DE3323457A1

DE3323457A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbenringes

Info

Publication number: DE3323457A1
Application number: DE19833323457
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yono Ikutake
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1982-07-01
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1984-01-26
Also published as: GB2124331A; JPS594984A; GB2124331B; GB8317936D0

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kolbenringes, der eine verschleißfeste Schicht an seiner äußeren Umfangsflache hat.

Ein Kolbenring muß verschleißfest, insbesondere an seiner äußeren Umfangsflache sein, die eine Gleitfläche bildet, die eine Zylinderlaufbuchse berührt. Daher ist es üblich, eine verschleißfeste Schicht 12 auf einem Kolbenringgrundwerksto.ff 11 vorzusehen, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Diese Schicht wird üblicherweise durch Anbringen eines Oberflächenüberzugs, der durch Chromplattieren oder Spritzüberziehen von Molybdän, einer Ferrolegierung, keramischen Werkstoffen oder dergleichen oder durch Wärmebehandlung zur Erzielung einer Härtung, wie weiches Nitrieren oder Ion-Nitrieren, Oberflächenumschmelzung oder Oberflächenschichterschmelzung und Legierung gebildet wird. Die durch Anbringen einer Oberflächenbeschichtung gebildete Schicht ist jedoch nicht zufriedenstellend mit dem Grundwerkstoff verbunden, sondern läßt sich leicht abschälen oder bricht ab.

Die Wärmebehandlung zur Erzielung einer Härtung ist hinsichtlich der Produktivität ungünstig, da für sie viel Zeit benötigt wird oder bei einigen Verfahren, wie das Oberflächenerschmelzen, wird die Oberfläche so rauh, daß eine Nachbehandlung erforderlich ist, obgleich die Wärmebehandlung als solche schnell ausgeführt werden kann.

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Auch gibt es Kolbenringe, bei denen ein anderes Material eingebettet ist, wie beispielsweise ein Ferrox-Einsatz, oder ein Weichmetalleinsatz, wie Kupfer oder Blei. Diese Kolbenringe werden dadurch hergestellt, daß eine Nut in einem Kolbenringgrundmaterial mit Pulver eines hierfür bestimmten Materials oder einer durch Kneten mit einem Bindemittel erhaltenen Paste ausgefüllt wird und dann insgesamt ein Brennen bzw. Sintern durchgeführt wird. Alternativ kann ein Blech oder ein Band aus Walzdraht bzw. Runddrahtmaterial mittels Preßsitz in die Kolbenringnut eingepaßt oder in die Nut gestaucht werden.

Das Material, das man in solche Kolbenringe einbetten kann, ist jedoch ein weiches Material, das sich leicht plastisch verformen läßt, oder es ist ein Material, das sich bei einer niedrigen Temperatur brennen läßt. Diese Materialien sind hauptsächlich zur Verbesserung der Benetzungs- und Schmiereigenschaften der Kolbenringe vorgesehen und mit ihnen ist keine Verschleißfestigkeit zu erreichen.

Daher ist es unmöglich, einen Runddraht aus hartem Material, wie martensitischer chromreicher, rostfreier Stahl, einzubetten, da aufgrund der Schwierigkeiten bei der plastischen Verformung eine Preßsitzeinpassung unmöglich gemacht wird oder ein Einstauchen in eine Kolbenringnut unmöglich wird. Ferner ist kein Brennen oder keine andere Methode möglich, um dieses Material fest mit dem Kolbenring zu verbinden.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings anzugeben, bei dem. der Kolbenring mit einem harten Material verbunden ist und der hinsichtlich der Produktivität und der Leistungsfähigkeit ausgezeichnet ist.

Nach der Erfindung wird hierzu ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes angegeben, das die nachstehend aufgeführten sieben Schritte umfaßt:

(1) Bereitstellung eines Kolbenringgrundmaterials in

Form eines Walzdrahtes bzw. Runddrahtes und eines dünneren zweiten Walz- bzw. Runddrahtes,, der zur Bildung der äußeren Umfangsflache eines Kolbenrin-XO 9^es verwendet wird,

(2) (erster Schritt) Zuführung des Grundmaterials über Rollen mit einer Geschwindigkeit A und das Zuführen des zweiten Runddrahtmaterials gesondert von dem

χ 5 Grundmaterial,

(3) (zweiter Schritt) Zuführung des Grundmaterials und des zweiten Runddrahtes zu einem Paar von sich drehenden Scheibenelektroden, um das Grundmaterial und öen zweiten Runddraht in innigen Kontakt miteinander zwischen den Elektroden zu bringen,

(4) (dritter Schritt) Zuführung eines elektrischen Stroms zu den Elektroden, um das Grundmaterial und den zweiten Runddraht zusammenzuschweißen,

(5) (vierter Schritt) Rollbiegen eines Kolbenringes,

(6) (fünfter Schritt) Abschneiden des Kolbenringes, und 30

(7) (sechster Schritt) Wärmebehandlung des Kolbenringes.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 eine Querschnittsansicht eines üblichen

Kolbenringes,

Figur 2 eine schematische Vorderansicht einer Anlage -^q zur Verdeutlichung des Herstellungsverfahrens

nach der Erfindung/

Figuren 3 bis 6 Querschnittsansichten von verschiedenen

Ausbildungsformen von Kolbenringen nach der -^g Erfindung, und

Figur 7 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Herstellungsweise nach der Erfindung.

2Q Das Verfahren nach der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Nach Figur 2, die eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt, wird ein Kolbenring-Grundmaterial 11 in Form eines Walzdrahtes bzw. eines Runddrahtes und ein zweiter Walzdraht bzw. ein zweiter Runddraht 12 verwendet, der zur Bildung der Außenumfangsfläche eines Kolbenringes dient. Das Grundmaterial 11 wird über Rollen 21 von einem Vorratsmaterial (nicht gezeigt) abgezogen und über eine Führung 22 einer sich drehenden Scheibenelektrode 31 zugeführt. Der zweite Runddraht 12 wird über Führungsrollen 41 und Vorschubrollen 42 einer sich drehenden Scheibenelektrode 32 zugeführt. Die Geschwindigkeiten, mit denen das Grundmaterial und der zweite Runddraht zugeführt werden, hängt von dem Ausmaß ihrer thermischen Deformationen ab. Der zweite Runddraht 12 wird

jedoch vorzugsweise schneller als das Grundmaterial zugeführt, so daß man einen Kolbenring mit besseren Eigenschaften erhält, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird.

Das Grundmaterial 11 und der zweite Runddraht 12 werden auf diese Weise einem Paar von sich drehenden Scheibenelektroden 31 und 32 zugeführt, mittels denen sie in innigen Kontakt miteinander gebracht werden. Ein elektrischer Strom wird den Elektroden 31 und 32 kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt, so daß die hieraus resultierende Wärme jene Abschnitte des Grundmaterial und des zweiten Runddrahtes erschmelzen kann, an denen

j5 diese beiden Materialien verbunden werden.

Die erschmolzenen Abschnitte werden durch das Wärmeleitvermögen des Kolbenringes selbst abgekühlt und das Grundmaterial und der zweite Runddraht sind auf diese Weise zusammengeschweißt. Ein solches Erschmelzen tritt in jenen Abschnitten mit hohem elektrischen Widerstand auf, an denen das Grundmaterial und der zweite Runddraht verbunden sind und dieser Teil erstreckt sich nicht zu den äußeren Flächen der Materialien, obgleich das Grundmaterial und der zweite Runddraht durch die Wärme in gewissem Maße beeinflußt werden können.

Die zusammengeschweißte Anordnung, bestehend aus Grundmaterial und zweitem Runddraht, wird über Führungsrollen 5 geführt und zu einem wirklichen Kreis mit Hilfe von fünf Walzen bzw. Rollen gebogen, d.h. drei Rollen 61, 62 und 63, die eine Biegestation bilden und Rollen 64 und 65, die vorgesehen sind, um eine Biegestabilität zu gewährleisten.

Dieses Biegen entspricht jenem, das man bei der üblichen Herstellung eines Stahlkolbenringes anwendet. Wenn beispielsweise daher die Position der Biegerolle 63 verändert wird, kann man einen Kolbenring in Form einer Nocke formen und wenn die Rollen 61, 62 und 63 axial verschoben werden (in Figur 1 in Richtung nach vorne und zurück), kann man einen Kolbenring in Form einer Windung bzw. eines Bundes bilden.

Die in Form einer Nocke ausgeformte gebogene Anordnung oder die in Form eines Bundes gewickelte Anordnung wird zugeschnitten, um Kolbenringe zu erhalten, die geschlitzte Enden haben.

Der so gebildete Kolbenring wird wärmebehandelt, so daß

die Schweißbeanspruchungen, der Einfluß der in dem Grundmaterial und dem zweiten Runddraht verbleibenden Wärme und die Eigenspannungen aufgehoben werden, die durch das 2Q Biegen erzeugt worden sind.

Nach der Erfindung wird eine feste Schweißverbindung erreicht, die vergleichbar einer üblichen nahtgeschweißten Platte ist, und man erhält eine Oberflächenrauhig-2g keit, die nicht größer als jene des Materials ist. Bevorzugt wird jedoch die Erfindung auf die nachstehend beschriebene Weise ausgeführt, wenn man einen in der Praxis verwendbaren Kolbenring herstellen will.

QQ Das Grundmaterial für einen Kolbenring einer üblichen Brennkraftmaschine muß eine bessere Bearbeitbarkeit und eine bessere plastische Formbarkeit haben, obgleich es weniger verschleißfest als der zweite Runddraht sein kann. Die Verwendung eines kohlenstoffreichen Stahls oder eines niedrig legierten, hochgekohlten Stahls wird daher bevorzugt. Austenitischer rostfreier Stahl oder an-

dere Stahlsorten mit hoher Korrosionsbeständigkeit können für einen Kolbenring einer Dieselbrennkraftmaschine oder einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung (EGR-Brennkraftmaschine) verwendet werden, bei denen ein verschleißfester Kolbenring erforderlich ist.

Ein Material großer Härte wird für das Material des zweiten Runddrahtes gewählt, der die äußere Umfangs-

2Q fläche des Kolbenringes bildet, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit, insbesondere einen ausreichenden Verschleißwiderstand zu haben. Als Beispiel für dieses Material kommen martensitischer rostfreier Stahl, hochgekohlter, hochlegierter Stahl und Schnellarbeitsstahl

■^5 in Betracht.

Bei der Erfindung tritt eine plastische Verformung in starkem Maße bei der Formung eines geraden Runddrahtes zu einem Ring auf, der einen Durchmesser von 50 bis 150 mm hat. Hierbei werden extrem hohe Eigenspannungen in der Schweißverbindung und in dem zweiten Runddraht erzeugt. Hierdurch wird eine Rißbildung in dem zweiten Runddraht sehr wahrscheinlich, der im allgemeinen sehr hart ist und zur Versprödung neigt. Auch können Risse in der Schweißverbindung auftreten. Daher ist es zweckmäßig, für den zweiten Runddraht 12 eine höhere Geschwindigkeit als für das Grundmaterial 11 und eine höhere Umfangsgeschwindigkeit bei den Elektroden 32 als bei den Elektroden 31 (indem man der Elektrode 32 einen größeren Durchmesser gibt) zu verwenden, so daß Druckbeanspruchungen auf den zweiten Runddraht während des Schweißens einwirken, wie dies in Figur 1 gezeigt ist.

Das Grundmaterial 11 ist mit einer Ausnehmung 13 ausgebildet, in die der zweite Runddraht 12 geschweißt wird, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Die gleichförmigen oberen und unteren Flächen 14 und 15 des Kolbenringmaterials

11 gewährleisten eine schnelle maschinelle Bearbeitbarkeit und eine präzise Bearbeitung. Der zweite Runddraht

12 ist nur an dem Grund 16 der Ausnehmung 13 angeschweißt und kein Klumpen 19 ist auf den Seitenwandungen der Ausnehmung 13 ausgebildet. Daher hat die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes keine rauhe Oberfläche oder irgendeine ungleichförmige Oberfläche/ die sich dann ergeben würde, wenn irgendwelche Klumpen freiliegen würden.

Der Kolbenring, mit dem der zweite Runddraht 12 in der Ausnehmung 13 verschweißt worden ist, wird längs seines äußeren Umfangs beim Biegen gezogen, wie dies in Figur gezeigt ist. Die Seitenränder des zweiten Runddrahtes werden in innige Berührung mit den Seitenwandungen der Ausnehmung 13 gebracht. Wenn daher irgendein Zwischenraum dazwischen beim Schweißen vorhanden ist, wird der zweite Runddraht 12 eng passend in die Ausnehmung 13 eingepaßt, wenn die beiden Materialien zu einem Ring geformt werden.

Der zweite Runddraht 12 und/oder die Ausnehmung 13 des Grundmaterials ist zweckmäßigerweise mit abgerundeten Ecken 7 versehen, wie dies in Figur 5 gezeigt ist. Die abgerundeten Ecken 7 verhindern, daß Schweißklumpen die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes erreichen und sie beseitigen von dem äußeren Umfang des zweiten Runddrahtes jegliche scharfen Kanten, die sonst möglicherweise eine Zylinderlaufbuchse beschädigen könnten. Die abgerundeten Ecken 7 begrenzen auch Ausnehmungen, die zur Aufnahme eines Schmiermittels dienen können. Zweckmäßigerweise werden die abgerundeten Ecken 7 zuvor auf dem Grundmaterial und dem zweiten Runddraht ausgebildet, obgleich sie alternativ auch nach der Herstellung eines Kolbenringes noch ausgebildet werden können.

Das Grundmaterial kann mit Vorsprüngen 71 , wie in Figur 6 gezeigt, ausgebildet sein, wodurch eine bessere Schweißverbindung des zweiten Runddrahtes mit dem Grundmaterial sichergestellt wird. Diese Vorsprünge werden durch Walzen oder irgendeine andere Behandlung bzw. Bearbeitung vor dem Schweißen gebildet.

In Figur 7 ist eine weitere Ausbildungsform nach der
Erfindung gezeigt. Das Grundmaterial 11 ist mit einem vorbestimmten Krümmungsradius gekrümmt, bevor es den
sich drehenden Scheibenelektroden 31 und 32 zugeführt wird und die geschweißte Anordnung wird durch Biegerollen 61, 62 und 63 gebogen. Durch diese Herstellungsweise wird vermieden, daß Eigenbeanspruchungen in der Schweißverbindung und dem zweiten Runddraht auftreten, wenn diese gebogen werden.

In diesem Zusammenhang ist noch zu erwähnen, daß es möglieh ist, das Grundmaterial 11 mit einem Krümmungsradius gekrümmt zu formen, der etwa gleich jenem ist,
unter dem die gesamte Anordnung zu einem Kolbenring gebogen wird. Hierdurch wird es möglich, daß man das Biegen und das Schweißen etwa gleichzeitig vornehmen kann. Wenn eine axiale Wickelgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung des Grundmaterials über die Elektroden vorhanden ist, entsteht jedoch eine Verdrehbeanspruchung in der Schweißverbindung eines Kolbenringes. Daher ist es zweckmäßig, das Schweißen in einer Ebene durchzuführen, in der der Kolbenring wenigstens während des Beginns des Biegevorgangs gebogen wird.

Mit der Erfindung wird eine hohe Produktivität durch die kontinuierliche Herstellung von Kolbenringen erzielt, wie dies bei üblichen Stahlkolbenringen der Fall ist. Man erhält eine Verschleißfestigkeit, die durch das Vor-

sehen eines Materials auf der äußeren Umfangsflache bestimmt ist, das sehr hart ist und das nahezu kaum plastisch verformbar ist. Ferner ist die Festigkeit der Verbindung der verschleißfesten Schicht mit der äußeren Um-

c fangsfläche des Kolbenringes hoch.

Ferner ermöglicht die Erfindung einen Bitaetalleffekt, den man mit dem üblichen Oberflächenbeschichten nicht erreichen kann. Ein übliches Oberflächenbeschichten

₁q mit einer Stärke von beispielsweise 0,1 bis 0,5 mm übt keine nennenswerte Spannung, keinen nennenswerten Oberflächendruck oder keine anderen Einflüsse auf den Kolbenring aus. Bei einem Kolbenring mit der Schweißkonstruktion nach der Erfindung jedoch hat der zweite Runddraht

,j- eine relativ große Dicke, die üblicherweise wenigstens 0,5 mm beträgt, so daß der Schweißklumpen nicht auf der äußeren umfangsflache freiliegt und der zweite Runddraht ist fest und widerstandsfähig mit dem Kolbenring verschweißt. Daher haben die mechanischen Eigenschaften des

2Q zweiten Runddrahtes auf der äußeren Umfangsflache einen großen Einfluß auf den Kolbenring. In diesem Zusammenhang ermöglicht die Erfindung die Verwendung von unterschiedlichen Wärmeausdehnungsfähigkeiten zwischen dem zweiten Runddraht und dem Grundmaterial. Wenn ein Schlitz mit einem großen Krümmungsradius (d.h. ein Tiefpunkt-Schlitz) vorgesehen ist, und wenn ein zweiter Runddraht einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten als das Grundmaterial hat, hat der Schlitz des Kolbenringes einen kleineren Krümmungsradius (d.h. einen Hochpunkt-Schlitz) mit einer Zunahme der Drehzahl der Brennkraftmaschine (d.h. mit einer Zunahme der Temperatur des Kolbenringes), so daß kein Flattern während des Arbeitens der Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl auftreten kann.

Andererseits kann das Grundmaterial einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der zweite Runddraht bei

einem Kolbenring für eine Zweitaktbrennkraftmaschine oder eine Diesel-Brennkraftmaschine haben, bei denen Schwierigkeiten in den Einlaß- und Auslaßöffnungen oder dem Schlitz des Kolbenringes v/ährend des Arbeitens der Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl oder hoher Geschwindigkeit auftreten. Bei zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine hat der Kolbenring einen Tiefpunkt-Schlitz mit größerem Krümmungsradius, so daß man eine YQ Verschleißminderung und eine Reduzierung des Durchblasens erreichen kann.

Nach der Erfindung ist es zweckmäßig, das Grundmaterial und den zweiten Runddraht vor dem Schweißen durch die •^5 sich drehenden Scheibenelektroden vorzuwärmen, um die Stärke der zu bildenden Klumpen bzw. Schweißraupe zu regulieren.

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich auch durchführen, wenn das Biegen beispielsweise durch Wickeln um einen Dorn erfolgt, und zwar als Ersatz für die Verwendung von drei oder fünf Rollen, wie dies in Figur gezeigt ist. Die Wärmebehandlung wird durchgeführt, um irgendwelche Schweiß- oder Biegebeanspruchungen und irgendwelche Einflüsse der beim Schweißen erzeugten Wärme aufzuheben. Wenn jedoch das Härten oder eine Wärmebehandlung zur Expansion oder Kontraktion angewandt wird, die bei der Herstellung von Kolbenringen üblich ist, ist die Wärmebehandlung, die ausschließlich zur Spannungs aufhebung bestimmt ist, unnötig, da man dies auch bei der üblichen Behandlung erreicht.

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Claims

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P 18 112 NIPPON PISTON RING CO., LTD.
No. 2-6, JCudankita 4-chome
Chiyoda-ku
Tokyo, Japan

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes für eine Brennkraftmaschine mit einer äußeren Umfangsflache, mit der ein anderes Material verbunden ist,

um eine Gleitfläche zu bilden, bei dem ein Kolbenringgrundmaterial in Form eines Runddrahtes und ein dünner zweiter Runddraht verwendet werden, der zur Bildung der äußeren Umfangsflache bestimmt ist, OQ dadurch gekennz eichnet, daß: in einem ersten Schritt das Grundmaterial mit Hilfe von Rollen und der zweite Runddraht gesondert zum Grundmaterial zugeführt werden,

in deinem·zweiten Schritt das Grundmaterial und der 35

zweite Runddraht ein Paar von sich drehenden Scheibenelektroden zugeführt werden, um das Grundmaterial und den zweiten Runddraht in innige Berührung miteinander zwischen den Elektroden zu bringen,

in einem dritten Schritt ein elektrischer Strom den Elektroden zugeführt wird, um das Grundmaterial und den zweiten Runddraht miteinander zu verschweißen,

in einem vierten Schritt ein Kolbenring gebogen wird,

in einem fünften Schritt der Kolbenring durchgeschnitten wird, und

in einem sechsten Schritt eine Wärmebehandlung des ^q Kolbenringes durchgeführt wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Runddraht schneller als das Grund-

j_5 material während des ersten Schrittes zugeführt wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Grundmaterials, die die äußere Umfangsflache begrenzt, eine Ausnehmung hat, in die der zweite Runddraht eingepaßt ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorsprung in einer Ausnehmung ausgebildet ist, die in dem Grundmaterial vorgesehen ist.