DE102012209187A1

DE102012209187A1 - Method for manufacturing metallic hollow valve of internal combustion engine, involves introducing hole into slug, and partially hollowing valve head by electrochemical removal such that cavity is filled with fluid, and forging hollow valve

Info

Publication number: DE102012209187A1
Application number: DE201210209187
Authority: DE
Inventors: Roland Schacherer; Peter Kroos; Christoph Luven; Pedro Lerman
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-12-13

Abstract

The method involves introducing a hole into a slug (2) designed as a smithy bulb. A valve head is partially hollowed by electrochemical removal such that a cavity is filled with supporting fluid, and a metallic hollow valve is forged. The cavity in the valve head is manufactured by electrochemical micro milling. The cavity and the hole in the hollow valve are filled with coolant i.e. sodium. The hollow valve is reprocessed e.g. steel-plated, hardened, tempered and coated, and cathodes are used for electrochemical removal. An independent claim is also included for a metallic hollow valve.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils eines Verbrennungsmotors mit verbesserter Kühlung. Die Erfindung betrifft außerdem ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Hohlventil mit verbesserter Kühlung. The present invention relates to a method for producing a metallic hollow valve of an internal combustion engine with improved cooling. The invention also relates to a hollow valve produced by such a method with improved cooling.

Die zunehmenden thermischen Belastungen in Verbrennungsmotoren erfordern es, auch Bestandteile derselben, wie beispielsweise Gaswechselventile, kurz auch Ventile genannt, zunehmend zu kühlen.The increasing thermal loads in internal combustion engines also make it necessary to increasingly cool components of the same, such as gas exchange valves, also called valves for short.

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. From the EP 1 359 292 A1 a hollow valve for an internal combustion engine is known in which a valve disc is supported directly opposite a valve stem and an annular cavity is delimited by a funnel-shaped poppet, the valve plate and the valve stem.

Aus der WO 2010/032799 A1 sowie aus der zugehörigen EP 2 325 446 A1 sind fließgepresste Ventile mit einem innenliegenden Hohlraum zur Kühlung derselben bekannt.From the WO 2010/032799 A1 as well as from the associated EP 2 325 446 A1 Extruded valves are known with an internal cavity for cooling the same.

Generell ist die Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Hohlventile jedoch vergleichsweise aufwändig und dadurch teuer. In general, however, the manufacture of hollow valves known from the prior art is comparatively complicated and therefore expensive.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein insbesondere verbilligtes Verfahren zur Herstellung eines Hohlventils mit verbesserter Kühlung anzugeben.The present invention is concerned with the problem of specifying a particularly cost-reduced method for producing a hollow valve with improved cooling.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Hohlraum innerhalb eines Ventils, insbesondere eines Ventilkopfes, eines Hohlventils zur besseren Kühlung überwiegend durch elektrochemisches Abtragen herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren gliedert sich dabei in vorzugsweise vier Verfahrensschritte. In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst in einen als Schmiedebirne ausgebildeten Schmiederohling eine Bohrung eingebracht. Diese Bohrung wird insbesondere im späteren Ventilkopf durch elektrochemisches Abtragen ausgeweitet und dadurch ein Hohlraum hergestellt. Der derart hergestellte Hohlraum wird anschließend mittels eines Stützfluides befüllt, woraufhin anschließend das erfindungsgemäße Ventil in eine Schmiedevorrichtung eingelegt und dort zu einer endgültigen Form geschmiedet wird. Ein Zusammenfallen des Hohlraums innerhalb des Ventils und insbesondere innerhalb des Ventilkopfes, kann durch das Vorhandensein des Stützfluides vermieden werden. Durch das elektrochemische Aushöhlen des Ventilkopfes kann ein gleichmäßiger und insbesondere mit runden Übergängen hergestellter Hohlraum geschaffen werden, der seine Form im Wesentlichen auch beim späteren Schmiedeschritt behält, da er dort mittels des nicht kompressiblen Stützfluides gestützt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit Hohlventile vergleichsweise genau und zudem kostengünstig herstellen. The invention is based on the general idea to produce a cavity within a valve, in particular a valve head, a hollow valve for better cooling mainly by electrochemical removal. The process according to the invention is divided into preferably four process steps. In a first method step, a bore is first introduced into a forging bulb designed as a forging blank. This hole is widened in particular in the later valve head by electrochemical ablation, thereby producing a cavity. The cavity produced in this way is then filled by means of a support fluid, whereupon the valve according to the invention is subsequently inserted into a forging device and forged there to a final shape. A collapse of the cavity within the valve, and in particular within the valve head, can be avoided by the presence of the support fluid. By the electrochemical hollowing of the valve head, a uniform and especially with round transitions produced cavity can be created, which retains its shape substantially at the later forging step, since it is supported there by means of the non-compressible support fluid. With the method according to the invention thus hollow valves can be produced comparatively accurately and also cost-effectively.

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. Electrochemical erosion is an abrasive manufacturing process, especially for very hard materials, and moreover allows easy production of cavities. The essential feature of the electrochemical removal is the lack of contact between a tool and the workpiece, so that no mechanical forces transmitted and material properties, such as hardness or toughness, have no influence on the removal process. On the other hand, properties such as melting point, heat and electrical conductivity are important. In electrochemical ablation, the workpiece is usually polarized as the anode (positive) and the tool as the cathode (negative), and a voltage is applied between them. The shape of the tool cathode specifies the shape of the workpiece itself, so that the electrochemical ablation is usually referred to as a so-called imaging method. Due to the process, there is no (or only very little) wear on the tool itself. With the electrochemical ablation complex cavity structures can be produced, which could otherwise be realized only by built valves, which would be significantly more expensive.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Hohlraum 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. In an advantageous development of the solution according to the invention, the cavity is at least partially hollowed out by electrochemical micro-milling. The electrochemical micro-milling uses, as already established electrochemical Abtragverfahren also, the property of metallic materials to go by applying a voltage between the tool and the workpiece electrode in a suitable electrolyte in solution. In the electrochemical ablation mentioned in the previous paragraph, the rate at which the metal dissolves locally depends on the current density distribution in the electrolyte. However, the latter strongly depends on the geometry of the tool electrode, so that ultimately no homogeneous gap over the geometry sets and thereby contour-dependent Abformfehler may result that complicate the production of precise parts. To be able to reduce the working gap in general, pulsed electrochemical removal methods can be used, in which the breaks between the current pulses usually used in conjunction with oscillating tool movements for cooling and rinsing purposes.

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. This can be used to reduce the working gap to up to 10 μm and thus produce extremely exact parts. Since the working gap depends on the pulse width almost linearly when the electrolyte system is adapted, ultrashort voltage pulses are used in electrochemical milling, whereby the working gap can be preset to a particularly low value.

Zweckmäßig wird der Hohlraum im Hohlventil 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.Suitably, the cavity in the hollow valve with a coolant, in particular with sodium, filled. Sodium has a particularly high thermal conductivity and is thus able to dissipate the heat occurring comparatively quickly. In addition, in valves (as already known from the series, simple hollow valves known) the so-called "Shaker effect" comes into play. Due to the particular translational movement of the hollow valve, the sodium is shaken through and can better dissipate the heat towards the valve stem. Therefore, hollow valves are never completely filled with a cooling medium.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung werden beim elektrochemischen Abtragen zwei oder mehr Kathoden eingesetzt. Hierdurch lässt sich die Formgebung des zu schaffenden Hohlraums besonders individuell und exakt steuern und dadurch Hohlventile mit äußerst hoher Fertigungsqualität herstellen. In an advantageous development of the solution according to the invention, two or more cathodes are used during electrochemical removal. As a result, the shape of the cavity to be created can be controlled particularly individually and precisely, thereby producing hollow valves with extremely high production quality.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:

1a bis e einzelne Verfahrensschritte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines metallischen Hohlventils, 1a to e individual process steps for carrying out the method according to the invention for producing a metallic hollow valve,

2a eine Schnittdarstellung durch ein fertiggestelltes, erfindungsgemäßes Hohlventil mit durch elektrochemischen Abtragen hergestellten Hohlraum im Ventilkopf, 2a a sectional view through a finished, inventive hollow valve with manufactured by electrochemical ablation cavity in the valve head,

2b eine Darstellung wie in 2a, jedoch mit einem anders geformten Hohlraum. 2 B a representation like in 2a but with a different shaped cavity.

Entsprechend der 1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Hohlventils 1 (vgl. auch die 2) mit verbesserter Kühlung für einen Verbrennungsmotor in verschiedenen Verfahrensschritten dargestellt. Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Hohlventil 1 ist der im Verfahrensschritt 1a dargestellte und als Schmiedebirne ausgebildete Rohling 2, in den im Verfahrensschritt 1b eine Bohrung 3 eingebracht wird. Im Verfahrensschritt 1c wird nun ein späterer Ventilkopf 4 durch elektrochemisches Abtragen zumindest teilweise ausgehöhlt und dadurch ein Hohlraum 5 in diesem Bereich hergestellt. Der derart hergestellte Hohlraum 5 wird nun im Verfahrensschritt 1d mittels eines inkompressiblen Stützfluides 6 befüllt, welches den Hohlraum 5 im sich daran anschließenden Schmiedeschritt hinsichtlich seiner Größe und Form abstützen soll. Im Verfahrensschritt 1e wird nun das Hohlventil 1 geschmiedet und zwar sowohl im Bereich des Ventilkopfes 4 als auch im Bereich eines Ventilschaftes 7. Das derart hergestellte Hohlventil 1 kann nun in einem Verbrennungsmotor eingebaut werden, wobei es zur besseren Kühlung zuvor noch mit Kühlmittel, beispielsweise mit Natrium, befüllt und verschlossen wird. Natrium wird hierbei bevorzugt verwendet, da es eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und damit eine hohe Kühlwirkung entfalten kann. According to the 1 is a method of manufacturing a metallic hollow valve 1 (See also the 2 ) with improved cooling for an internal combustion engine in different process steps. Starting material for the hollow valve according to the invention 1 is the blank shown in step 1a and designed as a forging bulb blank 2 , in the process step 1b a hole 3 is introduced. In method step 1c, a later valve head now becomes 4 at least partially hollowed out by electrochemical removal and thereby a cavity 5 produced in this area. The cavity thus produced 5 is now in process step 1d by means of an incompressible support fluid 6 filled the cavity 5 should be supported in the subsequent forging step in terms of its size and shape. In method step 1e, the hollow valve is now 1 forged both in the area of the valve head 4 as well as in the area of a valve stem 7 , The hollow valve thus produced 1 can now be installed in an internal combustion engine, where it is for better cooling previously filled with coolant, such as sodium, and sealed. Sodium is preferably used here, since it has a particularly high thermal conductivity and can thus develop a high cooling effect.

Generell kann das Hohlventil 1 auch nachbearbeitet werden, insbesondere gepanzert, geschliffen oder beschichtet. Dies stellt lediglich eine rein exemplarische Aufzählung von möglichen Nachbearbeitungsverfahren dar, wobei selbstverständlich auch andere Verfahren zur Nachbearbeitung und insbesondere zur Härtung bzw. Vergütung einer Oberfläche gewählt werden können. Durch das elektrochemische Abtragen des Hohlraumes 5 kann das Hohlventil 1 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 subsummiert werden können. In gleicher Weise kann auch die Bohrung 3 im Ventilschaft 7 zusätzlich optional mittels chemischem Abtragen erweitert werden. Generally, the hollow valve 1 also be reworked, in particular armored, ground or coated. This merely represents a purely exemplary enumeration of possible post-processing methods, it being understood that other methods for post-processing and in particular for hardening or tempering a surface can be selected. By the electrochemical removal of the cavity 5 can the hollow valve 1 comparatively inexpensive and also easy to manufacture, the electrochemical ablation should only serve as a generic term, so that all similarly operating methods, such as electrochemical micro-milling can also be subsumed under it. In the same way, the bore can 3 in the valve stem 7 additionally optionally be extended by means of chemical removal.

Von besonderem Vorteil ist, dass mittels des erfindungsgemäßen elektrochemischen Abtragens zur Herstellung des Hohlraumes 5 dieser nicht nur kostengünstig, sondern zudem auch überall mit abgerundeten Eckbereichen hergestellt werden kann, wodurch Ecken und Kanten und damit verbunden auch eine gewisse Kerbwirkung vermieden werden können. It is of particular advantage that by means of the electrochemical removal according to the invention for the production of the cavity 5 This not only inexpensive, but also can be made anywhere with rounded corners, creating corners and edges and connected also a certain notch effect can be avoided.

Betrachtet man die 2a und 2b, so kann man erkennen, dass der durch das elektrochemische Abtragen im Ventilkopf 3 entstandene Hohlraum 5 im Wesentlichen kegelförmig bzw. rund ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch Ellipsoideausführungsformen denkbar, wobei stets ein runder Übergang zur Bohrung 3 im Ventilschaft 7 vorgesehen ist. Looking at the 2a and 2 B , so you can see that by the electrochemical ablation in the valve head 3 resulting cavity 5 is substantially conical or round. Of course, Ellipsoideausführungsformen are conceivable, always a round transition to the bore 3 in the valve stem 7 is provided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1359292 A1 [0003]
WO 2010/032799 A1 [0004]
EP 2325446 A1 [0004]

Claims

Method for producing a metallic hollow valve ( 1 ) of an internal combustion engine with improved cooling, in which - in a formed as forging bulb blank ( 2 ) a hole ( 3 ), - a later valve head ( 4 ) is at least partially hollowed out by electrochemical removal, - the cavity produced in this way ( 5 ) by means of a supporting fluid ( 6 ), - the hollow valve ( 1 ) is forged.

Method according to claim 1, characterized in that the hollow valve ( 1 ), in particular armored, ground, hardened, tempered or coated.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity ( 5 ) in the valve head ( 4 ) is produced by electrochemical micro-milling.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cavity ( 5 ) and the bore ( 3 ) in the hollow valve ( 1 ) by means of a coolant, in particular with sodium, are filled.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cavity ( 5 ) a rounded transition to the bore ( 3 ) in the later valve stem.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that for electrochemical removal two or more cathodes are used.

Metallic hollow valve ( 1 ) with improved cooling produced according to one of the preceding claims.

Hollow valve according to claim 7, characterized in that by the electrochemical removal in the valve head ( 4 ) resulting cavity ( 5 ) is substantially round, ellipsoidal or conical and has a round transition to the bore ( 3 ) in the valve stem ( 7 ) having.