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WO2021139997A1 - Verfahren zur bearbeitung einer ringnut - Google Patents

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Publication number
WO2021139997A1
WO2021139997A1 PCT/EP2020/086809 EP2020086809W WO2021139997A1 WO 2021139997 A1 WO2021139997 A1 WO 2021139997A1 EP 2020086809 W EP2020086809 W EP 2020086809W WO 2021139997 A1 WO2021139997 A1 WO 2021139997A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tool
roller burnishing
sliding
annular groove
groove
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/086809
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Cedric Dobua
Roland Lochmann
Original Assignee
Mahle International Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International Gmbh filed Critical Mahle International Gmbh
Priority to US17/791,798 priority Critical patent/US20240173782A1/en
Priority to CN202080098052.0A priority patent/CN115210038A/zh
Publication of WO2021139997A1 publication Critical patent/WO2021139997A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
    • B23C3/28—Grooving workpieces
    • B23C3/30—Milling straight grooves, e.g. keyways
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B23P9/02—Treating or finishing by applying pressure, e.g. knurling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H7/00—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons
    • B21H7/18—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons grooved pins; Rolling grooves, e.g. oil grooves, in articles
    • B21H7/182—Rolling annular grooves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/10—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons

Definitions

  • the present invention relates to a method for machining a circumferential annular groove on a cylindrical outer circumference surface of a component, in particular an annular groove of a piston of an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a piston with an annular groove produced by the method and a roller burnishing tool or a sliding friction tool for carrying out the method.
  • annular groove which is pre-punched in a known manner, mostly by machining, e.g. by turning, has a groove base which merges into lateral groove walls in a respective transition area.
  • a piston for highly stressed internal combustion engines made of a ductile, plastically deformable material is known, with a piston head with a combustion bowl and with annular grooves for receiving piston rings, the combustion bowl being reinforced by mechanical compression and the ring grooves being unreinforced.
  • a surface of the uppermost ring groove facing the piston crown is smoothed by a roller burnishing process, whereby a surface roughness with a roughness depth R z ⁇ 2 ⁇ m and an edge layer hardening can be produced.
  • ring grooves of a piston of an internal combustion engine that accommodate piston rings are loaded by gas pressure on the piston rings, as well as by so-called LSPI events (Low Speed Pre-Ignition), which can lead to damage, in particular cracks, in the groove base.
  • LSPI events Low Speed Pre-Ignition
  • the bottom of the groove can be smoothed and solidified, which can counteract the formation of cracks. This is possible both in a first ring groove, which is usually highly stressed, in a ring carrier (usually made of a ferrous material) and in a base material (usually aluminum), whereby under certain circumstances even the ring carrier can be saved.
  • the present invention is therefore concerned with the problem of specifying an improved or at least an alternative embodiment for a method of the generic type, which in particular enables an increase in the loading capacity of a piston.
  • the present invention is based on the general idea of using a specially designed tool for machining an annular groove on a component, in particular a piston of an internal combustion engine, which is designed in such a way that areas of the annular groove that are particularly susceptible to a notch effect, namely the transition areas between lateral Groove walls and a groove base, in particular the centers or the most strongly curved areas of transition radii are strengthened, but an area that is less stressed during operation, namely a central region of the groove base, is smoothed or strengthened less or not at all.
  • the at least one annular groove is machined with the tool, which has two lateral convex regions and a recessed region lying between them at a free end that is in contact with the groove base and the groove walls during machining, so that when the annular groove is machined, the two transition areas between the groove base and the lateral groove walls are strengthened or smoothed to a greater extent than a central area of the groove base arranged between them.
  • the convex areas with comparatively large radii can be used to smooth the material as well as to solidify the material, with the notch effect in the machined concave areas additionally due to the comparatively large radii in the area of the convex areas of the tool, which can be designed as a roller burnishing or sliding friction tool can be significantly reduced in the workpiece between the groove walls and the groove base, in particular at a lower transition area due to the gas pressure acting on a piston ring from above, provided the ring groove is arranged in a piston.
  • the strength and smoothness can thus be increased and at the same time the notch effect can be reduced, whereby the load-bearing capacity of the component can be increased, as can its service life.
  • a roller burnishing tool or a sliding friction tool is used as the tool, which has two lateral convex areas and a recessed area between them at its free end that comes into contact with the groove base during roller burnishing or sliding, so that during roller burnishing or sliding friction of the annular groove, the two transition areas are strengthened more strongly than a central area of the groove base.
  • the at least one annular groove is machined with a roller burnishing tool or sliding friction tool, which has two lateral convex areas and a recessed area lying in between at its free end which is in contact with the groove base and the groove walls during roller burnishing or sliding friction, so that in the case of rolling or sliding rubbing of the annular groove, the two transition areas between the groove base and the lateral groove walls are strengthened or smoothed to a greater extent than a central area of the groove base arranged between them.
  • the convex areas with comparatively large radii can be used to smooth the material as well as to solidify the material, with the comparatively large radii in the area of the convex areas of the roller burnishing tool or the sliding friction tool also having the notch effect in the machined concave areas in the workpiece between the groove walls and the groove base can be significantly reduced
  • the present invention is directed in particular to the grooves provided for receiving piston rings on pistons of internal combustion engines, it is not restricted to this application.
  • the machining method according to the invention can also be applied to the annular grooves of other pistons, such as compressors.
  • it is generally used for machining circumferential grooves on cylindrical circumferential surfaces, preferably outer circumferential surfaces of components, such as circlip grooves, for example on valve stems, piston pin hubs or camshafts.
  • R the radius of the roller burnishing tool or the sliding friction tool or the thickness.
  • the notch effect is significantly reduced and thus the load-bearing capacity of the piston is significantly increased.
  • the two radii of the convex areas at the free end of the roller burnishing tool or sliding friction tool would merge into one another in alignment, so that in this case material is removed from this roller burnishing tool or sliding friction tool in this area, which represents the withdrawn area of the roller burnishing tool or sliding friction tool must become.
  • the recessed area which can have a concave shape or a kink, for example, no or at most less solidification or smoothing occurs when rolling or sliding the annular groove in the middle area of the groove base, which is positive because it has been found that in particular During operation of a piston or an internal combustion engine, a maximum force and solidification does not occur in this central area of the groove base. Due to the shape of the roller burnishing tool or the sliding friction tool with two outer convex areas and a recessed area in between, the force is not only directed into the particularly crack-prone upper and lower transition area from the groove base to the groove flank.
  • the “two-legged” introduction of force into the workpiece via the torque balance leads to a more precisely determined force distribution between the upper and lower transition area than would be the case with a single convex tool.
  • the same hardening can be achieved through central radial introduction of force of the upper and lower transition area can be achieved, while an eccentric or oblique introduction of force into the groove leads to unequal contact forces.
  • This can be desirable, for example, to harden the lower transition area at the bottom of the groove, which is loaded by the gas pressure, more than the upper transition area.
  • An asymmetrical strengthening of the two transition areas (e.g. stronger at the bottom than at the top) can be achieved through an asymmetrical shape of the roller burnishing tool or sliding friction tool or the cross-section of the pre-cut groove, in addition to a correspondingly inclined or eccentrically offset line of action of the force introduced.
  • a roller burnishing tool or a sliding friction tool with a bone-shaped or a camel-humped free end is used. Both of these mentioned embodiments make it possible to carry out the method according to the invention, in which the respective transition areas between the groove base and the lateral groove walls are strengthened or smoothed to a greater extent than a central area of the groove base.
  • the two cusps of the camel-shaped free end represent the two lateral convex areas.
  • material is displaced from the transition areas into the central area during rolling or sliding rubbing of the ring groove, so that the groove base in the middle area protrudes further into the ring groove after rolling or sliding rubbing than before rolling or sliding rubbing.
  • a roller burnishing tool or a sliding friction tool is expediently used, the cross section of which increases towards the free end.
  • the cross-section tapers outwards from the free end, whereby rectangular ring grooves in particular can be machined more easily.
  • the free end is formed by a non-rotating tool that does not roll the groove base under the contact pressure, but rather smooths it under sliding friction.
  • This processing is similar to scraping, but is carried out by a strongly negative rake angle at a blunt free end, so that there is little or no chip removal, but rather similar plastic deformation of the groove base area as with roller burnishing.
  • Rectangular ring grooves can be made in the piston, for example, by means of a machining process, for example by turning, or by means of grinding, before roller burnishing. Due to the outwardly tapering cross-section of the roller burnishing tool, it is possible to incline the roller with respect to a radial axis of the piston during roller burnishing, which enables a significantly improved processing of the transition areas between the lateral groove walls and the groove base.
  • a roller burnishing tool or a sliding friction tool is used, the recessed area of which has a kink or is concave.
  • a concave design enables a kink-free central area of the groove base after roller burnishing or sliding friction, whereby a notch effect can be reduced.
  • Such a concave, recessed area can be produced, for example, by a cutting or grinding process on the roller burnishing tool or the sliding friction tool.
  • roller burnishing tool or sliding friction tool has a kink, for example in the withdrawn area
  • this withdrawn area can simply be pressed into the roller burnishing tool or sliding friction tool by a corresponding and oppositely shaped second roller burnishing tool or sliding friction tool.
  • the present invention is further based on the general idea of specifying a piston with at least one annular groove for receiving a piston ring, the at least one annular groove being produced using the method described above.
  • a piston has a higher load capacity due to the solidified and smoothed transition areas and the simultaneously reduced notch effect, which has a positive effect on the service life of the piston according to the invention.
  • the ring groove itself can lie in the piston itself, for example in an aluminum or steel piston, or in a ring carrier provided for this purpose, which is embedded in the piston.
  • the present invention is further based on the general idea of specifying a roller burnishing tool or sliding friction tool for carrying out the method described above, which at its free end has two lateral, convex areas and an intermediate, Has withdrawn area.
  • a roller burnishing tool or sliding friction tool for carrying out the method described above, which at its free end has two lateral, convex areas and an intermediate, Has withdrawn area.
  • FIG. 1 shows a sectional view through a piston according to the invention when machining an annular groove by means of a tool according to the invention during a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a representation as in FIG. 1, but after the roller burnishing process or after the sliding friction process
  • 3 shows a representation as in FIG. 1, but with a trapezoidal annular groove
  • FIG. 4 shows a representation as in FIG. 2, but with the tool removed
  • FIG. 5 shows a detailed illustration from FIG. 2,
  • FIG. 6 shows a detailed illustration from FIG. 4.
  • FIGS. 1 to 6 in a method according to the invention for machining / creating an annular groove 1 in a piston 2 of an internal combustion engine (not shown), a tool 12, in particular a roller burnishing tool 3 or a sliding friction tool 13, is inserted into the annular groove 1 and with this roller burnishing tool 3 or the sliding friction tool 13 processed.
  • a piston ring is arranged in the annular groove 1, by means of which a seal takes place with respect to a cylinder wall (not shown).
  • the respective annular groove 1 (compare in particular FIGS. 4 and 6) has a groove base 4 which merges into lateral groove walls 6, 6 'in a respective transition area 5, 5'.
  • the at least one annular groove 1, of course all other annular grooves of the piston 2 can also be processed accordingly, roller burnished with the roller burnishing tool 3 or slide rubbed with the sliding friction tool 13, the roller burnishing tool 3 on its roller burnishing or the sliding friction tool 13 when sliding friction with the Groove bottom 4 in contact free end 7 has two lateral, convex areas 8, 8 'and an intermediate, recessed area 9, so that when rolling or sliding or generally when machining with the tool 12 of the annular groove 1, the two transition areas 5, 5 'more solidified are used as a central region 10 of the groove base 4 (compare in particular FIGS. 5 and 6).
  • the roller burnishing tool 3 or the sliding friction tool 13 has a bone-shaped or camel-humped cross-section at its free end 7, whereby the stronger compression or smoothing of the two transition areas 5, 5 'can be effected.
  • the withdrawn area 9 of the roller burnishing tool 3 or the sliding friction tool 13 does not come into contact with the groove base 4 or only with little pressure, so that the central area 10 of the groove base 4 opposite the withdrawn area 9 does not come into contact or only to a significantly lesser extent is consolidated, compacted or smoothed.
  • the two convex areas 8, 8 'of the roller burnishing tool 3 or the sliding friction tool 13 can also create a transition area 5, 5' with a comparatively large radius from the groove base 4 to the respective groove side walls 6, 6 ', which significantly reduces the notch effect and thus the resilience of the piston 2 can be increased significantly.
  • the roller burnishing tool 3 can have a one-piece roller burnishing wheel 15, as a result of which both the convex areas 8, 8 ′ and the recessed area 9 are embodied in one piece.
  • the sliding tool 13 can also have an integral friction body 16, as a result of which both the convex regions 8, 8 'and the recessed region 9 are also formed in one piece.
  • Such a sliding tool 13 or roller burnishing tool 12 can be serviced by simply replacing the roller burnishing wheel 15 or the friction body 16.
  • a very inexpensive tool can be created in this way. Looking at the cross-sectional shape of the tool 12, in particular the roller burnishing tool 3 or the sliding friction tool 13, according to FIG.
  • the roller burnishing tool 3 can have a wear protection coating 17, in particular a DLC layer 18, on its roller burnishing wheel 15. Additionally or alternatively, the sliding tool 13 can have a wear protection coating 17, in particular a DLC layer 18, on its friction body 16. In this way, friction and thus wear on the tool 12 and also undesired deformations on a surface of the workpiece can be reduced.
  • the roller wheel 15 and / or the friction body 16 can have at least one oil pocket 19 or several such small oil pockets 19 on at least one side, which are shown enlarged in FIGS. 1 and 2 for better illustration.
  • the plastic deformation of the workpiece by local compressive forces is desired, but high shear forces at an interface are not.
  • Such oil pockets 19 (“dimples” similar to a golf ball) can store oil during the rolling or sliding process, which reduces the (sliding) friction.
  • the annular groove 1 can generally be arranged in the piston 2 itself or in a ring carrier 11 as shown in FIGS.
  • Such a ring carrier 11 is usually made of an iron material, for example steel, and is used in particular in light metal pistons, for example aluminum pistons.
  • the annular groove 1 can be prefabricated, for example, by a machining process, for example by turning.
  • the withdrawn area 9 can, for example, have a kink or else be concave, as shown in FIG. Due to the comparatively large radii R and the reduced area 9, an increased or even exclusive compression of the transition areas 5, 5 'compared to the central area 10 can take place, the central area 10 of the groove base 4 of the annular groove 1 not being or significantly less compacted.
  • the invention should also include the piston 2 according to the invention, in which the annular groove 1 was machined, in particular roller burnished or slide rubbed, using the method according to the invention.
  • the present invention is directed in particular to the annular grooves 1 provided for receiving piston rings on pistons 2 of internal combustion engines, it is not restricted to this application.
  • the machining method according to the invention can also be applied to annular grooves 1 of other pistons 2, such as compressors.
  • it is generally suitable for machining circumferential grooves on cylindrical circumferential surfaces, preferably outer circumferential surfaces of components such as circlip grooves, e.g. on valve stems, piston pin bosses or camshafts.
  • the tool 12 according to the invention in particular the roller burnishing tool 3 or the sliding friction tool 13, is part of the present invention, which has two lateral convex areas 8, 8 'at its free end 7. as well as a recessed area 9 lying therebetween.
  • an annular groove 1 can be solidified or smoothed in a corresponding manner and thus increased in terms of load capacity.
  • the tool 12, in particular the roller burnishing tool 3 or the sliding friction tool 13 can have a bone-shaped or in cross-section camel-humped free end 7 and also a cross-section can enlarge towards the free end 7, whereby a tilting of the tool 12, in particular the roller burnishing tool 3 or the Sliding friction tool 13 relative to a radial line 14 of the piston 2 when machining the annular groove 1 is possible.
  • the particularly stressed areas here the transition areas 5, 5 '
  • the transition areas 5, 5' can be smoothed and solidified and also a notch effect in these transition areas 5, 5' can be reduced, whereby the loading capacity of the piston 2 according to the invention can be significantly increased.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Ringnut (1) eines Kolbens (2) einer Brennkraftmaschine, die einen Nutgrund (4) aufweist, der in einem jeweiligen Übergangsbereich (5,5') in seitliche Nutwände (6,6') übergeht. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die zumindest eine Ringnut (1) mit einem Werkzeug (12) bearbeitet wird, das an seinem mit dem Nutgrund (4) in Kontakt tretenden freie Ende (7) zwei seitliche konvexe Bereiche (8,8') und einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich (9) aufweist, sodass bei einem Bearbeiten der Ringnut (1) die beiden Übergangsbereiche (5,5') stärker verfestigt werden als ein Mittelbereich (10) des Nutgrunds (4). Hierdurch können die Übergangsbereiche (5,5') verfestigt und geglättet werden und zugleich kann die Kerbwirkung reduziert werden.

Description

Verfahren zur Bearbeitung einer Ringnut
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Ringnut an einer zylindrischen Außenumfangs fläche eines Bauteils, insbesondere einer Ringnut eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kolben mit einer nach dem Verfahren hergestellten Ringnut sowie ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
Üblicherweise weist eine solche in bekannterWeise, zumeist spanabhebend, z.B. durch Drehen vorgestochene Ringnut einen Nutgrund auf, der in einem jeweiligen Übergangsbereich in seitliche Nutwände übergeht.
Aus der DE 2007647 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Ringnuten an einem Dichtmantel eines Stahlkolbenkopfes bekannt, bei welchem die Ringnut durch Einwalzen in das Material des Dichtmaterials hergestellt wird. Durch das Einwalzen der Ringnut in den Dichtmantel soll das Material verfestigt und dadurch die Standzeit der Ringnut verlängert werden können.
Aus der DE 198 15485 C2 ist ein Kolben für hochbelastete Brennkraftmaschinen aus einem duktilen, plastisch verformbaren Werkstoff bekannt, mit einem Kolbenboden mit Brennraummulde und mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen, wobei die Brennraummulde durch mechanisches Verdichten bewehrt ist und die Ringnuten unbewehrt ausgebildet sind. Eine Oberfläche der dem Kolbenboden zugewandten obersten Ringnut ist dabei durch ein Rollierverfahren geglättet, wodurch eine Oberflächenrauigkeit mit einer Rautiefe Rz < 2 pm und eine Randschichtverfestigung erzeugt werden können. Hierdurch soll insbesondere die Gefahr einer Rissbildung im Kolbenkopf reduziert werden können.
Generell sind Kolbenringe aufnehmende Ringnuten eines Kolbens einer Brennkraftmaschine durch einen Gasdruck auf die Kolbenringe belastet, außerdem durch sogenannte LSPI-Ereignisse (Low Speed Pre-Ignition), die zu Schäden, insbesondere zu Rissen, im Nutgrund führen können. Durch ein Rollieren mit einem Rollierwerkzeug kann der Nutgrund geglättet und verfestigt werden, wodurch der Bildung von Rissen entgegengewirkt werden kann. Dies ist sowohl an einer zumeist höchstbelasteten ersten Ringnut in einem Ringträger (üblicherweise aus einem Eisenwerkstoff) als auch in einem Grundmaterial (üblicherweise Aluminium) möglich, wodurch unter Umständen sogar der Ringträger eingespart werden kann.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben und Herstellungsverfahren für die Ringnuten ist jedoch, dass bei einem Rollieren der Ringnuten oftmals die falschen Bereiche geglättet und verfestigt werden, wodurch sich insbesondere eine die Standzeit negativ beeinflussende Kerbwirkung nicht beeinflussen lässt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine Steigerung der Belastbarkeit eines Kolbens ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein speziell ausgebildetes Werkzeug zum Bearbeiten einer Ringnut an einem Bauteil, insbesondere eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, zu verwenden, welches derart ausgebildet ist, dass insbesondere für eine Kerbwirkung anfällige Bereiche der Ringnut, nämlich die Übergangsbereiche zwischen seitlichen Nutwänden und einem Nutgrund, insbesondere die Mitten oder die am stärksten gekrümmten Bereiche von Übergangsradien verfestigt werden, ein während des Betriebs jedoch eher weniger belasteter Bereich, nämlich ein Mittelbereich des Nutgrunds weniger oder gar nicht geglättet bzw. verfestigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Ringnut eines Kolbens einer Brennkraftmaschine wird die zumindest eine Ringnut mit dem Werkzeug bearbeitet, das an einem beim Bearbeiten mit dem Nutgrund und den Nutwänden in Kontakt stehenden freien Ende zwei seitliche konvexe Bereiche sowie einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich aufweist, so dass bei einem Bearbeiten der Ringnut die beiden Übergangsbereiche zwischen dem Nutgrund und den seitlichen Nutwänden stärker verfestigt bzw. geglättet werden, als ein dazwischen angeordneter Mittelbereich des Nutgrunds. Durch die konvexen Bereiche mit vergleichsweise großen Radien kann neben einer Materialglättung auch eine Materialverfestigung erreicht werden, wobei zusätzlich durch die vergleichsweise großen Radien im Bereich der konvexen Bereiche des Werkzeugs, welches als Rollier- oder Gleitreibwerkzeug ausgebildet sein kann, die Kerbwirkung in den bearbeiteten konkaven Bereiche im Werkstück zwischen den Nutwänden und dem Nutgrund deutlich reduziert werden kann, insbesondere an einem unteren Übergangsbereich aufgrund des von oben auf einen Kolbenring einwirkenden Gasdrucks, sofern die Ringnut in einem Kolben angeordnet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit die Festigkeit und Glättung steigern und zugleich die Kerbwirkung reduzieren, wodurch die Belastbarkeit des Bauteils erhöht werden kann, ebenso wie dessen Lebensdauer. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Werkzeug ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, das an seinem beim Rollieren oder Gleiten mit dem Nutgrund in Kontakt tretenden freie Ende zwei seitliche konvexe Bereiche und einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich aufweist, sodass bei einem Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut die beiden Übergangsbereiche stärker verfestigt werden als ein Mittelbereich des Nutgrunds. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung einer Ringnut wird die zumindest eine Ringnut mit einem Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug bearbeitet, das an seinem beim Rollieren oder Gleitreiben mit dem Nutgrund und den Nutwänden in Kontakt stehenden freien Ende zwei seitliche konvexe Bereiche sowie einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich aufweist, so dass bei einem Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut die beiden Übergangsbereiche zwischen dem Nutgrund und den seitlichen Nutwänden stärker verfestigt bzw. geglättet werden, als ein dazwischen angeordneter Mittelbereich des Nutgrunds. Durch die konvexen Bereiche mit vergleichsweise großen Radien kann neben einer Materialglättung auch eine Materialverfestigung erreicht werden, wobei zusätzlich durch die vergleichsweise großen Radien im Bereich der konvexen Bereiche des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs die Kerbwirkung in den bearbeiteten konkaven Bereiche im Werkstück zwischen den Nutwänden und dem Nutgrund deutlich reduziert werden kann
Obwohl sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf die zur Aufnahme von Kolbenringen vorgesehenen Nuten an Kolben von Brennkraftmaschinen richtet, ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt. Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren lässt sich auch auf Ringnuten anderer Kolben, wie etwa von Kompressoren anwenden. Darüber hinaus ist es allgemein zur Bearbeitung von in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten an zylindrischen Umfangsflächen, vorzugsweise Außenumfangsflächen von Bauteilen, wie etwa von Sicherungsringnuten, z.B. an Ventilschäften, Kolbenbolzennaben oder Nockenwellen geeignet.
Zweckmäßig wird ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, dessen konvexe Bereiche einen Radius R von R = B/2 aufweisen, wobei B die Breite des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs bzw. die Dicke ist. Über derartig große Radien wird die Kerbwirkung deutlich reduziert und damit die Belastbarkeit des Kolbens deutlich gesteigert. Bei einer derartigen Ausführungsform würden die beiden Radien der konvexen Bereiche am freien Ende des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs fluchtend ineinander übergehen, so dass in diesem Fall in diesem Bereich, der den zurückgenommenen Bereich des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs darstellt, Material von diesem Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug entfernt werden muss. Durch den zurückgenommenen Bereich, der beispielsweise eine konkave Form oder einen Knick aufweisen kann, tritt beim Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut in dem Mittelbereich des Nutgrundes keine oder höchstens eine geringere Verfestigung bzw. Glättung auf, was positiv ist, da sich herausgestellt hat, dass insbesondere im Betrieb eines Kolbens bzw. einer Brennkraftmaschine eine maximale Krafteinwirkung und Verfestigung gerade nicht in diesem Mittelbereich des Nutgrunds auftritt. Durch die Form des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs mit zwei äußeren konvexen Bereichen und einem zurückgenommenen Bereich dazwischen, wird die Kraft nicht nur gezielt in den besonders rissgefährdeten oberen und unteren Übergangsbereich vom Nutgrund in die Nutflanke geleitet. Außerdem führt die „zweibeinige“ Krafteinleitung ins Werkstück über die Drehmomentbilanz zu einer genauer bestimmten Kraftverteilung zwischen oberem und unterem Übergangsbereich als dies bei einem einzigen konvexen Werkzeug der Fall wäre. So kann z.B. durch zentrale radiale Krafteinleitung etwa die gleiche Verfestigung des oberen und unteren Übergangsbereichs erreicht werden, während eine außermittige oder schräge Krafteinleitung in die Nut zu ungleichen Anpresskräften führt. Dies kann erwünscht sein, um z.B. den vom Gasdruck belasteten unteren Übergangsbereich am Nutgrund stärker zu härten als den oberen. Eine asymmetrische Verfestigung der beiden Übergangsbereich (z.B. unten stärker verfestigt als oben) kann außer durch eine entsprechend geneigte oder außermittig versetzte Wirkungslinie der eingeleiteten Kraft auch durch eine asymmetrische Form des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs oder des Querschnitts der vorgestochenen Nut erreicht werden.
Bei einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug mit einem knochenförmigen oder einem kamelhöckerförmigen freien Ende verwendet. Beide dieser genannten Ausführungsformen ermöglichen die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem die jeweiligen Übergangsbereiche zwischen dem Nutgrund und den seitlichen Nutwänden stärker verfestigt bzw. geglättet werden, als ein Mittelbereich des Nutgrunds. Die beiden Höcker des kamelhöckerförmigen freien Endes stellen dabei die beiden seitlichen konvexen Bereiche dar.
Bei einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird beim Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut Material von den Übergangsbereichen in den Mittelbereich verdrängt, so dass der Nutgrund im Mittelbereich nach dem Rollieren oder nach dem Gleitreiben weiter in die Ringnut ragt, als vor dem Rollieren oder dem Gleitreiben. Dies stellt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, bei welchem die Verfestigung bzw. Glättung der beiden seitlichen Übergangsbereiche dazu führt, dass der Mittelbereich nicht verfestigt bzw. viel geringer verfestigt oder sogar entgegengerichtet durch seitlich verdrängtes Material aus den Übergangsbereichen herausgedrückt wird.
Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, dessen Querschnitt sich zum freien Ende hin vergrößert. In diesem Fall verjüngt sich somit der Querschnitt ausgehend vom freien Ende nach außen, wodurch insbesondere rechteckige Ringnuten einfacher bearbeitet werden können.
Zum Einsetzen des Werkzeugs in eine Rechtecknut ist es besonders vorteilhaft, wenn das freie Ende von einem nicht rotierenden Werkzeug gebildet wird, das den Nutgrund unter dem Anpressdruck nicht walzend, sondern unter Gleitreibung glättet. Diese Bearbeitung ähnelt dem Schaben, wird aber durch einen stark negativen Spanwinkel an einem stumpfen freien Ende ausgeführt, dass es kaum oder gar nicht zur Spanabhebung, sondern zu ähnlicher plastischer Verformung des Nutgrundbereichs wie beim Rollieren kommt.
Bei trapezförmigen Ringnuten, deren Breite sich mit zunehmender Tiefe verringert, ist dies nicht erforderlich, da auch ein rotationsymmetrisches Werkzeug einfach bis zum Nutgrund eingesetzt werden kann. Rechteckige Ringnuten, aber auch andere Ringnuten, können beispielsweise vor dem Rollieren mittels eines spanabhebenden Verfahrens, beispielsweise mittels Drehen, oder mittels Schleifen in den Kolben eingebracht werden. Durch den sich nach außen verjüngenden Querschnitt des Rollierwerkzeugs ist ein Neigen desselben beim Rollieren bezüglich einer Radialachse des Kolbens möglich, wodurch eine deutlich verbesserte Bearbeitung der Übergangsbereiche zwischen den seitlichen Nutwänden und dem Nutgrund ermöglicht wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, dessen zurückgenommener Bereich einen Knick aufweist oder konkav ausgebildet ist. Besonders eine konkave Ausbildung ermöglicht dabei einen knickfreien Mittelbereich des Nutgrunds nach dem Rollieren oder dem Gleitreiben, wodurch eine Kerbwirkung reduziert werden kann. Ein derartiger konkav ausgebildeter zurückgenommener Bereich kann beispielsweise durch ein spanabhebendes oder schleifendes Verfahren an dem Rollierwerkzeug oder dem Gleitreibwerkzeug hergestellt werden. Besitzt das Rollierwerkzeug oder das Gleitreibwerkzeug beispielsweise in dem zurückgenommenen Bereich einen Knick, so kann dieser zurückgenommene Bereich einfach durch ein entsprechendes und gegensätzlich geformtes zweites Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug in das Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug eingedrückt werden.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben mit zumindest einer Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings anzugeben, wobei die zumindest eine Ringnut mit dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Ein derartiger Kolben hat aufgrund der verfestigten und geglätteten Übergangsbereiche und der zugleich reduzierten Kerbwirkung eine höhere Belastungsfähigkeit, was sich positiv auf die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Kolbens auswirkt. Die Ringnut selbst kann dabei im Kolben selbst liegen, beispielsweise in einem Aluminium- oder Stahlkolben, oder in einem hierfür vorgesehenen Ringträger, der in den Kolben eingebettet ist.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens anzugeben, welches an seinem freien Ende zwei seitliche, konvexe Bereiche sowie einen dazwischen liegenden, zurückgenommenen Bereich aufweist. Mittels eines derartigen erfindungsgemäßen Rollierwerkzeugs oder Gleitreibwerkzeugs lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren qualitativ hochwertig und zugleich kostgünstig durchführen. Der zurückgenommene Bereich kann dabei beispielsweise mittels spanabhebenden Verfahren oder mittels Schleifen in das freie Ende des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs eingebracht werden.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben beim Bearbeiten einer Ringnut mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs während eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch nach dem Rollierprozess bzw. nach dem Gleitreibprozess, Fig. 3 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch bei einer trapezförmigen Ringnut,
Fig. 4 eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch mit entnommenem Werkzeug,
Fig. 5 eine Detaildarstellung aus Fig. 2,
Fig. 6 eine Detaildarstellung aus Fig. 4.
Entsprechend den Figuren 1 bis 6 wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung/Flerstellung einer Ringnut 1 in einem Kolben 2 einer nicht näher bezeichneten Brennkraftmaschine ein Werkzeug 12, insbesondere ein Rollierwerkzeug 3 oder ein Gleitreibwerkzeug 13, in die Ringnut 1 eingeführt und mit diesem Rollierwerkzeug 3 oder dem Gleitreibwerkzeug 13 bearbeitet. In der Ringnut 1 wird im späteren Betrieb des Kolbens 2 in der Brennkraftmaschine ein Kolbenring angeordnet, über welchen eine Abdichtung gegenüber einer nicht gezeigten Zylinderwandung erfolgt. Die jeweilige Ringnut 1 (vergleiche insbesondere die Figuren 4 und 6), besitzt einen Nutgrund 4, der in einem jeweiligen Übergangsbereich 5, 5’ in seitliche Nutwände 6, 6’ übergeht. Erfindungsgemäß wird nun die zumindest eine Ringnut 1, selbstverständlich können auch sämtliche weitere Ringnuten des Kolbens 2 entsprechend bearbeitet werden, mit dem Rollierwerkzeug 3 rolliert oder mit dem Gleitreibwerkzeug 13 gleitgerieben, wobei das Rollierwerkzeug 3 an seinem beim Rollieren oder das Gleitreibwerkzeug 13 beim Gleitreiben mit dem Nutgrund 4 in Kontakt stehenden freien Ende 7 zwei seitliche, konvexe Bereiche 8, 8’ sowie einen dazwischen liegenden, zurückgenommenen Bereich 9 aufweist, so dass bei einem Rollieren oder Gleiten bzw. generell bei einem Bearbeiten mit dem Werkzeug 12 der Ringnut 1 die beiden Übergangsbereiche 5, 5’ stärker verfestigt werden als ein Mittelbereich 10 des Nutgrunds 4 (vergleiche insbesondere die Figuren 5 und 6).
Das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13 besitzt an seinem freien Ende 7 einen knochenförmigen oder kamelhöckerförmigen Querschnitt, wodurch das stärkere Verdichten bzw. Glätten der beiden Übergangsbereiche 5, 5’ bewirkt werden kann. Durch das Rollieren oder Gleitreiben kommt beispielsweise der zurückgenommene Bereich 9 des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeugs 13 nicht oder nur mit geringem Druck mit dem Nutgrund 4 in Kontakt, wodurch der dem zurückgenommenen Bereich 9 gegenüberliegende Mittelbereich 10 des Nutgrunds 4 nicht oder nur in deutlich geringerem Maße verfestigt, verdichtet bzw. geglättet wird. Durch die beiden konvexen Bereiche 8, 8’ des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeugs 13 kann zudem ein Übergangsbereich 5, 5’ mit vergleichsweise großem Radius vom Nutgrund 4 zu den jeweiligen Nutenseitenwänden 6, 6’ geschaffen werden, wodurch sich die Kerbwirkung deutlich reduzieren und damit die Belastbarkeit des Kolbens 2 deutlich steigern lässt.
Das Rollierwerkzeug 3 kann ein einstückig ausgebildetes Rollierrad 15 aufweisen, wodurch sowohl die konvexen Bereiche 8, 8' als auch der zurückgenommene Bereich 9 einstückig ausgebildet sind. In gleicherweise kann auch das Gleitwerkzeug 13 einen einstückig ausgebildeten Reibkörper 16 aufweisen, wodurch ebenso sowohl die konvexen Bereiche 8, 8' als auch der zurückgenommene Bereich 9 einstückig ausgebildet sind. Ein solches Gleitwerkzeug 13 bzw. Rollierwerkzeug 12 kann durch einen einfachen Austausch des Rollierrades 15 bzw. des Reibkörpers 16 gewartet werden. Außerdem kann so ein sehr kostengünstiges Werkzeug geschaffen werden. Betrachtet die Querschnittsform des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, gemäß der Figur 2, so kann man erkennen, dass sich dessen Querschnitt zum freien Ende 7 hin vergrößert und in die andere Richtung, das heißt hier radial nach außen, verjüngt. Hierdurch ist es insbesondere bei rechteckförmigen Ringnuten 1 möglich, das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13 relativ zur Radialrichtung des Kolbens 2 zu neigen bzw. zu kippen und dadurch eine verbesserte Verdichtung, Verfestigung bzw. Glättung der Übergangsbereiche 5, 5’ zu bewirken. Weist die Ringnut 1 einen trapezförmigen Querschnitt auf, wie dies gemäß der Figur 3 dargestellt ist, so ist eine derartige sich hinsichtlich des Querschnitts nach außen verjüngende Form des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, nicht unbedingt erforderlich.
Das Rollierwerkzeug 3 kann an seinem Rollierrad 15 eine Verschleißschutzbeschichtung 17, insbesondere eine DLC-Schicht 18, aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das Gleitwerkzeug 13 an seinem Reibkörper 16 eine Verschleißschutzbeschichtung 17, insbesondere eine DLC- Schicht 18, aufweisen. Hierdurch können eine Reibung und damit ein Verschleiß am Werkzeug 12 und auch unerwünschte Verformungen an einer Oberfläche des Werkstücks verringert werden.
Wiederum zusätzlich oder alternativ kann das Rollierrad 15 und/oder der Reibkörper 16 an zumindest einer Seite zumindest eine Öltasche 19 oder mehrere derartige kleine Öltaschen 19 aufweisen, die in den Fig. 1 und 2 der besseren Darstellung wegen vergrößert gezeichnet sind. Die plastische Deformation des Werkstücks durch lokale Druckkräfte ist gewünscht, hohe Scherkräfte an einer Grenzfläche jedoch nicht. Durch derartige Öltaschen 19 ("Dimples" ähnlich einem Golfball) kann beim Rollier- oder Gleitvorgang Öl gespeichert werden, das die (Gleit-)reibung reduziert. Die Ringnut 1 kann generell im Kolben 2 selbst oder entsprechend den Darstellungen gemäß den Figuren 1 bis 6 in einem Ringträger 11 angeordnet sein. Ein derartiger Ringträger 11 ist üblicherweise aus einem Eisenwerkstoff, beispielsweise aus Stahl, ausgebildet und wird insbesondere in Leichtmetallkolben, beispielsweise Aluminiumkolben, eingesetzt. Eine Vorfertigung der Ringnut 1 kann beispielsweise durch ein spanabhebendes Verfahren, beispielsweise durch Drehen, erfolgen.
Die konvexen Bereiche 8, 8’ des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, können einen Radius R von R = B/2 aufweisen, wobei B für die Breite bzw. Dicke des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, steht. Der zurückgenommene Bereich 9 kann beispielsweise einen Knick aufweisen oder aber konkav ausgebildet sein, wie dies gemäß der Figur 5 dargestellt ist. Durch die vergleichsweise großen Radien R und den zurückgenommenen Bereich 9 kann ein verstärktes oder sogar ausschließliches Verdichten der Übergangsbereiche 5, 5’ im Vergleich zum Mittelbereich 10 erfolgen, wobei der Mittelbereich 10 des Nutgrunds 4 der Ringnut 1 nicht oder deutlich weniger verdichtet wird.
Darüber hinaus ist es denkbar, dass beim Rollieren/Gleitreiben der Ringnut 1 Material von den Übergangsbereichen 5, 5’ in den Mittelbereich 10 verdrängt wird, so dass der Nutgrund 4 im Mittelbereich 10 nach dem Rollieren/Gleitreiben weiter in die Ringnut 1 ragt, als vor dem Rollieren/Gleitreiben. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäß hergestellten Ringnut 1 ist, dass aufgrund der Materialglättung und der Materialverfestigung insbesondere im unteren Übergangsbereich 5 bei einem in diesem Fall oben liegenden Brennraum und der vergleichsweise großen Radien R eine Kerbwirkung reduziert oder sogar vermieden wird, insbesondere an dem unteren Übergangsbereich 5 zwischen dem Nutgrund 4 und der unteren Nutwand 6. In Versuchen bzw. Berechnungen hat sich dabei herausgestellt, dass die Gefahr der Rissbildung durch die auf einen Kolbenring wirkenden Kräfte in den Übergangsbereichen 5, vor allem dem vom Verbrennungsgasdruck belasteten unteren Übergangsbereich 5 zwischen der Nutflanke 6 und dem Nutgrund 4 größer ist als in der Mitte 7 des Nutgrunds 4 und deshalb die maximale Krafteinwirkung und Verfestigung gerade nicht im mittleren Bereich 10 des Nutgrundes 4 stattfinden soll, wie es bei einem Werkzeug 12, insbesondere einem Rollierwerkzeug 3 oder einem Gleitreibwerkzeug 13, mit einem runden freien Ende und einer rechteckigen Nut passiert.
Ebenfalls von der Erfindung mit umfasst sein soll der erfindungsgemäße Kolben 2, bei welchem die Ringnut 1 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet, insbesondere rolliert oder gleitgerieben, wurde.
Obwohl sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf die zur Aufnahme von Kolbenringen vorgesehenen Ringnuten 1 an Kolben 2 von Brennkraftmaschinen richtet, ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt. Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren lässt sich auch auf Ringnuten 1 anderer Kolben 2, wie etwa von Kompressoren anwenden. Darüber hinaus ist es allgemein zur Bearbeitung von in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten an zylindrischen Umfangsflächen, vorzugsweise Außenumfangsflächen von Bauteilen, wie etwa von Sicherungsringnuten, z.B. an Ventilschäften, Kolbenbolzennaben oder Nockenwellen geeignet.
Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Werkzeug 12, insbesondere das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13, Bestandteil der vorliegenden Erfindung, das an seinem freien Ende 7 zwei seitliche konvexe Bereiche 8, 8’ sowie einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich 9 aufweist. Hierdurch lässt sich eine Ringnut 1 in entsprechender weise verfestigen bzw. glätten und damit hinsichtlich einer Belastungsfähigkeit steigern. Das Werkzeug 12, insbesondere das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13, kann ein knochenförmiges oder im Querschnitt kamelhöckerförmiges freies Ende 7 aufweisen und zudem kann sich ein Querschnitt zum freien Ende 7 hin vergrößern, wodurch ein Kippen des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, relativ zu einer Radialen 14 des Kolbens 2 beim Bearbeiten der Ringnut 1 möglich ist.
Die konvexen Bereiche 8, 8’ des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, können dabei einen Radius R von R = B/2 aufweisen, wobei zusätzlich oder alternativ der zurückgenommene Bereich 9 des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, einen Knick aufweisen oder konkave ausgebildet sein kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die besonders belasteten Bereiche, hier die Übergangsbereiche 5, 5’ glätten und verfestigen und zudem eine Kerbwirkung in diesen Übergangsbereichen 5, 5’ reduzieren, wodurch sich die Belastungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens 2 deutlich steigern lässt.
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Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Ringnut (1) an einer zylindrischen Außenumfangsfläche eines Bauteils, insbesondere eines Kolbens (2) einer Brennkraftmaschine, die einen Nutgrund (4) aufweist, der in einem jeweiligen Übergangsbereich (5,5') in seitliche Nutwände (6,6') übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ringnut (1) mit einem Werkzeug (12) bearbeitet wird, das an seinem mit dem Nutgrund (4) in Kontakt tretenden freie Ende (7) zwei seitliche konvexe Bereiche (8,8') und einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich (9) aufweist, sodass bei einem Bearbeiten der Ringnut (1) die beiden Übergangsbereiche (5,5') stärker verfestigt werden als ein Mittelbereich (10) des Nutgrunds (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (12) ein Rollierwerkzeug (3) oder ein Gleitreibwerkzeug (13) verwendet wird, das an seinem beim Rollieren oder Gleiten mit dem Nutgrund (4) in Kontakt tretenden freie Ende (7) zwei seitliche konvexe Bereiche (8,8') und einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich (9) aufweist, sodass bei einem Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut (1) die beiden Übergangsbereiche (5,5') stärker verfestigt werden als ein Mittelbereich (10) des Nutgrunds (4).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (12) ein Rollierwerkzeug (3) oder ein Gleitreibwerkzeug (13) mit einem knochenförmigen oder einem kamelhöckerförmigen freien Ende (7) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (12) ein Rollierwerkzeug (3) oder ein Gleitreibwerkzeug (13) verwendet wird, dessen Querschnitt sich zum freien Ende (7) hin vergrößert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (1) vor dem Rollieren oder Gleitreiben vorgedreht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (10) beim Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut (1) nicht verfestigt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut (1) Material von den Übergangsbereichen (5,5') in den Mittelbereich (10) verdrängt wird, sodass der Nutgrund (4) im Mittelbereich (10) nach dem Rollieren oder Gleitreiben weiter in die Ringnut (1 ) ragt als vor dem Rollieren oder Gleitreiben. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass als Werkzeug (12) ein Rollierwerkzeug (3) oder ein Gleitreibwerkzeug (13) verwendet wird, dessen konvexe Bereiche (8,
8') einen Radius R von R = B/2 aufweisen, und/oder
- dass als Werkzeug (12) ein Rollierwerkzeug (3) oder ein Gleitreibwerkzeug (13) verwendet wird, dessen zurückgenommener Bereich (9) einen Knick aufweist oder konkav ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass als Rollierwerkzeug (3) ein einstückig ausgebildetes Rollierrad (15) verwendet wird, wobei sowohl die konvexen Bereiche (8, 8') als auch der zurückgenommene Bereich (9) einstückig ausgebildet sind, und/oder
- dass als Gleitwerkzeug (13) ein einstückig ausgebildeter Reibkörper (16) verwendet wird, wobei sowohl die konvexen Bereiche (8, 8') als auch der zurückgenommene Bereich (9) einstückig ausgebildet sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass als Rollierwerkzeug (3) ein Rollierrad (15) verwendet wird, das eine Verschleißschutzbeschichtung (17), insbesondere eine DLC- Schicht (18), aufweist, und/oder
- dass als Gleitwerkzeug (13) ein Reibkörper (16) verwendet wird, der eine Verschleißschutzbeschichtung (17), insbesondere eine DLC- Schicht (18), aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
- dass als Rollierwerkzeug (3) ein Rollierrad (15) verwendet wird, das an zumindest einer Seite zumindest eine Öltasche (19) aufweist, und/oder
- dass als Gleitwerkzeug (13) ein Reibkörper (16) verwendet wird, der an zumindest einer Seite zumindest eine Öltasche (19) aufweist.
12. Kolben (2) mit zumindest einer Ringnut (1 ) zur Aufnahme eines Kolbenrings, wobei die Ringnut (1) mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bearbeitet ist.
13. Werkzeug (12), insbesondere ein Rollierwerkzeug (3) oder ein Gleitreibwerkzeug (13), zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , das an seinem freien Ende (7) zwei seitliche konvexe Bereiche (8,8') und einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich (9) aufweist.
14. Werkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Rollierwerkzeug (3) oder das Gleitreibwerkzeug (13) ein knochenförmiges oder ein kamelhöckerförmiges freies Ende (7) aufweist, und/oder
- dass sich ein Querschnitt des Rollierwerkzeugs (3) oder des Gleitreibwerkzeugs (13)zum freien Ende (7) hin vergrößert. 15. Werkzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
- dass die konvexen Bereiche (8,8') des Rollierwerkzeugs (3) oder des Gleitreibwerkzeugs (13) einen Radius R von R = B/2 aufweisen, und/oder
- dass der zurückgenommene Bereich (9) des Rollierwerkzeugs (3) oder des Gleitreibwerkzeugs (13) einen Knick aufweist oder konkav ausgebildet ist.
16. Werkzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Rollierwerkzeug (3) ein einstückig ausgebildetes Rollierrad
(15) aufweist, wobei sowohl die konvexen Bereiche (8, 8') als auch der zurückgenommene Bereich (9) einstückig ausgebildet sind, und/oder
- dass das Gleitwerkzeug (13) einen einstückig ausgebildeten Reibkörper
(16) aufweist, wobei sowohl die konvexen Bereiche (8, 8') als auch der zurückgenommene Bereich (9) einstückig ausgebildet sind.
17. Werkzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Rollierwerkzeug (3) ein Rollierrad (15) aufweist, das eine Verschleißschutzbeschichtung (17), insbesondere eine DLC-Schicht (18), aufweist, und/oder
- dass das Gleitwerkzeug (13) einen Reibkörper (16) aufweist, der eine Verschleißschutzbeschichtung (17), insbesondere eine DLC-Schicht (18), aufweist.
18. Werkzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Rollierwerkzeug (3) ein Rollierrad (15) aufweist, das an zumindest einer Seite zumindest eine Öltasche (19) aufweist, und/oder
- dass das Gleitwerkzeug (13) einen Reibkörper (16) aufweist, der an zumindest einer Seite zumindest eine Öltasche (19) aufweist.
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