DE112015003874B4 - Hohles Motorventil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils (1), das einen Ventilhauptkörper (2) umfasst, in welchem ein Hohlloch (10) mit einem Boden durch sowohl einen Ventilkopfabschnitt (6) als auch einen Ventilschaftabschnitt (8), der mit dem Ventilkopfabschnitt (6) verbunden ist, ausgebildet ist, wobei das Herstellungsverfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:Umformen einer massiven runden Stange (12), welche ein Material des Ventilhauptkörpers (2) ist, durch Ausführen lediglich eines einzigen Schmiedeprozesses in ein Ventilhauptkörper-Zwischenelement (18), das einen Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt (14), der zu dem Ventilkopfabschnitt (6) wird, und einen massiven Schaftabschnitt (16), der zu dem Ventilschaftabschnitt (8) wird, besitzt,Umformen des Ventilhauptkörper-Zwischenelements (18) in ein Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt (24), das den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt (14) und einen Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt (22), der zu dem Ventilschaftabschnitt (8) wird, hat, durch Ausführen lediglich eines einzigen Schneideprozesses an dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement (18) durch sowohl den massiven Schaftabschnitt (16) als auch den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt (14), um ein Halbfertigprodukt-Hohlloch (20) mit einem Boden auszubilden, wobei das Halbfertigprodukt-Hohlloch (20) zu dem Hohlloch (10) wird, undUmformen des Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukts (24) in den Ventilhauptkörper (2) durch Ausführen lediglich eines Querschnittverminderungsprozesses an dem Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt (24) durch Ziehen des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts (22) in Stufen, um einen Durchmesser des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts (22) zu reduzieren und eine Schaftlänge des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts (22) zu erhöhen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hohles Motorventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung, genauer gesagt auf ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils, das einen Ventilhauptkörper umfasst, in welchem ein hohles Loch mit einem Boden durch sowohl einen Ventilkopfabschnitt als auch einen Ventilschaftabschnitt, der mit dem Ventilkopfabschnitt verbunden ist, ausgebildet ist, und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Hintergrund
  • Da Ausgabe und Leistung von Motoren in den letzten Jahren gestiegen sind, sind Nachfragen nach Motorventilen gestiegen, die Ventilöffnungs- und -schließvorgänge mit hoher Genauigkeit erlauben. Hinsichtlich dessen wurden hohle Motorventile angeboten, welche so ausgebildet sind, dass sie einen Hohlraum im Inneren haben, um eine Gewichtsreduktion zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung für solch ein hohles Motorventil ist in Patentdokument 1 offenbart.
  • Patentdokument 2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlventilen, deren Hohlraum eine Form und Größe aufweist, die exakt der Größe und Form eines theoretischen Modells entsprechen, und deren Bruchfestigkeit durch die aufeinanderfolgenden Herstellungsschritte nicht beeinträchtigt wird. Das Verfahren umfasst das Schmieden eines Ventilkopfes aus einem festen, zylinderförmigen Rohling; das Ausbilden einer Sacklochbohrung in dem zylinderförmigen Rohling; das Hineinschneiden eines Hohlraums mit gewünschter Größe, gewünschtem Profil und gewünschter Krümmung in den Ventilkopf mittels eines in die Sacklochbohrung einbringbaren Schneidwerkzeugs; das Verengen der Sacklochbohrung unterhalb des Ventilkopfes durch Schmieden, ohne die Form des Hohlraums in dem Ventilkopf zu verändern; und das Ziehen des Ventilschafts auf den gewünschten Durchmesser.
  • Dokument des Standes der Technik
  • Patentdokument
    • Patentdokument 1: JP 2010-094732 A
    • Patentdokument 2: GB 505 720 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Probleme, die von der Erfindung gelöst werden
  • Bei einem in Patentdokument 1 offenbarten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von hohlen Motorventilen wird eine massive runde Stange, welche ein Material eines hohlen Motorventils ist, durch Schmieden in ein Zwischenelement, das einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser hat, der der Ventilkopfabschnitt sein wird, und in einen massiven Stammabschnitt ausgebildet. Dann wird ein Hohlloch mit einem Boden durch einen Stanzprozess an der oberen Oberfläche des Zwischenelements ausgebildet, wodurch ein Halbfertigprodukt des hohlen Motorventils erhalten wird. Anschließend werden der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser und der Stammabschnitt des Halbfertigprodukts durch Schmieden gezogen, um ein Fertigprodukt des hohlen Motorventils zu bilden.
  • Indes muss, in dem Fall, wo das hohle Motorventil als ein Abgasventil verwendet wird, das hohle Motorventil aus einem wärme- bzw. hitzeresistenten Stahl oder einer wärme- bzw. hitzeresistenten Legierung hergestellt werden, der/die eine Wärme- bzw. Hitzeresistenz hat, um der Nutzungsumgebung, in der es hohen Temperaturen ausgesetzt ist, standhalten zu können. Jedoch sind Materialien, die solch eine hohe Hitzeresistenz haben, im Allgemeinen schwer zu zerspanende Materialien und verkürzen oft die Werkzeuglebensdauer.
  • Insbesondere gibt es, wie in Patentdokument 1 beschrieben, in dem Fall, wo das Hohlloch mit einem Boden durch einen Stanzprozess an der oberen Oberfläche des Zwischenelements ausgebildet wird, das aus einem schwer zu zerspanenden Material gemacht ist, in dem Schritt des Erhaltens des Halbfertigprodukts des hohlen Motorventils ein Problem von steigenden Herstellungskosten, weil ein Werkzeug (Stempel), der für den Stanzprozess verwendet wird, nach nur geringer Nutzungszeit bzw. Anzahl an Verwendungen gewechselt werden muss.
  • Indes kann eine mögliche Lösung darin bestehen, ein massives Halbfertigprodukt zu bilden, das dieselbe Außenform wie die des Fertigprodukts des hohlen Motorventils hat, und dann das Hohlloch in dem Schaftabschnitt des Halbfertigprodukts durch einen Zerspanungsprozess auszubilden. Jedoch muss in diesem Fall ein enges langes Loch, das ein extrem großes Verhältnis des Durchmessers zu der Länge hat, durch Bohren hergestellt werden, was den Prozess als solchen schwierig und die Werkzeuglebensdauer sehr kurz macht.
  • Zudem ist bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren, wie in Patentdokument 1 beschrieben, die untere Oberfläche bzw. Bodenfläche des Hohllochs in dem Halbfertigprodukt des hohlen Motorventils flach und der Winkel, der zwischen der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs gebildet wird, beträgt ca. 90°. In diesem Fall werden, wenn der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser und der Stammabschnitt des Halbfertigprodukts durch Schmieden gezogen wird, die Ecke der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs gefaltet bzw. umgebogen und der Radius der Ecke wird klein. Im Ergebnis neigt eine Druck- bzw. Spannungskonzentration während der Verwendung des hohlen Motorventils dazu an dieser Ecke aufzutreten, und dies kann die Lebensdauer des hohlen Motorventils verringern.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die Probleme der herkömmlichen Technik, die oben beschrieben wurde, zu lösen und eine Aufgabe davon ist es, ein hohles Motorventil mit einer hohen Widerstandsfähigkeit- bzw. Lebensdauer und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzustellen, während eine Zunahme der Herstellungskosten verhindert wird. Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • In einem ersten Aspekt zur Lösung der obigen Aufgabe betrifft die Erfindung somit ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils, das einen Ventilhauptkörper umfasst, in welchem ein Hohlloch mit einem Boden durch sowohl einen Ventilkopfabschnitt als auch einen Ventilschaftabschnitt, der mit dem Ventilkopfabschnitt verbunden ist, ausgebildet ist, wobei das Herstellungsverfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:
    • Umformen einer massiven runden Stange, welche ein Material des Ventilhauptkörpers ist, durch Ausführen lediglich eines einzigen Schmiedeprozesses in ein Ventilhauptkörper-Zwischenelement, das einen Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt, der zu dem Ventilkopfabschnitt wird, und einen massiven Schaftabschnitt, der zu dem Ventilschaftabschnitt wird, besitzt,
    • Umformen des Ventilhauptkörper-Zwischenelements in einen Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt, das den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt und einen Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt, der zu dem Ventilschaftabschnitt wird, hat, durch Ausführen lediglich eines einzigen Schneideprozesses an dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement durch sowohl den massiven Schaftabschnitt als auch den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt, um ein Halbfertigprodukt-Hohlloch mit einem Boden auszubilden, wobei das Halbfertigprodukt-Hohlloch zu dem Hohlloch wird, und
    • Umformen des Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukts in den Ventilhauptkörper durch Ausführen lediglich eines Querschnittverminderungsprozesses an dem Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt durch Ziehen des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts in Stufen, um einen Durchmesser des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts zu reduzieren und eine Schaftlänge des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts zu erhöhen.
  • Bei dieser Konfiguration kann, da nach einem Umformen einer massiven runden Stange, welche ein Material des Ventilhauptkörpers ist, durch Schmieden in ein Ventilhauptkörper-Zwischenelement, das einen Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt und einen massiven Schaftabschnitt hat, das Ventilhauptkörper-Zwischenelement in ein Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt, das den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt und einen Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt hat, durch Ausführen eines Zerspanungs- bzw. Prozesses an dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement durch sowohl den massiven Schaftabschnitt als auch den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt, um ein Halbfertigprodukt-Hohlloch mit einem Boden auszubilden, selbst in dem Fall, wo ein schwer zu zerspanendes Material wie ein Material des hohlen Motorventils verwendet wird, das Halbfertigprodukt-Hohlloch unter Verwendung eines Zerspanungs- bzw. Schneidewerkzeugs (eine Bohrerspitze), das/die zum Bearbeiten des schwer zu schneidenden Materials geeignet ist, ausgebildet werden. Dies reduziert die für Werkzeuge nötige Kosten und verkürzt eine Prozesstaktzeit, verglichen mit dem Fall, wo das Halbfertigprodukt-Hohlloch durch einen Stanzprozess in dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement ausgebildet wird, und dem Fall, wo das enge längliche Hohlloch durch einen Zerspanungs- bzw. Schneideprozess in dem Schaftabschnitt des massiven Halbfertigprodukts, das dieselbe äußere Form wie das Fertigprodukt des hohlen Motorventils hat, ausgebildet wird. Folglich kann ein Anstieg der Herstellungskosten des hohlen Motorventils verhindert werden.
  • Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird bei dem Schritt des Umformens des Halbfertigprodukt-Hohllochs, das zu dem Hohlloch wird, das Halbfertigprodukt-Hohlloch bevorzugt mit einer Bohrerspitze mit einem geneigten Kopfende ausgebildet.
  • Bei dieser Konfiguration kann die untere Oberfläche des Halbfertigprodukt-Hohllochs in einer invertierten Kegelform ausgebildet sein.
  • Dies verhindert eine Reduktion des Radius der Ecke, hervorgerufen von der Ecke der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des hohlen Lochs, die gefaltet werden, wenn der Verengungsprozess an dem Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt durchgeführt wird, verglichen mit dem Fall, wo die untere Oberfläche des Halbfertigprodukt-Hohllochs flach ist. Folglich kann die Druck- bzw. die Spannungskonzentration, die an der Ecke während der Verwendung des hohlen Motorventils generiert wird, reduziert werden, und ein Herstellen des hohlen Motorventils mit hoher Lebensdauer ist möglich.
  • Zudem ist bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ein Winkel des Kopfendes der Bohrerspitze bevorzugt von 140° bis inklusive 178°.
  • Bei dieser Konfiguration kann die untere Oberfläche des Halbfertigprodukt-Hohllochs in einer invertierten Kegelform mit einem Scheitelwinkel von 140° bis inklusive 178° ausgebildet werden. Dadurch kann die Reduktion des Radius der Ecke zwischen der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs, wenn der Verengungsprozess an dem Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt durchgeführt wird, verhindert bzw. unterdrückt werden, während der innere Durchmesser der unteren Oberfläche des Hohllochs eine geeignete Größe hält bzw. beibehält. Folglich kann das hohle Motorventil hergestellt werden, bei welchem eine Gewichtsreduktion und eine hohe Kühlleistung, die durch Ausbilden des Hohllochs mit einer geeigneten Größe erreicht werden, kompatibel mit einer hohen Lebensdauer sind, die durch die Reduktion der Druck- bzw. Spannungskonzentration an der Ecke der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs erreicht wird.
  • In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein hohles Motorventil, wie es in Anspruch 4 definiert ist. Das hohle Motorventil der vorliegenden Erfindung umfasst einen Ventilhauptkörper, in welchem ein Hohlloch mit einem Boden durch sowohl einen Ventilkopfabschnitt als auch einen Ventilschaftabschnitt, der mit dem Ventilkopfabschnitt verbunden ist, ausgebildet ist, wobei:
    • eine untere Oberfläche des Ventilkopfabschnitts flach oder konkav ist und eine untere Oberfläche des Hohllochs konkav ist, und
    • eine untere Oberfläche des Hohllochs eine konkave Oberfläche ist, die in einer invertierten Kegelform mit einem Scheitelwinkel von 140° bis inklusive 178° ausgebildet ist, und ein Innendurchmesser der unteren Oberfläche des Hohllochs größer als ein Innendurchmesser an dem Ventilschaftabschnitt des Hohllochs ist.
  • Bei dieser Konfiguration kann die Reduktion des Radius der Ecke, hervorgerufen von der Ecke der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs, die bei der Herstellung des hohlen Motorventils gefaltet werden, reduziert werden, verglichen mit dem Fall, wo die untere Oberfläche des Hohllochs flach ist. Folglich kann die Spannungskonzentration, die an der Ecke während der Verwendung des hohlen Motorventils generiert wird, reduziert werden und das hohle Motorventil kann mit einer hohen Lebensdauer erhalten werden.
  • Bei dem hohlen Motorventil der vorliegenden Erfindung ist die untere Oberfläche des Hohllochs in einer invertierten Kegelform ausgebildet.
  • Bei dieser Konfiguration kann die Reduktion des Radius der Ecke, hervorgerufen von der Ecke der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs, die bei der Herstellung des hohlen Motorventils entsteht, reduziert werden, verglichen mit dem Fall, wo die untere Oberfläche des Hohllochs flach ist. Folglich kann die Spannungskonzentration, die an der Ecke während der Verwendung des hohlen Motorventils generiert wird, reduziert werden und das hohle Motoventil kann mit einer hohen Lebensdauer erhalten werden.
  • Zudem ist die untere Oberfläche des Hohllochs bei dem hohlen Motorventil der vorliegenden Erfindung in einer invertierten Kegelform mit einem Scheitelwinkel von 140° bis inklusive 178° ausgebildet.
  • Bei dieser Konfiguration kann die Reduktion des Radius der Ecke, hervorgerufen von der Ecke der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs, die gefaltet werden, wenn das hohle Motorventil hergestellt wird, während der Innendurchmesser der unteren Oberfläche des Hohllochs eine geeignete Größe erhält bzw. beibehält, reduziert werden. Folglich kann das hohle Motorventil erhalten werden, bei welchem die Gewichtsreduktion und die hohe Kühlleistung, die durch Ausbilden des Hohllochs, das mit einer geeigneten Größe, erreicht werden, kompatibel mit einer hohen Lebensdauer sind, die durch die Reduktion der Druck- bzw. Spannungskonzentration, die an der Ecke der unteren Oberfläche und der inneren Umfangsoberfläche des Hohllochs während der Verwendung des hohlen Motorventils generiert wird, erreicht wird.
  • Wirkung der Erfindung
  • Das hohle Motorventil und das Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung machen es möglich, ein hohles Motorventil mit hoher Lebensdauer zu erhalten, während ein Anstieg der Herstellungskosten verhindert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Fertigprodukts eines hohlen Motorventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine Prozesszeichnung, die die Herstellungsschritte des hohlen Motorventils gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angibt.
    • 3A ist eine Querschnittsansicht eines Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukts des hohlen Motorventils gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitts des Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukts des hohlen Motorventils gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4A ist eine Querschnittsansicht eines Ventilhauptkörpers des hohlen Motorventils gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Ventilkopfabschnitts des Ventilhauptkörpers des hohlen Motorventils gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Modus zum Ausführen der Erfindung
  • Nachfolgend werden bezogen auf die beiliegenden Zeichnungen Beschreibungen für ein hohles Motorventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben werden.
  • Zuerst wird unter Verwendung von 1 das hohle Motorventil gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Fertigprodukts des hohlen Motorventils der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Das Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet das hohle Motorventil gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das hohle Motorventil 1 wird als ein Einlass- bzw. Eintragventil oder als Abgasventil in einem Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug oder dergleichen verwendet.
  • Das hohle Motorventil 1 umfasst einen Ventilhauptkörper 2, welcher hohl ist, und ein Schaftende-Verschlusselement 4, welches massiv ist.
  • Der Ventilhauptkörper 2 umfasst einen Ventilkopfabschnitt 6 in einer Schirmform und einen Ventilschaftabschnitt 8, der sich axial von dem Ventilkopfabschnitt 6 erstreckt. Zum Bespiel ist der äußere Durchmesser einer unteren Oberfläche 6a des Ventilkopfabschnitts 6 30mm und der äußere Durchmesser des Ventilschaftabschnitts 8 6mm. Ein Hohlloch 10 mit einem Boden, das sowohl den Ventilkopfabschnitt 6 als auch den Ventilschaftabschnitt 8 passiert, ist entlang der äußeren Form des Ventilkopfabschnitts 6 und des Ventilschaftabschnitts 8 ausgebildet. Der Innendurchmesser einer unteren Oberfläche 10a des Hohllochs 10 ist größer als der Innendurchmesser an dem Ventilschaftabschnitt 8. Zum Beispiel ist der Innendurchmesser der unteren Oberfläche 10a des Hohllochs 10 10mm und der Innendurchmesser des Hohllochs 10 an dem Ventilschaftabschnitt 8 3mm. Das Innere des Hohllochs 10 kann zum Beispiel mit metallischem Natrium zum Kühlen gefüllt sein. Bei den nachfolgenden Beschreibungen wird die Richtung, die sich von dem Ventilschaftabschnitt 8 zu dem Ventilkopfabschnitt 6 entlang der Achse des hohlen Motorventils 1 erstreckt, als die Abwärtsrichtung, und die Richtung, die sich von dem Ventilkopfabschnitt 6 zu dem Ventilschaftabschnitt 8 erstreckt, als die Aufwärtsrichtung definiert.
  • Das Schaftende-Verschlusselement 4 hat denselben Außendurchmesser wie der des Ventilschaftabschnitts 8 des Ventilhauptkörpers 2 und das obere Ende dieses Ventilschaftabschnitts 8 und das untere Ende des Schaftende-Verschlusselements 4 sind miteinander verbunden.
  • Wie in 1 illustriert ist die untere Oberfläche 6a des Ventilkopfabschnitts 6 des Ventilhauptkörpers 2 flach, während die untere Oberfläche 10a des Hohllochs 10 an dem Ventilkopfabschnitt 6 konkav ist. Genauer gesagt ist die untere Oberfläche 10a des Hohllochs 10 in einer invertierten Kegelform und so ausgebildet, dass der Scheitelwinkel innerhalb eines Bereichs von 140° bis inklusive 178° ist.
  • Als ein Material für den Ventilhauptkörper 2 und das Schaftende-Verschlusselement 4 wird ein hitzeresistentes Material, welches ein hochfester Stahl ist, der zu HT80 äquivalent ist, und welches bei 180°C eine Zugfestigkeit von 300 MPa oder höher hat (zum Beispiel, hitzeresistenter Stahl der SUH Reihe, hitzeresistente Legierungen der NCF Reihe oder dergleichen), verwendet.
  • Nachfolgend werden unter Verwendung von 2 bis 4 Beschreibungen für ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgestellt. 2 ist eine Prozesszeichnung, die Herstellungsschritte des hohlen Motorventils 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angibt. Zudem ist 3A eine Querschnittsansicht eines Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukts 24 des hohlen Motorventils 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 3B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitts 14 des Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukts 24. Zudem ist 4A eine Querschnittsansicht des Ventilhauptkörpers 2 des hohlen Motorventils 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 4B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Ventilkopfabschnitts 6 des Ventilhauptkörpers 2.
  • Zuerst wird, wie bei (a) in 2 angegeben, eine massive runde Stange 12 vorbereitet, welche so bearbeitet wurde, dass sie eine vorbestimmte Länge und einen vorbestimmten Außendurchmesser hat.
  • Dann wird, wie bei (b) in 2 angegeben, ein Ventilhauptkörper-Zwischenelement 18, das den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14, der zu dem Ventilkopfabschnitt 6 wird, und einen massiven Schaftabschnitt 16, der zu dem Schaftabschnitt 8 wird, aufweist, durch Ausführen eines einzigen Schmiedeprozesses an der massiven runden Stange 12 ausgebildet. Der Außendurchmesser D1 einer unteren Oberfläche 14a des Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitts 14, der zu dieser Zeit ausgebildet wird, ist leicht bzw. geringfügig größer als der Außendurchmesser der unteren Oberfläche 6a des Ventilkopfabschnitts 6 des Fertigprodukts und ist zum Beispiel 32mm. Indes ist der Außendurchmesser D2 des massiven Schaftabschnitts 16 größer als der Außendurchmesser des Ventilschaftabschnitts 8 des Fertigprodukts und ist zum Beispiel von 14 bis 20mm. Es ist festzuhalten, dass jedes Schmiedeverfahren des Kaltumformens, Warmumformens und Heißumformens als der Schmiedeprozess in diesem Schritt verwendet bzw. angewandt werden kann.
  • Dann wird, wie bei (c) in 2 angegeben, ein Schneideprozess an dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement 18 durch sowohl den massiven Schaftabschnitt 16 und den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14 ausgeführt, um ein Halbfertigprodukt-Hohlloch 20 mit einem Boden zu erhalten, das das Hohlloch 10 wird. Bei der Durchführung davon wird das Ventilhauptkörper-Zwischenelement 18 in das Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt 24 geformt, das den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14 und einen Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt 22 hat, der zu dem Ventilschaftabschnitt 8 wird.
  • Wie in 3A illustriert wird bei dem Zerspanungs- bzw. Schneideprozess zum Bilden dieses Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 das Halbfertigprodukt-Hohlloch 20 mit einem Boden ausgebildet, der sowohl den massiven Schaftabschnitt 16 und den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14 passiert. Dieser Schneideprozess wird unter Verwendung einer Bohreinheit ausgeführt, die mit einer Durchgangsspindel-Kühlfunktion ausgestattet ist. Genauer gesagt ist die Bohreinheit mit einer Karbidbohrspitze ausgestattet, die ein Durchgangs-Kühlloch hat und ein Kühlmittel wird der Bohrerspitze bei einem Druck von 2 MPa oder höher zugeführt. Diese Bohreinheit macht ein Loch durch einen Schneideprozess von dem oberen Ende des massiven Schaftabschnitts 16 zu dem Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14, während sie die äußere Peripherie des Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitts 14 hält. Der Innendurchmesser φ1 des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20, der so ausgebildet wird, ist leicht bzw. geringfügig größer als der Innendurchmesser der unteren Oberfläche 10a des Hohllochs 10 des Fertigprodukts, und φ1 ist zum Beispiel 10.7mm.
  • Zudem ist der Winkel des Kopfendes der Bohrerspitze, die für dieses Schneiden verwendet wird, von 140° bis inklusive 178°. Folglich ist, wie in 3A illustriert, eine untere Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 in einer invertierten Kegelform mit einem Scheitelwinkel Θ1 von 140° bis inklusive 178° ausgebildet. Mit anderen Worten ist, wie in 3B illustriert, die untere Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 so ausgebildet, dass der Neigungswinkel Θ2 von 1° bis inklusive 20° bezüglich der unteren Oberfläche 14a des Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitts 14 ist. Zudem ist, wie in 3B illustriert, eine spezifische Rundung R1 (zum Beispiel R1 = 1.0mm) an der Ecke der unteren Oberfläche 20a und einer inneren Umfangsoberfläche 20b des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20, die in diesem Schneideprozess ausgebildet wird, ausgebildet.
  • In dem Fall, wo der Winkel des Kopfendes der Bohrerspitze kleiner als 140° ist (mit anderen Worten in dem Fall, wo der Neigungswinkel Θ2 der unteren Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 größer als 20° ist), angenommen die Materialdicke der unteren Oberfläche 14a des Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14 ist konstant, ist das Volumen des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 dieses Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitts 14 kleiner. Folglich sind die vorteilhaften Wirkungen der Gewichtsreduktion und die Erhöhung der Kühlleistung, die durch Ausbilden des Hohllochs 10 erhalten werden, verringert. Andererseits wird, in dem Fall, wo der Winkel des Kopfendes der Bohrerspitze größer als 178° ist (mit anderen Worten in dem Fall, wo der Neigungswinkel Θ2 der unteren Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 kleiner als 1° ist), wenn der Halbfertigprodukt-Ventilabschnitt 22 einem Verengungsprozess, welcher später beschrieben wird, unterzogen wird, die Ecke der unteren Oberfläche 10a und einer inneren Umfangsoberfläche 10b des Hohllochs 10 gefaltet, was den Radius der Ecke klein werden lässt. Im Ergebnis macht es der kleine Radius der Ecke, wenn das hohle Motorventil verwendet wird, für eine Druck- bzw. Spannungskonzentration einfach an der Ecke aufzutreten und die Lebensdauer des hohlen Motorventils 1 kann sich verringern. Daher ist es, wie oben beschrieben, erstrebenswert, dass der Winkel des Kopfendes der Bohrerspitze von 140° bis inklusive 178° ist (mit anderen Worten, der Neigungswinkel Θ2 der unteren Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 ist von 1 bis inklusive 20° gebildet).
  • Nach dem Zerspanungs- bzw. Schneideprozess, der oben beschrieben wurde, wird, um das Halbfertigprodukt-Hohlloch 20, wie bei (d) in 2 illustriert, durch vielfaches Ausführen (zum Beispiel 8 bis 15 Mal) eines Verengungsprozesses (Ziehprozess) an dem Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt 24, der Durchmesser des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts 22 durch Ziehen des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts 22 in Stufen reduziert und die Schaftlänge des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts 22 wird erhöht. Mit diesem Prozess wird das Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt 24 in den Ventilhauptkörper 22 geformt, der den Ventilkopfabschnitt 6 und den Ventilschaftabschnitt 8 aufweist.
  • Durch den Verengungsprozess wird der Außendurchmesser des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts 22 auf den des Ventilschaftabschnitts 8 reduziert (zum Beispiel 6mm) und die Länge des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts 22 wird entlang der Achse vergrößert. Durch diesen Verengungsprozess wird der untere Endabschnitt des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts 22 (der Verbindungsabschnitt zu dem Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14) so gezogen, dass er zu der Zentrumsachsenseite geneigt ist. Zusammen mit diesem wird, wie in 4B illustriert, R2 an der Ecke der unteren Oberfläche 10a und der inneren Umfangsoberfläche 10b des Hohllochs 10 kleiner als R1 an der Ecke der unteren Oberfläche 20a und der inneren Umfangsoberfläche 20b des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20, das in 3B illustriert ist (zum Beispiel R2 = 0.2mm). Zudem wird der Innendurchmesser φ2 der unteren Oberfläche 10a des Hohllochs 10 leicht geringfügig kleiner als der Innendurchmesser φ1 des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 (zum Beispiel φ2 = 10mm).
  • Dann wird bei einem Verbinden des Schaftende-Schließelements 4 mit dem oberen Ende des Ventilschaftabschnitts 8 des Ventilhauptkörpers 2 und einem Abkanten bzw. einem Abschrägen der äußeren Peripherie der unteren Oberfläche 6a des Ventilkopfabschnitts 6 das hohle Motorventil 1 als Fertigprodukt gebildet.
  • Anschließend werden Beschreibungen für eine weitere Modifikation der Ausführung der vorliegenden Erfindung gegeben.
  • Bei der Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, ist beschrieben, dass die untere Oberfläche 6a des Ventilkopfabschnitts 6 des Ventilhauptkörpers 2 flach ist. Jedoch kann die untere Oberfläche 6a des Ventilkopfabschnitts 6 konkav sein.
  • Nachfolgend werden Beschreibungen zum Betrieb und zur Wirkung einer internen Struktur für ein Fahrzeug gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurde, gegeben.
  • Da nach einem Umformen einer massiven runden Stange 12, welche ein Material des Ventilhauptkörpers 2 ist, durch Schmieden in ein Ventilhauptkörper-Zwischenelement 18, das einen Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14 und einen massiven Schaftabschnitt 16 besitzt, das Ventilhauptkörper-Zwischenelement 18 in ein Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt 24, das den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14 und einen Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt 22 hat, durch Ausführen eines Schneideprozesses an dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement 18 durch sowohl den massiven Schaftabschnitt 16 als auch den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt 14 geformt wird, um ein Halbfertigprodukt-Hohlloch 20 mit einem Boden auszubilden, wobei das Halbfertigprodukt-Hohlloch das Hohlloch wird, kann das Halbfertigprodukt-Hohlloch 20 unter Verwendung eines Schneidewerkzeugs (einer Bohrerspitze), das/die zur Bearbeitung des schwer zu schneidenden Materials geeignet ist, selbst in dem Fall, wo ein schwer zu schneidendes Material als ein Material des hohlen Motorventils 1 verwendet wird, ausgebildet werden. Dies reduziert Kosten, die für Werkzeuge nötig sind, und verkürzt eine Prozesstaktzeit, verglichen mit dem Fall, wo das Halbfertigprodukt-Hohlloch 20 durch einen Stanzprozess in dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement 18 ausgebildet wird, und dem Fall, wo das enge längliche Hohlloch durch einen Schneideprozess in dem Schaftabschnitt des massiven Halbfertigprodukts, das die selbe Außenform wie die des Fertigprodukts des hohlen Motorventils 1 hat, ausgebildet wird.
  • Zudem kann, da die Bohrerspitze mit dem geneigten Kopfende verwendet wird, um das Halbfertigprodukt-Hohlloch 20 zu bilden, die untere Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 in der invertierten Kegelform ausgebildet werden. Dies verhindert die Reduktion des Radius der Ecke, hervorgerufen durch die Ecke der unteren Oberfläche 10a und der inneren Umfangsoberfläche 10b des Hohlloches 10, die gefaltet wird, wenn der Verengungsprozess an dem Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt 22 durchgeführt wird, verglichen mit dem Fall, wo die untere Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 flach ist. Folglich kann die Spannungskonzentration, die an dieser Ecke während der Verwendung des hohlen Motorventils generiert wird, reduziert werden und ein Herstellen des hohlen Motorventils 1 mit hoher Lebensdauer kann erreicht werden.
  • Genauer gesagt kann, da der Winkel des Kopfendes der Bohrerspitze von 140° bis inklusive 178° ist, die untere Oberfläche 20a des Halbfertigprodukt-Hohllochs 20 in der invertierten Kegelform mit einem Scheitelwinkel von 140° bis inklusive 178° ausgebildet werden. Dadurch kann die Reduktion des Radius der Ecke zwischen der unteren Oberfläche 10a und der inneren Umfangsoberfläche 10b des Hohlloches 10, wenn der Verengungsprozess an dem Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt 22 durchgeführt wird, reduziert werden, während der Innendurchmesser der unteren Oberfläche 10a des Hohllochs 10 an einer geeigneten Größe gehalten wird. Folglich kann das hohle Motorventil 1 hergestellt werden, bei welchem eine Gewichtsreduktion und eine hohe Kühlleistung, die durch Ausformen des Hohllochs 10 mit einer geeigneten Größe erreicht werden, mit einer hohen Lebensdauer, die durch die Reduktion der Druck- bzw. Spannungskonzentration an der Ecke der unteren Oberfläche 10a und der inneren Umfangsoberfläche 10b des Hohllochs 10 erreicht wird, kompatibel gemacht sind.
  • Erklärung der Bezugszeichen
    • 1
    hohles Motorventil
    2
    Ventilhauptkörper
    6
    Ventilkopfabschnitt
    8
    Ventilschaftabschnitt
    10
    Hohlloch
    12
    massive runde Stange
    14
    Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt
    16
    massiver Schaftabschnitt
    18
    Ventilhauptkörper-Zwischenelement
    20
    Halbfertigprodukt-Hohlloch
    22
    Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt
    24
    Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils (1), das einen Ventilhauptkörper (2) umfasst, in welchem ein Hohlloch (10) mit einem Boden durch sowohl einen Ventilkopfabschnitt (6) als auch einen Ventilschaftabschnitt (8), der mit dem Ventilkopfabschnitt (6) verbunden ist, ausgebildet ist, wobei das Herstellungsverfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: Umformen einer massiven runden Stange (12), welche ein Material des Ventilhauptkörpers (2) ist, durch Ausführen lediglich eines einzigen Schmiedeprozesses in ein Ventilhauptkörper-Zwischenelement (18), das einen Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt (14), der zu dem Ventilkopfabschnitt (6) wird, und einen massiven Schaftabschnitt (16), der zu dem Ventilschaftabschnitt (8) wird, besitzt, Umformen des Ventilhauptkörper-Zwischenelements (18) in ein Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt (24), das den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt (14) und einen Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitt (22), der zu dem Ventilschaftabschnitt (8) wird, hat, durch Ausführen lediglich eines einzigen Schneideprozesses an dem Ventilhauptkörper-Zwischenelement (18) durch sowohl den massiven Schaftabschnitt (16) als auch den Halbfertigprodukt-Ventilkopfabschnitt (14), um ein Halbfertigprodukt-Hohlloch (20) mit einem Boden auszubilden, wobei das Halbfertigprodukt-Hohlloch (20) zu dem Hohlloch (10) wird, und Umformen des Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukts (24) in den Ventilhauptkörper (2) durch Ausführen lediglich eines Querschnittverminderungsprozesses an dem Ventilhauptkörper-Halbfertigprodukt (24) durch Ziehen des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts (22) in Stufen, um einen Durchmesser des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts (22) zu reduzieren und eine Schaftlänge des Halbfertigprodukt-Ventilschaftabschnitts (22) zu erhöhen.
  2. Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils (1) gemäß Anspruch 1, wobei bei dem Schritt des Umformens des Halbfertigprodukt-Hohllochs (20), das zu dem Hohlloch (10) wird, das Halbfertigprodukt-Hohlloch (20) mit einer Bohrerspitze mit einem geneigten Kopfende ausgebildet wird, um auf diese Weise zu bewirken, dass eine untere Oberfläche (10a) des Hohllochs (10) eine Oberfläche ist, die in einer invertierten Kegelform ausgebildet ist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines hohlen Motorventils (1) gemäß Anspruch 2, wobei ein Winkel des Kopfendes der Bohrerspitze von 140° bis inklusive 178° beträgt.
  4. Hohles Motorventil (1), das einen Ventilhauptkörper (2) umfasst, in welchem ein Hohlloch (10) mit einem Boden durch sowohl einen Ventilkopfabschnitt (6) als auch einen Ventilschaftabschnitt (8), der mit dem Ventilkopfabschnitt (6) verbunden ist, ausgebildet ist, wobei: der Ventilkopfabschnitt (6) und der Ventilschaftabschnitt (8) einstückig aus einer massiven runden Stange (12) gebildet sind, welche ein Material des Ventilhauptkörpers (2) ist, eine untere Oberfläche (6a) des Ventilkopfabschnitts (6) flach oder konkav ist, und eine untere Oberfläche (10a) des Hohllochs (10) eine Oberfläche ist, die in einer invertierten Kegelform mit einem Scheitelwinkel von 140° bis inklusive 178° ausgebildet ist, und ein Innendurchmesser der unteren Oberfläche (10a) des Hohllochs (10) größer als ein Innendurchmesser an dem Ventilschaftabschnitt des Hohllochs (10) ist.
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