WO2018158092A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbens - Google Patents

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WO2018158092A1
WO2018158092A1 PCT/EP2018/053941 EP2018053941W WO2018158092A1 WO 2018158092 A1 WO2018158092 A1 WO 2018158092A1 EP 2018053941 W EP2018053941 W EP 2018053941W WO 2018158092 A1 WO2018158092 A1 WO 2018158092A1
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Daniel Hrdina
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    • 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 present invention relates to a method for producing a piston for an internal combustion engine with a piston body and
  • piston main body has at least one piston skirt and at least one bottom region of a combustion bowl
  • piston ring element has a piston crown, at least one wall region of the combustion bowl, a circumferential land and at least part of a ring groove provided with annular grooves and wherein the piston body and the piston ring element form a circumferential closed cooling channel.
  • a generic piston is, for example, from the published patent US
  • Such pistons can be very flat
  • the blanks of the piston main body and the piston ring element are preferably by a
  • Piston body by a forging process form a joint surface, which is substantially equal to a pipe end
  • the present invention deals with the problem, for a method of the generic type, an improved or at least another
  • the solution consists of a process comprising the following steps: (a)
  • Combustion cavity a portion of the widened joining surface of the blank remains free, (d) reworking and / or finishing of the
  • the idea according to the invention consists of the inner joining surface of the blank of the piston main body in the direction of the combustion recess
  • This joint surface is thus sized larger than the
  • the method according to the invention makes it possible to join the blanks by means of a friction welding method, since in the area of the
  • the combustion recess later elaborate deeper, if appropriate or desired.
  • different blanks for the piston body piston with different deep trained combustion recesses can be produced. This makes it possible to rationalize the production of the piston blanks and thus the
  • Forging process cost-neutral that is, without the previously used forging process higher costs, and that subsequently no
  • Joining surfaces and / or the upper cooling channel part are reworked. Again, alternatively, it is also conceivable, at least one of the joining surfaces and / or the lower cooling channel part in the blank of the piston body
  • inventive method can be realized.
  • step (c) the joining of the respectively selected blanks via their joining surfaces to a piston blank, such that at least in the bottom region of the combustion cavity a portion of the widened joining surface of the blank remains free, and in step (d) the reworking and / or Finishing the piston blank to a piston while removing the portion of the widened joining surface.
  • step (a) provision is made of the now, for example, cast blank of the piston main body with an outer peripheral joining surface, an inner circumferential one, in the direction of a
  • the cast blank of the piston ring element is provided with an outer annular joining surface, an inner annular joining surface and an upper cooling channel part encircling between the two joining surfaces, wherein at least one of the joining surfaces and / or the upper cooling channel part is not reworked.
  • step (a) or step (b) the blank and / or the blank is produced by means of a forging process.
  • step (c) the blank is joined to the blank, preferably by means of a friction welding process, to form at least one friction weld.
  • a particularly preferred development provides that, prior to the joining by means of a friction welding process before the step (c) circulating
  • the joining surfaces are thus formed such that an area of the
  • the widenings can be shaped as desired, for example in the form of a
  • the blanks are suitably made of a tempered steel or a precipitation hardening steel.
  • step (c) the resulting piston blank by tempering or
  • This hardened area is referred to as a "heat affected zone”.
  • the heat affected zone is harder than the tempered material of the
  • Piston blanks outside the heat affected zone A remuneration after joining by friction welding is no longer required. Instead
  • the piston blank resulting from the friction welding is subjected only to a tempering or stress relief annealing to possibly
  • This heat-affected zone can be used to improve partial areas or
  • Partial structures of the piston used which are subject to increased wear.
  • the friction weld or be by means of
  • Friction welding to be joined joining surfaces of the blanks of the piston components positioned so that the portions or partial structures of the piston to be produced, which are subject to increased wear and should therefore be hardened, lie in the heat-affected zone after friction welding.
  • a separate curing process such as nitriding or laser beam treatment.
  • At least one of the joining surfaces and / or the lower and / or the upper cooling channel part are finished forged during the forging of the blank.
  • Cooling duct parts no need any further surface treatment. Even finished-forged joining surfaces can be produced in such a way that they can be fed to the friction welding process immediately and without further processing. As a result, the production costs can be significantly reduced, since the forging process cost-neutral, that is, without the previously used forging process higher costs, and subsequently no machining is required.
  • Fig. 1 shows an embodiment of blanks for producing a
  • Friction welding method joined piston blank from the blanks of Figure 5, wherein the right half of the figure is rotated relative to the left half by 90 °; a further embodiment of a finished piston from the piston blank according to Figure 6, wherein the right half of the figure with respect to the left half is rotated by 90 °; an enlarged partial view of another embodiment of blanks, from which a piston is produced by the method according to the invention.
  • Figures 4 and 7 show a finished piston 10, 1 10, which was prepared according to the method according to the invention by means of a friction welding process.
  • the piston 10, 1 10 consists of a piston body 1 1, 1 1 1 and a piston ring member 12, 1 12th
  • Both components can be made of any metallic material that is suitable for friction welding and are connected to each other via Reibsch Cleannähte 35, 36, 135, 136.
  • the piston main body 1 1, 1 1 1, 21 1 consists of a
  • the piston body 1 1, 1 1 1 is steel material, for example 42CrMo4.
  • the piston body 1 1, 1 1 1 is steel material, for example 42CrMo4.
  • Piston pin (not shown) and running surfaces 18, 1 18 is provided.
  • Piston ring member 12, 1 12 is also in the embodiment of
  • the piston ring element 12 is a steel material, for example 38MnVS6.
  • the piston ring element 12 is a steel material, for example 38MnVS6.
  • 1 12 has a piston head 19, 1 19 with a combustion bowl 21,
  • Piston body 1 1, 1 1 1 and the piston ring member 12, 1 12 form
  • the piston 10 according to FIG. 4 is produced by means of the method according to the invention described below.
  • an at least partially unprocessed blank 11 'of a piston main body 11 and an at least partially non-machined blank 12' of a piston ring element 12 are provided.
  • the blank 1 1 'of the piston main body 1 1 has an outer circumferential Joining surface 29 an inner circumferential, in the direction of a bottom portion 27 of a combustion bowl 21 widening joint surface 31 and between two joining surfaces 29, 31 encircling lower cooling channel part 24a, wherein at least one of the joining surfaces 29, 31 and / or the lower cooling channel part 24a not post-processed, the For example, after the forging is not processed by means of, for example, turning. Reprocessed here means a reworking after the production of the blank 1 1 'and a pre-processing before the friction welding.
  • Piston ring member 12 which has an outer annular joining surface 32, an inner annular joining surface 33 and a circumferential between two joining surfaces 32, 33 upper cooling channel part 24b, wherein at least one of the joining surfaces 32, 33 and / or the upper cooling channel part 24b not post-processed, that is, for example after forging are not processed by means of, for example, turning. Can be reworked, the blank 1 1 '
  • a blank (11 ', 11', 21 1) of the piston main body (11, 11) in the method according to the invention, in which at least one of the joining surfaces (29, 129 , 229, 31, 131, 231) and / or the lower cooling channel part (24a, 124a, 224a) are not post-processed, and a blank (12a) of the piston ring element (12, 1 12), wherein at least one of the joining surfaces (32, 33, 132, 133, 232, 233) and / or the upper one
  • Cooling duct part (24b, 124b, 224b) are reworked.
  • the blank (11 ', 11', 21 1) is joined to the blank (12a) via its joining surfaces (29, 129, 229, 31, 131, 231, 32, 32).
  • a piston blank (10 ', 1 10') such that at least in the bottom region (27, 127) of the combustion trough (24, 124) a partial region (34, 134, 234) of the widened joining surface (31 , 131, 231) of the blank (1 1 ', 1 1 1', 21 1) remains free, as well as in process step (d) a reworking and / or finishing of the piston blank (10 ', 1 10') to a piston ( 10,1 10) with removal of the portion (34, 134, 234) of the widened joining surface (31, 131, 231).
  • step (c) the blank (11a) is joined to the blank (12 ', 12', 212) via its joining surfaces (29, 129, 229, 31, 131, 231, 32, 32).
  • the blanks 1 1 1 ', 1 1 a, 1 1 1 1', 12 ', 12a, 212' are made in the embodiment by means of a forging process. Subsequently, in the blank 1 1 'in the embodiment, the bottom portion 27 of the combustion bowl 21st incorporated, for example, be screwed. Furthermore, of course, a circumferential lower cooling channel part 24a of the cooling channel 24 can be preprocessed. This results in the outer peripheral joining surface 29 and the inner peripheral joining surface 31. According to the invention, the inner joint surface 31 is widened in the direction of the bottom region 27, as can be seen particularly clearly from the comparison with the piston blank according to the state of the art shown in FIG.
  • Combustion well 21 incorporated, for example. Screwed. Further is
  • a circumferential upper cooling channel part 24b of the cooling channel 24 is incorporated.
  • the outer joining surface 29 of the blank 1 1 ' corresponds to the outer joining surface 32 of the blank 12'.
  • the inner, widened joining surface 31 of the blank 1 1 ', 11a and the inner joining surface 33 of the blank 12', 12a correspond to one another in accordance with the invention in that a to the bottom portion 27 of the
  • Combustion mold 21 directed toward portion 34 of the joining surface 31 remains free.
  • Friction welding method provides that one of the two blanks 1 1 ', 1 1 a, 12', 12a is rotated until a speed of 1 .500 U / min to 2,500 U / min is reached. Now, the blanks 1 1 ', 12', or 1 1 ', 12a, or 1 1 a, 12' brought about their joining surfaces 29, 31 and 32, 33 with each other and under a contact pressure, based on the joining surfaces 29th , 31 and 32, 33, respectively, from 10 N / mm 2 to 30 N / mm 2. The rotational movement and the contact pressure generate a friction which heats the joining surfaces 29, 31 or 32, 33.
  • the speed and the contact pressure are chosen depending on the materials used so that the joining surfaces 29, 31 and 32, 33 to a temperature close to the melting point of the material or materials heat.
  • the rotation is stopped while maintaining the contact pressure, i. the tensioner is braked and stopped as quickly as possible (within less than 1 second if possible). During this process, the contact pressure is maintained. After stopping it will be
  • FIG. 3 shows the piston blank 10 'produced in this way.
  • the piston blank 10 ' has friction welds 35, 36 as a result of the friction welding operation described above.
  • the piston blank 10 ' is in a conventional manner, depending on the
  • the outer shape, surfaces, combustion bowl, ring section, hub bores, etc. can be finished.
  • the freestanding portion 34 of the joining surface 31 is removed, preferably by unscrewing.
  • the bottom region 27 and the wall region 28 of the combustion bowl 21 are finished.
  • the depth of the combustion bowl 21 in the course of the removal of the portion 34 of the joining surface 31 can be chosen freely.
  • the blanks 1 1 1 ', 12', 1 1 a, 12 a can be made of a tempering steel or a precipitation hardening steel and before joining
  • the heat affected zones extend above and below the
  • Friction welds 35, 36 each about 1 to 3 mm.
  • Heat affected zones is the hardness of the material by about 400 HV (Vickers) compared to the tempered material of the blanks 1 1 ', 1 1 a, 12', 12a outside the heat affected zones increased.
  • the resulting piston blank 10 ' is then after the friction welding a heat treatment,
  • Heat treatment reduces the hardness of the material by about 200 HV (Vickers) both in the heat affected zones and outside the heat affected zones.
  • the hardness difference between the harder heat affected zones and the remaining material of the blanks 1 1 ', 1 1 a, 12', 12a thus remains permanently.
  • Figure 5 shows another embodiment of a blank 1 1 1 'a
  • the blank 1 1 1 1 'of the piston base body 1 1 1 has an outer circumferential joining surface 129 an inner circumferential, in the direction of a bottom portion 127 of the combustion bowl 124 widened joining surface 131 and between two joining surfaces 129, 131 encircling lower cooling channel portion 124 a, wherein at least one of Joining surfaces 129,
  • the outer joining surface 129 of Blank 1 1 1 ' corresponds to the outer joining surface 132 of the blank 1 12'.
  • the inner, widened joining surface 131 of the blank 1 1 1 ' corresponds to the inner joining face 133 of the blank 1 12'. This means that the two blanks 1 1 1 ', 1 12' along their joining surfaces 129, 131 and 132, 133 can be connected together to form a piston blank 1 10 '.
  • the inner, widened joining surface 131 of the blank 1 1 1 'and the inner joining surface 133 of the blank 1 12' correspond to one another.
  • a circumferential widening 137 in the form of a bevel is formed on the inner joining surfaces 133 of the blank 1 12 'of the piston ring element 12.
  • the widening 137 opens in the direction of the bottom area 127 of the combustion trough 121.
  • Extension of the widening 137 in the exemplary embodiment is about 1 mm in each case. If the joining surfaces 129, 131 and 132, 133 of the blanks 1 1 1 ', 1 12' come into contact with each other at the beginning of the above-described friction welding operation, the widenings 137 in the exemplary embodiment form a free space in the form of a right triangle with a maximum axial extent of about 1 mm, in which the molten material distributed Here, the excess material is absorbed in the above-described joints.
  • FIG. 6 shows the piston blank 1 10 'produced in this way.
  • the piston blank 1 10 'exhibits as a result of the above
  • the piston blank 1 10 ' is in a conventional manner, depending on the formation of the blanks 1 1 1 1', 1 12 ', reworked or finished.
  • the blanks 1 1 1 1', 1 12 ' can external shape, surfaces, combustion bowl, ring section,
  • the free-standing portion 134 of the joining surface 131 is removed, preferably by unscrewing.
  • the bottom portion 127 and the wall portion 128 of the combustion bowl 121 are finished.
  • Subregion 134 of the joining surface 131 are freely selected. Thus, with identical blanks 1 1 1 'for the piston body 1 1 1 piston 1 10 with combustion recesses 121 different depth can be produced. in the
  • Figure 8 shows an enlarged partial view of another
  • Embodiment are at both joining surfaces 229, 231 of the blank 21 1 and at both joining surfaces 232, 233 of the blank 212 each have a circumferential widening 237 a, 237 b formed in the form of a chamfer.
  • Expansions 237a extend in the direction of the cooling channel part 224a of the blank 21 1.
  • the widenings 237b extend in the direction of the cooling channel part 224b of the blank 212.
  • Extension of the widenings 237a, 237b in the exemplary embodiment is in each case about 1.0 mm, while the radial extent of the widenings 237a, 237b is in each case about 0.5 mm.
  • Embodiment two opposing joints with a maximum axial extent of about 2 mm, which can accommodate excess material.
  • widenings with different geometry can be combined with each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110) mit folgenden Verfahrensschritten: (a) Bereitstellen eines Rohlings (11',111', 211) mit einer äußeren umlaufenden Fügefläche (29, 129, 229), einer inneren umlaufenden, in Richtung des Bodenbereichs (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) verbreiterten Fügefläche (31, 131, 231) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (29, 31; 129, 131; 229, 231) umlaufenden unteren Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a), wobei zumindest eine der Fügeflächen (29, 129, 229, 31, 131, 231) und/oder das untere Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a) nicht nachbearbeitet sind, (b) Bereitstellen eines Rohlings (12', 112', 212) mit einer äußeren ringförmigen Fügefläche (32,132, 232), einer inneren ringförmigen Fügefläche (33, 133, 133) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) umlaufenden oberen Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b), wobei zumindest eine der Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) und/oder das obere Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b) nicht nachbearbeitet sind, (c) Fügen des Rohlings (11', 111', 211) mit dem Rohling (12', 112', 212) zu einem Kolbenrohling (10', 110'), derart, dass zumindest ein Teilbereich (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31, 131, 231) des Rohlings (11',111', 211) frei stehen bleibt, (d) Entfernen des Teilbereichs (34, 134, 234).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbengrundkörper und
einem Kolbenringelement, wobei der Kolbengrundkörper zumindest einen Kolbenschaft und zumindest einen Bodenbereich einer Verbrennungsmulde aufweist, wobei das Kolbenringelement einen Kolbenboden, zumindest einen Wandbereich der Verbrennungsmulde, einen umlaufenden Feuersteg und zumindest einen Teil einer mit Ringnuten versehenen umlaufenden Ringpartie aufweist und wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal bilden.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist bspw. aus der Offenlegungsschrift US
201 1/0107997 A1 bekannt. Derartige Kolben können sehr flache
und große Verbrennungsmulden aufweisen, insbesondere wenn sie für
Nutzfahrzeuge hergestellt werden. Die Rohlinge des Kolbengrundkörpers und des Kolbenringelements werden zum einen bevorzugt durch ein
Schmiedeverfahren hergestellt und zum anderen bevorzugt mittels eines
Reibschweißverfahrens gefügt, wobei entlang der Fügenähte Reibschweißwulste entstehen. Bei Kolben mit flachen und großen Brennraummulden oder geringer Bauhöhenverhältnisse (CH/D <55%) ist es jedoch schwierig, im
Kolbengrundkörper durch ein Schmiedeverfahren eine Fügefläche auszubilden, die im Wesentlichen einem Rohrende gleicht
und mit der Fügefläche des Kolbenringkörpers korrespondiert. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder zumindest eine andere
Ausführungsform anzugeben, das insbesondere kostengünstiger ist.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Schritten: (a)
Bereitstellen eines Rohlings des Kolbengrundkörpers mit einer äußeren umlaufenden Fügefläche, einer inneren umlaufenden, in Richtung eines
Bodenbereichs einer Verbrennungsmulde verbreiterten Fügefläche sowie einem zwischen beiden Fügeflächen umlaufenden unteren Kühlkanalteil, wobei zumindest eine der Fügeflächen und/oder das untere Kühlkanalteil nicht nachbearbeitet sind, das heißt beispielsweise nicht mittels Drehen nachbearbeitet sind, (b) Bereitstellen eines Rohlings des Kolbenringelements mit einer äußeren ringförmigen Fügefläche, einer inneren ringförmigen Fügefläche sowie einem zwischen beiden Fügeflächen umlaufenden oberen Kühlkanalteil, wobei zumindest eine der Fügeflächen und/oder das obere Kühlkanalteil nicht nachbearbeitet sind, (c) Fügen der beiden Rohlinge über ihre Fügeflächen zu einem Kolbenrohling, derart, dass zumindest im Bodenbereich der
Verbrennungsmulde ein Teilbereich der verbreiterten Fügefläche des Rohlings frei stehen bleibt, (d) Nachbearbeiten und/oder Fertigbearbeiten des
Kolbenrohlings zu einem Kolben unter Entfernen des Teilbereichs der
verbreiterten Fügefläche.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, die innere Fügefläche des Rohlings des Kolbengrundkörpers in Richtung der Verbrennungsmulde
zu verbreitern. Diese Fügefläche ist somit größer bemessen als die
entsprechende innere Fügefläche des Rohlings des Kolbenringelements. Sie gleicht nicht mehr wie bisher einem Rohrende, sondern ist im Wesentlichen als Ringplatte und damit wesentlich weniger filigran ausgebildet, als es bisher im Stand der Technik der Fall ist. Diese strukturell einfache Ausbildung der inneren umlaufenden Fügefläche des Rohlings des Kolbengrundkörpers gestattet es, den Rohling mittels eines Schmiedeverfahrens herzustellen.
Zugleich erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, die Rohlinge mittels eines Reibschweißverfahrens zu fügen, da der dabei im Bereich der
Verbrennungsmulde auftretende Reibschweißwulst sich oberhalb der frei stehen bleibenden Fügefläche ausbreiten und beim Nach- bzw. Fertigbearbeiten auf einfache Weise entfernt werden kann. Schließlich erlaubt es das
erfindungsgemäße Verfahren, die Verbrennungsmulde nachträglich tiefer auszuarbeiten, falls dies zweckmäßig oder gewünscht ist. Somit können mit gleichen Rohlingen für den Kolbengrundkörper Kolben mit unterschiedlich tief ausgebildeten Verbrennungsmulden hergestellt werden. Das erlaubt es, die Herstellung der Kolbenrohlinge zu rationalisieren und somit die
Herstellungskosten zu senken. Von besonderem Vorteil hierbei ist, dass durch beispielsweise fertiggeschmiedete Rohlinge ein bislang nach dem Schmieden erforderliches Nachbearbeiten der Fügeflächen und/oder der Kühlkanalteile für das anschließende Reibschweißen, beispielsweise durch Drehen, entfallen kann, wodurch die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden können, da der
Schmiedeprozess kostenneutral, das heißt ohne zum bislang eingesetzten Schmiedeprozess höheren Kosten, ist und dass nachträglich keinerlei
spanabhebende Bearbeitung erforderlich ist. Als weiterer Vorteil ergibt sich ein Ausschluss des Risikos hinsichtlich Restschmutz bzw. Bearbeitungsspänen, sodass der Prozess deutlich prozesssicherer wird.
Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, bei lediglich einem der beiden Rohlinge, beispielsweise beim Rohling des Kolbengrundkörpers zumindest eine der Fügeflächen und/oder das untere Kühlkanalteil nicht nachzubearbeiten, während beim Rohling für das Kolbenringelement zumindest eine der
Fügeflächen und/oder das obere Kühlkanalteil nachbearbeitet sind. Wiederum alternativ ist es auch denkbar, beim Rohling des Kolbengrundkörpers zumindest eine der Fügeflächen und/oder das untere Kühlkanalteil
nachzubearbeiten, während beim Rohling für das Kolbenringelement zumindest eine der Fügeflächen und/oder das obere Kühlkanalteil nicht nachbearbeitet sind. Auch bei den beiden genannten Alternativen können die Vorteile des
erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden.
Anschließend folgen im Verfahrensschritt (c) das Fügen der jeweils ausgewählten Rohlinge über ihre Fügeflächen zu einem Kolbenrohling, derart, dass zumindest im Bodenbereich der Verbrennungsmulde ein Teilbereich der verbreiterten Fügefläche des Rohlings frei stehen bleibt, sowie im Verfahrensschritt (d) das Nachbearbeiten und/oder Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings zu einem Kolben unter Entfernen des Teilbereichs der verbreiterten Fügefläche.
In gleicher weise ist es selbstverständlich auch möglich zumindest einen Rohling in einem Gussverfahren, beispielsweise einem Eisengussverfahren, herzustellen. Auch hierbei erfolgt zunächst im Verfahrensschritt (a) das Bereitstellen des nun beispielsweise gegossenen Rohlings des Kolbengrundkörpers mit einer äußeren umlaufenden Fügefläche, einer inneren umlaufenden, in Richtung eines
Bodenbereichs einer Verbrennungsmulde verbreiterten Fügefläche sowie einem zwischen beiden Fügeflächen umlaufenden unteren Kühlkanalteil, wobei zumindest eine der Fügeflächen und/oder das untere Kühlkanalteil nicht nachbearbeitet sind, das heißt beispielsweise nicht mittels Drehen nachbearbeitet sind. Im Verfahrensschritt (b) erfolgt das Bereitstellen des gegossenen Rohlings des Kolbenringelements mit einer äußeren ringförmigen Fügefläche, einer inneren ringförmigen Fügefläche sowie einem zwischen beiden Fügeflächen umlaufenden oberen Kühlkanalteil, wobei zumindest eine der Fügeflächen und/oder das obere Kühlkanalteil nicht nachbearbeitet sind. Generell sind somit unterschiedlichste Konstellationen denkbar, beispielsweise komplett nicht nachbearbeitete Rohlinge, Rohlinge an denen nur die Fügeflächen oder jeweils nur eine Fügefläche, nicht aber die Kühlkanalteile nachbearbeitet sind, oder aber auch Rohlinge, bei denen das zugehörige Kühlkanalteil und keine oder eine Fügefläche nachbearbeitet sind. Anschließend folgen die Verfahrensschritte (c) und (d) wie gehabt.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise wird in Schritt (a) bzw. Schritt (b) der Rohling und/oder der Rohling mittels eines Schmiedeverfahrens hergestellt. Ferner wird in Schritt (c) der Rohling mit dem Rohling vorzugsweise mittels eines Reibschweißverfahrens unter Bildung mindestens einer Reibschweißnaht gefügt. Diese
Herstellungsverfahren sind besonders geläufig und seit langer Zeit bewährt.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass vor dem Fügen mittels eines Reibschweißverfahrens vor dem Schritt (c) umlaufende
Aufweitungen an der inneren und äußeren Fügefläche des Rohlings und/oder an der inneren und äußeren Fügefläche des Rohlings angebracht
werden. Die Fügeflächen werden somit derart ausgebildet, dass ein Bereich der
Fügeflächen während des Reibschweißens überschüssigen Werkstoff
aufnehmen kann. Die typischen eingerollten Reibschweißwulste können somit nicht entstehen.
Die Aufweitungen können beliebig ausgeformt sein, bspw. in Form einer
Schrägfläche, einer Fase oder einer Mulde. Die Aufweitungen können
bspw. mit einer axialen Erstreckung von 1 ,0 mm bis 1 ,5 mm und/oder mit einer radialen Erstreckung von mindestens 0,5 mm ausgeformt sein. Die Rohlinge werden zweckmäßigerweise aus einem Vergütungsstahl oder einem ausscheidungshärtenden Stahl hergestellt. In diesem
Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn die Rohlinge vor Schritt (c) vergütet und in Schritt (c) unter Bildung einer Wärmeeinflusszone im Bereich
der mindestens einen Reibschweißnaht (25, 26, 125, 126) gefügt werden sowie nach Schritt (c) der resultierende Kolbenrohling durch Anlassen oder
Spannungsarmglühen unter Erhalt der Wärmeeinflusszone(n) wärmebehandelt wird. Bei diesem Verfahren erfolgt in an sich bekannter Weise eine
Aufhärtung des Werkstoffs der Rohlinge in der näheren Umgebung der
Reibschweißnähte. Die Härte steigt in diesem Bereich um bis zu 400 HV
(Vickers). Dieser aufgehärtete Bereich wird als "Wärmeeinflusszone" bezeichnet. Die Wärmeeinflusszone ist härter als der vergütete Werkstoff des
Kolbenrohlings außerhalb der Wärmeeinflusszone. Eine Vergütung nach dem Fügen durch Reibschweißen ist nicht mehr erforderlich. Stattdessen
wird der aus dem Reibschweißen resultierende Kolbenrohling nur noch einem Anlassen oder einem Spannungsarmglühen unterzogen, um eventuell
vorhandene Spannungen abzubauen. Dabei sinkt die Härte in der
Wärmeeinflusszone etwas ab, es verbleibt jedoch eine Aufhärtung mit einer Härte von bis zu 200 HV (Vickers). Da die Härte des vergüteten Werkstoffs des
Kolbenrohlings außerhalb der Wärmeeinflusszone durch das Anlassen bzw.
Spannungsarmglühen ebenfalls etwas absinkt, bleibt die Wärmeeinflusszone im Wesentlichen erhalten. Die Wärmeeinflusszone im fertigen Kolben ist
also ein Bereich rund um die Reibschweißnaht, der eine größere Vickers-Härte aufweist als der restliche Werkstoff des Kolbens.
Diese Wärmeeinflusszone kann zur Verbesserung von Teilbereichen bzw.
Teilstrukturen des Kolbens genutzt, die einem verstärkten Verschleiß unterliegen. Zu diesem Zweck wird die Reibschweißnaht bzw. werden die mittels
Reibschweißen zu verbindenden Fügeflächen der Rohlinge der Kolbenbauteile so positioniert, dass die Teilbereiche bzw. Teilstrukturen des herzustellenden Kolbens, die einem verstärkten Verschleiß unterliegen und daher gehärtet werden sollen, nach dem Reibschweißen in der Wärmeeinflusszone liegen. Damit ist es nicht mehr erforderlich, diese Teilbereiche bzw. Teil strukturen einem separaten Härtungsverfahren, wie Nitrieren oder Laserstrahlbehandlung, zu unterziehen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine der Fügeflächen und/oder das untere und/oder das obere Kühlkanalteil beim Schmieden des Rohlings fertiggeschmiedet werden. Durch das Fertigschmieden zumindest einer der Fügeflächen und/oder zumindest eines der Kühlkanalteile kann ein bislang erforderliches Nachbearbeiten eines nicht fertiggeschmiedeten Kolbenrohlings entfallen, da beispielsweise bereits fertiggeschmiedete Fügeflächen, zumindest aber fertiggeschmiedete
Kühlkanalteile, keiner weiteren Oberflächenbearbeitung mehr bedürfen. Selbst fertiggeschmiedete Fügeflächen lassen sich dabei derart herstellen, dass diese sofort und ohne weitere Bearbeitung dem Reibschwei ßprozess zugeführt werden können. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten deutlich senken, da der Schmiedeprozess kostenneutral, das heißt ohne zum bislang eingesetzten Schmiedeprozess höhere Kosten, ist und nachträglich keinerlei spanabhebende Bearbeitung erforderlich ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in
einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel von Rohlingen zur Herstellung eines
gattungsgemäßen Kolbens nach dem Stand der Technik; ein erstes Ausführungsbeispiel von Rohlingen, aus denen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kolben hergestellt wird, wobei die rechte Hälfte der Figur gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht ist; ein erstes Ausführungsbeispiel eines mittels eines Reibschweißverfahrens gefügten Kolbenrohlings aus den Rohlingen gemäß Figur 2, wobei die rechte Hälfte der Figur gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht ist; ein erstes Ausführungsbeispiel eines fertig bearbeiteten Kolbens aus dem Kolbenrohling gemäß Figur 3, wobei die rechte Hälfte der Figur gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht ist; ein weiteres Ausführungsbeispiel von Rohlingen, aus denen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kolben hergestellt wird, wobei die rechte Hälfte der Figur gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht ist; ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mittels eines
Reibschweißverfahrens gefügten Kolbenrohlings aus den Rohlingen gemäß Figur 5, wobei die rechte Hälfte der Figur gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht ist; ein weiteres Ausführungsbeispiel eines fertig bearbeiteten Kolbens aus dem Kolbenrohling gemäß Figur 6, wobei die rechte Hälfte der Figur gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht ist; eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels von Rohlingen, aus denen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kolben hergestellt wird. Die Figuren 4 und 7 zeigen einen fertigen Kolben 10, 1 10, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels eines Reibschweißverfahrens hergestellt wurde. Der Kolben 10, 1 10 besteht aus einem Kolbengrundkörper 1 1 , 1 1 1 und einem Kolbenringelement 12, 1 12.
Beide Bauteile können aus jedem metallischen Werkstoff bestehen, der zum Reibschweißen geeignet ist und sind über Reibschweißnähte 35, 36, 135, 136 miteinander verbunden.
Im Ausführungsbeispiel besteht der Kolbengrundkörper 1 1 , 1 1 1 , 21 1 aus einem
Stahlwerkstoff, bspw. 42CrMo4. Der Kolbengrundkörper 1 1 , 1 1 1
weist einen Kolbenschaft 15, 1 15 auf, der in an sich bekannter Weise mit
Kolbennaben 16, 1 16 und Nabenbohrungen 17, 1 17 zur Aufnahme eines
Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie Laufflächen 18, 1 18 versehen ist. Das
Kolbenringelement 12, 1 12 ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus
einem Stahlwerkstoff, bspw. 38MnVS6, hergestellt. Das Kolbenringelement 12,
1 12 weist einen Kolbenboden 19, 1 19 mit einer Verbrennungsmulde 21 ,
121 sowie einen umlaufenden Feuersteg 22, 122 und eine umlaufende Ringpartie
23, 123 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der
Kolbengrundkörper 1 1 , 1 1 1 und das Kolbenringelement 12, 1 12 bilden
gemeinsam einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 24, 124.
Der Kolben 10 gemäß Figur 4 wird mittels des nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens herstellt.
Gemäß Figur 2 wird zunächst ein zumindest teilweise nicht nachbearbeiteter Rohling 1 1 ' eines Kolbengrundkörpers 1 1 sowie ein zumindest teilweise nicht nachbearbeiteter Rohling 12' eines Kolbenringelements 12 bereitgestellt. Der Rohling 1 1 ' des Kolbengrundkörpers 1 1 weist eine äußere umlaufende Fügefläche 29 eine innere umlaufende, in Richtung eines Bodenbereichs 27 einer Verbrennungsmulde 21 verbreiterte Fügefläche 31 sowie ein zwischen beiden Fügeflächen 29, 31 umlaufendes unteres Kühlkanalteil 24a auf, wobei zumindest eine der Fügeflächen 29, 31 und/oder das untere Kühlkanalteil 24a nicht nachbearbeitet, das heißt nach beispielsweise dem Schmieden nicht mittels beispielsweise Drehen bearbeitet sind. Nachbearbeitet bedeutet hierbei ein Nacharbeiten nach dem Herstellen der Rohlings 1 1 ' und ein Vorbearbeiten vor dem Reibschweißen. In gleicher Weise wird ein Rohling 12' des
Kolbenringelements 12 bereitgestellt, der eine äußere ringförmige Fügefläche 32 eine innere ringförmige Fügefläche 33 sowie einen zwischen beiden Fügeflächen 32, 33 umlaufenden oberen Kühlkanalteil 24b aufweist, wobei zumindest eine der Fügeflächen 32, 33 und/oder das obere Kühlkanalteil 24b nicht nachbearbeitet, das heißt beispielsweise nach dem Schmieden nicht mittels beispielsweise Drehen bearbeitet sind. Nachbearbeitet werden kann der Rohling 1 1 '
beispielsweise natürlich im Bodenbereich 27 der Verbrennungsmulde 21 , beispielsweise durch Drehen. Das Nichtnachbearbeiten bezieht somit
ausschließlich auf zumindest eine Fügefläche 29, 129, 229, 31 , 131 , 231 , 32, 33; 132, 133; 232, 233 und/oder zumindest ein Kühlkanalteil 24a, 124a, 224a, 24b, 124b, 224b (vgl. auch die Fig. 3-8).
Alternativ aber gleichwertig ist dabei auch denkbar, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Rohling (1 1 ',1 1 1 ', 21 1 ) des Kolbengrundkörpers (1 1 , 1 1 1 ) zu verwenden, bei dem zumindest eine der Fügeflächen (29, 129, 229, 31 , 131 , 231 ) und/oder das untere Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a) nicht nachbearbeitet sind, sowie einen Rohling (12a) des Kolbenringelements (12, 1 12), bei dem zumindest eine der Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) und/oder das obere
Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b) nachbearbeitet sind. Auch hierbei erfolgt anschließend im Verfahrensschritt (c) ein Fügen des Rohlings (1 1 ', 1 1 1 ', 21 1 ) mit dem Rohling (12a) über ihre Fügeflächen (29, 129, 229; 31 , 131 , 231 ; 32, 132, 232; 33, 133, 232) zu einem Kolbenrohling (10', 1 10'), derart, dass zumindest im Bodenbereich (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) ein Teilbereich (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131 , 231 ) des Rohlings (1 1 ',1 1 1 ', 21 1 ) frei stehen bleibt, sowie im Verfahrensschritt (d) ein Nachbearbeiten und/oder Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings (10', 1 10') zu einem Kolben (10,1 10) unter Entfernen des Teilbereichs (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131 , 231 ).
Wiederum alternativ aber ebenfalls wiederum gleichwertig ist denkbar, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Rohling (1 1 a) des Kolbengrundkörpers (1 1 , 1 1 1 ) zu verwenden, bei dem zumindest eine der Fügeflächen (29, 129, 229, 31 ,
131 , 231 ) und/oder das untere Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a) nachbearbeitet sind, sowie einen Rohling (12', 1 12', 212) des Kolbenringelements (12, 1 12), bei dem zumindest eine der Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) und/oder das obere Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b) nicht nachbearbeitet sind,
Auch hier erfolgt im Verfahrensschritt (c) ein Fügen des Rohlings (1 1 a) mit dem Rohling (12', 1 12', 212) über ihre Fügeflächen (29, 129, 229; 31 , 131 , 231 ; 32,
132, 232; 33, 133, 232) zu einem Kolbenrohling (10', 1 10'), derart, dass zumindest im Bodenbereich (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) ein Teilbereich (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131 , 231 ) des Rohlings (1 1 a) frei stehen bleibt, sowie ein im Verfahrensschritt (d) ein
Nachbearbeiten und/oder Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings (10', 1 10') zu einem Kolben (10,1 10) unter Entfernen des Teilbereichs (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131 , 231 ).
Die Rohlinge 1 1 ', 1 1 a, 1 1 1 ', 12', 12a, 212' sind im Ausführungsbeispiel mittels eines Schmiedeverfahrens hergestellt. Anschließend kann in den Rohling 1 1 ' im Ausführungsbeispiel der Bodenbereich 27 der Verbrennungsmulde 21 eingearbeitet, bspw. eingedreht werden. Ferner kann natürlich ein umlaufender unterer Kühlkanalteil 24a des Kühlkanals 24 vorbearbeitet werden. Daraus ergeben sich die äußere umlaufende Fügefläche 29 und die innere umlaufende Fügefläche 31 . Erfindungsgemäß ist die innere Fügefläche 31 in Richtung des Bodenbereichs 27 verbreitert, wie es sich besonders deutlich aus dem Vergleich mit den in Figur 1 dargestellten Kolbenrohling gemäß dem Stand der
Technik ergibt.
In den Rohling 12', 12a ist im Ausführungsbeispiel der Wandbereich 28 der
Verbrennungsmulde 21 eingearbeitet, bspw. eingedreht. Ferner ist
ein umlaufender oberer Kühlkanalteil 24b des Kühlkanals 24 eingearbeitet.
Daraus ergeben sich die äußere umlaufende Fügefläche 32 und die
innere umlaufende Fügefläche 33. Die äußere Fügefläche 29 des Rohlings 1 1 ' korrespondiert mit der äußere Fügefläche 32 des Rohlings 12'. In
entsprechender Weise korrespondiert die innere, verbreiterte Fügefläche 31 des
Rohlings 1 1 ', 1 1 a mit der inneren Fügefläche 33 des Rohlings 12'. Das
bedeutet, dass die beiden Rohlinge 1 1 ', 1 1 a, 12', 12a entlang ihrer Fügeflächen
29, 31 bzw. 32, 33 miteinander zu einem Kolbenrohling 10' verbunden werden können.
Wie in Figur 2 deutlich zu erkennen ist, insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Figur 1 , korrespondieren die innere, verbreiterte Fügefläche 31 des Rohlings 1 1 ', 1 1 a und die innere Fügefläche 33 des Rohlings 12', 12a erfindungsgemäß derart miteinander, dass ein zum Bodenbereich 27 der
Verbrennungsmulde 21 hin gerichteter Teilbereich 34 der Fügefläche 31 frei stehen bleibt.
Zum Verbinden der beiden Rohlinge 1 1 ', 12', oder 1 1 ', 12a, oder 1 1 a, 12' werden diese in an sich bekannter Weise fluchtend gespannt und mittels eines Reibschweißverfahrens gefügt. Ein Ausführungsbeispiel eines
Reibschweißverfahrens sieht vor, dass einer der beiden Rohlinge 1 1 ', 1 1 a, 12', 12a in Rotation versetzt wird, bis eine Drehzahl von 1 .500 U/min bis 2.500 U/min erreicht ist. Nun werden die Rohlinge 1 1 ', 12', oder 1 1 ', 12a, oder 1 1 a, 12' über ihre Fügeflächen 29, 31 bzw. 32, 33 miteinander in Kontakt gebracht und unter einem Anpressdruck, bezogen auf die Fügeflächen 29, 31 bzw. 32, 33, von 10 N/mm2 bis 30 N/mm2 zusammengedrückt. Die Rotationsbewegung und der Anpressdruck erzeugen eine Reibung, welche die Fügeflächen 29, 31 bzw. 32, 33 aufheizt. Die Drehzahl und der Anpressdruck werden abhängig von den verwendeten Werkstoffen so gewählt, dass sich die Fügeflächen 29, 31 bzw. 32, 33 auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des Werkstoffs bzw. der Werkstoffe erwärmen. Wenn dies erreicht ist (je nach Werkstoff bzw. Werkstoffen nach 1 bis 3 Sekunden), wird die Rotation unter Beibehaltung des Anpressdrucks beendet, d.h. die Spannvorrichtung wird so schnell wie möglich (möglichst innerhalb weniger als 1 Sekunde) abgebremst und angehalten. Während dieses Vorgangs wird der Anpressdruck beibehalten. Nach dem Anhalten wird
der Anpressdruck auf einen Fügedruck, bezogen auf die Fügeflächen 29, 31 bzw. 32, 33 von 100 N/mm2 bis 140 N/mm2 erhöht, und die Rohlinge 1 1 ', 12', oder 1 1 ', 12a, oder 1 1 a, 12' werden etwa 5 Sekunden unter diesem Fügedruck
zusammengepresst. Das beschriebene Reibschweißverfahren kann
selbstverständlich auch für die anderen in den Figuren abgebildeten
Ausführungsformen der Rohlinge angewandt werden. Auch sämtliche übrigen Vorteile bzw. Eigenschaften sind nicht nur auf die jeweilige Figur beschränkend anzusehen, sondern auch auf andere Figuren und die darin gezeigten
Ausführungsbeispiele übertragbar.
Figur 3 zeigt den so gefertigten Kolbenrohling 10'. Der Kolbenrohling 10' weist als Ergebnis des oben beschriebenen Reibschweißvorgangs Reibschweißnähte 35, 36 auf. Der Kolbenrohling 10' wird in an sich bekannter Weise, abhängig von der
Ausbildung der Rohlinge 1 1 ', 12', 1 1 a, 12a nachgearbeitet bzw. fertigbearbeitet. Bspw. können Außenform, Oberflächen, Verbrennungsmulde, Ringpartie, Nabenbohrungen, etc. fertig bearbeitet werden.
Erfindungsgemäß wird der frei stehende Teilbereich 34 der Fügefläche 31 entfernt, vorzugsweise durch Ausdrehen. Im Zuge dieses Verfahrensschritts werden der Bodenbereich 27 und der Wandbereich 28 der Verbrennungsmulde 21 fertig bearbeitet. Hierbei kann die Tiefe der Verbrennungsmulde 21 im Zuge der Entfernung des Teilbereichs 34 der Fügefläche 31 frei gewählt werden. Somit können mit baugleichen Rohlingen 1 1 ', 1 1 a für den Kolbengrundkörper 1 1 Kolben 10 mit Verbrennungsmulden 21 unterschiedlicher Tiefe hergestellt werden. Im Ergebnis erhält man den oben beschriebenen fertigen Kolben 10 gemäß Figur 4.
Die Rohlinge 1 1 ', 12', 1 1 a, 12a können aus einem Vergütungsstahl oder einem ausscheidungshärtenden Stahl hergestellt und vor dem Fügen
vergütet werden. Beim Fügen durch Reibschweißen bildet sich rund um die entstandenen Reibschweißnähte 35, 36 jeweils eine Wärmeeinflusszone.
Die Wärmeeinflusszonen erstrecken sich oberhalb und unterhalb der
Reibschweißnähte 35, 36 über jeweils etwa 1 bis 3 mm. Im Bereich der
Wärmeeinflusszonen ist die Härte des Werkstoffs um etwa 400 HV (Vickers) gegenüber dem vergüteten Werkstoff der Rohlinge 1 1 ', 1 1 a, 12', 12a außerhalb der Wärmeeinflusszonen erhöht. Der resultierende Kolbenrohling 10' wird dann nach dem Reibschweißen einer Wärmebehandlung, nämlich
einem Anlassen oder einem Spannungsarmglühen, unterzogen. Diese
Wärmebehandlung führt dazu, dass die Härte des Werkstoffs sowohl in den Wärmeeinflusszonen als auch außerhalb der Wärmeeinflusszonen um etwa 200 HV (Vickers) reduziert wird. Der Härteunterschied zwischen den härteren Wärmeeinflusszonen und dem restlichen Werkstoff der Rohlinge 1 1 ', 1 1 a, 12', 12a bleibt somit dauerhaft erhalten.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rohlings 1 1 1 ' eines
Kolbengrundkörpers 1 1 1 sowie eines Rohlings 1 12' eines Kolbenringelements 1 12 für einen erfindungsgemäßen Kolben 1 10. Die Rohlinge 1 1 1 ', 1 12' sind im Ausführungsbeispiel mittels eines Schmiedeverfahrens hergestellt. Anschließend wurden die Rohlinge 1 1 1 ', 1 12' bearbeitet. Hierbei wurde in den Rohling 1 1 1 ' im Ausführungsbeispiel der Bodenbereich 127 der Verbrennungsmulde 121 eingearbeitet, bspw. eingedreht. Der Rohling 1 1 1 ' des Kolbengrundkörpers 1 1 1 weist eine äußere umlaufende Fügefläche 129 eine innere umlaufende, in Richtung eines Bodenbereichs 127 der Verbrennungsmulde 124 verbreiterte Fügefläche 131 sowie ein zwischen beiden Fügeflächen 129, 131 umlaufendes unteres Kühlkanalteil 124a auf, wobei zumindest eine der Fügeflächen 129,
131 und/oder das untere Kühlkanalteil 124a nicht nachbearbeitet, das heißt nach beispielsweise dem Schmieden nicht mittels beispielsweise Drehen bearbeitet sind. In gleicher Weise wird der Rohling 1 12' des Kolbenringelements 1 12 bereitgestellt, der eine äußere ringförmige Fügefläche 132 eine innere
ringförmige Fügefläche 133 sowie einen zwischen beiden Fügeflächen 132, 133 umlaufenden oberen Kühlkanalteil 124b aufweist, wobei zumindest eine der Fügeflächen 132, 133 und/oder das obere Kühlkanalteil 124b nicht
nachbearbeitet, das heißt nach beispielsweise dem Schmieden nicht mittels beispielsweise Drehen bearbeitet sind.
In den Rohling 1 12' ist im Ausführungsbeispiel der Wandbereich 128 der Verbrennungsmulde 121 eingearbeitet, bspw. eingedreht. Ferner ist
der umlaufende obere Kühlkanalteil 124b des Kühlkanals 124 eingearbeitet. Daraus ergeben sich die vorher beschriebene äußere umlaufende Fügefläche
132 und die innere umlaufende Fügefläche 133. Die äußere Fügefläche 129 des Rohlings 1 1 1 ' korrespondiert mit der äußere Fügefläche 132 des Rohlings 1 12'. In entsprechender Weise korrespondiert die innere, verbreiterte Fügefläche 131 des Rohlings 1 1 1 ' mit der inneren Fügefläche 133 des Rohlings 1 12'. Das bedeutet, dass die beiden Rohlinge 1 1 1 ', 1 12' entlang ihrer Fügeflächen 129, 131 bzw. 132, 133 miteinander zu einem Kolbenrohling 1 10' verbunden werden können.
Wie in Figur 5 deutlich zu erkennen ist, insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Figur 1 , korrespondieren die innere, verbreiterte Fügefläche 131 des Rohlings 1 1 1 ' und die innere Fügefläche 133 des Rohlings 1 12'
erfindungsgemäß derart miteinander, dass ein zum Bodenbereich 127 der Verbrennungsmulde 121 hin gerichteter Teilbereich 134 der Fügefläche 131 frei stehen bleibt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an der inneren Fügeflächen 133 des Rohlings 1 12' des Kolbenringelements 1 12 jeweils eine umlaufende Aufweitung 137 in Form einer Schräge ausgeformt. Die Aufweitung137 öffnet sich in Richtung des Bodenbereichs 127 der Verbrennungsmulde 121 . Die maximale axiale
Erstreckung der Aufweitung 137 beträgt im Ausführungsbeispiel jeweils etwa 1 mm. Wenn die Fügeflächen 129, 131 bzw. 132, 133 der Rohlinge 1 1 1 ', 1 12' zu Beginn des oben beschriebenen Reibschweißvorgangs miteinander in Kontakt kommen, bilden die Aufweitungen 137 im Ausführungsbeispiel einen Freiraum in Form eines rechtwinkligen Dreiecks mit einer maximalen axialen Erstreckung von etwa 1 mm, in dem sich der aufgeschmolzene Werkstoff verteilt Hierbei wird der überschüssige Werkstoff in den oben beschriebenen Fugen aufgenommen.
Selbstverständlich können auch Aufweitungen mit unterschiedlicher Geometrie miteinander kombiniert werden. Die Rohlinge 1 1 1 , 1 12 werden mittels des oben beschriebenen Reibschweißverfahrens gefügt. Figur 6 zeigt den so gefertigten Kolbenrohling 1 10'. Der Kolbenrohling 1 10' weist als Ergebnis des oben beschriebenen
Reibschweißvorgangs Reibschweißnähte 135, 136 auf. Der Figur 6 ist ferner zu entnehmen, dass entlang der Reibschweißnähte135, 136 keine
Reibschweißwulste, wie sie in Figur 3 dargestellt sind, entstanden sind. Der beim oben beschriebenen Reibschweißvorgang freigesetzte aufgeschmolzene überschüssige Werkstoff wurde während des Reibschweißvorgangs von der aus der Aufweitung 137 gebildeten Freiraum aufgenommen.
Der Kolbenrohling 1 10' wird in an sich bekannter Weise, abhängig von der Ausbildung der Rohlinge 1 1 1 ', 1 12', nachgearbeitet bzw. fertigbearbeitet. Bspw. können Außenform, Oberflächen, Verbrennungsmulde, Ringpartie,
Nabenbohrungen, etc. fertig bearbeitet werden. Erfindungsgemäß wird der frei stehende Teilbereich 134 der Fügefläche 131 entfernt, vorzugsweise durch Ausdrehen. Im Zuge dieses Verfahrensschritts werden der Bodenbereich 127 und der Wandbereich 128 der Verbrennungsmulde 121 fertig bearbeitet. Hierbei kann die Tiefe der Verbrennungsmulde 121 im Zuge der Entfernung des
Teilbereichs 134 der Fügefläche 131 frei gewählt werden. Somit können mit baugleichen Rohlingen 1 1 1 ' für den Kolbengrundkörper 1 1 1 Kolben 1 10 mit Verbrennungsmulden 121 unterschiedlicher Tiefe hergestellt werden. Im
Ergebnis erhält man den oben beschriebenen fertigen Kolben 1 10 gemäß Figur 7.
Figur 8 zeigt eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels von Rohlingen 21 1 , 212, aus denen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren ein Kolben hergestellt wird. Bei diesem
Ausführungsbeispiel sind an beiden Fügeflächen 229, 231 des Rohlings 21 1 sowie an beiden Fügeflächen 232, 233 des Rohlings 212 jeweils eine umlaufende Aufweitung 237a, 237b in Form einer Fase ausgeformt. Die
Aufweitungen 237a erstrecken sich in Richtung des Kühlkanalteils 224a des Rohlings 21 1 . In entsprechender Weise erstrecken sich die Aufweitungen 237b in Richtung des Kühlkanalteils 224b des Rohlings 212. Die maximale axiale
Erstreckung der Aufweitungen 237a, 237b beträgt im Ausführungsbeispiel jeweils etwa 1 ,0 mm, während die radiale Erstreckung der Aufweitungen 237a, 237b jeweils etwa 0,5 mm beträgt. Wenn die Fügeflächen 229, 231 bzw. 232, 233 der Rohlinge 21 1 , 212 zu Beginn des oben beschriebenen Reibschweißvorgangs miteinander in Kontakt kommen, bilden die Aufweitungen 237a, 237b im
Ausführungsbeispiel zwei einander gegenüberliegende Fugen mit einer maximalen axialen Erstreckung von etwa 2 mm, die überschüssigen Werkstoff aufnehmen können. Selbstverständlich können auch Aufweitungen mit unterschiedlicher Geometrie miteinander kombiniert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110) für einen
Verbrennungsmotor mit einem Kolbengrundkörper (11, 111) und einem Kolbenringelement (12, 112), wobei der Kolbengrundkörper (11, 111) zumindest einen Kolbenschaft (15, 115) und zumindest einen Bodenbereich (27, 127) einer Verbrennungsmulde (21, 121) aufweist, wobei das
Kolbenringelement (12, 112) einen Kolbenboden (19, 119), zumindest einen Wandbereich (28, 128) der Verbrennungsmulde (21, 121), einen
umlaufenden Feuersteg (22, 122) und zumindest einen Teil einer mit
Ringnuten versehenen umlaufenden Ringpartie (23, 123) aufweist und wobei der Kolbengrundkörper (11, 111) und das Kolbenringelement (12, 112) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (24, 124) bilden,
gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
(a) Bereitstellen eines Rohlings (11',111', 211) des Kolbengrundkörpers (11, 111 ) mit einer äußeren umlaufenden Fügefläche (29, 129, 229), einer inneren umlaufenden, in Richtung des Bodenbereichs (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) verbreiterten Fügefläche (31, 131, 231) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (29, 31; 129, 131; 229, 231) umlaufenden unteren Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a), wobei zumindest eine der Fügeflächen (29, 129, 229, 31, 131, 231 ) und/oder das untere Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a) nicht nachbearbeitet sind,
(b) Bereitstellen eines Rohlings (12', 112', 212) des Kolbenringelements (12, 112) mit einer äußeren ringförmigen Fügefläche (32,132, 232), einer inneren ringförmigen Fügefläche (33, 133, 133) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) umlaufenden oberen Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b), wobei zumindest eine der Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) und/oder das obere Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b) nicht nachbearbeitet sind,
(c) Fügen des Rohlings (11', 111', 211) mit dem Rohling (12', 112', 212) über ihre Fügeflächen (29, 129, 229; 31, 131, 231 ; 32, 132, 232; 33,
133, 232) zu einem Kolbenrohling (10', 110'), derart, dass zumindest im Bodenbereich (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) ein Teilbereich (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31, 131, 231) des Rohlings (11 ',111 ', 211 ) frei stehen bleibt,
(d) Nachbearbeiten und/oder Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings (10', 110') zu einem Kolben (10,110) unter Entfernen des Teilbereichs (34,
134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131, 231 ).
2. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110) für einen
Verbrennungsmotor mit einem Kolbengrundkörper (11, 111) und einem Kolbenringelement (12, 112), wobei der Kolbengrundkörper (11, 111) zumindest einen Kolbenschaft (15, 115) und zumindest einen Bodenbereich (27, 127) einer Verbrennungsmulde (21, 121) aufweist, wobei das
Kolbenringelement (12, 112) einen Kolbenboden (19, 119), zumindest einen Wandbereich (28, 128) der Verbrennungsmulde (21, 121), einen
umlaufenden Feuersteg (22, 122) und zumindest einen Teil einer mit
Ringnuten versehenen umlaufenden Ringpartie (23, 123) aufweist und wobei der Kolbengrundkörper (11, 111) und das Kolbenringelement (12, 112) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (24, 124) bilden,
gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
(a) Bereitstellen eines Rohlings (11',111', 211) des Kolbengrundkörpers (11, 111 ) mit einer äußeren umlaufenden Fügefläche (29, 129, 229), einer inneren umlaufenden, in Richtung des Bodenbereichs (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) verbreiterten Fügefläche (31, 131, 231) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (29, 31; 129, 131; 229, 231) umlaufenden unteren Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a), wobei zumindest eine der Fügeflächen (29, 129, 229, 31, 131, 231 ) und/oder das untere Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a) nicht nachbearbeitet sind,
(b) Bereitstellen eines Rohlings (12a) des Kolbenringelements (12, 112) mit einer äußeren ringförmigen Fügefläche (32,132, 232), einer inneren ringförmigen Fügefläche (33, 133, 133) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) umlaufenden oberen Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b), wobei zumindest eine der Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) und/oder das obere Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b) nachbearbeitet sind,
(c) Fügen des Rohlings (11 ', 111 ', 211 ) mit dem Rohling (12a) über ihre Fügeflächen (29, 129, 229; 31, 131, 231; 32, 132, 232; 33, 133, 232) zu einem Kolbenrohling (10', 110'), derart, dass zumindest im
Bodenbereich (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) ein Teilbereich (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31, 131, 231) des Rohlings (11 ',111 ', 211 ) frei stehen bleibt,
(d) Nachbearbeiten und/oder Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings (10', 110') zu einem Kolben (10,110) unter Entfernen des Teilbereichs (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131, 231 ).
3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110) für einen
Verbrennungsmotor mit einem Kolbengrundkörper (11, 111) und einem Kolbenringelement (12, 112), wobei der Kolbengrundkörper (11, 111) zumindest einen Kolbenschaft (15, 115) und zumindest einen Bodenbereich (27, 127) einer Verbrennungsmulde (21, 121) aufweist, wobei das
Kolbenringelement (12, 112) einen Kolbenboden (19, 119), zumindest einen Wandbereich (28, 128) der Verbrennungsmulde (21, 121), einen umlaufenden Feuersteg (22, 122) und zumindest einen Teil einer mit
Ringnuten versehenen umlaufenden Ringpartie (23, 123) aufweist und wobei der Kolbengrundkörper (1 1 , 1 1 1 ) und das Kolbenringelement (12, 1 12) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (24, 124) bilden,
gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
(a) Bereitstellen eines Rohlings (1 1 a) des Kolbengrundkörpers (1 1 , 1 1 1 ) mit einer äußeren umlaufenden Fügefläche (29, 129, 229), einer inneren umlaufenden, in Richtung des Bodenbereichs (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) verbreiterten Fügefläche (31 , 131 , 231 ) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (29, 31 ; 129, 131 ; 229, 231 ) umlaufenden unteren Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a), wobei zumindest eine der Fügeflächen (29, 129, 229, 31 , 131 , 231 ) und/oder das untere Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a) nachbearbeitet sind,
(b) Bereitstellen eines Rohlings (12', 1 12', 212) des Kolbenringelements (12, 1 12) mit einer äußeren ringförmigen Fügefläche (32,132, 232), einer inneren ringförmigen Fügefläche (33, 133, 133) sowie einem zwischen beiden Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) umlaufenden oberen Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b), wobei zumindest eine der Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) und/oder das obere
Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b) nicht nachbearbeitet sind,
(c) Fügen des Rohlings (1 1 a) mit dem Rohling (12', 1 12', 212) über ihre Fügeflächen (29, 129, 229; 31 , 131 , 231 ; 32, 132, 232; 33, 133, 232) zu einem Kolbenrohling (10', 1 10'), derart, dass zumindest im
Bodenbereich (27, 127) der Verbrennungsmulde (24, 124) ein
Teilbereich (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131 , 231 ) des Rohlings (1 1 a) frei stehen bleibt,
(d) Nachbearbeiten und/oder Fertigbearbeiten des Kolbenrohlings (10', 1 10') zu einem Kolben (10,1 10) unter Entfernen des Teilbereichs (34, 134, 234) der verbreiterten Fügefläche (31 , 131 , 231 ). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass in Schritt (a) bzw. Schritt (b) der Rohling (1 1 ', 1 1 a, 1 1 1 ', 21 1 )
und/oder der Rohling (12', 12a, 1 12', 212) mittels eines
Schmiedeverfahrens hergestellt werden, oder
- dass in Schritt (a) bzw. Schritt (b) der Rohling (1 1 ', 1 1 a, 1 1 1 ', 21 1 )
und/oder der Rohling (12', 12a, 1 12', 212) mittels eines Gussverfahrens hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Schritt (c) der Rohling (1 1 ', 1 1 a, 1 1 1 ', 21 1 ) mit dem Rohling (12', 12a, 1 12', 212) mittels eines Reibschweißverfahrens unter Bildung mindestens einer Reibschweißnaht (35, 36, 135, 136) gefügt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem Schritt (c) umlaufende Aufweitungen (137; 237a, 237b) an einer inneren und/oder äußeren Fügefläche (133, 229, 231 , 232, 233) des Rohlings (1 1 1 ', 21 1 ) und/oder des Rohlings (1 12', 212) angebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine umlaufende Aufweitung (137; 237a, 237b) in Form einer Schrägfläche, einer Fase oder einer Mulde ausgeformt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die umlaufenden Aufweitungen (137; 237a, 237b) mit einer axialen Erstreckung von 1,0 mm bis 1,5 mm und/oder mit einer radialen Erstreckung von mindestens 0,5 mm ausgeformt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rohling (11 ', 11 a, 111 ', 211 ) und der Rohling (12', 12a, 112', 212) aus einem Vergütungsstahl oder einem ausscheidungshärtenden Stahl hergestellt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass vordem Schritt (c)die Rohlinge (11', 11a, 111', 211 ,12', 112', 212) vergütet werden, dass in Schritt (c)die Rohlinge (11', 11a, 111', 211,12', 112', 212) unter Bildung einer Wärmeeinflusszone im Bereich der mindestens einen Reibschweißnaht (35, 36, 135, 136) gefügt werden und dass nach dem Schritt (c) der Kolbenrohling (10', 110') durch Anlassen oder
Spannungsarmglühen unter Erhalt der Wärmeeinflusszone(n)
wärmebehandelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, erste Alternative, oder 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Fügeflächen (29, 129, 229, 31, 131, 231 ) und/oder das untere Kühlkanalteil (24a, 124a, 224a) beim Schmieden des Rohlings (11', 11a, 111', 211) fertiggeschmiedet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, erste Alternative, oder 5 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Fügeflächen (32, 33; 132, 133; 232, 233) und/oder das obere Kühlkanalteil (24b, 124b, 224b) beim Schmieden des Rohlings (12', 12a, 1 12', 212) fertiggeschmiedet werden.
13. Rohling Kolben (10, 1 10) hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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