DE19813430B4 - Composite cast piston and method for its production - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines Verbundgusskolbens (14) mit einem Kopfteil und einem das Kopfteil wenigstens teilweise überdeckenden Armierungsteil (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Armierungsteil (10) aus einem Ausgangswerkstück mittels Hydro-Umformung entsprechend Konturen eines zu überdeckenden Abschnitts des Kopfteils hergestellt und sowohl formschlüssig als auch stoffschlüssig nach einem Eintauch-Löseprozess oder mittels Verbindungsschicht (16) mit dem Kopfteil verbunden wird.Method for producing a composite cast piston (14) having a head part and a reinforcing part (10) at least partially covering the head part, characterized in that the arming part (10) is produced from an initial workpiece by hydro-forming according to contours of a section of the head part to be covered and both positively and materially after a dipping-release process or by means of connecting layer (16) is connected to the head part.
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbundgußkolben und ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgußkolbens mit einem Kopfteil und einem das Kopfteil wenigstens teilweise überdeckenden Armierungsteil.The The invention relates to a composite cast piston and a method for Making a composite cast piston with a head part and a head part at least partially covering Reinforcing part.
Bei hochbelasteten Kolben, beispielsweise aus Al-Legierungen treten aufgrund thermischer und mechanischer Spannungen, bedingt durch das Alterungsverhalten, Kerbwirkungen an der Oberfläche und Gefügeveränderungen auf, welche in Verbindung mit hohen mechanischen Belastungen Risse im Kolbenbodenbereich zur Folge haben können. Diese Risse haben eine sehr hohe Fortschrittsgeschwindigkeit und führen zur Zerstörung des Bauteils und damit meist zu einer Totalzerstörung des Motors. Wegen der für das Arbeitsverfahren oft unerläßlichen Brennraummulde sind Kolben für direkt einspritzende Dieselmotoren besonders stark betroffen.at highly loaded piston, for example, Al alloys occur due to thermal and mechanical stresses caused by the aging behavior, notch effects on the surface and structural changes which, in conjunction with high mechanical loads cracks may result in the piston crown area. These cracks have one very high speed of progress and lead to the destruction of the Component and thus usually to a total destruction of the engine. Because of the for the Working process often indispensable Burner trough are pistons for directly injecting diesel engines particularly affected.
Aus
der
Als Abhilfe werden beispielsweise im Rennsport und bei hochaufgeladenen Ottomotoren Schmiedekolben eingesetzt, die jedoch wegen des Fehlens eines Ringträgers bei Dieselmotoren nicht verwendet werden können. Derartige Preßkolben sind in der Herstellung aufwendiger als Gußkolben und damit auch teurer.When Remedy for example in racing and highly charged Gasoline engines forged pistons used, however, because of the absence a ring bearer can not be used in diesel engines. Such plunger are more expensive than cast pistons and thus more expensive to produce.
Bei Dieselmotoren mit entsprechend hoher Belastung verwendet man zur Lösung dieses Problems gebaute Kolben, Pendelschaftkolben oder Kolben aus Eisenwerkstoffen, die deutlich höhere Temperaturbelastungen und Zünddrücke als Al-Werkstoffe ertragen können. Nachteilig ist, daß bei der Verbrennung hohe Oberflächentemperaturen entstehen, die das Temperaturniveau des gesamten Brennraumes anheben. Dadurch entstehen bei der Verbrennung vermehrt Stickoxide, was einen hohen Aufwand bei der Abgasnachbehandlung erfordert. Zudem wird die Füllung des Brennraumes im Ansaugtakt deutlich schlechter und der Gesamtwirkungsgrad des Motors nimmt ab. Alle Kolben aus Eisenwerkstoffen sind relativ massereich, was sich negativ auf den Massenausgleich besonders bei schnelllaufenden Motoren auswirkt.at Diesel engines with correspondingly high load are used for solution Built this problem piston, pendulum piston or piston Ferrous materials that are significantly higher Temperature loads and ignition pressures as Al materials can endure. The disadvantage is that at burning high surface temperatures arise, raise the temperature level of the entire combustion chamber. As a result, more nitrogen oxides are produced during combustion, resulting in a high effort in the exhaust aftertreatment requires. In addition, the filling the combustion chamber in the intake stroke significantly worse and the overall efficiency of the engine decreases. All pistons of iron materials are relative massive, which has a negative impact on the mass balance especially at high-speed engines.
Bei
weiteren Lösungsvorschlägen, beispielsweise
gemäß der
Es gibt auch Versuche, im Aluminium faserverstärkte Bereiche mittels Squeeze Cast herzustellen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß unvermeidbare, sporadisch auftretende Fehl- bzw. Störstellen im Faserverbund als Rißstarter wirken.It There are also attempts to squeeze fiber reinforced areas in aluminum Cast manufacture. However, this has the disadvantage that unavoidable, Sporadically occurring defects or defects in the fiber composite as Rißstarter Act.
Aus
der
In
der
Aus dem Aufsatz ”Aufweitstauchen von Rohren durch Innenhochdruckumformen” von Dr.-Ing. Friedrich Klaas, Blech Rohre Profile 35 (1988) 3, Seite 175 bis 180, und aus dem Aufsatz ”Verfahren und Maschinen für die Kaltumformung von Rohren” von Dr.-Wirtsch.-Ing. Fritz-J. Neff, Blech Rohre Profile 28 (1981) 2, Seite 54 bis 57 ist ferner das Innenhochdruckumformen von Rohren, beispielsweise für Auspuffrohre bekannt.Out the essay "Aufweitabtuchen of tubes by hydroforming "by Dr.-Ing. Friedrich Klaas, sheet metal tubes profiles 35 (1988) 3, pages 175 to 180, and from the article "method and machines for the cold forming of tubes "by Dr.-Wirtsch.-Ing. Fritz-J. Neff, sheet metal tubes profiles 28 (1981) 2, pages 54 to 57 is also the hydroforming of pipes, for example for exhaust pipes known.
Im
Hinblick darauf sind auch aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben genannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die oben genannten Nachteile überwunden werden und thermisch-mechanische Schädigungen hochbelasteter Bereiche von Aluminium-Kolben durch einen örtlichen Einbau von Armierungsteilen höherer Warmfestigkeit zu verhindern.Of the The present invention is based on the object, a method of the above type available to provide, with the above-mentioned disadvantages are overcome and thermo-mechanical damage heavily loaded areas of aluminum pistons by a local Installation of reinforcing parts higher To prevent heat resistance.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.These The object is achieved by a Method of o. Type having the features characterized in claim 1 solved.
Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Armierungsteil aus einem Ausgangswerkstück mittels Hydro-Umformung entsprechend Konturen eines zu überdeckenden Abschnitts des Kopfteils hergestellt und sowohl formschlüssig als auch stoffschlüssig nach einem Eintauch-Löseprozess oder mittels Verbindungsschicht mit dem Kopfteil verbunden wird.To It is inventively provided that the reinforcing part from an initial workpiece by means of hydro-forming according to contours of a to be covered Section of the head part made and both form-fitting as also cohesive after a dipping-dissolving process or is connected by means of connecting layer with the head part.
Vorteilhafterweise werden hierdurch Fertigkonturen bereitgestellt, welche eine hohe Maßgenauigkeit aufweisen und eine nachfolgende Bearbeitung entbehrlich machen. Des Weiteren ist eine kostengünstige Herstellung der Armierungsteile trotz zum Teil komplexer Konturen gewährleistet. Die hydrogeformten Armierungen können vergleichsweise dünnwandig ausgebildet sein und tragen somit zu einer Reduktion des Kolbengesamtgewichtes bei.advantageously, be prepared by this Fertigkonturen which a high dimensional accuracy have and make subsequent processing dispensable. Furthermore, it is a low cost Production of armouring parts despite partly complex contours guaranteed. The hydroformed reinforcements can comparatively thin-walled be formed and thus contribute to a reduction of the total piston weight at.
Ein durch Hydro-Umformung hergestelltes Armierungsteil kann einfach in einem nachfolgenden Alfin-Verfahren eingegossen werden kann, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist.One Hydro-formed reinforcement can be simple can be cast in a subsequent Alfin process, without a post-processing is required.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Hydro-Umformung mittels Innenhochdruckumformung.Conveniently, Hydroforming takes place by hydroforming.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird als Ausgangswerkstück ein flaches Blech oder Rohr verwendet.In In a particularly advantageous embodiment, the starting workpiece is a flat sheet metal or pipe used.
Ein einfaches und kostengünstiges Verfahren ergibt sich dadurch, dass das Armierungsteil mittels partiellen Ausbauchens eines Ausgangswerkstückes, mittels rotationssymmetrischen Aufweitens eines Ausgangswerkstückes oder mittels rotationssymmetrischen Aufweitstauchens eines Ausgangswerkstückes hergestellt wird.One simple and inexpensive Method results from the fact that the reinforcement part by means of partial Bulging of a starting workpiece, by means of rotationally symmetrical expansion of a starting workpiece or produced by means of rotationally symmetrical expansion dipping an initial workpiece becomes.
In vorteilhafter Weise werden dabei wenigstens zwei der voranstehenden drei Umformungsarten kombiniert.In Advantageously, at least two of the above are three types of transformation combined.
Eine Nachbearbeitung des Verbundgußkolbens ist aufgrund der hohen Maßgenauigkeit des Armierungsteils entbehrlich.A Post-processing of composite cast piston is due to the high dimensional accuracy of the reinforcing part dispensable.
Besonders, aber nicht ausschließlich bei Kolben für direkt einspritzende Dieselmotoren erhält man durch eine hinterschnittene Muldenform zusätzlich eine formschlüssige Verbindung, die von der Alfinverbindung stoffschlüssig unterstützt wird.Especially, but not exclusively at piston for directly injecting diesel engines are obtained by an undercut Trough shape in addition a form-fitting Compound that is cohesively supported by the Alfin compound.
In besonders bevorzugter Weise wird der Formschluß dadurch verbessert, daß ein Kolbenringfeld im Einguß- bzw. Armierungsteil mit ausgeformt wird.In Particularly preferably, the positive engagement is improved by a piston ring field in the pouring Arming part is formed with.
Als Material für das Einguß- bzw. Armierungsteil wird zweckmäßigerweise warmfester Stahl mit Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem verwendeten Al-Werkstoff verwendet. Aufgrund der im Vergleich zu diesem Al-Werkstoff schlechteren Wärmeleitfähigkeit dieses Stahles wird nach einem Kaltstart einer hiermit ausgestatteten Brennkraftmaschine deren Betriebstemperatur schneller erreicht, welches Vorteile bezüglich der Kaltstartemissionen und des Anspringverhaltens eines nachgeschalteten Katalysators bringt.When Material for the sprue or reinforcing part is expediently heat-resistant steel with coefficients of thermal expansion similar to those used Al material used. Because of compared to this Al material poorer thermal conductivity This steel will be equipped with a cold start Internal combustion engine whose operating temperature reaches faster, which Advantages regarding the cold start emissions and the starting behavior of a downstream catalytic converter brings.
Das Herstellungsverfahren mittels Hydroforming bzw. Hydro-Umformung läßt Materialdicken von ca. 0,4 mm bis ca. 3 mm insbesondere am Verbundguß- bzw. Armierungsteil zu, so daß eine sehr dünne Schale hoher Paßgenauigkeit auf den Kolben aufgebracht werden kann. Wegen dieser hohen Paßgenauigkeit des Einguß- bzw. Armierungsteiles kann eine Bearbeitung des Kolbenbodens und einer Ringpartie entfallen, wenn die gesamte Bearbeitung von diesem Bereich ausgeht.The Manufacturing process by hydroforming or hydro-forming leaves material thicknesses from approx. 0.4 mm to approx. 3 mm, in particular on composite casting or Arming part, so that a very thin shell high accuracy of fit can be applied to the piston. Because of this high accuracy of fit of the pouring Arming parts or a machining of the piston crown and a ring part omitted, if the entire processing of this Area goes out.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Armierungsteil vorgeschlagen, welches ein Kopfteil des Kolbens wenigstens teilweise überdeckt, wobei das Armierungsteil nach dem voranstehenden Verfahren gefertigt ist.Further is inventively a piston for one Internal combustion engine proposed with a reinforcing part, which a head portion of the piston at least partially covered, wherein the reinforcing part is manufactured according to the above method.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt inFurther Features, advantages and advantageous embodiments of the invention arise from the dependent ones claims, as well as from the following description of an embodiment the invention with reference to the attached Drawing. This shows in
Die
in
Es
sind auch partielle Armierungen
Außer Stahlwerkstoffen können im wesentlichen alle alfinierbaren Werkstoffsorten verwendet werden. Besonders bevorzugt sind nickelhaltige bzw. kupfer-nickelhaltige, warmfeste Werkstoffe, wie beispielsweise Monel oder ähnliches. Für den Einsatz dieser Werkstoffe wird in vorteilhafter Weise die Zusammensetzung des Alfinbades geeignet modifiziert. Im Prinzip eignen sich alle im flüssigen Aluminium anlösbaren Werkstoffe.Except steel materials can essentially all alfinierbaren material types are used. Particularly preferred are nickel-containing or copper-nickel-containing, heat-resistant materials, such as Monel or the like. For the Use of these materials is advantageously the composition the Alfin bath modified suitably. In principle, all are suitable in the liquid Aluminum dissolvable Materials.
Das
bekannte Alfin-Verfahren im Schwerkraftguß wird bisher bei Verbundguß von Aluminium mit
Eisenwerkstoffen durchgeführt
und hat sich besonders beim Einguß eines Ringträgers als
zuverlässig
bewährt.
Mittels dieses Alfin-Verfahrens wird nunmehr vorgeschlagen, ein
Kolbenoberteil bzw. ein Armierungsteil
Eingegossen
wird das Armierungsteil
Warmfeste
Al-Legierungen können
hierbei weiterhin als Gußwerkstoff
verwendet werden. Zusätzlich
erhält
man eine Armierung von rißgefährdeten
Stellen mit hochwarmfesten Stahlwerkstoffen, die eine bis zu 4fach
höhere
Wärmefestigkeit
aufweisen. Die dünne
Stahlummantelung erzeugt in der Warmlaufphase des Motors eine schnellere
Aufheizung der Kolbenoberfläche
Der Armierungswerkstoff besteht aus homogenem Walzmaterial mit feinstem, fehlerfreiem Gefüge ohne Gußinhomogenitäten.Of the Reinforcing material consists of homogenous rolled material with finest, faultless structure without Gußinhomogenitäten.
Eine
Bearbeitung des Kolbenbodens kann entfallen, da das Einguß- bzw.
Armierungsteil
Der
Ringträger
herkömmlicher
Konstruktion kann durch eine entsprechende Formgebung des Armierungsteiles
Gegenüber Stahlkolben, gebauten Kolben und Pendelschaftkolben ergeben sich Gewichtsvorteile durch lediglich eine dünne Stahlarmierung. Dies Verbessert das Schwingungsverhalten der Motoren besonders bei 3- und 4-Zylindermotoren. Ferner sind höhere Drehzahlen möglich. Durch eine verbesserte Wärmeabfuhr durch dünne Ummantelung des Al-Kerns entstehen bei Betriebstemperatur niedrigere Stickoxid-Emissionen. Ferner sind die Herstellungskosten deutlich geringer.Opposite steel pistons, Built-piston and pendulum piston results in weight advantages by only a thin one Steel reinforcement. This especially improves the vibration behavior of the motors for 3- and 4-cylinder engines. Furthermore, higher speeds are possible. By an improved heat dissipation through thin ones Cladding of the Al core results in lower operating temperatures Nitrogen oxide emissions. Furthermore, the production costs are clear lower.
Im Vergleich mit Preßlingen ist nunmehr eine Armierung der Ringnut zur Verschleißreduktion möglich, was Preisvorteile mit sich bringt.in the Comparison with compacts is now a reinforcement of the annular groove for wear reduction possible, which brings price advantages.
Gegenüber früheren Verbundgußkolben mit Muldenrandeinsätzen und Spinnen ergibt sich eine Verbesserung des Form- und Kraftschlusses durch größere zusammenhängende Flächen. Es kommt zu keinen Kerbwirkungen durch Verbindungsstege zwischen Muldenrand und Ringträger. Der Einguß eines Ringträgers ist bei Teilbearbeitung des Kolbenbodens nach wie vor möglich.Compared to earlier composite cast piston with trough edge inserts Spinning results in an improvement of the form and adhesion through larger connected surfaces. It comes to no notch effects by connecting webs between trough edge and ring bearer. The sprue of a ring bearer is during partial machining of the piston crown still possible.
Im Gegensatz zu mittels Squeeze Cast (Flüssigpressen) infiltrierten Faserarmierungseinsätzen ergibt sich eine höchste Homogenität in der Oberflächenschicht des Verbundgußteiles, welches praktisch kerbwirkungsfrei ist. Ferner erzielt man eine höhere Warmfestigkeit gegenüber faserverstärktem Aluminium.in the Contrary to using squeeze cast (liquid presses) infiltrated Faserarmierungseinsätzen results in a highest homogeneity in the surface layer the composite casting, which is practically not kerbwirkungsfrei. Furthermore, one achieves a higher heat resistance across from fiber reinforced aluminum.
Anstelle des Alfin-Verfahrens oder ähnlicher Eintauch-Löseprozesse kann das Eingußverfahren mit Verbindungsschichten für Aluminium aus z. B. Zinn, Zink oder Kupfer versehen werden, welche bevorzugt galvanisch oder gespritzt aufgebracht werden. Damit kann das Eingußteil im Schwerkraftguß kraftschlüssig eingegossen werden.Instead of the Alfin process or similar dipping-dissolving processes, the sprue with bonding layers for aluminum from z. As tin, zinc or copper are provided, which are preferably applied galvanically or sprayed. Thus, the casting in the gravity casting be poured positively.
Eine weitere bevorzugte Variante besteht darin, das Eingußteil durch Flamm- oder Plasmaspritzen einseitig zu beschichten, wobei eine poröse Oberfläche erzeugt wird. Beim Einguß mittels Flüssigpressen entsteht eine Diffusionsbindung, welche die Alfinbindung an Zugfestigkeit noch übertrifft.A Another preferred variant is the casting by Flame or plasma spraying unilaterally to coat, with a produced porous surface becomes. When pouring means liquid presses Diffusion bonding occurs, which affects the almin bond to tensile strength even better.
Es
ist auch möglich,
bei sehr dünnen
Armierungsteilen auf die Bindungsschicht
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Dr.-Ing. Friedrich Klaas: "Aufweitstauchen von Rohren durch Innenhochdruckumformen" in: Blech Rohre Profile 35 (1988) 3, S. 175-180 Dr.-Wirtsch.-Ing. Fritz-J. Neff: "Verfahren und Maschinen für die Kaltumformung von Rohren" in: Blech Rohre Profile 28 (1981) 2, S. 54-57 |
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