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In der Praxis werden Klappenventile im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors als sogenannte Abgasklappen eingesetzt. Die Klappenventile weisen in der Regel ein rohrabschnittförmiges Ventilgehäuse auf, durch das ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors leitbar ist. Im Ventilgehäuse ist eine Ventilklappe schwenkbar angeordnet, mittels derer sich der vom Abgas durchströmbare freie Querschnitt des Ventilgehäuses variieren lässt. Die Ventilklappe ist nach einer Bauart auf einer Stellwelle festgeschweißt, die einenends mit einem Aktor koppelbar ist. Als Aktor werden in der Praxis in der Regel ansteuerbare Unterdruckdosen oder elektrisch betätigte Stellmotoren eingesetzt.
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Die Ventilklappe liegt in seiner Schließstellung zumeist an einem gehäuseseitigen Schließanschlag an. Hier kommt es auf ein toleranzarme Passung der zusammenwirkenden Teile an, um im Betriebseinsatz einerseits eine ordnungsgemäße Schließfunktion der Ventilklappe zu gewährleisten und der Entstehung unerwünschter Geräuschemissionen entgegenzuwirken. In der Praxis kommt es jedoch bei der Herstellung des Klappenventils unweigerlich zu einem gewissen Schweißverzug der Ventilklappe. In der Folge ist ein exakter Dichtsitz der Ventilklappe am Schließanschlag häufig nicht oder nur mit einem großen fertigungstechnischen Aufwand zu realisieren.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine vorgenanntes Klappenventil anzugeben, bei dem ein verbesserter (Dicht-)Sitz der Ventilklappe am gehäuseseitigen Schließanschlag auf kostengünstige und reproduzierbare Weise realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen des Klappenventils werden zunächst das Ventilklappe, die Stellwelle und des Ventilgehäuse bereitgestellt. Die Ventilklappe wird an der Stellwelle festgeschweißt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines Laserschweißprozesses, durch den reproduzierbar und auf effiziente Weise ein qualitativ hochwertiges Schweißergebnis erreicht werden kann. In einem weiteren Schritt wird die Stellwelle am Ventilgehäuse montiert. Das bereitgestellte Ventilgehäuse kann beispielsweise zwei Ventilgehäuseschalen, insbesondere Halbschalen, umfassen, die zur Montage der Stellwelle am Ventilgehäuse dauerhaft zusammengefügt werden. In einem nachfolgenden Schritt wird ein Druckstempel und eine Matrize in das Ventilgehäuse mit der darin angeordneten Ventilklappe eingeführt. Nachfolgend wird die Ventilklappe in eine vorgegebene Form druckumgeformt, indem die Ventilklappe mittels des Druckstempels entlang der Bewegungsachse des Druckstempels gegen die Matrize gepresst wird. Die vorgegebene Form, d. h. die Soll-Form, der Ventilklappe erlaubt eine vordefinierte Anlage der Ventilklappe am Schließanschlag des Ventilgehäuses, durch die ein strömungsdichter bzw. im Wesentlichen Strömungsdichter (Dicht-)Sitz der Ventilklappe am Schließanschlag gewährleistet ist.
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Durch das Druckumformen der Ventilklappe können geometrische Formabweichungen der Ventilklappe von dessen vorgegebener Form, wie diese bei insbesondere durch einen fertigungsbedingten Schweißverzug der Ventilklappe auftreten, auf einfache und kostengünstige Weise korrigiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erübrigt sich mithin ein aufwendiges und ggf. repetitiv erforderliches messtechnisches Erfassen der Formabweichungen der Ventilklappe, wie dies bislang für deren Nachbearbeitung erforderlich ist. Zugleich wird eine besonders präzise Passung der Ventilklappe und des gehäuseseitigen Schließanschlags erreicht. Unerwünschten Betriebsgeräuschen der Ventilklappe wird dadurch zuverlässig entgegengewirkt.
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Der Schließanschlag kann vor oder erst nach dem Druckumformen der Ventilklappe am Ventilgehäuse ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise im Wege eines Prägeverfahrens oder aber durch die Montage, d. h. Befestigung, des Schließanschlags am Ventilgehäuse erfolgen. Für die Montage des Schließanschlags kann das Ventilgehäuse erfindungsgemäß insbesondere mit Durchstecköffnungen versehen sein bzw. versehen werden, in die Befestigungsabschnitte des Schließanschlags eingeführt werden, die dann nur außenseitig mit dem Ventilgehäuse verschweißt oder mit dem Ventilgehäuse verpresst werden. Auf diese Weise kann der Schließanschlag einerseits auf einfache Weise und mit nur geringen Fehlertoleranzen am Ventilgehäuse positioniert werden. Zugleich kann dadurch ein unerwünschter Schweißverzug des Ventilgehäuses vermieden oder im Wesentlichen vermieden werden.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann beim Druckumformen der Ventilklappe ein Druckstempel eingesetzt werden, der an seiner der Ventilklappe zuweisenden Stempelseite eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist. Dadurch kann beim Druckumformen ein erwünschtes Fließen des Materials der Ventilklappe, auch quer zur Bewegungsrichtung des Druckstempels erreicht werden. Dadurch kann die Ventilklappe vereinfacht in ihre vorgegebene Soll-Form überführt werden. Nach der Erfindung können die Vorsprünge mehrheitlich, bevorzugt allesamt in ihrer Form und/oder Größe miteinander übereinstimmen. So können die Vorsprünge insbesondere eine pyramidenförmige Grundform aufweisen. Dadurch kann eine plastische Kaltverformung der Ventilklappe in den vom Schweißverzug betroffenen Bereichen besonders zuverlässig erreicht werden, ohne die strukturelle Stabilität der Ventilklappe nachteilig zu beeinflussen.
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Als Ventilklappe kann eine einstückig ausgebildete Profilscheibe, bevorzugt aus Stahl, verwendet werden. Dies bietet fertigungstechnische Vorteile und ermöglicht eine kostengünstige Fertigung des Klappenventils. Die Ventilklappe kann insbesondere eine Aufnahme, insbesondere in Form einer Mittelnut, für die Stellwelle aufweisen. Dadurch kann eine korrekte Positionierung und Befestigung der Ventilklappe an der Stellwelle erheblich vereinfacht werden.
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Zum Druckumformen der Ventilklappe wird vorzugsweise ein Druckstempel eingesetzt, der an seiner der Ventilklappe zuweisenden Stempelseite eine Nut zur Aufnahme der Stellwelle aufweist. Dadurch kann eine unerwünschte Verformung bzw. Beschädigung der Stellwelle sowie auch eine lokale Überbeanspruchung der Ventilklappe im Bereich ihrer Schweißverbindung mit der Stellwelle vermieden werden. Der Druckstempel weist dabei beiderseitig der Nut jeweils eine Umformfläche auf, die sich vom Umfangsrand des Druckstempels zur Mittelnut hin erstreckt. Die beiden Umformflächen können erfindungsgemäß in einer Ebene liegend angeordnet sein oder alternativ zur Mittelnut hin (geringfügig) geneigt verlaufend angeordnet sein. Die beiden Umformflächen weisen in diesem Fall vorzugsweise einen zur Matrize hin offenen Winkel α mit 160° ≤ α ≤ 175° auf. Bei dieser Bauart des Druckstempels kann eine Formabweichung der Ventilklappe von der vorgegebenen Soll-Form der Ventilklappe im Wege der Druckumformung nochmals zuverlässiger kompensiert bzw. korrigiert werden.
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Erfindungsgemäß kann zum Druckumformen der Ventilklappe eine Matrize eingesetzt werden, die an ihrer dem Ventilklappe zuweisenden Matrizenseite eine Nut zur Aufnahme der Stellwelle aufweist. Dadurch kann einer unerwünschten Verformung bzw. Beschädigung der Stellwelle sowie auch der Ventilklappe im Bereich ihrer Schweißverbindung mit der Stellwelle nochmals zuverlässiger entgegengewirkt werden. Die Matrize kann dabei beiderseitig der Nut jeweils eine Umformfläche aufweisen, die sich vom Umfangsrand der Matrize zur Mittelnut hin erstreckt, wobei die beiden Umformflächen in axialer Richtung entweder zur Mittelnut hin geneigt verlaufend angeordnet sind oder in einer Ebene liegend angeordnet sind.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein Klappenventil mit einem rohrabschnittsförmigen Ventilgehäuse, durch das ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs führbar ist, und mit einer im Ventilgehäuse schwenkbar angeordneten Ventilklappe zum Variieren des freien Strömungsquerschnitts des Ventilgehäuses und somit des Abgasstroms, wobei die Ventilklappe an einer Stellwelle festgeschweißt ist, die über eine Kupplung mit einer Aktorwelle eines ansteuerbaren Aktors bewegungsgekoppelt ist, in einer Seitenansicht;
- 2 eine Presse zum Kalibrieren der Ventilklappe auf eine vorgegebene Soll-Form, mit einer in das Ventilgehäuse eingeführten Matrize und mit einem in das Ventilgehäuse eingeführten Druckstempel, mittels dessen die zwischen dem Durchstempel und der Matrize angeordnete und am Ventilgehäuse montierte Segelklappe auf eine vorgegebene Form der Ventilklappe kalibriert wird, in einem geschnittenen Ansicht;
- 3 die Ventilklappe des Klappenventils gemäß 1 nach dem Druckumformen, in einer freigestellten perspektivischen Ansicht;
- 4 die Ventilklappe gemäß 3 in einer Seitenansicht;
- 5 einen in 4 mit „B“ bezeichneten Detailausschnitt der Ventilklappe in einer Seitenansicht;
- 6 die Ventilklappe gemäß 5 in einer Schnittdarstellung entlang der in 5 mit „A-A“ bezeichneten Schnittlinie; und
- 7 ein Blockdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten zum Herstellen eines Klappenventils gemäß 1.
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1 zeigt ein Klappenventil 10, das für den Einbau in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Das Klappenventil 10 weist ein rohrabschnittförmiges Ventilgehäuse 12 auf, durch das ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors leitbar ist. Im Ventilgehäuse 12 ist ein Ventilklappe 14 um eine mit S bezeichnete Schwenkachse schwenkbar angeordnet, mittels derer sich der vom Abgas durchströmbare freie Querschnitt des Ventilgehäuses 12 variierbar ist.
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Die Ventilklappe 14 ist auf einer in 1 aus Darstellungsgründen nur abschnittsweise gezeigten Stellwelle 16 festgeschweißt, die am Ventilgehäuse 12 gelagert ist. Die Stellwelle 16 ist einenends über eine Kupplung 18 mit der Aktorwelle 20 eines Aktors 22 gekoppelt. Der Aktor 22 kann beispielsweise in Form einer Unterdruckdose oder in Form eines elektrisch betätigten Stellmotors ausgeführt sein.
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Die Ventilklappe 14 ist relativ zum Ventilgehäuse 12 zwischen einer in 1 gezeigten Öffnungsstellung und einer Schließstellung am Ventilgehäuse 12 verschwenkbar gelagert. Die Ventilklappe 14 liegt in ihrer Schließstellung, in der die Ventilklappe 14 den Innenquerschnitt des Ventilgehäuses 12 bevorzugt vollständig verlegt, an einem gehäuseseitigen Schließanschlag 24 an. Der Schließanschlag 24 ragt - bezogen auf die Gehäuseachse 26 des Ventilgehäuses 12 - vom Ventilgehäuse 12 innenumfangsseitig in einer radialen Richtung nach innen weg. Der Schließanschlag 24 kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Für einen möglichst großflächigen bzw. in Umfangsrichtung der Ventilklappe 14 unterbrechungsfreien Dichtsitz des Randabschnitts 28 der Ventilklappe 14 am Schließanschlag 24 ist eine besonders toleranzarme Passung der Ventilklappe 14 und des Schließanschlags 24 wesentlich. Dazu muss die Ventilklappe 14 ihre vorgegebene Soll-Form aufweisen, in der diese Passung gegeben ist. Die vorgegebene Form der Ventilklappe 14 ist also diejenige Form der Ventilklappe 14, durch ein Dichtsitz des Randabschnitts 28 am Schließanschlag 24 (1) gewährleistet ist. Der Dichtsitz zeichnet sich durch eine in Umfangsrichtung unterbrechungsfreie Anlage der Ventilklappe 14 an dem zur Anlage der Ventilklappe 14 vorgesehenen Schließanschlag 24 aus.
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In der Praxis kommt es jedoch allein schon beim Erzeugen der Schweißverbindung zwischen der Ventilklappe 14 und der Stellwelle 16 zwangsläufig zu einem zumindest geringfügigen Schweißverzug der scheibenförmigen Ventilklappe 14. Der Umfang des Schweißverzugs sowie auch die Geometrie der mit dem Schweißverzug behafteten Ventilklappe 14 ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig und deshalb überaus variabel. Dadurch kann es im Betriebseinsatz des Klappenventils 10 zu Fehlfunktionen und zu unerwünschten schwingungsbedingten Geräuschemissionen kommen.
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Bei der Herstellung des Klappenventils 10 wird deshalb die an der Stellwelle 16 festgeschweißte und am Ventilgehäuse 12 montierte Ventilklappe 14 mittels einer Druckpresse 100 auf ihre vorgegebene (Soll-)Form kalibriert.
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Die Druckpresse 100 umfasst gemäß 2 einen Druckstempel 102, der hier in einer zur Gehäuseachse 26 axialen Richtung über eine erste Öffnung 30 des Ventilgehäuses 12 in das Ventilgehäuse 12 eingeführt ist. Eine Matrize 104 der Druckpresse 100 ist über eine der ersten Öffnung 32 gegenüberliegend angeordnete zweite Öffnung 32 des Ventilgehäuses 12 in einer zur Gehäuseachse 26 axialen Richtung in das Ventilgehäuse 12 eingeführt. Die Ventilklappe 14 ist mithin zwischen dem Druckstempel 102 und der Matrize 104 angeordnet. Der Druckstempel 102 ist in axialer Richtung entlang der mit der Gehäuseachse 26 zusammenfallenden Hub- oder Bewegungsachse 106 des Druckstempels 102 in Richtung auf die Matrize 104 bewegbar, wie dies mit dem Pfeil 108 gekennzeichnet ist. Dadurch kann die Ventilklappe mit ihren beiden Klappenflügeln 14a, 14b gegen die Matrize 104 gepresst und so in ihre vorgegebene Form, d. h. ihre Soll-Form, druckumgeformt werden. Der Druckstempel 102 und die Matrize 104 definieren also die vorgegebene Soll-Form der an der Stellwelle 16 festgeschweißten Ventilklappe 14. Der Druckstempel 102 kann beispielsweise hydraulisch oder elektromotorisch betätigbar sein.
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Die der Matrize 104 zuweisende Stempelseite 110 des Druckstempels 102 und die dem Druckstempel 102 zuweisende Matrizenseite 112 weisen hier jeweils eine Nut 114 auf, die der Aufnahme der Stellwelle 16 dienen. Dadurch wird sichergestellt, dass die beiderseitig der Stellwelle 16 angeordneten Segel oder Klappenflügel 14a, 14b der Ventilklappe 14 druckumgeformt werden können, ohne dass dabei die Stellwelle 16 und die Schweißverbindung (in der Zeichnung nicht gezeigt) zwischen der Stellwelle 16 und der Ventilklappe 14 beschädigt werden.
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Die Stempelseite 110 des Druckstempels umfasst zwei erste Umformflächen 116, die beiderseitig der Nut 114 angeordnet sind. Die beiden ersten Umformflächen 116 sind hier jeweils in derselben Ebene angeordnet. Selbiges gilt für die zweiten Umformflächen 118 der Matrizenseite 112.
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Nach einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ausführungsform der Erfindung können die ersten Umformflächen 116 des Druckstempels 102 auch zur Nut des Druckstempels 102 hin geneigt verlaufend angeordnet sein. Diese Umformflächen 116 schließen in diesem Fall einen zur Matrize 104 hin offenen Winkel α ein, der dann kleiner als 180° ist. Der Winkel α kann insbesondere zwischen 165° und 175° betragen. Bei dieser Bauart sind die zweiten Umformflächen 118 der Matrizenseite 112 in dazu entsprechender Weise zur Nut 114 der Matrize 104 hin schräg verlaufend angeordnet. Die zweiten Umformflächen 118 schließen dabei einen zum Druckstempel 102 hin offenen Winkel β ein, der in seiner Größe mit dem Winkel α übereinstimmt.
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Die Stempelseite 110, genauer die ersten Umformflächen 116, ist/sind hier mit einer Vielzahl von Profilvorsprüngen 120 versehen. Die Profilvorsprünge 120 sind jeweils voneinander beabstandet an dem Druckstempel 102 angeordnet und sind hier beispielhaft baugleich ausgeführt. Die Profilvorsprünge 120 sind jeweils pyramidenstumpfförmig ausgebildet und weisen einen quadratischem Querschnitt auf. Die Profilvorsprünge 120 dringen bei der Druckumformung der Ventilklappe 14 in das Material der Ventilklappe 14 ein. Dadurch wird ein erwünschtes Kaltfließen des Materials der Ventilklappe 14, insbesondere auch quer zur Bewegungsachse 106 des Druckstempels 102, unterstützt.
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Die 3 und 4 zeigen eine Ventilklappe 10, die in ihre vorgegebene Form ungeformt wurde, in einer perspektivischen Ansicht (3) und in einer Seitenansicht (4). Die Ventilklappe 14 weist eine Mittelnut 34 auf, die sich über den gesamten Durchmesser der Ventilklappe 14 erstreckt. Die Mittelnut 34 dient der Aufnahme der Stellwelle 16 und ermöglicht so eine vereinfachte und exakte Positionierung und Befestigung der Ventilklappe 14 an der Stellwelle 16.
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Die Ventilklappe 14 weist an ihrer durch den Druckstempel 102 kontaktierten Oberseite 35 im Bereich beider Klappensegel 14a, 14b eine zu den Profilvorsprüngen 120 des Druckstempels 102 korrespondierende Anzahl von Einbuchtungen oder Vertiefungen 36 auf. Die Vertiefungen 36 sind quer zur Schwenkachse S der Stellwelle (1) jeweils mehrreihig angeordnet. Keine der Vertiefungen 124 schneidet den freien Randabschnitt 28 der Stellwelle 16, um so eine unter Abdichtungsgesichtspunkten vorteilhafte streng kreislinienförmige Außenkontur der Ventilklappe 14 sowie einen beidseitig plan ausgeführten umlaufenden Randabschnitt 28 zu gewährleisten. Der Randabschnitt 28 der Ventilklappe 14 liegt in Schließstellung der Ventilklappe 14 an dem Schließanschlag 24 des Ventilgehäuses an. Die Vertiefungen 36 und somit auch die dazu korrespondierenden Profilvorsprünge 120 (2) des Druckstempels 102 stimmen in ihrer Geometrie und Größe jeweils miteinander überein. Die Vertiefungen 36 sind dementsprechend im Sinne einer Negativform der Profilvorsprünge 120 (2) pyramidenförmig ausgeführt und weisen gemäß der Detaildarstellung in 5 eine quadratische Öffnung 38 auf.
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Gemäß der in 6 gezeigten ausschnittsweise gezeigten Schnittdarstellung der Ventilklappe 14 schließen die einander gegenüberliegend angeordneten Seitenflanken 40 der Vertiefungen 36 jeweils einen Flankenwinkel γ von ungefähr 90° ein. Die Vertiefungen 36 weisen eine einheitliche Tiefe t auf, die kleiner ist, als die Materialdicke d der Ventilklappe 14. Die Tiefe t beträgt vorzugsweise weniger als die Hälfte, ganz besonders bevorzugt weniger als ein Drittel der Materialdicke d der Ventilklappe 14.
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Nahfolgend ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren 200 für ein vorstehend erläutertes Klappenventil 10 unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 7 erläutert. Das Herstellungsverfahren 200 umfasst die folgenden Schritte:
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In einem ersten Schritt 202 wird die Ventilklappe 14, die Stellwelle 16 und das Ventilgehäuse 12 bereitgestellt. In einem weiteren Schritt 204 wird die Ventilklappe 14 an der Stellwelle 16 festgeschweißt. Dies kann insbesondere im Wege des Laserschweißens erfolgen. In einem weiteren Schritt 206 wird die Stellwelle am Ventilgehäuse 12 montiert. In einem nachfolgenden Schritt 208 werden der Druckstempel 102 und die Matrize 104 in das Ventilgehäuse 12 eingeführt. In einem weiteren Schritt 210 wird die Ventilklappe 14 in eine vorgegebene Form druckumgeformt, durch die eine definierte Anlage der Ventilklappe 14 am Schließanschlag 24 des Ventilgehäuses 12 ermöglicht ist, indem das Ventilklappe 14 mittels des Druckstempels 102 in Richtung der Bewegungsachse 106 des Druckstempels 102 gegen die Matrize 104 gepresst wird. Beim Druckumformen der Ventilklappe 14 dringen die Profilvorsprünge 120 des Druckstempels 102 in das Material der Ventilklappe 14 ein und unterstützen so ein Kaltfließen des Materials der Ventilklappe 14, insbesondere auch quer zur Bewegungsachse 106 (2) des Druckstempels 102. Die Profilvorsprünge 120 zeichnen sich in der auf die Soll-Form kalibrierten Ventilklappe 14 jeweils als eine Vertiefung 36 ab.
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In einem nachfolgenden Schritt 212 wird der Schließanschlag 24 am Ventilgehäuse - ausgebildet. So kann der Schließanschlag dabei insbesondere als ein zuvor bereitgestelltes separates Bauteil am Ventilgehäuse 12 montiert, insbesondere festgeschweißt, werden. Der Schließanschlag 24 kann grundsätzlich vor oder erst nach dem Kalibrieren, d. h. nach dem Druckumformen 210 der Ventilklappe 14 in die vorgegebene Form, am Ventilgehäuse 12 ausgebildet werden.
