DE10055109A1 - Ventil für Hubkolbenmaschine und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil für eine Hubkolbenmaschine mit einem mittels eines Spritzverfahrens bearbeiteten Ventiltellers. Das Ventil weist einen Ventilschaft und einen brennraumseitig damit verbundenen Stützkörper auf; in den zwischen Ventilschaft und Stützkörper gebildeten Freiraum wird ein Füllwerkstoff eingespritzt. Nach dem Einspritzen des Füllwerkstoffs kann der Stützkörper entfernt werden, so daß der Ventilteller durch den aufgespritzten Werkstoff gebildet wird. Der aufgespritzte Ventilteller kann endkonturnah hergestellt werden, so daß nur eine geringe Nacharbeit des Ventiltellers vonnöten ist. Zur Herstellung des gespritzten Ventiltellers wird vorzugsweise das kinetische Kaltgasspritzen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil für eine Hubkolbenmaschine mit einem mittels eines Spritzverfahrens bearbeiteten Ventil­ tellers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispiels­ weise aus der US 5 173 339 als bekannt hervorgeht.

Die US 5 173 339 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Ventils mit Hilfe eines Spritzverfahrens: Auf ein um seine Ach­ se rotierendes zylindersymmetrisches Bauteil wird in einem de­ finierten Bereich ein Metall aufgespritzt, wodurch ein rota­ tionssymmetrischer Wulst auf dem Bauteil gebildet wird. Dann wird das bespritzte Bauteil in der Mitte des Wulstes in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse geteilt. Dabei entstehen zwei Ventile, deren Ventilschaft das zylindersymmetrische Bau­ teil darstellt und deren Ventilteller durch den aufgespritzten Werkstoff gebildet ist. Hierbei können die Werkstoffe für den Ventilschaft und für den gespritzten Ventilteller weitestgehend unabhängig voneinander gewählt werden, so daß durch geeignete Materialwahl gleichzeitig eine Optimierung des Ventilschafts in Bezug auf Gewichtsreduktion und eine Optimierung des Ventiltel­ lers in Bezug auf Festigkeit und Verschleißresistenz erfolgen kann.

In der Praxis stellt es sich allerdings als sehr schwierig her­ aus, mit Hilfe des in der US 5 173 339 beschriebenen Verfahrens reproduzierbar und kostengünstig Ventile mit einer vorgegebenen Form des Ventiltellers herzustellen: Werden die zur Bildung des Ventiltellers notwendigen dicken aufgespritzten Schichten mit herkömmlichen Spritzverfahren aufgebracht, so treten ungünstige Eigenspannungszustände auf, die zu einem Abplatzen der Schich­ ten führen können. Weiterhin ist nach dem Trennen des Doppel­ ventils in zwei einzelne Ventile eine Nach- und Feinbearbeitung der aufgespritzten Ventilteller notwendig, die aufgrund der Ma­ terialeigenschaften des hochfesten aufgespritzten Werkstoffs sehr aufwendig und kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein prozeßsi­ cheres und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Ven­ tils bereitzustellen, das unter Verwendung einer Spritztechnik aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprü­ che 1 und 6 gelöst.

Danach umfaßt das Ventil einen Ventilschaft sowie einen durch ein Spritzverfahren hergestellten Bereich, der durch Aufsprit­ zen eines Werkstoffs in einen Freiraum zwischen dem Ventil­ schaft und einem mit dem tellerseitigen Ende des Ventilschafts verbundenen Stützkörper erzeugt ist. Je nach Ausführungsbei­ spiel bildet dieser aufgespritzte Bereich entweder für sich al­ lein oder zusammen mit dem Stützkörper den Ventilteller des Ventils.

Der Freiraum, in den Werkstoff durch Spritzen aufgetragen wird, ist einerseits durch den Ventilschaft, andererseits durch den Stützkörper begrenzt. Die gespritzten Schichten, die in diesen zwischen Ventilschaft und Stützkörper liegenden Freiraum einge­ bracht werden, werden dabei sowohl durch den Ventilschaft als auch durch den Stützkörper gestützt; beim Auffüllen dieser zwi­ schen Ventilschaft und Stützkörper gebildeten Hohlkehle werden ungünstige Eigenspannungszustände, die bei Verwendung gängiger Spritzverfahren zu einem Abplatzen der aufgespritzten Schichten führen können, weitgehend vermieden. Somit entsteht ein gegen­ über dem Stand der Technik wesentlich stabilerer gespritzter Ventiltellerbereich.

Weiterhin kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine endkonturnahe Form des aufgespritzten Ventiltellers erreicht werden. Somit kann auf eine Nach- und Feinbearbeitung des hoch­ festen aufgespritzten Schichten weitestgehend verzichtet wer­ den, wodurch erhebliche Kosten- und Zeiteinsparungen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Ventile erreicht werden kön­ nen.

Der Stützkörper ist vorzugsweise als eine Scheibe ausgebildet, die "näherungsweise senkrecht" zum Ventilschaft ausgerichtet ist (siehe Anspruch 2); dies bedeutet, daß die Achse des Ven­ tilschafts näherungsweise parallel zur derjenigen Hauptachse der Scheibe zu liegen kommt, die das größte Trägheitsmoment aufweist: Ist die Scheibe beispielsweise durch eine ebene Plat­ te gebildet, so ist die Hauptachse mit dem größten Trägheitsmo­ ment senkrecht zur der Plattenoberfläche angeordnet; diese Platte wird demnach so auf dem tellerseitigen Ende des Ventil­ schafts befestigt, daß die Plattenoberfläche näherungsweise senkrecht zur Achse des Ventilschafts zu liegen kommt. Zwischen dem Ventilschaft und dem an ihm befestigten Stützkörper ist in dieser Zusammenbaulage ein rotationssymmetrischer Freiraum aus­ gebildet, in welchen mit Hilfe eines Spritzverfahrens ein ge­ eigneter Werkstoff eingespritzt wird (siehe Anspruch 6).

Um zu gewährleisten, daß der Werkstoff gleichförmig aufge­ spritzt wird und somit eine näherungsweise rotationssymmetri­ sche (kegelförmige, konkave oder konvexe) Ausfüllung des Frei­ raums zwischen Ventilschaft und Stützkörper erzeugt wird, ist es zweckmäßig, den Ventilschaft mit Stützkörper gegenüber der Spritzvorrichtung zu drehen. Ein gewünschtes Profil des Ventil­ tellers kann durch geeignetes Verschieben und/oder Schwenken der Spritzvorrichtung gegenüber dem rotierenden Ventilschaft mit Stützkörper aufgespritzt werden (siehe Anspruch 7).

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Stütz­ körper nach Aufspritzen des Werkstoffs entfernt (siehe Anspruch 8). Dann bildet der dem Stützkörper gegenüberliegende Bereich des aufgespritzten Werkstoffs, der nach Entfernen des Stützkör­ pers freiliegt, die flache Brennraumseite des Ventiltellers (siehe Anspruch 4). Der Stützkörper dient somit lediglich der Stützung der aufgespritzten Werkstoffmenge während des Aufbaus des Ventiltellers und kann nach Abschluß des Aufspritzvorgangs abgenommen und ggf. zur Herstellung eines weiteren Ventils wei­ terverwendet werden. Um ein leichtes Ablösen des Stützkörpers nach Fertigstellung des gespritzten Ventiltellers zu gewährlei­ sten, ist es vorteilhaft, den Stützkörper mit einer Antihaft­ schicht oder -folie zu versehen (siehe Anspruch 9).

Zur Herstellung eines robusten Ventils ist es wichtig, daß der aufgespritzte Ventilteller fest mit dem Ventilschaft verbunden ist. Um eine solche feste Verbindung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, die Oberfläche des Ventilschafts in dem zu be­ spritzenden Bereich so vorzubehandeln, daß eine größtmögliche Haftung des Spritzwerkstoffs auf dem Ventilschaft sicherge­ stellt ist. Hierzu empfiehlt es sich insbesondere, die Oberflä­ che des Ventilschafts aufzurauhen und/oder mit einer haftungs­ verbessernden Struktur bzw. Beschichtung zu versehen (siehe An­ spruch 10).

In einer alternativen Ausführung der Erfindung verbleibt der Stützkörper nach Aufspritzen des Werkstoffs auf dem Ventil­ schaft (siehe Anspruch 3). In diesem Fall bildet die dem Ven­ tilschaft abgewandte Seite des Stützkörpers die flache Brenn­ raumseite des Ventiltellers. Um eine gute Haftung des aufge­ spritzten Werkstoffs sowohl auf dem Ventilschaft als auch auf sicherzustellen, ist es vorteilhaft, sowohl die Oberfläche des Ventilschafts als auch die dem zu bespritzenden Bereich zuge­ wandte Seite des Stützkörpers so vorzubehandeln, daß eine größtmögliche Haftung des Spritzwerkstoffs auf dem Ventilschaft und dem Stützkörper sichergestellt ist. Wie oben angedeutet, empfiehlt es sich hierfür, die Oberfläche des Ventilschafts aufzurauhen und/oder mit einer haftungsverbessernden Struktur bzw. Beschichtung zu versehen (siehe Anspruch 10).

Als Spritzverfahren können unterschiedliche thermische Spritz­ verfahren wie z. B. atmosphärisches Plasmaspritzen, Lichtbogen­ drahtspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen zum Ein­ satz kommen. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch der Ein­ satz des kinetischen Kaltgasspritzens herausgestellt, da mit Hilfe dieses Verfahrens eine besonders hohe Formtreue der auf­ gespritzten Bereich des Ventiltellers erreicht werden können (siehe Anspruch 11).

Um eine Verkokung des Ventiltellers während des Betriebs mög­ lichst gering zu halten, empfiehlt es sich weiterhin, den Ven­ tilteller mit einer zusätzlichen Antihaftschicht zu versehen (siehe Ansprüche 5 und 12). Diese Schicht kann als letzter Schritt des Aufspritzprozesses aufgebracht werden, indem die Spritzvorrichtung genutzt wird, um in einem letzten Arbeitsgang - nach dem Auftragen des Werkstoffs in gewünschter Höhe und Geometrie - abschließend eine Schicht aus Antihaft-Material auf den aufgespritzten Bereich und/oder den Stützkörper aufzutragen (siehe Anspruch 13).

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1a-1d die Einzelschritte zur Herstellung eines erfin­ dungsgemäßen Ventils mit aufgespritztem Ventil­ teller;

Fig. 2a-2d die Einzelschritte zur Herstellung eines alter­ nativen erfindungsgemäßen Ventils mit aufge­ spritztem Ventilteller.

Fig. 1a bis 1d zeigen eine schematische Darstellung der Ver­ fahrensschritte bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Ventils 1 aus einem Ventilrohling 2 bestehend aus einem Ventil­ schaft 3 in Form eines hohlen Rohrs und einer mit dem brenn­ raumseitigen Ende 4 des Ventilschafts 3 verbundenen Stützkörper 5 in Form einer Scheibe 6 (siehe Fig. 1a). Der Ventilschaft 3 ist am brennraumseitigen Ende 4 mit einem Stopfen 7 verschlos­ sen, welcher in das Rohrende 4 eingepreßt und/oder mit diesem verschweißt ist; alternativ kann der Ventilschaft 3 durch Reibverschweißen eines Bolzens mit dem Rohrende 4, durch Umbör­ deln oder Stauchen und anschließendes Verschweißen des Rohren­ des 4 etc. verschlossen werden. Weiterhin kann der Stützkörper 5 als durchgängige Scheibe gestaltet sein, die mit dem brenn­ raumseitigen Ende 4 des Ventilschafts 3 verschweißt oder mit­ tels eines anderen Fügeverfahrens mit diesem verbunden ist und den Ventilschaft 3 verschließt.

In den zwischen Ventilschaft 3 und Stützkörper 5 gebildeten, näherungsweise rotationssymmetrische Freiraum 8 wird nun mit Hilfe einer Spritzvorrichtung 9 ein Füllwerkstoff 10 einge­ spritzt (siehe Fig. 1b). Um eine gleichförmige, rotationssym­ metrische Verteilung des aufgespritzten Füllwerkstoffs 10 zu erreichen, wird der aus Ventilschaft 3 und dem darauf befestig­ ten Stützkörper 5 gebildete Ventilrohling 2 dabei um die Ven­ tilachse 11 rotiert. Durch Variation des Spritzwinkels 12 und der Axiallage 13 der Spritzvorrichtung 9 gegenüber dem Ventil­ rohling 2 kann eine beliebige gewünschte rotationssymmetrische Kontur 14 des aufgespritzten Füllwerkstoffs 10 erreicht werden (siehe Fig. 1c). Zur Erhöhung der thermischen Resistenz des Ventiltellers 15, insbesondere zur Vermeidung der Verkokung des Ventiltellers während des Betriebs, kann weiterhin mit Hilfe der Spritzvorrichtung 9 eine Antihaftschicht 18 aufgespritzt werden.

Der Stützkörper 5 zusammen mit dem eingespritzten Werkstoff 10 bildet nun den Ventilteller 15. In einem letzten Schritt wird der Stützkörper 5 einer Ventilteller-Feinbearbeitung unterzo­ gen; hierbei wird der Stützkörper 5 insbesondere im Bereich ei­ nes Ventilsitzes 16 angedreht bzw. angeschliffen; weiterhin wird der Ventilschaft 3 geschlossen (siehe Fig. 1d).

Die Verwendung eines hohlen Rohrs als Ausgangsmaterial für den Ventilschaft 3 ist vorteilhaft, weil sie eine deutliche Ge­ wichtsreduktion gegenüber Ventilschäften aus Vollprofil ermög­ licht; das Rohr kann - falls erforderlich - mit Natrium 19 ge­ füllt werden, um eine verbesserte Kühlung des Ventils 1 im Be­ trieb zu erreichen. Weiterhin ist die Erfindung gleichermaßen auf Ventilschäfte 3 aus Vollmaterial anwendbar. Der Ventil­ schaft 3 besteht vorzugsweise aus einem gängigen Ventilwerk­ stoff (sie z. B. X33, X45, . . .). Der Stützkörper 5 bildet im fertigen Ventil 1 Teil des Ventiltellers 15 und besteht daher aus einem Werkstoff, der an die hohen Anforderungen hinsicht­ lich Verschleiß des Ventilsitzes 16 sowie den hohen thermome­ chanischen Beanspruchungen in diesem Bereich angepaßt ist. Die dem Ventilschaft 3 abgewandte Seite 20 des Stützkörpers 5 bil­ det die flache Brennraumseite 21 des Ventiltellers 15. Der Stützkörper 15 kann als Stanzteil oder als Preßteil kostengün­ stig aus Halbzeugen herstellt werden.

Um eine sichere Haftung des aufgespritzten Füllwerkstoffs 10 sowohl mit dem Ventilschaft 3 als auch mit dem Stützkörper 5 zu gewährleisten, werden die Oberflächen von Ventilschaft 3 und/oder Stützkörper 5 vor dem Aufspritzen des Werkstoffs 10 in den zu füllenden Bereichen 22, 23 angerauht bzw. vorbearbeitet, indem sie z. B. durch Korundstrahlen oder mittels Laserstrahl aktiviert werden. Alternativ können die betreffenden Oberflä­ chenbereiche 22, 23 - wie in Fig. 1a bis 1d gestrichelt an­ gedeutet - mit einer Haftschicht 24 versehen werden. Weiterhin können auf der dem Füllwerkstoff 10 zugewandten Oberseite 23 des Stützkörpers 5 und in dem vom Füllwerkstoff 10 zu überdec­ kenden, mechanisch nur wenig belasteten Bereich 22 des Ventil­ schafts 3 Rändelungen, Einkerbungen etc. vorgesehen werden.

Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist in Fig. 2a bis 2d dargestellt. Der hohle Ventil­ schaft 3' ist mit einem Verschlußstopfen 7' versehen, an dessen Ende 25 ein Stützkörper 5' befestigt ist. Im Beispiel der Fig. 2a ist der Verschlußstopfen 7' hierzu mit einem Zapfen 26 ver­ sehen, auf den der Stützkörper 5' aufgesteckt ist. Durch den Zapfen 26 wird der Stützkörper 5' auf einem definierten Abstand zum Ende 4' des Ventilschafts 3' gehalten.

In den zwischen Ventilschaft 3' und Stützkörper 5' gebildeten, näherungsweise rotationssymmetrische Freiraum 8' wird nun - wie oben beschrieben - mit Hilfe einer Spritzvorrichtung 9 ein Füllwerkstoff 10 eingespritzt (siehe Fig. 2b), wobei der Ven­ tilschaft 3' und der darauf befestigten Stützkörper 5' um die Ventilachse 11' rotiert werden. Dabei wird der Spritzwinkel 12 und/oder die Lage 13 der Spritzvorrichtung 9 gegenüber der Ven­ tilachse 3' so variiert, daß die gewünschte rotationssymmetri­ sche Kontur 14' des aufgespritzten Füllwerkstoffs 10 auf dem Ventilschaft 3' erreicht wird (siehe Fig. 2c). Nach Beendigung des Spritzvorgangs wird der Stützkörper 5' vom Ventilschaft 3' abgetrennt. Der überstehende Zapfen 26 wird dann abgetrennt oder abgeschliffen (siehe Fig. 2d).

Der aufgespritzte Werkstoff 10 bildet somit im Ausführungsbei­ spiel der Fig. 2d den Ventilteller 15' des Ventils 1'; eine Nacharbeit der durch Spritzen erzeugten Kontur 14' dieses Ven­ tiltellers 15' ist nicht erforderlich. Die Form der Brennraum­ seite 21' des Ventiltellers 15' ist in dieser Ausführungsform durch die Form der brennraumabgewandten Seite 27 des Stützkör­ pers 5' vorgegeben; sie kann in der jeweils gewünschten Form ausgeführt werden. Um ein leichtes Lösen des Stützkörpers 5' nach Fertigstellung des Ventils 1' zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, die brennraumabgewandte Seite 27 des Stützkörpers 5' mit einer Antihaftbeschichtung bzw. -folie zu versehen. Zur Verbesserung des Anhaftens des aufgespritzten Werkstoffs 10 am Ventilschaft 3' wird dieser in dem zu füllenden Bereichen ange­ rauht bzw. aktiviert oder mit einer Haftschicht 24' versehen. Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren kann der aufge­ spritzte Ventilteller 15' im gleichen Arbeitsgang als letzter Spritzüberzug mit einer Antihaftschicht 18' versehen werden.

Zum Aufspritzen des Füllwerkstoffs 10 können unterschiedliche thermische Spritzverfahren zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird das kinetische Kaltgasspritzen verwendet, das eine gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Kontur des aufgespritz­ ten Füllbereiches ermöglicht.

Claims (13)

1. Ventil für eine Hubkolbenmaschine mit einem Ventilschaft und einem mittels eines Spritzverfahrens bearbeiteten Ventiltel­ lers, der zumindest abschnittsweise aus einem aufgespritzten Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff (10) in einen Freiraum (8, 8')zwischen dem Ventilschaft (3, 3') und einem mit dem brennraumseitigen Ende (4, 4') des Ventilschafts (3, 3') verbundenen Stützkörper (5, 5') eingespritzt ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (5, 5') durch eine flache Scheibe (6) ge­ bildet ist, die näherungsweise senkrecht zur Achse (11, 11') des Ventilschafts (3, 3') ausgerichtet ist.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flache Brennraumseite (21) des Ventiltellers (15) durch die dem Ventilschaft (3) abgewandte Seite (20) des Stützkörpers (5) gebildet ist.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flache Brennraumseite (21') des Ventiltellers (15') durch einen dem Stützkörper (5') gegenüberliegenden, nach Entfernen des Stützkörpers (5') freiliegenden Bereich des aufgespritzten Werkstoff (10) gebildet ist.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (5, 5') abschnittsweise mit einer Anti­ haftschicht (18, 18') versehen ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Ventils mit einem Ventil­ schaft und einem Ventilteller,
unter Verwendung eines Spritzverfahrens, mit Hilfe dessen ein Werkstoff wulstförmig auf einen Bereich eines Ventil­ schafts aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß an dem brennraumseitigen Ende (4, 4') des Ventilschafts (3, 3') ein Stützkörper (5, 5') befestigt wird,
und daß in einen Freiraum (8, 8') zwischen Ventilschaft (3, 3') und Stützkörper (5, 5') der Werkstoff (10) einge­ spritzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen des Werkstoffs (10) der mit dem Stützkör­ per (5, 5') versehene Ventilschaft (3, 3') in Rotation um die Schaftachse (11, 11') versetzt wird und der Werkstoff (10) mittels einer raumfesten und/oder kippbaren und/oder ver­ schiebbaren Spritzvorrichtung (9) aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (5') nach Aufspritzen des Werkstoffs (10) entfernt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (5') auf der brennraumabgewandten Seite (27) mit einer Antihaftschicht oder -folie versehen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Ventilschafts (3, 3') im brennraumna­ hen Bereich (22) aufgerauht und/oder mit haftungsverbessern­ den Strukturen versehen und/oder mit einer haftungserhöhen­ den Beschichtung (24) versehen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Spritzverfahren das kinetische Kaltqasspritzen ein­ gesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (15, 15') abschnittsweise mit einer An­ tihaftschicht (18, 18') versehen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antihaftschicht (18, 18') mit Hilfe eines Spritzver­ fahrens aufgebracht wird.