DE19746235A1 - Verfahren zur Herstellung eines Tellerventiles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Tellerventiles, insbesondere eines Gaswechselventiles für eine Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Aus der DE-39 29 534 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gaswechselventiles be­ kannt, in welchem zunächst zur Bildung eines Ventilschaftes ein hohles, rohrförmiges Roh­ material durch Kaltumformung, wie z. B. Rundkneten unter Einlegen eines Dornes auf den gewünschten Ventilschaftdurchmesser reduziert wird, an diesem Ventilschaft im Übergangs­ bereich zu dem Ventilteller ein sich aufweitender Schaftabschnitt bogenförmig ausgeformt und anschließend dieser aufgeweitete Schaftabschnitt an einer Stelle abgetrennt wird, an welcher der Durchmesser dieses Schaftabschnittes der Verbindungsstelle zu dem separat hergestellten Ventilteller entspricht.

Die so hergestellten Ventile bestehen somit aus zwei Bauteilen, dem hohlen Schaft und dem massivem Ventilteller, wobei diese beiden Teile anschließend beispielsweise durch Laser­ schweißung miteinander verbunden werden. Somit ist ein Ventil mit vergleichsweise großem Innenvolumen und geringem Gewicht geschaffen. Der Hohlraum im Ventilschaft bietet die Möglichkeit, eine Kühlflüssigkeit wie etwa Natrium einzusetzen, so daß diese Zweistoffventile als Auslaßventile eingesetzt werden können.

Aus der DE-Z "Werkstatt und Betrieb" 122 (1989), Nr. 11, Seiten 952 und 953 ist es bekannt, Auslaßventile von Verbrennungsmotoren mittels der Formgebungsprozesse Stauchen oder Fließpressen herzustellen. Für das Stauchverfahren sprechende Vorteile sind ein besserer Faserverlauf, kürzere Taktzeiten und ein niedrigerer Energieverbrauch sowie eine höhere Thermoschockbeständigkeit.

Bisher in Großserie verwendete Herstellverfahren für Tellerventile sehen zunächst ein Richten des Rohmateriales vor, anschließend spanabhebende Verfahrensschritte wie Schaftvorschleifen und Schaftende plan Vorschleifen, anschließend das Schleifen des Kopf­ profiles sowie abschließend ein Plan- und Fertigschleifen des Ventilschaftes, endseitiger Stirnflächen und von Sitzringfasen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Tellerventilen anzugeben, welches unter verbesserter Materialausnutzung eine Herstellung mit weniger Verfahrensschritten gewährleistet, wobei die Festigkeit des Ventilschaftes nicht beein­ trächtigt werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen ange­ geben.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zunächst vor, ein zylindrisches und stabförmig ausgebildetes Rohmaterial mit einer bestimmten Länge und einem bestimmten Durchmesser an einem seiner Enden umzuformen, beispielsweise durch Stauchen oder Warmfließ­ pressen, wodurch unter Verkürzung der Gesamtlänge und unter Vergrößerung des Durch­ messers in diesem Umformbereich der Ventilteller in seiner Rohform gebildet wird. Dabei kann durch Auswahl eines geeigneten Rohmaterialdurchmessers vergleichsweise schnell ein Ventilteller gebildet werden.

Anschließend wird in einem nächsten Verfahrensschritt der nicht umgeformte Bereich des Rohmaterialschaftes durch das Kaltumformverfahren Rundkneten unter Verringerung des Durchmessers auf einen gewünschten Durchmesser reduziert, wobei gleichzeitig der Ventil­ schaft auf eine erforderliche Länge vergrößert wird.

Vorteilhafterweise wird durch das Rundkneten eine höhere Ventilschaftfestigkeit durch die dabei eintretende Kaltverfestigung und einen ungestörten, durchgehenden Faserverlauf erzielt, als bei der konventionellen Herstellmethode. Diese erhöhten Festigkeitswerte er­ lauben das Herstellen von Ventilschäften mit vergleichsweise geringen Durchmessern. Eine spanabhebende Bearbeitung am Ventilschaft kann entfallen, was gleichzeitig günstige Voraussetzungen bezüglich zu tätigender Werkzeuginvestitionen und der Taktzeiten bedeutet.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, daß nach dem ersten Schrift der in seiner Rohform ausgebildete Ventilteller durch spanende Bearbeitung des Tellerbodens sowie der einem Ventilsitzring zugewandten Sitzflächen seine gewünschten Abmessungen erhält.

Weiterhin kann bevorzugt vorgesehen sein, daß in einem Bereich nahe des Ventiltellers über eine begrenzte axiale Länge des Rohmaterialschaftes eine Querzustellung des Rundknet­ werkzeuges erfolgt, so daß in diesem Bereich eine Ventilschafteinschnürung ohne Spanab­ hebung erzeugt wird.

Weiterhin kann in bevorzugter Weise vorgesehen sein, daß in einem weiteren Verfahrens­ schritt an dem dem Ventilteller gegenüberliegenden Ende des Ventilschaftes durch das Rundknetverfahren eine oder mehrere Rillen eingebracht werden, welche später im ver­ bauten Zustand mit einem Ventilfederteller zusammenwirken können.

Der Verfahrensschritt Umformen kann in bevorzugter Weise als Elektrostauchen erfolgen, d. h. die für die Verformung erforderliche Wärmeenergie wird durch Anlegen von elek­ trischem Strom in das Rohmaterial eingebracht.

Insgesamt bietet das Verfahren den Vorteil, daß bei geeigneter Wahl von Werkstoff und Rohmateriallänge sowie -durchmesser das sonst übliche Richten zu Beginn des Fertigungs­ prozesses entfallen kann, ebenso entfällt das Vorschleifen des Schaftes sowie das Planvor­ schleifen des Schaftendes. Dementsprechend verringert sich die Bearbeitungszeit. Bei aus­ reichend großem Durchmesser des Rohmateriales kann für den Fall des Umformverfahrens Stauchen ein Knickschutz entfallen. Das Rundkneten bietet die Möglichkeit, nahezu beliebig geringe Ventilschaftdurchmesser zu realisieren, wobei durch den ungestörten Faserverlauf und die Kaltverfestigung eine ausreichend hohe Festigkeit gewährleistet ist. Durch die verminderte Spanabnahme ist eine verbesserte Materialausnutzung gegeben, was sich in verringerten Werkstoffkosten bemerkbar macht. Zum Abschluß des Verfahrens kann der Ventilschaft an vorbestimmter Stelle in bekannter Weise abgelängt werden so daß anschließend ein verbaubares, leichtgewichtiges und hochfestes Tellerventil vorliegt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Tellerventil in einer Seitenansicht und

Fig. 2 ein weiteres Tellerventil mit einer Schafteinschnürung.

Fig. 1 zeigt in strichpunktierten Linien einen dem Verfahren zur Herstellung eines Teller­ ventiles zugrunde liegenden Rohmaterialschaft 1. Dieser ist zylindrisch und stabförmig massiv ausgebildet und weist eine Länge L1 mit einem Durchmesser D1 auf.

In einem ersten Verfahrensschritt a) wird dieser Rohmaterialschaft 1 durch Elektrostauchen an einem seiner Enden verkürzt. Das bei dem Stauchvorgang unter Vergrößerung des Durchmessers D1 kugelförmig aufgeworfene Material bildet nach einem Schmiedevorgang eine Rohkontur eines Ventiltellers 2.

Anschließend werden mittels Drehen ein Ventiltellerboden 3 sowie Sitzphasen 4 hergestellt.

In einem nächsten Verfahrensschritt b) wird mittels des in der deutschen Industrienorm DIN 8583 begriffsbestimmten Rundknetens der im Schritt a) nicht gestauchte Teil des Schaftes 1 in seinem Durchmesser auf einen Wert D2 verringert, wobei durch die dabei vorgenommene Materialverdrängung gleichzeitig ein Längenwachstum um einen Betrag LW erzielt wird. Die Bewegung des Rundknetwerkzeuges relativ zum Tellerventil erfolgt dabei vom in Fig. 1 links liegenden Ende aus in Richtung auf den Ventilteller 2.

In einem weiteren Verfahrensschritt c) kann an dem dem Ventilteller 2 gegenüberliegenden Ende des Schaftes 1 eine oder mehrere Rillen 5 durch Querzustellung eines gesonderten Rundknetwerkzeuges oder durch Einrollen erzeugt werden.

Bei Verwendung des Tellerventiles als Gaswechselventil beispielsweise in einer Brennkraft­ maschine, kann es erforderlich sein aus strömungstechnischen oder aus Gewichtsgründen eine Schafteinschnürung 6 im Bereich benachbart zum Ventilteller 2 zu erzeugen. Fig. 2 zeigt eine solche Einschnürung 6, welche in diesem ventiltellernahen Bereich durch eine Querzustellung des Rundknetwerkzeuges erzeugt wird. Die dort vorgenommene Materialver­ drängung erzeugt wiederum ein Längenwachstum um einen Betrag LW. Im Bereich der Schafteinschnürung 6 verringert sich der Durchmesser von dem übrigen Durchmesser des Schaftes D2 auf einen kleineren Durchmesser D3.

Bei Verwendung des Tellerventiles als Einlaßventil bei einer Brennkraftmaschine wird als Werkstoff besonders bevorzugt X45 CrSi 9 3 verwendet, alternativ 37 MnSi 5 oder X85 CrMoV 18 2.

Für thermisch hochbelastete Auslaßventile wird besonders bevorzugt bei Zweistoffventilen für den Schaft X45 CrSi 9 3 und für den Ventilteller X50 CrMnNiNbN21 9 verwendet. Alternativ können auch X45 CrNiW 18 9 oder X55 CrMnNi 20 8 oder NiCr 20 TiAl verwendet werden.

Im Falle solcher Zweistoffventile wird zunächst aus dem Ventiltellermaterial in der zuvor beschriebenen Verfahrensweise ein Rohling gemäß Fig. 1 mit der Länge L2 hergestellt und anschließend der Schaft beispielsweise durch Reibschweißen stumpf aufgesetzt. Anschließend wird dieses Zweistoffventil dem Rundknetvorgang unterworfen.

Besonders günstige Verhältnisse bezüglich Fertigungszeit und Schaftfestigkeit wurden erzielt mit Rohmaterialdurchmessem D1 zwischen 7 und 8 mm, insbesondere mit 7,3 mm. Die verfahrensgemäß hergestellten Fertigteildurchmesser D2 können je nach Anwendungs­ fall beispielsweise 4, 5 oder 6 mm, aber auch beliebige Werte dazwischen einnehmen. In Abhängigkeit von diesem zu erzielenden Durchmesser D2 stellt sich ein dementsprechendes Längenwachstum LW ein. Als Führungsgröße dient hierbei die letztendlich zu erzielende Gesamtlänge L3 des Tellerventiles unter Berücksichtigung des Durchmessers D.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Tellerventiles mit den Schritten

• a) Umformen eines zylindrischen und stabförmigen Rohmaterialschaftes (1) mit einer Länge (L1) und einem Durchmesser (D1) an einem seiner Enden unter Bildung eines Ventiltellers (2) mit einem größeren Durchmesser (D2) und Verkürzung der Länge (L1) zu einer Länge (L2),
• b) Rundkneten mit Längsvorschub des im Schritt (a) nicht gestauchten Bereiches des Rohmaterialschaftes (1) unter Verringerung des Durchmessers (D1) zu einem gewünschten Durchmesser (D2) bei gleichzeitiger Vergrößerung der Länge (L2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwischen Schritt a) und Schritt b) in einem Schritt a1) der Ventilteller (2) durch spanende Bearbeitung seine gewünschten Abmessungen erhält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt b) in einem ventiltellernahen Bereich über eine begrenzte axiale Länge des Rohmaterialschaftes (1) durch Querzustellung des Rundknetwerkzeuges eine Ventilschafteinschnürung (6) erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach Schritt b) in einem Schritt c) an dem dem Ventilteller (2) gegenüberliegenden Ende des Schaftes (1) zumindest eine Rille (5) durch Rundkneten eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt a) das Umformen durch Stauchen erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt a) das Umformen durch Warmfließpressen erfolgt.