CN107109974B - 空心发动机气门及其制造方法 - Google Patents

空心发动机气门及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抑制制造成本的增大且耐久性高的空心发动机气门及其制造方法。空心发动机气门(1)的制造方法包括如下工序：将作为气门主体(2)的原料的实心圆棒(12)通过锻造而成形为气门主体中间构件(18)，该气门主体中间构件(18)具备与气门头部(6)对应的半完成品气门头部(14)和与气门轴部(8)对应的实心轴部(16)；对于气门主体中间构件进行遍及实心轴部和半完成品气门头部而形成与空心孔(10)对应的有底的半完成品空心孔(20)的切削加工，从而将气门主体中间构件成形为气门主体半完成品(24)，该气门主体半完成品(24)具备半完成品气门头部和半完成品气门轴部(22)；及对于气门主体半完成品进行将半完成品气门轴部逐级挤压的缩颈加工，从而将半完成品气门轴部的直径缩小，并且将半完成品气门轴部的轴长延长，将气门主体半完成品成形为气门主体。

Description

空心发动机气门及其制造方法
技术领域
本发明涉及空心发动机气门及其制造方法，尤其是涉及具备气门主体的空心发动机气门及其制造方法，所述气门主体遍及气门头部和与该气门头部连接的气门轴部而形成有有底的空心孔。
背景技术
近年来，伴随着发动机的高输出化及高性能化，对于能够进行高精度的气门开闭动作的发动机气门的期望升高。因此，提供出将内部形成为空心而实现了轻量化的空心发动机气门。这样的空心发动机气门的制造方法例如在专利文献1中公开。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-094732号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所示的以往的空心发动机气门的制造方法中，将作为空心发动机气门的原料的实心圆棒通过锻造而成形为具备与气门头部对应的扩径部和实心的躯干部的中间构件，接下来，在该中间构件的上表面通过冲孔加工而形成有底的空心孔，得到空心发动机气门的半完成品。进而，通过锻造，对该半完成品的扩径部和躯干部进行挤压，由此成形出空心发动机气门的完成品。
然而，在将该空心发动机气门使用作为排气门的情况下，由于承受曝露于高温的排气这样的使用环境，因此需要通过具有高耐热性的耐热钢或耐热合金来制造空心发动机气门。然而，这样的具有高耐热性的材料通常为难切削材料，多发生工具寿命的缩短。
特别是如专利文献1所示，在得到空心发动机气门的半完成品的工序中，在难切削材料的中间构件的上表面通过冲孔加工来形成有底的空心孔的情况下，冲孔加工使用的工具(冲头)由于几次的使用就不得不更换，存在制造成本增大这样的问题。
另外，虽然可考虑在成形出具有与空心发动机气门的完成品同样的外形的实心的半完成品之后，通过切削加工在该半完成品的轴部形成空心孔的情况，但是在这种情况下，不得不通过钻头来加工长度相对于直径之比极大的细长孔，因此加工自身困难，并且工具寿命变得非常短。
另外，在专利文献1所示的以往的制造方法中，空心发动机气门的半完成品的空心孔的底面为平面，该空心孔的底面与内周面所成的角度成为大致90°。这种情况下，如果通过锻造对该半完成品的扩径部和躯干部进行挤压，则空心孔的底面与内周面之间的拐角部折叠而该拐角部的R减小。其结果是，在空心发动机气门的使用时，在该拐角部容易产生应力集中，空心发动机气门的耐久性可能会降低。
本发明为了解决上述的现有技术的问题点而作出，目的在于提供一种抑制制造成本的增大且耐久性高的空心发动机气门及其制造方法。
用于解决课题的方案
为了实现上述的目的，本发明的空心发动机气门的制造方法是具备气门主体的空心发动机气门的制造方法，该气门主体遍及气门头部和与该气门头部连接的气门轴部而形成有有底的空心孔，所述空心发动机气门的制造方法的特征在于，包括如下工序：将作为气门主体的原料的实心圆棒通过锻造而成形为气门主体中间构件，该气门主体中间构件具备与气门头部对应的半完成品气门头部和与气门轴部对应的实心轴部；对于气门主体中间构件进行遍及实心轴部和半完成品气门头部而形成与空心孔对应的有底的半完成品空心孔的切削加工，从而将气门主体中间构件成形为气门主体半完成品，该气门主体半完成品具备半完成品气门头部和与气门轴部对应的半完成品气门轴部；及对于气门主体半完成品进行将半完成品气门轴部逐级挤压的缩颈加工，从而将半完成品气门轴部的直径缩小，并且将半完成品气门轴部的轴长延长，将气门主体半完成品成形为气门主体。
在这样构成的本发明中，将作为气门主体的原料的实心圆棒通过锻造而成形为具备半完成品气门头部和实心轴部的气门主体中间构件之后，对于该气门主体中间构件进行遍及实心轴部和半完成品气门头部而形成有底的半完成品空心孔的切削加工，由此将气门主体中间构件成形为具备半完成品气门头部和半完成品气门轴部的气门主体半完成品，因此即便在使用难切削材料作为空心发动机气门的原料的情况下，也能够使用适合于该难切削材料的加工的切削工具(钻头)来形成半完成品空心孔，由此，相比较于对于气门主体中间构件通过冲孔加工而形成半完成品空心孔的情况、在具有与空心发动机气门的完成品同样的外形的实心的半完成品的轴部通过切削加工而形成细长的空心孔的情况相比，能够降低工具所需的成本并且缩短加工周期时间。因此，能够抑制空心发动机气门的制造成本的增大。
另外，在本发明中，优选的是，在形成与空心孔对应的半完成品空心孔的工序中，通过前端倾斜的钻头来形成半完成品空心孔。
在这样构成的本发明中，能够将半完成品空心孔的底面形成为倒圆锥状，由此，与该半完成品空心孔的底面为平面的情况相比，能够抑制在对半完成品气门轴部实施缩颈加工时空心孔的底面与内周面之间的拐角部折叠而该拐角部的R减小的情况。因此，在空心发动机气门的使用时能够降低在该拐角部产生的应力集中，能够制造出耐久性高的空心发动机气门。
另外，在本发明中，优选的是，钻头的刀尖的前端角为140°以上且178°以下。
在这样构成的本发明中，能够将半完成品空心孔的底面形成为顶角为140°以上且178°以下的倒圆锥状，由此，能够将空心孔的底面的内径维持成适当的大小，并抑制在对半完成品气门轴部实施缩颈加工时空心孔的底面与内周面之间的拐角部的R减小的情况。因此，能够制造出兼具形成适当的大小的空心孔产生的轻量化及高冷却性能、以及空心孔的底面与内周面之间的拐角部的应力集中的降低产生的高耐久性的空心发动机气门。
另外，本发明的空心发动机气门具备气门主体，该气门主体遍及气门头部和与该气门头部连接的气门轴部而形成有有底的空心孔，其特征在于，气门头部的底面为平面或凹面，空心孔的底面为凹面。
在这样构成的本发明中，与空心孔的底面为平面的情况相比，能够抑制在制造空心发动机气门时空心孔的底面与内周面之间的拐角部折叠而该拐角部的R减小的情况。因此，在空心发动机气门的使用时能够降低在该拐角部产生的应力集中，能够得到耐久性高的空心发动机气门。
另外，在本发明中，优选的是，空心孔的底面形成为倒圆锥状。
在这样构成的本发明中，与空心孔的底面为平面的情况相比，能够抑制在制造空心发动机气门时空心孔的底面与内周面之间的拐角部折叠而该拐角部的R减小的情况。因此，在空心发动机气门的使用时能够降低在该拐角部产生的应力集中，能够得到耐久性高的空心发动机气门。
另外，在本发明中，优选的是，空心孔的底面形成为顶角为140°以上且178°以下的倒圆锥状。
在这样构成的本发明中，能够将空心孔的底面的内径维持为适当的大小，并能够抑制在制造空心发动机气门时空心孔的底面与内周面之间的拐角部折叠而该拐角部的R减小的情况。因此，能够得到兼具形成适当的大小的空心孔产生的轻量化及高冷却性能、以及在空心发动机气门的使用时在空心孔的底面与内周面之间的拐角部产生的应力集中的降低形成的高耐久性的空心发动机气门。
发明效果
根据本发明的空心发动机气门及其制造方法，能够得到抑制制造成本的增大且耐久性高的空心发动机气门。
附图说明
图1是本发明的实施方式的空心发动机气门的完成品的剖视图。
图2是表示本发明的实施方式的空心发动机气门的制造工序的工序图。
图3A是本发明的实施方式的空心发动机气门的气门主体半完成品的剖视图。
图3B是本发明的实施方式的空心发动机气门的气门主体半完成品的半完成品气门头部的放大剖视图。
图4A是本发明的实施方式的空心发动机气门的气门主体的剖视图。
图4B是本发明的实施方式的空心发动机气门的气门主体的气门头部的放大剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式的空心发动机气门及其制造方法。
首先，通过图1，说明本发明的实施方式的空心发动机气门。图1是本发明的实施方式的空心发动机气门的完成品的剖视图。
首先，在图1中，标号1表示本发明的实施方式的空心发动机气门。该空心发动机气门1在车辆等的内燃发动机中，作为进气门或排气门使用。
空心发动机气门1具有空心的气门主体2和实心的轴端封闭构件4。
气门主体2具有伞状的气门头部6和从该气门头部6沿着轴线方向延伸的气门轴部8。例如，该气门头部6的底面6a的外径为30mm，气门轴部8的外径为6mm。遍及上述的气门头部6和气门轴部8，以沿着气门头部6及气门轴部8的外形的方式形成有底的空心孔10。该空心孔10的底面10a的内径比气门轴部8的内径大，例如空心孔10的底面10a的内径为10mm，气门轴部8的空心孔10的内径为3mm。在该空心孔10的内部能够封入例如冷却介质用的金属钠。在以下的说明中，将沿着空心发动机气门1的轴线方向从气门轴部8朝向气门头部6的方向设为下方，将从气门头部6朝向气门轴部8的方向设为上方。
轴端封闭构件4具有与气门主体2的气门轴部8相同的外径，该气门轴部8的上端与轴端封闭构件4的下端相互接合。
如图1所示，气门主体2的气门头部6的底面6a为平面，另一方面，气门头部6的空心孔10的底面10a成为凹面。更详细而言，空心孔10的底面10a形成为倒圆锥状，其顶角形成为140°以上且178°以下的范围。
作为气门主体2及轴端封闭构件4的材料，使用与HT80相当的高张力钢且800℃下的拉伸强度为300MPa以上的耐热材料(例如，SUH系的耐热钢或NCF系的耐热合金等)。
接下来，通过图2至图4，来说明本发明的实施方式的空心发动机气门1的制造方法。图2是表示本发明的实施方式的空心发动机气门1的制造工序的工序图。而且，图3A是本发明的实施方式的空心发动机气门1的气门主体半完成品24的剖视图，图3B是气门主体半完成品24的半完成品气门头部14的放大剖视图。而且，图4A是本发明的实施方式的空心发动机气门1的气门主体2的剖视图，图4B是气门主体2的气门头部6的放大剖视图。
首先，如图2中的(a)所示，准备被加工成规定的长度及外径的实心圆棒12。
接下来，如图2中的(b)所示，对于实心圆棒12进行1次或多次的锻造加工，由此成形出具备与气门头部6对应的半完成品气门头部14和与气门轴部8对应的实心轴部16的气门主体中间构件18。此时形成的半完成品气门头部14的底面14a的外径D1比完成品的气门头部6的底面6a的外径稍大，例如为32mm。而且，实心轴部16的外径D2比完成品的气门轴部8的外径大，例如为14～20mm。需要说明的是，在该工序的锻造加工中，可以使用冷锻、温锻或热锻中的任一种锻造法。
接下来，如图2中的(c)所示，对于气门主体中间构件18，进行遍及实心轴部16和半完成品气门头部14而形成与空心孔10对应的有底的半完成品空心孔20的切削加工。由此，将气门主体中间构件18成形为具备半完成品气门头部14和与气门轴部8对应的半完成品气门轴部22的气门主体半完成品24。
如图3A所示，在形成该半完成品空心孔20的切削加工中，遍及实心轴部16和半完成品气门头部14而形成有底的半完成品空心孔20。该切削加工使用具备轴芯冷却功能的开孔加工机进行。具体而言，开孔加工机具备带有冷却液通过孔的超硬钻头，通过2MPa以上的压力向该钻头供给冷却液。该开孔加工机在保持了半完成品气门头部14的外周部分的状态下，从实心轴部16的上端至半完成品气门头部14进行切削而进行开孔加工。这样形成的半完成品空心孔20的内径
Figure GDA0001233432230000081
比完成品的空心孔10的底面10a的内径稍大，例如为
Figure GDA0001233432230000082
另外，该切削加工中使用的钻头的刀尖的前端角为140°以上且178°以下。因此，如图3A所示，半完成品空心孔20的底面20a形成为顶角θ1为140°以上且178°以下的倒圆锥状。即，如图3B所示，半完成品空心孔20的底面20a以相对于半完成品气门头部14的底面14a而倾斜角θ2成为1°以上且20°以下的方式形成。而且，如图3B所示，在通过该切削加工而形成的半完成品空心孔20的底面20a与内周面20b之间的拐角部形成规定的圆角R1(例如R1＝1.0mm)。
在钻头的刀尖的前端角小于140°的情况下(即，半完成品空心孔20的底面20a的倾斜角θ2大于20°的情况下)，如果半完成品气门头部14的底面14a的壁厚恒定，则该半完成品气门头部14的半完成品空心孔20的体积减小，因此形成空心孔10所带来的轻量化及冷却性能的提高的效果降低。而且，在钻头的刀尖的前端角大于178°的情况下(即，半完成品空心孔20的底面20a的倾斜角θ2小于1°的情况下)，在对半完成品气门轴部22实施后述的缩颈加工时，空心孔10的底面10a与内周面10b之间的拐角部折叠而该拐角部的R减小，因此在空心发动机气门的使用时，在拐角部容易产生应力集中，空心发动机气门1的耐久性可能会降低。因此，如上所述，钻头的刀尖的前端角优选为140°以上且178°以下(即，半完成品空心孔20的底面20a的倾斜角θ2为1°以上且20°以下)。
在上述的形成半完成品空心孔20的切削加工之后，如图2中的(d)所示，对于气门主体半完成品24进行将半完成品气门轴部22逐级挤压的多次(例如8次～15次)的缩颈加工(缩减加工)，由此使半完成品气门轴部22的直径缩减，并延长半完成品气门轴部22的轴长。由此，气门主体半完成品24成形为具备气门头部6和气门轴部8的气门主体2。
半完成品气门轴部22通过缩颈加工而缩颈至气门轴部8的外径(例如6mm)为止，并且轴线方向的长度延长。在该缩颈加工中，半完成品气门轴部22的下端部分(向半完成品气门头部14的连接部分)以向中心轴线侧倾斜的方式被挤入。伴随于此，如图4B所示，空心孔10的底面10a与内周面10b之间的拐角部的R2比图3B所示的半完成品空心孔20的底面20a与内周面20b之间的拐角部的R1减小(例如R2＝0.2mm)。而且，空心孔10的底面10a的内径
Figure GDA0001233432230000091
比半完成品空心孔20的内径
Figure GDA0001233432230000092
稍小(例如
Figure GDA0001233432230000093
)。
接下来，在气门主体2的气门轴部8的上端接合轴端封闭构件4，对气门头部6的底面6a的外周进行倒角加工，由此形成作为完成品的空心发动机气门1。
接下来，说明本发明的实施方式的进一步的变形例。
在上述的实施方式中，说明了气门主体2的气门头部6的底面6a为平面的情况，但是该气门头部6的底面6a也可以是凹面。
接下来，说明上述的本发明的实施方式及本发明的实施方式的变形例的车辆用内装构造的作用效果。
首先，将作为气门主体2的原料的实心圆棒12通过锻造而成形为具备半完成品气门头部14和实心轴部16的气门主体中间构件18之后，对于该气门主体中间构件18进行遍及实心轴部16和半完成品气门头部14而形成有底的半完成品空心孔20的切削加工，由此将气门主体中间构件18成形为具备半完成品气门头部14和半完成品气门轴部22的气门主体半完成品24，因此，即便在使用难切削材料作为空心发动机气门1的原料的情况下，也能够使用适合于该难切削材料的加工的切削工具(钻头)来形成半完成品空心孔20，由此，相比较于对于气门主体中间构件18通过冲孔加工形成半完成品空心孔20的情况、或者在具有与空心发动机气门1的完成品同样的外形的实心的半完成品的轴部通过切削加工形成细长的空心孔的情况相比，能够降低工具所需的成本并缩短加工周期时间。因此，能够抑制空心发动机气门1的制造成本的增大。
另外，由于通过前端倾斜的钻头来形成半完成品空心孔20，因此能够将半完成品空心孔20的底面20a形成为倒圆锥状，由此，与该半完成品空心孔20的底面20a为平面的情况相比，能够抑制在对半完成品气门轴部22实施缩颈加工时空心孔10的底面10a与内周面10b之间的拐角部折叠而该拐角部的R减小的情况。因此，在空心发动机气门的使用时，能够降低在该拐角部产生的应力集中，能够制造出耐久性高的空心发动机气门1。
尤其是钻头的刀尖的前端角为140°以上且178°以下，因此能够将半完成品空心孔20的底面20a形成为顶角为140°以上且178°以下的倒圆锥状，由此，能够将空心孔10的底面10a的内径维持成适当的大小，并且在对半完成品气门轴部22实施缩颈加工时能够抑制空心孔10的底面10a与内周面10b之间的拐角部的R减小的情况。因此，能够制造出兼具形成适当的大小的空心孔10产生的轻量化及高冷却性能、以及空心孔10的底面10a与内周面10b之间的拐角部的应力集中的降低产生的高耐久性的空心发动机气门1。标号说明
1 空心发动机气门
2 气门主体
6 气门头部
8 气门轴部
10 空心孔
12 实心圆棒
14 半完成品气门头部
16 实心轴部
18 气门主体中间构件
20 半完成品空心孔
22 半完成品气门轴部
24 气门主体半完成品

Claims (3)

1.一种空心发动机气门的制造方法，所述空心发动机气门具备气门主体，该气门主体遍及气门头部和与该气门头部连接的气门轴部而形成有有底的空心孔，所述空心发动机气门的制造方法的特征在于，包括如下工序：
将作为上述气门主体的原料的实心圆棒仅通过锻造而成形为气门主体中间构件，该气门主体中间构件具备与上述气门头部对应的半完成品气门头部和与上述气门轴部对应的实心轴部；
对于上述气门主体中间构件仅进行遍及上述实心轴部和上述半完成品气门头部而形成与上述空心孔对应的有底的半完成品空心孔的切削加工，从而将上述气门主体中间构件成形为气门主体半完成品，该气门主体半完成品具备上述半完成品气门头部和与上述气门轴部对应的半完成品气门轴部；及
对于上述气门主体半完成品进行将上述半完成品气门轴部逐级挤压的缩颈加工，从而将上述半完成品气门轴部的直径缩小，并且将上述半完成品气门轴部的轴长延长，将上述气门主体半完成品成形为上述气门主体。
2.根据权利要求1所述的空心发动机气门的制造方法，其中，
在形成与上述空心孔对应的半完成品空心孔的工序中，通过前端倾斜的钻头来形成上述半完成品空心孔。
3.根据权利要求2所述的空心发动机气门的制造方法，其中，
上述钻头的刀尖的前端角为140°以上且178°以下。
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