WO2017071840A1 - Innengekühltes ventil für verbrennungsmotoren sowie verfahren und vorrichtung zu dessen herstellung - Google Patents

Innengekühltes ventil für verbrennungsmotoren sowie verfahren und vorrichtung zu dessen herstellung Download PDF

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workpiece
internally cooled
forming
rollers
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Stefan Kellermann
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Federal-Mogul Valvetrain Gmbh
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    • F01L3/12—Cooling of valves
    • F01L3/14—Cooling of valves by means of a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in a valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements
    • F01L2303/01—Tools for producing, mounting or adjusting, e.g. some part of the distribution

Definitions

  • the present invention relates to cooled valves for internal combustion engines. More particularly, the present invention relates to a sodium-cooled intake or exhaust valve for an internal combustion engine, and more particularly to its method of manufacture, and to an apparatus for manufacturing the valve by rolling.
  • a method of manufacturing an internally cooled intake or exhaust valve for internal combustion engines which is based on forming a semi-finished product or semi-finished product instead of known metal-cutting processes.
  • the method includes providing a workpiece that includes a shaft and a cylindrical hole that extends axially from a valve stem end.
  • the valve stem end of the workpiece later forms the part which is located at the valve stem end of the finished valve.
  • the valve stem end is formed by molding the shaft to a smaller diameter deformed, wherein a diameter of the cylindrical hole is reduced, wherein the hole remains.
  • the hole later forms the cavity for a coolant that can move in the cavity to transfer heat from an uncooled valve disk toward a cooled valve stem.
  • the method further comprises reforming a portion of the workpiece that connects to a valve stem by forming rolls to a valve head.
  • the valve head is also formed by forming rollers.
  • at least the valve stem with a bore therein is rolled to a diameter of mine.
  • the method can also be applied to tubular workpieces to produce the stem and the upper part of a valve disk, wherein a lower part of a valve disk can be formed by a lid which is connected to the upper part of the valve disk.
  • the method is based on a basic embodiment of forming a workpiece comprising a cylindrical shaft and a cylindrical hole therein extending axially from a valve stem end.
  • the valve stem end is reshaped to a smaller diameter by forming rollers of the cylindrical shaft, whereby a diameter of the cylindrical hole is reduced, but the cylindrical hole remains, but may lose its cylindrical shape because the workpiece is less deformed in the area of the valve disk than in the valve disk Area of valve stem end.
  • the initially cylindrical hole later forms the cavity for a coolant.
  • workpiece is used in the meanings of workpiece, semi-finished product, semi-finished product and semi-finished product in order to avoid unnecessary repetition of the corresponding terms, and not to unnecessarily prolong the text.
  • semi-finished product and “semi-finished product” are used synonymously here.
  • the method comprises reducing the diameter of the shank and the bore therein and forming at least the back of the valve disc by forming rollers.
  • the nature of the formation of the valve disk surface is not yet considered.
  • the workpiece prior to the forming roll, has a diameter at least equal to that of the valve disk of the finished valve, and the method further comprises molding a transition between the valve head and the valve stem to a groove. This will cause the back of the Valve plates made by molding rolls. It is also envisaged to produce the chamfer for the valve seat and / or the rim by forming rollers.
  • the workpiece is cup-shaped.
  • the cup-shaped workpiece has a diameter at a bottom of the workpiece which corresponds at least to that of the valve disk.
  • the cylindrical hole is designed as a blind hole, which extends from a valve stem end in the direction of the bottom of the cup-shaped workpiece, wherein the forming rollers comprises a reshaping of the shaft and a shaping of the valve head with at least the valve disc top side.
  • the chamfer of the valve seat and a valve edge to be produced by molding rolls.
  • the bottom of the workpiece forms the valve disk surface and can be brought into its final shape before the form rolling.
  • an outer bottom surface of the workpiece already has the shape of the valve disk. With such a workpiece, only the valve disk rear side and not the valve disk surface has to be processed by rolling.
  • the workpiece is cup-shaped and has a larger diameter at a bottom than in the region of the cylindrical shaft.
  • a thinner shank of the workpiece can be used, which allows easier machining by the forming rollers.
  • the shaft does not have to be rolled from a valve disk diameter to the valve stem diameter, but smaller transformations may be sufficient to be able to produce the valve with cavity in the valve disk.
  • the workpiece is held by guides between the rollers.
  • the guides may comprise individual rollers which abut against an outer surface of the valve stem or valve disc. It is also contemplated to use guides which are in sliding contact with an outer peripheral surface of the valve or workpiece and hold the valve or workpiece centered between the rollers.
  • the rollers or the sliders can be tracked to the axis of the Valve or workpiece to keep in the plane or surface, which is spanned by the two axes of the rollers.
  • Another embodiment of the method for manufacturing an internally cooled valve for internal combustion engines includes hot rolling the workpiece.
  • the method may also include heating the workpiece by heaters, such as induction heaters or gas burners, to allow recrystallization of the material, the workpiece, and to counteract effects of strain hardening.
  • it further includes moving the workpiece axially toward the shank end during rolling.
  • Another exemplary embodiment of the method of manufacturing an internally cooled valve for internal combustion engines further comprises rotating the workpiece during rolling. This does not concern a machining on a lathe, but a driving of the workpiece during the rolling process. This step may be advantageous if, due to the shaping turning, sections with different radii require a different slip between the workpiece or valve and the rollers. By driving or actively rotating the workpiece can be adjusted, which slip on which diameters or radii is formed and which radii are rolled slip-free during the form rolling.
  • the rolling in this case merely serves to reach the inside diameter of the cavity within the valve stem.
  • the wall thickness of the material can be chosen higher than would require the rolling process alone.
  • the method is based on a basic embodiment of forming a workpiece comprising a cylindrical shaft and a cylindrical hole therein extending axially from a valve stem end.
  • the valve stem end is reshaped to a smaller diameter by forming rollers of the cylindrical shaft, whereby a diameter of the cylindrical hole is reduced, whereby the hole remains but can lose its cylindrical shape, since the workpiece is in the range the valve disk is less deformed than in the region of the valve stem end.
  • the initially cylindrical hole later forms the cavity for a coolant.
  • the cavity for the coolant in this case has a larger diameter in the region of the valve disk, as a result of which the heat transfer from the valve disk to the coolant can be markedly improved.
  • an apparatus for producing an internally cooled valve for internal combustion engines from a workpiece, semi-finished product or semi-finished product comprises a rolling mill for round transverse rolling or for oblique rolling, wherein at least two rolls have the profile of an outlet valve.
  • the rollers comprise at least surfaces to form a shaft and the back of a valve disk by forming rollers.
  • the device for producing an internally cooled valve thus comprises forming rollers, which can roll a valve stem and a valve disc rear side out of a workpiece.
  • the rolling mill is designed to process a hollow workpiece and thus to produce a cavity in an internally cooled valve.
  • the rolling mill is intended to reshape a substantially cylindrical hole or blind hole such that the largest possible cavity of an internally cooled inlet or outlet valve can be achieved.
  • the device comprises only rollers, wherein additional guide rollers can be provided to guide the workpiece between the rollers. Due to the large diameter difference between the valve stem and the valve disc diameter, it is not possible to roll the valve with a rolling device comprising three cooperating rollers.
  • the apparatus for manufacturing an internally cooled valve it further includes a mandrel that can be inserted into a hole of a workpiece to guide the workpiece during rolling.
  • the mandrel can serve as a guide and on the other hand can serve as a gauge to indicate when an inner diameter of a rolled workpiece has reached a predetermined diameter.
  • the latter further comprises at least one guide for holding and guiding the workpiece between the rollers, wherein the at least one guide comprises a sliding element and / or one or more rollers which engage abut an outer surface of the workpiece.
  • the at least one guide comprises a plurality of rollers, at least one sliding element each resting on an outer surface of the workpiece, and / or a mandrel extending into the bore of the workpiece.
  • the workpiece can be given a defined inner diameter in the region of the shaft.
  • a possibly lubricated or release-provided mandrel can also be used to achieve a reduction in the thickness of the wall thickness of the valve stem under an extension of the valve stem.
  • a polished mandrel can be pulled out of the cavity after rolling.
  • the mandrel may also be tapered to facilitate extraction of the mandrel.
  • the at least one guide comprises a sliding element or one or more rollers, which abut against an outer surface of the workpiece.
  • the slider may be lubricated from the outside to reduce friction and wear of the slider.
  • the plurality of rollers of the contour of the valve may be adapted to exert a uniform pressure on the workpiece during rolling.
  • the guides can be arranged on both sides or only on one side of the workpiece.
  • the individual rollers of the at least one guide can also be arranged to be displaceable in the axial direction in order to avoid rolling in of the rollers in the shaft.
  • the sliding element may have a contour that corresponds to the negative of the contour of the valve, in order to allow the most uniform possible transmission of force to the workpiece.
  • the apparatus for manufacturing an internally cooled valve includes at least one force transducer, at least one guide, and individually driven rollers and a controller that controls the speed of the rollers to minimize the force on the guides.
  • the workpiece is held by a differential control of the rollers in the middle between the two rollers, so that the load and the wear of the guides can be minimized.
  • the service life of the rolling device can also be increased, since the intervals in which the guides must be replaced, can be extended.
  • the at least one guide comprises a plurality of rollers, at least one sliding element which respectively rest on an outer surface of the workpiece and / or a dome extending into the bore of the workpiece.
  • the axes of the rollers are skewed at an angle of 1 ° to 12 °, preferably 2 ° to 10 ° and more preferably 3 ° to 8 ° to each other.
  • This embodiment relates to a skew rolling method in which the rolls are spaced from each other at a distance and not parallel. Depending on the rolling direction and the position of the distance of the rollers, a workpiece during rolling can be conveyed in the axial direction. This effect is particularly pronounced when the (least) distance between the axes of the rolls is near one end of the rolls. In this configuration, it has not yet been defined how the axis of the workpiece is aligned.
  • the workpiece is rolled adjacent to one roll while the other roll is in contact with only a portion of the surface of the workpiece or has a surface which allows the entire surface to be simultaneously rolled.
  • the axis of the workpiece and the axes of the rollers are skewed at an angle of 0.5 ° to 6 °, preferably 1 ° to 5 ° and more preferably 1, 5 ° to 4 °, arranged to each other.
  • the rolling device is a so-called skew rolling device.
  • the roll axes are crossed or skewed relative to one another. This creates a longitudinal feed in the rotating about its longitudinal axis workpiece.
  • the workpiece is held in the nip by support rulers or guide rollers.
  • the roll caliber can be designed so that the roll gap narrows.
  • Oblique rolls can also be carried out with correspondingly shaped rolls, so that a total of a nip is formed with a constant spacing.
  • the roll gap ideally has the contour of an intake or exhaust valve.
  • at least one of the rollers, preferably both rollers has a hyperboloidal or rotationally hyperbolic outer surface.
  • hyperboloidal or rotational hyperbolic outer surface refers here, for lack of a more appropriate name, a hyperboloidal shape, which is not formed from straight lines or lines, but from the profile lines of an inlet or outlet valve, in particular the shaft and the back of the valve disk.
  • hyperboloid here refers to a single-shell hyperboloid having the known waisted shape and cut perpendicular to the rotational symmetry axis forms circles.
  • the degree of skewness of the shapes that produce the hyperboloid of revolution is intended to correspond exactly to the respective pitch of the axes of the workpiece and the roller, since under these conditions (in the case of straight producing the hyperboloid) a cylindrical workpiece can be rolled. If the hyperboloidal roller with the profiles of a valve stem / plate is produced, resulting in waisted rollers which can produce a valve with a straight valve stem during oblique rolling. This design requires the largest cost of the means of production, but currently gives the best results.
  • the device further comprises an axial guide or a chuck to guide or hold the workpiece from the plate side.
  • the axial guide With the axial guide, the workpiece can be pressed in the axial direction against the rollers so as to be able to form the flutes of the rear side of the valve disk.
  • the axial guide only prevents the workpiece from moving axially out of the rollers during rolling in the direction of the valve disk. If a chuck is used, the workpiece must still have a shoulder on which the chuck can grip the workpiece. The axial guidance provides increased process reliability when forming the valve plate back.
  • the apparatus further includes an actuator that can axially move the workpiece from the bottom toward the valve stem end.
  • This actuator can act directly on the above-mentioned axial guide or the chuck.
  • the valve stem can be slowly rolled from the valve stem end towards the valve plate, which can significantly reduce the load on the rollers. It is also possible to more closely monitor and execute the process of forming the valve disk backside.
  • the apparatus further includes a drive that rotates the workpiece during rolling at a particular and possibly variable speed. Due to the large difference in diameter between the valve stem and the valve disc, strong torsional forces occur during rolling, which can destroy the workpiece during forming.
  • the mill may also be provided with lubrication to minimize wear of the rollers in slipped sections.
  • the apparatus further includes a heating element to heat the workpiece during rolling.
  • a heating element to heat the workpiece during rolling.
  • the invention relates to a method in which, starting from a tubular or cup-shaped workpiece, a hollow valve head piece and a hollow valve stem are produced by hot rolling.
  • the valve produced if it is assumed that a cup-shaped workpiece, can be produced without a joint.
  • the valve produced may have an enlarged cavity in the region of the valve disk to accommodate an increased volume of sodium in the valve as a coolant.
  • a special feature comprises the forming by two rollers and a guide, wherein at least one roller is arranged at an angle relative to the workpiece axis and the second axis.
  • the rollers also have on the, the workpiece axis facing end side, each a negative mold or flute geometry of the valve head blank.
  • Both rolls can move toward each other during forming, whereby one roll can also be rigidly held in position and only the other roll (and the work piece) can be moved.
  • the workpiece can rest during the forming on a base or a guide and is pressed by the movement of the rollers against the guide and thereby rotated.
  • the workpiece can also be moved axially against the rollers, wherein the negative mold forms on the end faces of the rollers, the groove geometry of the valve head blank.
  • the position of a central axis of the workpiece can be located below the central axes of the rollers.
  • the guide may, to reduce the friction on the workpiece, have storage by means of rollers.
  • At least one of the rollers has a surface structure which causes a transport of the material of the workpiece in the axial direction.
  • a fine thread or other rough surface structure is attached.
  • the thread or rough surface structure may or should be primarily on the inclined axis.
  • the rollers may be made of a metal alloy or a ceramic composite material or each include this.
  • an internally cooled internal combustion engine valve that has been formed by any of the methods described above or by any of the apparatus described above.
  • the valve is characterized in that the workpiece before forming comprises a shaft and also a cylindrical hole extending from a valve stem end in the axial direction. At least the shaft of the valve was thereby formed by forming rollers of the shaft to a smaller diameter, wherein the hole is retained and wherein the workpiece before molding a diameter of at least that of the later valve disc comprises and that a valve head is made with a groove by forming rollers.
  • the valve is, in a basic embodiment, formed from a workpiece comprising a cylindrical shaft and a cylindrical hole therein extending axially from a valve stem end.
  • the valve stem end was reshaped to a smaller diameter by forming rollers of the cylindrical shaft, whereby a diameter of the cylindrical hole is reduced, whereby the cylindrical hole remains as a hole but may lose its cylindrical shape because the workpiece is less deformed in the area of the valve disk than in the area of the valve stem end.
  • the initially cylindrical hole later forms the cavity for a coolant.
  • the valve is thus an internally cooled valve, and the shaft and at least the back of the valve disk, at least partially made by forming.
  • valve can also be formed from a rohrform igen workpiece, wherein an opening on the valve disc can be closed later by a lid.
  • the workpiece is cup-shaped, the cup-shaped workpiece having a diameter at a bottom of the workpiece at least equal to that of the valve plug, the cylindrical hole being a blind hole extending from a valve stem end toward the bottom of the valve cup-shaped workpiece runs.
  • a larger cavity can be produced in the region of the valve disk than was previously possible with a one-piece valve.
  • the workpiece is cup-shaped and the cup-shaped workpiece has a larger diameter at a bottom of the workpiece than in the region of the cylindrical shaft.
  • the inner diameter of the blind hole should essentially determine the diameter of the cavity in the region of the valve disk. Due to the smaller diameter of the cylindrical shaft, the forming work and thus the residence time of the workpiece can be reduced in the rolling mill. Furthermore, the wall thickness of the cylindrical shaft can be increased, which in turn will have a positive effect on the forming process.
  • the cylindrical hole forms a cavity that extends within the valve stem and the valve disk and that is partially filled and sealed with sodium.
  • this has been made from a workpiece having a non-cylindrical shank with an outer contour and a cylindrical hole.
  • the outer contour is at least partially transferred to the non-cylindrical hole after forming.
  • the non-cylindrical hole has after forming an inner contour corresponding to the outer contour. This can be achieved with or without an extension of the shaft during rolling.
  • the dimensions of the outer contour, the necessary to achieve a desired inner contour can be relatively easily determined by experiment.
  • Figures 1A to 1D illustrate an embodiment of an apparatus according to the invention for producing an internally cooled valve, a tubular workpiece and the associated manufacturing method, is.
  • FIGS. 2A to 2C show a further embodiment of a device according to the invention for producing an internally cooled valve, a cup-shaped workpiece and the associated method.
  • Figures 3A to 3C illustrate another embodiment of a device according to the invention for producing an internally cooled valve, from a short cup-shaped workpiece and the associated method
  • Figures 4A to 4B show an additional embodiment of an inventive device for producing an internally cooled valve, from a short cup-shaped Workpiece by cross rolling.
  • FIGS. 5A and 5B illustrate a further additional embodiment of a device according to the invention for producing an internally cooled valve, from a short cup-shaped workpiece and the associated method.
  • FIGS. 6A and 6B illustrate another additional embodiment of a workpiece and an internally cooled valve.
  • Figure 1A shows a rolling device according to the invention with two forming rollers 42.
  • the forming rollers are provided with stub axles 64, with which they can be accommodated in a housing of a rolling device.
  • the forming rollers 42 can over the
  • Axle stub also be driven together or individually.
  • the axes are shown in a plan view, wherein the plane of the drawing extends essentially through the axes 48 of the rollers 42, or the axis 46 of the workpiece 14.
  • the outer contour of the forming rollers 42 corresponds to the negative profile of an inlet or outlet valve to be rolled.
  • a tubular workpiece 14 with a through hole or a through hole 28 is arranged.
  • the axis 46 of the workpiece 14 and the axes 48 of the rollers 42 are each aligned in parallel.
  • the rollers 42 and the workpiece 14 are shown in axial direction.
  • the rolls are designed in Figure 1A and 1B for a Rundquerwalzvorgang.
  • the rollers are designed as forming rollers 42.
  • the respective directions of rotation of the rollers and the workpiece are indicated by the arrows 60.
  • the workpiece 14 rotates here in the opposite direction to the forming rollers 42 between two forming rollers rotating in the same direction about the axis 46 of the workpiece 14.
  • the workpiece 14 is reshaped.
  • both rollers in the direction of movement or force application direction 62 are moved toward the workpiece 14.
  • the rollers 42 it is also possible to move only one of the rollers 42 in the direction of the workpiece 14 or the other roller, wherein the rotational axis of the workpiece 14 is displaced.
  • the workpiece 14 is held by a chuck 56, the clamping jaws are shown, in the axial direction.
  • the chuck 56 serves here as an axial guide 54 in order to prevent the workpiece 14 from moving in the direction of the later valve disk during rolling, which is brought about by the axial component of the rolling forces in the region of the valve disk rear side.
  • the form rolling has, inter alia, the advantage that the molecular chain structure is retained in the workpiece 14, which produces an undisturbed fiber profile. As a result, it can be determined on the basis of the crystal structure by metallurgical processes also on the finished valve that it was produced or formed by molding.
  • the axes 48 of the forming rollers 42 form a plane and the axis of the workpiece 14 is parallel to this plane, but not in this plane but in the drawing below this level. In a rolling process, the workpiece 14 would be pushed away when the forming rollers 42 starts a rolling process.
  • the workpiece 14 is therefore supported in the figure from below by a guide or radial guide 52 which serves as Radialftihrung.
  • the guide in the direction of the axis 46 of the workpiece 14 can be tracked upward to reduce the load on the radial guide 52.
  • a multi-part guide which can adapt to the various stages of deformation, in particular in the region of the valve head.
  • a series of rollers that can be operated with less wear. The rollers can be moved in the axial direction to avoid local deformation of the workpiece by the guide rollers.
  • a heating element can be mounted which heats the workpiece 14 by flame, radiation or induction to ensure that hot rolling occurs throughout the forming process.
  • the workpiece 14 can be displaced so far in the axial direction before rolling until it is flush with the upper edge of the forming rolls.
  • valve head back has a smaller area than the lateral surface of the valve stem, it seems advisable to create slippage between a valve head back and the corresponding portions of the forming rollers 42, otherwise due to torsional forces between the Venti Itel rear side and the valve stem could lead to destruction of the valve.
  • the angular velocity relationships between the shaft and the valve disk are at least as great as the corresponding radii ratios between valve stem and valve disk.
  • valve disk to valve stem diameter of about 5 each a Beh memoriais the angular velocities for the average diameter of the valve disk to the shaft diameter of about 2.5, which should be sufficient in a normal rolling process, turn off the valve disk from the shaft or demolish. Therefore, it can be provided to drive the workpiece 14 during forming at a higher speed in order to generate a slip in the region of the valve disk, which significantly relieves the transition from the valve disk to the valve stem and can thus prevent destruction of the workpiece 14 during molding.
  • the chuck can be rotated by a separate and not shown drive in rotation, if so provided.
  • the rolling device may be provided with a single-roll speed control, which is shown in detail in Figure IB to reduce the wear of the radial guide 52. This is shown in detail in FIG. 1B.
  • the controller is not shown in Figure 1A.
  • Figure IB shows the same elements as Figure 1A, wherein the forming rollers 42 a finished form-rolled workpiece 14A, wherein the forming rollers 42 are shown in a position at the end of the rolling process.
  • the presentation is purely schematic.
  • the forming rollers 42 have formed the workpiece 14 into a formed workpiece 14A.
  • the formed workpiece 14A still has a through hole 28 extending through the entire valve stem.
  • the Formwalzvoriques of Figure IB is provided with a force transducer 66 to at least one radial guide 52 to measure the force with which the workpiece through the forming rollers 42 against the radial guide 52 is pressed.
  • the roll forming apparatus of FIG. 1B is also provided with individually driven forming rolls 42 which may be individually driven at a selected speed.
  • the load cell or the force sensor 66 is connected to a controller 68 which controls at least the speed or the drive of one of the forming rollers 42 to limit the force exerted by the workpiece 14 / 14A during rolling on the radial guide 52. It may also be provided that the controller also controls a speed or one of the workpiece in order to reduce or at least limit the load on the radial guide 52.
  • the workpiece can be held in the middle between the two forming rolls by differential control of the forming rolls, or at a different position, so that the loading and wear of the guides 52 can be minimized.
  • the system can also be used on rolling machines with two guides. By a corresponding control, the service life of the rolling device can also be increased, since the intervals at which the guides must be replaced, can be extended.
  • Figure IC shows the finished formed workpiece 14A comprising a part substantially forming a valve body.
  • the valve body has a valve stem 8, which terminates at a lower end in a valve disk 6 or a rear side of a valve disk 24.
  • the valve body does not yet comprise a valve disk surface.
  • the valve stem 8 ends at the top of the shaft end 36, to which the valve can be controlled later.
  • the shank end can be made directly roll by form as shown, but it is also possible the shank end 36 to form later.
  • the through hole 28 was formed into the cavity 10 in the valve plate 6 and the valve stem 8. It is also possible to produce only the cavity 10 by forming and later to bring the valve stem to a final diameter by machining if it should not be possible to adjust the diameter of the through hole 28 and the wall thickness of the workpiece before and after to achieve the molding rolls.
  • the workpiece may be separated from the tubular remainder along the dotted line forming the separation point 30.
  • At the valve disk surface is here still an opening 18, which can be closed later with a lid to form a finished valve.
  • FIG. 1D shows the finished, produced by forming valve 4.
  • the valve 4 has a valve stem 8, which terminates at a lower end in a valve plate 6 and a rear side of a valve plate 24.
  • the opening 18 on the valve plate surface 22 is closed by a cover 20 which at a joint 32 with the valve by friction, resistance , Electron beam or laser welding was connected.
  • the cavity 10 is filled with a sodium coolant 12.
  • the coolant used is usually sodium, which is in a liquid state at operating temperatures of the internal combustion engine. Usually, not the entire cavity 10, but only 1/4, 1/3, 1/2, 2/3 to 3/4 of the cavity of the valve is filled with sodium.
  • the sodium moves up and down in the valve stem 8 or in the cavity 10 of the valve stem 8 and transports heat from the valve disk 6 in the direction of the cooled valve stem 8 (shaker cooling).
  • the sodium moves during each opening or closing operation within the valve 2.
  • the cavity 10 was generated in the valve 2, characterized in that the valve disk 6 was provided on the valve plate surface 22 with an opening 18.
  • FIG. 2A substantially corresponds to FIG. 1A.
  • a description of reference numerals and elements already described in connection with FIG. 1A will not be repeated here.
  • a cup-shaped workpiece 16 is now used, in which a bottom already forms the valve disk 6 and the valve disk surface 22.
  • a blind hole 26 is used.
  • the diameter of the workpiece 16 is greater in the region of the later valve plate than in the region of the later valve stem 8.
  • the workpiece already has substantially or precisely, the height of the later valve on. By the form rolling here essentially the valve stem is formed.
  • the valve disk can already be shaped to a large extent by machining.
  • the cup-shaped workpiece 16 is held in the axial direction by an axial guide 54 in order to be able to form the rear side of the valve disk. It is also contemplated to provide the cup-shaped workpiece 16 with a shoulder on which a chuck may engage to rotate the cup-shaped workpiece during die rolling at a selectable speed. This has already been done in the description of FIGS. 1A and 1B.
  • a slip between the valve disk and the mold can be achieved rollers.
  • the extension can be removed after machining by machining.
  • a wall thickness of the part of the cup-shaped workpiece 16, which later forms the valve stem can be made thinner, which later results in a smaller wall thickness of the valve stem.
  • the cup-shaped workpiece 16 less deformed than the workpiece of Figure 1A / 1B.
  • the valve is already almost finished after the forming rollers.
  • the cavity 10 has a large diameter in the region of the valve disk, which leads one to expect improved cooling properties.
  • the shank has a smaller wall thickness than in the case of FIGS. 1B. It is possible because of the lower degree of deformation to roll the shaft without it may be necessary to reduce the outer diameter of the valve stem by a further processing step.
  • FIG. 2C illustrates an inventive internally cooled valve 4 having a valve stem which terminates at a lower end in a valve disc.
  • the valve stem 8 terminates at the top in a stem end 36.
  • the valve is provided with a cavity 10 which is filled with a coolant 12.
  • the coolant can be filled, for example, with the coolant through an opening or bore on the valve stem.
  • the valve according to the invention has, in the region of the valve disk, a cavity with a large diameter, which can exceed the diameter of the valve stem.
  • the valve disk, with the valve disk surface 22, the valve disk rear side 24 and the valve stem are formed in one piece. The finished valve therefore has neither in the region of the valve disk nor in the region of the lower valve stem joints. It is possible to close the cavity 10 with coolant after filling with a valve stem end, for example by friction welding.
  • FIG. 3A essentially represents the shape of rolling device of FIG. 2A.
  • the forming rollers of Figure 3 A are provided with a surface structure 58, which causes a transport of the workpiece material in the axial direction during the form rolling.
  • the surface structure 58 which causes a transport of the workpiece material in the axial direction, is designed here as a thread, which generates an axial force in the direction of a later valve stem end upon rotation of the forming rollers 42.
  • a thread which generates an axial force in the direction of a later valve stem end upon rotation of the forming rollers 42.
  • With the surface structure it is possible to use a shorter cup-shaped workpiece 16.
  • a force is also exerted in the axial direction on the cup-shaped workpiece, whereby the material during rolling can spread not only in the radial direction but also in the axial direction.
  • the surface structure 58 is designed here as a thread.
  • the thread is smaller Flank height and small pitch performed that only exerts forces, but not einwalzt a thread in the valve stem.
  • the material can not only flow in the circumferential and radial directions, but also due to the axial forces in a position to flow in the axial direction or to deform. This effect results overall in a possibility to start with a cup-shaped workpiece with a larger wall thickness, which can significantly increase the process reliability of the process.
  • FIG. 3B illustrates the rolling process from the cup-shaped workpiece 16 in the direction of the valve stem end, wherein the material displacement is indicated by thin arrows.
  • Figures 3A and 3B can manage without an axial guide, when the surface structure 58 generates a sufficiently large axial force to form the back of the valve disc surface 24 by forming rollers.
  • Figure 3C shows a valve 4 made with the roll forming apparatus of Figures 3A and 3B. It differs from the valve of Figure 2C only by the crystal structure of the material.
  • FIG. 4A essentially corresponds to FIGS. 1A to 3A. A description of reference numerals and elements already described in connection with FIGS. 1A to 3A will not be repeated here.
  • FIG. 4A uses the same short cup-shaped workpiece 16 as shown in FIGS. 3A and 3B. Instead of cylindrical rollers, the axes of which are aligned parallel to one another, the embodiment of FIG. 4A and FIG. 4B uses hyperboloidal shaping rollers 44 whose axes are skewed relative to one another.
  • the rolling process is a skew rolling method because at least the axis of one of the molding rolls is inclined with respect to the axis of the cup-shaped workpiece.
  • the axes of the rolls are skewed with each other, and an angle between the axes can be given as the angle in orthogonal projection of the axes.
  • the 48 axes of the Form rollers each inclined at the same angle to the axis 46 of the cup-shaped workpiece 16. Due to the inclination and rotation of an axial force is generated in the direction of the later valve stem end during rolling. Thus, a similar effect can be generated as with the surface structure 58 in Figs. 3A and 3B. It is of course also possible to provide the forming rolls of Figures 4A and 4B with a corresponding surface structure 58 as disclosed in Figures 3A and 3B.
  • the forming rollers 44 form single-walled hyperboloid rotors whose generating non-straight lines are the profile of an inlet or outlet valve. Cylindrical rollers would not produce a cylindrical product but a single-walled hyperboloid as the distance between the axes of the rollers would be the shortest distance, depending on the distance increased. To compensate for this effect, the rollers themselves must have a form of a single-shell hyperboloid. When Schrägformwalzen the rollers must also have the profiling of the final product. So they form profiled single-shell hyperboloid surfaces. In contrast to the embodiments of FIGS.
  • the workpiece is here guided by two opposite radial guides 52 which guide the cup-shaped workpiece 16 between the hyperboloidal skew rollers 44.
  • the guides must also be tracked during the Formwalzvorgangs. It is particularly possible to use the single roll control of Figure 4B also in the rolling device of Figures 4A and 4 B.
  • both radial guides 52 may here be provided with at least one force transducer 66, which are each connected to a controller 68, which in turn controls the speed or the drive at least one of the forming rollers 44.
  • the controller can be used to hold the workpiece 16 exactly between the rollers 44 and / or reduce the wear of the radial guides 52.
  • FIG. 4A illustrates the hyperboloidal forming rolls 44 in an end position after the forming roll.
  • torsional forces are generated in the shank which are smaller at lower roll axis angles. The larger the angle between the roller axes 48, the greater the generated axial force.
  • the embodiment of Figures 4A and 5B can also do without an axial guide, since a sufficiently large axial force is generated by the oblique rollers. It is also possible to use the surface structure 58 of FIGS. 3A and 3B in order to further increase an axial force generated during rolling.
  • Figure 5A illustrates a combination of Figures 1A, 2A, 3A and 4A.
  • the cup-shaped workpiece is guided only from one side by a radial guide 52.
  • the left mold roll 42 has the same shape as in FIGS. 1A and 2A, and the axis of the left mold roll 42 is aligned parallel to the axis of the cup-shaped workpiece 16.
  • the left mold roll is designed as hyperbolic molding roll 44, as in FIG. 4A.
  • the hyperbolic forming roll 44 is also provided with the surface structure 58 of FIGS. 3A and 3B.
  • the axis 50 of the hyperbolic form roller 44 is inclined relative to the axis 48 of the left mold roll 42 and the axis 46 of the cup-shaped workpiece.
  • the right hyperbolic forming roller 44 generates during forming a strong axial force in the direction of the later valve end of the shaft. This axial force is sufficient, with a suitable design to extend a short cup-shaped workpiece 16 during the form rolling in the axial direction.
  • FIG 5B illustrates the rolling apparatus at the end of the rolling process.
  • the hyperboloidal forming rolls 44 are in an end position after the forming rolling in Figure 5B.
  • the left hyperbolic forming roll 44 covers the upper valve stem end of the rolled valve.
  • the shape of the rollers also requires that the valve disc cover the lower part of the left hyperbolic shaping roller 44.
  • the lower portion of the right hyperbolic forming roll 44 partially overlaps the valve head of the formed workpiece 16A.
  • the valve stem end covers the upper part of the contact point of the right hyperbolic forming roller 44 with the valve stem end.
  • Figures 6A and 6B illustrate another additional embodiment of a workpiece and an internally cooled valve.
  • the workpiece shown in Figure 6A substantially corresponds to the workpiece of Figure 2A.
  • the workpiece of FIG. 6A is provided with an outer contour 70.
  • the blind hole 26 is as shown in Figure 2A as a cylindrical hole.
  • the outer contour 70 forms, together with the cylindrical blind hole 26, a thickness variation of the shank.
  • the outer side of the shaft is formed substantially cylindrical.
  • the outer contour 70 is flattened and transferred inwardly to the inside of the blind hole 26, wherein inside an inner contour is formed in the blind hole.
  • the thickness variation of the shaft remains substantially preserved, the contour after forming now on the inside. is formed in the cavity 10 as an inner contour 72.
  • the inner contour is designed so that it forms a Laval nozzle at the transition between valve disk 6 and valve stem 8. It should be clear that other internal contours can be generated with this method. It should also be understood that this principle can also be applied to the embodiments in which an extension of the shank during forming is also achieved, as for example in FIGS.
  • FIGS. 1A and 1B to 5A and 5B should also be regarded as disclosed, provided that they can be technically implemented.
  • This relates in particular to the control or regulation of the individual roller speeds as a function of forces which has been measured on at least one radial guide.
  • configurations with one-sided and two-sided support by radial guides for all embodiments are planned.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ein- oder Auslassventils (4) für Verbrennungsmotoren sowie das mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung hergesteilte Ventil. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Werkstücks das einen zylindrischen Schaft und ein zylindrisches Loch umfasst, das von einem Ventilschaftende in Axialrichtung verläuft. Das Verfahren umfasst weiter ein Umformen des Ventilschaft-Endes durch Formwalzen des zylindrischen Schaftes auf einen kleineren Durchmesser, wobei ein Durchmesser des zylindrischen Lochs verrmgert wird wobei das zylindrische Loch bestehen bleibt. Das Verfahren umfasst weiter ein Umformen des Abschnitts des Werkstückes, das an einem Ventilschaft anschließt zu einem Ventilkopf durch Formwalzen.

Description

Innengekühltes Ventil für Verbrennungsmotoren
sowie Verfahren und Vorrichtung zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft gekühlte Ventile für Verbrennungsmotoren. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein natriumgekühltes Ein- oder Auslassventil für einen Verbrennungsmotor und insbesondere dessen Herstellungsverfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung des Ventils durch Walzen.
Innengekühlte bzw. natriumgekühlte Abgasventile sind spätestens seit 1935 bekannt.
Natriumkühlung und deren Effekte sind im Stand der Technik wohlbekannt und die technischen Weiterentwicklungen der letzten Jahre betrafen hauptsächlich ein vergrößertes Kühlmittelvolumen im Bereich des Ventiltellers und vereinfachte Herstellungsverfahren, um natriumgekühlte Ventile kostengünstiger herstellen zu können.
Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf für eine kostengünstige und schnelle Herstellung von innengekühlten Ventilen sowie für eine Verbesserung der Kühleigenschaften von bestehenden Einlass- bzw. Auslassventilen. Es besteht zudem ein Bedarf, ein maximal gekühltes Hohlraumventil zur Verfügung zu haben, das auch bei höchstmöglichen Abgastemperaturen noch sicher funktioniert. Es ist weiter beabsichtigt, die Anzahl der Bauteile sowie der Fügestellen von innengekühlten Ventilen aus Stabilitäts- und Kostengründen zu verringern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zu Herstellung eines innengekühlten Einlass- bzw. Auslassventils für Verbrennungsmotoren bereitgestellt, das anstelle von bekannten spanabhebenden Verfahren auf einer Umformung eines Werkstücks bzw. Halbzeugs, bzw. Halbfabrikats oder Halbfertigprodukts basiert. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Werkstücks, das einen Schaft und ein zylindrisches Loch umfasst, das von einem Ventilschaftende in Axialrichtung verläuft. Das Ventil schaftende des Werkstücks bildet später den Teil, der sich am Ventilschaftende des fertigen Ventils befindet. Das Ventilschaftende wird durch Formwalzen des Schaftes auf einen kleineren Durchmesser umgeformt, wobei ein Durchmesser des zylindrischen Lochs verringert wird, wobei das Loch bestehen bleibt. Das Loch bildet später den Hohlraum für ein Kühlmittel, das sich in dem Hohlraum bewegen kann, um Wärme von einem ungekühlten Ventilteller in Richtung eines gekühlten Ventilschafts zu transportieren. Das Verfahren umfasst weiter ein Umformen eines Abschnitts des Werkstückes, das an einem Ventilschaft anschließt, durch Formwalzen zu einem Ventilkopf. Auch der Ventilkopf wird dabei durch Formwalzen umgeformt. In dieser grundlegenden Ausführung des Verfahrens wird zumindest der Ventilschaft mit einer darin befindlichen Bohrung auf einen Meineren Durchmesser gewalzt. Das Verfahren kann auch auf rohr förmige Werkstücke angewendet werden, um den Schaft und den oberen Teil eines Ventiltellers herzustellen, wobei ein unterer Teil eines Ventiltellers durch einen Deckel gebildet werden kann, der mit dem oberen Teil des Ventiltellers verbunden wird.
Das Verfahren basiert in einer grundlegenden Ausführung auf dem Umformen eines Werkstücks, das einen zylindrischen Schaft und ein darin befindliches zylindrisches Loch umfasst, das von einem Ventilschaftende in Axialrichtung verläuft. Das Ventilschaftende wird durch Formwalzen des zylindrischen Schaftes auf einen kleineren Durchmesser umgeformt, wobei ein Durchmesser des zylindrischen Lochs verringert wird, wobei das zylindrische Loch bestehen bleibt, jedoch seine zylindrische Form verlieren kann, da das Werkstück im Bereich des Ventiltellers weniger stark umgeformt wird als im Bereich des Ventilschaftendes. Das anfangs zylindrische Loch bildet später den Hohlraum für ein Kühlmittel.
Im gesamten Text wird der Begriff „Werkstück" in den Bedeutungen von Werkstück, Halbfabrikat, Halbfertigprodukt und Halbzeug verwendet, um eine unnötige Wiederholung der entsprechenden Begriffe zu vermeiden, und den Text nicht unnötig zu verlängern. Die Begriffe„Werkstück",„Halbfabrikat",„Halbfertigprodukt" und„Halbzeug" werden hier synonym verwendet.
Das Verfahren umfasst eine Durchmesserverringerung des Schaftes sowie der darin befindlichen Bohrung sowie ein Formen zumindest der Rückseite des Ventiltellers durch Formwalzen. In der grundlegenden Ausführung des Verfahrens ist die Art der Bildung der Ventiltellerfläche noch nicht berücksichtigt.
Bei einer beispielhaften Ausfuhrungsform des Verfahrens umfasst das Werkstück vor dem Formwalzen einen Durchmesser von mindestens dem des Ventiltellers des fertigen Ventils, und das Verfahren umfasst weiter ein Formwalzen eines Übergangs zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilschaft zu einer Hohlkehle. Dadurch wird die Rückseite des Ventiltellers durch Formwalzen hergestellt. Es ist ebenfalls vorgesehen, die Fase für den Ventilsitz und oder den Tellerrand durch Formwalzen zu erzeugen.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens ist das Werkstück becherförmig. Das becherförmige Werkstück weist an einem Boden des Werkstücks einen Durchmesser auf, der mindestens dem des Ventiltellers entspricht. Das zylindrische Loch ist als Sackloch bzw. Blindloch ausgeführt, das von einem Ventilschaftende in Richtung des Bodens des becherförmigen Werkstücks verläuft, wobei das Formwalzen ein Umformen des Schaftes und ein Formen des Ventilkopfes mit mindestens der Ventiltelleroberseite umfasst. Bei dieser Ausführung des Verfahrens soll insbesondere auch die Fase des Ventilsitzes und ein Ventilrand durch Formwalzen hergestellt werden. Der Boden des Werkstücks bildet die Ventiltellerfläche und kann bereits vor dem formwalzen in ihre endgültige Form gebracht werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, einen Achsstumpf an der Ventiltellerfläche vorzusehen, um das Ventil während dem Walzen besser führen zu können.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils für Verbrennungsmotoren, weist eine äußere Bodenfläche des Werkstück bereits die Form des Ventiltellers auf. Mit einem derartigen Werkstück muss lediglich die Ventiltellerrückseite und nicht die Ventiltellerfläche durch Walzen bearbeitet werden.
Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausfuhrungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils für Verbrennungsmotoren ist das Werkstück becherförmig und weist an einem Boden einen größeren Durchmesser auf, als im Bereich des zylindrischen Schaftes. Dadurch kann ein dünnerer Schaft des Werkstücks verwendet werden, was eine einfachere Bearbeitung durch das Formwalzen ermöglicht. Dabei muss der Schaft nicht von einem Ventiltellerdurchmesser bis auf den Ventilschaftdurchmesser gewalzt werden, sondern es können kleinere Umformungen ausreichen, um das Ventil mit Hohlraum im Ventilteller herstellen zu können.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungs form des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils wird das Werkstück durch Führungen zwischen den Walzen gehalten. Die Führungen können einzelne Rollen umfassen, die gegen eine Außenfläche des Ventilschafts oder des Ventiltellers anliegen. Es ist ebenfalls vorgesehen Führungen zu verwenden, die durch Gleitreibung mit einer äußeren Umfangsfläche des Ventils bzw. des Werkstücks in Kontakt stehen und das Ventil bzw. das Werkstück zwischen den Walzen zentriert hält. Die Rollen bzw. die Gleitstücke können nachgeführt werden, um die Achse des Ventils bzw. Werkstücks in der Ebene bzw. Fläche zu halten, die von den beiden Achsen der Walzen aufgespannt wird.
Eine weitere Ausfuhrungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils für Verbrennungsmotoren schließt ein Warmwalzen des Werkstücks ein. Das Verfahren kann ebenfalls ein Heizen des Werkstücks durch Heizvorrichtungen, wie Induktionsheizer oder Gasbrenner einschließen, um eine Umkristallisation des Werkstoffs, des Werkstücks zu ermöglichen und Effekten einer Kaltverfestigung entgegenzuwirken. Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführung des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils für Verbrennungsmotoren, umfasst dieses weiter ein Bewegen des Werkstücks in Axialrichtung in Richtung des Schaftendes während dem Walzen. So kann immer nur ein Teil des Schaftes auf einen geringeren Durchmesser gewalzt werden, was die mechanische Belastung der Walzen und der Walzvorrichtung erheblich verringern sollte.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils für Verbrennungsmotoren, umfasst weiter ein Drehen des Werkstücks während dem Walzen. Dies betrifft nicht eine spanende Bearbeitung auf einer Drehbank, sondern ein Antreiben des Werkstücks während des Walzvorgangs. Dieser Schritt kann vorteilhaft sein, wenn durch das Formdrehen jeweils Abschnitte mit unterschiedlichen Radien einen unterschiedlichen Schlupf zwischen Werkstück bzw. Ventil und den Walzen erforderlich machen. Durch ein antreiben bzw. aktives drehen des Werkstücks kann eingestellt werden, welcher Schlupf an welchen Durchmessern bzw. Radien entsteht und welche Radien während des Formwalzens Schlupffrei gewalzt werden.
Es kann zudem vorgesehen sein, den Außendurchmesser des Schaftes durch Drehen zu verringern, nachdem ein gewünschter Innendurchmesser durch Walzen erreicht wurde. Das Walzen dient in diesem Fall lediglich dazu, den Innendurchmesser des Hohlraums innerhalb des Ventilschafts zu erreichen. Die Wandstärke des Materials kann dabei höher gewählt werden als es der Walzprozess alleine erfordern würde.
Das Verfahren basiert in einer grundlegenden Ausführung auf dem Umformen eines Werkstücks, das einen zylindrischen Schaft und ein darin befindliches zylindrisches Loch umfasst, das von einem Ventilschaftende in Axialrichtung verläuft. Das Ventilschaftende wird durch Formwalzen des zylindrischen Schaftes auf einen kleineren Durchmesser umgeformt, wobei ein Durchmesser des zylindrischen Lochs verringert wird, wobei das Loch bestehen bleibt, jedoch seine zylindrische Form verlieren kann, da das Werkstück im Bereich des Ventiltellers weniger stark umgeformt wird als im Bereich des Ventilschaftendes. Das anfangs zylindrische Loch bildet später den Hohlraum für ein Kühlmittel. Der Hohlraum für das Kühlmittel weist dabei im Bereich des Ventiltellers einen größeren Durchmesser auf wodurch die Wärmeübertragung von dem Ventilteller auf das Kühlmittel deutlich verbessert werden kann.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils für Verbrennungsmotoren aus einem Werkstück, bzw. Halbfabrikat, bzw. Halbfertigprodukt, bzw. Halbzeug bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Walzwerk zum Rundquerwalzen oder zum Schrägwalzen, wobei mindestens zwei Walzen das Profil eines Auslassventils aufweisen. Die Walzen umfassen dabei mindestens Oberflächen um einen Schaft und die Rückseite eines Ventiltellers durch Formwalzen umzuformen. Die Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils umfasst damit Formwalzen, die aus einem Werkstück einen Ventilschaft und eine Ventiltellerrückseite walzen können. Insbesondere ist das Walzwerk dazu ausgelegt, ein hohles Werkstück zu verarbeiten und so einen Hohlraum in einem innengekühlten Ventil herzustellen. Das Walzwerk soll dabei ein, im Wesentlichen zylindrisches Loch bzw. Sackloch so umformen, dass ein möglichst großer Hohlraum eines innengekühlten Ein- bzw. Auslassventils erreicht werden kann. Die Vorrichtung umfasst in einer Ausfuhrungsform dabei lediglich Walzen, wobei zusätzliche Führungswalzen vorgesehen sein können, um das Werkstück zwi sehen den Walzen zu führen. Durch den großen Durchmesserunterschied zwischen dem Ventilschaft und dem Ventiltellerdurchmesser ist es nicht möglich das Ventil mit einer Walzvorrichtung zu walzen, die drei zusammenwirkende Walzen umfasst. In einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst diese weiter einen Dorn, der in ein Loch eines Werkstücks eingeführt werden kann, um das Werkstück beim Walzen zu führen. Der Dorn kann einerseits als Führung dienen und kann andererseits als Lehre dienen um anzuzeigen wann ein Innendurchmesser eines gewalzten Werkstücks einen vorgegebenen Durchmesser erreicht hat.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst diese weiter mindestens eine Führung, um das Werkstück zwischen den Walzen zu halten und zu führen, wobei die mindestens eine Führung ein Gleitelement und/oder ein oder mehrere Rollen umfassen, die an einer Außenfläche des Werkstücks anliegen. Diese Führungen halten den Schaft und/oder den Teller zwischen den Walzen, um eine maximale Walzkraft auf das Werkstück ausüben zu können. Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst die mindestens eine Führung mehrere Rollen, mindestens ein Gleitelement die bzw. das jeweils auf eine Außenfläche des Werkstücks anliegen und/oder einen Dorn, der sich in die Bohrung des Werkstücks erstreckt. Damit kann dem Werkstück ein definierter Innendurchmesser im Bereich des Schaftes verliehen werden. Weiterhin kann ein eventuell geschmierter oder mit Trennmittel versehener Dorn ebenfalls dazu genutzt werden, eine Verringerung der Dicke der Wandstärke des Ventilschafts unter einer Verlängerung des Ventilschafts zu erreichen. Ein polierter Dorn kann nach dem Walzen wieder aus dem Hohlraum herausgezogen werden. Der Dorn kann ebenfalls konisch ausgeführt werden, um ein herausziehen des Doms zu vereinfachen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst die mindestens eine Führung ein Gleitelement oder eine oder mehrere Rollen, die an einer Außenfläche des Werkstücks anliegen. Das Gleitelement kann von außen geschmiert sein, um eine Reibung und einen Verschleiß des Gleitelements zu verringern. Weiterhin können die mehreren Rollen der Kontur des Ventils angepasst sein, um beim Walzen einen gleichmäßigen Druck auf das Werkstück auszuüben. Die Führungen können auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite des Werkstücks angeordnet sein. Die einzelnen Rollen der mindestens einen Führung können zudem in Axialrichtung verschiebbar angeordnet sein, um ein einwalzen der Rollen in dem Schaft zu vermeiden. Das Gleitelement kann eine Kontur aufweisen, die der bzw. dem Negativ der Kontur des Ventils entspricht, um eine möglichst gleichmäßige Kraftübertragung auf das Werkstück zu ermöglichen. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst diese mindestens einen Kraftaufnehmer, an der mindestens eine Führung sowie einzeln angetriebene Walzen und eine Steuerung welche die Drehzahl der Walzen so steuert, dass die Kraft auf die Führungen minimiert wird. Das Werkstück wird hierbei durch eine differenzielle Ansteuerung der Walzen in der Mitte zwischen den beiden Walzen gehalten, sodass die Belastung und der Verschleiß der Führungen minimiert werden kann. Durch eine entsprechende Steuerung kann ebenfalls die Standzeit der Walzvorrichtung erhöht werden, da die Intervalle in denen die Führungen ausgetauscht werden müssen, verlängert werden können. Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst die mindestens eine Führung mehrere Rollen, mindestens ein Gleitelement die bzw. das jeweils auf eine Außenfläche des Werkstücks anliegen und/oder einen Dom, der sich in die Bohrung des Werkstücks erstreckt.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils sind die Achsen der Walzen windschief in einem Winkel von 1° bis 12°, bevorzugt von 2° bis 10° und weiter bevorzugt von 3° bis 8° zueinander angeordnet. Diese Ausführung betrifft ein Schrägwalzverfahren, bei dem die Walzen zueinander in einem Abstand und nicht parallel angeordnet sind. Je nach Walzrichtung und der Lage des Abstandes der Walzen kann ein Werkstück beim Walzen in Axialrichtung gefördert werden. Dieser Effekt ist besonders stark ausgeprägt, wenn sich der (geringste) Abstand der Achsen der Walzen nahe einem Ende der Walzen befindet. In dieser Konfiguration wurde noch nicht definiert wie die Achse des Werkstücks ausgerichtet ist. Es ist möglich eine Achse des Werkstücks zu verwenden, die parallel zu einer Achse der Walzen verläuft. In diesem Fall wird das Werkstück an einer Walze anliegend gewalzt, während die andere Walze entweder nur mit einem Teil der Oberfläche des Werkstücks in Kontakt steht, oder eine Oberfläche aufweist, der es gestattet, die gesamte Oberfläche gleichzeitig zu walzen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, ist die Achse des Werkstücks und jeweils die Achsen der Walzen windschief in einem Winkel von 0,5° bis 6°, bevorzugt von 1 ° bis 5° und weiter bevorzugt von 1 ,5° bis 4°, zueinander angeordnet. In diesem Fall ist die Walzvorrichtung eine sogenannte Schrägwalzvorrichtung. Beim Schrägwalzen sind die Walzenachsen gekreuzt, bzw. windschief zueinander angeordnet. Dadurch entsteht ein Längsvorschub in dem um seine Längsachse rotierenden Werkstück. Das Werkstück wird im Walzspalt durch Stützlineale oder Führungswalzen gehalten. Das Walzenkaliber kann so gestaltet sein, dass sich der Walzspalt verengt. Schrägwalzen können ebenfalls mit entsprechend geformten Walzen durchgeführt werden, sodass insgesamt ein Walzspalt mit konstantem Abstand entsteht. Im vorliegenden Fall, weist der Walzspalt jedoch idealerweise die Kontur eines Einlass- oder Auslassventils auf. Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, weist mindestens eine der Walzen, bevorzugt beide Walzen, eine hyperboloide bzw. rotationshyperboloide Außenfläche auf. Der Ausdruck hyperboloide bzw. Rotationshyperboloide Außenfläche betrifft hier mangels einer passenderen Bezeichnung eine hyperboloide Form, die nicht aus Geraden oder Strecken, sondern aus den Profillinien eines Ein- bzw. Auslassventils, insbesondere des Schaftes und der Rückseite des Ventiltellers gebildet ist. Der Ausdruck Hyperboloid betrifft hier ein einschaliges Hyperboloid, dass die bekannte taillierte Form aufweist und senkrecht zu der Rotationssymmetrieachse geschnitten kreise bildet. Der Grad der Windschiefe der Formen, die das Rotationshyperboloid erzeugen, soll dabei genau der jeweiligen Windschiefe der Achsen des Werkstücks und der Walze entsprechen, da unter diesen Bedingungen (bei geraden erzeugenden des Hyperboloids) ein zylindrisches Werkstück gewalzt werden kann. Wenn die hyperboloide Walze mit den Profilen eines Ventil schafts/Tellers erzeugt wird, ergeben sich taillierte Walzen die beim Schrägwalzen ein Ventil mit einem geraden Ventilschaft erzeugen können. Diese Ausführung erfordert die größten Kosten für die Produktionsmittel, lässt aber momentan die besten Ergebnisse erwarten. Bei einer weiteren beispielhaften Ausfuhrungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst die Vorrichtung weiter eine Axial fuhrung oder ein Spannfutter, um das Werkstück von der Tellerseite aus zu führen bzw. zu halten. Mit der Axialführung kann das Werkstück in Axialrichtung gegen die Walzen gepresst werden, um so die Hohlkehlen der Rückseite des Ventiltellers formen zu können. In einer grundlegenden Ausführung verhindert die Axialführung lediglich, dass sich das Werkstück beim Walzen in Richtung des Ventiltellers axial aus den Walzen bewegt. Wenn ein Spannfutter verwendet wird, muss das Werkstück noch einen Ansatz aufweisen, an dem das Spannfutter das Werkstück greifen kann. Die Axialführung stellt eine erhöhte Prozesssicherheit beim Umformen des Ventiltellerrückens bereit.
Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausfiihrungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst die Vorrichtung weiter einen Aktuator, der das Werkstück von dem Boden aus in Richtung des Ventilschaftendes axial bewegen kann. Dieser Aktuator kann direkt auf die oben genannte Axialführung oder das Spannfutter wirken. Durch den Aktuator kann der Ventilschaft langsam vom Ventilschaftende in Richtung Ventilteller gewalzt werden, was die Belastung der Walzen erheblich verringern kann. Es ist ebenfalls möglich den Prozess des Umformens der Ventiltellerrückseite genauer zu überwachen und zu auszuführen. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst die Vorrichtung weiter einen Antrieb, der das Werkstück während des Walzens mit einer bestimmten und möglicherweise variablen Umdrehungszahl dreht. Durch den großen Durchmesserunterschied zwischen Ventilschaft und Ventilteller entstehen beim Walzen starke Torsionskräfte, die das Werkstück während des Umformens zerstören können. Es ist daher eventuell notwendig, beim Formdrehen jeweils Abschnitte mit unterschiedlichen Radien einen unterschiedlichen Schlupf zwischen Werkstück bzw. Ventil und den Walzen zu ermöglichen. Dies kann hier durch antreiben bzw. aktives Drehen des Werkstücks, besonders des Ventiltellers erreicht werden, um die Torsionskräfte des
Werkstücks, insbesondere am Übergang zwischen Ventilteller und Ventilschaft, so gering wie möglich zu halten. Die Walzvorrichtung kann zudem mit einer Schmierung ausgestattet sein, um den Verschleiß der Walzen, in mit Schlupf belegten Abschnitten, so gering wie möglich zu halten.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfasst die Vorrichtung weiter ein Heizelement, um das Werkstück beim Walzen zu erwärmen. Somit kann ein relativ kleines Werkstück auch mit relativ großen Walzen warmgewalzt werden, ohne dass eine zu starke Abkühlung des Werkstücks beim Walzen zu befürchten wäre.
Zusätzlich kann während der Umformung durch induktive oder autogene Erwärmung, bzw. Gasheizung, weitere Energie in das Werkstück eingebracht werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem, ausgehend von einem rohr- oder becherförmigen Werkstück, durch Warmwalzen ein hohles Ventilkopfstück und ein hohler Ventilschaft erzeugt werden. Das erzeugte Ventil kann, wenn von einem becherförmigen Werkstück ausgegangen wird, ohne Fügestelle hergestellt werden. Das erzeugte Ventil kann im Bereich des Ventiltellers einen vergrößerten Hohlraum aufweisen, um ein erhöhtes Natriumvolumen in dem Ventil als Kühlmittel unterzubringen. Eine Besonderheit umfasst das Umformen durch zwei Walzen und eine Führung, wobei mindestens eine Walze in einem Winkel gegenüber der Werkstückachse und der zweiten Achse angeordnet ist. Die Walzen haben dabei auch an der, dem Werkstückachse zugewandten Stirnseite, jeweils eine Negativform oder Hohlkehlengeometrie des Ventilkopfrohlings.
Beide Walzen können sich während der Umformung aufeinander zu bewegen, wobei auch eine Walze starr in Position gehalten werden kann und nur die andere Walze (und das Werkstück) bewegt werden kann. Das Werkstück kann dabei während der Umformung auf einer Unterlage bzw. einer Führung aufliegen und wird durch die Bewegung der Walzen gegen die Führung gedrückt und dabei rotiert. Zusätzlich kann das Werkstück auch axial gegen die Walzen bewegt werden, wobei die Negativform an den Stirnseiten der Walzen, die Hohlkehlengeometrie des Ventilkopfrohlings formt. Die Position einer Mittelachse des Werkstücks kann sich dabei unterhalb der Mittelachsen der Walzen befinden. Die Führung kann, zur Verringerung der Reibung am Werkstück, eine Lagerung mittels Rollen aufweisen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, weist mindestens eine der Walzen eine Oberflächenstruktur auf, die einen Transport des Materials des Werkstücks in Axialrichtung bewirkt. In dieser Ausführungsform, ist mindestens auf einer Oberfläche einer der Walzen, ein feines Gewinde oder eine andere raue Oberflächenstruktur angebracht. Das Gewinde oder die raue Oberflächenstruktur kann, oder soll sich primär auf der geneigten Achse befinden. Die Walzen können dabei aus einer Metalllegierung oder einem keramischen Verbundwerkstoff hergestellt sein oder jeweils diesen umfassen.
Durch den Winkel der Walze(n) zum Werkstück sowie durch das Gewinde oder der rauen Oberflächenstruktur auf mindestens einer der Walzen, wird eine zentrale Zugkraft auf das Werkstück ausgeübt, wodurch auch eine Verlängerung des Rohlings zusätzlich zur Durchmesserreduzierung erreicht werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein innengekühltes Ventil für Verbrennungsmotoren bereitgestellt, das mit einem der vorstehend beschriebenen Verfahren oder mit einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtung umgeformt bzw. hergestellt wurde. Das Ventil ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor dem Umformen einen Schaft und ebenfalls ein zylindrisches Loch umfasst, das von einem Ventilschaftende in Axialrichtung verläuft. Mindestens der Schaft des Ventils wurde dabei durch Formwalzen des Schaftes auf einen kleineren Durchmesser umgeformt, wobei das Loch erhalten bleibt und wobei das Werkstück vor dem Formwalzen einen Durchmesser von mindestens dem des späteren Ventiltellers umfasst und dass ein Ventilkopf mit einer Hohlkehle durch Formwalzen hergestellt ist. Das Ventil wird in einer grundlegenden Ausführung aus einem Werkstück umgeformt, das einen zylindrischen Schaft und ein darin befindliches zylindrisches Loch umfasst, das von einem Ventilschaftende in Axialrichtung verläuft. Das Ventilschaftende wurde durch Formwalzen des zylindrischen Schaftes auf einen kleineren Durchmesser umgeformt, wobei ein Durchmesser des zylindrischen Lochs verringert wird, wobei das zylindrische Loch als Loch bestehen bleibt, jedoch seine zylindrische Form verlieren kann, da das Werkstück im Bereich des Ventiltellers weniger stark umgeformt wird, als im Bereich des Ventilschaftendes. Das anfangs zylindrische Loch bildet später den Hohlraum für ein Kühlmittel. Durch eine ungleichmäßige Umformung kann so im Bereich des Ventilteilers ein Hohlraum mit größerem Durchmesser und damit mit einer größeren Oberfläche erzeugt werden, was eine Wärmeübertragung zwischen Ventilteller und Kühlmittel deutlich verbessert. Das Ventil ist also ein innengekühltes Ventil, und der Schaft und zumindest die Rückseite des Ventiltellers, wurden zumindest teilweise durch Umformen hergestellt. Dabei können noch weitere spanende B earbeitungsschritte folgen, um gewünschte Oberflächeneigenschaften des Schaftes und oder der Ventiltellerrückseite zu erreichen. In einer grundlegenden Ausführung kann das Ventil auch aus einem rohrform igen Werkstück umgeformt werden, wobei eine Öffnung an dem Ventilteller später durch einen Deckel verschlossen werden kann.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform des innengekühlten Ventils ist das Werkstück becherförmig, wobei das becherförmige Werkstück an einem Boden des Werkstücks einen Durchmesser aufweist, der mindestens dem des Ventiltcllers entspricht, wobei das zylindrische Loch ein Sackloch ist, das von einem Ventilschaftende in Richtung des Bodens des becherförmigen Werkstücks verläuft. In dieser Ausführungsform kann im Bereich des Ventiltellers ein größerer Hohlraum erzeugt werden, als es bisher bei einem einteiligen Ventil möglich ist.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des innengekühlten Ventils ist das Werkstück becherförmig und das becherförmige Werkstück weist an einem Boden des Werkstücks einen größeren Durchmesser auf, als im Bereich des zylindrischen Schaftes. Hier soll der Innendurchmesser des Sacklochs im Wesentlichen den Durchmesser des Hohlraums im Bereich des Ventiltellers bestimmen. Durch den geringeren Durchmesser des zylindrischen Schafts, kann die Umform arbeit und damit die Verweilzeit des Werkstücks in der Walzvorrichtung verringert werden. Weiterhin kann die Wandstärke des zylindrischen Schafts erhöht werden, was sich wiederum positiv auf den Umformvorgang auswirken wird.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des innengekühlten Ventils, bildet das zylindrische Loch nach dem Umformen einen Hohlraum, der innerhalb des Ventilschafts und des Ventiltellers verläuft und der teilweise mit Natrium gefüllt und verschlossen ist. Bei einer weiteren anderen beispielhaften Ausführungsform des innengekühlten Ventils, wurde dies aus einem Werkstück mit einem nicht-zylindrischen Schaft mit einer Außenkontur und mit einem zylindrischen Loch hergestellt. Durch einen Umformvorgang des Ventilschaftendes durch Formwalzen zu einem im Wesentlichen zylindrischen Ventilschaft, wird die Außenkontur zumindest teilweise, auf das nach dem Umformen nicht- zylindrische Loch übertragen. Das nicht-zylindrische Loch weist nach dem Umformen eine Innenkontur auf, die der Außenkontur entspricht. Dies kann mit oder ohne eine Verlängerung des Schaftes während des Walzens erreicht werden. Die Abmessungen der Außenkontur, die notwendig sind, um eine gewünschte Innenkontur zu erreichen, lassen sich relativ einfach durch Versuche ermitteln.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen näher verdeutlicht. Die Figuren stellen lediglich schematische Darstellungen dar.
Figuren 1A bis 1D stellen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines innengekühltes Ventils, aus einem rohr förmigen Werkstück und dem zugehörigen Herstellungsverfahren, dar.
Figuren 2A bis 2C zeigen eine weitere Aus fiihrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines innengekühltes Ventils, aus einem becherförmigen Werkstück und dem zugehörigen Verfahren.
Figuren 3A bis 3C stellen eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines innengekühltes Ventils, aus einem kurzen becherförmigen Werkstück und dem zugehörigem Verfahren, dar. Figuren 4A bis 4B zeigen eine zusätzliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines innengekühltes Ventils, aus einem kurzen becherförmigen Werkstück durch Schrägwalzen.
Figuren 5A und 5B stellen eine weitere zusätzliche Aus fiihrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines innengekühltes Ventils, aus einem kurzen becherförmigen Werkstück und dem zugehörigen Verfahren, dar.
Figuren 6A und 6B stellen eine weitere zusätzliche Ausführungsform eines Werkstücks und eines innengekühltes Ventils dar.
Sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente Bezug zu nehmen. Um unnötige Längen in der Beschreibung zu vermeiden, werden Elemente die bereits in einer Figur beschrieben wurden, in weiteren Figuren nicht gesondert erwähnt.
Um die Zeichnungen nicht unnötig kompliziert zu gestalten, wurde darauf verzichtet die Teile der Walzvorrichtung darzustellen, die die Walzen tragen, lagern, antreiben oder senkrecht zu einer Walzenachse, oder in Richtung einer Werkstuckachse zu bewegen. Es wurde ebenfalls darauf verzichtet, eine Lagerung oder Aufhängung von Führungen und Axial führungen darzustellen. Figur 1A zeigt eine erfindungsgemäße Walzvorrichtung mit zwei Formwalzen 42. Die Formwalzen sind mit Achsstummeln 64 versehen, mit denen sie in einem Gehäuse einer Walzvorrichtung aufgenommen werden können. Die Formwalzen 42 können über die
Achsstummel ebenfalls gemeinsam oder einzeln angetrieben werden. Oben in der Figur 1A sind die Achsen in einer Aufsicht dargestellt, wobei die Zeichenebene im Wesentlichen durch die Achsen 48 der Walzen 42, bzw. der Achse 46 des Werkstücks 14 verläuft. Die äußere Kontur der Formwalzen 42 entspricht dem negativen Profil eines zu walzenden Ein- oder Auslassventils. Zwischen den Formwalzen 42 ist ein rohrförmiges Werkstück 14 mit einer Durchgangsöffnung bzw. einem Durchgangsloch 28 angeordnet. Die Achse 46 des Werkstücks 14 und die Achsen 48 der Walzen 42 sind jeweils parallel ausgerichtet. Unten in der Figur 1A sind die Walzen 42 und das Werkstück 14 in einer Ansicht in Axialrichtung dargestellt. Die Walzen sind in Figur 1A und 1B für einen Rundquerwalzvorgang ausgelegt. Die Walzen sind als Formwalzen 42 ausgeführt. Die jeweiligen Drehrichtungen der Walzen und des Werkstücks sind durch die Pfeile 60 angedeutet. Beim Rundquerwalzen rotiert das Werkstück 14 hier in entgegengesetzter Richtung zu den Formwalzen 42 zwischen zwei gleichsinnig umlaufenden Formwalzen, um die Achse 46 des Werkstücks 14. Durch Zustellung mindestens eines Werkzeugs bzw. einer Formwalze 42 wird das Werkstück 14 umgeformt. Hier ist dargestellt, dass beide Walzen in der Bewegungsrichtung bzw. Kraftausübungsrichtung 62 auf das Werkstück 14 zubewegt werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, lediglich eine der Walzen 42 in Richtung auf das Werkstück 14 bzw. die andere Walze zuzubewegen, wobei die Rotationsachse des Werkstücks 14 verschoben wird. Das Werkstück 14 wird hier durch ein Spannfutter 56, dessen Spannbacken dargestellt sind, in Axialrichtung gehalten. Das Spannfutter 56 dient hier als Axialführung 54, um zu verhindern, dass sich das Werkstück 14 beim Walzen in Richtung des späteren Ventiltellers bewegt, was durch den axialen Anteil der Walzkräfte im Bereich der Ventiltellerrückseite bewirkt wird.
Das Formwalzen weist unter anderem den Vorteil auf, dass die molekulare Kettenstruktur im Werkstück 14 erhalten bleibt, was einen ungestörten Faserverlauf erzeugt. Dadurch kann anhand der Kristall struktur durch metallurgische Verfahren auch am fertigen Ventil festgestellt werden, dass es durch Formwalzen hergestellt bzw. geformt wurde. Die Achsen 48 der Formwalzen 42 bilden eine Ebene und die Achse des Werkstücks 14 liegt parallel zu dieser Ebene, nicht jedoch in diese Ebene sondern in der Zeichnung unter dieser Ebene. Bei einem Walzvorgang würde das Werkstück 14 nach unten weggedrückt werden, sobald die Formwalzen 42 mit einem Walzvorgang beginnt. Das Werkstück 14 wird daher in der Figur von unten durch eine Führung bzw. Radialführung 52 gestützt, die als Radialftihrung dient. Durch Anwenden des Kräfteparallelogramms wird klar, dass die Kraft die auf die Führung wirkt, viel geringer sein kann, als die Walzkräfte die durch ein zusammenfahren der Formwalzen 42 entstehen. Daher kann im Bereich der Auflage eine Gleitreibung erzeugt werden, auch wenn von den Walzen starke Walzkräfte in der Bewegungs- / Walzdruckrichtung erzeugt werden.
Es ist ebenfalls möglich die Oberfläche der Radialführung 52 zu schmieren, um den Verschleiß der Kontakt fläche mit der Radialführung 52 zu verringern. Während des Walzens kann die Führung in Richtung der Achse 46 des Werkstücks 14 nach oben nachgeführt werden, um die Belastung der Radialführung 52 zu verringern. Es ist ebenfalls vorgesehen eine mehrteilige Führung zu verwenden, die sich an die verschiedenen Stadien der Umformung, insbesondere im Bereich des Ventilkopfes, anpassen kann. Es ist ebenfalls vorgesehen, anstelle einer starren Führung, eine Reihe von Rollen einzusetzen, die verschleißärmer betrieben werden können. Die Rollen können in Axialrichtung bewegt werden, um lokale Verformungen des Werkstücks durch die Führungsrollen zu vermeiden.
Über dem Werkstück kann gegenüber der Radialführung 52 ein Heizelement angebracht werden, das durch eine Flamme, Strahlung oder Induktion das Werkstück 14 heizt, um sicherzustellen, dass während des gesamten Umformprozesses ein Warmwalzen stattfindet.
Bei dem angewendeten Walzverfahren kann das Werkstück 14 bereits vor dem Walzen in Axialrichtung so weit nach oben verschoben werden, bis es mit dem oberen Rand der Formwalzen abschließt. Es ist jedoch ebenfalls möglich, das Werkstück 14 während des Walzvorgangs nach oben in Richtung des Ventilschaftendes zu bewegen, bis das Ventilschaftende mit dem oberen Rand der Formwalzen abschließt.
Es kann ebenfalls vorgesehen sein, das Werkstück 14 durch das Spannfutter anzutreiben, um so einen Schlupf zwischen den Formwalzen 42 und dem Werkstück 14, insbesondere im Bereich des Ventiltellers, bzw. der Vent j itellerrückseite zu erreichen. Da die Ventiltellerrückseite eine kleinere Fläche als die Mantelfläche des Ventilschafts aufweist, scheint es ratsam einen Schlupf zwischen einer Ventiltellerrückseite und den entsprechenden Abschnitten der Formwalzen 42 zu erzeugen, da es sonst aufgrund der Torsionskräfte zwischen der Venti Itel lerrückseite und dem Ventilschaft zu einer Zerstörung des Ventils kommen könnte. Die Winkelgeschwindigkeitsverhältnisse zwischen Schaft und Ventilteller sind dabei mindestens so groß wie die entsprechenden Radienverhältnisse zwischen Ventilschaft und Ventilteller. Daraus ergibt sich bei einem Durchmesserverhältnis zwischen Ventilteller zu Ventilschaft von ca. 5 jeweils ein Verhältais der Winkelgeschwindigkeiten für den durchschnittlichen Durchmesser des Ventiltellers zu dem Schaftdurchmesser von ca. 2,5, was bei einem normalen Walzvorgang ausreichen sollte, den Ventilteller vom Schaft abzudrehen bzw. abzureißen. Daher kann es vorgesehen sein, das Werkstück 14 beim Formwalzen mit einer höheren Geschwindigkeit anzutreiben, um im Bereich des Ventiltellers einen Schlupf zu erzeugen, der den Übergang vom Ventilteller zu dem Ventilschaft deutlich entlastet und so eine Zerstörung des Werkstücks 14 beim Formwalzen verhindern kann. Dazu kann das Spannfutter durch einen gesonderten und nicht dargestellten Antrieb in Rotation versetzt werden, wenn dies vorgesehen ist. Weiterhin kann die Walzvorrichtung mit einer Einzelwalzendrehzahlsteuerung versehen sein, die im Detail in Figur IB dargestellt ist, um den Verschleiß der Radial führung 52 zu verringern. Dies ist im Detail in Figur IB dargestellt. Um die Figur 1A nicht zu unübersichtlich werden zu lassen, ist die Steuerung in Figur 1 A nicht dargestellt. Figur IB zeigt die gleichen Elemente wie Figur 1A, wobei die Formwalzen 42 ein fertig formgewalztes Werkstück 14A, wobei die Formwalzen 42 in einer Position am Ende des Walzvorgangs dargestellt sind. Die Darstellung ist rein Schematisch. Die Formwalzen 42 haben das Werkstück 14 zu einem umgeformten Werkstück 14A umgeformt. Das umgeformte Werkstück 14A weist immer noch eine Durchgangsöffnung 28 auf, die sich durch den gesamten Ventilschaft erstreckt.
Die Formwalzvorrichtung von Figur IB ist mit einem Kraftaufnehmer 66 an mindestens eine Radial führung 52 versehen, um zu messen, mit welcher Kraft das Werkstück durch die Formwalzen 42 gegen die Radial führung 52 gepresst wird. Die Formwalzvorrichtung von Figur IB ist ebenfalls mit einzeln angetriebenen Formwalzen 42 versehen, die einzeln mit einer gewählten Drehzahl angesteuert werden können. Der Kraftaufnehmer bzw. der Kraftsensor 66 ist mit einer Steuerung 68 verbunden, die mindestens die Drehzahl bzw. den Antrieb einer der Formwalzen 42 steuert, um die Kraft, die das Werkstück 14/14A beim Walzen auf die Radial führung 52 ausübt, zu begrenzen. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Steuerung auch eine Drehzahl bzw. einen des Werkstücks steuert, um die Belastung der Radialführung 52 zu verringern oder zumindest zu begrenzen. Das Werkstück kann durch eine differenzielle Ansteuerung der Formwalzen in der Mitte zwischen den beiden Formwalzen oder an einer anderen Position gehalten werden, sodass die Belastung und der Verschleiß der Führungen 52 minimiert werden kann. Das System lässt sich auch bei Walzvorrichtungen mit zwei Führungen anwenden. Durch eine entsprechende Steuerung kann ebenfalls die Standzeit der Walzvorrichtung erhöht werden, da die Intervalle, in denen die Führungen ausgetauscht werden müssen, verlängert werden können.
Auch wenn die Steuerung zur Begrenzung der Belastung der Radialführung 52 nur in Zusammenhang mit Figur 1B beschrieben ist, wird hier explizit darauf hingewiesen, dass diese Steuerung auch bei den anderen, in den Figuren dargestellten Aus führungs formen, als offenbart anzusehen ist. Die Steuerung wurde nur in Figur IB beschrieben, da eine redundante Wiederholung nur den Umfang der Beschreibung unnötig erhöht hätte,
Figur IC zeigt das fertig umgeformte Werkstück 14A das einen Teil umfasst, der im Wesentlichen einen Ventilkörper bildet. Der Ventilkörper weist einen Ventilschaft 8 auf, der an einem unteren Ende in einem Ventilteller 6 bzw. einer Rückseite eines Ventiltellers 24 ausläuft. Der Ventilkörper umfasst noch keine Ventiltellerfläche. Der Ventilschaft 8 endet oben am Schaftende 36, an dem das Ventil später angesteuert werden kann. Das Schaftende kann wie dargestellt direkt durch Form walzen hergestellt sein, es ist jedoch ebenfalls möglich das Schaftende 36 erst später auszuformen.
Das Durchgangsloch 28 wurde zu dem Hohlraum 10 in den Ventilteller 6 und den Ventilschaft 8 umgeformt. Es ist ebenfalls möglich, lediglich den Hohlraum 10 durch Umformen zu erzeugen und später den Ventilschaft durch eine spanende Bearbeitung auf einen Enddurchmesser zu bringen, falls es nicht möglich sein sollte die Parameter Durchmesser des Durchgangslochs 28 bzw. Sacklochs und der Wandstärke des Werkstücks vor und nach dem Formwalzen zu erreichen.
Das Werkstück kann entlang der gepunkteten Linie die die Trennstelle 30 bildet, von dem rohrförmigen Rest getrennt werden. An der Ventiltellerfläche befindet sich hier noch eine Öffnung 18, die später mit einem Deckel verschlossen werden kann, um ein fertiges Ventil zu bilden.
Figur 1D zeigt das fertige, durch Umformen hergestellte Ventil 4. Das Ventil 4 weist einen Ventilschaft 8 auf, der an einem unteren Ende in einem Ventilteller 6 bzw. einer Rückseite eines Ventiltellers 24 ausläuft. Die Öffnung 18 an der Ventiltellerfläche 22 ist durch einen Deckel 20 verschlossen, der an einer Fügestelle 32 mit dem Ventil durch Reib-, Widerstands- , Elektronenstrahl- oder Laserschweißen verbunden wurde.
Der Hohlraum 10 ist mit einem Natrium-Kühlmittel 12 gefüllt. Als Kühlmittel wird üblicherweise Natrium verwendet, das bei Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors in einem flüssigen Zustand vorliegt. Üblicherweise ist nicht der gesamte Hohlraum 10, sondern nur 1/4, 1/3, 1/2 , 2/3 bis 3/4 des Hohlraums des Ventils mit Natrium gefüllt. Im Betrieb bewegt sich das Natrium im Ventilschaft 8 bzw. im Hohlraum 10 des Ventilschafts 8 auf und ab und transportiert dabei Wärme von dem Ventilteller 6 in Richtung des gekühlten Ventilschafts 8 (Shaker-Kühlung). Das Natrium bewegt sich dabei bei jedem Öffnungs- bzw. Schließvorgang innerhalb des Ventils 2. Der Hohlraum 10 wurde bei dem Ventil 2 dadurch erzeugt, dass der Ventilteller 6 an der Ventiltellerfläche 22 mit einer Öffnung 18 versehen wurde.
Figur 2A entspricht im Wesentlichen Figur 1A. Eine Beschreibung von Bezugszeichen und Elementen die bereits im Zusammenhang mit Figur 1A beschrieben sind, wird hier nicht noch einmal wiederholt. Anstelle eines rohrförmigen Werkstücks 14, wird nun ein becherförmiges Werkstück 16 verwendet, bei dem ein Boden bereits den Ventilteller 6 bzw. die Ventiltellerfläche 22 bildet. Anstelle eines Durchgangslochs wird ein Sackloch 26 verwendet.
Der Durchmesser des Werkstücks 16 ist im Bereich des späteren Ventiltellers größer als im Bereich des späteren Ventil schafts 8. Das Werkstück weist bereits im Wesentlichen oder genau, die Höhe des späteren Ventils auf. Durch das Formwalzen wird hier im Wesentlichen der Ventilschaft geformt. Der Ventilteller kann bereits zu einem großen Teil durch spanende Bearbeitung geformt sein. Das becherförmige Werkstück 16 wird in Axialrichtung durch eine Axialführung 54 gehalten, um die Rückseite des Ventiltellers formen zu können. Es ist ebenfalls vorgesehen, das becherförmige Werkstück 16 mit einem Ansatz zu versehen, an dem ein Spannfutter angreifen kann, um das becherförmige Werkstück während des Formwalzens mit einer wählbaren Geschwindigkeit drehen zu können. Dies wurde bereits bei der Beschreibung der Figuren 1A und 1B ausgeführt. Mit einem Ansatzstück, dass in einem Spannfutter gehalten wird, kann ein Schlupf zwischen dem Ventilteller und den Form walzen erreicht werden. Das Ansatzstück kann nach dem Form walzen durch spanende Bearbeitung entfernt werden. Im Gegensatz zu der Ausführung von Figur 1A kann eine Wandstärke des Teils des becherförmigen Werkstücks 16, das später den Ventilschaft bildet, dünner ausgeführt werden, was später eine geringere Wandstärke des Ventilschafts ergibt. Weiterhin wird bei dieser Auslegung das becherförmige Werkstück 16 weniger stark umgeformt als das Werkstück von Figur 1A/1B.
In Figur 2B ist das Ventil bereits nach dem Formwalzen weitgehend fertig. Der Hohlraum 10 weist im Bereich des Ventiltellers einen großen Durchmesser auf, was verbesserte Kühleigenschaften erwarten lässt. Der Schaft weist eine geringere Wandstärke als im Falle der Figuren 1B auf. Es ist aufgrund des geringeren Umformungsgrades möglich, den Schaft zu walzen ohne dass es notwendig werden kann den Außendurchmesser des Ventilschafts durch einen weiteren Bearbeitungsschritt zu verringern.
Figur 2C stellt ein erfindungsgemäßes innengekühltes Ventil 4 dar, das einen Ventilschaft aufweist, der an einem unteren Ende in einem Ventilteller ausläuft. Der Ventilschaft 8 endet oben in einem Schaftende 36. Innen ist das Ventil mit einem Hohlraum 10 versehen, der mit einem Kühlmittel 12 gefüllt ist. Dass Kühlmittel kann beispielsweise durch eine Öffnung oder Bohrung am Ventilschaft mit dem Kühlmittel gefüllt werden. Das erfindungsgemäße Ventil weist im Bereich des Ventiltellers einen Hohlraum mit einem großen Durchmesser auf, der den Durchmesser des Ventilschafts übersteigen kann. Der Ventilteller, mit der Ventiltellerfläche 22, der Ventiltellerrückseite 24 und der Ventilschaft sind dabei aus einem Stück geformt. Das fertige Ventil weist daher weder im Bereich des Ventiltellers noch im Bereich des unteren Ventilschafts Fügestellen auf. Es ist möglich den Hohlraum 10, durch ein durch beispielsweise Reibschweißen angebrachtes Ventilschaftende, nach dem Befüllen mit Kühlmittel zu verschließen.
Figur 3A stellt im Wesentlichen die Form walzvorri chtung von Figur 2A dar. Eine Beschreibung von Bezugszeichen und Elementen die bereits im Zusammenhang mit Figur 1 A oder 2A beschrieben sind, wird hier nicht noch einmal wiederholt. Im Unterschied zu den Form walzen von Figur 2A sind die Formwalzen von Figur 3 A mit einer Oberflächenstruktur 58 versehen, die beim Formwalzen einen Transport des Werkstückmaterials in Axialrichtung bewirkt. Die Oberflächenstruktur 58, die einen Transport des Werkstückmaterials in Axialrichtung bewirkt, ist hier als Gewinde ausgeführt, das bei einer Rotation der Formwalzen 42 eine Axialkraft in Richtung eines späteren Ventilschaftendes erzeugt. Mit der Oberflächenstruktur ist es möglich, ein kürzeres becherförmiges Werkstück 16 zu verwenden. Beim Formwalzen wird ebenfalls eine Kraft in Axialrichtung auf das becherförmige Werkstück ausgeübt, wodurch das Material beim Walzen sich nicht nur in Radialrichtung sondern auch in Axialrichtung ausbreiten kann.
Die Oberflächenstruktur 58 ist hier als Gewinde ausgeführt. Das Gewinde ist mit kleiner Flankenhöhe und kleiner Steigung ausgeführt, das lediglich Kräfte ausübt, nicht jedoch ein Gewinde in den Ventilschaft einwalzt.
Wenn die Formwalzen einen Druck auf das becherförmige Werkstück 16 ausüben, kann das Material nicht nur in Umfangs- und Radialrichtung fließen, sondern ist aufgrund der Axialkräfte auch in der Lage in Axialrichtung zu fließen bzw. sich zu verformen. Dieser Effekt ergibt insgesamt eine Möglichkeit mit einem becherförmigen Werkstück mit größerer Wandstärke zu beginnen, was die Prozesssicherheit des Verfahrens deutlich erhöhen kann. Es ist natürlich ebenfalls möglich nur eine der Formwalzen mit der Oberflächenstruktur 58 zu versehen, die einen Transport des Werkstückmaterials in Axialrichtung bewirkt oder eine Axialkraft in dem Werkstück erzeugt.
Figur 3B veranschaulicht den Walzvorgang von dem becherförmigen Werkstück 16 in Richtung des Ventilschaftendes, wobei die Materialverlagerung durch dünne Pfeile angedeutet ist.
Die Figuren 3A und 3B können ohne eine Axial führung auskommen, wenn die Oberflächenstruktur 58 eine hinreichend große Axialkraft erzeugt, um die Rückseite der Ventiltellerfläche 24 durch Formwalzen umzuformen.
Figur 3C zeigt ein Ventil 4 das mit der Formwalzvorrichtung der Figuren 3A und 3B hergestellt wurde. Es unterscheidet sich von dem Ventil der Figur 2C lediglich durch die Kristallstruktur des Materials.
Figur 4A entspricht im Wesentlichen Figuren 1A bis 3A. Eine Beschreibung von Bezugszeichen und Elementen die bereits im Zusammenhang mit Figuren 1A bis 3A beschrieben sind, wird hier nicht noch einmal wiederholt. Figur 4A nutzt das gleiche kurze becherförmige Werkstück 16, wie es in Figuren 3A und 3B dargestellt ist. Anstelle zylinderförmiger Walzen, deren Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind, v erwendet die Ausführung von Figur 4A und Figur 4B hyperboloide Formwalzen 44, deren Achsen windschief zueinander stehen. Das Walzverfahren stellt ein Schrägwalzverfahren dar, da mindestens die Achse eines der Formwalzen gegenüber der Achse des becherförmigen Werkstücks geneigt ist. Technisch gesehen sind die Achsen der Walzen zueinander windschief, wobei ein Winkel zwischen den Achsen als der Winkel bei orthogonaler Projektion der Achsen angegeben werden kann. Hier sind die Achsen 48 der Formwalzen jeweils im gleichen Winkel zur Achse 46 des becherförmigen Werkstücks 16 geneigt. Durch die Neigung und Drehung wird beim Walzen eine Axialkraft in Richtung des späteren Ventilschaftendes erzeugt. Damit kann ein ähnlicher Effekt erzeugt werden, wie mit der Oberflächenstruktur 58 in den Figuren 3A und 3B. Es ist natürlich ebenfalls möglich, die Formwalzen der Figuren 4A und 4B mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur 58 auszustatten, wie sie in den Figuren 3A und 3B offenbart wurde. Die Formwalzen 44 bilden einschalige Rotationshyperboloide, deren erzeugende nicht Geraden, sondern das Profil eines Ein- oder Auslassventils sind, Zylindrische Walzen würden kein zylindrisches Produkt sondern ein einschaliges Hyperboloid erzeugen, da sich der Abstand der Achsen der Walzen, je nach Entfernung von dem geringsten Abstand vergrößert. Um diesen Effekt auszugleichen, müssen die Walzen selber eine Form eines einschaligen Hyperboloids aufweisen. Beim Schrägformwalzen müssen die Walzen zudem die Profilierung des Endprodukts aufweisen. Bilden also profilierte einschalige Hyperboloidflächen. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der Figuren 1A bis 3B wird das Werkstück hier von zwei gegenüberliegenden Radialführungen 52 geführt, die das becherförmige Werkstück 16 zwischen den hyperboloiden Schrägwalzen 44 führen. Die Führungen müssen während des Formwalzvorgangs ebenfalls nachgeführt werden. Es ist dabei insbesondere möglich, die Einzelwalzensteuerung von Figur 4B auch bei der Walzvorrichtung von Figuren 4A und 4 B einzusetzen.
Das Werkstück kann von einer Axialführung 54 geführt werden, kann aber auch über ein Ansatzstück durch ein Spannfutter gehalten, geführt und/oder gedreht werden. Wie in Figur 1B können hier beide Radial führungen 52 mit jeweils mindestens einem Kraftaufnehmer 66 versehen sein, die jeweils mit einer Steuerung 68 verbunden sind, die wiederum die Drehzahl bzw. den Antrieb mindestens einer der Formwalzen 44 steuert. Auch hier kann die Steuerung dazu verwendet werden, das Werkstück 16 genau zwischen den Walzen 44 zu halten und/oder den Verschleiß der Radial führungen 52 zu verringern.
Figur 4A stellt die hyperboloiden Formwalzen 44 in einer Endposition nach dem Formwalzen dar. Bei Verwendung von hyperbolischen Formwalzen werden in dem Schaft Torsionskräfte erzeugt, die bei geringeren Walzenachsenwinkeln jeweils geringer ausfallen. Je größer der Winkel zwischen den Walzenachsen 48 ist, desto größer wird die erzeugte Axialkraft. Die Ausführungsform der Figuren 4A und 5B kann ebenfalls ohne eine Axialführung auskommen, da durch die Schrägwalzen eine hinreichend große Axialkraft erzeugt wird. Es ist ebenfalls möglich die Oberflächenstruktur 58 der Figuren 3A und 3B einzusetzen, um eine beim Walzen erzeugte Axialkraft weiter zu erhöhen.
Figur 5A stellt eine Kombination der Figuren 1A, 2A, 3A und 4A dar. Wie in der Figur 1A wird das becherförmige Werkstück nur von einer Seite durch eine Radial führung 52 geführt. Die linke Formwalze 42 weist die gleiche Form aus, wie in den Figuren 1A und 2A und die Achse der linken Formwalze 42 ist parallel zu der Achse des becherförmigen Werkstücks 16 ausgerichtet. Die linke Formwalze ist wie in der Figur 4A als hyperbolische Formwalze 44 ausgeführt. Die hyperbolische Formwalze 44 ist zudem mit der Oberflächenstruktur 58 der Figuren 3A und 3B versehen. Die Achse 50 der hyperbolischen Form walze 44 ist im Verhältnis zu der Achse 48 der linken Formwalze 42 und der Achse 46 des becherförmigen Werkstücks geneigt. Damit erzeugt die rechte hyperbolische Formwalze 44 beim Formwalzen eine starke Axial kraft in Richtung des späteren Ventil schaftendes. Diese Axialkraft reicht, bei geeigneter Auslegung aus, um ein kurzes becherförmiges Werkstück 16 beim Formwalzen in Axialrichtung zu verlängern.
Figur 5B stellt die Walzvorrichtung am Ende des Walzvorgangs dar. Die hyperboloiden Formwalzen 44 befinden sich in Figur 5B in einer Endposition nach dem Formwalzen. Durch die Form der Walzen, überdeckt die linke hyperbolische Formwalze 44 das obere Ventilschaftende des gewalzten Ventils. Die Form der Walzen bedingt ebenfalls, dass der Ventilteller den unteren Teil der linken hyperbolischen Formwalze 44 überdeckt. Ebenso überdeckt der untere Teil der rechten hyperbolischen Formwalze 44 teilweise den Ventilteller des umgeformten Werkstücks 16A. Das Ventilschaftende überdeckt den oberen Teil der Kontaktstelle der rechten hyperbolischen Formwalze 44 mit dem Ventilschaftende.
Bei der einseitigen Führung durch die Radialführung 52 ergibt sich die Möglichkeit gegenüber der Radialfuhrung 52 eine Heizung anzubringen, die beispielweise über eine Induktionsheizung oder eine Gasheizung das becherförmige Werkstück erwärmt, um das Werkstück 16 einen Temperaturbereich zu halten, in dem ein Warmwalzen bzw. ein Warm form schrägwalzen möglich ist.
Figuren 6A und 6B stellen eine weitere zusätzliche Ausführungsform eines Werkstücks und eines innengekühltes Ventils dar. Das Werkstück das in Figur 6A gezeigt ist, entspricht im Wesentlichen dem Werkstück von Figur 2A. Im Unterschied zu dem Werkstück von Figur 2A ist das Werkstück von Figur 6A mit einer Außenkontur 70 versehen. Das Sackloch 26 ist wie in Figur 2A als zylindrisches Loch ausgeführt. Die Außenkontur 70 bildet zusammen mit dem zylindrischen Sackloch 26 eine Dickenvariation des Schaftes.
Durch das Umformen wird die Außenseite des Schaftes im Wesentlichen zylindrisch umgeformt. Dabei wird die Außenkontur 70 eingeebnet und nach innen auf die Innenseite des Sacklochs 26 übertragen, wobei innen in dem Sackloch eine Innenkontur entsteht. Die Dickenvariation des Schaftes bleibt dabei im Wesentlichen erhalten, wobei die Kontur nach dem Umformen nun auf der Innenseite d.h. in dem Hohlraum 10 als Innenkontur 72 ausgebildet ist. Hier ist die Innenkontur so ausgeführt, dass sie am Übergang zwischen Ventilteller 6 und Ventilschaft 8 eine Lavaldüse bildet. Es sollte klar sein, dass mit diesem Verfahren auch andere Innnenkonturen erzeugt werden können. Es sollte ebenfalls klar sein, dass dieses Prinzip ebenfalls auf die Ausführungsformen angewendet werden können, bei denen ebenfalls eine Verlängerung des Schaftes beim Umformen erreicht wird, wie beispielsweise in den Figuren 3, 4 und 5, jeweils A bis C. Es muss dabei lediglich auch eine Verbreiterung und Verflachung der Kontur in Axialrichtung berücksichtigt werden. Durch dieses Verfahren lassen sich ohne weiteres strömungsgünstig geformte Hohlräume 10 erreichen, die einen konischen Übergang zwischen dem Schaft und dem Ventilteller ermöglichen. Es kann wie dargestellt ebenfalls wünschenswert sein, Düsenformen wie die dargestellte Laval-Düse in dem Hohlraum 10 zu erzeugen. Durch dieses Verfahren ist es mit sehr einfachen technischen Maßnahmen möglich, nahezu beliebige glatte bzw. stetige Innenkonturen 70 zu erzeugen.
Es sollte erwähnt werden, dass auch alle Kombinationen von Merkmalen der Figuren 1 A und 1B bis 5A und 5B als offenbart angesehen werden sollen, sofern sie technisch umgesetzt werden können. Dies betrifft insbesondere die Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Walzengeschwindigkeiten in Abhängigkeit von Kräften, die an mindestens einer Radial führung gemessen wurde. Weiterhin sind Konfigurationen mit einseitiger und beidseitiger Abstützung durch Radialführungen für alle Ausfuhrungsformen geplant.
B ezugszeichenl Iste
4 erfindungsgemäßes innengekühltes Ventil
6 Ventilteller
8 Ventilschaft
10 Hohlraum
12 Kühlmittel
14 Werkstück rohrförmig
14A Werkstück rohrförmig umgeformt
16 Werkstück becherförmig
16A Werkstück becherförmig umgeformt
18 Öffnung
20 Deckel
22 Ventiltellerfläche
24 Ventilteller-Rückseite
26 Sackloch
28 Durchgangsloch
30 Trennstelle
32 Fügestelle
36 Schaftende
42 Formwalze
44 Hyperbelförmige Formwalze
46 Achse des Werkstücks
48 Achse der Formwalze
50 Achse der hyperbelförmigen Formwalze
52 Führung / Radial führung
54 Axialfuhrung
56 Spannfutter
58 Oberflächenstruktur, die einen Transport des Werkstückmaterial in Axialrichtung bewirkt
60 Drehrichtung
62 Bewegungs- / Walzdruckrichtung
64 Achsstummel
66 Kraftaufnehmer
68 Steuerung der Walzendrehzahl der Formwalzen
70 Außenkontur
72 Innenkontur

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, umfassend:
Bereitstellen eines Werkstücks (14, 16), das einen Schaft und ein zylindrisches Loch (26, 28) umfasst, das von einem Ventilschaftende (36) in Axialrichtung verläuft, Umformen des Ventil schaftendes (36) durch Formwalzen des Schaftes auf einen kleineren Durchmesser, wobei ein Durchmesser des zylindrischen Lochs verringert wird und das Loch (26, 28) noch bestehen bleibt, und
Umformen eines Abschnitts des Werkstücks (14, 16), das an den Ventilschaft (8) anschließt, durch Formwalzen zu einem Ventilkopf.
2. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach Anspruch 1, wobei das Werkstück (14, 16) vor dem Formwalzen einen
Durchmesser von mindestens dem des Ventiltellers (6) des fertigen Ventils umfasst, und weiter umfassend:
Formwalzen eines Übergangs zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilschaft (8) zu einer Hohlkehle.
3. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werkstück (16) becherförmig ist, wobei das becherförmige Werkstück (14, 16) an einem Boden des Werkstücks (16) einen Durchmesser aufweist, der mindestens dem des Ventiltellers (6) entspricht, wobei das zylindrische Loch ein Sackloch (26) ist, das von einem Ventilschaftende
(36) in Richtung des Bodens des becherförmigen Werkstücks (16), verläuft, und wobei das Formwalzen ein Umformen des Schaftes und ein Formen des Ventilkörpers umfasst. 4. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach Anspruch 3 wobei
eine äußere Bodenfläche des Werkstücks (16) bereits die Form des Ventiltellers (6) aufweist. 5. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Werkstück (16) becherförmig ist, und wobei das becherförmige Werkstück (16) an einem Boden des Werkstücks (16) einen größeren Durchmesser aufweist als im Bereich des zylindrischen Schaftes.
6. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Werkstück (14, 16) durch Führungen zwischen den Walzen gehalten wird.
7. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Werkstück (14, 16) warmgewalzt wird.
8. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Bewegen des Werkstücks (14, 16) in Axialrichtung in Richtung des Schaftendes (36) während des Walzens.
9. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Drehen des Werkstücks (14, 16) während des Walzens.
10. Verfahren zum Herstellen eines innengekühiten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Drehen des Ventilschaftes (8) auf einen gewünschten Außendurchmesser, nachdem ein gewünschter Innendurchmesser des Ventilschaftes (8) durch Walzen erreicht wurde.
1 1. Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für Verbrennungsmotoren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Bereitstellen des Werkstücks (14, 16), ein Bereitstellen des Werkstücks (14, 16) mit einem nicht-zylindrischen Schaft mit einer Außenkontur (70) und dem zylindrischen Loch (26, 28) umfasst,
wobei das Umformen des Ventilschaftendes (36) durch Formwalzen ein
Umformen des Ventilschaftendes (36) durch Formwalzen des Schaftes auf einen kleineren Durchmesser umfasst, wobei ein Durchmesser des zylindrischen Lochs verringert wird und ein nicht-zylindrisches Loch mit einer Innenkontur (72) bestehen bleibt.
12. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) für
Verbrennungsmotoren, aus einem Werkstück (14, 16), umfassend:
ein Walzwerk zum Rundquerwalzen oder zum Schräg walzen, wobei mindestens zwei Formwalzen (42, 44) ein Profil eines Auslassventils aufweisen.
13. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach Ansprach 12, weiter umfassend:
einen Dom, der in ein Loch (26, 28) eines Werkstücks (14, 16) eingeführt werden kann, um das Werkstück (14, 16) beim Walzen zu fuhren.
14. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach Ansprach 12 oder
13, weiter umfassend:
mindestens eine Führung, um das Werkstück (14, 16) zwischen den Walzen zu halten und zu führen, wobei die mindestens eine Führung ein Gleitelement oder ein oder mehrere Rollen umfasst, die an einer Außenfläche des Werkstücks (14, 16) anliegen.
15. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach Anspruch 1 1, 12, 13 oder 14, weiter umfassend:
mindestens einen Kraftaufnehmer an der mindestens einen Führung, sowie
einzeln angetriebene Formwalzen (42, 44),
und eine Steuerung, die die Drehzahl der Formwalzen (42, 44) so steuert, dass die Kraft auf die Führungen minimiert wird.
16. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Walzen windschief in einem Winkel von 1° bis 12°, bevorzugt von 2° bis 10° und weiter bevorzugt von 3° bis 8° zueinander angeordnet sind.
17. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Werkstücks (14, 16) und die Achsen der
Formwalzen (42, 44) jeweils windschief in einem Winkel von 0,5° bis 6° bevorzugt von 1° bis 5° und weiter bevorzugt von 1,5° bis 4°zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei
mindestens eine der Formwalzen (44) eine hyperboloide Außenfläche aufweist.
Figure imgf000028_0001
19. Vorrichtung zum Hersteilen eines innengekühlten Ventils (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 18 wobei
mindestens eine der Formwalzen (42, 44) eine Oberflächenstruktur aufweist, die einen Transport des Materials des Werkstücks in Axialrichtung bewirkt.
20. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 1 , weiter umfassend eine Axial-Führung oder ein Spannfutter um das Werkstück (14, 16) von der Tellerseite aus zu Führen bzw. zu halten. 21. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 20, weiter umfassend einen Aktuator, um das Werkstück (14, 16) von dem Boden aus in Richtung Ventilschaftende (36) axial zu bewegen.
22. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 21 , weiter umfassend einen Antrieb, um das Werkstücks (14, 16) während des Walzens mit einer vorbestimmten Umdrehungszahl zu drehen.
23. Vorrichtung zum Herstellen eines innengekühlten Ventils (4) nach einem der Ansprüche 12 bis 22, weiter umfassend ein Heizelement, um das Werkstück (14, 16) beim Walzen zu erwärmen.
Innengekühltes Ventil (4) für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Werkstück (14, 16) mit einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 oder mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23 umgeformt wurde, wobei das Werkstück (14, 16) einen Schaft umfasst, wobei das Werkstück (14, 16) ebenfalls ein zylindrisches Loch umfasst, das von einem Ventilschaftende (36) in Axialrichtung verläuft, wobei mindestens ein Schaft durch Formwalzen des Schaftes auf einen kleineren Durchmesser umgeformt wurde.
Innengekühltes Ventil (4) für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (14, 16) vor dem Formwalzen einen, Durchmesser von mindestens dem des Ventiltellers (6) umfasst, und dass ein Ventilkopf mit einer Hohlkehle durch Formwalzen hergestellt ist. 26. Innengekühltes Ventil (4) für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkstück (16) becherförmig ist wobei das becherförmige Werkstück (16) an einem Boden des Werkstücks (16) einen Durchmesser aufweist der mindestens dem des Ventiltellers (6) entspricht,
wobei das zylindrische Loch ein Sackloch (26) ist, das von einem Ventilschaftende (36) in Richtung des Bodens des becherförmigen Werkstücks (16) verläuft.
Innengekühltes Ventil (4) für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkstück becherförmig (16) ist wobei
das becherförmige Werkstück (16) an einem Boden des Werkstücks (16) einen größeren Durchmesser aufweist als im Bereich des zylindrischen Schaftes.
Innengekühltes Ventil (4) für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 24 bis
27, dadurch gekennzeichnet,
dass zylindrische Loch (26, 28) nach dem Umformen einen Hohlraum (10) bildet, der innerhalb des Ventilschafts (8) und des Ventiltellers (6) verläuft, der teilweise mit Natrium (12) gefüllt und verschlossen ist.
Innengekühltes Ventil (4) für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 24 bis
28, dadurch gekennzeichnet,
Werkstücks (14, 16) vor dem Walzen einen nicht-zylindrischen Schaft mit einer Außenkontur (70) und mit einem zylindrisches Loch (26, 28) aufweist,
wobei das Ventil durch das Umformen des Ventilschaftendes (36) durch Formwalzen einen zylindrischen Ventilschaft und ein nicht-zylindrisches Loch mit einer Innenkontur (72) aufweist.
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