EP2718056A1 - Verfahren zur gleichzeitigen herstellung eines ersten und zweiten kolbenteils - Google Patents

Verfahren zur gleichzeitigen herstellung eines ersten und zweiten kolbenteils

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EP2718056A1
EP2718056A1 EP12725403.5A EP12725403A EP2718056A1 EP 2718056 A1 EP2718056 A1 EP 2718056A1 EP 12725403 A EP12725403 A EP 12725403A EP 2718056 A1 EP2718056 A1 EP 2718056A1
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EP
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piston
die
forging
billet
piston part
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EP12725403.5A
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English (en)
French (fr)
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Klaus Keller
Rainer Scharp
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Mahle International GmbH
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Mahle International GmbH
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Publication date
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    • B21KMAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00Making machine elements
    • B21K1/18Making machine elements pistons or plungers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21JFORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J13/00Details of machines for forging, pressing, or hammering
    • B21J13/02Dies or mountings therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21JFORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/02Die forging; Trimming by making use of special dies ; Punching during forging
    • B21J5/022Open die forging
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23PMETAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/10Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F2200/00Manufacturing
    • F02F2200/04Forging of engine parts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249Piston making

Definitions

  • the present invention relates to a method for the simultaneous production of a first piston part and a second piston part.
  • the invention also relates to a forging apparatus for carrying out the method according to the invention and a piston produced by this method.
  • US 2008/0127818 A1 discloses a further method for producing pistons for internal combustion engines.
  • the present invention addresses the problem of providing a method for the simultaneous production of two piston parts, by means of which known pistons, in particular built pistons, can be produced inexpensively and faster.
  • the present invention further addresses the problem of providing a forging apparatus by means of which pistons can be produced more favorably and faster, that is to say forged in the present case. This problem is inventively by the objects of
  • the present invention is based on the general idea, a piston, usually consisting of a piston upper part and a piston lower part manufacturing technology easily and quickly produced by both piston parts forged simultaneously and thereby manufactured.
  • a piston usually consisting of a piston upper part and a piston lower part manufacturing technology easily and quickly produced by both piston parts forged simultaneously and thereby manufactured.
  • the two piston parts preferably a piston upper part and a
  • associated piston lower part produced simultaneously in a single forging process, wherein a first billet, that is, for example, in semi-finished steel, between an upper die and an intermediate die of a corresponding forging apparatus is used, whereas a second billet between the intermediate die and an associated lower die is used.
  • the upper die and the lower die are moved towards each other, whereby from the first billet, the first piston part, preferably a piston upper part and at the same time from the second billet, the second piston part, preferably the associated piston lower part, are forged.
  • the first and the second piston part together can result in a piston or that the two piston parts are constructed identical, for example as two piston upper parts or two piston lower parts.
  • the cycle time since two forgings, that is two piston parts, can be forged simultaneously by the intermediate die according to the invention.
  • both the upper die and the lower die can be moved, so that, for example, the intermediate die is fixed, but of course it is also conceivable that only the upper or the Lower die is movable, wherein in all the illustrated variants, the simultaneous forging two piston parts is quick and easy.
  • the intermediate die is held in position by means of a spring device during forging. In this way it can be ensured that during the fast and laborious forging process, the intermediate die is held in its predefined position, wherein the spring device
  • the intermediate die is firmly fixed to itself, so that the upper die from above and the lower die are driven from below onto the intermediate die.
  • not only an intermediate die is present, but at least two intermediate dies are present, so that not only two piston parts, but for example three or more piston parts can be produced simultaneously during a single forging process.
  • Conceivable here is in particular the simultaneous production of a piston upper part, a piston lower part and an intermediate piston part with corresponding
  • Cooling channel structures which are arranged between the piston upper part and the piston lower part.
  • the method according to the invention can produce a wide variety of types of pistons in terms of manufacturing technology and at low cycle times, whereby the individual piston parts produced by the method according to the invention can, of course, be subjected to further processing steps, such as turning. In a subsequent manufacturing step will be The piston parts are then joined together to form a piston, for example connected to one another via a friction-welded connection.
  • FIG. 1 shows a forging device according to the invention with an upper die, an intermediate die and a lower die in the left-hand illustration in the open position and in the right-hand representation in the closed position for producing a piston upper part and a piston lower part, a representation as in FIG. 1, but with a structurally identical upper - and lower die for the production of two identical piston lower parts.
  • Schnniedevorraum 1 for the simultaneous production of a first piston part 2, for example a piston upper part, and a second piston part 3, for example, a piston lower part, a top die 4, an intermediate die 5 and 6 in lower die.
  • a first piston part 2 for example a piston upper part
  • a second piston part 3 for example, a piston lower part
  • a top die 4 for example, a piston lower part
  • an intermediate die 5 and 6 in lower die.
  • the upper die 4 is designed differently than the lower die 5 whereas, according to FIG. 2, the upper die 4 and the lower die 6 have the same design and are only rotated by 180 ° with respect to one another.
  • the two piston parts 2, 3 are produced in accordance with a method according to the invention, in which the forging device 1 according to the invention is used.
  • the upper die 4 and the lower die 6 are first moved apart so that 5 free spaces are created between them and the intermediate die 5 arranged therebetween.
  • a first billet 2 ' for example, a steel or
  • two separate piston parts 2, 3 are forged in a single working step, which can be pre-formed or finished on both sides.
  • the first and the second piston part 2, 3 may have a different configuration, or be of identical construction, as shown for example in accordance with FIG.
  • the method according to the invention can be referred to as so-called "double forging with intermediate die”.
  • piston parts 2, 3 After removal of the two pre-formed or finished piston parts 2, 3 from the forging apparatus 1, these can of course be further processed, that is, for example, subjected to a further manufacturing step, in particular they can be rotated or ground. Subsequently, the two piston parts 2, 3, if this is a piston upper part associated with a piston lower part, connected to each other, in particular welded together.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schmiedevorrichtung (1) zur gleichzeitigen Herstellung eines ersten Kolbenteils (2) und/oder eines zweiten Kolbenteils (3), mittels einer ein Obergesenk (4), mindestens ein Zwischengesenk (5) und ein Untergesenk (6) aufweisenden Schmiedevorrichtung (1), bei dem -ein erster Knüppel (2') zwischen das Obergesenk (4) und das Zwischengesenk (5) und ein zweiter Knüppel (3') zwischen das Zwischengesenk (5) und das Untergesenk (6) eingesetzt werden, -das Obergesenk (4) und das Untergesenk (6) aufeinander zu bewegt werden, wodurch aus dem ersten Knüppel (2') das erste Kolbenteil (2) und gleichzeitig aus dem zweiten Knüppel (3') das zweite Kolbenteil (3) geschmiedet wird, -das Obergesenk (4) und das Untergesenk (6) auseinander gefahren und die Kolbenteile (2, 3) entnommen werden. Hierdurch lässt sich der Kolben vergleichsweise kostengünstig herstellen.

Description

Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung eines ersten und zweiten
Kolbenteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung eines ersten Kolbenteils und eines zweiten Kolbenteils. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schmiedevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einen, nach diesem Verfahren hergestellten Kolben.
Aus der DE 974 022 ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen von zwei aus je einem Schaft und einem Boden bestehenden Topfkolben mit in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen mechanisch fein zu bearbeitenden Außenflächen bekannt, wobei von einem die beiden Topfkolben mit den Bearbeitungszugaben in achsgleicher Anordnung und mit den Bodenteilen in der Mitte enthaltenden Guss- oder Pressstück ausgegangen wird, das an beiden Schäften gleichzeitig bearbeitet und z.B. durch Abstechen oder Trennschleifen in die beiden
Topfkolben getrennt wird. Das Trennen erfolgt dabei erst nach der
Fertigbearbeitung.
Aus der US 2008/0127818 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung zweier Kolbenteile anzugeben, mittels welchem bekannte Kolben, insbesondere gebaute Kolben, kostengünstig und schneller hergestellt werden können. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich weiter mit dem Problem, eine Schmiedevorrichtung anzugeben, mittels welcher Kolben günstiger und schneller hergestellt, das heißt in vorliegendem Fall geschmiedet werden können. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben, bestehend üblicherweise aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil fertigungstechnisch einfach und schnell herstellen zu können, indem beide Kolbenteile gleichzeitig geschmiedet und dadurch hergestellt werden. Es werden somit die beiden Kolbenteile, vorzugsweise ein Kolbenoberteil und ein
zugehöriges Kolbenunterteil, in einem einzigen Schmiedevorgang zeitgleich hergestellt, wobei ein erster Knüppel, das heißt beispielsweise in Stahlhalbzeug, zwischen einem Obergesenk und einem Zwischengesenk einer entsprechende Schmiedevorrichtung eingesetzt wird, wogegen ein zweiter Knüppel zwischen das Zwischengesenk und ein zugehöriges Untergesenk eingesetzt wird.
Anschließend werden das Obergesenk und das Untergesenk aufeinander zu bewegt, wodurch aus dem ersten Knüppel das erste Kolbenteil, vorzugsweise ein Kolbenoberteil und gleichzeitig aus dem zweiten Knüppel das zweite Kolbenteil, vorzugsweise das dazu gehörende Kolbenunterteil, geschmiedet werden.
Anschließend werden das Ober- und Untergesenk auseinander gefahren und die beiden Kolbenteile entnommen. Dabei ist selbstverständlich klar, dass das erste und das zweite Kolbenteil zusammen einen Kolben ergeben können oder dass die beiden Kolbenteile baugleich ausgebildet sind, beispielsweise als zwei Kolbenoberteile oder zwei Kolbenunterteile. Im Vergleich zu bisher angewandten Gesenkschmiedeverfahren kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Taktzeit halbiert werden, da durch das erfindungsgemäße Zwischengesenk zwei Schmiedeteile, das heißt zwei Kolbenteile, zeitgleich geschmiedet werden können. Zum Schmieden selbst kann dabei sowohl das Obergesenk als auch das Untergesenk verfahrbar sein, so dass beispielsweise das Zwischengesenk fixiert ist, denkbar ist aber selbstverständlich auch, dass nur das Ober- oder das Untergesenk verfahrbar ist, wobei bei allen dargestellten Varianten das gleichzeitige Schmieden zweier Kolbenteile schnell und einfach möglich ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zwischengesenk mittels einer Federvorrichtung während des Schmiedens in Position gehalten. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass während des schnellen und kraftaufwändigen Schmiedevorgangs das Zwischengesenk in seiner vordefinierten Lage gehalten wird, wobei die Federvorrichtung
beispielsweise kleine Toleranzen auszugleichen vermag. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass das Zwischengesenk an sich fest fixiert ist, so dass das Obergesenk von oben und das Untergesenk von unten auf das Zwischengesenk gefahren werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist nicht nur ein Zwischengesenk vorhanden, sondern es sind zumindest zwei Zwischengesenke vorhanden, so dass während eines einzigen Schmiedevorgangs nicht nur zwei Kolbenteile, sondern beispielsweise drei oder mehr Kolbenteile gleichzeitig hergestellt werden können. Denkbar ist hierbei insbesondere das gleichzeitige Herstellen von einem Kolbenoberteil, einem Kolbenunterteil sowie einem Zwischenkolbenteil mit entsprechenden
Kühlkanalstrukturen, die zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil angeordnet sind.
Generell ist dabei denkbar, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterschiedlichste Arten von Kolben fertigungstechnisch einfach und zugleich mit geringer Taktzeit hergestellt werden können, wobei die einzelnen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbenteile selbstverständlich weiteren Bearbeitungsschritten, wie beispielsweise einem Drehen, unterzogen werden können. In einem sich daran anschließenden Fertigungsschritt werden die Kolbenteile anschließend zu einem Kolben zusammengefügt, beispielsweise über eine Reibschweißverbindung miteinander verbunden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schmiedevorrichtung mit einem Obergesenk, einem Zwischengesenk und einem Untergesenk in der linken Darstellung in geöffneter Stellung und in der rechten Darstellung in geschlossener Stellung zur Herstellung eines Kolbenoberteils und eines Kolbenunterteils, eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch mit baugleichem Ober- und Untergesenk zur Herstellung zweier baugleicher Kolbenunterteile. Entsprechend den Fig. 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße
Schnniedevorrichtung 1 zur zeitgleichen Herstellung eines ersten Kolbenteils 2, beispielsweise eines Kolbenoberteils, und eines zweiten Kolbenteils 3, beispielsweise eines Kolbenunterteils, ein Obergesenk 4, ein Zwischengesenk 5 sowie in Untergesenk 6 auf. Dabei ist lediglich ein einziges Zwischengesenk 5 vorgesehen, wobei selbstverständlich denkbar ist, dass mehrere zwischen dem jeweiligen Obergesenk 4 und dem zugehörigen Untergesenk 6 angeordnete Zwischengesenke 5 vorgesehen sein können. Gemäß der Fig. 1 ist dabei das Obergesenk 4 anders ausgebildet als das Untergesenk 5 wogegen gemäß der Fig. 2 das Obergesenk 4 und das Untergesenk 6 baugleich ausgebildet und lediglich um 180° verdreht zueinander angeordnet sind. Zur Fixierung des Zwischengesenks 5 während des Schmiedevorgangs kann beispielsweise eine Federvorrichtung 7 vorgesehen sein, die gemäß den Fig. 1 und 2 mit lediglich schematisch darstellten Spiralfedern gezeichnet ist. Zum Schmieden des ersten und zweiten Kolbenteils 2, 3 kann ausschließlich das Obergesenk 4 oder das Untergesenk 6 bewegt werden oder aber beide Gesenke 4, 6.
Die beiden Kolbenteile 2, 3 werden dabei gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, bei welchem die erfindungsgemäße Schmiedevorrichtung 1 zum Einsatz kommt. Bei dem Verfahren werden zunächst das Obergesenk 4 und das Untergesenk 6 auseinander gefahren, so dass zwischen diesen und dem dazwischen angeordneten Zwischengesenk 5 Freiräume entstehen.
Anschließend wird ein erster Knüppel 2', beispielsweise ein Stahl- oder
Aluminiumhalbzeug zwischen das Obergesenk 4 und das Zwischengesenk 5 eingelegt bzw. eingesetzt sowie ein zweiter Knüppel 3' zwischen das
Zwischengesenk 5 und das Untergesenk 6. Danach werden das Obergesenk 4 und das Untergesenk 6 aufeinander zu bewegt, wodurch aus dem ersten
Knüppel 2' das erste Kolbenteil 2, also beispielsweise das Kolbenoberteil, und aus dem zweiten Knüppel 3' das zweite Kolbenteil 3, das heißt beispielsweise das Kolbenunterteil, geschmiedet werden. Anschließend wird das Obergesenk 4 und das Untergesenk 6 auseinander gefahren und die Kolbenteile 2, 3 können entnommen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Schmiedevorrichtung 1 und insbesondere auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem einzigen Arbeitsschritt zwei getrennte Kolbenteile 2, 3 geschmiedet, die jeweils beidseitig vor- bzw. fertig geformt sein können. Wie dabei der Fig. 1 zu entnehmen ist, können das erste und das zweite Kolbenteil 2, 3 eine unterschiedliche Ausgestaltung haben, oder aber baugleich sein, wie dies beispielsweise gemäß der Fig. 2 dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei als sogenanntes„Doppelschmieden mit Zwischengesenk" bezeichnet werden.
Nach dem Entnehmen der beiden vor- bzw. fertiggeformten Kolbenteile 2, 3 aus der Schmiedevorrichtung 1 können diese selbstverständlich noch weiter bearbeitet werden, das heißt beispielsweise einem weiteren Fertigungsschritt unterzogen werden, insbesondere können sie gedreht oder geschliffen werden. Anschließend werden die beiden Kolbenteile 2, 3, sofern es sich hierbei um ein Kolbenoberteil ein zugehöriges Kolbenunterteil handelt, miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen erfindungsgemäßen Schmiedevorrichtung 1 kann die Herstellung von Kolbenteilen 2, 3 und damit auch des Kolbens an sich deutlich rationalisiert und dadurch deutlich schneller und zugleich kostengünstiger gestaltet werden.
*****

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung eines ersten Kolbenteils (2) und/oder eines zweiten Kolbenteils (3), mittels einer ein Obergesenk (4), mindestens ein Zwischengesenk (5) und ein Untergesenk (6) aufweisenden Schmiedevorrichtung (1 ), bei dem
- ein erster Knüppel (2') zwischen das Obergesenk (4) und das Zwischengesenk (5) und ein zweiter Knüppel (3') zwischen das Zwischengesenk (5) und das Untergesenk (6) eingesetzt werden,
- das Obergesenk (4) und das Untergesenk (6) aufeinander zu bewegt werden, wodurch aus dem ersten Knüppel (2') das erste Kolbenteil (2) und gleichzeitig aus dem zweiten Knüppel (3') das zweite Kolbenteil (3) geschmiedet wird,
- das Obergesenk (4) und das Untergesenk (6) auseinander gefahren und die Kolbenteile (2,3) entnommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das erste Kolbenteil (2) als Kolbenoberteil oder als Kolbenunterteil ausgebildet ist, und/oder
- dass das zweite Kolbenteil (3) als Kolbenoberteil oder als Kolbenunterteil ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengesenk (5) mittels einer Federvorrichtung (7) während des Schmiedens in Position gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ausschließlich das Obergesenk (4) oder das Untergesenk (6) bewegt wird, oder
- dass sowohl das Obergesenk (4) als auch das Untergesenk (6) bewegt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die geschmiedeten Kolbenteile (2,3) anschließend einem weiteren Fertigungsschritt, beispielsweise einem Drehen, Fräsen oder Schleifen, unterzogen werden.
6. Schmiedevorrichtung (1 ) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmiedevorrichtung (1 ) ein Obergesenk (4), mindestens ein
Zwischengesenk (5) und ein Untergesenk (6) aufweist.
7. Schmiedevorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Federvorrichtung (7) zum Halten des wenigstens einen
Zwischengesenks (5) während des Schmiedens vorgesehen ist.
8. Schmiedevorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, - dass ausschließlich das Obergesenk (4) oder das Untergesenk (6) bewegbar ist, oder
- dass sowohl das Obergesenk (4) als auch das Untergesenk (6) bewegbar sind.
9. Ein aus einem ersten Kolbenteil (2), beispielsweise einem Kolbenoberteil, und einem zweiten Kolbenteil (3), beispielsweise einem Kolbenunterteil, bestehender Kolben, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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