Ventilsitze und -führungen

Sep 13, 2023

Die Ausführung von Ventilarbeiten ist einer der wichtigsten Bereiche im Motorenbau. Laut unserem neuesten Machine Shop Market Profile machen Zylinderköpfe für Gasmotoren fast 16 Prozent der Produktionszeit eines Motorenbauers aus – und es ist leicht zu verstehen, warum. Die Wärmeleitfähigkeit des Ventils ist entscheidend für die Wärmeableitung innerhalb der Brennkammer, insbesondere im Hinblick auf das Auslassventil. Ventilsitze übertragen die Wärme vom Ventil in den Zylinderkopf, und ohne das richtige Material oder die richtige Passform bricht der gesamte Prozess zusammen und Sie und Ihre Kunden geraten in Schwierigkeiten.

Versprödung und Rissbildung der Ventilsitze können Sie verhindern, indem Sie ein für den Einsatzzweck geeignetes Material wählen. Die meisten neueren Serienmotoren sind werkseitig für die Verwendung eines Sitzes aus Pulvermetall ausgelegt und sind als Einsätze von mehreren Herstellern für eine Vielzahl von Anwendungen erhältlich. PM-Sitze eignen sich gut für Straßenmotoren und Motoren mit geringer Leistung, sind jedoch nicht für Hochleistungsmotoren geeignet, bei denen die Verbrennungstemperaturen höher sind.

Viele Experten sagen, dass Sie die Senkungen nachschneiden sollten, um neue übergroße Sitze aufzunehmen. Einige Motorenbauer ziehen es jedoch vor, neue Einsätze in Standardgröße in die vorhandenen Senkungen einzubauen. Es funktioniert bei einigen großen Dieselzylinderköpfen mit dicken Wänden, bei Automobilköpfen ist es jedoch schwierig, es auszuprobieren.

Durch die Bearbeitung der Senkungen zur Aufnahme übergroßer Einsätze können Sie den Presssitz kontrollieren, sodass sich die Sitze nicht lösen. Das Nachschneiden der Senkbohrung ermöglicht außerdem eine bessere Kontrolle des Rundlaufs und der Konzentrizität mit der Ventilführung. Die Senkungen müssen glatt, rund und an der Unterseite flach sein und mit den Führungen zentriert sein, um eine ordnungsgemäße Ausrichtung und eine gute Wärmeübertragung zwischen Sitz und Kopf zu gewährleisten.

Als die OEMs im Zuge der Umstellung auf bleifreien Kraftstoff in den 1970er Jahren mit der Induktionshärtung des Ventilsitzbereichs begannen, sollte das Verfahren eine Härtetiefe von etwa 0,070 Zoll erzeugen. Es stellte sich jedoch heraus, dass durch die erneute Bearbeitung der Sitze während des Kopfumbaus die Härte verloren ging und die Sitze ersetzt werden mussten. Dies führte zum Wachstum des Ventilsitzmarktes, der bis heute mit umgebauten Zylinderköpfen und der weit verbreiteten Verwendung von Aluminium anhält.

Ein Hersteller gab an, dass ein erheblicher Prozentsatz der Ventilsitzausfälle entweder auf die falsche Ventil- und Sitzkombination, die falsche Ventiltriebgeometrie oder mangelnde Konzentrizität von Sitz und Führung zurückzuführen sei. Eine weitere häufige Fehlerursache sind Vorzündungsprobleme.

Probleme entstehen, wenn die Sitze zu heiß werden und es zu Mikroverschweißungen zwischen Ventilen und Sitzen kommt. Die Ventile sind härter als die Sitze, sodass mikroskopisch kleine Metallpartikel an den Ventilen haften bleiben können. Wenn der Motor abkühlt, werden diese Partikel dann in die Abgase gespült. Dies führt bei manchen Anwendungen zu einem Zurückweichen der Sitze, insbesondere bei Trockengasmotoren wie Propan.

Es gibt verschiedene Methoden, um Sitzeinsätze aus Aluminiumköpfen zu entfernen, es muss jedoch große Vorsicht geboten sein, um die Senkbohrung nicht zu beschädigen. Durch die Verwendung eines Reinigungsofens können die Sitze so weit gelockert werden, dass sie möglicherweise herausfallen. In anderen Fällen können Sie versuchen, den alten Einsatz mit einem Fräser abzutrennen, der etwas kleiner als der Außendurchmesser des vorhandenen Ventilsitzeinsatzes ist. Einige Sanierer sagen, dass es funktioniert, einen Gesenkschleifer zu verwenden, um den Sitz zu schlitzen und zu schwächen (aber achten Sie darauf, nicht durch den Sitz und in die Senkbohrung zu schneiden). Das Heraushebeln des Sitzes kann auch funktionieren, wenn unter der Innenkante des Sitzes genügend Lippe vorhanden ist (beschädigen Sie auch hier nicht die Senkung).

Auf der Hochleistungsseite müssen Hersteller mit steigenden Verbrennungstemperaturen zu kämpfen haben und bevorzugen möglicherweise die Verwendung eines Sitzes aus einer Premium-Legierung. Wenn Sie Lachgas oder einen Power-Addierer fahren möchten, benötigen Sie ein Sitzmaterial, das den Temperaturen standhält. Anwendungen mit Titanventilen können aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit von der Verwendung eines Kupferlegierungsmaterials für den Sitz profitieren. Beachten Sie, dass Titan die Wärme nicht so gut leitet wie Stahl, sodass das Kupfer die Wärmeübertragung unterstützt.

In Serienmotoren kommen in immer mehr Anwendungen Pulvermetallführungen zum Einsatz. Einige Dieselmotoren verwenden Beschichtungen wie Phosphat oder andere Wärmebehandlungen, um den Verschleiß bei Anwendungen zu reduzieren, die Kraftstoff mit niedrigem Schwefelgehalt verwenden. Ventilführungen aus Bronze werden überwiegend in Serienmotoren europäischer Erstausrüster und in vielen Rennsportanwendungen eingesetzt.

Abgenutzte Ventilführungen können PS kosten. Knapp 40 Prozent der Wärme werden über die Ventilführung nach außen geleitet. Mit zunehmendem Abstand sinkt die Leitfähigkeit vom Schaft zur Führung und überträgt sich auf die Führung. In vielen Fällen ist es besser, Bronzeführungen zu verwenden, da diese die Wärme effektiver vom Wassermantel ableiten, selbst wenn diese zuerst durch Gusseisen verläuft. Die Oberfläche der Führung ist etwa viermal so groß wie die des Ventilschafts. Dadurch wird die Wärme in die vierfache Fläche von Gusseisen geleitet, wodurch die Temperatur drastisch gesenkt wird.

Da sich die Technologie weiterentwickelt hat und die Bearbeitungstoleranzen immer kleiner wurden, haben sich die Werkzeuge, die Motorenbauer zur Durchführung von Ventilsitz- und Führungsarbeiten verwenden, auf ein neues Niveau gehoben.

Von den drei erhältlichen Sitz- und Führungsmaschinentypen wird der Typ „Bohrmaschine“ in immer mehr Werkstätten ausgemustert. Diese Art von Sitz- und Führungsmaschine verwendet eine solide Säule und einen schwebenden Tisch, um sich von Führung zu Führung zu bewegen. Hierbei handelt es sich um einfache Sitz- und Führungsmaschinen, die im Vergleich zu den fortgeschritteneren Maschinen einige Einschränkungen aufweisen. Einige kleinere Geschäfte verwenden sie jedoch immer noch. Diese eignen sich möglicherweise besser für Arbeiten an kleinen Motoren an Rasenmähern und Gartengeräten. Neuere Automobilmotoren erfordern engere Toleranzen, als diese Maschinen zuverlässig einhalten können.

Wenn Sie auf der Suche nach einer neuen Maschine sind, sollten Sie sich vor dem Kauf einige qualifizierende Fragen stellen. Zunächst einmal: Warum brauchen Sie es? Rüsten Sie alte oder abgenutzte Geräte auf? Können Sie mit einer neuen Maschine mehr Aufträge bewältigen und Ihr Unternehmen ausbauen? Mit welcher Kopfgröße arbeiten Sie hauptsächlich? Benötigen Sie etwas, das mehrere Aufgaben erfüllen kann? Müssen Sie mehr Prozesse automatisieren, um Ihre Personalressourcen besser zu nutzen?

Das Nachdenken über diese Fragen sollte Ihnen bei der Entscheidung helfen, welche Art von Maschine Ihren Anforderungen entspricht. Wenn Sie beispielsweise eine kleine Werkstatt haben und feststellen, dass der Platz knapp ist, könnte ein Mehrzweck-Bearbeitungszentrum Platz schaffen, indem Kopfarbeiten mit Planbearbeitung und Bohren kombiniert werden. Sie sollten auch ermitteln, wie viel eine neue Maschine kostet und wie viel sie potenziell einbringen wird. In den meisten Fällen ist der Preis das Letzte, was berücksichtigt werden muss, aber wir wissen, dass jeder ein Budget hat, innerhalb dessen er sich bewegen kann.

Eine gute Maschine sollte alles können, was Sie wollen, und sich auf lange Sicht amortisieren, anstatt sich für eine kostengünstige Option zu entscheiden, die Sie sich jetzt leisten können. Der Preis für eine voll ausgestattete Sitz- und Führungsmaschine kann bei über 100.000 US-Dollar oder mehr liegen, je nachdem, wie viele Schnickschnack Sie wünschen. Mehrzweck-Bearbeitungszentren können je nach Werkzeugausstattung und Ausstattung einen Preis von bis zu 35.000 US-Dollar oder mehr haben. Suchen Sie nach einer Maschine, mit der Sie Geld verdienen und eine solide Rendite für Ihre Investition erzielen. Sie sollten stets danach streben, Qualität und Produktivität zu verbessern, was wiederum die Rentabilität Ihres Unternehmens steigert.

In den letzten Jahren gab es viele Verbesserungen bei Werkzeugen und Vorrichtungen. Während viele Maschinen ähnlich aussehen, bestehen die größten Unterschiede in der Art des verwendeten Pilotsystems („Live“-Pilot versus „fester“ Pilot), den Befestigungs-, Klemm- und Nivelliersystemen, den Betriebsmerkmalen des Maschinenkopfs und der Größe des Werkstücks Tisch, Aufbewahrung für Werkzeuge und Unterschiede bei den Werkzeugen selbst. Die meisten Ventilsitz- und Führungsmaschinen sind mit einem Luftschwimmerkopf ausgestattet, um eine schnelle Neupositionierung zu ermöglichen. Ein Kippkopf richtet die Spindel auf die Führung im Zylinderkopf aus. Vorgeformte Hartmetallschneider, die alle drei Ventilwinkel in einem Schritt schneiden, machen das Einsetzen separater Klingen überflüssig und sorgen für eine bessere Konsistenz der Breite, Größe und Position der Schnitte.

Einige andere Dinge, die Sie bei der Betrachtung von Ventilsitz- und Führungsmaschinen berücksichtigen sollten, sind unter anderem: Genauigkeit des Schneidkopfes, kann er für Arbeiten mit geneigten Ventilführungen um +/- 15 Grad geneigt werden? Gibt es einen eingebauten Vakuumtester, mit dem Sie Ihre Arbeit testen können, bevor Sie sie aus der Maschine nehmen? Sind Motor- und Drehzahlvariation für die Anforderungen Ihrer Werkstatt ausreichend?

Eine Sache, die nicht auf der Liste steht, ist der Preis. Obwohl es viele technische Informationen zu verstehen und zu berücksichtigen gilt, sollten die Kosten das Letzte sein, was Sie bei der Auswahl eines neuen Geräts berücksichtigen. Der hohe Preis der Ausrüstung kann für einige Geschäfte abschreckend sein, aber denken Sie zunächst über Ihre Bedürfnisse als Unternehmen nach. Denken Sie daran: Keine Werkzeugmaschine lohnt sich, wenn sie sich nicht amortisiert. Die Erbringung qualitativ hochwertiger Arbeit ist einer der wichtigsten Indikatoren für Ihren Erfolg und wird Ihnen letztendlich mehr Umsatz bescheren. Unabhängig davon, ob Sie eine neue oder gebrauchte Sitz- und Führungsmaschine kaufen, sollte es Ihnen dabei helfen, Ihre Möglichkeiten zu erweitern und Arbeiten zu erledigen, die Ihre aktuelle Sitz- und Führungsmaschine nicht leisten kann.

Wenn Sie Ihr handwerkliches Gespür mit einem geschäftsorientierten Ansatz verbinden, können Sie Produktivität und Rentabilität steigern.