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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
einer Brennkraftmaschine, wobei zunächst ein Kolbenrohling
aus einem Stahlwerkstoff geformt wird, wobei dieser Kolbenrohling
einen umlaufenden Kragen im Bereich eines Kolbenbodens und einen
gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbenrohlings
zurückliegenden Freibereich unterhalb des Kragens sowie
einen Anlagebereich oberhalb eines Kolbenschaftes für den
Kragen aufweist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des
Patentanspruches 1.
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Ein
gattungsbildendes Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
für eine Brennkraftmaschine ist aus der
DE 10 2004 031 513 A1 bekannt. Dieses
bekannte Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
für eine Brennkraftmaschine, der in seinem Kolbenboden
einen Kühlkanal aufweist, wobei sich dem Kolbenboden ein
Kolbenunterteil mit Kolbennaben, Bolzenbohrungen und Kolbenschäfte anschließt,
wobei zunächst ein aus einem Stahlwerkstoff bestehender
und geschmiedeter Kolbenrohling mit einem im Bereich des Kolbenbodens
radial abstehenden und umlaufenden Kragen hergestellt wird, wobei
der Kragen anschließend umgeformt wird, ist dadurch gekennzeichnet,
dass in einem Übergangsbereich zwischen dem Kolbenboden
und dem Kolbenunterteil ein Anlagebereich für den Kragen
geformt wird und der Kragen derart umgeformt wird, bis dessen äußere
radial umlaufende Kante sehr nahe oder vollständig zur
Anlage an den Anlagebereich kommt, um dann den geschlossenen Kühlkanal
zu bilden.
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Dabei
ist es erforderlich, dass zur optimalen Wirkung des Kühlkanales
die Endbereiche des Kragens an dem Anlagebereich vollständig
zur Anlage kommen, damit durch den umgeformten Kragen der Kühlkanal
vollständig (bis auf erforderliche Zulauf- und Ablauföffnungen)
geschlossen wird. Hierzu ist es erforderlich, mit großem
Aufwand den Kragen derart in Richtung des Anlagebereiches umzuformen,
dass er vollständig zur Anlage an den Anlagebereich kommt.
Dabei kann allerdings aufgrund der Materialeigenschaften nicht ausgeschlossen
werden, dass trotzdem Bereiche des Kragens von dem Anlagebereich
wieder abheben und somit ein unerwünschter Spalt entsteht.
Zur Verhinderung dessen ist schon vorgeschlagen worden, den Kragen
in dem Anlagebereich an diesem unlösbar, z. B. durch eine
Lötung oder Schweißung, anzufügen. Dies
bedeutet aber einen unerwünschten weiteren Bearbeitungsschritt. Außerdem
kann es innerhalb des Kühlkanales zu Schweißspritzern
kommen, die sich bei der Zirkulation von Motoröl lösen
und in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine gelangen
können. Dort können sie dann insbesondere an den
Zylinderlaufflächen große Schäden verursachen.
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Aufgrund
der heutigen Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen, in denen
ein solcher Kühlkanalkolben eingesetzt wird, hinsichtlich
des Schadstoffausstoßes und des Verbrauches, ist es erforderlich,
einen Kühlkanalkolben so herzustellen, dass er die an ihn
gestellten Anforderungen erfüllt. So hat bei Durchführung
des Verfahrens, welches aus der
DE 10 2004 031 513 A1 bekannt ist, eine Kaltumformung
(ohne Erwärmung des Kolbenrohlings während des
Umformvorganges) den Nachteil, dass das Umformvermögen
des Stahlwerkstoffes bei Raumtemperatur (etwa 30 bis 40 Grad) und
der bekannten Geometrie nicht ausreichend ist und es zu Rissbildungen
im Umformbereich kommen kann. Dadurch ist die Festigkeit des auf
diese Art und Weise hergestellten Kühlkanalkolbens beeinträchtigt,
sodass mit ihm z. B. in der Brennkraftmaschine die erforderlichen
hohen Verbrennungsdrücke nicht erzielt werden können.
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Anstelle
der Kaltumformung ist schon daran gedacht worden, eine Warmumformung
(beispielsweise etwa oberhalb von 700 Grad Celsius) an dem Kolbenrohling
durchzuführen. Dies verbessert zwar das Gefüge
des bearbeiteten Kolbenrohlings und auch des später fertigen
Kühlkanalkolbens, wobei es allerdings eines sehr hohen
Energieaufwandes bedarf, um den gesamten Kolbenrohling auf das gewünschte
und erforderliche Temperaturniveau zu erwärmen. Darüber
hinaus kommt es bei Erwärmungstemperaturen etwa oberhalb
von 550 Grad Celsius in nachteiliger Weise zu Verunderungen im Kühlkanal. Diese
haben den gleichen Nachteil wie die Schweißspritzer.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten
Nachteile zu vermeiden. Es soll vor allen Dingen ein Verfahren zur Herstellung
eines Kühlkanalkolbens angegeben werden, mit dem ein in
der Brennkraftmaschine hochbelastbarer Kühlkanalkolben
aus einem Stahlwerkstoff in einteiliger Ausführung hergestellt
werden kann, wobei der Kolbenrohling durch die Ausführung
des Verfahrens seine vorteilhaften Eigenschaften, die er durch seine
Herstellung im Schmiedeverfahren erhält, weitestgehend
beibehalten soll.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass der umlaufende Kragen in einem ersten Schritt in
Richtung des Anlagebereiches des Kolbenrohlings umgeformt wird,
ohne dass er den Anlagebereich berührt, dass in einem zweiten
Schritt die Bereiche des Kolbenrohlings und des Kragens, die in
dem Anlagebereich zur Anlage kommen sollen, erwärmt werden und
in einem weiteren Schritt der Kragen derart weiter verformt wird,
dass er den Anlagebereich berührt. Gegebenenfalls kann
alternativ oder ergänzend auch der Biegebereich des Kragens
lokal erwärmt werden.
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Durch
die zwei aufeinander folgenden Umformschritte, zwischen denen eine
lokale Erwärmung erfolgt, werden die folgenden Vorteile
erzielt:
Aufgrund der Herstellung des Kolbenrohlings aus einem
Stahlwerkstoff in einem Schmiedeverfahren wird zunächst
die an sich bekannte und sehr gute Grundfestigkeit des Kolbenrohlings
erzielt. Anschließend wird der Kragen in Richtung des Anlagebereiches umgeformt,
sodass dessen umlaufende Kante schon in die Nähe des Anlagebereiches
des Kolbenrohlings kommt, wobei durch diese Umformung die Festigkeit des
Kolbenrohlings nach wie vor beibehalten wird und der umlaufende
Rand des Kragens in eine solche Position in Bezug auf den Anlagebereich
des Kolbenrohlings gebracht wird, die es gestattet, von dort diejenigen
Bereiche des Kolberohlings und des Kragens, die in dem Anlagebereich
zur Anlage kommen sollen, und gegebenenfalls alternativ oder ergänzend
jetzt auch den Biegebereich des von dem Kolbenrohling abstehenden
Kragens lokal erwärmen zu können. Anschließend
erfolgt eine weitere Umformung des Kragens, die sich aufgrund der
lokalen Erwärmung dahingehend einfacher gestaltet, als
dass durch die partiell ausgeführte Warmumformung das Ziel
erreicht wird, dass der umlaufende Rand des Kragens an dem Anlagebereich
zur Anlage kommt und somit den verschlossenen Kühlkanal
bildet. Durch die lokale Erwärmung des Biegereiches des von
dem Kolbenrohling abstehenden Kragens läßt sich
dieser auch wesentlicher einfacher umformen, als es bei einer Kaltumformung
der Fall wäre. Durch dieses erfindungsgemäße
Verfahren wird somit sichergestellt, dass der Kolbenrohling und
damit auch der fertige spätere Kühlkanalkolben
seine Grundfestigkeit beibehält, gleichzeitig aber auch
der Kühlkanalkolben durch die Umformung des Kragens nicht nur
gebildet, sondern auch vollständig geschlossen wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erwärmung
der Bereiche des Kolbenrohlings, die in dem Anlagebereich zur Anlage
kommen sollen, auf ein solches Temperaturniveau erfolgt, das diese
Bereiche aufschmelzen. Dass heißt, dass der umlaufende
Kragenrand des Kragens nach seiner Umformung in Richtung des Anlagebereiches und
der korrespondierende Anlagebereich des Kolbenrohlings aufgeschmolzen
werden, sodass die beteiligten Bereiche nach der weiteren Umformung
des Kragens in Richtung des Kolbenrohlings eine quasi-formschlüssige
Verbindung eingehen. Dabei ist sicher zu stellen, dass die Aufschmelzung
der beteiligten Teile so erfolgt, dass sie nicht vollständig
schmelzen und damit Material verloren geht. Außerdem ist sicher
zu stellen, dass nach dem Aufschmelzvorgang die weitere Umformung
in einem solchen Zeitfenster erfolgt, dass nach dem weiteren Umformvorgang
die aufgeschmolzenen Bereiche von Kragen und Kolbenrohling im Anlagebereich
die quasi-formschlüssige Verbindung eingehen können.
Für den Fall, dass die Zeitspanne zwischen Aufschmelzvorgang
und weiterem Umformschritt zu groß ist und wieder zu einer
zumindest teilweise, insbesondere vollständigen Erstarrung
der aufgeschmolzenen Bereiche führen sollte, führt
dies trotzdem zu einem sehr guten formschlüssigen Zustand,
in dem der Rand des Kragens formschlüssig an den Kolbenrohling
anliegt und den Kühlkanal dichtend verschließt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die weitere Umformung
des Kragens, die zur Anlage seiner Enden an den Kolbenrohling führt, unter
Druck in Richtung des Kolbenrohlings erfolgt. Dies hat den Vorteil,
dass insbesondere die noch aufgeschmolzenen Bereiche (teigige Bereiche)
oder die aufgeschmolzenen und schon erstarrten Bereiche des Kragens
und des Kolbenrohlings zuverlässig zur Anlage kommen, um
den Kühlkanal dichtend zu verschließen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lokale Erwärmung
durch einen hochfrequenten Wechselstrom, durch ein elektromagnetisches
Wechselfeld oder durch Wirbelströme erfolgt. Diese durch
elektrische Energie erzeugten lokale Erwärmung hat den
Vorteil, dass sie sehr gut steuerbar ist und auf die jeweiligen
Geometrien des Kolbenrohlings, insbesondere der Dicke und Länge
des umlaufenden Kragens, sowie auf das Material des Kolbenrohlings
abgestimmt werden kann. Eine solche elektrische Energie kann beispielsweise
mittels einer Induktionsspule, die koaxial über den Kolbenschaft
des Kolbenrohlings in Richtung des Anlagebereiches bewegt wird,
lokal gezielt eingebracht werden. Neben der Erzeugung der Erwärmung
mittels elektrischer Energie sind aber auch andere Verfahren wie
z. B. das Richten einer Gasflamme auf die aufzuschmelzenden Bereiche,
denkbar.
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Schließlich
betrifft die Erfindung einen Kühlkanalkolben, der nach
den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
Kühlkanalkolbens einer Brennkraftmaschine wird im Folgenden
beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist schrittweise in
den 1 bis 4 gezeigt.
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1 zeigt
einen Kolbenrohling 1 aus einem Stahlwerkstoff, der in
einem Schmiedeverfahren in der gezeigten Geometrie hergestellt worden
ist. Der Stahlwerkstoff hat den Vorteil, dass er die gewünschten
Festigkeitsanforderungen erfüllt und darüber hinaus
kostengünstig ist. Das Schmiedeverfahren hat den Vorteil,
dass das Grundgefüge des Kolbenrohlings 1 zu den
gewünschten Festigkeiten führt, die auch während
des weiteren Bearbeitungsverfahrens, welches noch geschildert wird,
beibehalten werden.
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Der
Kolbenrohling 1 weist einen Kolbenboden 2 auf,
wobei abstehend von dem Kolbenboden 2, insbesondere dessen
oberen Bereich, durch das Schmiedeverfahren ein umlaufender Kragen 3 gebildet
wird. Außerdem sind unterhalb des Kolbenbodens 2 Kolbennaben 4 vorhanden.
Weiterhin weist der Kolbenrohling 1 einen Anlagebereich 5 auf,
der sich oberhalb der Kolbennaben 4 bzw. am oberen Ende
des Kolbenschaftes 6 befindet. In diesem Anlagebereich 5 kann,
muss aber nicht Absatz 7 oder eine ähnliche geometrische
Ausformung vorhanden sein. Dieser Absatz 7 bewirkt, dass
nach der Umformung der Kragen 3 dort nicht nur zur Anlage
kommen kann, sondern dessen Bewegung in Richtung einer Kolbenhubachse 8 auch
begrenzt ist. Damit kann sicher gestellt werden, dass der Kragen 3 aufgrund
seiner Umformung von seiner Ausgangslage (bei diesem Ausführungsbeispiel
etwa eine Erstreckung senkrecht zu der Kolbenhubachse 8)
bis in seine Endposition (Erstreckung etwa parallel zu der Kolbenhubachse 8)
in die gewünschte Endposition gebracht werden kann, um
einen Freibereich 9, der beispielsweise mittels spanabhebender
Bearbeitung in den Kolbenrohling 1 eingebracht worden ist
(Einstich), zu verschließen. Außerdem stellt der
Absatz 7 sicher, dass keine Schweißspritzer in
den Kühlkanal gelangen.
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Ein
solcher Kolbenrohling 1 ist damit der Ausgangspunkt für
die weitere Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens.
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Der
nächste Schritt ist in 2 gezeigt,
bei dem erkennbar ist, dass der Kragen 3 in einem ersten Schritt
in Richtung des Anlagebereiches 5 umgeformt wird, ohne
dass er den Anlagebereich 5 berührt. Dieser Umformschritt,
z. B. ein Walzdrücken, führt dazu, dass der abstehende
umlaufende Kragen 3 beispielsweise einen Anstellwinkel
von etwa 45 Grad in Bezug auf die Kolbenhubachse 8 erfährt.
Dieser Wert ist aber nur beispielhaft und kann dahingehend variieren,
dass der umlaufende Rand des Kragens nahe bis an den Anlagebereich 5 des
Kolbenrohlings 1 umgeformt wird, ohne diesen zu berühren.
Das bedeutet, dass je nach Geometrie des Kolbenrohlings 1 und des
Kragens 3 dieser auch bis auf wenige Millimeter an den
Anlagebereich 5 des Kolbenrohlings 1 heran umgeformt
werden kann. Wichtig ist dabei nur, dass der Kragen 3 so
umgeformt wird, dass es noch möglich ist, seine Endbereiche
sowie den Kolbenrohling 1 in dem Bereich, in dem der Kragen 3 zur
Anlage kommen soll, lokal zu erwärmen.
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Die
lokale Erwärmung ist in 3 gezeigt. Hier
ist erkennbar, dass in einem zweiten Schritt die Bereiche 31, 51 des
Kolbenrohlings 1 und des Kragens 3, die in dem
Analgebereich 5 zur Anlage kommen sollen, erwärmt
werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Induktionsspule 10 koaxial über
den Kolbenschaft 6 bis in den Anlagebereich 5 hineinbewegt
und dann mit Strom beaufschlagt, sodass die Bereiche 31 des
Kragens 3 und 51 des Kolbenrohlings 1 erwärmt
werden, wobei von besonderem Vorteil ist, dass die Erwärmung
auf ein solches Temperaturniveau erfolgt, dass diese Bereiche 31, 51 aufschmelzen.
Hierbei ist auch sehr gut zu erkennen, dass nach dem ersten Umformschritt
des Kragens 3 so viel Platz zwischen seinem Endbereich
und dem Anlagebereich 5 des Kolbenrohlings 1 verbleiben
muss, dass die Induktionsspule 10 an die gewünschte
Position bringbar ist. Allerdings sollte zwischen Kolbenrohling 1 und
Induktionsspule 10 sowie zwischen Induktionsspule 10 und
Kragen 3 nicht allzu viel Zwischenraum verbleiben, um die
Erwärmung der gewünschten Bereiche möglichst
effektiv und ohne Energieverluste durchführen zu können.
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Die 4 zeigt,
dass in einem weiteren Schritt der Kragen 3 derart weiter
verformt wird, dass er den Anlagebereich 5 berührt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird also der etwa im Winkel
von 45 Grad gemäß 3 angestellte
Kragen 3 nach dem lokalen Aufwärmvorgang weiter
verformt, sodass er in etwa parallel zu der Kolbenhubachse 8 umgeformt wird.
Diese Umformung erfolgt ebenfalls unter Druck (z. B. wieder Walzdrücken),
sodass durch die Anlage des Kragens 3 und des Kolbenrohlings 1 im
Anlagebereich 5 der nahezu fertige Kühlkanalkolben 11 entsteht.
Aufgrund der Aufschmelzung der Bereiche 31, 51 kommt
es im Anlagebereich 5 zu einer nahezu oder vollständigen
formschlüssigen Verbindung, sodass der bisherige Freibereich 9 nahezu
vollständig verschlossen wird und einen Kühlkanal 12 bildet.
D. h., dass durch die beschriebenen Schritte der Kühlkanal 12 vollständig
verschlossen ist aufgrund der nahezu oder vollständigen
formschlüssigen Verbindung zwischen Kragen 3 und
Kolbenrohling 1. Damit kann ein weiterer Bearbeitungsschritt
(wie z. B. ein Schweißen oder Löten) im Anlagebereich 5 entfallen.
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Nach
Ausführung der Schritte, wie sie vorstehend beschrieben
und in den 1 bis 4 gezeigt sind,
ist es lediglich erforderlich, den in 4 gezeigten
fast fertigen Kühlkanalkolben 11 noch dahingehend
zu bearbeiten, dass er auf seinen Soll-Außendurchmesser
gebracht wird. Denn bei Betrachtung der 4 ist es
erkennbar, dass der umgeformte Kragen 3 noch einen etwas
größeren Außendurchmesser aufweist als
der Außendurchmesser des Kolbenschaftes 6. Somit
wird ein nachgeschaltetes Bearbeitungsverfahren, wie z. B. eine
spanabhebende Bearbeitung durchgeführt, um den Außendurchmesser
des Kühlkanalkolbens 11 auf Maß zu bringen.
Außerdem ist es noch erforderlich, den jetzt vollständig geschlossenen
Kühlkanal 12 dahingehend zu öffnen, in
dem Zulauf- und Ablauföffnungen mittels eines Bohrvorganges
eingebracht werden. Durch diese Öffnungen wird beim späteren
Betrieb des Kühlkanalkolbens 11 in an sich bekannter
Weise Kühlöl durch den Kühlkanal 12 geführt.
Der Bohrvorgang wird vorzugsweise vor dem Umformvorgang durchgeführt,
damit Bohrgrate entfernt werden können.
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Abschließend
sei noch darauf hingewiesen, dass in den 1 bis 4 links
von der Kolbenhubachse 8 ein Längsschnitt durch
den Kolbenrohling 1 und rechts ein Querschnitt durch diesen
gezeigt ist.
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- 1
- Kolbenrohling
- 2
- Kolbenboden
- 3
- Kragen
- 4
- Kolbennaben
- 5
- Anlagebereich
- 6
- Kolbenschaft
- 7
- Absatz
- 8
- Kolbenhubachse
- 9
- Freibereich
- 10
- Induktionsspule
- 11
- Kühlkanalkolben
- 12
- Kühlkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004031513
A1 [0002, 0004]