wenigen Umformschritten, bevorzugt einem Schmiedeschritt, buchsenartige Teile geringer Wandstärke und Gewichts, mit langer Buchsenwand bei gutem Formfüllvermögen und grosser Werkzeugstandzeit aus Vormaterial zu erzielen.
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Die Temperaturführung ist beim Umformen warmer Teile ein wesentliches Anliegen. Es ist wichtig, dass die Temperatur des warm umgeformten Teils schnell und möglichst gleichmässig im Werkzeug abgeführt wird, damit Kaltverfestigung der neuen Form eintritt und Verzug des Teils durch unkontrollierte Temperaturspannungen während des Abkühlens ausserhalb der Form vermieden wird. Dazu kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, den inneren Formdorn B, der aufgrund der Tatsache, dass er viel Material aufweist und im Inneren des Werkzeugs angeordnet ist, thermisch zu langsamerer Abkühlung als die anderen Werkzeugbestandteile neigt, zu kühlen. Zu diesem Zweck können Kühlkanäle für Kühlfluid, wie Flüssigkeiten oder Gase, vorgesehen werden. Je nach den Grössenverhältnissen der eingesetzten Form und der Wärmekapazität der Materialien ist eine derartige Kühlung sinnvoll. Es ist auch möglich, dieses Problem durch Auswahl eines anderen Materials des Formdorns zu lösen, das eine andere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Formdorn, der aufgrund seiner grossen Wärmeleitfähigkeit schnell Wärme ableitet, durch Kühlung von Spannfuß E und/oder des unteren Ausstoßers H indirekt über Wärmeableitung abzukühlen. Derartige Kühleinrichtungen können aber auch in anderen Teilen der Form vorgesehen werden.
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Eine Besonderheit der Erfindung liegt im Zusammenspiel der Anhebe- und Auszugseinheit. Dadurch, dass in der Gravur des oberen Formdorns C ein negativer Auszugskonus Alpha vorgesehen ist, wird das Schmiedeteil sicher aus dem Werkzeug gehoben. Ein Zurückgleiten des Schmiederohlings in die Schmiedform verhindert der untere Ausstosser H, der durch den Spannfuss E betätigbar ist. Durch das Zusammenwirken des oberen und unteren Ausstossers lassen sich tiefe Auswerfermarken und Formverzüge durch einseitige Krafteinwirkung vermeiden.
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Es ist zum besseren Wärmemanagement insbesondere bei grösseren Schmiedeteilen bevorzugt, dass der untere Formdorn und das darauf befindliche Schmiedeteil nach dem Umformen vor Öffnen derselben gekühlt wird.
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Durch den erfindungsgemäss ermöglichten ununterbrochenen und gleichmässig schnellen Materialfluss wird eine gleichmässige und bis in kleinste Radien ausgefüllte Form und damit ein sehr maßhaltiges Schmiedeteil erzeugt. So werden Schmiedefehler vermieden und viele Nacharbeiten vermieden.
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Bevorzugt wird vor dem Einlegen der Vorform mindestens eine Forminnenwand mit Schmier/Trennmittel beschichtet, wodurch der Materialfluss befördert und das Herausnehmen des Schmiedeteils vereinfacht wird.
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Ein typisches erfindungsgemäßes buchsenartiges Schmiedeteil, z. B. aus 42CRMo4, ausscheidungshärtenden Stählen, hoch chromhaltigen Stählen, das sich insbesondere als Motorkolben für Verbrennungsmotoren eignet, weist eine Hemdlänge zwischen 60 mm und 160 mm und eine Wandstärke zwischen 3 mm und 12 mm auf.
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Obige und weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich für den Fachmann anhand der beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen, auf welche die Erfindung aber keinesfalls eingeschränkt sein soll. Darin zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform erfindungsgemässen buchsenartigen umgeformten Buchse,
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2 einen Längsschnitt durch die Ausführungsform der 1 mit reduziertem Wandbereich;
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2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Buchse;
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4 schematisch den Faserverlauf in der umgeformten Buchse,
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5 eine Schmiedeform zur Herstellung einer erfindungsgemäss hergestellten buchsenartigen Kolbenteils
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6 ein erfindungsgemäss hergestelltes Kolbenunterteil mit teilweise reduzierter Kolbenhemddicke.
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In 1 ist ein erfindungsgemäss hergestelltes buchsenartiges Schmiedeteil schematisch gezeigt. Deutlich ist der Boden 10, die daran anschliessende Buchsenwand 30 mit dem reduzierten Wandabschnitt 32 und dem Öffnungsabschnitt 20 ersichtlich. Der Faserverlauf ist in 4 schematisch gezeigt. Deutlich ist der ununterbrochene Faserfluss parallel zu den Aussenwänden, der für beste mechanische Eigenschaften sorgt und Voraussetzung für die guten Eigenschaften der erfindungsgemässen buchsenartgigen Teils ist, ersichtlich.
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In 2 und 3 sind Längsschnitte durch buchsenartige Schmiedteile gezeigt, woraus ersichtlich ist, dass die Wandreduzierung je nach Stabilitätsanforderungen an die Wand sehr unterschiedlich weit erfolgen kann. In 3 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der im Bodenbereich der Wand und in ihrem Öffnungsbereich 20 mechanische Belastung stattfindet – wie bspw. bei Lagerbuchsen – während in 2 eine Ausführung gezeigt ist, bei der hauptsächlich der Öffnungsbereich 20 der Buchsenwand 30 belastet wird.
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Ein zur Herstellung eines derartigen Kolbens 10 geeignetes erfindungsgemäßes Verfahren wird mit einem Formwerkzeug der 4 durchgeführt. Das Werkzeug weist einen oberen Formdorn C auf, dessen spezielle Ausgestaltung das Umformen eines Rohlings in einem Schritt stark vereinfacht. In 4 ist ein Querschnitt durch den oberen Formdorn C dargestellt. Durch den oberen Formdorn C kann einen oberer Ausstosser G ausgefahren werden, der ein in der Gravur befindliches Formteil entfernen kann. Sinnvoll kann dabei auch ein negativer Gesenkwinkel Alpha in der Gravur des oberen Formdorns C zum Ausstoss durch den Ausstosser G nach Abschluss des Hubs sein, der sog. Auszugswinkel.
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Das Unterwerkzeug der Schmiedeform, das gemeinsam mit dem oberen Formdorn die Gravur zum Schmieden des buchsenartigen Teils bildet, wird durch den unteren Formdorn B sowie den äusseren Formring A mit Querwerkzeug D gebildet, zwi-schen denen die Buchsenwand in erwünschter Länge und Dicke geformt wird.
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Der untere Formdorn B ist so ausgelegt, dass er durch einen unteren Ausstosser H, der rund, aber auch geformt sein kann, der durch den Spannfuß E betätigt werden kann, gegenüber dem äusseren Formring A bewegbar ist und so eine Entfernung des Schmiedeteils aus dem Unterwerkzeug erleichtert, indem er ein Zurückgleiten des Schmiedrohlings vermeidet. Die Kombination von oberem und unterem Ausstosser H, G verringert Auswerfermarken im Formteil sowie Schmiedeteilverzug durch eine gute Kraftverteilung während des Auswerfens.
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Die ringartige Formdornaufnahme F stützt den Umfang des oberen Formdorns C ab und bildet mit diesem das Oberteil der Form.
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Das Schmiedewerkzeug wird durch den Spannfuss E abgeschlossen, der den unteren Formdorn abstützt und durch den in ihm laufenden Ausstosser H eine Bewegung des unteren Formdorns B ermöglicht.
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Ein erfindungsgemässes Verfahren zum Schmieden des buchsenartigen Schmiedeteils verläuft wie folgt: Ein vorgestauchter Vorpressling wird durch einen Automaten auf Umformtemperatur erwärmt angeliefert und in die geöffnete Schmiedeform zwischen den zurückgezogenem oberen Formdorn C und unteren Formdorn B in den äußeren Formring A gelegt. Dies kann durchgeführt werden, wenn beide Ausstosser zurückgezogen sind. Danach wird die Form in einem Schmiedehub geschlossen, wodurch die beiden Formdorne aufeinander zu bewegt werden, der Vorpressling gegen die Formgravurwände gedrückt und umgeformt. In einem weiteren Hub oder gleichzeitig damit fahren die Querwerkzeuge auf die Kolbenwand und schmieden diese auf die erwünschte Form mit reduziertem Durchmesser. Selbstverständlich kann die Form in üblicher Weise zyklisch vorher mit Formtrennmitteln beschichtet werden, wie sie auf dem in Rede stehenden Gebiet geläufig und dem Fachmann bekannt sind. Gasdrücke in der Form können durch übliche Entlüftungsmassnahmen, wie Entlüftungsbohrungen I, abgeleitet werden, wodurch auch Schmiermittel und deren Rückstände entfernt werden. Die Anordnung der Entlüftungsbohrung ist keineswegs auf den unteren Formdorn beschränkt und kann entsprechend den Erfordernissen, wie dem Fachmann offensichtlich, variiert werden.
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In 6 ist ein erfindungsgemäss hergestellter Kolben 110 für Verbrennungsmotoren mit teilweise reduzierter Kolbenhemddicke, dargestellt. Ein derartiger Kolben für Verbrennungsmotoren aus 42CrMo4 Stahl weist bspw. die folgenden Maße auf: die Länge des Kolbenhemdes 114 beträgt mindestens etwa das 0,5-fache des Kolbenaussendurchmessers, ca. 135 mm. Die Stärke der Kolbenseitenwand 111 liegt im Bereich von etwa 1/6 tel des Kolbenaussendurchmessers. Bei einem typischen Motorkolben für Verbrennungsmotoren aus 42CrMo4 beträgt die Kolbenhemdlänge von 60 bis 85 mm, die Kolbenseitenwandstärke von 6 bis 10 mm und der Kolbenaussendurchmesser 115 bis 140 mm. Bei anderen Ausführungsformen, bspw. als Kolben 110 für Schiffsmotoren oder Antriebsmotoren für Energiegewinnungsanlagen, sind je nach Material andere Maße üblich, wie dem Fachmann auf dem jeweiligen Fachgebiet bekannt. Die speziellen Wandstärken hängen dabei stark von dem eingesetzten Material und den Aufgaben des Kolbens ab.
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Falls eine Formdornkühlung vorgesehen ist, muss diese vor dem Ausstossen des Formteils eingesetzt werden, um die umgeformte Geometrie zu erhalten.
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Obige Beschreibung offenbart somit lediglich eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung. Dem Fachmann ist aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen und Patentansprüchen offensichtlich, daß verschiedenste Veränderungen, Modifikationen und Variationen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche möglich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Buchsenboden
- 20
- Öffnungsbereich der Buchsenwand
- 30
- Buchsenwand
- 32
- dickenreduzierter Bereich der Buchsenwand
- 110
- Kolben
- 111
- Kolbenseitenwand
- 114
- Kolbenhemd
- 116
- dickenreduzierter Bereich von 114
- A
- äusserer Formring
- B
- unterer Formdorn
- C
- oberer Formdorn
- D
- Querwerkzeug
- E
- Spannfuss
- G
- oberer Ausstosser
- H
- unterer Ausstosser
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Bezugszeichenliste
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- A
- äusserer Formring
- B
- unterer Formdorn
- C
- oberer Formdorn
- D
- Armierungsring für unteren Bereich von A
- E
- Spannfuss
- F
- Formaufnahme
- G
- oberer Ausstosser
- H
- unterer Ausstosser
- Alpha
- Auszugswinkel der Gravur von C
- I
- Entlüftungsöffnung
- K
- Kühlkanal
- 10
- Buchsenboden
- 30
- Buchsenwand
- 20
- Öffnungsbereich der Buchsenwand
