DE102013208557A1

DE102013208557A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens

Info

Publication number: DE102013208557A1
Application number: DE201310208557
Authority: DE
Inventors: Ralf Buschbeck; Emmerich Ottliczky
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-11-14
Also published as: CN104284744B; US20150107106A1; JP2015518784A; CN104284744A; WO2013167694A1; EP2846946A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens (2) für eine Brennkraftmaschine, der in seinem Kolbenboden einen Kühlkanal (5) aufweist, wobei ein Kolbenrohling (1) bereitgestellt wird und an dem Kolbenrohling (1) ein über den äußeren Durchmesser des späteren Kühlkanalkolbens (2) hinausragender Kragen (K) in einem Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren oder dergleichen gebildet und zur Bildung des Kühlkanales (5) eine radial umlaufende Ausnehmung (A) in den Kolbenrohling (1) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die radial umlaufende Ausnehmung (A) im Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren oder dergleichen in den Kolbenrohling (1) eingebracht wird und in einem weiteren Verfahrensschritt durch Umformen des Kragens (K) im Zusammenspiel mit der umlaufenden Ausnehmung (A) ein Kühlkanal gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens sowie einen nach dem Verfahren hergestellten Kühlkanalkolben für Brennkraftmaschinen.
Aus der EP 1 452 250 A2 ist es bekannt, einen Kolbenrohling zumindest teilweise, vorzugsweise insgesamt in einem Schmiedeverfahren herzustellen. Dabei werden die Funktionselemente des Kolbens wie Kolbenboden, Kolbenschäfte, Kolbennaben, Bolzenbohrung und dergleichen in den Kolbenrohling eingebracht.
Im Stand der Technik wird im Bereich des Feuersteges, der beim fertigen Kolben vorhanden ist, in etwa auf der Höhe der ersten Nut ein umlaufender Bund ebenfalls im Schmiedeverfahren hergestellt. Die geometrische Form dieses Bundes wird dabei so gewählt, dass ausreichend Material zur Verfügung steht, um die noch einzubringende Ausnehmung, die einen späteren Kühlkanal bildet, zu verschließen. Oberhalb oder unterhalb des Bundes wird durch spanabhebende Bearbeitung eine Ausnehmung mit ihrem oberen und unteren Scheitelradius und der Innenwand in den Kolbenrohling eingearbeitet und der Bund in eine Form gebracht, die geeignet ist, die Ausnehmung nach Umformung des bearbeiteten Bundes zu verschließen.
Hierbei ist es von Nachteil, mit Einbringung der Ausnehmung durch spanabhebende Bearbeitung das an sich ausreichend feste Gefüge, welches im Schmiedeverfahren erzielt wird, zu schwächen. Außerdem geht durch die spanabhebende Bearbeitung Material des Kolbenrohlings verloren, was negativ auf die Herstellkosten einwirkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein entsprechendes Verfahren und einen danach hergestellten Kühlkanalkolben zu verbessern.
Die Erfindung sieht vor, dass der Kolbenrohling nach wie vor, wie es im Stand der Technik bekannt ist, mit seinen Funktionselementen zumindest teilweise, vorzugweise vollständig in einem Schmiedeverfahren hergestellt wird. Durch das Schmiedeverfahren wird ein Materialgefüge erzielt, welches den Anforderungen eines modernen Kühlkanalkolbens für den Betrieb in der Brennkraftmaschine erfüllt.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Ausnehmung nicht durch spanabhebende Bearbeitung in den Kolbenrohling eingebracht wird, sondern dass die Ausnehmung ebenfalls in einem Schmiedeverfahren oder einem vergleichbaren Verfahren (wie z. B. ein Walzdrückverfahren, Pressen oder dergleichen) eingebracht wird. Dadurch entsteht eine zumindest deutlich reduzierte Abfallmaterialmenge, was zu entsprechenden Aufwandsreduktionen führt, da höchstens diese stark reduzierte Abfallmaterialmenge recycelt werden muss. Außerdem ist von Vorteil, dass das Verfahren derart ausgeführt wird, dass mit oder durch die Einbringung der Ausnehmung in den Kolbenrohling vorzugweise gleichzeitig auch der umformbare radial umlaufende Bund entsteht. Nach Herstellung eines solchen Kolbenrohlings kann der derart entstandene radialumlaufende und über den äußeren Durchmesser des Kolbenrohlings überstehende Bund bzw. Kragen so umgeformt werden, dass er die Ausnehmung verschließt, wobei dadurch ein Kühlkanal, der im Kolbenboden angeordnet ist, entsteht. Da die spanabhebende Bearbeitung zur Herstellung der radialumlaufenden Ausnehmung (die den späteren Kühlkanal bildet) zumindest weitgehend entfällt, wird in vorteilhafter Weise auch das im Schmiedeverfahren erzielte Materialgefüge beibehalten und eben nicht, wie im Stand der Technik, durch spanabhebende Bearbeitung geschwächt.
An dem Kolbenrohling kann ein über den äußeren Durchmesser des späteren Kühlkanalkolbens hinausragender Kragen in einem Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren oder dergleichen gebildet werden.
Das Umformen des Kragens kann im Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren, Kalibrierverfahren oder dergleichen erfolgen.
Im Folgenden sind beispielsweise die wichtigsten Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens aufgeführt.

– Herstellung eines einteiligen Kühlkanalkolbenschmiederohlings ohne Hinterschnitt
– Erzeugung eine über den Durchmesser des späteren Kühlkanalkolbens hinausragenden Kragens, vorzugsweise Erzeugung der Ausnehmung zur Bildung des späteren Kühlkanals im selben Verfahrensschritt
– Alternativ, Erzeugung der Ausnehmung in einem separaten Verfahrensschritt
– Verschließen der Ausnehmung durch Umformen des Kragens zur Bildung eines Kühlkanals
– Einbringen der Ringnuten sowie Anformen des Feuerstegs

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ausnehmung zur späteren Ausbildung des Kühlkanales im Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren oder dergleichen in den Kolbenrohling eingebracht, ohne dass hierdurch zeitgleich der Kragen ausgebildet wird.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Position des Kragens bodenbündig oder bündig mit der Schaftoberkante ausgeführt werden.
Ringnuten, insbesondere zur Aufnahme von Kolbenringen, können am umgeformten Kragen und/oder am Kolbengrundkörper angeordnet sein.
Die Ringnuten sowie mindestens ein Feuersteg können beim Umformen des Kragens zur Bildung des Kühlkanales bzw. beim Verschließen des Kühlkanales ausgebildet werden. Auch ist es denkbar, bei der Ausbildung des Kragens bereits die Herstellung von Nuten vorzusehen.
Nach der Ausbildung des Kühlkanales können die Ringnuten sowie der mindestens eine Feuersteg mit Hilfe eines Drehverfahrens oder dergleichen aus dem Kühlkanalkolbenschmiederohling herausgearbeitet werden.
Die Erzeugung der Geometrie des Kühlkanals erfolgt zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch ganz, vor dem Verschließen des Kühlkanals. Geeignete Verfahren zur Erzeugung der Ausnehmung und zum Verschließen der Ausnehmung zur Bildung des Kühlkanals sind beispielsweise Schmieden, Walzen, Rollieren, Wälzdrücken oder vergleichbare geeignete Verfahren.
Im Schmiedeverfahren hergestellte Kolben weisen eine höhere Festigkeit auf, als in einem Gussverfahren hergestellte Kolben, das erfindungsgemäße Verfahren erhält diesen Vorteil auch im Bereich des späteren Kühlkanals aufrecht. Spanabhebende Verfahren, wie aus dem Stand der Technik bekannt, führen zu einer Veränderung im Werkstoffgefüge und damit zu einer Schwächung im Bearbeitungsbereich, dies wird erfindungsgemäß vermieden bzw. minimiert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkanalkolbenschmiederohlings,
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkanalkolbenschmiederohlings nach dem Einbringen der Ausnehmung und gleichzeitiger Ausbildung des Kragens,
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkanalkolbenrohlings nach der Ausfertigung des Kühlkanals und
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkanalkolbens nach dem Einbringen der Ringnuten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell in den 1 bis 4 dargestellt. 1 zeigt prinzipiell einen Kolbenrohling 1, der in einem Schmiedeverfahren hergestellt wird. Dabei werden Funktionselemente des späteren Kolbens wie Kolbenboden, Kolbenschäfte, Kolbennaben, Bolzenbohrung und dergleichen eingebracht. Da es sich bei dem späteren fertigen Kolben um einen Kühlkanalkolben handeln soll, wird entsprechend 2 eine Ausnehmung A in den Kolbenrohling 1 eingebracht. Diese radial umlaufende Ausnehmung A wird ebenfalls in einem Schmiedeverfahren, einem Walzdrückverfahren oder dergleichen eingebracht. Dabei wird das Verfahren zum Einbringen der Ausnehmung A so durchgeführt, dass dabei radial über den äußeren Durchmesser des Kolbenrohlings abstehender umlaufender Kragen K (auch als Bund zu bezeichnen) entsteht.
Gemäß 2 wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Ausnehmung A so in den Kolbenrohling 1 eingebracht, dass bei Betrachtung der 2 oberhalb der Ausnehmung A der Kragen K entsteht. Damit dies möglich ist, muss (ebenfalls bei Betrachtung der 2) von oben z. B. durch eine Platte oder dergleichen gegengehalten werden. Das bedeutet, dass das Werkzeug, mit welchen die radial umlaufende Ausnehmung A in den Kolbenrohling eingebracht wird, so arbeitet, dass es das Material des Kolbenrohlings in Richtung der Kolbenhubachse verdrängt und dabei gleichzeitig der radial umlaufende Kragen K eine Form einnimmt, wie sie in 2 gezeigt ist. Damit dabei die gewünschte Formgebung des Kragens K realisiert wird und das Material des Kolbenrohlings nicht nach oben weggedrückt wird, ist es erforderlich, an dieser Stelle einen Gegenhalter (z. B. eine Platte) einzusetzen, wobei dies in 2 durch die drei nach unten gerichteten Pfeile angedeutet ist.
Nach dem der Kolbenrohling eine Form bekommen hat, wie sie prinzipiell in 2 dargestellt ist, wird der radial umlaufende Kragen K so umgeformt, dass er die Ausnehmung A verschließt. Diese Verfahrensschritte können dem Stand der Technik (der EP 1 452 250 A2 ) entnommen werden. Nachdem der zunächst nach außen abstehende Kragen K umgeklappt worden ist, um die Ausnehmung A zu verschließen, kann er mit seiner umlaufenden unteren Kante mit dem Kolbenrohling unlösbar verbunden werden, muss es aber nicht. Die Herstellung eines Kühlkanals 5 an einem Kühlkanalkolben (2) ist somit abgeschlossen. Danach werden beispielsweise ein Feuersteg 3 sowie Ringnuten 4 in dem Kolbenrohling ausgebildet, sodass ein Kühlkanalkolben 2 entsteht. Schließlich erfolgt noch eine Endbearbeitung des derart hergestellten Kolbenrohlings, so dass ein betriebsfertiger Kolben mit Kühlkanal für den Einsatz in einem Zylinder der Brennkraftmaschine entsteht.
Bezugszeichenliste

1: Kolbenrohling
2: Kolben
3: Feuersteg
4: Ringnut
5: Kühlkanal
A: Ausnehmung
K: Kragen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1452250 A2 [0002, 0024]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens (2) für eine Brennkraftmaschine, der in seinem Kolbenboden einen Kühlkanal (5) aufweist, wobei ein Kolbenrohling (1) bereitgestellt wird und an dem Kolbenrohling (1) ein über den äußeren Durchmesser des späteren Kühlkanalkolbens (2) hinausragender Kragen (K) in einem Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren oder dergleichen gebildet und zur Bildung des Kühlkanales (5) eine radial umlaufende Ausnehmung (A) in den Kolbenrohling (1) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die radial umlaufende Ausnehmung (A) im Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren oder dergleichen in den Kolbenrohling (1) eingebracht wird und in einem weiteren Verfahrensschritt durch Umformen des Kragens (K) im Zusammenspiel mit der umlaufenden Ausnehmung (A) ein Kühlkanal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Einbringen der Ausnehmung (A) so durchgeführt wird, dass dabei auch der radial über den äußeren Durchmesser des Kolbenrohlings (1) abstehende umlaufende Kragen (K) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des Kragens (K) im Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren, Kalibrierverfahren oder dergleichen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (K) zur Ausbildung des Kühlkanals (5) an einem Anlagebereich zur Anlage gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (K) zur Ausbildung des Kühlkanals an einem zumindest teilweise radial umlaufenden Steg zur Festlegung der Kragenposition nach dem Umformen zur Anlage gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (K) nach dem Umformen am radial umlaufenden Steg unlösbar festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (A) im Schmiedeverfahren, Wälzdrückverfahren oder dergleichen in den Kolbenrohling (1) eingebracht wird, ohne dass hierdurch zeitgleich der Kragen (K) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Kragens (K) bodenbündig oder bündig mit der Schaftoberkante ausgeführt wird.
Kühlkanalkolben, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
Kühlkanalkolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente des späteren Kühlkanalkolbens Kolbenboden, Kolbenschäfte, Kolbennaben, Bolzenbohrungen und dergleichen umfassen.