EP1833627A1 - Verfahren zur herstellung rotationssymmetrischer, hinterschnittener konturen - Google Patents

Verfahren zur herstellung rotationssymmetrischer, hinterschnittener konturen

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Publication number
EP1833627A1
EP1833627A1 EP05819234A EP05819234A EP1833627A1 EP 1833627 A1 EP1833627 A1 EP 1833627A1 EP 05819234 A EP05819234 A EP 05819234A EP 05819234 A EP05819234 A EP 05819234A EP 1833627 A1 EP1833627 A1 EP 1833627A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
piston
undercut
workpiece
contour
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05819234A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Prussak
Ralph Bernhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CDP Bharat Forge GmbH
Original Assignee
CDP Bharat Forge GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CDP Bharat Forge GmbH filed Critical CDP Bharat Forge GmbH
Priority to EP05819234A priority Critical patent/EP1833627A1/de
Publication of EP1833627A1 publication Critical patent/EP1833627A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/18—Making machine elements pistons or plungers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/063—Friction heat forging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/18—Making machine elements pistons or plungers
    • B21K1/185—Making machine elements pistons or plungers with cooling channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21K21/00—Making hollow articles not covered by a single preceding sub-group
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T409/00—Gear cutting, milling, or planing
    • Y10T409/30—Milling
    • Y10T409/303752—Process
    • Y10T409/303808—Process including infeeding

Definitions

  • the present invention relates to a method for chipless production of substantially rotationally symmetrical, undercut contours on a workpiece, as well as a workpiece produced by the method.
  • Such undercut contours can in particular be formed on portions of workpieces produced by forging, casting or machining.
  • the object of the present invention is to develop a method for producing substantially rotationally symmetrical, undercut contours, which allows a simpler, and thus faster and more cost-effective, machining.
  • a workpiece to be machined with the method has at least one partial region to be formed with a substantially symmetrical, preferably rotationally symmetrical, starting contour, e.g. a polygonal, cylindrical or circular tapered shaft, and a rotation axis about which the workpiece can be rotated during machining.
  • the portion of the workpiece to be reshaped can be made either solid, semi-solid or hollow.
  • the workpiece is first clamped to a non-deformable first end portion in a receptacle, e.g. by form and / or adhesion. With the recording, the workpiece can then be moved back and forth relative to a tool.
  • the tool is applied to a to be formed, substantially symmetrical, preferably rotationally symmetrical second end portion of the workpiece, which rotates at a constant or variable speed about a central axis relative to the workpiece.
  • undercut contours e.g. Cooling channels on a piston, are produced without cutting.
  • undercut contours can be made easier to process extent by the inventive method, so that to obtain the final product only a final mechanical finishing is required. This allows a faster and thus cheaper production.
  • the succession-to-movement of workpiece and tool associated with the forming step is a feed motion which applies the axial pressure necessary for forming.
  • This feed movement can be performed by the workpiece with recording, by the tool, or by an opposite movement.
  • the undercut contour to be formed in the forming step can be oriented rotationally symmetrically inwards or outwards relative to the starting contour of the workpiece part region to be formed.
  • inward or outward-oriented contours are here to call internal or external cooling channels of diesel engine pistons, which were previously produced by cutting.
  • Outwardly oriented undercut contours can also be found, for example, on front axle housings, which have hitherto also been produced by machining.
  • the inventive method makes it possible to produce both types of contour structurally more stable.
  • the in the invention. Process used tool may have depending on the workpiece to be machined a symmetrical or asymmetrical tool contour.
  • the tool rotates at a first speed
  • the workpiece rotates at a second speed different from the first speed selectable.
  • the speed of the tool can deviate up to 30% from that of the workpiece.
  • the drive of the tool and / or the receptacle is equipped with a freewheel, the first and / or the second speed can be changed. This results in an exceptionally uniform material flow with consequently improved properties of the final product.
  • the axis of rotation of the portion to be reshaped and the center axis of the tool may be in alignment.
  • the axis of rotation of the portion to be reshaped and the center axis of the tool by an amount of eccentricity e differ.
  • the amount of eccentricity can be adjusted by rotating the rotary tool in an axially oscillating manner about the central axis of the workpiece area to be formed. This axial oscillation is achieved, for example, by a radial feed movement of the tool.
  • the reduction of the friction surface also has the advantage that due to the only partial contact less force and thus energy is required for forming.
  • the entire workpiece is supplied to the process with a temperature distribution determined from preliminary processes, or in a Process upstream step heated, for example, to a material corresponding forging temperature.
  • the yield stress (Umformfesttechnik) of the material is lowered and facilitates the transformation of the rotationally symmetrical workpiece part area.
  • the geometry of the undercut can be adjusted by the subregion to be formed having a defined temperature distribution, e.g. by targeted heating in an upstream step having.
  • the geometry here includes in particular the length of the molded undercut and the gap.
  • the exact shape of the undercut outer contour can be determined.
  • the undercut outer contour to be produced during the forming step is defined by the pressing of one or more loose or driven tools.
  • the pressing can take place substantially radially against the forming undercut.
  • an additional tool for example a swiveling tool, serves to define a gap formed by the contour of the undercut to be formed.
  • the additional tool can be designed so that hereby not only the outer contour, but also the end face, the sharp-edged transition from end face to lateral surface, and the gap defined in one operation can be set. In this way, complicated undercut contours can be precisely tailored.
  • a workpiece produced by the method according to the invention is characterized by a continuous and uninterrupted fiber course that is substantially parallel to the formed undercut contour.
  • Such a fiber flow increases the material load capacity, durability and freedom from defects and thus the overall quality of the workpiece.
  • the finished workpiece is produced in a much shorter time, which has a positive effect on the cost-benefit ratio.
  • the workpieces which can be processed by the method presented can consist of a large number of materials.
  • steel for example steel for example.
  • Heavy-duty commercial vehicle engines are used, while aluminum-silicon alloys are used for lower-compression car engines.
  • Figure 1 shows schematically the arrangement of the process-related components, wherein a steel piston is selected as a workpiece.
  • FIG. 2 shows a forming sequence according to claim 1 using the example of a forged steel piston as the starting workpiece.
  • FIG. 3 shows the optional dimensional shaping of the outer contour by means of a driven or freely supported tool as well as the gap spacing by means of a pivotable tool.
  • FIG. 4 shows, as a further example, a section through a front axle housing, on which the outer contour to be formed is shown before and after the forming process.
  • FIG. 5 shows a forming sequence for forming a gastight cooling channel, wherein the material flow is directed inwards.
  • Figures 6 and 7 show further forming sequences for forming a gas-tight cooling channel, but with an outward material flow.
  • a rotationally symmetrical, undercut outer contour is formed on a forged steel piston, as used in high-performance diesel engines.
  • the inventive method is carried out by means of a device shown in Figure 1, which has a receptacle 11 for clamping a workpiece 13, a tool 12 for forming the workpiece and a device, not shown, for delivering the recording with the workpiece 13 to the tool 12.
  • the tool 12 here has a circumferential edge of the edge, which serves to radially limit the material flow arising during the forming process.
  • the steel piston used in the embodiment as a workpiece 13 has a hollow, rotationally symmetrical portion 14 which forms the end of the steel piston to be formed. At this portion of the forming tool 12 is applied, wherein the necessary for forming axial pressure is applied by the feed movement.
  • the receptacle 11 can be rotated about an axis of rotation 15 together with the clamped workpiece 13, while the tool 12 is rotatable about its central axis 16.
  • Both recording and tool include a rotary drive, not shown, each of which may have a freewheel and the speed of each can be adjusted separately via a speed control.
  • the central axis 16 of the tool can on the one hand coincide with the rotational axis 15 of the receptacle, or be offset from it in parallel (eccentricity amount e> 0).
  • the friction occurring between the tool 12 and the portion 14 of the workpiece to be reshaped arises solely by a difference between the peripheral speeds of the tool 12 and the receptacle 11, and is thus determined by the speed control.
  • this friction can therefore be limited to a small extent, to avoid any loss of material that could be caused by excessive friction.
  • harder materials, such as steel reduced friction between tool 12 and workpiece portion 14 to be formed is often desirable to limit the resultant forces and moments.
  • FIG. 2 shows an exemplary forming sequence in which a cooling channel 22 is attached to a forged steel piston 21 as an undercut outer contour.
  • For forming the piston is delivered under axial pressure on the tool.
  • the freewheel of the tool rotary drive is utilized, so that automatically adjusts the rotational speed of the tool, ⁇ u , the rotational speed of the forming at the contact surface of the tool and workpiece fitting.
  • ⁇ u the rotational speed of the forming at the contact surface of the tool and workpiece fitting.
  • Piston subregion Under further axial feed pressure progressing material flow leads to everting / flanging the contour and can then by the edge edging 17 of the tool 12 are radially limited so as to form the undercut to be achieved outer contour of the piston.
  • FIG. 3 shows two further forming measures which serve to better define the undercut contour to be formed.
  • an additional, here cylindrically shaped tool 31 is delivered under radial pressure from a feed mechanism 32 on the outer surface of the newly formed outer contour and thus limits the radially outward material flow, which is formed during the forming.
  • the outer diameter 33 of the newly formed outer contour is brought to the required value.
  • the dimensional shaping of the gap spacing 34 of the cooling channel can be further effected by a pivotable tool 35.
  • This is L-shaped, wherein the long arm 36 rests against the axially facing the feed direction surface of the everted, undercut contour.
  • the short arm 37 engages from the outside into the gap and is located on the radially inwardly facing surface of the everted, undercut contour.
  • the pivotable tool 35 limits the flow of material both radially inwardly and axially against the feed direction of the recording of the piston when needed.
  • FIG. 4 shows a front axle housing 38 in section, on which the partial area to be formed is illustrated before 39 and after 40 the forming step.
  • the cylindrical outer contour before forming was replaced by the inventive method for the desired, outwardly oriented outer contour formed with undercut portion 41.
  • FIG. 5 illustrates an example of a forming sequence of a counter-piston, in which the material flow is oriented outwards.
  • the reshaping, rotationally symmetrical portion 50 of the piston is everted stepwise inward by the process until it comes into contact with the edge 51 of the chimney 52 and thus forms a closed, gas-tight cooling channel 53.
  • a gas-tight cooling channel can also be formed on a piston by forming with outwardly directed material flow, as shown in the forming sequence of FIG.
  • a separate ring carrier 62 is inserted into the outer contour of the piston, which closes the cooling channel radially outward.
  • the initially cylindrical portion 60 of the piston is formed into a flange-like widening 61. This finally comes to lie with its side facing the piston in the axial direction on the ring carrier 62, whereby widening 61 and ring carrier 62 form the gas-tight cooling channel 63.
  • the material flow of the portion 70 to be reshaped is first widened again (widening 71) and then rolled against a preformed outer contour 72 of the piston so as to form the gas-tight cooling channel 73.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung im Wesentlichen rotationssymmetrischer, hinterschnittener Konturen an zum Beispiel durch Schmieden oder Gießen hergestellten Werkstücken (13), die mindestens einen umzuformenden Teilbereich mit im Wesentlichen symmetrischer Ausgangskontur aufweisen. Das Werkstück (13) wird an seinem nicht umzuformenden Ende in einer Aufnahme (11) eingespannt und in dieser Aufnahme (11) mit seinem umzuformenden Teilbereich (14) durch Zustellen an ein Werkzeug (12) angelegt. Das Werkzeug (12) rotiert hierbei mit konstanter oder veränderlicher Geschwindigkeit gegenüber dem umzuformenden Teilbereich (14) des Werkstücks (13). Unter axialem Druck wird auf diese Weise eine hinterschnittene Kontur auf dem Teilbereich (14) des Werkstücks (13) durch spanlose Umformung erzeugt.

Description

Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer, hinterschnittener Konturen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanlosen Erzeugung im Wesentlichen rotationssymmetrischer, hinterschnittener Konturen an einem Werkstück, sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Werkstück. Derartige hinterschnittene Konturen können insbesondere an Teilbereichen von durch Schmieden, Gießen oder spanende Erzeugung hergestellten Werkstücken geformt werden.
Stand der Technik
Mit bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden rotationssymmetrische, hinterschnittene Konturen, wie z.B. Kühlkanäle an Kolben für NKW-Dieselmotoren, durch spanende Bearbeitung hergestellt. Das heißt, dass ein z.B. durch Schmieden oder Gießen hergestelltes Ausgangswerkstück zur Erstellung einer hinterschnittenen Kontur unter Entfernung von Material bearbeitet wird, wie z.B. durch Drehen, Fräsen oder Schneiden.
Nachteile der bekannten Verfahren sind einerseits der hohe Grad an mechanischer Zerspanung, insbesondere bei komplett zu bearbeitenden Innenkonturen von Großserienteilen wie z.B. Kolben, und andererseits die damit verbundene Unterbrechung des Faserverlaufs im konventionell gefertigten Produkt. Eine derartige Unterbrechung führt zu strukturell schwächeren Werkstücken und wirkt sich somit ungünstig auf Verschleißfestigkeit, Lebensdauer und Kosten des Endprodukts aus. Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung im Wesentlichen rotationssymmetrischer, hinterschnittener Konturen zu entwickeln, welches eine einfachere, und damit schnellere und kostengünstigere Bearbeitung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausführungen folgen aus den Unteransprüchen.
Ein mit dem Verfahren zu bearbeitendes Werkstück weist mindestens einen umzuformenden, Teilbereich mit im Wesentlichen symmetrischer, vorzugsweise rotationssymmetrischer Ausgangskontur, z.B. einen polygonalen, zylindrischen oder kreiskegelförmigen Schaft, und eine Rotationsachse auf, um welche das Werkstück bei der Bearbeitung gedreht werden kann. Hierbei kann der umzuformende Teilbereich des Werkstücks entweder massiv, teilmassiv oder hohl ausgeführt sein. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkstück zunächst an einem nicht umzuformenden, ersten Endteil in einer Aufnahme eingespannt, z.B. durch Form- und/oder Kraftschluss . Mit der Aufnahme kann dann das Werkstück auf ein Werkzeug hin- und relativ dazu bewegt werden. Daraufhin wird an einem umzuformenden, im Wesentlichen symmetrischen, vorzugsweise rotationssymmetrischen zweiten Endteil des Werkstücks das Werkzeug angelegt, das mit konstanter oder veränderlicher Drehzahl um eine Mittelachse gegenüber dem Werkstück rotiert. Unter axialem Druck des Werkzeugs auf den zweiten Endteil können so im Umformschritt hinterschnittene Konturen, z.B. Kühlkanäle an einem Kolben, spanlos erzeugt werden.
Des weiteren können hinterschnittene Konturen durch das erfindungsgemäße Verfahren einfacher auf Bearbeitungsausmaß gebracht werden, so dass zur Erlangung des Endprodukts lediglich eine abschließende mechanische Feinbearbeitung erforderlich ist. Dies ermöglicht eine schnellere und somit kostengünstigere Herstellung.
Vorzugsweise ist die mit dem Umformschritt verbundene Aufeinander-zu-Bewegung von Werkstück und Werkzeug eine Zustellbewegung, welche den zur Umformung nötigen axialen Druck aufbringt . Diese Zustellbewegung kann vom Werkstück mit Aufnahme, vom Werkzeug , oder durch eine gegenläufige Bewegung ausgeführt werden.
Vorteile gegenüber den oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren ergeben sich daraus, dass bei dem erfindungsgemäßen Umformschritt kein Material weggefräst, weggeschnitten oder anderweitig entfernt wird, wodurch durchgängige und ununterbrochene, im Wesentlichen parallel zur angeformten Hinterschnittkontur verlaufende Fasern im Material erzeugt werden. Dies erhöht maßgeblich die Werkstofffestigkeit und Lebensdauer des fertigen Produkts. Ebenso werden mögliche Fehler im Endprodukt durch die komplette Umformung des bearbeiteten Werkstückbereichs weiter reduziert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die im Umformschritt anzuformende hinterschnittene Kontur bezogen auf die Ausgangskontur des umzuformenden Werkstückteilbereichs rotationssymmetrisch nach innen oder außen orientiert sein. Als konkrete Beispiele für nach innen beziehungsweise außen orientierte Konturen sind hier innere beziehungsweise äußere Kühlkanäle von Dieselmotorkolben zu nennen, die bisher durch spanendes Fräsen erzeugt wurden. Nach außen orientierte Hinterschnittkonturen finden sich zum Beispiel auch an Vorderachsgehäusen, die ebenso bisher durch spanendes Bearbeiten hergestellt wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, beide Arten von Kontur strukturell stabiler herzustellen. Das im erfindungsgemäßen. Verfahren eingesetzte Werkzeug kann je nach zu bearbeitendem Werkstück eine symmetrische oder asymmetrische Werkzeugkontur aufweisen. Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass sich das Werkzeug mit einer ersten Drehzahl dreht, und das Werkstück sich mit einer von der ersten Drehzahl verschieden wählbaren, zweiten Drehzahl dreht. Hierbei kann die Drehzahl des Werkzeugs bis zu 30% von der des Werkstücks abweichen. Wenn zudem der Antrieb des Werkzeugs und/oder der Aufnahme mit einem Freilauf ausgestattet ist, kann die erste und/oder die zweite Drehzahl verändert werden. Dies führt zu einem außergewöhnlich gleichmäßigen Werkstofffluss mit folglich verbesserten Eigenschaften des Endprodukts.
Für Anwendungen, in denen es erwünscht ist die zwischen dem umzuformenden, im Wesentlichen symmetrischen Teilbereich des Werkstücks und dem Werkzeug befindliche Reibfläche hoch zu halten, können sich die Rotationsachse des umzuformenden Teilbereichs und die Mittelachse des Werkzeugs in Flucht befinden. Wenn jedoch eine niedrigere Reibung, das heißt geringere Reibfläche gewünscht wird, wie zum Beispiel bei Werkstücken mit massiv ausgeführtem umzuformenden Teilbereich, können entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Rotationsachse des umzuformenden Teilbereichs und die Mittelachse des Werkzeugs um einen Exzentrizitätsbetrag e voneinander abweichen. Der Exzentrizitätsbetrag kann dadurch eingestellt werden, dass sich das rotierende Werkzeug axial oszillierend um die Mittelachse des umzuformenden Werkstückbereichs dreht. Diese axiale Oszillation wird zum Beispiel durch eine radiale Zustellbewegung des Werkzeugs erzielt. Die Verminderung der Reibfläche hat zudem den Vorteil, dass aufgrund des nur partiellen Kontakts weniger Kraft und damit Energie zur Umformung benötigt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das gesamte Werkstück dem Verfahren mit einer aus Vorprozessen bestimmten Temperaturverteilung zugeführt, oder in einem dem Verfahren vorgeschalteten Schritt erwärmt, zum Beispiel auf eine dem Werkstoff entsprechende Schmiedetemperatur. Dadurch wird die Fließspannung (Umformfestigkeit) des Werkstoffs gesenkt und die Umformung des rotationssymmetrischen Werkstückteilbereichs erleichtert .
Besonders bevorzugt kann die Geometrie des Hinterschnitts dadurch eingestellt werden, dass der umzuformende Teilbereich eine definierte Temperaturverteilung, z.B. durch gezieltes Erwärmen in einem vorgeschalteten Schritt, aufweist. Die Geometrie umfasst hierbei insbesondere die Länge des angeformten Hinterschnitts sowie dessen Spaltmaß. Durch dieses Verfahrensmerkmal wird die Umformung einerseits erleichtert (niedrigere Fließspannung) und andererseits präziser und reproduzierbarer gestaltet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die exakte Form der hinterschnittenen Außenkontur bestimmt werden. Hierzu wird die beim Umformschritt zu erzeugende hinterschnittene Außenkontur durch das Andrücken eines oder mehrer loser oder angetriebener Werkzeuge definiert. Das Andrücken kann im Wesentlichen radial gegen den sich ausbildenden Hinterschnitt erfolgen. Ebenso dient das Anbringen eines zusätzlichen Werkzeugs, zum Beispiel eines einschwenkbaren Werkzeugs, der Definition eines von der anzuformenden Hinterschnittkontur gebildeten Spalts. Das zusätzliche Werkzeug kann dabei so ausgeführt sein, dass hiermit nicht nur die Außenkontur, sondern auch die Stirnfläche, der scharfkantige Übergang von Stirnfläche zu Mantelfläche, und das Spaltmaß definiert in einem Arbeitsgang eingestellt werden können. Auf diese Weise können komplizierte Hinterschnittkonturen präzise maßgeformt werden.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Werkstück ist demnach durch einen zur angeformten Hinterschnittkontur im Wesentlichen parallelen, durchgängigen und nicht unterbrochenen Faserverlauf gekennzeichnet. Ein solcher Faserverlauf erhöht die Materialbelastbarkeit, Lebensdauer und Fehlerfreiheit und somit insgesamt die Qualität des Werkstücks. Zudem wird das fertige Werkstück in einer wesentlich kürzeren Zeit hergestellt, was sich positiv auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis auswirkt .
Die vom vorgestellten Verfahren rfeearbeitbaren Werkstücke können aus einer Vielzahl von Materialen bestehen. Im Falle von Dieselmotorkolben wird zum Beispiel Stahl für
Hochleistungsmotoren von Nutzfahrzeugen verwendet, während für niedriger verdichtende PKW-Motoren Aluminium-Silizium Legierungen zum Einsatz kommen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1 bis 7 erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung der verfahrensbedingten Komponenten, wobei als Werkstück ein Stahlkolben gewählt ist.
Figur 2 zeigt eine Umformsequenz gemäß Anspruch 1 am Beispiel eines geschmiedeten Stahlkolbens als Ausgangswerkstück.
Figur 3 zeigt das optionale Maßformen der Außenkontur durch ein angetriebenes oder frei gelagertes Werkzeug sowie des Spaltabstandes durch ein einschwenkbares Werkzeug.
Figur 4 zeigt als weiteres Beispiel einen Schnitt durch ein Vorderachsgehäuse, an dem die umzuformende Außenkontur vor und nach dem Umformprozess dargestellt ist.
Figur 5 zeigt eine Umformsequenz zur Bildung eines gasdichten Kühlkanals, wobei der Materialfluss nach innen gerichtet ist. Figuren 6 und 7 zeigen weitere Umformsequenzen zur Bildung eines gasdichten Kühlkanals, jedoch mit einem nach außen gerichteten Materialfluss.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Mit dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Verfahren wird an einem geschmiedeten Stahlkolben, wie er in Hochleistungsdieselmotoren verwendet wird, eine rotationssymmetrische, hinterschnittene Außenkontur angeformt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels einer in Figur 1 dargestelltem Vorrichtung durchgeführt, die eine Aufnahme 11 zum Einspannen eines Werkstücks 13, ein Werkzeug 12 zur Umformung des Werkstücks sowie eine nicht gezeigte Einrichtung zum Zustellen der Aufnahme mit dem Werkstück 13 an das Werkzeug 12 aufweist. Das Werkzeug 12 weist hier eine umlaufende Randaufkantung auf, die dazu dient, den bei der Umformung entstehenden Materialfluss radial zu begrenzen. Der im Ausführungsbeispiel als Werkstück 13 verwendete Stahlkolben weist einen hohl ausgebildeten, rotationssymmetrischen Teilbereich 14 auf, der das umzuformende Ende des Stahlkolbens bildet. An diesen Teilbereich wird das Umformwerkzeug 12 angelegt, wobei der zur Umformung nötige axiale Druck durch die Zustellbewegung aufgebracht wird.
Die Aufnahme 11 kann um eine Rotationsachse 15 zusammen mit dem eingespannten Werkstück 13 gedreht werden, während das Werkzeug 12 um seine Mittelachse 16 drehbar ist. Sowohl Aufnahme als auch Werkzeug umfassen einen nicht gezeigten Drehantrieb, die jeweils einen Freilauf aufweisen können und deren Drehzahl jeweils über eine Drehzahlsteuerung getrennt eingestellt werden kann.
Die Mittelachse 16 des Werkzeugs kann einerseits mit Rotationsachse 15 der Aufnahme zusammenfallen, oder ihr gegenüber parallel versetzt sein (Exzentrizitätsbetrag e > 0) . Im ersten Fall entsteht die zwischen dem Werkzeug 12 und dem umzuformenden Teilbereich 14 des Werkstücks auftretende Reibung allein durch eine Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten von Werkzeug 12 und Aufnahme 11, und wird also von der DrehzahlSteuerung bestimmt. Insbesondere bei sehr weichen Werkstückmaterialien, wie z.B. Aluminium kann diese Reibung demzufolge auf ein geringes Maß begrenzt werden, um eventuellen Materialverlust, der bei zu starker Reibung entstehen könnte, zu vermeiden. Werden jedoch härtere Materialien, wie z.B. Stahl verwendet, ist häufig eine reduzierte Reibung zwischen Werkzeug 12 und umzuformendem Werkstückteilbereich 14 wünschenswert, um eine Begrenzung der resultierenden Kräfte und Momente zu erreichen. Zu diesem Zweck ist es möglich die Versetzung der Drehachsen von Werkstück und Werkzeug, das heißt den Exzentrizitätsbetrag, einzustellen.
In Figur 2 ist eine beispielhafte Umformsequenz gezeigt, bei der an einem geschmiedeten Stahlkolben 21 ein Kühlkanal 22 als hinterschnittene Außenkontur angebracht wird. Der in der Aufnahme eingespannte Kolben wird dazu mit seiner durch das Schmiedeverfahren bestimmten Temperaturverteilung, das heißt im Wesentlichen mit seiner Schmiedetemperatur, mit einer Drehzahl von beispielsweise n^ = 1000 min"1 angetrieben. Das Werkzeug wird ebenfalls in Drehung versetzt, jedoch mit einer anfänglich geringeren Drehzahl n^ (0) < n, zum Beispiel H2 (0) = 750 min"1. Zum Umformen wird der Kolben unter axialem Druck auf das Werkzeug zugestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Freilauf des Werkzeugdrehantriebs ausgenutzt, so dass sich die Drehzahl des Werkzeugs, πu, der Drehgeschwindigkeit des sich an der Kontaktfläche von Werkzeug und Werkstück bildenden Formstücks automatisch anpasst. Durch den sich ergebenden gleichmäßigen Materialfluss entsteht so zunächst eine flanschartige Aufweitung 23 des umzuformenden
Kolbenteilbereichs. Unter weiterem axialen Zustelldruck führt fortschreitender Materialfluss zum Umstülpen/Umbördeln der Kontur und kann dann durch die Randaufkantung 17 des Werkzeugs 12 radial begrenzt werden, um so die zu erzielende hinterschnittene Außenkontur des Kolbens zu bilden.
In Figur 3 sind zwei weitere Umformmaßnahmen gezeigt, die der besseren Definition der anzuformenden Hinterschnittkontur dienen. Um eine möglichst maßgenaue Kontur der Kolbenaußenwand zu erzielen, wird ein zusätzliches, hier zylindrisch ausgebildetes Werkzeug 31 unter radialem Druck von einem Zustellmechanismus 32 auf die Mantelfläche der neu entstandenen Außenkontur zugestellt und beschränkt so den radial nach außen gerichteten Materialfluss, der bei der Umformung entsteht. Dadurch wird der Außendurchmesser 33 der neu entstandenen Außenkontur auf den erforderlichen Wert gebracht. Zur Steuerung der Reibung zwischen Werkzeug und Außenkontur des Kolbens kann das zusätzliche Werkzeug entweder frei gelagert oder mit einer Drehzahl n^- von z.B. 750 min"^- angetrieben sein.
Die Maßformung des Spaltabstands 34 des Kühlkanals kann des Weiteren durch ein einschwenkbares Werkzeug 35 erfolgen. Dieses ist L-förmig ausgebildet, wobei der lange Arm 36 an der axial gegen die Zustellrichtung gewandten Oberfläche der umgestülpten, hinterschnittenen Kontur anliegt. Der kurze Arm 37 hingegen greift von außen in den Spalt ein und liegt an der radial nach innen gewandten Oberfläche der umgestülpten, hinterschnittenen Kontur. Auf diese Weise beschränkt das einschwenkbare Werkzeug 35 bei Bedarf den Materialfluss sowohl radial nach innen als auch axial gegen die Zustellrichtung der Aufnahme der Kolbens. Durch eine Kombination der Werkzeuge 31 und 35 kann somit ein Kühlkanal an einen Kolben maßgenau mit oder ohne Bearbeitungszugabe angeformt werden.
Als weiteres Beispiel ist in Figur 4 ein Vorderachsgehäuse 38 im Schnitt gezeigt, an dem der umzuformende Teilbereich vor 39 und nach 40 dem Umformschritt veranschaulicht ist. Die vor der Umformung zylindrische Außenkontur wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren zur gewünschten, nach außen orientierten Außenkontur mit Hinterschnittbereich 41 umgeformt.
In Figur 5 ist ein Beispiel einer Umformsequenz eines St-ahlkolbens veranschaulicht, bei der der Materialfluss nach außen orientiert ist. Hierbei wird der umzuformende, rotationssymmetrische Teilbereich 50 des Kolbens durch das Verfahren schrittweise nach innen umgestülpt bis er mit dem Rand 51 der Feuermulde 52 in Berührung kommt und so einen geschlossenen, gasdichten Kühlkanal 53 bildet.
Zudem kann an einem Kolben ein gasdichter Kühlkanal auch durch Umformen mit nach außen gerichtetem Materialfluss gebildet werden, wie es in der Umformsequenz der Figur 6 gezeigt ist. In diesem Fall ist ein separater Ringträger 62 in die Außenkontur des Kolbens eingesetzt, der den Kühlkanal radial nach außen abschließt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der anfangs zylindrische Teilbereich 60 des Kolbens zu einer flanschartigen Aufweitung 61 umgeformt. Diese kommt schließlich mit ihrer zum Kolben gewandten Seite in axialer Richtung auf dem Ringträger 62 zu liegen, wodurch Aufweitung 61 und Ringträger 62 den gasdichten Kühlkanal 63 bilden.
Es ist des weiteren ebenso möglich, mit einem nach außen gerichteten Materialfluss einen gasdichten Kühlkanal auch ohne Ringträger zu bilden, wir in Figur 7 abschließend gezeigt ist. Hier wird der Materialfluss des umzuformenden Teilbereichs 70 wieder zuerst aufgeweitet (Aufweitung 71) und dann gegen eine vorgeformte Außenkontur 72 des Kolbens rolliert, um so den gasdichten Kühlkanal 73 zu bilden.
Das in den folgenden Patentansprüchen offenbarte Verfahren ermöglicht es, durch spanloses Umformen rotationssymmetrische hinterschnittene Konturen an geschmiedeten, gegossenen oder anderweitig hergestellten Kolben herzustellen. Der Fachmann wird zweifelsfrei weitere vorteilhafte Ausführungsformen anhand des hier dargestellten Beispiels erkennen können, die ebenso im Umfang dieser Erfindung liegen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung im Wesentlichen rotationssymmetrischer, hinterschnittener Kühlkanäle an einem Kolben für Verbrennungsmotoren,
welcher mindestens einen umzuformenden Teilbereich mit im Wesentlichen symmetrischer Ausgangskontur und einer Rotationsachse aufweist, wobei der Teilbereich massiv, teilmassiv oder hohl ausgeführt sein kann, folgende Schritte umfassend:
(A) Einspannen des Kolbens an seinem nicht umzuformenden, ersten Endteil in einer Aufnahme;
(B) Aufeinander zu Bewegen des Kolbens mit Aufnahme relativ zu einem Werkzeug;
(C) Anlegen des mit konstanter oder veränderbarerer Drehzahl gegenüber dem Kolben rotierenden Werkzeugs an den im Wesentlichen symmetrischen, zweiten Endteil des Kolbens; und
(D) Spanloses Erzeugen eines hinterschnittenen Kühlkanals durch Umformen des zweiten Endteils.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei das Aufeinander zu Bewegen des Schrittes B eine Zustellbewegung ist.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei der in Schritt D anzuformende hinterschnittene Kühlkanal bezogen auf die Ausgangskontur des umzuformenden Kolbenteilbereichs im Wesentlichen rotationssymmetrisch nach innen oder außen orientiert sein kann.
4. Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei das in Schritt C und D verwendete Werkzeug eine symmetrische oder asymmetrische Werkzeugkontur aufweist.
5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt D sich das Werkzeug mit einer ersten Drehzahl dreht, und den Kolben mit einer von der ersten verschieden wählbaren, zweiten Drehzahl dreht.
6. Verfahren gemäss Anspruch 5, wobei die erste und/oder die zweite Drehzahl veränderlich ist.
7. Verfahren gemäss eines der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich im Schritt C und D die Rotationsachse des umzuformenden, im Wesentlichen symmetrischen Kolbenbereichs und die Mittelachse des Werkzeugs miteinander in Flucht befinden.
8. Verfahren gemäss eines der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich im Schritt C und D die Rotationsachse des umzuformenden, im Wesentlichen symmetrischen Kolbenbereichs und die Mittelachse des Werkzeugs um einen Exzentrizitätsbetrag e voneinander abweichen.
9. Verfahren gemäss Anspruch 8, wobei der Exzentrizitätsbetrag dadurch eingestellt werden kann, dass sich das rotierende Werkzeug axial oszillierend um die Mittelachse des umzuformenden Kolbenbereichs dreht.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der gesamte Kolben mit einer aus Vorprozessen bestimmten Temperaturverteilung dem Schritt A des Verfahrens zugeführt wird oder in einem dem Schritt A vorgeschalteten Schritt im umzuformenden Kolbenbereich ganz oder teilweise erwärmt wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Geometrie des Hinterschnitts, insbesondere die Länge des angeformten Hinterschnitts und das Spaltmaß, dadurch einstellbar ist, dass der umzuformende Teilbereich eine definierte Temperaturverteilung aufweist.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner folgenden Schritt umfassend:
(E) Andrücken eines oder mehrerer loser oder angetriebener Werkzeuge in radialer Richtung gegen den sich ausbildenden Kühlkanal zur Definition seiner Außenkontur.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner folgenden Schritt umfassend:
(F) Anbringen eines zusätzlichen Werkzeugs, um einen von einem anzuformenden Kühlkanal gebildeten Spalt zu definieren, wobei das zusätzliche Werkzeug so ausgeführt ist, dass hiermit nicht nur die Außenkontur, sondern auch die Stirnfläche, der scharfkantige Übergang von Stirnfläche zu Mantelfläche, und das Spaltmaß definiert in einem Arbeitsgang eingestellt werden.
14. Mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellter Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass er zum angeformten Kühlkanal im Wesentlichen parallele, durchgängige und nicht unterbrochene Fasern aufweist.
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