DE2130736A1

DE2130736A1 - Kolben aus einer Aluminiumlegierung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2130736A1
Application number: DE19712130736
Authority: DE
Inventors: Elliott Robert Lincoln
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1970-09-08
Filing date: 1971-06-21
Publication date: 1972-03-16
Also published as: US3654840A; JPS5214219B1; CA929052A; DE2130736B2; GB1312610A; FR2103363A5; DE2130736C3

Description

IBW IKQ,_t 23 555 Euclid Avenue, Cleveland, Ohio 44 117/V.5t.A.

Unser Zeichen: T 1044

Kolben aua einer Aluminiumlegierung und Verfahren zu dessen Herateilung

Die Erfindung "betrifft einen Kolben aua einer Aluminiumlegierung und ein Verfahren zu dessen Herstellung, Insbesondere betrifft die Erfindung Kolben, die aus Aluminiuialegierungen mittels eines Sohlagschraiedeverfahren3 hergestellt -werden und bei denen die inneren Oberflächen der Kolbenbolzenaugen geneigt sind und eine Schulter und eine Aussparung aufweisen, v/odurch eine verbesserte) in Längsrichtung verlaufende Kornflu3fe3tigkeit in den Kolbenbolzenaugen erhielt v/ird, die den Kolbenbolaenauslenkungabelastun- gen widerstehen kann.

Die erfindungsgemäßen Kolben sind für die Anv/endungsfälle gedacht, in denen sehr hohe Druckbelastungen auftreten· Bisher wurden dei'artigo Kolben mit abgeschrägten inneren, einander gegenüberliegenden flächen an den Kolbenbolsenaugen ausgebildet, um mehr Eläche an der Oberseite ala an der Unterseite der Kolbenbolzenbohrungen zur Verfugung zu haben. Dieser Aufbau "war derart, daß eine größere Oberfläche sowohl in den Kolbenbolzenbohrungen des Kolbens als auch im Verbindungagestänge zur Verfügung stand, damit die Druckbelastung ohne eine proportionale Gewichtszunähme aufgenommen werden könnte.

Gei.

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Ea wurde nun gefunden, daß Auslenkungen dea Kolbenbolzeno selbst die Wirksamkeit einer derartigen Gestaltung auf ein Minimum herabsetzte. Unter Betriebsbedingungen, unter denen hohe Druckbelaatungen auftreten, haben hohle Kolbenbolzen die Neigung, elliptisch oder oval geformt zu werden. Sowohl hohle als auoh feats Kolbenbolzen verbiegen aioh unter den hohen Druckbelaatungen und führen zu Belaatungskonzentrationen an den inneren Kanten der Bolzenbohrungen im Kolben. Diese Art von Kolbenbolzenverbiegungen führt zu Fehlern in den Kolbenbolzenaugen, die ala riaaartige Sprünge an den inneren Kanten der Kolbenbolzenbohrungen ermittelt v/erden können.

Ea wurden bereita große Anstrengungen unternommen, um den Metallkornverlauf während dea Sohlagschmiedens in der richtigen Weiae auazuriohten, damit ein Kolben mit verbe&aerter Festigkeit hergestellt werden kann. In der US-Patentschrift 2 465 792 wird die Verbesserung der Pestigkeitaeigenschaften dos Kolbenkopfes beaanrieben, die dadurch erzielt wird, daß ein Metallbloak verwendet wird, in dem der Metallkornvei'lauf anfangs quer zur Richtung der Kompredslonakraft dea Sohmiedevorgangea gerichtet iat, so daß auoh naoh der anschließenden Bearbeitung der Kornverlauf noch mehr oder weniger in seiner ursprünglichen Querrichtung ausgerichtet iat.

In der US-Patentschrift 2 667 390 wird ein Kolben beschrieben, der einen ungebrochenen Metallfaserkornverlauf aufweist, der 3ich vom Kopf in die Kolbenbolzenaugen und in die Gleitabsohnitte hinein eratreckt und parallel zu den inneren und äußeren Umfangsoberflächen verläuft»

".Die US-Patentsohrift 2 795 467 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aua einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt unter aolchen Bedingungen, daß der Metallkornfaaerverlauf parallel zu den Oberflächen dea

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Gleitabschnittes verläuft und sich im Kopfabschnitt quer erstreckt, d. h. parallel zur äußeren Oberfläche dieses Abschnittes,

In der US-Patentechrift 3 010 186 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem auf ein Ende von Gußstücken ein Schlag ausgeübt wird, um die gegossene Kristallstruktur des Metalls einer Knetbearbeitung au überziehen und um eine Faserbandkonfiguration herzustellen, die extrudiert werden kann, ohne daß das Metall einreißt. Durch die Anfangsbehandlung des Gußkörpers wird ein fester zylindrischer Materialteil hergestellt, der eine querverlaufende abgerundete mittlere Rippe aufweist. Wenn diese Rippe mit dem Stoßstempel in Berührung kommt, so steht eine ausreichende Metallsusatzmenge zur Verfügung, um die Extrusion der Gleitabschnitte durchführen zu können, die im Abatand von den Bolzenaugen liegen. Dadurch, daß eine Kernfaserstruktur anfangs in dem Gußkörper ausgebildet wird, kann ein festerer Kolben als Endprodukt erzeugt werden.

Durch die Erfindung wird ein verbeseerter Kolben für schwere Belastungen geschaffen, bei dem von, den strukturellen Vor~ teilen Gebrauch gemacht wird, den abgeschrägte innere einander gegenüberliegende^Oberflächen an den Kolbenbolzenaugen mit sich bringenj^obei gleichzeitig verbesserte Fefltigkeitseigensohaften in der Umgebung der Bolzenaugen erzielt werden, so daß dieser Kolben höheren Druckbelastungen widerstehen kann. Insbesondere wird während der Ausbildung der abgeschrägten Flächen in den Augenabschnitten des Kolbens eine Schulter und eine Aussparungsanordnung ausgebildet, die zu einer teilweise kreisförmigen Ausaparungsanordnung führt, welche von einem im allgemeinen kreisförmigen Metallkornfaserfluß umgeben ist, Dann wird die Kolbenbolzenbohrung durch die geneigten Flächen hindurch geschnitten und die Festigkeit, die durch die längsanord-

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nung dea Metallkornfaserverlaufa erzielt wird, wirkt der Zapfenverbiegungabelastung entgegen und dieaer Widerstand wird ganz wesentlich durch den Faaerstrukturverlauf in diesem Bereich erhöht.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Ea zeigeni '

Fig, 1 eine Teilschnittansicht eines bisher bekannten Kolbens, mit schrägen Flächen an den Kolbenbolzenbohrungen,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines bekannten Kolbens, wobei die Verformung der Kolbenbolzenbohrungen bei hohen Belastungen veranschaulicht ist,

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht einer verbesserten Sterapelbaugruppe, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens verwendet werden kann,

Fig. 4 eine Schnittansicht des erfindungagemäßen Kolbens, in der die neue Konfiguration des Schulter- und Aussparungsab3chnittes der Kolbenbolzenaugen mit schrägen Flächen gezeigt ist und

Fig. 5 eine Ansicht, gesehen von der Linie V-V der Fig. aua, in der der Metallkornfaserverlauf in dem Bereich gezeigt ist, der den Abschnitt umgibt, in dein die Kolbenbolzenbohrung vorgesehen ist«

In Fig. 1 ist mit IO ein Kolben aus einer Aluminiumlegierung bezeichnet, wie er üblicherweise verwendet wird.

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Dieser Kolben, v/eist einen integralen Kopf abschnitt 11 auf, in dem eine flaobe kreisförmige Aussparung 12 ausgebildet i3t# Dieser Kolbenkopf weist die üblichen Kolbenringnuten 13 auf. Der Kolben weist eine Kolbenzapfenbohrung 14 auf, in der ein Kolbenzapfen 15 angeordnet ist. Dieser Kolbenzapfen wird gegen eine Querbewegung durch Schnappringe 16 und 17 festgehalten, die in der Kolbenzapfenbohrung angeordnet sind. Der Kolbeiizapfen 15 ist mit einer Pneueistange 18 in der üblichen Weise verbunden,

Die Innenseiten der Kolbenbolzenaugen weisen konvergierende, schräg verlaufende Oberflächen 19 und 20 auf, die zum Kopf des Kolbens hin konvergieren* Durch diese Ausbildung iat eine größere Fläche an der Oberseite der Kolbenzapfenbohrungen als an deren Unterseite vorhanden. Dadurch, daß mehr Oberfläche in der Kolbozapfenbohrung des Kolbens χιηά. in der Pneueistange zur Verfügung steht, können größere Di^:uck~ laaten aufgenommen werden, ohne daß eine proportionale Gewichtszunahme des Kolbena in Kauf genommen werden muß. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform treten jedoch sehr häufig Fehler auf, die durch eine Auslenkung oder Verbiegung der Kolbenzapfen unter Druckbelaatungen entstehen, wodurch die Kolbenzapfenbohrung 14 oval oder elliptisch verformt wird, wie ea in Fig. 2 dargestellt ist. Dies führt zu Brüohen oder Rissen in den parallelen Metallkornfaserverlauf, wie er bei 21 in Fig. 2 dargestellt ist. Da die Belastungen, die durch die Auslenkung oder Verbiegung des Kolbenzapfens erzeugt werden, im allgemeinen quer zur Richtung des Kornfaaerverlaufea 21 verlaufen, kann bei einer derartigen Gestaltung die maximale Materialfestigkeit nicht ausgenutzt werden.

Erfindungsgemäß ist ein Metallkornfaserverlauf in der Umgebung der Kolbenzapfenaugen vorgesehen, der im allgemeinen kreisförmig um die Kolbenzapfenbohrungen herum verläuft

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und der deshalb den JBelastungskonzentrationen besser widerstehen kann, die an den inneren Kanten der Zapfenbohrungen im Kolben auftreten. In Fig. 3 iat ein Stempel und eine Matrize dargestellt, die zur Herateilung des erfindungagemäßen Kolbens verwendet werden können. Ein Stempel 22 iat zum Schlagachmieden einea Rohlings 23 vorr geaehen, der aua einem Aluminiumlegierungakolbenmaterial besteht. Dieaea Material ist in einer Matrize 24 angeordnet. Der geachmiedete Rohling iat nach aeiner Herausnahme au3 dem Geaenk in Fig. 4 dargeatellt. Der Stempel 22 weiat einen Entlüftungskanal auf und einen gebogenen Abschnitt 26, der einen gebogenen Abschnitt 27 (i'ig. 4)

" unterhalb dea Kopfabschnittea des Kolbena ausbildet. Der gebogene Abschnitt 26 des Stempels geht in zwei relativ breite gebogene Stempeloberflächen 28 und 29 über, welche die gegenüberliegenden Ausaparungen am GIeitabsohnitt des Kolbena ausbilden. Zwischen den beiden gebogenen Abschnitten 28 und 29 aind zwei Schultern 30 und 31 vorgeaehen, die das Metall im Bereich der Kolbenzapfenaugen 32 und 33 (Pig« 4) formen. V/ie Pig. 4 zeigt, formt der Stempel das Metall derart, daß zwei konvergierend geneigte innere Oberflächen 34 und 35 an den Augen vorgeaehen werden, sowie gegenüberliegende ausgesparte Abschnitte 36 und 37· Die ausgesparten Abschnitte 36 und 37 haben ihre größte Tiefe an der dem Kopf de3 Kolbena zunächst gelegenen Stelle und weisen parallele Seitenwandungen 58 und 39 auf, die sich von dieser Stelle aus nach unten erstrecken. Wie Pig» 5 zeigt, sind die ausgesparten Abschnitte 36 und 37 im allgemeinen von halbkreisförmiger Form, wie ea bei 40 gezeigt iat und zwar an der Stelle der maximalen Tiefe der Auaaparung und die Tiefe der Aussparung nimmt von dem halbkreisförmigen oberen Abschnitt bis zum Boden der Aussparung hin ab.

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Der Stempel 22 kann ferner innere Schlitze 41 und 42 aufweisen, die dazu dienen, gebogene, diametral gegenüberliegende Rippen 43 und 44 in dem in Hg« 4 dargestellten Schmiedestück auszubilden. Die Rippen können verwendet werden, um den Kolben bei den anschließenden Bearbeitungen genau anzuordnen. Diese Rippen können im fertigen Kolben verbleiben oder können bei dem anschließenden Einarbeiten der Ringnuten und der Kolbenbolzenbohrungen entfernt werden und zwar je nach der endgültigen Gestaltung des Kolbens.

Pig. 4 zeigt, daß der Metallkornfaserverlauf 45 in der Umgebung der Kolbenbolzenaugen im allgemeinen derj/Kontur der verschiedenen Aussparungen folgt, die durch den Stempel 22 erzeugt werden. Am halbkreisförmigen Ab3chnitt der Aussparungen ist, wie Pig. 5 zeigt, der Metallkoinfaserverlauf im allgemeinen kreisförmig, wie es durch die Paserverlaufs-Konfiguration 46 veranschauliche wird, die den tiefsten Abschnitt der Aussparung umgibt· 3er Metallkornfaserverlauf in den Gleitabschnitten erstreckt sich im allgemeinen parallel zu deren Oberflächen. Die Kolbenzapfenbohrung 47 wird dann im geschmiedeten Stück ausgebildet, wie es gestrichelt in Pig. 5 dargestellt ist.

Es wurde gefunden, daß zur Erzielung bester Ergebnisse die Tiefe der ausgesparten ^schnitten 36 und 37 an den Stellen größter Abmessungen, die in Fig. 4 mit A bezeichnet sind, wenigstens 20 i» des radialen Abstandes vom äußeren Umfang des Schmiedestückes bis zur inneren Oberfläche des Kolbenbolzenauges an der oberen Kante der Kolbenbolzenbohrung sein sollte« Diese Abmessung ist in Mg. 4 mit B bezeichnet. Die Abmessung A sollte eine minimale Abmessung von 0,95 om {3/8 Zoll) haben.

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Durch den neuen Kolbenaufbau wird eine bessere Festigkeit erzielt, die den Zapfenauslenkungen entgegenwirkt als die Festigkeit, die bei den bisher bekannten Kolben erreicht wurde, bei denen der Kornverlauf der Längsrichtung der Kolbensapfenaugen folgte und mehr oder weniger parallel zu den äußeren und inneren Oberflächen der Augen verlief. Dadurch, daß ein kreisförmiger Kornfaserverlauf im Bereich der Kolbezapfenbohrung verwendet wird, werden Rißbildungen u» dgl, ganz erheblich herabgesetzt.

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Claims

Patentansprüche

1. Aus einer Aluminiumlegierung "bestehender Kolben, der einen integralen Kopfabschnitt aufweist, Ringflanschabachnitte und einander gegenüberliegende Kolbenbolzcnaugen und einen Gleitabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung, die die inneren Enden der Kolbenbolzenaugen begrenzen, konvergierend zu dem Kopfabschnitt hin geneigt sind, daß die Kolbenbolzenaugen"ausgesparte Abschnitte aufweisen und daß der Metallkornfaserverlauf, der diese ausgesparten Abschnitte umgibt, wenigstens teilweise kreisförmig im Bereich der Kolbenbolzenbohrungen ist, die in diesen Augen ausgebildet sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkornfaserverlauf in den Gleitabschnitten im allgemeinen parallel zu deren Oberflächen ist.

3« Kolben nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesparten Abschnitte in den Kolbenbolzenaugen im allgemeinen halbkreisförmige obere Abschnitte aufweisen, die dem Kopf des Kolbens zunächst liegen und im allgemeinen parallele Seitenwandungen, die sich von dort aus nach unten erstrecken.

4« Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesparten Abschnitte in den Kolbenbolzenaugen eine von den halbkreisförmigen oberen Abschnitten bis zum Boden hin abnehmende liefe aufweisen.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe der ausgesparten Abschnitte -wenigstens 2o des Abstandes vom halbkreisförmigen oberen Abschnitt zum äußeren Umfang des Kolbens beträgt.

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ό. Verfahren zur Herateilung eines Kolbens, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Aluminiuralegierungsrohling mit einem Stempel ein Schlag ausgeübt wird, damit das Metall längs des Stempels zurückfließt, daß dieser Stempel einen Kopfformungsabschnitt aufweist, einen Lagerzapfenaugen-Formungsabschnitt und Gleitflächen-Formungsabschnitte, daß der Abschnitt zur Ausbildung des Kolbenzapfenauges derart ausgebildet ist, daß diese Abschnitte mit konvergierenden inneren Enden ausgebildet werden, daß der Stempel Vorsprüngo in den Abschnitten aufweist, die die Kolbenbolzenaugen ausbilden, um Aussparungen in den Kolbenbolzenaugenabschnitten auszubilden, vobei diese Vorsprünge abgerundete Kronenabschnitte an den Enden der Aussparungen in der Nähe des Kopf ab schnittes des Kolbens aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch G, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung während des Schmiedens gezwungen wird, um diese Vorsprünge herum zu fließen, um eine Metallkornfaserstruktur zu schaffen, die der Kontur der abgerundeten Kronenabschnitte folgt.

8«, Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorsprünge so geformt sind, daß tiefere Aussparungen in den Kronenabschnitten als in den übrigen Teilen ausgebildet werden.

9« Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Stempels bewirkt, daß der Metallkornfaserverlauf längs der Gleitabschnitte im allgemeinen parallel zu den Oberflächen der Gleitabschnitte verläuft.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale !Tiefe der ausgesparten Abschnitte wenigstens 20 fo des Abschnittes zwischen der Wandung, die diesen halbkreisförmigen Abschnitt umgibt und der äußeren Oberfläche des Kolbens beträgt.

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