Verfahren zur Herstellung von Hohlraumventilen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlraumventilen für Verbrennungsmotor und damit hergestellte Hohlraumventile.

Ein- und Auslassventile sind bei Verbrennungsmotoren thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile. Eine ausreichende Kühlung ist daher notwendig, um einer 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 CO₂-Reduzierung.

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 US6006713US 6006713 AA ein Hohlraumventil, das durch Schließen eines hohlen Rohlings mittels Schweißens hergestellt wird.

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.

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.

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.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des napfförmigen Halbzeugs durch ein Warmumformverfahren erfolgen, insbesondere durch Napfrückwärtsfließpressen oder Schmieden.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des Ventilkopfes durch ein Warmumformverfahren erfolgen, insbesondere durch Napfrückwärtsfließpressen oder Schmieden.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Längen der ringförmigen Seitenwand durch Rundkneten mit Dorn oder Abstreckgleitziehen über einen Dorn erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt können beim Längen der ringförmigen Wand mehrere Dorne unterschiedlicher Durchmesser verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt können beim Längen der ringförmigen Wand die Durchmesser aufeinanderfolgend verwendeter Dorne abnehmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der ringförmigen Wand mehrere Rundknet-Teilschritte umfassen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der ringförmigen Wand ohne eingesetzten Dorn erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren weiterhin Einfüllen eines Kühlmediums, insbesondere Natrium, in den Hohlraum und Schließen des Ventilschaftes umfassen.

Erfindungsgemäß wird das Problem weiterhin gelöst durch Hohlraumventil, welches einen Ventilkörper umfasst, der unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens hergestellt wurde.

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren genauer beschrieben, wobei

• 1A - 1F verschiedene Zwischenschritte der erfindungsgemäßen Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlraumventils (dargestellt in 1F) aus einem Rohling (dargestellt in 1A) zeigen.

In den 1A bis 1F sind, in Schnittansichten, verschiedene Zwischenstufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. Bevorzugt dient als Ausgangspunkt, siehe 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.

Der Rohling 2 wird in ein in 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 1B dargestellten napfförmigen Halbzeugs 4.

In einem anschließenden Umformschritt wird aus dem Bodenabschnitt 10 der Ventilkopf 12 geformt. Das dadurch erhaltene Werkstück ist in 1C dargestellt.

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.

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 1D und 1E dargestellt, wo zunächst ein Dorn mit größerem Durchmesser verwendet wird um den in 1D dargestellten Halbzeug-Zustand zu erhalten und nachfolgend ein Dorn mit einem kleineren Durchmesser verwendet wird um den in 1E dargestellten Zustand zu erhalten. Selbstverständlich ist auch die Verwendung von mehr als zwei Dornen mit unterschiedlichen Durchmessern möglich.

Als Umformverfahren für dieses Längen bzw. diese Längung kommt bevorzugt Rundkneten mit Dorn oder Abstreckgleitziehen über einem Dorn zur Anwendung.

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. 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.

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 (1E) und dem zu erreichenden vorbestimmten Außendurchmesser D des fertiggestellten Ventilschafts 12 (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.

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.

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 beim 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.

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).

2

Rohling

4

napfförmiges Halbzeug

6

ringförmige Wand

8

Hohlraum

10

Bodenabschnitt

12

Ventilkopf

14

Ventilschaft

16

fertiggestellter Ventilkörper

D

Ventilschaft-Außendurchmesser

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

• US 6006713 A