WO2013135525A1 - Verfahren zum herstellen eines kolbens mit einem kühlkanal - Google Patents

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WO2013135525A1
WO2013135525A1 PCT/EP2013/054357 EP2013054357W WO2013135525A1 WO 2013135525 A1 WO2013135525 A1 WO 2013135525A1 EP 2013054357 W EP2013054357 W EP 2013054357W WO 2013135525 A1 WO2013135525 A1 WO 2013135525A1
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WO
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deformable material
piston
negative mold
groove
intermediate space
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/054357
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English (en)
French (fr)
Inventor
Isabella Sobota
Marc-Manuel Matz
Frank Dörnenburg
Dirk Thiemann
Original Assignee
Federal-Mogul Nürnberg GmbH
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Publication date
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Publication of WO2013135525A1 publication Critical patent/WO2013135525A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/10—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston with a cooling channel. Further, it relates to a piston and an apparatus for forming a cooling passage in a piston.
  • Cooling duct passed a coolant such as oil.
  • Reinforcing material such as e.g. a nickel-copper alloy is applied, and the removable mass is then removed.
  • the HO 2010/007180 A2 describes a method for
  • cores based on salt. These cores are used as cavity locators in the manufacture of metallic workpieces.
  • WO 2007/036563 A1 describes a method for the production of cores, which are used in the casting of workpieces made of metal in the mold. These have the purpose to keep in the workpieces cavities when filling the molds with the example metallic material.
  • deformable material that defines the trainees cooling channel is applied.
  • a piston in a method of manufacturing a piston having a cooling passage, first a piston is e.g. made of an aluminum alloy with a groove radially outward.
  • This groove defines, at least in part, the shape of the cooling channel to be formed.
  • a part of the boundary surface of the groove also forms part of
  • Boundary surface of the trainee cooling channel is defined by the groove, which is not covered after completion of the piston by a filler material mentioned later.
  • Negative mold used for the cooling channel in the groove Here, a gap is formed between the negative mold and the groove wall.
  • This intermediate space essentially corresponds to the cooling channel to be formed in the form and position within the piston. Subsequently, a deformable and removable material is filled in the intermediate space, so that the
  • deformable material essentially the shape of the Interspace. That is, the gap serves as a mold for the deformable material. Thereafter, this filled deformable material becomes a "rigid" state, that is, a state in which the material retains the shape of the gap, even in the absence of the negative mold, which may, for example, cause the material to solidify but suffice when it forms a high-viscosity mush.
  • the at least one negative mold is removed.
  • the now dimensionally stable material is exposed to the outside through the groove.
  • the filler may be, for example, a
  • metallic filler e.g., Al-Fe alloys with Mg and / or Si
  • This filler is then allowed to solidify, e.g. in a liquefied metal can be done by cooling.
  • the inventive method also leads to a cycle time reduction in the casting process as a handling and preparation of the salt core is eliminated. It is therefore possible that is poured completely without Eing ember. In addition, the foundry's work is facilitated, which also reduces the susceptibility to errors due to misuse.
  • Vacuum suction on the casting machine is necessary. Also, a cleaning of suction devices can be dispensed with because the present process has no resin emissions due to resins in the salt cores.
  • the negative mold has a convex surface designed in such a way that at least one radially outer boundary surface of the
  • Interspace which is bounded by the negative mold, concave inward extends. That is, the space thus formed has at least one concave inwardly extending, preferably curved surface at a radially outer position.
  • An advantage of this method is that the filler has a more uniform structure compared to the prior art. This is because that part of the groove into which the filling material is filled has a substantially round and, in particular from the outside, concave structure. Oer reason for that is that the apprentice
  • Cooling channel has a concave, in particular inwardly curved surface on the radial outer side and this surface is open through the groove to the outside. Therefore, that part of the groove in which the filler is to be introduced, concave. If the boundary surface of the cooling channel were convex towards the outside, this would lead to the transition between the interface of the groove and the groove
  • the method according to the invention makes it possible to produce pistons in which the cooling channels are defined by a groove introduced from the outside and in which these cooling channels have a significantly more inwardly curved outer surface in comparison with the prior art.
  • the negative mold has a flat boundary surface and the intermediate space therefore also has a flat boundary surface radially outward. Since such a surface for the negative mold can be easily manufactured with a high quality, this also means that the shape of the cooling channel has a high quality.
  • the deformable material introduced into the gap is a salt-binder mixture and / or a sand-binder mixture, each of which is soluble in water.
  • Fillers ensure a high quality of the trained cooling channels and at the same time a cost-effective production.
  • these materials are environmentally friendly and easily removable by washing with water. It is also advantageous that the transition of the deformable material in the dimensionally stable state, at least partially by drying
  • Example by heating can be implemented.
  • a further preferred embodiment is that the negative mold has a channel which opens directly into the gap after insertion into the groove. This results in that the deformable material can be introduced directly into the gap, which facilitates the process. This is also advantageous in that the mouth of the channel is in the opening into the gap part of the negative mold, as a result, the gap easily with the
  • deformable material can be filled. Furthermore, it is preferred that for the application of the
  • Filling material is a thermal spraying method, preferably an arc spraying method is used. As a result, in particular a metallic filler material can easily,
  • This device has a device for holding the
  • the piston On the piston. It also has one or more negative molds. These each have an outer boundary surface which is inserted into a groove of the piston
  • the device has a device for
  • the device has a device for
  • the latter device could, for example, comprise a washout device through which a water-soluble deformable material is washed out of the cooling channel by water.
  • Such a device is for performing a
  • the negative mold has a convex surface designed in such a way that at least one radially outer boundary surface of the
  • Interspace which is bounded by the negative mold, extends inward. That is, the thus formed
  • Gap has at least one concave inwardly extending, preferably curved surface at a radially outer position. This has the advantages mentioned with respect to claim 2.
  • the negative mold has a concave boundary surface and the gap therefore radially outward has a convexly outwardly extending boundary surface.
  • the negative mold has a flat boundary surface and the intermediate space therefore also has a flat boundary surface radially outward. Since such a surface for the negative mold can be easily manufactured with a high quality, this also means that the shape of the cooling channel has a high quality.
  • Such a drying device can, for example, by a device for heating the deformable
  • the deformable material if it contains water or other solvents, can be made to fast in the dimensionally stable state
  • such a drying device can also consist in that there is a device for heating the piston or the negative mold or else a nozzle for hot air supply. The latter can then be used to initiate hot air for curing.
  • this nozzle can also be introduced through a channel through which the deformable material is introduced. Such a nozzle is also characterized by a high practicality.
  • the negative mold has a channel. This channel should be part of the
  • Form device for introducing a deformable material in the intermediate space. Furthermore, the channel should be in the
  • the deformable material can be introduced directly and without further facilities in the gap. This also leads to a time and
  • any reworking of the site (s) where the deformable material is introduced will be circumvented.
  • thermo spraying device preferably a thermo spraying device
  • Arc spraying device is used to the
  • This piston is a piston, as e.g. can be prepared by the method according to any one of claims 1 to 7. It has a cooling channel, the radially outer
  • Boundary surface an inwardly curved concave
  • the cooling channel adjoins directly at its concave boundary surface to a sprayed filler. This extends radially outside the cooling channel to the outer periphery of the piston.
  • a piston according to the invention has better mechanical properties.
  • FIGS. 1a) to f) show method steps for the
  • Figure la shows a piston 10 made of metal with a machined groove 12, the radially inner end 14 forms part of the boundary of the cooling channel 32 to be formed. Furthermore, the piston has a
  • Negative mold 18 penetrates into the groove 12. As a result, a gap 21 relative to the surroundings of the piston 10 is sealed so that a later in the gap 21st
  • the female mold 18 also has a channel 20 which connects the gap 21 to the environment.
  • This channel 20 is used to fill the gap 21 with a deformable material 22.
  • a deformable material such as a flowable salt-binder mixture or a flowable sand-binder mixture in the
  • the filling material Before opening the negative mold, the filling material must now be cured. This happens e.g. by a
  • the negative mold (s) 18 are removed.
  • the resulting state is shown in Figure lc.
  • the deformable material 22 now fills a part of the groove 12. This part is that part which essentially corresponds to the cooling channel 32 to be formed.
  • a liquefied metal 26 is injected into the groove 12 by an arc spray device 24. This fills the groove 12 and covers in particular the dimensionally stable material 22. In this case, the entire groove 12 is filled with this material, and it can also survive filler over the piston edge.
  • This dimensionally stable material 22 can now be removed because the cooling channel is now limited by the metal of the piston 10 and the filling material. This can be done, for example, by means not shown, further channels in the piston 10, which make it possible, for example, water or other solvent to wash out the material 22 to bring. Also ⁇ lzu- or oil drain holes can be used by the cooling channel. Since the filling material 28 is fixed, thereby the shape of the cooling channel to be formed is maintained.
  • any excess filler 28 may be removed to obtain the final shape of the piston 10.
  • any roughness in the surface of the piston 10 can be corrected to obtain a smooth piston 10.
  • Internal combustion engine can be used well and without excessive friction with a cylinder of the engine.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (10) mit einem Kühlkanal (32). Hierbei wird in eine Nut (12), die zumindest in Teilen die Form des auszubildenden Kühlkanals (32) definiert, eine Negativform (18) für den Kühlkanal (32) eingesetzt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Kolben (10), der in einem solchen Verfahren herstellbar ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einem Kühlkanal
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einem Kühlkanal. Ferner betrifft sie einen Kolben und eine Vorrichtung zum Ausbilden eines Kühlkanals in einem Kolben.
Bei der Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren werden diese häufig mit Kühlkanälen versehen. Diese sind in
bestimmten Fällen nötig, um die Kolben bei der Verwendung in Verbrennungsmotoren zu kühlen. Hierbei wird durch den
Kühlkanal ein Kühlmittel wie zum Beispiel Öl geleitet.
Stand der Technik
Gemäß dem Stand der Technik werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die oben genannten Kühlkanäle in Kolben auszubilden und sie zu verschließen. Ein solches Verfahren wird z.B. in der EP 1 929 146 B1 beschrieben. Gemäß diesem Dokument wird in einen Kolbenrohling eine Nut eingearbeitet. In diese Nut wird eine leicht verformbare, entfernbare Masse eingebracht. Auf diese entfernbare Masse wird ein
Verstärkungsmaterial wie z.B. eine Nickel-Kupfer-Legierung aufgebracht, und die entfernbare Masse wird anschließend entfernt.
Die HO 2010/007180 A2 beschreibt ein Verfahren zur
Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz. Diese Kerne werden als Hohlraumplatzhalter bei der Herstellung von metallischen Werkstücken verwendet. Die WO 2007/036563 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kernen, die beim Gießen von Werkstücken aus Metall in die Form eingesetzt werden. Diese haben den Zweck, in den Werkstücken Hohlräume beim Füllen der Formen mit dem z.B. metallischen Werkstoff freizuhalten.
Darstellung der Erfindung
Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich als Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einem Kühlkanal bereitzustellen, bei dem ein Füllmaterial auf ein
verformbares Material, das den auszubildenden Kühlkanal definiert, aufgetragen wird. Hierbei will man eine höhere Flexibilität in der Herstellung des Kolbens erzielen.
Eine Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.
Gemäß Anspruch 1 wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einem Kühlkanal zunächst ein Kolben z.B. aus einer Aluminiumlegierung mit einer Nut radial außen bereitgestellt. Diese Nut definiert zumindest in Teilen die Form des auszubildenden Kühlkanals. Anders gesagt bildet ein Teil der Begrenzungsfläche der Nut auch einen Teil der
Begrenzungsfläche des auszubildenden Kühlkanals. Insbesondere wird derjenige Teil des auszubildenden Kühlkanals durch die Nut definiert, der nicht nach Fertigstellung des Kolbens durch ein später erwähntes Füllmaterial bedeckt wird.
Anschließend an das Bereitstellen des Kolbens wird eine
Negativform für den Kühlkanal in die Nut eingesetzt. Hierbei bildet sich zwischen der Negativform und der Nutwand ein Zwischenraum. Dieser Zwischenraum entspricht im Wesentlichen dem auszubildenden Kühlkanal in Form und Lage innerhalb des Kolbens. Anschließend wird ein verformbares und entfernbares Material in den Zwischenraum eingefüllt, sodass das
verformbare Material im Wesentlichen die Form des Zwischenraums annimmt. Das heißt, dass der Zwischenraum als eine Form für das verformbare Material dient. Im Anschluss daran geht dieses eingefüllte verformbare Material in einen „formfesten" Zustand über, d.h. in einen Zustand, in dem das Material die Form des Zwischenraums auch bei Abwesenheit der Negativform beibehält. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass das Material erstarrt, es reicht jedoch aus, wenn es einen hochviskosen Brei bildet.
Hieran anschließend wird die mindestens eine Negativform entfernt. Somit liegt nach dem Entfernen der Negativform das nunmehr formfeste Material durch die Nut nach außen hin frei.
Im Anschluss daran wird ein Füllmaterial in die Nut
eingebracht und bedeckt das Material, das in den oben
erwähnten Zwischenraum eingebracht wurde, direkt. Dieses Material füllt denjenigen Teil der Nut, der nicht durch das verformbare Material ausgefüllt ist, im Wesentlichen aus. Bei dem Füllmaterial kann es sich zum Beispiel um ein
metallisches Füllmaterial (z.B. Al-Fe-Legierungen mit Mg und/oder Si) als Kolbennutarmierung handeln. Es ist aber auch möglich, als Füllmaterial nur AI oder nur Fe zu verwenden. Dieses Füllmaterial lässt man dann erstarren, was z.B. bei einem verflüssigten Metall durch Abkühlen geschehen kann.
Nachdem dieses Füllmaterial somit in einen festen Zustand übergegangen ist wird das entfernbare Material im
Zwischenraum im Wesentlichen entfernt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine höhere
Flexibilität in der Ausgestaltung der Kühlkanäle. So ist man nicht mehr an Einlegeteile gebunden, die man vor dem Gießen eines Kolbens in die Gussform einlegt. Im Gegensatz kann man eine Nut z.B. in einem vorgefertigten Kolben durch Drehen o. ä. ausbilden und diese dann nach dem geschilderten
Verfahren abdecken. Wenn man nun die Form oder Lage des
Kühlkanals ändern will ist dies bei dem Verfahren gemäß der Erfindung leicht möglich, man muss lediglich die Form und die Lage der Nut neu definieren. Im Gegensatz dazu muss man gemäß dem Stand der Technik die Einlegeteile austauschen, was insbesondere dann kompliziert ist, wenn diese von externen Zulieferern geliefert werden. Daher hat man durch das erfindungsgemäße Verfahren mehr Flexibilität und
Unabhängigkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren führt außerdem zu einer Taktzeitreduzierung beim Gießvorgang da ein Handling und eine Vorbereitung des Salzkernes wegfällt. Es wird daher ermöglicht, dass komplett ohne Eingießteile gegossen wird. Außerdem wird die Arbeit des Gießers erleichtert, was auch die Anfälligkeit gegenüber Fehlern aufgrund von falscher Bedienung verringert.
Ein weiterer Vorteil ist, dass es keine Probleme gibt, was die Genauigkeit angeht, mit der die Salzkerne die
entsprechenden gewünschten Maße haben. Durch das vorliegende Verfahren wird, wie bereits erwähnt, auf Salzkerne
verzichtet, weshalb solche Fehler vermieden werden.
Ein weiterer Vorteil ist schließlich, dass keine
Vakuumabsaugeinrichtung an der Gießmaschine nötig ist. Auch kann auf eine Reinigung von Absaugvorrichtungen verzichtet werden da das vorliegende Verfahren keinerlei Harzemissionen aufgrund von Harzen in den Salzkernen aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens werden in
Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.
Es wird insbesondere bevorzugt, dass die Negativform eine derartig ausgestaltete konvexe Oberfläche aufweist, dass sich zumindest eine radial äußere Begrenzungsfläche des
Zwischenraums, der von der Negativform begrenzt wird, konkav nach innen erstreckt. Das heißt, der demgemäß gebildete Zwischenraum weist mindestens eine sich konkav nach innen erstreckende, vorzugsweise gewölbte Fläche an einer radial äußeren Position auf. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das Füllmaterial im Vergleich zum Stand der Technik eine gleichmäßigere Struktur aufweist. Dies liegt daran, dass derjenige Teil der Nut, in den das Füllmaterial eingefüllt wird, eine im Wesentlichen runde und insbesondere von außen gesehen konkave Struktur aufweist. Oer Grund dafür ist, dass der auszubildende
Kühlkanal eine konkave, insbesondere nach innen gewölbte Fläche auf der radialen Außenseite aufweist und diese Fläche durch die Nut nach außen hin offen ist. Daher ist auch derjenige Teil der Nut, in den das Füllmaterial einzubringen ist, konkav. Wenn die Begrenzungsfläche des Kühlkanals nach außen hin konvex wäre würde dies dazu führen, dass sich an dem Übergang zwischen der Grenzfläche der Nut und dem
verformbaren Material „Spitzen" bilden. Es wäre schwer, diese durch ein Füllmaterial aufzufüllen da man das Füllmaterial dazu bringen müsste, in diese eher feinen Zwischenräume einzudringen. Ferner würden die Spitzen zu Turbulenzen im eingebrachten Füllmaterial führen, welche die Gleichmäßigkeit des Füllmaterials beeinträchtigen würden.
Insbesondere ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, Kolben herzustellen, bei denen die Kühlkanäle durch eine von außen eingebrachte Nut definiert werden und bei denen diese Kühlkanäle eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich stärker nach innen gewölbte Außenfläche haben. Bei bisherigen Verfahren, die auf das Verwenden von Einlegeteilen zum
Ausbilden von Kühlkanälen verzichten, wie auch z.B. in der EP 1 929 146 Bl, war dies nicht vorgesehen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind Verfahren, bei denen die Negativform eine konkave
Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher radial außen eine konvexe, nach außen gewölbte Begrenzungsfläche hat. Hierdurch entsteht ein Kühlkanal mit guten
Fließeigenschaften für ein Kühlmittel, was u. a. zu einer verbesserten Kühlleistung führt. Auch kann es von Vorteil sein, dass die Negativform eine flache Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher auch eine flache Begrenzungsfläche radial außen aufweist. Da eine solche Oberfläche für die Negativform leicht mit einer hohen Qualität hergestellt werden kann führt dies dazu, dass auch die Form des Kühlkanals eine hohe Qualität aufweist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das verformbare Material, das in den Zwischenraum eingebracht wird, ein Salz- Bindemittel-Gemisch und/oder ein Sand-Bindemittel-Gemisch ist, welche jeweils in Wasser löslich ist. Außerdem wird hier bevorzugt, dass der Obergang des verformbaren Materials in den formfesten Zustand durch Heißluftzufuhr oder
Werkzeugheizung stattfindet.
Die genannten Mischungen sind gut charakterisiert und
kostengünstig, weshalb die dadurch hergestellten
Füllmaterialien für eine hohe Qualität der ausgebildeten Kühlkanäle und gleichzeitig eine kostengünstige Herstellung sorgen. Außerdem sind diese Materialien umweltfreundlich und leicht durch Auswaschen mit Wasser entfernbar. Auch ist von Vorteil, dass der Übergang des verformbaren Materials in den formfesten Zustand zumindest teilweise durch Trocknen
stattfindet, da sich ein solches Verfahren leicht (zum
Beispiel durch Erwärmen) umsetzen lässt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Negativform einen Kanal aufweist, der nach Einsetzen in die Nut direkt in den Zwischenraum mündet. Dies führt dazu, dass das verformbare Material direkt in den Zwischenraum eingeleitet werden kann was das Verfahren erleichtert. Dies ist auch dahingehend von Vorteil, wenn die Mündung des Kanals in dem in den Zwischenraum mündenden Teil der Negativform ist, da hierdurch der Zwischenraum leicht mit dem
verformbaren Material gefüllt werden kann. Weiterhin wird bevorzugt, dass für das Aufbringen des
Füllmaterials ein thermisches Spritzverfahren, bevorzugt ein Lichtbogenspritzverfahren, verwendet wird. Hierdurch kann insbesondere ein metallisches Füllmaterial leicht,
wirtschaftlich und zuverlässig verflüssigt und auf den Kolben aufgespritzt werden.
Ferner wird die technische Aufgabe durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Diese Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Halten des
Kolbens auf. Ferner weist sie eine oder mehrere Negativformen auf. Diese weisen jeweils eine äußere Begrenzungsfläche auf, die in eine Nut des Kolbens eingesetzt
werden kann und dann zusammen mit der Nut einen Zwischenraum definiert. Dieser Zwischenraum entspricht dem auszubildenden Kühlkanal. Hierbei bildet die äußere Fläche der mindestens einen Negativform eine Begrenzungsfläche des Zwischenraums. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum
Einsetzen der Negativform in die Nut und zum Entfernen der Negativform aus der Nut (wie z.B. ein oder mehrere
Handhabungsgeräte) auf. Dies ermöglicht eine Automatisierung des Verfahrens.
Außerdem weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum
Einbringen eines verformbaren Materials in den Zwischenraum und eine Einrichtung zum Entfernen des verformbaren Materials aus dem Zwischenraum auf. Die letztere Einrichtung könnte zum Beispiel eine Auswascheinrichtung aufweisen, durch die ein wasserlösliches verformbares Material aus dem Kühlkanal durch Wasser ausgewaschen wird.
Eine solche Vorrichtung ist für das Durchführen eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet.
Insofern führt sie zu den oben genannten Vorteilen. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung werden in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen 9 bis 13 beschrieben.
Es wird insbesondere bevorzugt, dass die Negativform eine derartig ausgestaltete konvexe Oberfläche aufweist, dass sich zumindest eine radial äußere Begrenzungsfläche des
Zwischenraums, der von der Negativform begrenzt wird, nach innen erstreckt. Das heißt, der demgemäß gebildete
Zwischenraum weist mindestens eine sich konkav nach innen erstreckende, vorzugsweise gewölbte Fläche an einer radial äußeren Position auf. Dies hat die bezüglich Anspruch 2 genannten Vorteile.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung bestehen darin, dass die Negativform eine konkave Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher radial außen eine sich konvex nach außen erstreckende Begrenzungsfläche hat.
Hierdurch entsteht ein Kühlkanal mit guten Fließeigenschaften für ein Kühlmittel, was u. a. zu einer verbesserten
Kühlleistung führt.
Auch kann es von Vorteil sein, dass die Negativform eine flache Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher auch eine flache Begrenzungsfläche radial außen aufweist. Da eine solche Oberfläche für die Negativform leicht mit einer hohen Qualität hergestellt werden kann führt dies dazu, dass auch die Form des Kühlkanals eine hohe Qualität aufweist.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die
Vorrichtung eine Trocknungseinrichtung für das verformbare Material, das in den Zwischenraum eingebracht wurde,
aufweist. Eine solche Trocknungseinrichtung kann zum Beispiel durch eine Einrichtung zum Erhitzen des verformbaren
Materials gebildet werden. Insbesondere kann hierzu ein Ofen verwendet werden. Durch eine solche Einrichtung kann das verformbare Material, sofern es Wasser oder andere Lösungsmittel enthält, dazu gebracht werden, schneller in den formfesten Zustand
überzugehen. Hierdurch ergibt sich eine Zeitersparnis bei der Herstellung eines solchen Kolbens. Insbesondere kann eine solche Trocknungseinrichtung auch darin bestehen, dass eine Vorrichtung zum Aufheizen des Kolbens oder der Negativform oder aber eine Düse zur Heißluftzufuhr vorhanden ist. Durch letztere kann dann heiße Luft zum Aushärten eingeleitet werden. Insbesondere kann diese Düse auch durch einen Kanal eingebracht werden, durch den auch das verformbare Material eingebracht wird. Eine solche Düse zeichnet sich auch durch eine hohe Praktikabilität aus.
Auch ist es von Vorteil, wenn die Negativform einen Kanal aufweist. Dieser Kanal sollte dabei einen Teil der
Einrichtung zum Einbringen eines verformbaren Materials in den Zwischenraum bilden. Ferner sollte der Kanal in den
Zwischenraum münden, wenn die Negativform in die Nut
eingesetzt ist. Hierdurch kann das verformbare Material direkt und ohne weitere Einrichtungen in den Zwischenraum eingebracht werden. Auch dies führt zu einer Zeit- und
Kostenersparnis bei der Herstellung.
Hierbei wäre es auch denkbar, auch Ölzu- bzw.
Ölablaufbohrungen vom Kühlkanal als Einspritzzulauf für das verformbare Material zu verwenden. Damit würde eine
eventuelle Nacharbeit der Stelle (n), an denen das verformbare Material eingebracht wird, umgangen werden.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine thermische Spritzeinrichtung, bevorzugt eine
Lichtbogenspritzeinrichtung verwendet wird, um das
Füllmaterial auf das verformbare Material einzubringen.
Hierdurch können metallische Werkstoffe leicht aufgespritzt werden, was zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit führt. Eine weitere Lösung der technischen Aufgabe bietet der Kolben gemäß Anspruch 14.
Dieser Kolben ist ein Kolben, wie er z.B. nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt werden kann. Er weist einen Kühlkanal auf, dessen radial äußere
Begrenzungsfläche einen nach innen gewölbten konkaven
Abschnitt aufweist. Ferner grenzt der Kühlkanal an seiner konkaven Begrenzungsfläche direkt an ein aufgespritztes Füllmaterial an. Dieses erstreckt sich radial außerhalb des Kühlkanals bis zum äußeren Umfang des Kolbens.
Hierbei ergibt sich, wie oben erwähnt, eine erhöhte
Gleichmäßigkeit des Füllmaterials, was zu einem Kolben mit besseren mechanischen Eigenschaften führt. Auch ist keine separate Abdeckung des Kühlkanals vor dem Aufbringen des Materials nötig. Eine solche Abdeckung könnte, insbesondere aufgrund der dadurch entstehenden Grenzfläche zwischen der separaten Abdeckung und dem Fallmaterial, zu einer
strukturellen Schwächung des Kolbens führen. Somit hat ein erfindungsgemäßer Kolben bessere mechanische Eigenschaften.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figuren 1a) bis f) zeigen Verfahrensschritte für die
Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. So zeigt Figur la) einen Kolben 10 aus Metall mit einer maschinell ausgebildeten Nut 12, deren radial inneres Ende 14 einen Teil der Begrenzung des auszubildenden Kühlkanals 32 bildet. Ferner weist der Kolben eine
Bolzenbohrung (Kolbennabe) 16 auf. Im Anschluss werden (siehe Figur 1b) eine oder mehrere
Negativformen 18 um den Kolben 10 herum so in die Nut 12 eingesetzt, dass ein hervorstehender Abschnitt 19 der
Negativform 18 in die Nut 12 eindringt. Hierdurch wird ein Zwischenraum 21 gegenüber der Umgebung des Kolbens 10 so abgedichtet, dass ein später in den Zwischenraum 21
einzubringendes verformbares Material nicht nach außen leckt. Die Negativform 18 weist ferner einen Kanal 20 auf, der den Zwischenraum 21 mit der Umgebung verbindet.
Dieser Kanal 20 wird zum Füllen des Zwischenraums 21 mit einem verformbaren Material 22 verwendet. Hierbei wird, wie durch einen Pfeil angedeutet, ein verformbares Material, wie zum Beispiel eine fließfähige Salz-Bindemittel-Mischung oder eine fließfähige Sand-Bindemittel-Mischung, in den
Zwischenraum eingebracht. Unter „fließfähig" verstehen wir hier, dass das Material eine solche Konsistenz aufweist, dass es durch den Kanal - ggf. unter Druck - eingespritzt werden kann. Diese Mischung füllt den Zwischenraum 21 aus und nimmt somit dessen Form an. Hierbei wird der um den Kolben 10 herum verlaufende Kühlkanal 21 mit dem verformbaren Material 22 ausgefüllt.
Vor dem Offnen der Negativform muss das Füllmaterial nun ausgehärtet werden. Dies geschieht z.B. durch eine
Heißluftzufuhr oder eine Erhitzung der Negativform oder des Kolbens. Hierdurch verflüchtigen sich die Lösungsmittel des Füllmaterials, was zu dessen Verfestigung oder sogar
Erstarren führt. Hierauf wird die Negativform entfernt, ohne dass das Füllmaterial ausläuft.
Nach dem Aushärten werden die Negativform(en) 18 entfernt. Der sich ergebende Zustand ist in Figur lc dargestellt. Hier ist deutlich zu sehen, dass das verformbare Material 22 nun einen Teil der Nut 12 ausfüllt. Dieser Teil ist derjenige Teil, der im Wesentlichen dem auszubildenden Kühlkanal 32 entspricht. Anschließend wird, wie in Figur 1d dargestellt, durch eine Lichtbogenspritzeinrichtung 24 ein verflüssigtes Metall 26 in die Nut 12 eingespritzt. Dieses füllt die Nut 12 aus und bedeckt insbesondere das formfeste Material 22. Hierbei wird die gesamte Nut 12 mit diesem Material ausgefüllt, und es kann auch Füllmaterial über den Kolbenrand überstehen.
Im Anschluss daran wird dieses Material verfestigt, was zu einer Struktur wie in Figur le dargestellt., führt. Hierbei bildet sich ein festes Füllmaterial 28, welches das
formfeste Material 22 bedeckt. Dieses formfeste Material 22 kann jetzt entfernt werden da der Kühlkanal nun durch das Metall des Kolbens 10 und des Füllmaterials begrenzt wird. Dies kann zum Beispiel durch nicht dargestellte, weitere Kanäle in dem Kolben 10 geschehen, die es ermöglichen, zum Beispiel Wasser oder ein anderes Lösungsmittel zum Auswaschen des Materials 22 einzubringen. Auch können dazu ölzu- bzw. Ölablaufbohrungen vom Kühlkanal verwendet werden. Da das Füllmaterial 28 fest ist, wird hierdurch die Form des zu bildenden Kühlkanals beibehalten.
Im Anschluss daran kann etwaiges überstehendes Füllmaterial 28 abgetragen werden, um die endgültige Form des Kolbens 10 zu erhalten. Hierbei können auch etwaige Rauhigkeiten in der Oberfläche des Kolbens 10 behoben werden, um einen glatten Kolben 10 zu erhalten. Ein solcher Kolben ist in einem
Verbrennungsmotor gut und ohne übermäßige Reibung mit einem Zylinder des Motors verwendbar.
Ferner kann, wie in Figur 1f) dargestellt, eine Nut 30 zum Beispiel für einen Kolbenring in dem Füllmaterial 28
ausgebildet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (10) mit einem Kühlkanal (32) , bei dem:
ein Kolben (10) mit einer Nut (12) bereitgestellt wird, die zumindest in Teilen die Form des auszubildenden
Kühlkanals (32) definiert,
anschließend mindestens eine Negativform (18) für den Kühlkanal so in die Nut (12) eingesetzt wird, dass sich ein Zwischenraum (21) zwischen der Nutwand und der mindestens einen Negativform (18) bildet, der im Wesentlichen der Form und der Lage des auszubildenden Kühlkanals (32) entspricht und zumindest eine durch die Negativform (18) definierte Fläche aufweist,
anschließend ein verformbares Material (22) in den
Zwischenraum (21) so eingebracht wird, dass das verformbare Material (22) im Wesentlichen die Form des Zwischenraums (21) annimmt, und dieses verformbare Material (22) im Anschluss an das Einbringen in einen Zustand übergeht, in dem das
verformbare Material (22) auch ohne die mindestens eine
Negativform (18) die Form des Zwischenraums (21) beibehält, im Anschluss daran die mindestens eine Negativform (18) entfernt wird,
anschließend ein Füllmaterial (28) so in die Nut (12) eingebracht wird, dass das Füllmaterial (28) das verformbare Material (22), das in den Zwischenraum (21) eingebracht wurde, direkt bedeckt, und es denjenigen Teil der Nut (12), der außerhalb des in den Zwischenraum (21) eingebrachten verformbaren Materials (22) liegt, im Wesentlichen ausfüllt, und wobei im Anschluss daran das verformbare Material (22), das in den Zwischenraum (21) eingebracht wurde, im Wesentlichen entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durch die
Negativform (18) definierte Fläche konkav ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durch die
Negativform (18) definierte Fläche konvex oder flach ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem. das verformbare Material (22), das in den Zwischenraum (21) eingebracht wird, fließfähig ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das verformbare Material (22), das in den Zwischenraum (21) eingebracht wird, ein wasserlösliches Salz-Bindemittel- Gemisch und/oder ein wasserlösliches Sand-Bindemittel-Gemisch ist und bei dem der Übergang des verformbaren Materials (22) in den Zustand, in dem das verformbare Material (22) auch ohne Negativform (18) die Form des Zwischenraums (21) beibehält, zumindest teilweise durch Trocknen stattfindet.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Negativform (18) einen Kanal (20) aufweist, der direkt in den Zwischenraum (21) mündet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem für das Aufbringen des Füllmaterials (28) ein thermisches
Spritzverfahren, bevorzugt ein Lichtbogenspritzverfahren, eingesetzt wird.
8. Vorrichtung zum Ausbilden eines Kühlkanals (32) in einem Kolben (10) mit:
einer Einrichtung zum Halten des Kolbens (10),
mindestens einer Negativform (18), die eine äußere
Begrenzungsfläche aufweist, die dafür ausgestaltet ist, in eine Nut (12) des Kolbens (10) eingesetzt zu werden und die, wenn in die Nut (12) eingesetzt, zusammen mit der Nut (12) einen Zwischenraum (21) definiert, der dem auszubildenden Kühlkanal (32) entspricht, wobei die äußere Fläche der mindestens einen Negativform (18) zu einer Begrenzungsfläche des Zwischenraums (21) führt, einer Einrichtung zum Einbringen eines verformbaren Materials (22) in den Zwischenraum (21),
einer Einrichtung zum Einbringen eines Füllmaterials (28) auf das verformbare Material (22), und
einer Einrichtung zum Entfernen des verformbaren
Materials (22) aus dem Zwischenraum (21) .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei dem die
Begrenzungsfläche der Negativform (18) konkav ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei dem die
Begrenzungsfläche der Negativform (18) konvex oder flach ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner mit:
einer Trocknungseinrichtung für das verformbare Material (22), das in den Zwischenraum (21) eingebracht wurde, wobei die Trocknungseinrichtung bevorzugt aus einer Vorrichtung zum Aufheizen des Kolbens oder der Negativform (18) oder einer Düse zur Heißluftzufuhr besteht, wobei diese Düse vorteilhaft durch einen Kanal eingebracht wird, durch den auch das verformbare Material (22) eingebracht werden kann.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner mit:
einem Kanal (20) in der Negativform (18), der einen Teil der Einrichtung zum Einbringen eines verformbaren Materials (22) in den Zwischenraum (21) bildet und der, wenn die
Negativform (18) in die Nut (12) eingesetzt ist, in den
Zwischenraum (21) mündet.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Vorrichtung zum Einbringen eines Füllmaterials (28) auf das verformbare Material (22) eine thermische
Spritzeinrichtung, bevorzugt eine Lichtbogenspritzeinrichtung (24), aufweist.
14. Kolben (10) ,
der einen Kühlkanal (32) aufweist, der einen konkaven Begrenzungsabschnitt radial außen aufweist,
wobei der Kühlkanal (32) an seinem konkaven
Begrenzungsabschnitt direkt an ein aufgespritztes
Füllmaterial (28) angrenzt, das sich radial außerhalb des Kühlkanals (32) bis zum äußeren Umfang des Kolbens (10) erstreckt.
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