Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten und Fügen eines

Kolbens

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bearbeiten und Fügen eines aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil bestehenden Kolbens einer Brennkraftmaschine.

In thermisch und mechanisch hoch belasteten Brennkraftmaschinen werden üblicherweise Kolben mit einer integrierten Kühlkanalstruktur eingesetzt, durch die während des Motorenbetriebs Kühlmedium, insbesondere Motorenöl zur Kolbenkühlung geleitet wird. Eine Möglichkeit zur Herstellung derartiger Kolben ist es, diese zweigeteilt auszuführen und anschließend zu fügen. Ein wichtiger Aspekt beim Fügen der beiden Kolbenhälften ist dabei das Positionieren und Ausrichten derselben vor dem eigentlichen Fügeprozess. Je genauer ausgerichtet werden kann, desto geringer sind notwendige Fertigungsaufmaße für eine Nachbearbeitung nach dem Fügeprozess, was einen hohen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Prozesses hat.

Ausführungen gebauter Kolben sowie deren Herstellprozess sind beispielsweise aus der DE 41 34 529 C2, aus der DE 41

34 530 C2, aus der DE 100 42 422 Cl, aus der DE 100 47 258

C2, aus der DE 101 32 447 Al, aus der DE 101 52 316 Al, aus

der DE 102 09 168 B4, sowie aus der DE 10 2004 038 464 Al bekannt .

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher eine Bearbeitung und ein Fügen eines gebauten Kolbens kostengünstig realisiert werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken eine Vorrichtung zum Bearbeiten und Fügen eines aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil bestehenden Kolbens zu schaffen, welche zwei koaxial zueinander angeordnete Arbeitsspindeln aufweist, an denen ein Kolbenunterteil und ein zugehöriges Kolbenoberteil unabhängig voneinander bearbeitet und nach dem Bearbeitungsvorgang zueinander ausgerichtet und miteinander gefügt werden können. Eine der Arbeitsspindeln trägt dabei das Kolbenoberteil, während die andere Arbeitsspindel das Kolbenunterteil trägt. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei unabhängig voneinander betätigbare Werkzeugschlitten auf, wovon der eine Werkzeugschlitten Werkzeug zur Bearbeitung des Kolbenoberteils und der andere Werkzeugschlitten Werkzeug zur Bearbeitung des Kolbenunterteils trägt. über die beiden Werkzeugschlitten kann somit eine Bearbeitung des Kolbenoberteils beziehungsweise des Kolbenunterteils unabhängig voneinander erfolgen,

wobei auch denkbar ist, dass der eine und/oder der andere Werkzeugschlitten soweit verfahrbar ist, dass er beide Kolbenteile bearbeiten kann. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, die beiden Kolbenteile nach dem Be- arbeitungsprozess über die Spindelachsen zueinander zu positionieren beziehungsweise auszurichten, wodurch Positionierfehler der beiden Kolbenteile zueinander auf ein Minimum reduziert werden können, da diese allein auf die Fertigungsund Achsungenauigkeiten der Vorrichtung zurückzuführen sind. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur zum Bearbeiten sondern auch zum gleichzeitigen Fügen der beiden Kolbenteile ausgebildet ist und daher ein Ausspannen der beiden Kolbenteile nach dem Bearbeiten mit einem anschließenden Einspannen in ein weiteres Werkzeug unterbleiben kann. Insgesamt trägt somit die Vorrichtung dazu bei, den Herstellprozess derartig gebauter Kolben zu optimieren und insbesondere eine Ausrichtgenauigkeit der beiden Kolbenteile zueinander deutlich zu erhöhen.

Zweckmäßig weist die Vorrichtung eine Fügeeinrichtung auf, welche zum Fügen der beiden Kolbenteile, insbesondere zum Verschrauben, Verkleben, Verlöten, Verschweißen und/oder zum thermischen Fügen ausgebildet ist. Eine derartige Fügeeinrichtung kann beispielsweise einen Laser oder eine Induktionsheizung aufweisen. Durch die Integration des Fügeprozesses in den Bearbeitungsprozess des Kolbens lässt sich der Herstellprozess des Kolbens insgesamt rationalisieren und deutlich weniger aufwändig gestalten, da durch die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöhte Ausrichtgenauigkeit

eine deutlich geringere, wenn nicht gar keine Nachbearbeitung der Kolbenteile erforderlich ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Vorrichtung eine Reinigungseinrichtung auf, welche zur Reinigung einer Fügestelle vor dem Fügevorgang der beiden Kolbenteile ausgebildet ist. Eine derartige Reinigungsvorrichtung kann beispielsweise in der Art eines Gebläses mit einer Strahldüse ausgebildet sein, welche die Fügestelle vor dem Fügen der beiden Kolbenteile beispielsweise mittels Druckluft säubert. Hierdurch kann eine besonders hochwertige Fügung der beiden Kolbenteile erreicht werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest eine Arbeitsspindel zum Verschrauben der beiden Kolbenteile mit einem vordefinierten Drehmoment beaufschlagbar war. Dies bietet den großen Vorteil, dass der Fügeprozess qualitätsüberwacht werden kann, da die beiden Kolbenteile stets mit einem genau vordefinierten und kontrollierbaren Drehmoment miteinander verschraubt werden, wobei das eingestellte Drehmoment ein für die Dichtwirkung der beiden Kolbenteile optimales Drehmoment darstellt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn zwischen den beiden Kolbenteilen ein Kühlkanal ausgebildet ist, welcher im Bereich der Fügestellen zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil abgedichtet sein muss.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen .

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten und Fügen eines Kolbens,

Fig. 2 ein stark schematisierter Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten und Fügen des Kolbens.

Entsprechend Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Bearbeiten und Fügen eines aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 3 bestehenden Kolbens einer Brennkraftmaschine zwei koaxial zueinander angeordnete und unab-

hängig voneinander antreibbare Arbeitsspindeln 4 und 5 auf. Dabei trägt die Arbeitsspindel 4 das Kolbenunterteil 3, während die Arbeitsspindel 5 das Kolbenunterteil 2 trägt. Des weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zwei unabhängig voneinander betätigbare Werkzeugschlitten 6 und 7 auf, wovon der eine Werkzeugschlitten 6 ein Werkzeug 8 zur Bearbeitung des Kolbenoberteils 2 und der andere Werkzeugschlitten 7 ein Werkzeug 9 zur Bearbeitung des Kolbenunterteils 3 trägt. Generell ist dabei die Vorrichtung 1 so ausgebildet, dass die beiden Kolbenteile 2 und 3 unabhängig voneinander bearbeitet, zueinander ausgerichtet und miteinander gefügt werden können, ohne dass diese zwischenzeitlich von der Arbeitsspindel 4, 5 abgebaut werden müssten.

Darüber hinaus kann die Vorrichtung 1 eine Fügeeinrichtung 10 beziehungsweise 10' aufweisen, welche zum Fügen der beiden Kolbenteile 2 und 3, insbesondere zum Verschrauben, Verkleben, Verlöten, Verschweißen und/oder zum thermischen Fügen ausgebildet ist. Zum thermischen Fügen kann die Fügeeinrichtung 10, 10' beispielsweise einen Laser oder eine Induktionsheizung aufweisen.

Ein Verschrauben der beiden Kolbenteile 2 und 3, insbesondere ein thermisches Verschrauben der beiden Kolbenteile 2 und 3 kann durch ein Verdrehen zumindest einer der beiden Arbeitsspindeln 4, 5 bei gleichzeitigem Vortrieb derselben in Richtung auf das andere Kolbenteil 3, 2 erfolgen. Dabei kann die Vorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass zumindest eine Arbeitsspindel 4, 5 zum Verschrauben der beiden Kolbenteile

2, 3 mit einem vordefinierten Drehmoment beaufschlagbar ist, so dass die beiden Kolbenteile 2, 3 mit einem exakt definierten Anzugsmoment miteinander verschraubt werden können.

Optional kann die Vorrichtung 1 auch eine nicht gezeigte Reinigungseinrichtung aufweisen, welche zur Reinigung einer Fügestelle der beiden Kolbenteile 2, 3 vor dem Fügevorgang ausgebildet ist. Eine derartige Reinigungseinrichtung kann beispielsweise in der Art einer druckluftbeaufschlagten Düse ausgebildet sein, welche die Fügestellen vor dem Fügen der beiden Kolbenteile 2, 3 abstrahlt und damit säubert.

Gemäß der Fig. 1 kann dabei zumindest die Arbeitsspindel 5 in Axialrichtung auf die Arbeitsspindel 4 zu bzw. von dieser weg verfahren werden, wobei die Werkzeugschlitten 6, 7 mit den dazugehörigen Werkzeugen 8, 9 sowie die Fügeeinrichtung 10, 10' ebenfalls derart verfahrbar gelagert sind, dass ein problemloses Bearbeiten beziehungsweise Fügen der beiden Kolbenteile 2, 3 möglich ist.

Gemäß Fig. 2 ist ein möglicher Verfahrensablauf zum Bearbeiten und Fügen des aus einem Kolbenoberteil 2 und dem Kolbenunterteil 3 bestehenden Kolbens mit unterschiedlichen Verfahrensschritten dargestellt. Dabei werden zunächst in einem Verfahrensschritt 11 die beiden Kolbenteile 2, 3 unabhängig voneinander auf den beiden koaxial zueinander angeordneten Arbeitsspindeln 4, 5 eingespannt und bearbeitet, insbesondere vorbearbeitet. Im nachfolgenden Arbeitsschritt 12 werden die beiden Kolbenteile 2, 3 auf den beiden Arbeitsspindeln

4, 5 zueinander ausgerichtet beziehungsweise relativ zueinander positioniert. Vor dem eigentlichen Fügevorgang wird dann die Fügestelle zwischen dem Kolbenoberteil 2 und dem Kolbenunterteil 3 optional im Verfahrensschritt 13 gereinigt. Im Verfahrensschritt 14 werden schließlich die beiden Kolbenteile 2, 3 miteinander gefügt, das heißt insbesondere miteinander verschraubt, verklebt und/oder verlötet, wobei zwischen dem Verfahrensschritt 11 und dem Verfahrensschritt 14 die beiden Kolbenteile 2, 3 auf den zugehörigen Arbeitsspindeln 4, 5 verbleiben können.

Hierdurch wird erreicht, dass nach einem Zerspanprozess die beiden Kolbenteile 2, 3 über die Maschinenachsen zueinander positioniert und ausgerichtet werden können und dadurch Positionierfehler der beiden Kolbenteile 2, 3 zueinander auf ein Minimum reduziert werden können, da ein möglicher Positionierfehler nunmehr allein auf die Fertigungs- und Achsun- genauigkeiten der Vorrichtung 1 zurückzuführen ist.

Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 den großen Vorteil, nicht nur die Vor- beziehungsweise Hauptbearbeitung der beiden Kolbenteile 2, 3 vornehmen zu können, sondern diese in einem anschließenden Verfahrensschritt 14 ohne weiteres Handling miteinander Fügen zu können. Hierdurch wird eine Rationalisierung des Herstellprozesses des Kolbens erreicht, wodurch sich Kosten einsparen lassen. Das Fügen kann dabei unter Zuhilfenahme eines thermischen Fügeverfahrens durchgeführt werden, wobei beispielsweise das Kolbenoberteil 2 stark erwärmt wird und/oder das Kolbenun-

terteil 3 stark abgekühlt wird. Anschließend können die beiden Kolbenteile 2 und 3 problemlos miteinander verschraubt werden, wobei sich beim anschließenden Abkühlen des Kolbenoberteils 2 beziehungsweise dem anschließenden Aufwärmen des Kolbenunterteils 3 ein zuverlässiger Schrumpfsitz zwischen den beiden Kolbenteilen 2 und 3 ergibt.

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