JP3671114B2 - エンジンバルブの摩擦接合方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンバルブの製造工程において、傘形形状に形成されたプレス成形体の軸部材と棒状体とを一体的に接合することが可能なエンジンバルブの摩擦接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、エンジンの構成部品としてエンジンバルブが用いられている。このエンジンバルブは、一端部が傘形形状に形成された膨出部と、前記膨出部と一体的に形成された軸部とから構成されている。
【0003】
ここで、図3乃至図7に基づいて、前記エンジンバルブの製造工程を概略説明する。
【0004】
先ず、図示しない切断手段によって所定長に切断された棒状部材1(図3参照)を、例えば、電気アプセッタ等を介してアプセット成形することにより、棒状部材1の一端部が加熱され略球形状の加熱部2が形成される(図4参照)。
【0005】
このアプセット成形によって得られた前記加熱部2に対しプレス加工を施し、前記プレス加工によって得られたプレス成形体3の軸部4の端面に対して所定長の棒状体5(図3参照)の端面を摩擦接合し(図6参照)、さらに、所定の熱処理加工を施した後、種々の研磨加工を行うことにより、最終的に製品としてのエンジンバルブ6が完成する(図7参照)。
【0006】
ところで、前記プレス成形体3は、耐熱性および耐摩耗性が要求されるために、HRC35〜45のロックウェル硬さを有するオーステナイト系の材料が用いられ、前記プレス成形体3の軸部4に摩擦接合される棒状体5は、HRC23〜35のロックウェル硬さを有する比較的低廉なマルテンサイト系の材料が用いられている。
【0007】
この場合、前記材料の硬度差によって接合部に発生する据込み太り7(図8参照)を考慮し、該プレス成形体3の軸部4の直径が約6.1mm、棒状体5の直径が約5.9mmと異径に設定されている。このため、前記接合されたプレス成形体3の軸部4と棒状体5とをそれぞれ同一の直径とすべく、粗研、中研、精研等の後加工が必要となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、プレス成形体3の軸部4と棒状体5とをそれぞれ同一の直径に設定して摩擦接合した場合、異径軸の接合と同様に、材料の硬度差によって接合部に半径外方向に沿って膨出する据込み太り7が発生するという不具合がある(図8参照)。
【0009】
また、図9に示されるように、摩擦溶接によって接合部に発生するバリ8a、8bを打ち抜きダイ9によって除去する際、異径軸(二点鎖線参照)の場合と比較して同径軸(実線参照)では、応力集中点(A1、A2、A3)が変化し破断線の長さが長くなる。従って、打ち抜きダイ9による打ち抜き荷重が推力をオーバーしてしまい、いわゆるムシレ、傷等が発生して打ち抜き不良となる不具合がある。
【0010】
さらに、相互に摩擦接合されるプレス成形体3の軸部4の端面および棒状体5の端面は、それぞれ、せん断機によって切断されるため、前記プレス成形体3の軸部4の端面および棒状体5の端面の平坦精度が悪い場合があり、両端面の摩擦接合時に両軸を圧接した際に軸曲がりが発生するという不具合がある。すなわち、図10に示されるように、プレス成形体3の軸線Bと棒状体5の軸線Cとが一致せず非同軸となる不具合がある。
【0011】
本発明は、前記の各種不具合を克服するためになされたものであり、同一の直径を有する一方の軸部材と他方の軸部材とを摩擦接合した場合において、接合部に発生する据込み太りを低減させるとともに、打ち抜き不良を防止し、しかも軸曲がりが発生することを阻止することが可能なエンジンバルブの摩擦接合方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、一端部に傘形形状が形成された第1軸部材と、棒状体からなる第2軸部材とを相互に摩擦接合することにより得られるエンジンバルブの摩擦接合方法であって、
前記第1軸部材および第2軸部材は、同一硬度または実質的に同一硬度を有するとともに、それぞれ略同一の直径を有する異種の金属製材料からなり、
前記第1軸部材または第2軸部材の少なくともいずれか一方を軸心を回転中心として所定方向に回転させつつ、前記第1軸部材および/または第2軸部材を第1押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて初期寄代量を得る工程と、
前記初期寄代量が得られた後、前記第1軸部材または第2軸部材の少なくともいずれか一方の回転を維持したまま、前記第1軸部材および/または第2軸部材を、前記第1押圧力よりも大なる第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて前記初期寄代量に連続する寄代量を得る工程と、
前記第1軸部材および/または第2軸部材を前記第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて総寄代量に到達する前、コントローラから出力される駆動停止信号に基づいて前記少なくともいずれか一方の回転を停止させる工程と、
前記第1軸部材および/または第2軸部材を前記第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて総寄代量に到達する工程と、
を有することを特徴とする。
【0014】
本発明によれば、第1軸部材または第2軸部材の少なくともいずれか一方を軸心を回転中心として所定方向に回転させつつ、前記第1軸部材および/または第2軸部材を第1押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて初期寄代量を得る。前記初期寄代量が得られた後、前記第1軸部材または第2軸部材の少なくともいずれか一方の回転を維持したまま、前記第1軸部材および/または第2軸部材を、前記第1押圧力よりも大なる第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて前記初期寄代量に連続する寄代量を得る。続いて、前記第1軸部材および/または第2軸部材を前記第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて総寄代量に到達する前、コントローラから出力される駆動停止信号に基づいて前記少なくともいずれか一方の回転を停止させる。さらに、前記第1軸部材および/または第2軸部材を前記第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させることにより、総寄代量に到達する。このように、本発明によれば、第1押圧力によって初期寄代量を得るとともに、前記第1押圧力よりも大なる第2押圧力によって前記初期寄代量に連続する寄代量が得られ、第1軸部材および第2軸部材を、同一硬度または実質的に同一硬度を有する金属製材料で形成し、しかも異種材料且つ同一の直径に設定することにより、接合面に形成される据込み太りが減少する。
【0015】
また、初期寄代を形成する際、寄代量を形成する第2押圧力よりも小なる第1押圧力によって第1軸部材および/または第2軸部材を相対的に所定量押圧変位させ、相互に接触する端面が溶融且つ清浄化されるため、軸曲がりの発生が阻止される。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明に係るエンジンバルブの摩擦接合方法について、これを実施する装置との関連で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【0017】
図1は、本発明に係るエンジンバルブの摩擦接合方法に用いられる摩擦接合装置の概略構成図である。なお、前述した図3乃至図7と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【0018】
この摩擦接合装置10は、前工程において形成されたプレス成形体3(以下、成形体ともいう)を把持固定するクランプアーム12a、12bが設けられたクランプ部14と、前記成形体3の軸部4に対して接合される棒状体5を回動可能且つ略水平方向に向かって移動可能に把持するスライドユニット16とから構成される。なお、前記成形体3は第1軸部材、棒状体5は第2軸部材として機能するものである。
【0019】
スライドユニット16は、ガイド台18と、前記ガイド台18の長手方向に沿って移動可能に設けられたスライドテーブル20とを備えている。スライドテーブル20の内部には、一端部に棒状体5を成形体3と同軸に把持する把持孔22が形成された円柱状の把持部24が回動可能に設けられている。前記把持部24の一端部には、駆動モータ26の回転軸28が連結され、前記駆動モータ26の駆動作用下に該把持部24が棒状体5と一体的に回動するように設けられている。
【0020】
また、スライドテーブル20の他端部には、シリンダ30のピストンロッド32が連結され、前記シリンダ30の駆動作用下にスライドテーブル20がガイド台18に沿って略水平方向に移動するように設けられている。
【0021】
摩擦接合装置10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、本発明の実施形態に係るエンジンバルブの摩擦接合方法について、摩擦接合装置10の動作とともに説明する。
【0022】
先ず、図示しないアプセット成形装置によって成形材料(棒状部材1)に対してアプセット成形を行うことにより一端部が略球形状に膨出したアプセット成形体が得られる。このアプセット成形の成形材料である第1軸部材としては、耐熱性および耐摩耗性を有するオーステナイト系の材料、具体的には、ロックウェル硬さHRC40の略30重量%Ni含有オーステナイト系耐熱合金からなる棒状体で、その直径が約5.8mmのものを用いた。
【0023】
続いて、図示しないプレス装置によって前記アプセット成形体に対してプレス加工を行い、プレス成形体3が得られる。このプレス成形体3は、傘形形状からなる傘部と短い軸部4とが一体的に形成されている。
【0024】
そこで、クランプ部14のクランプアーム12a、12bによって前記プレス成形体3を把持し、一方、把持部24によって棒状体5を把持する。
【0025】
この場合、プレス成形体3の軸部4に接合される前記棒状体5の材料としては、所定長の長さに切断されたマルテンサイト系の材料、具体的には、ロックウェル硬さHRC38のマルテンサイト系耐熱合金からなる棒状体で、その直径が約5.8mmに形成されたものを用いた。
【0026】
従って、接合されるプレス成形体3の軸部4と棒状体5は、それぞれ、異種材料で略同一の直径を有し且つ実質的に同一の硬度(ロックウェル硬さ38、40)に設定した。すなわち、プレス成形体3の軸部4と棒状体5との接合部に発生する据込み太りは、相互に接合される軸部材の硬度差に起因しているものと推測され、接合される軸部材は、同一または実質的に同一の硬度に設定した。
【0027】
このような状態において、図示しないコントローラの制御作用下に駆動モータ26を駆動させて棒状体5を所定の高速回転域まで回動させるとともに、シリンダ30を駆動させてスライドテーブル20を矢印方向に移動させることにより、プレス成形体3の軸部4の端面と棒状体5の端面とが接触し、図1に示す状態に至る。
【0028】
この場合、前記シリンダ30に小なる第1圧力を供給してスライドテーブル20を矢印方向にさらに微少距離だけ移動させることにより、前記スライドテーブル20と一体的に棒状体5が微少距離だけ移動する。従って、固定された成形体3の軸部4の端面を、前記棒状体5の端面を介して小なる第1押圧力によって押圧することにより、微少の初期寄代量が得られる(図2参照)。
【0029】
その際、プレス成形体3の軸部4と棒状体5との接触面に摩擦熱が発生し、その接触面近傍に高温層が形成される。従って、プレス成形体3の軸部4の端面および/または棒状体5の端面の平坦精度が悪い場合であっても、初期寄代を形成する際、前記端面が摩擦熱によって溶融し、且つ前記高温層によって表面に付着している防錆油等の不純物を焼失させて前記端面が清浄化される。
【0030】
次に、前記シリンダ30に大なる第2圧力を供給してスライドテーブル20を矢印方向に所定距離だけ移動させ、前記スライドテーブル20と一体的に移動する棒状体5の端面を介して、固定されたプレス成形体3の軸部4の端面を大なる第2押圧力によって押圧することにより、総寄代量が得られる(図2参照)。
【0031】
この場合、総寄代量に到達する前、プレス成形体3の軸部4と棒状体5との接触部位が、例えば、約6〜8mmだけ溶融したとき、図示しないコントローラからドライバ(図示せず)に駆動停止信号が入力され、前記駆動停止信号に基づいてドライバに接続された駆動モータ26の回転速度が減速し、停止するに至る。換言すると、総寄代量に到達する所定量だけ前に、図示しないコントローラの制御によって駆動モータ26の回転を停止させる。
【0032】
なお、駆動モータ26の回転速度が減速して停止する間、棒状体5の回転によるイナーシャの作用下に約3〜4mm溶融して総寄代量が得られる。
【0033】
次に、摩擦接合する際に接合部に発生したバリを図示しない打ち抜きダイによって除去し、種々の工程を経てエンジンバルブ6が完成する。
【0034】
本実施の形態では、相互に接合される軸部材の材質が異種材料で且つ略同一の直径であっても、その硬度(ロックウェル硬さ)を同一または実質的に同一としているため、接合部に生じる据込み太りを大幅に減少させるとともに、接合部に生じるバリを打ち抜く際、いわゆるムシレ、傷等が発生することを防止することができる。
【0035】
また、本実施の形態では、初期寄代を形成する際、プレス成形体3の軸部4の端面および/または棒状体5の端面の平坦精度が悪く不揃いであっても、端面が摩擦熱によって溶融し、且つ前記高温層によって表面に付着している防錆油等の不純物を焼失させて端面が清浄化されるため、軸曲がりを防止して良好な直線精度を得ることができる。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【0037】
すなわち、相互に接合される軸部材の硬度を同一または実質的に同一としているため、接合部に生じる据込み太りを大幅に減少させるとともに、接合部に生じるバリを打ち抜く際、いわゆるムシレ、傷等が発生することを防止することができる。
【0038】
また、相互に接合される軸部材の端面の平坦精度が劣る場合であっても、初期寄代を形成する際、前記端面が摩擦熱によって溶融し、且つ前記端面が清浄化されるため、軸曲がりを防止して良好な直線精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエンジンバルブの摩擦接合方法に用いられる摩擦接合装置の概略構成図である。
【図2】本発明のエンジンバルブの摩擦接合方法の一実施の形態からなり、駆動モータの回転数、シリンダの圧力、寄代量の関係を示すタイムチャートである。
【図3】エンジンバルブの製造工程の説明に供される説明図である。
【図4】図3に示す棒状部材に対してアプセット成形を施した状態の正面図である。
【図5】図4に示すアプセット成形体に対してプレス成形を施した状態の正面図である。
【図6】図5に示すプレス成形体の軸部に棒状部材を摩擦接合する状態の正面図である。
【図7】完成したエンジンバルブの正面図である。
【図8】従来技術において、プレス成形体の軸部に棒状体を摩擦溶接する際に発生する据込み太りを示す部分正面図である。
【図9】従来技術において、打ち抜きダイによって接合部に発生したバリを除去する際、応力集中点が変化する状態を示す説明図である。
【図10】従来技術において、相互に摩擦接合された軸部材の軸曲がりを示す説明図である。
【符号の説明】
3…プレス成形体 4…軸部
5…棒状体 6…エンジンバルブ
10…摩擦接合装置 14…クランプ部
20…スライドテーブル 24…把持部
26…駆動モータ 30…シリンダ
Claims (1)
- 一端部に傘形形状が形成された第1軸部材と、棒状体からなる第2軸部材とを相互に摩擦接合することにより得られるエンジンバルブの摩擦接合方法であって、
前記第1軸部材および第2軸部材は、同一硬度または実質的に同一硬度を有するとともに、それぞれ略同一の直径を有する異種の金属製材料からなり、
前記第1軸部材または第2軸部材の少なくともいずれか一方を軸心を回転中心として所定方向に回転させつつ、前記第1軸部材および/または第2軸部材を第1押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて初期寄代量を得る工程と、
前記初期寄代量が得られた後、前記第1軸部材または第2軸部材の少なくともいずれか一方の回転を維持したまま、前記第1軸部材および/または第2軸部材を、前記第1押圧力よりも大なる第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて前記初期寄代量に連続する寄代量を得る工程と、
前記第1軸部材および/または第2軸部材を前記第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて総寄代量に到達する前、コントローラから出力される駆動停止信号に基づいて前記少なくともいずれか一方の回転を停止させる工程と、
前記第1軸部材および/または第2軸部材を前記第2押圧力によって相対的に所定量押圧変位させて総寄代量に到達する工程と、
を有することを特徴とするエンジンバルブの摩擦接合方法。
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