DE10142980A1

DE10142980A1 - Manufacturing method for single piece piston with undercut piston ring, by providing profiled body inside casting tool and removing it after piston has been cast

Info

Publication number: DE10142980A1
Application number: DE2001142980
Authority: DE
Inventors: Volker Gniesmer
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2001-09-01
Filing date: 2001-09-01
Publication date: 2003-03-27

Abstract

At least one profiled body (12) for producing the undercut (10) is formed over the length of the outside surfaces (6) for the bolt hub (4), in the direction of the bolt axis (8), and this profiled body is provided inside the casting tool (11) prior to casting the piston (1) and then rinsed out after casting. The piston is used in internal combustion engines and has an undercut beneath the piston base (2) and behind the piston ring ring region (9). The piston has a shaft (3) with a bolt hub extending through it. An Independent claim is also included for a piston manufactured according to this method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Kolbens sowie einen entsprechenden Kolben gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche. The invention relates to a method for producing a one-piece piston and a corresponding piston according to the features of the preambles of independent claims.

Bei Kolben ist es bekannt, zwischen dem zylindrischen Ringfeld und den seitlichen Kastenwänden unterhalb des Kolbenbodens zur Kolbenaußenform hin nach unten geöffnete lokale Ausnehmungen vorzusehen. Diese Ausnehmungen dienen in erster Linie der Gewichtserleichterung des Kolbens. Zudem vergrößern sie die Fläche, die zur thermischen Kühlung des Kolbenbodens bereitsteht. Diese lokalen Ausnehmungen können während des Urformprozesses durch entsprechende Gestaltung der Urformwerkzeuge oder nachträglich durch mechanische Bearbeitung hergestellt werden. With pistons it is known between the cylindrical ring field and the lateral one Box walls below the piston crown towards the piston outer shape downwards to provide open local recesses. These recesses serve primarily Piston lightening line. They also enlarge the area that is available for thermal cooling of the piston crown. This local Recesses can be made during the original molding process by appropriate design of the Original molds or subsequently produced by mechanical processing become.

Bei der Herstellung dieser Ausnehmungen durch ein Gießverfahren tritt das Problem auf, daß der Formkörper, der die Ausnehmung abbildet, fester Bestandteil des Gießwerkzeuges ist. Dabei ist das Gießwerkzeug für eine Vielzahl von Gießvorgängen hintereinander ausgebildet. Das bedeutet aber, daß zumindest der die Ausnehmung abbildende Formkörper am Gießwerkzeug derart gestaltet sein muß, daß er nach dem Gießen des Kolbens problemlos wieder entfernt und wiederverwendet werden kann. Dazu ist es erforderlich, den Formbereich so zu gestalten, daß er in Auszugsrichtung des Gießwerkzeuges Auszugsschrägen aufweist, die ein Herausziehen ermöglichen und den Rinfeldhinterguß entstehen lassen. Damit ist zwar prinzipiell die Herstellung der Ausnehmungen möglich, diese sind jedoch sowohl hinsichtlich der Gewichtserleichterung als auch hinsichtlich der Kühloberfläche des Kolbenbodens nicht befriedigend. The problem arises when these recesses are produced by means of a casting process on that the molded body that images the recess, an integral part of the Casting tool is. The casting tool is for a variety of Casting processes formed one after the other. But that means that at least the one Shaped body molding must be designed on the casting tool so that it easily removed and reused after casting the piston can be. To do this, it is necessary to design the molding area so that it is in Pull-out direction of the casting tool has draft bevels that a Allow pulling out and creating the backwash of the rinfeld. That is true in principle, the production of the recesses is possible, but they are both in terms of weight reduction as well as in terms of the cooling surface of the Piston bottom not satisfactory.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, sowohl ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Kolbens sowie einen entsprechenden Kolben bereit zu stellen, bei dem das Gewicht im Kolbenboden bei weitestgehend gleicher Festigkeit deutlich reduziert wird oder bei dem eine Ausnehmung mit ausreichend großer Kühloberfläche zur Kühlung des Kolbenbodens erzielt wird. The invention is therefore based on the object, both a method for Manufacture of a one-piece piston and a corresponding piston, where the weight in the piston crown is clearly the same with largely the same strength is reduced or in which a recess with a sufficiently large Cooling surface for cooling the piston crown is achieved.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. This object is solved by the features of the independent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß zumindest ein zur Herstellung der Ausnehmung erforderlicher Formkörper über die Längserstreckung der Außenflächen der Bolzennaben in Richtung der Bolzenachse geformt ist, wobei er vor dem Gießen auf einem Gießwerkzeug angeordnet und nach dem Gießen ausgespült wird. Ein solcher lösbarer Formkörper hat den Vorteil, daß er insbesondere in dem Bereich hinter dem Ringfeld des Kolbens zumindest einen Hinterschnitt, insbesondere mehrere Hinterschnitte, erzielen kann, die in etwa von den Bolzennabenaußenflächen in Richtung des Innenbereiches des Kolbens (in Richtung der Kolbenachse) reichen oder die sich in Richtung des Ringfeldes ausdehnen. Diese Hinterschneidungen ermöglichen in vorteilhafter Weise zur Erhöhung der Kühloberfläche ein Nachführen der Ausnehmungen zu den Kolbenbodenbereichen, die vom Verbrennungsverlauf im Brennraum thermisch hoch belastet sind, und aus Gewichtsgründen in ebenso vorteilhafter Weise ein Aushöhlen von Materialbereichen, die für die Funktion und Festigkeit des Kolbens nicht erforderlich sind. Da aufgrund dieser Hinterschneidungen ein solcher Formkörper nach dem Gießen des Kolbens nicht aus der Ausnehmung herausgezogen werden kann, ist er als lösbarer Formkörper, beispielsweise als Sand- oder Salzkern, ausgebildet und wird nach dem Gießen ausgespült. Dabei ist das Gießwerkzeug derart ausgebildet, daß es wieder verwendbar ist für weitere Gießvorgänge, während der Formkörper als verlorener Kern ausgebildet ist. The inventive method is characterized in that at least one for Production of the recess required moldings over the longitudinal extent the outer surfaces of the pin bosses is shaped in the direction of the pin axis, wherein he placed on a mold before casting and after casting is rinsed out. Such a releasable molded body has the advantage that it in particular in the area behind the ring field of the piston at least one undercut, in particular several undercuts, which can be achieved approximately by the Pin boss outer surfaces in the direction of the inner region of the piston (in the direction the piston axis) or which extend in the direction of the ring field. These undercuts advantageously make it possible to increase the Cooling surface a tracking of the recesses to the piston crown areas, which are thermally highly stressed by the combustion process in the combustion chamber, and off For reasons of weight, hollowing out in an equally advantageous manner Material areas that are not required for the function and strength of the piston. There due to these undercuts such a molded body after casting the Piston can not be pulled out of the recess, it is as releasable Shaped body, for example as a sand or salt core, is formed and after Pour rinsed out. The casting tool is designed such that it again can be used for further casting processes, while the molding is lost Core is formed.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Formkörper auf das Gießwerkzeug aufgesteckt. Hierzu weist das Gießwerkzeug formschlüssige Elemente, beispielsweise vorstehende Vorsprünge oder Stifte oder dergleichen, auf, die in korrespondierende Ausnehmungen in dem Formkörper eingreifen. Auch die umgekehrte Anordnung ist realisierbar. Das Aufstecken des Formkörpers auf das Gießwerkzeug hat den Vorteil, daß der als verlorener Kern ausgebildete Formkörper einfach manuell bzw. automatisiert auf dem Gießwerkzeug angeordnet werden kann, ohne daß dazu zusätzliche Halteelemente benötigt werden. Gleichzeitig ist dadurch die genaue Positionierung des Formkörpers in Bezug auf das Gießwerkzeug sichergestellt. Dabei liegen die Kontaktflächen von dem Formkörper zu dem Gießwerkzeug aneinander an. Daraus ergibt sich nach dem Abguß ein freier, großflächiger Zugang zu dem zu entfernenden Formkörper. Aufgrund dieses freien Zugangs ist das nachträgliche Anbringen von Spülbohrungen oder dergleichen nicht erforderlich, wobei in vorteilhafter Weise der Übergangsbereich nacharbeitsfrei bleibt. Durch den großflächigen Öffnungsquerschnitt steht genügend Zugangsfläche für den Ausspülvorgang zur Verfügung. In a development of the invention, the molded body is placed on the casting tool attached. For this purpose, the casting tool has positive elements, for example protruding projections or pins or the like, which in corresponding Engage recesses in the molded body. The reverse order is also realizable. Pushing the molded body onto the casting tool has the advantage that the shaped body designed as a lost core is simply manually or can be automatically arranged on the casting tool without additional Holding elements are needed. At the same time, this is the exact positioning of the molded body in relation to the casting tool. Here are the Contact surfaces from the molded body to the casting tool. from that After casting, there is free, large-area access to the one to be removed Moldings. Due to this free access, the subsequent attachment of Rinsing holes or the like is not required, the advantageously The transition area remains free of rework. Due to the large area There is enough access area available for the rinsing process.

Ein erfindungsgemäßer Kolben, auf den die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist in den weiteren unabhängigen Patentansprüchen angegeben sowie im folgenden beschrieben und anhand der Figur erläutert. A piston according to the invention, to which the invention is, however, not restricted, is specified in the further independent patent claims and in the following described and explained with reference to the figure.

Fig. 1 zeigt einen einteiligen Kolben 1, auf dessen Bauart es bei der Erfindung nicht ankommt, vor und nach dem Entfernen des Gießwerkzeuges. Fig. 1 shows a one-piece piston 1 , the type of which is not important in the invention, before and after the removal of the casting tool.

Der Kolben 1 weist in an sich bekannter Weise einen Kolbenboden 2, ein Ringfeld 9 sowie einen Kolbenschaft 3 auf, der aus die Zylinderwand kontaktierenden (tragenden) Schaftwandabschnitten und zurückliegenden (den Zylinder nicht berührenden) Verbindungswänden, die die Bolzennaben 4 mitsamt der Bolzenbohrung 5 aufnehmen, besteht. Die Verbindungswände und die sie durchdringenden Bolzennaben 4 haben Außenflächen 6. Nicht dargestellt sind die tragenden Schaftwandabschnitte des Kolbenschaftes 3, mit denen sich der Kolben 1 an den Zylinderinnenflächen des Motors abstützt. Weiterhin kann, wie bei Fig. 1 gezeigt, eine Brennraummulde vorhanden sein, muß aber nicht. Mit den Bezugsziffern 7 ist eine Kolbenachse und der Bezugsziffer 8 eine Bolzenachse bezeichnet. The piston 1 has, in a manner known per se, a piston crown 2 , an annular field 9 and a piston skirt 3 , which comprises connecting (bearing) skirt wall sections and rear connecting walls (not touching the cylinder), which receive the pin bosses 4 together with the pin bore 5 , consists. The connecting walls and the pin bosses 4 penetrating them have outer surfaces 6 . The supporting skirt wall sections of the piston skirt 3 , with which the piston 1 is supported on the inner cylinder surfaces of the engine, are not shown. Furthermore, as shown in FIG. 1, a combustion chamber trough can be present, but need not be. Reference number 7 denotes a piston axis and reference number 8 a pin axis.

Zumindest teilweise radial umlaufend hinter einem Ringfeld 9 ist (bei Betrachtung der Fig. 1 rechts von der Kolbenachse 7) bei dem fertigen Kolben 1 zumindest eine Ausnehmung 10 vorhanden, die eine solche Form einer Hinterschneidung aufweist, die über die Längserstreckung der Außenflächen 6 in Richtung der Kolbenachse 7 reicht. D. h., daß im Bereich hinter dem Ringfeld 9 die Ausnehmung 10 einen Hinterschnitt darstellt, der derart gewählt ist, daß einerseits durch den Querschnitt der Ausnehmung 10 Gewicht im Kolbenboden 2 gespart wird, der aber nicht soweit an die Brennraummulde heranreicht, daß der Kolbenboden 2 geschwächt würde. At least partially radially circumferential behind an annular field 9 (when looking at FIG. 1 to the right of the piston axis 7 ) there is at least one recess 10 in the finished piston 1 , which has such a shape of an undercut that extends in the direction of the longitudinal extension of the outer surfaces 6 the piston axis 7 is sufficient. In other words, in the area behind the ring field 9, the recess 10 represents an undercut, which is selected such that weight is saved in the piston crown 2 on the one hand by the cross section of the recess 10 , but which does not reach the combustion chamber bowl to the extent that the Piston plate 2 would be weakened.

Bei Betrachtung der linken Hälfte neben der Kolbenachse 7 der Fig. 1 ist erkennbar, daß ein Gießwerkzeug vorhanden ist, daß Bestandteil der gesamten Gießeinrichtung zum Gießen des Kolbens ist. Diejenigen Teile der Gießeinrichtung zur Herstellung des Kolbenbodens, der Kolbeninnenform oder Teile des Schaftbereiches sind zwecks einfacher Darstellung nicht gezeigt. Auf dem Gießwerkzeug 11 wird zumindest ein Formkörper 12 angeordnet, insbesondere aufgesteckt, wobei der Formkörper 12 die Form der späteren Ausnehmung 10 aufweist. Beim Gießvorgang wird der Formkörper 12 nicht vollständig umgossen, der Kontaktbereich zum Gießwerkzeug bleibt nach dem Ausspülen als Öffnungsfläche erhalten. Da der Formkörper 12 nach dem Gießen des Kolbens 1 ausgespült wird, kann er eine beliebige Form, d. h. auch eine komplexe Formgebung, aufweisen, die sich beispielsweise der Form der Brennraummulde und dem Innenbereich des Kolbens 1 anpaßt. Aufgrund dessen kann die Ausnehmung 10 Hinterschneidungen an solchen Stellen aufweisen, die für eine Gewichtsersparnis besonders geeignet sind, ohne die Festigkeit im Kolbenboden 2 zu beeinträchtigen. Dies ist gerade bei der komplexen Formgebung von Brennraummulden von deutlichem Vorteil. When looking at the left half next to the piston axis 7 of FIG. 1, it can be seen that a casting tool is present that is part of the entire casting device for casting the piston. Those parts of the casting device for the production of the piston crown, the inner piston shape or parts of the shaft area are not shown for the purpose of simple illustration. On the molding tool 11 at least one shaped body 12 is arranged, in particular attached, wherein the shaped body 12 having the shape of the later recess 10th During the casting process, the molded body 12 is not completely cast, the contact area to the casting tool remains as an opening area after rinsing. Since the molded body 12 is rinsed out after the piston 1 has been cast, it can have any shape, ie also a complex shape, which adapts, for example, to the shape of the combustion chamber trough and the interior of the piston 1 . Because of this, the recess 10 can have undercuts at locations that are particularly suitable for saving weight without impairing the strength in the piston crown 2 . This is of particular advantage in the complex shaping of combustion chamber troughs.

Weiterhin ist in Fig. 1 gezeigt, daß das Gießwerkzeug 11 in einer Auszugsrichtung 13, d. h. schräg zur Kolbenachse 7, nach dem Gießen des Kolbens entfernt wird. Dies ist aber abhängig von der Formgebung des Kolbens 1 bzw. des korrespondierenden Gießwerkzeuges, so daß bei entsprechender Gestaltung der Halteelemente für den Formkörper 12 entsprechend der beispielhaften Ausgestaltung des Kolbens 1 in Fig. 1 auch ein Ausziehen des Gießwerkzeuges 11 in Richtung der Bolzenachse 8 möglich wäre. Ebenso kann das Gießwerkzeug bei parallel zu der Kolbenachse 7 angeordneten Außenflächen 6 auch (bei Betrachtung der Fig. 1) nach unten weggezogen werden. Bei der vorliegenden Erfindung spielt die Auszugsrichtung 13 keine Rolle, da nach dem Gießen des Kolbens 1 der Formkörper 12 zunächst in der Ausnehmung 10 verbleibt und anschließend ausgespült wird. Furthermore, it is shown in FIG. 1 that the casting tool 11 is removed in a pull-out direction 13 , ie obliquely to the piston axis 7 , after the piston has been cast. However, this is dependent on the shape of the piston 1 or the corresponding casting tool, so that with a corresponding design of the holding elements for the molded body 12 corresponding to the exemplary configuration of the piston 1 in FIG. 1, the casting tool 11 can also be pulled out in the direction of the pin axis 8 would. Likewise, with outer surfaces 6 arranged parallel to the piston axis 7 , the casting tool can also be pulled downward (when looking at FIG. 1). In the present invention, the pull-out direction 13 plays no role, since after the piston 1 has been cast, the molded body 12 initially remains in the recess 10 and is then rinsed out.

Claims

1. A method for producing a one-piece piston ( 1 ) for an internal combustion engine, with at least one recess ( 10 ) which at least partially radially surrounds under a piston crown ( 2 ) and behind an annular field ( 9 ) and a piston shaft ( 3 ) with pin hubs penetrating these ( 4 ), characterized in that at least one shaped body ( 12 ) required for producing the recess ( 10 ) is shaped over the longitudinal extent of the outer surfaces ( 6 ) of the pin bosses ( 4 ) in the direction of a pin axis ( 8 ), that the at least one shaped body ( 12 ) is arranged on a casting tool ( 11 ) before the piston ( 1 ) is cast and is rinsed out after the casting, as a result of which the recess ( 10 ) is created as a solid which is open to the outside.

2. The method according to claim 1, characterized in that the molded body ( 12 ) is plugged onto the casting tool ( 11 ) and is held in a positive or non-positive manner.

3. One -piece piston ( 1 ) for an internal combustion engine, with at least one recess ( 10 ) which at least partially radially surrounds under a piston crown ( 2 ) and behind an annular field ( 9 ) and a piston skirt ( 3 ) with pin hubs ( 4 ) penetrating these, characterized in that the recess ( 10 ) either in the direction of a pin axis ( 7 ) over the longitudinal extent of the outer surfaces ( 6 ) of the pin hubs ( 4 ) or / and in the direction of the ring field ( 9 ) has an at least an undercut shape.

4. Piston according to claim 3, characterized in that the recess ( 10 ) remains open towards the outer shape downwards or can be subsequently closed to form a cooling channel.