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Ventilgehäuse aus stahlverformten, insbesondere geschmiedeten Teilen
für deckellose Ventile und Verfahren zur Herstellung des Ventilgehäuses Die Erfindung
betrifft ein Ventilgehäuse aus stahlverformten, insbesondere geschmiedeten Teilen
für deckellose Ventile mit achsgleichen Anschlußstutzen und hierzu etwa senkrecht
angeordnetem mittlerem Ventilsitzraum, wobei das Gehäuse zwei Schalen besitzt, die
an den Rändern verschweißt sind, welche in einer prallel zur Spindelachse (Ventilsitzachse)
gerichteten Teilungsebene vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zur Herstellung dieses Ventilgehäuses.
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Bei einem bekannten Ventilgehäuse verläuft die Teilungsebene zwischen
den Schalen in Richtung der Ventillängsachse. Die Schalen haben hierbei eine komplizierte
Form und setzen zu ihrer Herstellung entsprechend teure Gesenke voraus. Der Ventilsitz
ist geteilt. Die Schweißnähte haben einen weitestgehend bogenförmigen Verlauf, wodurch
das maschinelle Verschweißen erschwert wird. Schwierig ist besonders die Bearbeitung
des im Gehäuseinnern befindlichen Ventilsitzbereiches, weil zur Schaffung einer
guten Ventilsitzfläche ein geeigneter Werkstoff aufgeschmolzen bzw. aufgepanzert.
und dann durch Drehen und Schleifen genau nachbearbeitet werden muß. Die Herstellung
des Ventilgehäuses wurde bereits dadurch vereinfacht, daß Doppelschalen geschmiedet
werden, die im Bereich des Deckelflansches verbunden sind und nach dem Verschweißen
der Doppelschalen an dieser Stelle unter Bildung von zwei Einzelgehäusen getrennt
werden.
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Bei Schiebergehäusen ist es gleichfalls bekannt, Doppelschalen zu
schmieden und zwei dieser Doppelschalen miteinander zu verschweißen und dann im
Bereich des Deckelflansches zu trennen, derart, daß zwei Schiebergehäuse entstehen.
Bei diesen Gehäusen wurde die für die Schalenherstellung zweckmäßige Teilungsebene
quer zur Gehäuselängsachse angeordnet, jedoch bestanden für diese Wahl der Teilungsebene
insofern günstige Voraussetzungen, weil keine Sitzflächen zu halbieren sind. Diese
Teilungsebene erschien für die Herstellung von Ventilgehäusen zunächst wegen der
Ventilsitzlage und der Kanalführung unbrauchbar.
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Erfindungsgemäß wird nunmher ein aus stahlverformten Gehäuseteilen
zusammengesetztes, in der Form strömungsgünstiges und in wirtschaftlicher Weise
herstellbares Ventilgehäuse dadurch erzielt, daß das Gehäuse zwei ungleiche, mit
je einem Anschlußstutzen versehene Schalen besitzt, die in einer quer zur Gehäuselängsachse
gerichteten Teilungsebene verbunden sind, wobei die beiden Schalen in Verlängerung
der Spindel- bzw. Ventilsitzachse eine glattbearbeitete zylindrische Bodenöffnung
umschließen, in welcher ein den Ventilsitz tragender und einen winkelförmigen Verbindungskanal
besitzender zylindrischer Einsatzkörper durch Flächenverschmelzung der zylindrischen
Umfangsfläche und der Gegenflächen der Gehäuseschalen mittels Elektronenstrahlschweißung
dicht befestigt ist, und daß auch die Randflächen der Schalen ebenflächig gegeneinander
gerichtet und durch Elektronenstrahlschweißung flächig verschmolzen sind.
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Die Ungleichheit der beiden zu verschweißenden Schalen hat in bezug
auf die wirtschaftliche Fertigung keinen nennenswerten Einfluß, weil beim Schmieden
von Doppelschalen dieser unterschiedlichen Ausbildung bereits Rechnung getragen
werden kann. Wesentlich ist, daß durch die Wahl der Teilungsebene und durch die
Verwendung eines besonderen, den Ventilsitz aufnehmenden Einsatzkörpers Grundformen
für die Schalen geschaffen werden, die ohne komplizierte Gesenke wirtschaftlich
herstellbar sind. Es können dieser Grundform der geschmiedeten Gehäuseschalen solche
Kanäle eingedrückt werden, die den bei diesen Ventilen optimal erreichbaren günstigsten
Strömungsquerschnitt besitzen.
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Es ist weiterhin ein Vorteil dieser noch mit keinem Ventilsitz versehenen
Schalenform, daß nun in der Teilungsebene liegende Schweißbereiche bzw. -ränder
geschaffen werden, die praktisch geradlinig verlaufen und aus zwei parallelen Streifen
bestehen. Diese Ausbildung und Lage der zu verschweißenden Randflächen bilden günstige
Voraussetzungen für eine maschinelle Verschweißung mittels Elektronenstrahlen, wobei
in vorteilhafter Weise beide parallele Schweißbereiche mittels eines Elektronenstrahls
gleichzeitig flächig aneinandergeschmolzen werden.
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Bei dem in vorstehender Weise gebildeten Gehäuse. treten bei der Flächenverschmelzung
der Schalenränder
keine Formänderungen ein, so daß die Schalen
bereits sehr genau geschmiedet werden können.- Die Nachbearbeitung der Schweißbereiche
und der Bohrungen kann dadurch auf einen verhältnismäßig kleinen Umfang beschränkt.
werden. Im Zusammenhang mit dieser Formgebung und Verschweißung der Schalen steht
die Ausbildung des Einsatzkörpers, der den Ventilsitz und mindestens den axialen
Teil eines winkelförmigen Kanals enthält. Dieser Einsatzkörper, der als Sonderkörper
hergestellt wird und den fertigen Ventilsitz trägt, wird in die im wesentlichen
beim Schmieden der Schalen vorbereitete, jedoch glatt nachgearbeitete zylindrische
Bodenöffnung des Ventilgehäuses eingesetzt und im Bereich der Umfangsflächen mittels
der Elektronenstrahlschweißung an die Gegenflächen völlig dicht angeschmolzen. Durch
diesen angeschmolzenen Einsatzkörper und die Umfangsverschmelzung der zylindrischen
Mantelflächen wird das bisher bestehende Problem der Erzielung einer völlig dichten
Einlagerung eines solchen Körpers nunmehr in vorteilhafter Weise gelöst, und es
werden gleichzeitig durch diesen angeschmolzenen Einsatzkörper auch die beiden Schalenhälften
zusätzlich gekuppelt. Diese Art der Verbindung der Schalen und des Einsatzkörpers
ermöglichen die Verwendung weitestgehend geringer Wandstärken und damit auch die
Einhaltung kleinster Abmessungen und entsprechend geringer Gewichte für das Ventilgehäuse.
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Ventilgehäuse mit den Ventilsitz tragendem Einsatzkörper und in diesem
vorgesehenen Verbindungskanal sind an sich bekannt. Der Einsatzkörper wird jedoch
in eine gebohrte Bodenöffnung des Ventilgehäuses eingesetzt und durch die bekannten
V-förmigen Schweißnähte befestigt. In manchen Fällen wird der Einsatzkörper eingeschraubt.
Es läßt sich auf diese Weise zwar eine ausreichende Befestigung des Einsatzkörpers
erzielen, jedoch bereitet das dichte Einpassen Schwierigkeiten, weil der Verbindungskanal
durch die Mantelflächen des Einsatzkörpers hindurchgeführt werden muß.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von Ventilgehäusen deckelloser
Ventile aus insbesondere geschmiedeten Doppelschalen, von welchen jeweils zwei aufeinandergelegt
und zu einem Gehäusepaar verschweißt werden, das durch Querteilung in zwei Einzelgehäuse
zerlegbar ist, kennzeichnet sich dadurch, daß zunächst an den Stirnseiten des Bügelaufsatzes
verbundene Doppelschalen hergestellt werden, bei welchen die zu verschweißenden
Randflächen in einer quer zur Gehäuselängsachse gerichteten Teilungsebene vorgesehen
sind und die an den Endabschnitten der Doppelschale angeordneten Stutzen gleich
lang und mit ebenflächigen Stirnseiten versehen sind, und daß diese Doppelschalen
an beiden in der Ventilsitzachse liegenden Enden halbzylindrische Ausnehmungen als
Einsatzöffnungen für einen besonderen zylindrischen Ventileinsatzkörper erhalten,
so daß jede Doppelschale nur zwei geradlinig verlaufende, zueinander parallel gerichtete
Schweißränder besitzt, welche dann unter Verwendung der Stutzenstirnseiten als Spannflächen
in einer Schleifmaschine plan geschliffen und dann anschließend in einer Schweißmaschine
mit der entsprechenden zweiten Doppelschale mittels einer Elektronenstrahlschweißung
durch Flächenverschmelzung verbunden werden, worauf auch die Ventilsitz-Einsatzkörper
durch Flächenverschmelzung der zylindrischen Mantelflächen mit den entsprechenden
zylindrischen Gegenflächen der Doppelschalen durch Elektronenstrahlschweißung befestigt
werden.
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Zunächst sind diese Doppelschalen trotz ihrer unsymmetrischen Form
infolge der weitestgehend gleichmäßigen Werkstoffverteilung wirtschaftlich zu schmieden.
Bei diesen Doppelschalen befinden sich die Stirnseiten der beiden Gehäusestutzen
in einer parallel zu den Schweißrändern verlaufenden Ebene, so daß in einfacher
Weise diese beiden für das Schweißen wichtigen Bereiche auf Schleifmaschinen bearbeitet
werden können. Eine sehr genaue Festlegung der Endabmessungen dieser Doppelschalen
während des Schleifens ist möglich, weil bei dem nun zur Anwendung kommenden Elektronenstrahlschweißen
keine Materialzugaben berücksichtigt zu werden brauchen und Formveränderungen nicht
eintreten. Die unterhalb der Ventilsitzräume vorgesehenen Bodenöffnungen, d. h.
die halbzylindrischen Ausnehmungen, haben glatte Wandungen und erfordern nach dem
Verschweißen der Doppelschalen nur eine geringfügige Nachbehandlung, damit Mantelflächen
entstehen, die als Anschmelzflächen zur dichten Verbindung mit der zylindrischen
Umfangsfläche eine einfachen Einsatzkörpers geeignet sind, der den Ventilsitz und
den Verbindungskanal besitzt. Durch das Verschmelzen der zylindrischen Mantelflächen
des Einsatzkörpers mit den Gegenflächen der Gehäuseschalen wird eine absolut dichte
homogene und unlösliche Verbindung geschaffen, und zwar auch dann, wenn der Einsatzkörper
aus hochwertigen Werkstoffen besteht.
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Bei dem angewendeten Elektronenstrahlschweißen, das unter Vakuum,
d. h. in einem evakuierten Raum erfolgt, werden durch den Elektronenstrahl sehr
hohe Schmelztemperaturen erzielt, die aber nur bei Berücksichtigung der Querbewegung
des Elektronenstrahls jeweils in der Schweißzone auftreten, die praktisch durch
den einem Nadelstich entsprechenden Bereich begrenzt ist. Es tritt dadurch augenblicklich
hinter dem Elektronenstrahl die Abkühlung der sehr kleinen Schmelzzone ein, wodurch
praktisch keine Erwärmung des gesamten Werkstückes eintritt und Formänderungen durch
Wärmeeinwirkung ausgeschlossen sind. Die hohe Schmelztemperatur führt aber in der
Schmelzzone zu einer homogenen Verbindung der aneinandergepreßten, glattgeschliffenen
Flächen. Es werden damit Bereiche erfaßt, die bei Anwendung normaler Schweißverfahren
unerreichbar sind, und zwar ist auch das Schweißen bzw. Verschmelzen von Flächen
durch einen massiven Werkstückteil hindurch möglich. Dieses Elektronenschweißen
hat den weiteren Vorteil, daß gleichzeitig während der Durchführung der Flächenverschmelzung
der Verbindungsprozeß fotografisch, und zwar auf Film, kontrolliert werden kann.
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Ein Vorteil des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung besteht
darin, daß zwecks Vermeidung mehrerer Gesenke solche Doppelschalen geschmiedet werden
können, die zur Hälfte die Form für die hintere und zur anderen Hälfte die Form
für die vordere Gehäuseschale besitzen. Es werden dann zwei Gehäuseschalen in einer
um 180° versetzten Lage mit den Rändern flächig aneinandergepreßt und durch die
Elektronenstrahlschweißung verbunden. Diese Formgebung der Doppelschalen steht in
engem Zusammenhang mit der besonderen Einschweißart des Ventilsitz-Einsatzkörpers.
Ein
weiteres Merkmal der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Bügelaufsatz und
der den Stopfbuchsenraum des Gehäusemittelteils umschließende Gehäuseaufsatz im
Bereich jeder Schale durch einen gleichzeitig mit der Schale geschmiedeten Steg
verbunden ist und daß beiderseits des Stopfbuchsenraumes nahe der Teilungsebene
seitlich abstehende Lappen an jeder Schale, und zwar für die Augenschrauben der
Stopfbuchsenbrille, angeschmiedet sind.
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In der Zeichnung sind das Ventilgehäuse nach der Erfindung und die
wesentlichsten Merkmale des Herstellungsverfahrens veranschaulicht.
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F i g. 1 zeigt zwei aneinandergeschweißte Doppelschalen im Längsschnitt;
F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Doppelschale gemäß F i g. 1; F i g. 3 zeigt
ein bereits mit angeschweißten Flanschen versehenes Ventilgehäuse in vertikalem
Längsschnitt.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Herstellung eines mit dem Bügelaufsatz
kombinierten Ventilgehäuses eines deckellosen Ventils. Solche Ventile haben den
Vorteil, daß die Bauart einfach und das Gewicht gering ist. Es entfallen Schraub-,
Flansch-und Schweißverbindungen zwischen Gehäuse- und Bügeldeckel. Die Herstellung
dieser Gehäuse durch geschmiedete Teile erfolgt nunmehr in folgender Weise: Es wird
zunächst eine unsymmetrische Doppelschale geschmiedet, die zur Hälfte die Form für
die hintere Gehäuseschale 1 und zur anderen Hälfte die Form für die vordere Gehäuseschale
2 besitzt. Die Gehäuseschale 1 besitzt eine tiefe Mulde 3 für den Abströmkanal.
Diese tiefe Mulde, die bei diesem Schmiedevorgang einen vorteilhaften Querschnitt
erhält, begünstigt beim fertigen Ventilgehäuse den Strömungsdurchlauf. Die beiden
unsymmetrischen Gehäuseschalen 1 und 2 sind über je einen geschmiedeten Steg 4 mit
einem als Halbring ausgebildeten Teil des Bügelaufsatzes 5 verbunden. Die Bügelaufsätze
5 der beiden Schalen 1 und 2 sind unmittelbar aneinandergeschmiedet.
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In den Bügelaufsätzen wird beim fertigen Ventil eine Spindelmutter
gelagert. Der für die Aufnahme der Spindelmutter erforderliche Längskanal 6 wird
daher in die Doppelschalen bereits eingeschmiedet. Die Gehäuseschalen besitzen in
Richtung der Ventilsitzöffnung bzw. der Spindelachse in koaxialer Anordnung eine
ausgeschmiedete, zunächst halbzylindrische Bodenöffnung 7 und einen Stopfbuchsenraum
B. Am Kopfende des Stopfbuchsenraumes sind an den Außenseiten der Gehäuseschalen
Lappen 9 angeschmiedet, die später gelocht werden und zur Lagerung der Augenschrauben
für die Stopfbuchsenbrille dienen.
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Die Doppelschalen können aber auch symmetrisch ausgebildet sein, jedoch
sind dann zwei unterschiedlich geformte Doppelschalen herzustellen, von welchen
die eine Doppelschale nur die Gehäuseschalen 1 und die andere die Gehäuseschalen
2 besitzt.
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Jeweils zwei Doppelschalen werden in einer mit den Innenseiten einander
zugekehrten Lage aufeinandergepreßt und in einer nachstehend noch beschriebenen
Weise verbunden, wodurch zwei Ventilgehäuse entstehen, die im Bereich des Bügelaufsatzes
auseinandergeschnitten werden müssen. Die zwischen diesen beiden miteinander verbundenen
Doppelschalen liegende Teilungsebene x-x ist aus F i g. 1 ersichtlich. Diese Teilungsebene
liegt rechtwinkelig zur Durchflußebene, d. h. zur Gehäuselängsachse. Die gleichachsig
angeordneten Gehäusestutzen 9 und 10 sind daher senkrecht zur Teilungsebene gerichtet.
Beim Ausführungsbeispiel besitzt jede Doppelschale an den Endbereichen einen Stutzen
9 und einen Stutzen 10. Diese Stutzen haben jedoch, von der Teilungsebene ausgehend
gemessen, untereinander eine völlig übereinstimmende, gleich große Länge. Die Kanäle
sind in diesen Stutzen bereits vorgeschmiedet. Die aus schmiedetechnischen Gründen
verbleibende restliche Wand 11 wird später durch Bohren entfernt.
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Die geschmiedten Doppelschalen besitzen daher an ihren Enden die gleich
langen Stutzen 9 und 10, die an ihren Stirnseiten 12 plan geschliffen werden und
dadurch wesentliche Hilfskörper für die Bearbeitung der in der Teilungsebene x-x
liegenden Randflächen 13 der Gehäuseschalen bilden. Diese Stutzen 9 und 10 schaffen
jeweils übereinstimmende Verhältnisse beim Einspannen und Schleifen der Flächen
13. Diese Randflächen 13 sind infolge der besonderen Formgebung der Gehäuseschalen
in der aus F i g. 2 ersichtlichen Weise im wesentlichen geradlinig und parallel
zueinander angeordnet und können im Hinblick auf die nachstehend noch genannte besondere
Verschweißungsart eine verhältnismäßig geringe Breite erhalten. Wesentlich ist jedoch,
daß plangeschliffene Randflächen 13 geschaffen werden, die bereits ohne jegliche
Zugaben der endgültigen Form einer Gehäusehälfte entsprechen.
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Diese bezüglich der Flächen 12 und 13 auf Schleifmaschinen in einfacher
Weise nachbearbeiteten Doppelschalen werden nun unter Vakuum durch Elektronenstrahlschweißung
mit den plangeschliffenen Flächen 13 aneinandergeschmolzen. Der Elektronenstrahl
wird in Richtung des Pfeiles y (F i g. 2) angesetzt und in Längsrichtung der Teilungsebene
bewegt. Es kann natürlich auch in umgekehrter Weise das Werkstück gegenüber dem
Elektronenstrahl bewegt werden. Die nunmehr in der Teilungsebene x-x hintereinanderliegenden
Flächen 13 der Schalenränder werden gleichzeitig an die aufgepreßte Gegenschale
geschweißt. Bei der sich wärmemäßig praktisch nur auf den Trennebenenbereich erstreckenden
Verschweißung tritt kein Verziehen der Schalen und damit auch keine Formänderung
auf, so daß die Schalen in gleicher Weise wie bei einem Klebevorgang genau aneinandergefügt
werden. Die Schalen können dadurch bereits während des Schmiedens mit großer Präzision
hergestellt werden, so daß Nachbearbeitungen im Bereich der Flächen der Gehäusebohrungen
auf das kleinstmögliche Maß beschränkt bleiben.
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In dieses ohne Ventilsitz geschaffene Gehäuse wird nun in die möglichst
geschliffene zylindrische Bodenöffnung 7 ein gleichfalls zylindrischer Ventilsitzkörper
14 eingesetzt. Auch die Umfangsfläche der Bodenöffnung 7 liegt koaxial zu den übrigen
zylindrischen Innenräumen des Gehäuses und kann von beiden Seiten des Doppelgehäuses
her ohne Schwierigkeiten und in kurzer Zeit bearbeitet werden. Der Ventilsitzkörper
besteht nur aus einem Zylinderabschnitt eines geeigneten Werkstoffes. Dieser Ventilsitzkörper
kann wegen seiner gesonderten Herstellung nach den zweckmäßigsten Verfahren mit
dem Ventilsitz und einem inneren winkelförmigen Kanal großen Querschnittes
versehen
werden. Zweckmäßig wird der obere Rand des Ventilsitzkörpers mit einem aufgeschweißten
und anschließend fertigbearbeiteten Sitz versehen. Für den Sitzring können Hartmetalle,
z. B. Stelitte, verwendet werden, die bei anderen, geschlossenen Gehäusen nur mit
erheblichen Schwierigkeiten aufgetragen und bearbeitet werden können.
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Der Außendurchmesser des Ventilsitzkörpers ist derart groß bemessen,
daß beim Einsetzen dieses Körpers in die Bodenöffnung 7 ein festes Gegeneinanderpressen
der Zylindermantelflächen erfolgt. Die Befestigung dieses Ventilsitzkörpers erfolgt
unter Vakuum mittels des Elektronenstrahlschweißens, und zwar werden durch einen
beispielsweise in Richtung des Pfeiles z angesetzten Elektronenstrahl die gegeneinandergepreßten
Mantelflächen . in der ganzen axialen Länge aneinandergeschmolzen, wobei der Strahl
bzw. das Gehäuse entsprechend dem ringförmigen Verlauf der Berührungsflächen bewegt
wird. Durch das Aneinanderschmelzen der zylindrischen Berührungsflächen von Ventilsitzkörper
und Bodenöffnung wird eine absolut dichte, weitestgehend homogene Verbindung geschaffen,
wobei auch in diesem Fall durch die bei diesem Schweißen auftretende geringe Wärmewirkung
keine Veränderungen möglich sind, die ein Nachbearbeiten erfordern. Diese Art des
Einschweißens führt gleichzeitig zu einer zusätzlichen Verbindung der benachbarten
Gehäuseschalen.
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Der Ventilsitzkörper kann aber zunächst auch nur mit dem axialen Mittelkanal
versehen sein. In diesem Fall wird nach dem Einschweißen des Ventilsitzkörpers gleichzeitig
mit dem Bohren der in den Gehäusestutzen vorzusehenden Kanäle auch die Seitenwand
des Ventilsitzkörpers durchbohrt.
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Dieses zunächst flanschlose Ventilgehäuse, welches aus zwei unterschiedlichen
Gehäuseschalen und dem eingeschweißten Ventilsitzkörper besteht, ist aus F i g.
3 ersichtlich. Die Gehäusestutzen 9 und 10 können nun in Abhängigkeit von der Art
des Einbaues des Ventils in Rohrleitungen mit Gewinde oder mit Flanschen versehen
werden. Die Flansche können in bekannter Weise angeschweißt oder aber auch mittels
des Elektronenstrahlschweißverfahrens an die geschliffenen Stirnseiten 12 angeschmolzen
werden.
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Am unteren Ende des Stopfbuchsenraumes 8 wird ein Gewindeteil vorgesehen,
der zum Einschrauben eines Grundringes dient. Auch der Bügelaufsatz 5 wird mit Gewinde
versehen.
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Es werden in der vorstehenden Weise Ventilgehäuse geschaffen, die
bei geringem Materialaufwand in ihrem Innern strömungsgünstige Kanäle großen Querschnittes
besitzen und aus wenigen Teilen bestehen, die im Bereich von Zylindermantelflächen
oder plangeschliffenen Randflächen von zwei unterschiedlichen Gehäuseschalen aneinandergeschweißt,
insbesondere flächig aneinandergeschmolzen sind. Diese Ventilgehäuse stellen bereits
als Einzelstücke vorteilhafte Verbesserungen dar, jedoch liegt ein Hauptvorteil
der Erfindung in der einfachen und gleichzeitigen Fertigung von zwei Gehäusen.