Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Ventilsitzen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Gattung sowie ein Ventil mit im wesentlichen kugelförmigen
Ventilsitz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Ventilsitze werden in der Praxis oft mit kegeliger Dichtfläche
hergestellt, an welcher an die ebenfalls kegelig
ausgebildete Ventilnadel vollflächig anliegt. Selbst bei
hoher Bearbeitungsgenauigkeit ist eine hohe Dichtigkeit bei
Drücken über einigen 100 bar nicht gegeben. Der Prozeß ist
als Schleifverfahren ausgelegt, welche eine Rotations- und
Translationsbewegung aufweist. Dadurch entstehen Riefen mit
einer Steigung und somit ein Labyrinth kommunizierender
Riefen, durch welche sich die Leckage erhöht.
In der EP 0 955 128 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Dichtsitzes zwischen einer Ventilkugel und einem Ventilkörper
mit konischem Ventilsitz beschrieben. Dabei wird
ein Ventilkörper mit einem konisch geschliffenen Ventilsitz
für die Ventilkugel in einem rotierend antreibbaren Werkstückhalter
eingespannt. Ein zylindrischer Schleifstein
wird für eine Feinschleifbearbeitung mit einem Einsatz, der
radiale Bewegungen des Schleifsteins zuläßt, in einen Werkzeughalter
eingesetzt, der unter einem Anstellwinkel von 1°
bis 10° schräg zur Rotationsachse des Werkstückhalters ausgerichtet
ist. Durch eine Vorschubbewegung des Werkzeughalters
oder des Werkstückhalters werden der konische Ventilsitz
und der Schleifstein in Kontakt gebracht, wobei der
Schleifstein mit einer stirnseitigen Bearbeitungskante am
gesamten Umfang des konischen Ventilsitzes anliegt. Der
Werkzeughalter und der Werkstückhalter werden gegensinnig
rotierend angetrieben und mittels des Schleifsteins wird
eine ringförmig umlaufende und im Ventilkörperlängsschnitt
kreisbogenförmige Sitzfläche für die Ventilkugel in den konischen
Ventilsitz eingearbeitet. Dabei ist der Radius des
die Sitzfläche bildenden Kreisbogens größer als der Radius
der Ventilkugel und die im Ventilkörperlängsschnitt muldenförmige
Vertiefung der Sitzfläche so bemessen, daß im Querschnitt
gemessene Formabweichungen des konisch geschliffenen
Ventilsitzes von der Kreisform zumindest im Scheitelbereich
der kreisbogenförmigen Sitzfläche eliminiert sind.
Dieses Verfahren schafft daher Topographien, in die sich
die Dichtkugel muldenartig eingräbt. Ein Linienkontakt soll
vermieden werden. Somit ist die Kontaktfläche relativ groß,
der anliegende Druck an der kontaktierten Teilfläche der
Kugel gering.
Aus der DE 197 57 117 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Ventilsitzkörpers für ein Brennstoffeinspritzventil
bekannt. Dabei wird in einem Ventilsitzkörper eine Durchgangsöffnung
geschaffen mit einem als kegelstumpfförmigen
Abschnitt gestalteten Ventilsitzbereich. In der Durchgangsöffnung
wird außerdem ein Führungsbereich mit Führungsabschnitten
für einen als Kugel gestalteten Ventilschließkörper
erzeugt. Die Führungsabschnitte und der Ventilsitzbereich
werden gleichzeitig mittels eines Bearbeitungswerkzeugs
in Form einer Masterkugel feinbearbeitet. Diese Werkzeug-Masterkugel
kann als Hon-, Schleif- oder Läppwerkzeug
ausgebildet sein. Dies bedeutet, daß sowohl mit gebundenem
als auch mit losem Korn dieser Arbeitsschritt durchgeführt
werden kann. Die linienförmige Abdichtungsfläche des Sitzes
zur Kugel wird dadurch erreicht, daß ein schmaler Wulst im
Ventilsitz vorgesehen ist, der ca. 0,1 mm gegenüber der
Dichtfläche erhaben ist. Ebenso ist es möglich, aus strömungstechnischen
Gründen kanalartige Strömungsdurchlässe im
oberen Bereich des Kegelsitzes vorzusehen. Diese Maßnahmen
erfordern jedoch teuere Bearbeitungsschritte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von Ventilsitzen der gattungsgemäßen
Art zu schaffen, durch das die Ventilsitze eine Struktur
erhalten, mit der ein Kriechen des abzudichtenden Mediums
weitestgehend reduziert und somit die Dichtwirkung verbessert
wird. Außerdem besteht die Aufgabe darin, ein Ventil
mit einem solchen Ventilsitz anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von
Ventilsitzen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch
ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Das entwickelte Verfahren ermöglicht die Herstellung einer
Topographie des Ventilsitzes zum Abdichten der Kugel und
die Korrektur des Winkels des Ventilsitzes. Dabei sind die
Topographien der anliegenden Dichtflächen so ausgebildet,
daß eine ununterbrochene und ausschließliche Linienberührung
eine toleranzgerechte Leckage ermöglicht. In einem
Einspritzpumpengehäuse können mehrere Ventilsitze zur Bearbeitung
anfallen. Die Dichtheit gegenüber einem Systemdruck
von bis zu über 2000 bar ist der entscheidende Funktionsparameter.
Sie ist definiert als Leckagemenge je Zeiteinheit
unter bestimmten Betriebsbedingungen wie Druck, Temperatur
und Dichte des Mediums.
Die Abdichtung wird durch eine Linienberührung einer Kugel
als Dichtkörper gegenüber einer kegeligen Dichtfläche erreicht.
Die Kugel ist mit geringerer Rauhtiefe als die
Sitzfläche bearbeitet. Durch die Linienberührung entsteht
eine hohe Flächenpressung. Es entsteht damit eine elastische
Verformung der einzelnen Profilerhebung des Ventilsitzes,
welche die Kugel berührt. Dies wiederum ermöglicht
eine vollständige Linienanlage der Dichtfläche des Ventilsitzes
an die Kugelform. Geometrisch ist dies möglich durch
sehr hohe Rundheitsanforderungen von unter 1,0 µm. Innerhalb
dieser Formtoleranz kann die Elastizität der Profilerhebung
mögliche Makroformfehler ausgleichen.
Darüber hinaus kann das Prinzip der linienförmigen Anlage
aufgrund konzentrischer Bearbeitungsriefen funktionieren.
Diese haben die gleiche Verlaufsrichtung wie der Anlagekreis
der Kugel. Dies bedeutet, daß alle Bearbeitungsriefen
keine Steigung aufweisen und konzentrisch zur Dichtlinie
verlaufen. Für die Abdichtung ist entscheidend die Konzentrizität
der Profilerhebungen, eine hohe Rundheit und
die elastische Verformung der Profilerhebung des Ventilsitzes.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird
das Honschleifen in mehreren aufeinander folgenden Operationen
durchgeführt, wobei vorzugsweise drei Operationen vorgesehen
sind, je nach Vorbearbeitungsqualität. Dies hat den
Vorteil, daß in jeder Operation angepaßte Bearbeitungsbedingungen
wie beispielsweise unterschiedliche Werkzeuge zum
Einsatz kommen können. Dabei ist es insbesondere zweckmäßig,
daß in jeder Operation die Rauheitsprofile von der
vorhergehenden Honschleif-Operation mit einem Werkzeug mit
feinerem Schneidkorn abgetragen werden. Darüber hinaus ist
es vorteilhaft, daß das Werkzeug periodisch außer Arbeitseingriff
gebracht und die Bearbeitungsstelle mit Kühlschmierstoff
angeströmt wird. Dies hat den Vorteil, daß
eine besonders wirksame Kühlung und Schmierung in dem zu
bearbeitenden Bereich bewirkt wird.
Es hat sich gezeigt, daß in Anpassung an die jeweiligen Bearbeitungsbedingungen
unterschiedliche Drehzahlen des Werkzeugs
zweckmäßig sind, wobei das Werkzeug beim Honschleifen
mit einer Drehzahl von 500 min-1 bis 6000 min-1 rotiert. Im
Anschluß an die Honschleifbearbeitung kann eine Entgratbearbeitung
erfolgen, insbesondere mit Diamantsplintwerkzeugen
und/oder schleifkornhaltigen Bürsten. Um den zunächst
in die kegelige Grundform gebrachten Ventilsitz in geeigneter
Weise durch das Honschleifen bearbeiten zu können, ist
es zweckmäßig, durch die Vorbearbeitung ein solches Maß
vorzugeben, das im Bearbeitungsschritt der Feinbearbeitung
eine axiale Zugabe des Materials am Ventilsitz von ca. 50
µm bis 90 µm abgetragen wird. Entscheidend ist die axiale
Zugabe, die das Vorbearbeitungsprofil vollständig abträgt.
Bei der Feinbearbeitung kann es durchaus vorkommen, daß die
Achse der rotierenden Spindel der Bearbeitungsmaschine
nicht absolut identisch mit der Achse des Ventilsitzes ist.
Es wird daher als vorteilhaft angesehen, daß während des
Honschleifens der Kopf des Werkzeugs bezogen auf die Werkzeugaufnahme
ausgelenkt wird. Die Auslenkung kann dabei
durch Schwenken des Werkzeugs um einen Gelenkpunkt der
Werkzeugaufnahme oder durch elastische Verformung eines
Werkzeugschaftes erfolgen. Um die Bearbeitungsgeschwindigkeit
zu erhöhen, kann es zweckmäßig sein, daß beim
Honschleifen das Werkzeug und das Werkstück gegenläufig angetrieben
und bewegt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- Fig. 1
- eine Prinzipdarstellung eines Ventils,
- Fig. 2
- eine bearbeitete Sitzfläche in vergrößerter
Darstellung,
- Fig. 3
- die schematische Darstellung eines Schnitts durch
einen Ventilsitz und einer Kugel als Ventilschließglied
in der geöffneten Stellung,
- Fig. 4
- eine Darstellung gemäß Fig. 3 in der geschlossenen
Stellung,
- Fig. 5
- die Seitenansicht eines Werkzeugs mit kegeliger Arbeitsfläche,
- Fig. 6
- einen Schnitt durch das Werkzeug gemäß Fig. 5,
- Fig. 7
- eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts der
Arbeitsfläche am Werkzeug gemäß Fig. 5.
In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Längsschnittes
durch ein Ventil 1 gezeigt. Das Ventil 1 besteht aus einem
Gehäuse 2, in dem eine Ventilkammer 3 gebildet ist. Die
Ventilkammer 3 wird auf einer Seite von einem kegelig gestalteten
Ventilsitz 4 begrenzt, wobei in der in Fig. 1 gezeigten
Ausführung der Kegelwinkel 90° beträgt. Selbstverständlich
kommen auch hiervon abweichende Kegelwinkel in
Betracht. In der Ventilkammer 3 befindet sich ein Ventilschließglied
5, das im vorliegenden Fall als Kugel ausgeführt
ist. Die Kugel ist in der Ventilkammer 3 beweglich
gehalten und kann vom Ventilsitz 4 abgehoben werden, wodurch
das Ventil geöffnet wird. Die in Fig. 1 gezeigte Darstellung
betrifft den geschlossenen Zustand des Ventils.
Mit dem Bezugszeichen LA ist die Längsachse durch das Ventil
bezeichnet.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt einer bearbeiteten Fläche des
Ventilsitzes 4 in vergrößerter Darstellung gezeigt, wobei
eine Vielzahl von Riefen 6 und Profilerhebungen 7 bogenförmig
verlaufen. Bezogen auf die Längsachse LA des Ventils 1
verlaufen die Riefen 6 und Profilerhebungen 7 konzentrisch,
wobei eine Rundheit nach dem Honschleifen von 1,0 µm oder
kleiner gegeben ist.
In Fig. 3 ist die prinzipielle Ausgestaltung des Ventilsitzes
4 mit Riefen 6 und Profilerhebungen 7 als Längsschnitt
dargestellt. Die als Ventilschließglied 5 dienende Kugel
befindet sich in einem Abstand zum Ventilsitz 4, so daß das
Ventil geöffnet ist. Aus Fig. 3 wird deutlich, daß der Ventilsitz
4 eine Vielzahl von konzentrisch zur Längsachse LA
verlaufende Riefen 6 und Profilerhebungen 7 besitzt, wobei
aufgrund der Rauhtiefe des bearbeiteten Ventilsitzes 4 die
Profilerhebungen 7 unterschiedlich weit vorstehen. Die Rauheit
Pt der bearbeiteten Fläche des Ventilsitzes 4 beträgt
nach dem Honschleifen beispielsweise 12 µm. Die Rauheit des
Ventilsitzes muß so groß sein, daß eine elastische Verformung
der Profilspitzen zum Ausgleich des Rundheitsfehlers
führt. Je kleiner die Profilerhebungen, umso geringer ist
der mögliche Ausgleich des Rundheitsfehlers. Die Rauheit Rz
der Kugel beträgt beispielsweise «1 µm.
Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung gemäß Fig. 3, jedoch im geschlossenen
Zustand des Ventils, das heißt, das Ventilschließglied
5 wird gegen den Ventilsitz 4 gedrückt. Dabei
liegt die Kugel 5 mit ihrer Oberfläche, die eine geringere
Rauhtiefe als die des Ventilsitzes 4 besitzt, an mehreren
Profilerhebungen 7 an, wobei dies im gezeigten Ausführungsbeispiel
fünf Profilerhebungen 7 sind. Diese Anlage an mehreren
Profilerhebungen 7 ist dadurch möglich, daß aufgrund
der Gestaltung der Profilerhebungen 7 diese eine gewisse
Elastizität aufweisen und somit infolge der durch die Kugel
5 einwirkenden Kraft im Bereich ihrer Elastizität verformt
werden. Dadurch werden mehrere konzentrische Abdichtungen
erzeugt, wodurch eine äußerst große Dichtheit bzw. äußerst
geringe Leckrate erreicht wird.
In Fig. 5 ist ein Werkzeug 8 zur Feinbearbeitung des Ventilsitzes
gezeigt. Der Verfahrensschritt der Feinbearbeitung
ist ein Honschleifen, das nachstehend noch näher erläutert
ist. Das Werkzeug 8 umfaßt einen Werkzeugkopf 9 und
eine Werkzeugaufnahme 10, wobei letztere an dem dem Werkzeugkopf
9 entgegengesetzten Ende eines Werkzeugschaftes 11
angeordnet ist. Der Werkzeugkopf 9 besitzt eine kegelige
Mantelfläche 15, wobei die Form des Kegels derjenigen des
Ventilsitzes 4 entspricht. Der Werkzeugkopf 9 ist mit
Schneidkorn 12 versehen, wobei als Schneidkorn vorzugsweise
Diamant, kubisches Bohrnitrit, Siliziumkarbid oder Aluminiumoxyd
benutzt wird. Dabei bieten sich Bindungssysteme bekannter
Bauarten an. Die Mantellinien der kegeligen Arbeitsflächen
können gerade, konvex oder konkav gestaltet
sein. Durch konvex gewölbte Konturen der Mantellinien läßt
sich die Gratbildung an den Kanten der Sitzfläche reduzieren.
Bei diesem Werkzeug ist der Kornüberstand so bemessen,
daß die Profiltiefe am Ventilsitz in einer Größe erzeugt
wird, daß eine elastische Verformung zum Ausgleich des
Rundheitsfehlers führt.
Die Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch das Werkzeug 8,
woraus ersichtlich ist, daß sich in dem Werkzeugkörper ein
Kanal 13 für Kühl- und/oder Schmiermittel befindet, der
mehrere Auslässe 14 im Bereich der kegeligen Fläche 15 besitzt.
Die Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts
der Arbeitsfläche, das heißt der kegeligen Fläche
15. Aus dieser Darstellung wird auch ersichtlich, daß an
der Außenseite eine Vielzahl von Partikeln des Schneidkorns
eingelagert sind. Ebenso sind Längsschlitze erkennbar, die
die Versorgung der Bearbeitungsstelle mit Kühlschmierstoff
sichern.
Der Ventilsitz 4 wird zunächst vorbearbeitet, z.B. gehärtet
und spanend bearbeitet. Die spanende Bearbeitung nach dem
Härten kann bei geringen Härteverzügen auch entfallen. Danach
erfolgt die Feinbearbeitung mit Hilfe des in Fig. 5
bis 7 gezeigten Werkzeugs 8. Die Kinematik des Verfahrens
besteht in der Rotation des Werkzeugs unter Anlage der Kegelfläche
15 des Werkzeugs an der kegeligen Fläche zur Erzeugung
des Ventilsitzes 4. Das Werkzeug wird entsprechend
dem fortschreitenden Abtrag axial nachgeführt. Dabei ist es
vorteilhaft, das Werkzeug periodisch außer Arbeitseingriff
zu bringen, um die Bearbeitungsstelle mit Kühlschmierstoff
zur Kühlung und Schmierung anzuströmen. Dies ist mittels
einer Stelleinrichtung des Werkzeugs sowohl kraft- als auch
weggeführt möglich. Die axiale Zustellkraft des Werkzeugs
wird prozeßgerecht gesteuert und die Zustellwege werden
überwacht. Die Anlage des Werkzeugs durch Federkraft ist
grundsätzlich auch möglich, allerdings schließt dies eine
Überwachung des Zustellweges im Prozeß aus.
Die Feinbearbeitung wird in mehreren Operationen als
Honschleifen der Kegelsitze durchgeführt. In jeder Operation
werden die Form- und Rauheitsprofile von der vorhergehenden
Honschleifoperation mit einem feineren Schneidkorn
vollständig abgetragen. Die letzte Operation dient zur
Schaffung eines funktionsgerechten Oberflächenprofils, die
vorausgehenden Operationen dienen zum Abtragen des Formfehlers
der Vorbearbeitung. Dies führt sukzessiv zu feineren
Oberflächen. Aufgrund der Kinematik entstehen die in den
Figuren 2 bis 4 dargestellten konzentrischen Riefen und die
zwischen den Riefen befindlichen Profilerhebungen. Nach der
Honschleifbearbeitung erfolgt noch eine Entgratbearbeitung,
bei der z.B. mit Diamantsplintentgratwerkzeugen und
schleifkornhaltigen Bürsten gearbeitet wird.
Die Steuerung der Zustellung kann beispielsweise durch eine
elektromechanische Stelleinrichtung erfolgen. Zunächst
fährt die Spindeleinheit im Eilvorlauf in die axiale Nähe
der künftigen Arbeitsposition. Damit befindet sich das
Werkzeug kurz vor dem Werkstück, wobei dieser Sicherheitsabstand
von der Spindel mit geringer Geschwindigkeit durchfahren
wird. Sobald das Werkzeug an die Bearbeitungsfläche
des Werkstücks stößt, steigt die axiale Anlagekraft auf den
gewünschten Arbeitswert an. Diese Position wird auf "0" gesetzt
und das Werkzeug in Rotation versetzt, so daß der Bearbeitungsmodus
gestartet wird. Der Abtrag in axialer Richtung
während einer Bearbeitungsoperation soll sich in der
vorgegebenen Taktzeit vollziehen. Die Steuerung der Stelleinrichtung
ermittelt den Abtrag sowie die dazu benötigte
Zeit bzw. die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Wird der Sollabtrag
in der gewünschten Zeit nicht erreicht, dann erhöht
sich automatisch die Kraft bei der Bearbeitung des nächsten
Werkstücks.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht hohe
Dichtheiten durch die Topographie des Rauheitsprofils und
durch die äußerst geringen Rundheitsabweichungen.