DE102010053925A1

DE102010053925A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102010053925A1
Application number: DE102010053925A
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp; Klaus Keller
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-14
Also published as: CN103619507A; WO2013097839A2; CN104942213B; US20120145112A1; CN104942213A; US8616161B2; CN103619507B; WO2013097839A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem umlaufenden Kühlkanal (24), wobei ein Rohling (11', 111') eines Kolbenunterteils (11, 111) geschmiedet sowie ein Rohling (12') eines Kolbenoberteils (12) hergestellt, die Rohlinge (11', 111' 12') vorbearbeitet und zu einem Kolbenrohling (10', 110') gefügt werden, welcher zu einem Kolben (10, 110) fertigbearbeitet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den Rohling (11', 111') des Kolbenunterteils (11, 111) beim Schmiedevorgang mindestens eine Vertiefung (25) bzw. mindestens eine Ausnehmung (135) eingeformt wird, wobei im fertigen Kolben (10, 110) die mindestens eine Vertiefung (25) eine Öffnung (33) für einen Kühlmittelzulauf und/oder einen Kühlmittelablauf bzw. die mindestens eine Ausnehmung (135) eine Aushebenut (136) für einen Bolzensicherungsring bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem umlaufenden Kühlkanal, wobei ein Rohling eines Kolbenunterteils geschmiedet sowie ein Rohling eines Kolbenoberteils hergestellt, die Rohlinge vorbearbeitet und zu einem Kolbenrohling gefügt werden, welcher zu einem Kolben fertigbearbeitet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Rohling eines Kolbenunterteils geschmiedet sowie ein Rohling eines Kolbenoberteils hergestellt, die Rohlinge vorbearbeitet und zu einem Kolbenrohling gefügt werden, welcher zu einem Kolben fertigbearbeitet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich derartige Kolben für einen Verbrennungsmotor.
In geschmiedeten Kolbenteilen werden Öffnungen, wie bspw. für den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelablauf in einem Kühlkanal, bisher durch Bohren hergestellt. Dabei entstehen scharfe Verschneidungskanten, an denen hohe Spannungen zu Rissen führen können. Aus diesem Grund müssen die Verschneidungskanten von Hand oder maschinell verrundet werden, was sehr aufwändig ist. Ferner müssen Öffnungen, die von der kreisrunden Form abweichen, unter großen Aufwand gefräst werden. Auch die Aushebenuten für die Bolzensicherungsringe an den Bolzenbohrungen müssen unter großem Aufwand gefräst oder gegossen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass Öffnungen und Nuten auf einfache und wirtschaftliche Weise in die Kolbenbauteile eingebracht werden können.
Eine Lösung besteht darin, dass in den Rohling des Kolbenunterteils beim Schmiedevorgang mindestens eine Vertiefung eingeformt wird, dass beim Vorbearbeiten des Rohlings des Kolbenunterteils ein umlaufender unterer Kühlkanalteil derart eingearbeitet wird, dass die mindestens eine Vertiefung eine Öffnung für einen Kühlmittelzulauf und/oder einen Kühlmittelablauf bildet. Eine weitere Lösung besteht darin, dass in den Rohling des Kolbenunterteils beim Schmiedevorgang mindestens eine Ausnehmung eingeformt wird, dass beim Vorbearbeiten des Rohlings des Kolbenunterteils eine Bolzenbohrung derart eingearbeitet wird, dass die mindestens eine Ausnehmung eine Aushebenut für einen Bolzensicherungsring bildet. Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sind ferner mittels derartiger Verfahren herstellbare Kolben. Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist insbesondere ein Kolben, mit einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil, wobei das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal bilden und der Kühlkanal mindestens eine Öffnung für einen Kühlölzulauf und/oder einen Kühlölablauf aufweist, die aus einer geschmiedeten Vertiefung gebildet ist.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, Strukturen wie Bohrungen und Nuten während des Schmiedevorgangs derart in ein Kolbenbauteil einzuformen, dass eine spanende Bearbeitung wie Bohren und Fräsen zur Herstellung dieser Strukturen entfällt. Zur Herstellung eines Kühlmittelzulaufs bzw. eines Kühlmittelablaufs in einem umlaufenden Kühlkanal werden bspw. Vertiefungen in den Rohling des Kolbenunterteils eingeformt. Der Schmiedevorgang bringt es mit sich, dass diese Vertiefungen unmittelbar verrundet sind, so dass keine gefährlichen Spannungen auftreten, die zur Rissbildung führen können. Das aufwändige Bohren und Fräsen sowie das anschließende manuelle oder maschinelle Verrunden entfallen. Beim anschließenden Einbringen des unteren Kühlkanalteils in den Rohling des Kolbenunterteils werden diese Vertiefungen freigelegt und somit der Kühlmittelzulauf bzw. der Kühlmittelablauf gebildet. In vergleichbarer Weise kann in demjenigen Bereich des Rohlings des Kolbenunterteils, in dem beim fertigen Kolben die Nabenbohrungen vorgesehen sind, während des Schmiedevorgangs mindestens eine Ausnehmung eingeformt werden, die nach dem Herstellen der Nabenbohrungen eine Aushebenut für die Bolzensicherungsringe bildet. Eine Nachbearbeitung dieser Ausnehmung ist ebenfalls nicht erforderlich.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die mindestens eine Vertiefung wird bevorzugt derart eingearbeitet, dass sich eine Öffnung für einen Kühlmittelzulauf und/oder Kühlmittelablauf mit unrundem Querschnitt ergibt. Die Querschnitte der Öffnung(en) für Kühlmittelzulauf bzw. Kühlmittelablauf können je nach Erfordernis frei gewählt werden.
Die mindestens eine Aushebenut für den Bolzensicherungsring kann, wenn gewünscht, nachbearbeitet werden, insbesondere im Zuge der Oberflächenbearbeitung der Nabenbereiche.
Die Rohlinge von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil werden zweckmäßigerweise mittels eines Schweißverfahrens gefügt, bspw. mittels Reibschweißen, Strahlschweißen, Laserschweißen usw..
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines geschmiedeten Rohlings eines Kolbenunterteils und eines geschmiedeten Rohlings eines Kolbenoberteils zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 die Rohlinge gemäß 1 nach dem Vorbearbeiten;
3 der aus den Bauteilen gemäß 2 hergestellte Kolbenrohling für einen erfindungsgemäßen Kolben im Schnitt;
4 der aus dem Kolbenrohling gemäß 3 hergestellte erfindungsgemäße Kolben im Schnitt;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines geschmiedeten Rohlings eines Kolbenunterteils zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer perspektivischen Darstellung;
6 der aus dem Kolbenunterteil gemäß 5 sowie aus einem Kolbenoberteil hergestellte erfindungsgemäße Kolben im Schnitt.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines fertigen erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 besteht aus einem Kolbenunterteil 11 und einem Kolbenoberteil 12. Das Kolbenunterteil 11 aus jedem metallischen Werkstoff bestehen, der zum Schmieden geeignet ist. Das Kolbenoberteil 12 kann aus jedem metallischen Werkstoff bestehen, der mit dem Werkstoff des Kolbenunterteils 11 zu einem Kolbenrohling verbunden werden kann.
Im Ausführungsbeispiel besteht das Kolbenunterteil 11 aus einem Stahlwerkstoff, bspw. 42CrMo4. Das Kolbenunterteil 11 weist einen Kolbenschaft 15 auf, der in an sich bekannter Weise mit Naben 16 und Nabenbohrungen 17 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie mit Schaftbereichen mit Laufflächen 18 versehen ist. Das Kolbenoberteil 12 ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff, bspw. 38MnVS6, hergestellt. Das Kolbenoberteil 12 weist einen Kolbenboden 19 sowie einen umlaufenden Feuersteg 21 auf. Das Kolbenunterteil 11 und das Kolbenoberteil 12 bilden in diesem Ausführungsbeispiel eine umlaufende Ringpartie 22 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt), sowie eine Brennraummulde 23. Das Kolbenunterteil 11 und das Kolbenoberteil 12 bilden ferner einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 24. Das Kolbenunterteil 11 und das Kolbenoberteil 12 sind im Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise durch Reibschweißen miteinander verbunden.
Der erfindungsgemäße Kolben 10 wird auf die nachfolgend beschriebene Weise herstellt, wie es aus den 1 bis 3 ersichtlich ist.
Das Kolbenunterteil 11 und in diesem Ausführungsbeispiel das Kolbenoberteil 12 sind geschmiedete Bauteile. Gemäß 1 werden zunächst ein Rohling 11' eines Kolbenunterteils 11 sowie ein Rohling 12' eines Kolbenoberteils 12 geschmiedet. Erfindungsgemäß wird im Zuge des Schmiedevorgangs im Rohling 11' in dem mit einem Kreis angedeuteten Bereich eine Vertiefung 25 eingeformt. Die Vertiefung 25 wird in demjenigen Bereich des Rohlings 11' angeordnet, in dem vor dem Fügen der vorbearbeiteten Rohlinge 11', 12' ein Teilbereich des Kühlkanals 24 eingearbeitet ist. Die Rohlinge 11', 12' weisen ferner glatte Mantelflächenbereiche 26, 27 zur späteren Aufnahme der Ringpartie 22 auf. Der Rohling 12' des Kolbenoberteils 12 weist ferner eine ringförmig umlaufende Rinne 28 auf, die in demjenigen Bereich des Rohlings 12' angeordnet ist, in dem vor dem Fügen der vorbearbeiteten Rohlinge 11', 12' ein Teilbereich des Kühlkanals 24 eingearbeitet ist.
Die vorbearbeiteten, zum Fügen vorbereiteten Rohlinge 11', 12' von Kolbenunterteil 11 und Kolbenoberteil 12 sind in 2 dargestellt. In den Rohling 11' des Kolbenunterteils 11 sind im Ausführungsbeispiel der Bodenbereich 31 und ein Teil 32 des Wandbereichs der Brennraummulde 23 eingearbeitet, bspw. eingedreht. Ferner ist ein umlaufender unterer Kühlkanalteil 24a des Kühlkanals 24 eingearbeitet, bspw. eingedreht. Der untere Kühlkanalteil 24a ist so in den Rohling 11' eingebracht, dass die Vertiefung 25 freigelegt ist und eine Öffnung 33 gebildet ist, die im fertigen Kolben als Kühlmittelzulauf und/oder Kühlmittelablauf dienen kann. Die Öffnung 33 kann, je nach Ausgestaltung der Vertiefung 25, insbesondere einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. Der untere Rand 34 der Öffnung 33 ist aufgrund des Schmiedevorgangs, mit dem die Vertiefung 25 in den Rohling 11' eingeformt wurde, unmittelbar verrundet, d. h. sie weist keinerlei scharfe Kanten auf, so dass in diesem Bereich keine gefährlichen Spannungen auftreten, die zur Rissbildung führen können. In den Rohling 11' wurden ferner die Kolbennaben 16, die Nabenbohrungen 17 und die Laufflächen 18 eingearbeitet. In den Rohling 12' des Kolbenoberteils 12 ist im Ausführungsbeispiel der verbleibende Teil 32' des Wandbereichs der Brennraummulde 23 eingearbeitet, bspw. eingedreht. Ferner ist ein umlaufender oberer Kühlkanalteil 24b des Kühlkanals 24 eingearbeitet. In den Rohling 12' wird ferner der Kolbenboden 19 eingearbeitet.
Die beiden Rohlinge 11', 12' werden gemäß 3 in an sich bekannter Weise zu einem Kolbenrohling 10' verbunden, im Ausführungsbeispiel mittels Reibschweißen. Der Kolbenrohling 10' entspricht im Wesentlichen dem fertigen Kolben 10 gemäß 4, so dass gleiche Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die obige Beschreibung zu 4 verwiesen wird. Der Kolbenrohling 10' wird in an sich bekannter Weise, abhängig von der Ausbildung der Rohlinge 11', 12', nachgearbeitet bzw. fertigbearbeitet. Bspw. können Außenform, Oberflächen, Brennraummulde 23, Nabenbohrungen 17, etc. fertig bearbeitet werden. Insbesondere werden die Ringpartie 22 eingearbeitet, und äußere Reibschweißwulste werden entfernt. Im Ergebnis erhält man den oben beschriebenen fertigen Kolben gemäß 4.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rohlings 111' eines Kolbenunterteils 111 für einen erfindungsgemäßen Kolben 110, wie er in 6 dargestellt ist. Der Kolben 110 wird unter Verwendung eines Rohlings 12' für ein Kolbenoberteil 12 im Wesentlichen auf dieselbe Weise hergestellt wie der Kolben 10 gemäß 4, so dass diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen wird.
Erfindungsgemäß wird im Zuge des Schmiedevorgangs im Rohling 111' in dem mit einem Kreis angedeuteten Bereich eine Ausnehmung 135 eingeformt. Die Ausnehmung 135 wird in demjenigen Bereich des Rohlings 111' angeordnet, in dem vor dem Fügen der vorbearbeiteten Rohlinge 111', 12' die Naben 16 und die Nabenbohrungen 17 eingearbeitet sind. Die Nabenbohrungen 17 werden so in den Rohling 111' eingebracht, dass die Ausnehmung 135 im fertigen Kolben eine Aushebenut 136 für einen Bolzensicherungsring (nicht dargestellt) bildet, der in an sich bekannter Weise im fertigen Kolben 110 in einer Sicherungsnut 137 aufgenommen ist. Die Aushebenut 136 kann ggf. nachbearbeitet werden. Der Rand der Aushebenut 135 ist aufgrund des Schmiedevorgangs, mit dem die Ausnehmung 135 in den Rohling 111' eingeformt wurde, unmittelbar verrundet, d. h. sie weist keinerlei scharfe Kanten auf, so dass in diesem Bereich keine gefährlichen Spannungen auftreten, die zur Rissbildung führen können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem umlaufenden Kühlkanal (24), wobei ein Rohling (11') eines Kolbenunterteils (11) geschmiedet sowie ein Rohling (12') eines Kolbenoberteils (12) hergestellt, die Rohlinge (11', 12') vorbearbeitet und zu einem Kolbenrohling (10') gefügt werden, welcher zu einem Kolben (10) fertigbearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohling (11') des Kolbenunterteils (11) beim Schmiedevorgang mindestens eine Vertiefung (25) eingeformt wird, dass beim Vorbearbeiten des Rohlings (11') des Kolbenunterteils (11) ein umlaufender unterer Kühlkanalteil (24a) derart eingearbeitet wird, dass die mindestens eine Vertiefung (25) eine Öffnung (33) für einen Kühlmittelzulauf und/oder einen Kühlmittelablauf bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (110) für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Rohling (111') eines Kolbenunterteils (111) geschmiedet sowie ein Rohling (12') eines Kolbenoberteils (12) hergestellt, die Rohlinge (111', 12') vorbearbeitet und zu einem Kolbenrohling gefügt werden, welcher zu einem Kolben (110) fertigbearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohling (111') des Kolbenunterteils (111) beim Schmiedevorgang mindestens eine Ausnehmung (135) eingeformt wird, dass beim Vorbearbeiten des Rohlings (111') des Kolbenunterteils eine Nabenbohrung (17) derart eingearbeitet wird, dass die mindestens eine Ausnehmung (135) eine Aushebenut (136) für einen Bolzensicherungsring bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (25) derart eingearbeitet wird, dass sich eine Öffnung (35) für einen Kühlmittelzulauf und/oder einen Kühlmittelablauf mit unrundem Querschnitt ergibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die mindestens eine Aushebenut (136) nachbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge (11', 111'; 12') von Kolbenunterteil (11, 111) und Kolbenoberteil (12) mittels eines Schweißverfahrens gefügt werden.
Kolben (10, 110), herstellbar mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2.
Kolben (10), mit einem Kolbenunterteil (11) und einem Kolbenoberteil (12), wobei das Kolbenunterteil (11) und das Kolbenoberteil (12) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (24) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24) mindestens eine Öffnung (33) für einen Kühlölzulauf und/oder mindestens einen Kühlölablauf aufweist, die aus einer geschmiedeten Vertiefung (25) gebildet ist.