DE2015125C3 - Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallkolben Zwischenrohlings mit Einsatznng aus Eisenmetall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- 30 tinsatzringe. die gemäß der USA.-Patentschrift lung eines Leichtmetallkolben-Zwischenrohlings mit 3 430 969 hergestellt wurden, wurden mit Erfolg un-Einsatzring aus Eisenmetall, bei dem ein Kolbenroh- ter schweren Betriebsbedingungen ohne Ausfall geling aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung prüft. Jedoch treten bei dem Herstellen von Kolben nach Erwärmung mit einem mit Vorsprüngen verse- mit diesen Einsatzringen bestimmte Schwierigkeiten henen Einsatzring, der eine andere Temperatur als 35 auf. Es wurde gefunden; daß wenn der Einsatzring der Kolbenrohling aufweist, durch Stauchschmieden auf die gleiche Schmiedetemperatur wie der Aiuininiohne metDÜurgische Bindung verbunden wird. umkolben erhitzt wird, es dazu führt, daß beim an-

Es wurden bereits Versuche unternommen, um schließenden Stauchschmieden der Ring leicht brach,

eine feste metallische Verbindung oder Verriegelung Es war demzufolge erforderlich, einen erheblichen

zwischen einem Kolbenkopf, der aus Aluminium be- 40 Temperaturunterschied zwischen dem Aluminiumle-

steht, und einem Einsatzring herzustellen, der aus gierungsrohling und dem Eisenmetallring beim

Gußeisen oder einem anderen Eisenmetall besteht. Stauchschmieden aufrechtzuerhalten.

In den meisten Fällen bestanden diese Versuche Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

darin, Ansätze oder Laschen oder Zungen oder Aus- Verfahren zu schaffen, mittels dem Kolbenrohling und

sparungen zu verwenden, die sich radial nach innen 45 dieser Einsatzring in sicherer Weise dauerhaft und

erstreckten und dazu bestimmt waren, eine feste und ohne Gefahr für den Ring verbunden werden kön-

sichere mechanische Verriegelung des Ringnutenein- nen.

satzes mit der Kolbenkopflegierung herzustellen Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß

(USA.-Patentschriften 2 685 729 und 2 771328). mit einem kalten Einsatzring stauchgeschmiedet wird

Diese Kolben sind im Betrieb im allgemeinen zufrie- 50 und daß danach nach Temperaturangleichung nach-

denstellend, haben jedoch nicht eine kontinuierliche geprägt wird. Mit besonderem Vorteil kann dabei bei

verschleißfeste Oberfläche für den Kolbenring. Die der Temperaturangleichung eine Temperaturdiffe-

sich ergebende ungleiche Abnutzung der Seiten der renz von etwa 38 C eingehalten werden.

Nut und des Kolbenringes führen dazu, daß die KoI- Durch die vorliegende Erfindung werden diese bis-

benringe beim Abdichten der Brennkammer gegen 55 her auftretenden Herstellungsschwierigkeiten da-

dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine weniger durch überwunden, daß das Stauchschmieden mit

wirksam werden. einem Prägevorgang verbunden wird, der durchge-

Eine wesentlich bessere Verbindung des Einsatz- führt wird, wenn sich der Einsatzring und der Alumiringes mit dem Kolbenkopf wird mittels einer metal- niumrohling in thermischem Gleichgewicht befinden lurgischen Verbindung erzielt, wie es in der USA.- 60 oder in einem Zustand nahe dem thermischen Patentschrift 2 396 730 beschrieben wird. Bei diesem Gleichgewicht. Das Stauchschmieden wird noch bei Verfahren wird der Eisenmetallring zuerst in ge- einer wesentlichen Temperaturdifferenz durchgeschmolzenes Aluminium unter sorgfältig eingestellten führt, die hunderte von Graden beträgt, wobei diese Bedingungen eingetaucht, wonach der Kolbenkopf Temperaturdifferenz zwischen dem Ring und dem um diesen Einsatzring herum gegossen wird mit dem 65 Kopf des Kolbens besteht. Bei der Vollendung der Ergebnis, daß eine metallurgisch gebundene Ober- letzten Stufe des Stauchschmiedens können sich jefläche entsteht, und zwar durch eine Legierung des doch die Temperaturen des Ringes und des Kolben-Eisens und des Aluminiums an der Grenzfläche. Die- kopfes einander annähern, und zwar durch eine War-

tf

meübertragung zwischen dem Kopf und dem Ring bis zu einem Zeitpunkt, in dem die Temperaturerenz zwischen den beiden nicht mehr beträgt als etwa 38^ C. Dem Kolbenkopf wird daiui ein Prä^eschlag erteilt, der in sicherer Weise ,Jen Ring innerhalb des Kolbenkopfes verriegelt oder festmacht. Während des Stauchschmiedens ist die Aluminiumlegierung um die Oberseite, die Unterseite und den inneren Durchmesser des Einsatzringes herumgeflossen, so daß der Einsatz der Belastung widerstehen kann, die durch den Prägevorgang erzeugt wird, und zwar auch dann. wenn sich der Einsatz etwa auf der gleichen Temperatur befindet wie der geschmiedete Aluminiumrohlung. Hs wurde gefunden, daß durch dieses Verfahren der Einsatzring fest innerhalb des Kolbenkopfes festgehalten wird uncTdaß ein Brechen des Ringes wäh-Ld des Stauchschmiedens im wesentlichen ausge-23

^kZU so., in der Agenden Besenreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

F i u. 1 ein,- Schnittansicht eines Kolbcnrohhngv der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann,

Fig.2 eine Draufsicht auf einen Einsat/ring. der beim erfindungsgemäUen Verfahren verwendet wird. F ig. 3 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 11Ι-ΙΠ der F i g. 2,

F i g. 4 eine vergrößerte Teilschnittanskh« der aus Kolbenrohling und Einsatzring bestehenden Baugruppe, wobei der Ring auf den Rohling aufgesetzt ist. und zNvar vor dem Stauchschmieden. .

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 4. die d.e Baugruppe nach dem Stauchschmieden darstellt.

Fig 6 eine schematische Ansicht der Vorrichtung. die beim Prägebearbeiten des geschmiedeten Kolbens verwendet wird, und .

Fig. 7 eine schematische Schnittansicht, die den Einsatzring zeigt, nachdem dieser bearbeitet wurde. um eine Umfangsnut zu bilden.

In Fig. 1 isfe.n vorgeformter Kolbenrohling 10 dargestellt, der aus einer Aluminiumlegierung besteht. Der Kolbenrohling 10 weist einen Kopfabschnitt 11 und einen Mantelabschnitt 12 und verstärkte Zapfenaugenansätze 13 auf. die sich an der Kolbeninnenseite von gegenüberliegenden Stellen aus erstrecken. Der Kolbenkopf kann eine Aussparung 14 aufweisen, um diesen auf einer Metallbearbe, tungsmaschine zu zentneren.

Der Kopf il des Kolbenrohlings weist eine Ringschulter 16 auf, und eine umlaufende Ringrippe 17 ist auf dieser Schulter ausgebildet, um den Einsatzring gegenüber dem Rohimg während des Stauchschm.e-^Sdens und während des Prägens auszurichten.

Ein Einsatzringl8 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt, und dieser besteht aus einem verschleißfesten Metall, beispielsweise aus einem hochprozentigen NickellGußeisen von sogenannten Nickel-Verschleißfest-Typ. Dieser Ring weist einen äußeren Umfang und einen inneren Umfang 21 auf. Um die Verstarkungsringkonfiguration maximal ausnutzen zu konnen" ist der Einsatzring 18 vorzugsweise kontmuier-Hch und weist keine Durchbrechungen auf, d h., es sind keine Bohrungen oder Ansätze aus dem Metalleher Weise .^_ηΑ\2^^ϊ^ ausbildet ^^^^^\»SSc RipP<: sind derart, daß der ^^"J " ^_{8ηη w e} es in des Kolbenrohhngsaufgesem werden kann^ ^^

Fig.4 dargestellt ist UieNuten Z-^un _jg

dazu d,e ^'^akt^ "^^Za um dadurch und dem Kolbenkopf zu «hoi,.n una _bef.

die Flache zu vergrößeren d* fu ^eme W ^ tragung zur Verfugung ^st^^ie ^ _Kolbenkopf falls zur Aufnahme voniMeg^«

11 wenn der kopf u™ J^^™ Ei_nsatzringes schmiedet wird, urn d e■ "^"g^ ₁₈ weist

im Kolben zu "^"^^".^^'"^^^η Rippen ferner eine Anzahl von rad« 1 ausgencn* w

_1S 24 auf. d.e in ^^^^/Zcvcn l'mfang herum zwischen dem äußeren und 'ⁿ"^ere _Hchc

«ngeognet sind· ^'g^^Verriegelung mit de, Metal» ^

^_n Übergröße geg Koibenrohlinsjs herge-

gemiher dem D"""™^'^™ _{fuhrl /u} Ι·_Μ1,_Γ zu steuern. ^S^X^nttZnng _festg,-

_a5 schmiedet wird ₄

Wenn der E.nsa»nng ^dcra ι ^» - ^_n zeigt, angeordnet «st. kann in unum^e _d^

JtuUn ^^^^^rUmfang herum Ku benkopfes 11 um den inneren t^ _dcs

und um d.e ^ercn und unteren _Bau

E.nsatznnges 18 herum zu d\niM:n u

gruppe ^z.^u .^erzeu|^en.· ^^_ΟΓ'"_η ^Ρ ' f beträgt die Tem-Wahrend dieses ^s£^ied^angcs £e g ^ ^

peratur des Rohlmgs ^ ^ _Einsa,_7ringes 5H) t. wahrend de T cmp era tür ^ _ch ^

nicht hoher ist als etwaι ->« y. ^ . ^ . ^ sehen et* a 1 C und 3« ι <-g . ^ _un(] j_m

wird da. Metall des Kolbens

kann sich

der Rohling aus der Aluminiumlegierung mit dem nunmehr befestigten Eisenmetallring abkühlen, so daß eine Wärmeübertragung zwischen der Aluminiumlegierung und dem Eisenmetall auftritt, was zu einem Zustand führt, der sich dem thermischen Gleichgewicht zwischen den beiden nähert. Für die besten Ergebnisse sollte der Temperaturunterschied zwischen dem Eisenmetalleinsatzring und der Aluminiumlegierung etwa 38 C nicht übersteigen. Die Aluminiumlegierung wird dann bei dieser Temperatur einer Prägeschlagbearbeitung ausgesetzt, und zwar entweder ir dem gleichen Gesenk, in dem das Stauchschmieden durchgeführt wurde, oder in einem ik, wie es in F i g. 6 dargestellt Gesenk 27, welches einen von dem der vorge-

rormte Noiociimnuug ««._e. imen wird. Der hohle

Innenraum des Kolbens liegt gegen einen Gesenkeinsatz 29 an. Ein Stempel 31 ist vorgesehen, der im 5o Hohlraum 28 hin und her gehen kann und der einen Prägeschlag auf den Kolbenkopf 11 abgibt, wodurch der Einsatzring fest innerhalb des Rohlings verankert wird. Da zum Zeitpunkt der Prägeschlagbearbeitung rlpr Fjnsatzrine auf der Oberseite, auf der Un-65 lers-eit

Temperatur befindet, wie der Aluminiumlegierungsrohling.

Nach der Entnahme des nunmehr geprägten Rohlings aus dem Prägegesenk wird der Einsatzring 18 bearbeitet, um eine Umfangsnut 32 auszubilden, wie es in F i g. 7 dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird überschüssiges Metall im Einsatzring 18 ebenfalls abgenommen, um den äußeren Umfang des Einsatzringes bündig abschließend mit dem Kopf des Kolbens zu machen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

ses Verfahren ist jedoch außerordentlich teuer und Patentansprüche: erfordert eine sehr sorgfältige Verfahrensschrittsteue rung und Einstellung, insbesondere für die Bedingun-

1. Verfahren zur Herstellung eines Leichtme- gen des geschmolzenen Aluminiumbades. Da Eisen talikolben-Zwischenrohlings mit Einsatzring aus 5 in geschmolzenem Aluminium löslich ist, wird das Eisenmetall, bei dem ein Kolbenrohling aus Alu- Bad sehr schnell mit überschüssigen Eisenmengen minium oder einer Aluminiumlegierung nach Er- \ erschmutzt und muß verhältnismäßig häufig ersetzt wlirmung mit einem mit Vorsprüngen versehenen werden.

Einsatzring, der eine andere Temperatur als der Ein Fortschritt bei der Verriegelung eines Einsatz-

Kolbenrohling aufweist, durch Stauchschmieden χο ringes im Kopf eines Aluminiumkolbens ohne metalohne metallurgische Bindung verbunden wird, lurgische Bindung wird durch die in der USA.-Padadurch gekennzeichnet, daß mit tentschrift 3 430 969 beschriebene Technik erzielt. In einem kalten Einsatzring (18) stauchgeschmiedet dieser Patentschrift wird gezeigt, daß ein eingewird und daß danach nach Temperaturanglei- schmiedeter Einsatzring in einem dichten Kontakt chung nachgeprägt wird. X5 mit dem Aluminium bleibt, wenn die Spannungen.

2. Verfahren zur Herstellung eines Leichtme- die sich aus den Unterschieden in der thermischen talikolben-Zwischenrohlings mit Einsatzring nach Expansion der beiden Glieder ergeben, auf einen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wert unterhalb der Fließfestigkeit des Aluminiums Temperaturangleichung eine Temperaturdifferenz bei maximaler Betriebstemperatur gehalten werden, von etwa 38 C eingehalten wird. 20 in dieser Patentschrift wird ferner gezeigt, daß falls

der Einsatzring ein bestimmtes Kontaktflächengewichtsverhältnis aufweist, wobei die Oberfläche die Gesamtoberflächc des Linsatzringes ist, die sich in Kontakt mit der Kolbenlegierung befindet, der Ring

25 fest durch den Kolbenkopf gehalten wird, ohne daß

eine Herstellung einer metallurgischen Bindung erforderlich ist und ohne daß es erforderlich ist. nach innen sich erstreckende Verriegelungs- oder Haltelazu verwenden.