Vorrichtung zum Schmieden von buchsenartigen Gegenständen sowie ein danach hergestelltes Schmiedeteil

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmieden von buchsenartigen Gegenständen, wie Stahlkolben, ein Verfahren zur Herstellung buchsenartiger Schmiedeteile sowie ein danach hergestelltes Schmiedeteil.

Buchsenartige Schmiedeteile, wie Kolben für Verbrennungsmotoren, werden häufig Schmiedeteile aus Eisenlegierungen, insbesondere Stählen, hergestellt. Diese werden zumindest teilweise warm geschmiedet. Eine besonders häufige Anwendung derartiger buchsenartiger Teile findet sich in Verbrennungsmotoren. Derartige Buchsen sind aber auch für verschiedenste andere Anwendungen üblich, sodass die Erfindung keineswegs auf die Herstellung von Verbrennungsmotorkolben eingeschränkt ist, obwohl sie nachfolgend anhand von Kolben für Verbrennungsmaschinen näher wird erläutert, bezieht sie sich allgemein aber allgemein auf buchsenartige Teile aus schmiedefähigem Material,

Bisher werden Kolben für Verbrennungsmotoren zweistufig geschmiedet, wobei der Kolbenrohling zunächst in eine Vorgravur eingebracht und dort ein Halbzeug ge- schmiedet wird, das in einem nachfolgenden Schritt in einer Fertiggravur fertiggeschmiedet wird.

Da Kolben einen hohen Umformgrad erfordern, wird zur Füllung der Gravurteile auch häufig mit Gratpolster gearbeitet. Dadurch werden die langen Fließwege des zu schmiedenden Materials gleichmäßig auf die Umformstufen verteilt.

Das bisherige Vorgehen mit im wesentlichen zwei Schmiedestufen und die dadurch auftretende Temperaturänderungen (Abkühlung) und des sich dabei erhöhenden Umformwiderstandes setzt der erzielbaren Kolbenhemdstärke und Kolbenhemdlänge enge Grenzen. Heute ist es aber aus verschiedensten Gründen erwünscht, minimale Kolben-Wandstärken bei möglichst großer Kolbenhemdlänge zu erzielen. Dies führt zu geringerem Gewicht, besserem thermischen Ausdehnungsverhalten und langer Führung in der Laufbuchse. Diese erwünschte geringe Wandstärke ist bei möglichst grosser Kolbenhemdlänge nur durch eine sehr tiefe Gravur zu erzielen und ist nur über ein weiteres Bearbeitungsaufmaß realisierbar.

Ersatzblatt

Ein derartiges Vorgehen ist energieaufwendig, da mindestens zwei Schmiedestationen vorgesehen werden mußten. Wegen der Abkühlung der Schmiedeteile zwischen den Stationen mußten Maßnahmen zur Verhinderung derselben getroffen werden, die zusätzlichen Handhabungsaufwand fordern.

Es besteht demzufolge ein Bedürfnis an einem schnelleren und einfacheren Schmiedeverfahren für buchsenartige Gegenstände, geeigneten Vorrichtungen dafür sowie an danach hergestellten Kolben.

Ein weiteres Problem beim Schmieden von buchsenartigen Gegenständen in Gesenken ist die Werkzeugstandzeit. Durch die tiefen Gravuren, langen Fließwegen, hohen Werkzeuginnendrücken, schnelle Abkühlung durch Schmiermittelauftrag ist die Lebensdauer des unteren Formdorns "B" und des äusseren Formrings, der Schmiedebüchse "A" begrenzt. Ein Austausch oder Nacharbeiten des Werkzeugs oder Teilen desselben führt zu Ausfallszeiten im Herstellungsprozess, welche die Durchführung des Verfahrens aufwendig machen. Werkzeuge als solche sind teuer und müssen vorgehalten werden, um die Ausfallszeiten durch Werkzeugreparatur oder -ersatz gering zu halten.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Schmiedeverfahren für buchsenartige Schmiedeteil zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 , ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 sowie das buchsenartige Schmiedeteil mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, in einem Schmiedeschritt buchsenartige Schmiedeteile geringer Wandstärke, mit langem Kolbenhemd bei gutem Formfüllvermögen und grosser Werkzeugstandzeit aus Vorpresslingen zu erreichen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schmieden von buchsenartigen Teilen weist auf:

- eine Form mit einem oberen Formdorn C ₁ einem äusseren Formring A und einem unteren Formdom B

- eine Ausstosseinrichtung mit: einem oberen Aussstosser G zum Ausstoss durch den oberen Formdorn C und einem unteren Ausstosser H zum Ausstoss durch den unteren Formdorn B

- ggf. Abstützeinrichtungen für die Form mit einem unteren Armierungsring D für den unteren Bereich des äusseren Formrings A und einer Formdornaufnahme F für den oberen Bereich des äusseren Formrings A und

- einen Spannfuss E zur Abstützung des unteren Formdoms B, durch den ein unterer Ausstosser H betätigbar ist

Die Temperaturführung ist beim Umformen warmer Teile ein wesentliches Anliegen. Es ist wichtig, dass die Temperatur des warm umgeformten Teils schnell und möglichst gleichmässig im Werkzeug abgeführt wird, damit Kaltverfestigung der neuen Form eintritt und Verzug des Teils durch unkontrollierte Temperaturspannungen während des Abkühlens ausserhalb der Form vermieden wird. Dazu kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, den inneren Formdorn B, der aufgrund der Tatsache, dass er viel Material aufweist und im Inneren des Werkzeugs angeordnet ist, thermisch zu langsamerer Abkühlung als die anderen Werkzeugbestandteile neigt, zu kühlen. Zu diesem Zweck können Kühlkanäle für Kühlfluid, wie Flüssigkeiten oder Gase, vorgesehen werden. Je nach den Grössenverhältnissen der eingesetzten Form und der Wärmekapazität der Materialien ist eine derartige Kühlung sinnvoll. Es ist auch möglich, dieses Problem durch Auswahl eines anderen Materials des Formdorns zu lösen, das eine andere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Formdorn, der aufgrund seiner grossen Wärmeleitfähigkeit schnell Wärme ableitet, durch Kühlung von Spannfuß E und/oder des unteren Ausstoßers H indirekt über Wärmeableitung abzukühlen. Derartige Kühleinrichtungen können aber auch in anderen Teilen der Form vorgesehen werden.

Eine Besonderheit der Erfindung liegt im Zusammenspiel der Anhebe- und Auszugseinheit. Dadurch, dass in der Gravur des oberen Formdoms C ein negativer Auszugskonus Alpha vorgesehen ist, wird das Schmiedeteil sicher aus dem Werkzeug gehoben. Ein Zurückgleiten des Schmiederohlings in die Schmiedform verhindert der untere Ausstosser H, der durch den Spannfuss E betätigbar ist. Durch das Zusammenwirken des obern und unteren Ausstossers lassen sich tiefe Auswerfermarken und Formverzüge durch einseitige Krafteinwirkung vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schmieden buchsenartiger Schmiedeteile beinhaltet:

Vorlegen eines Vorpresslings;

Schliessen der Form aus oberem und unteren Formdorn und Formring in einem

Schmiedehub unter Umformen des Vorpresslings; öffnen der Form und Betätigung von mindestens einem Ausstosser;

Auswerfen des Schmiedeteils.

Es ist zur besseren Wärmemanagement insbesondere bei grosseren Schmiedeteilen bevorzugt, dass der untere Formdorn und das darauf befindliche Schmiedeteil nach dem Umformen vor öffnen derselben gekühlt wird.

Bevorzugt wird erfindungsgemäss der obere Ausstosser erst nach Erreichen des oberen Totpunkts der Umformpresse, in welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt eingesetzt wird, betätigt, wodurch ein sicheres Herausnehmen des fertigen Werkstücks möglich ist.

Durch den erfindungsgemäss ermöglichten ununterbrochenen und gleichmässig schnellen Materialfluss wird eine gleichmässige und bis in kleinste Radien ausgefüllte Form und damit ein sehr maßhaltiges Schmiedeteil erzeugt. So werden Schmiedefehler vermieden und viele Nacharbeiten vermieden.

Bevorzugt wird vor dem Einlegen des Vorpresslings mindestens eine Forminnenwand mit Schmier/Trennmittel beschichtet wird, wodurch der Materialfluss befördert und das Herausnehmen des Schmiedeteils vereinfacht wird.

Ein typisches erfindungsgemäßes buchsenartiges Schmiedeteil, z.B. aus 42CRMo4, ausscheidungshärtenden Stählen, hoch chromhaltigen Stählen, das sich insbesondere als Motorkolben für Verbrennungsmotoren eignet, weist eine Hemdlänge zwischen 60 mm und 160 mm und eine Wandstärke zwischen 6 mm und 12 mm auf.

Dadurch, dass das Werkzeug eine tiefe Tauchgravur bei minimaler Gesenkschräge, einen gekühlten Innenbereich sowie Armierung aufweist, kann in überraschender Weise die Verwendung eines zweiten Schmiedeschritts für buchsenartige Teile mit einem Verhältnis von Länge zu Außen-Durchmesser in der Grössenordnung von 0.5 m: 1 vermieden werden, was den Herstellungsaufwand sehr stark verringert.

Obige und weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich für den Fachmann anhand der beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen, auf weiche die Erfindung aber keinesfalls eingeschränkt sein soll. Darin zeigt:

Fig. 1a eine Ansicht eines Längsschnittes durch eine Ausführungsform eines mit dem Umformwerkzeug der Figur 2 hergestellten buchsenartige Schmiedeteils;

Fig. 1b eine Ansicht eines um 90° versetzten Längsschnittes durch die Ausführungsform eines mit dem Umformwerkzeug der Figur 2 hergestellten buchsenartige Schmiedeteils gemäß Fig. 1a;

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung eines Umformwerkzeugs gemäss einer Ausführungsform der Erfindung

Fig. 3 eine Detailansicht eines Schnittes durch den Formdorn des Umformwerkzeugs der Fig. 2 und

Fig. 4 eine Detailansicht eines Schnittes durch den oberen Formdorn des Umformwerkzeugs der Fig. 2;

Fig. 5 ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Schmiedeverfahrens; und

Fig. 6 die zwei Schritte in der Verformung des Presslings zum Kolben mit einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäss hergestelltes buchsenartiges Schmiedeteil, hier ein Kolben 10 für Verbrennungsmotoren dargestellt. Ein derartiger Kolben für Verbrennungsmotoren aus 42CrMo4 Stahl weist bspw. die folgenden Maße auf: die Länge des Kolbenhemdes 14 beträgt mindestens etwa das 0,5 -fache des Kolben- aussendurchmessers ca. 135 mm Die Stärke der Kolbenseitenwand 11 liegt im Bereich von etwa 1/6 tel des Kolbenaussendurchmessers. Bei einem typischen Motorkolben für Verbrennungsmotoren aus 42CrMo4 beträgt die Kolbenhemdlänge von 60 bis 85 mm, die Kolbenseitenwandstärke von 6 bis 10 mm und der Kolbenaussendurchmesser 115 bis 140 mm. Bei anderen Ausführungsformen, bspw. als Kolben 10 für Schiffsmotoren oder Antriebsmotoren für Energiegewinnungsanlagen sind je nach Material andere Maße üblich, wie dem Fachmann auf dem jeweiligen Fachgebiet bekannt. Die speziellen Wandstärken hängen dabei stark von dem eingesetzten Material und den Aufgaben des Kolbens ab.

Ein zur Herstellung eines derartigen Kolbens 10 geeignetes erfindungsgemäßes Verfahren wird in einem Formwerkzeug der Fig. 2, wie in Fig. 6 mit einem darin befindlichen Formteil im Längsschnitt schematisch dargestellt, durchgeführt. Das Werkzeug weist einen oberen Formdorn C auf, dessen spezielle Ausgestaltung das Umformen eines Rohlings in einem Schritt stark vereinfacht. In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den oberen Formdorn C dargestellt. Durch den oberen Formdorn C kann einen oberer Ausstosser G ausgefahren werden, der ein in der Gravur befindliches Formteil entfernen kann. Sinnvoll kann dabei auch ein negativer Gesenkwinkel Alpha in der Gravur des oberen Formdorns C zum Ausstoss durch den Ausstosser G nach Abschluss des Hubs sein, der sog. Auszugswinkel.

Das Unterwerkzeug der Schmiedeform, das gemeinsam mit dem oberen Formdorn die Gravur zum Schmieden des buchsenartigen Teils bildet, wird durch den unteren Formdorn B sowie den äusseren Formring A gebildet, zwischen denen die Buchsenwand in der erwünschten Länge und Dicke geformt wird.

Der untere Formdom B ist so ausgelegt, dass er durch einen unteren Ausstosser H, der rund, aber auch geformt sein kann, der durch den Spannfuß E betätigt werden kann, gegenüber dem äusseren Formring A bewegbar ist und so eine Entfernung des Schmiedeteils aus dem Unterwerkzeug erleichtert, indem er ein Zurückgleiten des Schmiedrohlings vermeidet. Die Kombination von oberem und unterem Ausstosser H, G verringert Auswerfermarken im Formteil sowie Schmiedeteilverzug durch eine gute Kraftverteilung während des Auswerfens.

Bevorzugt befindet sich um den äusseren Formring A ein Armierungsring D, welcher das untere Formwerkzeug seitlich abstützt. Dieser Armierungsring kann aus anderem Material, als die Formwerkzeuge selbst, bestehen, da er nicht die Anforderungen an Werkzeugeigenschaften wie geringen Abrieb etc. erfüllen muss. Somit kann ein preiswerteres Material eingesetzt werden, sodass bei Werkzeugaustausch nur der äussere Formring A und die beiden Formdorne C und B ausgetauscht werden müssen, was die Werkzeugwartung in einer Schmiedeeinrichtung erheblich vereinfacht.

Die ringartige Formdornaufnahme F stützt den Umfang des oberen Formdoms C ab und bildet mit diesem das Oberteil der Form.

Das Schmiedewerkzeug wird durch den Spannfuss E abgeschlossen, der den unteren Formdorn abstützt und durch den in ihm laufenden Ausstosser H eine Bewegung des unteren Formdoms B ermöglicht.

Ein erfindungsgemässes Verfahren zum Schmieden eines buchsenartigen Schmiedeteils verläuft wie folgt: Ein vorgestauchter Vorpressling wird durch einen Automaten auf Umformtemperatur erwärmt angeliefert und in die geöffnete Schmiedeform zwischen den zurückgezogenem oberen Formdorn C und unteren Formdorn B in den äußeren Formring A gelegt. Dies wird ermöglicht, wenn beide Ausstosser zurückgezogen sind. Danach wird die Form in einem Schmiedehub geschlossen, wodurch die beiden Formdorne aufeinander zu bewegt werden, der Vorpressling gegen die Formgravurwände gedrückt und umgeformt wird. Selbstverständlich kann die Form in üblicher Weise zyklisch vorher mit Formtrennmitteln beschichtet werden,

wie sie auf dem in Rede stehenden Gebiet geläufig und dem Fachmann bekannt sind. Gasdrücke in der Form können durch übliche Entlüftungsmassnahmen, wie Entlüftungsbohrungen I, abgeleitet werden, wodurch auch Schmiermittel und deren Rückstände entfernt werden. Die Anordnung der Entlüftungsbohrung ist keineswegs auf den unteren Formdorn beschränkt und kann entsprechend den Erfordernissen, wie dem Fachmann offensichtlich, variiert werden.

Durch die beweglichen Anhebe- und Auszugseinheiten ist es möglich, präzise das Schmiedeteil aus dem Werkzeug zu heben, wobei dies durch einen negativen Auszugskonuswinkel Alpha in der Gravur des oberen Formdoms C in besonderer Weise gefördert wird.

Falls eine Formdornkühlung vorgesehen ist, muss diese vor dem Ausstossen des Formteils eingesetzt werden, um die umgeformte Geometrie zu erhalten.

Während die Erfindung detailliert anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann ersichtlich, dass verschiedenste Alternativen und Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung im Rahmen des Schutzum- fangs der Ansprüche möglich sind.

Bezugszeichenliste

A äusserer Formring

B unterer Formdorn

C oberer Formdorn

D Armierungsring für unteren Bereich von A

E Spannfuss

F Formaufnahme

G oberer Ausstosser

H unterer Ausstosser Alpha Auszugswinkel der Gravur von C

I Entlüftungsöffnung K Kühlkanal

10 Kolben

I 1 Kolbenseitenwand 12 Kolbenhemdlänge