JP2004340050A - Engine valve and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は4行程エンジンの燃焼室で使用される、ポペット形のエンジン弁とその製法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車や自動二輪車用エンジンが一層高速化しており、これに伴ってエンジン弁の軽量化のため、従来のものに比して、弁径に対する弁杆の径が細めに設計されるようになっている(例えば、参考文献1参照)。また、エンジン弁の製造は、従来、弁杆の径より僅かに太い棒状の素材を用い、冷間あるいは赤熱させた上で、その一端にアプセット加工(据えこみ鍛造)を加えて円板状に変形させ、弁体と弁杆とを一体的に成形している。
【0003】
【参考文献1】
特開2002−168104号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、傘部にチタン系合金を、弁杆にステンレス鋼を用いるとより軽量化できるが、その異質材料の強度ある接合は困難なものであった。また、熱伝導の小さいチタン系合金の冷却も難しいものであった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、チタン合金粉末を圧縮固化して作られた略円板形の圧粉体からなる弁体部材と、ステンレス鋼の弁杆部材とを用い、前記弁体部材には周縁をなす弁面と同芯に結合孔を設け、この結合孔に前記弁杆部材の結合部を嵌合させ、前記弁体部材と弁杆部材とを焼結温度で焼成して一体的に結合することによって解決される。
さらに、弁杆部材の結合部には周方向の多数の溝を有するのが好ましい。
【0006】
製法として、弁杆部材と、チタン合金粉末を用いて成形され結合孔を設けた圧粉体からなる弁体部材とを準備し、前記弁杆部材を結合孔に緩く嵌合させ、これらを焼結炉内で焼成して弁体部材を焼結し、その焼結に伴う弁体部材の収縮によって、同時に弁体部材と弁杆部材との結合を行うことによって解決できる。
さらに、弁体部材の中空部には冷却剤を入れ、蓋部材にろう材をつけ焼結行程と同時に密栓してもよい。
【0007】
【作用】
弁体と弁杆とを別体に作って、後に合体させる構造とすることによって、弁体の直径と弁杆の直径の選定が製造技術上の制約を受けなくなる。弁体部材はチタン合金の圧粉体をバインダーと共に混合し、プラスティック成形と同様に、金型に射出する方法(MIM)で作られており、その圧粉体が焼結される際に収縮して弁杆部材の外周面に密着し一体化される。ロッカーアームによって打撃を受ける弁杆の端部は、後に部分焼入れされるので、一般にマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられるので異種材料の接合を余儀なくされる。
【0008】
【発明の実施の態様】
以下、本願発明実施の一形態を説明する。図1、図2中、10はこの発明に係るエンジン弁である。エンジン弁10は弁面11を有する弁体12と、その弁体12の中央部に取り付けられ、そこから一側へ伸びる弁杆13を有する。14はコッタを係止するためのコッタ溝、15は弁杆13を軸方向へ押圧駆動するロッカーアームと当接する端面である。
【0009】
前記弁体12はチタン合金の粉末を圧縮し固化させて作った圧粉体からなる弁体部材16を、後述する弁杆部材21とともに加熱し焼結して作られている。前記弁体部材16には外周に弁面11が形成され、中心部にボス18とそのボス18に設けられた結合孔17とが同芯に形成されている。
【0010】
弁杆13はステンレス鋼あるいは耐熱鋼で作られており、中空の弁杆部材21は一端が閉じられ、他端が開かれていて、その開かれた側の端部外面には周方向の多数の溝からなる結合部23が形成されている。前記多数の溝は1個のねじ溝としてもよいが、多数の円周溝を等間隔に設けるのが一層好ましい。
また、縦方向の収縮を自在にするため円筒孔をテーパ軸に結合させることもある。
【0011】
以上のように形成された弁体12と弁杆13とは、結合孔17と結合部23とを嵌合させた状態で焼結され、その焼結に伴う加熱によって弁体部材16が収縮するとき、ボス18が結合部23を外方から強く縛着するとともに、焼結温度が十分に高いので弁体12と弁杆13との間で金属分子の拡散を生じ冶金的にも結合し高い結合強度が得られる。また、弁体12を軽量のチタン合金とし、弁杆13を中空のステンレス鋼としたから、エンジン弁10が軽量となり、中実ステンレス鋼の弁にたいしておよそ56%の減量が達成され、重量が44%程になった。
【0012】
次に、このエンジン弁10を製造するための焼結方法を説明する。まず、材料として、鋼材に機械加工と転造加工を加えて作られた弁杆部材21と、チタン合金の粉末に結合材(バインダー)を加えて加圧成形し圧粉体(グリーン体ともいう)とされた弁体部材16が用意される他、それらを焼結炉内に保持するセラミック製(素焼き)の焼結型25が準備される。ここで、弁体部材16に設けた結合孔17は弁杆部材21に設けた結合部23より、当初0.5mm〜1mm程度大径に作られている。一般に焼結温度は1000℃から1350℃であるが、この実施例では1200℃程度を用い、この時の弁体部材の収縮率は約12%であるから、焼結後はねじ溝の中まで食い込んで締結される。しかしながら弁杆部材21がたとえ中空であったとしても変形させることはなく、多大な応力は残留することはないのは焼きばめと相違するところである。
【0013】
前記材料は、焼結の前工程として、図3で示すように、セラミック製の焼結型25に設けた鉛直方向の支持孔26に前記弁杆部材21の閉じ側を下にして(結合部23を上にして)挿入し嵌合させ、さらに、弁杆部材21へ弁体部材16を載せて、その結合孔17と結合部23を嵌合させた上、図示してない窒素ガス式連続炉などの焼結炉へ入れて焼結する。
【0014】
このようにして焼結炉へ入れられたエンジン弁10の構成部材が所定の温度まで加熱されると、圧粉体をなす弁体部材16から非金属部材(バインダーのPP樹脂など)がガス化して排出され、その外形、内径、高さがほぼ比例的に収縮する。よって、結合孔17が小径に収縮して結合部23の外面に密着する。チタン合金粉末がTi−6Al−4Vの場合、1200℃焼結で密度95%、引張強度830MPa、伸び13.4%が得られる報告があるから弁体部材16として無垢材にひけをとらない。
【0015】
また、弁杆部材21の中空部には金属ナトリウムなどの冷却剤を入れ蓋19で密栓して弁の冷却効果を促進させる場合もある。この場合、内孔は段付として栓を支え、銅ろう付密栓では融点1080℃のねり銅を部分的に付け、外気に流通させておく。そして1200℃で密栓となり常温では内部は低圧とするのが好ましい。
【0016】
このような過程を経て焼結が完了した後、弁杆部材21の外周面にコッタ溝14を形成し、端面15を火炎バーナによって急速加熱して短時間で表面焼入れし、その後、外径と弁面11の座面を研削する工程を経て完成となる。
【0017】
【発明の効果】
上記エンジン弁の発明によれば、エンジン弁はチタン合金からなる弁体部材に設けた結合孔に弁杆部材を挿通し、弁体部材の焼結に伴う収縮を利用して連結するものであるから、溶接や圧入の工程を経ることなく強固な結合をすることができ焼結工程を兼用するから製造が容易かつ安価である。また、弁体部材の焼結時の収縮を利用して弁杆部材の溝と結合するから部材の剪断強さが加わり、かつ、若干の冶金的結合を伴うので結合が強固に行われる。さらに、エンジン弁は弁体と弁杆とを別個に製作し、それらを後の工程で連結して一体化するものであるから、弁体の直径が大きく、かつ、弁杆が細い場合であっても、製造工程上の制約や、材質による制約を受けることなく製造できる。
【0018】
製造方法の発明によれば、弁体部材と弁杆部材とを前記弁体部材の焼結工程を利用して結合するから、鍛造や溶接のような独立した工程を要せず製造が容易である。また、焼結の過程で連結と密栓までを一度に済ますことにより熱勘定が向上する。
などの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明に係るエンジン弁の断面図であり、左半分が焼結前、右半分が焼結後の状態を示す。
【図2】焼結前のエンジン弁の構造を分離して示す分解断面図である。
【図3】エンジン弁の構成部品を焼結型に支持した状態を示す断面図である。
【図4】中空部に冷却剤を入れた状態を示す図3相当の断面図である。
【符号の説明】
10・・・・エンジン弁
11・・・・弁面
12・・・・弁体
13・・・・弁杆
14・・・・コッタ溝
15・・・・端面
16・・・・弁体部材
17・・・・結合孔
18・・・・ボス
19・・・・蓋
21・・・・弁杆部材
23・・・・結合部
25・・・・焼結型
26・・・・支持孔[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a poppet type engine valve used in a combustion chamber of a four-stroke engine and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, engines for automobiles and motorcycles have become even faster, and the weight of engine valves has been reduced accordingly. (For example, see Reference Document 1). Conventionally, engine valves are manufactured using a rod-shaped material that is slightly thicker than the diameter of the valve rod, cold or red hot, and then upset at one end (upsetting forging) to form a disk. By deforming, the valve body and the valve rod are integrally formed.
[0003]
[Reference 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-168104
[Problems to be solved by the invention]
However, if a titanium alloy is used for the umbrella portion and stainless steel is used for the valve rod, the weight can be further reduced, but strong joining of the different materials is difficult. Also, it was difficult to cool a titanium-based alloy having low heat conductivity.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The above object is to use a valve member made of a substantially disk-shaped compact formed by compressing and solidifying a titanium alloy powder, and a valve rod member made of stainless steel, and the valve member has a peripheral edge. A coupling hole is provided concentrically with the valve surface, a coupling portion of the valve rod member is fitted into the coupling hole, and the valve body member and the valve rod member are integrally sintered by firing at a sintering temperature. Solved by
Further, the connecting portion of the valve rod member preferably has a large number of circumferential grooves.
[0006]
As a manufacturing method, a valve rod member and a valve body member made of a green compact formed using titanium alloy powder and provided with a coupling hole are prepared, and the valve rod member is loosely fitted into the coupling hole, and these are fired. This can be solved by firing in a furnace and sintering the valve member, and by simultaneously contracting the valve member with the sintering, connecting the valve member and the valve rod member.
Further, a coolant may be put in the hollow portion of the valve body member, a brazing material may be put on the lid member, and the valve may be hermetically sealed at the same time as the sintering process.
[0007]
[Action]
By forming the valve body and the valve rod separately and combining them later, the selection of the diameter of the valve body and the diameter of the valve rod is not restricted by the manufacturing technology. The valve body member is made by a method of mixing a titanium alloy compact with a binder and injecting it into a mold (MIM) as in the case of plastic molding, and shrinks when the compact is sintered. And is tightly integrated with the outer peripheral surface of the valve rod member. Since the end of the valve rod that is hit by the rocker arm is partially hardened later, martensitic stainless steel is generally used, so that joining of dissimilar materials is required.
[0008]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. 1 and 2,
[0009]
The
[0010]
The
In addition, a cylindrical hole may be connected to the tapered shaft to allow free contraction in the vertical direction.
[0011]
The
[0012]
Next, a sintering method for manufacturing the
[0013]
As a pre-process of sintering, the material is inserted into a
[0014]
When the constituent members of the
[0015]
In some cases, a coolant such as metallic sodium is put in the hollow portion of the
[0016]
After sintering is completed through such a process, a
[0017]
【The invention's effect】
According to the above-mentioned invention of the engine valve, the engine valve is configured such that the valve rod member is inserted into the coupling hole provided in the valve body member made of titanium alloy, and is connected using shrinkage accompanying sintering of the valve body member. As a result, it is possible to form a strong connection without performing a welding or press-fitting step, and also to use the sintering step, so that the production is easy and inexpensive. In addition, since the valve member is combined with the groove of the valve rod member by utilizing shrinkage at the time of sintering, the shear strength of the member is added, and a slight metallurgical connection is involved, so that the connection is firmly performed. Further, since the engine valve is manufactured by separately manufacturing the valve body and the valve rod, and connecting them in a later step, the valve body is large in diameter and the valve rod is thin. However, the device can be manufactured without being restricted by the manufacturing process or the material.
[0018]
According to the invention of the manufacturing method, since the valve body member and the valve rod member are joined using the sintering process of the valve body member, the manufacturing is easy without requiring an independent process such as forging or welding. is there. In addition, the heat account can be improved by completing the connection and sealing at once in the sintering process.
And so on.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an engine valve according to the present invention, in which a left half shows a state before sintering and a right half shows a state after sintering.
FIG. 2 is an exploded sectional view showing a structure of an engine valve before sintering separately.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which components of the engine valve are supported on a sintered mold.
FIG. 4 is a sectional view corresponding to FIG. 3 and showing a state in which a coolant is filled in a hollow portion.
[Explanation of symbols]
10,
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