VERFAHREN ZUR HESTELLUNG EINES KOLBENS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens und einen danach hergestellten Kolben gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

Es ist bekannt, dass zur Hersteilung von Kolben Kolbenrohlinge gefertigt werden. Diese werden im Regelfall im Schmiedeverfahren, Gießverfahren oder ähnlichen Verfahren hergestellt. Nachdem der Kolben rohling gefertigt worden ist und der weiteren Bearbeitung, insbesondere einer Feinbearbeitung, unterzogen werden soll, ist es erforderlich, diesen Kolben in einer Bearbeitungsmaschine in seiner Lage zu fixieren, damit mit dieser Maschine die weitere Bearbeitung stattfinden kann. Insbesondere dann, wenn der Kolbenrohling in der Maschine eingespannt wird, kann es in nachteiliger Weise zu einer Verformung durch die auf den Kolbenrohling wirkenden Spanndrücke kommen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen Kolben anzugeben, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden. Ausserdem soll ein entsprechender Kolbenrohling angegeben werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolbenrohling während und/oder nach der Herstellung mit einem Bereich mit einer umlaufenden Fläche mit zumindest zwei ausgeprägten Ecken und/oder Rundungen zum Einspannen des Koibenrohiings für eine anschließende Bearbeitung versehen wird. Der Koibenrohling wird abhängig von seinem Einsatzzweck in einem geeigneten Verfahren, z.B. einem Schmiedeverfahren, einem Gießverfahren oder sonstigen zur Herstellung von Kolbenrohlingen geeigneten Verfahren hergestellt. Solche Kolbenrohlinge sind noch nicht einsatzbereit und müssen für die weitere Bearbeitung, insbesondere für die Fertigbearbeitung im Bereich des Außendurchmessers, oder anderweitigen Bearbeitungen in einer entsprechenden Maschine eingespannt werden. Hierzu ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass der Kolbenrohling in denjenigen Bereichen, mit denen er in der Bearbeitungsmaschine für die weitere Bearbeitung eingespannt, d.h. lagefixiert, wird, mit einem Bereich mit einer umlaufenden Fläche mit zumindest zwei ausgeprägten Ecken und/oder Rundungen versehen wird. Wird der Kolbenrohling in einem Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt, ist es denkbar, diesen Bereich zum späteren Einspannen des Kolbenrohlings in der Bearbeitungsmaschine schon mit Herstellung des Kolbenrohlings einzubringen. Bei einem Gießverfahren kann die Gießform für den Kolben rohling entsprechende Geometrien aufweisen. Gleiches gilt für ein Schmiedeverfahren und andere Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrohlings. Es ist aber auch denkbar, zunächst den Koibenrohling in einem geeigneten Verfahren ohne diesen Bereich mit der umlaufenden Spannfläche herzustellen und diesen Bereich erst nach Fertigstellung des Kolbenrohlings in geeigneter Weise an diesem anzubringen. Zum Beispiel kann als zusätzliches Bauteil der Bereich mit der umlaufenden Spannfläche angeschweißt, angeklebt, angeschraubt oder in sonstiger geeigneter Weise an dem Koibenrohling befestigt werden. Dabei ist jedoch wichtig, dass die Anordnung und Befestigung dieses zusätzlichen Bereiches an dem Koibenrohling in einer Art und Weise erfolgt, dass die bei der Bearbeitung auf den Koibenrohling wirkenden Kräfte von diesem Spannbereich aufgefangen werden können.

Ergänzend dazu ist es denkbar, den Bereich mit der umlaufenden Fläche teilweise mit der Herstellung des Kolbenrohlings vorzusehen und zusätzlich einen Teilbereich ergänzend zu dem Teilbereich in dem Koibenrohling vorzusehen, woraus sich ein Gesamtbereich zum Spannen des Kolbenrohlings für die weitere Bearbeitung ergibt. Dies hat z.B. den Vorteil für den Fall, dass der zusätzliche Spannbereich wiederverwendet werden kann, indem er zeitweise lösbar an dem Koibenrohling befestigt wird. Lediglich der Bereich in dem Koibenrohling, der dort verbleibt, benötigt keine weitere Bearbeitung oder eine teilweise Bearbeitung oder eine vollständige Bearbeitung, um diesen Spannbereich zu entfernen. in Weiterbildung der Erfindung werden die zumindest zwei ausgeprägten Ecken als Vieleck in den Kolbenrohling eingebracht. Bei einem solchen Vieleck handelt es sich z.B. um ein Dreieck, ein Quadrat, ein Rechteck, ein Fünfeck oder ein Vieleck mit mehr als fünf Ecken. Das Spannwerkzeug der Bearbeitungsmaschine, in das der Kolbenrohling über den Bereich mit der umlaufenden Fläche eingespannt wird, ist korrespondierend ausgebildet und geeignet, den Kolbenrohling mit diesem zusätzlichen Spannbereich lösbar aufzunehmen.

Alternativ dazu ist in erfindungsgemäßer Weise vorgesehen. Dass die zumindest zwei ausgeprägten Rundungen als oval oder in Torxform in den Kolbenrohling eingebracht werden. Damit stehen zu einem Vieleck zum Einspannen des Kolbenrohlings in das Spannwerkzeug der Bearbeitungsmaschine alternative Formen zur Verfügung.

Aufgrund dieser verschiedenen Alternativen (Vieleck, Rundform bzw. auch Kombinationen davon) kann zum einen der bestmögliche Spannbereich nicht nur in Abhängigkeit des Spannwerkzeuges der Bearbeitungsmaschine, sondern auch des eigentlichen Bearbeitungsvorganges ausgewählt werden, so dass dieser Bearbeitungsvorgang optimal durchgeführt werden kann. Zum anderen können aufgrund dieser vielfältigen Formen solche Formen gewählt werden, die geeignet sind, nach dem Einspannen und Bearbeiten des Kolbenrohlings entweder teilweise oder vollständig an diesem Kolbenrohling und damit an dem späteren fertigen und damit betriebsbereiten Kolben zu verbleiben. Weiterhin sind erfindungsgemäß die Möglichkeiten vorgesehen, dass der Bereich mit der umlaufenden Fläche nach der Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings entweder vollständig entfernt wird oder teilweise entfernt wird oder vollständig an dem Kolbenrohling (ohne Entfernung) verbleibt. Hinsichtlich des Gefüges des Kolbenrohlings nach seiner Bearbeitung ist es von besonderem Vorteil, wenn der Spannbereich vollständig an dem Kolbenrohling verbleibt, da damit das eingestellte Gefüge (sei es durch ein Schmiedeverfahren, ein Gießverfahren oder ein sonstiges Verfahren) nicht mehr beeinträchtigt wird, weil der Spannbereich nicht entfernt werden muss. Eine geringfügige oder sogar geringstfügige Beeinträchtigung des Gefüges kann jedoch hingenommen werden, wenn der zusätzlich vorhandene Spannbereich teilweise oder sogar vollständig entfernt wird. Eine solche Beeinträchtigung spielt dann keine Rolle, wenn der Spannbereich, der entfernt wird, in einem Bereich des Kolbens vorhanden ist, in dem solche Beeinträchtigungen des Gefüges keine oder nur eine Untergeordnete Rolle spielen oder dieser Bereich einer weiteren anschließenden Bearbeitung unterzogen wird. So ist der Spannbereich bei einem Kolben mit einer Brennraummulde in besonders vorteilhafter Weise im Bereich des Brennraummuldenrandes vorgesehen, wobei der Spannbereich nicht derjenige Bereich ist, der den späteren Brennraummuldenrand bildet, weil er entfernt wird. Von noch größerer Bedeutung ist die Anordnung des Spannbereiches im Brennraummuldenrandbereich, wenn nach der Entfernung des Spannbereiches der dann vorhandene Brennraummuldenrand einer Härtung (z.B. mittels eines Aufschmelzprozesses oder dergleichen) unterzogen wird.

Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung ist somit mit anderen Worten ein Kolbenrohling. Beispielsweise wird er in einem Schmiedeverfahren oder einem Gießverfahren oder vergleichbaren Verfahren hergestellt. Anschließend ist eine weitere Bearbeitung des Kolbens erforderlich. Für diese weitere Bearbeitung ist vorgesehen, dass der Kolbenrohling in denjenigen Bereichen, mit denen er in der Maschine für die weitere Bearbeitung lagefixiert wird, mit einer umlaufenden Fläche mit zumindest zwei ausgeprägten Ecken und / oder Rundungen versehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Dreiecksform, eine quadratische Form, eine rechteckige Form, eine ovale Form oder Formen mit mehr als vier Ecken und / oder Rundungen handeln. Die Rundungen sind bezüglich einer Achse des Kolbens, insbesondere bezüglich der Koibenhubachse, konkav und / oder konvex ausgebildet. Das bedeutet, dass die Flächen nach außen oder inwärts gerichtet abschnittsweise über den Umfang verteilt ausgebildet sind. Allgemein wird somit ein Vieleck, insbesondere ein symmetrisches oder asymmetrisches Vieleck (im Querschnitt betrachtet) an oder in dem Kolben angeformt, um damit einen Befestigungsbereich zur Verfügung zu stellen, über den der Kolben in der Maschine für die weitere Bearbeitung lagefixiert wird. Ein solches Vieleck kann auch als Torx ausbildet sein. Der Bereich, in dem das erfindungsgemäße Vieleck vorgesehen wird, ist entweder nur ein Bereich, der von dem Kolbenrohling gebildet wird, der im späteren Einsatz des Kolbens in der Brennkraftmaschine nicht benötigt wird und folglich bei der Fertigbearbeitung komplett entfernt wird. Der Bereich kann aber auch Bestandteil eines Elementes des Kolbens sein. In diesem Fall handelt es sich beispielsweise um die nach der Fertigbearbeitung des Kolbens hergestellte Brennraummulde. Die Geometrie der fertigen Brennraummuide wird in den Kolbenrohüng so eingeformt, dass das vorstehend beschriebene Vieleck im Bereich der späteren Brennraummulde eingebracht wird. Über diesen Spannbereich kann der Kolbenrohling in der Maschine für die weitere Bearbeitung (wie zum Beispiel einem Schmiedeverfahren, Span abhebenden oder bohrenden Verfahren) lagefixiert werden. Nachdem diese weiteren Bearbeitungsschritte ausgeführt worden sind, wird anschließend noch der Bereich des bis dahin gebildeten Vieleckes beseitigt und dem nahezu fertig bearbeiteten Kolbenrohling in diesem Bereich seine endgültige Form gegeben.

Die Anwendung des vorstehend genannten Herstellungsverfahrens ist nicht auf den Bereich der Brennraummulde des später fertigen Kolbens beschränkt, sondern kann auch an anderer Stelle (wie zum Beispiel im Innenbereich innerhalb des späteren Schaftes) und anderen Bereichen ausgeführt werden.

Somit ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens und danach hergestellter Kolben bereitgestellt, wobei in einen vorgefertigten Kolbenrohling ein Vieleck eingebracht wird, wobei über dieses in den Kolbenrohling eingebrachte Vieleck der Kolben in einer Maschine für die weitere Bearbeitung lagefixiert wird.

Diejenigen Bereiche, durch die das Vieleck gebildet wird, können je nach Anwendungsort im Kolben und je nach Geometrie vollständig entfernt werden, teilweise verbleiben oder je nach Geometrie sogar vollständig verbleiben.

Besonders vorteilhaft ist der Kolbenrohling aus zumindest zwei Teilen gebildet. Diese genau zwei Teile (zum Beispiel ein Oberteil mit Ringpartie, ggfs. auch mit Brennraummulde bzw. mit zumindest einem Kühlkanal, sowie ein Unterteil zumindest mit einem Koibenschaft) oder ggfs. auch mehr als zwei Teile werden separat nach gleichen oder unterschiedlichen Verfahren (zum Beispiel Glessen, Schmieden oder anderen geeigneten Verfahren) sowie aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen (zum Beispiel Stahl Werkstoff, Aluminiumwerkstoff und dergleichen) hergestellt und mittels eines geeigneten Fügeverfahrens unlösbar zu einem einstückigen Kolbenrohling gefügt, der einer weiteren Bearbeitung (zum Beispiel Zwischenbearbeitung, um Fügebereiche zu bearbeiten, insbesondere Entfernung von Schweisswülsten, die beim Reibschweissen entstehen, oder einer Endbearbeitung, zum Beispiel zur Realisierung der erforderlichen Endmasse) unterzogen wird. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass der Kolbenrohling während und/oder nach der Herstellung mit einem Bereich mit einer umlaufenden Fläche mit zumindest zwei ausgeprägten Ecken und/oder Rundungen zum Einspannen des Kolbenrohlings für eine anschließende Bearbeitung versehen wird, um ein zuverlässiges Halten des Kolbenrohlings in einem Spannwerkzeug der Bearbeitungsmaschine zu gewährleisten. Von sehr grossem Vorteil ist es, wenn eines der beiden Teile, aber auch beide Teile, mit einem Bereich mit einer umlaufenden Fläche mit zumindest zwei ausgeprägten Ecken und/oder Rundungen zum Einspannen des Kolbenrohlings versehen sind und die anschließende Bearbeitung ein Reibschweissverfahren ist, um die beiden Teile unlösbar zusammen zu fügen. Da bei einem solchen Reibschweissverfahren sehr grosse Kräfte auf die Teile wirken, können diese sehr gut über die erfindungsgemäßen Bereiche von dem Spannwerkzeug der Bearbeitungsmaschine auf das eingespannte Teil übertragen werden, so dass dieses zuverlässig und positionsgenau in dem Spannwerkzeug gehalten und ein Durchdrehen vermieden wird. Ausserdem ist der Vorteil gegeben, dass mit Hilfe dieser Bereiche eine lagerichtige vorgebbare Position des zu bearbeitenden, insbesondere zu fügenden Teiles in dem Spannwerkzeug eingehalten werden kann. Dies ist wichtig, wenn nach dem Fügevorgang bestimmte Elemente (wie zum Beispiel Durchführungen) des einen Teiles mit entsprechenden Elementen des anderen Teiles korrespondieren (in der Lage übereinstimmen oder sich überdecken) müssen. Gleiches gilt auch für einander korrespondierende Geometrien (wie zum Beispiel Kühlkanalbereiche, wobei ein Kühlkanal des fertigen Kolbens von beiden Teilen gebildet ist und eine Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung in dem einen Teil an einer bestimmten Position in Bezug auf das ändere Teil positioniert werden soll. Figur 1 zeigt beispielhaft ein Vieleck mit nach innen gerichteten Bögen. Die einzelnen Bögen gemäß Figur 1 sind unterschiedlich voneinander, können aber auch aile gleichmäßig, das heißt symmetrisch ausgebildet sein. Gleiches gilt für das Vieleck, das in Figur 2 gezeigt ist. Auch hier ist es denkbar, die nach außen gerichteten Rundungen und / oder die nach innen gerichteten Rundungen alle gleich, teilweise gleich oder vollständig unterschiedlich voneinander zu gestalten.

Figur 3 zeigt prinzipiell das Oberteil (Kolbenboden oder Kolbenkopf) eines Koibenrohlings, das mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Ein Innenbereich des nicht vollständig dargestellten Kolbens ist mit 2 bezeichnet, wobei mit der Bezugsziffer 3 ein Kühlkanal bezeichnet ist, der vorhanden sein kann aber nicht muss. Der in Figur 3 dargestellte Kolbenrohling 1 wird in einem Schmiede- oder Gießverfahren oder vergleichbaren Verfahren hergestellt, wobei schon eine Brennraummulde 4 teilweise vorgefertigt ist. Die Brenn raummulde 4 ist noch nicht vollständig ausgebildet, sondern es sind vorzugsweise umlaufende Teilbereiche 5 vorhanden, die mit einem Vieleck beispielsweise gemäß Figur 1 oder Figur 2 oder anderen Formen versehen ist. Über diesen vieleckigen Bereich 5 wird der Kolbenrohling 1 in der Maschine zu seiner weiteren Bearbeitung in seiner Lage fixiert. Nachdem diese weitere Bearbeitung erfolgt ist, wird der schraffierte Bereich 5 durch anschließende Bearbeitung ebenfalls entfernt, so dass die Brennraummulde 4 ihre endgültige Kontur erhält.

Figur 4 zeigt als Alternative, dass ein Kolbenrohling 1 , beispielsweise ebenso ausgebildet wie der Kolbenrohling 1 gemäß Figur 3, bei seiner Herstellung mit einem zusätzlichen Bereich 6 (schraffiert) wird. Der schraffierte Bereich 6 gemäß Figur 4, ebenfalls wie der schraffierte Bereich 5 gemäß Figur 3, weist einen vieleckigen Bereich, insbesondere einen vieleckigen umlaufenden Seitenbereich auf (betrachtet von oben aus Richtung der Kolbenhubachse). Über diesen entsprechend gestalteten zusätzlichen Bereich 6 kann der Kolbenrohling 1 gemäß Figur 4 in der Maschine für seine weitere Bearbeitung lagefixiert werden. Nachdem dies erfolgt ist, wird der Bereich 6 entfernt, entweder ohne dass eine Brennraummulde 4 eingebracht wird (so dass ein etwa planer Kolbenboden entsteht) oder zusätzlich noch eine Brennraummulde 4 eingeformt wird.