JP6266076B2 - 弁体と弁軸の固定方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、ＥＧＲ弁等の流体制御弁に使用される弁体及び弁軸に係り、金属製の弁体を金属製の弁軸の先端部に固定する弁体と弁軸の固定方法に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載されるポペット弁構造のＥＧＲ弁の製造方法が知られている。このＥＧＲ弁は、ハウジングの流路に設けられた弁座と、弁座に着座可能に設けられた金属製の弁体と、弁座に対して弁体を往復動させる金属製の弁軸と、弁軸を駆動させるアクチュエータとを備える。ここで、弁体と弁軸は別々に形成された後、弁体が弁軸の下端部に隙間嵌めにより組み付けられ、位置調整された後、溶接等により固定される。

ＷＯ０１/０６１２２５

ところが、特許文献１に記載された製造方法では、弁体が弁軸の下端部に溶接された後、溶接部が冷えて凝固するとき、溶接部に引張り応力が発生して残留する。そのため、ＥＧＲ弁が腐食環境下で使用されると、引張り応力が残留した部分で弁体に応力腐食割れが生じるおそれがあった。特に、粗悪な燃料を使用するエンジンでは、排気ガスの酸性度が強く、ＥＧＲガスに含まれる水分によって酸性の強い凝縮水が発生することがあり、その凝縮水により溶接部の近傍で応力腐食割れが発生するおそれが強くなる。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、弁体と弁軸との溶接部の近傍における応力腐食割れを防止することを可能とした弁体と弁軸の固定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、金属製の弁体を金属製の弁軸の先端部に固定する弁体と弁軸の固定方法において、弁体は中心に軸孔を含み、略円錐台形状をなして下底面を含み、弁体を軸孔にて弁軸の先端部に嵌め込み、その後、弁軸の軸端面及びその周囲の下底面に溶接を施し、その後、弁体の下底面の外周部に略筒状の治具の上端部をあてがい、治具の内側において、溶接が施された溶接部とその溶接部の界面近傍とに、腐食による孔食深さよりも深いところまで圧縮応力を付与するためのショットピーニングを施すことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、弁軸の軸端面及びその周囲の下底面に溶接が施された後、弁体の下底面の外周部に治具の上端部があてがわれ、その治具の内側において、溶接部とその溶接部の界面近傍とに、腐食による孔食深さよりも深いところまで圧縮応力を付与するためのショットピーニングが施される。従って、溶接後に引張り応力が残留した溶接部とその溶接部の界面近傍とに、ショットピーニングにより圧縮応力が付与されるので、孔食が想定される深さよりも深いところまで引張り残留応力が緩和される。また、ショットピーニングが施される範囲が、治具の内側に含まれる弁体の下底面の範囲に規制される。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、弁体の下底面の外周部に中心部より低い段差を予め形成しておき、下底面の外周部に治具の上端部をあてがうとき、段差に治具の上端部を嵌め込むことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、弁体の段差に治具の上端部が嵌め込まれるので、弁体と治具との間でショットピーニングの媒体に対するシール性がよくなる。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、弁体の段差は、下底面となす角部が円弧状に形成されることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項２に記載の発明の作用に加え、段差の角部が円弧状をなすので、その角部に、ショットピーニングの影響によるダレが生じ難くなる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、ショットピーニングに使用する媒体の粒径は、φ０.５以下であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、例えば、弁軸に固定された弁体が流体制御弁に組み込まれて使用された場合、仮に、媒体が弁体と弁座との間に噛み込まれたとしても、流体の漏れが少なくなる。

請求項１に記載の発明によれば、弁体と弁軸との溶接部の近傍における応力腐食割れを防止することができる。また、弁体の下底面においてショットピーニングにより圧縮応力を付与する範囲を容易に設定することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、弁体と治具との間に媒体が入り込み難くなり、弁体の下底面に対するショットピーニングによる加工効果を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、段差の角部にダレが生じ難いので、角部と治具との間で媒体を挟まり難くすることができ、治具を円滑に操作することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、例えば、固定後の弁体と弁軸がＥＧＲ弁に使用された場合、エンジンの減速運転時に、全閉となったＥＧＲ弁にて媒体の噛み込みによるＥＧＲガス漏れを少なくすることができ、ＥＧＲガス取り込みによるエンジン失火の発生を抑えることができる。

一実施形態に係り、全閉状態のＥＧＲ弁を示す正断面図。 一実施形態に係り、固定方法の一工程（溶接前）に係り、図１の鎖線四角で囲んだ部分を拡大して示す断面図。 一実施形態に係り、固定方法の一工程（溶接後）に係り、図１の鎖線四角で囲んだ部分を拡大して示す断面図。 一実施形態に係り、固定方法の一工程（ショットピーニング）に係り、図１の鎖線四角で囲んだ部分を拡大して示す断面図。 一実施形態に係り、溶接後の弁体と弁軸の一部を拡大して示す断面図。 一実施形態に係り、弁体の表面を更に拡大して示す断面図。 一実施形態に係り、図４の一部を拡大して示す断面図。 一実施形態に係り、溶接後の残留応力（引張り応力）を、ショットピーニングを施す前と施した後とで比較して示すグラフ。 一実施形態に係り、弁体の下底面の表面からの深さと残留応力（引張り応力、圧縮応力）との関係を、ショットピーニングを施していない場合とショットピーニングを施した場合とで比較して示すグラフ。 一実施形態に係り、弁体の段差の部分を拡大して示す断面図。

以下、本発明の弁体と弁軸の固定方法を排気還流弁（ＥＧＲ弁）に具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、全閉状態のＥＧＲ弁１を正断面図により示す。ＥＧＲ弁１は、エンジンから排出される排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ戻すＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲガス流量を調節するために使用される。

図１に示すように、ＥＧＲ弁１は、ポペット弁構造をなし、ＥＧＲガスの流路２を含む金属製のハウジング３と、流路２の中間に設けられた金属製の弁座４と、弁座４に着座可能に設けられ、弁座４との間でＥＧＲガスの計量部を形成する金属製の弁体５と、弁体５を弁座４に対して往復動させるための金属製の弁軸６と、弁軸６を弁体５と共に駆動するためのアクチュエータ７とを備える。アクチュエータ７は、一例としてステップモータより構成され、弁軸６を弁体５と共に軸方向へ往復運動（ストローク運動）させるように構成される。このＥＧＲ弁１は、アクチュエータ７により弁体５を弁座４に対して移動させて計量部の開口面積を変化させることにより、流路２におけるＥＧＲガス流量を調節するように構成される。この実施形態では、アクチュエータ７の構成の詳しい説明は省略する。流路２の両端は、ＥＧＲガスが導入される入口２ａと、ＥＧＲガスが導出される出口２ｂとなっている。

この実施形態において、弁軸６は、図１においてハウジング３を垂直に貫通して配置され、その基端部（上端部）がアクチュエータ７にねじ機構を介して駆動連結される。弁座４は、略円環状をなし、その中心に弁孔４ａを含む。弁体５は、その中心に軸孔５ａを含み、略円錐形状をなして下底面５ｂを含む。弁体５は弁軸６の先端部（下端部）に固定される。ハウジング２と弁軸６との間には、弁軸６をストローク運動可能に支持するために直列に配置された第１スラスト軸受８と第２スラスト軸受９が設けられる。各スラスト軸受８，９は、略筒形をなし、ハウジング３の中心に形成された組付孔３ａに嵌合されて固定される。ハウジング３には、ハウジング３と弁軸６との間をシールするための略円筒状をなすリップシール１０が、第２スラスト軸受９に隣接して設けられる。ハウジング３には、ハウジング３と弁軸６との間をデポジットからガードするためのデポガードプラグ１１が、リップシール１０に隣接して設けられる。

弁体５は軸孔５ａにて弁軸６の先端部（下端部）に嵌め込まれ、弁軸６の軸端面及びその周囲の下底面５ｂに溶接が施される。また、溶接が施された溶接部２１とその溶接部２１の界面近傍とに、腐食による孔食深さよりも深いところまでショットピーニングにより圧縮応力が付与されている。弁体５の下底面５ｂの外周部には、他の部分より低い段差５ｃが形成される。ショットピーニングにより圧縮応力が付与された部分は、段差５ｃより内側の範囲に設定される。この実施形態で、弁体５は「ＳＵＳ３１６Ｌ」を材料として形成される。この材質は、耐溶接及び耐応力腐食割れ性を考慮して選定される（例えば、ローカーボンとニッケル増量。）。

次に、弁体５と弁軸６の固定方法について説明する。この実施形態で、弁体５は、弁軸６がハウジング３に組み付けられた状態で、次のような手順で弁軸６の先端部（下端部）に固定される。図２〜図４に、固定方法の工程推移につき、図１の鎖線四角Ｓ１で囲んだ部分を拡大して断面図により示す。

すなわち、先ず最初に、図２に示すように、弁体５をその軸孔５ａにて弁軸６の先端部（下端部）に隙間嵌めにより嵌め込む。

その後、図３に示すように、弁軸６の軸端面６ａ及びその周囲の下底面５ｂに溶接を施す。この溶接によれば、溶接が施された溶接部２１のみが局部的に加熱されるので、その溶接部２１の熱膨張が溶接部２１以外の部分によって妨げられ、弁体５の下底面５ｂの表層に熱応力が生じ、その熱応力によって残留応力が生じる。ここで、弁体５の下底面５ｂの表層には、加熱途中に圧縮の塑性歪が生じる。その後、冷却されると、この塑性歪のために、溶接部２１のみが収縮するが、溶接部２１と下底面５ｂの表層はくっついているので、その表層が引っ張られる。その結果、溶接部２１の近傍には引張り応力が残留することになる。すなわち、溶接部２１がある温度まで加熱され、その後冷却されるとき、加熱過程で圧縮応力と塑性歪が生じ、冷却過程で引張り応力へと変わり、最終的には、引張り応力が弁体５の下底面５ｂの表層に残留することになる。

その後、図４に示すように、弁体５の下底面５ｂの外周部に略筒状の治具２６の上端部をあてがう。この実施形態では、弁体５の下底面５ｂの外周部に形成された段差５ｃに治具２６の上端部を嵌め込む。そして、治具２６の内側において、溶接部２１とその溶接部２１の界面近傍とに、腐食による孔食深さよりも深いところまで圧縮応力を付与するためのショットピーニングを施す。すなわち、図４に示すように、微細粒状の媒体２７をノズル２８から高圧で噴射して被加工部へ高速で衝突させる。

図５に、溶接後の弁体５と弁軸６の一部を拡大して断面図により示す。弁体５の下底面５ｂには、図５に２点鎖線で示すように、腐食による孔食４１が生じるおそれがある。図６に、弁体５の表面を更に拡大して断面図により示す。詳しく説明すると、弁体５の表面が腐食等により消失すると、図６に破線で囲まれるような孔食４１が生じる。この孔食４１は、引張り応力が残留した部分の露出を示す。その後、弁体５が使用されると、この孔食４１から応力腐食割れ４２が発生し、更に応力腐食割れから弁体５に亀裂が生じるおそれがある。そこで、この実施形態では、安全を見込んで、この孔食４１の想定深さよりも深いところまでショットピーニングにより圧縮応力を付与するようになっている。この実施形態では、孔食４１の想定深さを「１８０（μｍ）」とし、図６に示す圧縮応力を付与する深さｄ１を「約２００（μｍ）以上」に設定している。また、この実施形態では、ショットピーニングの条件として、ＳＵＳ３０４よりなる媒体２７を使用する。媒体２７の粒径は「φ０.５（５００μｍ）以下」に設定する。より詳しくは「φ０.３（３００μｍ）」に設定する。ショットの条件として、圧力は「０.４（Ｍｐａ）」に、時間は「１０秒」にそれぞれ設定する。

図７に、図４の一部を拡大して断面図により示す。図７に示すように、この実施形態では、弁体５の段差５ｃは、下底面５ｂとなす角部５ｄが円弧状に形成される。また、治具６の上端部は、その内周面２６ａと、段差５ｃの外周面５ｃａとの間に若干の隙間ｇ１が設けられる。

以上説明したこの実施形態における弁体と弁軸の固定方法によれば、弁軸６の軸端面６ａ及びその周囲の下底面５ｂに溶接が施された後、弁体５の下底面５ｂの外周部に略筒状の治具２６の上端部があてがわれ、その治具２６の内側において、溶接部２１とその溶接部２１の界面近傍とに、腐食による孔食４１の想定深さよりも深いところまで圧縮応力を付与するためのショットピーニングが施される。従って、溶接後に引張り応力が残留した溶接部２１とその溶接部２１の界面近傍とに、ショットピーニングにより圧縮応力が付与されるので、孔食４１が想定される深さよりも深いところまで引張り残留応力が緩和される。このため、弁体５の下底面５ｂの表層に腐食によって孔食４１が生じても、孔食４１より深いところまで引張り残留応力が緩和されるので、孔食４１からの応力腐食割れを防止することができる。また、ショットピーニングが施される範囲が、治具２６の内側に含まれる弁体５の下底面５ｂの範囲に規制される。このため、弁体５の下底面５ｂにおいてショットピーニングにより圧縮応力を付与する範囲を容易に設定することができる。

図８に、溶接後の残留応力（引張り応力）を、ショットピーニングを施す前（ショット前）と施した後（ショット後）とで比較してグラフにより示す。このグラフは、ショットピーニングにより残留応力を低減させるための目標設定を意味する。この実施形態では、図８に示すように、ショット前における「３００（ＭＰａ）」の残留応力（引張り応力）を、ショット後には、「１００（ＭＰａ）以下」の残留応力にすることを目標としている。

ここで、ショットピーニングによる残留応力の低減効果を確認する。図９に、弁体５の下底面５ｂの表面からの深さと残留応力（引張り応力、圧縮応力）との関係を、ショットピーニングを施していない場合（ショットなし）とショットピーニングを施した場合（ショット実施後）とで比較してグラフにより示す。このグラフは、残留応力が最も高くなる部位（溶接部２１の外周界面付近）での測定結果を示す。図９に示すように、ショットなしの場合は、残留応力は、「０〜８００（μｍ）」の深さの範囲で、目標値である「１００（ＭＰａ）以下」になることはない。これに対し、図９に示すように、ショット実施後には、残留応力は「０〜約４６０（μｍ）」の深さの範囲で、目標値である「１００（ＭＰａ）以下」になることがわかる。また、目標値である「２００（μｍ）」の深さでは、ショットなしの場合で「約１８０（ＭＰａ）」の残留応力（引張り応力）であったのに対し、ショット実施後には、「約−２００（ＭＰａ）」の残留応力（圧縮応力）となることがわかる。このようにショットピーニングを施すことにより、「約１８０（ＭＰａ）」の残留応力（引張り応力）を「約−２００（ＭＰａ）」の残留応力（圧縮応力）へ低減することができる。

この実施形態では、弁体５の段差５ｃに治具２６の上端部が嵌め込まれるので、弁体５と治具２６との間でショットピーニングの媒体２７に対するシール性がよくなる。このため、弁体５と治具２６との間に媒体２７が入り込み難くなり、弁体５の下底面５ｂに対するショットピーニングによる加工効果を向上させることができる。

この実施形態では、弁体５の段差５ｃの角部５ｄが円弧状に形成されるので、その角部５ｄに、ショットピーニングの影響によるダレが生じ難くなる。図１０に、弁体５の段差５ｃの部分を拡大して断面図により示す。仮に、段差５ｃの角部が円弧状ではなく、ピン角状になっていたとすると、ショットピーニングによりその角部には、図１０に２点鎖線で示すように、庇状のダレ４３が生じ、そのダレ４３と治具２６との間に媒体２７が挟まるおそれがある。この実施形態では、段差５ｃの角部５ｄにダレ４３が生じ難いので、角部５ｄと治具１６との間で媒体２７を挟まり難くすることができ、治具２７を円滑に操作することができる。

この実施形態では、弁軸６に固定された弁体５が流体制御弁であるＥＧＲ弁１に組み込まれて使用された場合において、仮に、流路２に残存していた媒体２７が、弁体５と弁座４との間に噛み込まれたとしても、媒体２７の粒径が「φ０.５以下」に設定されるので、ＥＧＲガスの漏れが少なくなる。この結果、例えば、エンジンの減速運転時に、全閉となったＥＧＲ弁１にて媒体２７の噛み込みによるＥＧＲガス漏れを少なくすることができ、ＥＧＲガス取り込みによるエンジン失火の発生を抑えることができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、ＥＧＲ弁１に使用される弁体５と弁軸６の固定方法について説明したが、固定される弁体と弁軸は、ＥＧＲ弁への使用に限られる訳ではなく、ＥＧＲ弁以外の流体制御弁に使用されるものであってもよい。

この発明は、例えば、ＥＧＲ弁等の流体制御弁の製造に利用することができる。

１ ＥＧＲ弁
５ 弁体
５ａ 軸孔
５ｂ 下底面
５ｃ 段差
５ｄ 角部
６ 弁軸
６ａ 軸端面
２１ 溶接部
２６ 治具
２６ａ 内周面
２７ 媒体

Claims (4)

1. 金属製の弁体を金属製の弁軸の先端部に固定する弁体と弁軸の固定方法において、
   前記弁体は中心に軸孔を含み、略円錐台形状をなして下底面を含み、
   前記弁体を前記軸孔にて前記弁軸の先端部に嵌め込み、
   その後、前記弁軸の軸端面及びその周囲の前記下底面に溶接を施し、
   その後、前記弁体の前記下底面の外周部に略筒状の治具の上端部をあてがい、前記治具の内側において、前記溶接が施された溶接部とその溶接部の界面近傍とに、腐食による孔食深さよりも深いところまで圧縮応力を付与するためのショットピーニングを施す
   ことを特徴とする弁体と弁軸の固定方法。
2. 前記弁体の前記下底面の外周部に中心部より低い段差を予め形成しておき、
   前記下底面の外周部に前記治具の上端部をあてがうとき、前記段差に前記治具の上端部を嵌め込む
   ことを特徴とする請求項１に記載の弁体と弁軸の固定方法。
3. 前記弁体の前記段差は、前記下底面となす角部が円弧状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の弁体と弁軸の固定方法。
4. 前記ショットピーニングに使用する媒体の粒径は、φ０.５以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の弁体と弁軸の固定方法。

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