DE102009027647A1

DE102009027647A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009027647A1
Application number: DE102009027647A
Authority: DE
Inventors: Margrit Dannenfeldt
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2011-01-20
Also published as: WO2011006753A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor wird zumindest eine Ringnut (12) zumindest teilweise hartanodisiert (14), und die Hartanodisierschicht (14) wird nachfolgend zumindest teilweise durch ein in die Nut (12) eingeführtes, rotierendes Schleifwerkzeug (16) geglättet. Eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Kolbens (10) eines Verbrennungsmotors, bei dem zumindest eine Ringnut (10) hartanodisiert ist, weist eine vorzugsweise drehbare Halterung für den Kolben (10) und ein rotierendes Schleifwerkzeug (16) mit einem Motor und einer Spannvorrichtung hierfür auf, das in die Nut (12) einführbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor. Bei den in Verbrennungsmotoren eingesetzten Kolben ist die erste Ringnut in besonderer Hinsicht thermisch und mechanisch belastet. Insbesondere bei hochbelasteten Ottomotorkolben aus einer Aluminiumlegierung wird deshalb die erste Ringnut häufig hartanodisiert, um ein so genanntes Ausschlagen der Nut und ein Mikroverschweißen mit dem Kolbenring zu verhindern. Konventionelle Hartanodisierschichten sind jedoch vergleichsweise rau, was zu einem hohen Blowby-Wert, insbesondere in der Einfahrphase des Motors führt.
Glatte Hartanodisierschichten mit Schichtdicken bis zu etwa 15 μm werden derzeit durch den Einsatz von Chrom(6+)-haltigen Elektrolyten hergestellt, die hochgiftig sind.
Stand der Technik
Aus der EP 0 708 698 B1 geht ein Verfahren zum Herstellen von Kolben und Kolbenstangen sowie Zylindern für Hydraulik- und Pneumatikaggregate hervor, bei dem ein zylindrisches Halbzeug aus einer Aluminiumlegierung an seiner Gleitfläche hartanodisiert wird, und das hartanodisierte Produkt um seine Achse in Drehung versetzt wird und mit flächigen Schleifmedien bearbeitet, insbesondere poliert wird.
Die DE 39 03 722 A1 betrifft eine Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen Verbrennungsmotor, bei dem die Ringnut hartanodisiert ist und die gegenüberliegende Oberfläche des Kolbenringes ein Harz aufweist, das die Täler der vergleichsweise rauen hartanodisierten Oberfläche ausfüllt.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, durch die eine vergleichsweise glatte Hartanodisierschicht ohne Verwendung giftiger Elektrolyten erzeugt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.
Demzufolge wird im Rahmen der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zumindest eine Ringnut zumindest teilweise hartanodisiert, und die Hartanodisierschicht nachfolgend zumindest teilweise durch ein in die Nut (12) eingeführtes, rotierendes Schleifwerkzeug (16) geglättet. Die Erfindung schafft damit eine Lösung für das Problem, eine vergleichsweise glatte Hartanodisierschicht auch an der grundsätzlich schwer zugänglichen Stelle, nämlich in einer Ringnut, auszubilden. Dies erfolgt durch Einführen eines schnell rotierenden Schleifwerkzeuges, das mit einem Zahnarztbohrer vergleichbar ist, in die Ringnut. Für eine vollständige Bearbeitung kann der Kolben um seine Achse, bevorzugt langsam, gedreht werden und/oder das Schleifwerkzeug, das bevorzugt eine sehr feine Körnung aufweist, kann während der Bearbeitung in radialer Richtung bewegt werden, so dass weitgehend die gesamte Nutflanke bearbeitet werden kann.
Hierdurch können besonders glatte Hartanodisierschichten ausgebildet werden, so dass der Blowby-Wert, insbesondere während der Einfahrphase, reduziert wird und der Ölverbrauch gesenkt wird. Ferner wird erwartet, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Hartanodisierschichten in ausreichenden Dicken, beispielsweise bis zu 15 μm und/oder mehr als 8 μm mit der gewünschten Glattheit ausgebildet werden können. Schließlich kann auf die Verwendung von giftigen Elektrolyten verzichtet werden.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Die Bearbeitung der Nutflanken gestaltet sich besonders effizient und/oder lässt sich automatisieren, wenn der Kolben bei der Bearbeitung um seine Achse gedreht wird. Hierdurch lässt sich die Ringnut umlaufend bearbeiten.
Eine vollständige Bearbeitung der Ringnut in radialer Richtung kann besonders effizient dadurch realisiert werden, dass das rotierende Schleifwerkzeug während der Bearbeitung in radialer Richtung, insbesondere von innen nach außen bewegt wird.
In vorteilhafter Weise können ungleichmäßige Abtragungen, insbesondere bei einem welligen Verlauf der Hartanodisierschicht in der Nut vermieden werden, wenn das Schleifwerkzeug anstelle einer mechanischen Führung mit einem gleichbleibenden Druck auf die zu bearbeitende Oberfläche gedrückt wird. Bevorzugt wird deshalb dieser Druck reguliert, was beispielsweise mittels zumindest einer Feder geschehen kann.
Für die Genauigkeit der Bearbeitung ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn der Abrieb, mit anderen Worten das von der Hartanodisierschicht abgenommene Material, fortlaufend weggespült wird.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch die im Anspruch 6 beschriebene Vorrichtung, die eine Halterung für den zu bearbeitenden Kolben, ein rotierendes Schleifwerkzeug mit einem Motor und eine Spannvorrichtung hierfür aufweist, wobei das Schleifwerkzeug in die Nut einführbar ist. Mit einer derartigen Vorrichtung kann/können die vorangehend beschriebene Bearbeitung durchgeführt und die genannten Vorteile erreicht werden.
Für die Vorrichtung wird derzeit bevorzugt, die Motorhalterung translatorisch bewegbar auszuführen, jedoch nicht um die Translationsrichtung drehbar. Die translatorische Bewegung des Motors kann beispielsweise in radialer Richtung erfolgen. Ferner ist eine derartige Bewegung in Axialrichtung des Kolbens denkbar, um in dieser Richtung den Anpressdruck bei der Bearbeitung zu regulieren.
Im Hinblick auf eine Dreh- oder Kippbarkeit des Motors kann lediglich vorgesehen sein, diesen um eine horizontale Achse, die zur Achse des rotierenden Werkzeuges weitgehend senkrecht sein kann, kippbar zu machen, um beide, die Ober- und die Unterflanke einer Nut, bearbeiten zu können.
Zur Regulierung des Anpressdrucks ist insbesondere zumindest eine Feder zum Andrücken des Schleifwerkzeuges an die zu bearbeitende Hartanodisierschicht vorgesehen.
Um Kanten und Kerben zu vermeiden, wird ferner bevorzugt, dass der in Kontakt mit der Hartanodisierschicht kommende Bereich des Schleifwerkzeuges rund oder gerundet ist.
Grundsätzlich ist die Bearbeitung der Hartanodisierschicht mit hohen Verschleißraten durch Materialien denkbar, die weicher sind als die zu bearbeitende Hartanodisierschicht. Es wird jedoch bevorzugt, Materialien an dem Schleifwerkzeug zu verwenden, die härter sind als die Hartanodisierschicht, wie z. B. eine Keramik oder ein zumindest teilweiser Besatz mit Diamant.
Um in vorteilhafter Weise den Abrieb von der Bearbeitungsstelle zu entfernen, ist ferner bevorzugt zumindest eine Einrichtung zum Abgeben einer Spülflüssigkeit vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um eine (Bohröl-)Emulsion handeln kann.
Im Hinblick auf die Dimensionierung des Schleifwerkzeuges wird ferner bevorzugt, im Bereich der vorderen 5 mm, bei denen es sich um eine typische Tiefe der Nut handelt, eine Dicke vorzusehen, die bei etwa zwei Drittel der Nuthöhe liegt. Es wird demnach eine Kombination aus zu bearbeitenden Kolben und hierfür angepasstem Werkzeug vorgestellt, welche das vorangehend genannte Merkmal aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht durch eine Ringnut eines Kolbens eines Verbrennungsmotors während der erfindungsgemäßen Bearbeitung; und
2–4 alternative Gestaltungen des gemäß 1 verwendeten Schleifwerkzeuges.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist in einer Schnittansicht der Bereich der ersten Ringnut 12 eines Kolbens 10 eines Verbrennungsmotors gezeigt.
Ferner ist eine bei dem gezeigten Beispiel vollständig in der Nut 12 und benachbart hierzu ausgebildete Hartanodisierschicht 14 zu erkennen. Diese wird erfindungsgemäß durch ein vergleichsweise schnell um seine Längsachse rotierendes Schleifwerkzeug 16 bearbeitet. Wie in der Figur angedeutet ist, ist insbesondere der vordere Bereich 18 mit einer für diese Bearbeitung geeigneten Oberfläche, beispielsweise mit einer Keramik oder einem Diamantbesatz, ausgebildet. Während der Bearbeitung wird der Kolben 10 bevorzugt um seine (in 1 von oben nach unten verlaufende) Achse, bevorzugt langsam, gedreht. Damit wird eine umlaufende Bearbeitung ermöglicht. Eine vollständige Bearbeitung der Nutflanken in radialer Richtung wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Schleifwerkzeug während der Bearbeitung in radialer Richtung, beispielsweise ausgehend von der in 1 gezeigten Position von rechts nach links, d. h. nach außen, bewegt wird.
Die Ringnut 12 kann beispielsweise eine Tiefe von etwa 5 mm und eine Höhe (in Achsrichtung gemessen) von etwa 1,5 mm aufweisen. Dementsprechend wird für die Dicke, also den Durchmesser des rotierenden Schleifwerkzeuges 16, insbesondere in dem vorderen, d. h. in die Nut eingeführten Bereich, beispielsweise die vorderen 5 mm, ein Maß von etwa zwei Drittel der Nuthöhe bevorzugt. Wie in 1 zu erkennen ist, kann das Schleifwerkzeug 16 in seinem vorderen Bereich 18 ausgehend von dem Durchmesser des Schaftes des Schleifwerkzeuges 16 gerundet ausgeführt sein. Hierbei kann insbesondere auch die Spitze des Schleifwerkzeuges gerundet sein.
Alternativ ist hier eine Spitze, wie in 2 gezeigt, denkbar. Ferner kann der für die Bearbeitung vorgesehene Bereich 18 ausgehend von dem Durchmesser des Schaftes des Schleifwerkzeuges verbreitert, und der für die Bearbeitung vorgesehene Bereiche oval gerundet, wie in 3 gezeigt, oder im Wesentlichen kreisrund, wie in 4 gezeigt, ausgeführt sein. Alternative Gestaltungen des rotierenden Schleifwerkzeuges, insbesondere dessen vorderen Bereich, sind selbstverständlich denkbar.
Bei der gemäß 1 bearbeiteten Nut handelt es sich bevorzugt um die oberste Ringnut eines Ottomotorkolbens aus einer Aluminiumlegierung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0708698 B1 [0003]
- DE 3903722 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem zumindest eine Ringnut (12) zumindest teilweise hartanodisiert wird, und die Hartanodisierschicht (14) nachfolgend zumindest teilweise durch ein in die Nut (12) eingeführtes, rotierendes Schleifwerkzeug (16) geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) während der Bearbeitung um seine Achse gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Schleifwerkzeug (16) während der Bearbeitung radial, insbesondere von innen nach außen, bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, mit dem das Schleifwerkzeug (16) auf die zu glättende Schicht (14) gedrückt wird, beispielsweise mittels zumindest einer Feder reguliert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung der Abrieb weggespült wird.
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Kolbens (10) eines Verbrennungsmotors, bei dem zumindest eine Ringnut (10) hartanodisiert ist, mit: einer vorzugsweise drehbaren Halterung für den Kolben (10) und einem rotierenden Schleifwerkzeug (16) mit einem Motor und einer Spannvorrichtung hierfür, das in die Nut (12) einführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorhalterung translatorisch bewegbar, jedoch nicht um die Translationsrichtung drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorhalterung derart kippbar ist, dass sowohl Ober- als auch Unterflanke einer Ringnut (12) bearbeitbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung zumindest eine Feder zum Andrücken des Werkzeuges (16) an die zu bearbeitende Hartanodisierschicht (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der in Kontakt mit der Hartanodisierschicht (14) kommende Bereich (18) des Schleifwerkzeuges (16) rund ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Schleifwerkzeug (16) ein Material aufweist, das härter ist als eine Hartanodisierschicht (14), wie z. B. Keramik und/oder Diamantbesatz.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, ferner mit einer Einrichtung zur Abgabe einer Spülflüssigkeit zum Wegspülen des Abriebs, beispielsweise zum Abgeben einer (Bohröl-)Emulsion.