DE10256591B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Oberflächenkonturieren von Rohren als Rohlinge von Zylinderlaufbuchsen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Oberflächenkonturieren von Rohren (4) als Rohlinge von Zylinderlaufbuchsen (16), wobei ein Rohr (4) durch einen linearen Vorschub (V) über einen Abstreckdorn (6) geführt wird, das Rohr (4) einer Rotation um seine Körperachse unterzogen wird, wobei an seiner Außenseite durch eine das Rohr (4) radial beaufschlagende Vorrichtung spiralförmige Rillen (18) ausgeformt werden, die die Oberflächenkonturierung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass am Rohr (4) mittels der Vorrichtung in einem Rundknetprozess unter Durchmesserreduzierung des Rohres (4) die Rillen (18) ausgeformt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenkonturieren von Rohren nach Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung zum Oberflächenkonturieren von Rohren nach Anspruch 7.
• Moderne Hubkolbenmotoren sind in den meisten Fällen mit Zylinderlaufbuchsen ausgestattet. Die Zylinderlaufbuchsen werden in ein Zylinderkurbelgehäuse eingegossen, wobei die Anbindung zwischen dem Gießmetall und der Zylinderlaufbuchse stets eine gießtechnische Herausforderung darstellt.
• Insbesondere bei Zylinderlaufbuchsen auf Aluminiumbasis befindet sich auf der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse eine Oxidschicht, die eine metallische Verbindung zwischen dem Gießmetall und der Zylinderlaufbuchse erschwert.
• Als Gegenmaßnahme wurde schon mehrfach vorgeschlagen, die Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse aufzurauen oder mit einer Konturierung auszustatten. Die DE 197 50 687 A1 beschreibt beispielsweise eine Zylinderlaufbuchse, die mit einer Rillierung versehen ist, die mit Drehmeißeln eingebracht wird. Diese Rillierung verbessert die Anbindung zwischen dem Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderlaufbuchse wirksam. Sie bedeutet jedoch einen erheblichen prozesstechnischen Mehraufwand bei der Fertigung der Zylinderlaufbuchse, der ökonomisch nicht vertretbar ist.
• Die DE 199 18 230 C2 beschreibt ein Verfahren, wie eine Oberflächenkonturierung auf die Außenseite eines Rohres aufgebracht werden kann. Generell wird bei allen dort angegebenen Ausführungsbeispielen der Rohrrohling auf einen Stützdorn aufgefädelt. Bei einem der Beispiele, welches insbesondere aus 2 und im Text aus Spalte 5, Zeilen 17 bis 49 entnommen werden kann, wird zum Aufbringen der Oberflächenkonturierung eine Vorrichtung verwandt, die einen Prägekopf aufweist, der mit Prägesegmenten bestückt ist. Durch die Beaufschlagung der Außenseite des Rohres mittels der Prägesegmente wird an dieser eine Vielzahl von parallel verlaufenden Umfangsrillen erzeugt.
• Unabhängig von dem genannten Ausführungsbeispiel zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Druckschrift gemäß der 5 und im Text nach Spalte 7, Zeilen 50 ff. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oberflächenkonturieren eines Rohres, wobei die Vorrichtung aus Gewinderollen besteht, die an der Außenseite des Rohres, das in Rotation versetzt wird und axial gleichzeitig vorwärts bewegt wird, anliegen. Hierbei wird eine Gewindestruktur in die Außenfläche des Rohres eingerollt, die spiralförmigen Rillen entspricht.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch das bzw. durch die eine im Vergleich zum Stand der Technik günstige Oberflächenkonturierung mit geringeren technischen Aufwand in eine Zylinderlaufbuchse eingebracht werden kann.
• Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Rundkneten von Rohren nach Anspruch 1 sowie in einer Vorrichtung nach Anspruch 7.
• Das erfindungsgemäße verfahren basiert auf dem Verfahren zum Rundkneten von Rohren. Hierzu wird ein metallisches Rohr mit einem linearen Vorschub auf einen Abstreckdorn gezogen. Gleichzeitig wird auf eine Außenseite des Rohres durch Rund knetbacken eine Oberflächenkonturierung in Form von spiralförmigen Rillen auf das Rohr aufgebracht. Die Verfahrensparameter bezüglich Vorschub und Rotationsgeschwindigkeit des Rohres und/oder der Rundknetbacken sind derart eingestellt, dass die Rillen bezüglich der Rohrlängsachse eine Steigung zwischen 30 mm und 100 mm aufweisen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sowohl das Rohr als auch die Rundknetbacken oder beide gemeinsam eine Rotationsbewegung beschreiben.
• Nach einem Vereinzeln der Zylinderlaufbuchse von dem Rohr wirken sich die spiralförmigen Rillen mit der genannten Steigung vorteilhaft beim Eingießen der Zylinderlaufbuchse in ein Kurbelgehäuse aus. Die Rillen bewirken, dass durch ein flüssiges Gießmetall (Schmelze) eine Oxidhaut auf der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse aufgebrochen wird, diese sich mit der Schmelze vermischt und somit eine bessere Verbindung zwischen der erstarrten Schmelze und der Zylinderlaufbuchse bewirkt wird.
• Die spiralförmigen Rillen weisen bevorzugt eine Profiltiefe zwischen 0,1 mm und 1,5 mm auf, besonders bevorzugt beträgt die Profiltiefe zwischen 0,3 bis 1,3 mm.
• Der Radius der Rillen in einem Rillental und/oder einem Rillenberg beeinflusst ebenfalls die Bewegung der Schmelze und somit das Aufbrechen der Oxidhaut. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Radius zwischen 0,1 mm und 0,3 mm beträgt.
• Der Abstand der Rillen zueinander beeinflusst ebenfalls die Strömung der Schmelze, es hat sich ein Abstand als zweckmäßig erwiesen, der zwischen 0,3 mm und 8 mm liegt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für Aluminium-Legierungen, insbesondere für übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen geeignet. Zylinderlaufbuchse aus derartigem Material sind besonders verschleißbeständig. Aber auch auf Zylinderlaufbuchsen auf Eisenbasis ist die Erfindung anwendbar.
• Zur optimalen Einbringung und Umformung des Rohrs wird dieses zum Rundkneten bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 300°C und 520°C, bevorzugt zwischen 400° C und 520° C erwärmt.
• Ein weiterer Bestandteil der Erfindung liegt in einer Vorrichtung zum Rundkneten eines Rohres nach Anspruch 7. Die Vorrichtung weist einen Abstreckdorn auf, der zur Aufnahme eines Rohres dient. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens einen, in der Regel mindestens zwei Rundknetbacken, die an Berührungsflächen mit einer Rohraußenseite eine Konturierung in Form von spiralförmigen Rillen aufweisen.
• Die Rillen sind bezüglich der Rohrmittelachse, die auch identisch mit der Vorschubrichtung ist, zwischen 30° und 89° angewinkelt. Dies hat zur Folge, dass spiralförmige Rillen, die während des Rundknetprozesses auf das Rohr aufgebracht werden, eine Steigung beschreiben. Die Steigung der spiralförmigen Rillen wirkt sich positiv auf das Eingießverhalten einer aus dem Rohr gefertigten Zylinderlaufbuchse in ein Zylinderkurbelgehäuse aus.
• Die Rillen weisen in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform eine Profiltiefe zwischen 0,1 mm und 1,5 mm auf.
• Ebenfalls positiv auf das Eingießverhalten der Zylinderlaufbuchse wirkt sich ein Radius der Rillen an einem Rillental und/oder einem Rillenberg aus, wenn der Radius zwischen 0,1 mm und 0,3 mm beträgt.
• Der Abstand der Rillen auf den Rundknetbacken beträgt zwischen 0,3 mm und 8 mm. Der optimale Abstand hängt vom Rohrmaterial und dessen möglichen Bearbeitungsgeschwindigkeit (gleich Vorschubgeschwindigkeit) ab. In vorteilhafter Ausges taltung sind auf einem Rundknetbacken zwischen zwei und zehn Rillen angeordnet.
• Es ist zweckmäßig, die Rundknetbacken bezüglich des Rohres drehbar zu lagern, so wird die Umlaufgeschwindigkeit erhöht.
• Eine Anwendung der Erfindung liegt in einer Zylinderlaufbuchse, die an ihrer Außenseite spiralförmige Rillen aufweist. Die spiralförmigen Rillen sind derart ausgestaltet, dass sie pro Umdrehung eine Steigung von 30 mm und 100 mm aufweisen und in einem Abstand zwischen 0,3 mm und 8 mm verlaufen. Rillen mit dieser Steigung und in dieser Dichte auf einer Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse haben sich als besonders günstig für das Eingießverhalten von Zylinderlaufbuchsen in Zylinderkurbelgehäuse erwiesen.
• Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine Vorrichtung zum Rundkneten von Rohren,
• 2 eine perspektivische Darstellung eines Rundknetbackens und
• 3 eine Zylinderlaufbuchse mit spiralförmigen Rillen.
• In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung weist zwei Rundknetbacken 2 und einen Abstreckdorn 6 auf, zwischen denen ein im Durchmesser zu reduzierendes Rohr 4 mit einem Vorschub V und einer Rotation R verläuft. Im vorliegenden Beispiel sind die Rundknetbacken 2 ebenfalls drehbar gelagert (R').
• Die Rundknetbacken 2 und der Abstreckdorn 6 weisen Abschrägungen (sogenannte Einzugsschrägen) 8 und 6 auf, die zum Einführen des Rohres 4 in die Rundknetvorrichtung und im Weiteren zur Durchmesserreduzierung dienen.
• Die Rundknetbacken 2 weisen Rillen 12 auf, die auf den Rundknetbacken 2 bezüglich der Vorschubrichtung V im Winkel α angeordnet sind (2). Der Winkel α ist abhängig von einer Vorschubgeschwindigkeit entlang V und von Rotationsgeschwindigkeiten entlang der Richtungen R und R'. Der Winkel α kann im Zusammenwirken mit diesen Parametern zwischen 30° und 89° betragen.
• Die Abstimmung der Parameter V, R und R' mit α erfolgt so, dass auf dem Rohr Rillen 18 abgebildet werden, die pro Umdrehung eine Steigung zwischen 30 mm und 100 mm aufweisen. Zur besseren Einbringung der Rillen 18 führen die Rundknetbacken 2 eine Hämmerbewegung 11 aus.
• Die Rillen 12 auf den Rundknetbacken 2 weisen eine Tiefe von 1 mm auf. Grundsätzlich variieren die Rillentiefen bei verschiedenen Anwendungen zwischen 0,1 mm und 1,5 mm. Die Rillen 12 sind im vorliegenden Beispiel als Vertiefungen im Rundknetbacken 2 ausgestaltet, wie dies in 1 dargestellt ist. Dies führt zu hervorstehenden Konturen in Rohr 4 bzw. in der Zylinderlaufbuchse 16. Rillen 12 als Vertiefungen im Rundknetbacken 2 weisen den Vorteil eines geringeren Verschleißes im Rundknetbacken 2 auf. Die Rillen 12 im Rundknetbacken 2 können auch als Erhebungen ausgestaltet sein, was das Einbringen einer Struktur in das Rohr 4 erleichtert. Ferner ist eine Kombination aus Erhöhungen und Vertiefungen zweckmäßig, was bedeutet, dass das Rillental der Rille 12 bezüglich einer Oberfläche des Rundknetbacken 2 als Vertiefung vorliegt und der Rillenberg als Erhöhung gegenüber der Rundknetbackenoberfläche ausgebildet ist.
• Ebenfalls zur Verschleißminimierung sind die Rillen 12 in einem hinteren Bereich des Rundknetbackens 2 angeordnet, da in einem vorderen Bereich, nahe der Neigung 8 beim Einführen des Rohres 4 der Verschleiß an den Rundknetbacken 2 am höchsten ist.
• Die Rillen 12 sind bevorzugt mit einem Radius an einem Rillental und einem Rillenberg ausgestaltet, was ebenfalls verschleißminimierend wirkt. Der Radius beträgt in der Regel zwischen 0,1 mm und 0,3 mm und ist von der Rillentiefe abhängig.
• Ein weiterer Parameter, durch den die Rillenstruktur auf einer Zylinderlaufbuchse beeinflusst wird, ist der Abstand x zwischen den Rillen 12. Der Abstand x beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 8 mm, in der Regel zwischen 0,5 mm und 3 mm.
• Grundsätzlich ist es auch zweckmäßig, dass die Rillen auf den beiden Rundknetbacken 2 in entgegengesetzter Richtung verlaufen, was zur Folge hat, dass auf dem Rohr eine Kreuzstruktur abgebildet wird.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rohr 4 zwischen den Rundknetbacken 2 und dem Abstreckdorn 6 unter erhöhter Temperatur hindurchgeknetet. Bei dem Rohr 4 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung. Die Temperatur des Rohres 4 beträgt während des Rundknetens vorzugsweise zwischen 400° C und 520° C. Dieser Temperaturbereich ist legierungsabhängig, wobei es sich bei den Legierungen auch um Legierungen auf Eisenbasis handeln kann.
• Durch die Vorschub- und Drehbewegung R, R' wird die Rillenstruktur 12 der Rundknetbacken 2 auf eine äußere Oberfläche 14 des Rohrs 4 übertragen. Bei der Rillenstruktur 18 auf dem Rohr 4 handelt es sich um eine negative Abbildung der Rillenstruktur 12 der Rundknetbacken 2.
• Das Rohr 4 wird in einem weiteren, hier nicht dargestellten Arbeitsgang in Zylinderlaufbuchsen 16 vereinzelt. Die Zylinderlaufbuchsen 16 tragen ebenfalls die spiralförmigen Rillen 18. Die Zylinderlaufbuchse 16 wird in ein Gießwerkzeug für ein Zylinderkurbelgehäuse eingelegt und mit flüssigem Metall (in der Regel eine Aluminiumlegierung) umgossen. Durch die Rillen 18 wird die Oberfläche der Zylinderlaufbuchse 16 erhöht, wodurch wiederum die Anbindungsfläche zwischen dem (erstarrten) Metall des Zylinderkurbelgehäuses und der Zylinderlaufbuchse 16 vergrößert wird und die Anbindung verbessert wird.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse besteht darin, dass das flüssige Metall (Schmelze) beim Entlangströmen an der Zylinderlaufbuchsen stets in turbulenter Strömung gehalten wird. Eine turbulente Strömung führt dazu, dass eine Oxidhaut, die unweigerlich an der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse vorhanden ist und die Anbindung der erstarrenden Schmelze an die Zylinderlaufbuchse erschwert, aufgebrochen wird.
• Somit ist eine turbulente Strömung für eine gute Anbindung der Zylinderlaufbuchsen an das restliche Zylinderkurbelgehäuse mitverantwortlich. Eine gute Anbindung zwischen Zylinderlaufbuchsen und Zylinderkurbelgehäuse führt zu einem besseren Wärmeaustausch sowie zu einer homogeneren Temperaturverteilung im Bereich der Zylinderlaufbuchse und unter Berücksichtigung einer längeren Kausalkette auch zu einem geringern Kraftstoffverbrauch.
• Es hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäß angegebenen Werte über die Steigung der spiralförmigen Rillen besonders gut geeignet sind, eine turbulente Strömung der Schmelze entlang der Zylinderlaufbuchsen zu gewährleisten. Die Erfindung trägt somit indirekt zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei und zudem werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung Produktionskosten eingespart, da die Oberflächenstrukturierung in einem Arbeitsschritt mit der Formgebung der Zylinderlaufbuchsen erfolgt und kein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Oberflächenkonturieren von Rohren (4) als Rohlinge von Zylinderlaufbuchsen (16), wobei ein Rohr (4) durch einen linearen Vorschub (V) über einen Abstreckdorn (6) geführt wird, das Rohr (4) einer Rotation um seine Körperachse unterzogen wird, wobei an seiner Außenseite durch eine das Rohr (4) radial beaufschlagende Vorrichtung spiralförmige Rillen (18) ausgeformt werden, die die Oberflächenkonturierung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass am Rohr (4) mittels der Vorrichtung in einem Rundknetprozess unter Durchmesserreduzierung des Rohres (4) die Rillen (18) ausgeformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Rillen (18) mit einer Tiefe zwischen 0,1 mm und 1,5 mm eingebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Rillen (18) mit einem Radius zwischen 0,1 mm und 0,3 mm an einem Rillental und/oder einem Rillenberg versehen sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Rillen (18) Abstände zwischen 0,3 mm und 8 mm zueinander aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung besteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) eine Temperatur zwischen 400° C und 520°C aufweist.
7. Vorrichtung zum Oberflächenkonturieren eines Rohres (4) als Rohling von Zylinderlaufbuchsen (16), mit einem Abstreckdorn (6) zur Aufnahme eines Rohres (4), einem linearen Vorschub (V) und einem Rotationsantrieb für das Rohr(4), und zumindest einem von außen auf das Rohr (4) zustellbaren Formkörper, der an einer Berührungsfläche mit der Außenseite des Rohres (4) eine auf diese übertragbare rillenförmige Konturie rung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ein Rundknetbacken (2) ist, dass die Rillen (12) an seiner Berührungsfläche spiralförmig verlaufen, und dass die mindestens eine Rille (12) zur Rohrmittelachse in einem Winkel (α) zwischen 30° und 89° angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Rille (12) eine Profiltiefe zwischen 0,1 mm und 1,5 mm aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Rille (12) einen Radius zwischen 0,1 mm und 0,3 mm an einem Rillental und/oder einem Rillenberg aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rundknetbacken (2) mindestens zwei Rillen (12) aufweist und der Abstand zwischen den Rillen (12) zwischen 0,3 mm und 8 mm beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rundknetbacken (2) bezüglich der Rohrmittelachse drehbar gelagert ist.