DE102016122514A1 - Fire-sealed internally cooled valve and method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils 2. Dieses umfasst das Einsetzen eines Ventilhalbzeugs 16 in ein Gesenk 28, 30, wobei das Ventilhalbzeug 16 einen Ventilschaft 18 und einen Ventilkopf 20 umfasst, wobei das Ventilhalbzeug 16 eine Ausnehmung 22 umfasst, die sich von dem Ventilschaft 18 durch den Ventilkopf 20 erstreckt und sich zum Ventilkopf 20 hin öffnet, sowie Einsetzen eines Ventilbodens 24 in das Gesenk, und Feuerverschweißen des Ventilbodens 24 und des Ventilhalbzeugs 16 in dem Gesenk 28, 30 unter hohem Druck zu einem Ventilrohling 26.The invention relates to a method for producing an internally cooled valve 2. This comprises the insertion of a valve semi-finished product 16 in a die 28, 30, wherein the valve semi-finished product 16 comprises a valve stem 18 and a valve head 20, wherein the valve semi-finished product 16 comprises a recess 22 which extends extends from the valve stem 18 through the valve head 20 and opens to the valve head 20, and inserting a valve bottom 24 in the die, and fire welding the valve bottom 24 and the valve blank 16 in the die 28, 30 under high pressure to a valve blank 26th
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein innengekühltes Ventil für eine Kolbenmaschine wie einen Verbrennungsmotor, das durch Schmieden hergestellt wurde. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Herstellungsverfahren für ein geschmiedetes innengekühltes Ventil für eine Kolbenmaschine wie einen Verbrennungsmotor.The present invention relates to an internally cooled valve for a reciprocating engine such as an internal combustion engine manufactured by forging. The present invention also relates to a method of manufacturing a forged internally cooled valve for a reciprocating engine such as an internal combustion engine.
Bisher wurden Ventile und insbesondere innengekühlte Ventile durch verschiedene Verfahren, insbesondere spanend, hergestellt. Bei einer spanenden Fertigung fallen jedoch immer große Mengen an Spänen an, die nicht ohne weiteres wiederverwendet werden können. Jedes Teil Metall, das zerspant wird, muss jedoch bei der Beschaffung der Halbzeuge bezahlt werden.Heretofore, valves and in particular internally cooled valves have been produced by various methods, in particular by machining. In a machining production, however, always generate large amounts of chips, which can not be readily reused. However, every part of metal that is machined must be paid for in the procurement of the semi-finished products.
Eine weiteres Problem bei der Herstellung von innengekühlten Ventilen ist das Herstellen und Verschließen des Hohlraumes, was insbesondere bei Schweißverbindungen zu einer großen thermischen und mechanischen Belastung führt, was zu einem Versagen der Struktur unter Betriebsbedingungen beitragen kann. Es ist daher wünschenswert, ein Herstellungsverfahren und ein Ventil zur Verfügung zu stellen, das möglichst wenige innere Spannungen aufweist, die bei thermischem Fügen wie beispielsweise einem Schweißen immer entstehen.Another problem in the manufacture of internally cooled valves is the production and closure of the cavity, which leads to a large thermal and mechanical stress, in particular in welded joints, which can contribute to a failure of the structure under operating conditions. It is therefore desirable to provide a manufacturing method and a valve which has as few internal stresses as possible which always arise during thermal joining, such as welding.
Es ist daher wünschenswert, ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu haben, das es gestattet, die Menge an zerspantem Material zu verringern.It is therefore desirable to have a manufacturing process that allows to reduce the amount of machined material.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein innengekühltes Ventil für eine Kolbenmaschine wie einen Verbrennungsmotor, bei dem nur sehr geringe Mengen an Material spanend abgetragen werden müssen.The present invention relates to an internally cooled valve for a piston engine such as an internal combustion engine, in which only very small amounts of material must be removed by machining.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfassend Einsetzen eines Ventilhalbzeugs in ein Gesenk bzw. eine Schmiedeform. Das Ventilhalbzeug umfasst einen Ventilschaft und einen Ventilkopf. Das Ventilhalbzeug umfasst eine Ausnehmung, die sich von dem Ventilschaft durch den Ventilkopf erstreckt und sich zum Ventilkopf hin öffnet. Der Ventilschaft ist damit zumindest teilweise hohl ausgeführt. Danach wird ein Ventilboden in das Gesenk eingelegt. Der Ventilboden kann dabei die gesamte Ventiltellerfläche abdecken oder auch nur die Öffnung bedecken. Schließlich wird der Ventilboden und des Ventilhalbzeugs in dem Gesenk unter hohem Druck zu einem Ventilrohling feuerverschweißt. Bei dem Feuerverschweißen in dem Gesenk wird der zu dem Ventilteller offene Teil der Ausnehmung verschlossen, nicht jedoch der Hohlraum selbst zusammengedrückt. Das Material befindet sich während des Feuerverschweißens in einem erhitzten Zustand, ist jedoch nicht flüssig, sondern nur plastisch verformbar. Durch den hohen Druck in dem Gesenk bzw. der Schmiedeform wird eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Ventilboden und dem Ventilteller erreicht.The present invention further relates to a method of manufacturing an internally cooled valve comprising inserting a valve blank into a die. The semi-finished valve comprises a valve stem and a valve head. The valve blank comprises a recess extending from the valve stem through the valve head and opening toward the valve head. The valve stem is thus at least partially hollow. Thereafter, a valve bottom is inserted into the die. The bottom of the valve can cover the entire valve disc surface or cover only the opening. Finally, the valve bottom and the semi-finished valve in the die is fire-welded under high pressure to a valve blank. In the case of the fire welding in the die, the part of the recess which is open to the valve disk is closed, but the cavity itself is not compressed. The material is in a heated state during the fire welding, but is not liquid, but only plastically deformable. Due to the high pressure in the die or the forging a permanent connection between the valve bottom and the valve plate is achieved.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter ein Schmieden oder Formen eines rohr- oder becherförmigen Vorformlings mit zwei verschiedenen Nennweiten zu einem Ventilhalbzeug, das im Wesentlichen eine Außenkontur eines fertigen Ventilrohlings aufweist. Das Schmieden oder Formen kann ein Tiefziehen oder ein Fließpressen umfassen, um einen Ventilschaft zu erzeugen, der zumindest teilweise hohl ist.A further embodiment of the method further comprises forging or forming a tubular or cup-shaped preform having two different nominal diameters to form a semi-finished valve product, which essentially has an outer contour of a finished valve blank. Forging or molding may include deep drawing or extrusion to produce a valve stem that is at least partially hollow.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst ebenfalls ein Schmieden oder Formen eines Rings oder Rohrstücks zu einem Vorformling mit zwei verschiedenen Nennweiten oder ein Formen eines Metallstücks zu einem becherförmigen Vorformling mit zwei verschiedenen Nennweiten. Diese vorbereitenden Schritte können ebenfalls ein Tiefziehen oder ein Fließpressen von Metallstücken umfassen, wobei bei diesem Verfahren nahezu kein Materialverlust auftritt.Another embodiment of the method also includes forging or forming a ring or tube into a preform having two different sizes or forming a piece of metal into a cup-shaped preform having two different sizes. These preparatory steps may also include deep drawing or extruding metal pieces, with virtually no loss of material in this process.
Bei einer zusätzlichen Ausführung des Verfahrens umfasst dieses weiter ein Einbringen eines Kühlmittels in die Ausnehmung des Ventilhalbzeugs oder des Ventilrohlings. Damit kann das Ventilhalbzeug bereits vor dem Feuerverschweißen des Ventildeckels bzw. Ventilbodens mit dem Kühlmittel gefüllt werden, sodass eine weitere Bearbeitung zum Füllen des Ventils mit einem Kühlmittel entfallen kann. Dies ist möglich, wenn insbesondere niedrige Schmiedetemperaturen von unterhalb von 890° Celsius verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, das Feuerschweißen bei einem Ventilhalbzeug durchzuführen, bei dem lediglich der Ventilteller auf eine Schmiedetemperatur erwärmt wurde, während der Ventilschaft in der Schmiedeform so weit abgekühlt wird, dass das Natrium-Kühlmittel noch nicht seine Siedetemperatur erreicht.In an additional embodiment of the method, this further comprises introducing a coolant into the recess of the valve semi-finished product or the valve blank. Thus, the semi-finished valve can be filled with the coolant before the heat-sealing of the valve cover or valve base, so that further processing for filling the valve with a coolant can be omitted. This is possible when in particular low forging temperatures of below 890 ° Celsius are used. It is also possible to perform the fire welding in a semi-finished valve in which only the valve plate has been heated to a forging temperature, while the valve stem is cooled in the forging so far that the sodium coolant is not yet reached its boiling temperature.
Bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Schaft des Ventilhalbzeugs in der Schmiedeform gekühlt oder es wird nur der Ventilteller auf die Schmiedetemperatur erhitzt, um zu verhindern, dass ein in den Hohlraum eingefülltes Kühlmittel anfängt zu sieden. Dadurch können Prozessschritte und vor allem Schwachstellen in dem späteren Ventil vermieden werden. So kann ohne größere technische Probleme ein Ventil hergestellt werden, das weniger Fügestellen aufweist als herkömmliche innengekühlte Ventile, und es ermöglicht zudem, ein größeres Kühlmittelvolumen in dem Ventilteller bereitzustellen.In a preferred embodiment of the present invention, the stem of the valve blank is cooled in the forging mold or only the valve disc is heated to the forging temperature to prevent a coolant filled into the cavity from starting to boil. As a result, process steps and, above all, weak points in the later valve can be avoided. Thus, without major technical problems, a valve can be produced which has fewer joints than conventional internally cooled valves, and also makes it possible to provide a larger volume of coolant in the valve head.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens umfasst ebenfalls ein Einbringen eines Kühlmittels in die Ausnehmung des Ventilrohlings durch eine Öffnung in dem Ventilschaft des Ventilrohlings sowie ein Verschließen der Öffnung an einem Ventilende. Diese Schritte entsprechen den Schritten der herkömmlichen Ventilherstellung. Another embodiment of the method also includes introducing a coolant into the recess of the valve blank through an opening in the valve stem of the valve blank and closing the opening at a valve end. These steps correspond to the steps of conventional valve manufacturing.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils umfasst das Verschließen der Öffnung an dem Ventilende ein Anschweißen eines Ventilendstücks an das Ventilende des Ventilschafts bzw. das Ventilschaftende. Diese Ausführung ist auf eine Ausführung gerichtet, bei der der Ventilschaft des Ventilhalbzeugs eine durchgehende Öffnung in Axialrichtung umfasst, d.h. ein Rohr bildet. Das rohrförmige Ventilhalbzeug wird dann auf der Ventiltellerseite durch den Ventildeckel verschlossen und an dem Ventilschaftende durch das Ventilendstück verschlossen. Das Ventilendstück kann bereits mit Strukturen versehen sein, die es ermöglichen, Kegelstücke an dem Ventilendstück zu befestigen.In another embodiment of the method of manufacturing an internally cooled valve, closing the opening at the valve end includes welding a valve end to the valve end of the valve stem. This embodiment is directed to an embodiment in which the valve stem of the valve blank comprises a continuous opening in the axial direction, i. forming a tube. The tubular valve semi-finished product is then closed on the valve disk side by the valve cover and closed at the valve stem end by the valve end. The valve end may already be provided with structures that allow to secure conical pieces to the valve end.
Eine zusätzliche Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils umfasst weiter ein Einbringen einer Struktur am Ventilende, um das Ventil mit Kegelstücken in Eingriff bringen zu können. Die Struktur wird üblicherweise in Form von 2 bis 4 umlaufenden Rillen an dem Ventilschaft angebracht.An additional embodiment of the method of manufacturing an internally cooled valve further includes introducing a structure at the valve end to engage the valve with beveled pieces. The structure is usually mounted in the form of 2 to 4 circumferential grooves on the valve stem.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter ein Härten und/oder Beschichten einer Ventildichtfläche. Es ist möglich, ebenfalls die Struktur am Ventilende zu härten oder mit einer Beschichtung zu versehen.Another embodiment of the method further comprises hardening and / or coating a valve sealing surface. It is also possible to harden or coat the structure at the valve end.
Eine zusätzliche Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter ein Feuerverschweißen eines Ringes bzw. einer Dichtflächenpanzerung im Bereich einer Ventildichtfläche. Dieser Schritt des Feuerverschweißens kann anschließend oder zusammen mit dem Feuerverschweißen des Ventildeckels erfolgen, um eine Ventildichtfläche mit einer höheren Festigkeit zu erzielen.An additional embodiment of the method further comprises a fire welding of a ring or a sealing surface armor in the region of a valve sealing surface. This step of fire welding may be done subsequently or in conjunction with the heat sealing of the valve cover to achieve a higher density valve sealing surface.
Schließlich kann das Verfahren in einer weiteren Ausführungsform ein Endbearbeiten einer äußeren Ventiloberfläche umfassen. Das Endbearbeiten kann dabei auch spanende Bearbeitungen umfassen.Finally, in another embodiment, the method may include finishing an outer valve surface. Finishing can also include machining.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein innengekühltes Ventil bzw. Tellerventil bereitgestellt, das nach einem der vorstehenden Verfahren hergestellt wurde.According to another aspect of the present invention, there is provided an internally cooled poppet valve made by any of the above methods.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Figuren dargestellt, die nicht maßstabgerecht sind.
-
1 bis2 zeigen ein Rohr und ein Ventilhalbzeug, das bzw. die als Ausgangspunkt für das vorliegende Verfahren verwendet werden kann bzw. können. -
3 bis6 zeigen eine Möglichkeit, aus einem rohrförmigen Ventilhalbzeug ein innengekühltes Ventil herzustellen. -
7 bis9 zeigen eine weitere Möglichkeit, aus einem becherförmigen Ventilhalbzeug ein innengekühltes Ventil herzustellen. -
10 und11 stellen jeweils eine Schnittansicht durch ein Ventilhalbzeug beim Feuerverschweißen und einen fertigen Ventilrohling dar.
-
1 to2 show a tube and a valve blank that can be used as a starting point for the present method. -
3 to6 show a way to produce from a tubular valve semi-finished an internally cooled valve. -
7 to9 show a further possibility to produce a cup-shaped valve semi-finished an internally cooled valve. -
10 and11 each represent a sectional view through a valve semi-finished in fire welding and a finished valve blank.
Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in den Zeichnungen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente und Komponenten Bezug zu nehmen.Hereinafter, the same or similar reference numbers will be used throughout the specification and the drawings to refer to the same or similar elements and components.
In
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- innengekühltes Ventilinternally cooled valve
- 1010
- rohrförmiger Vorformlingtubular preform
- 1212
- becherförmiger Vorformlingcup-shaped preform
- 1616
- VentilhalbzeugValve semis
- 1818
- Ventilschaftvalve stem
- 2020
- Ventilkopfvalve head
- 2222
- Ausnehmungrecess
- 2424
- Ventilbodenvalve tray
- 2626
- Ventilrohlingvalve blank
- 2828
- Gesenkdie
- 3030
- Gesenkdie
- 3232
- Kühlmittelcoolant
- 3434
- Öffnung im VentilschaftOpening in the valve stem
- 3636
- VentilschaftendeValve stem end
- 3838
- VentilendstückVentilendstück
- 4040
- Strukturstructure
- 4242
- VentildichtflächeValve sealing surface
- 4444
- Boden / geschlossenes VentilendeBottom / closed valve end
- 4646
- Panzerungplating
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