-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
einer Brennkraftmaschine, wobei zunächst ein Kolbenrohling aus
einem Stahlwerkstoff geformt wird, wobei dieser Kolbenrohling einen
umlaufenden Kragen im Bereich eines Kolbenbodens und einen gegenüber dem
Außendurchmesser
des Kolbenrohlings zurückliegenden
Freibereich unterhalb des Kragens sowie einen Anlagebereich oberhalb
eines Kolbenschaftes für
den Kragen aufweist, gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
-
Ein
gattungsbildendes Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
für eine
Brennkraftmaschine ist aus der
DE 10 2004 031 513 A1 bekannt. Dieses bekannte
Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens für eine Brennkraftmaschine,
der in seinem Kolbenboden einen Kühlkanal aufweist, wobei sich
dem Kolbenboden ein Kolbenunterteil mit Kolbennaben, Bolzenbohrungen
und Kolbenschäfte anschließt, wobei
zunächst
ein aus einem Stahlwerkstoff bestehender und geschmiedeter Kolbenrohling mit
einem im Bereich des Kolbenbodens radial abstehenden und umlaufenden
Kragen hergestellt wird, wobei der Kragen anschließend umgeformt
wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich zwischen dem
Kolbenboden und dem Kolbenunterteil ein Anlagebereich für den Kragen
geformt wird und der Kragen derart umgeformt wird, bis dessen äußere radial
umlaufende Kante sehr nahe oder vollständig zur Anlage an den Anlagebereich kommt,
um dann den geschlossenen Kühlkanal
zu bilden.
-
Dabei
ist es erforderlich, dass zur optimalen Wirkung des Kühlkanales
die Endbereiche des Kragens an dem Anlagebereich vollständig zur
Anlage kommen, damit durch den umgeformten Kragen der Kühlkanal
vollständig
(bis auf erforderliche Zulauf- und Ablauföffnungen) geschlossen wird.
Hierzu ist es erforderlich, mit großem Aufwand den Kragen derart in
Richtung des Anlagebereiches umzuformen, dass er vollständig zur
Anlage an den Anlagebereich kommt. Dabei kann allerdings aufgrund
der Materialeigenschaften nicht ausgeschlossen werden, dass trotzdem
Bereiche des Kragens von dem Anlagebereich wieder abheben und somit
ein unerwünschter Spalt
entsteht. Zur Verhinderung dessen ist schon vorgeschlagen worden,
den Kragen in dem Anlagebereich an diesem unlösbar, z. B. durch eine Lötung oder
Schweißung,
anzufügen.
Dies bedeutet aber einen unerwünschten
weiteren Bearbeitungsschritt. Außerdem kann es innerhalb des
Kühlkanales
zu Schweißspritzern
kommen, die sich bei der Zirkulation von Motoröl lösen und in den Ölkreislauf
der Brennkraftmaschine gelangen können. Dort können sie
dann insbesondere an den Zylinderlaufflächen große Schäden verursachen.
-
Aufgrund
der heutigen Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen, in denen
ein solcher Kühlkanalkolben
eingesetzt wird, hinsichtlich des Schadstoffausstoßes und
des Verbrauches, ist es erforderlich, einen Kühlkanalkolben so herzustellen, dass
er die an ihn gestellten Anforderungen erfüllt. So hat bei Durchführung des
Verfahrens, welches aus der
DE 10 2004 031 513 A1 bekannt ist, eine Kaltumformung
(ohne Erwärmung
des Kolbenrohlings während
des Umformvorganges) den Nachteil, dass das Umformvermögen des
Stahlwerkstoffes bei Raumtemperatur (etwa 30 bis 40 Grad) und der
bekannten Geometrie nicht ausreichend ist und es zu Rissbildungen
im Umformbereich kommen kann. Dadurch ist die Festigkeit des auf
diese Art und Weise hergestellten Kühlkanalkolbens beeinträchtigt,
sodass mit ihm z. B. in der Brennkraftmaschine die erforderlichen
hohen Verbrennungsdrücke
nicht erzielt werden können.
-
Anstelle
der Kaltumformung ist schon daran gedacht worden, eine Warmumformung
(beispielsweise etwa oberhalb von 700 Grad Celsius) an dem Kolbenrohling
durchzuführen.
Dies verbessert zwar das Gefüge
des bearbeiteten Kolbenrohlings und auch des später fertigen Kühlkanalkolbens,
wobei es allerdings eines sehr hohen Energieaufwandes bedarf, um
den gesamten Kolbenrohling auf das gewünschte und erforderliche Temperaturniveau
zu erwärmen.
Darüber
hinaus kommt es bei Erwärmungstemperaturen
etwa oberhalb von 550 Grad Celsius in nachteiliger Weise zu Verzunderungen
im Kühlkanal. Diese
haben den gleichen Nachteil wie die Schweißspritzer.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten
Nachteile zu vermeiden. Es soll vor allen Dingen ein Verfahren zur Herstellung
eines Kühlkanalkolbens
angegeben werden, mit dem ein in der Brennkraftmaschine hochbelastbarer
Kühlkanalkolben
aus einem Stahlwerkstoff in einteiliger Ausführung hergestellt werden kann, wobei
der Kolbenrohling durch die Ausführung
des Verfahrens seine vorteilhaften Eigenschaften, die er durch seine
Herstellung im Schmiedeverfahren erhält, weitestgehend beibehalten
soll.
-
Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der umlaufende Kragen in einem ersten Schritt in Richtung des
Anlagebereiches des Kolbenrohlings umgeformt wird, ohne dass er
den Anlagebereich berührt, dass
in einem zweiten Schritt die Bereiche des Kolbenrohlings und des
Kragens, die in dem Anlagebereich zur Anlage kommen sollen, erwärmt werden und
in einem weiteren Schritt der Kragen derart weiter verformt wird,
dass er den Anlagebereich berührt. Gegebenenfalls
kann alternativ oder ergänzend
auch der Biegebereich des Kragens lokal erwärmt werden.
-
Durch
die zwei aufeinander folgenden Umformschritte, zwischen denen eine
lokale Erwärmung erfolgt,
werden die folgenden Vorteile erzielt:
Aufgrund der Herstellung
des Kolbenrohlings aus einem Stahlwerkstoff in einem Schmiedeverfahren
wird zunächst
die an sich bekannte und sehr gute Grundfestigkeit des Kolbenrohlings
erzielt. Anschließend wird
der Kragen in Richtung des Anlagebereiches umgeformt, sodass dessen
umlaufende Kante schon in die Nähe
des Anlagebereiches des Kolbenrohlings kommt, wobei durch diese
Umformung die Festigkeit des Kolbenrohlings nach wie vor beibehalten
wird und der umlaufende Rand des Kragens in eine solche Position
in Bezug auf den Anlagebereich des Kolbenrohlings gebracht wird,
die es gestattet, von dort diejenigen Bereiche des Kolberohlings
und des Kragens, die in dem Anlagebereich zur Anlage kommen sollen,
und gegebenenfalls alternativ oder ergänzend jetzt auch den Biegebereich
des von dem Kolbenrohling abstehenden Kragens lokal erwärmen zu
können.
Anschließend
erfolgt eine weitere Umformung des Kragens, die sich aufgrund der
lokalen Erwärmung
dahingehend einfacher gestaltet, als dass durch die partiell ausgeführte Warmumformung
das Ziel erreicht wird, dass der umlaufende Rand des Kragens an
dem Anlagebereich zur Anlage kommt und somit den verschlossenen
Kühlkanal
bildet. Durch die lokale Erwärmung
des Biegereiches des von dem Kolbenrohling abstehenden Kragens läßt sich
dieser auch wesentlicher einfacher umformen, als es bei einer Kaltumformung
der Fall wäre.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren
wird somit sichergestellt, dass der Kolbenrohling und damit auch der
fertige spätere
Kühlkanalkolben
seine Grundfestigkeit beibehält,
gleichzeitig aber auch der Kühlkanalkolben
durch die Umformung des Kragens nicht nur gebildet, sondern auch
vollständig
geschlossen wird.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erwärmung der
Bereiche des Kolbenrohlings, die in dem Anlagebereich zur Anlage
kommen sollen, auf ein solches Temperaturniveau erfolgt, das diese
Bereiche aufschmelzen. Dass heißt, dass
der umlaufende Kragenrand des Kragens nach seiner Umformung in Richtung
des Anlagebereiches und der korrespondierende Anlagebereich des
Kolbenrohlings aufgeschmolzen werden, sodass die beteiligten Bereiche
nach der weiteren Umformung des Kragens in Richtung des Kolbenrohlings
eine quasi-formschlüssige
Verbindung eingehen. Dabei ist sicher zu stellen, dass die Aufschmelzung
der beteiligten Teile so erfolgt, dass sie nicht vollständig schmelzen
und damit Material verloren geht. Außerdem ist sicher zu stellen,
dass nach dem Aufschmelzvorgang die weitere Umformung in einem solchen
Zeitfenster erfolgt, dass nach dem weiteren Umformvorgang die aufgeschmolzenen
Bereiche von Kragen und Kolbenrohling im Anlagebereich die quasi-formschlüssige Verbindung
eingehen können.
Für den
Fall, dass die Zeitspanne zwischen Aufschmelzvorgang und weiterem
Umformschritt zu groß ist
und wieder zu einer zumindest teilweise, insbesondere vollständigen Erstarrung
der aufgeschmolzenen Bereiche führen sollte,
führt dies
trotzdem zu einem sehr guten formschlüssigen Zustand, in dem der
Rand des Kragens formschlüssig
an den Kolbenrohling anliegt und den Kühlkanal dichtend verschließt.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die weitere Umformung
des Kragens, die zur Anlage seiner Enden an den Kolbenrohling führt, unter
Druck in Richtung des Kolbenrohlings erfolgt. Dies hat den Vorteil,
dass insbesondere die noch aufgeschmolzenen Bereiche (teigige Bereiche)
oder die aufgeschmolzenen und schon erstarrten Bereiche des Kragens
und des Kolbenrohlings zuverlässig
zur Anlage kommen, um den Kühlkanal
dichtend zu verschließen.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lokale Erwärmung durch
einen hochfrequenten Wechselstrom, durch ein elektromagnetisches
Wechselfeld oder durch Wirbelströme
erfolgt. Diese durch elektrische Energie erzeugten lokale Erwärmung hat
den Vorteil, dass sie sehr gut steuerbar ist und auf die jeweiligen
Geometrien des Kolbenrohlings, insbesondere der Dicke und Länge des
umlaufenden Kragens, sowie auf das Material des Kolbenrohlings abgestimmt
werden kann. Eine solche elektrische Energie kann beispielsweise
mittels einer Induktionsspule, die koaxial über den Kolbenschaft des Kolbenrohlings
in Richtung des Anlagebereiches bewegt wird, lokal gezielt eingebracht
werden. Neben der Erzeugung der Erwärmung mittels elektrischer Energie
sind aber auch andere Verfahren wie z. B. das Richten einer Gasflamme
auf die aufzuschmelzenden Bereiche, denkbar.
-
Schließlich betrifft
die Erfindung einen Kühlkanalkolben,
der nach den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden
ist.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
einer Brennkraftmaschine wird im Folgenden beschrieben und anhand der
Figuren erläutert.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist schrittweise in den 1 bis 4 gezeigt.
-
1 zeigt
einen Kolbenrohling 1 aus einem Stahlwerkstoff, der in
einem Schmiedeverfahren in der gezeigten Geometrie hergestellt worden
ist. Der Stahlwerkstoff hat den Vorteil, dass er die gewünschten
Festigkeitsanforderungen erfüllt
und darüber
hinaus kostengünstig
ist. Das Schmiedeverfahren hat den Vorteil, dass das Grundgefüge des Kolbenrohlings 1 zu
den gewünschten
Festigkeiten führt,
die auch während
des weiteren Bearbeitungsverfahrens, welches noch geschildert wird,
beibehalten werden.
-
Der
Kolbenrohling 1 weist einen Kolbenboden 2 auf,
wobei abstehend von dem Kolbenboden 2, insbesondere dessen
oberen Bereich, durch das Schmiedeverfahren ein umlaufender Kragen 3 gebildet
wird. Außerdem
sind unterhalb des Kolbenbodens 2 Kolbennaben 4 vorhanden.
Weiterhin weist der Kolbenrohling 1 einen Anlagebereich 5 auf,
der sich oberhalb der Kolbennaben 4 bzw. am oberen Ende
des Kolbenschaftes 6 befindet. In diesem Anlagebereich 5 kann,
muss aber nicht Absatz 7 oder eine ähnliche geometrische Ausformung
vorhanden sein. Dieser Absatz 7 bewirkt, dass nach der
Umformung der Kragen 3 dort nicht nur zur Anlage kommen kann,
sondern dessen Bewegung in Richtung einer Kolbenhubachse 8 auch
begrenzt ist. Damit kann sicher gestellt werden, dass der Kragen 3 aufgrund
seiner Umformung von seiner Ausgangslage (bei diesem Ausführungsbeispiel
etwa eine Erstreckung senkrecht zu der Kolbenhubachse 8)
bis in seine Endposition (Erstreckung etwa parallel zu der Kolbenhubachse 8)
in die gewünschte
Endposition gebracht werden kann, um einen Freibereich 9,
der beispielsweise mittels spanabhebender Bearbeitung in den Kolbenrohling 1 eingebracht
worden ist (Einstich), zu verschließen. Außerdem stellt der Absatz 7 sicher,
dass keine Schweißspritzer
in den Kühlkanal gelangen.
-
Ein
solcher Kolbenrohling 1 ist damit der Ausgangspunkt für die weitere
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens.
-
Der
nächste
Schritt ist in 2 gezeigt, bei dem erkennbar
ist, dass der Kragen 3 in einem ersten Schritt in Richtung
des Anlagebereiches 5 umgeformt wird, ohne dass er den
Anlagebereich 5 berührt.
Dieser Umformschritt, z. B. ein Walzdrücken, führt dazu, dass der abstehende
umlaufende Kragen 3 beispielsweise einen Anstellwinkel
von etwa 45 Grad in Bezug auf die Kolbenhubachse 8 erfährt. Dieser
Wert ist aber nur beispielhaft und kann dahingehend variieren, dass
der umlaufende Rand des Kragens nahe bis an den Anlagebereich 5 des
Kolbenrohlings 1 umgeformt wird, ohne diesen zu berühren. Das
bedeutet, dass je nach Geometrie des Kolbenrohlings 1 und des
Kragens 3 dieser auch bis auf wenige Millimeter an den
Anlagebereich 5 des Kolbenrohlings 1 heran umgeformt
werden kann. Wichtig ist dabei nur, dass der Kragen 3 so
umgeformt wird, dass es noch möglich
ist, seine Endbereiche sowie den Kolbenrohling 1 in dem
Bereich, in dem der Kragen 3 zur Anlage kommen soll, lokal
zu erwärmen.
-
Die
lokale Erwärmung
ist in 3 gezeigt. Hier ist erkennbar, dass in einem zweiten
Schritt die Bereiche 31, 51 des Kolbenrohlings 1 und
des Kragens 3, die in dem Analgebereich 5 zur
Anlage kommen sollen, erwärmt
werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Induktionsspule 10 koaxial über den Kolbenschaft 6 bis
in den Anlagebereich 5 hineinbewegt und dann mit Strom
beaufschlagt, sodass die Bereiche 31 des Kragens 3 und 51 des
Kolbenrohlings 1 erwärmt
werden, wobei von besonderem Vorteil ist, dass die Erwärmung auf
ein solches Temperaturniveau erfolgt, dass diese Bereiche 31, 51 aufschmelzen.
Hierbei ist auch sehr gut zu erkennen, dass nach dem ersten Umformschritt
des Kragens 3 so viel Platz zwischen seinem Endbereich
und dem Anlagebereich 5 des Kolbenrohlings 1 verbleiben
muss, dass die Induktionsspule 10 an die gewünschte Position
bringbar ist. Allerdings sollte zwischen Kolbenrohling 1 und
Induktionsspule 10 sowie zwischen Induktionsspule 10 und
Kragen 3 nicht allzu viel Zwischenraum verbleiben, um die
Erwärmung der
gewünschten
Bereiche möglichst
effektiv und ohne Energieverluste durchführen zu können.
-
Die 4 zeigt,
dass in einem weiteren Schritt der Kragen 3 derart weiter
verformt wird, dass er den Anlagebereich 5 berührt. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird also der etwa im Winkel von 45 Grad gemäß 3 angestellte
Kragen 3 nach dem lokalen Aufwärmvorgang weiter verformt,
sodass er in etwa parallel zu der Kolbenhubachse 8 umgeformt wird.
Diese Umformung erfolgt ebenfalls unter Druck (z. B. wieder Walzdrücken), sodass
durch die Anlage des Kragens 3 und des Kolbenrohlings 1 im
Anlagebereich 5 der nahezu fertige Kühlkanalkolben 11 entsteht.
Aufgrund der Aufschmelzung der Bereiche 31, 51 kommt
es im Anlagebereich 5 zu einer nahezu oder vollständigen formschlüssigen Verbindung,
sodass der bisherige Freibereich 9 nahezu vollständig verschlossen
wird und einen Kühlkanal 12 bildet.
D. h., dass durch die beschriebenen Schritte der Kühlkanal 12 vollständig verschlossen
ist aufgrund der nahezu oder vollständigen formschlüssigen Verbindung
zwischen Kragen 3 und Kolbenrohling 1. Damit kann
ein weiterer Bearbeitungsschritt (wie z. B. ein Schweißen oder
Löten)
im Anlagebereich 5 entfallen.
-
Nach
Ausführung
der Schritte, wie sie vorstehend beschrieben und in den 1 bis 4 gezeigt sind,
ist es lediglich erforderlich, den in 4 gezeigten
fast fertigen Kühlkanalkolben 11 noch
dahingehend zu bearbeiten, dass er auf seinen Soll-Außendurchmesser
gebracht wird. Denn bei Betrachtung der 4 ist es
erkennbar, dass der umgeformte Kragen 3 noch einen etwas
größeren Außendurchmesser
aufweist als der Außendurchmesser
des Kolbenschaftes 6. Somit wird ein nachgeschaltetes Bearbeitungsverfahren,
wie z. B. eine spanabhebende Bearbeitung durchgeführt, um
den Außendurchmesser
des Kühlkanalkolbens 11 auf
Maß zu
bringen. Außerdem
ist es noch erforderlich, den jetzt vollständig geschlossenen Kühlkanal 12 dahingehend
zu öffnen, in
dem Zulauf- und
Ablauföffnungen
mittels eines Bohrvorganges eingebracht werden. Durch diese Öffnungen
wird beim späteren
Betrieb des Kühlkanalkolbens 11 in
an sich bekannter Weise Kühlöl durch
den Kühlkanal 12 geführt. Der
Bohrvorgang wird vorzugsweise vor dem Umformvorgang durchgeführt, damit
Bohrgrate entfernt werden können.
-
Abschließend sei
noch darauf hingewiesen, dass in den 1 bis 4 links
von der Kolbenhubachse 8 ein Längsschnitt durch den Kolbenrohling 1 und
rechts ein Querschnitt durch diesen gezeigt ist.
-
- 1
- Kolbenrohling
- 2
- Kolbenboden
- 3
- Kragen
- 4
- Kolbennaben
- 5
- Anlagebereich
- 6
- Kolbenschaft
- 7
- Absatz
- 8
- Kolbenhubachse
- 9
- Freibereich
- 10
- Induktionsspule
- 11
- Kühlkanalkolben
- 12
- Kühlkanal