WO2007025799A1

WO2007025799A1 - Verfahren, fertigungslinie und kolbenrohling zum herstellen eines einteilig ausgebildeten kolbens für verbrennungsmotoren, sowie kolben für verbrennungsmotoren

Info

Publication number: WO2007025799A1
Application number: PCT/EP2006/064368
Authority: WO
Inventors: João Lester GARCIA; Heraldo Carlos Furquim
Original assignee: Thyssenkrupp Metalurgica Campo Limpo Ltda.
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2007-03-08
Also published as: DE102005041000A1; US8572843B2; EP1919643A1; BRPI0615600A2; DE102005041000B4; US20090013531A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäß ausgestattete Fertigungslinie erlauben die Herstellung von endabmessungsnahen Kolbenrohlingen (R), die im Zuge der abschließenden Fertigbearbeitung nur noch in geringem Maße spanabhebend bearbeitet werden müssen. Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass der Kolbenschaft (KS) des Kolbenrohlings (R) durch Rückwärtsfließpressen erzeugt wird. Zum anderen wird erfindungsgemäß schon am Kolbenrohteil (R) durch eine Umformoperation eine Hohlkehle (H) erzeugt. Zu diesem Zweck ist ein besonderes Schmiedewerkzeug vorgesehen, das nach der Erzeugung des Kolbenschafts (KS) auf den Kolbenrohling (R) in einer Weise einwirkt, dass sich spätestens beim anschließenden Formen des Kolbenbodens (B) diese Hohlkehle (H) bildet. Auf diese Weise wird eine deutliche Reduzierung des Gewichts eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens gegenüber konventionell hergestellten Schmiedekolben erzielt.

Description

18. Juli 2006

VERFAHREN, FERTIGUNGSLINIE UND KOLBENROHLING ZUM

HERSTELLEN EINES EINTEILIG AUSGEBILDETEN KOLBENS FÜR

VERBRENNUNGSMOTOREN, SOWIE KOLBEN FÜR VERBRENNUNGSMOTOREN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines einteilig ausgebildeten Kolbens für Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsflache des Kolbens eingeformte Hohlkehle aufweist, durch Schmieden und abschließendes Fertigbearbeiten. Ebenso betrifft die Erfindung eine Fertigungslinie zur Durchführung eines solchen Verfahrens, einen durch Schmieden einteilig hergestellten Kolbenrohling für die Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren und einen entsprechend ausgebildeten fertig bearbeiteten Kolben.

Kolben für Verbrennungsmotoren werden üblicherweise mittels Guss- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Die gießtechnische Erzeugung hat den Vorteil, dass sie die Herstellung komplex geformter Kolben von geringem Gewicht erlaubt. Allerdings muss dazu ein erheblicher Fertigungsaufwand in Kauf genommen werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn als Werkstoff ein Stahlmaterial verwendet werden soll, um Kolben zu fertigen, die für besonders hohe Belastungen geeignet sind.

Geschmiedete Kolben aus Stahl können in Abhängigkeit von ihrer Größe und ihrem Anwendungszweck sowohl einteilig ausgebildet sein als auch aus zwei oder mehreren Teilen bestehen. Bei mehrteiligen, aus zwei oder mehreren Teilen zusammengesetzten Kolben werden die einzelnen Teile üblicherweise durch geeignete Fügeverfahren kraft- und formschlüssig so miteinander verbunden, dass sie den im praktischen Einsatz auf sie wirkenden Kräften standhalten. Zu diesem Zweck eignen sich beispielsweise ein Verschweißen oder ein konventionelles Verschrauben der Einzelteile des Kolbens .

Ein Beispiel für einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor ist aus der DE 102 44 513 Al bekannt. Dieser Kolben weist zum einen ein aus Stahl geschmiedetes Kolbenoberteil auf, in den eine Verbrennungsmulde, eine Ringwand und ein nach Art einer Hohlkehle ausgebildeter Kühlkanal eingeformt sind. Zum anderen besitzt der Kolben ein Kolbenunterteil, das den das Kolbenoberteil tragenden Kolbenschaft des Kolbens bildet und in dem Naben zur Aufnahme eines den Kolben mit einem Pleuel verbindenden Kolbenbolzens ausgebildet sind. Zur Herstellung dieses Kolbens werden das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil in getrennten Arbeitsgängen durch Schmieden vorgeformt und anschließend spanabhebend fertig bearbeitet. Die Fertigbearbeitung des Kolbenoberteils umfasst dabei auch die spanabhebende Bearbeitung der den Kühlkanal begrenzenden Wandabschnitte, über die anschließend eine durch Verschweißen oder Verlöten stoffschlüssige Verbindung zum Kolbenunterteil hergestellt wird.

Ein derartiger mehrteiliger Aufbau ermöglicht zwar eine komplexe Formgebung eines Kolbens. Abgesehen von den sich aus der Mehrteiligkeit hinsichtlich der Belastbarkeit ergebenden Problemen ist der damit verbundene Fertigungsaufwand jedoch erheblich. Bei der schmiedetechnischen Herstellung von aus einem Stück bestehenden einteiligen Kolben für Verbrennungsmotoren wird üblicherweise zunächst ein Kolbenrohling erzeugt, der dann durch eine spanabhebende Bearbeitung fertig bearbeitet wird. Sämtliche in die Umfangsflache des Kolbens einzuformende Vertiefungen, wie zur Gewichtsersparnis, zur Verbesserung des Verformungsverhaltens oder als Kühlkanäle dienende Hohlkehlen, werden dabei üblicherweise erst durch die spanabhebenden Verfahren erzeugt.

Ein Beispiel für eine derartige Herstellung eines einteiligen Kolbens ist in der DE 100 13 395 Al gegeben. Gemäß dem dort beschriebenen Verfahren wird zunächst ein Kolbenrohling geschmiedet, indem in einen bolzenartigen Schmiederohling, einen so genannten Knüppel, ausgehend von dessen einer Stirnseite eine Ausnehmung eingeformt wird, deren Außenwand den Kolbenschaft des Kolbenrohlings bildet. Anschließend wird in die Kolbenschaftwand eine Ausnehmung eingestochen. Dazu wird ein Fräser oder Drehmeißel aus seitlicher Richtung von außen an die Umfangsflache des Kolbenrohlings angesetzt.

Trotz der durch die einteilige Formgebung gegenüber einer mehrteiligen Ausführung erzielten Vorteile weisen auf bekannte Weise hergestellte einteilige Kolben den Nachteil auf, dass sie in der Regel schwerer als vergleichbare gießtechnisch hergestellte Kolben sind. Darüber hinaus ist der fertigungstechnische Aufwand bei der spanabhebenden Bearbeitung hoch, da im Bereich des am Umfangsrand des Kolbenbodens ausgebildeten Feuerstegs und des Kolbenschafts große Materialmengen zerspant werden müssen, um die geforderte Fertigform zu erzeugen. Dieser hohe Fertigungsaufwand führt zu hohen Herstellungskosten. Ausgehend von dem voranstehend zusammengefassten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Fertigungslinie zu schaffen, die eine kostengünstige Herstellung von einteiligen Kolben unter Anwendung von Schmiedverfahren erlauben. Darüber hinaus sollten ein kostengünstig herstellbarer einteiliger geschmiedeter Kolbenrohling und ein ebenso kostengünstig herstellbarer, fertig bearbeiteter Kolben angegeben werden.

In Bezug auf das Verfahren zum Herstellen eines einteilig ausgebildeten Kolbens für Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsflache des Kolbens eingeformte Hohlkehle aufweist, durch Schmieden und abschließendes Fertigbearbeiten ist diese Aufgabe dadurch gelöst worden, dass das Schmieden erfindungsgemäß folgende Arbeitsschritte umfasst:

- Mittels eines Stempels wird unter Anwendung des Prinzips des Rückwärtsfließpressens in einen Schmiederohling ausgehend von dessen einer Stirnseite eine Ausnehmung eingeformt, deren durch einen Materialfluss entgegen der Wirkrichtung des Stempels geformte Außenwand den Kolbenschaft bildet.

- Anschließend wirkt ein die Hohlkehle abbildendes Schmiedewerkzeug auf die mit der Hohlkehle zu versehende Umfangsflache des Schmiederohlings.

- Ausgehend von der anderen Stirnseite des Schmiederohlings wird durch eine Stauchoperation unter Aufrechterhaltung der Wirkung des die Hohlkehle abbildenden Schmiedewerkzeugs der Kolbenboden geformt. In entsprechender Weise ist die oben genannte Aufgabe in Bezug auf eine Fertigungslinie zum Herstellen eines einteilig ausgebildeten Kolbens für Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsflache des Kolbens eingeformte Hohlkehle aufweist, dadurch gelöst worden, dass eine solche Fertigungslinie erfindungsgemäß

- eine zum Einformen einer Ausnehmung in die Stirnseite eines Schmiederohlings vorgesehene Schmiedeeinrichtung, die einen Stempel aufweist, der ein zentral angeordnetes, bei einem Schmiedehub in den Schmiederohling eindringendes Stempelteil besitzt, der von einem Ringspalt umgeben ist, so dass das Material des Schmiedrohlings bei einem Schmiedehub nach dem Prinzip des Rückwärtsfließpressens entgegen der Hubrichtung des Stempels in den Ringspalt eindringt, und

- eine weitere Schmiedeeinrichtung aufweist, die eine Aufnahme für den in der ersten Schmiedeeinrichtung geformten Schmiederohling, ein eine Hohlkehle ausbildendes Schmiedewerkzeug, eine Stelleinrichtung zum Ansetzen des die Hohlkehle ausbildenden Schmiedwerkzeugs an eine Umfangsflache des von der Aufnahme gehaltenen Schmiederohlings, sowie einen Stempel zum Ausbilden des Kolbenbodens durch Stauchen des Schmiederohlings ausgehend von dessen der Ausnehmung gegenüberliegenden Stirnseite umfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäß ausgestattete Fertigungslinie erlauben die Herstellung von endabmessungsnahen Kolbenrohlingen, die im Zuge der abschließenden Fertigbearbeitung nur noch in geringem Maße spanabhebend bearbeitet werden müssen. Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass der Kolbenschaft des Kolbenrohlings durch Rückwärtsfließpressen erzeugt wird. Bei diesem Umformverfahren fließt das Material des Schmiederohlings entgegen der Hubrichtung des zur Umformung eingesetzten Schmiedestempels in einen geeignet ausgebildeten Spalt, so dass eine besonders große Formtreue erzielt wird.

Zum anderen wird erfindungsgemäß schon am Kolbenrohteil durch eine Umformoperation eine Hohlkehle erzeugt. Zu diesem Zweck ist ein besonderes Schmiedewerkzeug vorgesehen, das nach der Erzeugung des Kolbenschafts auf den Kolbenrohling in einer Weise einwirkt, dass sich spätestens beim anschließenden Formen des Kolbenbodens diese Hohlkehle bildet. Das erfindungsgemäße, bereits im Zuge des Schmiedens erfolgende Einformen der Hohlkehle ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Gewichts eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens gegenüber konventionell hergestellten Schmiedekolben, da der jeweils vorhandene Schmiederohling das im Bereich der Hohlkehle vorhandene Volumen nicht mehr umfassen muss. Darüber hinaus ist der Aufwand für die Herstellung der Hohlkehle auf ein Minimum reduziert, da im Zuge der spanenden Fertigbearbeitung im Bereich der Hohlkehle allenfalls nur noch minimale Materialmengen abgetragen werden müssen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das die Hohlkehle abbildende Schmiedewerkzeug derart eingesetzt werden, dass es die Hohlkehle durch aktive Materialverdrängung in den Schmiederohling einformt. Zu diesem Zweck kann das betreffende Schmiedewerkzeug die Hohlkehle durch eine entsprechende Umformoperation direkt in die Umfangsflache des Schmiederohlings einformen, bevor der Kolbenboden erzeugt wird. Während der Formgebung des Kolbenbodens verbleibt das die Hohlkehle erzeugende Werkzeug dann in seiner formgebenden Position, so dass die Form der Hohlkehle auch während der für die Erzeugung des Kolbenbodens durchgeführten Umformoperation erhalten bleibt.

Eine fertigungstechnisch besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die es zusätzlich erlaubt, Kolbenrohlinge zu schmieden, deren Abmessungen nur noch minimal von der fertigen Endform des herzustellenden Kolbens abweichen, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiederohling nach der Erzeugung des Kolbenschafts und vor dem Einwirken des die Hohlkehle abbildenden Schmiedewerkzeugs im Bereich des Kolbenschafts einen größeren Durchmesser aufweist als in seinem bis dahin noch unverformten Abschnitt, so dass das die Hohlkehle abbildende Schmiedewerkzeug in den Bereich des Übergangs zwischen dem Kolbenschaft und dem bis dahin unverformten Abschnitt des Schmiederohlings angesetzt werden kann, ohne dabei größere Umformkräfte auf den Schmiederohling aufbringen zu müssen. Bei der nachfolgend zur Herstellung des Kolbenbodens durchgeführten Stauchung schmiegt sich das gestauchte Material des Schmiederohlings an das in seiner zuvor eingenommenen Position gehaltene Schmiedewerkzeug an, so dass am fertig geschmiedeten Kolbenrohling eine den Abmessungen des Werkzeugs besonders exakt entsprechende Hohlkehle abgebildet wird.

Sind bei der Formung des Kolbenschafts große Umformgrade zu bewältigen, so hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das Einformen der Ausnehmung des Kolbenschafts in mindestens zwei Stufen erfolgt. Zu diesem Zweck kann die Ausnehmung beispielsweise in einer Vorstufe vorgeformt und daran anschließend unter Ausbildung des Kolbenschafts durch Anwendung des Rückwärtsfließpressens fertig geformt werden. Dementsprechend kann es zweckmäßig sein, bei einer erfindungsgemäßen Fertigungslinie der Schmiedeeinrichtung zum Einformen der Ausnehmung in den Schmiederohling eine Schmiedeeinrichtung zum Vorformen der Ausnehmung vorzuschalten.

Ein erfindungsgemäß geschmiedeter und einteilig ausgebildeter Kolbenrohling für die Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, der mit einem Kolbenschaft, einem vom Kolbenschaft getragenen Kolbenboden sowie mindestens einer seitlich in eine Umfangsflache des Kolbenrohlings eingeformten Hohlkehle versehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkehle um eine Bearbeitungszugabe von maximal 4 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling herzustellenden Kolbens abweicht. Bei einem derart geformten Kolbenrohling ist der Aufwand für die spanende Fertigbearbeitung auf ein Minimum reduziert. Abhängig von den jeweils geforderten Fertigungsgenauigkeiten kann im Bereich der Hohlkehle sogar ganz auf die spanabhebende Nachbearbeitung verzichtet werden. Bevorzugt wird dabei die Endabmessungsnähe des erfindungsgemäß beschaffenen Kolbenrohlings nicht nur auf den Bereich der Hohlkehle beschränkt. Vielmehr ist es günstig, wenn auch sein Durchmesser im Bereich des Kolbenschafts nur um eine Bearbeitungszugabe von höchstens 3 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling herzustellenden Kolbens abweicht. In gleicher Weise vorteilhaft ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Kolbenrohling der Kolbenboden um eine Bearbeitungszugabe von höchstens 4 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling herzustellenden Kolbens abweicht.

Erfindungsgemäße Kolben für Verbrennungsmotoren, die aus einem durch Schmieden einteilig hergestellten Kolbenrohling hergestellt sind und einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsflache des Kolbens eingeformte Hohlkehle aufweisen, sind dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverlauf des Gefüges an der Oberfläche der Hohlkehle dem Faserverlauf entspricht, den der Schmiederohling vor der Fertigbearbeitung in einem Abstand von höchstens 3 mm von der Oberfläche seiner Hohlkehle aufweist. Aufgrund der großen Nähe der Abmessungen eines erfindungsgemäß beschaffenen und hergestellten Kolbenrohlings zu den Fertigmaßen des aus ihm herzustellenden Kolbens muss bei der

Fertigbearbeitung insbesondere im Bereich der Hohlkehle nur noch eine geringe Materialmenge abgetragen werden. Dementsprechend weist das Gefüge des Kolbens in diesem Bereich einen Faserverlauf auf, bei dem allenfalls die nächst der Oberfläche des Kolbenrohlings liegenden Fasern durch die spanabhebende Bearbeitung angeschnitten oder unterbrochen sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch in einem Längsschnitt : Figuren Ia, Ib eine Schmiedeeinrichtung zum Vorformen eines Schmiederohlings in zwei Betriebssteilungen;

Figuren 2a-2d eine Schmiedeeinrichtung zum Formen des

Kolbenschafts in vier Betriebsstellungen;

Fig. 3 einen Schmiederohling in einem Zwischenschritt der Fertigung;

Figuren 4a-4b eine Schmiedeeinrichtung zum Formen der Hohlkehle und des Kolbenbodens;

Figur 5 einen fertig geschmiedeten Kolbenrohling.

Die in den Figuren Ia, Ib dargestellte Schmiedeeinrichtung Vl zum Vorformen einer Ausnehmung A in einen zylindrischen, aus einem Schmiedestahl bestehenden Schmiederohling S weist eine Matrize 1 auf, in die eine nach oben offene Aufnahme 2 für den Schmiederohling S eingeformt ist. In ihrem unteren Bereich weist die Aufnahme 2 einen Abschnitt 2a auf, in dem der Durchmesser der Aufnahme 2 dem Durchmesser des Schmiederohlings S entspricht. Nach oben hin schließt sich an den Abschnitt 2a ein schalenförmig erweiterter Abschnitt 2b an, so dass der Öffnungsdurchmesser der Aufnahme 2 größer ist als der Durchmesser des Schmiederohling S.

Des Weiteren umfasst die Schmiedeeinrichtung Vl einen Stempel 3, der für einen Schmiedehub aus einer oberhalb der Matrize 1 angeordneten Ruhestellung in Richtung der Matrize 1 bewegt wird. Der Stempel 3 trägt auf seiner der Matrize 1 zugewandten Seite einen konvex vorgewölbten Prägedorn 4, der konzentrisch zur Aufnahme 2 der Matrize 1 angeordnet ist.

Im Boden der Matrize 1 sitzt der Kopf eines Ausstoßers, mit dem der Schmiederohling S nach dem Vorformen der Ausnehmung A aus der Aufnahme 2 der Matrize 1 ausgestoßen wird.

Zum Vorformen der Ausnehmung A wird der auf Schmiedetemperatur erwärmte, durch Abteilen von einem nicht dargestellten Stangenmaterial gewonnene zylindrische Schmiederohling S in die Aufnahme 2 der Matrize 1 gesetzt (Fig. Ia) . Anschließend führt der Stempel 3 einen Schmiedehub aus, bei dem der Prägedorn 4 von dessen dem Stempel 3 zugeordneter Stirnseite in den Schmiederohling S eindringt. Der im oberen erweiterten Abschnitt 2b der Matrize 2 angeordnete Abschnitt des Schmiederohlings S wird dadurch so aufgeweitet, dass seine Umfangsflache an der Innenfläche des Abschnitts 2b anliegt und durch den Prägedorn eine Vorform Av der Ausnehmung A in den Schmiederohling S eingeformt ist (Fig. Ib) .

Die in den Figuren 2a-2d dargestellte Schmiedeeinrichtung V2 zum Fertigschmieden der Ausnehmung A umfasst ebenfalls eine Matrize 5, die eine in einen Halter 6 eingeformte Aufnahme 6a für den in der Vorrichtung Vl vorgeformten Schmiederohling S aufweist. Die Höhe und der Durchmesser der Aufnahme 6a entsprechen der Höhe und dem Durchmesser des unverformten Abschnitts des Schmiederohlings S.

Zusätzlich ist die Schmiedeeinrichtung V2 mit einem Stempel 7 ausgestattet, der auf seiner der Matrize 5 zugeordneten Seite einen konzentrisch zur Öffnung der Aufnahme 6a angeordneten, an seiner Spitze konvex vorgewölbten und im Übrigen zylindrischen Prägedorn 8 trägt. Die Außenform der Spitze des Prägedorns 8 entspricht der Innenform der im Schmiederohling S zu erzeugenden Ausnehmung A.

Der Prägedorn 8 ist umgeben von einem ebenfalls im Stempel 7 gehaltenen, konzentrisch zum Prägedorn 8 ausgerichteten Ring 9, dessen Öffnungsdurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des Prägedorns 8. Gleichzeitig sind der

Öffnungsdurchmesser des Rings 9 und der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des Prägedorns 8 größer als der Durchmesser des unverformten, in der Aufnahme 6a sitzenden Abschnitts des Schmiederohlings S. Auf diese Weise ist zwischen dem Ring und dem Prägedorn 8 ein zur Matrize 5 hin offener Ringspalt 10 gebildet, dessen Durchmesser ebenfalls größer ist als der Durchmesser des unverformten Abschnitts des Schmiederohlings S.

In seinen über den Ringspalt 10 in Richtung der Matrize 6 hinausragenden Abschnitt ist in den Ring 9 ein Absatz 11 eingeformt, so dass der Öffnungsdurchmesser des Rings 9 in diesem Bereich gegenüber seinem Öffnungsdurchmesser im Bereich des Ringspalts 10 noch einmal erweitert ist. Der im Bereich des Absatzes 11 erweiterte Öffnungsdurchmesser des Rings 9 ist an den Außendurchmesser des zylindrisch geformten Halters 6 angepasst, so dass der Ring 9 mit seinem durchmessererweiterten Bereich den Halter 6 seitlich umfasst, wenn der Stempel 7 die Endstellung des Schmiedehubs erreicht hat.

Die Höhe des Ringspalts 10 ist größer als der Schmiedehub H, den der Stempel 7 ausführt. Gleichzeitig sind der Schmiedehub und die Position des Absatzes 11 des Rings 9 so bemessen, dass bei in Endstellung des Schmiedehubs befindlichem Stempel 7 zwischen der der Stirnseite des Halters 6 gegenüber liegenden Absatzfläche des Rings 9 ein Abstand besteht. Auf diese Weise ist im Bereich des Absatzes 11 bei in Endstellung des Schmiedehubs befindlichem Stempel 7 ein ringförmig umlaufender, zum Ringspalt 10 und zum in der Aufnahme 6a des Halters 6 sitzenden Schmiederohling S hin offener Raum 12 gebildet.

Der Raum 12 dient bei der Umformung des Schmiederohlings S zur Aufnahme von überschüssigem Material, das im vorgeformten Bereich des Schmiederohlings S vorhanden ist, um eine sichere Füllung des Ringspalts 10 zu gewährleisten, das jedoch nicht vom Volumen des Ringspalts 10 aufgenommen werden kann. Bei solchen Kolbengestaltungen, bei denen der Ringspalt 10 beim Schmieden des Schmiederohlings S ohne das Vorhandensein von überschüssigem Material sicher mit Material gefüllt wird, kann auf die Ausbildung des Raums 12 und dementsprechend auf die Anformung des Kragens K an den Schmiederohling S verzichtet werden.

Zum Fertigformen der Ausnehmung A wird der in der Vorrichtung Vl vorgeformte Schmiederohling S mit seinem unverformten Teil in die Aufnahme 6a des Halters 6 gesetzt, so dass der bei der Vorformung aufgeweitete Abschnitt des Schmiederohlings S frei über dem Halter 6 steht (Fig. 2a) . Anschließend führt der Stempel 7 einen Schmiedehub aus, bei dem die Spitze des Prägedorns 8 in die Vorform Av der Ausnehmung A einfährt und das Material des vorgeformten Abschnitts des Schmiedrohlings S zunächst seitlich verdrängt, bis es auf die Innenfläche des Rings 9 trifft (Fig. 2b) . Da das Material des Schmiederohlings S nun nicht mehr seitlich ausweichen kann, fließt es dem Prinzip des Rückwärtsfließpressens entsprechend entgegen der Hubrichtung X des Stempels 7 in den Ringspalt 10, bis er vollständig gefüllt ist. Gleichzeitig füllt das Material des Schmiederohlings S den Raum 12 (Fig. 2c) . Auf diese Weise entsteht beim Fertigformen der Ausnehmung A am Schmiederohling S neben der Ausnehmung A selbst ein zylindrischer Kolbenschaft KS, der durch das in den Ringspalt 10 eingedrungene Material gebildet ist und als Außenwand die Ausnehmung A umgibt. Gleichzeitig besitzt der Schmiederohling S nach dem Fertigformen der Ausnehmung A im Bereich des Übergangs vom Kolbenschaft KS zum bis dahin unverformten Teil des Schmiederohlings S einen umlaufenden, im Raum 12 gebildeten Kragen K, der seitlich über den Kolbenschaft KS hinaussteht. Zum Ausstoßen des Schmiederohlings aus der Aufnahme 6a des Halters 6 ist wiederum ein Ausstoßer vorgesehen, dessen Kopf im Boden der Aufnahme 6a sitzt (Fig. 2d) .

Die Schmiedeeinrichtungen Vl und V2 können gemeinsam Teil einer hier weiter nicht dargestellten Schmiedepresse sein.

Nach dem Formen der Ausnehmung A wird der Kragen K in einer hier nicht dargestellten Entgrateinrichtung vom Schmiederohling S abgetrennt. Der danach erhaltene, von dem Kragen K befreite Schmiederohling S ist in Fig. 3 dargestellt. Die Einrichtung zum Abtrennen des Kragens K vom Schmiederohling S kann Teil einer zweiten Schmiedepresse sein, die zusätzlich eine

Schmiedeeinrichtung V3 umfasst, die zum Fertigschmieden des aus dem Schmiederohling S umzuformenden Kolbenrohlings R vorgesehen ist. Die Schmiedeeinrichtung V3 weist einen auf einer Grundplatte 13 montierten Haltedorn 14 auf, dessen Außenform an die Form der in den Schmiederohling S eingeformten Ausnehmung A angepasst ist. Gleichzeitig ist die Höhe des Haltedorns 14 größer als die Höhe des Kolbenschafts KS.

Des Weiteren weist die Schmiedeeinrichtung V3 zwei Schmiedewerkzeuge 15,16 zum Ausbilden einer Hohlkehle H an dem herzustellenden Kolbenrohling R auf. Diese Schmiedewerkzeuge 15,16 sind jeweils halbschalenförmig ausgebildet und mittels jeweils eines Stellantriebs 17,18 aus seitlicher Richtung gegen den Haltedorn 14 bewegbar, so dass sie in ihrer Arbeitsstellung den Umfang des Haltedorns 14 umschließen und den Schmiederohling S auf dem Haltedorn 14 spannen. Die Schmiedewerkzeuge 15,16 tragen auf ihrer dem Haltedorn 14 zugeordneten Innenfläche einen horizontal ausgerichteten, sich über die gesamte Breite bzw. den gesamten Umfang der jeweiligen Innenfläche radial erstreckenden Vorsprung 19. Die Tiefe, über die der Vorsprung 19 jeweils gegenüber der Innenfläche der Schmiedewerkzeuge 15,16 vorsteht, entspricht dabei der Tiefe der Kehle Kue, die beim Vorformen der Ausnehmung A im Bereich der Außenseite des Schmiederohlings S am Übergang von dessen unverformten Abschnitt zu dem verformten Abschnitt ausgebildet ist. Gleichzeitig ist sowohl die Form des freien Endes des Vorsprungs 19 als auch seine Höhe über der Grundplatte 13 so bemessen, dass bei mit der Ausnehmung A auf dem Haltedorn 14 aufgesetztem Schmiederohling S und in Betriebsstellung befindlichen Schmiedewerkzeugen 15,16 deren Vorsprünge 19 bündig an der Kehle Kue anliegen. Die Querschnittsform des Vorsprungs 19 entspricht dabei der Querschnittsform der in den Kolbenrohling R einzuformenden Hohlkehle H. Durch einen jeweils am Fuß der Schmiedewerkzeuge 15,16 in Richtung des Haltedorns 14 vorstehenden Absatz 20 sind die Innenflächen und die Vorsprünge 19 der Schmiedewerkzeuge 15,16 in Betriebsstellung in einem Abstand zum Haltedorn 14 gehalten, der dem jeweiligen Soll-Außendurchmesser des Kolbenschafts KS und des Kolbenbodens B entspricht. Gleichzeitig ist die Höhe des Absatzes 20 über der Grundplatte 13 so bemessen, dass die zwischen dem Absatz 20 und dem Vorsprung 19 vorhandene Höhe der Soll-Höhe des Kolbenschafts KS entspricht.

Für das Stauchen des Schmiederohlings S umfasst die Vorrichtung V3 schließlich einen Stempel 22, der von einem Joch 23 getragen wird und konzentrisch zum Haltedorn 14 ausgerichtet ist. Auf seiner dem Haltedorn 14 zugeordneten Stirnseite trägt der Stempel 22 Erhebungen, durch die die Form der in den Kolbenboden B einzuformenden Brennraummulden M bestimmt wird.

Zum Fertigschmieden des Kolbenrohlings R wird der Schmiederohling S bei vom Haltedorn 14 entfernt positionierten Schmiedewerkzeugen 15,16 und in Ruhestellung befindlichem Stempel 22 mit seiner Ausnehmung A auf den Haltedorn 14 gesetzt, so dass der unverformte Teil des Schmiederohlings S frei in Richtung des Stempels 22 zeigt. Anschließend werden die Schmiedewerkzeuge 15,16 in ihre Arbeitsstellung bewegt, in der sie gegen den auf dem Haltedorn 14 befindlichen Schmiederohling S gedrückt werden, so dass der fertig geformte Kolbenschaft KS in definierter Position gehalten ist und die Vorsprünge 19 bündig in der Kehle Kue am Übergang zum unverformten Teil des Schmiederohlings S sitzen (Fig. 4a) . Daraufhin führt das Joch 23 mit dem Stempel 22 einen Schmiedehub aus, durch den der bis dahin unverformte Teil des Schmiederohlings S unter Ausbildung des Kolbenbodens B des Kolbenrohlings R in Richtung des Haltedorns 14 gestaucht wird. Dabei legt sich das nun gestauchte Material des bis dahin unverformten Teils des Schmiederohlings S an die Vorsprünge 19 an, so dass im Bereich des Übergangs vom Kolbenschaft KS zum Kolbenboden B die Hohlkehle H maßgenau abgebildet wird (Fig. 4b) .

Nach Beendigung des Schmiedehubs werden der Stempel 22 und die Schmiedewerkzeuge 15,16 zurück in ihre Ruhestellung bewegt, so dass der fertig geschmiedete Kolbenrohling R (Fig. 5) aus der Vorrichtung V3 entnommen werden kann.

Die Abmessungen des fertig geschmiedeten Kolbenrohlings R weichen im Bereich des Kehlengrundes der Hohlkehle H um eine Bearbeitungszugabe Zl von nur 3 mm, im Bereich des Übergangs von der Hohlkehle H zu den angrenzenden Umfangsflächen des Kolbenbodens B bzw. des Kolbenschafts KS um eine Bearbeitungszugabe Z2 von nur 2 mm, im Bereich der Umfangsflächen des Kolbenschafts KS um eine Bearbeitungszugabe Z3 von ebenfalls nur 2 mm, im Bereich der Stirnfläche des Kolbenbodens B um eine Bearbeitungszugabe Z3 von ebenfalls nur 2 mm und im Bereich der Umfangsflache des Kolbenbodens B um eine Bearbeitungszugabe Z3 von wiederum nur 3 mm von den Endmaßen des aus dem Kolbenrohling R fertig herzustellenden, hier nicht dargestellten Kolbens ab. Die abschließende spanabhebende Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings R erfolgt in an sich bekannter Weise mit konventionellen Bearbeitungseinrichtungen . Die Vorrichtungen Vl, V2 und V3 sowie die für die spanende Fertigbearbeitung erforderlichen Einrichtungen sind Teil einer weiter nicht dargestellten Fertigungslinie, in der aus den Schmiederohlingen S fertig bearbeitete Kolben hergestellt werden. Dazu kann die Fertigungslinie neben den hier vorgestellten Schmiedeeinrichtungen Vl, V2 und V3 und den bereits erwähnten Einrichtungen zur spanabhebenden Fertigbearbeitung jeweils erforderlichenfalls Vorrichtungen zur Wärmebehandlung und Säuberung umfassen.

Indem erfindungsgemäß das Schmieden des Schmiederohlings S bei der Einformung der Ausnehmung A in der Schmiedeeinrichtung Vl so durchgeführt wird, dass die Kehle Kue im Bereich des Übergangs zwischen dem bis zum Ende der Bearbeitung in der Vorrichtung Vl unverformten Bereich und dem Kolbenschaft KS des Schmiederohlings S die Kehle Kue gebildet wird, kann anschließend gleichzeitig mit dem Formen des Kolbenbodens B die Hohlkehle H geformt werden. Neben den Vorteilen einer hohen Endabmessungsnähe und Formtreue kann auf diese Weise gegenüber der konventionellen Weise der Herstellung mindestens ein Arbeitsgang eingespart werden, der bisher erforderlich war, um die Hohlkehle in den Kolbenrohling einzuformen. Im Ergebnis ermöglicht die Erfindung so eine erhöhte Produktivität durch Verkürzung der Taktzeiten bei geringeren Temperaturverlusten der Schmiedeteile. BEZUGSZEICHEN

Vl Schmiedeeinrichtung

1 Matrize

2 Aufnahme

2a unterer Abschnitt der Aufnahme 2

2b schalenförmig erweiterter Abschnitt der Aufnahme 2

3 Stempel

4 Prägedorn

V2 Schmiedeeinrichtung

5 Matrize

6 Halter

6a Aufnahme des Halters 6

7 Stempel

8 Prägedorn

9 Ring

10 Ringspalt

11 Absatz

12 Raum

X Hubrichtung des Stempels 7

V3 Schmiedeeinrichtung

13 Grundplatte

14 Haltedorn

15,16 Schmiedewerkzeuge 17,18 Stellantriebe

19 Vorsprung

20 Absatz

22 Stempel

23 Joch

A Ausnehmung

Av Vorform der Ausnehmung A

H Hohlkehle

K Kragen

Kue Kehle am Übergang zwischen dem unverformten und verformten Teil des Schmiederohlings S nach der

Herstellung der Ausnehmung A

KS Kolbenschaft

M Brennraummulden

R Kolbenrohling

S Schmiederohling

Claims

18. Juli 2006P A T E N T AN S P R Ü C H E

1. Verfahren zum Herstellen eines einteilig ausgebildeten Kolbens für Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft (KS) , einen vom Kolbenschaft (KS) getragenen Kolbenboden (B) sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsflache des Kolbens eingeformte Hohlkehle (H) aufweist, durch Schmieden und abschließendes Fertigbearbeiten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Schmieden folgende Arbeitsschritte umfasst:

- Mittels eines Stempels (7) wird unter Anwendung des Prinzips des Rückwärtsfließpressens in einen Schmiederohling (S) ausgehend von dessen einer Stirnseite eine Ausnehmung (A) eingeformt, deren durch einen Materialfluss entgegen der Wirkrichtung des Stempels (7) geformte Außenwand den Kolbenschaft (KS) bildet.

- Anschließend wirkt ein die Hohlkehle (H) abbildendes Schmiedewerkzeug (15,16) auf die mit der Hohlkehle (H) zu versehende Umfangsflache des Schmiederohlings (S) .

- Ausgehend von der anderen Stirnseite des Schmiederohlings (S) wird durch eine

Stauchoperation unter Aufrechterhaltung der Wirkung des die Hohlkehle (H) abbildenden Schmiedewerkzeugs (15,16) der Kolbenboden (B) geformt.

2. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das die Hohlkehle (H) abbildende Schmiedewerkzeug (15,16) die Hohlkehle (H) durch Materialverdrängung in den Schmiederohling (S) einformt.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Schmiederohling (S) nach der Erzeugung des Kolbenschafts (KS) und vor dem Einwirken des die Hohlkehle (H) abbildenden Schmiedewerkzeugs (15,16) im Bereich des Kolbenschafts (KS) einen größeren Durchmesser aufweist als in seinem bis dahin noch unverformten Abschnitt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das die Hohlkehle (H) abbildende Schmiedewerkzeug (15,16) in den Bereich des Übergangs zwischen dem Kolbenschaft (KS) und dem bis dahin unverformten Abschnitt des Schmiederohlings angesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Einformen der Ausnehmung (A) in mindestens zwei Stufen erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Ausnehmung (A) in einer ersten Vorstufe vorgeformt und daran anschließend unter Ausbildung des Kolbenschafts (KS) durch Anwendung des Rückwärtsfließpressens fertig geformt wird.

Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s ein an dem Schmiederohling (S) im Zuge der Einformung der Ausnehmung (A) gebildeter Kragen (K) vor dem Fertigschmieden des Kolbenrohlings (R) abgetrennt wird.

8. Fertigungslinie zum Herstellen eines einteilig ausgebildeten Kolbens für Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft (KS) , einen vom Kolbenschaft (KS) getragenen Kolbenboden (B) sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsflache des Kolbens eingeformte Hohlkehle (H) aufweist,

- mit einer zum Einformen einer Ausnehmung (A) in die Stirnseite eines Schmiederohlings (S) vorgesehenen Schmiedeeinrichtung (V2), die einen Stempel (7) aufweist, der ein zentral angeordnetes, bei einem Schmiedehub in den Schmiederohling (S) eindringendes Stempelteil (8) besitzt, der von einem Ringspalt (10) umgeben ist, so dass das Material des Schmiederohlings (S) bei einem Schmiedehub nach dem Prinzip des

Rückwärtsfließpressens entgegen der Hubrichtung des Stempels (7) in den Ringspalt (10) eindringt, und

- mit einer weiteren Schmiedeeinrichtung (V3) , die eine Aufnahme (14) für den in der ersten Schmiedeeinrichtung (V2) geformten Schmiederohling (S) , ein eine Hohlkehle (H) ausbildendes Schmiedewerkzeug (15,16), eine Stelleinrichtung (17,18) zum Ansetzen des die Hohlkehle (H) ausbildenden Schmiedwerkzeugs (15,16) an eine Umfangsfläche des von der Aufnahme (14) gehaltenen Schmiederohlings (S), sowie einen Stempel (22) zum Ausbilden des Kolbenbodens (B) durch Stauchen des Schmiederohlings (S) ausgehend von dessen der Ausnehmung (A) gegenüberliegenden Stirnseite umfasst .

9. Fertigungslinie nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Schmiedeeinrichtung (V2) zum Einformen der Ausnehmung (A) in den Schmiederohling (S) eine

Schmiedeeinrichtung (Vl) zum Vorformen der Ausnehmung (A) vorgeschaltet ist.

10. Fertigungslinie nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s sie eine Einrichtung zum Abtrennen eines an den Schmiederohling

(S) in der ersten Schmiedeeinrichtung (Vl) angeformten Kragens (K) umfasst.

11. Geschmiedeter und einteilig ausgebildeter Kolbenrohling (R) für die Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, mit einem Kolbenschaft (KS) , einem vom Kolbenschaft (KS) getragenen Kolbenboden (B) sowie mindestens einer seitlich in eine Umfangsflache des Kolbenrohlings (R) eingeformten Hohlkehle (H) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Hohlkehle (H) um eine Bearbeitungszugabe von maximal 4 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling (R) herzustellenden Kolbens abweicht.

12. Kolbenrohling nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s sein Durchmesser im Bereich des Kolbenschafts (KS) um eine Bearbeitungszugabe von maximal 3 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling (R) herzustellenden Kolbens abweicht.

13. Kolbenrohling nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Kolbenboden (B) um eine Bearbeitungszugabe von maximal 4 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling (R) herzustellenden Kolbens abweicht.

14. Kolben für Verbrennungsmotoren, hergestellt aus einem durch Schmieden einteilig hergestellten Kolbenrohling (R) , mit einem Kolbenschaft, einem vom Kolbenschaft getragenen Kolbenboden sowie mindestens einer seitlich in eine Umfangsflache des Kolbens eingeformten Hohlkehle, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Faserverlauf des Gefüges an der Oberfläche der Hohlkehle dem Faserverlauf entspricht, den der Schmiederohling vor der Fertigbearbeitung in einem Abstand von höchstens 3 mm von der Oberfläche seiner Hohlkehle aufweist.