Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, Kolben aus Stahl für einen Verbrennungsmotor dadurch herzustellen, das zunächst ein Kolbenoberteil im Schmiedeverfahren und ein Kolbenunterteil im Schmiedeverfahren oder durch Gießen hergestellt werden, und dann das Kolbenoberteil mit dem Kolbenunterteil verschweißt werden. Zu verweisen ist hierzu auf die Patentdokumente DE 195 01 416 A1 , DE-OS 29 19 638, DE 196 03 589 A1 und DE 198 46 152 A1. Hierbei wird das Verfahren des Warmumformens, das heißt, des Warmschmiedens bei einer Stahltemperatur von 950°C bis 1300°C angewandt.

Hierbei bildet sich auf der Oberfläche des Schmiederohlings eine unkontrollierbare Oxidschicht, zu deren Beseitigung die Oberfläche des Schmiederohlings mit grobem Strahlgut gestrahlt werden muss. Dadurch ergeben sich große Schwankungen der Schmiedekontur, sodass als Folge davon eine aufwendige Nachbearbeitung des Schmiederohlings mittels eines spanenden Bearbeitungsverfahrens erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, wobei insbesondere eine aufwendige Nachbearbeitung der Verbrennungsmulde und des Kühlkanals vermieden werden soll.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem Kolben mit nicht rotationssymmetrisch beziehungsweise nicht zentrisch ausgebildeten Brennraummulden und Kühlkanälen auf kostengünstige Weise hergestellt werden können.

Letztlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, womit Kolben herstellbar sind, bei denen die Wand zwischen dem Rand der Verbren- nungsmulde und dem oberen Teil des Kühlkanals über den Umfang eine konstante Stärke aufweist.

Gelöst werden diese Aufgaben mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches und der Nebenansprüche stehenden Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Hierbei wird durch das Kaltkalibrieren oder das Kaltumformen des Schmtederohlings erreicht, dass die Verbrennungsmulde und der Kühlkanal fertig ausgeformt werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Schnittbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbens in einer senkrecht zur Bolzenbohrungsachse liegenden Schnittebene,

Fig. 2 ein Schnitt durch den Kolben in einer auf der Bolzenbohrungsachse liegenden Schnittebene,

Fig. 3 einen Schnitt durch des Kolbenoberteil nach der Halbwarmumformung,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Kolbenoberteil nach Überdrehen der Außenkontur und der für das Reibschweißen vorgesehenen Auflagebereiche,

Fig. 5 die Draufsicht auf eine Ausgestaltung des Kolbenoberteils mit einer asymmetrisch ausgebildeten und exzentrisch angeordneten Verbrennungsmulde,

Fig. 6 einen Schnitt durch das Kolbenoberteil entlang der Linie Vl-Vl in Fig. 5,

Fig. 7 das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil vor dem Fügen mittels Reibschweißen, Fig. 8 eine Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltung des Kolbenoberteils mit einer asymmetrisch ausgebildeten und exzentrisch angeordneten Verbrennungsmulde und mit einer Ventilnische und

Fig. 9 einen Schnitt durch das Kolbenoberteil entlang der Linie IX-IX in Fig. 8.

Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbens 1 im Schnitt senkrecht zur Bolzenachse 2 bestehend aus einem Kolbenoberteil 3 und einem Kolbenunterteil 4, die über eine Reibschweißnaht 5 miteinander verbunden sind.

Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 6 auf, in den eine Verbrennungsmulde 7 eingeformt ist. Radial außen ist an den Kolbenboden 6 eine nach unten gerichtete Ringwand 8 mit einer Ringpartie 9 für in der Figur nicht dargestellte Kolbenringe angeformt. Radial innerhalb der Ringwand 8 weist der Kolben 1 eine an die Unterseite des Kolbenbodens 6 angeformte, ringförmige Abstützung 10 auf.

Das Kolbenunterteil 4 besteht aus zwei einander gegenüberliegenden Schaftelementen 11 und 12, die über zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben 13 und 14 mit je einer Bolzenbohrung 15 und 16 miteinander verbunden sind. In Fig. 1 sind wegen der Lage der Schnittebene nur die Bolzennabe 13 mit der Bolzenbohrung 15 zu sehen.

Auf der Oberseite des Kolbenunterteils 4 ist eine ringförmige und mit den Bolzennaben 13, 14 verbundene Auflage 17 angeordnet. Weiterhin weist das Kolbenunterteil 4 auf seiner Oberseite eine umlaufende, radial außerhalb der Auflage 17 angeordnete und mit dem Schaftelementen 11 , 12 verbundene Ringrippe 18 auf. Zwischen der Auflage 17 und der Ringrippe 18 erstreckt sich ein radial ausgerichtetes Ringelement 19.

Hierbei sind die Abstützung 10 und die Auflage 17 so angeordnet, dass die Unterseite der Abstützung 10 und die Oberseite der Auflage 1 Kontakt zueinander haben und einen ersten Auflagebereich 20 bilden. Weiterhin sind die Ringwand 8 und die Ringrippe 18 so angeordnet, dass die untere Stirnseite der Ringwand 8 und die Oberseite der Ringrippe 18 ebenfalls Kontakt zueinander haben und einen zweiten Auflagebereich 21 bilden. Der erste und der zweite Auflagebereich 20 und 21 bilden bei der Herstellung des Kolbens 1 Reibschweißfiächen.

Hierdurch ergibt sich, dass ein nahe dem Kolbenboden 6, radial außen angeordneter, umlaufender Kühlkanal 22 oben vom Kolbenboden 6, radial innen teils vom Kolbenboden 6, teils von der Abstützung 10 und teils von der Auflage 17, unten vom Ringelement 19 und radial außen teils von der Ringwand 8 und teils von der Ringrippe 18 begrenzt wird. Der Kühlkanal 22 weist eine Zulauföffnung zum Einleiten von Kühlöl und eine Ablauföffnung zum Ausleiten von Kühlöl auf, die aber in den Figuren nicht dargestellt sind.

In Fig. 2 ist der Kolben 1 im Schnitt entlang der Bolzenbohrungsachse 2 dargestellt. Zu sehen sind hier die beiden Bolzennaben 14, 15 mit der daran angeformten Auflage 17 und das mit der Auflage 17 beziehungsweise den Bolzennaben 13, 14 verbundene Ringelement 19.

Hergestellt wird der Kolben 1 aus AFP-Stahl, das heißt, aus ausscheidungsgehärtetem, ferritisch-perlitischem Stahl, wie beispielsweise aus Einsatzstahl 38MnVS6. Es kann auch jeder andere geeignete Stahl wie beispielsweise Vergütungsstahl 42CrMo4 verwendet werden. Hierbei erfolgt die Herstellung der Kolbenunterteils 4 auf herkömmliche Weise durch Gießen oder Warmschmieden.

Das Kolbenoberteil 3 wird durch das Verfahren des Warmumformens hergestellt. Hierbei wird ein Stück AFP-Stahl, das für das Gesenk der für das Kolbenoberteil 3 vorgesehenen Gesenkschmiedemaschine passend geformt ist, auf 1200°C bis 1300°C aufgeheizt und anschließend in mehreren Umformstufen, das heißt, Schmiedevorgängen in der gleichen Gesenkschmiedemaschine geformt beziehungsweise vorgeformt. Der während des Schmiedens entstandene Zunder wird mittels Strahlen entfernt. Im Anschluss daran wird der fertig geschmiedete Oberteilrohling bei Raumtemperatur kaltkalibriert, wobei zum Erreichen der Endmaße alle Oberflächen des Kolbenoberteils 3 bei Raumtemperatur gepresst werden.

Alternativ dazu kann der vorgeformte Oberteilrohling auch durch eine Kaltumformung bei Raumtemperatur in seine endgültige Form gebracht werden. Vorteilhaft ist es in diesem Fall, wenn vor dem Strahlen noch ein Glühprozess durchgeführt wird, um die Rissneigung bei der Kaltumformung zu vermindern.

Außerdem können für die Erstellung der Vorform auch andere Prozesse angewandt werden, wie beispielsweise das Verfahren des Kaltumformens, des Halbwarmum- formens oder des Fräsens. So kann die Vorform auch durch ein Feingießverfahren hergestellt werden. Um eine Verzunderung zu vermeiden, sollte dies letztere Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre angewandt werden.

Der sich hierdurch ergebende Rohling des Kolbenoberteils 3 ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei werden die Verbrennungsmulde 7, der obere Kühlkanalbereich und der innere Dombereich 29 bereits fertig ausgeformt, sodass in diesen Bereichen keine weiteren Bearbeitungsschritte mehr erforderlich sind. Hierbei wird auch erreicht, dass die Wandstärke zwischen dem Muldenrand und oberen Kühlkanalbereich über den Umfang nahezu konstant ist. Das Kolbenoberteil 3, wie es nach der Fertigbearbeitung aussieht, ist in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet.

Im folgenden Verfahrensschritt werden der radial äußere Bereich 23 des Kolbenbodens 6, der für die Ringpartie 9 vorgesehene radial äußere Bereich 24 des Kolbenoberteils 3, die untere Stirnfläche 25 der Ringwand 8, der untere Bereich 26 der Innenfläche 27 der Ringwand 8 und die Auflagefläche 28 der Abstützung 10 durch Drehen bearbeitet, sodass sich das Kolbenoberteil 3, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, ergibt. Der untere Bereich des Kühlkanals 22, die untere Stirnfläche 25 der Ringwand 8 und die Auflagefläche 28 der Abstützung 10 sind nach diesem letzteren Verfahrensschritt fertig ausgeformt. Auch hier ist das Kolbenoberteil 3, wie es nach der Fertigbearbeitung aussieht, gestrichelt eingezeichnet. Das Herstellungsverfahren des Warmumformens in Kombination mit Kaltkalibrieren beziehungsweise des Kaltumformens erlaubt es insbesondere, Kolbenoberteile 3' mit Verbrennungsmulden 7' herzustellen, die, wie es in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, asymmetrisch ausgebildet und exzentrisch angeordnet sind. Auch hierbei ist keine weitere Bearbeitung der Verbrennungsmulde 7" mehr erforderlich, wenn der Vorgang des Warmumformens und des Kaltkalibrierens beziehungsweise des Kaltumformens des Kolbenoberteils 3' abgeschlossen ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und 6 hat die Verbrennungsmulde 7' näherungsweise die Form eines vierblättrigen Kleeblattes. Realisiert werden kann mit dem Verfahren des Warmumformens in Kombination mit Kaltkalibrieren beziehungsweise des Kaltumformens aber jede beliebige Form einer Verbrennungsmulde.

Die Figuren 8 und 9 zeigen das auf diese Weise hergestellte Kolbenoberteil gemäß Fig. 5 und 6, wobei in den Kolbenboden 6 des Kolbenoberteils 3" zusätzlich eine Ventilnische 30 eingeformt ist.

Das Kolbenoberteil 3, 3', 3" gemäß den Fig. 4, 5, 6, 8, 9 wird gemeinsam mit dem Kolbenunterteil 4 in eine (in der Figur nicht dargestellte) Reibschweißvorrichtung eingespannt und, wie in Fig. 7 dargestellt, zueinander in Position gebracht, um in Drehung versetzt, mit Kraft aufeinander zu bewegt und bei Kontakt des Kolbenoberteils 3, 3', 3" mit dem Kolbenunterteil 4 im Bereich der Auflagebereiche 20 und 21 miteinander reibverschweißt zu werden. Falls die Verbrennungsmulde T asymmetrisch oder außermittig ausgebildet ist, hat beim Reibschweißen dafür gesorgt zu werden, dass nach Abschluss des Schweißvorganges die Verbrennungsmulde beispielsweise gegenüber der Bolzenachse 2 eine eindeutig definierte Drehstellung einnimmt.

Hierbei ergibt sich der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kolben 1.

Im Rahmen des letzten Verfahrensschritts werden die Nuten der Ringpartie 9 in die Kolbenaußenwand eingedreht und der Kolbenboden 6 flachgedreht, wie es in den Figuren 3 und 4 angedeutet ist. Außerdem werden die Kolbenfeinkontur und die Nabenbohrungen eingebracht.

Bezugszeichenliste

1 Kolben

2 Bolzenachse

3,3\3" Kolbenoberteil

4 Kolbenunterteil

5 Reibschweißnaht

6 Kolbenboden

7, T Verbrennungsmulde

8 Ringwand

9 Ringpartie

10 AbStützung

11 ,12 Schaltelement

13,14 Bolzennabe

15,16 Bolzenbohrung

17 Auflage

18 Ringrippe

19 Ringelement

20 erster Auflage ere ich

21 zweiter Auflagebereich

22 Kühlkanal

23 äußerer Bereich des Kolbenbodens 6

24 äußerer Bereich des Kolbenoberteils

25 untere Stirnfläche der Ringwand 8

26 unterer Bereich der Innenfläche 27 der Ringwand 8

27 Innenfläche der Ringwand 8

28 Auflagefläche der Abstützung 10

29 innerer Dombereich

30 Ventilnische