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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines innengekühlten Ventils sowie ein dadurch hergestelltes Ventil. Aus der
JP S62-104 645 A ist bekannt, den Ventilboden mit dem Ventilhalbzeug in einem Gesenk unter hohem Druck zu einem Ventil zu verbinden. Außerdem ist es aus der
JP H50-285 676 A bekannt, eine Panzerung an einem Ventilsitz mittels eines Gesenks unter hohem Druck (Feuerverschweißen) anzubringen.
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Bisher wurden Ventile und insbesondere innengekühlte Ventile durch verschiedene Verfahren, insbesondere spanend, hergestellt. Bei einer spanenden Fertigung fallen jedoch immer große Mengen an Spänen an, die nicht ohne weiteres wiederverwendet werden können. Jedes Teil Metall, das zerspant wird, muss jedoch bei der Beschaffung der Halbzeuge bezahlt werden.
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Eine weiteres Problem bei der Herstellung von innengekühlten Ventilen ist das Herstellen und Verschließen des Hohlraumes, was insbesondere bei Schweißverbindungen zu einer großen thermischen und mechanischen Belastung führt, was zu einem Versagen der Struktur unter Betriebsbedingungen beitragen kann. Es ist daher wünschenswert, ein Herstellungsverfahren und ein Ventil zur Verfügung zu stellen, das möglichst wenige innere Spannungen aufweist, die bei thermischem Fügen wie beispielsweise einem Schweißen immer entstehen.
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Es ist daher die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu haben, das es gestattet, die Menge an zerspantem Material zu verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines innengekühlten Ventils nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sin in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen eines innengekühlten Ventils, umfassend Einsetzen eines Ventilhalbzeugs in ein Gesenk bzw. eine Schmiedeform. Das Ventilhalbzeug umfasst einen Ventilschaft und einen Ventilkopf. Das Ventilhalbzeug umfasst eine Ausnehmung, die sich von dem Ventilschaft durch den Ventilkopf erstreckt und sich zum Ventilkopf hin öffnet. Der Ventilschaft ist damit zumindest teilweise hohl ausgeführt. Danach wird ein Ventilboden in das Gesenk eingelegt. Der Ventilboden kann dabei die gesamte Ventiltellerfläche abdecken oder auch nur die Öffnung bedecken. Schließlich wird der Ventilboden und des Ventilhalbzeugs in dem Gesenk unter hohem Druck zu einem Ventilrohling feuerverschweißt. Bei dem Feuerverschweißen in dem Gesenk wird der zu dem Ventilteller offene Teil der Ausnehmung verschlossen, nicht jedoch der Hohlraum selbst zusammengedrückt. Das Material befindet sich während des Feuerverschweißens in einem erhitzten Zustand, ist jedoch nicht flüssig, sondern nur plastisch verformbar. Durch den hohen Druck in dem Gesenk bzw. der Schmiedeform wird eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Ventilboden und dem Ventilteller erreicht. Eine zusätzliche Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter ein Feuerverschweißen eines Ringes bzw. einer Dichtflächenpanzerung im Bereich einer Ventildichtfläche. Dieser Schritt des Feuerverschweißens kann anschließend oder zusammen mit dem Feuerverschweißen des Ventildeckels erfolgen, um eine Ventildichtfläche mit einer höheren Festigkeit zu erzielen. Das Verfahren umfasst weiter ein Feuerverschweißen eines Ringes bzw. einer Dichtflächenpanzerung im Bereich einer Ventildichtfläche, wobei dieser Schritt des Feuerverschweißens zusammen mit dem Feuerverschweißen des Ventildeckels erfolgt.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter ein Schmieden oder Formen eines rohr- oder becherförmigen Vorformlings mit zwei verschiedenen Nennweiten zu einem Ventilhalbzeug, das im Wesentlichen eine Außenkontur eines fertigen Ventilrohlings aufweist. Das Schmieden oder Formen kann ein Tiefziehen oder ein Fließpressen umfassen, um einen Ventilschaft zu erzeugen, der zumindest teilweise hohl ist.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst ebenfalls ein Schmieden oder Formen eines Rings oder Rohrstücks zu einem Vorformling mit zwei verschiedenen Nennweiten oder ein Formen eines Metallstücks zu einem becherförmigen Vorformling mit zwei verschiedenen Nennweiten. Diese vorbereitenden Schritte können ebenfalls ein Tiefziehen oder ein Fließpressen von Metallstücken umfassen, wobei bei diesem Verfahren nahezu kein Materialverlust auftritt.
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Bei einer zusätzlichen Ausführung des Verfahrens umfasst dieses weiter ein Einbringen eines Kühlmittels in die Ausnehmung des Ventilhalbzeugs oder des Ventilrohlings. Damit kann das Ventilhalbzeug bereits vor dem Feuerverschweißen des Ventildeckels bzw. Ventilbodens mit dem Kühlmittel gefüllt werden, sodass eine weitere Bearbeitung zum Füllen des Ventils mit einem Kühlmittel entfallen kann. Dies ist möglich, wenn insbesondere niedrige Schmiedetemperaturen von unterhalb von 890° Celsius verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, das Feuerschweißen bei einem Ventilhalbzeug durchzuführen, bei dem lediglich der Ventilteller auf eine Schmiedetemperatur erwärmt wurde, während der Ventilschaft in der Schmiedeform so weit abgekühlt wird, dass das Natrium-Kühlmittel noch nicht seine Siedetemperatur erreicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der Schaft des Ventilhalbzeugs in der Schmiedeform gekühlt oder es wird nur der Ventilteller auf die Schmiedetemperatur erhitzt, um zu verhindern, dass ein in den Hohlraum eingefülltes Kühlmittel anfängt zu sieden. Dadurch können Prozessschritte und vor allem Schwachstellen in dem späteren Ventil vermieden werden. So kann ohne größere technische Probleme ein Ventil hergestellt werden, das weniger Fügestellen aufweist als herkömmliche innengekühlte Ventile, und es ermöglicht zudem, ein größeres Kühlmittelvolumen in dem Ventilteller bereitzustellen.
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Eine andere Ausführungsform des Verfahrens umfasst ebenfalls ein Einbringen eines Kühlmittels in die Ausnehmung des Ventilrohlings durch eine Öffnung in dem Ventilschaft des Ventilrohlings sowie ein Verschließen der Öffnung an einem Ventilende. Diese Schritte entsprechen den Schritten der herkömmlichen Ventilherstellung.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils umfasst das Verschließen der Öffnung an dem Ventilende ein Anschweißen eines Ventilendstücks an das Ventilende des Ventilschafts bzw. das Ventilschaftende. Diese Ausführung ist auf eine Ausführung gerichtet, bei der der Ventilschaft des Ventilhalbzeugs eine durchgehende Öffnung in Axialrichtung umfasst, d.h. ein Rohr bildet. Das rohrförmige Ventilhalbzeug wird dann auf der Ventiltellerseite durch den Ventildeckel verschlossen und an dem Ventilschaftende durch das Ventilendstück verschlossen. Das Ventilendstück kann bereits mit Strukturen versehen sein, die es ermöglichen, Kegelstücke an dem Ventilendstück zu befestigen.
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Eine zusätzliche Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines innengekühlten Ventils umfasst weiter ein Einbringen einer Struktur am Ventilende, um das Ventil mit Kegelstücken in Eingriff bringen zu können. Die Struktur wird üblicherweise in Form von 2 bis 4 umlaufenden Rillen an dem Ventilschaft angebracht.
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Eine andere Ausführungsform des Verfahrens umfasst weiter ein Härten und/oder Beschichten einer Ventildichtfläche. Es ist möglich, ebenfalls die Struktur am Ventilende zu härten oder mit einer Beschichtung zu versehen.
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Schließlich kann das Verfahren in einer weiteren Ausführungsform ein Endbearbeiten einer äußeren Ventiloberfläche umfassen. Das Endbearbeiten kann dabei auch spanende Bearbeitungen umfassen.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein innengekühltes Ventil bzw. Tellerventil bereitgestellt, das nach einem der vorstehenden Verfahren hergestellt wurde.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Figuren dargestellt, die nicht maßstabgerecht sind.
- 1 bis 2 zeigen ein herkömmliches Rohr und ein Ventilhalbzeug, das bzw. die als Ausgangspunkt für das vorliegende Verfahren verwendet werden kann bzw. können.
- 3 bis 6 zeigen eine herkömmliche Möglichkeit, aus einem rohrförmigen Ventilhalbzeug ein innengekühltes Ventil herzustellen.
- 7 bis 9 zeigen eine erfindungsgemäße Möglichkeit, aus einem becherförmigen Ventilhalbzeug ein innengekühltes Ventil herzustellen.
- 10 und 11 stellen jeweils eine Schnittansicht durch ein herkömmliches Ventilhalbzeug beim Feuerverschweißen und einen fertigen Ventilrohling dar.
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Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in den Zeichnungen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente und Komponenten Bezug zu nehmen.
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1 zeigt einen rohrförmigen herkömmlichen Vorformling, der als Ausgangspunkt zur Herstellung eines erfindungsgemäßen innengekühlten Ventils dienen kann. Der Vorformling ist als Rohrstück dargestellt, in dem sich ein Hohlraum bzw. eine Ausnehmung 44 befindet. Durch die gestrichelte Linie unten an dem Vorformling wird ebenfalls ein becherförmiger Vorformling dargestellt, der einen Boden aufweist, der später ein Ventilschaftende bilden wird. Damit kann die Figur als Ausgangspunkt für zwei verschiedene Verfahren zur Herstellung eines innengekühlten Tellerventils dienen.
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2 stellt ein herkömmliches Ventilhalbzeug in Form einer Reduzierung bzw. eines Rohres mit zwei verschiedenen Nenndurchmessern dar. Dies kann durch Aufweiten oder durch Schmieden oder Pressen aus dem rohr- oder becherförmigen Vorformling erzeugt werden. Wie auch in 1 ist auch in der 2 durch die gestrichelte Linie ein Boden angedeutet, der einen becherförmigen Vorformling bzw. ein Ventilhalbzeug darstellt.
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In 3 ist das herkömmliche rohrförmige Ventilhalbzeug dargestellt, das den Hohlraum bzw. die Ausnehmung 22 umfasst, der bzw. die sich durch das gesamte Ventilhalbzeug von dem Ventilteller bzw. Ventilkopf 20 durch den Ventilschaft 18 bis zum Ventilschaftende 36 erstreckt. Am Ventilkopf ist der Ventilboden bzw. Ventildeckel 24 dargestellt. Der Ventildeckel und der Ventilkopf werden bis zu einer schmiedefähigen Temperatur erhitzt.
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In 4 ist dargestellt, dass der Ventildeckel 24 mit dem Ventilkopf 30 zu einem herkömmlichen Ventilrohling 26 verbunden wurde, wobei der Hohlraum 22 am Ventilkopf 20 verschlossen ist. Der Ventilschaft 18 ist weiterhin hohl und der Hohlraum ist zum Ventilschaftende offen.
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5 stellt dar, wie ein Kühlmittel 32 durch die Öffnung 34 am Ventilschaftende 36 in dem Hohlraum 22 herkömmlich eingefüllt wird.
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In 6 ist dargestellt, dass die Öffnung 34 am Ventilschaftende 36 durch ein Ventilschaftendstück 38 in herkömmlicher Weise verschlossen wurde. Das Ventilschaftendstück ist mit einer Struktur beispielsweise in Form von zwei Nuten versehen, damit das Ventil mit entsprechenden Kegelstücken in Eingriff gebracht werden kann.
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In 7 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt, wobei das Ventilhalbzeug becherförmig ist, wobei das Ventilschaftende 36 geschlossen ist. In das Ventil bzw. den Hohlraum 22 des Ventils wird ein Kühlmittel 32, wie beispielsweise Natrium, eingefüllt.
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8 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die ventiltellerseitige Öffnung des Hohlraums durch einen Ventiltellerboden 24 abgedeckt ist. Zusätzlich ist eine ringförmige Dichtflächen-panzerung 46 auf der Ventiltellerrückseite angeordnet. Im Gegensatz zu der Ausführung von 3 ist das Ventil bereits mit dem Kühlmittel gefüllt, bevor der Ventilboden 24 mit dem Ventilteller feuerverschweißt wird.
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9 zeigt ein erfindungsgemäßes fertiges innengekühltes Ventil, das bereits nach dem Feuerverschweißen des Ventilhalbzeugs mit dem Ventilboden 24 als innengekühltes Ventil vorliegt. Zusätzlich wurde ein Ring aus einem Material mit besonders hoher Festigkeit mit dem Ventilkopf im Bereich der Dichtfläche des Ventils ebenfalls durch Feuerverschweißen verbunden. Damit kann die Dichtfläche des Ventiltellers auf einfache Weise ebenfalls gepanzert ausgeführt werden. Sowohl der Ventildeckel 24 als auch die Panzerung 46 können in einem Arbeitsgang feuerverschweißt werden. Das innengekühlte Ventil ist ebenfalls mit Strukturen 40 versehen, um das Ventil mit entsprechenden Kegelstücken in Eingriff bringen zu können.
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10 stellt eine Schnittansicht des Schritts des herkömmlichen Feuerverschweißens dar, wobei das Ventilhalbzeug 16 und der Ventildeckel 24 zwischen den Schmiedeformen 28 und 30 zusammengepresst werden. Sofern der Druck und die Temperatur der Schmiedeteile 16 und 24 hoch genug sind, kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ventilhalbzeug 16 und dem Ventildeckel 24 erreicht werden. Das Schmieden bzw. das Feuerverschweißen kann hier viel schneller ausgeführt werden, als es bei einem konventionellen Schweißverfahren möglich wäre. Zusätzlich entstehen bei der Verbindung keine Unterschiede in Umfangsrichtung, wie es bei herkömmlichen Schweißverfahren auftritt, wenn sich der Ort (in Umfangsrichtung) bewegt, an dem die Schweißverbindung durch einen Lichtbogen oder Laser entsteht.
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11 stellt eine perspektivische teilgeschnittene Ansicht auf einen herkömmlichen Ventilrohling 26 dar, bei dem der Ventildeckel 24 bereits mit dem Ventilteller 20 feuerverschweißt ist. Der Hohlraum 22 ist damit zum Ventilteller 22 hin geschlossen, ist jedoch noch durch eine Öffnung 23 am Ventilschaftende 36 offen. Der Ventilteller bzw. Ventilkopf 20 und der Ventilschaft 18 liegen bereits in einer endproduktnahen Form vor.
