DE102005034306A1

DE102005034306A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine zur Bildung einer Bewehrung einer Brennraummulde des Kolbens

Info

Publication number: DE102005034306A1
Application number: DE102005034306A
Authority: DE
Inventors: Volker Gniesmer; Michael Albert Janssen; Luz Gerhard; Jochen Müller
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2004-10-30
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2006-05-18
Also published as: EP1805406A1; WO2006048153A1; US20100037765A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (6) einer Brennkraftmaschine, wobei ein erster Rohling (1) und ein zumindest weiterer Rohling (2) in eine etwas zylindrische Form gebracht werden oder eine solche aufweisen, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Rohlinge (1, 2) zusammengefügt und der derart gebildete Kolbenrohling (4) einem Umformvorgang unterzogen wird, mit dem im Bereich einer Fügestelle (3) zwischen dem Rohling (1) und dem Rohling (2) eine Brennraummulde (9) des Kolbens (6) geformt wird und das Material des zweiten Rohlings (2) eine Bewehrung zumindest der Brennraummulde (9) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

Es ist schon ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein erster und zumindest ein weiterer Rohling in eine etwa zylindrische Form gebracht werden. Die Aufteilung in zumindest zwei Rohlinge hat hierbei den Zweck, dass der zweite Rohling, der später beim fertigen Kolben den Kolbenboden bildet, für die Bearbeitung zur Einbringung eines Kühlkanales im Kolbenboden gut zugänglich ist. Erst nachdem dieser zweite Rohling bearbeitet worden ist, wird er mit dem ersten Rohling zusammengefügt, weiterbearbeitet, so dass ein Kolbenrohling entsteht und erst danach fertigbearbeitet. Bei diesem bekannten Herstellungsverfahren wird auch eine Brennraummulde mit eingebracht, die aber keine Bewehrung aufweist, so dass sie den Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen, insbesondere im Hinblick auf die erforderlichen Einspritzdrücke und Verbrennungstemperaturen, nicht mehr genügt.

Neben diesem schon bekannten Herstellungsverfahren sind grundsätzlich Kolben bekannt, bei denen im Kolbenboden eine Brennraummulde vorhanden ist, die im Randbereich oder vollständig eine Bewehrung aufweist, damit der Kolbenboden inbesondere im Bereich der Brennraummulde aufgrund der hier herrschenden Einspritzdrücke und Verbrennungstemperaturen nicht beschädigt wird und damit die Lebensdauer des Kolben erhöht wird. Eine solche Bewehrung der Brennraummulde ist beispielsweise aus der DE 103 34 476 bekannt, bei der ein Kolbenrohling hergestellt wird und anschließend die Bewehrung als separates Bauteil eingesetzt und befestigt werden muss. Dies hat Nachteile bei der Herstellung des Kolbens, insbesondere bei einer Serienherstellung, da zur Herstellung der Bewehrung mehrere Teile erforderlich sind, die in mehreren Arbeitsschritten zusammengefügt und eingesetzt und anschließend bearbeitet werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine sowie einen Kolben bereitzustellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.

Aus der DE 103 15 415 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens bekannt, bei dem ein Kolbenunterteil vorgeformt und anschließend ein ebenfalls vorgeformtes Teil für eine spätere Bewehrung angeschweißt wird. Dabei werden zwischen zwei Grundteilen das Teil für die spätere Bewehrung eingesetzt und anschließend nach dem Zusammenfügen dieses Teil der späteren Bewehrung aufgetrennt und die dadurch entstehenden Kolbenrohlinge einer Feinbearbeitung unterzogen. Damit wird das Teil der späteren Bewehrung nur mittels eines Fügevorganges an das Kolbenunterteil angefügt, so dass zwischen diesen beiden Teilen keine ausreichende Festigkeit entsteht, insbesondere dadurch nicht, weil beide Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 4 gelöst.

Erfindungsgemäss sieht der Verfahrensanspruch vor, dass die Rohlinge nach ihrer Herstellung zusammgengefügt und der derart gebildete Kolbenrohling einem Umformvorgang unterzogen wird, mit dem im Bereich einer Fügestelle zwischen dem ersten und dem zweiten Rohling eine Brennraummulde des Kolbens geformt wird und das Material des zweiten Rohlings eine Bewehrung zumindest der Brennraummulde bildet. Dieses Herstellungsverfahren hat den Vorteil, dass nur der erste Rohling und der zumindest weitere Rohling zusammengefügt werden, um einen einteiligen Kolbenrohling zu bilden, der, wie noch ausgeführt wird, schon das Material für die Bewehrung der Brennraummulde des fertigen Kolbens beinhaltet. Denn der einteilige Kolbenrohling kann anschließend einem Umformvorgang, bei dem es sich in vorteilhafter Weise um ein Schmiedeverfahren handelt, unterzogen werden, um im Kolbenbodenbereich des Kolbenrohlings eine Brennraummulde zu formen. Dabei werden die Materialien des ersten und des zumindest einen weiteren Rohlings im Bereich der Fügestelle derart umgeformt, dass nicht nur die Brennraummulde gebildet wird, sondern das Material des zweiten Rohlings auch gleichzeitig die Bewehrung der Brennraummulde bildet. Damit sind insgesamt zur Herstellung des Kolbens mit der Brennraummulde und deren Bewehrung weniger Schritte und Teile als bei bekannten Herstellungsverfahren erforderlich.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Fügevorgang ein Reibschweißverfahren, welches gerade bei den beiden Rohlingen, die vor dem Zusammenfügen eine etwas zylindrische Form aufweisen, einfach angewandt werden kann. Außerdem hat das Reibschweißverfahren den Vorteil, dass das Gefüge der beiden Rohlinge im Bereich der Fügestelle die ausreichende Festigkeit für den späteren Kolben gewährleistet.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Umformvorgang des einteiligen Kolbenrohlings ein Schmiedeverfahren. Das Schmiedeverfahren hat den Vorteil, dass das Materialgefüge beim Umformen positiv beeinflußt wird, so dass trotz des Umformvorganges die erforderliche Festigkeit des Kolbenrohlings erhalten bleibt.

Weiterhin ist ein Kolben beansprucht, der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist. Damit wird ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, der nicht nur hinsichtlich seiner Herstellung, sondern auch in Bezug auf seine Eigenschaften deutlich verbessert ist. Denn durch das Zusammenfügen der beiden Rohlinge und dem anschließenden Umformen steht ein Kolben einer Brennkraftmaschine zur Verfügung, bei dem im Bereich des Kolbenbodens zumindest die Brennraummulde, aber auch der Bereich darüber hinaus (in Richtung des Verbrennungsraumes des Zylinders der Brennkraftmaschine) bei den Einspritzdrücken und Verbrennungstemperaturen moderner Brennkraftmaschinen die erforderliche Widerstandsfähigkeit und Festigkeit aufweist. Damit wird durch diesen Kolben auch seine Lebensdauer wesentlich gesteigert.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert, wobei die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
Es zeigen:
1: einen ersten und zweiten Rohling vor dem Zusammenfügen,
2: einen ersten und zweiten Rohling nach dem Zusammenfügen,
3: einen ersten und zweiten Rohling nach dem Zusammenfügen im Schnitt gemäss 2,
4: eine Ansicht eines Oberteiles eines fertig bearbeiteten Kolbens.
1 zeigt einen ersten Rohling 1 und einen zweiten Rohling 2 vor dem Zusammenfügen. Beide Rohlinge 1, 2 weisen in etwas eine zylindrische Form auf, deren Durchmesser in etwas (mit etwas Übermaß) dem späteren fertigen Kolben entspricht. Während der erste Rohling 1 derart dimensioniert ist, dass er das spätere Unterteil des fertigen Kolbens bildet, ist der zweite Rohling 2 (zylinderförmig, hier in etwa scheibenförmig) so dimensioniert, dass er den späteren Kolbenboden des Kolbens bildet.
Zur Herstellung eines Stahlkolbens einer Brennkraftmaschine besteht das Material des ersten Rohlings aus einem Kolbenstahl, wie beispielsweise einem mikrolegierten Stahl oder 42 CrMo4. Der zweite Rohling 2 besteht aus einem hochtemperaturfesten Stahl, der solche Eigenschaften aufweist, dass er den Einspritzdrücken und den Verbrennungsreperaturen, den er später ausgesetzt ist, widersteht.
In 1 sind zwei Rohlinge 1, 2 gezeigt, wobei das Herstellungsverfahren und der spätere fertige Kolben nicht auf zwei Rohlinge beschränkt ist, sondern je nach Anforderungen und geometrischem Aufbau des Kolbens auch mehr als zwei Rohlinge zum Einsatz kommen können.
2 zeigt den ersten Rohling 1 und den zweiten Rohling 2 nach dem Zusammenfügen, die mittels eines geeigneten Fügevorganges, wie zum Beispiel Reibschweißen, im Bereich einer Fügestelle 3 unlösbar miteinander verbunden worden sind. Das Fügeverfahren wird in Abhängigkeit der eingesetzten Materialien der beiden Rohlinge 1, 2 sowie deren geometrischer Form gewählt.
3 zeigt den ersten Rohling 1 und den zweiten Rohling 2 nach dem Zusammenfügen im Schnitt, wobei dieses gebildete Teil als Kolbenrohling 4 bezeichnet wird. Hier ist im Schnitt die Grundform des Kolbenrohlings 4 erkennbar, der nach seiner Bearbeitung den fertigen Kolben bildet. Zur Verdeutlichung ist daher noch eine Kolbenhubachse mit der Bezugsziffer 5 versehen.
4 zeigt eine Ansicht eines Oberteiles (oberen Bereiches) eines fertig bearbeiteten Kolbens 6. Hier ist sehr deutlich erkennbar, dass der Kolbenrohling 4 gemäss 3 einem Umformvorgang, insbesondere einem Schmiedevorgang, unterzogen worden ist, durch welchen die beiden Rohlinge 1, 2 im Bereich der Fügestelle 3 derart umgeformt worden sind, dass aus dem ersten Rohling 1 ein Grundkörper 7 und dem zweiten Rohling 2 eine Bewehrung 8 einer Brennraummulde 9 geworden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist gezeigt, dass nicht nur die Brennraummulde 9 mit der Bewehrung 8 versehen ist, sondern auch die obere Stirnseite des Kolbens 6. Je nach Ausgangsgeometrie des zweiten Rohlings 2 und der nachfolgenden Umformung kann auch nur die Brennraummulde 9 mit der Bewehrung 8 versehen sein, nicht jedoch die Stirnseite des Kolbens 6. Nachdem der Kolbenrohling 4 gemäss 3 in die geometrische Form gemäss 4 gebracht worden ist, weist er immer noch eine Rohlingskontur auf, das heißt, dass noch eine Nachbearbeitung erforderlich ist. Nachdem diese Nachbearbeitung stattgefunden hat, die insbesondere durch eine spanabhebende Bearbeitung erfolgt, hat der Kolben 6 seine Fertigkontur erreicht und ist für den Einbau in der Brennkraftmaschine bereit.
Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, weist der Kolben 6 in an sich bekannter Weise neben der Brennraummulde 9 auch weitere für den Einsatz erforderliche geometrische Gestaltungen wie zum Beispiel Kolbennaben, Bolzenbohrung, Ringfeld, gegebenenfalls Kühlkanal und dergleichen auf. Diese für den späteren Betrieb des Kolbens 6 erforderlichen geometrischen Gestaltungen können schon in geeigneter Weise bei den Rohlingen 1, 2 oder bei dem Kolbenrohling 4 vorgesehen werden. So ist es bei dem Kolbenrohling 4 gemäss 3 zum Beispiel denkbar, dass der untere Teil des Kolbenrohlings 4 (also im Bereich des ersten Rohlings 1) schon zumindest teilweise hohlzylinderförmig gestaltet ist, um beim Umformen die Kolbenschäfte leichter herstellen zu können.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung des Kolbens und auch bei dem späteren Kolben kommt es auf dessen Bauart nicht an, so dass die Erfindung ohne weiteres anwendbar ist sowohl bei einteiligen Kolben als auch bei mehrteiligen Kolben (insbesondere Pendelschaftkolben).
Mit Blick auf die 4 sei schließlich noch darauf hingewiesen, dass der Umformvorgang, insbesondere der Schmiedevorgang, so ausgestaltet sein muss, dass sich ein Schmiederohteil (umgeformter Kolbenrohling 4) ergibt, welches im Kolbenbodenbereich beziehungsweise im Kolbenmuldenbereich das Material des zweiten Rohlings 2, also den hochtemperaturfesten Stahl, und darunter (im Bereich des Grundkörpers 7) das Material des ersten Rohlings 1 (also den Kolbenstahl) aufweist.
Bisher ist davon ausgegangen worden, dass die zumindest beiden Rohlinge mittels des Reibschweißverfahrens miteinander zusammengefügt werden. Als weiterer, großflächiger Fügevorgang kommt auch das sogenannte Sprengschweißen zur Anwendung, bei dem ein Sprengstoff zwischen die einander zugewandten Flächen der Rohlinge gebracht und anschließend gezündet wird. Durch diese Explosion werden die beiden Rohlinge vollständig miteinander zusammengefügt. Anstelle eines flächigen Fügevorganges sind auch Fügevorgänge denkbar, bei denen die beiden Rohlinge an mehreren Stellen insbesondere punktuell oder teilflächig aneinandergefügt werden. Die für die Verbindung zwischen den beiden Rohlingen erforderliche Festigkeit wird durch den anschließenden Umformvorgang erzielt, wobei der Umformvorgang bewirkt, dass die beiden aneinandergehefteten Rohlinge großflächig und dauerhaft miteinander verbunden werden. Unabhängig davon, ob die beiden Rohlinge punktuell, teilflächig oder vollflächig miteinander zusammengefügt werden, erfolgt eine zu sätzliche Verbindung beim anschließenden Umformvorgang, so dass durch den Fügevorgang und den anschließenden Umformvorgang die nötige Verbindung zwischen dem ersten und dem weiteren Rohling gegeben ist.
Bei dem Umformvorgang handelt es sich, wie schon beschrieben, in besonders vorteilhafter Weise um einen Schmiedevorgang, da durch das Schmieden die Verbindung zwischen den beiden Rohlingen deutlich erhöht wird. Dies ist insbesondere dann wichtig und von Vorteil, wenn die Materialien der beiden Rohlinge unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei dem Umformvorgang, bei dem der Kolbenrohling 4 gemäss 3 in die spätere Form gemäss 4 gebracht wird, kann es sich alternativ oder ergänzend zu dem Umformvorgang mittels Schmieden auch um eine spanabhebende Bearbeitung handeln, bei dem die Form des Kolbenrohlings 4 gemäss 3 durch spanabhebende Bearbeitung in die Form des späteren Kolbens 6 umgeformt wird. Ebenso kann daran gedacht werden, dass die Brennraummulde 9 vorgeschmiedet und anschließend eine spanabhebende Feinbearbeitung durchgeführt wird, wodurch die spätere, das heißt fertige Kontur der Brennraummulde 9 mit ihrer Bewehrung 8 gebildet wird. Danach ist es denkbar, diesen Bereich oder auch den gesamten Kolben 6 einer Wärmebehandlung zur Erhöhung der Festigkeit zu unterziehen.
Neben den schon genannten Materialien für den zweiten Rohling kommen auch sogenannte Ventilstähle, wie zum Beispiel X45CrSi93, in Betracht, die für die Bewehrung die erforderliche Festigkeit aufweisen. Es können auch austenitische CrNi-Stähle (z.B. X12CrNi2521), austenitisch-ferritische Stähle oder hochwarmfeste Stähle (wie X20CrMoW12 1 oder X12NiCrSi 35-16) verwendet werden.
Während in 4 gezeigt ist, dass mittels des zweiten Rohlings 2 die spätere Bewehrung 8 erzielt wird, die die Brennraummulde 9 sowie die Stirnfläche des Kolbens 6 überzieht, ist es denkbar, dass der zweite Rohling 2 so gestaltet und so umgeformt wird, dass die Bewehrung 8 auch die Seitenflächen des späteren Kolbens 6, insbesondere im Bereich des Ringfeldes, umfasst. In einer ganz besonderen Ausgestaltung kann der Rohling 2 in seinen Abmessungen so gewählt und später so umgeformt werden, dass auch der gesamte Schaft des Kolbens 6 mit einer Bewehrung 8 versehen ist.
Weiterhin kann noch daran gedacht werden, mehr als zwei Rohlinge 1, 2 einzusetzen, um zwischen dem hochtemperaturfesten Rohling 2 und dem aus Kolbenstahl bestehenden Rohling 1 noch eine Zwischenschicht zu bilden, die insbesondere die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Rohlinge 1, 2 angleichen kann.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass auch zunächst ein Rohling 1 mit dem Rohling 2, insbesondere in scheibenform, zusammengefügt wird und anschließend ein weiterer Rohling analog des Rohlings 1 mit der freien Stirnfläche des Rohlings 2 zusammengefügt wird. Ein derartiger Kolbenrohling in Sandwichbauweise wird dann etwa in der Mitte des Rohlings 2 zum Beispiel auseinander gesägt, so dass danach zwei Kolbenrohlinge 4, wie sie in 3 gezeigt sind, für die weitere Umformung zur Verfügung stehen. Eine solche Vorgehensweise ist besonders vorteilhaft für den Fügevorgang, da der Rohling 2 eine ausreichende Höhe für die Einspannung im Werkzeug für das Reibschweißen aufweist und anschließend der derart gebildete Kolbenrohling mit dem weiteren Rohling 1 die nötigen Dimensionierungen für die Einspannung in das Werkzeug für den weiteren Reibschweißvorgang aufweist. Damit läßt sich Material sparen, da der Rohling 2 für zwei spätere Kolbenrohlinge 2 genutzt werden kann.
Während in der bisherigen Beschreibung und den Figuren davon ausgegangen worden ist, dass die beiden Rohlinge 1, 2 in etwa zylindrische Form aufweisen, können die Formgebungen auch davon abweichen, so dass zum Beispiel der Rohling 2 einen größeren oder kleineren Durchmesser aufweisen kann als der Rohling 1, wobei der größere Durchmesser dann genutzt wird, wenn die spätere Bewehrung 8 auch in Richtung des Ringfeldes um den Kolbenboden herum gezogen wird. Soll nur die Brennraummulde bewehrt werden, reicht es aus, wenn der Durchmesser des Rohlings 2 kleiner ist, als der des Rohlings 1. Darüber hinaus kann der Rohling 1 schon einer Vorbearbeitung unterzogen werden, insbesondere kann zum Beispiel durch ein Schmiedeverfahren ein Innenraum zur Bildung der späteren Kolbenschäfte geformt werden. Wichtig ist dabei, dass die Stirnfläche des Rohlings 1, die in Richtung des Rohlings 2 zeigt, flächig bleibt. Neben den genannten zylindrischen Formen, insbesondere für den Rohling 2, sind auch andere geometrische Formen denkbar.

1: Erster Rohling
2: Zweiter Rohling
3: Fügestelle
4: Kolbenrohling
5: Kolbenhubachse
6: Kolben
7: Grundkörper
8: Bewehrung
9: Brennraummulde

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (6) einer Brennkraftmaschine, wobei ein erster Rohling (1) und ein zumindest weiterer Rohling (2) in eine etwas zylindrische Form gebracht werden oder eine solche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge (1, 2) zusammengefügt und ein derart gebildeter Kolbenrohling (4) einem Umformvorgang unterzogen wird, mit dem im Bereich einer Fügestelle (3) zwischen dem Rohling (1) und dem Rohling (2) eine Brennraummulde (9) des Kolbens (6) geformt wird und das Material des zweiten Rohlings (2) eine Bewehrung zumindest der Brennraummulde (9) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügevorgang ein Reibschweißverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügevorgang ein Sprengschweißverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformvorgang ein Schmiedeverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zweiten Rohlings (2) eine Bewehrung der Brennraummulde (9) und deren umlaufender, in Richtung des Kolbenbodens gerichteter Kante bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zweiten Rohlings (2) eine Bewehrung der Brennraummulde (9) und deren umlaufender, in Richtung des Kolbenbodens gerichteter Kante und des Kolbenbodens bildet.
Kolben (6) hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kolben (6) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rohling (1) aus einem Kolbenstahl und der zweite Rohling (2) aus einem hochtemperaturfesten Stahl besteht.