DE10108625A1 - Production of a valve component used as a closing element of a valve comprises preparing a spherical blank from a ceramic base material, sintering, fine processing, polishing, forming surfaces of non-spherical form and fine processing - Google Patents
Production of a valve component used as a closing element of a valve comprises preparing a spherical blank from a ceramic base material, sintering, fine processing, polishing, forming surfaces of non-spherical form and fine processingInfo
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Abstract
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilbauteils aus Keramikwerkstoff sowie ein Ventilbauteil aus Keramikwerkstoff.The present invention relates to a method for producing a Valve component made of ceramic material and a valve component made of ceramic material.
Bekannt sind Verfahren zur Herstellung von Ventilbauteilen aus Keramikwerkstoff, wobei das wesentliche Element eines Ventil, der Verschlußkörper, idealerweise kugelförmig auszubilden ist, um eine zuverlässige Dichtfläche mit einem Ventilsitz ausbilden zu können. Diese Ventilbauteile sind wesentlicher Bestandteil von Kraftstoffvorventilen, die insbesondere in der Common-rail Technik für Einspritzventile verwendet werden.Methods for producing valve components from ceramic material are known, ideally the essential element of a valve, the closure body is spherical to form a reliable sealing surface with a valve seat to be able to train. These valve components are an integral part of Fuel valves, especially in common rail technology for Injectors are used.
Um eine hohe Prozeßsicherheit dieser Ventilbauteile im Dauerbetrieb gewährleisten zu können, ist es erforderlich, die Dichtfläche des Verschlußkörpers auf die Kontur der Dichtfläche des Ventilsitzes präzise abzustimmen. Herkömmlicherweise wird diese Abstimmung über die Formgebung während des Herstellungsverfahrens angestrebt, d. h., die für die Dichtheit ideale Kugelform wird aus einem Rohling auf einer Drehmaschine erzeugt. Hierzu wird bei herkömmlichen Verfahren aus einem zylinderförmigen Rohling eines Keramikwerkstoffes auf einer entsprechenden Bearbeitungsmaschine (bspw. CNC-Maschine) ein kugelförmiges Teilprofil durch spanendes oder spanloses Bearbeiten hergestellt. Neben diesem kugelförmigen Teilprofil werden auf den zylinderförmigen Rohling weitere Oberflächen, bspw. Halteflächen durch spanendes oder spanloses Bearbeiten erzeugt. Nach Fertigstellung der Grundform wird das Ventilbauteil einer abschließenden Feinbearbeitung (Schleifen und Polieren) unterzogen. Auch wenn mit heutigen Drehmaschinen oder - automaten eine Kugelkontur grundsätzlich herstellbar ist, so ist dennoch die Massenherstellung einer präzisen Kugeloberfläche durch Superposition der beiden Bewegungen über X- und Y-Achse technisch aufwendig, sowie zeit- und kostenintensiv.To ensure high process reliability of these valve components in continuous operation can, it is necessary to the sealing surface of the closure body on the contour of Precisely adjust the sealing surface of the valve seat. Traditionally this is Coordination of the shape during the manufacturing process d. that is, the ideal spherical shape for the tightness is made from a blank on a Lathe generated. For this, in conventional methods, a cylindrical blank of a ceramic material on a corresponding Processing machine (e.g. CNC machine) through a spherical partial profile Machining or non-cutting machining manufactured. Besides this spherical Partial profile are further surfaces on the cylindrical blank, e.g. Holding surfaces created by cutting or non-cutting processing. After completion The basic component is the valve component of a final finishing (Grinding and polishing). Even if with today's lathes or - a spherical contour can generally be produced by machines, it is nevertheless the Mass production of a precise spherical surface by superposition of the two Movements on the X and Y axes are technically complex, as well as time and expensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Ventilbauteils aus einem Keramikwerkstoff herzustellen, um insbesondere einen Verschlußkörper bereitzustellen, der eine hochpräzise vorbestimmte Dichtfläche aufweist.The object of the present invention is therefore to provide an improved method for Manufacture of a valve component made of a ceramic material in order to in particular to provide a closure body that is highly precise has a predetermined sealing surface.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch den erfindungsgemäßen Verschlußkörper mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 gelöst.This object is achieved by the inventive method with the features according to claim 1 and by the closure body according to the invention with the Features solved according to claim 4.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Ventilbauteils aus Keramikwerkstoff werden folgende Schritte vorgenommen: Bereitstellen eines Kugelrohlings aus einem Keramikgrundwerkstoff, beispielsweise Aluminiumoxyd; Sintern des Kugelrohlings durch herkömmliche Verfahren, wobei der Volumenschwund des Kugelrohlings während des Sinterprozeßschrittes berücksichtigt wird; Feinbearbeiten des nunmehr gesinterten Kugelrohlings bis auf ein gewünschtes Maß und Rauhigkeit, wobei insbesondere spanlose Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise spitzenloses Schleifen oder Kugelschleifen, in einer Kugelschleifmühle angewendet werden; Polieren der Oberfläche der Kugel zum Erzeugen einer gewünschten Rauhigkeit, die insbesondere dazu geeignet ist, als Dichtfläche eingesetzt zu werden; Erzeugen von Oberflächen, die von der Kugelform unterschiedlich sind durch spanendes oder spanloses Abtragen von Bereichen der Kugel; schließlich Feinbearbeiten dieser Oberflächen bis auf ein gewünschtes Maß an Rauhigkeit.In the method according to the invention for producing a valve component Ceramic material, the following steps are carried out: Providing a Ball blanks made of a ceramic base material, for example aluminum oxide; Sintering the ball blank by conventional methods, the Volume shrinkage of the ball blank taken into account during the sintering process step becomes; Finishing the now sintered ball blank to a desired one Dimension and roughness, in particular chipless machining processes, such as for example centerless grinding or ball grinding, in a ball grinding mill be applied; Polishing the surface of the ball to create a Desired roughness, which is particularly suitable, used as a sealing surface to become; Create surfaces that are different from the spherical shape by cutting or non-cutting areas of the ball; finally Finishing these surfaces to a desired level of roughness.
Ein technischer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Ventilbauteils aus einem Keramikwerkstoff liegt in der Verwendung eines Kugelrohlings, dessen vollständige Oberfläche fein bearbeitet und poliert wird, so daß die gesamte Kugeloberfläche ein Toleranzmaß und Rauhigkeit aufweist, um den Dichtflächenanforderungen gerecht zu werden. Um dieses technische Erfordernis erfüllen zu können, wird auf bewährte Kugelschleifverfahren zurückgegriffen, die eine extrem hohe Toleranzqualität von Kugelform einerseits und Rauhigkeit andererseits bei sehr niedrigen Produkutionskosten regelmäßig gewährleisten. Ausgehend von dieser so hergestellten Präzisionskeramikkugel werden spätere Verfahrensschritte, beispielsweise spanende oder spanlose Bearbeitungsverfahren zum Erzeugen von Halteoberflächen, vorgenommen. Insbesondere bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen, bei denen die Befestigungsvorrichtung zur späteren Befestigung im Ventil über ein zentrale Durchgangsloch durch die polierte Keramikkugel vorgesehen wird, kann ein rasches und präzise Weiterbearbeiten dieser polierten Keramikkugel bewerkstelligt werden. Dies kann beispielsweise durch Aufreihen zahlreicher Keramikkugeln auf einer Führungsstange oder Führungsdraht erfolgen, die in einem automatisierten Prozeßschritt in eine spitzenlose Schleifmaschine eingebracht wird und so beispielsweise Ringnuten oder Halteabsätze in die Keramikkugel eingeschliffen werden können.A technical advantage of the method according to the invention over conventional ones A method for producing a valve component from a ceramic material is shown in the use of a ball blank, the entire surface of which is finely machined and is polished so that the entire spherical surface is a tolerance measure and Has roughness to meet the sealing surface requirements. Around To be able to meet this technical requirement is proven Ball grinding processes which have an extremely high tolerance quality of Spherical shape on the one hand and roughness on the other hand at very low Ensure production costs regularly. Based on this so produced Precision ceramic balls are later process steps, for example cutting or non-cutting machining processes for creating holding surfaces, performed. In particular in embodiments according to the invention in which the fastening device for later fastening in the valve via a central Through hole provided by the polished ceramic ball can be a quick one and precise further processing of this polished ceramic ball. This can be done, for example, by lining up numerous ceramic balls on one Guide rod or guide wire are made in an automated Process step is placed in a centerless grinding machine and so for example, ring grooves or holding heels are ground into the ceramic ball can be.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens wird die polierte Keramikkugel mittels Unterdruckhaltemittel in einer spanenden oder spanlosen Bearbeitungsmaschine "eingespannt" und der nicht in dieser "Einspannung" befindliche Bereich kann einer spanenden oder spanlosen Bearbeitung unterzogen werden. Vorzugsweise wird in die polierte und eingespannte Keramikkugel eine Rundnut eingeschliffen, die zur Aufnahme eines Befestigungselements, beispielsweise eines Rings dienen kann.In another preferred embodiment variant of the present the polished ceramic ball by means of Vacuum maintaining agent in a cutting or non-cutting processing machine "clamped" and the area not in this "clamp" can be one undergo cutting or non-cutting processing. Preferably in the polished and clamped ceramic ball ground a round groove, which for Recording a fastener, such as a ring can serve.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zentrale Bohrung in die polierte und eingespannte Keramikkugel eingebracht, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß ein Befestigungselement, beispielsweise ein Spreizdorn, zum Bewegen des Verschlußkörpers eingebracht werden kann.In a further embodiment variant of the present invention A central hole is drilled into the polished and clamped ceramic ball introduced, which is designed and arranged so that a fastener, for example, an expanding mandrel, for moving the closure body can be.
Bei den erfindungsgemäßen Verschlußkörpern aus Keramikwerkstoff, die insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Ventilbauteils hergestellt sind, ist eine Dichtfläche vorgesehen, die auf einer kugelförmigen Oberfläche angeordnet und mit einer Oberfläche eines Ventilsitzes in Wirkverbindung bringbar ist und weiterhin eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen des Verschlußkörpers an einem Bewegungsmittel vorgesehen ist, das so angeordnet und ausgebildet ist, um eine Linearbewegung des Verschlußkörpers in Richtung auf den Ventilsitz und in Richtung von dem Ventilsitz weg auszuführen. Vorteilhafterweise besteht der Verschlußkörper im wesentlichen aus Al2O3, ZrO2, Si3N4 oder WoCrC4.In the closure bodies according to the invention made of ceramic material, which are produced in particular by the method according to the invention for producing a valve component, a sealing surface is provided which is arranged on a spherical surface and can be brought into active connection with a surface of a valve seat and furthermore a fastening device for fastening the closure body a moving means is provided, which is arranged and designed to carry out a linear movement of the closure body in the direction of the valve seat and in the direction away from the valve seat. The closure body advantageously consists essentially of Al 2 O 3 , ZrO 2 , Si 3 N 4 or WoCrC 4 .
Neben den produktionstechnischen Vorteilen, die die erfindungsgemäßen Verschlußkörper aufweisen, wird durch das spanlose Kugelschleifverfahren erreicht, daß keine, beim spanenden Drehen üblichen Spiralterrassen auf der Kugeloberfläche entstehen, die auch durch ein anschließendes Nacharbeiten und Polieren der Oberfläche nicht entfernt werden können. Diese ungewünschten Terrassen, die durch die Superposition der beiden Longitudinalbewegungen des Drehmeißels entlang den X- und Y-Achse der Drehmaschine und die Wanderung der Schneidfläche am Drehmeißel entstehen, reduzieren jedoch die Präzision der Dichtfläche und somit die Dichtheit der Wirkverbindung von Verschlußkörper und Ventilsitz erheblich.In addition to the technical production advantages that the invention Have closure body, is achieved by the chipless ball grinding process, that there are no spiral terraces on the surface of the sphere that are common during machining arise, which also result from subsequent reworking and polishing of the Surface cannot be removed. These unwanted terraces that pass through the superposition of the two longitudinal movements of the turning tool along the X and Y axes of the lathe and the movement of the cutting surface on Turning tools are created, but reduce the precision of the sealing surface and thus the Tightness of the operative connection of the closure body and valve seat considerably.
Um auch bei langandauernder Belastung des Ventils eine hohe Dichtleistung mit gleichbleibender Qualität gewährleisten zu können, ist es notwendig, die jeweiligen Werkstoffe des Verschlußkörpers bzw. des Ventilsitzes, die mit dem Verschlußkörper in Wirkverbindung zum Abdichten bringbar sind, gemäß ihrer technischen Eigenschaften auszuwählen. Insbesondere der Härtegrad der Verschlußkörper bzw. des Ventilsitzes ist von maßgeblicher Bedeutung für die Lebensdauer und Prozeßsicherheit des Verschlußkörpers bzw. Ventilsitzes. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Verschlußkörpers wird dieser auf einer Linearbewegung in Richtung auf den Ventilsitz hin und in Richtung von dem Ventilsitz weg mit hoher Frequenz bewegt. Um den hohen Drücken von teilweise über 1.000 bar standzuhalten und eine zuverlässige Dichtigkeit zwischen Verschlußkörper und Ventilsitz gewährleisten zu können, wird ein entsprechender Anpreßdruck auf den Verschlußkörper aufgebracht. Neben diesem eingeleiteten Druck wirken auf den Ventilsitz und den Verschlußkörper durch die Beschleunigungs- und Verzögerungsbewegung des Verschlußkörpers während des Schließens und Öffnens des Ventils große Kräfte, die bei einer ungünstigen Materialpaarung von Verschlußkörper und Ventilsitz eine bleibende Verformung zumindest eines der beiden Körper bewirken können. Eine derartige bleibende Verformung jedoch führt zu einer reduzierten Dichtigkeit und somit zu einem unbrauchbaren Ventil, das ausgetauscht werden muß.To ensure high sealing performance even when the valve is under long-term stress To ensure consistent quality, it is necessary to Materials of the closure body or of the valve seat, that with the closure body can be brought into operative connection for sealing, according to their technical Properties. In particular the degree of hardness of the closure body or of the valve seat is of crucial importance for the service life and Process reliability of the closure body or valve seat. In the case of the invention Using the closure body, this is based on a linear movement in the direction towards and away from the valve seat at a high frequency emotional. To withstand the high pressures of sometimes over 1,000 bar and one to ensure reliable tightness between the closure body and valve seat can, an appropriate contact pressure is applied to the closure body. In addition to this pressure, it acts on the valve seat and the closure body by the acceleration and deceleration movement of the closure body large forces during the closing and opening of the valve unfavorable material pairing of the closure body and valve seat a permanent Deformation can cause at least one of the two bodies. Such permanent deformation, however, leads to a reduced tightness and thus to an unusable valve that needs to be replaced.
Besonders vorteilhaft ist es daher, eine Materialpaarung von Verschlußkörper und Ventilsitz zu wählen, die eine im wesentlichen gleiche Härte aufweist, so daß sichergestellt werden kann, daß bleibende Verformungen nicht auftreten. Geeignete Werkstoffe für den Verschlußkörper und den Ventilsitz sind bspw. Al2O3, ZrO2, Si3N4 oder WoCrC4. Bei geeigneter Materialwahl können auch Metallegierungen, insbesondere nach entsprechenden Härtungsverfahren mit keramischen Werkstoffen der oben bezeichneten Art, verwendet werden.It is therefore particularly advantageous to choose a material pairing of the closure body and valve seat which has an essentially identical hardness, so that it can be ensured that permanent deformations do not occur. Suitable materials for the closure body and the valve seat are, for example, Al 2 O 3 , ZrO 2 , Si 3 N 4 or WoCrC 4 . With a suitable choice of material, metal alloys can also be used, in particular after appropriate hardening processes with ceramic materials of the type described above.
Nachfolgend wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventilbauteils die Erfindung näher erläutert: Es zeigen:Below is a preferred embodiment of the valve component according to the invention explains the invention in more detail:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Ventilbauteil mit zwei Kanalbohrungen unter einem Winkel; Figure 1 is a sectional view through an inventive valve component with two channel bores at an angle.
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Ventilbauteil mit zwei parallel verlaufenden Kanalbohrungen. Fig. 2 shows a valve component according to the invention with two parallel channel bores.
Das erfindungsgemäße Ventilbauteil 1 weist zwei um 180° zueinander versetzte Kanalbohrungen 2 auf, die so angeordnet sind, daß eine Verlängerung des Bohrkanals zu einem Schnittpunkt führt, der in der Verlängerung der Zentralachse des kugelförmigen erfindungsgemäßen Ventilbauteils liegt. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Ventilbauteil eine sacklochartige Vertiefung 3 auf, die zur Befestigung des erfindungsgemäßen Ventilbauteils dient.Two, the valve member 1 according to the invention has 180 ° offset from one another channel bores 2 which are arranged so that an extension of the drilling channel leads to an intersection that is the spherical valve member according to the invention in the extension of the central axis. Furthermore, the valve component according to the invention has a blind hole-like depression 3 , which is used for fastening the valve component according to the invention.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform des Ventilbauteils gemäß Fig. 2 weist zwei parallel um 180° zueinander versetzte Kanalbohrungen auf, die bei einem Kugeldurchmesser von 8 mm einen Kanaldurchmesser von ca. 1 mm aufweisen. Ferner ist in Fig. 2 eine Befestigungsvorrichtung 3 dargestellt, die durch eine sacklochartige Ausnehmung oder Bohrung gebildet wird.The embodiment of the valve component according to the invention according to FIG. 2 has two channel bores which are offset parallel to one another by 180 ° and which have a channel diameter of approximately 1 mm with a ball diameter of 8 mm. Furthermore, a fastening device 3 is shown in FIG. 2, which is formed by a blind hole-like recess or bore.
Claims (16)
- - Bereitstellen eines Kugelrohlings aus einem Keramikgrundwerkstoff;
- - Sintern des Kugelrohlings;
- - Feinbearbeiten des Kugelrohlings bis auf ein gewünschtes Maß und Rauhigkeit;
- - Polieren zumindest einer dichtenden Oberfläche des kugelförmigen Ventilbauteils;
- - Erzeugen von Oberflächen, die von der Kugelform unterschiedlich sind durch spanendes oder spanloses Abtragen von Bereichen des kugelförmigen Ventilbauteils;
- - Feinbearbeiten dieser Oberfläche bis auf ein gewünschtes Maß und Rauhigkeit.
- - Providing a ball blank from a ceramic base material;
- - sintering the ball blank;
- - Finishing the ball blank to a desired size and roughness;
- Polishing at least one sealing surface of the spherical valve component;
- - Creating surfaces that are different from the spherical shape by cutting or non-cutting removal of areas of the spherical valve component;
- - Finishing this surface to a desired size and roughness.
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