专利名称：用于制造阀座及阀的方法
技术领域：
本发明涉及一种阀及一种用于制造阀座的方法。
阀通常由包围一个透孔的阀座及一个阀闭合件构成，该阀闭合件在“阀打开”状态中通过透孔释放介质流及在“阀闭合”状态中关闭该透孔。阀座在实践中通常有锥形的密封面，在该密封面上整个面地接触亦构造成锥形的阀针，阀针构成阀闭合件。即使在高加工精度的情况下通常在大于几百巴的压力时不能得到高的密封度。其原因主要是，通过磨削进行的加工取决于磨削头进行一个旋转运动及一个平移运动。由此形成了具有一定螺距的沟纹及由此形成迷宫形连通的沟纹，通过这些沟纹将产生泄漏。
由EP 0 955 128 B1公知了一种在阀球与具有锥形阀座的阀体之间的密封配合的制造方法。在该方法中用于阀球(阀闭合件)的具有磨削成锥形的阀座的阀体被夹紧在一个可旋转地被驱动的工件接收部中。为了精加工，一个具有附件(Einsatz)的圆柱形磨削块-该附件允许磨削块径向运动-被置入工具接收部中，该磨削块以1°至10°的偏角相对旋转轴线倾斜地置入在工具接收部中，由此在锥形的阀座中加工出纵截面为圆弧形的阀座面。通过该方法形成了一个座面，密封球盆状地被埋在该座面中。由此将避免线性接触。因此接触面相对地大。球的靠触在由阀座面接触的部分面上的压力由此相应地小。
由DE 197 57 117 A1公知了一种用于燃料喷射阀的阀座体的制造方法，其中阀座区域及导向区段同时借助一个主球体形式的加工工具来加工。阀座相对球的线性密封面这样来达到在阀座中设置一个窄的凸缘，该凸缘突出周围的面约0.1mm。该措施需要昂贵的加工步骤；如果该凸缘仅有很小损坏-例如通过很小的金属颗粒，则该阀将不密封。由DE 44 416 23公开了一种用于磨削锥形阀座的方法，其中珩磨透孔，该透孔然后用作珩磨锥形阀座的工具的导向部分。
此外，由US 5 954 312 A，US 2002/0040523 A1及DE 100 46 304C1也公开了用于加工阀座面或阀的方法。
本发明的任务在于，提出一种具有改善的密封性能的阀及用于制造这种阀座的更好的方法。尤其是防止待被密封的介质通过加工沟纹的泄漏及由此改善密封功能。
该任务将通过具有权利要求1的特征的阀及通过具有权利要求12的特征的方法来解决。
阀座面的根据本发明设置的多个同心的轮廓峰当与阀密封件压紧时将发生一个弹性变形，因为阀闭合件的粗糙度明显地低于阀座面的粗糙度。通过该弹性变形形成窄的、同心的阀座面，这些同心的阀座面使介质沿阀座的加工沟纹的泄漏明显地减小，由此使仍可能发生的泄漏保持在容许的范围中。所述的轮廓峰将通过根据本发明的方法来产生。
在此情况下将得到显著的优点，尤其使用在用于发动机的喷射泵时。在具有多个阀座的喷射泵壳体中，相对高至超过2000巴的系统压力，密封度是一个决定性的功能参数。该密封度通常被定义为在一定的工作条件如介质的压力、温度及密度下单位时间的泄漏量。
在使用球作为阀闭合件的情况下，根据本发明实现了沿多个同心的窄密封面及由此实际线性的密封面的靠触。这形成了高的面压力及由此阀座-球靠触在该阀座上-的各个单个轮廓峰发生弹性变形。在几何上这通过对于球小于1.0μm的很高的圆度要求来实现。在该容差以内这些轮廓峰的弹性也可以补偿圆度的可能的微小形状误差。
在说明书及权利要求中提出的方法在阀座面上得到了同心的加工沟纹。它们具有与球的接触圆相同的延伸方向。这些加工沟纹及在它们之间在珩磨时形成的轮廓峰在阀座面上不再具有垂直于球或者说阀闭合件的线形接触面的螺距。因此可排除在螺旋形沟纹中流动的泄漏流。对于密封度重要的是轮廓峰的同心度、球的高的圆度及阀座的轮廓峰的可弹性变形性。
根据本发明的一个优选拓展，珩磨是在多个相继的操作中进行的。这具有其优点，即在每次操作时可使用适配的加工条件、例如使用不同的工具。在此情况下特别合乎要求的是，在每个操作中，用具有更细磨粒的工具切除在先的珩磨操作的粗糙度轮廓。此外有利的是，工具被周期性地脱离加工作用及加工部位由冷却-润滑剂流入及导出粘附的被切除了的材料。这就在被加工的区域中产生了特别有效的冷却及润滑。
事实表明，适配相应的加工条件地使用不同的工具转速是合乎要求的，其中在珩磨时工具以每分钟500转至每分钟6000转的转数旋转。在珩磨加工后可接着进行去毛刺加工，尤其用金刚石分离工具和/或具有磨粒的刷加工。为了首先在加工成锥体的基本形状的阀座上能以适合的方式用珩磨来加工，合乎要求的是，通过预加工预给出这样的量度，即在精加工的加工步骤中在阀座上切除的材料的轴向加工余量优选约为50μm至90μm。重要的是该轴向加工余量，它将完全地使预加工轮廓切除。
在精加工时一定会发生加工机的旋转主轴的轴线不绝对地与阀座的轴线一致。因此被视为有利的是，在珩磨期间工具头可相对工具接收部偏移。这里该偏移可通过工具绕工具接收部的支点(Gelenkpunkt)的摆动或通过工具柄的弹性变形来实现。为了提高加工速度，合乎目的的是，在珩磨时工具及工件被反向地驱动。
以下将借助附图来详细描述本发明的实施例。附图中表示
图1一个阀的原理图，图2一个被加工的座面的放大视图，图3一个阀座及一个作为阀闭合件的球在打开位置中的概要截面图，图4根据图3的但在闭合位置中的视图，图5具有锥形加工面的一个工具的侧视图，图6根据图5的工具的一个截面，图7根据图5的工具上加工面的一个区段的放大视图，图8一个多层的、在高真空中焊接的磨具的结构，图9(a)，9(b)，9(c)一个陶瓷或金属结合剂多层磨具的概要视图，分别表示在磨损前的锐利状态(图9(a))，在已磨损状态(图9(b))及通过修整重新变为锐利状态(图9(c))，图10一个修整过程的透视图，其中一个磨损的多层磨具借助一个修整轮来修整，图11在图10中箭头XI-XI方向的视图，图12一个在工具柄中具有弹性铰链部位的工具，图13用于加工一个平的密封面的工具的概要视图，图14具有根据图14加工的密封面的阀。
图1中以一个纵向截面表示阀1的原理图。该阀1包括一个壳体2，在该壳体中构成一个阀室3。阀室3在一侧上由一个构造成锥形(圆锥形)的阀座4构成边界，其中在图1所示的实施例中锥角为90°。在阀座4的中间具有透孔25。当然也可考虑与此不同的锥角(参见图13)。在阀室3中具有一个阀闭合件5，它在当前的例子中是一个球。该球可运动地被保持在阀室3中及可被从阀座4上抬起，由此使阀1打开。图1中所示的视图表示阀的关闭状态。透孔25的纵轴线用标号LA表示。
图2用放大的视图表示阀座4的借助珩磨加工的面的一部分，其中可看到多个圆弧形的沟纹6及轮廓峰7，它们在整体上被构造成弧形及为同心的。其同心度是相对阀1的纵向轴线LA而言。沟纹6及轮廓峰7在精加工时通过珩磨形成，其中正好利用了在珩磨时在通过加工形成的沟纹之间构成轮廓峰的事实。在珩磨后锥形阀座的圆度(Rundheit)为1.0μm或更小。
图3以纵向截面表示具有沟纹6及轮廓峰7的阀座4的构型的原理。用作阀闭合件5的球相对阀座4具有一个距离，这样，阀被打开。阀座4具有多个相对纵向轴线LA同心地延伸的沟纹6及轮廓峰7。它们具有确定的峰—谷高度，该峰—谷高度主要这样地给出，即轮廓峰7突出不同的程度。在珩磨后阀座4的被加工面的粗糙度Rz的值例如为4-8μm。阀座的粗糙度必需这样地大，以致可使得轮廓峰弹性变形，通过该弹性变形-如以下段落中还要描述的-借助压紧的阀闭合件形成更好的密封及可补偿圆度误差。在图3及4中构成阀闭合件5的球的粗糙度Rz必需明显地小于阀座4的表面的粗糙度。该粗糙度Rz的值例如约为1μm。
图4表示根据图3的结构，但阀在闭合状态中，即阀闭合件5被压在阀座4上。在此情况下球5用其表面-该表面具有比阀座4小的峰—谷高度-靠触在多个轮廓峰7上，其中在所示的实施例中为5个轮廓峰7。该在多个轮廓峰7上的靠触可这样地实现，即由于轮廓峰7的构型它具有一定的弹性及由此由于通过球5作用的力在其弹性范围中变形。因此产生了多个同心的密封，由此达到特别高的密封性及特别小的泄漏率。由于沟纹6杂乱延伸或螺旋形延伸而导致介质通过沟纹从内向外的渗漏不再可能。
图5中表示出用于精加工阀座4的工具8。该精加工的方法步骤是珩磨，对此在下面还要详细地描述。工具8包括一个工具头9及一个工具接收部10，其中后者被设置在工具柄11的与工具头9对置的端部上。工具头9具有一个锥形的表面15，其中该锥体的形状相应于阀座4的锥体形状。工具头9具有磨粒12，其中，作为磨粒以公知方式使用金刚石、立方氮化硼、碳化硅或氧化铝。锥形加工面的母线可为直的(如图5所示)、凸的或凹的。通过母线凸拱的轮廓可减少阀座面的棱边上毛刺的形成。磨粒突出高度，即磨粒突出其周围结合剂材料的高度被这样地定尺寸，以致在阀座上产生的沟纹6的轮廓深度将是这样的，使得在沟纹之间构成的轮廓峰7当与阀闭合件5接触时如此地弹性变形，由此达到密封及圆度误差的上述的补偿。
图6表示工具8的一个纵截面，由该图可看到，在工具体中具有一个用于冷却和/或润滑剂的通道13，该通道在锥形面15的区域中具有多个出口14。
图7表示锥形工具8的锥形加工面15的一个区段的放大视图，可以看到，在其外侧设置了多个磨粒12。并且可看到纵向缝隙20，这些纵向缝隙被设置用于对加工部位提供冷却-润滑剂。
阀座4首先被预加工，例如被硬化及被切削加工。在硬化变形小的情况下硬化后的切削加工可以被取消。然后借助图5至7中所示的工具8进行精加工。该方法的运动学原理在于当工具的加工面15靠触在锥形的面上的情况下工具的旋转，该锥形的面在加工后构成阀座4。
工具8将根据进展的切除量轴向地跟踪控制。在此情况下有利的是，使工具周期性地脱离加工作用，以便加工部位由冷却润滑剂流入以便冷却、冲洗及润滑。这将借助工具的一个调节装置来既可控制力也可控制位移地实现。工具的轴向进给力将符合加工过程地被控制及由此监控切除量的高度。工具通过弹簧力来接触原则上也是可能的。该精加工将在多个操作中作为锥形阀座的珩磨来进行。在每个操作时将在先的珩磨操作的形状及粗糙度轮廓用更细的磨粒完全地切除。最后一个操作用于得到-如上所述的-符合功能的表面轮廓。在先的那些操作则用于切除掉预加工的形状误差。这将逐渐地导致精细的表面。由于该运动学，形成了图2至4中所示的同心的沟纹6及位于这些沟纹之间的轮廓峰7。在珩磨加工后再进行一次去毛刺加工，其中例如用金刚石分离去毛刺工具(Diamantsplintentgratwerkzeug)和/或含有磨粒的刷来加工。
进给的控制例如通过机电的调节装置来实现。首先主轴单元快速进给到轴向上将来的加工部位的附近。因此工具位于工件前面不远，其中，该安全间隔距离由主轴以小的速度走过。一旦工具碰到工件的加工面上，轴向的接触力上升到所需的工作值上。该位置被置为“0”及工具被置为旋转，由此开始了加工模式。在加工操作期间轴向上的切除量应在预给定的节拍时间中进行。调节装置的控制部分求得该切除量及为此所需的时间及加工速度。如果给定切除量在所希望的时间中未达到，则自动地提高下次工件加工时的力。
以上所述的方法通过粗糙度轮廓的形貌及通过由此达到的阀座4特别小的粗糙度偏差可以实现具有高的密封性的阀座面的制造。
原则上可以——在珩磨时依然也可以——使用单层的金刚石层或cBN切割层(cBN＝立方氮化硼)。两者均用电镀结合剂构成。这种单层电镀的切割层的磨损机理在于切割晶体从镍基(Nickelmatrix)突出地伸出及由此在工件中切削加工。但其缺点在于，切割晶体随着使用的增多而变钝。因此进给力必需持续地提高，以便每次达到相同的切入深度。当突出的切割晶体很大程度上被切除时，工具最终被磨损。
相反地，在多层包层的情况下切割晶体三维地设置在一个结合剂基(Bindematrix)中。在此情况下它通常涉及烧结的或通过高真空焊接(HVL)制造的具有金刚石磨粒或cBN磨粒的金属结合剂。图8表示一个由切割晶体21、矿物填充材料颗粒22、焊接化合物(Ltverbindungen)23及一个金属粘接相(Bindephase)24、如银焊料组成的这种HVL-切削体30的结构。
根据通过工具的运动学预给定的环绕的切割轨迹，在磨削时不会形成自锐作用，至多在转向改变时可以。因此在多层包层的情况下必需以一定的时间间隔通过修整过程来使结合剂后移。图9(a)表示未磨损的切削体，图9(b)表示必需修整的、磨损了的切削体。
图10及11表示这种修整过程。相应地设有一个修整轮40，在其覆层中设置有金刚石晶体41。该修整轮40在箭头42的方向上通过一个驱动装置(未示出)驱动旋转。
在修整时，设有切割层41的切削体30用其旋转轴线46相对修整轮40的旋转轴线47取得一个相应于工具力图达到的锥角的倾斜位置。如由箭头48所示，切削体30这样地旋转，以致它的锥形切割层30’在其与修整轮40接触的位置上相对修整轮反向地运动。图9(c)表示已修整的及由此重新变锐利的切削体30(其原始轮廓用虚线来表示)。
在具有金刚石磨粒或cBN磨粒的多层磨削工具的情况下，使用具有的粒度低于工具粒度及切削速度为1-3m/s的陶瓷轮作为修整轮40。相对地，陶瓷结合剂碳化硅工具或刚玉工具则用粒度为D181-D426的金刚石轮来修整。
图12表示用于加工锥形阀座55的一个工具，其中-作为可能非完全精确地制造的后果-阀座55的轴线LA相对旋转轴线60在一个角度为α的一定倾斜位置上。旋转轴线60是工具51被一个工具接收部带动而绕其旋转的轴线，该工具用其端部61夹紧在该工具接收部中(未示出)。为了补偿倾斜位置α，该工具51具有一个缩颈形式的弯曲铰链(Biegegelenk)50，当旋转期间该弯曲铰链能使切削体52适配阀座。这里应指出，角度α通常在几个角分的范围中。这可通过绕一个这种给定弯曲部位的弹性弯曲得到补偿。
图13还表示出另一实施例，其中工具71设有一个弯曲铰链70，它被设在切削体72的下端。该实施例的特点还在于，这里包围通道73的阀座75的面是平的。并且这里也形成同心的沟纹及在沟纹之间的轮廓峰，它们适合于当接触一个具有平的面的平的阀闭合件74时变形及实际上构成线形的同心的密封面。对于阀的完善功能重要的是，工具覆盖整个的阀座面；及-与磨削时不同-不发生与待加工的阀座面平行的进给运动，因为否则的话不会产生同心的沟纹及轮廓峰。
根据偏转杠杆比，在根据图13的平面工具的情况下，弯曲铰链70被设置得尽可能地低，而在具有锥形切削体的工具、例如根据图12的工具的情况下则设置得尽可能地高，因为它们通过水平的法向力偏转。
权利要求
1.具有一个阀座的阀，该阀座设有一个用于待被控制的介质的通道，其特征在于阀座(4)的面(4，55，75)具有多个同心延伸的沟纹(6)以及构造在这些沟纹之间的轮廓峰(7)，其中阀座的面的由这些沟纹及轮廓峰给定的粗糙度大于阀闭合件的面的粗糙度，及当阀闭合时这些轮廓峰(7)的峰项可通过该闭合弹性变形并形成多个同心的密封面。
2.根据权利要求1的阀，其特征在于该阀座的面的粗糙度(RZ)的值小于8μm。
3.根据权利要求1或2的阀，其特征在于所述阀座的面的粗糙度(RZ)的值约为1μm。
4.根据权利要求1-3中一项的阀，其特征在于所述阀座(4，55)的面具有一个锥体的逐渐收缩的锥形形状。
5.根据权利要求1-4中一项的阀，其特征在于所述阀座的面上的这些沟纹(6)及轮廓峰(7)通过珩磨且无平行于该面的进给地产生。
6.根据权利要求1-5中一项的阀，其特征在于在珩磨时，珩磨工具的面覆盖阀座的整个面，当阀闭合时该阀座与阀闭合件接触。
7.根据权利要求1-6中一项的阀，其特征在于所述阀闭合件是一个球(5)。
8.根据权利要求1-6中一项的阀，其特征在于所述阀闭合件(74)具有一个平的密封面(74’)。
9.根据权利要求4-7中一项的阀，其特征在于所述轮廓峰(7)或沟纹(6)的圆度精度的值小于等于2.0μm。
10.根据权利要求8的阀，其特征在于这些轮廓峰的平面度精度的值小于4μm。
11.用于制造阀座(4，55，75)的方法，该阀座具有一个阀座面，该阀座面在一个加工步骤中经受精加工及在一个阀中与一个阀闭合件相互作用，其特征在于该精加工为珩磨及借助一个工具(8)来实施，该工具的工具头(9)被根据阀座面构型，其中工具(8)被旋转地驱动，及借助处在工具头(9)上的磨粒(12)在阀座面上产生同心延伸的加工沟纹(6)，其中在工具头(9)上的磨粒突出高度被这样地定尺寸，以致轮廓深度这样大，使得当一个阀闭合件接触在阀座面上时在加工的沟纹(6)之间构成的轮廓峰(7)的弹性变形产生出多个窄的同心的密封面。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于该阀座(4，55)具有锥形的形状，其中首先在一个加工步骤中产生锥体的基本形状及然后在另一加工步骤中在该锥体形状上进行阀座(4)的精加工，其特征在于该精加工为珩磨及借助一个工具(8)来实施，该工具在其工具头(9)上全锥形地构型及设有用于输入冷却-润滑剂的机构(13，14)，其中工具(8)被旋转地驱动，及借助处在工具头(9)上的磨粒(12)在阀座面上产生相对该锥形同心延伸的加工沟纹(6)，其中在工具头(9)上的磨粒的突出高度被这样地定尺寸，以致轮廓深度这样大，使得一个弹性变形导致圆度误差的补偿。
13.根据权利要求11或12的方法，其特征在于所述珩磨在至少两个彼此相继的操作中进行。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于在每个操作中，用具有更细的磨粒的工具(8)切除在先的珩磨操作的粗糙度轮廓。
15.根据权利要求11至14中一项的方法，其特征在于工具(8)被周期性地脱离加工作用及加工部位由冷却-润滑剂流入。
16.根据权利要求11至15中一项的方法，其特征在于在珩磨时工具(8)以每分钟250至每分钟6000转的转数旋转。
17.根据权利要求11至16中一项的方法，其特征在于在珩磨加工后接着进行去毛刺加工，尤其用金刚石分离工具和/或具有磨粒的刷加工。
18.根据权利要求11至17中一项的方法，其特征在于在精加工的加工步骤中在阀座(4)上切除材料的轴向加工余量为约20μm至90μm。
19.根据权利要求11至18中一项的方法，其特征在于在珩磨期间为了补偿阀座的纵向轴线(LA)的倾斜位置，工具(51，71)在它加工期间借助一个设在其柄上的弯曲铰链(50，70)偏转。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于该弯曲铰链通过工具柄的缩颈构成及该偏转通过弯曲铰链的弹性变形进行。
21.根据权利要求11至20中一项的方法，其特征在于在珩磨时工具(8)及工件被反向地驱动。
22.根据权利要求11至21中一项的方法，其特征在于使用多层的工具，在所述工具上磨粒用陶瓷结合，及借助一个平面的修整轮进行工具的修整，工具相对该修整轮的面以待由它加工的锥形形状的角度倾斜地放置；及在修整时工具及修整轮被反向地驱动。
全文摘要
本发明涉及一种阀及一种用于制造阀座的方法，阀座的面具有多个同心延伸的沟纹(6)与构成在这些沟纹之间的轮廓峰(7)，其中阀座的面的由这些沟纹及轮廓峰给定的粗糙度大于阀闭合件的面的粗糙度，及当阀闭合时轮廓峰(7)的峰顶可通过该闭合弹性变形及形成多个同心的密封面。
文档编号B24B15/00GK1816421SQ200480019012
公开日2006年8月9日 申请日期2004年6月30日 优先权日2003年7月1日
发明者格哈德·弗洛雷斯, 哈拉尔德·赞格, 亚历山大·韦伯, 卡斯滕·若德利克 申请人:格林两合公司