WO2013000789A1 - Schmiedeverfahren zur herstellung eines kolbens bzw. kolbenschafts - Google Patents

Schmiedeverfahren zur herstellung eines kolbens bzw. kolbenschafts Download PDF

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WO2013000789A1
WO2013000789A1 PCT/EP2012/061827 EP2012061827W WO2013000789A1 WO 2013000789 A1 WO2013000789 A1 WO 2013000789A1 EP 2012061827 W EP2012061827 W EP 2012061827W WO 2013000789 A1 WO2013000789 A1 WO 2013000789A1
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forging
piston
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shaft
forged
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Wolfgang Issler
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Mahle International Gmbh
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    • 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
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/04—Forging of engine parts
    • 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 
    • 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
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    • 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.
  • Shaft wall sections prevent in particular unwanted 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.
  • From EP 0 838 587 B2 is a piston with shaft walls and this
  • 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 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.
  • the present invention is based on the general idea
  • Forging method for producing a piston skirt form two stages, being forged in a first stage with a first forging punch and in a subsequent second stage 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 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.
  • Hub outside runs according to the Schmiedschrägen downwardly inside obliquely shaped, while the hub inner side approximately parallel to
  • Piston axis that is in the present case substantially perpendicular.
  • shank area ie the shank walls
  • the increasing diameter does not refer to the wall thickness, but to the conical orientation of the
  • the piston inner mold is at least in one
  • inventive method comparatively simple and thus can be produced economically.
  • the piston skirt is forged from an aluminum alloy and then 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 heat treatment is that by a
  • 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 here 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.
  • Fig. 1 shows an inventive two-stage forging process for
  • Fig. 2 is an illustration of the two-stage according to the invention
  • 3 is a view as in Fig. 1, but with a divisible
  • Fig. 4 is a representation as in Fig. 2, but with spread two-piece second forging punch during the second forging stage.
  • FIGS. 3 and 4 each show a complete sectional view parallel to the pin axis 4.
  • FIGS. 1 and 3 a first forging stage of the overall two-stage forging method according to the invention is shown, whereas in FIGS. 2 and 4, the respectively associated second forging stage is shown.
  • the skirt walls 2 are at least slightly conical outward and the box walls 3 have a hub inner side 7 approximately parallel to the piston axis 6 and one for the free End, that is in the present case down and inward pointing
  • the shaft walls 2 are in the
  • FIGS. 3 and 4 Sectional views according to FIGS. 3 and 4 not visible, since they are above or below the image plane.
  • the box walls 3 are now formed with a second forging punch 9 in such a way that whose hub outer sides 8 are directed substantially parallel to the piston axis 6 or slightly outwards (cf., broken line in FIG. 2) and their inner sides 7 towards the free end, that is to say in the present case, downward.
  • 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.
  • Piston lower part are forged with the forging method according to the invention or even a complete piston.
  • the skirt walls 2 are drawn inwards 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 does not run conically, but in the sectional view according to FIG. 2 approximately parallel to the piston axis 6.
  • the first and second forging dies 5, 9 are pressed at the respective forging stage against a die 1 1, wherein the located between the forging punch 5.9 and the die 1 1 piston shaft 1 either during the entire forging process in the die 1 1, that is remains in a die housing the forging apparatus 12 or between forging with the first forging punch 5 and the
  • the piston skirt 1 can be made of, for example, an aluminum alloy, a magnesium alloy, a ceramic or an iron-based material
  • the second forging punch 9 is designed as a split forging punch.
  • the first forging stage is performed in accordance with FIG. 3 analogously to the first forging stage of FIG. 1, wherein the hub inner sides 7 are formed parallel to the piston axis 6 and the hub outer sides 8 obliquely downwards and inwards.
  • the hub inner sides 7 are formed parallel to the piston axis 6 and the hub outer sides 8 obliquely downwards and inwards.
  • the adjoining second forging becomes the first
  • the forging device 12 can be produced comparatively easily and economically, in particular pistons or piston shanks 1 with oblique box walls 3, with the oblique box walls 3 a

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens bzw. 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 leicht nach außen schrägen 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 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. Hierdurch lässt sich der Kolbenschaft (1) vergleichsweise kostengünstig und gewichtsoptimal herstellen.

Description

Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens bzw. Kolbenschafts
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. 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 zeigende
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 1 1 gepresst, wobei der sich zwischen dem Schmiedestempel 5,9 und dem Gesenk 1 1 befindliche Kolbenschaft 1 entweder während des gesamten Schmiedeverfahrens im Gesenk 1 1 , 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

Ansprüche
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 (1 1 ) gepresst werden, wobei der sich zwischen dem Schmiedestempel (5,9) und dem Gesenk (1 1 ) befindliche Kolbenschaft (1 ) während des gesamten Schmiedeverfahrens im Gesenk (1 1 ) 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.
9. Kolbenschaft (1 ) für einen mehrteiligen oder gefügten Kolben, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Einteiliger Kolben (1 ), hergestellt entsprechend dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -8.
1 1 . Schmiedevorrichtung (12) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Gesenk (1 1 ), einem ersten Schmiedestempel (5) und einem zweiten Schmiedestempel (9).
PCT/EP2012/061827 2011-06-27 2012-06-20 Schmiedeverfahren zur herstellung eines kolbens bzw. kolbenschafts WO2013000789A1 (de)

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