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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines einteilig
ausgebildeten Kolbens für
Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft
getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsfläche des Kolbens
eingeformte Hohlkehle aufweist, durch Schmieden und abschließendes Fertigbearbeiten. Ebenso
betrifft die Erfindung eine Fertigungslinie zur Durchführung eines
solchen Verfahrens, einen durch Schmieden einteilig hergestellten
Kolbenrohling für die
Herstellung eines Kolbens für
Verbrennungsmotoren und einen entsprechend ausgebildeten fertig bearbeiteten
Kolben.
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Kolben
für Verbrennungsmotoren
werden üblicherweise
mittels Guss- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Die gießtechnische
Erzeugung hat den Vorteil, dass sie die Herstellung komplex geformter Kolben
von geringem Gewicht erlaubt. Allerdings muss dazu ein erheblicher
Fertigungsaufwand in Kauf genommen werden. Dies gilt insbesondere dann,
wenn als Werkstoff ein Stahlmaterial verwendet werden soll, um Kolben
zu fertigen, die für
besonders hohe Belastungen geeignet sind.
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Geschmiedete
Kolben aus Stahl können
in Abhängigkeit
von ihrer Größe und ihrem
Anwendungszweck sowohl einteilig ausgebildet sein als auch aus zwei
oder mehreren Teilen bestehen. Bei mehrteiligen, aus zwei oder mehreren
Teilen zusammengesetzten Kolben werden die einzelnen Teile üblicherweise
durch geeignete Fügeverfahren
kraft- und formschlüssig
so miteinander verbunden, dass sie den im praktischen Einsatz auf
sie wirkenden Kräften
standhalten. Zu diesem Zweck eignen sich beispielsweise ein Verschweißen oder
ein konventionelles Verschrauben der Einzelteile des Kolbens.
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Ein
Beispiel für
einen mehrteiligen Kolben für einen
Verbrennungsmotor ist aus der
DE 102 44 513 A1 bekannt. Dieser Kolben weist
zum einen ein aus Stahl geschmiedetes Kolbenoberteil auf, in den
eine Verbrennungsmulde, eine Ringwand und ein nach Art einer Hohlkehle
ausgebildeter Kühlkanal
eingeformt sind. Zum anderen besitzt der Kolben ein Kolbenunterteil,
das den das Kolbenoberteil tragenden Kolbenschaft des Kolbens bildet
und in dem Naben zur Aufnahme eines den Kolben mit einem Pleuel verbindenden
Kolbenbolzens ausgebildet sind. Zur Herstellung dieses Kolbens werden
das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil in getrennten Arbeitsgängen durch
Schmieden vorgeformt und anschließend spanabhebend fertig bearbeitet.
Die Fertigbearbeitung des Kolbenoberteils umfasst dabei auch die spanabhebende
Bearbeitung der den Kühlkanal
begrenzenden Wandabschnitte, über
die anschließend eine
durch Verschweißen
oder Verlöten
stoffschlüssige
Verbindung zum Kolbenunterteil hergestellt wird.
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Ein
derartiger mehrteiliger Aufbau ermöglicht zwar eine komplexe Formgebung
eines Kolbens. Abgesehen von den sich aus der Mehrteiligkeit hinsichtlich
der Belastbarkeit ergebenden Problemen ist der damit verbundene
Fertigungsaufwand jedoch erheblich.
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Bei
der schmiedetechnischen Herstellung von aus einem Stück bestehenden
einteiligen Kolben für
Verbrennungsmotoren wird üblicherweise
zunächst
ein Kolbenrohling erzeugt, der dann durch eine spanabhebende Bearbeitung
fertig bearbeitet wird. Sämtliche
in die Umfangsfläche
des Kolbens einzuformende Vertiefungen, wie zur Gewichtsersparnis,
zur Verbesserung des Verformungsverhaltens oder als Kühlkanäle dienende
Hohlkehlen, werden dabei üblicherweise
erst durch die spanabhebenden Verfahren erzeugt.
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Ein
Beispiel für
eine derartige Herstellung eines einteiligen Kolbens ist in der
DE 100 13 395 A1 gegeben.
Gemäß dem dort
beschriebenen Verfahren wird zunächst
ein Kolbenrohling geschmiedet, indem in einen bolzenartigen Schmiederohling,
einen so genannten Knüppel,
ausgehend von dessen einer Stirnseite eine Ausnehmung eingeformt
wird, deren Außenwand
den Kolbenschaft des Kolbenrohlings bildet. Anschließend wird
in die Kolbenschaftwand eine Ausnehmung eingestochen. Dazu wird
ein Fräser oder
Drehmeißel
aus seitlicher Richtung von außen an
die Umfangsfläche
des Kolbenrohlings angesetzt.
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Trotz
der durch die einteilige Formgebung gegenüber einer mehrteiligen Ausführung erzielten Vorteile
weisen auf bekannte Weise hergestellte einteilige Kolben den Nachteil
auf, dass sie in der Regel schwerer als vergleichbare gießtechnisch
hergestellte Kolben sind. Darüber
hinaus ist der fertigungstechnische Aufwand bei der spanabhebenden
Bearbeitung hoch, da im Bereich des am Umfangsrand des Kolbenbodens
ausgebildeten Feuerstegs und des Kolbenschafts große Materialmengen
zerspant werden müssen,
um die geforderte Fertigform zu erzeugen. Dieser hohe Fertigungsaufwand
führt zu
hohen Herstellungskosten.
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Ausgehend
von dem voranstehend zusammengefassten Stand der Technik bestand
die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Fertigungslinie
zu schaffen, die eine kostengünstige
Herstellung von einteiligen Kolben unter Anwendung von Schmiedverfahren
erlauben. Darüber
hinaus sollten ein kostengünstig
herstellbarer einteiliger geschmiedeter Kolbenrohling und ein ebenso
kostengünstig herstellbarer,
fertig bearbeiteter Kolben angegeben werden.
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In
Bezug auf das Verfahren zum Herstellen eines einteilig ausgebildeten
Kolbens für
Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft
getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsfläche des
Kolbens eingeformte Hohlkehle aufweist, durch Schmieden und abschließendes Fertigbearbeiten
ist diese Aufgabe dadurch gelöst
worden, dass das Schmieden erfindungsgemäß folgende Arbeitsschritte
umfasst:
- – Mittels
eines Stempels wird unter Anwendung des Prinzips des Rückwärtsfließpressens
in einen Schmiederohling ausgehend von dessen einer Stirnseite eine
Ausnehmung eingeformt, deren durch einen Materialfluss entgegen
der Wirkrichtung des Stempels geformte Außenwand den Kolbenschaft bildet.
- – Anschließend wirkt
ein die Hohlkehle abbildendes Schmiedewerkzeug auf die mit der Hohlkehle zu
versehende Umfangsfläche
des Schmiederohlings.
- – Ausgehend
von der anderen Stirnseite des Schmiederohlings wird durch eine
Stauchoperation unter Aufrechterhaltung der Wirkung des die Hohlkehle
abbildenden Schmiedewerkzeugs der Kolbenboden geformt.
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In
entsprechender Weise ist die oben genannte Aufgabe in Bezug auf
eine Fertigungslinie zum Herstellen eines einteilig ausgebildeten
Kolbens für
Verbrennungsmotoren, der einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft
getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsfläche des
Kolbens eingeformte Hohlkehle aufweist, dadurch gelöst worden,
dass eine solche Fertigungslinie erfindungsgemäß
- – eine zum
Einformen einer Ausnehmung in die Stirnseite eines Schmiederohlings
vorgesehene Schmiedeeinrichtung, die einen Stempel aufweist, der
ein zentral angeordnetes, bei einem Schmiedehub in den Schmiederohling
eindringendes Stempelteil besitzt, der von einem Ringspalt umgeben
ist, so dass das Material des Schmiedrohlings bei einem Schmiedehub
nach dem Prinzip des Rückwärtsfließpressens
entgegen der Hubrichtung des Stempels in den Ringspalt eindringt,
und
- – eine
weitere Schmiedeeinrichtung aufweist, die eine Aufnahme für den in
der ersten Schmiedeeinrichtung geformten Schmiederohling, ein eine Hohlkehle
ausbildendes Schmiedewerkzeug, eine Stelleinrichtung zum Ansetzen
des die Hohlkehle ausbildenden Schmiedwerkzeugs an eine Umfangsfläche des
von der Aufnahme gehaltenen Schmiederohlings, sowie einen Stempel
zum Ausbilden des Kolbenbodens durch Stauchen des Schmiederohlings
ausgehend von dessen der Ausnehmung gegenüberliegenden Stirnseite umfasst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäß ausgestattete
Fertigungslinie erlauben die Herstellung von endabmessungsnahen Kolbenrohlingen,
die im Zuge der abschließenden Fertigbearbeitung
nur noch in geringem Maße
spanabhebend bearbeitet werden müssen.
Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass der Kolbenschaft des Kolbenrohlings
durch Rückwärtsfließpressen
erzeugt wird. Bei diesem Umformverfahren fließt das Material des Schmiederohlings
entgegen der Hubrichtung des zur Umformung eingesetzten Schmiedestempels
in einen geeignet ausgebildeten Spalt, so dass eine besonders große Formtreue
erzielt wird.
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Zum
anderen wird erfindungsgemäß schon am
Kolbenrohteil durch eine Umformoperation eine Hohlkehle erzeugt.
Zu diesem Zweck ist ein besonderes Schmiedewerkzeug vorgesehen,
das nach der Erzeugung des Kolbenschafts auf den Kolbenrohling in
einer Weise einwirkt, dass sich spätestens beim anschließenden Formen
des Kolbenbodens diese Hohlkehle bildet. Das erfindungsgemäße, bereits
im Zuge des Schmiedens erfolgende Einformen der Hohlkehle ermöglicht eine
deutliche Reduzierung des Gewichts eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens
gegenüber
konventionell hergestellten Schmiedekolben, da der jeweils vorhandene
Schmiederohling das im Bereich der Hohlkehle vorhandene Volumen
nicht mehr umfassen muss. Darüber
hinaus ist der Aufwand für
die Herstellung der Hohlkehle auf ein Minimum reduziert, da im Zuge
der spanenden Fertigbearbeitung im Bereich der Hohlkehle allenfalls nur
noch minimale Materialmengen abgetragen werden müssen.
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Bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann das die Hohlkehle abbildende Schmiedewerkzeug derart eingesetzt
werden, dass es die Hohlkehle durch aktive Materialverdrängung in den
Schmiederohling einformt. Zu diesem Zweck kann das betreffende Schmiedewerkzeug
die Hohlkehle durch eine entsprechende Umformoperation direkt in
die Umfangsfläche
des Schmiederohlings einformen, bevor der Kolbenboden erzeugt wird. Während der
Formgebung des Kolbenbodens verbleibt das die Hohlkehle erzeugende
Werkzeug dann in seiner formgebenden Position, so dass die Form der
Hohlkehle auch während
der für
die Erzeugung des Kolbenbodens durchgeführten Umformoperation erhalten
bleibt.
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Eine
fertigungstechnisch besonders günstige
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die es zusätzlich
erlaubt, Kolbenrohlinge zu schmieden, deren Abmessungen nur noch
minimal von der fertigen Endform des herzustellenden Kolbens abweichen,
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiederohling nach der Erzeugung
des Kolbenschafts und vor dem Einwirken des die Hohlkehle abbildenden
Schmiedewerkzeugs im Bereich des Kolbenschafts einen größeren Durchmesser
aufweist als in seinem bis dahin noch unverformten Abschnitt, so
dass das die Hohlkehle abbildende Schmiedewerkzeug in den Bereich
des Übergangs
zwischen dem Kolbenschaft und dem bis dahin unverformten Abschnitt
des Schmiederohlings angesetzt werden kann, ohne dabei größere Umformkräfte auf
den Schmiederohling aufbringen zu müssen. Bei der nachfolgend zur
Herstellung des Kolbenbodens durchgeführten Stauchung schmiegt sich
das gestauchte Material des Schmiederohlings an das in seiner zuvor
eingenommenen Position gehaltene Schmiedewerkzeug an, so dass am
fertig geschmiedeten Kolbenrohling eine den Abmessungen des Werkzeugs
besonders exakt entsprechende Hohlkehle abgebildet wird.
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Sind
bei der Formung des Kolbenschafts große Umformgrade zu bewältigen,
so hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn
das Einformen der Ausnehmung des Kolbenschafts in mindestens zwei
Stufen erfolgt. Zu diesem Zweck kann die Ausnehmung beispielsweise
in einer Vorstufe vorgeformt und daran anschließend unter Ausbildung des Kolbenschafts durch
Anwendung des Rückwärtsfließpressens
fertig geformt werden. Dementsprechend kann es zweckmäßig sein,
bei einer erfindungsgemäßen Fertigungslinie
der Schmiedeeinrichtung zum Einformen der Ausnehmung in den Schmiederohling
eine Schmiedeeinrichtung zum Vorformen der Ausnehmung vorzuschalten.
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Ein
erfindungsgemäß geschmiedeter
und einteilig ausgebildeter Kolbenrohling für die Herstellung eines Kolbens
für Verbrennungsmotoren,
der mit einem Kolbenschaft, einem vom Kolbenschaft getragenen Kolbenboden
sowie mindestens einer seitlich in eine Umfangsfläche des
Kolbenrohlings eingeformten Hohlkehle versehen ist, ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Hohlkehle um eine Bearbeitungszugabe von
maximal 4 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling
herzustellenden Kolbens abweicht. Bei einem derart geformten Kolbenrohling
ist der Aufwand für
die spanende Fertigbearbeitung auf ein Minimum reduziert. Abhängig von
den jeweils geforderten Fertigungsgenauigkeiten kann im Bereich
der Hohlkehle sogar ganz auf die spanabhebende Nachbearbeitung verzichtet
werden. Bevorzugt wird dabei die Endabmessungsnähe des erfindungsgemäß beschaffenen
Kolbenrohlings nicht nur auf den Bereich der Hohlkehle beschränkt. Vielmehr
ist es günstig,
wenn auch sein Durchmesser im Bereich des Kolbenschafts nur um eine
Bearbeitungszugabe von höchstens
3 mm vom entsprechenden Fertigmaß des aus dem Kolbenrohling
herzustellenden Kolbens abweicht. In gleicher Weise vorteilhaft
ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Kolbenrohling
der Kolbenboden um eine Bearbeitungszugabe von höchstens 4 mm vom entsprechenden
Fertigmaß des
aus dem Kolbenrohling herzustellenden Kolbens abweicht.
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Erfindungsgemäße Kolben
für Verbrennungsmotoren,
die aus einem durch Schmieden einteilig hergestellten Kolbenrohling
hergestellt sind und einen Kolbenschaft, einen vom Kolbenschaft
getragenen Kolbenboden sowie mindestens eine seitlich in eine Umfangsfläche des
Kolbens eingeformte Hohlkehle aufweisen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
der Faserverlauf des Gefüges
an der Oberfläche
der Hohlkehle dem Faserverlauf entspricht, den der Schmiederohling
vor der Fertigbearbeitung in einem Abstand von höchstens 3 mm von der Oberfläche seiner
Hohlkehle aufweist. Aufgrund der großen Nähe der Abmessungen eines erfindungsgemäß beschaffenen
und hergestellten Kolbenrohlings zu den Fertigmaßen des aus ihm herzustellenden
Kolbens muss bei der Fertigbearbeitung insbesondere im Bereich der
Hohlkehle nur noch eine geringe Materialmenge abgetragen werden.
Dementsprechend weist das Gefüge
des Kolbens in diesem Bereich einen Faserverlauf auf, bei dem allenfalls
die nächst
der Oberfläche
des Kolbenrohlings liegenden Fasern durch die spanabhebende Bearbeitung
angeschnitten oder unterbrochen sind.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen jeweils schematisch in einem Längsschnitt:
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1a, 1b eine
Schmiedeeinrichtung zum Vorformen eines Schmiederohlings in zwei
Betriebsstellungen;
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2a–2d eine
Schmiedeeinrichtung zum Formen des Kolbenschafts in vier Betriebsstellungen;
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3 einen
Schmiederohling in einem Zwischenschritt der Fertigung;
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4a–4b eine
Schmiedeeinrichtung zum Formen der Hohlkehle und des Kolbenbodens;
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5 einen
fertig geschmiedeten Kolbenrohling.
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Die
in den 1a, 1b dargestellte Schmiedeeinrichtung
V1 zum Vorformen einer Ausnehmung A in einen zylindrischen, aus
einem Schmiedestahl bestehenden Schmiederohling S weist eine Matrize 1 auf,
in die eine nach oben offene Aufnahme 2 für den Schmiederohling
S eingeformt ist. In ihrem unteren Bereich weist die Aufnahme 2 einen
Abschnitt 2a auf, in dem der Durchmesser der Aufnahme 2 dem
Durchmesser des Schmiederohlings S entspricht. Nach oben hin schließt sich
an den Abschnitt 2a ein schalenförmig erweiterter Abschnitt 2b an,
so dass der Öffnungsdurchmesser
der Aufnahme 2 größer ist
als der Durchmesser des Schmiederohling S.
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Des
Weiteren umfasst die Schmiedeeinrichtung V1 einen Stempel 3,
der für
einen Schmiedehub aus einer oberhalb der Matrize 1 angeordneten
Ruhestellung in Richtung der Matrize 1 bewegt wird. Der Stempel 3 trägt auf seiner
der Matrize 1 zugewandten Seite einen konvex vorgewölbten Prägedorn 4,
der konzentrisch zur Aufnahme 2 der Matrize 1 angeordnet
ist.
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Im
Boden der Matrize 1 sitzt der Kopf eines Ausstoßers, mit
dem der Schmiederohling S nach dem Vorformen der Ausnehmung A aus
der Aufnahme 2 der Matrize 1 ausgestoßen wird.
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Zum
Vorformen der Ausnehmung A wird der auf Schmiedetemperatur erwärmte, durch
Abteilen von einem nicht dargestellten Stangenmaterial gewonnene
zylindrische Schmiederohling S in die Aufnahme 2 der Matrize 1 gesetzt
(1a). Anschließend
führt der
Stempel 3 einen Schmiedehub aus, bei dem der Prägedorn 4 von
dessen dem Stempel 3 zugeordneter Stirnseite in den Schmiederohling
S eindringt. Der im oberen erweiterten Abschnitt 2b der Matrize 2 angeordnete
Abschnitt des Schmiederohlings S wird dadurch so aufgeweitet, dass
seine Umfangsfläche
an der Innenfläche
des Abschnitts 2b anliegt und durch den Prägedorn eine
Vorform Av der Ausnehmung A in den Schmiederohling S eingeformt ist
(1b).
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Die
in den 2a–2d dargestellte Schmiedeeinrichtung
V2 zum Fertigschmieden der Ausnehmung A umfasst ebenfalls eine Matrize 5,
die eine in einen Halter 6 eingeformte Aufnahme 6a für den in
der Vorrichtung V1 vorgeformten Schmiederohling S aufweist. Die
Höhe und
der Durchmesser der Aufnahme 6a entsprechen der Höhe und dem Durchmesser
des unverformten Abschnitts des Schmiederohlings S.
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Zusätzlich ist
die Schmiedeeinrichtung V2 mit einem Stempel 7 ausgestattet,
der auf seiner der Matrize 5 zugeordneten Seite einen konzentrisch
zur Öffnung
der Aufnahme 6a angeordneten, an seiner Spitze konvex vorgewölbten und
im Übrigen
zylindrischen Prägedorn 8 trägt. Die
Außenform
der Spitze des Prägedorns 8 entspricht
der Innenform der im Schmiederohling S zu erzeugenden Ausnehmung
A.
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Der
Prägedorn 8 ist
umgeben von einem ebenfalls im Stempel 7 gehaltenen, konzentrisch zum
Prägedorn 8 ausgerichteten
Ring 9, dessen Öffnungsdurchmesser
größer ist
als der Außendurchmesser
des zylindrischen Abschnitts des Prägedorns 8. Gleichzeitig
sind der Öffnungsdurchmesser
des Rings 9 und der Außendurchmesser
des zylindrischen Abschnitts des Prägedorns 8 größer als
der Durchmesser des unverformten, in der Aufnahme 6a sitzenden
Abschnitts des Schmiederohlings S. Auf diese Weise ist zwischen
dem Ring und dem Prägedorn 8 ein
zur Matrize 5 hin offener Ringspalt 10 gebildet,
dessen Durchmesser ebenfalls größer ist
als der Durchmesser des unverformten Abschnitts des Schmiederohlings
S.
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In
seinen über
den Ringspalt 10 in Richtung der Matrize 6 hinausragenden
Abschnitt ist in den Ring 9 ein Absatz 11 eingeformt,
so dass der Öffnungsdurchmesser
des Rings 9 in diesem Bereich gegenüber seinem Öffnungsdurchmesser im Bereich des
Ringspalts 10 noch einmal erweitert ist. Der im Bereich
des Absatzes 11 erweiterte Öffnungsdurchmesser des Rings 9 ist
an den Außendurchmesser des
zylindrisch geformten Halters 6 angepasst, so dass der
Ring 9 mit seinem durchmessererweiterten Bereich den Halter 6 seitlich
umfasst, wenn der Stempel 7 die Endstellung des Schmiedehubs
erreicht hat.
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Die
Höhe des
Ringspalts 10 ist größer als
der Schmiedehub H, den der Stempel 7 ausführt. Gleichzeitig
sind der Schmiedehub und die Position des Absatzes 11 des
Rings 9 so bemessen, dass bei in Endstellung des Schmiedehubs
befindlichem Stempel 7 zwischen der der Stirnseite des
Halters 6 gegenüber liegenden
Absatzfläche
des Rings 9 ein Abstand besteht. Auf diese Weise ist im
Bereich des Absatzes 11 bei in Endstellung des Schmiedehubs
befindlichem Stempel 7 ein ringförmig umlaufender, zum Ringspalt 10 und
zum in der Aufnahme 6a des Halters 6 sitzenden
Schmiederohling S hin offener Raum 12 gebildet.
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Der
Raum 12 dient bei der Umformung des Schmiederohlings S
zur Aufnahme von überschüssigem Material,
das im vorgeformten Bereich des Schmiederohlings S vorhanden ist,
um eine sichere Füllung
des Ringspalts 10 zu gewährleisten, das jedoch nicht
vom Volumen des Ringspalts 10 aufgenommen werden kann.
Bei solchen Kolbengestaltungen, bei denen der Ringspalt 10 beim
Schmieden des Schmiederohlings S ohne das Vorhandensein von überschüssigem Material
sicher mit Material gefüllt wird,
kann auf die Ausbildung des Raums 12 und dementsprechend
auf die Anformung des Kragens K an den Schmiederohling S verzichtet
werden.
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Zum
Fertigformen der Ausnehmung A wird der in der Vorrichtung V1 vorgeformte
Schmiederohling S mit seinem unverformten Teil in die Aufnahme 6a des
Halters 6 gesetzt, so dass der bei der Vorformung aufgeweitete
Abschnitt des Schmiederohlings S frei über dem Halter 6 steht
(2a). Anschließend führt der
Stempel 7 einen Schmiedehub aus, bei dem die Spitze des
Prägedorns 8 in
die Vorform Av der Ausnehmung A einfährt und das Material des vorgeformten
Abschnitts des Schmiedrohlings S zunächst seitlich verdrängt, bis
es auf die Innenfläche
des Rings 9 trifft (2b).
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Da
das Material des Schmiederohlings S nun nicht mehr seitlich ausweichen
kann, fließt
es dem Prinzip des Rückwärtsfließpressens
entsprechend entgegen der Hubrichtung X des Stempels 7 in
den Ringspalt 10, bis er vollständig gefüllt ist. Gleichzeitig füllt das
Material des Schmiederohlings S den Raum 12 (2c).
Auf diese Weise entsteht beim Fertigformen der Ausnehmung A am Schmiederohling
S neben der Ausnehmung A selbst ein zylindrischer Kolbenschaft KS,
der durch das in den Ringspalt 10 eingedrungene Material
gebildet ist und als Außenwand die
Ausnehmung A umgibt. Gleichzeitig besitzt der Schmiederohling S
nach dem Fertigformen der Ausnehmung A im Bereich des Übergangs
vom Kolbenschaft KS zum bis dahin unverformten Teil des Schmiederohlings
S einen umlaufenden, im Raum 12 gebildeten Kragen K, der
seitlich über
den Kolbenschaft KS hinaussteht. Zum Ausstoßen des Schmiederohlings aus
der Aufnahme 6a des Halters 6 ist wiederum ein
Ausstoßer
vorgesehen, dessen Kopf im Boden der Aufnahme 6a sitzt
(2d).
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Die
Schmiedeeinrichtungen V1 und V2 können gemeinsam Teil einer hier
weiter nicht dargestellten Schmiedepresse sein.
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Nach
dem Formen der Ausnehmung A wird der Kragen K in einer hier nicht
dargestellten Entgrateinrichtung vom Schmiederohling S abgetrennt.
Der danach erhaltene, von dem Kragen K befreite Schmiederohling
S ist in 3 dargestellt. Die Einrichtung
zum Abtrennen des Kragens K vom Schmiederohling S kann Teil einer
zweiten Schmiedepresse sein, die zusätzlich eine Schmiedeeinrichtung
V3 umfasst, die zum Fertigschmieden des aus dem Schmiederohling
S umzuformenden Kolbenrohlings R vorgesehen ist.
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Die
Schmiedeeinrichtung V3 weist einen auf einer Grundplatte 13 montierten
Haltedorn 14 auf, dessen Außenform an die Form der in
den Schmiederohling S eingeformten Ausnehmung A angepasst ist. Gleichzeitig
ist die Höhe
des Haltedorns 14 größer als
die Höhe
des Kolbenschafts KS.
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Des
Weiteren weist die Schmiedeeinrichtung V3 zwei Schmiedewerkzeuge 15, 16 zum
Ausbilden einer Hohlkehle H an dem herzustellenden Kolbenrohling
R auf. Diese Schmiedewerkzeuge 15, 16 sind jeweils
halbschalenförmig
ausgebildet und mittels jeweils eines Stellantriebs 17, 18 aus
seitlicher Richtung gegen den Haltedorn 14 bewegbar, so
dass sie in ihrer Arbeitsstellung den Umfang des Haltedorns 14 umschließen und
den Schmiederohling S auf dem Haltedorn 14 spannen. Die
Schmiedewerkzeuge 15, 16 tragen auf ihrer dem
Haltedorn 14 zugeordneten Innenfläche einen horizontal ausgerichteten,
sich über
die gesamte Breite bzw. den gesamten Umfang der jeweiligen Innenfläche radial
erstreckenden Vorsprung 19. Die Tiefe, über die der Vorsprung 19 jeweils
gegenüber
der Innenfläche
der Schmiedewerkzeuge 15, 16 vorsteht, entspricht
dabei der Tiefe der Kehle Kue, die beim Vorformen der Ausnehmung
A im Bereich der Außenseite
des Schmiederohlings S am Übergang
von dessen unverformten Abschnitt zu dem verformten Abschnitt ausgebildet
ist. Gleichzeitig ist sowohl die Form des freien Endes des Vorsprungs 19 als
auch seine Höhe über der
Grundplatte 13 so bemessen, dass bei mit der Ausnehmung
A auf dem Haltedorn 14 aufgesetztem Schmiederohling S und in Betriebsstellung
befindlichen Schmiedewerkzeugen 15, 16 deren Vorsprünge 19 bündig an
der Kehle Kue anliegen. Die Querschnittsform des Vorsprungs 19 entspricht
dabei der Querschnittsform der in den Kolbenrohling R einzuformenden
Hohlkehle H. Durch einen jeweils am Fuß der Schmiedewerkzeuge 15, 16 in
Richtung des Haltedorns 14 vorstehenden Absatz 20 sind
die Innenflächen
und die Vorsprünge 19 der
Schmiedewerkzeuge 15, 16 in Betriebsstellung in
einem Abstand zum Haltedorn 14 gehalten, der dem jeweiligen
Soll-Außendurchmesser
des Kolbenschafts KS und des Kolbenbodens B entspricht. Gleichzeitig
ist die Höhe
des Absatzes 20 über
der Grundplatte 13 so bemessen, dass die zwischen dem Absatz 20 und
dem Vorsprung 19 vorhandene Höhe der Soll-Höhe des Kolbenschafts
KS entspricht.
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Für das Stauchen
des Schmiederohlings S umfasst die Vorrichtung V3 schließlich einen
Stempel 22, der von einem Joch 23 getragen wird
und konzentrisch zum Haltedorn 14 ausgerichtet ist. Auf
seiner dem Haltedorn 14 zugeordneten Stirnseite trägt der Stempel 22 Erhebungen,
durch die die Form der in den Kolbenboden B einzuformenden Brennraummulden
M bestimmt wird.
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Zum
Fertigschmieden des Kolbenrohlings R wird der Schmiederohling S
bei vom Haltedorn 14 entfernt positionierten Schmiedewerkzeugen 15, 16 und
in Ruhestellung befindlichem Stempel 22 mit seiner Ausnehmung
A auf den Haltedorn 14 gesetzt, so dass der unverformte
Teil des Schmiederohlings S frei in Richtung des Stempels 22 zeigt.
Anschließend werden
die Schmiedewerkzeuge 15, 16 in ihre Arbeitsstellung
bewegt, in der sie gegen den auf dem Haltedorn 14 befindlichen
Schmiederohling S gedrückt
werden, so dass der fertig geformte Kolbenschaft KS in definierter
Position gehalten ist und die Vorsprünge 19 bündig in
der Kehle Kue am Übergang zum
unverformten Teil des Schmiederohlings S sitzen (4a).
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Daraufhin
führt das
Joch 23 mit dem Stempel 22 einen Schmiedehub aus,
durch den der bis dahin unverformte Teil des Schmiederohlings S
unter Ausbildung des Kolbenbodens B des Kolbenrohlings R in Richtung
des Haltedorns 14 gestaucht wird. Dabei legt sich das nun
gestauchte Material des bis dahin unverformten Teils des Schmiederohlings
S an die Vorsprünge 19 an,
so dass im Bereich des Übergangs
vom Kolbenschaft KS zum Kolbenboden B die Hohlkehle H maßgenau abgebildet
wird (4b).
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Nach
Beendigung des Schmiedehubs werden der Stempel 22 und die
Schmiedewerkzeuge 15, 16 zurück in ihre Ruhestellung bewegt,
so dass der fertig geschmiedete Kolbenrohling R (5)
aus der Vorrichtung V3 entnommen werden kann.
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Die
Abmessungen des fertig geschmiedeten Kolbenrohlings R weichen im
Bereich des Kehlengrundes der Hohlkehle H um eine Bearbeitungszugabe
Z1 von nur 3 mm, im Bereich des Übergangs
von der Hohlkehle H zu den angrenzenden Umfangsflächen des
Kolbenbodens B bzw. des Kolbenschafts KS um eine Bearbeitungszugabe
Z2 von nur 2 mm, im Bereich der Umfangsflächen des Kolbenschafts KS um
eine Bearbeitungszugabe Z3 von ebenfalls nur 2 mm, im Bereich der
Stirnfläche
des Kolbenbodens B um eine Bearbeitungszugabe Z3 von ebenfalls nur
2 mm und im Bereich der Umfangsfläche des Kolbenbodens B um eine
Bearbeitungszugabe Z3 von wiederum nur 3 mm von den Endmaßen des
aus dem Kolbenrohling R fertig herzustellenden, hier nicht dargestellten
Kolbens ab. Die abschließende spanabhebende
Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings R erfolgt in an sich bekannter
Weise mit konventionellen Bearbeitungseinrichtungen.
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Die
Vorrichtungen V1, V2 und V3 sowie die für die spanende Fertigbearbeitung
erforderlichen Einrichtungen sind Teil einer weiter nicht dargestellten
Fertigungslinie, in der aus den Schmiederohlingen S fertig bearbeitete
Kolben hergestellt werden. Dazu kann die Fertigungslinie neben den
hier vorgestellten Schmiedeeinrichtungen V1, V2 und V3 und den bereits
erwähnten
Einrichtungen zur spanabhebenden Fertigbearbeitung jeweils erforderlichenfalls Vorrichtungen
zur Wärmebehandlung
und Säuberung
umfassen.
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Indem
erfindungsgemäß das Schmieden
des Schmiederohlings S bei der Einformung der Ausnehmung A in der
Schmiedeeinrichtung V1 so durchgeführt wird, dass die Kehle Kue
im Bereich des Übergangs
zwischen dem bis zum Ende der Bearbeitung in der Vorrichtung V1
unverformten Bereich und dem Kolbenschaft KS des Schmiederohlings
S die Kehle Kue gebildet wird, kann anschließend gleichzeitig mit dem Formen
des Kolbenbodens B die Hohlkehle H geformt werden. Neben den Vorteilen
einer hohen Endabmessungsnähe
und Formtreue kann auf diese Weise gegenüber der konventionellen Weise
der Herstellung mindestens ein Arbeitsgang eingespart werden, der
bisher erforderlich war, um die Hohlkehle in den Kolbenrohling einzuformen.
Im Ergebnis ermöglicht
die Erfindung so eine erhöhte
Produktivität durch
Verkürzung
der Taktzeiten bei geringeren Temperaturverlusten der Schmiedeteile.
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- V1
- Schmiedeeinrichtung
- 1
- Matrize
- 2
- Aufnahme
- 2a
- unterer
Abschnitt der Aufnahme 2
- 2b
- schalenförmig erweiterter
Abschnitt der Aufnahme 2
- 3
- Stempel
- 4
- Prägedorn
- V2
- Schmiedeeinrichtung
- 5
- Matrize
- 6
- Halter
- 6a
- Aufnahme
des Halters 6
- 7
- Stempel
- 8
- Prägedorn
- 9
- Ring
- 10
- Ringspalt
- 11
- Absatz
- 12
- Raum
- X
- Hubrichtung
des Stempels 7
- V3
- Schmiedeeinrichtung
- 13
- Grundplatte
- 14
- Haltedorn
- 15,
16
- Schmiedewerkzeuge
- 17,
18
- Stellantriebe
- 19
- Vorsprung
- 20
- Absatz
- 22
- Stempel
- 23
- Joch
- A
- Ausnehmung
- Av
- Vorform
der Ausnehmung A
- H
- Hohlkehle
- K
- Kragen
- Kue
- Kehle
am Übergang
zwischen dem unverformten und verformten Teil des Schmiederohlings
S nach der Herstellung der Ausnehmung A
- KS
- Kolbenschaft
- M
- Brennraummulden
- R
- Kolbenrohling
- S
- Schmiederohling