Verfahren zu dessen Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein innengekühltes Ventil mit einem durch

Reibschweißen eingesetzten Ventilboden.

Bisher werden verschiedene Methoden verwendet, um hohle innengekühlte Ventile für Verbrennungsmotoren herzustellen. Es ist bekannt, einen Ventilschaft durch Reibschweißen zu verschließen. Es ist ebenfalls bekannt, einen Ventilboden einzusetzen, um einen

Hohlraum in einem innengekühlten Ventil zu verschließen. Herkömmlicherweise wird bei einem gebauten Ventil der Ventilboden durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen mit dem Ventilkopf verbunden. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, einen Hohlraum in einem Innengekühlten Ventil zu verschließen, beispielsweise durch ein Verschließen einer Bohrung in einem Ventilschaft.

Es ist erstrebenswert, ein Verfahren zur Verfügung zu haben, mit dem sich innengekühlte Ventile insbesondere mit einem hohlen Ventilkopf, sogenannte Hohlkopfventile einfach und kostengünstig herstellen lassen.

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines innengekühlten Ventils, dessen Ventilboden durch Reibschweißen mit dem Ventilkopf verbunden wurde, sowie ein durch dieses Verfahren hergestelltes Ventil. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Ventilkörpers mit einem Ventilschaft, der in einen Ventilkopf ausläuft, wobei der

Ventilkörper einen Hohlraum aufweist, der zum Ventilkopf hin geöffnet ist, ein Bereitstellen eines Ventilbodenelements, und ein Verschließen des Hohlraums mit dem

Ventilbodenelement durch Reibverschweißen des Ventilbodenelements mit dem Ventilkopf. Das Ventilbodenelement weist dabei einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der des Ventilkopfes. Der sich zum Ventilboden öffnende Hohlraum gestattet es relativ einfach, ein innengekühltes Ventil mit einem großen Hohlraum im Ventilkopf herzustellen, da eine Öffnung am Ventilboden fast so groß wie ein Ventil tellerdurchmesser ausgeführt werden kann.

Bisherige Verbindungsverfahren wie Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder dergleichen weisen deutliche Nachteile bezüglich der fertigen Materialeigenschaften auf. Ein Reibschweißvorgang hingegen kann eine hohe Materialdichte und ein gleichmäßiges Gefüge bzw. einen relativ gleichmäßigen Gefüge-Übergang ermöglichen.

Ein Aspekt beim Reibschweißen betrifft eine Übertragung des zum Reibschweißen notwendigen Drehmoments, was bei dem vorliegenden Fall sehr ungünstig ausfällt, da der Ventilschaft, an dem das Ventil eingespannt werden kann, viel dünner ist als der

Durchmesser der resultierenden Reibschweißnaht. Es kann also eine Gefahr bestehen, den Ventil tell er beim Reibschweißen von dem Ventilschaft abzudrehen. Dies ist bei einer Auslegung der Reibschweißparamter zu beachten.

Um die Verfahrensparameter des Verfahrens zu optimieren, kann zudem ein Kontakt der Reibpartner optimiert werden, um sowohl eine Verschweißung in Axialrichtung als auch in Radialrichtung zu erreichen. Das zu verschweißende Ventilbodenelement soll hier nicht nur in einer axialen Richtung, sondern auch in einer Radialrichtung verschweißt werden, wofür im Vergleich zu einer reinen Reib Verschweißung in Axialrichtung viel weniger

Erfahrungswerte vorliegen.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Reibschweißen als induktives Reibschweißen ausgeführt. Diese Ausführung gestattet es, das Reibschweißen mit einem geringeren Drehmoment auszuführen, was es insbesondere gestatten kann, den Ventilköper beim Verschweißen mit dem Ventilbodenelement am Ventilschaft

einzuspannen, ohne dass der Ventilschaft durch Torsionskräfte abgeschert wird.

Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter, dass der Hohlraum zumindest teilweise mit einem Kühlmittel wie Natrium oder einem Kühlmittel, das Natrium umfasst, gefüllt wird, bevor der Hohlraum durch Reibschweißen verschlossen wird. Somit muss das Ventil nach dem Verschließen der Öffnung unten am Ventilteller nicht noch einmal geöffnet, gefüllt und verschlossen werden. Dazu sollte das Natrium in den Ventilschaft gefüllt werden und vorzugsweise der Ventilschaft durch ein gekühltes Futter oder eine gekühlte Spannzange eingespannt werden. Bei einer zusätzlichen, beispielhaft bevorzugten Ausführung des Verfahrens weist das Ventilbodenelement und/oder der Ventilkörper eine Eingriffsstruktur auf. Durch die

Eingriffsstruktur kann das Ventilbodenelement und/oder der Ventilkörper zentriert eingespannt werden. Weiterhin kann die Eingriffsstruktur so gestaltet sein, dass sie eine erhöhte Drehmomentübertragung auf das Ventilbodenelement und/oder den Ventilkörper ermöglicht. Hier ist insbesondere eine Zentralbohrung an dem Ventilbodenelement vorgesehen. Das Ventilbodenelement kann zudem mit einer Flankenverzahnung versehen sein, die mit einer entsprechenden Verzahnung an einem Antriebselement in Eingriff gebracht werden kann, um das Drehmoment beim Reibschweißen übertragen zu können. Die Verzahnung verläuft dabei in ETmfangsrichtung und die Amplitude der Verzahnung verläuft in Axialrichtung. Die Flankenverzahnung kann als Zickzack- oder als Sägezahnverzahnung ausgeführt sein, um große Drehmomente übertragen zu können. Es ist ebenfalls möglich, die Eingriffsstruktur als ein 3-, 4-, 5- oder 6-Eck-Prisma auszuführen, um die Eingriffsstruktur in einem Backenfutter einspannen zu können. Weiterhin kann die Rückseite des Ventiltellers mit einer Eingriffs- oder Mitnehmerstruktur versehen sein, die es gestattet, ein höheres Drehmoment auf den Ventilteller zu übertragen als es mit dem Schaft alleine möglich wäre. Auch eine Krafteinleitung am Rand des Ventiltellers erscheint problematisch, da durch die geringe axiale Breite des Ventiltellerrandes ebenfalls nur ein relativ geringes Drehmoment übertragen werden kann. Die Eingriffsstrukturen an der Ventilteller-Rückseite und/oder dem Ventilbodenelement kann hier ein Reibschweißen erst ermöglichen.

Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses weiter ein Entfernen und/oder Abtragen der Eingriffsstruktur. Dies kann durch Schleifen, Fräsen oder andere spanende oder auch nichtspanende Verfahren erreicht werden. Hier wird zumindest ein Teil der Eingriffsstruktur abgetragen. Ein Teil der Eingriffsstruktur kann an dem

Ventilteller verbleiben und beispielsweise als Kühlrippen dienen.

Eine andere beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens verwendet ein

Ventilbodenelement und einen Ventilkörper mit einer Schweißflächenkontur, die bei einem Reibschweißvorgang einen Schweißaustrieb in dem Hohlraum in einer Form einer

(umlaufenden) Kühlrippe erzeugt. Beim Reibschweißen tritt üblicherweise ein

Schweißaustrieb auf, der seitlich aus einem Schweißspalt austritt. Da zu erwarten ist, dass auch auf der Seite des Hohlraums ein Schweißaustritt auftritt, können die Schweißkontur und die anderen Reibschweißparameter so gewählt werden, dass der Schweißaustritt, der sich in den Hohlraum erstreckt, die Form einer umlaufenden Kühlrippe aufweist, um einen

Wärmeübertrag von dem Ventilboden bzw. dem Rand des Ventiltellers auf das Kühlmittel zu verbessern. Hier kann durch die Form der jeweiligen Schweiß flächenkonturen und der Reibschweißparameter die Form des entstehenden Schweißaustriebs beeinflusst werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses weiter ein Abtragen bzw. Entfernen eines äußeren Schweißaustriebs. Ein Schweißaustrieb an einer Außenseite des Ventils bzw. außen am Ventilboden kann nach dem Reibschweißen abgetragen werden. Es ist zudem vorgesehen, einen äußeren Reibschweißaustrieb nach dem Reibschweißen spanend oder nichtspanend abzutragen.

Eine andere Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter ein Herstellen eines

Ventilbodenelements durch Sintern aus einem Ventilbodenelement-Grünteil oder -Braunteil. Dabei wird eine neue Technik angewendet, das Ventilbodenelement herzustellen. Durch die Nutzung von Sintermaterialien ist es einfacher geworden, Kühlrippen oder eine andere Struktur herzustellen, um beispielsweise einen Kühlmittelfluss in dem Hohlraum zu beeinflussen. Alle Design- und Auslegungsparameter lassen sich beim Sintern leicht umsetzen, da das Material bei einer Herstellung eines Grün- oder Braunteils noch nicht die hohe Festigkeit aufweist, die bei einem späteren Einsatz bzw. Betrieb benötigt wird.

In einer Ausführung des Verfahrens wird das Ventilbodenelement-Grünteil oder -Braunteil durch Pressen hergestellt. In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird das

Ventilbodenelement-Grünteil oder -Braunteil durch Metallpulver-Spritzgießen hergestellt. Diese Verfahren gestatten eine schnelle und einfache Herstellung von Ventilbodenelement- Grünteilen oder -Braunteilen, ohne dass dafür ein erheblicher Aufwand an spanender

Bearbeitung notwendig ist. Hier kann erstmals ein Ventilbodenelement mit eine Kühl- bzw Kühlflüssigkeits-Leitstruktur und einer Eingriffsstruktur schnell und effizient hergestellt werden, ohne dass die dafür üblicherweise benötigten Umformschritte und spanende

Bearbeitung notwendig wären. Es ist weiter vorgesehen, ein Ventilbodenelement-Grünteil durch thermisches oder chemisches Entbindem von einem Binder zu befreien und in ein Braunteil zu verwandeln, bevor das Braunteil durch Sintern zu dem endgültigen

Ventilbodenelement gesintert wird. Es ist ebenfalls möglich, das thermische Entbinden als einen Verfahrensschritt des Sinters zu betrachten, wobei das Grünteil so erhitzt wird, dass vor einem eigentlichen Sintern ein thermisches Entbindem stattfindet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum

Herstellen eines Ventilbodenelements durch Metallpulverspritzgießen oder Pressen eines Ventilbodenelement-Grünteils oder -Braunteils und anschließendem Sintern bereitgestellt. Das Ventilbodenelement wird dabei durch Sintertechnologie bevorzugt durch Verwendung von Metallpulverspritzgießen zur Herstellung eines Ventilbodenelement-Grünteils mit anschließendem Entbindem sowie darauffolgendem Sintern hergestellt. Das so erhaltene Ventilbodenelement weist dabei bevorzugt eine Eingriffsstruktur auf, an der das

Ventilbodenelement bei einem Reibschweißverfahren mit einem Ventilkörper verbunden werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein innengekühltes Ventil bereitgestellt, das mit einem der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Das Ventil umfasst einen Ventilkörper, der einen Ventilkopf und einen Ventilschaft umfasst, wobei in dem Ventilkörper ein Hohlraum angeordnet ist, der sich bis in den Ventilkopf hinein erstreckt, wobei der Hohlraum durch einen Ventilboden verschlossen ist, der durch Reibschweißen mit dem Ventilkopf verbunden ist. Die Verbindungsart kann durch den für Reibschweißen typischen Schweißaustrieb in dem Hohlraum auch an einem fertigen Ventil nachgewiesen werden, in dem das Ventil beispielsweise in Axialrichtung aufgeschnitten wird.

Bei einer Ausführungsform des innengekühlten Ventils, weist dieses einen

Reibschweißaustrieb an einer Innenseite des Hohlraums auf, der eine Form einer Kühlrippe zeigt. Die Kühlrippe in dem Ventilkopf gestattet einen verbesserten Wärmeübertrag von dem Ventilkopf auf das Kühlmittel. Die Kühlrippe bzw. die zwei Kühlrippen, die bei einem Reibschweißvorgang auftreten können, erstrecken sich von einem vorhergehenden

Schweißspalt bis in den Hohlraum.

Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des innengekühlten Ventils ist das Ventilbodenelement auf einer dem Hohlraum zugewandten Fläche mit einer Kühlrippen- und/oder Strömungsbeeinflussungsstruktur versehen. Die Innenfläche des

Ventilbodenelements kann dabei mit einer Struktur versehen sein, die eine verbesserte Kühlung bzw. einen verbesserten Wärmeübertrag auf das Kühlmittel auch außerhalb einer durch einen Schweißaustrieb erzeugten Kühlrippe verbessern kann. Zusätzlich oder anstelle von Kühlrippen kann auch eine Strömungsleit-Struktur wie ein Strahlleiter-Kegel oder eine Strahl-Elmleitungsschnecke an dem Ventilbodenelement angebracht sein, um ein aus dem Ventilschaft strömendes Kühlmittel in dem Hohlraum in dem Ventilkopf zu verteilen.

In einer beispielhaften Ausführungsform des innengekühlte Ventils ist das

Ventilbodenelement durch Sintern hergestellt, durch Reibschweißen mit dem Ventilkörper verbunden, und ein Eingriffselement, an dem das gesinterte Ventilbodenelement während des Reibschweißens mit dem Ventilkörper gehalten wurde, wurde zumindest teilweise abgetragen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Figuren näher veranschaulicht.

Figuren 1 und 2 zeigen eine perspektivische Ansicht eines Ventilbodenelements.

Figuren 3 und 4 stellen eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht eines

Ventilkörpers dar.

Figuren 5 und 6 zeigen einen Beginn und ein Ende eines erfindungsgemäßen

Reibschweißvorgangs.

Figuren 7 und 8 stellen eine Schnitt-Teilansicht und eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ventils dar.

Figur 9 stellt ein Ventilbodenelement dar, das auf einen Reibschweißdom aufgesetzt ist.

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren werden gleiche oder ähnliche

Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten Bezug zu nehmen.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ventilbodenelements 12. In der Ansicht von Figur 1 ist eine spätere Innenseite 20 des Ventilbodenelements 12 und eine Kühlrippen- / Strömungsbeeinflussungsstruktur 14 dargestellt, die ein von oben aus einem hohlen

Ventilschaft strömendes Kühlmittel gleichmäßig in dem Ventilkopf verteilen soll. Unten am dem Ventilbodenelement 12 ist eine Eingriffsstruktur 16 bzw. Drehmoment- Übertragungselement zu erkennen, mit der während eines Reibschweißvorgangs ein

Drehmoment auf das Ventilbodenelement 12 übertragen werden kann. Abweichend von der Darstellung kann auch ein Sägezahnprofil verwendet werden, um eine noch bessere

Drehmomentübertragung auch bei geringen axialen Anpress- bzw. Reibschweißdrücken zu ermöglichen.

Figur 2 zeigt das Ventilbodenelement 12 von Figur 1 in einer unteren Ansicht, wobei hier die Eingriffsstruktur 18 bzw. das Drehmoment-Übertragungselement als Flankenzahnung zu erkennen ist. In der Mitte ist eine Bohrung als Zentrierelement 18 auf einer Unterseite des Ventilbodenelements 12 angeordnet.

Figuren 3 und 4 stellen eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht eines Ventilkörpers dar. Die Ventilkörper 4 umfassen jeweils einen Ventilschaft 6 und einen Ventilteller 8. Von der Seite des Ventiltellers 8 aus öffnet sich ein Hohlraum 10 für ein Kühlmittel wie Natrium oder ein bei Betriebstemperatur flüssiges Material, das Natrium enthält. Durch die Öffnung am Ventilboden kann sehr einfach einerseits ein strukturell stabiles Ventil hergestellt werden, und andererseits kann sehr einfach ein Hohlraum in dem Ventilkörper hergestellt werden, der sich über einen großen Bereich eines Durchmessers des Ventilkopfes 8 erstreckt.

Figuren 5 und 6 zeigen einen Beginn und ein Ende eines erfindungsgemäßen

Reibschweißvorgangs. In Figur 5 ist das Ventilbodenelement 12 mit der Kühlrippen- / Strömungsbeeinflussungsstruktur 14 zum Hohlraum 10 des Ventilkörpers 4 weisend an diesem angesetzt. Das Ventilbodenelement 12 ist auf einem Reibschweißdom 24

aufgespannt oder aufgesetzt, während der Ventilkörper 4 selbst am Ventilschaft 6 eingespannt ist. Zu Beginn des Verfahrens wird der Reibschweißdom 24 in eine Drehung versetzt, wodurch sich die Berührungsfläche zwischen Ventilbodenelement 12 und

Ventilkörper 4 durch Reibungswärme erwärmt. Dies kann ebenfalls durch eine zusätzliche Induktionsheizung weiter erwärmt werden.

Figur 6 stellt ein Ende eines erfindungsgemäßen Reibschweißvorgangs dar. Das

Ventilbodenelement 12 wurde in den Ventilkörper 4 hineingedrückt, nachdem sich die jeweiligen Metalle hinreichend erwärmt haben, um eine ausreichende Verformbarkeit zu erreichen. Ein Reibschweißaustrieb ist hier der Klarheit halber nicht dargestellt.

Figur 7 stellt eine Schnitt-Teilansicht durch den Kopf eines erfindungsgemäßen Ventils 2 dar. Ein überstehender Rest des Ventilbodenelements 12 wurde durch einen spanenden Vorgang abgetragen, sodass ein im Wesentlichen ebener Ventilboden erreicht wurde. Das Ventilbodenelement 12 ist über den Schweißbereich bzw. die Wärmebeeinflussungszone 20 mit dem Ventilköper 4 bzw. dem Ventilkopf 8 verbunden. Ein an einer Außenseite aufgetretener Reibschweißaustrieb wurde ebenfalls abgetragen. An einer Innenseite 20 bzw. in dem Hohlraum 10 erstreckt sich ein Reibschweißaustrieb. Durch geeignete

Verfahrensparameter sowie eine geeignete Materialwahl konnte der Reibschweißaustrieb 22 in Form einer Kühlrippe erzeugt werden. Dies kann ebenfalls den Wärmeübertrag von dem Ventilkopf 8 auf ein in dem Hohlraum 10 befindliches (jedoch nicht dargestelltes)

Kühlmittel verbessern.

Figur 8 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ventils 2. Der Ventilschaft 6 läuft dabei in dem Ventilkopf 8 aus. Die Öffnung des Hohlraumes aus Figur 3 ist durch das Ventilbodenelement 12 verschlossen. Die Eingriffselemente des Ventilbodenelements 12 aus Figur 2 wurden abgetragen. Lediglich ein Teil der Bohrung des Zentrierelements 18 ist noch am Boden des Ventilkopfes zu erkennen. Der Schweißbereich / die Wärmebeeinflussungszone ist durch gestrichelte Linien angedeutet.

Figur 9 stellt ein Ventilbodenelement 12 dar, das auf einem Reibschweißdom 24 aufgesetzt ist. Der Reibschweißdom 24 ist mit Stmkturen versehen, die komplementär zu dem

Eingriffselement 16 des Ventilbodenelements 12 zur Übertragung eines Drehmoments und komplementär zu dem Zentrierelement 18 des Ventilbodenelements 12 sind. Die Form des Eingriffs-/Zentrierelements entscheidet darüber, wie und wieviel Drehmoment übertragen werden kann, und ob das 16 Ventilbodenelement 12 weiter eingespannt werden soll oder muss. Es wird entgegen der Darstellung eine sägezahnförmige Flankenverzahnung bevorzugt, um das Drehmoment unabhängig von einer axialen Kraftkomponente von dem Reibschweißdom 24 auf das Ventilbodenelement 12 übertragen zu können.

Bezugszeichenliste

2 Innengekühltes Ventil mit Reib verschweißter Bodenelement

4 Rohling / Ventilkörper eines innengekühlten V4ntils

6 Ventilschaft eines innengekühlten Ventils

8 Ventilkopf eines innengekühlten Ventils

10 Hohlraum eines innengekühlten Ventils

12 Ventilbodenelement

14 Kühlrippen- / Strömungsbeeinflussungsstruktur

16 Eingriffsstruktur des Ventilbodenelements

18 Zentrierelement des V entilbodenelements

20 Innenseite des Ventilbodenelements

22 Schweißbereich / Wärmebeeinflussungszone

24 Reibschweißaustrieb an einer Innenseite des Hohlraums in Form einer Kühlrippe 26 Reibschweißdom