WO2008089803A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbens für eine brennkraftmaschine mit einem kühlkanal, realisiert durch fügen des kolbenoberteiles und des kolbenunterteiles mit hilfe einer schmiede-stauchverbindung - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines kolbens für eine brennkraftmaschine mit einem kühlkanal, realisiert durch fügen des kolbenoberteiles und des kolbenunterteiles mit hilfe einer schmiede-stauchverbindung Download PDFInfo
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- F02F2200/04—Forging of engine parts
Definitions
- the invention relates to a method for producing a piston of an internal combustion engine, comprising an upper part with at least one arranged behind a ring field recess, wherein the upper part is connectable to a at least one piston shaft and bolt holes having lower part, according to the features of the preamble of claim 1.
- pistons are produced by making an upper part and a lower part separately from each other and then joining them together.
- joint connections have been made with a cloth or traction, e.g. by welding or screws for connecting the upper part with the lower part used.
- These joining compounds such as e.g. Welding or screwdriving have proven themselves in practice, but care must always be taken that the joint areas remain accessible for welding or screwing. This means just in a welding process, that areas of the piston, such as. circumferential and externally accessible recesses, always have to remain open, so that can be welded at all.
- the invention is therefore based on the object to provide a method for producing a piston, in particular a cooling channel piston, an internal combustion engine, with which the disadvantages described above are avoided.
- a method for producing a piston in particular a cooling channel piston, an internal combustion engine, with which the disadvantages described above are avoided.
- the upper part has a receiving region and the lower part has a deformation region (or vice versa), wherein the deformation region is introduced into the receiving region under the action of force and deformed in such a way that the lower part is immovably attached to the upper part.
- the upper part is connected to the lower part, for example by means of a forged compression connection. Due to the matched shape of the upper part with its receiving area (or its deformation area) and the lower part with its deformation area (or receiving area), these two parts are connected to each other under force, without the need for further parts or requires substantial reworking. That is, with the method according to the invention welding or screwing operations are avoided. After bringing together the two parts of the piston and the implementation and termination of the deformation process, the two parts are immovably connected to each other and the resulting piston only has to be subjected only to a known fine machining.
- the receiving region has an undercut, wherein the deformation region deforms under the action of force and adapts to the undercut due to its deformation.
- the deformation region also has an undercut, wherein the receiving region deforms under the action of force and adapts to the undercut as a result of its deformation.
- the upper part may consist of a high-strength steel (since it faces the combustion pressures and combustion temperatures in the cylinder of the internal combustion engine), while the lower part consists of a low-alloyed steel which has very good cold forming properties.
- the upper part and the lower part are produced in a forging process, whereas other production methods (such as casting) and any combinations are conceivable.
- the method according to the invention therefore offers the possibility that different identical or different materials can be combined with one another on the basis of the free choice of materials (all formable materials).
- materials all formable materials
- microalloyed steels can be combined with tempered steels or low-alloyed steels.
- material combinations for the upper part and the lower part which are not weldable such as steel upper part and aluminum lower part.
- the inventive method for producing a cooling channel piston is applicable, since the radially surrounding and arranged behind the ring field recess is automatically closed by the bringing together of the upper part and lower part and thereby carried out deformation process with a corresponding design of upper part and lower part, without further measures (such as covering the recess with a ring) are required.
- Pistons in particular cooling channel pistons, which have been produced by the process according to the invention are shown in different figures in the figures, the various variants and their preparation being explained below, without the invention being restricted thereto.
- FIGS. 1 to 4 a first variant of a cooling channel piston
- FIGS. 4 to 6 a second variant of a cooling channel piston
- FIG. 7 to 9 A third variant of a cooling channel piston.
- FIGS. 1 to 3 show a first variant of a cooling channel piston and its manufacture.
- FIG. 1 shows the components of a piston after an upper part 10 which has a ring field 11 and a recess 12 arranged behind it as well as a combustion bowl 13 and a lower part 20 have been produced separately from one another.
- the lower part 20 has in known manner a piston shaft 21 and pin holes 22 for receiving a bolt.
- the upper part 10 has a downwardly facing end face 14, wherein 15 denotes a lower edge of the ring field 11.
- a pin 16 as a deformation region, which projects centrally below the combustion chamber trough 13 in the direction of the lower part 20 to be attached later.
- This pin 16 is thus the deformation region V of the upper part, whereas the lower part 20 has a contact region 23 (for the end face 14) with a front face 24 on its side.
- the contact area 23 has an unspecified opening for receiving the pin 16, wherein this opening is the receiving area A of the lower part 20.
- a projection 25 is designated, which is arranged and designed so that it protrudes slightly after the bringing together of the upper part 10 and the lower part 20 in the recess 12.
- 26 denotes a shoulder of the lower part 20, which corresponds to the lower edge 15 of the ring field.
- Figure 2 shows that with the aid of a movable tool W from below on the pin 16, a deformation force in the direction of the piston stroke axis is applied, so that initially the end faces 14, 24 come to rest.
- the recess 12 effectively closed and it may, but not necessarily, a gap S between the lower edge 15 and the shoulder 26 remain.
- a tool for holding, ie for the bearing fixation of the upper part 10 during the deformation process, is of course available, but not shown here.
- FIGS 4 to 7 show a further structural design of a cooling channel piston and its production.
- the upper part 30 has the usual construction, in particular a radially circumferential recess 31, the z. B. can be produced by a turning process.
- this upper part 30 of the receiving area A is formed by an undercut, which is realized by a first lower end face 32, an inwardly directed web (circulating) 33, a circumferential recess 34 and a second downwardly reported end face 35.
- the lower part 40 again has an upwardly directed projection (radially encircling) 41 for the closure of the recess 31.
- the deformation region V of this lower part 40 is realized by a first upwardly directed end face 42, a second upwardly directed end face 43 and a pin 44, which is also directed upward and is cylindrical in shape.
- the upwardly directed end face of this pin 44 has, for the purpose of better deformability, an indentation pointing inwards in the direction of the piston stroke axis (dot-dashed lines).
- this geometry of the end face of the pin 44 may also be designed differently.
- FIG. 5 shows that the pin 44 has been introduced into the receiving area A of the upper part 30 so far that the upper circumferential edge of the first upper end face 42 of the pin 44 comes into abutment against the downwardly directed end face 32 of the upper part 30.
- Figure 6 wherein it can be seen that the originally cylindrical pin 44 has passed into a deformed pin 44 ' due to the massive forming and has adapted to the shape of the circumferential recess 34 and this completely fills.
- FIGS. 7 to 9 A third but not conclusive variant is shown in FIGS. 7 to 9, in which again the design and the production method of a cooling channel piston are shown.
- An upper part 50 again has a recess 51, wherein the receiving portion A of the upper part 50 is formed by a first downwardly directed end face 52, a projection 53 (radially encircling), a second downwardly directed end face 54, wherein the projection 53 at its downwardly facing end has a slope 55.
- a corresponding lower part 60 again has a projection 61 for closing the recess 51.
- the deformation region of this lower part 60 is formed by a first upwardly directed end face 62, a second upwardly directed end face 63, and a pin 64, wherein the pin 64 has a circumferential projection 65 and a circumferential recess 66 arranged underneath and recessed.
- a slope 67 is also introduced, wherein the two bevels 55, 67 correspond with each other and facilitate the subsequent forming process.
- the pin 64 With further application of force (see Figure 9), the pin 64 is deformed such that it comes with its second upwardly facing end face 63 to the plant to the first downwardly directed end face 52 and the hitherto existing gap disappears.
- the corresponding bevels 55, 67 it is possible that the projection 53 moves in the direction of the circumferential recess 66 and completely fills this recess after completion of the massive forming.
- the pin 64 has been deformed such that it not only clawed with the projection 53, but the projection 53 in turn has been reshaped so that it digs into the circumferential projection 65 of the lower part 60.
- the invention thus provides a manufacturing method for a piston and a piston produced thereafter, in which the upper part and the lower part of the piston by forming, in particular a cold or hot massive forming, are connected to each other, without any welding or screwing the two parts must be performed.
- the pointing in the direction of the lower part geometry of the upper part and also in the direction of the upper part facing geometry of the lower part is designed so that when existing radially circumferential recess in the upper part of a cooling channel is realized in a particularly advantageous manner.
- a cooling channel piston is produced with the advantages described above in a particularly advantageous manner by means of the method according to the invention.
- the upper part has a recess.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil (10, 30, 50) mit wenigstens einer hinter einem Ringfeld (11) angeordneten Ausnehmung (12, 31, 51), wobei das Oberteil (10, 30, 50) mit einem zumindest einen Kolbenschaft (21) und Bolzenbohrungen (22) aufweisenden Unterteil (20, 40, 60) verbindbar ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Oberteil (10, 30, 50) einen Aufnahmebereich (A) und das Unterteil (20, 40, 60) einen Verformungsbereich (V) aufweist (oder umgekehrt), wobei der Verformungsbereich (V) unter Krafteinwirkung in den Aufnahmebereich (A) eingeführt und derart verformt wird, dass das Unterteil (20, 40, 60) an dem Oberteil (10, 30, 50) unverrückbar befestigt wird.
Description
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlkanal, realisiert durch Fügen des Kolbenoberteiles und des
Kolbenunterteiles mit Hilfe einer Schmiede-Stauchverbindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil mit wenigstens einer hinter einem Ringfeld angeordneten Ausnehmung, wobei das Oberteil mit einem zumindest einem Kolbenschaft und Bolzenbohrungen aufweisenden Unterteil verbindbar ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Es ist grundsätzlich bekannt, dass Kolben dadurch hergestellt werden, dass ein Oberteil und ein Unterteil separat voneinander hergestellt und anschließend zusammengefügt werden. Bisher wurden solche Fügeverbindungen mit einem Stoffoder Kraftschluss, z.B. durch Schweißen oder Schrauben zur Verbindung des Oberteiles mit dem Unterteil eingesetzt. Diese Fügeverbindungen, wie z.B. Schweißen oder Schrauben, haben sich in der Praxis zwar bewährt, jedoch ist immer darauf zu achten, dass die Fügebereiche für das Schweißen oder Schrauben zugänglich bleiben. Das bedeutet gerade bei einem Schweißvorgang, dass Bereiche des Kolbens, wie z.B. umlaufende und von außen zugängliche Ausnehmungen, immer offen bleiben müssen, damit überhaupt geschweißt werden kann. Kommt für ein Schweißverfahren beispielsweise ein Reibschweißverfahren in Betracht, ist es von Nachteil, dass bei diesem Reibschweißvorgang Wülste entstehen, die überarbeitet und entfernt werden müssen. Bei einem Schraubvorgang, mit dem das Unterteil und das Oberteil miteinander verbunden wird, sind aufwändige Vorbereitungsmaßnahmen (z.B. Gewindeschneiden) erforderlich. Außerdem ist die Teilezahl höher und der Montagevorgang aufwändiger.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, insbesondere eines Kühlkanalkolbens, einer Brennkraftmaschine bereit zu stellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.
Insbesondere soll mit dem Verfahren nicht nur die Teilezahl verringert werden, sondern auch eine anschließende Bearbeitung nach dem Verbinden des Oberteiles mit dem Unterteil weitestgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Oberteil einen Aufnahmebereich und das Unterteil einen Verformungsbereich aufweist (oder umgekehrt), wobei der Verformungsbereich unter Krafteinwirkung in den Aufnahmebereich eingeführt und derart verformt wird, dass das Unterteil an dem Oberteil unverrückbar befestigt wird. Das bedeutet, dass das Oberteil beispielsweise mit Hilfe einer Schmiede- Stauchverbindung mit dem Unterteil verbunden wird. Durch die zueinander angepasste Formgebung des Oberteiles mit seinem Aufnahmebereich (oder seinem Verformungsbereich) und dem Unterteil mit seinem Verformungsbereich (oder Aufnahmebereich), werden diese beiden Teile unter Krafteinwirkung miteinander verbunden, ohne dass es weiterer Teile bedarf oder einer wesentlichen Nachbearbeitung bedarf. Das heißt, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Schweiß- oder Schraubvorgänge vermieden. Nach dem Zusammenbringen der beiden Teile des Kolbens und der Durchführung und Beendigung des Verformungsvorganges sind die beiden Teile unverrückbar miteinander verbunden und der dadurch entstandene Kolben muss lediglich nur noch einer an sich bekannten Feinbearbeitung unterzogen werden.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Aufnahmebereich einen Hinterschnitt auf, wobei sich der Verformungsbereich unter Krafteinwirkung verformt und durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst. Alternativ oder ergänzend dazu ist vorgesehen, dass auch der Verformungsbereich einen Hinterschnitt aufweist, wobei sich der Aufnahmebereich unter Krafteinwirkung verformt und durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst. Das bedeutet, dass das Verbinden (Fügen) der beiden Kolbenteile (Oberteil und Unterteil) durch einen Formschluss mit Hilfe von Krafteinwirkung erfolgt. Diese Krafteinwirkung ist ein massiver Umformvorgang, der kalt oder warm erfolgen kann. Das bedeutet, dass für den Verformungsvorgang das
Oberteil und/oder das Unterteil des Kolbens erwärmt wird. Dies hat neben der leichteren Verformbarkeit und damit einer geringeren Krafteinwirkung auch den Vorteil, dass ein Oberteil und/oder ein Unterteil aus einem Werkstoff verformt werden können, die unterschiedlich sind. So kann beispielsweise bei einer Kaltumformung das Oberteil aus einem hochbelastbaren Stahl bestehen (da es den Verbrennungsdrücken und Verbrennungstemperaturen im Zylinder der Brennkraftmaschine zugewandt ist), während das Unterteil aus einem niedrig legierten Stahl besteht, der sehr gute Eigenschaften bei der Kaltumformung aufweist. In ebenso bevorzugter Weise werden das Oberteil und das Unterteil in einem Schmiedevorgang hergestellt, wohingegen auch andere Herstellungsverfahren (wie z.B. Gießen) und beliebige Kombinationen denkbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet also einerseits die Möglichkeit, dass auf Grund der freien Werkstoffauswahl (alle umformbaren Werkstoffe) verschiedene gleiche oder unterschiedliche Werkstoffe miteinander kombiniert werden können. Beispielsweise sind also mikrolegierte Stähle mit vergüteten Stählen oder auch mit niedrig legierten Stählen kombinierbar. Dabei können auch Werkstoffkombinationen für das Oberteil und das Unterteil gewählt werden, die nicht schweißbar sind (wie z.B. Stahl-Oberteil und Aluminium-Unterteil).
Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens anwendbar, da durch das Zusammenbringen von Oberteil und Unterteil und dem dabei ausgeführten Verformungsvorgang bei entsprechendem Design von Oberteil und Unterteil die radial umlaufende und hinter dem Ringfeld angeordnete Ausnehmung automatisch verschlossen wird, ohne dass weitere Maßnahmen (wie z.B. Abdecken der Ausnehmung mit einem Ring) erforderlich sind.
Denn bis heute sind die bekannten einteilig geschmiedeten Stahlkolben mit einem Blechverschluss zur Abdichtung des Kühlkanals verschlossen. Diese Vorgehensweise ist nur bei offenen und gut zugänglichen Kühlkanälen möglich. Es erfordert ein komplexes Werkzeug und einen erhöhten Aufwand bei der zerspanenden Bearbeitung. Außerdem schränkt das Ausdrehend des Kühlkanals am
fertigen Bauteil die konstruktiven Freiheiten so stark ein, dass z.B. eine Reduzierung der Kompressionshöhe und damit die Senkung der Kolbenmasse entweder gar nicht oder nur in engen, aber nicht zufrieden stellenden Grenzen möglich ist. Versuche, diese kostenintensive Zerspanungsarbeit zu reduzieren, führten zu geschweißten Kolben, die beispielsweise entweder durch Reibschweißen oder Laserschweißen aus mehreren Teilen gefügt werden. Auch bei diesen Ausführungen entstehen zusätzlich erhöhte Kosten durch den Schweißprozess und die trotzdem erforderliche Nachbearbeitung des Schweißbereiches.
Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, sind in den Figuren in verschiedenen Varianten dargestellt, wobei die verschiedenen Varianten bzw. deren Herstellung im Folgenden erläutert werden, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt ist.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 4: Eine erste Variante eines Kühlkanalkolbens,
Figuren 4 bis 6: Eine zweite Variante eines Kühlkanalkolbens,
Figuren 7 bis 9: Eine dritte Variante eines Kühlkanalkolbens.
In den Figuren 1 bis 3 ist eine erste Variante eines Kühlkanalkolbens und seiner Herstellung gezeigt.
Figur 1 zeigt die Bestandteile eines Kolbens, nachdem ein Oberteil 10, das ein Ringfeld 11 sowie eine dahinter angeordnete Ausnehmung 12 sowie eine Brennraummulde 13 aufweist, und ein Unterteil 20 separat voneinander hergestellt worden sind. Das Unterteil 20 weist in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft 21 sowie Bolzenbohrungen 22 zur Aufnahme eines Bolzens auf. Das Oberteil 10 weist eine nach unten weisenden Stirnfläche 14 auf, wobei mit 15 eine Unterkante des Ringfeldes 11 bezeichnet ist. Im Innenbereich, in Bezug auf die Kolbenhubachse
nach unten weisend ist als Verformungsbereich ein Zapfen 16 vorhanden, der mittig unterhalb der Brennraummulde 13 in Richtung des später anzufügenden Unterteiles 20 vorsteht. Dieser Zapfen 16 ist damit der Verformungsbereich V des Oberteiles, wohingegen das Unterteil 20 einen Anlagebereich 23 (für die Stirnfläche 14) mit einer seinerseitigen Stirnfläche 24 aufweist. Der Anlagebereich 23 weist eine nicht näher bezeichnete Öffnung zur Aufnahme des Zapfens 16 auf, wobei diese Öffnung der Aufnahmebereich A des Unterteiles 20 ist. Mit 25 ist ein Vorsprung bezeichnet, der so angeordnet und gestaltet ist, dass er geringfügig nach dem Zusammenbringen des Oberteiles 10 und des Unterteiles 20 in die Ausnehmung 12 hineinragt. 26 bezeichnet einen Absatz des Unterteiles 20, der mit der Unterkante 15 des Ringfeldes korrespondiert. Figur 2 zeigt, dass mit Hilfe eines bewegbaren Werkzeuges W von unten auf den Zapfen 16 eine Verformungskraft in Richtung der Kolbenhubachse aufgebracht wird, so dass zunächst die Stirnflächen 14, 24 zur Anlage kommen. Dadurch wird einerseits durch den Vorsprung 25 die Ausnehmung 12 wirksam verschlossen und es kann, muss aber nicht, ein Spalt S zwischen der Unterkante 15 und dem Absatz 26 verbleiben. Ein Werkzeug zum Gegenhalten, d. h. zur Lagerfixierung des Oberteiles 10 beim Verformungsvorgang, ist selbstverständlich vorhanden, hier jedoch nicht dargestellt. Aufgrund der Anlage von Oberteil 10 und Unterteil 20 im Bereich der Stirnflächen 14, 24 können sich diese beiden Teile relativ zueinander nicht mehr bewegen, so dass die weitere Aufbringung der Kraftkomponente F durch das Werkzeug W bewirkt, dass der Zapfen 16, also der Verformungsbereich V des Oberteiles 10, verformt wird. Zur Erzielung einer gewünschten Verformung weist das Werkzeug W eine entsprechende Formgebung, z. B. eine abgerundete Form, auf. Nach Durchführung und Beendigung des Verformungsvorganges ist der bisher in etwas zylinderförmige Zapfen 16 derart in einen verformten Zapfen 16' verformt worden, dass dieser verformte Zapfen 16' den Anlagebereich 23 des Unterteiles 20 hintergreift und somit durch den verformten Zapfen 16' Oberteil 10 und Unterteil 20 miteinander verkrallt sind. Durch die Verformung des ursprünglichen Zapfens 16 entsteht also in dem Bereich unterhalb der Brennraummulde 13 und hinter der Ausnehmung 12 in Richtung Kolbenhubachse ein massiver Bereich, in dem das Oberteil 10 mit dem Unterteil 20 durch den Massivumformvorgang miteinander unverrückbar verbunden ist. Eine
anschließende Bearbeitung dieses Bereiches ist entbehrlich. Es ist ggf. lediglich erforderlich, die Außenkonturen des jetzt fertigen Kolbens in an sich bekannter Weise fertig zu bearbeiten. Außerdem kann es für den Fall, das die Ausnehmung 12 als Kühlkanal eingesetzt werden soll, noch erforderlich sein, zumindest eine Ablauföffnung sowie zumindest eine Zulauföffnung für das in der Ausnehmung 12 einzuspritzende und zu zirkulierende Kühlöl einzubringen.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen eine weitere konstruktive Ausgestaltung eines Kühlkanalkolbens und seiner Herstellung. Nachdem ein Oberteil 30 und ein Unterteil 40 separat voneinander hergestellt worden sind, werden diese in der folgenden zu beschreibenden Art und Weise zusammengebracht. Das Oberteil 30 weist die übliche Konstruktion auf, insbesondere eine radial umlaufende Ausnehmung 31 , die z. B. durch einen Drehvorgang hergestellt werden kann. Bei diesem Oberteil 30 ist der Aufnahmebereich A gebildet durch einen Hinterschnitt, der durch eine erste untere Stirnfläche 32, einen nach innen gerichteten Steg (umlaufend) 33, eine umlaufende Ausnehmung 34 sowie eine zweite nach unten berichtete Stirnfläche 35 realisiert ist. Das Unterteil 40 weist wieder einen nach oben gerichteten Vorsprung (radial umlaufend) 41 für den Verschluss der Ausnehmung 31 auf. Der Verformungsbereich V dieses Unterteiles 40 ist realisiert durch eine erste nach oben gerichtete Stirnfläche 42, eine zweite nach oben gerichtete Stirnfläche 43 sowie einen Zapfen 44, der ebenfalls nach oben gerichtet ist und zylinderförmig gestaltet ist. Die nach oben gerichtete Stirnfläche dieses Zapfens 44 weist zwecks besserer Verformbarkeit eine nach innen, in Richtung der Kolbenhubachse (strichpunktiert) weisende Vertiefung auf. Je nach Gestaltung der ersten nach unten gerichteten Stirnfläche 32 des Oberteiles 30 kann diese Geometrie der Stirnfläche des Zapfens 44 auch andersartig gestaltet sein.
Figur 5 zeigt, dass der Zapfen 44 in den Aufnahmebereich A des Oberteiles 30 so weit eingeführt worden ist, dass die obere umlaufende Kante der ersten oberen Stirnfläche 42 des Zapfens 44 an der nach unten gerichteten Stirnfläche 32 des Oberteiles 30 zur Anlage kommt. Dabei verbleibt zunächst ein Spalt zwischen den Stirnflächen 35, 43, die aber nach Durchführung und Beendigung der Verformung
des Zapfens 44 derart verschwinden, dass diese beiden Stirnflächen 35, 43 zur Anlage kommen. Dies ist in Figur 6 gezeigt, wobei erkennbar ist, dass der ursprünglich zylinderförmige Zapfen 44 in einen verformten Zapfen 44' aufgrund der Massivumformung übergegangen ist und sich der Formgebung der umlaufenden Ausnehmung 34 angepasst hat und diese vollständig ausfüllt. Das bedeutet, dass das Unterteil 40 mit seinem Zapfen 44 (Bolzen) in die vorgedrehte hinterschnittene Aufnahmeöffnung in dem Oberteil 30 unterhalb der Brennraummulde 13 axial eingeführt wurde uns sich so stark verformt hat, dass der Zapfen 44 gestaucht wird und das Zapfenmaterial radial in die umlaufende Ausnehmung 34 (Muldenhinterschnitt) wandert. Auf diese Weise ist die formschlüssige Verbindung zwischen dem Oberteil 30 und dem Unterteil 40 hergestellt worden.
Eine dritte, aber nicht abschließende Variante ist in den Figuren 7 bis 9 dargestellt, in denen wieder das Design und das Herstellverfahren eines Kühlkanalkolbens gezeigt sind. Ein Oberteil 50 weist wieder eine Ausnehmung 51 auf, wobei der Aufnahmebereich A des Oberteiles 50 gebildet ist durch eine erste nach unten gerichtete Stirnfläche 52, einen Vorsprung 53 (radial umlaufend), eine zweite nach unten gerichtete Stirnfläche 54, wobei der Vorsprung 53 an seinem nach unten weisenden Ende eine Schräge 55 aufweist. Ein korrespondierendes Unterteil 60 weist wieder einen Vorsprung 61 zum Verschluss der Ausnehmung 51 auf. Im Übrigen ist der Verformungsbereich dieses Unterteiles 60 gebildet durch eine erste nach oben gerichtete Stirnfläche 62, eine zweite nach oben gerichtete Stirnfläche 63, sowie einen Zapfen 64, wobei der Zapfen 64 einen umlaufenden Vorsprung 65 sowie eine darunter angeordnete und zurückgesetzte umlaufende Ausnehmung 66 aufweist. Im Übergangsbereich von dem Vorsprung 61 in Richtung des Zapfens 64 ist ebenfalls eine Schräge 67 eingebracht, wobei die beiden Schrägen 55, 67 miteinander korrespondieren und den anschließenden Umformvorgang erleichtern. Denn in Figur 8 ist erkennbar, dass wieder eine Kraft F auf das Unterteil 60 bei festgelegtem Oberteil 50 (oder umgekehrt) aufgebracht wird, so dass zunächst die zweite nach unten gerichtete Stirnfläche 54 des Oberteiles 50 zur Anlage kommt an die erste nach oben gerichtete Stirnfläche 62 des Unterteiles 60. Bis zu diesem Zeitpunkt ist noch ein Spalt zwischen der ersten nach unten gerichteten Stirnfläche
52 des Oberteiles 50 und der zweiten nach oben gerichteten Stirnfläche 63 des Zapfens 64 vorhanden. Außerdem ist bis hierhin die Ausnehmung 51 noch nicht verschlossen.
Unter weiterer Kraftaufbringung (siehe Figur 9) wird der Zapfen 64 derart verformt, dass er mit seiner zweiten nach oben gerichteten Stirnfläche 63 zur Anlage kommt an die erste nach unten gerichtete Stirnfläche 52 und der bis dahin vorhandene Spalt verschwindet. Durch die einander korrespondierenden Schrägen 55, 67 wird es ermöglicht, dass sich der Vorsprung 53 in Richtung der umlaufenden Ausnehmung 66 bewegt und nach Abschluss der Massivumformung diese Ausnehmung vollständig ausfüllt. Damit ist der Zapfen 64 derart verformt worden, dass er sich nicht nur mit dem Vorsprung 53 verkrallt, sondern der Vorsprung 53 seinerseits so umgeformt wurde, dass er sich mit dem umlaufenden Vorsprung 65 des Unterteiles 60 verkrallt.
Damit bietet die Erfindung also ein Herstellverfahren für einen Kolben sowie einen danach hergestellten Kolben an, bei dem das Oberteil und das Unterteil des Kolbens durch eine Umformung, insbesondere eine Kalt- oder Warm-Massivumformung, miteinander verbunden werden, ohne dass ein Schweißvorgang oder eine Verschraubung der beiden Teile durchgeführt werden muss. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise die in Richtung des Unterteiles weisende Geometrie des Oberteiles und genauso die in Richtung des Oberteiles weisende Geometrie des Unterteiles so gestaltet, dass bei vorhandener radial umlaufender Ausnehmung im Oberteil ein Kühlkanal realisiert wird. Damit wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders vorteilhafter Weise ein Kühlkanalkolben mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen hergestellt. Dabei ist es aber nicht zwangsweise erforderlich, dass das Oberteil eine Ausnehmung aufweist. Diese kann ggf. dann entfallen, wenn ein Kolben ohne Kühlkanal hergestellt werden soll. Außerdem ist es denkbar, dass die jeweiligen Vorsprünge 25, 41 , 61 der jeweiligen Unterteile keine Vorsprünge sind, sondern die jeweilige Ausnehmung 12, 31 , 51 flach abdecken oder dass das jeweilige Unterteil 20, 40, 60 seinerseits eine Ausnehmung aufweist, die zusammen mit der zugehörigen Ausnehmung im Oberteil einen Kühlkanal bildet.
Außerdem sind die in den Figuren gezeigten und beschriebenen Geometrien der Aufnahmebereiche bzw. Verformungsbereiche und der jeweiligen Hinterschnitte nur beispielhaft und können ohne weiteres abgewandelt werden, ohne den Erfindungsgedanken, nämlich die Verbindung zwischen Oberteil und Unterteil des Kolbens durch Massivumformung, zu verlassen.
Bezugszeichenliste
10 Oberteil
11 Ringfeld
12 Ausnehmung
13 Brennraummulde
14 untere Stirnfläche
15 Unterkante
16 Zapfen
16' verformter Zapfen
20 Unterteil
21 Kolbenschaft
22 Bolzenbohrung
23 Anlagebereich
24 Obere Stirnfläche
25 Vorsprung
26 Absatz
30 Oberteil
31 Ausnehmung
32 Erste untere Stirnfläche
33 Nach innen gerichteter Steg
34 Umlaufende Ausnehmung
35 Zweite untere Stirnfläche
40 Unterteil
41 Vorsprung
42 Erste obere Stirnfläche
43 Zweite obere Stirnfläche
44 Zapfen
44' verformter Zapfen
50 Oberteil
51 Ausnehmung
52 Erste untere Stirnfläche
53 Vorsprung
54 Zweite untere Stirnfläche
55 Schräge
60 Unterteil
61 Vorsprung
62 Erste obere Stirnfläche
63 Zweite obere Stirnfläche
64 Zapfen
65 umlaufender Vorsprung
66 umlaufende Ausnehmung
67 Schräge
A Aufnahmebereich
V Verformungsbereich
F Kraftkomponente
S Spalt
W Werkzeug
Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil (10, 30, 50) mit wenigstens einer hinter einem Ringfeld (11) angeordneten Ausnehmung (12, 31 , 51), wobei das Oberteil (10, 30, 50) mit einem zumindest einen Kolbenschaft (21) und Bolzenbohrungen (22) aufweisenden Unterteil (20, 40, 60) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (10, 30, 50) einen Aufnahmebereich (A) und das Unterteil (20, 40, 60) einen Verformungsbereich (V) aufweist (oder umgekehrt), wobei der Verformungsbereich (V) unter Krafteinwirkung in den Aufnahmebereich (A) eingeführt und derart verformt wird, dass das Unterteil (20, 40, 60) an dem Oberteil (10, 30, 50) unverrückbar befestigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Aufnahmebereich (A) einen Hinterschnitt aufweist, wobei sich der Verformungsbereich (V) unter Krafteinwirkung verformt und durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsbereich (V) einen Hinterschnitt aufweist, wobei sich der Aufnahmebereich (A) unter Krafteinwirkung verformt und durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Verformungsbereich (V) als auch der Aufnahmebereich (A) einen Hinterschnitt aufweisen, wobei sich die Bereiche (A, V) unter Krafteinwirkung verformen und sich durch ihre Verformungen dem jeweiligen Hinterschnitt anpassen.
5. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung so ausgeführt wird, dass die einander zugewandten Stirnflächen des Oberteils (10, 30, 50) und des Unterteils (20, 40, 60) nach Durchführung und Beendigung des Umformvorganges die Ausnehmung (12, 31 , 51) verschließen und ansonsten weitestgehend aneinanderliegen.
6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verformung das Oberteil (10, 30, 50) und/oder das Unterteil (20, 40, 60) erwärmt werden.
7. Kühlkanalkolben, der ein Oberteil (10, 30, 50) mit wenigstens einer hinter einem Ringfeld (11) angeordneten Ausnehmung (12, 31 , 51) aufweist, wobei das Oberteil (10, 30, 50) mit einem zumindest einen Kolbenschaft (21) und Bolzenbohrungen (22) aufweisenden Unterteil (20, 40, 60) verbunden ist, gekennzeichnet durch seine Herstellung nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche.
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