JP2020525695A - 中空バルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、中空バルブにおけるバルブ本体の製造方法に関し、中空チャンバを包囲する環状壁、並びにベース部を備えるボウル状半製品を提供するステップと、壁を延長するステップと、環状壁の外径を減少させ、これにより製造すべきバルブにおける所定のバルブシャフト外径を得るステップとを含む。更に、本発明は、本発明に係る方法で製造される中空バルブに関する。【選択図】図１Ｅ

Description

本発明は、内燃機関用の中空バルブの製造方法、並びに本発明に係る方法に基づいて製造される中空バルブに関する。

吸気バルブ及び排気バルブは、内燃機関の構成要素であり、大きな熱的及び機械的応力を受ける。従って、十分な冷却により、バルブの長期的な機能性を保証する必要がある。この点に関して、中空バルブは、中実ステムバルブ及び中空ステムバルブに比べて、ステム及びバルブヘッドの両方にキャビティが設けられているために有利であり、これによりナトリウムなどの冷却剤を使用して内部冷却の改善を図ることができる。更なる利点としては、軽量化、ホットスポットの回避、並びにCO₂の削減を挙げることができる。

中空バルブは、典型的には、様々な加工法の組み合わせ、例えば、鍛造、旋削、並びに溶接によって製造される。この場合、特にキャビティの旋削又はフライス加工にかかるコストが大きい。更に、ディスク表面又は作動時における他の重要箇所の溶接点も回避されるのが望ましい。既知の方法における他の欠点は、多数の工程ステップがしばしば必要なことである。例えば、特許文献１（米国特許出願公開第6006713号明細書）に開示の技術は、中空ブランクを溶接によって閉鎖して製造される中空バルブに関する。

米国特許出願公開第6006713号明細書

従って、本発明の課題は、上述した欠点を有することがなく、併せて、生産性が高く、かつ、良好な材料利用性を有する中空バルブ又は中空バルブにおけるバルブ本体の製造方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は、中空バルブにおけるバルブ本体の製造方法、即ち、円筒状キャビティを包囲する環状壁、並びにベース部を備えるボウル状半製品を提供するステップと、ベース部からバルブヘッドを形成するステップと、キャビティ内にマンドレルを差し込み、環状壁を形成によって軸線方向に延長するステップと、ロータリースウェージングによって環状壁の外径を減少させ、これにより完成したバルブ本体において所定の外径を有するバルブステムを得るステップとを含む方法によって解決される。

本発明の他の態様によれば、ボウル状半製品を提供するステップは、少なくとも部分的に円筒状のブランクを提供すること、並びにそのブランクからボウル状半製品を形成することを含むことができる。

他の態様によれば、ボウル状半製品の形成は熱間成形法、特に後方缶押出又は鍛造で行うことができる。

他の態様によれば、バルブヘッドの形成は熱間成形法、特に後方缶押出又は鍛造で行うことができる。

他の態様によれば、環状壁の延長は、マンドレルを使用するロータリースウェージング、又はしごき加工で行うことができる。

他の態様によれば、環状壁の延長時に、異なる直径を有する複数のマンドレルを使用することができる。

他の態様によれば、環状壁の延長時に、連続的に使用するマンドレルの直径を減少させることができる。

他の態様によれば、環状壁の外径を減少させるステップは、ロータリースウェージングを行う複数のサブステップを含むことができる。

他の態様によれば、環状壁の外径の減少は、マンドレルを差し込まずに行うことができる。

他の態様によれば、本発明は、冷却剤、特にナトリウムをキャビティ内に充填し、バルブステムを閉鎖するステップを更に含むことができる。

本発明によれば、上述した課題は、本発明の方法で製造されたバルブ本体を備える中空バルブによっても解決される。

以下、本発明の例示的な実施形態を図面に基づいて詳述する。

図1A〜図1Fは、中空バルブ（図1F参照）のバルブ本体をブランク（図1A参照）から製造する本発明に係る製造方法の様々な中間ステップを示す説明図である。

図1A〜図1Fは、本発明に係る製造方法における中間ステップの断面図を示す。出発点としては、好適には、当業者に既知のバルブ鋼で構成されたブランク２が使用される（図1A参照）。ブランクは、少なくとも部分的に円筒形状、好適には、真円筒形状を有し、製造すべきバルブ本体又はバルブの円筒形状に対応している。

ブランク２は、図1Bに示すボウル状半製品４又はワークピースに形成される。ボウル状半製品は、後のステップでバルブヘッド（又はバルブディスク）12に形成されるベース部10、並びにボウル状半製品４の円筒状、好適には、真円筒状のキャビティ８を包囲すると共に、後のステップでバルブステム14に形成される環状壁６を有する。この点に関しては、後の成形ステップ時に、ベース部10と環状壁６との間で材料の流れが生じ得る。本発明によれば、より一般的には、ボウル状半製品４は直接に提供される。この場合、本発明に係る方法は、図1Bに示すボウル状半製品４を提供するステップから開始する。

バルブヘッド12は、後のステップにおいてベース部10から形成される。これにより得られたワークピースは図1Cに示す。

ボウル状ワークピース４へのブランク２の形成及びベース部10からバルブヘッド12への形成は、好適には、熱間成形法で行うのが好適である。更に、後方缶押出又は鍛造による加工も好適である。後方缶押出においては、スタンプがブランク２内に押し込まれることによりキャビティ８が形成される。

次の加工ステップにおいては、環状壁６の軸線方向長さが増加される。この文脈において、「軸線方向」とは、ステムによって規定される長手方向、即ち環状壁の軸線方向を指す。これに対応するように、「半径方向」とは、軸線方向に直交する方向を指す。長さを効果的に増加させるため、このステップにおいては、マンドレル（図示せず）がキャビティ内に差し込まれ、従って半径方向への材料の流れが回避され、材料の流れが主として軸線方向に生じる。これにより、環状壁６の内径及び壁厚を所望の値に調整することができる。更に、この成形ステップおいては、複数のサブステップが含まれてもよく、これら複数のサブステップでは、任意的に、複数のマンドレルが直径の減少する順に差し込まれる。このようにして得られた半製品の形状は、図1D及び図1Eに例示されている。この場合、先ずは、より大きな直径を有するマンドレルを使用して図1Dに示す半製品の状態が得られ、次いで、より小さな直径を有するマンドレルを使用して図1Eに示す状態が得られる。言うまでもなく、異なる直径を有するマンドレルを３個以上使用することも可能である。

延長又は延伸するための成形加工法としては、好適には、マンドレルを使用するロータリースウェージング又はしごき加工が行われる。

最後に、環状壁６の外径は、スウェージングで減少することにより、完成したバルブ本体16が得られる。この場合、完成バルブ本体16のバルブステム14は、所定の外径Ｄ、即ち所望の目標直径を有する（図1F参照）。この成形ステップは、好適には、マンドレルが差し込まれることなく行われるため、直径が効果的に減少する。このステップは、外径の減少のみならず、環状壁６の更なる延長をもたらし、マンドレルが差し込まれない場合には、環状壁の壁厚の増加をもたらす。従って、壁厚については、最終ステップにおける壁厚の増加を考慮し、先行する延長ステップにおいて任意的に若干小さく調整し、これにより所定の厚さ、従って所定の外径Ｄに関して所定の内径を得るものとする。

環状壁６の外径を減少させるためのステップは、複数の連続的なサブステップに分割可能であり、各サブステップにおいてはロータリースウェージングが行われる。サブステップへの分割は、特に、実現すべき直径減少、即ちボウル状ワークピース（図1E参照）の開始外径と完成バルブステムにおいて実現すべき所定の外径Ｄ（図1F参照）との差に応じて決まる。個々のサブステップは、マンドレルの有無にかかわらず、ロータリースウェージングによって互いに独立して実施することができる。直径の大幅な減少、従って多数のサブステップが必要な場合、例えば、少なくとも幾つかのサブステップでは、マンドレルを差し込み、環状壁６の壁厚が過度に大きくならないようにすることができる。

この場合に重要なことは、環状壁６の外径を減少させるためのロータリースウェージングが行われた後、バルブ本体16への更なる成形ステップが行われないことである。これは、ロータリースウェージングによって得られた有利な材料特性に悪影響を及ぼすからである。従って、ロータリースウェージングが最終的な成形ステップである。ロータリースウェージングとは、増加圧力成形加工法のことであり、その成形加工においては、加工されるワークピースが半径方向の様々な側面からハンマーなどで連続的に叩かれる。叩かれることで生じる圧力により、材料はいわば「流れ」、材料構造が引張応力によって歪みを生じることがない。ロータリースウェージングは、好適には、冷間成形法、即ち機械加工された材料の再結晶温度未満で行われる。

即ち、最終的な成形ステップとしてロータリースウェージングを行うことの大きな利点は、ロータリースウェージング時に、半径方向への力伝達によって圧縮応力が生じ、これによりクラックの発生を高める引張応力の生成が回避されることである。このことは、特に中空ステムのエッジ層に当てはまる。このような不所望な引張応力は、例えば、引き抜き加工又は「ネッキング」(収縮加工、即ち収縮による直径の減少)が行われる場合に発生する。ロータリースウェージングは、特にワークピース内における連続的な粒子流を可能にする。最終的な成形ステップとして引き抜き加工又はネッキングよりもスウェージングを行う更なる利点は、より良好な表面品質が得られると共に、各ステップにおけるステム直径の減少が比較的大きいことである。より良好な表面品質が得られると共に、ロータリースウェージングによって維持可能な公差が極めて小さいため、バルブステムの後加工は通常は不要である。ネッキングなどのフリーフォーム加工又は圧縮加工の場合、得られる表面品質又は維持可能な公差は通常はより不良である。従って、ロータリースウェージング後においては、特に環状壁の外径を減少させるための引き抜き加工又はネッキングによる方法ステップが行われることはない。

中空バルブの製造工程を完了するために、バルブステムにおいて外方に向けて開放された端部からナトリウムなどの冷却剤をバルブ本体のキャビティ内に充填し、その後にバルブステムの端部を、例えば、摩擦溶接又は他の溶接法によって取り付けられるバルブステム端部ピースで閉鎖することもできる（図示せず）。

２ ブランク
４ ボウル状の半製品
６ 環状壁
８ キャビティ
10 ベース部
12 バルブヘッド
14 バルブステム
16 完成したバルブ本体
Ｄ バルブステムの外径

Claims (10)

1. 中空バルブにおけるバルブ本体（16）の製造方法であって、
   ・円筒状キャビティ（８）を包囲する環状壁（６）、並びにベース部（10）を備えるボウル状半製品（４）を提供するステップと、
   ・前記ベース部（10）からバルブヘッド（12）を形成するステップと、
   ・前記キャビティ（８）内にマンドレルを差し込み、前記環状壁（６）を形成によって軸線方向に延長するステップと、
   ・ロータリースウェージングによって前記環状壁（６）の外径を減少させ、これにより前記完成したバルブ本体（16）において所定の外径（Ｄ）を有するバルブステム（14）を得るステップと、
   を含み、
   前記環状壁（６）の延長時に、異なる直径を有する複数のマンドレルを使用する方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記ボウル状半製品を提供する前記ステップが、少なくとも部分的に円筒状のブランク（２）を提供すること、並びに前記ブランク（２）から前記ボウル状半製品（４）を形成することを含む方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記ボウル状半製品（４）の形成を熱間成形法、特に後方缶押出又は鍛造で行う方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の方法であって、前記バルブヘッド（12）の形成を熱間成形法、特に後方缶押出又は鍛造で行う方法。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の方法であって、前記環状壁（６）の延長を、マンドレルを使用するロータリースウェージング、又はしごき加工で行う方法。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の方法であって、前記環状壁（６）の延長時に、連続的に使用するマンドレルの直径を減少させる方法。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の方法であって、前記環状壁（６）の前記外径を減少させる前記ステップが、ロータリースウェージングを行う複数のサブステップを含む方法。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の方法であって、前記環状壁（６）の前記外径の減少を、マンドレルを差し込まずに行う方法。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の方法であって、冷却剤、特にナトリウムを前記キャビティ内に充填し、前記バルブステムを閉鎖するステップを更に含む方法。
10. 最適化された内部ステム形状を備える中空バルブであって、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法で製造されたバルブ本体を備える中空バルブ。

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