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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einem Kühlkanal. Ferner betrifft sie einen Kolben und eine Vorrichtung zum Ausbilden eines Kühlkanals in einem Kolben.
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Bei der Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren werden diese häufig mit Kühlkanälen versehen. Diese sind in bestimmten Fällen nötig, um die Kolben bei der Verwendung in Verbrennungsmotoren zu kühlen. Hierbei wird durch den Kühlkanal ein Kühlmittel wie zum Beispiel Öl geleitet.
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Stand der Technik
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Gemäß dem Stand der Technik werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die oben genannten Kühlkanäle in Kolben auszubilden und sie zu verschließen. Ein solches Verfahren wird z. B. in der
EP 1 929 146 B1 beschrieben. Gemäß diesem Dokument wird in einen Kolbenrohling eine Nut eingearbeitet. In diese Nut wird eine leicht verformbare, entfernbare Masse eingebracht. Auf diese entfernbare Masse wird ein Verstärkungsmaterial wie z. B. eine Nickel-Kupfer-Legierung aufgebracht, und die entfernbare Masse wird anschließend entfernt.
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Die
WO 2010/007180 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kernen auf der Basis von Salz. Diese Kerne werden als Hohlraumplatzhalter bei der Herstellung von metallischen Werkstücken verwendet.
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Die
WO 2007/036563 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kernen, die beim Gießen von Werkstücken aus Metall in die Form eingesetzt werden. Diese haben den Zweck, in den Werkstücken Hohlräume beim Füllen der Formen mit dem z. B. metallischen Werkstoff freizuhalten.
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Darstellung der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich als Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einem Kühlkanal bereitzustellen, bei dem ein Füllmaterial auf ein verformbares Material, das den auszubildenden Kühlkanal definiert, aufgetragen wird. Hierbei will man eine höhere Flexibilität in der Herstellung des Kolbens erzielen.
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Eine Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Gemäß Anspruch 1 wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einem Kühlkanal zunächst ein Kolben z. B. aus einer Aluminiumlegierung mit einer Nut radial außen bereitgestellt. Diese Nut definiert zumindest in Teilen die Form des auszubildenden Kühlkanals. Anders gesagt bildet ein Teil der Begrenzungsfläche der Nut auch einen Teil der Begrenzungsfläche des auszubildenden Kühlkanals. Insbesondere wird derjenige Teil des auszubildenden Kühlkanals durch die Nut definiert, der nicht nach Fertigstellung des Kolbens durch ein später erwähntes Füllmaterial bedeckt wird.
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Anschließend an das Bereitstellen des Kolbens wird eine Negativform für den Kühlkanal in die Nut eingesetzt. Hierbei bildet sich zwischen der Negativform und der Nutwand ein Zwischenraum. Dieser Zwischenraum entspricht im Wesentlichen dem auszubildenden Kühlkanal in Form und Lage innerhalb des Kolbens. Anschließend wird ein verformbares und entfernbares Material in den Zwischenraum eingefüllt, sodass das verformbare Material im Wesentlichen die Form des Zwischenraums annimmt. Das heißt, dass der Zwischenraum als eine Form für das verformbare Material dient. Im Anschluss daran geht dieses eingefüllte verformbare Material in einen „formfesten” Zustand über, d. h. in einen Zustand, in dem das Material die Form des Zwischenraums auch bei Abwesenheit der Negativform beibehält. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass das Material erstarrt, es reicht jedoch aus, wenn es einen hochviskosen Brei bildet.
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Hieran anschließend wird die mindestens eine Negativform entfernt. Somit liegt nach dem Entfernen der Negativform das nunmehr formfeste Material durch die Nut nach außen hin frei.
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Im Anschluss daran wird ein Füllmaterial in die Nut eingebracht und bedeckt das Material, das in den oben erwähnten Zwischenraum eingebracht wurde, direkt. Dieses Material füllt denjenigen Teil der Nut, der nicht durch das verformbare Material ausgefüllt ist, im Wesentlichen aus. Bei dem Füllmaterial kann es sich zum Beispiel um ein metallisches Füllmaterial (z. B. Al-Fe-Legierungen mit Mg und/oder Si) als Kolbennutarmierung handeln. Es ist aber auch möglich, als Füllmaterial nur Al oder nur Fe zu verwenden. Dieses Füllmaterial lässt man dann erstarren, was z. B. bei einem verflüssigten Metall durch Abkühlen geschehen kann.
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Nachdem dieses Füllmaterial somit in einen festen Zustand übergegangen ist wird das entfernbare Material im Zwischenraum im Wesentlichen entfernt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine höhere Flexibilität in der Ausgestaltung der Kühlkanäle. So ist man nicht mehr an Einlegeteile gebunden, die man vor dem Gießen eines Kolbens in die Gussform einlegt. Im Gegensatz kann man eine Nut z. B. in einem vorgefertigten Kolben durch Drehen o. ä. ausbilden und diese dann nach dem geschilderten Verfahren abdecken. Wenn man nun die Form oder Lage des Kühlkanals ändern will ist dies bei dem Verfahren gemäß der Erfindung leicht möglich, man muss lediglich die Form und die Lage der Nut neu definieren. Im Gegensatz dazu muss man gemäß dem Stand der Technik die Einlegeteile austauschen, was insbesondere dann kompliziert ist, wenn diese von externen Zulieferern geliefert werden. Daher hat man durch das erfindungsgemäße Verfahren mehr Flexibilität und Unabhängigkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren führt außerdem zu einer Taktzeitreduzierung beim Gießvorgang da ein Handling und eine Vorbereitung des Salzkernes wegfällt. Es wird daher ermöglicht, dass komplett ohne Eingießteile gegossen wird, Außerdem wird die Arbeit des Gießers erleichtert, was auch die Anfälligkeit gegenüber Fehlern aufgrund von falscher Bedienung verringert.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass es keine Problems gibt, was die Genauigkeit angeht, mit der die Salzkerne die entsprechenden gewünschten Maße haben. Durch das vorliegende Verfahren wird, wie bereits erwähnt, auf Salzkerne verzichtet, weshalb solche Fehler vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist schließlich, dass keine Vakuumabsaugeinrichtung an der Gießmaschine nötig ist. Auch kann auf eine Reinigung von Absaugvorrichtungen verzichtet werden da das vorliegende Verfahren keinerlei Harzemissionen aufgrund von Harzen in den Salzkernen aufweist.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens werden in Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.
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Es wird insbesondere bevorzugt, dass die Negativform eine derartig ausgestaltete konvexe Oberfläche aufweist, dass sich zumindest eine radial äußere Begrenzungsfläche des Zwischenraums, der von der Negativform begrenzt wird, konkav nach innen erstreckt. Das heißt, der demgemäß gebildete Zwischenraum weist mindestens eine sich konkav nach innen erstreckende, vorzugsweise gewölbte Fläche an einer radial äußeren Position auf.
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Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das Füllmaterial im Vergleich zum Stand der Technik eine gleichmäßigere Struktur aufweist. Dies liegt daran, dass derjenige Teil der Nut, in den das Füllmaterial eingefüllt wird, eine im Wesentlichen runde und insbesondere von außen gesehen konkave Struktur aufweist. Der Grund dafür ist, dass der auszubildende Kühlkanal eine konkave, insbesondere nach innen gewölbte Fläche auf der radialen Außenseite aufweist und diese Fläche durch die Nut nach außen hin offen ist. Daher ist auch derjenige Teil der Nut, in den das Füllmaterial einzubringen ist, konkav. Wenn die Begrenzungsfläche des Kühlkanals nach außen hin konvex wäre würde dies dazu führen, dass sich an dem Übergang zwischen der Grenzfläche der Nut und dem verformbaren Material „Spitzen” bilden. Es wäre schwer, diese durch ein Füllmaterial aufzufüllen da man das Füllmaterial dazu bringen müsste, in diese eher feinen Zwischenräume einzudringen. Ferner würden die Spitzen zu Turbulenzen im eingebrachten Füllmaterial führen, welche die Gleichmäßigkeit des Füllmaterials beeinträchtigen würden.
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Insbesondere ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, Kolben herzustellen, bei denen die Kühlkanäle durch eine von außen eingebrachte Nut definiert werden und bei denen diese Kühlkanäle eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich stärker nach innen gewölbte Außenfläche haben. Bei bisherigen Verfahren, die auf das Verwenden von Einlegeteilen zum Ausbilden von Kühlkanälen verzichten, wie auch z. B. in der
EP 1 929 146 B1 , war dies nicht vorgesehen.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind Verfahren, bei denen die Negativform eine konkave Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher radial außen eine konvexe, nach außen gewölbte Begrenzungsfläche hat, Hierdurch entsteht ein Kühlkanal mit guten Fließeigenschaften für ein Kühlmittel, was u. a. zu einer verbesserten Kühlleistung führt.
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Auch kann es von Vorteil sein, dass die Negativform eine flache Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher auch eine flache Begrenzungsfläche radial außen aufweist. Da eine solche Oberfläche für die Negativform leicht mit einer hohen Qualität hergestellt werden kann führt dies dazu, dass auch die Form des Kühlkanals eine hohe Qualität aufweist.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das verformbare Material, das in den Zwischenraum eingebracht wird, ein Salz-Bindemittel-Gemisch und/oder ein Sand-Bindemittel-Gemisch ist, welche jeweils in Wasser löslich ist. Außerdem wird hier bevorzugt, dass der Übergang des verformbaren Materials in den formfesten Zustand durch Heißluftzufuhr oder Werkzeugheizung stattfindet.
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Die genannten Mischungen sind gut charakterisiert und kostengünstig, weshalb die dadurch hergestellten Füllmaterialien für eine hohe Qualität der ausgebildeten Kühlkanäle und gleichzeitig eine kostengünstige Herstellung sorgen. Außerdem sind diese Materialien umweltfreundlich und leicht durch Auswaschen mit Wasser entfernbar. Auch ist von Vorteil, dass der Übergang des verformbaren Materials in den formfesten Zustand zumindest teilweise durch Trocknen stattfindet, da sich ein solches Verfahren leicht (zum Beispiel durch Erwärmen) umsetzen lässt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Negativform einen Kanal aufweist, der nach Einsetzen in die Nut direkt in den Zwischenraum mündet. Dies führt dazu, dass das verformbare Material direkt in den Zwischenraum eingeleitet werden kann was das Verfahren erleichtert. Dies ist auch dahingehend von Vorteil, wenn die Mündung des Kanals in dem in den Zwischenraum mündenden Teil der Negativform ist, da hierdurch der Zwischenraum leicht mit dem verformbaren Material gefüllt werden kann.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass für das Aufbringen des Füllmaterials ein thermisches Spritzverfahren, bevorzugt ein Lichtbogenspritzverfahren, verwendet wird. Hierdurch kann insbesondere ein metallisches Füllmaterial leicht, wirtschaftlich und zuverlässig verflüssigt und auf den Kolben aufgespritzt werden.
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Ferner wird die technische Aufgabe durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Diese Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Halten des Kolbens auf. Ferner weist sie eine oder mehrere Negativformen auf. Diese weisen jeweils eine äußere Begrenzungsfläche auf, die in eine Nut des Kolbens eingesetzt werden kann und dann zusammen mit der Nut einen Zwischenraum definiert. Dieser Zwischenraum entspricht dem auszubildenden Kühlkanal. Hierbei bildet die äußere Fläche der mindestens einen Negativform eine Begrenzungsfläche des Zwischenraums. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Einsetzen der Negativform in die Nut und zum Entfernen der Negativform aus der Nut (wie z. B. ein oder mehrere Handhabungsgeräte) auf. Dies ermöglicht eine Automatisierung des Verfahrens.
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Außerdem weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Einbringen eines verformbaren Materials in den Zwischenraum und eine Einrichtung zum Entfernen des verformbaren Materials aus dem Zwischenraum auf. Die letztere Einrichtung könnte zum Beispiel eine Auswascheinrichtung aufweisen, durch die ein wasserlösliches verformbares Material aus dem Kühlkanal durch Nasser ausgewaschen wird.
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Eine solche Vorrichtung ist für das Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet. Insofern führt sie zu den oben genannten Vorteilen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung werden in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen 9 bis 13 beschrieben.
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Es wird insbesondere bevorzugt, dass die Negativform eine derartig ausgestaltete konvexe Oberfläche aufweist, dass sich zumindest eine radial äußere Begrenzungsfläche des Zwischenraums, der von der Negativform begrenzt wird, nach innen erstreckt. Das heißt, der demgemäß gebildete Zwischenraum weist mindestens eine sich konkav nach innen erstreckende, vorzugsweise gewölbte Fläche an einer radial äußeren Position auf. Dies hat die bezüglich Anspruch 2 genannten Vorteile.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung bestehen darin, dass die Negativform eine konkave Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher radial außen eine sich konvex nach außen erstreckende Begrenzungsfläche hat. Hierdurch entsteht ein Kühlkanal mit guten Fließeigenschaften für ein Kühlmittel, was u. a. zu einer verbesserten Kühlleistung führt.
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Auch kann es von Vorteil sein, dass die Negativform eine flache Begrenzungsfläche aufweist und der Zwischenraum daher auch eine flache Begrenzungsfläche radial außen aufweist. Da eine solche Oberfläche für die Negativform leicht mit einer hohen Qualität hergestellt werden kann führt dies dazu, dass auch die Form des Kühlkanals eine hohe Qualität aufweist.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Vorrichtung eine Trocknungseinrichtung für das verformbare Material, das in den Zwischenraum eingebracht wurde, aufweist. Eine solche Trocknungseinrichtung kann zum Beispiel durch eine Einrichtung zum Erhitzen des verformbaren Materials gebildet werden. Insbesondere kann hierzu ein Ofen verwendet werden.
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Durch eine solche Einrichtung kann das verformbare Material, sofern es Wasser oder andere Lösungsmittel enthält, dazu gebracht werden, schneller in den formfesten Zustand überzugehen. Hierdurch ergibt sich eine Zeitersparnis bei der Herstellung eines solchen Kolbens. Insbesondere kann eine solche Trocknungseinrichtung auch darin bestehen, dass eine Vorrichtung zum Aufheizen des Kolbens oder der Negativform oder aber eine Düse zur Heißluftzufuhr vorhanden ist. Durch letztere kann dann heiße Luft zum Aushärten eingeleitet werden. Insbesondere kann diese Düse auch durch einen Kanal eingebracht werden, durch den auch das verformbare Material eingebracht wird. Eine solche Düse zeichnet sich auch durch eine hohe Praktikabilität aus.
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Auch ist es von Vorteil, wenn die Negativform einen Kanal aufweist. Dieser Kanal sollte dabei einen Teil der Einrichtung zum Einbringen eines verformbaren Materials in den Zwischenraum bilden. Ferner sollte der Kanal in den Zwischenraum münden, wenn die Negativform in die Nut eingesetzt ist. Hierdurch kann das verformbare Material direkt und ohne weitere Einrichtungen in den Zwischenraum eingebracht werden. Auch dies führt zu einer Zeit- und Kostenersparnis bei der Herstellung.
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Hierbei wäre es auch denkbar, auch Ölzu- bzw. Ölablaufbohrungen vom Kühlkanal als Einspritzzulauf für das verformbare Material zu verwenden. Damit würde eine eventuelle Nacharbeit der Stelle(n), an denen das verformbare Material eingebracht wird, umgangen werden.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine thermische Spritzeinrichtung, bevorzugt eine Lichtbogenspritzeinrichtung verwendet wird, um das Füllmaterial auf das verformbare Material einzubringen.
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Hierdurch können metallische Werkstoffe leicht aufgespritzt werden, was zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit führt.
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Eine weitere Lösung der technischen Aufgabe bietet der Kolben gemäß Anspruch 14.
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Dieser Kolben ist ein Kolben, wie er z. B. nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt werden kann. Er weist einen Kühlkanal auf, dessen radial äußere Begrenzungsfläche einen nach innen gewölbten konkaven Abschnitt aufweist. Ferner grenzt der Kühlkanal an seiner konkaven Begrenzungsfläche direkt an ein aufgespritztes Füllmaterial an. Dieses erstreckt sich radial außerhalb des Kühlkanals bis zum äußeren Umfang des Kolbens.
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Hierbei ergibt sich, wie oben erwähnt, eine erhöhte Gleichmäßigkeit des Füllmaterials, was zu einem Kolben mit besseren mechanischen Eigenschaften führt. Auch ist keine separate Abdeckung des Kühlkanals vor dem Aufbringen des Materials nötig. Eine solche Abdeckung könnte, insbesondere aufgrund der dadurch entstehenden Grenzfläche zwischen der separaten Abdeckung und dem Füllmaterial, zu einer strukturellen Schwächung des Kolbens führen. Somit hat ein erfindungsgemäßer Kolben bessere mechanische Eigenschaften.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a) bis f) zeigen Verfahrensschritte für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. So zeigt 1a) einen Kolben 10 aus Metall mit einer maschinell ausgebildeten Nut 12, deren radial inneres Ende 14 einen Teil der Begrenzung des auszubildenden Kühlkanals 32 bildet. Ferner weist der Kolben eine Bolzenbohrung (Kolbennabe) 16 auf.
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Im Anschluss werden (siehe Figur 1b) eine oder mehrere Negativformen 18 um den Kolben 10 herum so in die Nut 12 eingesetzt, dass ein hervorstehender Abschnitt 19 der Negativform 18 in die Nut 12 eindringt. Hierdurch wird ein Zwischenraum 21 gegenüber der Umgebung des Kolbens 10 so abgedichtet, dass ein später in den Zwischenraum 21 einzubringendes verformbares Material nicht nach außen leckt. Die Negativform 18 weist ferner einen Kanal 20 auf, der den Zwischenraum 21 mit der Umgebung verbindet.
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Dieser Kanal 20 wird zum Füllen des Zwischenraums 21 mit einem verformbaren Material 22 verwendet. Hierbei wird, wie durch einen Pfeil angedeutet, ein verformbares Material, wie zum Beispiel eine fließfähige Salz-Bindemittel-Mischung oder eine fließfähige Sand-Bindemittel-Mischung, in den Zwischenraum eingebracht, Unter „fließfähig” verstehen wir hier, dass das Material eine solche Konsistenz aufweist, dass es durch den Kanal – ggf. unter Druck – eingespritzt werden kann. Diese Mischung füllt den Zwischenraum 21 aus und nimmt somit dessen Form an. Hierbei wird der um den Kolben 10 herum verlaufende Kühlkanal 21 mit dem verformbaren Material 22 ausgefüllt.
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Vor dem Öffnen der Negativform muss das Füllmaterial nun ausgehärtet werden. Dies geschieht z. B. durch eine Heißluftzufuhr oder eine Erhitzung der Negativform oder des Kolbens. Hierdurch verflüchtigen sich die Lösungsmittel des Füllmaterials, was zu dessen Verfestigung oder sogar Erstarren führt. Hierauf wird die Negativform entfernt, ohne dass das Füllmaterial ausläuft.
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Nach dem Aushärten werden die Negativform(en) 18 entfernt. Der sich ergebende Zustand ist in 1c dargestellt. Hier ist deutlich zu sehen, dass das verformbare Material 22 nun einen Teil der Nut 12 ausfüllt. Dieser Teil ist derjenige Teil, der im Wesentlichen dem auszubildenden Kühlkanal 32 entspricht.
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Anschließend wird, wie in 1d dargestellt, durch eine Lichtbogenspritzeinrichtung 24 ein verflüssigtes Metall 26 in die Nut 12 eingespritzt. Dieses füllt die Nut 12 aus und bedeckt insbesondere das formfeste Material 22. Hierbei wird die gesamte Nut 12 mit diesem Material ausgefüllt, und es kann auch Füllmaterial über den Kolbenrand überstehen.
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Im Anschluss daran wird dieses Material verfestigt, was zu einer Struktur wie in 1e dargestellt führt. Hierbei bildet sich ein festes Füllmaterial 28, welches das formfeste Material 22 bedeckt. Dieses formfeste Material 22 kann jetzt entfernt werden da der Kühlkanal nun durch das Metall des Kolbens 10 und des Füllmaterials begrenzt wird. Dies kann zum Beispiel durch nicht dargestellte, weitere Kanäle in dem Kolben 10 geschehen, die es ermöglichen, zum Beispiel Wasser oder ein anderes Lösungsmittel zum Auswaschen des Materials 22 einzubringen. Auch können dazu Ölzu- bzw. Ölablaufbohrungen vom Kühlkanal verwendet werden. Da das Füllmaterial 28 fest ist, wird hierdurch die Form des zu bildenden Kühlkanals beibehalten.
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Im Anschluss daran kann etwaiges überstehendes Füllmaterial 28 abgetragen werden, um die endgültige Form des Kolbens 10 zu erhalten. Hierbei können auch etwaige Rauhigkeiten in der Oberfläche des Kolbens 10 behoben werden, um einen glatten Kolben 10 zu erhalten. Ein solcher Kolben ist in einem Verbrennungsmotor gut und ohne übermäßige Reibung mit einem Zylinder des Motors verwendbar.
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Ferner kann, wie in 1f) dargestellt, eine Nut 30 zum Beispiel für einen Kolbenring in dem Füllmaterial 28 ausgebildet werden.