JP2875960B2 - バルブシートの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関において
吸、排気バルブと着座するバルブシートの製造方法に関
し、詳しくは、シート部に粉体肉盛溶接による硬化層を
施すものに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、内燃機関は、例えば図５に示す
ようにシリンダヘッド１の燃焼室の吸、排気ポート２に
吸、排気バルブ３が、ガイド４により移動可能に支持し
て設けられる。この場合にボート２は環状の溝５が形成
され、この溝５にシリンダヘッド１と異なる耐熱性のバ
ルブシート１０が圧入して一体的に取付けられる。バル
ブシート１０はリング状のシート本体１１にポート２と
同一寸法の孔１２を有し、この孔１２の一方にシート部
１３が円錐状に開口して形成され、このバルブシート１
０がバルブ３のヘッド３ａと同軸上に配置される。そし
て、機関運転時にバルブスプリングによりバルブ３のヘ
ッド３ａをバルブシート１０のシート部１３に着座して
閉じ、カムリフトによりヘッド３ａをシート部１３から
離間して開くように作動する。

【０００３】従って、機関運転中は、燃焼ガスによる高
温、高圧の腐食性の雰囲気で、バルブヘッド３ａが強い
スプリング力によりバルブシート１０のシート部１３に
着座することを繰返すため、そのバルブシート１０の特
にシート部１３は、耐熱性、耐摩耗性、耐食性が要求さ
れる。そこで、例えば特開平３−１４５５０８号公報、
特開平４−３３７９６号公報に示すように、バルブシー
ト１０のシート部１３にステライト合金等を粉体肉盛溶
接することが知られている。

【０００４】ここで従来のバルブシート１０のシート部
１３の粉体肉盛溶接方法を、図３により説明する。ま
ず、（ａ）のようにパイプ材２０を破線のように所定の
厚さに輪切り切断して、（ｂ）のような薄いリング状の
シート素材２１を作る。その後シート素材２１の孔２２
の一方を半径Ｒ（例えば半径４〜６ｍｍ）で切削加工し
て、一点鎖線から実線のように凹溝２３を環状に形成す
る。この凹溝２３を形成する理由は、肉盛部が溢れない
ようにする。溶接面を広くして接合強度を向上する等の
ためであり、アセチレンガスと酸素の混合ガスによる肉
盛溶接の時期から行われている。切削加工したシート素
材２１は脱脂等の処理をし、その凹溝２３に（ｃ）のよ
うに粉体肉盛溶接により肉盛部２４を形成する。

【０００５】この場合の粉体肉盛溶接は、プラズマアー
クで加熱溶融した溶接材料をシート素材２１の凹溝２３
に厚く肉盛するため、溶接材料によりシート素材２１や
その治具が熱せられる度合いが非常に大きい。特にシー
ト素材２１が加熱して溶けると、その素材２１が溶接材
料の方に染み出て混合し、溶接材料の硬化特性を希釈低
下するようになる。このため、例えば図４のように、シ
ート素材２１の治具３０が強制冷却手段４０を備えた構
造になっている。

【０００６】治具３０は、回転テーブル３１を有し、回
転テーブル３１にチャック台３２が固着され、チャック
台３２の中心にシート素材２１を載置する支台３３が立
設される。また、チャック台３２の支台３３の周囲に
は、チャック３４の固定部材３４ａと複数個に分割して
放射状に配置された可動部材３４ｂが取付けられ、この
可動部材３４ｂの押え部材３５により支台３３のシート
素材２１を保持して脱落防止する構成であり、押え部材
３５やチャック３４に冷却手段４０が設けられている。

【０００７】強制冷却手段４０は、シート素材２１の周
囲の押え部材３５とチャック３４の可動部材３４ｂとの
間にウォータジャケット４１が、パッキン４２でシール
して環状に形成される。そして、ウォータジャケット４
１をチューブ４３、チャック台３２の通路４４、回転テ
ーブル３１の内部のパイプ４５に連通して、冷却水を循
環するように構成される。

【０００８】そこで、粉体肉盛溶接する場合は、治具３
０の支台３３にチャック３４、押え部材３５によりシー
ト素材２１を、凹溝２３を上にして取付ける。そして、
冷却手段４０のウォータジャケット４１に冷却水を循環
し、回転テーブル３１によりシート素材２１を回転し、
粉体肉盛装置の溶接トーチ４６を凹溝２３に向けて設置
する。この状態で溶接トーチ４６から凹溝２３にプラズ
マアーク４７を発生すると共に溶接材料の粉体を供給
し、アーク熱でその溶接材料を瞬時に加熱溶融して凹溝
２３に肉盛する。

【０００９】この場合にシート素材２１を速く回転する
と、溶融金属は凹溝２３から溢出するため、シート素材
２１をゆっくり回転し、１回転で凹溝２３に厚く肉盛部
２４を形成する。このとき溶融金属によるシート素材２
１、押え部材３５、チャック３４の加熱をウォータジャ
ケット４１の冷却水で冷却し、特にシート素材２１の肉
盛部２４の希釈を防止するのである。

【００１０】こうして粉体肉盛溶接した後は、シート素
材２１を図３（ｃ）の一点鎖線に沿って所定の大きさに
切削し、肉盛部２４を円錐状に切削して仕上加工する。
これによりバルブシート１０を（ｄ）のように成形し、
且つシート本体１１の孔１２の一方にシート部１３を、
凹溝２３で肉盛溶接した硬化層２５を備えて円錐状に開
口して形成するのである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術のものにあっては、シート素材２１に凹溝２３を形成
するため、その切削加工が必要になって、作業工程が多
くなる。また、肉盛量が多くなるため、硬化層の希釈の
問題を生じ、これに対処するため治具３０に冷却手段４
０を装備することが必要になって、治具３０の構造の複
雑化、コスト高等を招く。肉盛量が多いことで、肉盛部
２４の余肉も多くなり、このため熱処理や仕上切削加工
の際の工数が多くなる。

【００１２】また、シート素材２１の１〜２回転で凹溝
２３に厚く肉盛するため、スタート位置とエンド位置の
継ぎ目で不連続な肉盛となる溶接欠陥を生じ易く、歩留
が悪い。さらに、バルブシート１０のシート部１３の硬
化層が不均一な厚さであるため、硬度も不均一となっ
て、薄い部分の硬度の低下を招く等の不具合がある。

【００１３】この発明は、このような点に鑑み、シート
素材、母材部に作業工数を簡素化し、最適に肉盛溶接す
ることができるバルブシートの製造方法を提供すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、この発明のバルブシートの製造方法は、精密鍛造ま
たはパイプ材により削り出した素材本体の孔の一方側に
ほぼ平らなテーパ面を備えたシート素材を成形し、この
シート素材を治具により高速回転させながら、粉体肉盛
溶接により薄い肉盛層を前記ほぼ平らなテーパ面に直接
複数回重ねて均一な厚さに肉盛すると同時に、シート素
材の端面及び内部の孔側にも前記テーパ面からはみ出し
て肉盛りすることにより硬化肉盛部を形成し、次いで、
前記はみ出して肉盛りしたシート素材の端面及び内部の
孔側を切削仕上げ加工して前記硬化肉盛部を円錐状に開
口するシート部とすることを特徴とする。前記硬化肉盛
部は断面略台形状に仕上げ加工してもよい。

【００１５】

【作用】精密鍛造により素材本体の孔の一方にほぼ平ら
なテーパ面を備えたシート素材を成形し、このシート素
材を治具により高速回転しながら、粉体肉盛溶接により
薄い肉盛層をほぼ平らなテーパ面に直接複数重ねて均一
に肉盛して肉盛部を形成するので、広いテーパ面の全域
に薄くて均一な肉盛部が形成され、しかも大きい溶着強
度で確実に形成される。そして、作業工数が少なくな
り、溶接欠陥も無くなる。また、シート素材が溶けて希
釈するおそれが少ないため、シート素材への溶接用治具
等は、冷却手段が不要で構造が簡素化する。

【００１６】 そして、シート素材を切削加工してバルブ
シートを成形するが、この場合に肉盛部が薄くて均一の
ため、切削が容易になる。また、バルブシートのシート
部は、テーパ面により均一な厚さの硬化層が確実に形成
される。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１において、粉体肉盛溶接したバルブシート
と、その製造方法に適した実施例について説明する。ま
ず、（ａ）のように耐熱鋼のシート素材５０を冷間鍛
造、閉塞鍛造等の精密鍛造またはパイプ材より削り出し
た略バルブシート１０と同一の形状に成形する。即ち、
薄いリング状の素材本体５１の内部に孔５２を有し、そ
の孔５２の一方のシート部と該当する部分にほぼ平らな
テーパ面５３が形成される。そして、このシート素材５
０のほぼ平らなテーパ面５３に、必要に応じ脱脂等を処
理して直接且つ薄く粉体肉盛溶接する。

【００１８】 ここでシート素材５０のテーパ面５３に薄
く肉盛溶接するため、シート素材５０が溶接金属で溶け
て希釈する問題が少なくなる。従って、シート素材５０
の治具３０に冷却手段を装備することが不要となる。

【００１９】 そこで、図２においてこの発明に適した治
具３０について説明する。治具３０は、回転テーブル３
１を有し、回転テーブル３１の中心にシート素材５０を
載置する支台３３が立設される。また、回転テーブル３
１の支台３３の周囲には、チャック３４の固定部材３４
ａと複数個に分割して放射状に配置された可動部材３４
ｂが取付けられ、この可動部材３４ｂの押え部材３５に
より支台３３のシート素材５０を保持して脱落防止する
ように構成される。

【００２０】そこで、粉体肉盛溶接する場合は、溶接治
具３０の支台３３にチャック３４、押え部材３５により
シート素材５０を、テーパ面５３を上にして取付け、粉
体肉盛装置の溶接トーチ４６をテーパ面５３に向けて設
置する。また、溶接材料は、耐熱性、耐摩耗性等に優れ
たものとして、例えば、ステライトＮｏ１，Ｎｏ２０の
合金であり、この溶接材料の粉体を使用する。そして、
回転テーブル３１によりシート素材５０を回転し、この
状態で溶接トーチ４６からテーパ面５３にプラズマアー
ク４７を発生すると共に溶接材料の粉体を供給し、アー
ク熱でその溶接材料を瞬時に加熱溶融して平らなテーパ
面５３に肉盛する。このとき、図１（ｂ）に示すよう
に、粉体肉盛溶接は、前記ほぼ平らなテーパ面に直接複
数回重ねて均一な厚さに肉盛すると同時に、シート素材
の端面及び内部の孔側にも前記テーパ面からはみ出して
肉盛りする。

【００２１】 この場合に、従来の凹溝のような規制が無
いため、シート素材５０は高速回転することができ、高
速回転により均一に肉盛することが可能となる。また、
溶接装置を制御することで、肉盛量を絞って薄い肉盛層
を任意に形成することが可能である。さらに、従来の凹
溝に代ってテーパ面５３の全域により広い溶着面が得ら
れる。

【００２２】 そこで、シート素材５０を高速回転しなが
ら平らなテーパ面５３に、薄い肉盛層を例えば２〜５回
位重ねて極力平らに肉盛し、図１（ｂ）のように肉盛部
５４を例えば１．５〜２．０ｍｍに形成する。これによ
り広いテーパ面５３の全域に肉盛部５４が、大きい溶着
強度で直接且つ確実に形成される。そして、薄い肉盛層
を複数重ねて肉盛することで、肉盛部５４はテーパ面５
３の全周に薄くて均一に突出したものになる。

【００２３】こうして平らなテーパ面５３に薄い肉盛層
を複数重ねて肉盛することで、肉盛部５４のスタート位
置とエンド位置の継ぎ目は、全周にわたって明確な区別
がなく常に連続したものになり、この部分の溶接欠陥は
殆ど解消される。また、肉盛溶接時に溶融金属によりシ
ート素材５０が加熱されるが、薄い肉盛層を複数重ねて
肉盛するため、シート素材５０の加熱の度合いが全体に
均一かされる。このためシート素材５０のテーパ面５３
は殆ど溶けなくなって、肉盛部５４の希釈が非常に少な
くなる。このときシート素材５０の熱は、押え部材３
５、チャック３４等により適宜放熱される。

【００２４】こうして粉体肉盛溶接した後は、シート素
材５０の素材本体５１を図１（ｂ）の一点鎖線に沿って
所定の大きさに切削し、肉盛部５４を円錐状に切削して
仕上加工する。これによりバルブシート１０は図１
（ｃ）のように成形され、シート本体１１の孔１２の一
方にシート部１３が、平らなテーパ面５３で肉盛溶接し
た硬化層５５を、例えば、１ｍｍの薄い均一な厚さで備
えて円錐状に開口して形成される。こうしてバルブシー
ト１０のシート部１３は、均一な厚さの硬化層５５を備
えることで、均一な硬度の特性が得られる。

【００２５】 以上、この発明の実施例について説明した
が、シート素材のテーパ面は、円錐状でギザギザに加工
しても良い。また、平らなテーパ面５３には、必ずしも
直線的な面のみに限定されるものではなく、わずかなア
ール面、例えば半径１０ｍｍ程度のアール面も含み、ほ
ぼ平らな面であればよい。また、素材本体５１のテーパ
面がほぼ平らな面であれば、硬化層５５の形状は実施例
のように断面が台形状のものに限定されるものではな
く、テーパ面の下端に断部を有し硬化層５５の断面形状
が略菱形状となるものも含む。

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明のバル
ブシート製造方法によれば、薄いリング状のシート本体
の孔の一方に円錐状に開口して形成されるシート部に、
粉体肉盛溶接による硬化層を均一な厚さに施す構成であ
るから、シート部で均一な硬度が得られて、機械的、熱
的特性が最適化する。

【００２７】 また、 精密鍛造により素材本体の孔の一方
にほぼ平らなテーパ面を備えたシート素材を成形し、こ
のシート素材を治具により高速回転しながら平らなテー
パ面に、粉体肉盛溶接により薄い肉盛層を複数重ねて直
接且つ均一に肉盛して肉盛部を形成するので、広いテー
パ面の全域に薄くて均一な肉盛部が、大きい溶着強度で
確実に形成される。凹溝等の切削加工が不要で作業工数
が少なくなり、薄い肉盛層を複数重ねた肉盛溶接で溶接
欠陥も少なくなる。また、シート素材が溶けて希釈する
おそれが無いため、シート素材の治具は、冷却手段が不
要で構造が簡素化する。

【００２８】 シート素材を切削加工してバルブシートを
成形するが、この場合に肉盛部が薄くて均一のため、切
削が容易化する。また、バルブシートのシート部は、テ
ーパ面で均一な厚さの硬化層を確実に形成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るバルブシート及びその製造方法
の実施例を示す断面図である。

【図２】この発明に適したシート素材の治具を示す断面
図である。

【図３】従来のバルブシート及びその製造方法を示す斜
視図と断面図である。

【図４】従来のシート素材の治具を示す断面図である。

【図５】内燃機関のバルブシートの部分を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０ バルブシート １１ シート本体 １２ 孔 １３ シート部 ３０ 治具 ５０ シート素材 ５１ 素材本体 ５２ 孔 ５３ テーパ面 ５４ 肉盛部 ５５ 硬化層

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 精密鍛造またはパイプ材により削り出し
   た素材本体の孔の一方側にほぼ平らなテーパ面を備えた
   シート素材を成形し、このシート素材を治具により高速
   回転させながら、粉体肉盛溶接により薄い肉盛層を前記
   ほぼ平らなテーパ面に直接複数回重ねて均一な厚さに肉
   盛すると同時に、シート素材の端面及び内部の孔側にも
   前記テーパ面からはみ出して肉盛りすることにより硬化
   肉盛部を形成し、次いで、前記はみ出して肉盛りしたシ
   ート素材の端面及び内部の孔側を切削仕上げ加工して前
   記硬化肉盛部を円錐状に開口するシート部とすることを
   特徴とするバルブシートの製造方法。
2. 【請求項２】 前記硬化肉盛部を断面略台形状に仕上げ
   加工することを特徴とする請求項１記載のバルブシート
   の製造方法。