JP6009417B2 - 中空エンジンバルブの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）に用いられる中空エンジンバルブの製造方法及び中空エンジンバルブに関する。

中空エンジンバルブの製造方法としては次の従来例１，２がある。
［従来例１］
従来例１を説明する。図９は接合前のバルブ本体とプラグとを示す側断面図、図１０はバルブ本体に対するプラグの摩擦溶接状態を示す側断面図、図１１はプラグが摩擦溶接されたバルブ本体を示す側断面図、図１２は中空エンジンバルブを示す側断面図である。
図９に示すように、中空エンジンバルブの製造に際して、バルブ本体１００とプラグ１０２とが個別に用意される。バルブ本体１００は、例えば耐熱鋼からなり、弁軸部１０４及び弁傘部１０６を備えている。バルブ本体１００は、弁傘部１０６の傘表側（エンジンの燃焼室側）から軸方向に延びかつ座ぐり状の凹部１０９を有する段付円筒状の中空穴１０８が形成されている。中空穴１０８の凹部１０９は、座ぐり加工により有底円筒状に形成されている。また、プラグ１０２は、例えばバルブ本体１００と同材質からなり、円柱状に形成されている。

次に、図１０に示すように、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１０９に対してプラグ１０２が摩擦溶接される。このとき、バルブ本体１００に対してプラグ１０２が軸方向に所定の加圧力（図１０中、矢印ｆ参照）で押付けられながら回転（図１０中、矢印ｒ参照）される。また、バルブ本体１００とプラグ１０２との接触面すなわちバルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１０９の内周面とプラグ１０２の外周面とが摩擦面となって摩擦熱により溶融することにより接合すなわち摩擦圧接される。なお、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１０９の底面とプラグ１０２の端面との対向面間では圧着（圧接）されない。

また、バルブ本体１００に摩擦溶接されたプラグ１０２により中空穴１０８が塞がれることにより、バルブ本体１００に密閉状の中空部１１２が形成される（図１１参照）。また、摩擦溶接により生じたばりは、プラグ１０２の周囲に外ばり１１４として排出される。
その後、プラグ１０２及びその周辺部に対して切削加工又は研削加工等による除去加工が施される。これにより、外ばり１１４が除去されるとともに、プラグ１０２の外端面が弁傘部１０６の傘表側の端面と同一面をなすように加工されることによって、中空エンジンバルブ１１６とされる（図１２参照）。

［従来例２］
従来例２を説明する。図１３は接合前のバルブ本体とプラグとを示す側断面図、図１４はバルブ本体に対するプラグの摩擦圧接状態を示す側断面図、図１５はプラグが摩擦圧接されたバルブ本体を示す側断面図、図１６は中空エンジンバルブを示す側断面図である。従来例２は、前記従来例１の一部が変更されたものであるから異なる構成について説明する。
図１３に示すように、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部（符号、１２０を付す）は、テーパー座ぐり加工によりテーパー孔状に形成されている。また、プラグ１０２の接合側端部には、テーパー状の外周面を有するテーパー部１２２が形成されている。

次に、図１４に示すように、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１２０に対してプラグ１０２が摩擦圧接される。このとき、バルブ本体１００とプラグ１０２との接触面すなわちバルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１２０の内周面とプラグ１０２のテーパー部１２２の外周面とが摩擦面となって、摩擦熱により溶融することにより接合すなわち摩擦圧接される。

また、図１５に示すように、バルブ本体１００に摩擦圧接されたプラグ１０２により中空穴１０８が塞がれる。また、摩擦圧接により生じたばりは中空穴１０８内へ内ばり１２４として排出されるとともにプラグ１０２の周囲に外ばり１２６として排出される。
その後、プラグ１０２及びその周辺部に対して除去加工が施されることにより、中空エンジンバルブ（符号、１２８を付す）とされる（図１６参照）。

なお、バルブ本体にプラグを摩擦圧接により接合した中空エンジンバルブとしては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には前記従来例２と同様の構成が開示されている（特許文献１の第２図（Ａ）参照）。また、特許文献１には前記従来例１においてバルブ本体の中空穴の凹部の底面にプラグの端面を摩擦圧接する構成が開示されている（特許文献１の第２図（Ｂ）参照）。

実開昭５９−１６７９０３号公報

前記従来例１では、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１０９の内周面とプラグ１０２の外周面との間で摩擦溶接されるだけで、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１０９の底面とプラグ１０２の端面との対向面間では圧着（圧接）されない。このため、バルブ本体１００とプラグ１０２との接合強度が低いという問題があった。また、摩擦溶接による内部へのばりの逃げ場がなく、材料表面の不純物の排出が抑制される。このため、その不純物が溶接部に介在物となって残存することによって、バルブ本体１００とプラグ１０２との接合強度の低下を招くという問題があった。

また、前記従来例２では、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１２０の内周面とプラグ１０２のテーパー部１２２の外周面との間で摩擦圧接されるため、従来例１と比べて、バルブ本体１００とプラグ１０２との接合強度は高い。しかし、バルブ本体１００とプラグ１０２との摩擦面がテーパー面であるため、両者間の圧接力が分散されることから、バルブ本体１００とプラグ１０２との接合強度は十分とはいえない。
また、バルブ本体１００の中空穴１０８の凹部１２０の内周面（テーパー面）に高い寸法精度が要求されるため、凹部１２０にかかる加工費が高く付く。また、プラグ１０２のテーパー部１２２に高い寸法精度が要求されるため、プラグ１０２にかかる製作費が高く付く。したがって、製造コストアップを余儀なくされるという問題があった。

また、前記特許文献１の第２図（Ａ）によっても従来例２と同様の問題がある。また、特許文献１の第２図（Ｂ）によると、バルブ本体の中空穴の凹部の底面とプラグの端面との対向面間で摩擦圧接されるものの、摩擦圧接による外部へのばりの逃げ場がなく、材料表面の不純物の排出が抑制されることになる。このため、不純物が圧接部に介在物となって残存することによって、バルブ本体とプラグとの接合強度の低下を招くという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、バルブ本体とプラグとの摩擦圧接による接合強度を向上するとともに製造コストを低減することのできる中空エンジンバルブの製造方法及び中空エンジンバルブを提供することにある。

第１の発明は、弁軸部及び弁傘部を備えかつ弁傘部の傘表側から軸方向に延びかつ座ぐり状の凹部を有する中空穴が形成されたバルブ本体と、バルブ本体の中空穴の凹部の底面に摩擦圧接されるプラグとを備える中空エンジンバルブの製造方法であって、バルブ本体にプラグを摩擦圧接するに際し、バルブ本体とプラグとの接合面を中空穴の軸線に対して直交状をなす面とし、バルブ本体とプラグとの接合面の外周側に摩擦圧接により生じた外ばりを収容する空間部を形成するようにしている。
この構成によると、バルブ本体とプラグとの接合面を中空穴の軸線に対して直交状をなす面とすることにより、両者間の圧接力の分散を防止し、バルブ本体とプラグとの摩擦圧接による十分な接合強度を確保することができる。また、バルブ本体とプラグとの接合面の外周側に空間部を形成するようにしたことにより、空間部に摩擦圧接により生じた外ばりが排出される。また、摩擦圧接により生じた内ばりは中空穴内へ排出される。このため、材料表面の不純物が速やかに排出され、圧接部に介在物が残存しない又はほとんど残存しないため、バルブ本体とプラグとの接合強度の低下を防止することができる。したがって、バルブ本体とプラグとの摩擦圧接による接合強度を向上することができる。
また、前記従来例２と異なり、バルブ本体の中空穴の凹部の内周面に高い寸法精度が要求されないため、凹部にかかる加工費を低減するとともに、プラグに高い寸法精度が要求されないため、プラグにかかる製作費を低減することができる。したがって、製造コストを低減することができる。

第２の発明は、第１の発明において、バルブ本体に対するプラグの摩擦圧接後において、空間部の外ばりを除去するとともにプラグを含む弁傘部の傘表側の形状を所定形状に加工する除去加工を行う。この構成によると、除去加工により空間部の外ばりが除去されるとともにプラグを含む弁傘部の傘表側の形状が所定形状に加工された中空エンジンバルブを得ることができる。

第３の発明は、第２の発明において、除去加工を行うことにより、弁傘部の傘表側に環状溝を形成するとともに環状溝の溝底部を凹曲面に形成するようにしている。この構成によると、弁傘部の環状溝の溝底部での応力集中を低減することができる。また、環状溝の凹曲面によりエンジンの燃焼室からのガスの流れをスムーズに反転させることができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明の製造方法によって製造されたことを特徴とする中空エンジンバルブである。この構成によると、バルブ本体とプラグとの摩擦圧接による接合強度を向上するとともに製造コストを低減することができる。ひいては、安価で信頼性の高い中空エンジンバルブを提供することができる。

実施形態１にかかる接合前のバルブ本体とプラグとを示す側断面図である。 バルブ本体に対するプラグの摩擦圧接状態を示す側断面図である。 プラグが摩擦圧接されたバルブ本体を示す側断面図である。 中空エンジンバルブを示す側断面図である。 中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。 実施形態２にかかる中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。 実施形態３にかかる中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。 実施形態４にかかる中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。 従来例１にかかる接合前のバルブ本体とプラグとを示す側断面図である。 バルブ本体に対するプラグの摩擦溶接状態を示す側断面図である。 プラグが摩擦溶接されたバルブ本体を示す側断面図である。 中空エンジンバルブを示す側断面図である。 従来例２にかかる接合前のバルブ本体とプラグとを示す側断面図である。 バルブ本体に対するプラグの摩擦圧接状態を示す側断面図である。 プラグが摩擦圧接されたバルブ本体を示す側断面図である。 中空エンジンバルブを示す側断面図である。

以下、本発明を実施するための実施形態について図面を用いて説明する。

［実施形態１］
実施形態１の中空エンジンバルブの製造方法について説明する。図１は接合前のバルブ本体とプラグとを示す側断面図、図２はバルブ本体に対するプラグの摩擦圧接状態を示す側断面図、図３はプラグが摩擦圧接されたバルブ本体を示す側断面図、図４は中空エンジンバルブを示す側断面図である。
図１に示すように、中空エンジンバルブの製造に際して、バルブ本体１０とプラグ１２とが個別に用意される。バルブ本体１０は、弁軸部１４及び弁傘部１６を備えている。弁軸部１４の一端部（図１において左端部）に傘状の弁傘部１６が同心状に形成されている。弁傘部１６の傘表側（エンジンの燃焼室側）には、バルブ本体１０の軸線（中心線）Ｌに対して直交状をなす端面１６ａが形成されている。バルブ本体１０は、例えば、ＳＵＨ３５、ＳＵＨ１１等の耐熱鋼からなり、鍛造成形により形成されている。

前記バルブ本体１０には、弁傘部１６の傘表側から軸方向に延びかつ座ぐり状の凹部２０を有する段付穴状の中空穴１８が同心状に形成されている。中空穴１８は、穴本体部１９と凹部２０とを有する。凹部２０は、鍛造成形により有底テーパー円筒状に形成されている。凹部２０の底面２０ａは、バルブ本体１０の軸線Ｌに対して直交状をなす面（詳しくは環状の平面）とされている。また、凹部２０の底面２０ａはプラグ１２を接合する接合面に相当する。また、凹部２０の内周面２０ｂは、底面２０ａから開口側に向って内径（直径）を次第に大きくするテーパ面となっている。なお、バルブ本体１０の軸線Ｌは中空穴１８の軸線に相当する。また、凹部２０は、鍛造成形に限らず、座ぐり加工により形成してもよい。
また、穴本体部１９は、凹部２０の成形後において、ドリルによる穴あけ加工により有底円筒状に形成されている。穴本体部１９は、弁傘部１６の傘表側から弁軸部１４の軸端部（図１において右端部）に向って延びている。なお、凹部２０の底面２０ａは中空穴１８の段付面に相当する。

前記プラグ１２は、例えばバルブ本体１０と同材質からなり、円柱状に形成されている。プラグ１２の両端面１２ａは、プラグ１２の軸線（中心線）１２Ｌに対して直交状をなす面とされている。プラグ１２の外径（直径）１２Ｄは、バルブ本体１０の中空穴１８の穴本体部１９の内径（直径）１９Ｄより大きく、凹部２０の最小内径（底面２０ａの直径）２０Ｄよりも小さい。具体的には、プラグ１２の外径１２Ｄは、中空穴１８の穴本体部１９の内径１９Ｄと凹部２０の最小内径２０Ｄとを合計した値の約１／２の外径に設定されている。また、プラグ１２は、周知の摩擦圧接装置（不図示）に備えられるチャック機構より把持可能なの軸方向の長さで形成されている。プラグ１２の軸方向の長さは、凹部２０の深さよりも大きい。また、プラグ１２の一方（図１において右方）の端面１２ａはバルブ本体１０に接合する接合面に相当する。

次に、図２に示すように、バルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０に対してプラグ１２が摩擦圧接される。バルブ本体１０にプラグ１２を摩擦圧接するに際し、バルブ本体１０とプラグ１２との接合面、すなわちバルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０の底面２０ａとプラグ１２の端面１２ａとは、バルブ本体１０の軸線Ｌに対して直交状をなす面とされる。
また、バルブ本体１０の凹部２０の底面２０ａに対してプラグ１２の端面１２ａを同心状に当接させることによって、バルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０内の外周部すなわちバルブ本体１０とプラグ１２との接合面（２０ａ，１２ａ）の外周側に、凹部２０の外周部による環状の空間部２２が形成されることになる。空間部２２は、摩擦圧接により生じた外ばりを収容可能である。

バルブ本体１０の凹部２０の底面２０ａにプラグ１２の端面１２ａを同心状に当接させた状態で、バルブ本体１０に対してプラグ１２が軸方向に所定の加圧力（図２中、矢印Ｆ参照）で押付けられながら回転（図２中、矢印Ｒ参照）される。また、バルブ本体１０とプラグ１２との接触面、すなわちバルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０の底面２０ａとプラグ１２の端面１２ａとが摩擦面（接合面）となって摩擦熱により溶融することにより接合すなわち摩擦圧接される。なお、バルブ本体１０とプラグ１２との摩擦圧接は、周知の摩擦圧接装置（不図示）を用いて行われる。

図３に示すように、バルブ本体１０に摩擦圧接されたプラグ１２により中空穴１８の穴本体部１９が塞がれることにより、バルブ本体１０に密閉状の中空部２４が形成される。また、摩擦圧接により生じたばりは中空穴１８内へ内ばり２６として排出されるとともに前記空間部２２に外ばり２８として排出される。

次に、バルブ本体１０に対するプラグ１２の摩擦圧接後において、プラグ１２及びその周辺部に対して切削加工又は研削加工等による除去加工が施される。これにより、空間部２２の外ばり２８が除去されるとともにプラグ１２を含む弁傘部１６の傘表側の形状が所定形状に加工されることで、中空エンジンバルブ３０とされる（図４参照）。

前記除去加工後のプラグ１２を含む弁傘部１６の傘表側の形状について説明する。図５は中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。図５において二点鎖線１２は摩擦圧接前のプラグ１２の形状を示す。また、図５において内ばり２６（図４参照）は省略されている。
図５に示すように、除去加工された弁傘部１６の傘表側には環状溝３２が形成されている。環状溝３２は、前記空間部２２（図２参照）を主とする外周側の溝部分と、プラグ１２の外端部及び外周部を所定形状に除去加工することによって形成された内周側の溝部分とからなる。環状溝３２は断面Ｕ字状に形成されており、その溝底部が凹曲面３４に形成されている。凹曲面３４は、内周側の凹型Ｒ面３５と外周側の凹型Ｒ面３６を有している。また、プラグ１２に除去加工を施すことにより、半球状の凸部３８が形成されている。凸部３８の表面は半径ＳＲで形成されている。また、凸部３８の先端（頂点）は、弁傘部１６の傘表側の端面１６ａと同一面又は略同一面上に位置されている。また、凸部３８は、環状溝３２で取り囲まれている。凸部３８の表面は、環状溝３２の内周側の凹型Ｒ面３５と連続している。

前記した中空エンジンバルブ３０の製造方法（図２及び図３参照）によると、バルブ本体１０とプラグ１２との接合面（２０ａ，１２ａ）を中空穴１８の軸線（バルブ本体１０の軸線Ｌ）に対して直交状をなす面とすることにより、両者１０，１２間の圧接力の分散を防止し、バルブ本体１０とプラグ１２との摩擦圧接による十分な接合強度を確保することができる。また、バルブ本体１０とプラグ１２との接合面（２０ａ，１２ａ）の外周側に空間部２２を形成するようにしたことにより、空間部２２に摩擦圧接により生じた外ばり２８が排出される。また、摩擦圧接により生じた内ばり２６は中空穴１８内へ排出される。このため、材料表面の不純物が速やかに排出され、圧接部（図３に符号、２５を付す）に介在物が残存しない又はほとんど残存しない。このため、バルブ本体１０とプラグ１２との接合強度の低下を防止することができる。したがって、バルブ本体１０とプラグ１２との摩擦圧接による接合強度を向上することができる。
また、前記従来例２（図１３〜図１６参照）と異なり、バルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０の加工に高い寸法精度が要求されないため、凹部２０にかかる加工費を低減するとともに、プラグ１２に高い寸法精度が要求されないため、プラグ１２にかかる製作費を低減することができる。したがって、製造コストを低減することができる。

また、バルブ本体１０とプラグ１２との摩擦圧接による十分な接合強度を確保することができるので、バルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０及びプラグ１２を小径化することができる。さらに、バルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０の小径化によって、弁傘部１６の最小肉厚が増大されることにより、弁傘部１６の強度を向上することができる。

また、バルブ本体１０に対するプラグ１２の摩擦圧接後（図３参照）において、空間部２２の外ばり２８を除去するとともにプラグ１２を含む弁傘部１６の傘表側の形状を所定形状に加工する除去加工を行う（図４参照）。したがって、除去加工により空間部２２の外ばり２８が除去されるとともにプラグ１２を含む弁傘部１６の傘表側の形状が所定形状に加工された中空エンジンバルブ３０を得ることができる。

また、除去加工を行うことにより、弁傘部１６の傘表側に環状溝３２を形成するとともに環状溝３２の溝底部を凹曲面３４に形成するようにしている（図５参照）。したがって、弁傘部１６の環状溝３２の溝底部での応力集中を低減することができる。また、環状溝３２の凹曲面３４によりエンジンの燃焼室からのガスの流れをスムーズに反転させることができる。すなわち、エンジンの燃焼室からのガスが環状溝３２の内周側に流入したときは、その流れを凹曲面３４により反転させて環状溝３２の外周側から燃焼室へ流出させることができる。また逆に、エンジンの燃焼室からのガスが環状溝３２の外周側に流入したときは、その流れを凹曲面３４により反転させて環状溝３２の内周側から燃焼室へ流出させることができる。

また、前記した中空エンジンバルブ３０の製造方法により製造された中空エンジンバルブ３０（図６参照）である。したがって、バルブ本体１０とプラグ１２との摩擦圧接による接合強度を向上するとともに製造コストを低減することができる。ひいては、安価で信頼性の高い中空エンジンバルブ３０を提供することができる。

［実施形態２］
実施形態２を説明する。実施形態２以降の実施形態は、実施形態１に変更を加えたものであるから、その変更部分について詳述し、重複する説明は省略する。図６は中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。
図６に示すように、本実施形態は、前記実施形態１の中空エンジンバルブ３０の弁傘部１６の凸部３８（図５参照）を、平坦な頂面４０ａを有する凸部４０に変更したものである。凸部４０の外周部には、凸型Ｒ面４０ｂが形成されている。凸型Ｒ面４０ｂは、環状溝３２の凹曲面３４の内周側の凹型Ｒ面３５と連続している。また、凸部４０の頂面４０ａは、弁傘部１６の傘表側の端面１６ａと同一面又は略同一面上に位置されている。

［実施形態３］
実施形態３を説明する。図７は中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。
図７に示すように、本実施形態は、前記実施形態１の中空エンジンバルブ３０の弁傘部１６の凸部３８（図５参照）を、平坦な頂面４２ａを有する凸部４２に変更したものである。凸部４２は、円錐台状に形成されている。凸部４２のテーパー状の外周面４２ｂは、環状溝３２の凹曲面３４の内周側の凹型Ｒ面３５と連続している。

［実施形態４］
実施形態４を説明する。図８は中空エンジンバルブの弁傘部を一部破断して示す側面図である。
図８に示すように、本実施形態は、前記実施形態１の中空エンジンバルブ３０の弁傘部１６の凸部３８（図５参照）を、平坦な頂面４４ａを有する凸部４４に変更したものである。凸部４４は円柱状に形成されている。凸部４４の円筒状の外周面４４ｂは、環状溝３２の凹曲面３４の内周側の凹型Ｒ面３５と連続している。また、環状溝３２の外周面（図７に（符号、４６を付す）は、外周側の凹型Ｒ面３６に連続する円筒面に形成されている。なお、本実施形態の場合、前記実施形態１におけるバルブ本体１０の凹部２０（図１参照）は、有底テーパー円筒状から有底円筒状に変更され、その有底円筒状の凹部の内周面を基にして環状溝３２の外周面４６が形成されている。

［他の実施形態］
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、バルブ本体１０の中空穴１８の凹部２０の外形形状は、プラグ１２の外形形状よりも大きい形状であればよく、円形以外の形状にしてもよい。

１０…バルブ本体
１２…プラグ
１２ａ…端面（接合面）
１４…弁軸部
１６…弁傘部
１８…中空穴
２０…凹部
２０ａ…底面（接合面）
２２…空間部
２４…中空部
２８…外ばり
３０…中空エンジンバルブ
３２…環状溝
３４…凹曲面

Claims (2)

1. 弁軸部及び弁傘部を備えかつ弁傘部の傘表側から軸方向に延びかつ座ぐり状の凹部を有する中空穴が形成されたバルブ本体と、前記バルブ本体の中空穴の凹部の底面に摩擦圧接されるプラグとを備える中空エンジンバルブの製造方法であって、
   前記バルブ本体に前記プラグを摩擦圧接するに際し、バルブ本体とプラグとの接合面を前記中空穴の軸線に対して直交状をなす面とし、バルブ本体とプラグとの接合面の外周側に摩擦圧接により生じた外ばりを収容する空間部を形成するようにし、
   前記バルブ本体に対する前記プラグの摩擦圧接後において、前記空間部の外ばりを除去するとともに前記プラグを含む前記弁傘部の傘表側の形状を所定形状に加工する除去加工を行うことを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。
2. 請求項１に記載の中空エンジンバルブの製造方法であって、
   前記除去加工を行うことにより、前記弁傘部の傘表側に環状溝を形成するとともに該環状溝の溝底部を凹曲面に形成するようにしたことを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。

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