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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten Herstellung von Einzelteilen eines oder mehrerer ein- oder mehrteiliger Schmiedekörper mit einer inneren Struktur.
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Stand der Technik
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Aus
US 2008/0127818 A1 ist ein Herstellungsverfahren für einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem der Kolben nach einem Schmieden oder Gießen in zwei getrennte Teile aufteilt wird, ein Oberteil und ein Unterteil. Das Oberteil wird dabei bearbeitet, um einen Kolbenkopf zu erzeugen, der einen offenen Kühlkanalabschnitt aufweist. Das Unterteil wird bearbeitet, um einen Kolbenkörper zu erzeugen, der einen Kühlkanalabschnitt, ein Kolbenhemd und zwei einander gegenüberliegende Bolzenbohrungen aufweist. Nach der Bearbeitung des Oberteils und des Unterteils werden diese Teile miteinander verbunden.
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Dieses Verfahren wird in
DE 10 2009 056 917 A1 weiterentwickelt. Nach dieser Patentanmeldung wird für die Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor ein Kolbenrohling geschmiedet, bei dem ebenfalls ein Trennen in ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil stattfindet. Beim Schmieden wird der Oberseite des Kolbenrohlings teilweise die Form der Unterseite des späteren Kolbenoberteils gegeben, während die Unterseite des Rohlings die Form erhält, die dem Innenraum des Kolbenunterteils entspricht. Zwischen Schmieden und Trennen des Kolbenoberteils vom Kolbenunterteil werden für die Bolzennaben vorgesehene Bereiche des Kolbenrohlings mit entsprechenden Bolzenbohrungen versehen.
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Durch die genannten Techniken werden bei der Herstellung eines Kolbens stets gleich viele Kolbenoberteile und Kolbenunterteile hergestellt. Dieses Verfahren setzt aber die gleiche Werkstoffauswahl für Kolbenoberteil und Kolbenunterteil voraus.
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Gleichzeitig führen die bekannten Verfahren dazu, dass nur ein sehr eingeschränktes Maschinenkonzept angewendet werden kann. Das heißt, dass die bei der Herstellung und Bearbeitung von Kolben eingesetzten Maschinen sehr unflexibel sind und damit beispielsweise nicht ohne weiteres für die Herstellung anderer zylindrischer Teile verwendet werden können, als für die in den genannten Dokumenten offenbarten Kolben. Insbesondere ist es durch die bekannten Verfahren nicht möglich ein Mehrfachschmieden von Kolbenoberteilen durchzuführen, ohne gleichzeitig auch entsprechend viele Kolbenunterteile herzustellen. Das Verfahren gemäß der
DE 10 2009 056 917 A1 führt außerdem zu einer schlechten Maschinenauslastung, weil die Bearbeitung des Unterteils vor dem Verschweißen des Oberteils mit dem Unterteil in einem separaten Schritt erfolgen muss, währenddessen andere Teile der Maschine stillstehen.
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Auf Grund unterschiedlicher Belastung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann es sinnvoll sein, unterschiedliche Materialien für diese beiden Teile auszuwählen. Beispielsweise wäre für ein Kolbenoberteil ein besonders temperaturbeständiges Material gut geeignet, während das Kolbenunterteil vorzugsweise aus einem Material mit höheren mechanischen Kennwerten hergestellt ist. Ein solcher Kolben aus verschiedenen Materialien lässt sich durch die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht herstellen.
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Darstellung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Herstellungsverfahren zur effizienten Herstellung von Einzelteilen eines oder mehrerer Schmiedekörper mit einer inneren Struktur bereitzustellen, das möglichst vielseitig angewendet und damit gegenüber dem bekannten Stand der Technik flexibler eingesetzt werden kann. Die Schmiedekörper können dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Schmiedekörper mehrteilig ausgebildet. Falls die Schmiedekörper einteilig ausgebildet sind, bestehen sie im Wesentlichen aus einem der Einzelteile. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die bekannten Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass eine bessere Maschinenauslastung bei der Durchführung des Verfahrens ermöglicht wird, um das Verfahren auf diese Weise effizienter zu gestalten. Insbesondere liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur effizienten Herstellung von mehrteiligen Schmiedekörpern bereitzustellen, die aus verschiedenen Materialien bestehen.
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Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte weitere Aspekte des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur effizienten Herstellung von Einzelteilen eines oder mehrerer Schmiedekörper mit einer inneren Struktur umfasst einen Schmiedeschritt des Schmiedes eines Rohlings, der zumindest zwei zusammenhängende Einzelteile des einen, zweier oder mehrerer separater Schmiedekörper aufweist. Ferner umfasst das Verfahren einen Vorbearbeitungsschritt, in dem zumindest eines der zusammenhängenden Einzelteile mit einer Spann- und/oder Anlagefläche versehen wird, über die ein vorbestimmbares Einspannen des Einzelteils in eine Drehmaschine ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß wird also zunächst durch Schmieden der Rohling so vorbereitet, dass nur noch wenige Bearbeitungsschritte notwendig sind, um den fertigen Schmiedekörper zu erhalten. Der erfindungsgemäße Vorbearbeitungsschritt, in dem bei zumindest einem der Einzelteile eine Spann- und/oder Anlagefläche ausgestaltet wird, ermöglicht es, dass das jeweilige Einzelteil in einer klar definierten Lage in eine Drehmaschine oder eine andere Bearbeitungsmaschine eingespannt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, ein notwendiges Bearbeitungsaufmaß der Einzelteile und den daraus resultierenden Bearbeitungsaufwand zu minimieren. Denn insbesondere bei Einzelteilen eines oder mehrerer mehrteiliger Schmiedekörper ist es wichtig, dass diese Einzelteile einander möglichst genau gleichen bzw. sehr exakt aufeinander abgestimmt ausgebildet sind. Die Teile untereinander unterliegen einer geringen bekannten Streuung. Um dies auch bei einer nachfolgenden Drehbearbeitung oder dergleichen realisieren zu können, wird die Spann- und/oder Anlagefläche direkt mit dem Schmiedeschritt ausgestaltet, mithin zu einem Zeitpunkt, an dem die Einzelteile noch miteinander verbunden sein können und somit eine mögliche Ungenauigkeit und damit Fehlerquelle durch eine separate Handhabung und Positionierung der Einzelteile weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
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Beispielsweise kann eines der Einzelteile mit einer Spann- und/oder Anlagefläche versehen sein, die derart ausgestaltet und ausgerichtet ist, dass die relative Orientierung des Einzelteils zu dem anderen Einzelteil in einer beispielsweise nach einem Trennen der beiden Einzelteile voneinander stattfindenden Bearbeitung sehr präzise bestimmt und eingehalten werden kann. So kann auch nach einem Trennen der Einzelteile voneinander eine separate Bearbeitung der Einzelteile erfolgen, ohne dabei auf die hohe Genauigkeit einer einstückigen Bearbeitung der beiden Einzelteile verzichten zu müssen. Bei der Spann- und/oder Anlagefläche kann es sich beispielsweise um eine Einkerbung, einen Vorsprung, einen ebenen Oberflächenbereich, beispielsweise auf einer ansonsten abgerundeten Oberfläche, oder ähnliche Merkmale einer Oberfläche des Einzelteils handeln. Diese Merkmale lassen sich leicht beim Einspannen der Einzelteile in eine Bearbeitungsvorrichtung identifizieren und für die Ausrichtung der Einzelteile nutzen. Sie können nach der Bearbeitung entfernt werden oder auf dem Einzelteil beibehalten werden.
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Mit Vorteil werden zwei, insbesondere alle, Einzelteile in dem Vorbearbeitungsschritt mit jeweils einer Spann- und/oder Anlagefläche versehen, über die ein vorbestimmbares Einspannen der Einzelteile in eine Drehmaschine ermöglicht wird. Wenn zwei oder alle Einzelteile in dem Vorbearbeitungsschritt mit jeweils einer Spann- und/oder Anlagefläche versehen werden, wird die Effizienz des Verfahrens weiter erhöht, weil dadurch ein besonders präzise definierbares Einspannen in eine Drehmaschine oder eine andere Bearbeitungsmaschine für weitere Einzelteile ermöglicht wird. Der erfindungsgemäße Vorteil für das zumindest eine der zusammenhängenden Einzelteile wird also vorteilhafterweise auf mehrere Einzelteile oder bevorzugt sogar auf alle Einzelteile erweitert.
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Bevorzugt wird nach dem Vorbearbeitungsschritt ein Trennungsschritt des Trennens der zusammenhängenden Einzelteile voneinander durchgeführt. Das Trennen nach dem Vorbearbeitungsschritt erfolgt also, nachdem das Einzelteil bzw. die mehreren Einzelteile mit der Spann- und/oder Anlagefläche versehen wurden, sodass die danach voneinander getrennten Einzelteile die Spann- und/oder Anlageflächen bereits vor dem Trennen, nämlich in einer noch fest definierten relativen Ausrichtung und Anordnung zueinander erhalten haben.
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Bevorzugt wird nach dem Vorbearbeitungsschritt und insbesondere nach dem Trennungsschritt ein Bearbeitungsschritt des Bearbeitens zumindest eines, bevorzugt aller, der Einzelteile von außen durchgeführt, um die innere Struktur am vorbearbeiteten Einzelteil zumindest teilweise auszubilden. Bei dem Bearbeitungsschritt kann es sich beispielsweise um einen Schritt handeln, in dem eine Drehbearbeitung stattfindet. Auch eine andere spanende oder nicht spanende Bearbeitung der insbesondere noch verbundenen Einzelteile vor deren Trennung ist möglich, um auf besonders effiziente Weise eine präzise Struktur vorzubilden. Auch um diese Bearbeitung besonders präzise durchführen zu können, ist zumindest eines der Einzelteile mit einer Spann- und/oder Anlagefläche versehen. Alternativ kann der Bearbeitungsschritt auch vor dem Trennungsschritt durchgeführt werden. Eine Durchführung des Bearbeitungsschritts nach dem Trennungsschritt hat jedoch den Vorteil, dass auf diese Weise eine weniger spezifizierte Bearbeitungsmaschine für die Durchführung des Bearbeitungsschritts benötigt wird, so dass das Verfahren insgesamt effizienter und vielseitiger eingesetzt werden kann.
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Die innere Struktur lässt sich insbesondere in dem Verfahrensstadium vor dem Trennen der Einzelteile noch außenseitig einarbeiten, weil die Außenseiten der Einzelteile in dem noch verbundenen Stadium beim fertigen Schmiedeteil durch Umkehren der Einzelteile nach innen gerichtet werden können.
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Insbesondere ist der Schmiedekörper ein mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor und die Einzelteile sind ein Oberteil und ein Unterteil des Kolbens. Bevorzugt umfasst dabei die innere Struktur einen innenliegenden Kühlkanal des Kolbens, der offen oder geschlossen ausgeführt sein kann. Für die Bearbeitung ist jedoch zumindest ein Teil der inneren Struktur offen ausgebildet, das heißt durch eine Bearbeitung von außen zugänglich. Durch Umdrehen und Zusammenfügen von Oberteil und Unterteil mit jeweils einer offenen inneren (Halb-)Struktur kann dann auch ein geschlossener Kühlkanal konstruiert werden.
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Weiter bevorzugt wird in dieser Ausführungsform nach dem Trennungsschritt eine Bolzenbohrung in einem für eine Bolzennabe vorgesehenen Bereich des Kolbens eingebracht. Gemäß der vorliegenden Erfindung und insbesondere gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann also eine Bolzenbohrung eingebracht werden, wenn beispielsweise ein Kolben für einen Verbrennungsmotor hergestellt werden soll, jedoch bevorzugt erst nach dem Trennen. Dies ermöglicht eine größere Flexibilität des Verfahrens und der das Verfahren ausführenden Vorrichtungen hinsichtlich der Vorbearbeitung und der Bearbeitung der zusammenhängenden Elemente und ermöglicht eine bessere Maschinenauslastung vor dem Trennen der Einzelteile.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schmiedekörper ein Kolbenoberteil oder einen Radreifen. Grundsätzlich kann es sich bei dem Schmiedekörper um eine große Vielfalt von unterschiedlichen, bevorzugt zylindrischen Körpern handeln. Radreifen können aufgrund ihrer Größe nicht durch Ringwalzen hergestellt werden, sondern werden auf konventionellen Schmiedeaggregaten gefertigt. Auch andere rotationssymmetrische Produkte lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren besonders effizient herstellen. Beispielsweise im Fall der Radreifen können immer Paare eines Produktes durch das Verfahren hergestellt werden, was zu einer besonders hohen Effizienz und Qualität der Herstellung führt, beispielsweise weil paarweise gleiche Herstellungsbedingungen leicht sichergestellt werden können.
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Besonders bevorzugt sind die Einzelteile zwei gleiche Teile verschiedener Schmiedekörper. Auf diese Weise können besonders effizient auch mehrteilige Schmiedekörper hergestellt werden, deren Einzelteile nicht aus demselben Material bestehen, sondern deren Einzelteile unterschiedlicher Materialien aufweisen. In einem bevorzugten Verfahren werden zwei zusammenhängende Kolbenoberteile zweier Kolben geschmiedet und vorbearbeitet. Die Kolbenoberteile sind dabei vorzugsweise aus einem Material ausgebildet, das sich von dem Material unterscheidet, das für die Kolbenunterteile eingesetzt wird. Beispielsweise ist das Material des Kolbenoberteils dabei besonders wärmebeständig.
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Besonders bevorzugt wird nach dem Bearbeitungsschritt eine Weiterverarbeitung des Schmiedekörpers in einer nachgeschalteten Maschine durchgeführt. Bei dieser Weiterverarbeitung kann es sich beispielsweise um eine Endbearbeitung, die eine Drehbearbeitung umfassen kann, vorzugsweise um ein Polieren oder Glätten von Oberflächen, ein Reibschweißen oder andersartiges Verbinden der Einzelteile mit anderen Elementen oder um eine nahezu beliebige andere weitere Verarbeitung des jeweiligen Einzelteils handeln.
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Das Schmieden von mehreren Einzelteilen in einem gemeinsamen Schmiedeschritt ermöglicht eine effiziente Bearbeitung eines mehrteiligen Schmiedekörpers oder mehrerer Einzelteile von mehreren Schmiedekörpern bzw. mehrerer im Wesentlichen vollständiger Schmiedekörper. Eine innere Struktur der Schmiedekörper lässt sich auch bei dem gemeinsamen Schmieden mehrerer Einzelteile leicht realisieren, wenn ein separater Trennungsschritt vorgesehen ist, durch den die zusammenhängenden Einzelteile voneinander getrennt und hinsichtlich ihrer Ausrichtung und Anordnung in Bezug auf einander verändert werden können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, mit einem einheitlichen Maschinenkonzept eine Vielzahl verschiedener Schmiedekörper herzustellen. Eine hohe Spezialisierung der Vorrichtung, wie sie bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren notwendig ist, ist im vorliegenden Fall unnötig, so dass die Flexibilität des Maschineneinsatzes durch die Erfindung erhöht wird.
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So können beispielsweise durch ein bevorzugtes Verfahren zwei Einzelteile, z. B. Oberteile, zweier separater Schmiedekörper, z. B. zweier Kolben, gemeinsam geschmiedet und vorbearbeitet werden, die nach einem Trennen der beiden Einzelteile jeweils mit einem Unterteil des jeweiligen Kolbens verbunden werden können, wobei auch das jeweilige Unterteil geschmiedet sein kann. Dabei ist es dann auch möglich, dass die Oberteile aus einem anderen Material hergestellt sind als die Unterteile, so dass mehrteilige Kolben aus unterschiedlichen Materialien durch das erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren auch effizient geschmiedet werden können.
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Der Inflexibilität der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß insbesondere dadurch begegnet, dass durch die Ausbildung der Spann- und/oder Anlagefläche an zumindest einem der zusammenhängenden Einzelteile bereits im zusammenhängenden Zustand der Einzelteile ein Referenzsystem für nachfolgende Weiter- und Endbearbeitungsschritte definiert wird. Auf diese Weise können die im Stand der Technik nicht zu vermeidenden Toleranzen bei der Weiterverarbeitung der vorbearbeiteten Gegenstände deutlich reduziert werden. Die Spann- und/oder Anlagefläche wird in Bezug auf eine Basis des Einzelteils ausgebildet. Die Basis des Einzelteils ist in diesem Zusammenhang eine definierte, beispielsweise die angestrebte oder die ursprüngliche Form des betreffenden Einzelteils. Beispielsweise im Fall eines Kolbenoberteils kann die Basis, in Bezug auf welche die Spann- und/oder Anlagefläche ausgebildet wird, der äußere Umfang einer äußeren Kühlkanalwand sein.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet „Vorbearbeiten” ein Bearbeiten eines Werkstücks als Vorbereitung auf nachfolgende Bearbeitungsschritte. „Weiterverarbeiten” meint in diesem Zusammenhang das Bearbeiten beispielsweise eines vorbearbeiteten Zwischenprodukts oder eines Rohlings, wodurch das bearbeitete Werkstück hinsichtlich seiner Konturen weiter an das gewünschte Endprodukt angeglichen wird, ohne jedoch die letztendlich gewünschte Form des Produkts oder des geforderten Lieferzustandes zu erreichen. „Endbearbeiten” umfasst eine abschießende Bearbeitung, durch die das Produkt eine Kontur und Struktur erhält, die der letztendlich gewünschten entspricht. Oberflächenbehandlungen wie Polieren, Schleifen, Beschichten, Lackieren usw. müssen nicht, aber können hierin enthalten sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche.
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KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
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1A und 1B zeigen einen mehrteiligen Schmiedekörper, der sich durch ein bevorzugtes Verfahren effizient herstellen lässt.
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2A und 2B zeigen einen von 1A und 1B abweichenden Schmiedekörper, der sich durch ein bevorzugtes Verfahren effizient herstellen lässt.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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1A zeigt einen Rohling 10 eines zweiteiligen Kolbens in einer Schnittdarstellung. Der Rohling 10 weist ein Oberteil 12 und ein Unterteil 14 auf, wobei das Oberteil 12 und Unterteil 14 jeweils ein Einzelteil des Kolbens ist und wobei diese Einzelteile zusammenhängend geschmiedet werden können, um in die in 1A gezeigte Form gebracht zu werden. Der Rohling 10 wurde in einem Schmiedeschritt geschmiedet und in einem Vorbearbeitungsschritt mit einer Spannfläche 15 und einer Anlagefläche 19 für eine Erstbearbeitung versehen. Über die Spannfläche 15 und die Anlagefläche 19 ist es besonders leicht, den Rohling 10 in eine Drehmaschine oder eine andere für die weitere Bearbeitung vorgesehene Bearbeitungsvorrichtung einzuspannen.
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Der Rohling 10 aus 1A zeigt eine umlaufende Nut 16, die Teil einer später innen liegenden Kühlkanalstruktur ist. Die 1A und 1B zeigen ferner einen Bereich für eine Bolzenbohrung, die in dem Unterteil 14 einzubringen ist, vorzugsweise nachdem Oberteil 12 und Unterteil 14 voneinander getrennt wurden.
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Einen Zustand, in dem Oberteil 12 und Unterteil 14 des Rohlings 10 nach dem Schmieden und Vorbearbeiten voneinander getrennt wurden, zeigt 1B. Zusätzlich zur Spannfläche 15 aus 1A zeigt diese Figur auch eine Spann- und Anlagefläche 13 des Oberteils 12 und eine Spann- und Anlagefläche 17 des Unterteils 14 für eine Weiterbearbeitung des Schmiedekörpers.
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In die 1A und 1B sind ferner Konturen fertig bearbeiteter Teile des Kolbens eingezeichnet, um den während eines Weiterbearbeitens und eines Fertigbearbeitens noch abzutragenden oder umzuformenden Materialbereich darzustellen.
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2A illustriert einen weiteren Rohling 20. Der Rohling 20 umfasst zwei noch miteinander verbundene Einzelteile 22, 24 zweier separater Schmiedekörper. Die Einzelteile 22, 24 in der 2A sind identisch zueinander. Es gibt eine gemeinsame Spann- und Anlagefläche 25 am Rohling 20, die für die Erstaufnahme des Rohlings 20 in einer Verarbeitungsvorrichtung vor einem nachfolgenden Trennen oder für ein nachfolgendes Trennen ausgebildet ist und ein gleichzeitiges Einspannen der beiden Einzelteile 22, 24 erleichtert und präzisiert.
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2B zeigt einen Zustand, in dem die Einzelteile 22, 24 des Rohlings 20 voneinander getrennt sind. Es sind nun an jedem der Einzelteile 22, 24 jeweils eine Spann- und Anlagefläche 23, 27 ausgebildet, die für eine nachfolgende Bearbeitung der Einzelteile 22, 24, beispielsweise in einer Drehmaschine, geeignet sind und ein präzises Einspannen erleichtern.
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Beide dargestellten Ausführungsformen nach 1A, 1B und 2A, 2B sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass durch das Herstellungsverfahren, durch das sie gebildet wurden, eine Spann- und/oder Anlagefläche an zumindest einem der Einzelteile ausgebildet wurde, durch die es besonders leicht und besonders präzise möglich ist, eine weitere Bearbeitung des Rohlings 10, 20 vorzunehmen, beispielsweise in einer Drehmaschine.
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Die jeweilige Spann- und/oder Anlagefläche ist dabei hinsichtlich ihrer Größe, Form und Ausrichtung bewusst so ausgestaltet, dass der Rohling insgesamt und bevorzugt auch beide oder alle Einzelteile des Rohlings in einer durch die Spann- und/oder Anlagefläche definierbaren Ausrichtung bzw. relativen Anordnung und Ausrichtung zueinander in eine Bearbeitungsvorrichtung für eine nachfolgende Bearbeitung, beispielsweise eine spanende Bearbeitung in einer Drehmaschine, eingespannt werden kann bzw. können.
