Verfahren zur Finishbearbeitung eines Ventilsitzes für Kugelventile, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Finishbearbeitung eines Ventilsitzes für Kugelventile, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bei dem das zu bearbeitende Werkstück und ein Finishwerkzeug vorzugsweise gegensinnig rotierend angetrieben werden, wobei die Rotationsachsen des Werkstückes und des Finishwerkzeuges unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und wobei das Finishwerkzeug am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes anliegt.

[0002] Ein Verfahren mit dem beschriebenen Merkmal ist aus EP 0 955 128 A2 bekannt. Das Finishwerkzeug besteht aus einem zylindrischen Finishstein. Mit dem bekannten Verfahren wird in einem konischen Ventilsitz eine ringförmig umlaufende, im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche eingearbeitet. Durch die Finishbearbeitung können im Querschnitt gemessene Formabweichungen beseitigt werden. Dichtungsanordnungen, deren Ventilsitz nach dem bekannten Verfahren bearbeitet worden ist, zeichnen sich durch einen sehr guten Dichtsitz zwischen Ventilkugel und Sitzfläche aus. Allerdings ändert sich mit der Ausbildung der kalottenförmigen Sitzfläche im konischen Ventilsitz die Durchflusscharakteristik des Ventils, wenn man den Öffnungsvorgang im Bereich sehr kleiner Stellwege der Ventilkugel analysiert. Der Spalt zwischen der kalottenförmigen Sitzfläche und der Ventilkugel weist einen höheren Druckverlust auf als der Spalt zwischen einer konischen Fläche und der Ventilkugel, wenn man denselben dem Betrag nach kleinen Stellweg der Ventilkugel zugrundelegt. Beim Abheben der Ventilkugel vom Ventilsitz ergibt sich folglich eine nichtlineare Charakteristik, die bei sehr kleinen Ventilen, wie sie z. B. als Brennstoffeinspritzventile zur Anwendung kommen, stört. Nachteilig ist ferner, dass beim Öffnen des Kugelventils verhältnismäßig große Haftkräfte zwischen Ventilkugel und der kalottenförmig ausgebildeten Sitzfläche überwunden werden müssen.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Finishbearbeitung des Ventilsitzes für Kugelventile so weiter zu entwickeln, dass der bearbeitete Ventilsitz günstigere Eigenschaften aufweist. Eine aus einer Ventilkugel und dem bearbeiteten Ventilsitz bestehende Dichtungsanordnung soll bei geringer Kraft öffnen, und beim Abheben der Kugel vom Ventilsitz soll sofort ein großer, druckverlustarmer Ringspalt freigegeben werden. Darüber hinaus muss ein möglichst dichter Sitz der Ventilkugel auf dem Ventilsitz gewährleistet sein.

[0004] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorzugsweise wird ein Finishwerkzeug mit einer kegelförmigen Bearbeitungsflache verwendet. Die ballige Ausbildung der zu bearbeitenden Werkstückfläche ermöglicht es, dass die Rotationsachse des kegelförmigen Finishsteines winkelförmig zur Rotationsachse des Werkstückes ausgerichtet werden kann und gleichzeitig die kegelförmige Fläche des Finishsteines am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes anliegt. Durch die erfindungsgemäße Finishbearbeitung wird in die ballige Werkstückfläche eine Dichtzone eingearbeitet, deren Breite verhältnismäßig schmal und auf den unmittelbaren Kontaktbereich zwischen Ventilkugel und Ventilsitz beschränkt ist. Üblich ist eine Breite der Dichtzone von einigen Zehntel Millimetern. Im Bereich der Dichtzone sind ursprünglich vorhandene Formabweichungen an der Werkstückfläche von der Kreisform praktisch vollständig eliminiert. Im Querschnitt gemessene Formabweichungen von der Kreisform können auf weniger als 0,1 µm reduziert werden. Im Ergebnis resultiert ein Dichtsitz zwischen Ventilkugel und Dichtzone, der sich durch eine sehr geringe Leckrate auszeichnet. Durch die ballige, konvexe Ausgestaltung der Dichtzone wird ein strömungsverlustarmer Ringspalt freigegeben, wenn die Ventilkugel von dem Ventilsitz abhebt.

[0005] Der zu bearbeitende Ventilsitz kann eine ballige Dichtabschnittsfläche aufweisen oder über seine gesamte, in Strömungsrichtung gemessene Länge, ballig ausgebildet sein. Bei der zuerst beschriebenen Ausführung bildet die zu bearbeitende ballige Werkstückfläche einen nach innen vorstehenden Abschnitt innerhalb eines konischen Ventilsitzes. Bei der anderen Ausführung begrenzt die ballige Werkstückfläche als Ventilsitz einen sich verjüngenden Aufnahmeraum für eine Ventilkugel und verbindet zwei zylindrische, unterschiedliche Durchmesser aufweisende Abschnitte des Werkstückes.

[0006] Der Finishstein oder das Werkstück wird zweckmäßig in einen Halter eingesetzt, der Fluchtungsfehler zwischen dem Werkstück und dem Finishstein ausgleicht. Vorzugsweise wird als Halter ein Schaft aus Hartgummi verwendet.

[0007] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in die bereits bearbeitete, konvex gekrümmte Dichtzone eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche eingearbeitet. Dadurch kann der Dichtsitz für eine Ventilkugel noch verbessert werden. Im Vergleich zu dem aus EP 0 955 128 A2. bekannten Stand der Technik ist die kalottenförmige Vertiefung der Sitzfläche jedoch wesentlich geringer, da durch die kalottenförmige Vertiefung keine Formabweichungen ausgeglichen werden müssen. Insofern kann ein verbesserter Dichtsitz erreicht werden, ohne dass die Durchflusscharakteristik des Ventils hierdurch nachteilig beeinflusst wird. Bei der Finishbearbeitung des Dichtsitzes werden das Werkstück und ein zylindrischer Finishstein gegensinnig rotierend angetrieben, wobei die Rotationsachsen des Werkstückes und des Finishsteines unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und der Finishstein am gesamten Umfang der Dichtzone anliegt. Die stirnseitige Kontaktfläche des zylindrischen Finishsteines ist zweckmäßig kalottenförmig gerundet.

[0008] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1

einen Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung für ein Kugelventil, das z. B. als Brennstoffeinspritzventil in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann,

Fig. 2

eine Werkzeuganordnung zur Bearbeitung des Ventilsitzes der in Fig. 1 dargestellten Dichtungsanordnung,

Fig. 3a bis 3c

den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Finishbearbeitung des Ventilsitzes,

Fig. 4a bis 4c

eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0009] Die in Fig. 1 dargestellte Dichtungsanordnung besteht aus einer Ventilkugel 1 und einem Ventilkörper 2, der einen Ventilsitz 3 für die einige Millimeter große Ventilkugel 1 aufweist. Der Ventilsitz 3 ist ballig ausgebildet. In die ballig ausgebildete Werkstückfläche ist durch eine im folgenden erläuterte Finishbearbeitung eine schmale Dichtzone a mit einem im Längsschnitt konvexen Profil eingearbeitet. Die Breite der Dichtzone a beträgt einige Zehntel Millimeter. Die Dichtzone a enthält eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige' Sitzfläche b, die einen Dichtsitz für die Ventilkugel 1 bildet.

[0010] In Fig. 2 ist die Werkzeuganordnung zur Finishbearbeitung des Ventilsitzes dargestellt. Das Werkstück 2 wird in einen rotierend antreibbaren Werkstückhalter 4, dessen Spannzangen nur schematisch angedeutet sind, eingespannt. Das Werkstück 2 und ein Finishwerkzeug 5, 6 werden gegensinnig rotierend angetrieben. Dabei sind die Rotationsachsen Z, Z' des Werkstückes 2 und des Finishwerkzeuges 5, 6 unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet. Das Finishwerkzeug 5, 6 liegt während der Finishbearbeitung am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes 2 an und ist in einen Halter 7 eingesetzt, der Fluchtungsfehler zwischen dem Werkstück 2 und dem Finishstein 5, 6 ausgleicht. Der Halter 7 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Schaft aus Hartgummi. Es versteht sich, dass die Werkzeuganordnung eine rotierend angetriebene Spindel 8 mit üblichen Einrichtungen für Zuund Rückstellbewegungen aufweist.

[0011] Der Verfahrensablauf der erfindungsgemäßen Finishbearbeitung wird aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 3a bis 3c deutlich. Das zu bearbeitende Werkstück 2 weist als Ventilsitz 3 eine Werkstückfläche auf, die ballig ausgebildet ist (Fig. 3a). Die in Fig. 3a dargestellte ballige Werkstückfläche 3 besitzt - in einer Querschnittsebene betrachtet - noch störende Formabweichungen von der Kreisform. Die Formabweichungen können mehrere Mikrometer betragen. Als Finishwerkzeug 5 wird ein Finishstein mit einer harten, verschleißfesten, kegelförmigen Bearbeitungsfläche 9 verwendet. In der balligen Werkstückfläche entsteht durch partiellen Materialabtrag eine schmale Dichtzone a mit einem im Längsschnitt konvexen Profil (Fig. 3b). Durch die in Fig. 3b dargestellte Finishbearbeitung werden die zuvor beschriebenen Formabweichungen beseitigt.

[0012] In einem weiteren Verfahrensschritt wird in die bereits bearbeitete, konvex gekrümmte Dichtzone a eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche b eingearbeitet, die einen verbesserten Dichtsitz für die Ventilkugel 1 bildet. Bei der Finishbearbeitung des Dichtsitzes b werden das Werkstück 2 und ein zylindrischer Finishstein 6 gegensinnig angetrieben, wobei die Rotationsachsen Z, Z' des Werkstückes 2 und des Finishsteins 6 unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und der Finishstein 6 am gesamten Umfang der Dichtzone a anliegt. Der entstehende,im Längsschnitt kreisbogenförmige Dichtsitz b weist einen Radius auf, der wesentlich größer ist als der Radius der Ventilkugel 1.

[0013] Bei der in Fig. 4a bis 4c dargestellten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Ventilsitz 3, also die zu bearbeitende Werkstückfläche, als Konus ausgebildet und weist lediglich einen ballige Dichtabschnittsfläche 10 auf, die nach innen vorsteht. Die ballige Fläche der Dichtabschnittsfläche 10 wird in der zuvor anhand der Fig. 3b und 3c beschriebenen Weise bearbeitet. Die Verfahrensschritte sind in den Fig. 4b und 4c dargestellt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Finishbearbeitung eines Ventilsitzes (3) für Kugelventile, insbesondere für Brennstoffeinspritzventile in Brennkraftmaschinen, bei dem das zu bearbeitende Werkstuck und ein Finishwerkzeug (5, 6) rotierend angetrieben werden, wobei die Rotationsachsen (z, z') des Werkstückes (2) und des Finishwerkszeuges (5, 6) unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und wobei das Finishwerkzeug (5, 6) am gesamten Umfang der zu bearbeitenden Innenfläche des Werkstückes (2) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende Werkstückfläche ballig ausgebildet wird und dass als Finishwerkzeug (5, 6) ein Finishstein (6) mit einer verschleißfesten Bearbeitungsfläche verwendet wird, wobei in der balligen Werkstückfläche durch partiellen Materialabtrag eine schmale Dichtzone mit einem im Längsschnitt konvexen Profil entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Finishstein (6) mit einer kegelförmigen Bearbeitungsfläche (9) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Finishstein oder das Werkstück (2) in einen Halter (7) eingesetzt wird, der Fluchtungsfehler zwischen dem Werkstück und dem Finishstein ausgleicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Halter (7) ein Schaft aus Hartgummi verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die bearbeitete konvex gekrümmte Dichtzone eine ringförmig umlaufende und im Längsschnitt kreisbogenförmige Sitzfläche eingearbeitet wird, die einen verbesserten Dichtsitz für eine Ventilkugel (1) bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Finishbearbeitung des Dichtsitzes das Werkstück (2) und ein zylindrischer Finishstein (6) gegensinnig rotierend angetrieben werden, wobei die Rotationsachsen des Werkstückes (2) und des Finishsteins (6) unter einem Winkel von 1 bis 10° zueinander ausgerichtet sind und der Finishsteirf (6) am gesamten Umfang der Dichtzone anliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Kontaktfläche des zylindrischen Finishsteins (6) kalottenförmig gerundet ist.

Claims

1. A method of finish-machining a valve seat (3) for ball valves, particularly for fuel injection valves in internal combustion engines, wherein the workpiece to be machined and a finishing tool (5, 6) are driven in rotation, wherein the axes of rotation (z_, z') of the workpiece (2) and of the finishing tool (5, 6) are aligned at an angle of 1 to 10° in relation to each other and wherein the finishing tool (5, 6) is seated against the entire periphery of the internal face of the workpiece (2) to be machined, characterised in that the workpiece face to be machined is convex in form and that a finishing stone (6) comprising a wear-resistant machining face is used as a finishing tool (5, 6), wherein a narrow sealing zone which has a convex profile in longitudinal section is formed in the convex workpiece face by abrading part of the material.

2. A method according to claim 1, characterised in that a finishing stone (6) with a conical machining face (9) is used.

3. A method according to claims 1 or 2, characterised in that the finishing stone or the workpiece (2) is inserted in a holder (7) which compensates for errors of alignment between the workpiece and the finishing stone.

4. A method according to claim 3, characterised in that a shank made of hard rubber is used as a holder (7).

5. A method according to any one of claims I to 4, characterised in that an encircling, annular seat, which is circularly arcuate in longitudinal section and which forms an improved sealing seat for a valve ball (1), is incorporated in the machined sealing zone of convex curvature.

6. A method according to claim 5, characterised in that during the finish-machining of the sealing seat the workpiece (2) and a cylindrical finishing stone (6) are driven in rotation in opposite directions, wherein the axes of rotation of the workpiece (2) and of the finishing stone (6) are aligned at an angle of 1 to 10° in relation to each other and the finishing stone (6) is seated against the entire periphery of the sealing zone.

7. A method according to claim 6, characterised in that the contact face on the end face of the cylindrical finishing stone (6) is rounded in the form of a dome.

Revendications

1. Procédé pour l'usinage de finition d'un siège de soupape (3) pour soupapes à bille, en particulier pour soupapes d'injection de carburant dans des moteurs à combustion interne, dans lequel la pièce à usiner et un outil de finition (5, 6) sont entraînés en rotation, les axes de rotation (Z, Z') de la pièce (2) et de l'outil de finition (5, 6) étant orientés l'un par rapport à l'autre suivant un angle de 1 à 10°, et l'outil de finition (5, 6) s'appliquant contre tout le pourtour de la surface intérieure à usiner de la pièce (2), caractérisé en ce que la surface de la pièce à usiner est bombée et en ce qu'on utilise comme outil de finition (5, 6) une pierre de finition (6) avec une surface d'usinage résistante à l'usure, une zone d'étanchéité étroite avec un profil convexe en coupe longitudinale se formant dans la surface bombée de la pièce, par enlèvement partiel de matière.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une pierre de finition (6) avec une surface d'usinage (9) de forme conique.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pierre de finition ou la pièce (2) est insérée dans un support (7) qui compense des défauts d'alignement entre la pièce et la pierre de finition.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on utilise comme support (7) une tige en caoutchouc dur.

5. Procédé selon l'un des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on pratique dans la zone d'étanchéité convexe usinée une surface de siège s'étendant périphériquement en anneau et en forme d'arc de cercle en coupe longitudinale, laquelle forme un siège d'étanchéité amélioré pour une bille de soupape (1).

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que pendant l'usinage de finition du siège d'étanchéité, la pièce (2) et une pierre de finition (6) cylindrique sont entraînées en rotation en sens contraire, les axes de rotation de la pièce (2) et de la pierre de finition (6) étant orientés l'un par rapport à l'autre suivant un angle de 1 à 10°, et la pierre de finition (6) s'appliquant contre tout le pourtour de la zone d'étanchéité.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de contact frontale de la pierre de finition (6) cylindrique est arrondie en forme de calotte.

Zeichnung