DE102010051871A1

DE102010051871A1 - Verfahren zur Herstellung von Ventilen für den Gasaustausch und nach einem derartigen Verfahren hergestellte Ventile

Info

Publication number: DE102010051871A1
Application number: DE102010051871A
Authority: DE
Inventors: Dr. Stanglmaier Rudolf; Blake Holloway; Kai Ullenbaum
Original assignee: Maerkisches Werk GmbH
Current assignee: Maerkisches Werk GmbH
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Ventilen für den Gasaustausch, insbesondere für Verbrennungsmotoren, sind ein Ventilkopf (3) und Ventilschaft (2) jeweils als Hohlteil ausgebildet. Dabei sind die Hohlräume der ein Ventil bildenden Hohlteile miteinander verbunden und werden wenigstens teilweise durch elektrochemische Metallabtragung in einem elektrolytischem Medium hergestellt, wobei zuerst der Ventilschaft (2) der Länge nach durchbohrt wird und wonach der Hohlraum im Ventilkopf (3) als Erweiterungsbohrung quer zur Längsachse des Ventilschafts (2) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Herstellung von Ventilen für den Gasaustausch, deren Ventilkopf und Ventilschaft jeweils als Hohlteil ausgebildet sind, insbesondere für Verbrennungsmotoren, sowie nach einem derartigen Verfahren hergestellte Ventile.
Ventile der genannten Art, welche aus Gewichtsgründen als Hohlteile ausgebildet sind, sogenannte Hohl- oder Leichtbauventile, sind bekannt und beispielsweise in DE 198 04 053 beschrieben.
Zur Herstellung von Gaswechselventilen mit hohlem Schaft und Ventilkopf wird der Schaft üblicherweise mechanisch gebohrt wonach das Schaftende mit einem Stopfen verschlossen wird. Der Hohlraum des Ventilkopfs wird mit einem Ventilboden verschlossen. Ventilboden und Stopfen werden üblicherweise durch Schweißen mit dem hohlen Ventilkörper verbunden. Durch die beim Schweißen erzeugte Wärme kommt es zur Veränderung der Struktur des Ventilmaterials, welches geschwächt wird, was zu einer Verringerung der Standzeit des Ventils führt. Außerdem entstehen beim Bohren des Ventilschafts innenliegende Kanten, an denen unter Wärmeeinwirkung nachteilige Spannungsspitzen auftreten können. Bei Ventilwerkstoffen welche mit Titan oder Aluminium legiert sind ergeben sich überdies erhebliche Probleme bei der Herstellung qualitativ einwandfreier Schweißnähte bzw. der technische Aufwand mit derartigen Schweißverbindungen ist besonders groß.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung von Hohlventilen zu vereinfachen, deren Qualität zu verbessern, insbesondere ein Herstellungsverfahren zu schaffen, welches für alle in Frage kommenden Ventilwerkstoffe uneingeschränkt geeignet ist. Die damit hergestellten Ventile sollen bekannten Ventilen hinsichtlich Ihrer Festigkeit und Ihres geringeren Gewichts überlegen sein.
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung der elektrochemischen Abtragung von Metallen auch als sogenanntes ECM-Verfahren (Electro Chemical Machining) bekannt. Dabei wird wie beispielsweise in US 3793169 beschrieben, mittels einer hohlen Katode ein Loch in ein Werkstück gebohrt, welches die Anode bildet, wobei die Katode von einer Elektrolytflüssigkeit durchströmt wird, während sie zunehmend in das Werkstück eindringt und dabei die Bohrung erzeugt. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, mittels einer variablen Spannung aus einer Gleichstromquelle die Kontur des Bohrlochs bzw. den Durchmesser der Bohrung abhängig von der Eindringtiefe der Elektrode in das Werkstück zu variieren. Das von der Werkstückoberfläche berührungslos auf elektromechanische Weise abgetragene Metall bildet mit der Elektrolytflüssigkeit metallische Hydroxide, welche durch den Ringspalt des Bohrlochs entgegen dem Vorschub der Katode nach außen gepumpt werden.
Auf diese Weise ermöglicht es das bekannte ECM-Verfahren, durch Anwendung extrem hoher Stromdichten eine anodische Metallauflösung zu erzielen, ohne dass es zu einem mechanischen Kontakt zwischen dem kathodischen Werkzeug und dem anodischen Werkstück kommt. Dabei bleiben die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks, wie z. B. dessen Härte, unverändert erhalten; gleiches gilt für dessen physikalischen/chemischen Eigenschaften wie Struktur, Schmelzpunkt, Wärmeleitfähigkeit oder elektrische Leitfähigkeit des Werkstücks, welche bei der Anwendung des ECM-Verfahrens für den Prozessablauf eine Rolle spielen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass das an sich bekannte ECM-Verfahren große Vorteile hat bei der Einsenkung von Hohlräumen zur Herstellung von Gaswechselventilen der eingangs genannten Art, wobei der Metallabtrag nach dem ECM-Verfahren im Inneren eines aus Ventilschaft und Ventilkopf bestehenden Ventilkörpers durch Einsenken einer entsprechenden Werkzeugelektrode in diesen erfolgt. Der Ventilschaft eines massiven Ventilkörpers kann dabei bereits auf mechanische Weise vorgebohrt sein; er kann aber auch in einem ECM Arbeitsgang erzeugt werden, indem zuerst die Bohrung im Ventilschaft und anschließend der Hohlraum im Ventilkopf abgetragen werden.
Auf diese Weise gelingt es, die Hohlräume der ein Ventil bildenden Hohlteile miteinander zu verbinden und wenigstens teilweise durch elektrolytische Metallabtragung in einem elektrolytischen Medium herzustellen, wobei der Hohlraum im Ventilkopf als Erweiterungsbohrung quer zur Längsachse des Ventilschafts erzeugt wird.
Bevorzugt besteht dabei das anodische Ausgangssubstrat aus einem einteiligen Ventilkörper, in welchen ein zusammenhängender Hohlraum mittels ECM durch gesteuerte Variation von Elektrodenvorschub, Strom, Spannung, und oder Elektrolytfluss erzeugt wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, die Hohlräume im Ventilschaft und im Ventilkopf in einem Arbeitsgang mittels Senk-ECM herzustellen, das heißt durch Einsenken der Katode ausgehend vom freien Ende des Ventilschafts und zunehmend nach unten einschließlich der Erzeugung des Hohlraums im Inneren des Ventilkopfs.
Alternativ dazu kann die Schaftbohrung bereits vorhanden sein z. B. durch vorheriges Einbringen einer mechanischen Tieflochbohrung vom Schaftende her, wobei die Tieflochbohrung im Inneren des Ventilkopfs als Sacklochbohrung endet. Der Ventilkopf wird dabei nicht durchbohrt sondern bleibt geschlossen während in seinem Inneren ein entsprechender Hohlraum im ECM-Verfahren hergestellt wird.
Bei Anwendung des ECM-Verfahrens entsteht nur wenig Hitze, da die Elektrolytspülung als Kühlmittel wirkt, sodass das Material des Ventilkörpers keine chemischen oder physikalischen Veränderungen erleidet. Auf herkömmliche Weise schwer bearbeitbare Werkstoffe, wie mit Ti/Al-legierte Ventilwerkstoffe können problemlos eingesetzt werden.
Durch gezielte Steuerung des Vorschubs der Elektrode, des Stromes, der Stromdichte, der Flussrate des Elektrolytes od. dgl. kann die Geometrie der Hohlräume beeinflusst werden. Außerdem können im Inneren des Hohlraums Isolierschichten, zum Erzeugen nicht rotationssymmetrischer Hohlformen eingesetzt werden. Komplexe Geometrien können auch dadurch erzeugt werden, dass unterschiedlich gestaltete Elektroden nacheinander eingesetzt werden.
Nach dem Erzeugen der Hohlräume kann das Ventil mit einem Mittel zur Kühlungsoptimierung, beispielsweise mit Natrium gefüllt werden, bevor das freie Ende des Ventilschafts mit einem Stopfen verschlossen wird.
Schließlich besteht die Möglichkeit, die Schaftbohrung aus Gewichtsgründen mit großem Querschnitt herzustellen, vorzugsweise indem mehrere sich überschneidende Bohrungen erzeugt werden, welche im Ventilkopf zu einem gemeinsamen Hohlraum erweitert werden.
Nach einer weiteren Variante ist vorteilhaft vorgesehen, dass im Ventilschaft zwei oder mehrere gentrennte parallele Bohrungen erzeugt werden, welche in einen erweiterten Hohlraum des Ventilkopfs münden. Durch getrennte Bohrungen besteht die Möglichkeit, diese für die Zirkulation der Elektrolytflüssigkeit bei der Herstellung des Hohlraums im Ventilkopf zu nutzen oder sie dienen im fertigen Ventil für die Kühlmittellzirkulation eines in den Ventilhohlraum eingefüllten Kühlmittels.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Ventil kann in einer besonders einfachen Ausführungsform einen Hohlraum im Inneren des Ventilkopfs aufweisen, der etwa kugelig geformt ist. In diesem kugeligen Hohlraum hinein können ein oder mehrere Bohrungen des Ventilschafts münden, sodass sie durch den Hohlraum miteinander verbunden sind.
Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hohlraum des Ventilkopfs etwa entsprechend der Außenform des Ventilkopfs bei annähernd gleicher verbleibender Wandstärke des Ventilkopfes geformt ist. In diesem Fall wirkt sich der Hohlraum besonders vorteilhaft zur Gewichtseinsparung aus d. h. mit derartigen Hohlventilen gelingt es, die bewegten Massen im Motor deutlich zu reduzieren.
Schließlich besteht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Ventils darin, dass der Hohlraum des Ventilkopfs im Querschnitt nur geringfügig größer ist als der Gesamtquerschnitt mehrerer Schaftbohrungen oder der die Schaftbohrungen umfassenden Querschnittsfläche. Hierbei ergibt sich ein Ventil mit besonders günstiger Wärmeableitung aus dem Ventilkopf.
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlventilen anhand der Zeichnung beschrieben. Die Figuren der Zeichnung zeigen jeweils in einem schematischen Längsschnitt durch ein Hohlventil mit Ventilstopfen 1, Ventilschaft 2 und Ventilkopf 3 in folgenden Varianten:
1 zeigt ein rotationssymmetrisches Hohlprofil mit nahezu kugeligem Hohlraum 5 im Inneren des Ventilkopfs 3.
2 zeigt ebenfalls ein rotationssymmetrisches Hohlventil mit einem Hohlraum 6 im Inneren des Ventilkopfs 3, wobei die Hohlraumgestaltung verhältnismäßig eng der Außenkontur des Ventilkopfs angepasst ist. Wie bei 1 kann das Hohlventil nach dem Senk-ECM-Verfahren sowohl im Bereich des Ventilschafts als auch im Bereich des Ventilkopfs 2 hergestellt werden.
3 zeigt ein weiteres rotationssymmetrisches Hohlprofil ähnlich 2, jedoch mit strömungstechnisch optimierter Außenkontur des Ventilkopfs 3 und entsprechend angepasster konischer Form des Hohlraums 7 im Inneren des Ventilkopfs 3.
4, 4a zeigen im Längsschnitt und im Querschnitt durch den Schaft 2 ein Hohlventil mit insgesamt vier verhältnismäßig feinen Bohrungen 8 im Bereich des Ventilschafts 2, welche gemeinsam in einen Hohlraum 9 des Ventilkopfs 3 münden, wobei der Hohlraum 9 nur geringfügig größer ist als die die Bohrungen einhüllende Querschnittsfläche.
5, 5a zeigen im Längsschnitt und im Querschnitt durch den Schaft 2 ein Hohlventil ähnlich 1 jedoch mit zwei Bohrungen 10 im Bereich des Ventilschafts 2. Der Ventilkopf 3 ist mit einem kugeligen Hohlraum 11 entsprechend 1 ausgebildet.
6, 6a zeigen im Längsschnitt und im Querschnitt durch den Schaft 2 ein Hohlprofil mit einem Ventilkopf ähnlich 4 jedoch mit nur zwei verhältnismäßig großdimensionierten Bohrungen 12 mit Halbkreiskontur im Ventilschaft 2 gesenkt werden. Der Ventilkopf 3 besitzt eine strömungstechnisch optimierte Außenform; der Hohlraum 13 im Inneren des Ventilkopfs 3 ist im Querschnitt nur geringfügig größer als der Gesamtquerschnitt der beiden Bohrungen 12 ausgebildet.
Die mehreren Schaftbohrungen bei den in 4 bis 6 dargestellten Hohlventilen können entweder genutzt werden zur besseren Elektrolytspülung bei der Auskesselung der jeweiligen Hohlräume 9, 11, 13 und/oder für die Kühlmittelzirkulation im fertigen Ventil, vorausgesetzt in die Hohlräume ist ein Kühlmittel eingefüllt worden und im Inneren des Ventilstopfens 1 oder im oberen Endabschnitt des Ventilschafts 2 ist ein (nicht gezeigter) Verbindungskanal für den Kühlmittelkreislauf vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19804053 [0002]
US 3793169 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Ventilen für den Gasaustausch, deren Ventilkopf (3) und Ventilschaft (2) jeweils als Hohlteil ausgebildet sind, insbesondere für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume der ein Ventil bildenden Hohlteile miteinander verbunden und wenigstens teilweise durch elektrochemische Metallabtragung in einem elektrolytischem Medium hergestellt werden und dass zuerst der Ventilschaft (2) der Länge nach durchbohrt wird, wonach der Hohlraum im Ventilkopf (3) als Erweiterungsbohrung quer zur Längsachse des Ventilschafts (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einteiligen Ventilkörper ein zusammenhängender Hohlraum nach dem ECM(Electro Chemical Machining)-Verfahren durch gesteuerte Variation von Vorschub, Strom, Spannung und/oder Elektrolytfluss hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume im Ventilschaft (2) und im Ventilkopf (3) in einem Arbeitsgang nach dem Senk-ECM-Verfahren hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilschaft (2) eine Schaftbohrung (4) oder mehrere parallele Schaftbohrungen (8, 10, 12) erzeugt werden, welche im Ventilkopf (3) zu in einem gemeinsamen Hohlraum (5, 6, 7, 9, 11, 13) erweitert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilschaft (2) mehrere sich überschneidende Bohrungen erzeugt werden, welche im Ventilkopf (3) zu einem Hohlraum erweitert werden.
Ventil hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (5, 11) des Ventilkopfs (3) etwa kugelig geformt ist.
Ventil hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (6, 7) des Ventilkopfs (3) etwa entsprechend der Außenform des Ventilkopfs (3) bei annähernd gleicher verbleibender Wandstärke des Ventilkopfs (3) geformt ist.
Ventil hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (9, 13) des Ventilkopfs (3) im Querschnitt nur geringfügig größer ist als der Gesamtquerschnitt mehrerer Schaftbohrungen (12) oder der die Schaftbohrungen (8) umfassenden Querschnittsfläche.