Gebiet der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlraumventilen
für Verbrennungsmotoren.
Stand der Technik
[0002] Ein- und Auslassventile sind bei Verbrennungsmotoren thermisch und mechanisch hoch
beanspruchte Bauteile. Eine ausreichende Kühlung ist daher notwendig, um eine dauerhafte
Funktionsfähigkeit der Ventile sicherzustellen. Hierbei sind Hohlraumventile gegenüber
Vollschaftventilen und Hohlschaftventilen 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 und eine CO
2-Reduzierung.
[0003] Hergestellt werden Hohlraumventile 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. Beispielsweise betrifft die
US 6006713 A ein Hohlraumventil, das durch Schließen eines hohlen Rohlings mittels Schweißens
hergestellt wird
EP2690262A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlraumventils.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also ein Herstellungsverfahren für Hohlraumventile
bzw. eines Ventilkörpers für Hohlraumventile bereitzustellen, welches die genannten
Nachteile nicht aufweist und gleichzeitig eine hohe Produktivität und gute Materialausnutzung
aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines
Ventilkörpers eines Holraumventils, umfassend die Schritte von Bereitstellen eines
napfförmigen Halbzeugs, wobei das Halbzeug eine ringförmige Wand, die einen zylindrischen
Hohlraum des Halbzeugs umgibt, und einen Bodenabschnitt aufweist; Formen eines Ventilkopfes
aus dem Bodenabschnitt; Längen der ringförmigen Wand in einer axialen Richtung durch
Umformen, wobei während des Umformens ein Dorn in den Hohlraum eingesetzt wird; Reduzieren
eines Außendurchmessers der ringförmigen Wand durch Rundkneten, um einen Ventilschaft
des fertiggestellten Ventilkörpers mit vorbestimmtem Außendurchmesser zu erhalten;
wobei beim Längen der ringförmigen Wand mehrere Dorne unterschiedlicher Durchmesser
verwendet werden.
[0006] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Bereitstellen des
napfförmigen Halbzeugs Bereitstellen eines zumindest teilweise zylindrischen Rohlings
und Formen des napfförmigen Halbzeugs aus dem Rohling umfassen.
[0007] Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des napfförmigen Halbzeugs durch ein
Warmumformverfahren erfolgen, insbesondere durch Napfrückwärtsfließpressen oder Schmieden.
[0008] Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des Ventilkopfes durch ein Warmumformverfahren
erfolgen, insbesondere durch Napfrückwärtsfließpressen oder Schmieden.
[0009] Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Längen der ringförmigen Wand durch Rundkneten
mit Dorn oder Abstreckgleitziehen über einen Dorn erfolgen.
[0010] Gemäß einem weiteren Aspekt können beim Längen der ringförmigen Wand die Durchmesser
aufeinanderfolgend verwendeter Dorne abnehmen.
[0011] Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der ringförmigen
Wand mehrere Rundknet-Teilschritte umfassen.
[0012] Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der ringförmigen
Wand ohne eingesetzten Dorn erfolgen.
[0013] Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren weiterhin Einfüllen eines Kühlmediums,
insbesondere Natrium, in den Hohlraum und Schließen des Ventilschaftes umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0014] 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 Hohlraumventils (dargestellt in Fig. 1F) aus einem Rohling (dargestellt
in Fig. 1A) zeigen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0015] In den Figuren 1A bis 1F sind, in Schnittansichten, verschiedene Zwischenstufen des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. Bevorzugt dient als Ausgangspunkt,
siehe Fig. 1A, 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.
[0016] Der Rohling 2 wird in ein in Fig. 1B dargestelltes napfförmiges Halbzeug 4 bzw. Werkstück
umgeformt. Das Halbzeug in Form eines Napfes umfasst einen Bodenabschnitt 10, aus
dem später ein Ventilkopf (bzw. Ventilteller) 12 gebildet wird, und eine ringförmige
Wand 6, die einen zylindrischen, bevorzugt kreiszylindrischen, Hohlraum 8 des napfförmigen
Halbzeugs 4 umgibt und aus der später ein Ventilschaft 14 gebildet wird. Hierbei kann
während der nachfolgenden Umformschritte eventuell Material zwischen Bodenabschnitt
10 und ringförmiger Wand 6 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.
[0017] In einem anschließenden Umformschritt wird aus dem Bodenabschnitt 10 der Ventilkopf
12 geformt. Das dadurch erhaltene Werkstück ist in Fig. 1C dargestellt.
[0018] Sowohl das Umformen des Rohlings 2 in ein napfförmiges Werkstück 4 als auch das Formen
des Ventilkopfs 12 aus dem Bodenabschnitt 10 wird bevorzugt durch ein Warmumformverfahren
durchgeführt; weiter bevorzugt wird Napfrückwärtsfließpressen oder Schmieden verwendet.
Beim Napfrückwärtsfließpressen wird ein Stempel in den Rohling 2 gepresst, um den
Hohlraum 8 zu formen.
[0019] Im nächsten Bearbeitungsschritt wird eine axiale Länge der ringförmigen Wand 6 vergrößert.
,Axial' bezieht sich hier auf die durch den Schaft definierte Längsrichtung, also
auf die Achse der ringförmigen Wand; 'radial' ist entsprechend eine Richtung orthogonal
zur axialen Richtung. Um eine effektive Längenzunahme zu erreichen wird während dieses
Schrittes ein Dorn (nicht dargestellt) in den Hohlraum eingesetzt, so dass ein Fließen
des Materials in radiale Richtung unterbunden wird und der Materialfluss vor allem
in axialer Richtung stattfindet. Innendurchmesser und Wandstärke der ringförmigen
Wand 6 können dadurch auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Weiter kann dieser
Umformschritt aus mehreren Teilschritten bestehen, bei denen gegebenenfalls mehrere
Dorne mit der Reihe nach abnehmenden Durchmessern eingesetzt werden. Die damit erreichten
Halbzeug-Formen sind beispielhaft in Fig. 1D und Fig. 1E dargestellt, wo zunächst
ein Dorn mit größerem Durchmesser verwendet wird um den in Fig. 1D dargestellten Halbzeug-Zustand
zu erhalten und nachfolgend ein Dorn mit einem kleineren Durchmesser verwendet wird
um den in Fig. 1E dargestellten Zustand zu erhalten. Selbstverständlich ist auch die
Verwendung von mehr als zwei Dornen mit unterschiedlichen Durchmessern möglich.
[0020] Als Umformverfahren für dieses Längen bzw. diese Längung kommt bevorzugt Rundkneten
mit Dorn oder Abstreckgleitziehen über einem Dorn zur Anwendung.
[0021] Abschließend wird der Außendurchmesser der ringförmigen Wand 6 durch Rundkneten reduziert,
um einen fertiggestellten Ventilkörper 16 zu erhalten, dessen Ventilschaft 12 einen
vorbestimmten Außendurchmesser D aufweist, d.h. einen gewünschten Zieldurchmesser
aufweist; vgl. Fig. 1F. Dieser Umformschritt erfolgt bevorzugt ohne eingesetzten Dorn,
damit der Durchmesser effektiv verkleinert werden kann. Dieser Schritt führt, neben
einer Verringerung des Außendurchmessers, auch zu einer weiteren Längung der ringförmigen
Wand 6 und, ohne Dorn, zu einer Zunahme der Wandstärke der ringförmigen Wand. Die
Wandstärke wäre also gegebenenfalls im vorhergehenden Längungsschritt etwas kleiner
einzustellen, um unter Berücksichtigung der Dickenzunahme im abschließenden Schritt
eine bestimmte Wandstärke, und damit bei gegebenen Außendurchmesser D einen bestimmten
Innendurchmesser, zu erhalten.
[0022] Der Schritt zum Reduzieren des Außendurchmessers der ringförmigen Wand 6 kann in
mehrere aufeinanderfolgende Teilschritte aufgeteilt werden, die jeweils mittels Rundkneten
ausgeführt werden. Dies ist unter anderem abhängig von der zu erreichenden Durchmesserreduktion,
d.h. von der Differenz zwischen dem Ausgangsaußendurchmesser des napfförmigen Werkstücks
(Fig. 1E) und dem zu erreichenden vorbestimmten Außendurchmesser D des fertiggestellten
Ventilschafts 12 (Fig. 1F). Die einzelnen Teilschritte können unabhängig voneinander
durch Rundkneten mit oder ohne Dorn erfolgen. Ist eine hohe Durchmesserreduktion notwendig
und damit "viele" Teilschritte, kann z.B. bei zumindest einigen der Teilschritte ein
Dorn eingesetzt werden, um die Dicke der ringförmigen Wand 6 nicht zu groß werden
zu lassen.
[0023] Wichtig ist hierbei, dass nach dem Rundkneten zur Reduzierung des Außendurchmessers
der ringförmigen Wand 6 kein weiterer Umformschritt des Ventilkörpers 16 stattfindet,
da dies die durch das Rundkneten erhaltenen positiven Materialeigenschaften verschlechtern
würde. Rundkneten ist also der abschließende Umformschritt. Beim Rundkneten handelt
es sich um ein inkrementelles Druckumformverfahren, bei dem in schneller Abfolge von
verschiedenen Seiten in radialer Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück eingehämmert
wird. Durch den dadurch entstehenden Druck ,fließt' 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.
[0024] 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. Solche unerwünschten Zugspannungen treten z.B. bei der Verwendung von Ziehverfahren
oder "Necking" (ein Einziehverfahren, d.h. Durchmesserverminderung durch Einschnüren)
auf. Rundkneten ermöglicht unter anderem einen ununterbrochenen Faserverlauf im Werkstück.
Weitere Vorteile des Rundknetens als abschließenden Umformschritt - gegenüber Ziehverfahren
oder "Necking" - 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. Toleranzeinhaltung
erreichen. Dementsprechend erfolgt nach dem Rundkneten zur Reduzierung des Außendurchmessers
der ringförmigen Wand insbesondere kein Verfahrensschritt mittels eines Ziehverfahrens
oder Neckings.
[0025] Um den Herstellungsprozess des Hohlraumventils 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).
Bezugszeichenliste
[0026]
- 2
- Rohling
- 4
- napfförmiges Halbzeug
- 6
- ringförmige Wand
- 8
- Hohlraum
- 10
- Bodenabschnitt
- 12
- Ventilkopf
- 14
- Ventilschaft
- 16
- fertiggestellter Ventilkörper
- D
- Ventilschaft-Außendurchmesser
1. Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers (16) eines Hohlraumventils, umfassend
die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines napfförmigen Halbzeugs (4), wobei das Halbzeug eine ringförmige
Wand (6), die einen zylindrischen Hohlraum (8) des Halbzeugs umgibt, und einen Bodenabschnitt
(10) aufweist;
Formen eines Ventilkopfes (12) aus dem Bodenabschnitt (10);
Längen der ringförmigen Wand (6) in einer axialen Richtung durch Umformen, wobei während
des Umformens ein Dorn in den Hohlraum (8) eingesetzt wird;
Reduzieren eines Außendurchmessers der ringförmigen Wand (6) durch Rundkneten, um
einen Ventilschaft (14) des fertiggestellten Ventilkörpers (16) mit vorbestimmtem
Außendurchmesser (D) zu erhalten;
wobei beim Längen der ringförmigen Wand (6) mehrere Dorne unterschiedlicher Durchmesser
verwendet werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, 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).
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Formen des napfförmigen Halbzeugs (4) durch
ein Warmumformverfahren erfolgt, insbesondere durch Napfrückwärtsfließpressen oder
Schmieden.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Formen des Ventilkopfes
(12) durch ein Warmumformverfahren erfolgt, insbesondere durch Napfrückwärtsfließpressen
oder Schmieden.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Längen der ringförmigen
Wand (6) durch Rundkneten mit Dorn oder Abstreckgleitziehen über einen Dorn erfolgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Längen der ringförmigen
Wand (6) der Durchmesser aufeinanderfolgend verwendeter Dorne abnimmt.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reduzieren des Außendurchmessers
der ringförmigen Wand (6) mehrere Rundknet-Teilschritte umfasst.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reduzieren des Außendurchmessers
der ringförmigen Wand (6) ohne eingesetzten Dorn erfolgt.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
Einfüllen eines Kühlmediums, insbesondere Natrium, in den Hohlraum; und
Schließen des Ventilschaftes.
1. A method for manufacturing a valve body (16) of a hollow valve, comprising the following
steps:
providing a bowl-shaped semi-finished product (4), wherein the semi-finished product
has an annular wall (6) surrounding a cylindrical cavity (8) of the semi-finished
product, and a base section (10);
forming a valve head (12) from the base section (10);
lengthening the annular wall (6) in an axial direction by deforming, wherein a mandrel
is inserted into the cavity (8) during the deforming;
reducing an outer diameter of the annular wall (6) by rotary swaging to obtain a valve
stem (14) of the finished valve body (16) having predetermined outer diameter (D);
wherein multiple mandrels having different diameters are used during the lengthening
of the annular wall (6).
2. The method according to claim 1, wherein the providing of the bowl-shaped semi-finished
product comprises:
providing an at least partially cylindrical blank (2); and
forming the bowl-shaped semi-finished product (4) from the blank (2).
3. The method according to claim 2, wherein the forming of the bowl-shaped semi-finished
product (4) is done by a hot deforming process, in particular by bowl backward extrusion
or forging.
4. The method according to one of the preceding claims, wherein the forming of the valve
head (12) is done by a hot deforming process, in particular by bowl backward extrusion
or forging.
5. The method according to one of the preceding claims, wherein the lengthening of the
annular wall (6) is done by rotary swaging with mandrel or stretch forming over a
mandrel.
6. The method according to one of the preceding claims, wherein the diameter of successively
used mandrels decreases during the lengthening of the annular wall (6).
7. The method according to one of the preceding claims, wherein the reduction of the
outer diameter of the annular wall (6) comprises multiple rotary swaging substeps.
8. The method according to one of the preceding claims, wherein the reduction of the
outer diameter of the annular wall (6) is done without inserted mandrel.
9. The method according to one of the preceding claims, further comprising:
filling a coolant, in particular sodium, into the cavity; and
closing the valve stem.
1. Procédé de fabrication d'un corps de soupape (16) d'une soupape à cavité, comprenant
les étapes suivantes consistant à :
fournir un produit semi-fini en forme de coupe (4), le produit semi-fini ayant une
paroi annulaire (6) qui entoure une cavité cylindrique (8) du produit semi-fini, et
une section inférieure (10) ;
former une tête de soupape (12) à partir de la partie inférieure (10) ;
allonger la paroi annulaire (6) dans une direction axiale par façonnage, dans lequel
un mandrin est inséré dans la cavité (8) lors du façonnage ;
réduire un diamètre extérieur de la paroi annulaire (6) par estampage rotatif, pour
obtenir une tige de soupape (14) du corps de soupape fini (16) avec un diamètre extérieur
prédéterminé (D) ;
dans lequel plusieurs mandrins de diamètres différents sont utilisés lors de l'allongement
de la paroi annulaire (6).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fourniture du produit semi-fini en
forme de coupe (4) comprend de :
fournir un flan (2) au moins partiellement cylindrique ; et
façonner le produit semi-fini en forme de coupe (4) à partir du flan (2).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le façonnage du produit semi-fini en
forme de coupe (4) est réalisé par un procédé de façonnage à chaud, en particulier
par extrusion inversée ou forgeage.
4. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mise en
forme de la tête de soupape (12) est réalisée par un procédé de façonnage à chaud,
notamment par extrusion inversée ou forgeage.
5. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur
de la paroi annulaire (6) a lieu par estampage rotatif avec un mandrin ou par étirage
de parois sur un mandrin.
6. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de l'allongement
de la paroi annulaire (6) le diamètre des mandrins successivement utilisés diminue.
7. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la réduction
du diamètre extérieur de la paroi annulaire (6) comprend plusieurs sous-étapes d'estampage
rotatif.
8. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la réduction
du diamètre extérieur de la paroi annulaire (6) a lieu sans mandrin inséré.
9. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre de
:
remplir un milieu de refroidissement, en particulier du sodium, dans la cavité ; et
fermer la tige de soupape.