WO2020182370A1 - Verfahren zur herstellung eines hohlventils für verbrennungsmotoren - Google Patents

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WO2020182370A1 PCT/EP2020/052565 EP2020052565W WO2020182370A1 WO 2020182370 A1 WO2020182370 A1 WO 2020182370A1 EP 2020052565 W EP2020052565 W EP 2020052565W WO 2020182370 A1 WO2020182370 A1 WO 2020182370A1
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spinning
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preform
cavity
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Thorsten MATTHIAS
Antonius Wolking
Johannes KNUST
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Federal-Mogul Valvetrain Gmbh
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    • 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 a hollow space is only 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. Sodium - can be achieved. Further advantages are a 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 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.
  • the 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.
  • 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 of manufacturing a valve body of a hollow valve comprises the steps of providing a preform with a valve head and a tubular wall surrounding a cylindrical cavity, and axial-feed transverse rolling of the tubular wall with at least one pressure roller to a length of the tubular wall to increase and / or reduce its thickness by moving the preform relative to the at least one pressure roller.
  • this invention avoids weld seams on the valve disk surface and enables a continuous forming process, a low cycle time, high productivity, time savings and good material utilization.
  • An alternative method of manufacturing a valve body of a hollow valve comprises the steps of providing a preform with a valve head and a tubular wall surrounding a cylindrical cavity, and spinning the tubular wall over a spinning dome inserted into the cavity by a length of the to enlarge tubular wall.
  • the axial feed cross-rolling or spinning of the tubular wall can take place over a spinning dome which is inserted into the cavity and a compressive force of the spinning dome can move the pre-form.
  • a chuck can hold the valve head and apply a pulling force to move the preform.
  • the restraint can hold the valve head by means of at least one projection and form a form-fitting connection between them.
  • providing the preform can include: providing a cup-shaped semifinished product, the semifinished product having the tubular wall which surrounds the cylindrical cavity of the semifinished product and a bottom section; and molding the valve head from the bottom portion.
  • the provision of the cup-shaped semi-finished product can include: provision of an at least partially cylindrical blank; and shaping the cup-shaped semi-finished product from the blank.
  • cup-shaped semi-finished product can be shaped by extrusion or forging.
  • valve head can be formed by extrusion or forging.
  • a plurality of pressure rollers can be used in the case of the axial feed transverse rolling or pressure rolling, three pressure rollers preferably being used.
  • the plurality of spinning rollers can be offset from one another radially and axially during spinning.
  • At least two sets of spinning rollers can be provided.
  • the spinning rollers of a set have no axial (and radial) offset, but the sets have an axial distance from one another.
  • the method can furthermore comprise: a further flow-forming of the tubular wall without a flow-forming dome.
  • the method can further comprise: reducing an outer diameter of the tubular wall after the axial feed transverse rolling or the pressure rolling.
  • the outer diameter of the tubular wall can be reduced by rotary swaging or drawing.
  • the outer diameter of the tubular wall can be reduced without a dome.
  • the outer diameter of the tubular wall can be reduced with a dome inserted into the cavity.
  • the method can further comprise: filling a cooling medium, in particular sodium, into the cavity; and closing the cavity.
  • a cooling medium in particular sodium
  • a hollow valve which comprises a valve body which was produced using the above method.
  • FIGS. 1A-1F show various intermediate steps in the production according to the invention of a valve body of a hollow valve (shown in FIG. 1D or FIG. 1F) from a blank (shown in FIG. 1A);
  • Fig. 2 shows a sectional view during the flow forming
  • Fig. 3 shows a sectional view during axial feed transverse rolling.
  • 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 steel from a valve known to those skilled in the art 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. 1B.
  • 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 and from which later a valve stem 20 is formed.
  • material can possibly flow between the bottom section 10 and the tubular wall 14 during the subsequent forming steps.
  • the cup-shaped semi-finished product 4 is provided directly according to the invention; the method then starts with the provision of the cup-shaped semi-finished product 4 illustrated in FIG. 1B.
  • 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 e.g. be carried out by a hot or cold forming process.
  • Extrusion or forging is preferably used.
  • a punch is pressed into the blank 2 or the semi-finished product 4 in order to form the cavity 8 or the valve head 12, i.e. it is essentially a (cup) reverse extrusion or cross extrusion.
  • the preform 6 can also be used in a single forming step, e.g. Forging or extrusion, can be formed directly from the blank 2.
  • Axial 1 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.
  • spinning or cylinder spinning is carried out over a spinning dome 22; see. Fig. 2.
  • the pre-form 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 optionally Move 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.
  • the dimensions of the preform 6 and the parameters of the flow-forming are selected so that the length of the tubular wall 14 achieved by the flow-forming, the outer diameter achieved by the flow-forming and an internal diameter of the tubular wall 14 of the preform (which corresponds to a diameter of the flow-forming dome) are the desired Dimensions of the hollow valve to be manufactured correspond to a valve body 16 for a hollow shaft valve (cf.Fig. ID, whereby it should be noted that the relative dimensions shown in the figures do not have to correspond to the actual relative dimensions; in particular, FIG. ID the diameter of the valve disk / head in relation to the shaft diameter is smaller than shown in a conventional actual valve, and the shaft diameter is also larger than usual in relation to the length of the shaft 20).
  • the outer 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 outer diameter, ie a desired target diameter having; see. Figure 1F.
  • 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 have to be set somewhat smaller in the previous flow-forming step in order to obtain a specific wall thickness, and thus a specific inside diameter for a given outside diameter D, taking into account the increase in thickness in the final step.
  • the outside 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 being preferred.
  • rotary 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, since this would worsen the positive material properties obtained by rotary swaging. In this case, 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 as it were, and the material structure 1 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 in an advantageous manner with the preceding, also incremental forming process of flow-forming, so that optimal material properties, such as strength, are achieved.
  • a cooling medium e.g. Sodium
  • a valve shaft 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. IE, 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 mandrels of successive substeps can also be reduced.
  • FIG. 2 shows the process step of flow-forming, which takes place between FIG. 1C and FIG. ID, in a sectional view.
  • a flow-forming dome 22 is inserted into the cavity of the pre-form 6.
  • the spinning dome rotates together with the preform 6 and a tailstock 28, which supports the preform on the valve base.
  • Two opposing pressure rollers 24, 26 are pressed against the tubular wall 14 and also rotate by means of frictional engagement.
  • the spinning rollers 24, 26 are moved in the axial direction relative to the preform, which results in a plastic deformation of the tubular wall 14, the outer radius of the tubular wall 14 decreasing and at the same time the length of the tubular wall 14 increasing (in the axial direction).
  • the material of the tubular wall 14 “flows” in the direction of movement of the spinning rollers 24, 26 (synchronous spinning rollers).
  • the directions of rotation of the preform (along with Spinning dome and tailstock) and the spinning rollers, the direction of movement of the spinning rollers 24, 26 and the direction of flow of the material of the tubular wall 14 are indicated in the figure by arrows.
  • two spinning rollers 24, 26 are shown (partially) by way of example, the use of only one or more than two spinning rollers is also possible, the use of two or three spinning rollers being preferred. If several pressure rollers are used, they are preferably distributed regularly over the circumference; d. H. 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. This means that the preform is supported in all directions.
  • Radial offset means that the radial spacing of the pressure rollers 24, 26 from the central axis is different.
  • the axial offset of the spinning rollers 24, 26 means that the spinning roller 24 closer to the workpiece first hits the workpiece and processes it, while spinning rollers 26 that are further away process the workpiece later, i.e. the points that have already been caused by the previous spinning roller 24 was edited.
  • 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, 26 reduces transverse and torsional forces on the workpiece that would result from axially offset pressing rollers.
  • multiple sets (not shown) of spinning rollers can be arranged.
  • the pressure rollers of each set 24, 26 are arranged without offset.
  • the sets are spaced apart in the axial direction and each set causes a partial ironing of the workpiece 6.This reduces / avoids transverse and torsional forces on the workpiece compared to spinning with radial / axial offset and still has the advantage of gradual ironing and lower flow forces in the material of the workpiece realized.
  • FIG. 3 shows a process step of the axial feed transverse rolling, which takes place as an alternative forming method between FIGS. IC and FIG. ID, in a sectional view.
  • a flow-forming mandrel 22 is inserted for "spinning with roller feed" in the In the cavity of the preform 6.
  • the spinning dome rotates together with the preform 6 and a clamp 29 which supports the preform on the valve base or can pull it in the axial direction by means of projections 30 on the valve base or valve head 12, which form a positive connection.
  • two opposing pressure rollers 24, 26 are pressed, which also rotate by means of frictional engagement.
  • the tools, i.e. H. the pressure rollers 24, 26 moved relative to the pre-form in the axial direction or translationally, but it is the workpiece, d. H. the preform 6 is moved in a translatory manner relative to the spinning rollers 24, 26.
  • the pressure rollers are fixed in position and rotate. This likewise results in a plastic deformation of the tubular wall 14, the outer radius of the tubular wall 14 decreasing and at the same time the length of the tubular wall 14 increasing (in the axial direction). The before form 6 is pulled axially through the two rollers.
  • the material of the tubular wall 14 "flows" against the direction of movement of the preform 6 or accumulates in front of the spinning rollers 24, 26.
  • the directions of rotation of the preform (together with spinning mandrel and clamping) and the spinning rollers, the direction of movement of the preform 6 and clamping 29 with spinning mandrel 22 and the direction of flow of the material of the tubular wall 14 are in the Figure indicated by arrows.
  • the flow rate of the material of the tubular wall 14 is slower when the workpiece is pulled through the tool than when the tool is pressed over the workpiece, since in the former part of the material flows off as a finished ironed tube as the workpiece moves in the direction of movement, while in the second the Rollers 24, 26 push the entire excess material in front of them and thus the flow speed is higher.
  • Axial feed cross-rolling offers the advantage that the material is moved less during the forming process and is thus less stressed. This also reduces the development of heat. The process can be carried out both warm and cold.
  • the projection 30 can be dispensed with, or alternatively a tailstock 28 can be used instead of the clamping device 29. It is also possible to exert force by both variants at the same time, in particular to avoid a peak force load in some places, e.g. B. the valve head / V valve plate 12 to reduce.
  • the pressure rollers 24 and 26 are arranged axially (and radially) offset. The same applies to the number and arrangement of the pressure rollers to one another as mentioned for FIG. 2. As a result, the spinning rollers 24 and 26 can be arranged without being offset as well. LIST OF REFERENCE NUMERALS 2 blank
  • 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 einer Vorform mit einem Ventilkopf/Ventilteller und mit einer rohrförmigen Wand, die einen Hohlraum umgibt; und Axial-Vorschub-Querwalzen der rohrförmigen Wand mit wenigstens einer Drückwalze, um eine Länge der rohrförmigen Wand zu vergrößern, indem die Vorform gegenüber der wenigstens einen Drückwalze bewegt wird. Bereitgestellt wird ferner ein mittels dieses Verfahrens hergestelltes Hohlventil.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HOHL VENTILS FÜR
VERBRENNUNGSMOTOREN
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlventilen, bzw. Hohlraumventilen, für V erbrennungsmotoren 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 Funktionsfähigkeit der Ventile sicherzustellen. Hierbei sind Hohltellerventile gegenüber V ollschaftventilen 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.
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.
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 von Bereitstellen einer Vorform mit einem Ventilkopf und einer rohr förmigen Wand, die einen zylindrischen Hohlraum umgibt, und Axial- Vorschub-Querwalzen der rohrformigen Wand mit wenigstens einer Drückwalze, um eine Länge der rohrformigen Wand zu vergrößern und/oder deren Dicke zu reduzieren, indem die Vorform gegenüber der wenigstens einen Drückwalze bewegt wird.
V ortei lhafterwei se werden durch diese Erfindung Schweißnähte an der Ventiltellerfläche vermieden, ein kontinuierliches Umformverfahren, eine niedrige Taktzeit, hohe Produktivität, Zeitersparnis und eine gute Materialausnutzung ermöglicht.
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils umfasst die Schritte von Bereitstellen einer Vorform mit einem Ventilkopf und einer rohrformigen Wand, die einen zylindrischen Hohlraum umgibt, und Drückwalzen der rohrformigen Wand über einem Drückwalzdom, der in den Hohlraum eingesetzt ist, um eine Länge der rohrförmigen Wand zu vergrößern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Axial- Vorschub-Querwalzen oder Drückwalzen der rohrförmigen Wand über einem Drückwalzdom, der in den Hohlraum eingesetzt ist, stattfinden und eine Druckkraft des Drückwalzdoms die Vor form bewegen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Einspannung den Ventilkopf halten und eine Zugkraft zur Bewegung der Vorform ausüben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Einspannung den Ventilkopf mittels wenigstens eines Vorsprungs halten und eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen ausbilden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Bereitstellen der Vorform umfassen: Bereitstellen eines napfförmigen Halbzeugs, wobei das Halbzeug die rohrförmige Wand, die den zylindrischen Hohlraum des Halbzeugs umgibt, und einen Bodenabschnitt aufweist; und Formen des Ventilkopfes aus dem Bodenabschnitt.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Bereitstellen des napfförmigen Halbzeugs umfassen: Bereitstellen eines zumindest teilweise zylindrischen Rohlings; und Formen des napfförmigen Halbzeugs aus dem Rohling.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des napfförmigen Halbzeugs durch Fließpressen oder Schmieden erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des Ventilkopfes durch Fließpressen oder Schmieden erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können beim Axial- V orschub-Querwalzen oder Drückwalzen mehrere Drückwalzen verwendet werden, wobei bevorzugt drei Drückwalzen verwendet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt können die mehreren Drückwalzen während des Drückwalzens zueinander radial und axial versetzt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt können wenigstens zwei Sätze von Drückwalzen vorgesehen sein. Die Drückwalzen eines Satzes weisen keine axiale (und radiale) Versetzung auf, die Sätze untereinander j edoch einen axialen Abstand voneinander.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren weiterhin umfassen: ein weiteres Drückwalzen der rohrformigen Wand ohne Drückwalzdom.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren weiterhin umfassen: Reduzieren eines Außendurchmessers der rohrförmigen Wand nach dem Axial- V orschub-Querwalzen oder Drückwalzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrformigen Wand durch Rundkneten oder Einziehen erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrformigen Wand ohne Dom erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrformigen Wand mit einem in den Hohlraum eingesetzten Dom erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren weiterhin umfassen: Einfullen eines Kühlmediums, insbesondere Natrium, in den Hohlraum; und Schließen des Hohlraums.
Erfmdungsgemäß 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 1A - 1F verschiedene Zwischenschritte der erfindungsgemäßen Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils (dargestellt in Fig. ID bzw. Fig. 1F) aus einem Rohling (dargestellt in Fig. 1 A) zeigen;
Fig. 2 eine Schnitt ansicht während des Drückwalzens zeigt; und
Fig. 3 eine Schnittansicht während des Axial- V orschub-Querwalzen zeigt.
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 Schnittansichten, verschiedene Zwischenstufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt, wobei auch optionale bzw. bevorzugte Herstellungsschritte/Zwischenstufen dargestellt sind.
Bevorzugt dient als Ausgangspunkt, siehe Fig. 1A, ein Rohling 2 aus einem dem Fachmann bekannten Ventil stahl. 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. 1B 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 rohrformige 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 Bodenabschnitt 10 und rohrförmiger Wand 14 fließen. Allgemeiner wird erfindungsgemäß das napfförmige Halbzeug 4 direkt bereitgestellt; das Verfahren startet dann also mit Bereitstellen des in Fig. 1B dargestellten napfförmigen Halbzeugs 4.
In einem anschließenden Umformschritt wird aus dem Bodenabschnitt 10 der Ventilkopf 12 geformt. Eine dadurch erhaltene Vorform 6 des Ventilkörpers ist in Fig. IC 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 durchgeführt 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-)Rückwärtspressfließen 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. IC nach Fig. ID, wird eine axiale Länge der rohrförmigen Wand 14 vergrößert. , Axial1 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 wird erfindungsgemäß Drückwalzen bzw. Zylinderdrückwalzen über einem Drückwalzdom 22 durchgeführt; vgl. Fig. 2. Beim Drückwalzen rotiert die Vor form 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 führt 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. Wanddickenverringerung 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 Ventiltellers/-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. IE nach Fig. 1F) 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. 1F. 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 , fließt1 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 inkrementeilen 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 F re i form verfahren bzw. Stauchverfahren - wie z.B. Necking - lässt sich im Allgemeinen nur eine schlechtere Oberflächenqualität bzw. Toleranzeinhaltung erreichen. Dementsprechend sollte nach dem Rundkneten zur Reduzierung des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand insbesondere kein weiterer Verfahrensschritt 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 Ventil Schaftes verschlossen werden, z.B. durch ein V entilschaftendstück, welches, etwa mittels Reibschweißen oder einem anderen Schweißverfahren, angebracht wird (in den Figuren nicht dargestellt).
Das Reduzieren des Außendurchmessers kann in mehreren Teilschritten erfolgen (ein Zwischenschritt ist beispielsweise in Fig. IE dargestellt), wobei die einzelnen Teilschritte 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 Dorne aufeinanderfolgender Teilschritte verringert werden.
Fig. 2 stellt den V erfahrensschritt des Drückwalzens, das zwischen Fig. IC und Fig. ID stattfmdet, in einer Schnittdarstellung dar. Hierbei wird in den Hohlraum der Vor form 6 ein Drückwalzdom 22 eingesetzt. Der Drückwalzdom rotiert zusammen mit der Vorform 6 und einem Reitstock 28, der die Vor form am Ventilboden abstützt. Gegen die rohrförmige Wand 14 werden zwei einander gegenüberliegende Drückwalzen 24, 26 gedrückt, die mittels Reibschluss ebenfalls rotieren. Die Drückwalzen 24, 26 werden relativ zur Vorform in axialer Richtung bewegt, dadurch kommt es zu einer plastischen Verformung der rohrförmigen Wand 14, wobei der äußere Radius der rohrförmigen Wand 14 abnimmt und gleichzeitig die Länge der rohrförmigen Wand 14 zunimmt (in axialer Richtung). Hierbei „fließt“ das Material der rohrförmigen Wand 14 in Bewegungsrichtung der Drückwalzen 24, 26 (Gleichlaufdrückwalzen). Die Rotationsrichtungen der Vorform (zusammen mit Drückwalzdom und Reitstock) und der Drückwalzen, die Bewegungsrichtung der Drückwalzen 24, 26 und die Fließrichtung des Materials der rohrförmigen Wand 14 sind in der Figur durch Pfeile angedeutet.
In Fig. 2 sind beispielhaft zwei Drückwalzen 24, 26 (teilweise) eingezeichnet, ebenso ist die Verwendung nur einer oder von mehr als zwei Drückwalzen möglich, wobei die Verwendung von zwei oder drei Drückwalzen bevorzugt ist. 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 insbesondere auch in allen Richtungen abgestützt.
Alternativ bestehen zwischen den Drückwalzen ein radialer und ein axialer Versatz, wie in Fig. 2 dargestellt. Radialer Versatz bedeutet, dass der radiale Abstand der Drückwalzen 24, 26 von der Mittelachse unterschiedlich ist. Der axiale Versatz der Drückwalzen 24, 26 fuhrt dazu, dass die dem Werkstück nähere Drückwalze 24 zuerst auf das Werkstück trifft und dieses bearbeitet, während weiter entfernt liegende Drückwalzen 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, 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 gezeigt) von Drückwalzen angeordnet werden. Die Drückwalzen eines jeden Satzes 24, 26 sind dabei ohne Versatz angeordnet. Die Sätze sind in axialer Richtung beabstandet und jeder Satz bewirkt eine Teilabstreckung des Werkstücks 6. 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.
Fig. 3 stellt einen Verfahrensschritt des Axial-Vorschub-Querwalzens, das als alternative Umformmethode zwischen den Fig. IC und Fig. ID stattfindet, in einer Schnittdarstellung dar. Hierbei wird ebenso wie in Fig. 2 beim„Drückwalzen mit W alzenvorschub“ in den Hohlraum der Vorform 6 ein Drückwalzdorn 22 eingesetzt. Der Drückwalzdom rotiert zusammen mit der Vorform 6 und einer Einspannung 29, die die Vorform am Ventilboden abstützt oder mittels Vorsprüngen 30 am Ventilboden bzw. Ventilkopf 12, die eine formschlüssige Verbindung ausbilden, in axialer Richtung ziehen kann.
Gegen die rohr förmige Wand 14 werden zwei einander gegenüberliegende Drückwalzen 24, 26 gedrückt, die mittels Reibschluss ebenfalls rotieren. Anders als in Fig. 2 werden nicht die Werkzeuge, d. h. die Drückwalzen 24, 26 relativ zur Vor form in axialer Richtung bzw. translatorisch bewegt, sondern es wird das Werkstück, d. h. die Vorform 6 relativ zu den Drückwalzen 24, 26 translatorisch bewegt. Die Drückwalzen sind dabei positionsfest und rotieren. Dadurch kommt es ebenso zu einer plastischen Verformung der rohrförmigen Wand 14, wobei der äußere Radius der rohrförmigen Wand 14 abnimmt und gleichzeitig die Länge der rohrförmigen Wand 14 zunimmt (in axialer Richtung). Die Vor form 6 wird dabei axial durch die beiden Walzen gezogen.
Hierbei „fließt“ hierbei das Material der rohrförmigen Wand 14 entgegen der Bewegungsrichtung der Vorform 6 bzw. staut sich vor den Drückwalzen 24, 26. Die Rotationsrichtungen der Vorform (zusammen mit Drückwalzdorn und Einspannung) und der Drückwalzen, die Bewegungsrichtung der Vorform 6 und Einspannung 29 mit Drückwalzdorn 22 und die Fließrichtung des Materials der rohrförmigen Wand 14 sind in der Figur durch Pfeile angedeutet. Die Fließgeschwindigkeit des Materials der rohrförmigen Wand 14 ist beim Ziehen des Werkstücks durch das Werkzeug geringer als beim Drücken des Werkzeugs über das Werkstück, da bei ersterem ein Teil des Materials mit der Bewegung des Werkstücks in Bewegungsrichtung als fertig abgestrecktes Rohr abfließt, während bei zweitem die Walzen 24, 26 das gesamte überschüssige Material vor sich herschieben und damit die Fließgeschwindigkeit höher wird.
Dabei bietet das Axial- V orschub-Querwalzen den Vorteil, dass das Material bei der Umformung weniger bewegt und damit belastet wird. So wird auch die Wärmeentwicklung verringert. Der Prozess kann sowohl warm als auch kalt durchgefuhrt werden.
Mit dem Werkstück wird natürlich auch seine Fixierung, d. h. die Einspannung 29 und der Drückwalzdom 22, die kraftschlüssig mit der Vorform 6 verbunden sind bewegt. Die zur Bewegung des Werkstücks notwendige Kraft kann entweder über den Drückwalzdom 22 oder die Vorsprünge bzw. Nasen 30 der Einspannung ausgeübt werden. In ersterem Fall wird das Werkstück durch die Drückwalzen 24, 26 durchgedrückt, in zweitem durchgezogen.
Falls nur eine Druckkraft über den Drückwalzdom 22 ausgeübt wird, so kann auf den Vorsprung 30 verzichtet werden, bzw. alternativ ein Reitstock 28 anstatt der Einspannung 29 verwendet werden. Auch eine Kraftausübung durch beide Varianten gleichzeitig ist möglich, insbesondere um eine Spitzenkraftbelastung an manchen Stellen, z. B. dem Ventilkopf/V entilteller 12 zu verringern.
In Fig. 3 sind die Drückwalzen 24 und 26 axial (und radial) versetzt angeordnet. Für die Anzahl und Anordnung der Drückwalzen zueinander gilt das für Fig. 2 erwähnte entsprechend. Demzufolge können die Drückwalzen 24 und 26 genauso gut ohne Versatz angeordnet werden. Bezugszeichenliste 2 Rohling
4 napfförmiges Halbzeug
6 Vorform
8 Hohlraum
10 Bodenabschnitt
12 Ventilkopf / Ventilteller
14 rohr förmige Wand
16 fertiggestellter Ventilkörper für Hohlschaftventil 18 fertiggestellter V entilkörper für Hohltellerventil
20 Ventilschaft
22 Drückwalzdom
24 Drückwalze
26 Drückwalze
28 Reitstock
29 Einspannung
30 Vorsprung / Nase

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers (16, 18) eines Hohlventils, umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Vorform (6) mit einem Ventilkopf (12) und einer rohrförmigen Wand (14), die einen zylindrischen Hohlraum (8) umgibt;
Axial- V orschub-Querwalzen der rohrförmigen Wand (14) mit wenigstens einer Drückwalze (24), um eine Länge der rohrförmigen Wand (14) zu vergrößern und/oder deren Dicke zu reduzieren, indem die Vorform (6) gegenüber der wenigstens einen Drückwalze (24) bewegt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei
das Axial-Vorschub-Querwalzen der rohrförmigen Wand über einem Drückwalzdom (22), der in den Hohlraum (8) eingesetzt ist, stattfindet und eine Druckkraft des Drückwalzdorns (22) die Vorform (6) bewegt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei
eine Einspannung (29) den Ventilkopf (12) hält und eine Zugkraft zur Bewegung der Vorform (6) ausübt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei
die Einspannung (29) den Ventilkopf (12) mittels wenigstens eines Vorsprungs (30) hält und eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen ausbildet.
5. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Bereitstellen der Vorform umfasst:
Bereitstellen eines napfförmigen Halbzeugs (4), wobei das Halbzeug die rohrförmige Wand (14), die den zylindrischen Hohlraum (8) des Halbzeugs umgibt, und einen Bodenabschnitt (10) aufweist; und
Formen des Ventilkopfes (12) aus dem Bodenabschnitt (10).
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Bereitstellen des napfförmigen Halbzeugs (4) umfasst:
Bereitstellen eines zumindest teilweise zylindrischen Rohlings (2); und
Formen des napfförmigen Halbzeugs (4) aus dem Rohling (2).
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Formen des napfförmigen Halbzeugs (4) durch Fließpressen oder Schmieden erfolgt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Formen des Ventilkopfes (12) durch Fließpressen oder Schmieden erfolgt.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Axial-Vorschub- Querwalzen mehrere Drückwalzen (24, 26) verwendet werden, wobei bevorzugt drei Drückwalzen verwendet werden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die mehreren Drückwalzen während des Drückwalzens zueinander radial und axial versetzt sind.
1 1. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei wenigstens zwei Sätze von Drückwalzen (24, 26) vorgesehen sind, wobei die Drückwalzen (24, 26) eines Satzes keine axiale (und radiale)
Versetzung aufweisen, die Sätze untereinander j edoch einen axialen Abstand voneinander aufweisen.
12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
ein weiteres Drückwalzen der rohrförmigen Wand (14) ohne Drückwalzdom.
13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
Reduzieren eines Außendurchmessers der rohrförmigen Wand (14) nach dem Axial- V orschub-Querwalzen.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand (14) durch Rundkneten, Einhalsen oder Einziehen erfolgt.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand (14) ohne Dom erfolgt.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand (14) mit einem in den Hohlraum eingesetzten Dom erfolgt.
17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
Einfüllen eines Kühlmediums, insbesondere Natrium, in den Hohlraum; und
Schließen des Hohlraums.
18. Hohlventil umfassend einen Ventilkörper, hergestellt unter Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17.
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