WO2020182365A1 - Verfahren zur herstellung eines hohlventils für verbrennungsmotoren - Google Patents

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WO2020182365A1
WO2020182365A1 PCT/EP2020/052227 EP2020052227W WO2020182365A1 WO 2020182365 A1 WO2020182365 A1 WO 2020182365A1 EP 2020052227 W EP2020052227 W EP 2020052227W WO 2020182365 A1 WO2020182365 A1 WO 2020182365A1
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valve
workpiece
forming
protective layer
powder
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Thorsten MATTHIAS
Antonius Wolking
Guido Bayard
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Federal-Mogul Valvetrain Gmbh
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    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/20—Making machine elements valve parts
    • B21K1/22—Making machine elements valve parts poppet valves, e.g. for internal-combustion engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J7/00—Hammers; Forging machines with hammers or die jaws acting by impact
    • B21J7/02—Special design or construction
    • B21J7/14—Forging machines working with several hammers
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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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H7/00—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons
    • 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 a method for producing hollow valves, or hollow space valves, for internal combustion engines and hollow valves produced therewith.
  • inlet and outlet valves are components that are subject to high thermal and mechanical loads. Sufficient cooling is therefore necessary to ensure the long-term functionality of the valves.
  • hollow disk valves are advantageous over full-stem valves and hollow-stem valves (i.e. a hollow valve in which only a hollow space is provided in the shaft), since a hollow space is present both in the shaft and in the valve head, whereby improved internal cooling - by means of a cooling medium, e.g. B. Sodium - can be achieved. Further advantages are lower weight, the avoidance of hot spots (in the combustion engine) and a reduction in CO2.
  • Hollow valves are usually manufactured by a combination of different processes, such as e.g. B. forging, turning and welding. Turning or milling the cavity is particularly costly. Welding points on the plate surface or other critical points for operational reasons should also be avoided. Another disadvantage of known methods is that a large number of process steps are often necessary, such as B. in EP 2325446 Al. However, fast forming processes are advantageous for the cost-effective production of large quantities.
  • EP 0898055 A1 and US 006006713 A describe a hollow disk valve which is produced by closing a hollow blank by means of welding (friction welding, laser welding) or armoring. Further publications dealing with the manufacture of cavity valves are CN 104791040 A and JP 1995102917.
  • One object of the present invention is therefore to provide a manufacturing method for hollow valves or for a valve body for hollow valves which does not have the disadvantages mentioned and at the same time has high productivity, good material utilization and fast forming processes.
  • Another object of the present invention is to adapt the manufacturing process in such a way that the wear on the tool is reduced.
  • the problem is solved by a method for producing a valve body of a hollow valve according to the features of the appended claim 1.
  • the method for producing a valve body of a hollow valve comprises the steps of providing a workpiece, ie a blank or semi-finished product and a Form stamp and the introduction of a protective layer between the workpiece and
  • Forming punches and pressure forming of the workpiece to create a preform Forming punches and pressure forming of the workpiece to create a preform.
  • Protective layer a step of producing a cavity in the workpiece, into which the protective layer is introduced.
  • the production of the cavity and / or the pressure forming can take place by means of hot forming.
  • the protective layer can consist of powder.
  • the powder can be made of Ti-Fe. According to one aspect of the present invention, the powder can be heated to 1050-1200 ° C.
  • the protective layer can comprise a powder or a powder combination for increasing the cooling effect of a valve disk base of the valve body, which connects to the valve disk to form a cooling layer.
  • a valve stem and a valve head with a valve disk and a valve disk base can be formed by pressure forming or after pressure forming in a further process step, in particular by extrusion or forging.
  • the shaft diameter can be further processed by means of necking, swaging, drawing in, pressure rolling or axial feed transverse rolling of the preform with or without a dome after the bore pressing in a further process step by cold, warm or hot forming be reduced.
  • An additional method for producing a valve body of a hollow valve comprises the steps of providing a workpiece, ie a blank or semi-finished product and the
  • the preform can have a valve head / disk and a valve stem which is smaller than that of the valve disk
  • the at least one pressure roller can be arranged opposite the forming die in such a way that its radial force acts between the tip and a thickest diameter or between them.
  • the workpiece can be in a
  • Workpiece holder are taken up on a spindle and rotate around its longitudinal axis and the forming punch rotates synchronously with the spindle.
  • the at least one pressure roller and the forming die can execute an axial movement synchronously.
  • the method can be cold
  • the shaft diameter can be determined by means of Necking (containment), swaging, drawing in, pressure rolling or axial feed cross rolling of the preform after the drilling can be further reduced in a further process step.
  • the cross section of the hollow shape can be circular or a driver profile such as uniform thickness, ellipse, polygon or
  • valve head after the bore pressing, in a further process step can be shaped by extrusion or
  • a hollow valve which comprises a valve body which was produced using the above method.
  • FIGS. 2a, 2b, 2b show a method step of drilling the bore in a 3D view
  • FIG. 3 shows an application of a protective layer during manufacture
  • FIGS. 1A to 1F various intermediate stages of the production method according to the invention are shown in sectional views, with optional or preferred production steps / intermediate stages also being shown.
  • a blank 2 made from a valve steel known to a person skilled in the art is preferably used as the starting point, see FIG. 1 a.
  • the blank has an at least partially cylindrical shape, preferably a circular cylindrical shape, corresponding to the circular shape of the valve body or valve to be produced.
  • the blank 2 is formed into a cup-shaped semi-finished product (or workpiece) 4 shown in FIG.
  • the semi-finished product 4 in the form of a cup comprises a bottom section 10, from which a valve head (or valve disk) 12 will later be formed, and a tubular wall (or annular wall) 14, which forms a cylindrical, preferably circular-cylindrical, cavity 8 of the cup-shaped semi-finished product 4 surrounds and from which a valve stem 20 is later formed.
  • material can possibly flow between the bottom section 10 and the tubular wall 14 during the subsequent forming steps.
  • cup-shaped semi-finished product 4 can be provided directly; the method then starts with the provision of the cup-shaped semi-finished product 4 shown in FIG.
  • valve head 12 is formed from the base section 10.
  • a preform 6 of the valve body obtained in this way is shown in FIG.
  • Both the reshaping of the blank 2 into a cup-shaped workpiece 4 and the shaping of the valve head 12 from the bottom section 10 can, for. B. be carried out by a hot or cold forming process. Extrusion or forging is preferably used. During extrusion, a die is pressed into the blank 2 or the semi-finished product 4 in order to form the cavity 8 or the valve head 12, ie it is in Essentially around (cup) reverse extrusion or transverse extrusion.
  • the preform 6 can also in a single forming step, for. B. forging or extrusion, can be formed directly from the blank 2.
  • Axial 4 refers here to the direction defined by the tubular wall 14 (ie the later shaft), that is to say to the (central) axis of the tubular wall; , radial 4 is correspondingly a direction orthogonal to the axial direction. A length of the tubular wall 6 is thus measured in the axial direction.
  • z. B. spinning rolls or cylinder spinning rolls can be carried out over a spinning dome 22.
  • the preform rotates and at least one spinning roller 24, 26, which co-rotates by frictional engagement, is pressed against the outside of the tubular wall and moved in the axial direction, so that a plastic change in shape occurs.
  • the associated incremental deformation leads to an advantageous strain hardening of the processed steel.
  • the wall thickness of the tubular wall is reduced while the axial length of the tubular wall increases at the same time.
  • the at least one pressure roller is moved several times in the axial direction until the desired increase in length or reduction in wall thickness is achieved.
  • the radial distance between the at least one pressure roller and the axis of the tubular wall is successively reduced during successive passes.
  • the spinning leads, due to the spinning dome 22 used, essentially to an elongation of the tubular wall 14, the outside diameter of which decreases a little (corresponding to the decrease in wall thickness). If a larger decrease in the outer diameter is desired, spinning can also be carried out with several spinning rolls without a spinning dome.
  • a valve body 16 for a hollow shaft valve can be obtained in this way (cf.Fig. Id, it being noted that the relative dimensions shown in the figures do not have to correspond to the actual relative dimensions, in particular in Fig. 1d the diameter of the valve plate / head in relation to the shaft diameter is shown smaller than in a conventional actual valve, and the shaft diameter is in proportion larger than usual for the length of the shaft 20).
  • the outside diameter of the tubular wall 14 is optionally reduced in order to obtain a finished valve body 18 for a hollow disk valve, the valve stem 20 of which has a predetermined outside diameter, i.e. H. has a desired target diameter; see. Fig. Lf.
  • This forming step is preferably carried out without the dome inserted so that the diameter can be effectively reduced.
  • this step also leads to a further elongation of the tubular wall 14 and, if carried out without a dome, to an increase in the wall thickness of the tubular wall 14.
  • the wall thickness would therefore possibly have to be set somewhat smaller in the previous flow-forming step to reduce Taking into account the increase in thickness in the final step, a certain wall thickness and thus a certain inner diameter for a given outer diameter D is obtained.
  • the outer diameter of the tubular wall 14 can be reduced by swaging or drawing in (“necking”, diameter reduction by constriction), with swaging being preferred.
  • necking diameter reduction by constriction
  • swaging it is important that after rotary swaging to reduce the outer diameter of the tubular wall 14, no further deformation step of the valve body 18 for a hollow disk valve takes place, as this would worsen the positive material properties obtained by rotary swaging.
  • rotary swaging is the final forming step.
  • Rotary swaging is an incremental pressure forming process in which the workpiece to be machined is hammered in rapid succession from different sides in the radial direction. Due to the resulting pressure, the material flows 4, so to speak, and the material structure is not distorted by tensile stresses.
  • Rotary swaging is preferably carried out as a cold forming process, ie below the recrystallization temperature of the processed material.
  • the main advantage of using rotary swaging as the final forming step is that compressive stresses are induced during rotary swaging due to the radial introduction of force, which prevents the occurrence of tensile stresses that increase the susceptibility to cracks, in particular this applies to the outer layers of the hollow shaft.
  • the rotary swaging thus interacts with the previous, also incremental forming process of flow-forming in an advantageous manner, so that optimal material properties, e.g. B. Strength can be achieved.
  • a cooling medium such. B. sodium
  • a cooling medium such. B. sodium
  • a valve stem end piece which is attached, for example by means of friction welding or another welding process (not shown in the figures).
  • the outer diameter can be reduced in several sub-steps (an intermediate step is shown in Fig. 1e, for example), whereby the individual sub-steps can optionally be carried out with or without a dome (at the beginning of a sub-step, the diameter of a dome can be smaller than the diameter of the cavity ); a diameter of the domes can also be reduced in successive sub-steps.
  • FIG. 2a, 2b and 2c show the process step of the bore pressing, which takes place between Fig. La or Fig. Lb and Fig. Lc, in a 3 D view.
  • a cavity is introduced into the blank 2 at the point on the blank 2 at which the later cavity 8 is to be created. This serves to apply the forming die 22 to the blank 2 and to center it or to simplify the following production step.
  • a workpiece is thus created as a semi-finished product 4 with a cavity, as shown in FIG.
  • the workpiece for the drilling can thus be an unmachined blank 2 or a semi-finished product 4.
  • the workpiece 2, 4 is inserted into a workpiece holder 32 and clamped in a spindle of a lathe or automatic lathe.
  • a preform 6 can be produced in a single process step directly from the bar material 2. This preform can then have a valve disk 12 and a valve stem 20 with a reduced stem diameter compared to the valve disk. The shaft diameter of this preform 6 can be larger than that of the finished valve.
  • the spindle sets the workpiece 2, 4 in rotation 33 about its longitudinal axis.
  • the forming die 22, which can also be referred to as a spinning die or spinning dome, can rotate with the workpiece 2, 4, e.g. B. by Frictional engagement or by a drive. Alternatively, the forming die 22 cannot rotate, but only move axially. In the latter case, a high level of heat development would be expected.
  • the three spinning rollers 24, 25, 26 which are arranged equidistant from one another, are pressed against the side wall 14 of the workpiece 2, 4 by a radial force 23 to be applied, they are set in rotation 27 about their axes (not about the axis of rotation) due to frictional engagement the spindle 33).
  • the direction of rotation 33 of the workpiece 2, 4, together with the workpiece holder 32 and (optional) forming die 22 and the direction of rotation 27 of the spinning rollers 24, 25, 26 are indicated in the figure by curved arrows.
  • the arrangement of the forming die 22 and the pressure rollers 24, 25, 26 are moved uniformly, synchronously in the axial direction in the direction of the spindle.
  • the workpiece 2, 4 can be moved against the tool arrangement. This leads to a plastic deformation of the workpiece 2, 4.
  • the spinning rollers and the axially acting forming punch work simultaneously.
  • the forming punch 22 penetrates centrally into the workpiece and forms a tubular wall 14 of a cup with an inner diameter which corresponds to the outer diameter of the forming punch 22.
  • the outer diameter of the tubular wall 14 is limited by the pressure rollers 24, 25, 26.
  • they carry out a step of ironing / rolling at the same time.
  • the excess, displaced material of the workpiece 2, 4 flows off, so that the length of the tubular wall 14 increases in the axial direction (backward extrusion of a cup).
  • the translational direction of movement 21 of the die 22 and the pressure rollers 24, 25, 26 are indicated in the figure by arrows.
  • the direction of flow of the material of the tubular wall 14 is opposite.
  • three spinning rollers 24, 25, 26 are shown by way of example, and it is also possible to use only one, two or more than three spinning rollers. If several pressure rollers are used, they are preferably distributed regularly over the circumference; ie with two spinning rollers the angle (in the circumferential direction) between the spinning rollers is approximately 180 °, with three spinning rollers it is approximately 120 °, etc. As a result, the preform 6 is supported in all directions and transverse forces on the workpiece 2, 4 avoided.
  • Radial offset means that the radial spacing of the pressure rollers 24, 25, 26 from the central axis is different.
  • the axial offset of the spinning rollers 24, 25, 26 means that the spinning roller 24 closer to the workpiece first hits the workpiece 2, 4 and processes it, while the spinning rollers 25, 26 located further away process the workpiece later, i.e. the points which has already been processed by the previous pressure roller 24.
  • the thickness of the tubular wall 14 can be stepped down.
  • the press roll 24 closest to the workpiece must have the greatest radial distance from the central axis, for the first ironing step, followed by the one with the second largest radial distance, etc. In this way, the process can be accelerated, since several radius or W and thickness reduction steps can be carried out in one pass.
  • a radial offset of spinning rollers of the same diameter it is also possible to use spinning rollers with different diameters.
  • Dispensing with an axial offset of the spinning rollers 24, 25, 26 reduces transverse and torsional forces on the workpiece that would result from axially offset pressing rollers.
  • each set 24, 25, 26 are arranged without an offset.
  • the sets are spaced apart in the axial direction and each set causes a partial ironing of the workpiece 2, 4.This reduces / avoids transverse and torsional forces on the workpiece compared to spinning with radial / axial offset and still has the advantage of stepwise ironing and lower flow forces realized in the material of the workpiece.
  • the hole pressing can have a semi-finished product 4 with a cup which forms a cavity 8 (see FIG. 1b).
  • the valve head 12 can also be produced immediately.
  • the distance between the axes of rotation 27 of the pressure rollers 24, 25, 26 and the axis of rotation 33 of the workpiece 2, 4 must be adjustable so that the resulting thickness of the tubular wall 14 is variable during the axial displacement of the tool arrangement and has a contour with valve head 12 ( as shown in Fig. Lc) can be produced.
  • valve base 10 is produced either by parting off the workpiece with another tool (chisel) or possibly by clamping the workpiece tightly so that the valve base 10 results from the base of the workpiece. It should also be noted that the forming die 22 should no longer move synchronously with the pressure rollers 24, 25, 26 on the last piece, so as not to create a continuous cavity 8 instead of a blind hole.
  • a high productivity, a good material utilization, a low expenditure of time in the production, a continuous forming process can be achieved through the drilling. Material savings of up to 90% compared to deep drilling can be achieved. At the same time, an undesired weld seam on the surface of the valve disk 12 is avoided.
  • Partial massive forming processes such as hole spinning, are characterized by the fact that the material is not plasticized in the entire forming volume, but in temporally and spatially limited increments. For this reason, a reduction in the punch force is possible in comparison to the reverse cup extrusion, while approximately four times the length / diameter ratio can be achieved.
  • the process is particularly suitable for high-strength materials.
  • Shape memory-poor tools are used for hole spinning.
  • FIG. 3 an idea is shown which can be applied to almost all types of extrusion under pressure.
  • a protective layer 41 is produced between the tool 22 and the workpiece 2, 4 during machining.
  • Such a protective layer 41 is under the pressure between tool 22 and workpiece 2, 4 to form a liquid film and reduces the wear that would otherwise result from the radial flow of the material on the end face of the forming die 22 to which an axial force is applied.
  • the stamp thus only comes into contact with the powder 40 (or its liquid phase) in the area of the points with the greatest susceptibility to wear.
  • the forming die 22 is shielded from the material of the workpiece. As a result, high wear can be avoided and the tool can be used for a longer period and the manufacturing process is more economical.
  • a cavity with a cavity 8 is formed in a blank 2 or slug, in particular forged, in particular as hot forming.
  • the cavity can have various shapes.
  • a protective layer 41 is introduced into the cavity.
  • a protective layer 41 can also be applied directly to the contact surface between blank 2 and forming die 22.
  • the material of the protective layer can be held in position by means of a corresponding die, e.g. B. prevents lateral drainage.
  • Powder 40 in particular made from the Ti-Fe alloy, which is filled into the cavity or applied to the surface 3 of the blank 2, can be used as the starting material for the protective layer 41.
  • the forging process can take place, in particular an extrusion process, in particular by hot forming, in order to produce the preform 6 (see also FIG. 1c).
  • the workpiece is heated before the forging step, usually to a temperature of 1050 - 1200 ° C, depending on the base material of the valve.
  • the powder 40 liquefies and combines and thus forms a (liquid) protective layer 41 between the forming die 22 and the workpiece 2, 4.
  • This liquefied protective layer 41 hardens again on cooling and bonds with the workpiece, ie this special protective layer 42 remains in the finished valve. Therefore, other powder combinations instead of Ti-Fe are also conceivable in order to increase the cooling effect of the valve disk base 10 by means of a cooling layer 42 in the finished valve.
  • the process chain is then continued, e.g.
  • the wall thickness 14 of the cup can be reduced and the cup can be elongated.
  • Different preforms 6 with different hollow shapes can be produced by mapping the shaping tool (shaping die 22).
  • the cross-section of the hollow shape can be circular or have a driver profile such as uniform thickness, ellipse, polygon or axially directed multi-spline and toothed profiles.
  • the process with the protective layer 41 can offer particular advantages in low-wear manufacture, because the simultaneous manufacture of the cavity 8 by means of the forming die 22 and the simultaneous pressure from the outside by the pressure rollers 24, 25, 26 is the Tool load higher than with conventional methods. Therefore, the low wear is particularly (but not exclusively) important for this process.
  • valve head 12 valve head / valve disc

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Herstellungsverfahren für einen Ventilkörper eines Hohlventils, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Werkstücks, Rohlings oder Halbzeugs und eines Formstempels. Einbringen einer Schutzschicht zwischen Werkstück und Formstempel (22) und Druckumformen des Werkstücks zum Erzeugen einer Vorform. Bereitgestellt wird ferner ein mittels dieses Verfahrens hergestelltes Hohlventil.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HOHLVENTILS FÜR
VERBRENNUNGSMOTOREN
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlventilen, bzw. Hohlraumventilen, für Verbrennungsmotoren und damit hergestellte Hohlventile.
Stand der Technik
Ein- und Auslassventile sind bei V erbrennungsmotoren thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile. Eine ausreichende Kühlung ist daher notwendig, um eine dauerhafte Funktionsfahigkeit der Ventile sicherzustellen. Hierbei sind Hohltellerventile gegenüber Vollschaftventilen und Hohlschaftventilen (d. h. ein Hohlventil bei dem lediglich im Schaft ein Hohlraum vorgesehen ist) vorteilhaft, da ein Hohlraum sowohl im Schaft als auch im Ventilkopf vorhanden ist, wodurch eine verbesserte interne Kühlung - mittels eines Kühlmediums, z. B. Natrium - erzielt werden kann. Weitere Vorteile sind ein geringeres Gewicht, die Vermeidung von Hot- Spots (im V erbrennungsmotor) und eine C02- Reduzierung.
Hergestellt werden Hohlventile üblicherweise durch eine Kombination verschiedener Verfahren, wie z. B. Schmieden, Drehen und Schweißen. Hierbei ist insbesondere das Drehen oder Fräsen des Hohlraumes kostenintensiv. Auch sollten Schweißpunkte an der Tellerfläche oder an anderen betriebsbedingt kritischen Stellen vermieden werden. Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren ist, dass oftmals eine große Anzahl von Prozessschritten notwendig ist, wie z. B. in EP 2325446 Al. Zur kostengünstigen Herstellung großer Stückzahlen sind jedoch schnelle Umformprozesse vorteilhaft. Beispielsweise beschreiben die EP 0898055 Al und die US 006006713 A ein Hohltellerventil, das durch Schließen eines hohlen Rohlings mittels Schweißens (Reibschweißen, Laserschweißen) oder Panzerung hergestellt wird. Weitere Druckschriften, die sich mit der Herstellung von Hohlraumventilen befassen sind CN 104791040 A und JP 1995102917.
Bei dieser Fertigung treten aber aufgrund der hochlegierten Ventilstähle große Verschleißprobleme auf. Bei der Herstellung der Ventil vorform entsteht ein sehr hoher Verschleiß am Werkzeug, insbesondere dem Formstempel. Dies bedeutet eine kurze Standzeit und hohe Werkzeugkosten.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Hohlraumventilen mit nicht gleichmäßiger Schaftinnengeometrie sind in US 20090020082 durch die Verwendung von Einsätzen über die gebohrte Tellerfläche und in DE 102010051871 Al durch die Erzeugung durch ein ECM- Verfahren gezeigt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also ein Herstellungsverfahren für Hohlventile bzw. für einen Ventilkörper für Hohlventile bereitzustellen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist und gleichzeitig eine hohe Produktivität, gute Materialausnutzung und schnelle Umformprozesse aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Herstellungsverfahren so zu adaptieren, dass der Verschleiß am Werkzeug verringert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird das Problem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils gemäß den Merkmalen des angehängten Anspruchs 1.
Das Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Werkstücks, d. h. eines Rohlings oder Halbzeugs und eines Formstempels und des Einbringens einer Schutzschicht zwischen Werkstück und
Formstempel, sowie Druckumformen des Werkstücks zum Erzeugen einer Vorform.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vor dem Einbringen einer
Schutzschicht ein Schritt des Herstellens einer Kavität in dem Werkstück stattfinden, in die die Schutzschicht eingebracht wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Herstellen der Kavität und/oder das Druckumformen mittels Warmumformung geschehen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Schutzschicht aus Pulver bestehen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Pulver aus Ti-Fe bestehen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Pulver auf 1050 - 1200 °C erwärmt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Schutzschicht ein Pulver oder eine Pulverkombination zur Erhöhung der Kühlwirkung eines Ventiltellerbodens des Ventilkörpers umfassen, welches sich mit dem Ventilteller zu einer Kühlschicht verbindet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann durch das Druckumformen oder nach dem Druckumformen in einem weiteren Prozesschritt ein Ventilschaft und ein Ventilkopf mit einem Ventilteller und einem Ventiltellerboden, insbesondere durch Fließpressen oder Schmieden geformt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Schaftdurchmesser mittels Necking (Einhaltsen), Rundkneten, Einziehen, Drückwalzen oder Axial-Vorschub- Querwalzen der Vorform mit oder ohne Dom nach dem B ohrungsdrücken in einem weiteren Prozesschritt durch Kalt-, Halbwarm- oder W armumformung weiter reduziert werden. Ein zusätzliches Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Werkstücks, d. h. Rohlings oder Halbzeugs und das
Bohrungsdrücken des Werkstücks zum Erzeugen einer Vorform die einen Napf mit einer durch die Napfwand gebildeten Hohlform aufweist.
Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann das Bohrungsdrücken
durchgeführt werden, mittels eines Formstempels, der mit einer axialen Kraft gegen das Werkstück gedrückt wird und wenigstens einer Drückrolle, die mit einer radialen Kraft auf das Werkstück gedrückt wird.
Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann die Vorform einen Ventilkopf/- teller und einen Ventilschaft mit, im Vergleich zum Ventilteller, reduzierten
Schaftdurchmesser aufweisen.
Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann die wenigstens eine Drückrolle gegenüber dem Formstempel so angeordnet werden, dass ihre radiale Kraft zwischen der Spitze und einem dicksten Durchmesser angreift oder dazwischen. Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann das Werkstück in einer
Werkstückhalterung an einer Spindel aufgenommen werden und um seine Längsachse rotieren und sich der Formstempel synchron zur Spindel drehen.
Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens können die wenigstens eine Drückrolle und der Formstempel synchron eine axiale Bewegung ausführen.
Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann das Verfahren als Kalt-,
Halbwarm- oder Warmumformung ausgeführt werden. Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann der Schaftdurchmesser mittels Necking (Einhaltsen), Rundkneten, Einziehen, Drückwalzen oder Axial- Vorschub- Querwalzen der Vorform nach dem B ohrungsdrücken in einem weiteren Prozessschritt weiter reduziert werden.
Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann der Querschnitt der Hohlform kreisrund sein oder ein Mitnehmerprofil wie Gleichdick, Ellipse, Polygon oder
axialgerichtete Vielkeil- und V erzahnungsprofi 1 e aufweisen.
Gemäß einem Aspekt dieses zusätzlichen Verfahrens kann nach dem B ohrungsdrücken in einem weiteren Prozessschritt das Formen des Ventilkopfes durch Fließpressen oder
Schmieden der Ventilkopf erfolgen.
Erfindungsgemäß wird das Problem weiterhin gelöst durch Hohlventil, welches einen Ventilkörper umfasst, der unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens hergestellt wurde.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren genauer beschrieben, wobei
Figuren la - lf verschiedene Zwischenschritte der erfindungsgemäßen Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils (dargestellt in Fig. Id bzw. Fig. lf) aus einem Rohling (dargestellt in Fig. la);
Figuren 2a, 2b, 2b einen Verfahrensschritt des B ohrungsdrückens in einer 3D-Ansicht; und
Figur 3 eine Anwendung einer Schutzschicht während der Herstellung
zeigen.
Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Es ist zudem eine Bezugszeichenliste angegeben, die für alle Figuren gültig ist. Die in den Figuren dargestellten Ausführungen sind lediglich schematisch und stellen nicht notwendigerweise die tatsächlichen Größenverhältnisse dar. Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In den Figuren 1A bis 1F sind, in Schnitansichten, verschiedene Zwischenstufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt, wobei auch optionale bzw. bevorzugte Herstellungsschrite/Zwischenstufen dargestellt sind.
Bevorzugt dient als Ausgangspunkt, siehe Fig. la, ein Rohling 2 aus einem dem Fachmann bekannten Ventilstahl. Der Rohling weist eine zumindest teilweise zylindrische Form auf, bevorzugt eine kreiszylindrische Form, entsprechend der Kreisform des herzustellenden Ventilkörpers bzw. Ventils.
Der Rohling 2 wird in ein in Fig. lb dargestelltes napfförmiges Halbzeug (bzw. Werkstück) 4 umgeformt. Das Halbzeug 4 in Form eines Napfes umfasst einen Bodenabschnitt 10, aus dem später ein Ventilkopf (bzw. Ventilteller) 12 gebildet wird, und eine rohrförmige Wand (bzw. ringförmige Wand) 14, die einen zylindrischen, bevorzugt kreiszylindrischen, Hohlraum 8 des napfförmigen Halbzeugs 4 umgibt und aus der später ein Ventilschaft 20 gebildet wird. Hierbei kann während der nachfolgenden Umformschritte eventuell Material zwischen Bodenabschnit 10 und rohrförmiger Wand 14 fließen.
Stattdessen kann das napfförmige Halbzeug 4 direkt bereitgestellt werden; das Verfahren startet dann also mit Bereitstellen des in Fig. lb dargestellten napfförmigen Halbzeugs 4.
In einem anschließenden Umformschritt wird aus dem Bodenabschnit 10 der Ventilkopf 12 geformt. Eine dadurch erhaltene Vorform 6 des Ventilkörpers ist in Fig. lc dargestellt.
Sowohl das Umformen des Rohlings 2 in ein napfförmiges Werkstück 4 als auch das Formen des Ventilkopfs 12 aus dem Bodenabschnitt 10 kann z. B. durch ein Warm- oder Kaltumformverfahren durchgefuhrt werden. Bevorzugt wird Fließpressen oder Schmieden verwendet. Beim Fließpressen wird ein Stempel in den Rohling 2 bzw. das Halbzeug 4 gepresst, um den Hohlraum 8 bzw. den Ventilkopf 12 zu formen, d. h. es handelt sich im Wesentlichen um (Napf-)Rückwärtsfließpressen bzw. Querfließpressen. Die Vorform 6 kann auch in einem einzigen Umformschritt, z. B. Schmieden oder Fließpressen, direkt aus dem Rohling 2 geformt werden.
Im nächsten Bearbeitungsschritt, von Fig. lc nach Fig. Id, wird eine axiale Länge der rohrförmigen Wand 14 vergrößert. , Axial4 bezieht sich hier auf die durch die rohrförmige Wand 14 (d. h. den späteren Schaft) definierte Richtung, also auf die (Mittel-)Achse der rohrförmigen Wand; , radial4 ist entsprechend eine Richtung orthogonal zur axialen Richtung. Eine Länge der rohrförmigen Wand 6 wird also in axialer Richtung gemessen.
Hierzu kann z. B. Drückwalzen bzw. Zylinderdrückwalzen über einem Drückwalzdom 22 durchgeführt werden. Beim Drückwalzen rotiert die Vorform und es wird mindestens eine, durch Reibschluss mitrotierende, Drückwalze 24, 26 gegen die Außenseite der rohrförmigen Wand gedrückt und in axialer Richtung bewegt, so dass es zu einer plastischen Formänderung kommt. Die damit einhergehende inkrementelle Umformung fuhrt zu einer vorteilhaften Kaltverfestigung des bearbeiteten Stahls. Insgesamt verringert sich die Wanddicke der rohrförmigen Wand während sich gleichzeitig die axiale Länge der rohrförmigen Wand vergrößert. Die mindestens eine Drückwalze wird gegebenenfalls mehrmals in axialer Richtung verfahren bis die gewünschte Längenzunahme bzw. W anddicken Verringerung erreicht ist. Dabei wird der radiale Abstand der mindestens einen Drückwalze von der Achse der rohrförmigen Wand bei aufeinanderfolgenden Durchgängen sukzessive verringert.
Das Drückwalzen führt also, aufgrund des eingesetzten Drückwalzdoms 22, im Wesentlichen zu einer Längung der rohrförmigen Wand 14, wobei deren Außendurchmesser ein wenig abnimmt (entsprechend der Abnahme der Wanddicke). Falls eine größere Abnahme des Außendurchmessers erwünscht ist, kann auch ein Drückwalzen, mit mehreren Drückwalzen, ohne Drückwalzdom erfolgen.
Falls Abmessungen der Vorform 6 und Parameter des Drückwalzens so gewählt sind, dass die durch das Drückwalzen erreichte Länge der rohrförmigen Wand 14, der durch das Drückwalzen erreichte Außendurchmesser und ein Innendurchmesser der rohrförmigen Wand 14 der Vorform (der einem Durchmesser des Drückwalzdoms entspricht) den gewünschten Abmessungen des herzustellenden Hohlventils entsprechen, kann auf diese Weise ein Ventilkörper 16 für ein Hohlschaftventil erhalten werden (vgl. Fig. Id, wobei angemerkt sei, dass die in den Figuren gezeigten relativen Abmessungen nicht den tatsächlichen relativen Abmessungen entsprechen müssen, insbesondere ist in Fig. Id der Durchmesser des V entiltellers/-kopfes im Verhältnis zum Schaftdurchmesser kleiner als bei einem üblichen tatsächlichen Ventil dargestellt, ebenso ist der Schaftdurchmesser im Verhältnis zur Länge des Schaftes 20 größer als üblich dargestellt).
Abschließend (von Fig. Id über Fig. le nach Fig. lf) wird, optional, der Außendurchmesser der rohrförmigen Wand 14 reduziert, um einen fertiggestellten Ventilkörper 18 für ein Hohltellerventil zu erhalten, dessen Ventilschaft 20 einen vorbestimmten Außendurchmesser aufweist, d. h. einen gewünschten Zieldurchmesser aufweist; vgl. Fig. lf. Dieser Umformschritt erfolgt bevorzugt ohne eingesetzten Dom, damit der Durchmesser effektiv verkleinert werden kann. Dieser Schritt führt, neben einer Verringerung des Außendurchmessers, auch zu einer weiteren Längung der rohrförmigen Wand 14 und, falls ohne Dom durchgeführt, zu einer Zunahme der Wanddicke der rohrförmigen Wand 14. Die Wanddicke wäre also gegebenenfalls im vorhergehenden Drückwalzschritt etwas kleiner einzustellen, um unter Berücksichtigung der Dickenzunahme im abschließenden Schritt eine bestimmte Wanddicke, und damit bei gegebenen Außendurchmesser D einen bestimmten Innendurchmesser, zu erhalten.
Das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand 14 kann durch Rundkneten oder Einziehen („Necking“, Durchmesserverminderung durch Einschnüren) erfolgen, wobei Rundkneten bevorzugt wird. Beim Rundkneten ist wichtig, dass nach dem Rundkneten zur Reduzierung des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand 14 kein weiterer Umformschritt des Ventilkörpers 18 für ein Hohltellerventil stattfindet, da dies die durch das Rundkneten erhaltenen positiven Materialeigenschaften verschlechtern würde. Rundkneten ist also in diesem Fall der abschließende Umformschritt. Beim Rundkneten handelt es sich um ein inkrementeiles Druckumformverfahren, bei dem in schneller Abfolge von verschiedenen Seiten in radialer Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück eingehämmert wird. Durch den dadurch entstehenden Druck , fließt4 das Material sozusagen und die Materialstruktur wird nicht durch Zugspannungen verzerrt. Bevorzugt wird Rundkneten als Kaltumformverfahren, d. h. unterhalb der Rekristallisationstemperatur des bearbeiteten Materials, ausgeführt. Wesentlicher Vorteil der Verwendung von Rundkneten als abschließenden Umformschritt ist also, dass beim Rundkneten durch die radiale Krafteinleitung Druckspannungen induziert werden, wodurch das Auftreten von Zugspannungen, welche die Anfälligkeit für Risse erhöhen verhindert wird, insbesondere trifft dies für die Randschichten des Hohlschaftes zu. Das Rundkneten wirkt somit mit dem vorhergehenden, ebenfalls inkrementellen Umformverfahren des Drückwalzens auf vorteilhafte Weise zusammen, so dass optimale Materialeigenschaften, z. B. Festigkeit, erreicht werden.
Weitere Vorteile des Rundknetens als abschließenden Umformschritt - gegenüber Ziehverfahren oder „Necking“ (Einziehen) - sind durch eine bessere erreichbare Oberflächenqualität und durch eine relativ höhere Durchmesserreduzierung des Schaftes je Schritt gegeben. Aufgrund der hohen erreichbaren Oberflächenqualität und dadurch, dass die einhaltbaren Toleranzen beim Rundkneten sehr klein sind, ist eine Nachbearbeitung des Ventilschaftes meist nicht notwendig. Mit Freiformverfahren bzw. Stauchverfahren - wie z. B. Necking - lässt sich im Allgemeinen nur eine schlechtere Oberflächenqualität bzw. T oleranzeinhaltung erreichen. Dementsprechend sollte nach dem Rundkneten zur Reduzierung des Außendurchmessers der rohrformigen Wand insbesondere kein weiterer V erfahrensschritt mittels eines Ziehverfahrens oder Neckings erfolgen.
Um den Herstellungsprozess des Hohlventils abzuschließen, kann weiterhin ein Kühlmedium, z. B. Natrium, über das nach außen offene Ende des Ventilschaftes in den Hohlraum des Ventilkörpers eingefüllt werden und anschließend dieses Ende des Ventilschaftes verschlossen werden, z. B. durch ein Ventilschaftendstück, welches, etwa mittels Reibschweißen oder einem anderen Schweißverfahren, angebracht wird (in den Figuren nicht dargestellt). Das Reduzieren des Außendurchmessers kann in mehreren Teilschriten erfolgen (ein Zwischenschrit ist beispielsweise in Fig. le dargestellt), wobei die einzelnen Teilschrite jeweils wahlweise mit oder ohne Dom erfolgen können (zu Beginn eines Teilschritts kann der Durchmesser eines Doms kleiner als der Durchmesser des Hohlraums sein); auch kann ein Durchmesser der Dome in aufeinander folgenden Teilschriten verringert werden.
Fig. 2a, 2b und 2c stellen den Verfahrensschrit des Bohrungsdrückens, das zwischen Fig. la oder Fig. lb und Fig. lc statfindet, in einer 3 D- Ansicht dar.
In einem optionalen ersten Schrit wird in den Rohling 2 eine Kavität eingebracht, an der Stelle des Rohlings 2, an welcher der spätere Hohlraum 8 entstehen soll. Dies dient dazu den Formstempel 22 an den Rohling 2 anzulegen und zu zentrieren oder den folgenden Produktionsschrit zu vereinfachen. Somit entsteht ein Werkstück als Halbzeug 4 mit Kavität, wie in Fig. lb dargestellt. Das Werkstück für das Bohrungsdrücken kann somit ein unbearbeiteter Rohling 2 oder ein Halbzeug 4 sein.
Das Werkstück 2, 4 wird wie in Fig. 2a gezeigt in eine W erkstückhalterung 32 eingesetzt und in einer Spindel einer Drehbank oder Drehautomaten eingespannt.
Der eigentliche Schrit des Bohrungsdrückens beginnt mit dem Ansetzen des Formstempels 22 (und der Drückrollen 24, 25, 26) zentrisch auf die Stirnseite 3 des Werkstücks 2, 4, wie in Fig. 2a und 2b (in Vergrößerung) dargestellt. Dabei kann direkt vom Stangenmaterial 2 ausgehend eine Vorform 6 in einem einzigen Prozessschritt gefertigt werden. Diese Vorform kann dann einen Ventilteller 12 und einen Ventilschaft 20 mit, im Vergleich zum Ventilteller reduziertem Schaftdurchmesser, aufweisen. Der Schaftdurchmesser dieser Vorform 6 kann größer sein, als der des fertigen Ventils.
Zur Herstellung der Vorform 6 versetzt die Spindel das Werkstück 2, 4 in Drehung 33 um seine Längsachse. Der Formstempel 22, welcher auch als Drückstempel oder Drückwalzdom bezeichnet werden kann, kann dabei mit dem Werkstück 2, 4 mitrotieren, z. B. durch Reibschluss oder durch einen Antrieb. Alternativ kann der Formstempel 22 auch nicht rotieren, sondern sich lediglich axial bewegen. In letzterem Fall wäre eine hohe Wärmeentwicklung zu erwarten. Wenn die drei zueinander äquidistant angeordneten Drückwalzen 24, 25, 26 (Gleichlaufdrückwalzen) durch eine aufzubringende radiale Kraft 23 gegen die Seitenwand 14 des Werkstücks 2, 4 gedrückt werden, versetzen sich diese aufgrund von Reibschluss in Drehung 27 um ihre Achsen (nicht um die Drehachse der Spindel 33). Die Rotationsrichtung 33 des Werkstücks 2, 4, zusammen mit Werkstückhalterung 32 und (optional) Formstempel 22 und die Rotationsrichtung 27 der Drückwalzen 24, 25, 26 sind in der Figur durch gekrümmte Pfeile angedeutet.
Die Anordnung aus Formstempel 22 und den Drückwalzen 24, 25, 26 werden gleichförmig, synchron in axialer Richtung in Richtung der Spindel bewegt. Alternativ kann das Werkstück 2, 4 gegen die W erkzeuganordnung bewegt werden. Dadurch kommt es zu einer plastischen Verformung des Werkstücks 2, 4. Die Drückwalzen und der axial wirkende Formstempel arbeiten gleichzeitig. Der Formstempel 22 dringt dabei zentrisch in das Werkstück ein und bildet eine rohrförmigen Wand 14 eines Napfes aus, mit einem Innendurchmesser, der dem Außendurchmesser des Formstempels 22 entspricht. Der äußere Durchmesser der rohrförmigen Wand 14 wird durch die Drückwalzen 24, 25, 26 begrenzt. Zusätzlich führen diese gleichzeitig einen Schritt des Abstreckdrückens/-walzens durch. Das überschüssige, verdrängte Material des Werkstücks 2, 4 fließt ab, so dass die Länge der rohrförmigen Wand 14 in axialer Richtung zunimmt (Rückwärtsfließpressen eines Napfs). Die translatorische Bewegungsrichtung 21 des Formstempels 22 und der Drückwalzen 24, 25 26 sind in der Figur durch Pfeile angedeutet. Die Fließrichtung des Materials der rohrförmigen Wand 14 ist entgegengesetzt.
In den Figuren 2 sind beispielhaft drei Drückwalzen 24, 25 26 dargestellt, ebenso ist die Verwendung nur einer, zwei oder von mehr als drei Drückwalzen möglich. Werden mehrere Drückwalzen verwendet, so sind diese bevorzugt regelmäßig über den Umfang verteilt; d. h. bei zwei Drückwalzen beträgt der Winkel (in Umfangrichtung) zwischen den Drückwalzen in etwa 180°, bei drei Drückwalzen in etwa 120°, usw. Dadurch wird die Vorform 6 insbesondere auch in allen Richtungen abgestützt und Querkräfte auf das Werkstück 2, 4 vermieden.
In einer erweiterten Anordnung (in den Figuren nicht dargestellt) bestehen zwischen den Drückwalzen 24, 25, 26 ein radialer und ein axialer Versatz. Radialer Versatz bedeutet, dass der radiale Abstand der Drückwalzen 24, 25, 26 von der Mittelachse unterschiedlich ist. Der axiale Versatz der Drückwalzen 24, 25, 26 führt dazu, dass die dem Werkstück nähere Drückwalze 24 zuerst auf das Werkstück 2, 4 trifft und dieses bearbeitet, während weiter entfernt liegende Drückwalzen 25, 26 später das Werkstück bearbeiten, sprich, die Stellen, die bereits durch die vorherige Drückrolle 24 bearbeitet wurde. So kann die Dicke der rohrförmigen Wand 14 stufenweise abgestreckt werden. Demzufolge muss die dem Werkstück am nächsten liegende Drückwalze 24 den größten radialen Abstand von der Mittelachse aufweisen, für den ersten Abstreckschritt, gefolgt derjenigen mit dem zweitgrößtem radialen Abstand, usw. Auf diese Weise kann das Verfahren beschleunigt werden, da mehrere Radius- bzw. W anddickenreduzierungsschritte in einem Durchgang erfolgen können. Statt einem radialen Versatz von Drückwalzen gleichen Durchmessers können auch Drückwalzen mit unterschiedlichen Durchmessern Verwendung finden.
Der Verzicht auf einen axialen Versatz der Drückwalzen 24, 25, 26 (in diesem Fall wäre ein radialer Versatz sinnlos), verringert hingegen Quer- und Torsionskräfte auf das Werkstück, die durch axial versetzt drückende Rollen entstehen würde.
Alternativ können auch mehrere Sätze (nicht dargestellt) von Drückwalzen angeordnet werden. Die Drückwalzen eines jeden Satzes 24, 25, 26 sind dabei ohne Versatz angeordnet. Die Sätze sind in axialer Richtung beabstandet und jeder Satz bewirkt eine Teilabstreckung des Werkstücks 2, 4. Dadurch werden Quer- und Torsionskräfte auf das Werkstück im Vergleich zum Drückwalzen mit radialem/axialem Versatz verringert/vermieden und dennoch der Vorteil von stufenweisem Abstrecken und geringeren Fließkräften im Material des Werkstücks realisiert.
Das Bohrungsdrücken kann als Ergebnis ein Halbzeug 4 mit einem Napf, der einen Hohlraum 8 ausbildet, haben (siehe Fig. lb). Jedoch kann während dieses Bearbeitungsschritts auch sogleich der Ventilkopf 12 hergestellt werden. Hierzu muss der Abstand der Drehachsen 27 der Drückwalzen 24, 25, 26 von der Drehachse 33 des Werkstücks 2, 4 einstellbar sein, so dass während des axialen Verschiebens der Werkzeuganordnung die resultierende Dicke der rohrförmigen Wand 14 variabel ist und eine Kontur mit Ventilkopf 12 (wie in Fig. lc gezeigt) hergestellt werden kann. Hierbei ist als Besonderheit zu beachten, dass der Ventilboden 10 entweder durch Abstechen des Werkstücks mit einem weiteren Werkzeug (Meißel) hergestellt wird oder ggf. durch eine knappe Einspannung des Werkstücks, so dass der Ventilboden 10 sich aus dem Boden des Werkstücks ergibt. Weiterhin ist zu beachten, dass sich der Formstempel 22 ggf. auf dem letzten Stück nicht mehr synchron mit den Drückrollen 24, 25, 26 bewegen sollte, um nicht einen durchgängigen Hohlraum 8 anstatt einem Sackloch zu erzeugen.
Vorteilhafterweise kann durch das Bohrungsdrücken eine hohe Produktivität, eine gute Materialausnutzung, ein geringer Zeitaufwand bei der Herstellung, ein kontinuierliches Umformverfahren erzielt werden. W erkstoffeinsparungen von bis zu 90% gegenüber dem Tiefbohren sind erreichbar. Gleichzeitig wird eine unerwünschte Schweißnaht an der Fläche des Ventiltellers 12 vermieden.
Verfahren der partiellen Massivumformung, wie das Bohrungsdrücken, zeichnen sich dadurch aus, dass der Werkstoff nicht im gesamten Umformvolumen, sondern in zeitlich und räumlich begrenzten Inkrementen plastifiziert wird. Im Vergleich zum Napf- Rückwärtsfließpressen ist aus diesem Grunde eine Verringerung der Stempelkraft möglich, während sogar etwa das vierfache Längen-Durchmesser-Verhältnis erreichbar ist.
Wegen des hohen hydrostatischen Druckanteils eignet sich das Verfahren insbesondere für hochfeste Werkstoffe. Beim Bohrungsdrücken werden formspeicherarme Werkzeuge verwendet.
In Fig. 3 ist eine Idee dargestellt, welche zu fast allen Arten des Fließpressens unter Druck angewendet werden kann. Dabei wird eine Schutzschicht 41 zwischen Werkzeug 22 und Werkstück 2, 4, während der Bearbeitung hergestellt. Eine solche Schutzschicht 41 wird unter dem Druck zwischen Werkzeug 22 und Werkstück 2, 4 zu einem Flüssigkeitsfilm und verringert den Verschleiß, der ansonsten durch das radiale Abfließen des Materials an der Stirnfläche des mit einer axialen Kraft beaufschlagten Formstempels 22 entstehen würde. Der Stempel kommt somit im Bereich der Stellen mit der größten Verschleißanfälligkeit nur mit dem Pulver 40 (bzw. dessen Flüssigkeitsphase) in Kontakt. Der Formstempel 22 wird vom Material des Werkstücks abgeschirmt. Dadurch kann hoher Verschleiß vermieden und eine längere Einsatzdauer des Werkzeugs und höhere W irtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses erreicht werden.
Optional kann das Verfahren zweistufig erfolgen. Dann wird in einem ersten Schritt in einen Rohling 2 bzw. Butzen eine Kavität mit einem Hohlraum 8 geformt, insbesondere geschmiedet, insbesondere als Warmumformung. Die Kavität kann verschiedene Formen aufweisen. In einem zweiten Schritt wird eine Schutzschicht 41 in die Kavität eingebracht. Alternativ kann, unter Verzicht auf den beschriebenen ersten Schritt, auch eine Schutzschicht 41 direkt auf die Kontaktfläche zwischen Rohling 2 und Formstempel 22 aufgebracht werden. Z. B. kann durch eine entsprechende Matrize das Material der Schutzschicht an der Position gehalten werden, indem sie z. B. das seitliche Abfließen verhindert.
Als Ausgangsmaterial der Schutzschicht 41 kann Pulver 40, insbesondere aus der Legierung Ti-Fe verwendet werden, welche in die Kavität gefüllt oder auf die Oberfläche 3 des Rohlings 2 aufgebracht wird.
Nach dieser Vorbereitung kann der Schmiedeprozess stattfmden, insbesondere Fließpressverfahren, insbesondere per Warmumformung, um die Vorform 6 (siehe auch Fig. lc) zu erzeugen. Dazu wird das Werkstück vor dem Schmiedeschritt erwärmt, üblicherweise auf eine Temperatur von 1050 - 1200 °C, abhängig vom Grundwerkstoff des Ventils. Bei einer solchen Warmumformung verflüssigt sich und verbindet sich das Pulver 40 und bildet so eine (flüssige) Schutzschicht 41 zwischen Formstempel 22 und Werkstück 2, 4.
Diese verflüssigte Schutzschicht 41 härtet beim Abkühlen wieder aus und verbindet sich mit dem Werkstück, d. h. diese spezielle Schutzschicht 42 bleibt im fertigen Ventil bestehen. Daher sind auch andere Pulverkombinationen anstatt Ti-Fe denkbar um so die Kühlwirkung des Ventiltellerbodens 10 mittels einer Kühlschicht 42 im fertigen Ventil zu erhöhen.
Anschließend wird die Prozesskette fortgeführt, z. B. kann wie in der Beschreibung zu den Figuren 1 beschrieben, die Wandstärke 14 des Napfes reduziert und eine Längung des Napfes erzielt werden. Es können verschiedene Vorformen 6 mit unterschiedlichen Hohlformen durch die Abbildung des formgebenden Werkzeugs (Formstempel 22) hergestellt werden. So kann der Querschnitt der Hohlform kreisrund sein oder ein Mitnehmerprofil wie Gleichdick, Ellipse, Polygon oder axialgerichtete Vielkeil- und V erzahnungsprofile aufweisen. Insbesondere für das oben beschriebene Fließpressverfahren des Bohrungsdrückens kann das Verfahren mit der Schutzschicht 41 besondere Vorteile bei der verschleißarmen Herstellung bieten, denn durch die gleichzeitige Herstellung des Hohlraums 8 mittels Formstempel 22 und dem gleichzeitigen Druck durch außen durch die Drückrollen 24, 25, 26 ist die Werkzeugbelastung höher, als bei herkömmlichen Verfahren. Daher ist insbesondere (aber nicht ausschließlich) für dieses Verfahren die Verschleißarmut wichtig.
Bezugszeichenliste
2 Rohling, Stangenmaterial, Butzen
3 Stirnseite des Rohlings
4 (napfformiges) Halbzeug
6 Vorform
8 Hohlraum
10 Bodenabschnitt
12 Ventilkopf / Ventilteller
14 rohrförmige Wand
16 fertiggestellter Ventilkörper für Hohlschaftventil 18 fertiggestellter Ventilkörper für Hohltellerventil
20 Ventilschaft
21 axiale Kraft
22 Drückwalzdom, Formstempel, Drückstempel
23 radiale Kraft
24 Drückwalze, -rolle
25 Drückwalze
26 Drückwalze
27 Drehrichtung der Drückwalzen
32 Werkstückhalterung
33 Drehrichtung zur Bearbeitung
40 Pulver
41 Schutzschicht
42 Kühlschicht

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers (16, 18) eines Hohlventils, umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Werkstücks (Rohlings) (2) oder Halbzeugs (4)) und eines Formstempels
(22);
Einbringen einer Schutzschicht (41) zwischen Werkstück (2, 4) und Formstempel (22); und Druckumformen des Werkstücks zum Erzeugen einer Vorform (6).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Einbringen einer Schutzschicht (41) ein Schritt des Herstellens einer Kavität in dem Werkstück (2, 4) stattfindet, in die die Schutzschicht (41) eingebracht wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Kavität und/oder das Druckumformen mittels W armumformung geschieht.
4. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (41) aus Pulver (40) besteht.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Pulver (40) aus Ti-Fe besteht.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (40) auf 1050 - 1200 °C erwärmt wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (41) ein Pulver (40) oder eine Pulverkombination zur Erhöhung der Kühlwirkung eines V entiltellerbodens (10) des Ventilkörpers umfasst, welches sich mit dem Ventilteller (12) zu einer Kühlschicht (42) verbindet.
8. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Druckumformen oder nach dem Druckumformen in einem weiteren Prozesschritt ein Ventilschaft (20) und ein Ventilkopf (12) mit einem Ventilteller und einem
Ventiltellerboden (10), insbesondere durch Fließpressen oder Schmieden geformt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftdurchmesser mittels Necking (Einhaltsen), Rundkneten, Einziehen, Drückwalzen oder Axial- V orschub-Querwalzen der Vorform (6) mit oder ohne Dom nach dem
Bohrungsdrücken in einem weiteren Prozesschritt durch Kalt-, Halbwarm- oder
Warmumformung weiter reduziert wird.
10. Hohlventil umfassend einen Ventilkörper, hergestellt unter Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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