DE1525895B2 - Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Ölkühlkanales im Kopfteil eines geschmiedeten Kolbens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Ölkühlkanals im Kopfteil eines geschmiedeten Kolbens, bei welchem im Kopfteil eine offene Ringnut eingearbeitet und nach Einlegen eines Stützringes durch Verformen eines dafür vorgesehenen, an die Ringnut angrenzenden Kolbenkopfabschnittes geschlossen und die entstehende Schließfuge nach Einschneiden einer V-förmigen Schweißnut dicht verschweißt wird.

Ringförmige Ölkühlkanäle in geschmiedeten Kolben wurden bisher im allgemeinen so hergestellt, daß man vom Kolbenboden her konzentrisch eine offene Ringnut einschnitt, diese von der offenen Seite her mit einem flachen Ring abdeckte und die Ringnut außerhalb dieser Abdeckung mit Schweißmaterial auffüllte (DT-AS 10 33 954 oder US-PS 31 81 514).

Dieses bekannte Verfahren ist deshalb ungünstig, weil die Schweißnaht vom Kolbenboden her angelegt wird und dadurch während des Betriebes durch Wärmespannungen besonders gefährdet ist.

Um dies zu vermeiden, hat man in einem weiteren bekannten Falle (DT-AS 11 03 698), z. B. die Ringnuten vom Kolbenmantel her eingestochen. Derartige Nuten sind aber sehr kompliziert und einer wirtschaftlichen Massenfertigung nicht zugänglich. Außerdem ist das Umformen zum Verschließen der Nut dort im wesentlichen ein Biegevorgang, bei dem das Material in einem eng begrenzten Bereich beansprucht und dadurch geschwächt wird.

Aus der CH-PS 2 30 566 ist es zwar bekannt, beim Herstellen von nicht abgedichteten Ringkanälen in Kolbenköpfen von einem wulstartigen Fortsatz im Kolbenboden her eine Nut einzustechen und durch Verformen des Wulstes zu verschließen. Dies hat jedoch ähnliche Nachteile wie das aus der DT-AS 11 03 698 bekannte Verfahren. Ein Verschweißen der Schließfuge kann außerdem zum Eindringen von Schweißmaterial in den Kanal führen.

Aus der DT-AS 11 43 083 ist es bekannt, vor dem j Schmieden der Kolbenform in Rohlinge eine Ringnut ! einzustechen, einen ausschmelzbaren Kernring einzule- j

ίο gen, die Ringnut zu verschweißen und dann die Umfor- j mung vorzunehmen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Schweißnaht beim Umformen reißen kann und eine exakte Lage des Ringkanals nicht gewährleistet ist. Außerdem ist auch dieses Verfahren nicht in wirtschaftlicher Weise zur Massenfertigung geeignet.

Allgemein besteht bei Verwendung eines in die Ringnut eingelegten Kernringes auch die Gefahr, daß beim Verschweißen der Ringnut Reste des ausgeschmolzenen Kernringes die Schweißnaht beeinträchtigen, so daß eine verminderte Abdichtung erfolgt, und es könnte Schweißmaterial in den Ringkanal gelangen, so daß die Kühlmittelströmung beeinträchtigt wird. Die Abweichungen des Ringkanals von der exakt konzentrischen Lage lassen außerdem keine gleichmäßige Schweißnaht und damit keine einfache maschinelle Verschweißung zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einer einfachen Massenfertigung zugänglich ist und ohne Schwächung des Materialgefüges und ohne Beeinträchtigung des Ringkanalquerschnittes eine gleichmäßige und einwandfreie, dichte Schweißnaht ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß von einem Kolbenrohling ausgegangen wird, der am Kopfteil einen konzentrischen, zapfenartigen Fortsatz von geringerem Durchmesser als der Kolbenmantel aufweist, um den herum die offene Ringnut vom Kolbenboden her eingearbeitet wird, in die ein Kernring von der Form und Größe des fertigen Ölkühlkanals eingelegt und der Stützring so eingesetzt wird, daß er am Kernring und am äußeren Nutrand aufliegt, worauf das Schließen der Ringnut durch radiales Ausschmieden des zapfenartigen Fortsatzes über den äußeren Nutrand erfolgt und dabei der Stützring eingespannt wird und daß der Kernring durch Schmelzen und Abziehen der Schmelze über angebrachte Abzugsbohrungen entfernt und die Schweißnut wenigstens bis zum Stützring eingeschnitten wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung erfaßt der zum Schließen der Ringnut vorgesehene Schmiedevorgang den gesamten Querschnitt des zapfenartigen Fortsatzes. Eine stellenweise Schwächung des Materialgefüges ist deshalb ausgeschlossen. Der Kernring gewährleistet die Erhaltung des gewünschten Ringkanalquerschnittes während des Schmiedens. Der Stützring verhindert, daß Kernmaterial mit dem Schweißmaterial in Berührung kommt und so zu einer schlecht abdichtenden Verschweißung führen könnte. Weiterhin wird mit Sicherheit ein Durchschlagen des Schweißma- j terials in den Ölkühlkanalraum hinein verhindert, da der Stützring durch Einformen in der Schließfuge dicht verspannt wird. Schließlich dient der Stützring auch noch als Ausgleichsring beim Einarbeiten der Schweißnut. Die Schweißnut kann also ohne Rücksicht auf Abweichungen des Ringkanals von der exakt konzentrischen Lage immer konzentrisch eingearbeitet werden und erlaubt dadurch eire leichte und einwandfreie ma-

schinelle Verschweißung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens,

F i g. 2 einen Teilschnitt eines Rohlings zur Herstellung des in F i g. 1 dargestellten Kolbens,

F i g. 3 eine Ansicht von unten des Kernringes und des Stützringes,

Fig.4 einen Teilschnitt, genommen längs der Linie 4-4 der F i g. 3,

F i g. 5 einen Teilschnitt einer Zwischenstufe bei der Herstellung des in F i g. 1 dargestellten Kolbens,

F i g. 6 einen Teilschnitt einer weiteren Zwischenstufe bei der Herstellung des Kolbens nach F i g. 1,

F i g. 7 einen Teilschnitt eines Kolbens mit einer weiteren Ausführungsform des Stützringes,

F i g. 8 einen Teilschnitt eines Kolbens mit einer dritten Ausführungsform des Stützringes,

F i g. 9 bis 13 eine Schnittansicht eines weiteren Kolbens bzw. Teilschnitte von Zwischenformen, die bei dessen Herstellung gefertigt werden und

F i g. 14 einen Teilschnitt eines Kolbens mit einer abgeänderten Form des Stützringes.

Der in F i g. 1 dargestellte Kolben 110 ist ein einteiliges Schmiedestück, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt. Der Kolben 110 hat einen Kopf 111, einen daran anschließenden zylindrischen Mantel 112 und verdickte Ansätze 113 für die Kolbenbolzenaugen.

Der Kopf 111 kann eine mittlere Vertiefung oder Aussparung 114 aufweisen, und es sind mehrere Kolbenringnuten 115 vorgesehen. Ein ringförmiger Ölkühlkanal 116 ist in dem Kopf 110 zwischen der Aussparung 114 und den Kolbenringnuten 115 vorgesehen. Dieser Ölkühlkanal 116 erstreckt sich von der Nähe des Kolbenbodens nach unten und Öl- bzw. Abzugsbohrungen 117 sind an in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Stellen vorgesehen, die den Boden des Ölkühlkanals 116 mit dem vom Mantel 112 gebildeten Innenraum verbinden.

Eine V-förmige Nut 118 ist in der Seite des Kolbenkopfes zwischen dem Kolbenboden und der obersten Kolbenringnut 115 vorgesehen. Diese V-förmige Nut 118 würde normalerweise in den oberen Teil des Ölkühlkanals 116 münden, wenn nicht ein metallischer Stützring 119 am äußeren Umfang des Ölkühlkanals 116 in einer Nut 120 am inneren Ende der V-förmigen Nut 118 eingesetzt wäre. Der Stützring 119 verschließt die V-förmige Nut 118 gegenüber dem Ölkühlkanal 116 und ist in der Nut 120 fest eingeklemmt. Die V-förmige Nut 118 ist mit Schweißmaterial 121 gefüllt, das den Ölkühlkanal 116 gegen die Außenseiten des Kolbens

110 abdichtet und eine feste Verbindung mit dem Kopf

111 des Kolbens 110 herstellt. Der Ölkühlkanal 116 wird auf diese Weise durch eine einzige Schweißung verschlossen, und das Schweißmaterial 121 wird durch den Stützring 119 gehindert, in das Innere des Ölkühlkanals 116 einzudringen.

Der Stützring 119 kann aus einer Aluminiumlegierung mit vorzugsweise niedrigem Siliziumgehalt, wie z. B. AL 6061, bestehen oder aus jedem beliebigen Metall mit guten Wärmeleiteigenschaften, das der Arbeitstemperatur im Kolbenkopf widersteht. Das Schweiß- material 121 kann irgendein Aluminium-Schweiß- oder -Hartlötmaterial sein, das den Arbeitsbedingungen des Kolbens 110 widersteht.

Der Kolben 110 wird aus einem zylindrischen Kolbenrohling 122 hergestellt, der in die allgemeine Form des Kolbens 110 geschmiedet oder gesenkschmiedet wird und einen massiven Kopfteil 123, einen nach unten ragenden, im allgemeinen zylindrischen Mantel 124 und nach unten gerichtete Ansätze 125 für die Kolbenbolzenaugen aufweist. Der Kopfteil 123 hat einen zapfenartigen, zylindrischen Fortsatz 126, der zum Außenumfang des Kolbenrohlings 122 konzentrisch ist und dessen Umfang 129 einen oberen abgeschrägten Abschnitt 130 aufweist, der in eine flache Oberseite 131 übergeht. Eine Ringnut 132 in Form des Ölkühlkanals 116 wird in den Kolbenrohling 122 um den zylindrischen Umfang 129 herum spanabhebend eingearbeitet und erstreckt sich in den Kopfteil 123 hinein. Diese Ringnut 132 hat einen schmalen abgerundeten Boden 133, eine zylindrische Außenflanke 134 und eine schräge Innenflanke 135, die vom Boden 133 zu einer nach innen gerichteten Schulter 136 schräg verläuft, die zum Umfang 129 des Fortsatzes 126 hin verläuft. Das obere Ende der Außenflanke 134 ist bei 137 eingesenkt, und der ringförmige Abschnitt, der den äußeren Nutrand 138 bildet, endet an einer schrägen oberen Randfläche 139, deren Abschrägung dem abgeschrägten Abschnitt 130 des Fortsatzes 126 entspricht.

In die Ringnut 132 wird ein Kernring 140 eingelegt, wie es in F i g. 2 gezeigt ist. Der Kernring 140 besteht aus einem Ringkörper 141 aus Kernmaterial, das später geschmolzen und aus dem Ölkühlkanal 116 durch die Abzugsbohrungen 117 abgezogen werden kann. An diesem liegt der metallische Stützring 119 an, der in dem Ölkühlkanal 116 zurückbleibt und so eine Sperre gegen das Schweißmaterial 121 bildet. Der Kernring 140 paßt dicht in die Ringnut 132, und der äußere Umfang des Stützringes 119 ist in die Einsenkung 137 eingesetzt. Der Kernring 140 hat eine abgerundete untere Nase 143, die an den abgerundeten Boden 133 der Ringnut 132 angepaßt ist, eine zylindrische Außenwand 144, die an die Außenflanke 134 der Ringnut 132 angepaßt ist, eine schräge Innenwand 145, die an die Innenflanke 135 der Ringnut 132 angepaßt ist, einen abgerundeten, nach innen gerichteten Flansch 146, der an die Schulter 136 angepaßt ist, und eine zylindrische Innenwand 147, die an den Umfang 129 des Fortsatzes 126 angepaßt ist. Der Stützring 119 liegt in einer Nut 148 an der Oberseite des Kernringes 140 und schließt bündig mit der Oberseite des Kernringes 140 ab. Dadurch wird eine Ringfläche 149 gebildet, die sich von der zylindrischen Innenwand 147 über die zylindrische Außenwand 144 hinweg erstreckt. Der über die zylindrische Außenwand 144 des Kernringes 140 vorstehende Teil des Stützringes 119 sitzt dicht in der Einsenkung 137 der Ringnut 132.

Die in F i g. 2 dargestellte Kolbenvorform wird dann so geschmiedet, daß der zapfenartige Fortsatz 126 über den Kernring 140 und den Stützring 119 flachgepreßt wird, bis der abgeschrägte Abschnitt 130 an der schrägen Randfläche 139 dicht anliegt, wie es in F i g. 5 dargestellt ist. Hierzu kann ein Stauchstempel verwendet werden, der eine Außenwand 72 und einen tellerförmigen Hohlraum 73 mit einer Öffnung 74 von größerem Durchmesser als dem des Fortsatzes 126 des Kolbenrohlings 122 und ein Volumen hat, das kleiner ist als das Volumen dieses Fortsatzes 126.

Wenn das erfolgt ist, wird der flache Boden des Kolbens 110 geformt, und das Material des Umfangs 129 bildet die obere Wand 129a des Ölkühlkanals 116 und klemmt gleichzeitig den Stützring 119 in der Einsen-

kung 137 fest

Dieser Zwischenrohling 150 wird spanabhebend bearbeitet und wärmebehandelt, so daß der Zwischenrohling 151 nach F i g. 6 entsteht, der eine V-förmige Schweißnut 152 hat, deren Boden durch den Stützring 119 gebildet wird. Die Schweißnut 152 wird dann mittels einer Schweißmaschine mit Schweißmaterial 121 gefüllt. Die Verschweißung erstreckt sich bis zu dem Stützring 119. Der geschweißte Rohling wird dann zu dem Kolben 110 (F i g. 1) fertigbearbeitet.

In F i g. 7 ist eine andere Ausführungsform HOa des Kolbens dargestellt. Der Stützring 153 hat dort die Form eines Zylinderringes, der dicht an der Außenflanke 134 des Ölkühlkanals 116 anliegt und zwischen dem Boden 133 und der oberen Wand 129a des Ölkühlka- is nals 116 eingeklemmt ist. Dieser Stützring 153 stützt den Abschnitt des Kopfes 111, in dem Kolbenringe angeordnet sind, über die volle Höhe des Ölkühlkanals 116 ab.

Bei einer weiteren Ausführungsform HOo des KoI-bens, die in F i g. 8 dargestellt ist, hat der Stützring 154 ein L-förmiges Profil und liegt auf der Oberseite des Kernringes 140 und unter der Wand 129a des Ölkühlkanals 116. Dieser Stützring 154 hat einen nach unten gerichteten Umfangsflansch 155, der in die Einsenkung 137 eingesetzt und zwischen dem Boden dieser Einsenkung und der Wand 129a eingeklemmt ist. Der Umfangsflansch 155 bildet eine ausgedehnte Sperre 156 am inneren Ende der V-förmigen Schweißnut 152, und die Oberseite des Stützringes 154 kann sehr dünn sein, da der Sperrbereich durch den Umfangsflansch 155 gebildet wird.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform gemäß F i g. 9 weist der Kolben HOc eine Verschweißung 160 auf, die sich in den Umfang des Stützringes 161 hinein erstreckt, so daß der Stützring 161 durch die Verschweißung 160 eine feste Verbindung mit der Außenseite des Kolbens HOc hat. Dadurch wird jegliche Wärmesperre, die durch minderwertige Berührung zwischen dem Schweißmetall und dem Stützring 161 entstehen könnte, ausgeschaltet. Weiterhin ist der Stützring 161 sicher im ölkühlkanal 116 befestigt. Noch wichtiger ist es jedoch, daß wegen des Stützringes 161 die Lage des Bodens der Schweißnut 162 um den gesamten Umfang herum auf einem genauen Kreis gehalten werden kann. Die Schweißnut 162 erstreckt sich also bis zu einer beliebig vorbestimmten Tiefe in den Umfang des Stützringes 161 hinein, und selbst, wenn keine konstante Abmessung zwischen dem äußeren Umfang des Kolbens 110c und dem Umfangsrand des Ölkühlkanals besteht, schaltet das Einarbeiten der Schweißnut 162 bis zu einer konstanten Tiefe Unregelmäßigkeiten aus, die sonst beim Schweißvorgang auftreten würden. Die Schweißelektrode kann in einem optimalen Abstand vom Boden der Schweißnut 162 angeordnet werden und eine gleichmäßige Verschweißung von großer Festigkeit wird sichergestellt.

Der Kolben 110c wird aus dem in F i g. 10 dargestellten Kolbenrohling 122a hergestellt, dessen Fortsatz 126 einen zylindrischen Umfang 129 aufweist, der sich über die gesamte Strecke bis zur Oberseite 131 erstreckt. Der den äußeren Nutrand 138 bildende Abschnitt des Kolbenrohlings 122a, der Kolbenringe aufnimmt, hat eine radiale Oberseite 163 und auf dem Kernring 140a liegt der Stützring 161 derart auf, daß er über die radiale Oberseite 163 vorspringt. Wie in F i g. 11 gezeigt, hat der Stützring 161 einen abgeschrägten oberen Rand 161a.

Wie F i g. 12 zeigt, wird der Fortsatz 126 nach unten flachgepreßt, so daß er sich bis zum äußeren Umfang des Kolbenrohlings 122a erstreckt. Die Abschrägung 161a des Stützringes 161 unterstützt den Fluß des Metalls, so daß die Wand 129a den Stützring 161 dicht überdeckt und sich an die radiale Oberseite 163 anlegt.

Der Zwischenrohling 166 gemäß F i g. 12 wird denselben Arbeitsgängen wie der vorher beschriebene Zwischenrohling 150 unterworfen. Dadurch entsteht der bearbeitete Zwischenrohling 167 gemäß Fig. 13. Dieser Zwischenrohling 167 hat eine V-förmige Schweißnut 162, die sich in den Umfang des Stützringes 161 hinein erstreckt. Die Schweißnut 162 hat eine gleichmäßige Tiefe um den gesamten Umfang des Kolbens HOc herum.

Bei einer weiteren Ausführungsform 1 iOd des Kolbens nach F i g. 14 ist ein abgewandelter Stützring 168 vorgesehen, der einen nach unten ragenden Flansch 168a hat, der sich in den Ölkühlkanal 116 zwischen dessen inneren und äußeren Flanken hinein erstreckt, so daß er mit Öl überspült wird, das durch den Kanal hindurchströmt, und eine weitere Kühlfläche bildet.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Ölkühlkanals im Kopfteil eines geschmiedeten Kolbens, bei welchem im Kopfteil eine offene Ringnut eingearbeitet und nach Einlegen eines Stützringes durch Verformen eines dafür vorgesehenen, an die Ringnut angrenzenden Kolbenkopfabschnittes geschlossen und die entstehende Schließfuge nach Einschneiden einer V-förmigen Schweißnut dicht verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Kolbenrohling (122; 122a) ausgegangen wird, der am Kopfteil (123) einen konzentrischen, zapfenartigen Fortsatz (126) von geringerem Durchmesser als der Kolbenmantel (127) aufweist, um den herum die offene Ringnut (132) vom Kolbenboden her eingearbeitet wird, in die ein Kernring (140; 140a) von der Form und Größe des fertigen Ölkühlkanals (116) eingelegt und der Stützring (119; 153; 154; 161; 168) so eingesetzt wird, daß er am Kernring (140; 140a) und am äußeren Nutrand (138) aufliegt, worauf das Schließen der Ringnut (132) durch radiales Ausschmieden des zapfenartigen Fortsatzes (126) über den äußeren Nutrand (138) erfolgt und dabei der Stützring (119; 153; 154; 161; 168) eingespannt wird, daß der Kernring (140; 140a) durch Schmelzen und Abziehen der Schmelze über angebrachte Abzugsbohrungen (117) entfernt und daß die Schweißnut (152; 162) wenigstens bis zum Stützring (119; 153; 154; 161; 168) eingeschnitten wird.