DE3902075A1 - Verfahren zur herstellung pulvergeschmiedeter bauteile, insbesondere eines pleuels mit geteiltem pleuelkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung pulver­ geschmiedeter metallischer Bauteile, die aus zumindest zwei Einzelteilen bestehen, wobei das Bauteil von einer einteiligen Vorform zur Endform aus Pulver gepreßt, ge­ sintert, geschmiedet, abgekühlt und in seine Einzelteile getrennt wird.

Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise angewandt, wenn ein Bauteil hergestellt werden soll, das aus zu­ mindest zwei einander zugeordneten Einzelteilen besteht. Insbesondere kann es sich dabei um Einzelteile handeln, die zueinander passungsgenau ausgeführt sein müssen. Ein derartiger Fall liegt z. B. bei einem Pleuel mit geteiltem Pleuelkopf vor. Ein solches Pleuel besteht aus dem Lager­ deckel und dem übrigen Pleuel, wobei diese beiden Einzel­ teile durch Pleuelschrauben miteinander verbunden werden.

Es ist ein Verfahren der eingangs genannten Gattung be­ kannt, bei dem die Vorform mit Aufmaß aus Pulver gepreßt wird (Metal Powder Report, Band 39, Nr. 11, erschienen November 1984 (MPR Publishing Services Ltd, Shrewsbury, Großbritannien), Chiaki Tsumuti und Ichiro Nagare, "Appli­ cation of Powder forging to Automotive Parts", siehe Fig. 8 und 12). Dabei wird im Bereich der zukünftigen Trennfuge zwischen zwei benachbarten Einzelteilen ein zusätzliches Aufmaß vorgesehen. Nach dem Sintern, Schmieden und Abküh­ len folgt die Trennung des Bauteiles in seine Einzelteile. Dies geschieht durch mechanische Bearbeitung dadurch, daß die Einzelteile in der Trennfuge durch Sägen voneinan­ der getrennt werden. Das zusätzliche Aufmaß in diesem Bereich wird durch das Sägen weitgehend beseitigt. An­ schließend ist es notwendig, die beiden Trennflächen der benachbarten Einzelteile mechanisch zu bearbeiten. Je nach Bedarf ist es dabei erforderlich, eine passungsge­ naue Bearbeitung folgen zu lassen, beispielsweise durch Schleifen.

Dieses Verfahren erfordert durch das zusätzliche Aufmaß im Bereich der Trennfuge den Einsatz von Werkstoff, der später beim Sägen beseitigt wird. Die Bearbeitung des Sägens und der weiteren mechanischen Nachbearbeitung, nicht zuletzt eines etwa erforderlichen Schleifens, ver­ langt einen erheblichen Aufwand an Zeit und Kosten. Da sich eine unzureichende mechanische Bearbeitung nicht vollständig ausschließen läßt, ist Ausschuß unvermeidlich. Alle diese Nachteile wiegen besonders schwer, wenn es sich bei der Herstellung um eine Massenproduktion handelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend dargelegten Nachteile zu beseitigen, das eingangs genannte Verfahren erheblich zu vereinfachen und gleichzeitig eine passungsgenaue Herstellung der Einzelteile zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vorform vor dem Sintern an der Trennstelle zwischen zwei Einzelteilen mit zumindest einer Anrißkerbe versehen wird, die zwischen Sintern und Schmieden eine Schutzschicht, insbesondere eine Oxidschicht, erhält und beim Schmieden zur Endform geschlossen wird, daß außerdem im Bereich der gewünschten Trennfläche und im Abstand von der Anrißkerbe zumindest eine Rißverlaufskerbe vorgesehen wird, und daß das Bauteil nach dem Abkühlen durch Bruch in seine Einzel­ teile getrennt wird.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung weist die Vorform in den Dickenabmessungen ein Aufmaß gegenüber der Endform auf. Die Endform wird beim Schmieden erreicht. Dabei wird die Anrißkerbe der Vorform mehr oder weniger geschlossen. Dies hat zur Folge, daß zwei, vorzugsweise dünne Schutz­ schichten, insbesondere Oxidschichten, benachbart werden und so für eine Trennung sorgen, die als von der Anrißkerbe ausgehender Riß besteht. Der auf diese Weise hergestellte Riß kann sowohl in seiner Länge als auch in seiner Breite durch die Gestaltung der Anrißkerbe vorbestimmt werden.

Der vorhandene Riß führt mit erheblicher Wahrscheinlichkeit dazu, daß nach dem Abkühlen des Bauteils dessen Trennung in seine Einzelteile durch Bruch längs dieses Risses und in Fortsetzung desselben erreicht wird. Damit dies jedoch mit noch größerer Sicherheit eintritt, wird gemäß der Erfin­ dung vorgeschlagen, daß außer der Anrißkerbe an der Trenn­ stelle zwischen zwei Einzelteilen im Bereich der gewünsch­ ten Trennfläche und im Abstand von der Anrißkerbe zumindest eine Rißverlaufskerbe vorgesehen wird. Diese weitere Kerbe führt dazu, daß die Trennung von der Trennstelle aus in der Trennfläche sozusagen von einer Kerbe zur anderen ver­ läuft. Dadurch ist die Lage der Trennfläche eindeutig be­ stimmbar. Der Verlauf des Risses während der Trennung, und damit die Richtung seine Ausbreitung, kann also durch die Anordnung der Rißverlaufskerbe vorgegeben werden. Hinzu kommt, daß für die Trennung weniger Arbeit aufgewandt werden muß und die Wahrscheinlichkeit vermindert wird, daß beim Trennen in den Trennflächen Verformungen auftreten.

Bei einer solchen Trennung des Bauteils wird kein Werkstoff durch mechanische Bearbeitung verbraucht. Es entsteht eine Trennfläche, die keiner Bearbeitung bedarf, da sie passungsgenau ist. Ohne weiteres können zwei benachbarte Einzelteile an ihren Trennflächen wieder passend zusammen­ gesetzt werden. Diese Trennflächen weisen gegenüber bekannten mechanisch bearbeiteten den wesentlichen Vorteil auf, daß ihre Oberfläche um ein Vielfaches größer ist. Eine höhere Belastbarkeit des Bauteils wird dadurch geboten. Beachtlich sind weiterhin die Ersparnis von Zeit- und Kostenaufwand, da das Trennen durch Bruch mit wesentlich einfacheren Mitteln durchführbar ist als das bekannte Trennen durch mechanische Bearbeitung.

Das Verfahren kann gemäß der Erfindung dadurch ausgestaltet werden, daß die Vorform beim Pressen mit zumindest mit einer Anriß- und einer Rißverlaufskerbe versehen wird. Hierzu kann beispielsweise im Preßwerkzeug die erforderliche Form vorgesehen werden.

In weitere Ausgestaltung der Erfindung kann die Vorform aber auch durch mechanische Bearbeitung mit zumindest je einer Anriß- und Rißverlaufskerbe versehen werden. Dies ist beispielsweise durch Fräsen oder Stoßen möglich. Je nach dem herzustellenden Bauteil werden eine oder meh­ rere Anriß- und Rißverlaufskerben an den zur Trennung geeigneten Stellen angebracht.

Vorteilhaft wird die Vorform vor dem Sintern ausgewogen. Dies ist erforderlich, wenn vorgegebene Toleranzen der Sektionsgewichte eingehalten werden müssen.

Ein dem Pulver beigegebenes Gleitmittel kann anschließend ausgebrannt werden. Sodann kann die Sinterung unter Schutz­ gas erfolgen.

Vorzugsweise erhält die Anrißkerbe ihre Schutzschicht da­ durch, daß die Vorform mit der Anrißkerbe nach dem Sintern zum Schmieden durch die Luftatmosphäre verbracht wird. Diese verhältnismäßig kurze Zeit genügt, um eine dünne Oxidschicht entstehen zu lassen. Das Bauteil kühlt dabei kaum ab, so daß es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung möglich ist, die Vorform mit Sinterhitze zu schmieden.

Beim Schmieden kann die Anrißkerbe dann vorzugsweise voll­ ständig geschlossen werden, so daß sie dann als Form nicht mehr besteht. Von ihr ausgehend wird aber beim Schmieden, wie vorstehend beschrieben, längs ihrer Schutzschicht, insbeson­ dere Oxidschicht, ein in Länge und Lage definierter Riß in der Trennstelle erzeugt. Dabei bewirken die beiden einander gegenüberliegenden Schutzschichten, insbesondere Oxidschichten, daß zwischen ihnen die Trennung aufrecht­ erhalten bleibt.

An das Schmieden kann sich das Abkühlen dadurch anschließen, daß das Bauteil durch Luft, Öl oder Schutzgas abgekühlt wird. Dann kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwischen zwei benachbarten Einzelteilen eine Trennfläche durch Bruch erzeugt werden. Hierzu können Zug-, Druck- und/oder Biegebeanspruchungen aufgebracht werden. Diese greifen an geeigneten Stellen des Bauteiles an. Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Temperatur des Bauteils beim Trennen niedriger als die Raumtemperatur oder ihr höchstens gleich gehalten wird, kann das Trennen dadurch verbessert werden, da die Wahrscheinlichkeit von Verformungsbrüchen vermindert wird. Das Bruchverhalten wird spröder.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird nicht die Temperatur des Bauteils insgesamt beim Trennen niedriger als die Raumtemperatur gehalten, sondern das Bauteil wird lediglich an der gewünschten Trennfläche vor dem Trennen zumindest teilweise gekühlt. Dies erfordert einen wesentlich geringeren Aufwand zur Kühlung, als wenn das Bauteil vollständig gekühlt wird. Es entsteht dann auch nicht unerwünschtes Kondenswasser.

Die partielle Kühlung im Bereich der gewünschten Trenn­ fläche hat zur Folge, daß dort die Kerbschlagzähigkeit vermindert wird, so daß eine geringere Verformungsarbeit aufgebracht werden muß. Da metallische Bauteile eine ver­ hältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, tritt die Kühlung auch rasch in den gewünschten Bereichen ein. Da­ durch werden Verformungsbrüche vermieden und Sprödbrüche ermöglicht.

Ein günstiges Bruchverhalten kann aber auch dadurch er­ reicht werden, daß die Trennung mit hoher Geschwindigkeit erfolgt.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Pleuels mit geteiltem Pleuelkopf. Dieses Bauteil besteht nach seiner Fertigstellung aus zwei Einzel­ teilen, nämlich dem Lagerdeckel und dem übrigen Pleuel. Nachdem das Bauteil gepreßt, gesintert, geschmiedet und abgekühlt worden ist, werden gemäß der Erfindung im Pleuel­ kopf die Löcher für die Pleuelschrauben angefertigt, sodann die Pleuelschrauben und Pleuelmuttern lose in den Löchern montiert und anschließend die Trennfläche in der Trennfuge des Pleuelkopfes durch Bruchtrennung erzeugt. Die lose Montage der Pleuelschrauben und Pleuelmuttern muß so be­ messen sein, daß genügend Trennweg gegeben ist, um beide Einzelteile voneinander zu trennen. Die Montage hat den Vorteil, daß beide Einzelteile nach dem Trennen einander zugeordnet bleiben. Dadurch ist ein Vertauschen von Lager­ deckeln und übrigen Pleueln, die nicht zueinander gehören, ausgeschlossen.

Die Trennung der Einzelteile voneinander kann dadurch erfolgen, daß in den Pleuelkopf ein Trennwerkzeug eingeführt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Spreiz­ kopf, eine Keilvorrichtung od. dgl. handeln.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Rißverlaufskerben bei der Herstellung der Löcher für die Pleuelschrauben an den Wandungen der Löcher in der Trennfuge des Pleuelkopfes ausgebildet. Insbesondere können die Rißverlaufskerben als Ringnut entweder während des Bohrens der Löcher für die Pleuelschrauben hergestellt werden oder im Anschluß an das Bohren. Auch ist es möglich, die Anfertigung der Rißverlaufskerben gleichzeitig oder nach dem Schneiden der Gewinde für die Pleuelschrauben vorzusehen.

Wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die gewünschte Trennfläche vor dem Trennen zumindest teil­ weise gekühlt wird, kann dies dadurch erfolgen, daß die Außenseiten der gewünschten Trennfläche zumindest teilweise einem strömungsfähigen Kühlmittel ausgesetzt werden. Insbe­ sondere kann die gewünschte Trennfläche mit einem flüssigen Gas, vorzugsweise Stickstoff, beaufschlagt werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß die Außenseiten der Trennfläche linienförmig und feindosiert mit Kühlmittel besprüht werden.

Unabhängig davon, ob für das Trennen eine Kühlung vorgesehen wird, kann die Trennung gemäß der Erfindung auch dadurch erfolgen, daß eine Trennvorrichtung in die Löcher der Pleuel­ schrauben eingeführt wird. Statt der Einführung eines Trenn­ werkzeuges in den Pleuelkopf wird vorzugsweise von beiden Löchern der Pleuelschrauben her die Trennung eingeleitet.

Hierzu können unterschiedliche Trennvorrichtungen verwandt werden, die in geeigneter Weise in den Löchern angeordnet und/oder befestigt werden. Auch diese Maßnahme hat zur Folge, daß die Gefahr einer Verformung der Trennfläche beim Trennen vermindert wird. Ebenso wie durch das Kühlen wird die Passungsgenauigkeit der Trennflächen noch besser erhalten, so daß die anschließende Zusammensetzung der Einzelteile an ihren Trennflächen unverändert möglich ist.

An das Trennen kann sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die spanende Nachbearbeitung des Pleuels anschließen, insbesondere des Lagers des Pleuelkopfes und des Pleuelauges. Vor der spanenden Nachbearbeitung des Pleuel­ kopfes können dann Pleuelschrauben und Pleuelmuttern fest montiert werden.

Im folgenden werden Einzelheiten eines Beispiels für ein Verfahren gem. der Erfindung zur Herstellung eines Pleuels mit geteiltem Pleuelkopf näher beschrieben. Gepreßt wird ein fertiglegiertes Eisenpulver mit etwa 0,1 bis 0,5% Mn, 0,1 bis 0,5% Mo, 0,2 bis 2,2% Ni und 0,3 bis 1,0% C. Dabei wird die Vorform mit ± 0,6% Gewichtstoleranz herge­ stellt. Die Anrißkerbe wird an der Trennfuge zwischen Lager­ deckel und übrigem Pleuel angebracht. Es wird eine Dichte von etwa 6,0 bis 7,0 g/cm³ erreicht. Nach dem Pressen folgt eine Kontrolle der Sektionsgewichte von Pleuelkopf und Pleuelauge sowie des Pleuels insgesamt. Die Vorform des Pleuels wird im Sinterschmiedeofen kurzgesintert. Dieser Ofen besitzt eine Zone zum Ausbrennen des Gleitmittels und eine weitere Zone zum Sintern, jedoch keine Zone zum Abkühlen. In dem Ofen wird die Vorform innerhalb etwa einer halben Stunde unter einer üblichen Schutzgas-Atmos­ phäre auf eine Sintertemperatur von 800 bis 1200°C ge­ bracht. Die gesinterte Vorform wird der Sinterhitze unmit­ telbar entnommen und dann in einem geschlossenen Werkzeug heiß nachverdichtet. Während die Vorform beim Pressen bereits die Abmessungen des Pleuels mit Dickenaufmaß er­ halten hatte, wird das Pleuel beim Schmieden auf die End­ form nachverdichtet. Die in die Vorform eingebrachten bei­ den Anrißkerben an der Trennfuge zwischen Lagerdeckel und übrigem Pleuel, die sich innerhalb des Pleuelkopfes be­ finden, werden beim Schmieden unter Bildung je eines Risses geschlossen. Dabei wird ein hochfestes Bauteil mit Dichten erzielt, die größer als 7,6 g/cm³ sind.

Einige Ausführungsbeispiele eines Pleuels, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt worden sind, sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorform eines Pleuels gemäß der Erfindung mit der Einzelheit A,

Fig. 2 die Endform des Pleuels gem. Fig. 1 mit der Einzelheit B,

Fig. 3 das Pleuel gem. Fig. 2 mit getrennten Einzelteilen und der Einzelheit C,

Fig. 4 einen Pleuelkopf mit Rißverlaufskerbe, teilweise im Schnitt,

Fig. 5 einen Schnitt gem. Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 einen Pleuelkopf mit Kühlvorrichtung in der Draufsicht und

Fig. 7 den Pleuelkopf gem. Fig. 6 in der Ansicht.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß zwei Anrißkerben 11 in der Trennfuge 12 des Pleuelkopfes 13 angebracht worden sind. Das Dickenaufmaß der Vorform gegenüber der Endform gemäß Fig. 2 ist in Fig. 1 nicht dargestellt.

Fig. 2 zeigt, daß die Anrißkerben 11 (Fig. 1) durch das Schmieden geschlossen worden sind und zu zwei Rissen 14 geführt haben.

In Fig. 3 sind der Lagerdeckel 15 und das übrige Pleuel als getrennte Einzelteile dargestellt. Diese beiden Einzel­ teile sind über die beiden Pleuelschrauben 17 und die nicht dargestellten Pleuelmuttern lose miteinander ver­ bunden. Zur spanenden Nachbearbeitung des Pleuelkopfes 13 wird der Lagerdeckel 15 mit dem übrigen Pleuel 16 durch die Pleuelschrauben 17 und die nicht dargestellten Pleuel­ muttern fest verbunden. Die spanende Nachbearbeitung des Pleuelauges 18 erfolgt zweckmäßig gleichzeitig mit der­ jenigen des Pleuelkopfes 15.

Außer den beiden Anrißkerben 11 sind in der Trennfuge 12 zwischen dem Pleuelkopf 13 und dem Lagerdeckel 15 zwei Rißverlaufskerben 19 ausgebildet. Diese sind bei der Her­ stellung eines Loches 20 für die nicht dargestellten Pleuelschrauben 17 ausgebildet worden. Dabei weisen die Rißverlaufskerben 19 die Form einer Ringnut auf. Die Riß­ verlaufskerbe 19 kann aber auch beim oder nach dem Schnei­ den eines Gewindes 21 für die nicht dargestellten Pleuel­ schrauben 17 hergestellt werden.

Der in Fig. 6 dargestellte Pleuelkopf mit dem Lagerdeckel 15 ist von einer Kühlvorrichtung 22 umgeben. Diese Kühlvorrich­ tung 22 weist einen Zulauf 23 für das Kühlmittel auf. An den Zulauf 23 schließen sich gestrichelt dargestellte Kanä­ le 24 an, die in Sprühdüsen 25 enden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung pulvergeschmiedeter Bauteile, die aus zumindest zwei Einzelteilen bestehen, wobei das Bauteil von einer einteiligen Vorform zur Endform aus Pulver gepreßt, gesintert, geschmiedet, abgekühlt und in seine Einzelteile getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform vor dem Sintern an der Trennstelle zwischen zwei Einzel­ teilen mit zumindest einer Anrißkerbe (11) versehen wird, die zwischen Sintern und Schmieden eine Schutzschicht, insbesondere eine Oxidschicht, erhält und beim Schmieden zur Endform geschlossen wird, daß außerdem im Bereich der gewünschten Trennfläche und im Abstand von der Anrißkerbe (11) zumindest eine Rißverlaufskerbe (19) vorgesehen wird, und daß das Bauteil nach dem Abkühlen durch Bruch in seine Einzelteile getrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform beim Pressen mit zumindest einer Anriß- (11) und einer Rißverlaufskerbe (19) versehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform durch mechanische Bearbeitung mit zumindest je einer Anriß- (11) und Rißverlaufskerbe (19) versehen wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines Pleuels mit geteiltem Pleuelkopf nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rißverlaufskerben (19) bei der Herstellung der Löcher (20) für die Pleuelschrauben (17) an den Wandungen der Löcher (20) in der Trennfuge (12) des Pleuelkopfes (13) ausgebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rißverlaufskerben (19) als Ringnut beim oder nach dem Bohren der Löcher (20) hergestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rißverlaufskerben (19) bei oder nach dem Schneiden der Gewinde (21) für die Pleuelschrauben (17) hergestellt werden.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Trennfläche vor dem Trennen zumindest teilweise gekühlt (Kühlvorrichtung 22) wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseiten der gewünschten Trennfläche zumindest teilweise einem strömungsfähigen Kühlmittel ausgesetzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Trennfläche einem flüssigen Gas, vorzugs­ weise Stickstoff, ausgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennvorrichtung in die Löcher (20) für die Pleuelschrauben (17) eingeführt wird.