WO2003100223A1 - Verfahren zur herstellung eines gebauten ventils mit hohlschaft für hubkolbenmaschinen - Google Patents

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WO2003100223A1
WO2003100223A1 PCT/EP2003/004307 EP0304307W WO03100223A1 WO 2003100223 A1 WO2003100223 A1 WO 2003100223A1 EP 0304307 W EP0304307 W EP 0304307W WO 03100223 A1 WO03100223 A1 WO 03100223A1
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valve stem
plate
blank
collar
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Cornelius Hentrich
Rudolf Reinhardt
Pavel Hora
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Gerhardt Patricia
Hora Tomas
Hora Zdenka
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Gerhardt Patricia
Hora Tomas
Hora Zdenka
DaimlerChrysler AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23P15/002—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings poppet valves
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements

Definitions

  • the invention is based on a method for producing a built valve with a hollow shaft for reciprocating piston machines according to the preamble of claim 1, as is known, for example, from the applicant's older patent application according to the unpublished DE 100 29 299 AI.
  • the valve is provided with a solid valve plate with a continuous central opening for receiving the end of the valve stem on the plate side, that the valve stem, which is formed from a tube piece, is in turn has on the outer circumference an axially perpendicular collar that limits the insertion depth of the valve stem into the central opening or an annular contact surface and at its plate-side end on the combustion chamber-side boundary contour of the central opening - which overlaps form-fitting and / or filling - is expanded and closed, and that the hollow valve stem is also is closed at the far end.
  • valve stem which is still tubular at the end of the plate and is made of a weldable material, is inserted axially into the central opening of the valve plate until it touches the shoulder, and the pipe end protruding on the combustion chamber side of the plate is expanded and sealed gas-tight by a welded filler , wherein the tube expansion is stabilized in shape by the Bask ⁇ rper.
  • An advantage of the built-in hollow stem valve which is known from the unpublished DE 100 29 299 AI, is the low weight of the valve, which is due, on the one hand, to the hollow valve stem and, on the other hand, to the fact that thermally and / or tribologically highly durable lightweight materials, in particular Ceramic or titanium aluminide, for which valve plates can be used.
  • a disadvantage of the known valve is that a separate filler must be used to close the end of the tubular shaft on the side of the dish and the end of the plate, which requires separate manufacture of the fillers and, moreover, a corresponding joining process.
  • a further disadvantage is that the hollow shaft can only be closed at the end on the plate side after the valve plate has been joined, to the extent that the joining of different components to form a multi-part workpiece on the one hand and the completion of one of the components on the other hand are combined in one operation , A final inspection of all fully finished individual parts before joining is not possible. In the event of rejection of the individual part that was only completed when joining, the entire, workpiece composed of several parts can be discarded. This not only complicates the final inspection of the workpiece, but also makes production more expensive.
  • EP 296 619 AI also shows a built valve with a hollow stem, the structural components of which consist of different materials.
  • the tubular valve stem preferably consists of chrome-molybdenum steel and is closed at the end remote from the plate with a separate stem end piece made of ceramic or of a temperature-resistant martensitic steel.
  • the valve disk which should preferably consist of the intermetallic titanium aluminide phase, can be manufactured by precision casting.
  • the finished valve plate is provided with a blind hole on the top to accommodate the shaft end on the plate side.
  • the valve stem can be fastened in the blind hole by shrinking, cold pressing, soldering or by a combination of these connection techniques.
  • the reveal of the blind hole is also corrugated, the end wall of the shaft tube being expanded under the influence of pressure and local heating and thereby being supposed to fit positively into the bores on the bore side.
  • the connection between the valve stem and valve plate is one of those in thermal as well as in mecha - From a technical point of view, considerable static and dynamic loads are not sufficiently durable.
  • DE 197 14 753 AI shows the hot forming of a pipe end to form a closed container bottom in the form of a rotating ellipsoid in the flow rolling process.
  • the tube heated to the forging temperature at the end, is clamped in a rotatably drivable holder, the axis of rotation of which is concentric with the Pipe axis lies.
  • a rotating and rotationally symmetrical forging tool is provided, the axis of rotation of which is arranged parallel to the axis of rotation of the tube but eccentrically to it.
  • the bowl-shaped, shaping surface of the forging tool corresponds in the radially outer area to the meridian cross section of the container base to be shaped.
  • the eccentricity of the axes of rotation of the workpiece and the tool is selected such that the outer edge of the shaping surface of the forging tool and the outer edge of the tube lie on a common surface line at a circumferential point that lies in the direction of the eccentricity.
  • the workpiece and tool are driven in rotation in such a way that the currently touching areas of the workpiece and tool rotate in the same direction and at approximately the same speed.
  • the heated wall of the pipe end is flanged radially inward by an axial approach of the heated pipe end to the shaping surface of the forging tool, with further heating of the pipe end occurring in the forming process due to friction.
  • the pipe wall flanged radially towards the center of the pipe is compressed in the circumferential direction and thereby increases in wall thickness.
  • the flaring process can be continued by continuing the axial feed until the radially inwardly pushed pipe wall edge closes in the middle of the pipe, whereby it is welded gas-tight due to the process heat.
  • the object of the invention is to improve the generic manufacturing process on the basis that the hollow stem valve can be manufactured even more efficiently.
  • tubular sheep blank is then closed, at least at the end on the plate side, by rotationally symmetrical shaping methods known per se, with the formation of a plug pin, no separate filler piece being required. Rather, the material required for closing the tube end is "fetched" from the tube material itself by upsetting or flanging the wall of the shaft tube, that is to say axially and / or radially inward, which is caused by inexpensive forming processes such as flow rolling or kneading happens in a highly rational manner.
  • 2a to 2e show a five-part sequence of images of the different phases of a second method example, the representation being limited to the manufacture of the hollow shaft and the collar being produced on it by machining,
  • Figure 3e also to a five-part picture sequence of the various phases of a third process example, 'wherein the collar of the hollow shaft by upward welding of a pipe sleeve is produced. 3a, and
  • FIG. 4a to 4e a five-part sequence of pictures of the different phases of a fourth exemplary embodiment of a method for producing built hollow shaft valves, the initially tubular valve shaft being closed at the end on the plate side by upsetting and round kneading and producing a massive push-on spigot there.
  • the hollow valve stem is closed at the plate-side or combustion chamber-side end and also at the end remote from the plate to form a plug-in pin 17, 17 ', 17 ", 17'".
  • a known rotationally symmetrical shaping method - in particular flow rollers or round kneading - is used to deform the valve stem blank.
  • the common idea of all the methods indicated in the drawing is that the tubular shaft blank 13, 13 'in the individual state, ie before the valve plate is joined to the valve shaft, is initially pushed radially inward at least at the end on the plate side, preferably in the warm state, and in the manner and such is widely deformed that the plate-side end of the valve stem is sealed tight, preferably gas-tight.
  • the pipe wall welds centrally - lock 14 or 14 '- towards the end of the forming process.
  • the end 10 remote from the plate is also shaped and closed in the flow rolling process - closure 15.
  • a tubular piece 13 cut to a certain length is assumed as a blank for the manufacture of the valve stem 2, the outer diameter of which - apart from a small machining allowance - corresponds to the desired diameter of the finished valve stem.
  • the wall thickness of the outlet pipe is selected in accordance with the stresses on the valve stem; in the case of valves for car engines, it should be in the range of approximately 1 to 2.5 mm.
  • the material of the pipe section 13 corresponds to an alloy steel which is customary for valves, wherein a high-temperature chromium / nickel steel can be provided for a thermally more stressed outlet valve and a corrosion-resistant steel for a thermally less stressed inlet valve.
  • valve stem for exhaust valves can be made of a valve steel of the designation 1.4571 or X6CrNiMo_17_12_2 with 0.06% by weight carbon, 17% by weight chromium, 12% by weight nickel, 2% by weight molybdenum and the rest iron ,
  • the following steels may be mentioned as examples for the valve stems of intake valves, the composition being stated in percent by weight and the remainder always adding iron to 100%:
  • the pipe section 13 is clamped according to FIGS. 1b and following in a rotating chuck 20 which axially on an opposite rolling head with a defined feed speed can be advanced.
  • the workpiece and the rolling head rotate at the same circumferential speed.
  • this is merely a relative movement from workpiece to tool. It is therefore also easily conceivable that the workpiece is advanced axially and that the rolling head is stationary.
  • valve stem blanks which are rotatably mounted on the circumference of a gradually revolving drum, can be machined at both ends at the same time by axially displaceable roller heads.
  • a stationary heat source e.g. by a burner or an inductor.
  • Valve stem ejected and a new blank 13 to be clamped in the corresponding position of the drum The joining process according to the figures lh and li could also possibly be integrated in such a machine in turret design.
  • a turret-type machine it is also possible to use a carousel-type machine with a machining table that rotates in cycles with several, vertically oriented processing stations.
  • the depth-limiting, axially perpendicular collar 7 is produced on the outer circumference of the valve stem blank 13 by massive deformation of the tube wall in the flow rolling method by means of the rolling head 21.
  • the tube wall can be heated locally in the forming area and briefly to the forming temperature, which takes place within the process, for example by induction heating or by an open flame indicated by dash-dotted lines. can.
  • Locally targeted heating of the tube wall is also conceivable by means of a defocused laser beam directed at the heating point. The local heating of the workpiece may also apply to the other forming stations, which is why it is no longer indicated in the following stations.
  • a gas-tight seal can also be achieved.
  • a spot weld may have to be carried out at the end of the shaft to ensure a gas-tight seal.
  • FIGS. 1c and 1d show the gas-tight closure 14 of the plate-side end of the valve stem 2, which was previously reduced in diameter and provided with a collar 7 on the right-hand axis, in two different phases.
  • the blank wall heated at the end to the forming temperature is flanged radially inwards by the rolling head 22 in the flow rolling method, the end faces of the wall meeting in the center and being welded gas-tight at the closure point 14.
  • Reducing the diameter and forming an axially perpendicular collar 7, i.e. the formation of the plug pin 17, may be appropriate with a suitable design of a rolling head. also take place in a uniform flow rolling process.
  • valve stem end 10 remote from the plate is machined, which is why the workpiece is accommodated in another chuck 23 here.
  • the disk-like drum is of course to be thought of, on the circumference of which the individual valve stem blanks are received in such a way that their two ends project axially freely on the opposite end faces of the drum.
  • the circumferential groove which is semicircular in cross section, is formed by the rolling head 24 for a pair of securing wedges.
  • a set of forming rollers is pressed radially into the preferably heated location of the tube wall during the relative rotation of the workpiece and tool.
  • the groove 9 is optionally cooled in a force-convective manner.
  • valve stem and valve disc shown in a standing orientation - valve plate 3 below and valve stem 2 above - is shown in two phases according to the figures lh and li.
  • the valve stem is received in a chuck 23 'in such a way that the stem end of the plate protrudes axially freely.
  • the valve disk expediently consists of a material which is optimized with respect to the respective application, and in particular a lightweight material can be used due to the multi-part construction of the valve.
  • the valve disk can consist of a ceramic, for example silicon carbide (SiC), or an intermatallic phase, for example of titanium aluminide (TiAl).
  • a suitable valve steel is also possible, for example a valve steel with the designation 1.4882 or X50CrMnNiNb21_9 with 0.5% by weight carbon, 21% by weight chromium, 9% by weight manganese, 4% by weight nickel , 2% by weight of niobium or tungsten and the rest of iron.
  • the valve disk can consist of a titanium-based alloy, which contains, in particular, aluminum as further alloy components.
  • Steel is of course also suitable for intake valves, for example one with the designation 1.4718 or X45CrSi9_3 with 0.45% by weight carbon, 9% by weight chromium, 3% by weight silicon and the rest iron.
  • the valve disk 3 is provided with a continuous center opening 4, which is adapted in terms of its diameter and profile to the shape of the valve stem or the plug pin 17.
  • the parts are matched to each other with a press fit, so that the valve disc sticks to it captively after being plugged onto the plug pin.
  • the plate-side, annular contact surface 5 for the shaft-side collar 7, which is arranged axially in the interior of the central opening 4 in the illustrated embodiment, is to be emphasized in this connection. Due to the recessed arrangement of the contact surface 5, the transition point from the smaller to a larger diameter of the valve stem is axially shifted from the critical point on the upper side of the valve plate into the interior of the valve plate, which is advantageous with regard to the fatigue strength of the built valve.
  • a method variant for producing the valve stem 2 ' will be discussed in more detail below with reference to the sequence of images in FIGS. 2a to 2e.
  • the starting product in this process is a pipe section 13 "(FIG. 2a) with a greater wall thickness than the pipe section 13 according to FIG. 1a.
  • the depth-limiting shaft-side collar 7 ' is obtained by machining the pipe wall on the outside After this machining, the valve stem blank has - apart from the collar 7 '- largely the same wall thickness as the pipe section
  • FIGS. 2c to 2e relate to the end-side shaping and closing of the valve stem blank in the roll flow process, with the formation of the plug pin 17 '.
  • These processing operations largely correspond to the method steps described above in connection with FIGS. 1c to 1g, so that reference can be made to the preceding description in so far.
  • the subsequent joining process of the valve plate is also quite analogous to what has already been described above in connection with the two FIGS. 1h and li.
  • valve stem 2 'with machined collar 7' ( Figure 2e) over stem 2 with flow-rolled Collar 7 (FIG. 1g) consists in that the plug pin 17 'of the valve stem, which is inserted in the valve plate, has the same diameter as the stem part lying outside the valve plate, and accordingly there is no change in rigidity over the axial extension of the valve stem 2'.
  • the disadvantage is the greater use of material and the less efficient machining of the federal government 7 'in comparison to the flow rolling process.
  • FIG. 3a A third method variant for producing the valve stem 2 'is described below with reference to the sequence of images in FIGS. 3a to 3e.
  • the starting product in this process is a pipe section 13 (FIG. 3a), which corresponds to the pipe section according to FIG.
  • an end-shaped and closed hollow valve stem as shown in FIG. 3b, is first produced in the flow rolling process in a manner analogous to that described above in connection with FIGS. 1c to 1g.
  • This semi-finished valve stem ( Figure 3b) is still cylindrical at the later transition point to the valve plate, so it does not yet have a depth-limiting collar.
  • such an axially perpendicular collar 7 " is produced on the outer circumference of the valve stem blank by attaching a precisely fitting pipe sleeve 11 on the outside and welding it thereon along a circumferential weld seam 12 in a predetermined axial position.
  • the sleeve 11 has a certain length L. and is welded to the valve stem blank on one side at its end remote from the plate by the ring weld seam 12, which can be carried out, for example, by a laser welding process.
  • the end face of the sleeve facing the valve plate forms an axially perpendicular, depth-limiting collar 7 ".
  • the collar 7 can be relative to the valve stem tube within the scope of the Axially shift the elasticity of the fabric, the greater the length L of the cuff, the greater the amount of this elastic displacement.
  • the part of the closed valve stem 2 "projecting axially beyond the collar 7" forms the present relatively short plug-in pin 17 ".
  • valve plate 3 'to be assembled with the valve stem 2' produced in this way which in this case preferably consists of a ceramic, has a bearing surface 5 'for the collar 7' which is axially deeply displaced into the center of the central opening 4 ', so that it extends to Countersink 6 of the opening edge results in only a small, axial clamping length l, which is significantly less than the axial height of the valve plate 3 'or is also significantly less than the length L of the sleeve 11.
  • the upsetting 8 flow rolling method - preferably in the warm state - is molded into the countersink 6 and a positive connection is established between the stem and the valve plate according to the example of FIGS.
  • the sleeve 11 and the valve disk should be as cold as possible while the upsetting 8 is rolling and the part of the valve stem tube which is inside the sleeve should be as warm as possible. This is also a reason to carry out the molding of the rivet head-like upsetting 8 in the warm state.
  • a temperature compensation between the parts mentioned should only take place after the upsetting 8 has cooled and can no longer plastically deform. An axial preload builds up due to the delayed compensation of such a forced temperature difference.
  • the pre-tension at room temperature that decreases with increasing operating temperature should be selected or aimed for as high as possible. Optimally, the pre-tensioning at room temperature should be close to the elastic limit of the steel material.
  • a rotationally symmetrical wall thickening 16 or 16' is first compressed at the end on the plate side, with which two possible procedural alternatives are addressed.
  • the inside and outside cylindrical wall thickening 16 drawn in full lines is produced by upsetting kneading by means of oscillating shaping hammers acting on the pipe end, the clearance of the pipe being filled by a support mandrel. With this upsetting kneading, the tube is knocked on, in particular in the axial direction, and material is thereby axially forced together, as a result of which the tube wall thickens radially outward after it is supported on the inside.
  • the thickened wall thickening 16 ' is based on a different, namely much simpler method, namely a free hot upsetting. However, it is only the mechanical engineering requirements that make this process easier than upsetting kneading. With regard to process control and its safety, free hot upsetting is difficult to master, at least for large series.
  • the art here is namely to create an optimal heat profile in the longitudinal direction of the pipe end with a changed course of time, namely in accordance with the progress of the compression, in the pipe end. If this goal is missed, it can happen again and again that the heated pipe end bulges uncontrollably under the compressive force before the desired wall thickening is achieved.
  • the free hot upsetting of pipes has mainly established itself as a process for small batch sizes, in which work is carried out with lower levels of automation and with more manual use as well as personal observation and experience.
  • the inside and outside cylindrical wall thickening 16 is produced in accordance with the shaping step indicated in FIG. 4b, the outer diameter of which corresponds approximately to the diameter of the collar 7 "'.
  • FIG. 4d indicates how the end 10 of the valve stem 2 ′′ ′′ which is remote from the plate is closed and shaped.
  • the representation and procedure are quite analogous to FIG. 2e and to what has already been explained in connection with this above only mentioned for the sake of completeness that the shaping of the valve stem end remote from the plate could easily take place only after the valve stem 2 "'and valve disc 3" have been joined.
  • the joining of the valve stem and valve disk is indicated in FIG. 4e.
  • the cold valve plate 3 is plugged with its central receiving opening 4" onto the plug pin 17 '"of the valve stem 2"', which is matched in diameter with press-fit quality, until it rests axially with its annular contact surface 5 on the collar 7 '", the plug on the combustion chamber side of the valve plate initially protrudes by a certain amount.
  • the plug 17 "' is heated to the forming temperature.
  • the part of the plug 17 '''projecting on the combustion chamber side is formed into the upsetting 8', which completely fills the depression 6 of the valve plate on the combustion chamber side and is pre-stressed As the plug pin 17 "'cools, it shrinks axially onto the valve plate, so that a very high axial preload is built up in the joint.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gebauten Hohlschaftventils (1), wobei der Hohlschaft (2) einen die Einstecktiefe des Schaftes in eine Mittenöffnung (4) des Ventiltellers (3) begrenzenden achssenkrechten Bund (7) aufweist. Der Hohlschaft ist an beiden Ende verschlossen, wobei der Steckzapfen (17) die brennraumseitige Begrenzungskontur (6) der Mittenöffnung formschlüssig übergreift und/oder ausfüllt. Zur besonders rationellen Herstellung eines solchen Hohlschaftventils wird der rohrförmige Schaftrohling (13) erfindungsgemäss im Einzelzustand, d.h. vor dem Fügen des Ventiltellers auf den Ventilschaft, zunächst zumindest am tellerseitigen Ende in einem rotationssymmetrischen Umformverfahren umgeformt und dabei unter Bildung eines Steckzapfens das tellerseitige Ende des Ventilschaftes verschlossen. Nach dem Fügen des Ventiltellers auf den Ventilschaft wird das brennraumseitig überstehende Ende des verschlossenen Ventilschaftes in die Erweiterung der Mittenöffnung formschlüssig angestaucht. Vorteilhafter Weise erfolgt auch das Verschliessen des tellerfernen Endes (10) des achssenkrechten Bundes am Aussenumfang des Ventilschaft-Rohlings ebenfalls durch Massivumformung der Rohrwandung, vorzugsweise im Fliessrollverfahren.

Description

Verfahren zur Herstellung eines gebauten Ventils mit Hohlschaft für Hubkolbenmaschinen
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines gebauten Ventils mit Hohlschaft für Hubkolbenmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der älteren Patentanmeldung der Anmelderin gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 100 29 299 AI als bekannt her- vorgeht.
In der DE 100 29 299 AI werden verschiedene bauliche Gestaltungen von gebauten Hohlschaftventilen unter Schutz gestellt, wobei diese Schrift auch auf die Herstellungsverfah- ren der vorgestellten Ventilbauarten eingeht. Gemeinsam im Hinblick auf das Hohlschaftventil nach der älteren Patentanmeldung und dem nach der vorliegenden Erfindung herzustellenden Hohlschaftventil ist, dass das Ventil mit einem massiven Ventilteller mit durchgehender Mittenöffnung zur Auf- nähme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes versehen ist, dass der aus einem Rohrstück gebildete Ventilschaft seinerseits am Außenumfang einen die Einstecktiefe des Ven- tilschaftes in die Mittenöffnung begrenzenden achssenkrechten Bund oder eine ringförmige Anlagefläche aufweist und an seinem tellerseitigen Ende an der brennraumseitigen Begrenzungskontur der Mittenöffnung - diese formschlüssig übergreifend und/oder ausfüllend - aufgeweitet und verschlossen ist und dass der hohle Ventilschaft auch am tellerfernen Ende geschlossen ist. Bei der Herstellung eines solchen Hohl- schaftventils wird nach der o.g. Druckschrift - ausgehend von einem rohrförmigen Ventilschaft-Rohling - zunächst der tiefenbegrenzende achssenkrechte Bund am Außenumfang des Schaftrohlings erzeugt. Im Verlauf des Herstellungsverfahrens wird auch das tellerferne Ende des Ventilschaftes ver- schlössen, indem dort ein Ventilendstück in das Rohr eingesetzt und an ihm festgeschweißt wird, was vor oder nach dem Fügen des Ventiltellers erfolgen kann. Zum Fügen des Ventiltellers wird der am tellerseitigen Ende noch rohrförmig offene, aus einem schweißbaren Werkstoff bestehende Ventil- schaft axial in die Mittenöffnung des Ventiltellers bis zum Anliegen der Schulter eingesteckt und das an der Brennraumseite des Teller überstehende Rohrende aufgeweitet und durch einen eingeschweißten Füllkörper gasdicht verschlossen, wobei die Rohraufweitung durch den Füllkδrper in ihrer Form stabilisiert wird.
Vorteilhaft an dem gebauten, aus der nicht vorveröffentlichten DE 100 29 299 AI bekannten Hohlschaftventil ist das geringe Gewicht des Ventils, welches zum einen durch den hoh- len Ventilschaft und zum anderen dadurch bedingt ist, dass thermisch und/oder tribologisch hoch belastbare Leichtbauwerkstoffe, insbesondere Keramik oder Titanaluminid, für den Ventilteller verwendet werden können. Nachteilig an dem bekannten Ventil ist jedoch, dass für das Schließen des tel- lerseitigen und des tellerfernen Endes des rohrförmigen Schaftes ein gesondertes Füllstück verwendet werden muss, was eine gesonderte Fertigung der Füllstücke und überdies jeweils einen entsprechenden Fügevorgang erfordert. Nachteilig ist ferner, dass der Hohlschaft erst nach dem Fügen des Ventiltellers am tellerseitigen Ende geschlossen werden kann, und zwar in sofern, als hier das Fügen von verschiedenen Bauteilen zu einem mehrteiligen Werkstück einerseits und das Fertigstellen eines der Bauteile andererseits in einem Arbeitsvorgang miteinander verquickt sind. Eine Endkontrolle aller vollständig fertig gestellten Einzelteile vor dem Fügen ist nicht möglich. Im Falle von Ausschuss des erst beim Fügen fertig gestellten Einzelteils müsste das gesamte, mehrteilig zusammengesetzte Werkstück verworfen werden. Dies macht nicht nur die Endkontrolle des Werkstückes kompliziert, sondern verteuert auch die Fertigung.
Über die eingangs genannte Druckschrift hinaus zeigt auch die EP 296 619 AI ein gebautes Ventil mit Hohlschaft, dessen bauliche Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Der rohrförmige Ventilschaft besteht vorzugsweise aus Chrom- Molybdän-Stahl und ist am tellerfernen Ende mit einem geson- derten Schaftendstück aus Keramik oder aus einem temperaturbeständigen martensitischen Stahl verschlossen. Der Ventilteller, der bevorzugt aus der intermetallischen Phase Titan- aluminid bestehen soll, kann durch Präzisionsgießen hergestellt werden. Der fertige Ventilteller ist oberseitig mit einer Sacklochbohrung zur Aufnahme des tellerseitigen Schaftendes versehen. Durch Aufschrumpfen, kalt Einpressen, Löten oder durch eine Kombinationen dieser Verbindungstechniken kann der Ventilschaft in der Sacklochbohrung befestigt sein. In einem dort zeichnerisch dargestellten Fall ist die Leibung der Sacklochbohrung außerdem gewellt ausgebildet, wobei die endseitige Wandung des Schaftrohres unter dem Einfluss von Druck und örtlicher Erwärmung aufgeweitet werden und sich dabei formschlüssig in die bohrungsseitigen Wellen einlegen soll. Bei dem gebauten Hohlschaftventil nach der EP 296 619 AI ist zwar kein gesondertes Füllstück zum Verschließen des tellerseitigen Endes des rohrförmigen Ventilschaftes erforderlich, jedoch steht dem der wesentlich gravierende Nachteil gegenüber, dass die Verbindung zwischen Ventilschaft und Ventilteller unter den sowohl in thermischer als auch in mecha- nischer Hinsicht erheblichen statischen und dynamischen Belastungen nicht ausreichend haltbar ist.
Die DE 197 14 753 AI zeigt das Warmumformen eines Rohrendes zu einem geschlossenen Behälterboden in Form eines Rotation- sellipsoids im Fließrollverfahren. Dabei wird das endseitig auf Schmiedetemperatur erwärmte Rohr in eine drehantreibbare Halterung eingespannt, deren Rotationsachse konzentrisch zur Rohrachse liegt. In axialer Gegenüberstellung zum rotierenden Rohrende ist ein rotierendes und rotationssymmetrisch ausgebildetes Schmiedewerkzeug vorgesehen, dessen Rotationsachse zwar parallel zur Rotationsachse des Rohres aber ex- zentrisch zu ihr angeordnet ist. Die schüsseiförmige, formgebende Oberfläche des Schmiedewerkzeugs entspricht im radial äußeren Bereich dem Meridianquerschnitt des zu formenden Behälterbodens . Die Exzentrizität der Rotationsachsen von Werkstück und Werkzeug ist so gewählt, dass der Außenrand der formgebenden Oberfläche des Schmiedewerkzeuges und der Außenrand des Rohres an einer Umfangsstelle, die in Richtung der Exzentrizität liegt, auf einer gemeinsamen Mantellinie liegen. Zum Umformen des erwärmten Rohrendes werden Werkstück und Werkzeug in der Weise drehangetrieben, dass die sich momentan berührenden Bereiche von Werkstück und Werkzeug in gleicher Richtung und mit etwa der gleichen Geschwindigkeit umlaufen. Durch eine axiale Annäherung des erwärmten Rohrendes an die formgebende Oberfläche des Schmiedewerkzeuges wird die erwärmte Wandung des Rohrendes radial nach innen gebördelt, wobei im Umformprozess reibungsbedingt eine weitere Erwärmung des Rohrendes eintritt . Die radial in Richtung zur Rohrmitte hin umgebördelte Rohrwandung wird in Umfangsrichtung gestaucht und nimmt dadurch an Wandstärke zu. Durch anhaltenden Axialvorschub kann der Bördelvorgang so weit fortgesetzt werden, bis der radial nach innen abgedrängte Rohrwandungsrand sich in der Rohrmitte schließt, wobei er aufgrund der Prozesswärme gasdicht verschweißt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das gattungsgemäß zugrundegelegte Herstellungsverfahren dahingehend zu verbessern, dass das Hohlschaftventil noch rationeller hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Herstellungsverfahrens erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst . Danach wird der rohrförmige Schaf rohling zumindest an dem tellerseitigen Ende durch an sich bekannte rotationssymmetrische Umformverfahren unter Bildung eines Steckzapfens verschlossen, wobei kein gesondertes Füllstück erforderlich ist. Vielmehr wird der für das Verschließen des Rohrendes erforderliche Werkstoff durch Anstauchen oder Umbördeln der Wandung des Schaftrohres aus dem Rohrwerkstoff selber "geholt", d.h. axial und/oder radial nach innen abgedrängt, was durch kostengünstige Umformverfahren wie z.B. das Fließrol- len oder das Rundkneten auf hochrationelle Weise geschieht. Erst nach dem Aufstecken des Ventiltellers auf den solcherart verschlossenen Ventilschaft wird das an der Brennraumseite des Ventiltellers überstehende Ende des Ventilschaftes in die dortige Ansenkung der Mittenöffnung zurückgestaucht und so der Ventilschaft formschlüssig mit dem Ventilteller verbunden. Aufgrund des Wegfalls eines Herstellungsvorganges für einen Verschlusskörper und eines entsprechenden Fügevorganges und aufgrund des Einsatzes der in dieser Anwendung neuartigen, kostengünstigen Umformverfahren wird eine effek- tive und preiswerte Fertigung für das gebaute Hohlschaft- ventil erreicht.
Wenn das Fließrollen im Warmzustand durchgeführt wird - im Umformprozess erwärmt sich der Werkstoff reibungsbedingt selber noch zusätzlich -, schweißt der radial zum Rotationszentrum abgedrängte, auf Schweißwärme erwärmte Werkstoff im Zentrum gasdicht zusammen, wobei es stirnseitig zu einer Wandverdickung kommt . Beim Kaltumformen wird zwar nicht in jedem Fall ein gasdichter Verschluss erzielt, jedoch ist die so erzielte Dichtheit an einem Ende es Ventilschaftes' für den normalen Motorbetrieb ausreichend. Nur im Fall einer Füllung des Hohlschaftes mit einem Kühlmedium ist ein gasdichter Verschluss an beiden Ventilschaftenden erforderlich. Bei einem kalt umgeformten und endseitig verschlossenen Ven- tilschaft würde eine punktförmige, endseitige Schmelz- schweißung zur Absicherung der Gasdichtheit genügen. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
Fig. la bis li eine neunteilige Bilderfolge der verschiedenen Phasen eines ersten Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zur Herstellung von gebauten Hohlschaftventilen, wobei alle Detailformen des Ventilschafts, insbesondere auch der Bund daran im Fließrollverfahren angeformt werden,
Fig. 2a bis 2e eine fünfteilige Bilderfolge der verschiedenen Phasen eines zweiten Verfahrensbeispieles, wobei die Darstellung jedoch auf die Herstellung des Hohl- Schaftes beschränkt ist und wobei der Bund daran durch zerspanende Formgebung erzeugt wird,
Fig. 3a bis 3e ebenfalls eine fünfteilige Bilderfolge der verschiedenen Phasen eines dritten Verfahrensbeispieles, ' wobei der Bund an dem Hohlschaft durch Auf- schweißen einer Rohrmanschette erzeugt wird, und
Fig. 4a bis 4e eine fünfteilige Bilderfolge der verschiedenen Phasen eines vierten Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zur Herstellung von gebauten Hohlschaftventilen, wobei der zunächst rohrförmige Ventilschaft am tellerseitigen Ende durch Stauchen und Rundkneten verschlossen und dort ein massiver Aufsteckzapfen erzeugt wird.
Übereinstimmend bei den vier zeichnerisch angedeuteten Aus- führungsbeispielen für' ein Verfahren zur Herstellung eines gebauten Hohlschaftventils für Hubkolbenmaschinen sind zunächst gewisse bauliche Gesaltungsmerkmale des gebauten Ventils selber. Und zwar ist das Ventil 1, l1 bzw. 1" mit einem Ventilteller 3, 3' bzw. 3" mit durchgehender Mittenöffnung 4, 4', 4" zur Aufnahme des tellerseitigen Endes des hohlen Ven- tilschaftes 2, 2', 2", 2"' versehen, welcher in vier verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigt ist. Bei der Herstellung des hohlen Ventilschaftes wird an diesem außenseitig zunächst ein die Einstecktiefe des Ventilschaftes in die Mit- tenöffnung begrenzender achssenkrechter Bund 7, 7', 7", T" oder eine ringförmige Anlagefläche angeformt. Am tellerseitigen oder brennraumseitigen Ende und auch am tellerfernen Ende ist der hohle Ventilschaft unter Bildung eines Steckzapfens 17, 17', 17", 17'" verschlossen. Nach dem Einstecken des Ven- tilschaftes in die Mittenöffnung 4, 4', 4" des Ventiltellers wird das brennraumseitig überstehende Ende des Ventilschaftes durch einen Umformvorgang aufgeweitet, wobei die sich nach unten erweiternde, brennraumseitige Begrenzungskontur 6 der Mittenöffnung 4, 4', 4" durch die Anstauchung 8, 8' des Ven- tilschaftendes formschlüssig ausgefüllt wird.
Um das Hohlschaftventil besonders rationell herstellen zu können, wird erfindungsgemäß in allen vier Vefahrensvarianten ein an sich bekanntes rotationssymmetrisch wirksames Umform- verfahren - insbesondere Fließrollen oder Rundkneten - zur Umformung des Ventilschaftrohlings eingesetzt. Übereinstimmender Gedanke aller zeicherisch angedeuteten Verfahren ist, dass der rohrförmige Schaftrohling 13, 13' im Einzelzustand, d.h. vor dem Fügen des Ventiltellers auf den Ventilschaft, zunächst zumindest am tellerseitigen Ende, vorzugsweise im Warmzustand, radial nach innen abgedrängt und dabei in der Weise und so weit umgeformt wird, dass das tellerseitige Ende des Ventilschaftes dicht, vorzugsweise gasdicht, verschlossen wird. Bei ausreichender Prozesswärme verschweißt die Rohrwan- düng zentrisch - Verschluss 14 bzw. 14' - gegen Ende des Umformprozesses selbsttätig. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wird außerdem das tellerferne Ende 10 im Fließrollverfahren geformt und verschlossen - Verschluss 15. Nach dem Aufstecken des Ventiltellers 3, 3', 3" auf den Ventilschaft 2, 2', 2", 2"' bis an den Bund 7, 7', 7", 7'" wird das brennraumseitig überstehende Ende des verschlossenen Ventilschaftes in die brennraumseitige Begrenzungskontur 6 der Mitten- Öffnung 4, 4', 4" formschlüssig unter Bildung der Verdickung 8 bzw. 8' angestaucht, wodurch eine formschlüssige Verbindung zwischen Ventilschaft und Ventilteller zustande kommt.
Einzelheiten und Varianten des Herstellungsverfahrens sollen nachfolgend anhand der zeichnerisch dargestellten Bilderfolgen erläutert werden, wobei das Grundsätzliche des Verfahrens im Zusammenhang mit der ersten Phasenfolge nach den Figuren la bis li geschildert wird:
Gemäß Figur la wird zur Herstellung des Ventilschaftes 2 von einem auf eine bestimmte Länge abgelängten Rohrstück 13 als Rohling ausgegangen, dessen Außendurchmesser - abgesehen von einem geringen Bearbeitungsaufmaß - dem gewünschten Durchmes- ser des fertigen Ventilschaftes entspricht. Die Wanddicke des Ausgangsrohres ist entsprechend den Beanspruchungen des Ventilschaftes gewählt; sie dürfte bei Ventilen für Pkw-Motoren im Bereich von etwa 1 bis 2,5 mm liegen. Der Werkstoff des Rohrstückes 13 entspricht einem für Ventile üblichen legier- ten Stahl, wobei für ein thermisch stärker beanspruchtes Auslassventil ein hochwarmfesten Chrom/Nickel-Stahl und für ein thermisch weniger stark beanspruchtes Einlassventil ein korrosionsbeständiger Stahl vorgesehen werden kann. Beispielsweise kann der Ventilschaft für Auslassventile aus einem Ven- tilstahl der Bezeichnung 1.4571 oder X6CrNiMo_17_12_2 mit 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 17 Gew.-% Chrom, 12 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Molybdän und Rest Eisen bestehen. Für die Ventilschäfte von Einlassventilen seien als Beispiele folgende Stähle erwähnt, wobei die Zusammensetzung in Gewichtsprozent genannt ist und als Rest stets Eisen auf 100 % zu ergänzen ist:
> 1.4006 oder X10Crl3 mit 0,10 % Kohlenstoff und 13 % Chrom,
> 1.4113 oder X6CrMol71 mit 0,06 % C, 17 % Cr, 1 % Mo,
> 1.4301 oder X8Crnil8_10 mit 0,08 % C, 18 % Cr, 10 % Ni.
Das Rohrstück 13 wird gemäß den Figuren lb und folgende in ein rotierendes Spannfutter 20 eingespannt, welches axial auf einen gegenüberliegenden Rollkopf mit definierter Vorschubge- schwindigkeit vorgeschoben werden kann. Das Werkstück und der Rollkopf rotieren mit gleichsinniger Umfangsgeschwindigkeit. Es versteht sich im Hinblick auf die Vorschubbewegung innerhalb des Umformprozesses, dass es sich hierbei lediglich um eine Relativbewegung von Werkstück zu Werkzeug handelt. Es ist also ohne weiteres auch denkbar, dass das Werkstück axial vorgeschoben wird und dass der Rollkopf stillsteht.
Die zuletzt genannte Alternative mit axial stillstehendem Werkstück und axial verschiebbaren Rollkopf erscheint im Hinblick auf eine Bearbeitungsmaschine in Revolverbauart durchaus sinnvoll. Dabei können die am Umfang einer schrittweise revolvierenden Trommel rotierend aufgenommenen Ventilschaftrohlinge an beiden Enden gleichzeitig durch axial verschieb- bare Rollköpfe bearbeitet werden. Während der Rotation des Werkstücks kann dieses bedarfsweise axial lokal, aber um- fangsmäßig gleichmäßig durch eine ortsfeste Wärmequelle, z.B. durch einen Brenner oder einen Induktor, erwärmt werden. Bei Einsatz einer Bearbeitungsmaschine in Revolverbauart kann nach jedem Revolverschritt der Trommel ein fertiggestellter
Ventilschaft ausgeworfen und ein neuer Rohling 13 an die entsprechende Stelle der Trommel eingespannt werden. Auch der Fügevorgang gemäß den Figuren lh und li könnte u.U. in eine solche Maschine in Revolverbauart integriert sein. Der Voll- ständigkeit halber sei erwähnt, dass anstelle einer Maschine in Revolverbauart auch eine solche in Karusselbauart mit taktweise weiterdrehendem Bearbeitungstisch mit mehreren, vertikal ausgerichteten Bearbeitungsstationen einsetzbar ist.
Bei der in Figur 1b dargestellten Arbeitsstation wird der tiefenbegrenzende, achssenkrechte Bund 7 am Außenumfang des Ventilschaft-Rohlings 13 durch Massivumformung der Rohrwandung im Fließrollverfahren mittels des Rollkopfes 21 erzeugt. Hierbei kann die Rohrwandung lokal im Umformungsbereich und kurzzeitig auf Umformungstemperatur erwärmt werden, was innerhalb des Prozesses z.B. durch Induktionserwärmung oder durch eine strich-punktiert angedeutete offene Flamme erfol- gen kann. Eine örtlich gezielte Erwärmung der Rohrwandung ist auch mittels eines defokussierten, auf die Erwärmungsstelle gerichteten Laserstrahles denkbar. Die lokale Erwärmung des Werkstücks gilt gegebenenfalls auch für die anderen Umform- Stationen, weshalb sie in den nachfolgenden Stationen zeichnerisch nicht mehr angedeutet ist.
Grundsätzlich hängt es in erster Linie von der Duktilität des verwendeten Werkstoffs und von dem zur Erzielung der ge- wünschten Form erforderlichen Umformungsgrad ab, ob die Umformung im sog. kalten Zustand oder nach Erwärmung des Werkstoffs auf Umformtemperatur erfolgen soll. Bei Umformung im Warmzustand kann zugleich ein gasdichter Verschluss erreicht werden. Bei Kaltumformung muss gegebenenfalls eine punktuelle Schmelzschweißung am Schaftende vorgenommen werden, um einen gasdichten Verschluss gewährleisten zu können.
In den Figuren lc und ld ist das gasdichte Verschließen 14 des zuvor im Durchmesser reduzierten und mit einem achssenk- rechten Bund 7 versehenen, tellerseitigen Endes des Ventilschaftes 2 in zwei unterschiedlichen Phasen dargestellt. Die endseitig auf Umformtemperatur erwärmte Rohlingwandung wird durch den Rollkopf 22 im Fließrollverfahren radial nach innen gebördelt, wobei die Wandungsstirnseiten im Zentrum aufeinan- der treffen und an der Verschlussstelle 14 gasdicht verschweißen.
Das Durchmesserreduzieren und Anformen eines achssenkrechten Bundes 7, d.h. die Ausbildung des Steckzapfens 17, kann bei geeigneter Gestaltung eines Rollkopfes u.U. auch in einem einheitlichen Fließrollvorgang erfolgen.
Bei den in den Figuren le bis lg gezeigten Arbeitsstationen wird das tellerferne Ventilschaftende 10 bearbeitet, weshalb hier das Werkstück in ein anderes Spannfutter 23 aufgenommen ist. Für den Fall einer Bearbeitung der Ventilschäfte in einer hochrationellen Maschine in Revolver- oder Karusselbauart ist an dieser stelle selbstverständlich die scheibenartige Trommel zu denken, an deren Umfang die einzelnen Ventilschaftrohlinge in der Weise aufgenommen sind, dass ihre beiden Enden an den gegenüberliegend Stirnseiten der Trommel a- xial frei abragen.
In der Arbeitstation nach Figur le 'wird, vorzugsweise nach lokaler Erwärmung der Rohrwandung entlang eines Umfangsstrei- fens auf Umformungstemperatur, die im Querschnitt halbkreis- förmige Umfangsrille für ein Paar von Sicherungskeilen durch den Rollkopf 24 angeformt. Dabei wird ein Satz von Umformrollen während der relativen Rotation von Werkstück und Werkzeug in die vorzugsweise erwärmte Stelle der Rohrwandung radial in diese eingedrückt. Vor der Weiterbearbeitung des Ventilschaf- tes an einer anderen Stelle wird die Rille 9 gegebenenfalls auf zwangskonvektive Weise abgekühlt.
In der nachfolgenden Arbeitsstation - Figur If - wird die erwärmte Wandung des Rohrendes durch den Rollkopf 25 radial nach innen gebördelt und zusammen geschweißt, so dass mittig ein gasdichter Verschluss 15 entsteht. In einer weiteren Arbeitsstation gemäß Figur lg wird die zunächst gewölbte Wandung des Ventilschaftendes durch den Rollkopf 26 in eine ebene, achssenkrechte Form umgeformt. Damit ist der Ventilschaft 2 fertig gestellt.
Der in einer stehenden Orientierung - Ventilteller 3 unten und Ventilschaft 2 oben - dargestellte Fügevorgang von Ventilschaft und Ventilteller ist in zwei Phasen gemäß den Figu- ren lh und li gezeigt. Der Ventilschaft ist in einem Spannfutter 23' in der Weise aufgenommen, dass das tellerseitige Schaftende axial frei abragt.
Der Ventilteller besteht zweckmäßigerweise aus einem bezüg- lieh des jeweiligen Einsatzfalles optimierten Werkstoff, wobei aufgrund der mehrteiligen Bauweise des Ventils insbesondere ein Leichtbauwerkstoff verwendet werden kann. Bei ther- misch höher beanspruchten Auslassventilen kann der Ventilteller aus einer Keramik, beispielsweise Siliciumcarbid (SiC) oder aus einer intermatallischen Phase, z.B. aus Titanalumi- nid (TiAl) bestehen. Selbstverständlich kommt auch ein geeig- neter Ventilstahl in Frage, beispielsweise ein Ventilstahl mit der Bezeichnung 1.4882 oder X50CrMnNiNb21_9 mit 0,5 Gew.- % Kohlenstoff, 21 Gew.-% Chrom, 9 Gew.-% Mangan, 4 Gew.-% Nickel, je 2 Gew.-% Niob bzw. Wolfram und Rest Eisen. Bei thermisch weniger beanspruchten Einlassventilen kann der Ventil- teller aus einer Titan-Basislegierung bestehen, die als weitere Legierungsbestandteile insbesondere Aluminium enthält. Für Einlassventile kommt selbstverständlich auch Stahl, z.B. ein solcher mit der Bezeichnung 1.4718 oder X45CrSi9_3 mit 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 9 Gew.-% Chrom, 3 Gew.-% Silizium und Rest Eisen in Frage.
Der Ventilteller 3 ist mit einer durchgehenden Mittenöffnung 4 versehen, die bezüglich ihres Durchmessers und Profils an die Form des Ventilschaftes bzw. des Steckzapfens 17 ange- passt ist. Die Teile sind mit einer Presspassung auf einander abgestimmt, so dass der Ventilteller nach dem Aufstecken auf den Steckzapfen verliersicher an ihm haften bleibt. Hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang zum einen die tellerseitige, ringförmige Anlagefläche 5 für den schaftseitigen Bund 7, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel axial im Inneren der Mittenöffnung 4 angeordnet ist. Aufgrund der versenkten Anordnung der Anlagefläche 5 ist die Übergangsstelle vom kleineren zu einem größeren Durchmesser des Ventilschaftes von der kritischen Stelle an der Oberseite des Ventiltellers axi- al in das Innere des Ventiltellers verlagert, was im Hinblick auf die Dauerfestigkeit des gebauten Ventils von Vorteil ist.
Zu erwähnen ist ferner die konische Ansenkung 6 des brenn- raumseitigen Randes der Mittenöffnung . Nach dem Aufstecken des Ventiltellers 3 auf den Steckzapfen 17 bis zur gegenseitigen Berührung der beiden ringförmigen Anlageflächen 5 bzw. 7 (Zustand gemäß Figur lh) steht das verschlossene Ventil- schaftende an der Brennraumseite des Ventiltellers axial geringfügig über. Sobald der Ventilteller auf das Schaftende aufgesteckt ist, wird die aus Teller und Schaft bestehende Montage-Einheit gleichachsig oberhalb des Rollkopfs 27 posi- tioniert. Nach Erwärmung des überstehenden Endes des Ventilschaftes wird dieses durch den Rollkopf 27 angestaucht, so dass die Anstauchung 8 die Ansenkung 6 formschlüssig ausfüllt. Das Ventil ist damit im Rohzustand fertig gestellt.
Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf die Bilderfolge der Figuren 2a bis 2e auf eine Verfahrensvariante zur Herstellung des Ventilschaftes 2' näher eingegangen werden. Ausgangsprodukt bei diesem Verfahren ist ein Rohrstück 13" (Figur 2a) mit einer größeren Wanddicke als das Rohrstück 13 gemäß Figur la. Bei dem in den Figuren 2a bis 2e dargestellten Verfahren wird der tiefenbegrenzende, schaftseitige Bund 7' durch eine außenseitige spanabhebende Bearbeitung der Rohrwandung des Ventilschaft-Rohlings erzeugt. Nach dieser spanabhebenden Bearbeitung weist der Ventilschaft-Rohling - abgesehen von dem Bund 7' - weitgehend die gleiche Wanddicke wie das Rohrstück
13 nach Figur la auf. Diese Bearbeitung kann zugleich mit dem Ablängen des Rohrstückes 13' von einem längeren Halbzeug-Rohr auf einem Drehautomaten vorgenommen werden. Die übrigen in den Figuren 2c bis 2e dargestellten Bearbeitungsvorgänge be- treffen das endseitige Formen und Verschließen des Ventilschaft-Rohlings im Rollfließverfahren unter Bildung des Steckzapfens 17'. Diese Bearbeitungsvorgänge stimmen weitgehend mit den weiter oben im Zusammenhang mit den Figuren lc bis lg beschriebenen Verfahrensschritten überein, so dass in soweit auf die vorausgehende Beschreibung verwiesen werden kann. Auch der sich daran anschließende Fügevorgang des Ventiltellers ist ganz analog zu dem, was im Zusammenhang mit den beiden Figuren 1h und li weiter oben bereits beschrieben worden ist.
Der Vorteil des Ventilschaftes 2 ' mit spanabhebend erzeugtem Bund 7 ' (Figur 2e) gegenüber dem Schaft 2 mit fließgerolltem Bund 7 (Figur lg) besteht darin, dass der im Ventilteller steckende Steckzapfen 17' des Ventilschaftes den gleichen Durchmesser aufweist, wie der außerhalb des Ventiltellers liegende Schaftteil und dass demgemäß keine Steifigkeitsver- änderung über die axiale Erstreckung des Ventilschaftes 2 ' vorliegt. Nachteilig ist hingegen der größere Materialeinsatz und die im Vergleich zum Fließrollverfahren weniger rationelle Spanbearbeitung des Bundes 7 ' .
Unter Bezugnahme auf die Bilderfolge der Figuren 3a bis 3e sei nachfolgend eine dritte Verfahrensvariante zur Herstellung des Ventilschaftes 2' geschildert. Ausgangsprodukt bei diesem Verfahren ist ein Rohrstück 13 (Figur 3a) , welches bezüglich der Wanddicke dem Rohrstück gemäß Figur la ent- spricht. Aus dem Rohrstück 13 nach Figur 3a wird zunächst in ganz analoger Weise wie weiter oben im Zusammenhang mit den Figuren lc bis lg bereits geschildert im Fließrollverfahren ein endseitig geformter und verschlossener hohler Ventilschaft hergestellt, wie er in Figur 3b gezeigt ist. Dieser halbfertige Ventilschaft (Figur 3b) ist an der späteren Übergangsstelle zum Ventilteller noch zylindrisch ausgebildet, weist also noch keinen tiefenbegrenzenden Bund auf.
Gemäß der in Figur 3c angedeuteten Herstellungsphase wird ein solcher achssenkrechter Bund 7" am Außenumfang des Ventilschaft-Rohlings durch außenseitiges Aufstecken einer passgenauen Rohrmanschette 11 und Festschweißen derselben an ihm entlang einer Umfangsschweißnaht 12 in einer vorbestimmten Axialposition erzeugt. Die Manschette 11 weist eine bestimmte Länge L auf und ist einseitig an ihrem tellerfernen Ende durch die Ringschweißnaht 12, die z.B. durch ein Laserschweißverfahren durchgeführt werden kann, mit dem Ventilschaft-Rohling verschweißt. Die dem Ventilteller zugewandte Stirnseite der Manschette bildet einen achssenkrechten, tie- fenbegrenzenden Bund 7". Aufgrund der einseitigen Verschweißung 12 der Manschette 11 an dem Ventilschaftrohr kann sich der Bund 7" relativ zum Ventilschaftrohr im Rahmen der Werk- stoff-Elastizität axial verlagern, wobei diese elastisch bedingte Verlagerungsstrecke um so größer ist, je größer die Lange L der Manschette ist. Der über den Bund 7" axial überstehende Teil des verschlossenen Ventilschaftes 2" bildet den vorliegend relativ kurzen Steckzapfen 17".
Der mit dem solcherart hergestellten Ventilschaft 2" zu montierende Ventilteller 3', der in diesem Fall vorzugsweise aus einer Keramik besteht, weist eine axial tief ins Innere der Mittenöffnung 4' verlagerte Anlagefläche 5' für den Bund 7" auf, so dass sich bis zur Ansenkung 6 des Öffnungsrandes eine nur geringe, axiale Klemmlänge l ergibt, die deutlich geringer ist als die axiale Höhe des Ventiltellers 3' oder auch deutlich geringer ist als die Länge L der Manschette 11. Nach dem strammen Aufstecken des Ventiltellers 3' auf den Ventilschaft 2" (Figur 3d) wird nach dem Vorbild der Figuren lh und li und der zugehörigen Beschreibung die Anstauchung 8 Fließrollverfahren - vorzugsweise im Warmzustand - in die Ansenkung 6 eingeformt und eine formschlüssige Verbindung zwischen Schaft und Ventilteller hergestellt.
Wichtig bei dem Fügevorgang von Teller und Schaft ist, dass im Falle der Ausbildung des Ventiltellers aus einer Keramik, die einen deutlich geringeren Temperaturausdehnungskoeffi- zienten als Stahl hat, die Formschlussverbindung bei Raumtemperatur des fertigen Ventils unter möglichst hoher axialer Vorspannung steht. Nur aufgrund der hohen axialen Vorspannung der Fügestelle und aufgrund der besonderen Ausgestaltung des elastisch verlagerbaren Bundes 7" mit Vorspannkraft-Reserve kann sichergestellt werden, dass auch bei Betriebstemperatur des Ventiles der Keramikteller 3 ' noch mit einer gewissen Rest-Vorspannung am Ventilschaft festgeklemmt bleibt. Je größer das Verhältnis von Manschettenlänge L zu Klemmlänge 2 ist, um so größer ist die Vorspannkraft-Reserve der Verbin- düng. Es kann daher durchaus zweckmäßig sein, die Manschette 11 über nahezu die gesamte Länge des Ventilschaftes zu er- strecken, wie dies in Figur 3c strich-punktiert angedeutet ist.
Um eine möglichst hohe axiale Vorspannung der Formschlussver- bindung gewährleisten zu können, sollte die Manschette 11 und der Ventilteller während des Fließrollens der Anstauchung 8 möglichst kalt und der innerhalb der Manschette steckende Teil des Ventilschaftrohres möglichst warm sein. Auch dies ist ein Grund, das Anformen der nietkopfähnlichen Anstauchung 8 im Warmzustand vorzunehmen. Ein Temperaturausgleich zwischen den genannten Teilen sollte erst stattfinden können, nachdem die Anstauchung 8 erkaltet ist und sich nicht mehr plastisch verformen kann. Durch den verzögerten Ausgleich einer solchen erzwungenen Temperaturdifferenz baut sich eine axiale Vorspannung auf. Mit Rücksicht auf die Hohen Betriebstemperaturen insbesondere von Auslassventilen sollte die mit zunehmender Betriebstemperatur nachlassende Vorspannung bei Raumtemperatur so hoch wie möglich gewählt bzw. angestrebt werden. Optimaler weise sollte die Füge-Vorspannung bei Raum- temperatur nahe bei der Elastizitätsgrenze des Stahlwerkstoffes liegen.
Schließlich sei auch noch auf das vierte Ausführungsbeispiel eines Ventils 1" mit dem hohlen Ventilschaft 2"' und dem Ven- tilteller 3" gemäß der Bilderfolge der Figuren 4a bis 4e eingegangen, welches sich an das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2a bis 2e anlehnt. Der wesentliche Unterschied bei dieser vierten Verfahrensvariante besteht vor allem in der Art der Anformung des Bundes 7"' am Ventilschaft 2 " ' und in der Art der Herstellung des Verschlusses 14' am tellerseitigen Ende des Schaftrohlings. Bei diesem Verfahren wird nicht das Fließrollen, sondern das Rundkneten als einem ebenfalls an sich bekannten, rotationssymmetrisch wirksamen Umformverfahren eingesetzt. Ausgehend von einem deutlich länger als der spätere Ventilschaft 2 " ' bemessenen, rohrförmigen Schaftrohling 13" wird zunächst am tellerseitigen Ende eine rotationssymmetrische Wandverdickung 16 oder 16' angestaucht, womit zwei mögliche Verfahrensalternativen angesprochen sind. Die in vollen Linien gezeichnete, innen und außen zylindrische Wandverdickung 16 wird durch ein Stauchkneten mittels oszillierender, auf das Rohrende einwirkender Formhämmer erzeugt, wobei der Lichtraum des Rohres durch einen Stützdorn ausgefüllt ist. Bei diesem Stauchkneten wird insbesondere in Axialrichtung hämmernd auf das Rohr eingewirkt und dadurch Werkstoff axial zusammengedrängt, wodurch die Rohrwandung sich radial nach außen aufdickt, nachdem sie innenseitig abge- stützt ist. Durch radiales Hämmern in diesem sich aufdickenden Wandungsbereich wird dafür gesorgt, dass die Außenkontur eine zylindrische Form beibehält. Dieses Stauchkneten kann im Warmzustand, bei ausreichender Duktilität des Werkstoffes, die meist gegeben ist, aber auch im Kaltzustand durchgeführt werden.
Der strichpunktiert angedeuteten, im Querschnitt keulenförmigen Wandverdickung 16' liegt ein anderes, nämlich wesentlich einfacheres Verfahren zugrunde, und zwar ein freies Warmstau- chen. Allerdings sind es lediglich die maschinenbaulichen Voraussetzungen, die dieses Verfahren einfacher als das Stauchkneten gestalten. Was die Prozessführung und deren Sicherheit anbelangt, ist das freie Warmstauchen zumindest bei großen Serien nur schwierig zu beherrschen. Die Kunst hierbei ist nämlich, ein optimales Wärmeprofil in Längsrichtung des Rohrendes bei verändertem zeitlichen Verlauf, nämlich entsprechend dem Fortschreiten der Anstauchung, im Rohrende zu erzeugen. Wird dieses Ziel verfehlt, so kann es u.U. immer wieder vorkommen, dass das erwärmte Rohrende unter der Stauchkraft unkontrolliert ausbeult, bevor die erwünschte Wandaufdickung erreicht ist. Aus diesem Grunde hat sich das freie Warmstauchen von Rohren hauptsächlich als Verfahren für kleine Losgrößen in der Praxis etabliert, bei denen bei geringeren Automationsgraden und mit mehr manuellem Einsatz so- wie persönlicher Beobachtung und Erfahrung gearbeitet wird. Durch das mit größerer Prozessicherheit beherrschbare Stauchkneten wird also gemäß dem in Figur 4b angedeuteten Umformschritt die innen und außen zylindrische Wandaufdickung 16 erzeugt, deren Außendurchmesser etwa dem Durchmesser des Bun- des 7"' entspricht. In einer anschließenden Umformstufe - siehe Figur 4c - wird durch Rundkneten, d.h. durch radiales Hämmern der in der Wandaufdickung axial angesammelte Werkstoff so weit radial nach innen verdrängt, bis der Lichtraum im Bereich des Rohrendes völlig beseitigt ist und der Rohr- Werkstoff dort zu einem massiven Steckzapfen 17"' kompaktiert ist, dessen Durchmesser etwa dem Außendurchmesser des Ventilschaftes 2"' in dessen rohrförmigen Bereich entspricht. Die Innenoberfläche der Rohrwandung wird im Zentrum des Zapfens 17 zu einem fadenförmigen Spalt mit der Querschnittsfläche Null reduziert. Falls dieser Umformschritt im Warmzustand durchgeführt wird, kommt es bei dieser Kompaktierung zu einem gasdicht verschweißten Verschluß 14'. Wird das Rundkneten dieses Umformschrittes hingegen im kalten Zustand durchgeführt, so kann zwar nicht in jedem Fall und/oder dauerhaft ein gasdichter Verschluss gewährleistet werden, jedoch ist dies zumindest dann nicht erforderlich, wenn der hohle Ventilschaft 2"' nicht mit einem Kühlmedium gefüllt wird. Wichtig ist allerdings, dass der hohle Ventilschaft zumindest an einem seiner beiden Enden gasdicht verschlossen ist. Gegebe- nenfalls könnte der Verschluss 14' durch eine stirnseitig angebrachte, punktförmige Schmelzschweißung zuverlässig und dauerhaft gegen Gasaustausch abgedichtet werden.
In Figur 4d ist angedeutet, wie das tellerferne Ende 10 des Ventilschaftes 2"' verschlossen und geformt wird. In soweit ist die Darstellung und Vorgehensweise ganz analog zu Figur 2e und dem, was im Zusammenhang damit weiter oben bereits ausgeführt wurde. An dieser Stelle sei lediglich der Vollständigkeit halber erwähnt, dass das Fassonieren des teller- fernen Ventilschaftendes ohne weiteres erst nach dem Fügen von Ventilschaft 2" ' und Ventilteller 3" erfolgen könnte. Schließlich ist in Figur 4e das Fügen von Ventilschaft und Ventilteller angedeutet. Der kalte Ventilteller 3" wird mit seiner zentrischen Aufnahmeöffnung 4" auf den im Durchmesser mit Pressitz-Qualität abgestimmten Steckzapfen 17'" des Ven- tilschaftes 2" ' aufgesteckt, bis er mit seiner ringförmigen Anlagefläche 5 axial am Bund 7'" satt anliegt, wobei der Steckzapfen an der Brennraumseite des Ventiltellers zunächst um ein bestimmtes Maß übersteht. Der Steckzapfen 17"' ist dabei auf Umformtemperatur erwärmt. Anschließend wird möglichst rasch, d.h. noch bevor es zu einem nennenswerten Temperaturausgleich zwischen den Fügepartnern kommt, der brennraumsei- tig überstehende Teil des Steckzapfens 17'" zu der Anstauchung 8' umgeformt, die die brennraumseitige Ansenkung 6 des Ventiltellers vollständig und unter Vorspannung ausfüllt. Nach dem Abkühlen des Steckzapfens 17"' schrumpft dieser axial auf den Ventilteller auf, so dass in der Fügestelle eine sehr hohe axiale Vorspannung aufgebaut wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines gebauten Hohlschaftventils für Hubkolbenmaschinen, wobei das Ventil mit einem Ventilteller mit durchgehender Mittenöffnung zur Aufnahme des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes versehen ist, welcher aus einem Rohrstück gebildete Ventilschaft seinerseits am Außenumfang einen die Einstecktiefe des Ventilschaftes in die Mittenöffnung begrenzenden achssenkrechten Bund oder eine ringförmige Anlagefläche aufweist und an seinem tellerseitigen Ende an der brenn- raumseitigen Begrenzungskontur der Mittenöffnung - diese formschlüssig übergreifend und/oder ausfüllend - aufgeweitet und verschlossen ist und der auch am tellerfernen Ende geschlossen ist, bei welchem Herstellungsverfahren zunächst der tiefenbegrenzende achssenkrechte Bund am Außenumfang des rohrförmigen Ventilschaft-Rohlings er- zeugt und im Herstellungsverlauf auch das tellerferne Ende des Ventilschaftes verschlossen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der rohrförmige Schaftrohling (13, 13', 13") im Einzelzustand, d.h. vor dem Fügen des Ventiltellers (3, 3', 3") auf den Ventilschaft (2, 2', 2", 2'"), zunächst zumindest am tellerseitigen Ende in einem rotationssymmetrisch wirksamen Massivumformverfahren, nämlich durch Rundkneten, Fließrollen oder Stauchen im Kalt- oder Warmzustand, in der Weise und so weit umgeformt wird, dass das tellerseitige Ende des Ventilschaftes unter Bildung eines Steckzapfens (17, 17', 17", 17'") ver- schlössen (Verschluss 14, 14') und nach dem Aufstecken des Ventiltellers (3, 3', 3") auf den Ventilschaft (2, 2', 2", 2'") bis an den Bund (7, 7', 7", 7'") das brenn- raumseitig überstehende Ende des verschlossenen Ventil- Schaftes (2, 2', 2", 2'") in die brennraumseitige Begrenzungskontur (6) der Mittenöffnung (4, 4', 4") formschlüssig angestaucht (Anstauchung 8, 8') wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , da ss das Erzeugen des tiefenbegrenzenden achssenkrechten Bundes (7'") am Außenumfang des Ventilschaft-Rohlings (13") zweistufig erfolgt, nämlich zunächst durch Aufdicken der Wandung des rohrförmigen Rohlings im Wege des axialen An- Stauchens von Wandungswerkstoff auf einer Länge, die etwa der Länge des erforderlichen Steckzapfens (17'") zuzüglich der Länge des zu erzeugenden Bundes (7'") entspricht, und anschließend durch radiales Kompaktieren des Schaftrohlings im Bereich des aufgedickten Wandungsbereiches auf Innendurchmesser Null, wobei außenseitig der Bund (7"') mit angeformt wird
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das Aufdicken der Wandung des rohrförmigen Schaftrohlings
(13") im Wege des axialen Anstauchens durch Rundkneten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das Erzeugen des tiefenbegrenzenden achssenkrechten Bundes (7) am Außenumfang des Ventilschaft-Rohlings (13) durch Umformung der Rohrwandung im Fließrollverfahren erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das Fließrollen des achssenkrechten Bundes (7) und das gasdichte Verschließen (14) des tellerseitigen Endes des Ventilschaftes (2) im Fließrollen durch Innenbördeln in einem einheitlichen, im Warmzustand durchgeführten Fließrollvorgang erfolgen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t , d a ss das Erzeugen des tiefenbegrenzenden achssenkrechten Bundes (7') am Außenumfang des Ventilschaft-Rohlings (13') durch spanabhebende Bearbeitung der Rohrwandung erfolgt, wobei der Außendurchmesser des Ventilschaft-Rohlings (13') vor dem Abspanen etwa dem Außendurchmesser des zu erzeugenden Bundes (7') entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das Erzeugen des tiefenbegrenzenden achssenkrechten Bundes (7") am Außenumfang des Ventilschaft-Rohlings (13) durch außenseitiges Aufstecken einer passgenauen Rohrmanschette (11) auf das Rohr (13) und Festschweißen derselben an ihm in einer vorbestimmten Axialposition vorzugsweise entlang einer Umfangsschweißnaht (12) , erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss der rohrförmige Schaftrohling (13, 13') am tellerseitigen En- de im Fließrollverfahren nach innen gebördelt und dabei verschlossen (Verschluss 14) wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r ch g e k e n n z e i c h n e t , d a ss der Ventilschaft (2, 2', 2", 2'") gasdicht verschlossen wird (Verschluss 14, 14') .
10. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das gasdichte Verschließen (Verschluss 14, 14') des Ventilschaftes (2, 2', 2", 2'") im Umformprozess aus einer ent- sprechenden Erwärmung heraus erfolgt,
11. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das gasdichte Verschließen (Verschluss 14, 14') durch eine punktuelle Schmelzschweißung an der Stirnseite des Ventilschaftes (2, 2', 2", 2'") erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das Verschließen (15) auch des tellerfernen Endes (10) des
Ventilschaft-Rohlings (13, 13') durch Massivumformung der Rohrwandung im Fließrollverfahren erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss das Verschließen (Verschluss 15) auch des tellerfernen Endes (10) des Ventilschaft-Rohlings (13") zweistufig erfolgt, nämlich zunächst durch Aufdicken der Wandung des rohrförmigen Rohlings im Wege des axialen Anstauchens von Wan- dungswerkstoff und anschließend durch radiales Kompaktie- ren des Schaftrohlings im Bereich des aufgedickten Wandungsbereiches auf Innendurchmesser Null.
14. Verfahren nach Anspruch 1, da du r ch g e k e n n z e i c hn e t , d a ss als Werkstoff für den Ventilteller (3, 3') ein Leichtbauwerkstoff verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss als Werkstoff für den Ventilteller (3, 3') eine Keramik, insbesondere Siliziumcarbid (SiC) verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ss als Werkstoff für den Ventilteller (3, 3') eine Titan/Alumi- nium-Legierung verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , da ss als
Werkstoff für den Ventilteller (3, 3') eine intermetalli- sehe Phase, insbesondere Titanaluminid, verwendet wird.
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