VERBRENNUNGSMOTOREN

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlventilen, bzw. Hohlraumventilen, für V erbrennungsmotoren und damit hergestellte Hohlventile.

Stand der Technik

Ein- und Auslassventile sind bei V erbrennungsmotoren thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile. Eine ausreichende Kühlung ist daher notwendig, um eine dauerhafte Funktionsfähigkeit der Ventile sicherzustellen. Hierbei sind Hohltellerventile gegenüber Vollschaftventilen und Hohlschaftventilen (d.h. ein Hohlventil bei dem lediglich im Schaft ein Hohlraum vorgesehen ist) 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 C0 ₂ -Reduzierung.

Hergestellt werden Hohlventile 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 EP 0898055 Al ein Üolilb 11er entil, das durch Schließen eines hohlen Rohlings mittels Schweißens hergestellt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also ein Herstellungsverfahren für Hohlventile bzw. für einen Ventilkörper für Hohlventile bereitzustellen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist und gleichzeitig eine hohe Produktivität und gute Materialausnutzung aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird das Problem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils gemäß den Merkmalen des angehängten Anspruchs 1.

Das Verfahren zur Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils umfasst die Schritte von Bereitstellen einer Vorform mit einem Ventilkopf und einer rohrförmigen Wand, die einen zylindrischen Hohlraum umgibt, und Drückwalzen der rohrförmigen Wand über einem Drückwalzdom, der in den Hohlraum eingesetzt ist, um eine Länge der rohrförmigen Wand zu vergrößern.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Bereitstellen der Vorform umfassen: Bereitstellen eines napfförmigen Halbzeugs, wobei das Halbzeug die rohrförmige Wand, die den zylindrischen Hohlraum des Halbzeugs umgibt, und einen Bodenabschnitt aufweist; und Formen des Ventilkopfes aus dem Bodenabschnitt.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Bereitstellen des napfförmigen Halbzeugs umfassen: Bereitstellen eines zumindest teilweise zylindrischen Rohlings; und Formen des napfförmigen Halbzeugs aus dem Rohling.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des napfförmigen Halbzeugs durch Fließpressen oder Schmieden erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Formen des Ventilkopfes durch Fließpressen oder Schmieden erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt können beim Drückwalzen mehrere Drückwalzen verwendet werden, wobei bevorzugt drei Drückwalzen verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt können die mehreren Drückwalzen während des

Drückwalzens zueinander radial und axial versetzt sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren weiterhin umfassen: ein weiteres Drückwalzen der rohrförmigen Wand ohne Drückwalzdom.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren weiterhin umfassen: Reduzieren eines Außendurchmessers der rohrförmigen Wand nach dem Drückwalzen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand durch Rundkneten oder Einziehen erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand ohne Dom erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Reduzieren des Außendurchmessers der rohr förmigen Wand mit einem in den Hohlraum eingesetzten Dom erfolgen.

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

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

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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

Figuren 1A - 1F verschiedene Zwischenschritte der erfmdungsgemäßen Herstellung eines Ventilkörpers eines Hohlventils (dargestellt in Fig. 1D bzw. Fig. 1F) aus einem Rohling

(dargestellt in Fig. 1 A) zeigen; und

Fig. 2 eine Schnittansicht während des Drückwalzens zeigt.

Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Es ist zudem eine Bezugszeichenliste angegeben, die für alle Figuren gültig ist. Die in den Figuren dargestellten Ausführungen sind lediglich schematisch und stellen nicht notwendigerweise die tatsächlichen Größenverhältnisse dar.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In den Figuren 1A bis 1F sind, in Schnittansichten, verschiedene Zwischenstufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt, wobei auch optionale bzw. bevorzugte Herstellungsschritte/Zwischenstufen dargestellt sind.

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.

Der Rohling 2 wird in ein in Fig. 1B dargestelltes napfförmiges Halbzeug (bzw. Werkstück ) 4 umgeformt. Das Halbzeug 4 in Form eines Napfes umfasst einen Bodenabschnitt 10, aus dem später ein Ventilkopf (bzw. Ventilteller) 12 gebildet wird, und eine rohrförmige Wand (bzw. ringförmige Wand) 14, die einen zylindrischen, bevorzugt kreiszylindrischen, Hohlraum 8 des napfförmigen Halbzeugs 4 umgibt und aus der später ein Ventilschaft 20 gebildet wird. Hierbei kann während der nachfolgenden Umformschritte eventuell Material zwischen Bodenabschnitt 10 und rohrförmiger Wand 14 fließen. Allgemeiner wird erfmdungsgemäß das napfförmige Halbzeug 4 direkt bereitgestellt; das Verfahren startet dann also mit Bereitstellen des in Fig. 1B dargestellten napfförmigen Halbzeugs 4. In einem anschließenden Umformschritt wird aus dem Bodenabschnitt 10 der Ventilkopf 12 geformt. Eine dadurch erhaltene Vorform 6 des Ventilkörpers ist in Fig. 1C dargestellt.

Sowohl das Umformen des Rohlings 2 in ein napfförmiges Werkstück 4 als auch das Formen des Ventilkopfs 12 aus dem Bodenabschnitt 10 kann z.B. durch ein Warm- oder Kaltumformverfahren durchgefuhrt werden. Bevorzugt wird Fließpressen oder Schmieden verwendet. Beim Fließpressen wird ein Stempel in den Rohling 2 bzw. das Halbzeug 4 gepresst, um den Hohlraum 8 bzw. den Ventilkopf 12 zu formen, d.h. es handelt sich im Wesentlichen um (Napf-)Rückwärtspressfließen bzw. Querfließpressen. Die Vor form 6 kann auch in einem einzigen Umformschritt, z.B. Schmieden oder Fließpressen, direkt aus dem Rohling 2 geformt werden.

Im nächsten Bearbeitungsschritt, von Fig. IC nach Fig. 1D, wird eine axiale Länge der rohrförmigen Wand 14 vergrößert. , Axial ⁴ bezieht sich hier auf die durch die rohrförmige Wand 14 (d.h. den späteren Schaft) definierte Richtung, also auf die (Mittel-)Achse der rohrförmigen Wand; , radial ⁴ ist entsprechend eine Richtung orthogonal zur axialen Richtung. Eine Länge der rohrförmigen Wand 6 wird also in axialer Richtung gemessen.

Hierzu wird erfmdungsgemäß Drückwalzen bzw. Zylinderdrückwalzen über einem Drückwalzdom 22 durchgefuhrt; vgl. Fig. 2. Beim Drückwalzen rotiert die Vorform und es wird mindestens eine, durch Reibschluss mitrotierende, Drückwalze 24, 26 gegen die Außenseite der rohrförmigen Wand gedrückt und in axialer Richtung bewegt, so dass es zu einer plastischen Formänderung kommt. Die damit einhergehende inkrementelle Umformung führt zu einer vorteilhaften Kaltverfestigung des bearbeiteten Stahls. Insgesamt verringert sich die Wanddicke der rohrförmigen Wand während sich gleichzeitig die axiale Länge der rohrförmigen Wand vergrößert. Die mindestens eine Drückwalze wird gegebenenfalls mehrmals in axialer Richtung verfahren bis die gewünschte Längenzunahme bzw. W anddickenverringerung erreicht ist. Dabei wird der radiale Abstand der mindestens einen Drückwalze von der Achse der rohrförmigen Wand bei aufeinanderfolgenden Durchgängen sukzessive verringert. Das Drückwalzen führt also, aufgrund des eingesetzten Drückwalzdoms, im Wesentlichen zu einer Längung der rohr förmigen Wand 14, wobei deren Außendurchmesser ein wenig abnimmt (entsprechend der Abnahme der Wanddicke). Falls eine größere Abnahme des Außendurchmessers erwünscht ist, kann auch ein Drückwalzen, mit mehreren Drückwalzen, ohne Drückwalzdom erfolgen.

Falls Abmessungen der Vorform 6 und Parameter des Drückwalzens so gewählt sind, dass die durch das Drückwalzen erreichte Länge der rohrförmigen Wand 14, der durch das Drückwalzen erreichte Außendurchmesser und ein Innendurchmesser der rohrförmigen Wand 14 der Vorform (der einem Durchmesser des Drückwalzdoms entspricht) den gewünschten Abmessungen des herzustellenden Hohlventils entsprechen, kann auf diese Weise ein Ventilkörper 16 für ein Hohlschaftventil erhalten werden (vgl. Fig. 1D, wobei angemerkt sei, dass die in den Figuren gezeigten relativen Abmessungen nicht den tatsächlichen relativen Abmessungen entsprechen müssen, insbesondere ist in Fig. 1D der Durchmesser des Ventiltellers/-kopfes im Verhältnis zum Schaftdurchmesser kleiner als bei einem üblichen tatsächlichen Ventil dargestellt, ebenso ist der Schaftdurchmesser im Verhältnis zur Länge des Schaftes 20 größer als üblich dargestellt).

Abschließend (von Fig. 1D über Fig. 1E nach Fig. 1F) wird, optional, der Außendurchmesser der rohrförmigen Wand 14 reduziert, um einen fertiggestellten Ventilkörper 18 für ein Hohltellerventil zu erhalten, dessen Ventilschaft 20 einen vorbestimmten Außendurchmesser aufweist, d.h. einen gewünschten Zieldurchmesser aufweist; vgl. Fig. 1F. Dieser Umformschritt erfolgt bevorzugt ohne eingesetzten Dom, damit der Durchmesser effektiv verkleinert werden kann. Dieser Schritt führt, neben einer Verringerung des Außendurchmessers, auch zu einer weiteren Längung der rohrförmigen Wand 14 und, falls ohne Dom durchgeführt, zu einer Zunahme der Wanddicke der rohrförmigen Wand 14. Die Wanddicke wäre also gegebenenfalls im vorhergehenden Drückwalzschritt etwas kleiner einzustellen, um unter Berücksichtigung der Dickenzunahme im abschließenden Schritt eine bestimmte Wanddicke, und damit bei gegebenen Außendurchmesser D einen bestimmten Innendurchmesser, zu erhalten. Das Reduzieren des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand 14 kann durch Rundkneten oder Einziehen („Necking“, Durchmesserverminderung durch Einschnüren) erfolgen, wobei Rundkneten bevorzugt wird. Beim Rundkneten ist wichtig, dass nach dem Rundkneten zur Reduzierung des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand 14 kein weiterer Umformschritt des Ventilkörpers 18 für ein Hohltellerventil statt findet, da dies die durch das Rundkneten erhaltenen positiven Materialeigenschaften verschlechtern würde. Rundkneten ist also in diesem Fall 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 ⁴ 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. Das Rundkneten wirkt somit mit dem vorhergehenden, ebenfalls inkrementellen Umformverfahren des Drückwalzens auf vorteilhafte Weise zusammen, so dass optimale Materialeigenschaften, z.B. Festigkeit, erreicht werden.

Weitere Vorteile des Rundknetens als abschließenden Umformschritt - gegenüber Ziehverfahren oder „Necking“ (Einziehen) - sind durch eine bessere erreichbare Oberflächenqualität und durch eine relativ höhere Durchmesserreduzierung des Schaftes je Schritt gegeben. Aufgrund der hohen erreichbaren Ober fl ächenqual ität und dadurch, dass die einhaltbaren Toleranzen beim Rundkneten sehr klein sind, ist eine N achbearbeitung des Ventilschaftes meist nicht notwendig. Mit F re iform verfahren bzw. Stauchverfahren - wie z.B. Necking - lässt sich im Allgemeinen nur eine schlechtere Oberflächenqualität bzw. T oleranzeinhaltung erreichen. Dementsprechend sollte nach dem Rundkneten zur Reduzierung des Außendurchmessers der rohrförmigen Wand insbesondere kein weiterer Verfahrensschritt mittels eines Ziehverfahrens oder Neckings erfolgen.

Um den Herstellungsprozess des Hohlventils 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 V entilschaftendstück, welches, etwa mittels Reibschweißen oder einem anderen Schweißverfahren, angebracht wird (in den Figuren nicht dargestellt).

Das Reduzieren des Außendurchmessers kann in mehreren Teilschritten erfolgen (ein Zwischenschritt ist beispielsweise in Fig. 1E dargestellt), wobei die einzelnen Teilschritte jeweils wahlweise mit oder ohne Dom erfolgen können (zu Beginn eines Teilschritts kann der Durchmesser eines Doms kleiner als der Durchmesser des Hohlraums sein); auch kann ein Durchmesser der Dome aufeinanderfolgender Teilschritte verringert werden.

Fig. 2 stellt den Verfahrensschritt des Drückwalzens, das zwischen Fig. 1C und Fig. 1D stattfindet, in einer Schnittdarstellung dar. Hierbei wird in den Hohlraum der Vorform 6 ein Drückwalzdom 22 eingesetzt. Der Drückwalzdorn rotiert zusammen mit der Vorform 6 und einem Reitstock 28, der die Vorform am Ventilboden abstützt. Gegen die rohr förmige Wand 14 werden zwei einander gegenüberliegende Drückwalzen 24, 26 gedrückt, die mittels Reibschluss ebenfalls rotieren. Die Drückwalzen 24, 26 werden relativ zur Vor form in axialer Richtung bewegt, dadurch kommt es zu einer plastischen Verformung der rohrförmigen Wand 14, wobei der äußere Radius der rohrförmigen Wand 14 abnimmt und gleichzeitig die Länge der rohrförmigen Wand 14 zunimmt (in axialer Richtung). Hierbei „fließt“ das Material der rohrförmigen Wand 14 in B e wegungsr i chtung der Drückwalzen 24, 26 (Gleichlaufdrückwalzen). Die Rotationsrichtungen der Vorform (zusammen mit Drückwalzdom und Reitstock) und der Drückwalzen, die B e wegungsr ichtung der Drückwalzen 24, 26 und die Fließrichtung des Materials der rohrförmigen Wand 14 sind in der Figur durch Pfeile angedeutet.

In Fig. 2 sind beispielhaft zwei Drückwalzen 24, 26 (teilweise) eingezeichnet, ebenso ist die Verwendung nur einer oder von mehr als zwei Drückwalzen möglich, wobei die Verwendung von zwei oder drei Drückwalzen bevorzugt ist. Werden mehrere Drückwalzen verwendet, so sind diese bevorzugt regelmäßig über den Umfang verteilt; d.h. bei zwei Drückwalzen beträgt der Winkel (in Umfangrichtung) zwischen den Drückwalzen in etwa 180°, bei drei Drückwalzen in etwa 120°, usw. Dadurch wird die Vor form insbesondere auch in allen Richtungen abgestützt.

Bevorzugt bestehen zwischen den Drückwalzen ein radialer und ein axialer Versatz, wie in Fig. 2 dargestellt. Radialer Versatz soll heißen, dass der radiale Abstand der Drückwalzen 24, 26 von der Mittelachse unterschiedlich ist. Der axiale Versatz wird erreicht indem die

Drückwalzen 24, 26 zeitversetzt verfahren werden, wobei (klarerweise) die Reihenfolge so ist, dass zunächst die Drückwalze mit dem größtem radialen Abstand von der Mittelachse verfahren wird, gefolgt derjenigen mit dem zweitgrößtem radialen Abstand, usw. Auf diese Weise kann das Verfahren beschleunigt werden, da mehrere Radius- bzw. W anddickenreduzierungsschritte in einem Durchgang erfolgen können. Statt einem radialen Versatz von Drückwalzen gleichen Durchmessers können auch Drückwalzen mit unterschiedlichen Durchmessern Verwendung finden.

Bezugszeichenliste 2 Rohling

4 napfförmiges Halbzeug

6 Vorform

8 Hohlraum

10 Bodenabschnitt

12 Ventilkopf / Ventilteller

14 rohr förmige Wand

16 fertiggestellter Ventilkörper für Hohlschaftventil

18 fertiggestellter Ventilkörper für Hohltellerventil

20 Ventilschaft

22 Drückwalzdom

24 Drückwalze

26 Drückwalze

28 Reitstock