DE102010051871A1

DE102010051871A1 - Method for manufacturing valves for gas exchange, involves forming valve head and valve stem as hollow section, particularly for internal combustion engines

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

The method involves forming a valve head (3) and a valve stem (2) as a hollow section, particularly for internal combustion engines. The cavities (5) of the hollow sections forming a valve are connected with each other and are partially manufactured by electrochemical metal removal in an electrolytic medium.

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.The invention relates to a method for the production of valves for gas exchange, the valve head and valve stem are each formed as a hollow part, in particular for internal combustion engines, and valves produced by such a method.

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.Valves of the type mentioned, which are designed for weight reasons as hollow parts, so-called hollow or lightweight valves, are known and, for example, in DE 198 04 053 described.

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.To produce gas exchange valves with a hollow shaft and valve head, the shaft is usually drilled mechanically, after which the shaft end is closed with a stopper. The cavity of the valve head is closed with a valve bottom. Valve bottom and plug are usually connected by welding to the hollow valve body. The heat generated during welding causes a change in the structure of the valve material, which is weakened, which leads to a reduction in the service life of the valve. In addition, when drilling the valve stem, there are internal edges at which disadvantageous voltage peaks can occur under the action of heat. In the case of valve materials which are alloyed with titanium or aluminum, considerable problems also arise in the production of qualitatively perfect weld seams or the technical complexity with such welded joints is particularly great.

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.In contrast, the present invention is based on the object to simplify the production of hollow valves, to improve their quality, in particular to provide a manufacturing process which is fully suitable for all candidate valve materials. The valves produced with them are said to be superior to known valves in terms of their strength and lighter weight.

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.The starting point of the present invention is the use of the electrochemical removal of metals also known as the so-called ECM process (Electro Chemical Machining). It is like for example in US 3793169 described, drilled by means of a hollow cathode, a hole in a workpiece which forms the anode, wherein the cathode is flowed through by an electrolyte liquid, while it increasingly penetrates into the workpiece, thereby producing the bore. In this context, it is also known to vary by means of a variable voltage from a DC power source, the contour of the borehole or the diameter of the bore depending on the penetration depth of the electrode in the workpiece. The metal, which is removed from the workpiece surface in an electromechanical manner without contact, forms metallic hydroxides with the electrolyte liquid, which are pumped out through the annular gap of the borehole against the advance of the cathode.

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.In this way, the known ECM method makes it possible to achieve anodic metal dissolution by using extremely high current densities without mechanical contact between the cathodic tool and the anodic workpiece. The mechanical properties of the workpiece, such. B. its hardness, unchanged; The same applies to its physical / chemical properties such as structure, melting point, thermal conductivity or electrical conductivity of the workpiece, which play a role in the application of the ECM process for the process flow.

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.In the context of the present invention, it has been found that the ECM method known per se has great advantages in the hollowing-in of cavities for producing gas exchange valves of the aforementioned type, wherein the metal removal by the ECM method takes place inside a valve body consisting of valve stem and valve head By sinking a corresponding tool electrode in this takes place. The valve stem of a solid valve body can already be pre-drilled in a mechanical manner; but it can also be generated in an ECM operation by first the bore in the valve stem and then the cavity in the valve head are removed.

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.In this way, it is possible to connect the cavities of a valve forming hollow parts together and at least partially produce by electrolytic metal removal in an electrolytic medium, wherein the cavity is produced in the valve head as an extension bore transverse to the longitudinal axis of the valve stem.

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.Preferably, the anodic starting substrate consists of a one-piece valve body in which a contiguous cavity is generated by ECM through controlled variation of electrode feed, current, voltage, and or electrolyte flow.

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.According to the method of the invention, it is possible to produce the cavities in the valve stem and in the valve head in one operation by means of countersink ECM, ie by sinking the cathode from the free end of the valve stem and progressively downwards, including the creation of the cavity inside the valve head.

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. Alternatively, the shaft bore may already be present z. B. by prior introduction of a mechanical deep hole bore from the shank end ago, the deep hole hole ends in the interior of the valve head as a blind hole. The valve head is not pierced but remains closed while in its interior a corresponding cavity in the ECM process is produced.

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.When using the ECM method, little heat is generated because the electrolyte purge acts as a coolant, so that the material of the valve body undergoes no chemical or physical changes. Conventional difficult-to-process materials such as Ti / Al alloyed valve materials can be used without any problem.

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.By targeted control of the feed of the electrode, the current, the current density, the flow rate of the electrolyte od. Like., The geometry of the cavities can be influenced. In addition, insulating layers can be used to produce non-rotationally symmetrical hollow shapes in the interior of the cavity. Complex geometries can also be created by using differently designed electrodes one after the other.

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.After creating the cavities, the valve may be filled with a means for cooling optimization, for example with sodium, before the free end of the valve stem is plugged.

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.Finally, it is possible to produce the shaft bore for reasons of weight with a large cross-section, preferably by creating several intersecting holes, which are expanded in the valve head to a common cavity.

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.According to a further variant, it is advantageously provided that two or more separate parallel bores are produced in the valve stem, which open into an enlarged cavity of the valve head. Separate bores allow them to be used for the circulation of the electrolyte fluid during the production of the cavity in the valve head or they serve in the finished valve for the coolant circulation of a coolant introduced into the valve cavity.

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.A valve produced by the process according to the invention may, in a particularly simple embodiment, have a cavity in the interior of the valve head, which is roughly spherical in shape. In this spherical cavity into one or more holes of the valve stem can open, so that they are connected to each other through the cavity.

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.According to another embodiment, it is provided that the cavity of the valve head is formed approximately corresponding to the outer shape of the valve head at approximately the same remaining wall thickness of the valve head. In this case, the cavity has a particularly advantageous weight saving d. H. With such hollow valves, it is possible to significantly reduce the moving masses in the engine.

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.Finally, another embodiment of a valve produced according to the invention consists in that the cavity of the valve head is only slightly larger in cross section than the total cross section of a plurality of shaft bores or of the cross sectional area comprising the shaft bores. This results in a valve with a particularly favorable heat dissipation from the valve head.

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:In the following, several embodiments of hollow valves produced by the method according to the invention will be described with reference to the drawing. The figures of the drawing each show in a schematic longitudinal section through a hollow valve with valve plug 1 , Valve stem 2 and valve head 3 in the following variants:

1 zeigt ein rotationssymmetrisches Hohlprofil mit nahezu kugeligem Hohlraum 5 im Inneren des Ventilkopfs 3. 1 shows a rotationally symmetrical hollow profile with almost spherical cavity 5 inside the valve head 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. 2 also shows a rotationally symmetrical hollow valve with a cavity 6 inside the valve head 3 , wherein the cavity configuration is relatively closely adapted to the outer contour of the valve head. As in 1 In accordance with the Senk ECM method, the hollow valve can be located both in the area of the valve stem and in the area of the valve head 2 getting produced.

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. 3 shows another rotationally symmetrical hollow profile similar 2 , but with aerodynamically optimized outer contour of the valve head 3 and correspondingly adapted conical shape of the cavity 7 inside the valve head 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. 4 . 4a show in longitudinal section and in cross section through the shaft 2 a hollow valve with a total of four relatively fine holes 8th in the area of the valve stem 2 which together in a cavity 9 of the valve head 3 open, with the cavity 9 only slightly larger than the cross-sectional area enclosing the holes.

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. 5 . 5a show in longitudinal section and in cross section through the shaft 2 a hollow valve similar 1 but with two holes 10 in the area of the valve stem 2 , The valve head 3 is with a spherical cavity 11 corresponding 1 educated.

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. 6 . 6a show in longitudinal section and in cross section through the shaft 2 a hollow profile with a valve head similar 4 but with only two relatively large holes 12 with semicircle contour in the valve stem 2 be lowered. The valve head 3 has a fluidically optimized outer shape; the cavity 13 inside the valve head 3 is only slightly larger in cross section than the total cross section of the two holes 12 educated.

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.The multiple shaft holes in the in 4 to 6 Hollow valves shown can either be used for better electrolyte rinse in the Auskesselung the respective cavities 9 . 11 . 13 and / or for the coolant circulation in the finished valve, provided in the cavities, a coolant has been filled and inside the valve plug 1 or in the upper end portion of the valve stem 2 is provided (not shown) connecting channel for the coolant circuit.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19804053 [0002]
US 3793169 [0005]

Claims

Process for the production of valves for gas exchange, the valve head ( 3 ) and valve stem ( 2 ) are each formed as a hollow part, in particular for internal combustion engines, characterized in that the cavities of the valve-forming hollow parts connected to each other and at least partially produced by electrochemical metal removal in an electrolytic medium and that first the valve stem ( 2 ) is pierced lengthwise, after which the cavity in the valve head ( 3 ) as an extension bore transverse to the longitudinal axis of the valve stem ( 2 ) is produced.

A method according to claim 1, characterized in that in a one-piece valve body, a contiguous cavity according to the ECM (Electro Chemical Machining) method by controlled variation of feed, current, voltage and / or electrolyte flow is produced.

A method according to claim 2, characterized in that the cavities in the valve stem ( 2 ) and in the valve head ( 3 ) are produced in one operation by the Senk ECM method.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that in the valve stem ( 2 ) a shaft bore ( 4 ) or several parallel shaft bores ( 8th . 10 . 12 ), which in the valve head ( 3 ) in a common cavity ( 5 . 6 . 7 . 9 . 11 . 13 ).

Method according to claim 1 or 2, characterized in that in the valve stem ( 2 ) a plurality of overlapping bores are generated, which in the valve head ( 3 ) are extended to a cavity.

Valve produced by a method according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity ( 5 . 11 ) of the valve head ( 3 ) is approximately spherical.

Valve produced by a method according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity ( 6 . 7 ) of the valve head ( 3 ) approximately according to the outer shape of the valve head ( 3 ) at approximately the same remaining wall thickness of the valve head ( 3 ) is shaped.

Valve produced by a method according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity ( 9 . 13 ) of the valve head ( 3 ) is only slightly larger in cross section than the total cross section of a plurality of shaft bores ( 12 ) or the shaft bores ( 8th ) comprehensive cross-sectional area.