DE102016120023A1

DE102016120023A1 - Mehrfach gefügter Kolben mittels kombiniertem Hybridschweißverfahren

Info

Publication number: DE102016120023A1
Application number: DE102016120023.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Stork
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-04-27
Also published as: WO2017068059A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolben, wobei ein zumindest eine Fügezone aufweisendes Oberteil und ein zumindest eine Fügezone aufweisendes Unterteil separat voneinander gefertigt und danach unlösbar miteinander im Bereich der Fügezonen mittels eines Fügeverfahrens zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Fügezonen des Oberteiles und/oder des Unterteiles durch ein Widerstandsschweißverfahren bis zur Aufschmelzung erwärmt werden und danach die beiden Teile zueinander in Rotation versetzt und axial zusammengedrückt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, wobei ein zumindest eine Fügezone aufweisendes Oberteil und ein zumindest eine Fügezone aufweisendes Unterteil separat voneinander gefertigt und danach unlösbar miteinander im Bereich der Fügezonen mittels eines Fügeverfahrens zusammengefügt werden, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Aus der WO 2005/060315 ist es bekannt, zwei Teile (Oberteil und Unterteil) eines Kolbens zunächst separat voneinander herzustellen. Diese beiden Teile werden mittels eines Induktionsringes im Bereich ihrer einander zuweisenden Fügezonen aufgeschmolzen und danach die beiden Teile unter Aufbringung einer axialen Kraft zusammengerückt, sodass die beiden Teile im Bereich ihrer aufgeschmolzenen und einander zuweisenden Fügezonen miteinander zusammengefügt werden, wobei eine unlösbare Verbindung dieser beiden Teile zueinander nach dem Erkalten des Fügebereiches erfolgt.
Obwohl ein solches Verfahren zufriedenstellend funktioniert, ist aufgrund des Einbringens der Induktionswärme, die zum Aufschmelzen der Fügezonen erforderlich ist, eine sehr große Energiemenge erforderlich. Außerdem ist das Zusammenbringen von Oberteil und Unterteil durch eine axiale Bewegung (entlang der Kolbenhubachse) aufeinander zu mit der Gefahr verbunden, dass die aufgeschmolzene Fügezone in ihrer Oberfläche nach dem Induktionserwärmen schon geringfügig erkaltet und zumindest bereichsweise eine Haut bildet, die einer optimalen Fügeverbindung entgegensteht. Daher besteht die Gefahr von lokalen Bereichen, die nicht unlösbar miteinander verbunden sind und somit während des Betriebes des Kolbens in dem Zylinder der Brennkraftmaschine Sollbruchstellen darstellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens bereitzustellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eine der Fügezonen des Oberteiles und/oder des Unterteiles durch ein Widerstandsschweißverfahren bis zur Aufschmelzung erwärmt werden und danach die beiden Teile zueinander in Rotation versetzt und axial zusammengedrückt werden.
Zunächst erfolgt die Herstellung von Oberteil und Unterteil separat voneinander. Dies kann in an sich bekannter Weise durch Schmieden, Gießen oder dergleichen erfolgen. Gleiches betrifft die Materialwahl, sodass Oberteil und Unterteil aus gleichen Materialien oder voneinander unterschiedlichen Materialien bestehen können.
Nachdem diese beiden Teile separat voneinander unter Ausbildung von korrespondierenden Fügezonen hergestellt worden sind, erfolgt eine Aufheizung des Oberteiles und/oder des Unterteiles durch Widerstandsschweißen. Durch diesen Prozess wird gezielt die Fügezone des Oberteiles und/oder die Fügezone des Unterteiles bis zur Aufschmelzung erwärmt, wodurch sie für den nächsten Verarbeitungsschritt vorbereitet sind.
Der nächste Verarbeitungsschritt ist darin zu sehen, dass entweder die beiden Teile in Rotation versetzt werden und danach durch Aufbringung einer axialen Kraft (entlang der Kolbenhubachse) zusammengedrückt werden. Alternativ dazu ist es möglich, zunächst die axiale Kraft aufzubringen und die beiden Teile axial zusammenzudrücken, wobei die Rotation erst danach einsetzt. Schließlich ist es denkbar, dass sowohl das Aufbringen der axialen Kraft zum Zusammendrücken der beiden Teile und die Rotationsbewegung nahezu gleichzeitig oder zeitlich kurz voneinander beabstandet einsetzen.
Durch den axialen Pressvorgang und die Rotation wird die aufgeschmolzene Oberfläche der Fügezonen aufgerissen und es entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zunächst durch das Widerstandsschweißverfahren und danach durch das Reibschweißverfahren (Rotation und Zusammendrücken).
Während bisher davon ausgegangen wurde, dass zunächst die Fügezonen durch ein Widerstandschweißverfahren bis zur Aufschmelzung erwärmt werden und nach erfolgter Aufschmelzung das Reibschweißverfahren eingesetzt wird, ist es auch denkbar, schon während der Aufschmelzung der Fügezonen (d.h. während der Durchführung des Widerstandschweißverfahrens) das Reibschweißverfahren zu beginnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kolbens hat den Vorteil, dass durch die Rotationsbewegung der beiden Teile zueinander die aufgeschmolzene Oberfläche der betroffenen Fügezone aufgerissen wird, sodass dadurch eine optimale unlösbare Verbindung der beiden Teile miteinander erfolgt. Es können somit keine lokalen Sollbruchstellen mehr entstehen. Außerdem hat das erfindungsgemäße Verfahren den wesentlichen Vorteil, dass zur Abgrenzung des bekannten auch „Spinduction“ genannten Prozesses die Energieeinbringung in die Fügezonen durch das wesentlich energieärmere Widerstandschweißverfahren erfolgt. Das bedeutet, dass beim Aufschmelzen der Fügezonen mittels Induktionswärme die Energieeinbringung zu etwa 95% durch Induktionswärme erfolgt, während nach der Erfindung die Energie durch Widerstandschweißen eingebracht wird, was zu einer deutlichen Energieeinsparung führt. Neben dieser Energieeinsparung ist auch kein kostenintensiver Hochfrequenz-Generator notwendig.
In Weiterbildung der Erfindung wird das Oberteil und/oder das Unterteil als Anode für das Widerstandschweißverfahren eingesetzt. Das bedeutet, dass kein zusätzliches Werkzeug (wie z.B. der Hochfrequenz-Generator zur Erzeugung der Induktionswärme) erforderlich ist, sondern dass das zumindest eine Teil des Kolbens (Oberteil und/oder Unterteil) als Werkzeug dient. Hierdurch lassen sich insbesondere bei der Serienproduktion von Kolben deutlich die Kosten senken.
In Weiterbildung der Erfindung steht das Oberteil fest und das Unterteil wird in Rotation versetzt oder umgekehrt. Dadurch lässt sich der Herstellprozess optimieren, in dem das eine Teil des Kolbens in ein Werkzeug eingespannt wird (und insbesondere gleichzeitig als Anode dient), während das andere Teil in Rotation versetzt wird. Hierbei ist es für das Zusammendrücken denkbar, dass beide Teile aufeinander zubewegt werden, dass das feststehende Teil nicht bewegt wird und das rotierende Teil auf das feststehende Teil bewegt wird oder dass das rotierende Teil in einer Ebene verbleibt, wobei das feststehende Teil auf das in der feststehenden Ebene rotierende Teil gedrückt wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird der Kolbenrohling, bestehend aus den mit dem Oberteil unlösbar gefügten Unterteil, zu einem betriebsbereiten Kolben fertigbearbeitet. Nachdem die beiden separat voneinander hergestellten Teile mit dem Verfahren nach der Erfindung unlösbar zusammengefügt worden sind, ist es von Vorteil, dass dieses Verfahren keine deutlichen Reibschweißwülste erzeugt, sondern lediglich eine umlaufende erhabene Stelle. Je nach Lage der Fügezonen ist es denkbar, die entstehenden minimalen Wülste entweder zu belassen (wenn sie beim Betrieb des Kolbens nicht stören) oder aber zu entfernen (insbesondere dann, wenn die Fügezonen nahe am Außenumfang des Kolbens angeordnet sind).
In an sich bekannter Weise umfasst das Oberteil ein Ringfeld, optional beispielsweise einen Kühlkanal und/oder eine Brennraummulde und ggf. weitere Elemente des Kolbens. Das Unterteil umfasst ebenfalls in an sich bekannter Weise Elemente wie Kolbenschaft (oder tragende diametral gegenüberliegende Schaftwandabschnitte), Bolzenbohrungen, Bolzennaben, ggf. Verbindungswände und dergleichen.
Die Fügezonen des Oberteiles und des Unterteiles werden beispielsweise durch aufeinander zuweisende umlaufende Stege gebildet, wobei auch mehr als ein gemeinsamer Fügebereich (z.B. zwei konzentrisch ineinander liegende Fügebereiche) vorhanden sein können. Dies ist jedoch nur beispielhaft, sodass es auf die Ausgestaltung der zumindest einen Fügezone des Oberteiles und des Unterteiles nicht ankommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/060315 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolben, wobei ein zumindest eine Fügezone aufweisendes Oberteil und ein zumindest eine Fügezone aufweisendes Unterteil separat voneinander gefertigt und danach unlösbar miteinander im Bereich der Fügezonen mittels eines Fügeverfahrens zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Fügezonen des Oberteiles und/oder des Unterteiles durch ein Widerstandsschweißverfahren bis zur Aufschmelzung erwärmt werden und danach die beiden Teile zueinander in Rotation versetzt und axial zusammengedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil und/oder das Unterteil als Anode für das Widerstandsschweißverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil feststeht und das Unterteil in Rotation versetzt wird oder umgekehrt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenrohling, bestehend aus dem mit dem Oberteil unlösbar gefügten Unterteil, zu einem betriebsbereiten Kolben fertig bearbeitet wird.