WO2013179146A1 - Einteiliger geschmiedeter kolben und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Peter Kolbe
Ernst-Peter Schmitz
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Gesenkschmiede Schneider Gmbh
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    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/18—Making machine elements pistons or plungers
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F2003/0007—Monolithic pistons; One piece constructions; Casting of pistons

Definitions

  • the invention relates to a one-piece cooling channel piston for an internal combustion engine, with forged piston head, which comprises a combustion recess in the piston crown, an annular wall with ring portion and a closed at the height of the ring coil closed cooling channel and a forged piston skirt.
  • This piston can then be connected with the hubs attached to the coupling head via the shirt sleeve.
  • Generic one-piece cooling channel pistons are known, for example, from EP 0 799 373 B1 or DE 100 13 395 C1 or DE 10244510 A1.
  • a piston blank is produced by forging, an annular recess and the downwardly open cooling channel introduced by means of a machining and then finished the outer contour of the piston finished. This means a complex production of the cooling channel, which is to close by means of another part.
  • pistons Today, in view of the energy saving requirements, it is also desirable to make pistons lighter. Since the piston is an oscillating mass, one would have more power for the drive, since less power from the fuel explosion is needed to accelerate the piston mass. Furthermore, pistons should be durable - especially when used in stationary gas engines or bioethanol engines for energy production.
  • the invention is therefore based on the object to provide an improved one-piece cooling channel piston, with which an energy-saving production is ensured with little exclusion
  • a one-piece forgeddekanalkolben for an internal combustion engine with a forged piston head with combustion recess in the piston crown, an annular wall with a ring section and a ring at the circumference of the surrounding closed cooling channel, and an inner cooling channel wall created, with a piston skirt is forged on the piston top, which has that the cooling channel is limited by a one-piece forged, partially flanged to a piston head portion from the piston interior to the outside cooling channel inner wall whose outer end rests on an integrallysortedmiedeten on the piston top ring wall is limited.
  • the piston may be composite forged from a blank consisting of a plurality of metal layers, so that the piston head is made of a material that is thermally and mechanically highly resilient and the side of the piston crown facing away from the combustion chamber is made of a different material.
  • Typical materials for such pistons are forgeable steel alloys, aluminum alloys, titanium alloys, magnesium alloys, and combinations thereof.
  • An inventive method for producing such a piston comprises the steps:
  • a predetermined bending groove is introduced into the inner wall of the cooling channel before crimping.
  • Such pistons can be u.a. insert as gas engine pistons, motor vehicle engine pistons, diesel pistons, aircraft engine pistons.
  • the so wrapped end of the inner ring wall preform can then be connected in any manner known to those skilled in the outer ring blank, eg. By brazing, welding, etc. or remain open to allow a desired oil exchange with the environment in the region of the annular wall.
  • FIG. 1 shows a piston preform according to the invention from the first forging step in longitudinal section, cut in Kolbenhemdraum and a schematic perspective view of the mold.
  • FIG. 2 shows the piston preform of FIG. 1 providing the predetermined bending point
  • FIG. 3 schematically shows the action of the crimping tools - here a crimping roller and a counterhold roller before crimping - on the forged piston preform;
  • FIG. 4 is a schematic view of a piston cooling channel region with a cooling channel inner wall partially folded over and connected to the annular wall;
  • Fig. 5 shows an embodiment of a piston according to the invention in longitudinal section, made of two different composite forged materials.
  • an inventively forgeddekanalkolben vorform from a forged piston head 1 made of steel or malleable Al alloy with a combustion bowl 3 in the piston head 2, an annular wall 4 with ring portion 1 1, one at the height of the ring section 1 1 circulating closed cooling channel 7, a cooling channel inner wall which is longer than the annular wall 4 made.
  • thedekanalkolbenvorform is shown in perspective. Clearly recognizes the long cooling channel inner wall 5, which is longer than the annular wall 4 by the length of the cooling channel ceiling.
  • Fig. 2 it is shown how a weakening is made circumferentially on the inner cooling channel wall to facilitate a precise turning over of the end portion of the cooling channel inner wall.
  • FIG. 3 schematically shows the engagement of a crimping roller 20 at the end of the inner cooling channel wall 5, which is supported by a counter-bearing roller 22, so that it turns as desired at the weakening.
  • the counter-retaining roller 22 is in the course of Flaring removed to allow a complete flipping of the inner cooling channel wall 5.
  • Fig. 4 illustrates a final form of a forged piston according to the invention - here, a completely closed cooling channel is formed by welding of the annular wall and inner cooling channel wall with a weld 12.
  • a two-layer blank with combustion chamber material as the upper layer of a piston raw material and a light material as a lower layer of a piston raw material - when this two-layer blank is forged, resulting material gradients in the piston, as indicated in Fig. 5.
  • a different course of the material boundaries may occur, as is obvious to the person skilled in the art.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen einteiligen geschmiedeter Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem geschmiedeten Kolbenkopf 1 mit Verbrennungsmulde 3 im Kolbenboden 2, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 1 1 und einen auf Höhe der Ringpartie 1 1 umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7, wobei ein Kolbenhemd 9 am Kolbenoberteil 1 angeschmiedet ist, wobei der Kühlkanal 7 durch eine einteilig geschmiedete, teilweise zu einem Kolbenbodenabschnitt nach außen umgebördelten Kühlkanalinnenwand, deren äusseres Ende auf einer einteilig am Kolbenoberteil herausgeschmiedeten Ringwand 4 aufliegt ist, begrenzt ist sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Description

Einteiliger geschmiedeter Kolben und Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Erfindung betrifft einen einteiligen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit geschmiedeten Kolbenkopf, der eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden, eine Ringwand mit Ringpartie und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal sowie ein angeschmiedetes Kolbenhemd umfasst. Dieser Kolben kann dann über das Ko!benhemd mit den am Ko!bcnkopf angehängten Naben, verbunden werden.
Gattungsgemässe einteilige Kühlkanalkolben sind beispielsweise aus der EP 0 799 373 B1 oder DE 100 13 395 C1 oder aber der DE 10244510 A1 bekannt. Bei diesen Kühlkanalkolben wird ein Kolbenrohling durch Schmieden hergestellt, eine ringförmige Ausnehmung und der nach unten offene Kühlkanal mittels einer spanabhebender Bearbeitung eingebracht und anschließend die Aussenkontur des Kolbens fertig bearbeitet. Dies bedeutet eine aufwändige Herstellung des Kühlkanals, welcher mittels eines weiteren Teils zu schließen ist.
Heute ist es in Anbetracht der Energieeinsparungserfordernisse auch erwünscht, Kolben leichter zu m machen. Da der Kolben eine oszillierende Masse ist, würde man mehr Leistung für den Antrieb haben, da weniger Leistung aus der Treibstoffexplosion für die Beschleunigung der Kolbenmasse benötigt wird. Ferner sollen Kolben langlebig sein - insbesondere dann, wenn sie in stationären Gasmotoren oder Bioethanolmoto- ren zur Energieerzeugung eingesetzt werden.
Eine Möglichkeit der Energieersparnis ist, die Wandstärke des Kolbens zu verringern. Dabei würde aber die Kolbenstabilität infolge vorgenannter verringerter Wandstärke abnehmen. Damit sind diese vorgenannten Herstellungsverfahren bzw. Kolbenkonstruktionen nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Bauhöhe sowie seiner Stabilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bspw. bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.
Dies ist auch schwierig, da es nicht einfach ist, Bereiche zu finden, die man leichter machen kann, ohne dass der Kolben mit Unwucht läuft. Bei zu starker Veränderung der Wandstärke wird auch die Stabilität des Kolbens beeinträchtigt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten einteiligen Kühlkanalkolben anzugeben, mit dem eine energiesparende Herstellung bei geringem Ausschluss gewährleistet ist
Gelöst wird die Aufgabe insbesondere durch einen einteiligen Kolben mit den Merkmaien des Patentanspruchs 1 , sowie ein Verfahren nach Anspruch 4, Vorteilhafte
Weiterentwicklungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Danach wird ein einteiliger geschmiedeter Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem geschmiedeten Kolbenkopf mit Verbrennungsmulde im Kolbenboden, einer Ringwand mit Ringpartie und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal, sowie einer inneren Kühlkanalwand geschaffen, wobei ein Kolbenhemd am Kolbenoberteil angeschmiedet ist, der aufweist, dass der Kühlkanal durch eine einteilig geschmiedete, teilweise zu einem Kolbenbodenabschnitt vom Kolbeninneren nach aussen umgebördelte Kühlkanalinnenwand, deren äusseres Ende auf einer einteilig am Kolbenoberteil herausgeschmiedeten Ringwand aufliegt ist, begrenzt ist.
In vorteilhafter Weise kann der Kolben aus einem aus mehreren Metallschichten bestehenden Rohling verbundgeschmiedet sein, sodass der Kolbenkopf aus einem thermisch und mechanisch hochbelastbaren Material und die Brennkammer abgewandte Seite des Kolbenbodens aus einem anderen Material hergestellt ist.
Typische Materialien für derartige Kolben sind schmiedefähige Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Magnesiumlegierungen und Kombinationen derselben.
Ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens weist die Schritte auf:
- Schmieden eines Metall-Rohlings zu einer Kolbenvorform mit offenem Ringkanal, einer innenseitig längeren Kanalwand und einer äusseren kürzeren Ringwand; und
- Umbördeln der Innenwand des Ringkanals nach aussen so, dass der umgebördelte Abschnitt der inneren Kanalwand auf /an der Ringwand liegt. Es kann bevorzugt sein, falls ein geschlossener Kühlkanal notwendig ist, dass das obere Ende der Aussenwand des Ringkanals und die innere Ringkanalwand fluiddicht verbunden werden durch Löten, Schweissen, Kleben.
Zur Erleichterung des Umbördelns der Kühlkanalinnenwand nach aussen wird vor dem Umbördeln eine Sollknicknut in die Kühlkanalinnenwand eingebracht.
Derartige Kolben lassen sich u.a. einsetzen als Gasmotorkolben, Kraftfahrzeugmotorkolben, Dieselkolben, Flugzeugmotorkolben.
Es kann für verschiedene Anforderungen günstig sein, wenn der Kolben durch Verbundschmieden aus verschiedenen Materialien gemeinsam geschmiedet ist.
Dabei wird beim Kolbenschmieden in einem einzigen ersten Schmiedehub eine Vorform der inneren Kühlkanalwand mit Kühlkanaldeckenzugabe sowie die äußeren Ringwand gebildet wird, und in einem weiteren Schritt die innere Kühlkanalwandvorform so nach aussen umgebördelt, dass sie auf dem Ende der äußeren Ringwand aufliegt. Mit dieser kann sie dann in einer bekannten und geeigneten Weise verbunden werden - bspw. durch Schweißen oder Löten.
Durch das gezielte Umbördeln eines Abschnitts der inneren Ringwandvorform nach außen wird ein günstiges Verfahren zur Herstellung von leichten Kolben erzielt, welches hohe Umformgrade und damit die Herstellung eines einstückig geschmiedeten Kühlkanals in einem Kolbenkopf ermöglicht. Es ist dabei sinnvoll, einen Zwischenschritt zur Einbringung einer Sollknickstelle in der inneren Kühlkanalwandvorform vorzusehen - bspw. durch Fräsen, Drehen, Kerben etc. der inneren Kühlkanalwandvorform.
Das so umgelegte Ende der inneren Ringwandvorform kann dann in beliebiger, dem Fachmann bekannter Weise mit dem äußeren Ringwandrohling verbunden werden, bspw. durch Hartlöten, Schweißen etc. oder aber offen bleiben, um einen erwünschten ölaustausch mit der Umgebung im Bereich der Ringwand zu ermöglichen.
Da heute keine große Kolbenbauhöhe notwendig ist, kann im ersten Schmiedehub gleichzeitig mit den Kanalwandvorläufern auch ein kurzes Kolbenhemd hergestellt werden. Bei diesem Kolben kann zumindest ein Teil des Kühlkanals näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität bei geringer Kolbenbauhöhe aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolbenvorform aus dem ersten Schmiedeschritt im Längsschnitt, geschnitten in Kolbenhemdrichtung sowie eine schematische perspektivische Ansicht der Form;
Fig. 2 die mit Sollknickstelle versehende Kolbenvorform der Fig. 1
Fig. 3 schematisch das Einwirken der Bördelwerkzeuge - hier einer Bördelrolle und eine Gegenhalterolle vor dem Bördeln - an der geschmiedeten Kolbenvorform;
Fig. 4 schematisch einen Kolbenkühlkanalbereich mit teilweise umgelegter und mit der Ringwand verbundener Kühlkanalinnenwand; und
Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Längsschnitt, hergestellt aus zwei verschiedenen verbundgeschmiedeten Materialien.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine erfindungsgemäß einteilig geschmiedete Kühlkanalkolben vorform aus einem geschmiedeten Kolbenkopf 1 aus Stahl oder schmiedbaren AI- Legierung mit einer Verbrennungsmulde 3 im Kolbenboden 2, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 1 1 , einem auf Höhe der Ringpartie 1 1 umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7, einer Kühlkanalinnenwand, die länger ist als die Ringwand 4 hergestellt. In Fig. 1 b ist die Kühlkanalkolbenvorform perspektivisch gezeigt. Deutlich erkennt man die lange Kühlkanalinnenwand 5, die um die Länge der Kühlkanaldecke länger als die Ringwand 4 ist.
In Fig. 2 wird gezeigt, wie eine Schwächung umlaufend auf der inneren Kühlkanalwand hergestellt ist, um ein exaktes Umlegen des Endabschnitts der Kühlkanalinnenwand zu vereinfachen.
In Fig. 3 ist schematisch das Angreifen einer Bördelrolle 20 am Ende der inneren Kühlkanalwand 5 gezeigt, die von einer Gegenhalterolle 22 abgestützt wird, damit sie an der Schwächung wie erwünscht umbiegt. Die Gegenhalterolle 22 wird im Laufe des Umbördelns entfernt, um ein vollständiges Umlegen der inneren Kühlkanalwand 5 zu ermöglichen.
Fig. 4 erläutert eine Endform eines erfindungsgemäßen geschmiedeten Kolbens - hier ist ein vollständig geschlossener Kühlkanal durch Verschweissen von Ringwand und innerer Kühlkanalwand mit einer Schweißnaht 12 gebildet.
Die so geschmiedeten Kühlkanalkolben können also aus mehreren Materialienhergestellt sein - bspw. kann aus einem zweischichtigen Rohling mit Brennraummaterial als oberer Schicht eines Kolbenrohmaterials und eines Leichtmaterials als untere Schicht eines Kolben rohmaterials vorgesehen werden - wenn dieser zweischichtige Rohling geschmiedet wird, ergeben sich Materialverläufe im Kolben, wie in Fig. 5 angedeutet. Dabei kann je nach Schichtdicke ein anderer Verlauf der Materialgrenzen auftreten, wie dem Fachmann offensichtlich ist.
Bezugszeichenliste
1 Kolbenkopf
2 Kolbenboden
3 Verbrennungsmulde
4 Ringwand
5 Kühlkanalinnenwand
6 Sollknickstelle in Kühlkanalinnenwand
7 Kühlkanal
8 Kolbenhemd
11 Ringpartie von 4
12 Schweissnaht
0 Bördelrolle
2 Gegenhalterolle
4 Schweissnaht

Claims

Ansprüche
1 . Einteiliger geschmiedeter Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem geschmiedeten Kolbenkopf (1 ) mit Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2), einer Ringwand (4) mit Ringpartie (1 1 ) und einen auf Höhe der Ringpartie (1 1 ) umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7), wobei ein Kolbenhemd (9) am Kolbenoberteil (1 ) angeschmiedet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkanal (7) durch eine einteilig geschmiedete, teilweise zu einem
Kolbenbodenabschnitt umgebördelten Kühlkanalinnenwand, deren äusseres Ende auf einer einteilig am Kolbenoberteil herausgeschmiedeten Ringwand (4) aufliegt ist, begrenzt ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem aus mehreren Metallschichten bestehenden Rohling verbundgeschmiedet ist, sodass der Kolbenkopf (1 ) aus einem thermisch und mechanisch hochbelastbaren Material und die
Brennkammer abgewandte Seite des Kolbenbodens (2) aus einem anderen Material hergestellt ist.
3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kolbens ausgewählt ist aus Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen,
Titanlegierungen, Magnesiumlegierungen und Kombinationen derselben.
4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der vorangehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch:
- Schmieden eines Metall-Rohlings zu einer Kolbenvorform mit offenem Ringkanal, einer innenseitig längeren Kanalwand und einer äusseren kürzeren Ringwand; und
- Umbördeln der Innenwand des Ringkanals so, dass der umgebördelte Abschnitt der inneren Kanalwand auf/an der Ringwand liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dgd das obere Ende der Aussenwand des Ringkanals und die innere Ringkanalwand fluiddicht verbunden werden durch Löten, Schweissen, Kleben.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem
Umbördeln eine Sollknicknut in die Kühlkanalinnenwand eingebracht wird.
7. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gasmotorkolben, Kraftfahrzeugmotorkolben, Dieselkolben,
Flugzeugmotorkolben, ist.
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