DE102011078145A1 - Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens bzw. Kolbenschafts - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens bzw. Kolbenschafts (1), der zwei Schaftwände (2) und zwei die Schaftwände (2) verbindende Kastenwände (3) aufweisl (5) die Schaftwände (2) zumindest leicht konisch nach außen und die Kastenwände (3) mit einer im Wesentlichen zur Kolbenachse (6) parallelen oder leicht nach außen schrägen Nabeninnenseite (7) und einer zum freien Ende hin zumindest leicht nach innen zeigenden Nabenaußenseite (8) geschmiedet werden, – mit einem zweiten Schmiedestempel (9) die Kastenwände (3) derart umgeformt werden, dass deren Nabenaußenseite (8) im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse (6) oder schräg nach außen und deren Nabeninnenseite (7) zum freien Ende hin nach außen verlaufen, – beim Umformen der Kastenwände (3) mittels des zweiten Schmiedestempels (9) gleichzeitig die Schaftwände (2) in eine zur Kolbenachse (6) etwa parallele Position gezogen werden. Hierdurch lässt sich der Kolbenschaft (1) vergleichsweise kostengünstig und gewichtsoptimal herstellen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens- bzw. eines Kolbenschafts. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolbenschaft sowie eine Schmiedevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
- Bekannte Kolben sind in einem Bereich des Kolbenbodens üblicherweise zylindrisch gestaltet, um den Raum für die in einem Verbrennungsmotor stattfindende Verbrennung abschließen zu können. Zur Gewichtsreduzierung des Kolbens sind die Bolzennaben für die Aufnahme eines Kolbenbolzens bzgl. des Durchmessers des Kolbenschaftes nach innen zurückversetzt. Aufgrund dieses Umstandes kann in den äußeren Bereichen Material eingespart und dadurch eine Gewichtsreduzierung erreicht werden.
- Generell muss jedoch aber auch ein derartiger Kolben mit nach innen versetzen Bolzennaben auf Höhe dieser Bolzennaben sowie unterhalb derselben an einem Teil des Umfangs Schaftwandabschnitte aufweisen, mit denen er nach dem Einbau in den Zylinder des Verbrennungsmotors an der Zylinderwand anliegt und sich daran abstützen kann. Diese Schaftwandabschnitte werden dabei auch als tragende Schaftwandabschnitte auf der Druck- und Gegendruckseite bezeichnet, da sie für die Führung des Kolbens im Zylinder verantwortlich sind. Die Schaftwandabschnitte verhindern dabei insbesondere ein unerwünschtes Kippen um die Bolzenachse im oberen und unteren Totpunkt. Verbunden sind die beiden Schaftwandabschnitte bzw. die beide Schaftwände über Kastenwände, die die Kolbenbolzennaben beinhalten.
- Aus der
EP 0 838 587 B2 ist ein Kolben mit Schaftwänden und diese verbindenden Kastenwänden bekannt, die dem Verlauf der in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Ränder der Schaftwände folgen. Dabei ist die Breite der beiden Schaftwände zum unteren Ende des Kolbenschafts hin größer werdend ausgebildet, wodurch die beiden Kastenwände somit schräg und derart zueinander geneigt ausgebildet sind, dass ihr Abstand in einem unteren Bereich größer ist als in einem oberen Bereich. Mit anderen Worten verlaufen die Verbindungswände somit gewissermaßen konisch zueinander. Hierdurch kann insbesondere in denjenigen Zonen, in denen die Schaftwände schmäler ausgebildet werden können, weiteres Material eingespart werden. - Aus der
EP 1 348 859 B2 ist ein weiterer Kolben mit schrägen Kastenwänden bekannt. - Des Weiteren ist aus der
DE 10 2006 020 861 B4 ein einstufiges Schmiedeverfahren zur Herstellung von buchsenartigen Schmiedeteilen in einer Form bekannt, bei dem zunächst ein Vorpressling in einer einzigen Formgravur eingelegt wird. Die Formgravur weist dabei einen äußeren Formring, einen unteren Formdorn, durch den ein unterer Ausstoßer hindurch betätigbar ist und einen oberen Formdorn, durch den hindurch ein oberer Ausstoßer betätigbar ist auf, wobei in der Gravur des oberen Formdorns ein negativer Auszugskonus vorgesehen ist. Anschließend wird die Form geschlossen und der Vorpressling durch Pressen der Formdorne zueinander umgeformt, wobei durch ein kombiniertes Betätigen der Ausstoßer und gleichzeitiges Öffnen der Form ein Auswerfen des fertig geschmiedeten Kolbens erfolgen kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere die Standzeit der Gesenke verlängert werden. - Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein verbessertes Verfahren zum Schmieden eines Kolbenschaftes anzugeben, mit welchem insbesondere ein gewichtsreduzierter Kolben mit schrägen Kastenwänden vergleichsweise einfach und dadurch wirtschaftlich hergestellt werden kann.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbenschaftes zweistufig auszubilden, wobei in einer ersten Stufe mit einem ersten Schmiedestempel und in einer sich daran anschließenden zweiten Stufe mit einem zweiten Schmiedestempel geschmiedet wird. Der Kolbenschaft weist in bekannter Weise zwei Schaftwände und zwei diese Schaftwände verbindende Kastenwände auf. Bei dem erfindungsgemäßen Schmiedeverfahren werden nun zunächst mit einem ersten Schmiedestempel die Schaftwände zumindest leicht konisch nach außen und die Kastenwände mit einer im Wesentlichen zur Kolbenachse parallelen Nabeninnenseite und einer zum freien Ende hin nach innen zeigende Nabenaußenseite geschmiedet. Die Schaftwände können sich dabei gebogen oder gerade konisch nach außen aufweiten. Eine geringe Aufweitung ist zum besseren Ausformen erforderlich. Anschließend werden in der zweiten Stufe mit einem zweiten Schmiedestempel die Kastenwände derart verformt, dass deren Nabenaußenseite im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse oder leicht nach außen geöffnet und deren Nabeninnenseite zum freien Ende hin nach außen verlaufen. Während des Umformens der Kastenwände mittels des zweiten Schmiedestempels werden gleichzeitig die Schaftwände in eine vorzugsweise zur Kolbenachse parallele Position eingezogen. Mit dem erfindungsgemäßen zweistufigen Schmiedeverfahren wird somit in der ersten Schmiedestufe ein Kolbenrohling wie bisher bekannt vorgeschmiedet, wobei die Kastenwände unter Berücksichtigung der erforderlichen Schmiedeschräge näherungsweise senkrecht, das heißt etwa parallel zur Kolbenachse, gestaltet sind. Die Nabenaußenseite verläuft entsprechend der Schmiedeschrägen nach unten innen schräg geformt, während die Nabeninnenseite etwa parallel zur Kolbenachse, das heißt im vorliegenden Fall im Wesentlichen senkrecht verläuft. Während der ersten Schmiedestufe werden gleichzeitig der Schaftbereich, das heißt die Schaftwände mit einem zumindest leicht nach unten zunehmenden Durchmesser geschmiedet. Der zunehmende Durchmesser bezieht sich dabei nicht auf die Wandstärke, sondern auf die konische Ausrichtung der Schaftwände. In der sich daran anschließenden zweiten Schmiedestufe wird unter Benutzung des zweiten Schmiedestempels, der im einfachsten Fall nur aus einem entsprechenden Innenkern und dem bereits in der ersten Schmiedestufe verwendeten Gesenk besteht, die Kolbeninnenform zumindest in einem Teilbereich der gesamten Innenhöhe konisch aufgeweitet, wodurch sich die Außenkontur der Naben senkrecht oder nach außen geneigt und die Kastenwände nach unten und außen schräg stellen. Gleichzeitig wird der ursprünglich zu große Schaftdurchmesser im Bereich der Schaftwände nach innen gezogen und damit entsprechend der Endkontur des zu schmiedenden Kolbenschaftes verformt. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dessen Einfachheit begründet, so dass auch bisher lediglich äußerst schwierig zu schmiedende, schräge Kastenwände mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise einfach und dadurch auch wirtschaftlich hergestellt werden können.
- Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Kolbenschaft aus einer Aluminiumlegierung geschmiedet und anschließend geglüht und/oder angelassen, insbesondere einer T7-Wärmebehandlung unterzogen. Durch gezielte Wärmebehandlungen, wie beispielsweise das Anlassen oder Lösungsglühen können die mechanischen Eigenschaften insbesondere von Aluminiumwerkstoffen zusätzlich gesteigert werden. Das Prinzip der Wärmebehandlung besteht dabei darin, dass durch ein Lösungsglühen bei Temperaturen knapp unter Liquidus und anschließendem Abschrecken im Wasser oder Öl ein übersättigter Mischkristall erzeugt wird. Hierdurch sind im Metallgitter mehr Fremdatome gelöst als es dem Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur entspricht. Durch eine gezielte Wärmebehandlung und damit eine gezielte Warmauslagerung scheinen sich nun die im Metallgitter übersättigt vorliegenden Fremdatome durch Diffusion als dispersive Ausscheidungen aus. Insbesondere bei der T7-Wärmebehandlung sind durch Koagulation der Ausscheidungen höhere Dehnungen bei allerdings geringerer Festigkeit erzielbar. Der Vorteil der T7-Wärmebehandlung liegt darin, dass bei Temperaturbelastung der Bauteile im praktischen Einsatz keine Maßänderung eintritt und sich auch die mechanischen Eigenschaften nicht mehr ändern, da das Gefüge bereits weitgehend im Gleichgewichtszustand vorliegt. Für Aluminiumlegierungen kommt insbesondere das Lösungsglühen mit anschließender Warmauslagerung in Betracht, bei welcher die Festigkeitssteigerung durch eine Ausscheidungshärtung erzielt wird. Das Lösungsglühen erfolgt dabei für übliche Kolbenlegierungen bei Temperaturen zwischen 480° und 550° C, wobei diese Temperatur so gewählt wird, dass eine ausreichende Menge von Legierungselementen im Mischkristall gelöst ist, so dass der Aushärtungseffekt nach dem Abschrecken und der Auslagerung auch tatsächlich eintritt. Als bestimmende Parameter sind hierbei insbesondere die Lösungsglühtemperatur, die Vorglühzeit, die Temperatur des Kühlmittels, die Temperatur des Kolbenschafts im Augenblick des Abschreckens sowie die Auslagerungstemperatur und Dauer zu nennen.
- Als weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Kolben bzw. der Kolbenschaft aus einer Eisenlegierung geschmiedet und anschließend geeignet abgekühlt bzw. wärmebehandelt, um die erforderliche Festigkeit und den gewünschten Eigenspannungszustand zu erzielen. In der anschließenden Bearbeitung kann aus dem Schmiedeteil ein kompletter, einstückiger Kolben hergestellt werden oder aber ein Kolbenunterteil, das in Kombination mit einem Kolbenoberteil durch Fügen (z.B. durch Schweißen, Kleben, Löten, usw.) oder Verschrauben einen Kolben ergibt.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
- Dabei zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine erfindungsgemäßes zweistufiges Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbenschaftes in einer ersten Stufe, -
2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen zweistufigen Schmiedeverfahrens in einer zweiten Schmiedestufe, -
3 eine Darstellung wie in1 , jedoch mit einem teilbaren, geschlossenen zweiten Schmiedestempel, während der ersten Schmiedestufe, -
4 eine Darstellung wie in2 , jedoch mit aufgespreiztem zweiteiligem zweitem Schmiedestempel während der zweiten Schmiedestufe. - Entsprechend den
1 bis4 wird ein Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens- bzw. eines Kolbenschafts1 dargestellt, der zwei Schaftwände2 und zwei diese Schaftwände2 verbindende Kastenwände3 aufweist. Die1 und2 sind dabei jeweils in eine linke und rechte Bildhälfte untergeteilt, wobei die linke Bildhälfte eine Schnittdarstellung orthogonal zu einer Bolzenachse4 und die rechte Bildhälfte jeweils eine Schnittdarstellung parallel zur Bolzenachse4 zeigt. Dem gegenüber zeigen die3 und4 jeweils eine komplette Schnittdarstellung parallel zur Bolzenachse4 . - In den
1 und3 ist dabei jeweils eine erste Schmiedestufe des insgesamt zweistufigen erfindungsgemäßen Schmiedeverfahrens dargestellt, wogegen in den2 und4 die jeweils zugehörige zweite Schmiedestufe gezeigt ist. Erfindungsgemäß werden nun in der ersten Schmiedestufe/Stufe (vgl.1 und3 ) mit einem ersten Schmiedestempel5 die Schaftwände2 zumindest leicht konisch nach außen und die Kastenwände3 mit einer im Wesentlichen zur Kolbenachse6 etwa parallelen Nabeninnenseite7 und einer zum freien Ende hin, das heißt im vorliegenden Fall nach unten und nach innen zeigenden Nabenaußenseite8 geschmiedet. Die Schaftwände2 sind dabei in den Schnittdarstellungen gemäß den3 und4 nicht erkennbar, da sie oberhalb bzw. unterhalb der Bildebene liegen. In der zweiten Schmiedestufe/Stufe des erfindungsgemäßen Schmiedeverfahrens (vgl. die2 und4 ) werden nun mit einem zweiten Schmiedestempel9 die Kastenwände3 derart umgeformt, dass deren Nabenaußenseiten8 im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse6 oder leicht nach außen (vgl. unterbrochen gezeichnete Linie in2 ) und deren Nabeninnenseiten7 zum freien Ende hin, das heißt im vorliegenden Fall nach unten, nach außen zeigen. Beim Umformen der Kastenwände3 mittels des zweiten Schmiedestempels9 werden gleichzeitig die Schaftwände2 in eine zur Kolbenachse6 etwa parallele Position gezogen und definieren dadurch den Außendurchmesser des Kolbenschaftes1 . - Generell kann selbstverständlich lediglich ein Kolbenschaft
1 bzw. ein Kolbenunterteil mit dem erfindungsgemäßen Schmiedeverfahren geschmiedet werden oder aber auch ein kompletter Kolben. Beim Umformen, das heißt beim Aufweiten der Kastenwände3 mittels des zweiten Schmiedestempels9 während der zweiten Schmiedestufe werden die Schaftwände2 durch das Aufweiten der Kastenwände3 soweit nach innen gezogen, bis sie an einer zur Kolbenachse6 parallelen Außenmantelfläche10 des zweiten Schmiedestempels9 anliegen. Diese Außenmantelfläche10 verläuft im Gegensatz zur Außenmantelfläche10’ des ersten Schmiedestempels5 nicht konisch, sondern in der Schnittdarstellung gemäß der2 etwa parallel zur Kolbenachse6 . - Der erste und der zweite Schmiedestempel
5 ,9 werden bei der jeweiligen Schmiedestufe gegen ein Gesenk11 gepresst, wobei der sich zwischen dem Schmiedestempel5 ,9 und dem Gesenk11 befindliche Kolbenschaft1 entweder während des gesamten Schmiedeverfahrens im Gesenk11 , das heißt in einer das Gesenk beherbergenden Schmiedevorrichtung12 verbleibt oder aber zwischen dem Schmieden mit dem ersten Schmiedestempel5 und dem Schmieden mit dem zweiten Schmiedestempel9 , das heißt zwischen der ersten und der zweiten Schmiedestufe, entnommen und erwärmt wird. Selbstverständlich ist auch eine direkte Erwärmung innerhalb der Schmiedevorrichtung12 nach Beenden der ersten Schmiedestufe denkbar. - Der Kolbenschaft
1 kann beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung, einer Keramik oder einem Eisenbasiswerkstoff geschmiedet werden, wobei zunehmend auch Kunststoffe denkbar sind. Zur Vergütung insbesondere eines aus einer Aluminiumlegierung geschmiedeten Kolbenschaftes1 kann dieser anschließend geglüht und/oder angelassen, insbesondere einer sogenannten T7-Wärmebehandlung, unterzogen werden. Bei einer derartigen Wärmebehandlung, die üblicherweise nach einem Abschrecken erfolgt, sollen die sich im Metallgitter übersättigt vorliegenden Fremdatome durch Fusion als dispersive Ausscheidungen ausgeschieden werden. Bei dem zuvor erfolgten Abschrecken, beispielsweise in Öl oder Wasser, sind im Metallgitter mehr Fremdatome gelöst worden, als es dem Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur entsprechen würde. Dieser Spannungszustand kann durch das anschließende Anlassen bzw. Wärmebehandeln reduziert werden. - Betrachtet man den zweiten Schmiedestempel
9 gemäß der4 , so kann man erkennen, dass dieser wie beispielsweise der erste Schmiedestempel5 gemäß der3 als geteilter Schmiedestempel ausgebildet ist. Die erste Schmiedestufe wird dabei gemäß der3 analog zur ersten Schmiedestufe der1 durchgeführt, wobei die Nabeninnenseiten7 parallel zur Kolbenachse6 und die Nabenaußenseiten8 nach schräg unten und innen verlaufend geformt werden. In der sich daran anschließenden zweiten Schmiedestufe wird der erste Schmiedestempel5 durch den zweiten Schmiedestempel9 ersetzt, wobei der zweite Schmiedestempel9 durch Aufspreizen, beispielsweise mittels eines Keils13 die Kastenwände3 derart verformt, dass deren Nabenaußenseiten8 nunmehr parallel zur Kolbenachse6 und deren Nabeninnenseiten7 schräg dazu verlaufen. Gleichzeitig werden die Schaftwände2 nach innen gezogen, was jedoch auf Grund der gewählten Schnittdarstellungen in den3 und4 nicht gezeigt ist. - Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und auch mit einer derartigen erfindungsgemäßen Schmiedevorrichtung
12 lassen sich insbesondere Kolben bzw. Kolbenschäfte1 mit schrägen Kastenwänden3 vergleichsweise einfach und wirtschaftlich herstellen, wobei mit den schrägen Kastenwänden3 eine Materialeinsparung und damit eine Gewichtsreduzierung erreicht werden kann. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- EP 1348859 B2 [0005]
- DE 102006020861 B4 [0006]
Claims (11)
- Schmiedeverfahren zur Herstellung eines Kolbens bzw. eines Kolbenschafts (
1 ), der zwei Schaftwände (2 ) und zwei die Schaftwände (2 ) verbindende Kastenwände (3 ) aufweist, bei dem – mit einem ersten Schmiedestempel (5 ) die Schaftwände (2 ) zumindest leicht konisch nach außen und die Kastenwände (3 ) mit einer im Wesentlichen zur Kolbenachse (6 ) parallelen oder nach unten leicht nach außen schräg gestellten Nabeninnenseite (7 ) und einer zum freien Ende hin zumindest leicht nach innen zeigenden Nabenaußenseite (8 ) geschmiedet werden, – mit einem zweiten Schmiedestempel (9 ) die Kastenwände (3 ) derart umgeformt werden, dass deren Nabenaußenseite (8 ) im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse (6 ) oder leicht schräg nach außen und deren Nabeninnenseite (7 ) zum freien Ende hin nach außen verlaufen, – beim Umformen der Kastenwände (3 ) mittels des zweiten Schmiedestempels (9 ) gleichzeitig die Schaftwände (2 ) in eine zur Kolbenachse (6 ) etwa parallele Position gezogen werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformen der Kastenwände (
3 ) mittels des zweiten Schmiedestempels (9 ) die Schaftwände (2 ) an eine zur Kolbenachse (6 ) etwa parallele Mantelfläche (10 ) des zweiten Schmiedestempels (9 ) anliegen. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schmiedestempel (
5 ,9 ) beim Schmieden gegen ein Gesenk (11 ) gepresst werden, wobei der sich zwischen dem Schmiedestempel (5 ,9 ) und dem Gesenk (11 ) befindliche Kolbenschaft (1 ) während des gesamten Schmiedeverfahrens im Gesenk (11 ) verbleibt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zu schmiedende Kolbenschaft (
1 ) zwischen dem Schmieden mit dem ersten Schmiedestempel (5 ) und dem Schmieden mit dem zweiten Schmiedestempel (9 ) erwärmt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (
1 ) aus einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung, einer Keramik oder aus einem Eisenbasiswerkstoff geschmiedet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (
1 ) aus einer Aluminiumlegierung geschmiedet und anschließend geglüht und/oder angelassen, insbesondere einer T7-Wärmebehandlung unterzogen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit dem Kolbenschaft (
1 ) auch ein Kolbenboden geschmiedet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der zweite Schmiedestempel (
9 ) als geteilter Schmiedestempel ausgebildet ist und zum Umformen der Kastenwände (3 ), insbesondere mittels eines Keils (13 ), aufgespreizt wird. - Kolbenschaft (
1 ) für einen mehrteiligen oder gefügten Kolben, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. - Einteiliger Kolben (
1 ), hergestellt entsprechend dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8. - Schmiedevorrichtung (
12 ) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Gesenk (11 ), einem ersten Schmiedestempel (5 ) und einem zweiten Schmiedestempel (9 ).
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