KR100445870B1 - 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏을 보다 저렴하며 용이하게 제조하기 위한 방법이며 종래의 밸브 태핏 제조 방법에 있어서, 일반적인 크롬 몰리브덴강 재질은 스탬핑 공정상의 드로잉 작업의 적용이 곤란하였던 점을 극복한 신기술에 관한 것이다.

본 발명에 따른 밸브 태핏 제조 방법은 환봉 형상의 원자재를 연질화시키도록 풀림 처리를 수행하는 제 1차 풀림 처리단계; 환봉 형상의 원자재를 소정 치수로 절단하여 기초부 및 접촉돌기부를 구비한 밸브 태핏 부재로 가압 성형하는 단조 단계; 단조된 밸브 태핏 부재를 연질화시키도록 풀림 처리를 수행하는 제 2차 풀림 처리단계; 풀림 처리된 밸브 태핏 부재의 기초부를 드로잉하여 스커트부 및 크라운부를 형성하는 단계; 스커트부 및 크라운부가 형성된 밸브 태핏 부재를 소정의 두께 만큼 반복적으로 가압하여 최종 형태의 밸브 태핏 부재로 성형하는 스탬핑 단계; 최종 형태의 밸브 태핏 부재에 내마모성 및 인성을 부여하기 위한 열처리 단계; 열처리된 최종 형태의 밸브 태핏 부재를 연마하는 단계; 및 완성된 최종 형태의 밸브 태핏 부재를 검사하여 출시하는 단계로 이루어진다.

Description

자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏 제조 방법{Method for manufacturing the valve tappet of automotive engine valve}

본 발명은 자동차의 엔진에 설치되는 엔진 밸브의 밸브 태핏에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진 밸브의 밸브 태핏을 보다 저렴한 제조 비용으로 제조할 수 있는 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 엔진은 폭발력을 회전 운동으로 변환시켜 자동차를 구동시킨다. 이러한 엔진은 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 1 사이클로 하는 운동을 통해 폭발력을 발생시키고, 이러한 행정들의 연속 동작을 달성하기 위해 엔진에는 흡/배기 장치, 연료 공급 장치, 냉각 장치, 윤활 장치 등이 필요하다.

이중에서, 흡/배기 장치는 연소실 상부에 설치된 흡/배기 밸브를 개폐함으로써, 연소실에 공기 및 연료를 공급하면서 연소실 내의 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 실질적으로 제어한다. 여기서, 엔진은 혼합기가 흡기 밸브가 개방됨에 따라 연소실 내부로 유입됨과 동시에, 피스톤이 이를 압축하고 점화 플러그에 의해 혼합기를 폭발시키고, 폭발후 흡기 밸브는 밀폐되고 배기 밸브가 개방되어 연소가스가 연소실 외부로 방출된다.

이러한 흡/배기 밸브 등과 같은 자동차용 엔진 밸브를 구동시키기 위한 밸브개폐 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 캠축(1) 상에 설치된 다수의 캠(2)과, 캠(2)과 면접촉하며 캠(2)의 회전 운동에 따라 시소 운동을 하는 로커암(3)과, 로커암(3)의 시소 운동에 의해 상, 하 직선운동을 하는 밸브 태핏(4)과, 밸브 태핏(4)의 하부에 설치되어 연소실(5) 내부를 개폐시키는 밸브(6)를 포함한다.

여기서, 밸브 태핏(4)은 크라운부(crown section, 4a)와, 크라운부(4a)의 내부 중앙부분에 형성되어 밸브(6)의 스템 단부(6a)와 접촉하는 접촉 돌기부(4b)와, 크라운부(4a)의 측면을 이루는 스커트부(skirt section, 4c)가 일체로 형성된다.

한편, 이러한 밸브 태핏을 제조하는 종래의 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 크롬 몰리브덴 강(SCM) 재질의 롤 형태로 감겨진 환봉의 원자재를 연질화시키는 풀림 처리 단계(S1); 롤 형태로 감겨져 있는 환봉의 원자재를 절단하여(S2); 소정의 두께 및 무게를 가진 슬러그(slug)로 가공하는 단계(S3); 이러한 슬러그의 표면상에 인산 아연 피막(윤활 피막)을 피복시키는 제 1차 본데라이징(bonderizing)처리 단계(S4); 본데라이징 처리된 슬러그를 기초 형태의 밸브 태핏 부재로 압축 성형하는 제 1차 냉간 단조 및 프레스 단계(S5); 이러한 기초 형태의 밸브 태핏 부재를 다시 풀림 처리하여 연질화시키는 제 2차 풀림 처리단계(S6); 이러한 연질화된 기초 형태의 밸브 태핏 부재의 표면 상에 다시 인산 아연 피막(윤활 피막)을 피복시키는 제 2차 본데라이징 처리단계(S7); 제 2차 본데라이징 처리가 된 중간 형태의 밸브 태핏 부재를 중간 형태의 밸브 태핏 부재로 압축 성형하는 제 2차 냉간 단조 및 프레스 단계(S8); 선반, 밀링 등과 같은 각종 공작 기계를 통해 중간 형태의 밸브 태핏 부재의 내, 외경 치수를 정밀하게 연삭하는 연삭단계(S9); 내마모성및 인성을 부여하기 위한 열처리 단계(S10); 열처리된 밸브 태핏 부재를 각종 연마 기구에 의해 연마하는 연마 단계(S11); 및 밸브 태핏 전체를 세정, 방청처리하고, 검사 후 출하하는 단계(S12)로 이루어진다.

한편, 본데라이징 처리는 소성 가공 공정에 있어서, 가공의 용이성 향상, 늘어붙음의 방지를 위해, 원소재의 표면상에 인산 아연 피막(윤활 피막)을 형성시키는 처리과정이다.

하지만, 상기와 같은 밸브 태핏의 제조방법은 후가공 단계 상에 소요되는 전체 연삭 가공을 거듭 수행하기 위하여 선반, 밀링 등과 같은 각종 공작 기계를 이용함으로써, 제조 공정의 증가를 피할 수 없고, 작업 능률의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 각종 설비비가 증가하여 제작 단가의 상승을 초래하는 문제점이 있었다.

또한, 이러한 종래 기술은 단조 공정 상에서 접촉돌기부의 형상을 형성할 때, 접촉 돌기부가 돌출형성된 저면 상에 "오목한 자국(오목 현상)"이 발생하여 제품의 완성도 및 정밀도가 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 스탬핑 공정을 적용하여 최종 마무리 공정상에 소요되는 전체 연삭 가공 공정을 생략할 수 있으므로, 제조 공정, 작업 인력, 및 설비비를 감소시키고, 작업 능률을 향상시켜 제조 비용을 감소시키기 위한 밸브 태핏의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 원자재 절감의 효과가 있고, 밸브 태핏의 접촉돌기부가 돌출 형성된 저면 상에 "오목한 자국(오목 현상)"이 발생하는 것을 방지하여 제품의완성도 및 정밀도를 향상시키는 밸브 태핏의 제조 방법을 제공하는 데 그 다른 목적이 있다.

도 1은 자동차용 엔진 밸브의 밸브 개폐 기구를 도시한 단면도.

도 2는 종래의 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏을 제조하는 방법을 도시한 흐름도.

도 3은 본 발명의 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏을 제조하는 방법을 도시한 흐름도.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 밸브 태핏의 제조 공정 상에 형성된 각 형태를 도시한 도면.

도 5a는 본 발명에 의해 형성될 수도 있는 밸브 태핏의 스커트부를 도시한 평면도.

도 5b는 본 발명에 의해 형성될 수도 있는 밸브 태핏의 크라운부를 도시한 단면도.

도 5c는 도 5b에 도시된 크라운부를 도시한 평면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 캠축 2 : 캠

3 : 로커암 4 : 밸브 태핏

4a : 크라운부 4b : 접촉 돌기부

4c : 스커트부 5 : 연소실

6 : 밸브 6a : 스템 단부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 환봉 형상의 원자재를 연질화시키도록 풀림 처리를 수행하는 제 1차 풀림 처리단계; 환봉 형상의 원자재를 소정 치수로 절단하여 기초부 및 접촉돌기부를 구비한 밸브 태핏 부재로 가압 성형하는 단조 단계; 단조된 밸브 태핏 부재를 연질화시키도록 풀림 처리를 수행하는 제 2차 풀림 처리단계; 풀림 처리된 밸브 태핏 부재의 기초부를 드로잉하여 스커트부 및 크라운부를 형성하는 단계; 스커트부 및 크라운부가 형성된 밸브 태핏 부재를 소정의 두께 만큼 반복적으로 가압하여 최종 형태의 밸브 태핏 부재로 성형하는 스탬핑 단계; 최종 형태의 밸브 태핏 부재에 내마모성 및 인성을 부여하기 위한 열처리 단계; 열처리된 최종 형태의 밸브 태핏 부재를 연마하는 단계; 및 완성된 최종 형태의 밸브 태핏 부재를 검사하여 출시하는 단계로 이루어진다.

바람직하게는, 스탬핑 단계의 가공 공정 상의 소정 두께는 밸브 태핏 부재의 열발산이 용이한 범위내이다.

가장 바람직하게는, 스탬핑 단계의 가공 공정 상의 소정 두께는 0.2 내지 0.4mm이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 흡/배기 밸브 등과 같은 자동차용 엔진 밸브에 이용되는 밸브 태핏을도시한 도면으로, 본 발명의 제조 방법에 의해 생산된 밸브 태핏(4)은 크라운부(4a)와, 크라운부(4a)의 내부 중앙부분에 형성되어 밸브(6)의 스템 단부(6a)와 접촉하는 접촉 돌기부(4b)와, 크라운부(4a)의 측면을 이루는 스커트부(4c)를 일체로 구비한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 태핏 제조 방법을 도시한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 밸브 태핏 제조 방법은 제 1차 풀림 처리단계(S10), 단조 단계(S20), 제 2차 풀림 처리 단계(S30), 드로잉 단계(S40), 스탬핑 단계(S50), 열처리 단계(S60), 연마 단계(S70), 검사 및 출시 단계(S80)로 이루어진다.

제 1차 풀림 처리단계(S10)에서는, 도 4a에 도시된 환봉 형상의 크롬 몰리브덴 강(SCM415 내지 SCM445)재질의 원자재를 통상적으로 적용하는 700~900℃ 정도의 온도로 풀림 처리하여 강재질의 연질화를 수행한다. 여기서, 이러한 풀림 처리 온도는 다양한 주변 여건에 따라 다양하게 변경 실시될 수도 있음은 자명한다. 또한, 이러한 풀림처리는 이미 풀림처리가 된 원자재가 입하되면, 생략될 수도 있다.

다음, 단조 단계(S20)에서, 이렇게 풀림 처리된 원자재를 소정 치수로 절단한 뒤에, 기초부(7a) 및 접촉 돌기부(7c)를 구비한 밸브 태핏 부재로 가압 성형한다(도 4b 참조). 이에 따라, 종래 기술의 단조 공정상에서 기본적인 밸브 태핏 부재를 성형함에 있어서, 밸브 태핏 부재의 접촉 돌기부가 돌출 형성되는 저면 상에 오목한 자국(오목 현상)이 발생하는 것을 방지하는 특징이 있다. 한편, 이와 같은 단조 공정에 의해 형성된 밸브 태핏 부재의 접촉 돌기부(7c)는 기본적인 형상일 수도 있으며, 후술하는 스탬핑 단계(S40)에서 보다 정밀한 치수로 성형될 수도 있다.

다음, 제 2차 풀림 처리 단계(S30)에서, 기초부(7a) 및 접촉 돌기부(7c)가 형성된 밸브 태핏 부재(도 4b 참조)를 다시 풀림 처리하여 강재질의 연질화를 수행한다.

드로잉 단계(S40)에서, 기초부(7a) 및 접촉 돌기부(7c)가 형성된 밸브 태핏 부재(도 4b)를 드로잉하여, 도 4c에 도시된 밸브 태핏 부재의 스커트부(7d) 및 크라운부(7b)를 형성시킨다. 물론, 여기서 형성되는 스커트부(7d) 및 크라운부(7b)는 대략적인 형상이며, 후술하는 스탬핑 단계(S40)에서 보다 정밀한 치수로 형성될 것이다.

스탬핑 단계(S50)에서, 종래의 상, 하 1조(펀치 및 다이스)로 구성된 각종 단조공구에 의해 밸브 태핏 부재(도 4c 참조)의 측면부(밸브 태핏 부재의 스커트부(7d)에 해당됨)를 소정의 두께 만큼 단계적으로 가압하여 최종 형태의 밸브 태핏 부재(도 4d 참조)로 성형한다. 바람직하게는, 상술한 소정의 두께는 밸브 태핏 부재의 열분리가 용이한 범위 내에서 적용된다. 예를 들어, 밸브 태핏 부재의 스커트부(7d) 두께가 1mm로 설계되어질 경우, 밸브 태핏 부재의 측면부는 0.2 내지 0.4 mm의 두께 만큼씩 단계적으로 가압 성형됨을 의미한다. 이와 같이 밸브 태핏 부재가 원설계 치수보다 적은 두께 만큼씩 단계적으로 가압되면, 제조 공정 중의 밸브 태핏 부재는 원활한 열분리가 이루어지면서 그에 따른 열변형이 분산됨으로써 가공경화가 소재 전체에 걸쳐 균일하게 이루어진다.

일반적으로, 크롬 몰리브덴 강(SCM)은 과도한 충격하중이 급격하게 가해지게 되면, 크롬 몰리브덴 강 자체의 내부 발열량이 매우 커져 크롬 몰리브덴 강 자체의 내열 한계를 초과하게 되고, 이로 인해 외력에 의해 발생한 열이 크롬 몰리브덴 강 소재 내에서 외부로 제대로 소산(消散)되지 않아 열변형이 과도하게 발생하게 된다. 이렇게 크롬 몰리브덴 강 내에서 열변형이 과도하게 발생하게 되면, 크롬 몰리브덴 강은 그 단조 공정 도중에 크랙 및 파손 등이 발생하게 되므로 제품의 불량율이 증가하게 된다. 이러한 크롬 몰리브덴 강의 특성으로 인해, 종래의 밸브 태핏 부재의 제조공정은 스탬핑 가공과 같은 단조 공정을 적용하는 데 많은 제한이 따른다. 이에 따라, 본 발명의 스탬핑 공정은 외력에 대한 크롬 몰리브덴 강의 내부 발열량이 내열한계를 초과하지 않을 정도의 소정 두께 만큼 밸브 태핏 부재의 측면부를 가압성형하여 외력에 의해 소재 내에서 발생된 열이 외부로 원활하게 소산되도록 함으로써, 소재 내의 열변형이 과도하게 발생됨을 방지할 뿐만 아니라 가공경화현상이 소재 전체에 걸쳐 균일하게 분산되도록 함으로써, 크랙 및 파손 등을 방지하고 그 가공을 보다 용이하게 하는 특징이 있다.따라서, 본 발명에서는 크롬 몰리브덴 강 자체의 열분리가 용이한 소정의 두께 만큼 단계적으로 밸브 태핏 부재를 가압 성형함으로써, 크롬 몰리브덴 강의 열변형을 최소화함과 동시에 가공경화현상이 소재 전체에 균일하게 분산되도록 한다. 이상과 같은 스탬핑 공정에 의해 최종 형태의 밸브 태핏 부재가 완성됨에 따라, 선반, 밀링 등과 같은 각종 공작 기계에 의해 실행되는 연삭 공정과 같은 후가공 공정이 생략되는 특징이 있고, 그에 따라 그 제조 비용이 매우 저감되는 효과가 있다.

한편, 상술한 드로잉 단계(S40), 및 스탬핑 단계(S50)는 각 단계마다 단일 금형에 의해 단계적으로 이루어질 수도 있고, 각 단계가 복합 금형에 의해 복합적으로 실시될 수도 있다.

또한, 상술한 스탬핑 단계(S50)에서 형성된 최종 형태의 밸브 태핏 부재는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같은 형상으로 형성시키는 단계가 추가적으로 포함될 수도 있다. 여기서, 스탬핑 단계(S50)에서 성형된 밸브 태핏 부재는 상하 1조의 단조 공구(펀치 및 다이스 등)의 가압 공정에 의해 그 크라운부(7b) 및 스커트부(7d)의 내벽면 일부분이 내측으로 함몰되고, 이렇게 밸브 태핏 부재의 가압되는 부분이 가압에 의해 측면으로 밀리면서 자연스럽게 외부로 박리되어 부분적인 소재 제거가 이루어진다. 또한, 상술한 펀치 및 다이스 등과 같은 단조 공구는 그 가압면에 도 5a 내지 도 5c에 대응되는 형상을 구비함이 당연할 것이다.도 5a에 도시된 바와 같이, 밸브 태핏의 스커트부(7d)는 원설계 치수(t₁)로부터 내측으로 일부분이 함몰되어져 상술한 원설계 치수(t₁)보다 적은 치수(t₂)로 형성된다. 예를 들어, 밸브 태핏의 스커트부(7d)의 원설계 치수(t₁)가 1mm이면, 일부분이 함몰되어져 최소 0.4mm 정도의 두께(t₂)로 형성된다. 한편, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 그 저면 중심부에 접촉돌기부(7c)를 구비한 밸브 태핏의 크라운부(7b)는 원설계 치수(t₃)로부터 내측으로 일부분이 함몰되어져 상술한 원설계 치수(t₃)보다 적은 치수(t₄)로 형성되고, 리브(7e)가 접촉돌기부(7c)로부터 방사형으로 형성된다. 예를 들어, 밸브 태핏의 크라운부의 원설계 치수(t₃)가 2.4mm이면, 최소 1mm 정도의 치수(t₄)로 함몰되어지고, 리브(7e)의 높이(t₅)는 2mm 이상이며, 이러한 리브(7e)의 높이 따라 일정량의 두께로 조절할 수도 있다. 이러한 밸브 태핏 부재를 원설계 치수보다 내측으로 함몰시키는 단계는 밸브 태핏 부재의 무게를 경량화하기 위한 것이다.

열처리 단계(S60)에서, 최종 형태의 밸브 태핏 부재(도 4d 참조)에 내마모성 및 인성을 부여하기 위해 통상적인 열처리 공정을 수행한다.이와 같은 열처리 공정을 예시적을 설명하면, 열처리 공정은 강의 A3변태점 이상의 고온으로 가열한 뒤 급냉하여 경도를 높이는 담금질과, 이 담금질한 강의 불안정한 마르텐사이트 조직에 인성을 부여하기 위해 A1변태점 이상의 온도로 가열하여 물, 기름, 공기 등에 따라 적당한 속도로 냉각하여 점성강도를 높이고 경도를 감소시키는 뜨임처리를 수행한다. 특히, 본원발명에 적용되는 소재는 Cr, Mo 등이 함유된 크롬 몰리브덴 강이므로, 인성을 부여하기 위해 550~680℃의 온도에서 가열한 후에 급냉하는 고온뜨임처리를 수행할 수 있다.또한, 본원발명에 적용되는 크롬 몰리브덴 강의 내마모성을 증가시키기 위해, 크롬 몰리브덴 강의 표면에 탄소를 접촉시켜 고온으로 가열하여 크롬 몰리브덴 강 내부에 탄소가 흡수되도록 한 후에 담금질 및 뜨임처리를 수행하는 침탄열처리를 수행할 수 있다.

연마 단계(S70)에서, 열처리된 밸브 태핏 부재를 각종 연마 기구에 의해 연마한다.

검사 및 출시 단계(S80)에서, 최종 형태의 밸브 태핏 부재를 검사한 뒤에 출시한다. 여기서, 최종 형태의 밸브 태핏 전체를 세정 및 방청처리할 수도 있다.

상기와 같은 본 발명은 스탬핑 공정을 적용하여 초기 공정상의 환봉절단, 슬러그 가공, 본데라이징, 냉간 단조, 및 최종 마무리 공정상에 소요되는 전체 연삭 가공 공정을 생략할 수 있으므로, 제조 공정, 작업 인력, 및 설비비를 감소시키고, 작업 능률을 향상시켜 제조 비용을 감소시키는 매우 뛰어난 효과가 있다.

또한, 본 발명은 밸브 태핏의 접촉돌기부가 돌출형성된 저면 상에 "오목한 자국(오목 현상)"이 발생하는 것을 방지하여 제품의 완성도 및 정밀도를 향상시키는 장점이 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경실시할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 크라운부와, 상기 크라운부의 내부 중앙부분에 형성되어 밸브의 스템 단부와 접촉하는 접촉 돌기부와, 크라운부의 측면을 이루는 스커트부를 포함하는 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏을 제조하기 위한 방법으로서,

   환봉 형상의 원자재를 연질화시키도록 풀림 처리를 수행하는 제 1차 풀림 처리단계;

   상기 환봉 형상의 원자재를 소정 치수로 절단하여 기초부 및 접촉돌기부를 구비한 밸브 태핏 부재로 가압 성형하는 단조 단계;

   상기 단조된 밸브 태핏 부재를 연질화시키도록 풀림 처리를 수행하는 제 2차 풀림 처리단계;

   상기 풀림 처리된 밸브 태핏 부재의 기초부를 드로잉하여 스커트부를 형성하는 단계;

   상기 밸브 태핏 부재의 스커트부를 열분리가 용이할 정도의 두께 만큼 단계적으로 가압하여 최종 형태의 밸브 태핏 부재로 성형하는 스탬핑 단계;

   상기 최종 형태의 밸브 태핏 부재에 내마모성 및 인성을 부여하기 위한 열처리 단계;

   상기 열처리된 최종 형태의 밸브 태핏 부재를 연마하는 단계; 및

   상기 연마된 최종 형태의 밸브 태핏 부재를 검사하여 출시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 스탬핑 단계의 가공 공정 상의 소정 두께는 상기 밸브 태핏의 스커트부 두께가 1mm로 설계되어질 경우, 0.2 내지 0.4mm의 두께인 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 스탬핑 단계 후에, 상기 밸브 태핏 중량의 경량화를 달성하기 위하여, 상기 밸브 태핏 부재의 스커부 및 크라운부를 원설계 치수보다 내측으로 함몰시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏 제조 방법.