DE10029322A1

DE10029322A1 - Verfahren zur Finishbearbeitung eines Ventilsitzes für Kugelventile, insbes. für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10029322A1
Application number: DE10029322A
Authority: DE
Original assignee: Ernst Thielenhaus GmbH and Co KG
Current assignee: Ernst Thielenhaus GmbH and Co KG
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2002-01-17
Also published as: DE50100742D1; EP1166962A1; US6564456B2; EP1166962B1; US20020040523A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Finishbearbeitung eines Ventilsitzes für Kugelventile, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen. Das zu bearbeitende Werkstück und ein Finishwerkzeug werden rotierend angetrieben, wobei die Rotationsachsen des Werkstückes und des Finishwerkzeuges unter einem Winkel von 1 bis 10 DEG zueinander ausgerichtet sind und wobei das Finishwerkzeug am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes anliegt. Erfindungsgemäß wird die zu bearbeitende Werkstückfläche ballig ausgebildet. Als Finishwerkzeug wird ein Finishstein mit einer verschleißfesten, vorzugsweise kegelförmigen Bearbeitungsfläche verwendet, wobei in der balligen Werkstückfläche durch partiellen Materialabtrag eine schmale Dichtzone mit einem im Längsabschnitt konvexen Profil entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Finishbearbeitung eines Ventilsitzes für Kugelventile, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bei dem das zu bearbeitende Werkstück und ein Finishwerkzeug vorzugsweise gegensinnig rotierend angetrieben werden, wobei die Rotationsachsen des Werkstückes und des Finishwerkzeuges unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und wobei das Finishwerkzeug am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes anliegt.

Ein Verfahren mit dem beschriebenen Merkmal ist aus EP 0 955 128 A2 bekannt. Das Finishwerkzeug besteht aus einem zylindrischen Finishstein. Mit dem bekannten Verfahren wird in einem konischen Ventilsitz eine ringförmig umlaufende, im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche eingearbeitet. Durch die Finishbearbeitung können im Querschnitt gemessene Formabweichungen beseitigt werden. Dichtungsanordnungen, deren Ventilsitz nach dem bekannten Verfahren bearbeitet worden ist, zeichnen sich durch einen sehr guten Dichtsitz zwischen Ventilkugel und Sitzfläche aus. Allerdings ändert sich mit der Ausbildung der kalottenförmigen Sitzfläche im konischen Ventilsitz die Durchflusscharakteristik des Ventils, wenn man den Öffnungsvorgang im Bereich sehr kleiner Stellwege der Ventilkugel analysiert. Der Spalt zwischen der kalottenförmigen Sitzfläche und der Ventilkugel weist einen höheren Druckverlust auf als der Spalt zwischen einer konischen Fläche und der Ventilkugel, wenn man denselben dem Betrag nach kleinen Stellweg der Ventilkugel zugrundelegt. Beim Abheben der Ventilkugel vom Ventilsitz ergibt sich folglich eine nichtlineare Charakteristik, die bei sehr kleinen Ventilen, wie sie z. B. als Brennstoffeinspritzventile zur Anwendung kommen, stört. Nachteilig ist ferner, dass beim Öffnen des Kugelventils verhältnismäßig große Haftkräfte zwischen Ventilkugel und der kalottenförmig ausgebildeten Sitzfläche überwunden werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Finishbear beitung des Ventilsitzes für Kugelventile so weiter zu entwickeln, dass der bearbeitete Ventilsitz günstigere Eigenschaften aufweist. Eine aus einer Ventilkugel und dem bearbeiteten Ventilsitz bestehende Dichtungsanordnung soll bei geringer Kraft öffnen, und beim Abheben der Kugel vom Ventilsitz soll sofort ein großer, druckverlustarmer Ringspalt freigegeben werden. Darüber hinaus muss ein möglichst dichter Sitz der Ventilkugel auf dem Ventilsitz gewährleistet sein.

Ausgehend von einem Verfahren mit den eingangs beschrie benen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zu bearbeitende Werkstückfläche ballig ausgebildet wird und dass als Finishwerkzeug ein Finishstein mit einer verschleißfesten Bearbeitungsfläche verwendet wird, wobei in der balligen Werkstückfläche durch partiellen Materialabtrag eine schmale Dichtzone mit einem im Längsschnitt konvexen Profil entsteht. Vorzugsweise wird ein Finishwerkzeug mit einer kegelförmigen Bearbeitungs fläche verwendet. Die ballige Ausbildung der zu bearbeitenden Werkstückfläche ermöglicht es, dass die Rotationsachse des kegelförmigen Finishsteines winkelförmig zur Rotationsachse des Werkstückes ausgerichtet werden kann und gleichzeitig die kegelförmige Fläche des Finishsteines am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes anliegt. Durch die erfindungsgemäße Finishbearbeitung wird in die ballige Werkstückfläche eine Dichtzone eingearbeitet, deren Breite verhältnismäßig schmal und auf den unmittelbaren Kontaktbereich zwischen Ventilkugel und Ventilsitz beschränkt ist. Üblich ist eine Breite der Dichtzone von einigen Zehntel Millimetern. Im Bereich der Dichtzone sind ursprünglich vorhandene Formabweichungen an der Werkstückfläche von der Kreisform praktisch vollständig eliminiert. Im Querschnitt gemessene Formabweichungen von der Kreisform können auf weniger als 0,1 µm reduziert werden. Im Ergebnis resultiert ein Dichtsitz zwischen Ventilkugel und Dichtzone, der sich durch eine sehr geringe Leckrate auszeichnet. Durch die ballige, konvexe Ausgestaltung der Dichtzone wird ein strömungsverlustarmer Ringspalt freigegeben, wenn die Ventilkugel von dem Ventilsitz abhebt.

Der zu bearbeitende Ventilsitz kann eine ballige Dichtabschnittsfläche aufweisen oder über seine gesamte, in Strömungsrichtung gemessene Länge, ballig ausgebildet sein. Bei der zuerst beschriebenen Ausführung bildet die zu bearbeitende ballige Werkstückfläche einen nach innen vorstehenden Abschnitt innerhalb eines konischen Ventil sitzes. Bei der anderen Ausführung begrenzt die ballige Werkstückfläche als Ventilsitz einen sich verjüngenden Aufnahmeraum für eine Ventilkugel und verbindet zwei zylindrische, unterschiedliche Durchmesser aufweisende Abschnitte des Werkstückes.

Der Finishstein oder das Werkstück wird zweckmäßig in einen Halter eingesetzt, der Fluchtungsfehler zwischen dem Werk stück und dem Finishstein ausgleicht. Vorzugsweise wird als Halter ein Schaft aus Hartgummi verwendet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in die bereits bearbeitete, konvex gekrümmte Dichtzone eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche eingearbeitet. Dadurch kann der Dichtsitz für eine Ventilkugel noch verbessert werden. Im Vergleich zu dem aus EP 0 955 128 A2. bekannten Stand der Technik ist die kalottenförmige Vertiefung der Sitzfläche jedoch wesentlich geringer, da durch die kalottenförmige Vertiefung keine Formabweichungen ausgeglichen werden müssen. Insofern kann ein verbesserter Dichtsitz erreicht werden, ohne dass die Durchflusscharakteristik des Ventils hierdurch nachteilig beeinflusst wird. Bei der Finishbearbeitung des Dichtsitzes werden das Werkstück und ein zylindrischer Finishstein gegensinnig rotierend angetrieben, wobei die Rotationsachsen des Werkstückes und des Finishsteines unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und der Finishstein am gesamten Umfang der Dichtzone anliegt. Die stirnseitige Kontaktfläche des zylindrischen Finishsteines ist zweckmäßig kalottenförmig gerundet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung für ein Kugelventil, das z. B. als Brennstoff einspritzventil in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann,

Fig. 2 eine Werkzeuganordnung zur Bearbeitung des Ventilsitzes der in Fig. 1 dargestellten Dichtungs anordnung,

Fig. 3a bis 3c den Ablauf eines erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Finishbearbeitung des Ventilsitzes,

Fig. 4a bis 4c eine weitere Ausführung des erfindungsge mäßen Verfahrens.

Die in Fig. 1 dargestellte Dichtungsanordnung besteht aus einer Ventilkugel 1 und einem Ventilkörper 2, der einen Ventilsitz 3 für die einige Millimeter große Ventilkugel 1 aufweist. Der Ventilsitz 3 ist ballig ausgebildet. In die ballig ausgebildete Werkstückfläche ist durch eine im folgenden erläuterte Finishbearbeitung eine schmale Dichtzone a mit einem im Längsschnitt konvexen Profil eingearbeitet. Die Breite der Dichtzone a beträgt einige Zehntel Millimeter. Die Dichtzone a enthält eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche b, die einen Dichtsitz für die Ventilkugel 1 bildet.

In Fig. 2 ist die Werkzeuganordnung zur Finishbearbeitung des Ventilsitzes dargestellt. Das Werkstück 2 wird in einen rotierend antreibbaren. Werkstückhalter 4, dessen Spann zangen nur schematisch angedeutet sind, eingespannt. Das Werkstück 2 und ein Finishwerkzeug 5, 6 werden gegensinnig rotierend angetrieben. Dabei sind die Rotationsachsen Z, Z' des Werkstückes 2 und des Finishwerkzeuges 5, 6 unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet. Das Finishwerkzeug 5, 6 liegt während der Finishbearbeitung am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes 2 an und ist in einen Halter 7 eingesetzt, der Fluchtungsfehler zwischen dem Werkstück 2 und dem Finishstein 5, 6 ausgleicht. Der Halter 7 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Schaft aus Hartgummi. Es versteht sich, dass die Werkzeuganordnung eine rotierend angetriebene Spindel 8 mit üblichen Einrichtungen für Zu- und Rückstellbewegungen aufweist.

Der Verfahrensablauf der erfindungsgemäßen Finishbearbei tung wird aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 3a bis 3c deutlich. Das zu bearbeitende Werkstück 2 weist als Ventilsitz 3 eine Werkstückfläche auf, die ballig ausgebildet ist (Fig. 3a). Die in Fig. 3a dargestellte ballige Werkstückfläche 3 besitzt - in einer Querschnittsebene betrachtet - noch störende Formabweichungen von der Kreisform. Die Formabweichungen können mehrere Mikrometer betragen. Als Finishwerkzeug 5 wird ein Finishstein mit einer harten, verschleißfesten, kegelförmigen Bearbeitungsfläche 9 verwendet. In der balligen Werkstückfläche entsteht durch partiellen Materialabtrag eine schmale Dichtzone a mit einem im Längsschnitt konvexen Profil (Fig. 3b). Durch die in Fig. 3b dargestellte Finishbearbeitung werden die zuvor beschriebenen Formabweichungen beseitigt.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird in die bereits bearbeitete, konvex gekrümmte Dichtzone a eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche b eingearbeitet, die einen verbesserten Dichtsitz für die Ventilkugel 1 bildet. Bei der Finishbearbeitung des Dicht sitzes b werden das Werkstück 2 und ein zylindrischer Finishstein 6 gegensinnig angetrieben, wobei die Rotationsachsen Z, Z' des Werkstückes 2 und des Finishsteins 6 unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und der Finishstein 6 am gesamten Umfang der Dichtzone a anliegt. Der entstehende, im Längsschnitt kreisbogenförmige Dichtsitz b weist einen Radius auf, der wesentlich größer ist als der Radius der Ventilkugel 1.

Bei der in Fig. 4a bis 4c dargestellten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Ventilsitz 3, also die zu bearbeitende Werkstückfläche, als Konus ausgebildet und weist lediglich einen ballige Dichtabschnittsfläche 10 auf, die nach innen vorsteht. Die ballige Fläche der Dichtabschnittsfläche 10 wird in der zuvor anhand der Fig. 3b und 3c beschriebenen Weise bearbeitet. Die Verfahrensschritte sind in den Fig. 4b und 4c dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Finishbearbeitung eines Ventilsitzes für Kugelventile, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bei dem das zu bearbeitende Werk stück und ein Finishwerkzeug rotierend angetrieben werden, wobei die Rotationsachsen des Werkstückes und des Finishwerkszeuges unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und wobei das Finishwerkzeug am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende Werkstückfläche ballig ausgebildet wird und dass als Finishwerkzeug ein Finishstein mit einer verschleißfesten Bearbeitungsfläche verwendet wird, wobei in der balligen Werkstückfläche durch partiellen Materialabtrag eine schmale Dichtzone mit einem im Längsschnitt konvexen Profil entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Finishstein mit einer kegelförmigen Bearbeitungsfläche verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Finishstein oder das Werkstück in einen Halter eingesetzt wird, der Fluchtungsfehler zwischen dem Werkstück und dem Finishstein ausgleicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Halter ein Schaft aus Hartgummi verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die bearbeitete konvex gekrümmte Dichtzone eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche eingearbeitet wird, die einen verbesserten Dichtsitz für eine Ventilkugel bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Finishbearbeitung des Dichtsitzes das Werkstück und ein zylindrischer Finishstein gegensinnig rotierend angetrieben werden, wobei die Rotationsachsen des Werk stückes und des Finishsteins unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und der Finishstein am gesamten Umfang der Dichtzone anliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Kontaktfläche des zylindrischen Finish steins kalottenförmig gerundet ist.