DE102022117119A1

DE102022117119A1 - Friction-welded cavity valve, components thereof and tool for producing same

Info

Publication number: DE102022117119A1
Application number: DE102022117119.1A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Matthias; Olaf Josef; Stefan Kellermann
Original assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Current assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Priority date: 2022-07-08
Filing date: 2022-07-08
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2024008839A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilboden (2) mit einer Verzahnung (16), die als Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung (24) zur Übertragung eines Drehmoments beim Reibschweißen versehen ist sowie ein Haltewerkzeug (40) für den Ventilboden wobei das Haltewerkzeug (40) an einem Ende mit einer komplementären Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung versehen ist.The present invention relates to a valve base (2) with a toothing (16), which is provided as a stepped toothing or sawtooth toothing (24) for transmitting torque during friction welding, and to a holding tool (40) for the valve base, the holding tool (40) being at one end is provided with complementary stepped teeth or sawtooth teeth.

Description

Gebiet der ErfindungField of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft Hohlraumventile, bei denen der Hohlraum am Ventilteller durch Reibschweißen eines Ventilbodens geschlossen wird, sowie zugehöriger Ventilboden und Werkzeug zum Halten des Ventilbodens.The present invention relates to cavity valves in which the cavity on the valve plate is closed by friction welding a valve base, as well as associated valve base and tool for holding the valve base.

Stand der TechnikState of the art

Ventile (bzw. Tellerventile) von Brennkraftmaschinen, insbesondere Auslassventile, werden im Betrieb thermisch hoch beansprucht. So können im Bereich des Übergangs vom Ventilteller in den Ventilschaft Temperaturen von über 800°C auftreten, wodurch die Festigkeit des Ventilwerkstoffes erheblich reduziert wird. Einlassventile erreichen Temperaturen von ca. 300°C bis 550°C, Auslassventile können über 900°C heiß werden. Durch den Einsatz von natriumgekühlten Ventilen, d.h. Hohlraumventilen, in deren Hohlraum sich Natrium als Kühlmedium befindet (sogenannte Shaker-Kühlung), kann die Temperatur der Ventile um bis zu 150°C reduziert werden. Ein vergrößerter Hohlraum, der sich nicht nur entlang einer Bohrung im Ventilschaft erstreckt, sondern sich auch radial über die Bohrung hinaus in den Ventilteller erstreckt, führt zu einer stärkeren Kühlung und auch zu einer Reduzierung des Gewichtes.Valves (or poppet valves) of internal combustion engines, especially exhaust valves, are subjected to high thermal stress during operation. Temperatures of over 800°C can occur in the area of the transition from the valve plate to the valve stem, which significantly reduces the strength of the valve material. Intake valves reach temperatures of approx. 300°C to 550°C, exhaust valves can reach temperatures of over 900°C. By using sodium-cooled valves, i.e. cavity valves in whose cavity there is sodium as a cooling medium (so-called shaker cooling), the temperature of the valves can be reduced by up to 150°C. An enlarged cavity that not only extends along a bore in the valve stem but also extends radially beyond the bore into the valve disc results in greater cooling and also a reduction in weight.

Hohlraumventile sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Reibschweißen als Verbindungtechnologie ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.Cavity valves are well known in the art. Friction welding as a joining technology is also known from the prior art.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumventils besteht darin, zunächst einen Ventilkörper herzustellen, dann an der Ventilbodenseite einen Hohlraum in den Ventilkopf einzubringen (z.B. durch Drehen, Bohren oder Fräsen). Dieser Hohlraum an dem Ventilteller wird verschlossen, indem ein Deckel, bzw. ein Ventilboden, mit dem Ventilkörper verschweißt wird. Vorteil dieses Verfahrens gegenüber umformtechnisch hergestellten Hohlraumventilen ist eine höhere Variabilität des Hohlraums, d.h. durch das nachträgliche Verschweißen des Ventils mit einem Deckel besteht die Möglichkeit, die Geometrie des Hohlraumes flexibler zu gestalten.One method for producing a cavity valve is to first produce a valve body, then to introduce a cavity into the valve head on the valve base side (e.g. by turning, drilling or milling). This cavity on the valve plate is closed by welding a cover or a valve base to the valve body. The advantage of this process compared to cavity valves manufactured using metal forming is a higher variability of the cavity, i.e. by subsequently welding the valve to a cover it is possible to make the geometry of the cavity more flexible.

Üblicherweise wird das Verschweißen von Hohlraumventilen durch einfache Verfahren, wie z.B. Laserschweißen oder Lichtbogenschweißen, vorgenommen; vgl. z.B. DE 10209770 A1 . Diese Verfahren unterliegen jedoch Beschränkungen in ihrer Anwendbarkeit. Beispielsweise müssen beim Laserschweißen Schweißstoß und Laserfokus exakt positioniert werden, was teure Führungselemente bedingt, beim Lichtbogenschweißen sind nur geringe Schweißgeschwindigkeiten möglich und es entstehen hohe Einbrandtiefen, d.h. große Wärmeeinflusszonen, was zu Verzug und einer Beeinflussung der Materialeigenschaften führt, und beim Reibscheißen kommt es zur Bildung großer Schweißwülste, was eine Nachbearbeitung nötig macht, die im Hohlraum, d.h. im Inneren des Ventils jedoch nicht möglich ist, so dass die dortige Schweißwulst stehen bleibt und die Kühlung negativ beeinflusst.The welding of cavity valves is usually carried out using simple processes such as laser welding or arc welding; cf. e.g DE 10209770 A1 . However, these methods have limitations in their applicability. For example, in laser welding, the weld joint and laser focus must be positioned precisely, which requires expensive guide elements, in arc welding only low welding speeds are possible and high penetration depths arise, i.e. large heat-affected zones, which leads to distortion and an influence on the material properties, and friction welding results in formation large weld beads, which requires post-processing, which is not possible in the cavity, ie inside the valve, so that the weld bead remains there and negatively affects the cooling.

Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein bekanntes Reibschweißverfahren sowie die dazugehörigen Werkzeuge für eine Reibschweißverbindung zwischen einem Deckel (d.h. dem Ventilboden) und dem Ventilkörper (d.h. Hohlventil ohne Ventilboden) verbessert bereitzustellen.The aim of the present invention is to provide an improved friction welding method and the associated tools for a friction welding connection between a cover (i.e. the valve base) and the valve body (i.e. hollow valve without a valve base).

Die vorliegende Erfindung stellt einen Ventilboden sowie ein Haltewerkzeug für einen Ventilboden zum Reibschweißen mit den Merkmalen jeweils der unabhängigen Ansprüche bereit. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The present invention provides a valve base and a valve base holding tool for friction welding having the features of the independent claims. Preferred embodiments are described in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilboden mit einer Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung oder einer Hirth-Verzahnung an einer Ventilbodenfläche zur Übertragung eines Drehmoments beim Reibschweißen bereitgestellt.According to a first aspect of the present invention, a valve base is provided with step teeth or sawtooth teeth or Hirth teeth on a valve bottom surface for transmitting a torque during friction welding.

Die Ausführungen der Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung sind gegenüber einer Hirth-Verzahnung für Reibschweißanwendungen weniger exakt, können jedoch erheblich billiger hergestellt werden. Es ist möglich eine solche Verzahnung an einem Ventilboden in einem Sinterprozess oder durch Schmieden vorzugsweise Gesenkschmieden herzustellen. Durch die geringeren Toleranzen kann es möglich werden gröbere Strukturen zu verwenden und die Press- und Schmiedewerkzeuge länger im Einsatz zu halten.The designs of step teeth or sawtooth teeth are less precise than Hirth teeth for friction welding applications, but can be manufactured significantly cheaper. It is possible to produce such a toothing on a valve base in a sintering process or by forging, preferably drop forging. The smaller tolerances make it possible to use coarser structures and keep the pressing and forging tools in use longer.

Bei einer Ausführungsform des Ventilbodens weist dieser an einer Ventilbodenfläche eine umlaufende Zylinderwand oder eine umlaufende Kegelstumpfwand auf. Diese befindet sich hierbei radial außerhalb der Verzahnung. Eine Zylinderwand oder auch eine Kegelstumpfwand kann beispielsweise beim Schmieden oder beim Herstellen eines Ventilbodens durch ein pulvermetallurgisches Verfahren als umlaufender Grat entstehen, der an sich nicht gewünscht ist. Bei der vorliegenden Ausführung kann eine derartige Zylinder- oder Kegelstumpfwand jedoch zum Zentrieren des Ventilbodens an dem Haltewerkzeugs einer Reibschweißmaschine dienen. Es ist wird auch vorgesehen durch den Grat eine eventuelle Verwendung einer Vakuum-Haltevorrichtung zu verbessern, da der Grat zur Abdichtung des Spalts zwischen Kontaktflächen des Ventilbodens und des Haltewerkzeugs beitragen kann. Es ist ebenfalls vorgesehen anstelle eines mehr oder minder unregelmäßigen Grates eine Zylinderwand oder eine Kegelstumpfwand mit einer definierten Höhe und einer definierten Wanddicke an dem Ventilboden vorzusehen. Eine definierte Wand weist den Vorteil auf, dass diese so ausgestaltet werden kann, dass eine sichere Handhabung der Ventilböden möglich ist, ohne dass eine Gefahr besteht, dass der Grat beim Handhaben beschädigt werden könnte.In one embodiment of the valve base, it has a circumferential cylinder wall or a circumferential truncated cone wall on a valve base surface. This is located radially outside the teeth. A cylinder wall or a truncated cone wall can, for example, arise as a circumferential ridge during forging or when producing a valve base using a powder metallurgical process, which is not desirable in itself. In the present embodiment, however, such a cylinder or truncated cone wall can serve to center the valve base on the holding tool of a friction welding machine. The burr is also intended to improve any possible use of a vacuum holding device, as the burr can help seal the gap between contact surfaces of the valve base and the holding tool. It is Also provided is to provide a cylinder wall or a truncated cone wall with a defined height and a defined wall thickness on the valve base instead of a more or less irregular ridge. A defined wall has the advantage that it can be designed in such a way that safe handling of the valve bases is possible without there being a risk that the burr could be damaged during handling.

Ein Grat, der eine Zylinderwand bildet, kann sich ergeben, wenn der Ventilboden in einem zylinderförmigen Gesenk geschmiedet wird. Ein Grat, der eine Kegelstumpfwand bildet, kann sich ergeben, wenn der Ventilboden in einem Gesenk geschmiedet wird, das ebenfalls eine Kegelstumpfwand umfasst.A burr forming a cylinder wall can result when the valve base is forged in a cylindrical die. A burr forming a truncated cone wall can result when the valve base is forged in a die that also includes a truncated cone wall.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Ventilbodens bildet die Verzahnung eine verallgemeinerte Kronenradverzahnung. Die Zähne der Verzahnung stehen also nicht in Radialrichtung ab wie es von Stirnädern bekannt ist, sondern erstrecken sich in Umfangsrichtung, wobei die einzelnen Zähne in Axialrichtung vorstehen. Der Begriff „verallgemeinert“ ist hier so zu verstehen, dass der Begriff auch nicht-klassische Verzahnungen umfasst, deren Lückenbreite bzw. deren mittlerer Flankenabstand zwischen den Zähnen sich von der Zahnbreite unterscheidet.In an additional embodiment of the valve base, the toothing forms a generalized crown gear toothing. The teeth of the toothing do not protrude in the radial direction, as is known from spur gears, but extend in the circumferential direction, with the individual teeth protruding in the axial direction. The term “generalized” is to be understood here as meaning that the term also includes non-classic gearings whose gap width or the average flank distance between the teeth differs from the tooth width.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilbodens ist die Verzahnung als Stufenverzahnung, insbesondere als Rechteckverzahnung oder Trapezverzahnung, oder als Sägezahnverzahnung ausgeführt. Anstelle einer bekannten Hirth-Verzahnung wird bei dieser Ausführung eine weniger genaue dafür jedoch deutlich billiger und einfacher herzustellende Verzahnung gewählt. Auch die Prägeform / das Gesenk bzw. die Pressstempel zur Herstellung des Ventilbodens können deutlich vereinfacht werden. Vor allem durch eine Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung kann erreicht werden, dass höhere Flankenwinkel zur Übertragung des Drehmoments beim Schweißen zur Verfügung stehen, die eine größere Kraftübertragung bei gleicher Zahnhöhe gestatten.In a further embodiment of the valve base, the toothing is designed as a stepped toothing, in particular as a rectangular toothing or trapezoidal toothing, or as a sawtooth toothing. Instead of a known Hirth toothing, a less precise but significantly cheaper and easier to produce toothing is chosen in this version. The embossing mold/die or press punch for producing the valve base can also be significantly simplified. Above all, step gearing or sawtooth gearing can ensure that higher flank angles are available for transmitting the torque during welding, which allows greater power transmission with the same tooth height.

Bei einer anderen Ausführungsform des Ventilbodens ist die Stufenverzahnung oder die Sägezahnverzahnung mit in Radialrichtung gleichbleibender Zahnhöhe ausgeführt. Hier wird anders als bei der Hirth-Verzahnung, in Radialrichtung immer die gleiche Zahnhöhe verwendet, wodurch insgesamt weniger Material nach dem Reibschweißen abgetragen werden muss. Auch hier ist eine Kronenverzahnung mit einheitlicher Zahnhöhe einfacher und damit kostengünstiger herstellbar. Diese einfachere Herstellung betrifft dabei auch die Schmiedeform bzw. das Gesenk oder die Presstempel, die zur Herstellung der Ventilböden erforderlich sind.In another embodiment of the valve base, the stepped toothing or the sawtooth toothing is designed with a tooth height that remains the same in the radial direction. Unlike Hirth gearing, the same tooth height is always used in the radial direction, which means that overall less material has to be removed after friction welding. Here too, crown toothing with a uniform tooth height is easier and therefore more cost-effective to produce. This simpler production also affects the forging mold or the die or the press rams that are required to produce the valve bases.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Ventilbodens weist die Stufenverzahnung im Deckel eine gleichbleibende Lückenweite auf. Der Begriff „Lückenweite“ beschreibt den Abstand der Flanken der Verzahnung in Umfangsrichtung auf halber Höhe der Zähne bzw. der halben Zahnhöhe der Verzahnung. Im Falle einer Kronenverzahnung kann dieser Wert von dem Radius abhängen in dem gemessen wird. Bei der vorliegenden Verzahnung besteht diese Beschränkung nicht. Im Falle einer als Rechteck-, Trapez oder Sägezahn-Verzahnung ausgeführten Verzahnung mit in Radialrichtung gleichbleibender Zahnhöhe, bilden die Lücken der Verzahnung am Deckel Nuten mit konstanter Höhe und konstanter Breite. Dies gestattet eine derartige Verzahnung besonders einfach herzustellen, wobei jede der Nuten durch einfaches Einpressen oder Sägen hergestellt werden kann.In a further embodiment of the valve base, the stepped toothing in the cover has a constant gap width. The term “gap width” describes the distance between the flanks of the toothing in the circumferential direction at half the height of the teeth or half the tooth height of the toothing. In the case of crown teeth, this value can depend on the radius in which the measurement is made. This limitation does not apply to the present gearing. In the case of a toothing designed as a rectangular, trapezoid or sawtooth toothing with a constant tooth height in the radial direction, the gaps in the toothing on the cover form grooves with a constant height and a constant width. This allows such a toothing to be produced particularly easily, with each of the grooves being able to be produced by simply pressing in or sawing.

Bei einer zusätzlichen Ausführung des Ventilbodens bildet die Stufenverzahnung oder die Sägezahnverzahnung eine Geradeverzahnung oder eine Radialverzahnung. Dabei verlaufen die Mitten der Lücken bzw. die Mitten der Zähne geradlinig in Radialrichtung nach außen. Sie verlaufen bei dieser Ausführung geradlinig in Radialrichtung. Hier kann bei einer Geradeverzahnung können die einzelnen Zähne bzw. Lücken bzw. die Mittelinien der Zähne oder Lücken gerade verlaufen, müssen sich jedoch nicht alle in einem Schnittpunkt treffen. Hier ist vor allem eine Form ähnlich dem Torq-Set Schrauben-Antrieb zu nennen, der für drehmomentkritische Anwendungen entwickelt wurde, und in der Luftfahrt zum Einsatz kommt. Hier können die Flanken, asymmetrisch so versetzt sein, dass die Kräfte beim Anziehen senkrecht auf die Flanken wirken, wodurch der Reibschweißvorgang weiter verbessert werden kann.With an additional design of the valve base, the stepped toothing or the sawtooth toothing forms a straight toothing or a radial toothing. The centers of the gaps or the centers of the teeth run in a straight line in the radial direction outwards. In this version they run in a straight line in the radial direction. With straight teeth, the individual teeth or gaps or the center lines of the teeth or gaps can run straight, but they do not all have to meet at an intersection. What should be mentioned here is a form similar to the Torq-Set screw drive, which was developed for torque-critical applications and is used in aviation. Here the flanks can be asymmetrically offset in such a way that the forces during tightening act vertically on the flanks, which can further improve the friction welding process.

Bei einer anderen Ausführungsform des Ventilbodens ist die Stufenverzahnung oder die Sägezahnverzahnung als eine Kurvenverzahnung ausgeführt. Die Zähne bzw. die Lücken bzw. die Mitte der Zähne bzw. der Lücken verlaufen in Radialrichtung auf einem gekrümmten Pfad, sodass sich eine Form wie bei einem kurvenverzahnten Kegelrad nur in einer Ausführung als Kronrad ergibt, der Anblick einer solchen Verzahnung entspricht in etwa dem Blick in den Ansaugstutzen eines Turboladers, wobei der Anblick im ehesten durch das kyrillische Zahlensymbol für Million dargestellt werden kann:

In another embodiment of the valve base, the stepped toothing or the sawtooth toothing is designed as a cam toothing. The teeth or the gaps or the middle of the teeth or the gaps run in the radial direction on a curved path, so that a shape like a cam-toothed bevel gear only results in a version as a crown gear, the appearance of such a toothing corresponds approximately to that Looking into the intake manifold of a turbocharger, the sight can best be represented by the Cyrillic number symbol for million:

Eine weitere Ausführung des Ventilbodens weist einen Zentralbereich einer Außenfläche auf der Seite der Verzahnung auf, die im Wesentlichen einer Endform eines späteren Ventilbodens entspricht. Bei dieser Ausführung weist der Deckel in der Mitte der Verzahnung eine Einbuchtung auf, die bereits der Endform des Ventilbodens entspricht. Der Deckel weist damit keine zentrale kegelförmige Zentrierbohrung auf, sondern ist lediglich mit einem Sackloch versehen, dessen Grund im Wesentlichen der Endform des Ventilbodens in diesem Bereich entspricht, wobei kleine Nacharbeiten wie Oberflächenveredelungen, Polieren, Formdrehen und dergleichen noch möglich sein sollen. Die Endform ist dabei soweit angenähert, dass grobe Bearbeitungen wie ein Abfräsen mit einem Schrubbfräser oder ein Schrubbdrehen nicht notwendig und sinnvoll sind. Die Abweichungen von der endgültigen Endform betragen hier weniger als 1 mm, bevorzugt 0,5mm und weiter bevorzugt unter 0,3mm. Diese Ausführung basiert darauf, dass ein maximal mögliches übertragbares Drehmoment mit der Entfernung zu einer Rotationsachse steigt. Es wird hier hauptsächlich Material und Bearbeitungszeit für eine nicht notwendige Nacharbeit eingespart.A further embodiment of the valve base has a central region of an outer surface on the side of the toothing, which essentially corresponds to a final shape of a later valve base. In this version, the cover has an indentation in the middle of the teeth, which already corresponds to the final shape of the valve base. The lid therefore has no central conical center rierbohrung, but is only provided with a blind hole, the bottom of which essentially corresponds to the final shape of the valve base in this area, although small rework such as surface finishing, polishing, shape turning and the like should still be possible. The final shape is approximated to such an extent that rough machining such as milling with a scrub cutter or scrub turning is not necessary and makes sense. The deviations from the final final shape are less than 1 mm, preferably 0.5 mm and more preferably less than 0.3 mm. This design is based on the fact that the maximum possible transferable torque increases with the distance to a rotation axis. This mainly saves material and processing time for unnecessary rework.

Eine andere Ausführung des Ventilbodens ist so gestaltet, dass der Ventilboden in einem Randbereich im Wesentlichen der Endform entspricht. Diese Ausführung entspricht einer Ausführung bei der der Randbereich nicht mit einer Stufenkupplung bzw. Sägezahnkupplung versehen ist. Der Randbereich des Ventilbodens ist dabei nahe der Endform ausgelegt, wobei Reibschweißgrate, die beim Reibschweißen entstehen noch entfernt werden müssen. Durch die Reibschweißnähte- bzw. -grate kann es notwendig sein diesen Bereich auch mit Schruppfräsern oder Schrupp-Drehstählen zu bearbeiten. Hier ist für eine Ausführung mit einer Zylinderwand zu beachten, dass der Ventilboden einen größeren Durchmesser aufweist als ein Außendurchmesser der Zylinderwand. Diese Ausführung wurde vorgesehen, um Effekte ungleichmäßiger Kühlung durch verschiedene Wärmeleitpfade zu verringern. Hier wird auf Kosten des möglichen zu übertragenden Drehmoments der mögliche Wärmeeinfluss durch einen gekühlten Halter verringert.Another version of the valve base is designed in such a way that the valve base essentially corresponds to the final shape in an edge region. This version corresponds to a version in which the edge area is not provided with a stepped coupling or sawtooth coupling. The edge area of the valve base is designed close to the final shape, with friction welding burrs that arise during friction welding still having to be removed. Due to the friction weld seams or burrs, it may be necessary to machine this area with rough milling cutters or rough turning tools. For a version with a cylinder wall, it should be noted that the valve base has a larger diameter than an outer diameter of the cylinder wall. This design was designed to reduce the effects of uneven cooling through different heat conduction paths. Here, the possible heat influence is reduced by a cooled holder at the expense of the possible torque to be transmitted.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Ventilboden beginnt Verzahnung mit einem Axialabstand zwischen 0,1 und 3mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 2mm und weiter bevorzugt zwischen 0,3 und 1mm von der späteren Ventiltellerfläche. Damit soll beschrieben werden, dass die tiefste Stelle einer Lücke in der Verzahnung nicht weiter als 0,1 bis 1 mm von der Endform des Ventilbodens entfernt ist. Bei dieser Ausführung ist die Höhe des Ventilbodens maximal verringert, um die Nacharbeitung des Ventils am Ventilboden zu minimieren. Die Höhe des Ventilbodens ist dabei so gering, dass ohne eine Kühlung eine Gefahr besteht, dass der Deckel bei einem Reibschweißvorgang mit einem Reibschweißwerkzeug verschmilzt. Die Verwendung dieses Deckels ist mit einem herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich, da es zu einem zu großen Wärmeübertrag von der Schweißstelle zum Haltewerkzeug des Ventilbodens kommen würde, sodass eine Verschweißung oder zumindest Effekte von Feuerverschweißungen auftreten können. Es besteht ebenfalls die Gefahr, dass durch die große Nähe zur Schweißnaht die Verzahnung beim Schweißen durch Erwärmen geschwächt wird, so dass es zu einem Versagen der Verzahnung kommen könnte. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Verwendung eines entsprechenden gekühlten Haltewerkzeugs ermöglicht. Dabei wird die Kontaktfläche des Ventilbodens mit dem Haltewerkzeug so stark gekühlt, dass keine Materialverbindung zwischen dem Ventilboden und dem Haltewerkzeug auftreten und ebenfalls die Verzahnung so stark gekühlt wird, dass es zu keiner kritischen Situation kommt. Hier wird die Verzahnung mit einem Axialabstand zwischen 0,1 und 3mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 2mm und weiter bevorzugt zwischen 0,3 und 1mm von der späteren Ventiltellerfläche beginnen. Diese Ausführung kann nur zusammen mit einem entsprechend gekühlten Haltewerkzeug verwendet werden.In an additional embodiment of the valve base, toothing begins with an axial distance between 0.1 and 3mm, preferably between 0.2 and 2mm and more preferably between 0.3 and 1mm from the later valve plate surface. This is intended to describe that the deepest point of a gap in the toothing is no more than 0.1 to 1 mm away from the final shape of the valve base. In this version, the height of the valve base is reduced to a maximum in order to minimize the need for reworking of the valve on the valve base. The height of the valve base is so low that without cooling there is a risk that the cover will fuse with a friction welding tool during a friction welding process. The use of this cover is not possible with a conventional manufacturing process because there would be too much heat transfer from the welding point to the holding tool of the valve base, so that welding or at least effects of fire welding can occur. There is also a risk that the close proximity to the weld seam will weaken the teeth due to heating during welding, which could lead to the teeth failing. This is made possible according to the invention by using a corresponding cooled holding tool. The contact surface of the valve base with the holding tool is cooled to such an extent that no material connection occurs between the valve base and the holding tool and the toothing is also cooled to such an extent that a critical situation does not arise. Here the toothing will begin with an axial distance between 0.1 and 3mm, preferably between 0.2 and 2mm and more preferably between 0.3 and 1mm from the later valve plate surface. This version can only be used together with an appropriately cooled holding tool.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Haltewerkzeug für einen Ventilboden bereitgestellt, wobei das Haltewerkzeug an einem Ende mit einer Stufenverzahnung oder Sägezahnverzahnung oder Hirth-Verzahnung versehen ist, die zu der Stufenverzahnung oder Sägezahnanstelle des zugehörigen Ventilbodens komplementär ist. Hier wird ein Haltewerkzeug beschrieben, das dazu verwendet werden kann, einen der vorstehend beschriebenen Ventilböden für einen Reibschweißvorgang zu halten.According to a further aspect of the present invention there is provided a holding tool for a valve base, the holding tool being provided at one end with a stepped toothing or sawtooth or Hirth toothing which is complementary to the stepped toothing or sawtooth in place of the associated valve bottom. A holding tool is described here that can be used to hold one of the valve bases described above for a friction welding process.

Bei einer Ausführungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden weist das Haltewerkzeug an dem Ende mit der Stufenverzahnung oder der Sägezahnverzahnung oder der Hirth-Verzahnung mindestens eine Ansaugöffnung auf, die sich zumindest teilweise in Axialrichtung erstreckt, wobei die Ansaugöffnung mit einem relativ geringeren Druck beaufschlagt werden kann. Diese Ansaugöffnung ist also entweder mit einer Ansaugvorrichtung versehen oder die Vorrichtung ist mit einer Überdruckvorrichtung versehen, die es gestattet einen höheren Umgebungsdruck zu erzeugen sodass in der Ansaugöffnung ein geringerer Druck als in einer Umgebung besteht. Hier wird ein Haltewerkzeug beschrieben, das es gestattet einen Ventilboden durch Unterdruck zu halten, der durch Reibschweißen mit einem zugehörigen Hohlventilrohling verbunden werden soll. Durch eine kontinuierliche Ansaugung kann verhindert werden, dass der Ventilboden von dem Haltewerkzeug herabfällt, bevor er zum Reibschweißen gegen den Ventilrohling gepresst wird.In one embodiment of the holding tool for a valve base, the holding tool has at least one suction opening at the end with the stepped toothing or the sawtooth toothing or the Hirth toothing, which extends at least partially in the axial direction, wherein the suction opening can be subjected to a relatively lower pressure. This suction opening is therefore either provided with a suction device or the device is provided with an overpressure device which allows a higher ambient pressure to be generated so that there is a lower pressure in the suction opening than in the surroundings. A holding tool is described here that allows a valve base to be held by negative pressure, which is to be connected to an associated hollow valve blank by friction welding. Continuous suction can prevent the valve base from falling off the holding tool before it is pressed against the valve blank for friction welding.

In einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs ist das Haltewerkzeug mit einer Anlagefläche für eine Zylinder- oder Kegelstumpfwand an dem Ventilboden versehen. Die Anlagefläche erstreckt sich radial außerhalb der Verzahnung um diese. Auch diese Version ist ausgelegt, um einen der vorstehend beschriebenen Ventilböden aufzunehmen, wobei der Spalt zwischen der Zylinder- oder Kegelstumpfwand des Ventilbodens und der Anlagefläche an dem Haltewerkzeug möglichst gering zu halten ist. Mit einem geringen Spaltmaß kann einerseits eine Zentrierung erreicht werden und andererseits eine Abdichtung des Spalts zwischen dem Haltewerkzeug und dem Ventilboden verbessert werden, um beispielsweise eine Vakuumbefestigung des Ventilbodens an dem Haltewerkzeug zu ermöglichen.In an additional embodiment of the holding tool, the holding tool is provided with a contact surface for a cylinder or truncated cone wall on the valve base. The contact surface extends radially outside the teeth around. This version is also designed to accommodate one of the valve bases described above, with the gap between the cylinder or truncated cone wall of the valve base and the contact surface on the holding tool being kept as small as possible. With a small gap dimension, centering can be achieved on the one hand and, on the other hand, sealing of the gap between the holding tool and the valve base can be improved, for example to enable vacuum attachment of the valve base to the holding tool.

In einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden ist dieses mit einer Dichtung versehen, die geeignet ist, einen Fluiddurchgang zwischen Kontaktflächen zwischen dem Haltewerkzeug und dem Ventilboden zu verhindern oder zumindest zu verringern. Bevorzugt ist diese Dichtung in einem Bereich der Anlagefläche für eine Zylinder- oder Kegelstumpfwand angeordnet. In dieser zusätzlichen Ausführungsform kann an dem Haltewerkzeug für einen Ventilboden zusätzlich eine Dichtung angebracht sein, die einerseits eine Rückhaltefunktion und andererseits eine Abdichtfunkton erfüllen kann. Mit einer besseren Abdichtfunktion ist es möglich den Ventilboden durch einen Unterdruck am Haltewerkzeug zu halten bevor der Ventilboden rotierend zum Reibschweißen gegen einen Ventilrohling gepresst wird.In an additional embodiment of the holding tool for a valve base, it is provided with a seal which is suitable for preventing or at least reducing fluid passage between contact surfaces between the holding tool and the valve base. This seal is preferably arranged in an area of the contact surface for a cylinder or truncated cone wall. In this additional embodiment, a seal can also be attached to the holding tool for a valve base, which can fulfill a retaining function on the one hand and a sealing function on the other. With a better sealing function, it is possible to hold the valve base on the holding tool using negative pressure before the valve base is rotatingly pressed against a valve blank for friction welding.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Haltewerkzeugs ist dieses mit mindestens einem Kühlkanal versehen ist, der innerhalb des Haltewerkzeugs verläuft. In dieser weiteren Ausführungsform ist das Haltewerkzeug mit einem Kühlkanal versehen, durch den große Mengen an Kühlmittel geleitet werden können. Bei herkömmlichen Reibschweißvorgängen kann ein Haltewerkzeug wie eine Spannzange nur mit einem Mindestabstand zu einer Schweißnaht angesetzt werden, das es sonst vorkommen könnte, dass die Wärme der Schweißnaht einen negativen Effekt auf die Spannzange ausüben könnte. Hier ist ein Spannungsfreiglühen oder eine Rekristallisation möglich, die vermieden werden sollte. Außerdem kann der Kraftschluss bei erhöhten Temperaturen verringert sein. Durch mindestens einen Kühlkanal kann erreicht werden, dass sich eine kleinere Wärmeeinflusszone bildet. Dieser Effekt kann während des Schweißens selber gering ausfallen, zudem wenn die Schweißtemperatur und Wärmeleistung beim Schweißen die Kühlleistung deutlich übersteigt. Ein nicht so offensichtlicher Vorteil besteht jedoch in einer möglichen Steigerung der Taktrate, da das Werkzeug schneller seine für den Betrieb notwendige Temperatur erreicht, und bei dem Takten zwischen den Schweißvorgängen schneller abkühlt. Der Wärmeeinfluss wird hier durch längere und andauernde Abkühlung auch in den Schweißpausen begrenzt.In a further embodiment of the holding tool, it is provided with at least one cooling channel which runs within the holding tool. In this further embodiment, the holding tool is provided with a cooling channel through which large quantities of coolant can be passed. In conventional friction welding processes, a holding tool such as a collet can only be placed at a minimum distance from a weld seam, otherwise it could happen that the heat of the weld seam could have a negative effect on the collet. Stress relief or recrystallization is possible here and should be avoided. In addition, the adhesion can be reduced at elevated temperatures. At least one cooling channel can ensure that a smaller heat-affected zone is formed. This effect can be minor during the welding itself, even if the welding temperature and heat output during welding significantly exceeds the cooling output. However, a not so obvious advantage is a possible increase in the cycle rate, as the tool reaches the temperature required for operation more quickly and cools down more quickly when cycled between welding processes. The influence of heat is limited here by longer and continuous cooling, even during welding breaks.

Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Haltewerkzeugs weist dieses im Wesentlichen eine Drehsymmetrie auf und der mindestens eine Kühlkanal verläuft zumindest teilweise koaxial zu dieser Drehsymmetrieachse. Hier kann durch eine geeignete Auswahl der Kühlkanalgeometrie eine deutlich erhöhte Kühlleistung erzielt werden.In an additional embodiment of the holding tool, it essentially has rotational symmetry and the at least one cooling channel runs at least partially coaxially with this axis of rotational symmetry. Here, a significantly increased cooling performance can be achieved through a suitable selection of the cooling channel geometry.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Haltewerkzeugs ist dieses zumindest teilweise durch ein 3-D Druckverfahren hergestellt. Die zumindest teilweise Verwendung eines 3-D Druckverfahrens für das Werkzeug gestattet es relativ einfach auch komplizierte Kühlkanäle und Ansaugöffnungen für eine Beaufschlagung mit einem Unterdruck auch in relativ komplizierten Geometrien auszuführen.In a further embodiment of the holding tool, it is at least partially manufactured using a 3-D printing process. The at least partial use of a 3-D printing process for the tool makes it relatively easy to create even complicated cooling channels and suction openings for applying a negative pressure, even in relatively complicated geometries.

Bei einer anderen Ausführungsform des Haltewerkzeugs für einen Ventilboden weist dieses eine Stufenverzahnung, die als Rechteck- oder Trapezverzahnung ausgeführt ist oder eine Sägezahnverzahnung auf, die komplementär zu einer Verzahnung eines Ventilbodens gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11 ist.In another embodiment of the holding tool for a valve base, it has a step toothing which is designed as a rectangular or trapezoidal toothing or a sawtooth toothing which is complementary to a toothing of a valve base according to one of claims 4 to 11.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen beschrieben.

1 bis 6 zeigen einen Reibschweißvorgang bei dem Ventilboden, wo über einen Hohlraum in einem Ventilkopf geschweißt wird.
7 bis 11 zeigen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Ventilböden mit unterschiedlichen Verzahnungen.
12 bis 16 stellen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Ventilböden mit unterschiedlichen Verzahnungen dar, die teilweise mit zylinder- und/oder kegelförmigen Anlageflächen versehen sind.
17 bis 24 zeigen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Haltewerkzeuge, die mit den erfindungsgemäßen Ventilböden verwendet werden können.

The present invention is described below using representations of exemplary embodiments.

1 until 6 show a friction welding process on the valve base, where welding takes place over a cavity in a valve head.
7 until 11 show embodiments of valve bases according to the invention with different toothing.
12 until 16 represent embodiments of valve bases according to the invention with different toothings, some of which are provided with cylindrical and / or conical contact surfaces.
17 until 24 show embodiments of holding tools according to the invention that can be used with the valve bases according to the invention.

Sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Es ist zudem eine Bezugszeichenliste angegeben, die für alle Figuren gültig ist. Die in den Figuren dargestellten Ausführungen sind lediglich schematisch und stellen nicht notwendigerweise die tatsächlichen Größenverhältnisse dar.Both in the description and in the drawing, the same reference numbers are used for the same or similar elements or components. A list of reference symbols is also given which is valid for all figures. The designs shown in the figures are only schematic and do not necessarily represent the actual proportions.

1 bis 6 zeigen einen Reibschweißvorgang bei dem der Ventilboden über einen Hohlraum 8 in einem Ventilkopf 12 geschweißt wird. In der 1 ist ein Ventilboden 2 in einer Schnittansicht dargestellt, wobei in der Mitte eine Strömungsbeinflussungsstruktur 50 vorgesehen ist. In der Mitte ist durch eine Strichpunktlinie eine Drehsymmetrieachse eingezeichnet. Unten in der Mitte des Ventilbodens 2 ist eine Zentrieröffnung 52 vorgesehen, in die ein entsprechender Dorn an einem Haltewerkzeug eingreifen kann. Die Zentrieröffnung 52 umgebend ist eine Verzahnung zum Eingriff mit einem Haltewerkzeug vorgesehen, über die Axial- und Drehkräfte übertragen werden können. Der Ventilboden 2 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. 1 until 6 show a friction welding process in which the valve base is welded via a cavity 8 in a valve head 12. In the 1 a valve base 2 is shown in a sectional view, with a flow leg in the middle communication structure 50 is provided. An axis of rotational symmetry is drawn in the middle by a dashed line. A centering opening 52 is provided at the bottom center of the valve base 2, into which a corresponding mandrel on a holding tool can engage. Surrounding the centering opening 52 is a toothing for engagement with a holding tool, via which axial and rotational forces can be transmitted. The valve base 2 has a substantially cylindrical shape.

2 stellt eine Explosionsansicht aus dem Ventilboden 2 der 1 und einer Teilansicht eines Ventilkörpers 4 sowie einem Haltwerkzeug für den Ventilboden 38 dar. Das Haltwerkzeug ist mit einer zu der Verzahnung 16 des Ventilbodens 2 komplementären Verzahnung 18 versehen. 2 represents an exploded view from the valve base 2 of the 1 and a partial view of a valve body 4 and a holding tool for the valve base 38. The holding tool is provided with teeth 18 that are complementary to the teeth 16 of the valve base 2.

3 zeigt die Elemente der 2 am Beginn eines Reibeschweißvorgangs. Der Ventilkörper 4 ist von oben drehbar und in Axialrichtung verschiebbar in einer Arbeitsspindel einer Reibschweißvorrichtung eingespannt. Der Ventilboden 2 liegt auf dem Haltwerkzeug 40 auf und die Verzahnung 16 und die komplementäre Verzahnung 18 stehen miteinander in Eingriff. Nun wird durch die nicht dargestellte Arbeitsspindel der Ventilkörper in Rotation versetzt und leicht gegen den Ventilboden 2 gedrückt. Durch die Drehung wird durch die Reibung zwischen den Kontaktflächen des Ventilkörpers 4 und dem Ventilboden 2 Reibungswärme erzeugt, bis eine Erweichungstemperatur erreicht wird. 3 shows the elements of the 2 at the beginning of a friction welding process. The valve body 4 can be rotated from above and is clamped in a work spindle of a friction welding device so that it can be moved in the axial direction. The valve base 2 rests on the holding tool 40 and the teeth 16 and the complementary teeth 18 are in engagement with one another. Now the valve body is set in rotation by the work spindle, not shown, and pressed lightly against the valve base 2. As a result of the rotation, frictional heat is generated by the friction between the contact surfaces of the valve body 4 and the valve base 2 until a softening temperature is reached.

In der 4 wurde durch die Reibung eine Temperatur erreicht, die ein Verschweißen ermöglicht, und der Ventilkörper 4 wurde nach unten gepresst, sodass das erweichte Metall in dem schraffierten Überlappungsbereich 10 und in angrenzenden Bereichen zu einem erheblichen Maß nach außen und innen verdrängt und vermischt wird. Durch die Verdrängung und eine Vermischung von Material entsteht eine Schweißverbindung unter Bildung von nicht dargestellten Schweißgraten. Die Schweißgrate wurden hier der Klarheit der Figuren wegen nicht dargestellt. Nach einem Abkühlen des nun vorliegenden Hohlventilrohling ist der Ventilkörper 4 mit dem Ventilboden 2 verschweißt.In the 4 The friction reached a temperature that enables welding, and the valve body 4 was pressed downwards, so that the softened metal in the hatched overlap area 10 and in adjacent areas is displaced and mixed to a considerable extent outwards and inwards. The displacement and mixing of material creates a welded connection with the formation of weld burrs (not shown). The weld burrs are not shown here for the sake of clarity of the figures. After the hollow valve blank that is now present has cooled, the valve body 4 is welded to the valve base 2.

In 5 wurde das Haltwerkzeug 40 entfernt und man kann erkennen, dass der mit dem Ventilboden 2 verschweißte Ventilkörper 4 noch einiger Arbeitsschritte bedarf.In 5 The holding tool 40 was removed and it can be seen that the valve body 4 welded to the valve base 2 still requires a few work steps.

In 6 ist dargestellt, wie man durch spanendes Bearbeiten eine Endform des Ventilrohlings durch Drehen mit einem Drehmeißel herstellt. Spanende Bearbeitungsschritte sind im Allgemeinen nicht besonders effektiv. Die bisher verwendeten Formen von Ventilböden weisen alle den Nachteil auf, dass der Anteil des Ventilbodens, der später durch ein spanendes verfahren entfernt werden muss sehr hoch ist. Zum einen werden Verzahnungen verwendet, die empfindlich auf eine Erweichung des Materials durch Wärmeeinfluss reagieren. Weiterhin weisen insbesondere große Zentrieröffnungen 52 zur Aufnahme von Zentrierdornen 54 von Haltewerkzeugen einen erheblichen Platzbedarf in Axialrichtung auf.In 6 shows how to produce a final shape of the valve blank by machining by turning it with a turning tool. Machining operations are generally not particularly effective. The forms of valve bases used so far all have the disadvantage that the proportion of the valve base that later has to be removed using a machining process is very high. On the one hand, gears are used that react sensitively to softening of the material due to the influence of heat. Furthermore, large centering openings 52 in particular for receiving centering pins 54 of holding tools require considerable space in the axial direction.

Durch den Zentrierdorn 54 und eine Notwendigkeit die Temperatur der Verzahnung zumindest des Haltewerkzeugs vor einem Ausglühen und einem damit verbundenen Festigkeitsverlust zu bewahren ist es erforderlich einen Mindestabstand in Axialrichtung zwischen der Schweißstelle und der Verzahnung aufrecht zu erhalten. Durch diesen Mindestabstand erscheint es bisher nicht ohne weiteres möglich eine spanende Endbearbeitung durchzuführen, bei der nicht große Teile des angeschweißten Ventilbodens 4 wieder entfernt werden müssen.Due to the centering mandrel 54 and a need to protect the temperature of the toothing of at least the holding tool from annealing and an associated loss of strength, it is necessary to maintain a minimum distance in the axial direction between the welding point and the toothing. Due to this minimum distance, it does not appear to be easily possible to carry out final machining without requiring large parts of the welded valve base 4 to be removed again.

7 zeigt einen Ventilboden 2 mit einer Hirth-Verzahnung 26 in einer teilgeschnittenen perspektivischen Ansicht, ohne eine Zentrieröffnung 52. Hier wird der Ventilboden nur durch die Form der Verzahnung zentriert. Der Ventilboden 2 kann beispielsweise durch eine Magnetisierung an dem Haltewerkzeug 40 angebracht werden. Der Ventilboden 2 wird sich selbst zentrieren so bald ein Reibschweißvorgang gestartet wird. Dadurch, dass der Ventilboden direkt vor einem Aufsetzen auf das Werkzeug magnetisiert wird, können die meisten Probleme, die mit magnetisierten Komponenten in einer Fertigung verbunden sind, umgangen werden. 7 shows a valve base 2 with a Hirth toothing 26 in a partially sectioned perspective view, without a centering opening 52. Here the valve base is centered only by the shape of the toothing. The valve base 2 can be attached to the holding tool 40, for example by magnetization. The valve base 2 will center itself as soon as a friction welding process is started. By magnetizing the valve base directly before it is placed on the tool, most of the problems associated with magnetized components in production can be avoided.

In den 7 bis 11 sollten gekühlte Haltewerkzeuge verwendet werden, um eine zu starke Erwärmung des Haltewerkzeugs 40 und insbesondere der komplementären Verzahnung 18 des Haltewerkzeugs 40 entgegenzuwirken.In the 7 until 11 Cooled holding tools should be used to counteract excessive heating of the holding tool 40 and in particular the complementary teeth 18 of the holding tool 40.

In der 8 wird anstelle der Dreiecksverzahnung eine Sägezahnverzahnung 24 verwendet, die den Vorteil aufweist, dass sie in einer Richtung ein viel höheres Drehmoment übertragen kann als eine Dreiecksverzahnung. Diese Verzahnung gestattet es ebenfalls, das Drehmoment und die aufzubringende Axialkraft völlig unabhängig voneinander einzustellen.In the 8th Instead of the triangular toothing, a sawtooth toothing 24 is used, which has the advantage that it can transmit a much higher torque in one direction than a triangular toothing. This gearing also allows the torque and the axial force to be applied to be adjusted completely independently of each other.

9 stellt eine Trapezverzahnung 22 dar, die an dem Ventilboden 2 eingesetzt wird. Eine Trapezverzahnung 22 gestattet es aufgrund der Zähne 28 mit einer höheren Zahnbreite größere Drehmomente zu übertragen. Weiterhin gestattet es eine Trapezverzahnung 22 die Verzahnung in Axialrichtung flacher zu gestalten. Je nach Wahl der zugrundeliegenden Trapezform ist es auch hier möglich die Anpresskraft frei im Verhältnis zur Drehkraft zu wählen. Je steiler die Anlageflächen in Umfangsrichtung stehen desto geringer ist die Gefahr dass die Verzahnung einen Zahn 28 überspringt. 9 represents a trapezoidal toothing 22, which is used on the valve base 2. A trapezoidal toothing 22 allows larger torques to be transmitted due to the teeth 28 with a larger tooth width. Furthermore, a trapezoidal toothing 22 allows the toothing to be made flatter in the axial direction. Depending on the choice of the underlying trapezoidal shape, it is also possible to freely select the contact pressure in relation to the rotational force. The steeper the contact surfaces in the circumferential direction stand, the lower the risk that the toothing will skip a tooth 28.

10 stellt einen Ventildeckel 2 mit einer Rechteckverzahnung 20 dar. Diese Ausführung weist den Vorteil auf, dass sie einerseits selbstzentrierend ist, und andererseits eine gleichmäßige Kraftübertragung ermöglicht. Zudem gestattet eine Rechteckverzahnung 20 eine relativ geringer Bauhöhe der Verzahnung in Axialrichtung. Das Herstellen einer derartigen Verzahnung ist jedoch sehr aufwändig, da beide Flanken und der Grund jedes Zahns und jeder Lücke einzeln winkelgetreu gefräst werden müssen, und nicht einfach durch Sägen hergestellt werden können. Die Rechteckverzahnung 20 kann in beide Drehrichtungen hohe Drehmomente übertragen. 10 represents a valve cover 2 with a rectangular toothing 20. This design has the advantage that, on the one hand, it is self-centering and, on the other hand, enables uniform force transmission. In addition, a rectangular toothing 20 allows a relatively low overall height of the toothing in the axial direction. However, producing such a toothing is very complex, since both flanks and the base of each tooth and each gap must be milled individually at the correct angle and cannot simply be produced by sawing. The rectangular toothing 20 can transmit high torques in both directions of rotation.

11 zeigt einen Ventilboden 2 mit einer Rechteckverzahnung 20, die Zähne 28 mit einer gleichbleibenden Zahnbreite aufweist. Die komplementäre Verzahnung 18 an der Haltevorrichtung 40 weist eine gleichbleibende Lückenweite auf. Hier kann die Haltevorrichtung 40 und auch ein Gesenk oder eine Pressform für Ventilböden durch einen Sägevorgang hergestellt werden, ohne dass hier komplizierte Fräsvorgänge zur Anwendung kommen müssen. Solange die Zahnbreite der Zähne 28 der Verzahnung 16 des Ventilbodens 2 groß genug ist, können auch ausreichend große Drehmomente übertragen werden. Der Ventilboden 4 ist mit einem zentralen Bereich versehen, der nahe an der Endform 56 des Ventilbodens liegt. Dadurch muss quasi nur noch die Verzahnung 16 des Ventilbodens 2 nach dem Verschweißen entfernt werden. Durch die große zentrale Ansaugöffnung 44 der 11 ist es möglich den Ventilboden 2 durch einen Unterdruck an das Haltewerkzeug anzusaugen. 11 shows a valve base 2 with a rectangular toothing 20, which has teeth 28 with a constant tooth width. The complementary toothing 18 on the holding device 40 has a constant gap width. Here, the holding device 40 and also a die or a press mold for valve bases can be produced by a sawing process without having to use complicated milling processes. As long as the tooth width of the teeth 28 of the toothing 16 of the valve base 2 is large enough, sufficiently large torques can be transmitted. The valve base 4 is provided with a central area which is close to the final shape 56 of the valve base. This means that only the toothing 16 of the valve base 2 needs to be removed after welding. Through the large central suction opening 44 11 It is possible to suck the valve base 2 onto the holding tool using a negative pressure.

12 bis 16 stellen Ausführungsformen mit Verzahnungen dar wie sie bereits in den 7 bis 11 verwendet wurden. Die Ausführungen sind weiter mit einem Grat 34 oder einer Zylinderwand 36 bzw. Rohrwand versehen, die sich in Radialrichtung außerhalb der Verzahnung jeweils in Axialrichtung zum Werkzeughalter erstreckt. 12 until 16 represent embodiments with gearing as already shown in the 7 until 11 were used. The designs are further provided with a ridge 34 or a cylinder wall 36 or tube wall, which extends in the radial direction outside the teeth in the axial direction to the tool holder.

12 zeigt eine Ausführung eines Ventilbodens 2 mit einer Hirth-Verzahnung 26, und einem Press-, Guss- oder Schmiedegrat 34. Der Grat 34 bildet eine Art Rohransatz, der es gestattet den Ventilboden 2 gegenüber dem Haltewerkzeug 40 zu zentrieren. Durch die Außenzentrierung ist es ebenfalls möglich einen sehr geringen Spalt zwischen dem Haltewerkzeug 40 und dem Ventilboden 2 zu verwirklichen. Hier kann das Haltewerkzeug zusätzlich mit einer Ansaugöffnung bzw. einem Ansaugkanal 44 versehen werden, durch den der Ventildeckel auf dem Haltewerkzeug gehalten werden kann. Der so gehaltene Ventilboden 2 kann durch Reibung und durch das Ansaugen handhabungssicher auf dem Halter 40 gehalten werden. Sobald der Reibschweißvorgang beginnt, sorgt die Hirth-Verzahnung 26 dafür, dass der Ventildeckel 4 sich nicht gegenüber dem Haltwerkzeug 40 verdrehen kann. 12 shows an embodiment of a valve base 2 with a Hirth toothing 26, and a pressed, cast or forged burr 34. The burr 34 forms a kind of pipe extension, which allows the valve base 2 to be centered relative to the holding tool 40. Due to the external centering, it is also possible to achieve a very small gap between the holding tool 40 and the valve base 2. Here the holding tool can additionally be provided with a suction opening or a suction channel 44 through which the valve cover can be held on the holding tool. The valve base 2 held in this way can be held safely on the holder 40 by friction and suction. As soon as the friction welding process begins, the Hirth toothing 26 ensures that the valve cover 4 cannot rotate relative to the holding tool 40.

In der 13 ist die Ausführung der 8 zusätzlich mit einer direkt angeformten Zylinderwand 36 und nicht nur mit einem Grat 34 versehen, die eine sichere Zentrierung gestattet. Hier kann die Wanddicke der Zylinderwand 36 so groß gewählt werden, dass sie sich auch bei jeglicher Handhabung bei und nach dem Herstellungsprozess nicht verformen kann. Die Höhe der Wand in Axialrichtung ist so bemessen, dass sie gerade die Verzahnung des Haltewerkzeugs 40 abdeckt.In the 13 is the execution of the 8th additionally provided with a directly molded cylinder wall 36 and not just with a ridge 34, which allows secure centering. Here, the wall thickness of the cylinder wall 36 can be chosen so large that it cannot deform even with any handling during and after the manufacturing process. The height of the wall in the axial direction is such that it just covers the teeth of the holding tool 40.

Die 14 basiert auf der Ausführung der 9 mit der Trapezverzahnung 22. Auch hier ist eine Zylinderwand 34 direkt angeformt.The 14 is based on the execution of the 9 with the trapezoidal teeth 22. Here too, a cylinder wall 34 is formed directly.

Die 15 basiert auf der Ausführung der 10 mit der Rechteckverzahnung 20. Im Unterscheid zu den 12 bis 14 ist die Zylinderwand 36 und auch das Haltewerkzeug 40 mit einer konischen Anlagefläche 42 versehen. Die konische Anlagefläche 42 des Haltwerkzeugs 40 vereinfacht die Handhabung. Der Ventilboden wird durch die konische Anlagefläche 38 beim Aufstecken auf das Haltewerkzeug 40 selbst zentriert, Ein Einrasten der Rechteckverzahnung 20 kann durch eine Ermittlung einer Axialposition des Ventilbodens 2 in Bezug auf das Haltewerkzeug sicher ermittelt werden. Das Haltwerkzeug 40 der 15 ist mit einer konischen Anlagefläche versehen. Durch ein Zusammenwirken der Kegelfläche 38 und der konischen Anlagefläche 42 kann zudem eine Abdichtung bezüglich eines Unterdrucks in dem Ansaugkanal 44 erreicht werden, diese Ausführung erfordert jedoch sehr geringe Toleranzen bei der Fertigung.The 15 is based on the execution of the 10 with the rectangular toothing 20. In contrast to the 12 until 14 the cylinder wall 36 and also the holding tool 40 are provided with a conical contact surface 42. The conical contact surface 42 of the holding tool 40 simplifies handling. The valve base is self-centered by the conical contact surface 38 when it is plugged onto the holding tool 40. Snapping of the rectangular toothing 20 can be reliably determined by determining an axial position of the valve base 2 in relation to the holding tool. The holding tool 40 the 15 is provided with a conical contact surface. Through an interaction of the conical surface 38 and the conical contact surface 42, a seal with regard to a negative pressure in the intake channel 44 can also be achieved, but this design requires very small tolerances during production.

Die 16 basiert auf der Ausführung der 11 mit der Rechteckverzahnung 20 mit konstanten Zahnbreite auf Seiten des Ventilbodens 2. Auch hier wurde eine Zylinderwand 36 hinzugefügt, die einen Zylinderabschnitt und eine Kegelfläche oder eine Kegelanlagefläche 38, Kegelwand, bzw. Kegelinnenfläche 38 umfasst. Die Kegel-Anlagefläche 38 dient hier nur zur Zentrierung beim Aufstecken des Ventilbodens 4 auf das Haltwerkzeug 40. Das Haltwerkzeug 40 ist nicht mit einer konischen Anlagefläche 42 versehen und daher kann diese Ausführung nicht dazu dienen eine Abdichtung bezüglich eines Unterdrucks in dem Ansaugkanal zu erreichen.The 16 is based on the execution of the 11 with the rectangular toothing 20 with constant tooth width on the side of the valve base 2. Here too, a cylinder wall 36 was added, which includes a cylinder section and a conical surface or a cone contact surface 38, cone wall, or inner cone surface 38. The cone contact surface 38 here only serves for centering when the valve base 4 is placed on the holding tool 40. The holding tool 40 is not provided with a conical contact surface 42 and therefore this design cannot serve to achieve a seal with regard to a negative pressure in the intake channel.

Das Haltewerkzeug 40 ist mit einer konischen Anlagefläche versehen. Die konische Anlagefläche vereinfacht die Handhabung. Der Ventilboden wird durch die konische Anlagefläche 38 beim Aufstecken auf den Halter selbst zentriert, Ein Einrasten der Rechteckverzahnung 20 kann durch eine Ermittlung einer Axialposition des Ventilbodens 2 in Bezug auf das Haltewerkzeug sicher ermittelt werden.The holding tool 40 is provided with a conical contact surface. The conical contact surface simplifies handling. The valve base is centered by the conical contact surface 38 when it is placed on the holder. It clicks into place The rectangular toothing 20 can be reliably determined by determining an axial position of the valve base 2 in relation to the holding tool.

17 stellt einen Schnitt durch ein Haltewerkzeug 40 mit einem Zentrierdorn 54 dar. Wie zu erkennen ist, erfordert die Verwendung eines Zentrierdorns 54 eine erhebliche axiale Höhe des Ventilbodens 2. Alleine durch den Formfaktor des Zentrierdorns 54 muss an dem zugehörigen Ventilboden mehr Material angebracht werden als ohne den Zentrierdorn 54 notwendig wäre. 17 shows a section through a holding tool 40 with a centering mandrel 54. As can be seen, the use of a centering mandrel 54 requires a considerable axial height of the valve base 2. Due to the form factor of the centering mandrel 54 alone, more material must be attached to the associated valve base than without the centering mandrel 54 would be necessary.

18 zeigt einen Schnitt in Axialrichtung durch ein Haltewerkzeug 40 mit einem verkürzten Zentrierdorn 54, das zusätzlich mit einem Kühlkanal 46 versehen ist. Der Kühlkanal 46 verläuft wendelförmig, im Zulauf und biegt dann nahe dem Ende ab um koaxial in Längsrichtung nach innen in Axialrichtung Kühlmittel abzuleiten. Durch den Kühlkanal 46 kann die Temperatur des Haltewerkzeugs und insbesondere die der Verzahnung des Haltewerkzeugs deutlich gesenkt werden. Dies ermöglicht es auch Ventilböden zu verwenden, die eine geringere axiale Abmessung aufweisen, und deren Verzahnung sich beim Reibschweißen stärker erwärmt. Durch die aktive Kühlung kann die Temperatur der Verzahnungen jeweils unter den kritischen Werten gehalten werden, sodass ein Versagen der Verzahnung auf Seiten des Ventilbodens ausgeschlossen werden kann und thermisch bedingte Materialbeeinträchtigungen wie Härteverringerungen auf Seiten des Haltewerkzeugs vermieden werden können. 18 shows a section in the axial direction through a holding tool 40 with a shortened centering mandrel 54, which is additionally provided with a cooling channel 46. The cooling channel 46 runs helically in the inlet and then bends near the end in order to drain coolant coaxially in the longitudinal direction inwards in the axial direction. Through the cooling channel 46, the temperature of the holding tool and in particular that of the teeth of the holding tool can be significantly reduced. This also makes it possible to use valve bases that have a smaller axial dimension and whose teeth heat up more during friction welding. Through active cooling, the temperature of the gearing can be kept below the critical values, so that failure of the gearing on the valve base side can be ruled out and thermally caused material impairments such as hardness reductions on the holding tool side can be avoided.

19 stellt eine Ausführung eines Haltewerkzeugs 40 mit selbstzentrierender Verzahnung dar, bei der völlig auf einen Zentrierdorn 54 verzichtet wurde. Weiterhin sind in dem Haltewerkzeug 40 ein Kühlmantel als Kühlkanal 46 eingelassen, der sich in Umfangsrichtung erstreckt. Es ist ebenfalls vorgesehen einzelne in Axialrichtung verlaufende u-förmige Kühlkanäle 46 einzusetzen. 19 represents an embodiment of a holding tool 40 with self-centering teeth, in which a centering mandrel 54 was completely dispensed with. Furthermore, a cooling jacket is embedded in the holding tool 40 as a cooling channel 46, which extends in the circumferential direction. It is also intended to use individual U-shaped cooling channels 46 running in the axial direction.

20 zeigt ein Haltewerkzeug mit einem koaxialen Kühlkanal 46, bei dem das Kühlmittel außen in Axialrichtung koaxial zugeführt wird, bis zum Ende mit der Verzahnung fließt, oben nach innen strömt, und dann innen koaxial zurückgeleitet wird. Diese Ausführung gestattet es eine große Menge von Kühlmittel schnell zu dem zu kühlenden Ende zu leiten, und dadurch eine große Kühlleistung zu erzielen. 20 shows a holding tool with a coaxial cooling channel 46, in which the coolant is supplied coaxially on the outside in the axial direction, flows to the end with the teeth, flows inwards at the top, and is then returned coaxially on the inside. This design allows a large amount of coolant to be directed quickly to the end to be cooled, thereby achieving high cooling performance.

21 zeigt eine ähnliche Ausführung, bei der die Zuleitung des Kühlmittels durch einen Hohlzylinderförmigen Kühlkanal 46 geleitet wird und das Kühlmittel innen durch einen zylinderförmigen Kühlkanal 46 wieder abfließt. Auch hier können große Mengen Kühlmittel durch das Haltewerkzeug geleitet werden. 21 shows a similar embodiment in which the supply line of the coolant is passed through a hollow cylindrical cooling channel 46 and the coolant flows out again inside through a cylindrical cooling channel 46. Here too, large amounts of coolant can be passed through the holding tool.

22 stellt ein Haltewerkzeug 40 dar, das mit einer zentralen Ansaugleitung versehen ist, die dazu dient einen aufgesetzten Ventilboden durch einen Umgebungsdruck an dem Haltewerkzeug 40 zu halten. Um eine Abdichtung und einen höheren Unterdruck zwischen de, Haltewerkzeug 40 und einem nicht dargestellten Ventilboden 2 zu erreichen sind außen an dem Haltewerkzeug Dichtringnuten angeordnet in denen hitzebeständige Dichtelemente 48 wie Dichtringe eingelegt sind. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, hier Kolbenringe einzusetzen deren mechanische und thermische Stabilität für den vorliegenden Anwendungsfall als ausreichend zu betrachten sind. 22 represents a holding tool 40, which is provided with a central suction line, which serves to hold an attached valve base on the holding tool 40 by an ambient pressure. In order to achieve a seal and a higher negative pressure between the holding tool 40 and a valve base 2, not shown, sealing ring grooves are arranged on the outside of the holding tool, in which heat-resistant sealing elements 48 such as sealing rings are inserted. It can also be provided here to use piston rings whose mechanical and thermal stability are considered sufficient for the present application.

23 stellt eine Kombination der Haltewerkzeuge 40 der 20 und 22 dar, wobei der koaxiale Kühlkanal 46 der 20 mit dem zentralen Ansaugkanal 44 der 22 kombiniert wurde. Diese Ausführung gestattet ein Halten eines nicht dargestellten Ventilbodens durch einen Unterdruck und ein Kühlen des Ventilbodens und des Haltewerkzeugs 40 durch die Kühlkanäle 46. Das Haltewerkzeug ist hier mit einer konischen Anlagefläche versehen, um eine bessere Abdichtung zusammen mit einem Ventilboden mit einem Grat 34 oder einer Zylinderwand 36 zu ermöglichen. Zudem kann diese Ausführung mit Ausnahme der Verzahnung auf einer Drehmaschine hergestellt werden. 23 represents a combination of the holding tools 40 20 and 22 represents, whereby the coaxial cooling channel 46 of 20 with the central intake channel 44 of the 22 was combined. This embodiment allows a valve base, not shown, to be held by a negative pressure and the valve base and the holding tool 40 to be cooled through the cooling channels 46. The holding tool is here provided with a conical contact surface in order to achieve a better seal together with a valve base with a ridge 34 or a Cylinder wall 36 to enable. In addition, this version can be manufactured on a lathe with the exception of the gearing.

24 stellt eine Kombination der Haltewerkzeuge 40 der 20 und 21 dar, wobei der koaxiale Kühlkanal 46 der 20 mit dem koaxial verlaufenden rohrförmigen Ansaugkanal 44 kombiniert wurde. Diese Ausführung weist eine Drehsymmetrie, von 180, 120, 90, 72, oder 60° oder niedriger auf, die es gestattet den Ansaugkanal 44 zwischen die Zu- und Ablaufteile des Kühlkanals 46 zu verlegen. Dadurch wird zwischen den Zulauf und dem Ablauf des Kühlmittels eine Art Vakuumisolation gebildet, sobald ein Ventilboden durch Unterdruck auf dem Ende mit der Verzahnung gehalten wird. 24 represents a combination of the holding tools 40 20 and 21 represents, whereby the coaxial cooling channel 46 of 20 was combined with the coaxially extending tubular intake channel 44. This embodiment has a rotational symmetry of 180, 120, 90, 72, or 60 ° or lower, which allows the suction channel 44 to be relocated between the inlet and outlet parts of the cooling channel 46. This creates a kind of vacuum insulation between the inlet and outlet of the coolant as soon as a valve base is held on the end with the teeth by negative pressure.

BezugszeichenlisteReference symbol list

22: VentilbodenValve base
44: VentilkörperValve body
88th: Hohlraumcavity
1010: Überlappungsbereich in dem eine erhebliche Materialverdrängung stattfindetOverlap area in which significant material displacement takes place
1212: VentilkopfValve head
1414: Drehstahlturning steel
1616: Verzahnung des VentilbodenInterlocking of the valve base
1818: komplementäre Verzahnung des Haltewerkzeugscomplementary teeth of the holding tool
2020: RechteckverzahnungRectangular teeth
2222: TrapezverzahnungTrapezoidal teeth
2424: SägezahnverzahnungSawtooth teeth
2626: Hirth-VerzahnungHirth gearing
2828: ZahnTooth
3030: Lückegap
3232: Lücke mit gleichbleibender BreiteGap with constant width
3434: Gratridge
3636: Zylinderwandcylinder wall
3838: Kegelförmige Anlagefläche des VentilbodensConical contact surface of the valve base
4040: Haltewerkzeug für einen VentilbodenHolding tool for a valve base
4242: Kegelförmige Anlagefläche des HaltewerkzeugsConical contact surface of the holding tool
4444: Ansaugöffnung / AnsaugkanalIntake opening / intake channel
4646: KühlkanalCooling channel
4848: DichtelementSealing element
5050: StrömungsbeinflussungsstrukturFlow influencing structure
5252: Zentrieröffnungcentering opening
5454: Zentrierdorncentering mandrel
5656: EndformFinal form

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10209770 A1 [0005]

Claims

Valve base (2) with a toothing (16), which is designed as a stepped toothing or sawtooth toothing (24) or a Hirth toothing (26) on a valve base surface for transmitting a torque during friction welding.

Valve base (2) according to Claim 1 , wherein the valve base (2) has a circumferential cylinder wall (36) or a circumferential truncated cone surface (38) on the valve base surface.

Valve base (2) according to Claim 1 or 2 , whereby the toothing (16) forms a generalized crown gear toothing.

Valve base (2) according to Claim 1 , 2 or 3 , wherein the toothing (16) is designed as a stepped toothing, in particular as a rectangular toothing (20) or trapezoidal toothing (22).

Valve base (2) according to one of the above Claim 4 , wherein the step toothing or the sawtooth toothing (24) is provided with teeth (28) which have a constant tooth height.

Valve base (2) according to one of the above Claims 4 or 5 , wherein the stepped toothing in the cover has teeth (28) or gaps (30) with a constant width.

Valve base (2) according to one of the above Claims 4 until 6 , whereby the step toothing or the sawtooth toothing (24) forms a straight toothing.

Valve base (2) according to one of the above Claims 4 until 6 , wherein the step toothing or the sawtooth toothing (24) has a cam toothing.

Valve base (2) according to one of the above Claims 1 until 8th , wherein a central region of an outer surface on the side of the toothing (16) essentially corresponds to a final shape (56) of a later valve base surface.

Valve base (2) according to one of the above Claims 1 until 9 , wherein a valve base surface in an edge region essentially corresponds to the final shape (56) of the valve base surface.

Valve base (2) according to one of the above Claims 1 until 10 , wherein the toothing (16) begins with an axial distance between 0.1 and 3mm, preferably between 0.2 and 2mm and more preferably between 0.3 and 1mm from the later valve plate surface.

Hollow valve, the cavity (8) of which is connected to a valve head (12) with a valve base (2) according to one of the above Claims 1 until 11 was closed by friction welding.

Holding tool (40) for a valve base (2), the holding tool (40) being provided at one end with step teeth or sawtooth teeth (24) or Hirth teeth (26).

Holding tool (40) for a valve base (2) according to Claim 13 , whereby the stepped toothing is designed as a rectangular toothing (20) or trapezoidal toothing (22).

Holding tool (40) for a valve base (2) according to Claim 13 or 14 , wherein the holding tool (40) has at least one suction opening (44) at the end with the stepped toothing or the sawtooth toothing (24) or the Hirth toothing (26), which extends at least partially in the axial direction, the suction opening (44) also a relatively lower pressure can be applied.

Holding tool (40) for a valve base (2) according to 13, 14, or 15, the holding tool (40) having a contact surface (38) for a cylinder wall (36) on the valve base (2) or a conical contact surface (42) for a truncated cone wall (36) is provided on the valve base (2).

Holding tool (40) for a valve base (2) according to 15 or 16, wherein the holding tool (40) is provided with a sealing element (48) which is suitable for a fluid passage between contact surfaces between the holding tool (40) and the valve base (2) to prevent or at least reduce.

Holding tool (40) for a valve base (2) according to one of Claims 13 until 17 wherein the holding tool (40) is provided with at least one cooling channel (46) which runs within the holding tool (40).

Holding tool (40) for a valve base (2) according to Claim 18 , wherein the holding tool (40) essentially comprises a rotational symmetry, and the at least one cooling channel (46) runs at least partially coaxially to this axis of rotational symmetry.

Holding tool (40) for a valve base (2) according to one of Claims 13 until 19 , wherein the holding tool (40) was at least partially manufactured by a 3-D printing process.

Holding tool (40) for a valve base (2) according to one of Claims 13 until 20 , where that Holding tool (40) for a toothing (16) of a valve base (2) according to one of Claims 4 until 11 , has complementary toothing (18), which is designed as a stepped toothing, as a rectangular or trapezoidal toothing (20, 22) or a sawtooth toothing (24) or a Hirth toothing (26).