DE763883C - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Leichtmetallkolben - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Leichtmetallkolben Es ist bekannt, daß gepreßbe Kolben gegenüber kokillegegos:senen hinsichtlich ihrer Festigkeit und Plastizität (Dehnung) bei Raumtemperatur weit überlegen sind. Weiterhin ist nicht mehr neu, daß die Eigenschaften bezüglich der Plastizität auch im betriebswarmen Zustand des Kolbens, also etwa zwischen Zoo und 35ö" C, bei gepreßten Kolben wesentlich günstiger liegen als bei kokillegegossenen Kolben. Es besteht hierbei nur der eine Nachteil, nämlich der, daß der Werkstoff im gepreßten Zustand mit zunehmender Wärme schneller seine Festigkeit verliert als im gegossenen, so daß bei Temperaturen zwischen s5o und 300°' C ein Überschneiden der statischen und dynamischen sowie der Dauerstarndsfestigkeit- zugunsten des gegossenen Werkstoffes eintritt.
• Genauere Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß .auch im gegossenen Zustand eine

  hohe Plastizität bei Raumtemperatur und in

  d.--r Wärrrie erreicht werden kann, wenn

  die Abschrechwirlcung beim Erstarren der

  Schmelze genügend rasch g-steuirt wird. Im

  Stranggut3 hergestellte@@-erlatüche weisen bei

  30o- C eine neck höhere. etwa io- bis ?ofache

  Dehnung wie gleichartig, Kokillengul-stücke

  auf und sind selbst im gepreßten Zustand in

  Form von Strangguh als Ausgangswerkstoff

  bei dieser Temperatur 1J°zuglich Dehnung und

  Festigkeit üb,rl@,g:n.

  Es ist daher auch schon vorgeschlagen wor-

  den, für hochbeanspruchte Fluginotorenkolben

  den Kolbenboden, bei dem es hauptsächlich auf

  höbe Warmfestigkeit ankommt. zu gießen und

  den Gießvorgang so auszuführen, daß an den

  Isolb.,nbodLn ein gepreßter Kolbe,nscliaft mit

  Auge, der bekanntlich stärker auf plastische

  Verformung beansprucht ist, angegossen wird.

  Es haben aber derartig zusammengesetzte,

  nicht aus einem Stück

  Kolben be-

  sonders an d2 r Verbindungsstelle beider Teile

  Mängel, die sich insb°sondere während des

  Betriebes derart nachteilig bemerkbar gemacht

  haben, daß die vorerwähnte Herstellungsweise

  sich nicht durchsetzen Konnte.

  Da die Entwicl#:lung der Brennkraftmaschi-

  nen insbesondere im Flugmotorenbau durch

  neuwertige Brennstoffe und größer., Verdich-

  tung in der Lage ist, die bisherigen Leistungen

  zu steigern, müssen auch höh:re Isolbenteinpe-

  raturen mit in Kauf genommen werden. So

  muß z. B. bei n,:iz-eitliclienKolben gegenüber

  der bislie.ri-2ii Temperatur des Bodens bei

  300= mit einer Steigerung der Temperatur an

  dieser Stell; auf 350 bis 450' gerechnet wer-

  den. Während die Temperaturen am offenen

  Ende. des Kolbens gleich geblieben sind, ist

  mit einer Steigerung d'zrselben in der Nähe

  der IsolbenboIzenaugen zu rechnen. Aus die-

  sem Anwachsen der Betriebstemperaturen

  erklärt sich, daß neuerdings Bestrebungen im

  Gang, sind. dem gegossenen Kolben, der bei

  hoch ixanspruchten Motoren ursprünglich

  gerade in der Gegend der Bolzenaugen und im

  Schaft eine nicht ausreichende Plastizität auf-

  wies, -,wieder den Vorzug zu geben, weil er sich

  durch seine höhere Warmfestigkeit aus-

  zeichnet. Das unmittelbar, Verschniieden des

  feinkörnigen Stranggusses zu Kolben unter

  Umgehung des sonst üblichen Vorpressens der

  Gußbarren hat bereits hinsichtlich der Warm-

  festigkeit und wider Erwarten auch bezüglich

  der Plastizität eine wesentliche -Verbesserung

  g,braclit.

  Die Erfindung löst die Aufgabe, auch einen

  kokillegegossenen Isolh,n sa durchzubilden,

  daß er den vorerwähnten höheren Anforde-

  rungen vollauf gewaclis,n ist. Erreicht ist dies

  durch bestimintc Abkiihlmaßnalinten beim

  Gießen und einen sofort an das Gießen sich an-

  schließenden, also im «-armen Zustand des Kolbens .erfolgenden Knetvorgang. Indem das Gefüge erfindungsgemäß durch Abschrecken von innen heraus, also vom Kern aus vorgenommen wird, gelingt es, daß diejenigen Kolbenteile, die später im llotorenbetrieb besonders honen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie z. B. die inneren Bolzenaugenteile. sehr feinkörnig erstarren, wogegen an anderen Stellen des Kolbens, wie vorzugsweise am Kolbenboden, von dem bei den hohen Temperaturen eine hohe Warmfestigkeit bei verhältnismäßig geringer Plastizität erwünscht ist, durch Wärmestauungen ein langsames Erstarien und dadurch ein gröberes Korn zustande kommt. Es erscheint insbesondere bei hochwertigen Fluginotorenkolben recht vorteilhaft. einen derartig gegossenen Kolben durch einen Prägeschlag in die konstruktiv gewünschte Form zu bringen, -,wobei der geringe Knetvorgang des Werkstoffes gerade in dem Schaftteil im Gegensatz zum Kolbenboden die erforderliche Erhöhung der plastischen Verformbarkeit gewährleistet.
• Bei der Herstellung von Hohlkörpern unter Anwendung des Sturzgußverfahrens wird eine Form benutzt, die den äußeren Umrissen des Gußkörpers entspricht, und die zu diesem Zweck in das Metallbad eingetaucht wird. Die Schmelze füllt das Innere der Hohlform aus, so daß in Wirklichkeit nicht ein Hohlkörper im Sinne der Erfindung, sondern vielmehr ein Gußblock entsteht.
• Es ist weiterhin auch nicht mehr neu, zur Erzeugung von Barren oder Blöcken eine Hohlform in flüssiges Metall so einzutauchen, daß die Schmelze von unten nach oben im Innern der Hohlform hochsteigen kann. Derartige Gießvorrichtungen sind jedoch zur Herstellung von Kolben nicht brauchbar, weil die letzteren so durchgebildet sein müssen, daß sie sowohl den hohen dynamischen Beanspruchungen in der UVärine als auch den statischen Dauerbeanspruchungen standzuhalten vermögen und dementsprechend an den verschieden stark beanspruchten Stellen ein verschiedenartiges Gefüge aufweisen müssen. Bei der Verwendung der bekannten Gießvorrichtung ist aber nicht daran gedacht, eine verschieden starke Erwärmung durchzuführen. Im Gegenteil. es wird sogar durch die Anordnung einer Wärmeisolierschicht um den Mantel der mit der Metallschmelze eingebrachten Gießform dafür gesorgt. daß die Wärme nur sehr langsam von innen nach außen abgeführt werden kann.
• Es gehört zwar zum Allgemeingut der Technik, Kolben nicht nur zu gießen, sondern auch zu schmieden oder zu pressen. Es ist jedoch in der Fachwelt noch nicht erwogen worden, den aus der Gießform erhaltenen Kolbenrohling sofort einer spanlosen Verformung zu unterwerfen. Diese Maßnahme gewährleistet nämlich eine wesentliche Erhöhung der Festigkeitswerte des Gefüges insbesondere am Kolbenschaft.
• Die Abbildungen stellen ein Ausführungsbeispiel dar.
• Abb. i bis 3 veranschaulichen den Gießvorgang, Abb. q. bis 6 den Prägevorgang.
• In eine mit Heiz- und gegebenenfalls Kühleinrichtungen a bzw. b ausgerüstete Gießform c wird nach dem Einbringen der Schmelze d ein Kern c für einen Kolben einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Die Gießform hängt in einer Platte f und muß so heiß gehalten sein, daß die Schmelze beim Eingießen noch nicht unmittelbar erstarrt. Der Kern wird zweckdienlich angewärmt, bevor er eingesetzt wird. Er entspricht den Abmessungen des Kolbeninnenraumes, ist jedoch auf seiner äußeren Mantelseite kegelförmig gehalten. Beim Einführen des Kernes wird -die flüssige Schmelze verdrängt und an den ebenfalls kegelförmig ausgebildeten Innenwänden der Gießform c hochgedrückt.
• Der Kern ist mit einer Kühlvorrichtung g ausgerüstet. Durch die Kühlflüssigkeit wird vom Kern aus eine Abschreckwirkung auf die Schmelze ausgeübt. Gleichzeitig oder anschließend, kann die Kühlvorrichtung b der Gießform c eingeschaltet werden. Nach dem Erstarren erfolgt durch einen Auswerfer h die Trennung des Kolbenrohlings. vom Kern. Der Kern, wird dabei bis zu einem Abstreifer i angehoben, der beim Anschlag den Rohling vom Kern trennt. Ein nach dem Herausheben des Kernes selbstiätig sich vorschiebendes Rollblech k nimmt den abgestreiften Kolbenrohling auf und führt ihn in noch heißem Zustand etwa bei Temperaturen zwischen q.oo und 5oo° C entweder in einen Wärmeofen oder direkt zur Gesenkpresse.
• Der Kolbenrohling m besitzt, wie die Abb. q. erkennen läßt, an seinen äußeren Wandungen Werkstoffanhäufungen zz, die zweckmäßigerweise 'nur an den Stellen des Umfanges vorhanden sind, an welchen später die Aussparungen, die senkrecht zum Kolbenbolzenauge liegen, im Fertigkolben erwünscht sind. Zur plastischen Verformung des gegossenen Kolbenrohlings dient ein. Preßstempel o, der einteilig ausgebildet ist, aber an den Stellen der künftigen Aussparungen des Kolbens aufgesteckte Backen p trägt. Der Kolbenrohling m und der Preßstempel o sind zunächst oberhalb eines sich nach unten verjüngenden Gesenkes q angeordnet. Beim Abwärtsbewegen des Stempels entsprechend der Darstellung nach Abb. 5 wird der Kolbenrohling in das Gesenk gedrückt, wobei die Schaftwände gezwungen werden, sich an den Stempel anzuschmiegen. Der Kolben wird nach der vorgenommenen Prägung durch einen Auswerfer y aus dem Gesenk q ausgestoßen und von einem Abstreifer, der in der Zeichnung nicht besonders dargestellt ist, entfernt. Der Abstreifer ist zweckmäßig so auszubilden; daß die seitlichen Backen p des Stempels o, die mit dem letzteren durch Abscherstifte verbunden sind:, in dem Kolbenpreßling festgehalten werden, während der Stempel o selbst nach oben bewegt wird. Dabei reißen die Abscherstifte ab, und die Backen können später aus dem Rohling entfernt werden.
• Bei dem Gießvorgang ist darauf zu achten, daß die Gießform anfänglich so-heiß gehalten wird, daß an den äußeren Kolbenwandungen eine Verzögerung der Erstarrung derart eintritt, daß bei der von der Kernseite her eingeleiteten Erstarrung stets genügend flüssige Schmelze von der äußeren Kolbenwandung her zum Nachsaugen vorhanden ist. Die Einhaltung dieser Maßnahme ist insofern wichtig, als der Kolben nur außen und nicht im Innern. spanabhebend bearbeitet werden muß, und als die Spitzen der statischen und dynamischen Beanspruchungen stets. im kleineren Radius, also in der Innenwandung des Kolbens größer sind als in den Außenwandungen, so daß die dichtere zuerst erstarrende Schmelze in der inneren Mantelfläche des Kolbens vorhanden ist.
• Die Durchführung des Prägeverfahrens hat vor allem den Vorteil, daß weder Überlappungen noch Querfaserstruktur in den beanspruchten Kolbenteilen auftreten können. Die Kornverteilung im Gefüge, die durch die zusätzliche Kühlung des Gießkernes e schon beeinflußt worden ist, gewährleistet, daß während der plastischen Verformung beim Drücken des Bundes am offenen Kolbenende keine Rißbildung eintritt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat vor allem gegenüber den bisher bekannten Maßnahmen zur Herstellung von Kolben den Vorzug, daß Strangguß- und Strangpreßeinrichtungen sowie sämtliche bisher notwendigen Zwischenwärmungen der Preßbarren, Preßstangenabschnitte und Vorpreßlinge fortfallen. Weiterhin wird durch den Formgebungsschlag unter der Gesenkpresse eine nur geringe Warmverfestigung hervorgerufen, die zu wesentlichen Steigerungen der Kolbeneigenschaften im Vergleich zu den aüs Preßstangen geschlagenen Kolben führt.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i.
2. Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen unter Verwendung einer Gießform mit Kern und einer Preßeinrichtung mit Stempel und Gesenk, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenteile, die hohen dynamischen Beanspruchungen in der Z@ärme standhalten müssen. während des Erstarrens der Schmelze besonders stark abgeschreckt «-erden gegenüber den Kolbenteilen. die vorwiegend statischen Beanspruchungen in der Wärme ausgesetzt sind und der noch «-arme Gußrohling gegebenenfalls ailschliel3°nd verpreßt wird. a. \-erfahren zur Herstellung eines Rohlings nach Anspruch i, dadurch gekent1z::ichnet. daß in eine einsaitig offene geheizte Gießform (c) eine Schmelze eingebracht wird, in die danach ein gekühlter Kern (e) eingeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß der gemäß An-Spruch 2 hergestellte Gußrohling mit einem Stempel (o) in einem Gesenk (q), das vorzugsweise kegelförmig ist, gepreßt wird. .I. Vorrichtung zur Herstellung von Rohlingen nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet. daß der konische Kern (e) mit Innenkühlung versehen ist und die k:gelige Gießform mit einer Heiz- oder Kühlvorrichtung (a. b), gegebenenfalls aber auch mit beiden Vorrichtungen ausgerüstet ist. Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen «-orden: Deutsche Patentschrift 1r. 322 169; schweizerische Patetttscrtrift -Nr. 176 io9.