DE69605386T2 - Verfahren zur herstellung einer pleuelstange - Google Patents

Description

• Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung einer bruchgetrennten Pleuelstange und anderer geschmiedeter Bauteile gerichtet, die zum Wiederzusammenbau um ein anderes Bauteil herum getrennt werden müssen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die DE - A - 3904020, die den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Bauteilen. Jedes Bauteil ist aus Teilen gebildet, die während eines ersten Schrittes getrennt vorgepreßt und gesintert werden. In einem zweiten Schritt werden die getrennt hergestellten Teile auf Schmiedetemperatur erhitzt und in ein vorgewärmtes Schmiedewerkzeug gegeben, um die zwei Teile mit ebenen Trennflächen zu verbinden und das komplette Bauteil, d. h. eine Pleuelstange, zu schmieden. Danach wird das komplette Bauteil abgekühlt und kann mechanisch ohne die Verwendung eines Klemmittels bearbeitet werden. Dies erfordert ausreichend hohe Haltekräfte in der Trennfläche und erfordert daher entsprechende Schmiedekräfte, wenn die Teile miteinander verbunden werden. Jedoch sind die Haltekräfte in der Trennfläche ausreichend klein, um beide Teile ohne Beschädigung der Trennfläche voneinander zu trennen. Schließlich ist eine Einsatzhärtung bzw. Vergütung des Bauteils nach Trennung der beiden Teile vorgesehen.
• Die EP - A - 0 696 688, die nur zur Neuheit zu berücksichtigen ist, offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das aus Teilen gebildet ist, die zum Zusammenbau um ein anderes Bauteil herum getrennt werden können. Die getrennten Teile können u. a. durch Schmieden hergestellt werden. Die getrennten Teile werden mit den gewünschten Trennflächen, die einander gegenüberliegen, in einer Form zusammengepreßt, wobei die Teile deformiert werden, bis die gewünschten Trennflächen aneinander haften. Das mechanische Bauteil des Trenntyps hat daher im geschlossenen Zustand eine ausreichende Haftfestigkeit, so daß die Teile nicht getrennt werden, wenn sie einem Bearbeitungsschritt ausgesetzt werden. Schließlich wird das plastisch verformte Bauteil an den gewünschten Trennflächen in die Teile gebrochen zum Zusammenbau um ein anderes Bauteil. Aufgrund des plastischen Verformungsprozesses beim Verbinden der Teile werden die gewünschten Trenn flächen auch plastisch verformt, so daß das Bauteil nicht entlang der ursprünglichen Kontaktflächen gebrochen werden kann.
• Die US-Patente 4,936,163, 4,993,134, 5,109,605 und 5,131,577 offenbaren ein Verfahren zur Herstellung von Pleuelstangen durch Brechen eines einzigen, bearbeiteten und vorbeanspruchten Teils. Ähnliche Verfahren zur Herstellung von Pleuelstangen durch Bruchtrennen eines einzigen, geschmiedeten Teils sind auch in dem im März 1993 erschienenen SAE Technical Paper No. 9304991 "Recent developments in materials and processes for automotive connecting rods" von Rajeshwar K. Gupta und in den US-Patenten 4,884,900, 4,970,783 und 5,135,587 beschrieben. Die Materialien dieser Bauteile, die unter Verwendung dieser Bruchtrenn-Techniken hergestellt werden, sind relativ spröde, niederduktile (nicht zähe) Materialien, wie Pulverschmiedeteile, Gußeisen, und dergleichen.
• Wie in dem US-Patent 3,818,577 beschrieben, ist das Bruchtrennen eine vorteilhafte Technik unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung von Herstellungskosten zur Herstellung von bearbeiteten Bauteilen, wie Pleuelstangen für preisgünstige Motoren. Aber es wird auch erwähnt, daß Pleuelstangen hoher Qualität und dergleichen, wie sie bei Dieselmotoren und Hochleistungsgasmotoren beispielsweise eingesetzt werden, die Verwendung von hochfesten, hochduktilen (zähen) Materialien erfordern, die für das Brechen ohne übermäßige Deformation ungeeignet sind. Aus dem angegebenen Grund wird ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten Pleuelstangen offenbart, wobei ein als ein einziges Stück hergestelltes Teil bearbeitet und dann ein Elektronenstrahl verwendet wird, um eine brechbare Zone von sehr hartem, sprödem Stahl entlang einer gewünschten Trennfläche zu bilden. Diese brechbare Zone wird durch Erhitzen des Materials über die austenitische Temperatur des Stahls und deren Abschrecken erzeugt. Das Teil kann dann in zwei Teile entlang der versprödeten Brechlinie gebrochen werden, so daß ein Paar von Teilen resultiert, das unregelmäßige, zusammengehörige Oberflächen aufweist, die einen wesentlichen Widerstand einem Gleiten zwischen den beiden Teilen entgegensetzen. Jedoch kann der Elektronenstrahl nicht fähig sein, Teile mit dicken Bereichen zu durchdringen und daher zu behandeln, was es schwierig macht, eine dünne, gesteuerte Zone im Boh rungsbereich zu erhalten. Des weiteren erzeugt dieser Prozeß Werkzeugprobleme, wenn die Bohrung endbearbeitet wird, aufgrund der Anwesenheit der harten, spröden Streifen der ansonsten duktilen Oberfläche der Bohrung. Außerdem erfordert dieser Prozeß eine teure Ausrüstung und einen zusätzlichen Verarbeitungsvorgang, wobei der mögliche Bedarf an Entspannung nicht zu erwähnen ist, was alles die Kosten erhöht.
• Das US-Patent 3,978,566 offenbart einen Prozeß zur Herstellung von Bauteilen, die Teile eines geteilten Aufbaus mit einer Vielzahl von angepaßten Bereichen aufweisen, wobei die einzelnen Komponenten getrennt hergestellt, vorläufig bearbeitet und dann klebstoffmäßig zu einem verbundenen Aufbau verbunden werden, der als Einheit fertig bearbeitet wird. Nachdem er fertig bearbeitet ist, wird der Aufbau gespalten, um einen passenden Satz von Bereichen zum endgültigen Zusammenbau des Bauteils bereitzustellen. Jedoch hat auch diese Technik mehrere Nachteile.
• Erstens, ein zweistufiger (vorläufiger und endgültiger) Bearbeitungsprozeß ist involviert, der dann weiter verkompliziert wird, wenn der Klebstoff vor dem endgültigen Zusammenbau zu entfernen ist. Des weiteren stellt die Anwendung von Klebstoff einen zusätzlichen Behandlungsschritt dar, der ein sorgfältiges Reinigen der Verbindungsflächen und noch einen anderen Reinigungsschritt nachdem der Klebstoff nach dem Wiedertrennen der Teile entfernt wurde, erfordert. Wenn der Klebstoff andererseits nicht entfernt wird, nachdem die Teile wieder getrennt sind, kann er als eine Abdichtung wirken, die verhindert, daß die Teile schließlich mit einer ausreichenden Dichtigkeit zusammengebaut werden, oder kann der Klebstoff sich zusammendrücken oder Ablösen, ganz oder teilweise, während des Einbaus, was die Dichtheit und Toleranzen nachteilig beeinflußt, was potentielle Motorprobleme bildet. Zusätzlich könnte, selbst wenn der Klebstoff sich nicht zusammendrückt oder ablöst während des Einbaus, er mit Öl reagieren, das anwesend ist, z. B. für eine Pleuelstange in einer Motorumgebung, und folglich zusammenbrechen bzw. sich auflösen, was wiederum die Dichtheit und Toleranzen beeinträchtigen würde. Da die passenden Oberflächen glatt sind, müssen auch Dübel oder andere Mittel verwendet werden, um eine relative Bewegung zwischen den Teilen auszuschließen.
• Daher besteht immer noch ein Bedarf an einem Bruchtrennverfahren, das effektiv bei Materialien eingesetzt werden kann, die Eigenschaften hoher Festigkeit und hoher Duktilität aufweisen, ohne daß Klebemittel oder eine lokalisierte Versprödung erforderlich sind. Des weiteren ist es wünschenswert, daß dies auf eine Weise erreicht werden kann, die einen Selbstlokalisierungseffekt zwischen den anzupassenden Bauteilen erzeugt, so daß die Notwendigkeit für separate, zusätzliche Elemente, wie Dübel oder dergleichen, entfällt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Pleuelstangen für Innenverbrennungsmotoren und anderer geschmiedeter Bauteile zu schaffen, die zum Wiederzusammenbau um ein anderes Bauteil herum getrennt werden müssen, das es ermöglicht, die Vorteile des Bruchtrennens bei Verwendung von Materialien mit höherer Ermüdungsfestigkeit als typische "brechbare" Materialien, wie Pulverschmiedeteile und Gußeisen, die konventionell für bruchgetrennte, geschmiedete Bauteile verwendet werden, und ohne Verwendung von Klebemitteln oder lokalisierter Versprödung erhalten werden, und insbesondere einen Pleuelstangenherstellungsprozeß bereitzustellen, bei dem geschmiedete Teile zueinander selbst lokalisiert bzw. ausgerichtet werden können und zumindest mechanisch und, wenn anwendbar, metallurgisch vor einem Bearbeiten derselben miteinander verbunden werden können und dann, wenn sie verbunden sind, bearbeitet (z. B. vorgebohrt und ausgebohrt und angebohrt bzw. mit Gewinden für Schrauben versehen) werden können, wobei es erwünscht ist, ein Bruchtrennen der verbundenen Teile und einen Wiederzusammenbau ohne weitere Präparation bzw. Behandlung der passenden Flächen zu ermöglichen.
• Die obige und weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Insbesondere beginnt der Prozeß damit, daß getrennte Teile, z. B. Pleuelstange und Deckel, genommen werden und diese vor der Bearbeitung zu sammengeprägt oder geschmiedet werden. Die passenden Oberflächen der Teile sind mit ineinandergreifenden oder verschachtelnden Merkmalen bzw. Elementen, wie einem Warzen-Ausnehmungs- oder Rippen-Nut-Aufbau, versehen, die diesen eine Selbstlokalisierungs- bzw. Selbstzentrierungsfähigkeit geben. Nach der Bearbeitung werden die Teile entlang der ursprünglichen Teilung gebrochen um zwei einzigartig angepaßte Oberflächen zu erhalten, die keiner weiteren Bearbeitung bedürfen, bevor sie wieder zusammengebaut werden.
• Diese und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich werden, wenn diese in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung genommen wird, die lediglich zu Illustrationszwecken mehrere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Zeichnung sind
• Fig. 1 & 2 Aufsichts- und Schnittansichten eines Verbindungsglieds das gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist,
• Fig. 3 & 4 Seiten- und Endaufsichtsansichten eines Stangenteils einer Pleuelstange gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
• Fig. 5 & 6 Seiten- und Endaufsichtsansichten eines Deckelteils einer Pleuelstange gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Bauteils, das aus zwei Teilen gebildet wird, die zum Wiederzusammenbau um ein anderes Bauteil herum getrennt werden können müssen.
• Lediglich als Beispiel zeigen Fig. 1 & 2 ein Verbindungsglied 1, das aus einem Stangenteil 3 und einem Deckelteil 5 zusammengesetzt ist, wobei Fig. 3-6 ein Verbindungsglied 1' für einen Innenverbrennungsmotor mit einer Stange 3' und einem Deckel 5' zum Zusammenbau um z. B. eine Kurbelwelle (nicht dargestellt) zeigen.
• Die Stange 3 und der Deckel 5 sind als zwei getrennte Teile geschmiedet, die aus einer beliebigen konventionellen, hochfesten, hochduktilen (zähen) Schmiedelegierung, die zur Verwendung bei Pleuelstangen bekannt ist, hergestellt sind. Lediglich als Beispiel kann das Verfahren unter Verwendung von Teilen ausgeführt werden, die von solchen Stahllegierungen, wie 4140 und 15B41A, einsatzgehärteten und vergüteten Stählen geschmiedet sind.
• Die Pleuelstange 1 wird durch Heißschmieden der Stange 3 und des Deckels 5 als zwei separate Teile hergestellt, wobei eines der Teile eine keilförmige Nut 7 und das andere eine korrespondierende, keilförmige Rippe 9 aufweist, um ineinandergreifende Oberflächen zu erzeugen, die wirken um die Teile in der richtigen Ausrichtung zu halten, wenn diese wie in Fig. 2 gezeigt, zusammengebaut sind. Alternativ kann, wie für die Ausführungsform von Fig. 3-6 gezeigt, eines der Teile, z. B. die Stange 3', mit zumindest einer Warze oder einem Zapfen 12 und das andere, z. B. der Deckel 3', mit einer korrespondierenden warzen- oder zapfenförmigen Ausnehmung 14 versehen sein.
• Der Zusammenbau mit den unbearbeiteten, geschmiedeten Teilen 3, 5, die wie in den Figuren gezeigt (oder wie ein Zusammenbau der Teile 3', 5') durch beispielsweise eine Preßpassung oder Reibverbindung zusammengebaut sind, wird geschmiedet oder kalt geprägt, um eine mechanische Verbindung und/oder eine metallurgische Verbindung zwischen den ineinandergreifenden Oberflächen davon zu bilden. Beschichtungen können vor dem Zusammenbau und dem Kaltprägen oder Schmieden aufgebracht werden, um die erreichte Bindungsfestigkeit auf angepaßte Werte abzustimmen. Z. B. könnten Bornitrid, Graphit oder Molybdändisulfid verwendet werden, um eine schwächere Bindung zu erzeugen, während Kupfer oder Nickel verwendet werden könnten, um die resultierende Bindung zu verstärken. Die Teile 3, 3' und 5, 5' werden dann als ein einziges Stück bearbeitet, z. B. durch Vorbohren der Bohrung 15, Ausbohren und Anbohrung bzw. mit Gewinde versehen für Deckelschrauben, die zum Zusammenhalten der Teile 3, 5 im Gebrauch verwendet werden. Nach der Bearbeitung des einstückigen Zusammenbaus wird der bearbeitete Zusammenbau entlang einer Trennlinie bzw. -fuge bruchgetrennt, die entlang der ursprünglichen, ineinandergreifenden Oberflächen der Teile 3, 5 oder 3', 5' definiert ist. Folglich ermöglichen die ursprüng liche Rippen-Nut- oder die Warzen/Zapfen-Ausnehmungs-Kombination und die durch den Trenn- bzw. Brechvorgang erzeugten Oberflächenrauhigkeiten ein genaues Positionieren der Teile, 3, 5 oder 3', 5', wenn sie zum Einbau wieder zusammengebaut werden.
• Dieses Verfahren befreit von der Notwendigkeit eines Dübelstifts, um eine Verschiebung des Zusammenbaus zu verhindern, und erfordert nicht eine teure Bearbeitung der Kontaktflächen, um ein richtiges Passen der Verbindung zu erreichen, weder vor dem temporären Verbinden der geschmiedeten Teile noch nach dem Bruchtrennen der verbundenen Teile. Die Vorteile des Bruchtrennens werden bei Verwendung von Materialien höherer Ermüdungsfestigkeit als typische "brechbare" Materialien, wie Pulverschmiedeteile und Gußeisen, die üblicherweise für bruchgetrennte, geschmiedete Bauteile verwendet werden, und ohne Verwendung von Klebstoffen oder lokaler Versprödung erhalten.
• Obwohl Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern vielen Änderungen und Modifikationen, wie dem Fachmann bekannt, unterworfen werden kann. Obwohl die Erfindung hinsichtlich der Herstellung einer Pleuelstange für einen Innenverbrennungsmotor beschrieben worden ist und in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft ist, wird sie auf die Herstellung eines weiten Bereichs anderer Teile anwendbar sein, die zum Wiederzusammenbau um ein anderes Bauteil herum getrennt werden müssen, wie Getriebegehäuse, Lagerschalen und dergleichen. Daher ist diese Erfindung nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen Details beschränkt, sondern umfaßt alle solche Änderungen und Modifikationen, die vom Bereich der beigefügten Ansprüche umfaßt sind.
• Die vorliegende Erfindung wird einen weiten Anwendungsbereich für die Herstellung von Bauteilen bzw. Komponenten, wie Pleuelstangen für Innenverbrennungsmotoren, Getriebegehäuse, Lagerschalen, und dergleichen, die zum Wiederzusammenbau um ein anderes Bauteil herum getrennt werden müssen, finden. Insbesondere wird diese Erfindung besonders vorteilhaft bei der Herstellung von solchen Komponenten bzw. Bauteilen sein, die aus hochfesten, hochduktilen Metallen hergestellt werden müssen, die für ein Bruchtrennen durch übliche Techniken nicht geeignet sind.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das aus Teilen (3, 5; 3', 5') gebildet ist, die zum Wiederzusammenbau um ein anderes Bauteil herum getrennt bzw. separiert werden können, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Schmieden der zwei getrennten Teile (3, 5; 3', 5');

b) Verbinden der zwei Teile (3, 5; 3', 5') entlang korrespondierender Oberflächen davon, um ein einziges Teil zu bilden;

c) Bearbeiten des resultierenden, einzigen Teils; und

d) Brechen des einzigen Teils entlang einer Trennfuge bzw. -linie, die sich entlang der verbundenen Oberflächen erstreckt; dadurch gekennzeichnet,

daß die korrespondierenden Oberflächen ineinander gesteckt bzw. zusammengefügt werden, wenn die zwei Teile (3, 5; 3', 5') miteinander verbunden werden, um das einzige Teil zu bilden, so daß die zwei Teile (3, 5; 3', 5') über zumindest eine mechanische Eingriffsverbindung zwischen den ineinandergreifenden Oberflächen verbunden werden, und daß die zwei Teile (3, 5; 3', 5') entlang der ursprünglichen, ineinandergreifenden Oberflächen separiert werden, um zwei Teile (3, 5; 3', 5') mit zwei angepaßten Oberflächen zu erhalten, die keine weitere Be- bzw. Verarbeitung erfordern, bevor sie wieder zusammengebaut werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt b) auf die durch Schmieden hergestellten Teile (3, 5; 3', 5') angewendet wird, ohne deren vorherige Bearbeitung.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifenden Oberflächen eine Rippe (9) mit einem keilförmigen Querschnitt, die an einem der Teile (3, 5; 3', 5') gebildet ist, und eine Nut (7) mit einem keilförmigen Querschnitt, die an dem anderen der Teile (3, 5; 3', 5') gebildet ist, aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifenden Oberflächen zumindest einen Zapfen (12), der an einem der Teile (3, 5; 3', 5') gebildet ist, und eine zapfenförmige Ausnehmung (14), die an dem anderen der Teile (3, 5; 3', 5') gebildet ist, aufweisen.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt b) durch Schmieden oder Kaltprägen ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Pleuelstange (1) ist und die zwei Teile (3, 5; 3', 5') ein Stangenteil und ein Deckelteil sind, die, wenn sie zusammengebaut sind, eine Bohrung mit einer Mitte definieren, die in der Trennfuge bzw. Trennlinie liegt.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (3, 5; 3', 5') aus einer hochfesten, hochduktilen Legierung hergestellt werden.