DE10352246A1

DE10352246A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10352246A1
Application number: DE2003152246
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2003-11-08
Filing date: 2003-11-08
Publication date: 2005-06-09
Also published as: WO2005046928A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist: DOLLAR A - Schmieden eines aus Aluminium bestehenden Grundkörpers (4), dessen eine Stirnseite den Kolbenboden (5) bildet, DOLLAR A - Einarbeiten einer im Querschnitt rechteckigen Ausnehmung (17) in den radial äußeren Randbereich des Kolbenbodens (5), DOLLAR A - Einarbeiten einer Ausnehmung (15) mit teilkreisförmigem Querschnitt in den dem Kolbenboden (5) abgewandten Bereich der Ausnehmung (17), DOLLAR A - Einbringen eines von einem Lösungsmittel löslichen Materials in die Ausnehmung (15), DOLLAR A - Einpassen eines Ringelementes (6) in die Ausnehmung (17), DOLLAR A - Verschweißen des Ringelementes (6) mit dem Kolben (1) mittels eines Ladungsträgerstrahles, DOLLAR A - Auflösen und Ausspülen des löslichen Materials aus der Aufnehmung (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wonach ein aus Aluminium gegossenes Ringelement mit einem aus Aluminium geschmiedeten Grundkörper mittels eines Ladungsträgerstrahles verschweißt wird. Das Ringelement und der Grundkörper begrenzen hierbei einen ringförmigen Kühlkanal.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 2 141 054 bekannt. Um zu vermeiden, dass beim Schweißen entstehende Schweißperlen in den Kühlkanal eintreten, die die Festigkeit des Kolbens herabsetzende Kerben verursachen, sind außerhalb des Kühlkanals in dem Kolbenkopf ringförmige Hohlräume angeordnet, in denen die Schweißnähte enden. Nachteilig ist hierbei, dass die Hohlräume auf aufwendige Weise sowohl in den Grundkörper als auch in das Ringelement eingearbeitet werden müssen.

Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass vor dem Verschweißen des Grundkörpers mit dem Ringelement in eine den Kühlkanal ergebende Ausnehmung ein von einem Lösungsmittel lösliches Material eingebracht wird, das verhindert, dass von den im Kühlkanal endenden Schweißnähten flüssiges Material auf den Boden des Kühlkanal gelangt, um diesen zu beschädigen. Nach dem Schweißvorgang wird das Material von dem Lösungsmittel aufgelöst und aus dem Kühlkanal ausgespült.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

1 einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Aluminium-Ringelement gemäß der Erfindung in einem aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild, das zwei um 90° versetzte Längsschnitte des Kolbens zeigt, und

2 eine vergrößerte Darstellung des Schnittes durch den Randbereich des Kolbenbodens mit dem Ringelement.

1 stellt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor in einem aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild dar, von dem die linke Hälfte einen Schnitt des Kolbens 1 entlang einer Längsachse 2 einer Nabenbohrung 3 und die rechte Hälfte einen um 90° dazu versetzten Schnitt durch den Kolben 1 zeigt.
Der Kolben 1 besteht aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper 4, dessen eine Stirnfläche den Kolbenboden 5 bildet. In den radial äußeren Bereich des Kolbenbodens 5 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine im Querschnitt rechteckige Ausnehmung 17 eingeformt, in die ein Ringelement 6 eingepasst ist. Im zentralen Bereich des Kolbenbodens 5 ist eine Brennkammer 7 angeordnet. Weiterhin weist der Grundkörper 4 auf seiner dem Kolbenboden 5 abgewandten Unterseite Bolzennaben 8 für die Nabenbohrungen 3 und die Bolzennaben 8 miteinander verbindende Schaftelemente 9 auf. In dem Ringelement 6 ist ein Ringträger 10 mit einer Ringnut 11 für einen in der Figur nicht dargestellten Verdichtungsring angeordnet.
In Richtung der Schaftelemente 9 folgt dem Ringträgers 10 eine in das Ringelement 6 eingearbeitete, weitere Ringnut 12. Zudem weist der Grundkörper 4 eine in Richtung der Schaftelemente 9 der weiteren Ringnut 12 folgende Ölringnut 13 für einen in der Figur nicht dargestellten Ölabstreifring auf. Weiterhin ist der Kolben 1 mit einem Kühlkanal 14 versehen, der aus einer in die Ausnehmung 17 eingearbeiteten Ausnehmung 15 und aus einer in die Innenseite 16 des Ringelementes 6 eingearbeitete Ausnehmung 18 gebildet wird. Über in der Figur nicht dargestellte Ölzu- und Ölablauföffnungen zwischen der Kolbeninnenfläche 22 und dem Kühlkanal 14 wird Kühlöl in den Kühlkanal 14 ein- und wieder daraus abgeleitet.
Eine Rohform des Grundkörper 4 wird im Schmiedeverfahren aus Aluminium hergestellt. Unter Anwendung spanabhebender Fertigungsverfahren (Drehen, Fräsen, Bohren) wird der Grundkörper 4 fertig bearbeitet, wobei unter anderem die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Schnitt rechteckige Ausnehmung 17 und die im Querschnitt die Form eines Dreiviertelkreises aufweisende Ausnehmung 15 hergestellt werden.
Das Ringelement 6 wird aus Aluminium gegossen, wobei im Verbundgussverfahren in das Ringelement 6 der aus NiResist bestehende Ringträger 10 eingegossen wird. Anschließend wird das Ringelement 6 feinbearbeitet, dem hierbei die Form der Ausnehmung 17 gegeben wird, wobei mittels eines spanabhebenden Herstellungsverfahrens (bspw. Drehen) in den Ringträger 10 die Ringnut 11 und zudem in das Ringelement 6 die weitere Ringnut 12 eingearbeitet werden. Zudem wird in den nahe der weiteren Ringnut 12 liegenden Bereich der Innenseite 16 des Ringelementes 6 die Ausnehmung 18 eingedreht, die so geformt wird, dass sie mit der Ausnehmung 15 den Kühlkanal 14 bildet.
Vor der Befestigung des Ringelementes 6 auf dem Grundkörper 4 wird Salzgranulat in die Ausnehmung 15 eingefüllt und unter Verwendung von zwei Halbschalen komprimiert, wobei sich ein Salzkern bildet. Die Halbschalen werden entfernt und das Ringelement 6 in die Ausnehmung 17 des Grundkörpers 4 eingepasst. Anschließend werden die Innenseite 16 des Ringelementes 6 mit dem kolbenbodenseitigen Randbereich 19 und zudem die senkrecht dazu angeordneten Flächen 20 bzw. 21 des Ringelementes 6 bzw. des Grundkörpers 4 mittels des Elektronenstrahlschweißverfahrens miteinander verschweißt. An den Flächen 16, 19, 20, 21 bilden sich hierbei Schweißnähte, wobei der Salzkern die Funktion hat zu verhindern, dass das sich an den Schweißnähten bildende, flüssige Aluminium auf die den Schweißnähten gegenüberliegenden Seiten des Kühlkanals 14 gelangt und diese beschädigt.
Über die im Anschluss daran zwischen der Kolbeninnenfläche 22 und dem Kühlkanal 14 in den Kolben 1 eingebohrte Ölzu- und Ölablauföffnungen wird der Salzkern aus dem Kühlkanal 14 ausgewaschen.
Statt mit zum Salzkern gepresstem Salzgranulat kann die Ausnehmung 15 auch mit Knetmasse gefüllt werden, die bei den beim Schweißen auftretenden hohen Temperaturen nicht aushärtet, sondern weich bleibt und im Anschluss an den Schweißprozess mit Wasser auswaschbar ist.
Da die sich auf der Kolbenaußenseite bildenden Schweißnähte die Funktion des Kolbens 1 beeinträchtigen, wobei insb. die zwischen den radial ausgerichteten Fläche 20 und 21 gebildete und auf der Ringpartie des Kolbens 1 zwischen der Ringnut 12 und der Ölringnut 13 endende Schweißnaht die Zylinderinnenwand beschädigen kann, ist im Anschluss an den Schweißvorgang ein letzter Bearbeitungsschritt erforderlich, bei dem durch Sandstrahlen oder durch chemisches Fräsen die auf der Kolbenaußenseite befindlichen Reste der Schweißnähte entfernt werden.
2 zeigt den kolbenbodenseitigen Randbereich des erfindungsgemäßen Kolbens 1 mit dem Ringelement 6, dem darin eingegossenen Ringträger 10 aus NiResist und den vom Grundkörper 4 und vom Ringelement 6 gebildeten Kühlkanal 14.
In weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die die Innenseite 16 des Ringelementes 6 bzw. den Randbereich 19 des Grundkörpers 4 bildenden Flächen zur Brennkammer 7 hin geneigt sein, sodass sie zum Kolbenboden 5 hin konisch zulaufen. Weiterhin können die Flächen 20 bzw. 21 des Ringelementes 6 bzw. des Grundkörpers 4 eine von der radialen Achsrichtung abweichende Ausrichtung aufweisen.

1: Kolben
2: Längsachse
3: Nabenbohrung
4: Grundkörper
5: Kolbenboden
6: Ringelement
7: Brennkammer
8: Bolzennaben
9: Schaftelemente
10: Ringträger
11: Ringnut
12: weitere Ringnut
13: Ölringnut
14: Kühlkanal
15: Ausnehmung
16: Innenseite des Ringelementes 6
17: Ausnehmung
18: Ausnehmung
19: Randbereich des Grundkörpers 4
20: Fläche
21: Fläche
22: Kolbeninnenfläche

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, das die folgenden Schritte aufweist, – Schmieden eines im Wesentlichen zylinderförmigen und aus Aluminium bestehenden Grundkörpers (4) des Kolbens (1) mit einem Kolbenboden (5), mit Bolzennaben (8), die auf der dem Kolbenboden (5) abgewandten Unterseite des Grundkörpers (4) angeordneten sind und Nabenbohrungen (3) aufweisen, und mit die Bolzennaben (8) verbindenden Schaftelementen (9), – Einarbeiten einer Ausnehmung (17) in den radial äußeren Randbereich des Kolbenbodens (5), – Einarbeiten einer Ausnehmung (15) mit teilkreisförmigem Querschnitt in den dem Kolbenboden (5) abgewandten Bereich der Ausnehmung (17), – Einbringen eines von einem Lösungsmittel löslichen Materials in die Ausnehmung (15), – Gießen eines Ringelementes (6) aus Aluminium mit einem Ringträger (101, das im Wesentlichen die Form der Ausnehmung (17) aufweist, – Einpassen des Ringelementes (6) in die Ausnehmung (17), – Verschweißen des Ringelementes (6) mit dem Kolben (1) mittels eines Ladungsträgerstrahles, – Einarbeiten von Ölzu- und Ölablauföffnungen in den Kolben (19), die die Kolbeninnenfläche (22) mit der Ausnehmung (15) verbinden, – Auflösen und Ausspülen des löslichen Materials über die Ölzu- und Ölablauföffnungen aus der Ausnehmung (15). – Fertigstellen des Kolbens unter Anwendung eines spanabhebenden Fertigungsverfahrens.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als lösliches Material Salzgranulat verwendet wird, das unter Verwendung zweier Halbschale insoweit kompri miert wird, dass sich ein Salzkern bildet, und dass als Lösungsmittel Wasser verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als lösliches Material wasserlösliche Knetmasse und als Lösungsmittel Wasser verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (6) mit dem Kolben (1) unter Anwendung des Elektronenstrahlschweißverfahrens verschweißt wird.