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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen
U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/846069 , eingereicht am 10. Mai 2019, deren Offenbarung durch Bezugnahme integriert ist, als wäre sie hierin vollständig beschrieben.
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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines Mittelgliedes einer Pleuelstange für einen Motor mit variablem Hubraum.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen mit Bezug zur vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht unbedingt Stand der Technik sind.
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Das Bruchtrennen ist eine relativ häufige Technik, die bei der Herstellung von Pleuelstangen und Komponenten, wie z. B. Motorblöcken und Zylinderköpfen, eingesetzt wird, wobei eine Kappe von einer anderen Komponente getrennt wird. Kurz gesagt, das Bruchtrennen wird bei Werkstücken angewandt, bei denen Kappe und Komponente einstückig und integral geformt sind. Bei diesem Verfahren wird ein Bruchwerkzeug verwendet, das in eine Bohrung im Werkstück eingeführt wird. Das Bruchwerkzeug wird betätigt, um einen Bruch zwischen der Kappe und der Komponente zu initiieren, der von der Bohrung nach außen hin austritt. Im Gegensatz zu Baugruppen, bei denen eine Kappe und ein Gegenstück separat hergestellt und montiert werden, ist die Bruchtrennung vorteilhaft, weil sie relativ kostengünstiger ist und die unebene Oberfläche des Bruchs eine sehr präzise und stabile Verbindung mit Oberflächen mit zusammenpassenden Spitzen und Tälern bietet, die ineinander greifen.
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Bei bestimmten Komponenten führt die Konstruktion des Werkstücks und/oder die Materialeigenschaften des Metalls, aus dem das Werkstück geformt wird, und/oder die Wärmebehandlung des Werkstücks dazu, dass sich der Bruch in unerwünschter Weise ausbreitet, wenn die Kappe aus dem Bauteil herausgebrochen wird. In solchen Situationen kann es notwendig sein, vor dem Bruchtrennvorgang Abhilfemaßnahmen zu ergreifen, wie z. B. das Einarbeiten von V-Nuten in die Außenflächen des Werkstücks. Obwohl solche Abhilfemaßnahmen für eine bestimmte Kappe und Komponente notwendig sein können, sind sie dennoch unerwünscht, da sie die Kosten für den fertigen Artikel tendenziell erhöhen.
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KURZDARSTELLUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfanges oder aller ihrer Merkmale.
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In einer Form bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: das Formen eines ungesinterten Werkstücks aus einem pulverförmigen Metallmaterial, wobei das ungesinterte Werkstück einen Körper aufweist, der allgemein als Parallelepiped mit einer peripheren Endfläche und einem Paar Endflächen, die durch die periphere Endfläche voneinander getrennt sind, geformt ist, wobei der Körper eine erste Bohrung, eine zweite Bohrung, eine dritte Bohrung, ein Paar V-Kerben und ein Paar Kanäle definiert, wobei die erste, zweite und dritte Bohrung jeweils eine senkrecht zu den Endflächen verlaufende Mittelachse haben, wobei die Mittelachsen der ersten, zweiten und dritten Bohrung in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, sodass die zweite Bohrung zwischen der ersten und dritten Bohrung angeordnet ist, wobei die V-Kerben in die zweite Bohrung parallel zur Mittelachse der zweiten Bohrung eingeformt sind und zusammenwirken, um eine Trennebene zu definieren, die von der gemeinsamen Ebene um die Mittelachse der zweiten Bohrung um einen vorbestimmten Versatzwinkel versetzt ist, wobei der vorbestimmte Versatzwinkel ein spitzer Flächenwinkel zwischen der Trennebene und der gemeinsamen Ebene ist, worin ein Abstand zwischen der zweiten Bohrung und der peripheren Endfläche entlang der Trennebene größer als ein Mindestabstand zwischen der zweiten Bohrung und der peripheren Endfläche ist, wobei jeder der Kanäle in einer der zugehörigen Endflächen an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Trennebene die Endfläche schneidet; Sintern des ungesinterten Werkstücks, um ein gesintertes Werkstück zu bilden; Schmieden des gesinterten Werkstücks, um ein geschmiedetes Werkstück zu bilden, bei dem die Kanäle im Wesentlichen geschlossen sind; Einführen eines Bruchwerkzeuges in die zweite Bohrung; und Auseinandertreiben des Bruchwerkzeuges, während das Bruchwerkzeug in die zweite Bohrung eingeführt wird, um das geschmiedete Werkstück entlang der Trennebene in erste und zweite geschmiedete Komponenten zu brechen.
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In einer anderen Form bieten die vorliegende Lehren ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: das Formen eines ungesinterten Werkstücks aus einem pulverförmigen Metallmaterial, wobei das ungesinterte Werkstück einen Körper mit einer peripheren Endfläche und einem Paar von Endflächen aufweist, die durch die periphere Endfläche voneinander getrennt sind, wobei der Körper eine erste Bohrung, eine zweite Bohrung, eine dritte Bohrung, ein Paar Kerben und ein Paar Kanäle definiert, wobei die erste, zweite und dritte Bohrung jeweils eine senkrecht zu den Endflächen verlaufende Mittelachse haben, wobei die Mittelachsen der ersten, zweiten und dritten Bohrung in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, sodass die zweite Bohrung zwischen der ersten und dritten Bohrung angeordnet ist, wobei die Kerben in die zweite Bohrung parallel zur Mittelachse der zweiten Bohrung eingeformt sind und zusammenwirken, um eine Trennebene zu definieren, die von der gemeinsamen Ebene um die Mittelachse der zweiten Bohrung um einen vorbestimmten Versatzwinkel versetzt ist, wobei der vorbestimmte Versatzwinkel ein spitzer Flächenwinkel zwischen der Trennebene und der gemeinsamen Ebene ist, wobei jeder der Kanäle in einer der zugehörigen Endflächen an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Trennebene die Endfläche schneidet; Sintern des ungesinterten Werkstücks, um ein gesintertes Werkstück zu bilden; Schmieden des gesinterten Werkstücks, um ein geschmiedetes Werkstück zu bilden, bei dem die Kanäle zumindest im Wesentlichen geschlossen sind; Einführen eines Bruchwerkzeuges in die zweite Bohrung; und Auseinandertreiben des Bruchwerkzeuges, während das Bruchwerkzeug in die zweite Bohrung eingeführt wird, um das geschmiedete Werkstück entlang der Trennebene in erste und zweite geschmiedete Komponenten zu brechen.
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Weitere Anwendungsbereiche gehen aus der Beschreibung, die hierin bereitgestellt ist, hervor. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Kurzdarstellung sollen lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung dienen und den Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
- 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines beispielhaften Artikels, der gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung gefertigt ist;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines ungesinterten Werkstücks aus verdichtetem pulverisiertem Metall, das gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung gefertigt wurde;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines gesinterten, geschmiedeten und bearbeiteten Werkstücks, das gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung gefertigt wurde; und
- 4 ist eine schematische Darstellung des gesinterten, geschmiedeten und bearbeiteten Werkstücks, das in einer Spannvorrichtung montiert ist, die so ausgebildet ist, dass sie einen Bruchvorgang durchführt, um das Werkstück in eine erste und eine zweite Komponente zu trennen.
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Entsprechende Bezugsziffern kennzeichnen die jeweiligen Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Bildung eines Artikels aus einem pulverförmigen Metallmaterial. Das pulverförmige Metallmaterial wird in einer Form verdichtet, um ein ungesintertes Werkstück zu bilden, das ungesinterte Werkstück wird gesintert, um ein gesintertes Werkstück zu bilden, das gesinterte Werkstück wird geschmiedet, um ein geschmiedetes Werkstück zu bilden, das geschmiedete Werkstück wird bearbeitet und das bearbeitete geschmiedete Werkstück wird danach entlang einer Trennebene gebrochen, um Komponenten des Artikels zu bilden, die zusammengefügt werden können.
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Bezugnehmend auf 1 wird ein exemplarischer (fertiger) Artikel, der gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung gefertigt wurde, allgemein durch die Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Der Artikel 10 hat erste und zweite Komponenten 12 und 14, die mit einem Paar Schrauben 16 zusammen befestigt werden. In dem angegebenen Beispiel ist der Artikel 10 ein Mittelglied für eine Pleuelstange mit variablem Hub, es versteht sich jedoch, dass der Artikel 10 anders ausgeführt werden könnte. Der (fertige) Artikel könnte zum Beispiel eine (Festhub-)Pleuelstange für einen Motor sein. Der Artikel 10 weist einen Körper 20 auf, der im Allgemeinen die Form eines Parallelepipeds aufweist und über ein Paar gegenüberliegender axialer Endflächen 22 verfügt, die durch eine Umfangskante 24 voneinander getrennt sind. Der Körper 20 definiert eine erste Bohrung 30, eine zweite Bohrung 32 und eine dritte Bohrung 34, von denen jede eine Mittelachse 36, 38 bzw. 40 hat, die im Allgemeinen senkrecht zu den Endflächen 22 stehen und sich durch diese erstrecken. Die Mittelachsen 36, 38 und 40 sind in einer gemeinsamen Ebene 44 angeordnet, sodass die zweite Bohrung 32 zwischen der ersten und dritten Bohrung 30 und 34 angeordnet ist. Um jede der ersten, zweiten und dritten Bohrungen 30, 32 und 34 ist an den Endflächen 22 jeweils eine ringförmige Druckfläche 46 angeordnet. Jede ringförmige Druckfläche 46 ist ein relativ flacher Bereich, der an eine zugehörige der ersten, zweiten und dritten Bohrungen 30, 32 und 34 angrenzt. Die ringförmigen Druckflächen 46 an einer gegebenen der Endflächen 22 können in einer oder mehreren Ebenen angeordnet werden, die im Allgemeinen parallel zu den Endflächen 22 und senkrecht zu den Mittelachsen 36, 38 und 40 angeordnet werden können. Die erste und zweite Komponente 12 und 14 sind entlang einer Trennebene 48 voneinander getrennt (d. h. gebrochen). Die Trennebene 48 ist von der gemeinsamen Ebene 44 um die Mittelachse 38 der zweiten Bohrung 32 um einen vorgegebenen Versatzwinkel 50 versetzt. Der vorbestimmte Versatzwinkel 50 ist ein spitzer Flächenwinkel zwischen der Trennebene 48 und der gemeinsamen Ebene 44. Ein erster Abstand 52 zwischen der zweiten Bohrung 32 und der Umfangskante 24 entlang der Trennebene 48 ist größer als ein zweiter oder Mindestabstand 54 zwischen der zweiten Bohrung 32 und der Umfangskante 24. Der Artikel 10 wird zunächst aus verdichtetem Metallpulver geformt und wird anschließend gesintert, geschmiedet und bearbeitet, bevor die erste und zweite Komponente 12 und 14 durch einen Bruchvorgang getrennt werden.
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In 2 wird das ungesinterte Werkstück allgemein durch die Bezugsziffer 10a angezeigt. Das ungesinterte Werkstück 10a wird aus einem geeigneten pulverförmigen Metallmaterial, wie z.B. HS250, HS200 oder HS170, geformt, das in einer Form (nicht abgebildet) verdichtet wurde und im Allgemeinen in seiner Form dem Artikel 10 der 1 ähnelt, mit Ausnahme der Dimensionierung bestimmter Merkmale und der Bereitstellung eines Paares von V-Kerben 70 und eines Paares von Kanälen 72. Die V-Kerben 70 werden in die zweite Bohrung 32a parallel zur Mittelachse 38 der zweiten Bohrung 32a eingeformt und wirken zusammen, um die Trennebene 48 zu definieren. Jeder der Kanäle 72 ist in einer zugehörigen der Endflächen 22a ausgebildet. Hinsichtlich der Dimensionierung der verschiedenen Merkmale am ungesinterten Werkstück 10a können innere Merkmale wie die erste, zweite und dritte Bohrung 30a, 32a bzw. 34a etwas kleiner als die erste, zweite und dritte Bohrung 30, 32 und 34 ( 1) im Artikel 10 (1) dimensioniert werden, während verschiedene äußere Merkmale wie die Dicke des ungesinterten Werkstücks 10a etwas dicker als die Dicke des Artikels 10 ( 1) sein können. Jeder der Kanäle 72 ist in einer der zugehörigen Endflächen 22a ausgebildet und entlang eines Weges angeordnet, bei dem die Trennebene 48 die zugehörige der Endflächen 22a schneidet. Die Kanäle 72 können relativ klein sein, mit einer Breite und Tiefe von weniger oder gleich 3 mm und vorzugsweise weniger oder gleich 2 mm. Die Kanäle 72 können sich durchgehend vollständig über die Endflächen 22a erstrecken, oder sie können sich intermittierend über die Endflächen 22a erstrecken. Im vorliegenden Beispiel hat jeder der Kanäle 72 eine quadratische oder rechteckige seitliche Querschnittsform mit einer ebenen Bodenfläche und gegenüberliegenden Seitenwänden, die senkrecht zur Bodenfläche stehen. Es versteht sich jedoch, dass die seitliche Querschnittsform eines oder beider Kanäle 72 etwas anders sein kann als hier dargestellt. Beispielsweise könnte die seitliche Querschnittsform eines oder beider Kanäle 72 ganz oder teilweise durch einen Radius definiert werden. Als weiteres Beispiel könnte die seitliche Querschnittsform eines oder beider Kanäle 72 eine im Wesentlichen V-förmige Bodenfläche aufweisen.
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Das ungesinterte Werkstück 10a wird gesintert, um das pulverisierte Metall dauerhaft zu verschmelzen. Danach wird das gesinterte Werkstück in einem Warmschmiedevorgang bearbeitet, sodass das geschmiedete Werkstück eine volle Dichte besitzt. Während des Warmschmiedens sind die Kanäle 72 in den Endflächen 22a zumindest im Wesentlichen geschlossen (d. h. Material, das an den Kanal 72 angrenzt, wird verdichtet und/oder in den durch den Kanal 72 definierten Raum eingetrieben). Optional können die V-Kerben 70 während des Warmschmiedens geschlossen oder im Wesentlichen geschlossen werden.
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In 3 wird das geschmiedete Werkstück 10b danach wie gewünscht bearbeitet. Beispielsweise können die erste, zweite und dritte Bohrung 30, 32 und 34 auf Endmaß bearbeitet werden, ebenso wie andere Merkmale, wie z. B. die Dicke des geschmiedeten Werkstücks. Zusätzlich können in das geschmiedete Werkstück 10b Bolzenlöcher 80 geformt (z. B. gebohrt und mit Gewinde versehen) werden. Die Bolzenlöcher 80 können in die Umfangskante 24 eingeformt und senkrecht zur Trennebene 48 (1) angeordnet werden.
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Unter Bezugnahme auf 4 kann das bearbeitete geschmiedete Werkstück 10c in einer Bruchmaschine 90 bearbeitet werden, die über einen Spannbereich 100, einen Dorn 102 und einen Keil 104 verfügt. Der Spannbereich 100 ist entweder allein oder in Verbindung mit dem Dorn 102 so ausgebildet, dass er das bearbeitete geschmiedete Werkstück 10c so ausrichtet, dass die Trennebene 48 in einer vorgegebenen Ausrichtung angeordnet ist. Der Dorn 102 weist erste und zweite Dornabschnitte 110 bzw. 112 auf, die als horizontale zylindrische Segmente ausgebildet sind, die auf den Durchmesser der zweiten Bohrung 32 bemessen sind. Der erste und der zweite Dornabschnitt 110 und 112 können symmetrisch um die Trennebene 48 angeordnet sein und in der zweiten Bohrung 32 passend aufgenommen werden. Einer der ersten und zweiten Dornabschnitte 110 und 112 kann in einem stationären, festen Zustand gehalten werden (z. B. fest am Spannbereich 100 montiert), während der andere der ersten und zweiten Dornabschnitte 110 und 112 relativ zum stationären der ersten und zweiten Dornabschnitte 110 und 112 um eine Reaktionsachse 120 beweglich sein kann, die senkrecht zur Mittelachse 38 der zweiten Bohrung 32 verläuft. Der Keil 104 wird zwischen dem ersten und zweiten Dornabschnitt 110 und 112 aufgenommen und ist entlang einer Keiltranslationsachse 130 beweglich, die parallel zur (z. B. übereinstimmend mit der) Mittelachse 38 der zweiten Bohrung 32 verläuft.
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Mit einem bearbeiteten geschmiedeten Werkstück 10c, das im Spannbereich 100 positioniert und über dem Dorn 102 angeordnet ist, kann der Keil 104 in den ersten und zweiten Dornabschnitt 110 und 112 verschoben werden, um den beweglichen der ersten und zweiten Dornabschnitte 110 und 112 von dem anderen der ersten und zweiten Dornabschnitte 110 und 112 wegzutreiben und einen Bruch in dem bearbeiteten geschmiedeten Werkstück 10c auszulösen, der die ersten und zweiten Komponenten 12 und 14 voneinander trennt. In diesem Zusammenhang führen Spannungsrisse, die durch das Vorhandensein der zumindest im Wesentlichen geschlossenen V-Kerben 70 (2) in der zweiten Bohrung 32 und den zumindest im wesentlichen geschlossenen Kanälen 72 (2) im ungesinterten Werkstück 10a (2) erzeugt werden, den Bruch zwischen der ersten und zweiten Komponente 12 und 14 effektiv so, dass er nominell entlang der Trennebene 48 auftritt.
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Mit erneuter Bezugnahme auf 1 können die erste und die zweite Komponente 12 und 14 im Anschluss an den Bruchvorgang miteinander verbunden werden und zur Sicherung der ersten und zweiten Komponente 12 und 14 können Schrauben 16 verwendet werden. Falls gewünscht, weitere Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. die Fertigbearbeitung einer oder mehrerer der ersten, zweiten und dritten Bohrungen 30, 32 und 34 und/oder das Hinzufügen von Zapfenschlitzen (nicht speziell dargestellt) für Lagerschalen in die ersten und zweiten Komponenten 12 und 14. Es versteht sich jedoch, dass alle für die Formung des Artikels 10 erforderlichen Bearbeitungen nach dem Warmschmiedevorgang und vor dem Bruchvorgang durchgeführt werden können.
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Aus der vorstehenden Erörterung erkennt ein Fachmann, dass die Lehren der vorliegenden Offenbarung dazu verwendet werden können, (fertige) Artikel zu formen, die eine Geometrie aufweisen, die eine Bohrung enthält, über die sich ein Bruch erstreckt, die aber anders geformt ist als der Artikel 10. In dieser Hinsicht kann ein ungesintertes Werkstück aus einem pulverförmigen Metallwerkstoff geformt werden und eine Bohrung definieren, die ein Paar von Endflächen schneidet, ein Paar von V-Kerben, die parallel zu einer Mittelachse der Bohrung in die Bohrung eingeformt werden und zusammenwirken, um eine Trennebene zu definieren, und ein Paar von Kanälen, die jeweils in einer zugeordneten der Endflächen an einer Stelle gebildet werden, an der die Trennebene eine zugehörige der Endflächen schneidet; das ungesinterte Werkstück kann gesintert werden, um ein gesintertes Werkstück zu bilden; das gesinterte Werkstück kann geschmiedet werden, um ein geschmiedetes Werkstück zu bilden, bei dem die Kanäle im Wesentlichen geschlossen sind; ein Bruchwerkzeug kann in die Bohrung eingeführt werden; und das Bruchwerkzeug kann auseinandergetrieben werden, während es in die Bohrung eingeführt wird, um das geschmiedete Werkstück entlang der Trennebene in erste und zweite geschmiedete Komponenten zu brechen.
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Die vorangehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Sie ist nicht als vollständig anzusehen und gilt nicht als Einschränkung für die Offenbarung. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind allgemein nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls untereinander austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform benutzt werden, selbst wenn dies nicht speziell dargestellt oder beschrieben ist. Diese können auch auf viele Weisen variiert werden. Solche Abwandlungen sollen nicht als Abkehr von der Offenbarung angesehen werden, und alle diese Änderungen sollen in den Geltungsbereich der Offenbarung einbezogen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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