JP2002349216A - バルブシートの接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バルブシートがヘッドに対して物理的に保持
される接合形状を摩擦接触により簡単に実現できるバル
ブシートの接合方法を提供する。 【解決手段】 ヘッド１の開口１１周りに固相流動体を
生じさせ、この固相流動体でバルブシート２の抜け止め
を行うに際して、前記固相流動体をバルブシート２の外
周２１を超えて延在する押圧体３を開口１１周りに摩擦
接触させて生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの機関弁
などにおけるバルブシートをヘッドの開口に接合する方
法に関し、特に摩擦接触を用いてバルブシートの抜け止
めを行うバルブシートの接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にエンジンの機関弁におけるバルブ
シートの接合は、鉄系焼結合金などにより形成されたリ
ング状のバルブシートを、アルミニウム合金製のシリン
ダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの開口周囲の凹部
に、加熱圧入することにより行われていた。

【０００３】この加熱圧入方式では、焼きばめ等の内部
応力に耐えるために、リング状のバルブシートを比較的
厚肉とする必要がある。そのため、内部応力が少ない溶
接等によりバルブシートを接合し、バルブシートの薄肉
化を図る試みがなされている。特開平１１−５０８２３
号公報に、超音波振動を印加して行う摩擦圧接を用いる
方法が提案されている。また、特開平８−２９６４１７
号公報や特開２０００−２６３２４１号公報に、電気抵
抗溶接を用いる圧接方法が提案されている。

【０００４】いずれの方法でも、アルミニウム合金のシ
リンダヘッドと鉄系焼結合金のバルブシートとの異材質
間の接合であるため、接合境界部に形成される脆弱な金
属間化合物や酸化皮膜により、接合強度が確保できな
い。そのため、バルブシート自体に、アルミニウム合金
に対して拡散性を有する拡散材料を固着又は含浸させた
り、ろう材を介在させたりして接合強度を確保すること
が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した摩擦圧接や電
気抵抗溶接によるバルブシートの接合では、比較的厚み
を薄くできるなどの設計上の自由度が確保できるもの
の、抜け落ちを完全に防止する接合強度が確保できず、
未だ実用化に至っていない。

【０００６】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、バルブシートがヘッドに対し
て物理的に保持される接合形状を摩擦接触により簡単に
実現できるバルブシートの接合方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成する請
求項１に記載のバルブシートの接合方法は、ヘッドの開
口にリング状のバルブシートを接合するバルブシートの
接合方法であって、前記ヘッドの開口周りに固相流動体
を生じさせ、この固相流動体で前記バルブシートの抜け
止めを行うものであり、前記固相流動体を前記バルブシ
ートの外周を超えて延在する押圧体を前記開口周りに摩
擦接触させて生じさせることを特徴とするものである。
この請求項１の構成によれば、ヘッド側に生じる固相流
動体がバルブシートの外周を超えて延在する押圧体の開
口周りへの摩擦接触により生じるため、バルブシートの
抜け止めのための固相流動体を十分に生じさせることが
できるとともに、バルブシートの形状を最終形状に近い
ものにすることができる。

【０００８】請求項２に記載のバルブシートの接合方法
は、請求項１において、前記押圧体は、前記バルブシー
トを保持するものである。この請求項２の構成によれ
ば、押圧体にバルブシートが保持されているため、押圧
体で位置決めされたバルブシートがヘッドの所定位置に
接合される。

【０００９】請求項３に記載のバルブシートの接合方法
は、請求項２において、前記バルブシートは、その外周
に前記開口に向かって縮径する縮径部を有し、この縮径
部に流れ込む前記固相流動体により抜け止めされる。こ
の請求項３の構成によれば、縮径部に流れ込んだ固相流
動体が例えば楔状となってバルブシートに対する物理的
な抜け止めとなる。

【００１０】請求項４に記載のバルブシートの接合方法
は、請求項３に記載の発明において、前記開口は、前記
バルブシートが挿入される段付き穴を有し、前記バルブ
シートの外周と前記段付き穴の内周との間に隙間が形成
されている。この請求項４の構成によれば、縮径部に流
れ込む固相流動体によって押し出されようとする空気が
バルブシートの外周と段付き穴の内周との間の隙間から
外部に流れ出て、固相流動体に対する空気の巻き込みが
少なくなる。

【００１１】請求項５に記載のバルブシートの接合方法
は、請求項１に記載の発明において、前記バルブシート
が前記開口の側に予め保持されている。この請求項５の
構成によれば、バルブシートをヘッド側に予め保持され
ているため、押圧体はヘッド側との摩擦接触で固相流動
体を生じさせる単純形状のものであればよい。

【００１２】請求項６に記載のバルブシートの接合方法
は、請求項５に記載の発明において、前記バルブシート
は、その外周に前記開口に向かって縮径する縮径部を有
し、この縮径部に流れ込む前記固相流動体により抜け止
めされる請求項５に記載のバルブシートの接合方法。こ
の請求項６の構成によれば、縮径部に流れ込んだ固相流
動体が例えば楔状となってバルブシートに対する物理的
な抜け止めとなる。

【００１３】請求項７に記載のバルブシートの接合方法
は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前
記固相流動体は、前記押圧体を回転させながら前記ヘッ
ドに向けて加圧することにより形成されたものである。
この請求項７の構成によれば、バルブシートのヘッドへ
の物理的接合に十分な固相流動体が形成される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。 〔第１実施形態〕図１及び図２は、本発明の第１実施形
態のバルブシートの接合方法を示す図である。図１は第
１実施形態の接合方法の接合前状態を示す図であり、図
２は接合手順を示す図である。

【００１５】図１において、１はヘッドの一例であるシ
リンダヘッドであり、２はバルブシートであり、３は押
圧体である。

【００１６】シリンダヘッド１は、アルミニウム合金
（例えばＡｌ−Ｓｉ系）の様な軟質金属で形成されてお
り、通路となる開口１１を有する。この開口１１の端面
１１ａの周囲に、大径部１２と底部１３とからなる段付
き穴１４が形成されている。

【００１７】バルブシート２は、鉄系の合金又はそれら
合金の焼結体の様な硬質金属で形成されており、外周部
２１と、内周部２２と、内側側面２３と、外側側面２４
とを有するリング状である。外周部２１は、開口１１の
外側（燃焼室側）に向かう方向に傾斜する縮径部となっ
ており、その最大外径部２１ａはシリンダヘッド１の大
径部１２の内径より小さくなっており、両者の間には隙
間δが存在する。内周部２２は、シリンダヘッド１の開
口１１の内径より僅かに小さな内径と、バルブシートの
座面２２ａとを有し、後述する押圧体３の小径軸部３２
に嵌入される。内側側面２３は、段付き穴１４の底部１
３に対する当接面となっている。外側側面２４は、後述
する押圧体３の作用面３３に対する当接面となってい
る。

【００１８】押圧体としての押圧体３は、回転可能且つ
押圧可能な工作機械の駆動軸に取り付けられた工具であ
り、大径軸部３１と、小径軸部３２と、中心軸に垂直な
作用面３３とを有する。小径軸部３２は、バルブシート
２を共に回転するように保持する。回転確保のため、押
圧体３とバルブシート２の間に図示されないキー嵌合等
の係止手段が設けられている。作用面３３の中間軸側
は、バルブシート２の外側側面２４が当接する。作用面
３３の外周側は、バルブシート２の外周を超えて延在
し、シリンダヘッド１の開口１１の周りの端面１１ａに
対する接触面となる。この接触面の作用範囲は、大径軸
部３１の外径で決まるようになっている。

【００１９】つぎに、図１及び図２により、接合手順を
説明する。図１のように、バルブシート２を保持する押
圧体３の回転軸と、シリンダヘッド１の開口１１及び大
径部１２の中心軸とを一致させる。図２（ａ）のよう
に、押圧体３を、シリンダヘッド１に向けて回転させな
がら押し込む。押圧体３の作用面３３がシリンダヘッド
１の端面１１ａに当たり、端面１１ａの軟質金属が固相
流動を起こす。端面１１ａに生じた固相流動体４が、バ
ルブシート２の外周部２１とシリンダヘッド１の大径部
１２との間を外側から順に埋めていき、空間にある空気
は内側（反燃焼室側）に向かって流れ開口１１へと押し
出される。なお、本明細書おいて、固相流動体とは、温
度上昇により軟化し、固相状態のまま流動可能な状態に
なったものを言う。

【００２０】図２（ｂ）のように、押圧体３の回転押し
込みが続くと、バルブシート２の外周部２１とシリンダ
ヘッド１の大径部１２の間が隙間なく固相流動体４で埋
められる。また、バルブシート２の内側側面２３がシリ
ンダヘッド１の底部１３に接触され、底部１３にも点線
で示される固相流動体４が生じ、内側側面２３が底部１
３にも接合される。外側に向かって縮径方向に傾斜する
外周部２１の周りの固相流動体４は、楔状となってシリ
ンダヘッド１と一体となり、バルブシート２の物理的な
抜け止め作用を果たす。

【００２１】図２（ｃ）のように、シリンダヘッド１か
ら押圧体３を引き抜くと、バルブシート２はシリンダヘ
ッド１の側に残り、押圧体３の作用面３３がシリンダヘ
ッド１の端面１１ａ及び固相流動体４から引き剥がされ
る。

【００２２】押圧体３の作用面３３と固相流動体４の剥
離性を良くする為に、押圧体３の少なくとも作用面３３
は、シリンダヘッド１の材質と比較して高融点で硬質で
ある金属又はセラミックで形成するか、シリンダヘッド
１の材質と比較して高融点で硬質の金属又はセラミック
の溶射層を有するものにすることが好ましい。

【００２３】また、押圧体３の大径軸部３１の外径とシ
リンダヘッド１の大径部２１の内径との径差、及び、押
圧体３の作用面３３のシリンダヘッド１の端面１１ａへ
の押し込み代εを適正に選定することによって、バルブ
シート２の外周に向かう固相流動体４の量を制御するこ
とができる。

【００２４】以上説明した接合方法により形成されたバ
ルブシート２の接合構造を、図３により説明する。図３
において、バルブシートの接合構造Ａは、シリンダヘッ
ド１と、バルブシート２とから構成される。シリンダヘ
ッド１の開口１１の端に段付き穴１４が形成され、この
段付き穴１４内にリング状のバルブシート２が嵌入状態
で接合されている。バルブシート２の外周に外側に向か
って縮径する外周部２１が形成され、この外周部２１の
回りに楔状になった固相流動体４が充填され固化してい
る。バルブシート２の外側（燃焼室側）の内周が４５°
に加工され座面２２ａが形成されている。このようなバ
ルブシートの接合構造Ａに於いて、弁体７が、バルブシ
ート２の座面２２ａに対して昇降自在に配置されること
により、エンジンの機関弁Ｂが構成される。

【００２５】〔第２実施形態〕図４及び図５は、本発明
の第２実施形態のバルブシートの接合方法を示す図であ
る。図４は第２実施形態の接合方法の接合前状態を示す
図であり、図５は接合手順を示す図である。

【００２６】図４において、図１のものと異なる点は、
バルブシート２がヘッドシリンダ１の側に予め挿入され
保持されている点である。次の相違点は、バルブシート
２の挿入状態を安定させるため、バルブシート２の最大
外径部２１ａとシリンダヘッド１の大径部１２との間に
隙間がない点である。更に次の相違点は、押圧体３は、
バルブシート２に対する位置決め用の突起３５を有する
点である。この突起３５は、バルブシート２の座面２２
ａと係合して位置決めされる。その他の点については、
図１で説明したものと同様であるため、同じ符号を付し
てその説明を省略する。

【００２７】つぎに、図４及び図５により、接合手順を
説明する。図４のように、バルブシート２を保持する押
圧体３の回転軸と、シリンダヘッド１の開口１１及び大
径部１２の中心軸とを一致させる。図５（ａ）のよう
に、押圧体３を、シリンダヘッド１に向けて回転させな
がら押し込む。押圧体３の作用面３３がシリンダヘッド
１の端面１１ａに当たり、端面１１ａの軟質金属が固相
流動を起こす。端面１１ａに生じた固相流動体４が、バ
ルブシート２の外周部２１とシリンダヘッド１の大径部
１２との間を外側から順に埋めていき、空間にある空気
は内側（反燃焼室側）に向かって流れ開口１１へと押し
出される。

【００２８】図５（ｂ）のように、押圧体３の回転押し
込みが続くと、バルブシート２の外周部２１とシリンダ
ヘッド１の大径部１２の間が隙間なく固相流動体４で埋
められる。また、バルブシート２の座面２２ａが突起３
５に当たり、バルブシート２の接合位置が位置決めされ
る。バルブシート２を押圧体３とともに、回転させても
よく、また回転させなくてもよいが、回転させると、シ
リンダヘッド１の底部１３にも固相流動体４が生じる。
外側に向かって縮径方向に傾斜する外周部２１の周りの
固相流動体４は、楔状となってシリンダヘッド１と一体
となり、バルブシート２の物理的な抜け止め作用を果た
す。

【００２９】図５（ｃ）のように、シリンダヘッド１か
ら押圧体３から離すと、押圧体３の作用面３３がシリン
ダヘッド１の端面１１ａ及び固相流動体４から引き剥が
される。

【００３０】以上説明した第１実施形態及び第２実施形
態は、以下に説明する効果を奏する。 （１）第１実施形態及び第２実施形態において、バルブ
シート２の外周に固相流動体４を直接流し込むことがで
きるため、バルブシート２の外周に十分な固相流動体４
を形成し、バルブシート２をシリンダヘッド１の側に確
実に固定することができる。また、バルブシートの外周
を縮径部にすると、バルブシート２の外周に固相流動体
４を楔状に流し込んで強固に固定することができる。さ
ちに、シリンダヘッド１の側に生じさせる固相流動体４
の範囲も最小限にでき、押圧体３の押圧力をそれほど高
める必要もなくなる。

【００３１】（２）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、バルブシート２を固定する固相流動体４を、主と
して押圧体３とシリンダヘッド１の摩擦接触により生じ
させ、バルブシート２とシリンダヘッド１の摩擦接触だ
けにより生じさせるものでないため、バルブシート２の
形状を最終形状に近いものにすることができる。バルブ
シート２は硬質金属で形成されており、後加工の手間が
係る為、バルブシート２を最終形状に近いものにして、
加工を最小限にすることは、コスト低減に有利である。
また、バルブシート２の座面２２ａを予め最終形状に加
工しておくと、接合後のバルブシート２の加工を省くこ
とも可能になる。

【００３２】（３）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、バルブシート２の外周に流れ込む固相流動体４が
外側から内側に向かうため、バルブシート２の外周の空
間にあった空気が開口１１の側に逃げ、固相流動体４に
空気が混入しにくく、固相流動体４による接合を確実な
ものとすることができる。

【００３３】（４）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、押圧体３が退出した後に、バルブシート２の外周
に流れ込んだ固相流動体４が外側に露出しているため、
固相流動体４によるバルブシート２の固定を外観検査で
確認できる。そのため、全数の検査が簡単にでき、確実
に接合されたものだけを製品とすることができる。

【００３４】（５）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、いずれも押圧体をシリンダヘッドに摩擦接触させ
ること摩擦接合により固相流動体を形成しており、電気
抵抗溶接の電流管理に比較して、回転数、圧力、押し込
み量等の管理しやすい因子であるため、再現性が高く、
品質が安定し、生産設備も簡素な機構で済む。

【００３５】（６）第１実施形態において、バルブシー
ト２は、押圧体３に共回転可能に保持されているため、
バルブシート２のシリンダヘッド１への接合位置が押圧
体３のシリンダヘッド１への押し付け精度で決まり、バ
ルブシート２をシリンダヘッド１に正確に固定すること
ができる。また、バルブシート２は押圧体３と共に回転
するため、バルブシート２の最大外径部２１ａとシリン
ダヘッド１の大径部１２の間に隙間δを設け、この隙間
δからの空気の逃げを確保することができる。

【００３６】（７）第２実施形態において、バルブシー
ト２はシリンダヘッド１の側に予め保持されているた
め、シリンダヘッド１に対する押圧体３の形状を簡単に
することができ、押圧体３にバルブシート２を保持する
手間が省ける。

【００３７】なお、実施の形態は前記に限定されるもの
ではなく、例えば、次のように変更して実施してもよ
い。 （１）第１実施形態及び第２実施形態において、バルブ
シート２の形状は、その外周が外側（燃焼室側）に向か
って傾斜して縮径するものに限らず、図６に示すよう
に、バルブシート２の外向きに開口する段部２５であっ
てもよい。また、バルブシート２の外周の半円断面のリ
ング状溝であってもよい。要は、バルブシート２にシリ
ンダヘッド１から流れ込む固相流動体が抜け止めになる
ような形状を外周に有するもので良い。

【００３８】（２）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、押圧体３の作用面３３の形状は中心軸に垂直な面
に限らず、シリンダヘッド１に対して少ない押圧力で固
相流動体を形成せしめるように突起を設けてもよい。例
えば、図６のように、押圧体３の大径軸部３１の外周先
端３６を鋭角にし、皿状のくぼみ３７を形成したものに
してもよい。この場合、外周先端３６がシリンダヘッド
１に当たり、少ない押圧力でシリンダヘッド１側に固相
流動体を生じせしめる。また、生じた固相流動体を押圧
体３の皿状くぼみ３７に沿わせて流し、バルブシート２
の段部２５に向かわせることができる。

【００３９】（３）第１実施形態において、シリンダヘ
ッド１とバルブシート２との間の隙間δはあることが望
ましいが、隙間がなく、バルブシート２の内側側面とシ
リンダヘッド１との間の摩擦接触によっても、固相流動
体を生じさせ、ヘッド３のシリンダヘッド１との間の摩
擦接触によって生じる固相流動体との共同によって、バ
ルブシート２を固定するものであってもよい。

【００４０】（４）第２実施形態において、シリンダヘ
ッド１に対するバルブシート２の保持は、大径部１２と
外周部２１との間で行うものに限らず、シリンダヘッド
１の開口１１に嵌入される、バルブシート２の内側側面
２３の突起により行うものであってもよい。

【００４１】（５）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、シリンダヘッドに固相流動体を生じさせる摩擦接
触として、押圧回転式のものを用いる場合を説明した
が、超音波振動体を押圧する方式の摩擦接触を用いるこ
ともできる。この場合、バルブシートに超音波振動する
ホーンを押しつけることにより、加圧しながら振動させ
る。

【００４２】（６）第１実施形態において、シリンダヘ
ッドがアルミニウム合金の軟質金属、バルブシートが焼
結合金の硬質金属で形成されている場合を説明したが、
シリンダヘッドが鍛造又は鋳造の鉄であって、バルブシ
ートがタングステンカーバイトを含む硬質金属の組み合
わせであってよい。シリンダヘッドとバルブシートとの
間に軟質及び硬質の差があり、硬質金属の圧接時に軟質
金属側に固相流動が生じるような組み合わせであればよ
い。

【００４３】（７）第２実施形態において、バルブシー
トが予めシリンダヘッドに保持され、バルブシートを接
合する固相流動体がシリンダヘッドに対する押圧体の摩
擦接触により生じるため、バルブシートの材質は任意の
ものとすることができる。例えば、バルブシートとシリ
ンダヘッドとを同一の材質にしても良い。

【００４４】（８）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、好ましい適用例として、エンジンの機関弁への適
用例を説明したが、開閉を繰り返す弁であって、バルブ
シートをヘッドの開口に別途取り付けるタイプの弁であ
れば、本実施形態のバルブシートの接合構造を採用する
ことができる。

【００４５】（９）第１実施形態及び第２実施形態にお
いて、バルブシートは物理的に保持されるため、異種金
属間の接合強度をそれほど必要としないが、異種金属間
の接合状態を良好にし、熱伝達係数を上昇させるなどの
ために、焼結合金製のバルブシートに銅、亜鉛、錫、マ
グネシウム又はこれらの合金からなる拡散材料を含浸又
は／及び被覆しておくこともできる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１に記載の発
明によれば、バルブシートの抜け止めになる固相流動体
をバルブシートの外周を超えて延在する押圧体で生じさ
せる為、バルブシートの形状を最終形状に近いものにで
き、接合後のバルブシートに対する加工を最小限にする
ことができるとともに、固相流動体に対するバルブシー
トの固定を確実なものとすることができる。

【００４７】請求項２に記載の発明によれば、押圧体の
側にバルブシートを保持し、精度良くバルブシートをヘ
ッド側に固定することができる。また、請求項３に記載
の発明によれば、バルブシートの縮径部に充填された固
相流動体によって抜け止めを確実なものとすることがで
きる。また、請求項４に記載の発明によれば、固相流動
体への空気の巻き込みを最小限にすることができる。

【００４８】請求項５に記載の発明によれば、ヘッド側
に予めバルブシートを保持しておくため、押圧体の形状
を簡単にすることができるとともに、押圧体による固相
流動体の形成も容易にできる。また、請求項６に記載の
発明によると、バルブシートの縮径部に充填された固相
流動体によって抜け止めを確実なものとすることができ
る。

【００４９】請求項７に記載の発明によると、回転加圧
により生成される固相流動体により、バルブシートをヘ
ッドに確実に固定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の接合方法の接合前状態を示す図
である。

【図２】接合手順を示す図である。

【図３】第１実施形態の接合方法により形成されたバル
ブシートの接合構造を示す断面図である。

【図４】第２実施形態の接合方法の接合前状態を示す図
である。

【図５】接合手順を示す図である。

【図６】バルブシートの他の形状及びシリンダヘッドの
作用面の他の形状を示す図である。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド（ヘッド） ２ バルブシート ３ 押圧体 ４ 固相流動体 １１ 開口 １１ａ 端面 １２ 大径部 １４ 段付き穴 ２１ 外周部（縮径部） ２１ａ 最大外径部 ３３ 作用面 δ 隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G024 AA14 FA01 FA14 GA32 HA01 HA07 4E067 AA02 AA05 BG00 DA13 DC10 EB00

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘッドの開口にリング状のバルブシート
   を接合するバルブシートの接合方法であって、前記ヘッ
   ドの開口周りに固相流動体を生じさせ、この固相流動体
   で前記バルブシートの抜け止めを行うものであり、前記
   固相流動体を前記バルブシートの外周を超えて延在する
   押圧体を前記開口周りに摩擦接触させて生じさせること
   を特徴とするバルブシートの接合方法。
2. 【請求項２】 前記押圧体は、前記バルブシートを保持
   する請求項１に記載のバルブシートの接合方法。
3. 【請求項３】 前記バルブシートは、その外周に前記開
   口に向かって縮径する縮径部を有し、この縮径部に流れ
   込む前記固相流動体により抜け止めされる請求項２に記
   載のバルブシートの接合方法。
4. 【請求項４】 前記開口は、前記バルブシートが挿入さ
   れる段付き穴を有し、前記バルブシートの外周と前記段
   付き穴の内周との間に隙間が形成されている請求項３に
   記載のバルブシートの接合方法。
5. 【請求項５】 前記バルブシートが前記開口の側に予め
   保持されている請求項１に記載のバルブシートの接合方
   法。
6. 【請求項６】 前記バルブシートは、その外周に前記開
   口に向かって縮径する縮径部を有し、この縮径部に流れ
   込む前記固相流動体により抜け止めされる請求項５に記
   載のバルブシートの接合方法。
7. 【請求項７】 前記固相流動体は、前記押圧体を回転さ
   せながら前記ヘッドに向けて加圧することにより形成さ
   れたものである請求項１〜６のいずれかに記載のバルブ
   シートの接合方法。