EP2723516B1 - Schmiedeverfahren zur herstellung eines kolbens bzw. kolbenschafts - Google Patents

Schmiedeverfahren zur herstellung eines kolbens bzw. kolbenschafts Download PDF

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EP2723516B1
EP2723516B1 EP12730876.5A EP12730876A EP2723516B1 EP 2723516 B1 EP2723516 B1 EP 2723516B1 EP 12730876 A EP12730876 A EP 12730876A EP 2723516 B1 EP2723516 B1 EP 2723516B1
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EP
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forging
piston
walls
shaft
forged
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EP12730876.5A
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Wolfgang Issler
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Mahle International GmbH
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Mahle International GmbH
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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/04—Forging of engine parts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making

Definitions

  • the present invention relates to a forging process for producing a piston or a piston stem.
  • the invention also relates to a piston stem produced by this method and to a forging apparatus for carrying out the method.
  • Known pistons are usually made cylindrical in a region of the piston crown in order to be able to close the space for the combustion taking place in an internal combustion engine.
  • the pin bosses for receiving a piston pin with respect.
  • the diameter of the piston skirt are set back inwards. Due to this circumstance, material can be saved in the outer regions and thus a weight reduction can be achieved.
  • such a piston with inwardly offset pin bosses at the height of these pin bosses and below the same on a part of the circumference have skirt wall sections, with which it rests after installation in the cylinder of the engine to the cylinder wall and can be supported on it.
  • These shaft wall sections are also referred to as bearing shaft wall sections on the pressure and counter-pressure side, since they are responsible for the guidance of the piston in the cylinder.
  • the shaft wall sections prevent in particular an undesirable tilting about the pin axis in the top and bottom dead center.
  • the two shank wall sections or the two shank walls are connected via box walls, which contain the piston pin bosses.
  • the form engraving in this case has an outer mold ring, a lower mandrel, through which a lower ejector is actuated and an upper mandrel, through which an upper ejector is actuated, wherein in the engraving of the upper mandrel a negative extension cone is provided.
  • the mold is closed and the preform is formed by pressing the mandrels to each other, wherein by a combined actuation of the ejector and simultaneous opening of the mold, an ejection of the finished forged piston can take place.
  • the life of the dies is to be extended.
  • the DE 38 11 200 A1 discloses a one-step forging process.
  • the present invention is concerned with the problem of providing an improved method for forging a piston skirt, with which, in particular, a weight-reduced piston with inclined box walls can be manufactured comparatively easily and thus economically.
  • This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the present invention is based on the general idea of forming a forging method for producing a piston skirt in two stages, wherein in a first stage with a first forging punch and in a subsequent second stage forged with a second forging punch.
  • the piston skirt has, in a known manner, two skirt walls and two box walls connecting these skirt walls.
  • the shank walls are now at least slightly conical outward with a first forging punch
  • the box walls are provided with a hub inner side substantially parallel to the piston axis and an inward pointing towards the free end
  • the shaft walls can bend or widen conically outwards. A small expansion is required for better molding.
  • the box walls are deformed such that their hub outer side substantially parallel to the piston axis or slightly open to the outside and the hub inner side to the free end out to the outside.
  • the shank walls are simultaneously drawn into a position which is preferably parallel to the piston axis.
  • the hub outer side extends obliquely inwardly in accordance with the forging bevels, while the hub inner side extends approximately parallel to the piston axis, that is to say essentially perpendicular in the present case.
  • shank area ie the shank walls
  • the increasing diameter does not refer to the wall thickness, but to the conical orientation of the shaft walls.
  • the inner piston shape is widened conically, at least in a partial area of the entire inner height, whereby the outer contour the hubs are inclined vertically or outwards and the box walls are inclined downwards and outwards.
  • the shaft diameter which was originally too large, is drawn inward in the region of the shaft walls and thus deformed in accordance with the final contour of the piston shaft to be forged.
  • the piston skirt is forged from an aluminum alloy and subsequently annealed and / or tempered, in particular subjected to a T7 heat treatment.
  • targeted heat treatments such as the Tempering or solution annealing can additionally increase the mechanical properties, in particular of aluminum materials.
  • the principle of the heat treatment consists in that a supersaturated solid solution is produced by solution heat treatment at temperatures just below the liquidus and subsequent quenching in water or oil. As a result, more impurities are dissolved in the metal mesh as it corresponds to the equilibrium state at room temperature.
  • targeted heat treatment and thus targeted thermal aging the foreign atoms that are supersaturated in the metal lattice now appear to be diffusible as dispersive precipitates.
  • T7 heat treatment by coagulation of the excretions higher strains but lower strength can be achieved.
  • the advantage of the T7 heat treatment lies in the fact that, when the components are exposed to temperature, there is no dimensional change in practical use and the mechanical properties no longer change, since the structure is already largely in equilibrium.
  • solution annealing with subsequent hot aging in particular, can be considered, in which the increase in strength is achieved by precipitation hardening.
  • the solution annealing is carried out for conventional piston alloys at temperatures between 480 ° and 550 ° C, wherein this temperature is chosen so that a sufficient amount of alloying elements is dissolved in the solid solution, so that the hardening effect after quenching and outsourcing actually occurs.
  • the determining parameters are in particular the solution annealing temperature, the preheating time, the temperature of the coolant, the temperature of the piston shaft at the moment of quenching and the aging temperature and duration.
  • the piston or the piston shaft is forged from an iron alloy and then suitably cooled or heat treated to achieve the required strength and the desired residual stress state.
  • the subsequent processing can be made from the forged a complete, one-piece piston or a piston base, which results in combination with a piston upper part by joining (eg by welding, gluing, soldering, etc.) or screw a piston.
  • a forging method for producing a piston or a piston shaft 1 is shown, which has two shaft walls 2 and two box walls 3 connecting these shaft walls 2.
  • the Fig. 1 and 2 are each subdivided into a left and right half of the image, wherein the left half of a sectional view orthogonal to a pin axis 4 and the right half of the image in each case shows a sectional view parallel to the pin axis 4.
  • the opposite show the 3 and 4 in each case a complete sectional view parallel to the pin axis 4.
  • a first forging stage of the total two-stage forging method according to the invention is shown, whereas in the Fig. 2 and 4 the associated second forging is shown.
  • the shaft walls 2 in the first forging stage / stage (cf. Fig. 1 and 3 ) with a first forging die 5, the shaft walls 2 at least slightly conical outward and the box walls 3 with a hub inner side 7 substantially parallel to the piston axis 6 and forged towards the free end, that is in the present case downwardly and inwardly facing hub outer 8 ,
  • the shaft walls 2 are in the sectional views according to the 3 and 4 not recognizable, since they lie above or below the image plane.
  • the second forging stage of the forging method according to the invention in the second forging stage of the forging method according to the invention (cf.
  • Fig. 2 and 4 are now transformed with a second forging stamp 9, the box walls 3 such that their hub outer sides 8 substantially parallel to the piston axis 6 or slightly outwards (see, broken line in FIG Fig. 2 ) and the hub inner sides 7 towards the free end, that is, in the present case downwards, facing outwards.
  • the shank walls 2 are simultaneously pulled into a position approximately parallel to the piston axis 6 and thereby define the outside diameter of the piston shank 1.
  • a piston skirt 1 or a lower piston part can be forged with the forging method according to the invention or even a complete piston.
  • the skirt walls 2 are pulled inward by the widening of the box walls 3 until they rest against an outer circumferential surface 10 of the second forging die 9 that is parallel to the piston axis 6.
  • This outer lateral surface 10 in contrast to the outer lateral surface 10 'of the first forging die 5, does not run conically, but rather in the sectional view according to FIG Fig. 2 approximately parallel to the piston axis 6.
  • the first and the second forging dies 5, 9 are pressed at the respective forging stage against a die 11, wherein the located between the forging punch 5.9 and the die 11 piston shaft 1 either during the entire forging process in the die 11, that is in a the Forging-housed forging device 12 remains or between the forging with the first forging die 5 and the forging with the second forging die 9, that is, between the first and the second forging stage, removed and heated.
  • a direct heating within the forging apparatus 12 after completing the first forging is conceivable.
  • the piston skirt 1 can be forged, for example, from an aluminum alloy, a magnesium alloy, a ceramic or an iron-based material, whereby increasingly plastics are also conceivable.
  • this can then be annealed and / or tempered, in particular a so-called T7 heat treatment, subjected.
  • T7 heat treatment which usually takes place after quenching, the foreign atoms which are supersaturated in the metal lattice are to be precipitated by fusion as dispersive precipitates.
  • the previous quenching for example in oil or water, more impurities have been solved in the metal grid, as it would correspond to the equilibrium state at room temperature. This state of stress can be reduced by the subsequent tempering or heat treatment.
  • the first forging stamp 5 according to the Fig. 3 is designed as a split forging stamp.
  • the first forging will be according to the Fig. 3 analogous to the first forging of the Fig. 1 performed, wherein the hub inner sides 7 parallel to the piston axis 6 and the hub outer sides 8 are formed obliquely downwardly and inwardly.
  • the first forging punch 5 is replaced by the second forging punch 9, wherein the second forging punch 9 by spreading, for example by means of a wedge 13, the box walls 3 deformed such that their hub outer sides 8 now parallel to the piston axis 6 and the hub inner sides 7 run obliquely to it.
  • the shaft walls 2 are pulled inward, which, however, due to the selected sectional views in the 3 and 4 not shown.
  • pistons or piston shanks 1 with oblique box walls 3 can be produced comparatively easily and economically, wherein with the oblique box walls 3 a material saving and thus a weight reduction can be achieved.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens- bzw. eines Kolbenschafts. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolbenschaft sowie eine Schmiedevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Bekannte Kolben sind in einem Bereich des Kolbenbodens üblicherweise zylindrisch gestaltet, um den Raum für die in einem Verbrennungsmotor stattfindende Verbrennung abschließen zu können. Zur Gewichtsreduzierung des Kolbens sind die Bolzennaben für die Aufnahme eines Kolbenbolzens bzgl. des Durchmessers des Kolbenschaftes nach innen zurückversetzt. Aufgrund dieses Umstandes kann in den äußeren Bereichen Material eingespart und dadurch eine Gewichtsreduzierung erreicht werden.
  • Generell muss jedoch aber auch ein derartiger Kolben mit nach innen versetzen Bolzennaben auf Höhe dieser Bolzennaben sowie unterhalb derselben an einem Teil des Umfangs Schaftwandabschnitte aufweisen, mit denen er nach dem Einbau in den Zylinder des Verbrennungsmotors an der Zylinderwand anliegt und sich daran abstützen kann. Diese Schaftwandabschnitte werden dabei auch als tragende Schaftwandabschnitte auf der Druck- und Gegendruckseite bezeichnet, da sie für die Führung des Kolbens im Zylinder verantwortlich sind. Die Schaftwandabschnitte verhindern dabei insbesondere ein unerwünschtes Kippen um die Bolzenachse im oberen und unteren Totpunkt. Verbunden sind die beiden Schaftwandabschnitte bzw. die beide Schaftwände über Kastenwände, die die Kolbenbolzennaben beinhalten.
  • Aus der EP 0 838 587 B2 ist ein Kolben mit Schaftwänden und diese verbindenden Kastenwänden bekannt, die dem Verlauf der in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Ränder der Schaftwände folgen. Dabei ist die Breite der beiden Schaftwände zum unteren Ende des Kolbenschafts hin größer werdend ausgebildet, wodurch die beiden Kastenwände somit schräg und derart zueinander geneigt ausgebildet sind, dass ihr Abstand in einem unteren Bereich größer ist als in einem oberen Bereich. Mit anderen Worten verlaufen die Verbindungswände somit gewissermaßen konisch zueinander. Hierdurch kann insbesondere in denjenigen Zonen, in denen die Schaftwände schmäler ausgebildet werden können, weiteres Material eingespart werden.
  • Aus der EP 1 348 859 B2 ist ein weiterer Kolben mit schrägen Kastenwänden bekannt.
  • Des Weiteren ist aus der DE 10 2006 020 861 B4 ein einstufiges Schmiedeverfahren zur Herstellung von buchsenartigen Schmiedeteilen in einer Form bekannt, bei dem zunächst ein Vorpressling in einer einzigen Formgravur eingelegt wird. Die Formgravur weist dabei einen äußeren Formring, einen unteren Formdorn, durch den ein unterer Ausstoßer hindurch betätigbar ist und einen oberen Formdorn, durch den hindurch ein oberer Ausstoßer betätigbar ist auf, wobei in der Gravur des oberen Formdorns ein negativer Auszugskonus vorgesehen ist. Anschließend wird die Form geschlossen und der Vorpressling durch Pressen der Formdorne zueinander umgeformt, wobei durch ein kombiniertes Betätigen der Ausstoßer und gleichzeitiges Öffnen der Form ein Auswerfen des fertig geschmiedeten Kolbens erfolgen kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere die Standzeit der Gesenke verlängert werden. Auch die DE 38 11 200 A1 offenbart ein einstufiges Schmiedeverfahren.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein verbessertes Verfahren zum Schmieden eines Kolbenschaftes anzugeben, mit welchem insbesondere ein gewichtsreduzierter Kolben mit schrägen Kastenwänden vergleichsweise einfach und dadurch wirtschaftlich hergestellt werden kann. 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, ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbenschaftes zweistufig auszubilden, wobei in einer ersten Stufe mit einem ersten Schmiedestempel und in einer sich daran anschließenden zweiten Stufe mit einem zweiten Schmiedestempel geschmiedet wird. Der Kolbenschaft weist in bekannter Weise zwei Schaftwände und zwei diese Schaftwände verbindende Kastenwände auf. Bei dem erfindungsgemäßen Schmiedeverfahren werden nun zunächst mit einem ersten Schmiedestempel die Schaftwände zumindest leicht konisch nach außen und die Kastenwände mit einer im Wesentlichen zur Kolbenachse parallelen Nabeninnenseite und einer zum freien Ende hin nach innen zeigenden
  • Nabenaußenseite geschmiedet. Die Schaftwände können sich dabei gebogen oder gerade konisch nach außen aufweiten. Eine geringe Aufweitung ist zum besseren Ausformen erforderlich. Anschließend werden in der zweiten Stufe mit einem zweiten Schmiedestempel die Kastenwände derart verformt, dass deren Nabenaußenseite im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse oder leicht nach außen geöffnet und deren Nabeninnenseite zum freien Ende hin nach außen verlaufen. Während des Umformens der Kastenwände mittels des zweiten Schmiedestempels werden gleichzeitig die Schaftwände in eine vorzugsweise zur Kolbenachse parallele Position eingezogen. Mit dem erfindungsgemäßen zweistufigen Schmiedeverfahren wird somit in der ersten Schmiedestufe ein Kolbenrohling wie bisher bekannt vorgeschmiedet, wobei die Kastenwände unter Berücksichtigung der erforderlichen Schmiedeschräge näherungsweise senkrecht, das heißt etwa parallel zur Kolbenachse, gestaltet sind. Die Nabenaußenseite verläuft entsprechend der Schmiedeschrägen nach unten innen schräg geformt, während die Nabeninnenseite etwa parallel zur Kolbenachse, das heißt im vorliegenden Fall im Wesentlichen senkrecht verläuft. Während der ersten Schmiedestufe werden gleichzeitig der Schaftbereich, das heißt die Schaftwände mit einem zumindest leicht nach unten zunehmenden Durchmesser geschmiedet. Der zunehmende Durchmesser bezieht sich dabei nicht auf die Wandstärke, sondern auf die konische Ausrichtung der Schaftwände. In der sich daran anschließenden zweiten Schmiedestufe wird unter Benutzung des zweiten Schmiedestempels, der im einfachsten Fall nur aus einem entsprechenden Innenkern und dem bereits in der ersten Schmiedestufe verwendeten Gesenk besteht, die Kolbeninnenform zumindest in einem Teilbereich der gesamten Innenhöhe konisch aufgeweitet, wodurch sich die Außenkontur der Naben senkrecht oder nach außen geneigt und die Kastenwände nach unten und außen schräg stellen. Gleichzeitig wird der ursprünglich zu große Schaftdurchmesser im Bereich der Schaftwände nach innen gezogen und damit entsprechend der Endkontur des zu schmiedenden Kolbenschaftes verformt. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dessen Einfachheit begründet, so dass auch bisher lediglich äußerst schwierig zu schmiedende, schräge Kastenwände mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise einfach und dadurch auch wirtschaftlich hergestellt werden können.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Kolbenschaft aus einer Aluminiumlegierung geschmiedet und anschließend geglüht und/oder angelassen, insbesondere einer T7-Wärmebehandlung unterzogen. Durch gezielte Wärmebehandlungen, wie beispielsweise das Anlassen oder Lösungsglühen können die mechanischen Eigenschaften insbesondere von Aluminiumwerkstoffen zusätzlich gesteigert werden. Das Prinzip der Wärmebehandlung besteht dabei darin, dass durch ein Lösungsglühen bei Temperaturen knapp unter Liquidus und anschließendem Abschrecken im Wasser oder Öl ein übersättigter Mischkristall erzeugt wird. Hierdurch sind im Metallgitter mehr Fremdatome gelöst als es dem Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur entspricht. Durch eine gezielte Wärmebehandlung und damit eine gezielte Warmauslagerung scheinen sich nun die im Metallgitter übersättigt vorliegenden Fremdatome durch Diffusion als dispersive Ausscheidungen aus. Insbesondere bei der T7-Wärmebehandlung sind durch Koagulation der Ausscheidungen höhere Dehnungen bei allerdings geringerer Festigkeit erzielbar. Der Vorteil der T7-Wärmebehandlung liegt darin, dass bei Temperaturbelastung der Bauteile im praktischen Einsatz keine Maßänderung eintritt und sich auch die mechanischen Eigenschaften nicht mehr ändern, da das Gefüge bereits weitgehend im Gleichgewichtszustand vorliegt. Für Aluminiumlegierungen kommt insbesondere das Lösungsglühen mit anschließender Warmauslagerung in Betracht, bei welcher die Festigkeitssteigerung durch eine Ausscheidungshärtung erzielt wird. Das Lösungsglühen erfolgt dabei für übliche Kolbenlegierungen bei Temperaturen zwischen 480° und 550° C, wobei diese Temperatur so gewählt wird, dass eine ausreichende Menge von Legierungselementen im Mischkristall gelöst ist, so dass der Aushärtungseffekt nach dem Abschrecken und der Auslagerung auch tatsächlich eintritt. Als bestimmende Parameter sind hierbei insbesondere die Lösungsglühtemperatur, die Vorglühzeit, die Temperatur des Kühlmittels, die Temperatur des Kolbenschafts im Augenblick des Abschreckens sowie die Auslagerungstemperatur und Dauer zu nennen.
  • Als weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Kolben bzw. der Kolbenschaft aus einer Eisenlegierung geschmiedet und anschließend geeignet abgekühlt bzw. wärmebehandelt, um die erforderliche Festigkeit und den gewünschten Eigenspannungszustand zu erzielen. In der anschließenden Bearbeitung kann aus dem Schmiedeteil ein kompletter, einstückiger Kolben hergestellt werden oder aber ein Kolbenunterteil, das in Kombination mit einem Kolbenoberteil durch Fügen (z.B. durch Schweißen, Kleben, Löten, usw.) oder Verschrauben einen Kolben ergibt.
  • 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 erfindungsgemäßes zweistufiges Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbenschaftes in einer ersten Stufe,
    Fig. 2
    eine Darstellung des erfindungsgemäßen zweistufigen Schmiedeverfahrens in einer zweiten Schmiedestufe,
    Fig. 3
    eine Darstellung wie in Fig. 1, jedoch mit einem teilbaren, geschlossenen zweiten Schmiedestempel, während der ersten Schmiedestufe,
    Fig. 4
    eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch mit aufgespreiztem zweiteiligem zweitem Schmiedestempel während der zweiten Schmiedestufe.
  • Entsprechend den Fig. 1 bis 4 wird ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens- bzw. eines Kolbenschafts 1 dargestellt, der zwei Schaftwände 2 und zwei diese Schaftwände 2 verbindende Kastenwände 3 aufweist. Die Fig. 1 und 2 sind dabei jeweils in eine linke und rechte Bildhälfte untergeteilt, wobei die linke Bildhälfte eine Schnittdarstellung orthogonal zu einer Bolzenachse 4 und die rechte Bildhälfte jeweils eine Schnittdarstellung parallel zur Bolzenachse 4 zeigt. Dem gegenüber zeigen die Fig. 3 und 4 jeweils eine komplette Schnittdarstellung parallel zur Bolzenachse 4.
  • In den Fig. 1 und 3 ist dabei jeweils eine erste Schmiedestufe des insgesamt zweistufigen erfindungsgemäßen Schmiedeverfahrens dargestellt, wogegen in den Fig. 2 und 4 die jeweils zugehörige zweite Schmiedestufe gezeigt ist. Erfindungsgemäß werden nun in der ersten Schmiedestufe/Stufe (vgl. Fig. 1 und 3) mit einem ersten Schmiedestempel 5 die Schaftwände 2 zumindest leicht konisch nach außen und die Kastenwände 3 mit einer im Wesentlichen zur Kolbenachse 6 etwa parallelen Nabeninnenseite 7 und einer zum freien Ende hin, das heißt im vorliegenden Fall nach unten und nach innen zeigenden Nabenaußenseite 8 geschmiedet. Die Schaftwände 2 sind dabei in den Schnittdarstellungen gemäß den Fig. 3 und 4 nicht erkennbar, da sie oberhalb bzw. unterhalb der Bildebene liegen. In der zweiten Schmiedestufe/Stufe des erfindungsgemäßen Schmiedeverfahrens (vgl. die Fig. 2 und 4) werden nun mit einem zweiten Schmiedestempel 9 die Kastenwände 3 derart umgeformt, dass deren Nabenaußenseiten 8 im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse 6 oder leicht nach außen (vgl. unterbrochen gezeichnete Linie in Fig. 2) und deren Nabeninnenseiten 7 zum freien Ende hin, das heißt im vorliegenden Fall nach unten, nach außen zeigen. Beim Umformen der Kastenwände 3 mittels des zweiten Schmiedestempels 9 werden gleichzeitig die Schaftwände 2 in eine zur Kolbenachse 6 etwa parallele Position gezogen und definieren dadurch den Außendurchmesser des Kolbenschaftes 1.
  • Generell kann selbstverständlich lediglich ein Kolbenschaft 1 bzw. ein Kolbenunterteil mit dem erfindungsgemäßen Schmiedeverfahren geschmiedet werden oder aber auch ein kompletter Kolben. Beim Umformen, das heißt beim Aufweiten der Kastenwände 3 mittels des zweiten Schmiedestempels 9 während der zweiten Schmiedestufe werden die Schaftwände 2 durch das Aufweiten der Kastenwände 3 soweit nach innen gezogen, bis sie an einer zur Kolbenachse 6 parallelen Außenmantelfläche 10 des zweiten Schmiedestempels 9 anliegen. Diese Außenmantelfläche 10 verläuft im Gegensatz zur Außenmantelfläche 10' des ersten Schmiedestempels 5 nicht konisch, sondern in der Schnittdarstellung gemäß der Fig. 2 etwa parallel zur Kolbenachse 6.
  • Der erste und der zweite Schmiedestempel 5, 9 werden bei der jeweiligen Schmiedestufe gegen ein Gesenk 11 gepresst, wobei der sich zwischen dem Schmiedestempel 5,9 und dem Gesenk 11 befindliche Kolbenschaft 1 entweder während des gesamten Schmiedeverfahrens im Gesenk 11, das heißt in einer das Gesenk beherbergenden Schmiedevorrichtung 12 verbleibt oder aber zwischen dem Schmieden mit dem ersten Schmiedestempel 5 und dem Schmieden mit dem zweiten Schmiedestempel 9, das heißt zwischen der ersten und der zweiten Schmiedestufe, entnommen und erwärmt wird. Selbstverständlich ist auch eine direkte Erwärmung innerhalb der Schmiedevorrichtung 12 nach Beenden der ersten Schmiedestufe denkbar.
  • Der Kolbenschaft 1 kann beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung, einer Keramik oder einem Eisenbasiswerkstoff geschmiedet werden, wobei zunehmend auch Kunststoffe denkbar sind. Zur Vergütung insbesondere eines aus einer Aluminiumlegierung geschmiedeten Kolbenschaftes 1 kann dieser anschließend geglüht und/oder angelassen, insbesondere einer sogenannten T7-Wärmebehandlung, unterzogen werden. Bei einer derartigen Wärmebehandlung, die üblicherweise nach einem Abschrecken erfolgt, sollen die sich im Metallgitter übersättigt vorliegenden Fremdatome durch Fusion als dispersive Ausscheidungen ausgeschieden werden. Bei dem zuvor erfolgten Abschrecken, beispielsweise in Öl oder Wasser, sind im Metallgitter mehr Fremdatome gelöst worden, als es dem Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur entsprechen würde. Dieser Spannungszustand kann durch das anschließende Anlassen bzw. Wärmebehandeln reduziert werden.
  • Betrachtet man den zweiten Schmiedestempel 9 gemäß der Fig. 4, so kann man erkennen, dass dieser wie beispielsweise der erste Schmiedestempel 5 gemäß der Fig. 3 als geteilter Schmiedestempel ausgebildet ist. Die erste Schmiedestufe wird dabei gemäß der Fig. 3 analog zur ersten Schmiedestufe der Fig. 1 durchgeführt, wobei die Nabeninnenseiten 7 parallel zur Kolbenachse 6 und die Nabenaußenseiten 8 nach schräg unten und innen verlaufend geformt werden. In der sich daran anschließenden zweiten Schmiedestufe wird der erste Schmiedestempel 5 durch den zweiten Schmiedestempel 9 ersetzt, wobei der zweite Schmiedestempel 9 durch Aufspreizen, beispielsweise mittels eines Keils 13 die Kastenwände 3 derart verformt, dass deren Nabenaußenseiten 8 nunmehr parallel zur Kolbenachse 6 und deren Nabeninnenseiten 7 schräg dazu verlaufen. Gleichzeitig werden die Schaftwände 2 nach innen gezogen, was jedoch auf Grund der gewählten Schnittdarstellungen in den Fig. 3 und 4 nicht gezeigt ist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und auch mit einer derartigen erfindungsgemäßen Schmiedevorrichtung 12 lassen sich insbesondere Kolben bzw. Kolbenschäfte 1 mit schrägen Kastenwänden 3 vergleichsweise einfach und wirtschaftlich herstellen, wobei mit den schrägen Kastenwänden 3 eine Materialeinsparung und damit eine Gewichtsreduzierung erreicht werden kann.

Claims (8)

  1. Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens bzw. eines Kolbenschafts (1), der zwei Schaftwände (2) und zwei die Schaftwände (2) verbindende Kastenwände (3) aufweist, bei dem
    - mit einem ersten Schmiedestempel (5) die Schaftwände (2) zumindest leicht konisch nach außen und die Kastenwände (3) mit einer im Wesentlichen zur Kolbenachse (6) parallelen oder nach unten leicht nach außen schräg gestellten Nabeninnenseite (7) und einer zum freien Ende hin zumindest leicht nach innen zeigenden Nabenaußenseite (8) geschmiedet werden,
    - mit einem zweiten Schmiedestempel (9) die Kastenwände (3) derart umgeformt werden, dass deren Nabenaußenseite (8) im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse (6) oder leicht schräg nach außen und deren Nabeninnenseite (7) zum freien Ende hin nach außen verlaufen,
    - beim Umformen der Kastenwände (3) mittels des zweiten Schmiedestempels (9) gleichzeitig die Schaftwände (2) in eine zur Kolbenachse (6) etwa parallele Position gezogen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass beim Umformen der Kastenwände (3) mittels des zweiten Schmiedestempels (9) die Schaftwände (2) an eine zur Kolbenachse (6) etwa parallele Mantelfläche (10) des zweiten Schmiedestempels (9) anliegen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste und der zweite Schmiedestempel (5,9) beim Schmieden gegen ein Gesenk (11) gepresst werden, wobei der sich zwischen dem Schmiedestempel (5,9) und dem Gesenk (11) befindliche Kolbenschaft (1) während des gesamten Schmiedeverfahrens im Gesenk (11) verbleibt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zu schmiedende Kolbenschaft (1) zwischen dem Schmieden mit dem ersten Schmiedestempel (5) und dem Schmieden mit dem zweiten Schmiedestempel (9) erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kolbenschaft (1) aus einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung, einer Keramik oder aus einem Eisenbasiswerkstoff geschmiedet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kolbenschaft (1) aus einer Aluminiumlegierung geschmiedet und anschließend geglüht und/oder angelassen, insbesondere einer T7-Wärmebehandlung unterzogen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zusammen mit dem Kolbenschaft (1) auch ein Kolbenboden geschmiedet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest der zweite Schmiedestempel (9) als geteilter Schmiedestempel ausgebildet ist und zum Umformen der Kastenwände (3), insbesondere mittels eines Keils (13), aufgespreizt wird.
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