DE3929534C2

DE3929534C2 -

Info

Publication number: DE3929534C2
Application number: DE3929534A
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart De Keck; Pavel Dipl.-Ing. 7014 Kornwestheim De Hora; Walter Dipl.-Ing. 7160 Gaildorf De Conradt
Original assignee: Mercedes Benz AG
Current assignee: Mahle Motorventile GmbH
Priority date: 1989-09-06
Filing date: 1989-09-06
Publication date: 1992-07-30
Also published as: GB2237523A; DE3929534A1; IT9048241A1; JPH0399741A; GB9019360D0; IT9048241A0; GB2237523B; US5054195A; FR2651452B1; FR2651452A1; JPH0520182B2; IT1241549B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ventils, insbesondere eines Gaswechselventils einer Brenn kraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 23 16 488 ist ein aus zwei getrennt herge stellten Teilen unterschiedlichen Materials zusammenge setztes Ventil für eine Brennkraftmaschine bekannt. Das Ventil weist einen gegossenen hohlen, mit Kühlmittel ge füllten, Schaft mit hoher Zugfestigkeit auf sowie einen hochwarmfesten Ventilteller, der den Ventilboden und einen sich über den Ventilsitz hinaus erstreckenden, bis zur Verbindungsstelle des Ventiltellers mit dem sich aufwei tenden Ventilschaft reichenden Ventilrücken bildet. Ven tilschaft und Ventilteller sind an dieser Verbindungsstel le miteinander verschweißt. Durch diesen zweiteiligen Auf bau des Ventils mit einem gegossenen Ventilschaft soll hochwarmfestes Material eingespart werden, indem das teure und zudem schwer bearbeitbare hochwarmfeste Material aus schließlich für den hochbeanspruchten Ventilteller verwendet wird. Der Ventilschaft bei einem derartigen Ven til kann zwar in einfacher Weise gegossen werden, jedoch ist eine anschließende spanende Weiterbearbeitung des Ven tilschaftes zur Verbesserung der Oberflächengüte unumgäng lich. Bei diesem Zerspanungsvorgang wird Material von der Schaftoberfläche abgetragen, weshalb die Wandstärke des Schaftes einen bestimmten Betrag aufweisen muß. Durch die Vorgabe dieser Mindestwandstärke fällt der mit Kühlmittel füllbare Innenraum zwangsläufig kleiner aus und das Ge wicht des Ventilschaftes steigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Ventil der gat tungsgemäßen Art so herzustellen, daß in einem einfachen Fertigungsvorgang ein festes und dennoch leichtes, mit einem großen Innenvolumen versehenes, Ventil angefertigt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Ein Ventilschaft eines aus mindestens zwei Teilen herge stellten und anschließend verbundenen Ventiles wird aus einem rohrförmigen Ausgangsmaterial gefertigt. Dazu wird das rohrförmige Ausgangsmaterial in einem Kaltumformvor gang, das heißt bei einer Temperatur, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs liegt, an sei nem einen Ende, z.B. durch Rundkneten mit eingelegtem, dem gewünschten Innenquerschnitt des Ventilschaftes entspre chenden Dorn, von seinem ursprünglichen Durchmesser auf den gewünschten Ventilschaftdurchmesser reduziert. Im glei chen Vorgang wird der Übergangsbereich zwischen unbearbei tetem, rohrförmigem Ausgangsmaterial und reduziertem Ven tilschaft mittels des Knetvorgangs mit geeigneten Werk zeugen als sich bogenförmig aufweitender Schaftabschnitt ausgeformt. Anschließend wird der fertig geformte Ventil schaft vom rohrförmigen Ausgangsmaterial an einer dem Durchmesser der Verbindungsstelle zwischen Ventilteller und Ventilschaft entsprechenden Stelle abgetrennt. Der Ventilschaft wird danach mit dem in einem eigenen Arbeits vorgang aus einem hochwarmfesten Material hergestellten Ventilteller verschweißt und nach einem eventuellen Befül len des Ventils mit einem Kühlmittel am oberen, bisher offenen Schaftende verschlossen. Das teure, schwer bear beitbare hochwarmfeste Material wird ausschließlich für die Herstellung des stark beanspruchten Ventiltellers ver wendet, während zur Herstellung des weniger beanspruchten Ventilschaftes ein billigeres und leicht zu bearbeitendes Ausgangsmaterial zur Anwendung kommen kann. Im Rahmen der Erfindung kann über einen eingeführten Dorn der Innenquer schnitt exakt eingehalten werden. Außerdem wird eine Schaftoberfläche hoher Güte mit geringer Rauhtiefe gebil det, die die anschließende Nachbearbeitung des Ventilschaf tes vereinfacht.

Das Verfahren sei nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den ersten Bearbeitungsschritt des erfin dungsgemäßen Verfahrens, in dem das rohrför mige Ausgangsmaterial auf den Schaftdurch messer reduziert wird,

Fig. 2 denselben Bearbeitungsschritt im Quer schnitt gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 den zweiten und dritten Schritt des erfin dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 einen optionalen weiteren Verfahrensschritt,

Fig. 5a, b, c unterschiedliche Ausführungsformen der Ver bindung zwischen Ventilschaft und Ventil teller,

Fig. 6 und 7 zwei unterschiedliche Ausführungsformen für den Abschluß des oberen Schaftendes,

Fig. 8 und 9 ein unterschiedlich geformtes Schaftende und den damit herstellbaren Abschluß des Ven tilschaftes.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie das rohrförmige Ausgangs material 1 mit dem Außendurchmesser D₀ mittels geeigneter Werkzeuge 2 auf den gewünschten Außendurchmesser D₁ des Ventilschaftes 3 reduziert wird. Dies geschieht über eine Kaltumformung, z.B. wie hier dargestellt durch Rundkneten. Fig. 2 zeigt diesen Schritt im Querschnitt gemäß Schnitt linie II-II in Fig. 1. Dabei sind mit 2 wieder die Werk zeuge - in diesem Fall vier Hämmer einer an sich bekannten Rundknetmaschine - bezeichnet. Durch die Konstanz des Ma terialvolumens muß sich beim Rundkneten die Wandstärke s₀ des rohrförmigen Ausgangsmaterials 1 zur Wandstärke s₁ des Ventilschaftes 3 verdicken. Der gewünschte Innendurchmes ser D₂ des Ventilschaftes 3 wird durch ein Einlegen eines Dornes 4 in das Ausgangsmaterial 1 erzielt. Die Vorteile des Rundknetens bestehen darin, daß ein billiges und leich tes Material - nahezu jedes metallische Material mit aus reichender Dehnung (< ca. 6%) ist hierfür geeignet - in kurzer Bearbeitungszeit mit hoher Festigkeit bei günstigem Faserverlauf und mit guten Toleranzwerten bearbeitet wer den kann. Die Wandstärke des Ventilschaftes 3 kann trotz hoher Festigkeit gering gehalten werden und somit ein großes Innenvolumen, z.B. zur Aufnahme eines Kühlmediums, gebildet werden. Darüber hinaus wird das Gewicht des Ven tilschaftes 3 gering gehalten, wodurch sich ein positiver Einfluß auf den gesamten Ventiltrieb ergibt. Die erzielba ren Toleranzen bei der Fertigung des Ventilschaftes 3 be tragen bis zu ±0,02 mm bei einer typischen Rauhigkeit von 2-3 µm. Derartige Oberflächen sind verglichen mit in einem spanenden Verfahren hergestellten Oberflächen in ihrer Mikrostruktur weniger rauh und die Gefahr des Verschleißes bei Reibung ist geringer. Statt durch Rundkneten ist es auch denkbar, daß der Ventilschaft durch Kaltwalzen nach dem Verfahren nach Grob gefertigt werden kann. Die Entscheidung für ein Verfahren hängt unter anderem auch von den geometrischen Bedingungen ab.

In Fig. 3 ist der nächste Bearbeitungsschritt darge stellt, in dem der zuvor geformte Ventilschaft 3 mittels geeigneter, hier nicht abgebildeter, Hämmerwerkzeuge der Rundknetmaschine an seinem Übergangsbereich 5 die für den Übergang zwischen Ventilschaft 3 und später angesetztem Ventilteller gewünschte Bogenform, d.h. den sogenannten Korbbogen, erhält. Außerdem ist in dieser Figur zu sehen, daß aus dem einen rohrförmigen Stück des Ausgangsmaterials zwei Ventilschäfte 3, 3′ gefertigt werden können, indem der in einem vorhergehenden Arbeitsvorgang schon geformte Ventilschaft 3 mit seinem schon bearbeiteten Teil in das Werkzeug eingespannt wird und das noch unbearbeitete Ende des rohrförmigen Ausgangsmaterials in analoger Weise wie oben beschrieben zu einem zweiten Ventilschaft 3′ mit ei nem zweiten Übergangsbereich 5′ geformt wird. Die beiden Ventilschäfte 3 und 3′ bzw. der Ventilschaft 3 und das rohrförmige Ausgangsmaterial werden danach - wie durch den Pfeil 6 angedeutet - z.B. durch Abstechen voneinander ge trennt. Auf diese Weise können einfach und schnell zwei Ventilschäfte 3 und 3′ aus einem Stück des Ausgangsmate rials gefertigt werden.

Wenn die spezielle geometrische Auslegung des Ventilschaf tes 3 mit seinem Übergangsbereich 5 es erfordert, daß der Enddurchmesser D₃ des Übergangsbereiches 5 größer sein muß, als es der Durchmesser D₀ des unbehandelten rohrförmigen Ausgangsmaterials ist, so kann der Ventil schaft 3 - wie in Fig. 4 gezeigt - mittels weiterer Werk zeuge, z.B. Stempel 7 und 8 entsprechend weiter umgeformt werden.

Die Oberfläche eines derartigen Ventils wird üblicherweise hartverchromt. Durch die beim erfindungsgemäß angewandten Rundkneten erreichte hohe Oberflächengüte genügt es, zur Feinbearbeitung des Ventils nur noch diese Chromoberfläche zu schleifen, ohne das eigentliche Ventilmaterial zu zer spanen.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen jeweils das untere Ende des Ventilschaftes 3, welcher an einer Verbindungsstelle 9 des Ventilrückens mit dem Ventilteller 10, z.B. durch Laser schweißung, verbunden ist. Der Ventilteller 10, der aus einem hochwarmfesten Material, z.B. einer Legierung auf Kobaltbasis, hergestellt ist, kann wie die Ausführungs beispiele a bis c zeigen, unter anderem aufgrund unter schiedlicher Kühlanforderungen unterschiedliche Form auf weisen. Je nach Form des Ventiltellers 10 muß der Ventil schaft 3 an der Verbindungsstelle 9 ausgebildet sein. So gestattet die Form des Ventiltellers 10 nach Fig. 5a die einfache Übernahme des mittels des oben beschriebenen Ver fahrens hergestellten Ventilschaftes 3. Für die Ausfüh rungsbeispiele nach den Fig. 5b und 5c muß der Ventil schaft 3 noch zusätzlich mit einer nach innen umbördelten Einfassung 11 versehen werden. In der Fig. 5c ist eine zwischen Ventilschaft 3 und Ventilteller 10 eingebrachte Verbindungsschicht 12 eingezeichnet, die beispielsweise zur besseren Verbindung der beiden genannten Bauteile bei einer Lötung dient. Wichtig und allen Ausführungsbeispie len gemeinsam ist jedoch die Anordnung der Verbindungs stelle 9 auf dem Ventilrücken an einer oberhalb des Ven tilsitzes 13 liegenden und damit nicht so stark belasteten Position. Die Herstellung des Ventiltellers 10 aus hoch warmfestem Material kann in einer diesem Material entspre chenden Weise erfolgen, z.B. in einem Sintervorgang oder durch Fließpressen.

In den weiteren Fig. 6 bis 9 ist jeweils das obere Ende eines Ventilschaftes 3 dargestellt. Das Innenvolumen der Ventilschäfte 3 von heutigen Hochleistungsmotoren wird üblicherweise mit einem Kühlmedium - beispielhaft sei hier Natrium genannt - gefüllt, welches nach dem bisher be schriebenen Fertigungsvorgang in den Ventilschaft 3 ein gefüllt wird. Nach dem Einfüllen wird der Ventilschaft in geeigneter Weise verschlossen. Dies kann wie in Fig. 6 gezeigt dadurch geschehen, daß auf das obere Schaftende ein Stopfen 14 aufgesetzt und mit diesem an der Nahtstelle 15 verschweißt wird. Dieser Stopfen 14 hat nicht nur die Funktion eines Verschlusses für den Innenraum des Ventil schaftes 3, sondern übernimmt gleichzeitig auch die Auf nahme des Ventilschaftes in einem hier nicht gezeigten Tassenstößel eines Ventiltriebs. Zu diesem Zweck kann er aus einem gegenüber dem Ventilschaft 3 härtbaren Material gefertigt sein.

Aus Fig. 7 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für einen Stopfen 14 eines Ventilschafts 3 zu entnehmen. Dabei wird der Stopfen 14 formschlüssig in den Ventilschaft 3 einge bracht. Diese formschlüssige Verbindung 15 zwischen Stop fen 14 und Ventilschaft 3 kann dadurch hergestellt werden, daß der Ventilschaft 3 mittels des oben beschriebenen Rund knetverfahrens zum dichten Anliegen an die die Formgebung des unteren Stopfenteils 16 bestimmende Oberfläche ge bracht wird. Der Stopfen 14 besteht dabei aus martensiti schem Stahl, dessen Oberfläche induktiv gehärtet werden kann, um die auf das Ventilschaftende wirkende Belastung aufzunehmen.

In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung des oberen Endbereiches des Ventilschaftes 3 gezeigt. Der Ventilschaft 3 wird in bekannter Weise mit Hilfe des Rundknetverfahrens mit eingelegtem Dorn redu ziert. Das eine, den späteren Abschluß des Ventilschaftes 3 bildende Ende 17 wird dabei nicht reduziert, so daß sich die in der Fig. 8 dargestellte Form für den Ventilschaft ergibt. Anschließend wird das noch nicht reduzierte Ende 17 bei entferntem Dorn auf den gewünschten Schaftdurch messer reduziert, wodurch sich dieser Teil aufdickt und das Schaftende in der Art eines Stopfens 14 verschließt, wie es in Fig. 9 zu sehen ist. Auf das derart hergestell te Schaftende, das einem starken Verschleiß unterworfen ist, kann sodann eine Platte 18 aus härtbarem Material als sogenannte Tablettenlösung aufgebracht werden.

Die hier gezeigten Ausführungsformen sind selbstverständ lich nur exemplarisch und beschränken den Erfindungsge danken in keiner Weise.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Ventil mit großem Innenvolumen, geringem Gewicht und dennoch hoher Festigkeit in einfacher und schneller Weise hergestellt werden. Der Einsatz hochfesten Materials ist auf die Be reiche beschränkt, in denen er unumgänglich ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Ventils, insbesondere eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, das aus einem gesondert hergestellten rohrförmigen Ventilschaft mit einem am ventilseitigen Ende angeordneten sich aufweitenden Schaftabschnitt und einem Ventilteller aus hochwarmfestem Material besteht, der einen den Ventilboden bildenden Teil, einen den Ventilsitz bildenden Teil und einen sich daran anschließenden bis zu einer gemeinsamen Verbindungsstelle mit dem Ventilschaft erstreckenden Ventilrücken aufweist, wobei der Ventilschaft und der Ventilteller an der Verbindungsstelle miteinander verbunden sind dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung des Ventilschaftes (3) ein rohrförmiges Ausgangsmaterial (1) durch Kaltumformung auf den Schaft durchmesser (D₁) reduziert wird,
daß ein zwischen reduziertem Ventilschaft (3) und Ausgangsmaterial (1) liegender Übergangsbereich (5) als sich aufweitender Schaftabschnitt bogenförmig ausgeformt wird und
daß anschließend der Ventilschaft (3) an dem sich aufwei tenden Schaftabschnitt an einer dem Durchmesser der Ver bindungsstelle (9) zwischen Ventilteller (10) und Ventil schaft (3) entsprechenden Stelle abgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Ausgangsmaterial (1) in einem zweiten Arbeitsschritt mit seinem im ersten Arbeitsschritt bear beiteten reduzierten Ende in das Reduzierwerkzeug (2) eingespannt wird und daß in diesem zweiten Arbeitsschritt der im ersten Arbeitsschritt unbearbeitete Abschnitt (1) des Ausgangsmaterials reduziert und anschließend abgetrennt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (3) an seinem dem Ventilteller (10) abgewandten Ende durch Aufdicken des rohrförmigen Ausgangsma terials (1) verschlossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (3) an seinem dem Ventilteller (10) abge wandten Ende mit einem Stopfen (14) verschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (14) mit dem Schaft (3) laserverschweißt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (14) mit dem Schaft (3) formschlüssig ver bunden wird.