DE102011077198A1

DE102011077198A1 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils mit verbesserter Kühlung

Info

Publication number: DE102011077198A1
Application number: DE102011077198A
Authority: DE
Inventors: Roland Schacherer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-13
Also published as: WO2012168136A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils (1) eines Verbrennungsmotors mit einem in einen Ventilschaft (2) übergehenden Ventilkopf (3), bei dem in den Ventilkopf (3) eine Bohrung (4) eingebracht wird, und bei dem anschließend der Ventilkopf (3) durch elektrochemisches Abtragen zumindest teilweise ausgehöhlt wird. Hierdurch kann das Hohlventil (1) kostengünstig hergestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils mit verbesserter Kühlung eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft außerdem ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Hohlventil mit verbesserter Kühlung.
Die zunehmenden thermischen Belastungen in Verbrennungsmotoren erfordern es, auch Bestandteile derselben, wie beispielsweise Gaswechselventile, kurz auch Ventile genannt, zunehmend zu kühlen.
Aus der EP 1 359 292 A1 ist ein Hohlventil für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei welchem sich ein Ventilteller direkt gegenüber einem Ventilschaft abstützt und ein ringförmiger Hohlraum von einem trichterförmigen Ventilkegel, dem Ventilteller sowie dem Ventilschaft begrenzt wird.
Generell ist die Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Hohlventile jedoch vergleichsweise aufwändig und dadurch teuer.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein insbesondere verbilligtes Verfahren zur Herstellung eines Hohlventils mit verbesserter Kühlung anzugeben.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Hohlraum innerhalb eines Ventilkopfes eines Hohlventils mit verbesserter Kühlung überwiegend durch ein elektrochemisches Abtragen herzustellen. Generell kann dabei in dem Ventilkopf zunächst eine Bohrung eingebracht werden, die anschließend insbesondere im Bereich des Ventilkopfs durch elektrochemisches Abtragen erweitert und dadurch der erfindungsgemäße Hohlraum hergestellt wird. Elektrochemisches Abtragen ist ein abtragendes Fertigungsverfahren, insbesondere für sehr harte Werkstoffe und ermöglicht darüber hinaus ein einfaches Herstellen von Hohlräumen. Das wesentliche Merkmal des elektrochemischen Abtragens ist dabei der fehlende Kontakt zwischen einem Werkzeug und dem Werkstück, so dass keine mechanischen Kräfte übertragen und Werkstoffeigenschaften werden, wie Härte oder Zähigkeit, keinen Einfluss auf den Abtragprozess haben. Von Bedeutung hingegen sind Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Wärme und elektrische Leitfähigkeit. Beim elektrochemischen Abtragen wird das Werkstück üblicherweise als Anode (positiv) und das Werkzeug als Kathode (negativ) polarisiert und zwischen diesen eine Spannung angelegt. Die Form der Werkzeugkathode gibt dabei die Form des Werkstücks selbst vor, so dass beim elektrochemischen Abtragen üblicherweise von einem sogenannten abbildenden Verfahren gesprochen wird. Am Werkzeug selbst findet prozessbedingt kein (oder nur sehr geringer) Verschleiß statt. Mit dem elektrochemischen Abtragen lassen sich auch komplizierte Hohlraumstrukturen erzeugen, die anderenfalls ausschließlich durch gebaute Ventile, die deutlich teurer wären, realisiert werden könnten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, wird der Ventilkopf zumindest teilweise durch elektrochemische Mikrofräsen ausgehöhlt. Das elektrochemische Mikrofräsen nutzt, wie bereits etablierte elektrochemische Abtragverfahren auch, die Eigenschaft metallischer Werkstoffe, durch Anlegen einer Spannung zwischen Werkzeug und Werkstückelektrode in einem geeigneten Elektrolyten in Lösung zu gehen. Beim im vorigen Absatz genannten elektrochemischen Abtragen stellt sich die Geschwindigkeit, mit der das Metall lokal in Lösung geht, in Abhängigkeit der Stromdichteverteilung im Elektrolyten ein. Letztere hängt jedoch stark von der Geometrie der Werkzeugelektrode ab, so dass sich letztlich kein homogener Spalt über die Geometrie einstellt und sich dadurch konturabhängige Abformfehler ergeben können, die die Fertigung präziser Teile erschweren. Um den Arbeitsspalt generell verringern zu können, können gepulste elektrochemische Abtragverfahren eingesetzt werden, bei denen die Pausen zwischen den Stromimpulsen meist in Verbindung mit oszillierenden Werkzeugbewegungen für Kühl- und Spülzwecke genutzt werden. Hiermit lassen sich die Arbeitsspalte auf bis zu 10 µm verringern und dadurch auch äußerst exakte Teile herstellen. Da der Arbeitsspalt bei angepasstem Elektrolytsystem nahezu linear von der Pulsweite abhängt, werden beim elektrochemischen Fräsen ultrakurze Spannungsimpulse verwendet, wodurch der Arbeitsspalt besonders klein voreingestellt werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, wird die Bohrung in den Ventilkopf ausgehend vom Ventilschaft eingebracht, so dass der durch die Bohrung im Ventilschaft und der durch das elektrochemische Abtragen im Ventilkopf entstandene Hohlraum miteinander kommunizieren. Selbstverständlich ist dabei der Einsatz des elektrochemischen Abtragverfahrens (ECM, electro-chemical-machining) nicht nur auf die Herstellung des Hohlraums im Ventilkopf begrenzt, sondern es können generell auch weitere Hohlräume im Ventilschaft mittels des elektrochemischen Abtragens hergestellt oder zumindest ausgebaut werden.
Um eine möglichst kostengünstige Serienfertigung zu ermöglichen, wird üblicherweise eine Vorrichtung mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneten Bohrern vorgesehen, die gleichzeitig in komplementär dazu angeordnete Ventile bzw. Ventilschäfte und Ventilkopf, eine entsprechende Bohrung einbringen. In gleicher Weise wird auch das spätere elektrochemische Abtragen mittels mehrerer nebeneinander angeordneter Werkzeuge bewerkstellig, so dass in einem einzigen Herstellungsschritt vorzugsweise eine gesamte Palette an erfindungsgemäßen Hohlventilen mit verbesserter Kühlung hergestellt werden kann.
Zweckmäßig wird der durch die Bohrung im Ventilschaft und/oder der durch das elektrochemische Abtragen im Ventilkopf entstandene Hohlraum mit einem Kühlmittel, insbesondere mit Natrium, befüllt. Natrium besitzt eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit und ist dadurch in der Lage, die auftretende Wärme vergleichsweise schnell abzuführen. Zudem kommt bei Ventilen (wie schon von den in Serie befindlichen, einfachen Hohlventilen bekannt) der sogenannte „Shakereffekt“ zum Tragen. Durch die insbesondere translatorische Bewegung des Hohlventils wird das Natrium durchgeschüttelt und kann die Wärme besser Richtung Ventilschaft abführen. Deshalb sind Hohlventile nie vollständig mit einem Kühlmedium gefüllt.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 ein erfindungsgemäß hergestelltes Hohlventil mit verbesserter Kühlung nach einem ersten Verfahrenschritt, bei welchem eine Bohrung zumindest im Ventilkopf und Ventilschaft angebracht wurde,
2 eine Schnittdarstellung durch ein fertig hergestelltes, erfindungsgemäßes Hohlventil mit verbesserter Kühlung mit durch elektrochemischem Abtragen hergestellten Hohlraum im Ventilkopf,
3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einem anderen Hohlraum im Ventilkopf.
Entsprechend den 1 bis 3 ist ein erfindungsgemäßes Hohlventil 1 mit verbesserter Kühlung dargestellt, welches üblicherweise als Gaswechselventil in einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Das Hohlventil 1 ist aus einem insbesondere metallischen Werkstoff, in jedem Fall aber aus einem elektrisch leitenden Werkstoff ausgebildet und weist einen Ventilschaft 2 sowie einen Ventilkopf 3 auf, wobei der Ventilschaft 2 in den Ventilkopf 3 übergeht. Um nun das Hohlventil 1 einerseits funktionsgerecht auszubilden und andererseits kostengünstig herstellen zu können, wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen des metallischen Hohlventils 1 angewandt, bei dem zumindest in den Ventilkopf 3, vorzugsweise aber sowohl in den Ventilschaft 2 als auch in den Ventilkopf 3 zunächst eine Bohrung 4 eingebracht wird und bei dem anschließend der Ventilkopf 3 durch elektrochemisches Abtragen zumindest teilweise ausgehöhlt und dadurch ein Hohlraum 5 im Ventilkopf 3 hergestellt wird.
Das derart hergestellte Hohlventil mit verbesserter Kühlung 1 muss selbstverständlich keinen einstückig mit dem Ventilschaft 2 ausgebildeten Ventilkopf 3 aufweisen, sondern vielmehr können auch beiden Teile 2, 3 separat zueinander hergestellt werden.
Durch das elektrochemische Abtragen zumindest im Ventilkopf 3 kann der dort gewünschte Hohlraum 5 vergleichsweise kostengünstig und zudem einfach hergestellt werden, wobei das elektrochemische Abtragen lediglich als Oberbegriff dienen soll, so dass sämtliche ähnlich arbeitende Verfahren, wie beispielsweise das elektrochemische Mikrofräsen ebenfalls darunter subsumiert werden können. In gleicher Weise kann auch die Bohrung 4 im Ventilschaft 2 zusätzlich optional mittels elektrochemischem Abtragen erweitert werden, wobei ein Hohlraum 5’ im Ventilschaft 2 mit dem Hohlraum 5 im Ventilkopf 3 kommunizierend verbunden ist.
Um das erfindungsgemäße Hohlventil 1 mit verbesserter Kühlung zusätzlich kühlen zu können, kann der durch die Bohrung 4 im Ventilschaft 2 und/oder der durch das elektrochemische Abtragen im Ventilkopf 3 entstandene Hohlraum 5’, 5 mit einem Kühlmittel befüllt werden, insbesondere mit Natrium, welches aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eine besonders gute Wärmeableitung im Hohlventil 1 bewirkt.
Zur Herstellung der Hohlventile 1 mit möglichst geringen Stückkosten, können zudem entsprechende Fertigungsvorrichtungen vorgesehen sein, die eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Bohrern aufweisen und dadurch in eine komplementär dazu angeordnete Anzahl von Hohlventilen 1 gleichzeitig eine Bohrung 4 einbringen können. In ähnlicher Weise können auch Werkzeuge (Anoden) zum elektrochemischen Abtragen an der Fertigungsvorrichtung angeordnet werden, wobei durch den Stromfluss zwischen dem Werkstück, hier also dem Hohlventil 1 und dem Werkzeug, das elektrochemische Abtragen erfolgt.
Die gezeigten Hohlventile 1 sind in einem oberen Bereich des Ventilschafts 2 abgelängt, so dass klar ist, dass die Hohlventile 1 in diesem Bereich noch weiter gehen können.
Der durch das elektrochemische Abtragen hergestellte Hohlraum 5 im Ventilkopf 3 kann dabei im Wesentlichen rund (vgl. 3), ellipsoidisch oder wie in der 2 gezeigt im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet sein, wobei gewisse Wandstärken insbesondere in Richtung eines Ventilsitzes oder am Ventilboden nicht unterschritten werden sollten. Auch mehrfache Hohlräume 5 umfasst die Erfindung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1359292 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils (1) mit verbesserter Kühlung eines Verbrennungsmotors mit einem in einen Ventilschaft (2) übergehenden Ventilkopf (3), bei dem in den Ventilkopf (3) eine Bohrung (4) eingebracht wird, und bei dem anschließend der Ventilkopf (3) durch elektrochemisches Abtragen zumindest teilweise ausgehöhlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkopf (3) durch elektrochemisches Mikrofräsen zumindest teilweise ausgehöhlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bohrung (4’) vom Ventilschaft (2) ausgehend in den Ventilkopf (3) eingebracht wird, so dass der durch die Bohrung (4’) im Ventilschaft (2) und der durch das elektrochemische Abtragen im Ventilkopf (3) entstandene Hohlraum (5’, 5) miteinander kommunizieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Bohrung (4’) im Ventilschaft (2) und/oder der durch das elektrochemische Abtragen im Ventilkopf (3) entstandene Hohlraum (5, 5’) mit einem Kühlmittel befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Natrium verwendet wird.
Metallisches Hohlventil (1) mit verbesserter Kühlung eines Verbrennungsmotors, hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Hohlventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das elektrochemische Abtragen im Ventilkopf (3) entstandene Hohlraum (5) im Wesentlichen rund, ellipsoidisch oder kegelförmig ausgebildet ist.