KR101123658B1

KR101123658B1 - 중공 포핏밸브 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101123658B1
Application number: KR1020097011694A
Authority: KR
Inventors: 히로미츠 엔도
Original assignee: 니탄 밸브 가부시키가이샤
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2012-03-22
Also published as: US8230834B2; HK1159718A1; JP5148609B2; EP2357326B1; US20110186000A1; EP2357326A4; EP2357326A1; KR20100062970A; JPWO2010041337A1; WO2010041337A1

Abstract

필릿 영역과 캡 부분을 박육으로 형성해도, 시트 맞닿음부에 용접열의 영향이 미치치 않고, 저비용이며 고강도 대 중량 특성이 우수한 중공 포핏밸브를 제공.

일단측에 팁 부분(14)을 형성한 스템 부분(12)과, 캡 부분(16)과, 스템 부분(12)과 캡 부분(16) 사이의 플레어형의 필릿 부분(18)을 갖고, 필릿 부분(18)을 포함하는 적어도 스템 부분(12)의 일부를 일체의 박육 원통형 부재(11)로 구성하고, 필릿 부분(18)에 캡 부재(17)를 용접한 중공 포핏밸브로서, 박육의 종단면 원호형의 캡 부재(17)를, 필릿 부분(18) 개구측의 시트 맞닿음부(19)에 레이저빔 용접하여, 양 부재(17, 19)의 접합계면(F) 내주에 용접 비드 부분(20)을 형성했다. 레이저빔 직경이 작아지고, 순간적으로 용접이 행해져, 시트 맞닿음부(19)로의 용접열의 영향이 적다. 용접 비드 부분(20)은, 용접 깊이를 확대하여 캡 부재(17)의 부착 강도를 높이고, 단면 계수를 증가시켜, 중공 밸브(10) 전체의 강성 강도를 높인다.

스템 부분, 캡 부분, 천이영역, 플레어형의 필릿 부분, 박육 원통형 부재, 내연기관용 중공 포핏밸브, 레이저빔 용접, 전자빔 용접, 중공 포핏밸브.

Description

중공 포핏밸브 및 그 제조방법{HOLLOW POPPET VALVE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 일단측에 팁 부분이 형성된 스템 부분과, 연소압력이 작용하는 캡 부분과, 스템 부분과 캡 부분 사이의 천이영역을 형성하는 플레어형의 필릿 부분을 가진 경량화를 목적으로 하는 내연기관용 중공 포핏밸브 및 그 제조방법에 관한 것이며, 특히, 필릿 부분과, 스템 부분의 적어도 필릿 부분에 면하는 측이 일체의 박육(薄肉) 원통형 부재로 구성됨과 아울러, 필릿 부분에 캡 부분을 구성하는 캡 부재가 용접에 의해 부착된 중공 포핏밸브 및 그 제조방법에 관한 것이다.

하기 특허문헌 1, 2에는, 1장의 금속판을 드로잉 가공함으로써, 하단의 팁 부분이 폐쇄된 원통 형상의 스템 부분의 상단부에, 플레어 모양으로 개구하는 필릿 영역이 일체로 형성된 박육 원통형 부재를 성형하고, 이 원통형 부재의 필릿 영역의 개구 가장자리부에 원반 형상의 캡을 용접에 의해 부착한 구조의 중공 포핏밸브 및 그 제조방법이 기재되어 있다. 특허문헌 1, 2의 어느 밸브에서도, 스템 부분, 팁 부분, 필릿 부분이 일체로 형성된 박육 원통형 부재로 구성되어 있으므로, 펄프를 경량화할 수 있다.

특허문헌 1: 일본 특개 평6-299816호(도 2, 도 7, 도 8, 도 10~도 12)

특허문헌 2: 일본 재공표 특허 WO00/47876호(도 2, 도 13)

(발명의 개시)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그러나, 특허문헌 1에서는, 캡 용접부의 근방에 시트 맞닿음부가 형성되어 있기 때문에, 시트 맞닿음부가 용접열의 영향을 받아 그 표면경도가 저하된다고 하는 문제가 있었다. 또, 특허문헌 1의 도 2, 도 7, 도 8, 도 10에 도시하는 실시예에서는, 캡이 후육으로, 중량경감 효과가 뒤떨어진다는 문제도 있다.

그래서, 특허문헌 2에서는, 캡을 박육으로 형성함과 아울러, 외주에 시트 맞닿음부가 형성되어 있는 필릿 부분의 개구 가장자리부만을 후육으로 형성함으로써, 고강도 대 중량 특성이 우수함과 아울러, 시트 맞닿음부 표면에 용접열의 영향이 미치지 않는(용접열에 의해 시트 맞닿음부의 표면경도가 저하되지 않는) 구조로 되어 있다.

그런데, 상기한 특허문헌 2(도 2, 도 13의 구조)에서는, 필릿 부분의 개구 가장자리부를 후육으로 형성하고 있기 때문에, 그만큼 중량경감 효과가 뒤떨어진다. 또, 특허문헌 2의 도 2의 구조에서는, 필릿 부분의 개구 가장자리부에 캡 걸어맞춤용의 단차부를 형성하는 공정이 필요하여, 밸브의 제조 비용이 부피가 커진다고 하는 문제도 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 시트 맞닿음부가 형성되어 있는 필릿 부분의 개구 가장자리부를 포함하는 필릿 부분 전체와, 시트 맞닿음부에 용접하는 캡 부분을 박육으로 형성했다고 해도, 시트 맞닿음부 표층부에 용접열의 영향이 미치치 않고, 또한 캡 부분으로부터 필릿 부분에 걸친 강성이 높아, 저비용으로 고강도 대 중량 특성이 우수한 중공 포핏밸브 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명(청구항 1)에 따른 중공 포핏밸브에서는,

일단측에 닫혀진 팁 부분이 형성된 스템 부분과, 연소압력이 작용하는 캡 부분과, 상기 스템 부분과 상기 캡 부분 사이의 천이영역을 형성하는 플레어형의 필릿 부분을 갖고,

상기 필릿 부분과, 상기 스템 부분의 적어도 필릿 부분에 면하는 측이 일체의 박육 원통형 부재로 구성되고, 상기 캡 부분은 상기 필릿 부분에 용접된 디스크형의 캡 부재로 구성된 내연기관용 중공 포핏밸브에 있어서,

상기 박육 원통형 부재를, 상기 포핏밸브를 드로잉 성형하는 최초의 금속판의 두께 이하의 두께(예를 들면, 0.5~2mm)로 형성하고, 상기 캡 부재를, 상기 필릿 부분의 최대 두께와 거의 동일한 두께의 종단면 원호형으로 형성함과 아울러, 상기 캡 부재의 테이퍼 형상의 외주 단면을 상기 필릿 부분의 개구 단부에 형성한 시트 맞닿음부의 테이퍼 형상의 내주면에 레이저빔 용접 또는 전자빔 용접하고, 상기 양 부재의 접합계면(걸어맞춤면(係合面))의 내주 가장자리를 따라 용접 비드 부분을 팽출(膨出)형성하도록 구성한 중공 포핏밸브로서,
상기 시트 맞닿음부와 상기 캡 부재는 양자의 접합계면(걸어맞춤면)으로부터 캡 부재측으로 약간 오프셋된 위치에 레이저빔 또는 전자빔이 이 접합계면(걸어맞춤면)을 따른 방향으로 조사됨으로써 용접된 것으로 구성된다.

또, 본 발명(청구항 7)에 따른 중공 포핏밸브의 제조방법에서는,

일단측에 팁 부분이 형성된 스템 부분과, 연소압력이 작용하는 캡 부분과, 상기 스템 부분과 상기 캡 부분 사이의 천이영역을 형성하는 플레어형의 필릿 부분을 갖고,

상기 필릿 부분과, 상기 스템 부분의 적어도 필릿 부분에 면하는 측이 일체의 박육 원통형 부재로 구성되고, 상기 캡 부분은, 상기 필릿 부분에 용접된 디스크형의 캡 부재로 구성된 내연기관용 중공 포핏밸브의 제조방법으로,

금속판을 적어도 드로잉 성형 가공함으로써, 상기 필릿 부분의 개구 단부에 시트 맞닿음부를 형성한 상기 금속판의 두께 이하의 두께(예를 들면, 0.5~2mm)의 상기 박육 원통형 부재를 형성하는 박육 원통형 부재 형성 공정과, 상기 필릿 부분의 최대 두께와 거의 동일한 박육 종단면 원호형으로 형성한 상기 캡 부재의 테이퍼 형상의 외주 단면을, 상기 필릿 부분의 개구 단부에 형성된 시트 맞닿음부의 테이퍼 형상의 내주면에 걸어맞추고, 이 걸어맞춤부의 내주 가장자리를 따라 용접 비드 부분이 팽출형성되도록 이 걸어맞춤부를 레이저빔 용접 또는 전자빔 용접하는 용접 공정을 구비하도록 구성했다.

(작용)

레이저빔 용접 또는 전자빔 용접에서는, 빔 직경이 작기(예를 들면, 0.1~0.2mm) 때문에, 용접폭(용착부의 접합계면과 직교하는 방향의 폭)이 좁고, 게다가, 고에너지로 순간적으로 용접이 행해지므로, 시트 맞닿음부 표면으로의 용접열의 영향(용접열의 영향으로 시트 맞닿음부의 표면경도가 저하되는 것)이 없다.

중공 포핏밸브의 적어도 필릿 부분으로부터 스템 부분에 걸친 영역이, 예를 들면, 두께 0.5~2mm의 박육으로 형성됨과 아울러, 캡 부분도 박육(필릿 부분의 최대 두께와 거의 동일한 두께)으로 형성되어 있으므로, 중공 포핏밸브의 무게는 경량으로 된다. 또, 캡 부재(필릿 부분)에는, 종래기술(특허문헌 1이나 특허문헌 2에 나타내는 구조)에 개시되는 바와 같은, 필릿 부분(캡 부재) 걸어맞춤용의 단차부가 없어, 단차부를 형성하는 공정이 불필요하여, 그만큼 제조공정이 간결하게 되어 밸브의 제조비용이 들지 않는다.

또, 종단면 원호 형상으로 형성된 캡 부분은 연소압력에 대한 강성 강도가 높다.

또, 캡 부재의 외주 가장자리부 및 시트 맞닿음부의 외주 가장자리부에는, 양 부재의 접합계면(캡 부재의 외주 단면과 시트 맞닿음부의 내주면 사이의 걸어맞춤부)을 외측으로 직경확장(확대)하는 여유부(도 3의 부호 17a, 19a 참조)가 각각 형성되어 있고, 양 부재의 접합계면(걸어맞춤면)을 따라 외주측으로부터 내주측으로 레이저빔 또는 전자빔이 조사되면, 양 부재의 접합계면(걸어맞춤면)을 포함하는 영역이 용융되고, 양 부재(캡 부재와 시트 맞닿음부) 사이의 걸어맞춤부가 용접(용착)되는데, 용융영역 전체가 빔 조사 방향(접합계면(걸어맞춤면)을 따른 방향)으로 유동(이동)하고, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 양 부재(캡 부재와 시트 맞닿음부) 사이의 걸어맞춤부의 외주 가장자리부(레이저빔(L)이 입사되는 여유부(17a, 19a)측)가 움푹 들어감과 아울러, 양 부재 간의 걸어맞춤부의 내측(양 부재의 걸어맞춤면의 내주 가장자리)이 팽출(외주 가장자리부가 움푹 들어간 양 상당만큼 내측으로 팽출)하여, 용접 비드 부분을 구성한다.

그리고, 캡 부재(캡 부분)와 필릿 부분(의 시트 맞닿음부)의 걸어맞춤부(접합계면)의 내측(내주 가장자리)를 따라 팽출형성된 용접 비드 부분은, 용접 깊이(용착부의 깊이)를 확대하여 캡 부재(캡 부분)의 부착 강도를 높임과 아울러, 종단면 원호 형상의 캡 부분과 협동하여 밸브의 캡 부분으로부터 필릿 부분에 걸친 영역의 단면 계수를 증가시켜, 중공 밸브 전체의 강성 강도를 높이기 위해 작용한다.
또한, 레이저빔 또는 전자빔이 조사되면, 캡 부재와 시트 맞닿음부 사이의 접합계면(캡 부재의 외주 단면과 시트 맞닿음부의 내주면의 걸어맞추어지는 면, 바꿔말해 캡 부재와 시트 맞닿음부의 걸어맞춤면)을 포함하는 소정 영역이 용융되고, 캡 부재와 시트 맞닿음부가 용접(용착)되지만, 레이저빔 또는 전자빔이 조사되어 용융되는 영역은, 빔 조사 위치의 오프셋량만큼 캡 부재측(시트 맞닿음부 표층부로부터 이간되는 측)으로 벗어나, 시트 맞닿음부측의 용융 영역이 캡 부재측의 용융 영역보다도 폭 좁게 되고, 그만큼 시트 맞닿음부 표층부로의 용접열의 영향이 적다.

또한, 상기 박육 원통형 부재로서는, 청구항 4에 나타내는 바와 같이, 필릿 부분, 스템 부분 및 팁 부분이 일체로 형성된 구성인 경우, 또는 청구항 5에 나타내는 바와 같이, 필릿 부분 및 스템 부분이 일체로 형성된 구성에서, 박육 원통형 부재의 스템 부분의 개구 단부에 팁 부분을 구성하는 원반 형상의 팁 부재를 용접에 의해 부착 일체화할 수 있는 구성인 경우, 또는 청구항 6에 나타내는 바와 같이, 필릿 부분 및 스템 부분의 일부를 구성하는 영역이 일체로 형성된 구성에서, 박육 원통형 부재의 스템 부분의 일부를 구성하는 영역의 개구 단부에, 스템 부분의 나머지 영역 및 팁 부분을 구성하는 중실체 부재를 접합에 의해 부착 일체화할 수 있는 구성인 경우가 있다.

청구항 2에서는, 청구항 1에 기재된 중공 포핏밸브에 있어서, 상기 캡 부재의 두께를, 반경방향 외측으로 갈수록 서서히 커지도록 구성했다.

(작용)

캡 부재를 반경방향 외측으로 갈수록 후육으로 형성함으로써, 캡 부분의 연소 압력에 대한 강성 강도가 한층 더 높아짐과 아울러, 캡 부재와 필릿 부분(의 시트 맞닿음부) 사이의 걸어맞춤부(접합계면)의 축방향 길이가 확대되고, 용접 깊이(용착부의 깊이)가 확대되어 캡 부재의 부착 강도가 높아진다. 또, 밸브의 캡 부분으로부터 필릿 부분에 걸친 영역의 단면 계수가 더 증가하여, 중공 밸브 전체의 강성 강도가 더 높아진다.

삭제

청구항 3에서는, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 중공 포핏밸브에 있어서, 상기 캡 부재 이면측의 외주 가장자리에, 상기 스템 부분의 축방향과 직교하는 링 형상의 평면부분을 형성하도록 구성했다.

(작용)

캡 부재 이면측의 외주 가장자리에 평면부분을 형성함으로써 캡 부재의 링 형상의 외주 단면의 폭(축방향 길이)이 시트 맞닿음부의 내주면의 폭(축방향 길이)보다도 짧아져, 이하의 작용이 얻어진다.

제1로는, 캡 부재와 시트 맞닿음부 사이의 접합계면의 폭(축방향 길이)이 좁혀져, 레이저빔 또는 전자빔이 조사되는 영역의 열용량이 저하되어, 접합계면을 포함하는 영역이 용융되기 쉬워지기 때문에, 레이저빔 또는 전자빔의 조사시간이 단축된다.

제2로는, 캡 부재 이면측 외주 가장자리의 평면부분과 시트 맞닿음부의 내주면 사이에 종단면 예각 삼각 형상 스페이스가 형성되어, 레이저빔 또는 전자빔이 조사된 용융영역의 일부가 이 스페이스로 밀려나와 용접 비드 부분을 구성하지만, 이 스페이스에 충전된 용접 비드 부분이 용접 깊이(용착부의 깊이)를 확대하도록 기능하고, 캡 부재 이면측 외주 가장자리에 평면부분을 형성함으로써 캡 부재와 시트 맞닿음부 사이의 접합계면의 폭이 좁혀짐에 따르는 용접 깊이(용착부의 깊이)의 감소를 보충한다.

제3으로는, 캡 부재를 시트 맞닿음부의 내측에 걸어맞추어지게 할 때에, 시트 맞닿음부 밑동부측(종단면 곡선 형상의 필릿 부분)과의 간섭을 회피할 수 있다. 즉, 스템 부분의 축에 대하여 90도에 가까운 각도로 경사(거의 수평으로 연장)지는 필릿 부분의 개구측에 대하여, 시트 맞닿음부는 스템 부분의 축에 대하여 거의 45도로 경사지기 때문에, 캡 부재의 외주 단면의 폭(축방향 길이)이 시트 맞닿음부의 내주면의 폭(축방향 길이)와 동일하면, 이들 폭에 제조상의 치수 오차가 있는 경우에는, 캡 부재(의 외주 단면)를 시트 맞닿음부(의 내주면)에 걸어맞추어지게 할 때에, 캡 부재 이면측의 외주 가장자리와 시트 맞닿음부 밑동부측(종단면 곡선 형상의 필릿 부분)이 간섭하여, 캡 부재를 시트 맞닿음부에 대하여 적정한 위치에 걸어맞추어지게 할 수 없을 우려가 있지만, 캡 부재의 외주 단면의 폭(축방향 길이)이 시트 맞닿음부의 내주면의 폭(축방향 길이)보다도 짧아지기 때문에, 양자가 간섭하지 않는다.

(발명의 효과)

본 발명에 따른 중공 포핏밸브에 의하면, 원하는 표면경도가 확보된 시트 맞닿음부를 갖는 종래 구조에서도 저비용으로 하여 고강도 대 중량 특성이 우수한 중공 포핏밸브가 얻어진다.
특히, 시트 맞닿음부 표층부에의 용접열의 영향이 보다 한층 더 적으므로, 원하는 표면경도가 한층 더 확보된 중공 포핏밸브가 얻어진다.

본 발명에 따른 중공 포핏밸브의 제조방법에 의하면, 원하는 표면경도가 확보된 시트 맞닿음부를 갖는 종래 구조보다도 저비용으로 하여 고강도 대 중량 특성이 우수한 중공 포핏밸브를 간단하게 제조할 수 있다.

청구항 2에 의하면, 캡 부분으로부터 필릿 부분에 걸친 강성 강도가 더욱 높여져 있으므로, 고강도 대 중량 특성에 의해 더한층 우수한 중공 포핏밸브가 얻어진다.

삭제

청구항 3에 의하면, 캡 부재와 시트 맞닿음부의 접합계면을 포함하는 영역의 열용량이 저하되는 만큼, 전자빔 또는 레이저빔의 조사시간이 단축되어, 용접공정에 요하는 시간이 단축된다.

또, 캡 부재를 시트 맞닿음부의 내측 소정 위치에 원활하게 걸어맞추어지게 할 수 있으므로, 캡 부재를 필릿 부분의 소정 위치에 정확하고 또한 신속하게 용접할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예인 중공 포핏밸브의 일부를 단면으로 나타내는 측면도이다.

도 2(a)~(d)는 동일한 포핏밸브를 구성하는 박육 원통형 부재를 형성하는 공정 설명도이다.

도 3은 동일한 박육 원통형 부재의 필릿 부분의 개구 단부(시트 맞닿음부) 내측에 캡 부재를 용접하는 공정을 설명하는 설명도로, (a)는 필릿 부분의 개구 단부(시트 맞닿음부)와 캡 부재 간 걸어맞춤부의 레이저빔 조사 위치 및 동 걸어맞춤부의 용융영역을 도시하는 단면도, (b)는 시트 맞닿음부와 캡 부재 간 걸어맞춤부의 용접이 종료된 상태의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예인 중공 포핏밸브의 종단면도이다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예인 중공 포핏밸브의 종단면도이다.

도 6은 본 발명의 제 4 실시예인 중공 포핏밸브의 종단면도이다.

도 7은 제 1 실시예의 포핏밸브의 사양을 도시하는 도면이다.

도 8은 제 1 실시예의 포핏밸브의 FEM 해석 결과를 특허문헌 1, 2의 포핏밸브의 FEM 해석결과와 비교하여 나타내는 도면이다.

(부호의 설명)

10, 10A, 10B, 10C 중공 포핏밸브 11, 11A, 11B, 11C 박육 원통형 부재

12 스템 부분 13 코터 홈

14 팁 부분

15 팁 부분을 구성하는 원반 형상의 팁 부재

16 캡 부분 17 캡 부재

17a 캡 부재의 여유부 17b 링 형상의 평면부분

18 필릿 부분 19 시트 맞닿음부

19a 시트 맞닿음부의 여유부 19b 시트 맞닿음부의 외측표층부

20 용접 비드 부분 W1 금속판

L 레이저빔

F 시트 맞닿음부와 캡 부재 사이의 접합계면

δ 레이저빔 조사 위치의 시트 맞닿음부와 캡 부재 사이의 접합계면으로부터의 오프셋량

A 시트 맞닿음부와 캡 부재 사이의 용융영역

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

다음에 본 발명의 실시형태를 실시예에 기초하여 설명한다.

도 1~도 3은, 본 발명의 제 1 실시예인 내연기관용의 중공 포핏밸브를 도시하고, 도 1은 본 발명의 제 1 실시예인 중공 포핏밸브의 일부를 단면으로 나타내는 측면도, 도 2(a)~(d)는 동일한 포핏밸브를 구성하는 박육 원통형 부재를 형성하는 공정 설명도, 도 3은 동일한 박육 원통형 부재의 필릿 부분의 개구 단부(시트 맞닿음부) 내측에 캡 부재를 용접하는 공정을 설명하는 설명도로, (a)는 필릿 부분의 개구 단부(시트 맞닿음부)와 캡 부재 간 걸어맞춤부의 레이저빔 조사 위치 및 동 걸어맞춤부의 용융영역을 도시하는 단면도, (b)는 시트 맞닿음부와 캡 부재 간 걸어맞춤부의 용접이 종료한 상태의 단면도이다.

이들 도면에서, 부호 10은, 일단측(도 1의 하측)에 닫혀진 팁 부분(14)이 형성된 스템 부분(12)과, 연소압력이 작용하는 캡 부분(16)과, 스템 부분(12)과 캡 부분(16) 사이의 천이영역을 형성하는 플레어형의 필릿 부분(18)을 갖는 중공의 포핏밸브로서, 필릿 부분(18)과 스템 부분(12)과 팁 부분(14)은 일체의 박육 원통형 부재(11)로 구성되고, 캡 부분(16)은, 박육 원통형 부재(11)의 필릿 부분(18)의 내측에 용접된 디스크형의 박육의 캡 부재(17)로 구성되어 있다.

필릿 부분(18)의 개구 단부측에는, 스템 부분(12)의 축방향에 대하여 45도의 경사를 갖는 시트 맞닿음부(19)가 형성되고, 스템 부분(12)의 하단측에는, 코터 홈(13)이 형성되어 있다.

박육 원통형 부재(11)는, 뒤에 상세하게 설명하지만, 예를 들면, 두께 1.2mm의 1장의 금속판(W1)을, 도 2의 W1→W2→W3→W4와 같이, 차례로 드로잉 성형, 프레스 성형함으로써, 일단측에 팁 부분(14)을 형성한 스템 부분(12)의 타단측에 필릿 부분(18)을 일체로 형성한 두께 0.65~1.2mm의 성형체(W4)로서 구성되어 있다.

구체적으로는, 스템 부분(12)의 두께(t1)는, 축방향에 일정한 0.65mm로 형성되고, 팁 부분(14)의 두께(t2)는 반경방향으로 일정한 0.8mm로 형성되고, 필릿 부 분(18)의 두께는, 스템 부분(12)측으로부터 개구단측으로 갈수록 후육이고, 최대 두께(t3)가 1.2mm로 형성되고, 필릿 부분(18)의 개구 측단부에 형성되어 있는 시트 맞닿음부(19)의 두께(t4)는, 개구방향(축방향)으로 일정한 두께(1.0mm)로 형성되어 있다.

한편, 캡 부분(16)(캡 부재(17))은, 예를 들면, 프레스 성형에 의해, 연소 압력에 대한 강성 강도가 높은 종단면 원호 형상으로 형성됨과 아울러, 캡 부재(17)의 외주 단면은, 시트 맞닿음부(19)의 테이퍼 형상의 내주면에 정합하는 테이퍼 형상으로 형성되고, 시트 맞닿음부(19)의 내주면과 캡 부재(17)의 외주 단면과의 걸어맞춤부가 레이저빔 용접됨으로써, 캡 부재(17)와 시트 맞닿음부(19) 사이의 용접부의 내측에 용접 비드 부분(20)이 형성되어 있다.

캡 부분(16)(캡 부재(17))은 박육 원통형 부재(11)와 마찬가지로 박육으로 형성되어 있지만, 중앙부의 두께가 필릿 부분(18)의 최대 두께와 동일한 1.2mm로 형성되고, 반경방향 외측으로 갈수록 서서히 두껍게(외주 가장자리부에서는 약 3mm) 형성되어, 연소 압력에 대한 캡 부분(16)의 강성 강도가 더욱 높여져 있다.

또, 캡 부재(17)가 반경방향 외측으로 갈수록 서서히 두껍게 형성됨으로써, 캡 부재(17)와 필릿 부분(18)(의 시트 맞닿음부(19)) 사이의 걸어맞춤부(접합계면(F), 도 3(a) 참조)의 축방향 길이가 확대되고, 용접 깊이(용착부의 깊이)가 확대되게 되어, 캡 부재(17)의 부착 강도가 높여짐과 아울러, 밸브(10)의 캡 부분(16)으로부터 필릿 부분(18)에 걸친 영역의 단면 계수가 증가하게 되어, 중공 밸브(10) 전체의 강성 강도가 높여져 있다.

또, 캡 부재(17)가 용접되는 시트 맞닿음부(19)의 두께(t4)는, 필릿 부분(18)의 최대 두께(t3)(1.2mm)보다 얇은 1.0mm이지만, 레이저빔 용접에서 사용되는 빔 직경은 0.1~0.2mm로 대단히 작기 때문에, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 용접 폭(접합계면(F)을 포함하는 용착부의 폭)(d)이 약 0.5mm으로 좁고, 게다가, 고에너지로 순간적으로 용접이 행해지므로, 시트 맞닿음부(19) 표면으로의 용접열의 영향이 적다.

또한, 레이저빔 용접시의 빔은, 도 3(a)의 부호 L로 나타내는 바와 같이 시트 맞닿음부(19)와 캡 부재(17) 사이의 접합계면(F)으로부터 캡 부재(17)측으로 약간량(δ)(예를 들면, 0.05~0.3mm)만큼 오프셋된 위치이며 접합계면(F)을 따른 방향으로 조사되기 때문에, 그만큼 시트 맞닿음부(19) 표면으로의 용접열의 영향이 적다.

즉, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 레이저빔(L)이 조사되면, 레이저빔(L)이 조사된 접합계면(F)을 포함하는 폭(d)의 소정 영역이 용융하고, 캡 부재(17)와 시트 맞닿음부(19)가 용접(용착)되지만, 용융 영역(A)은 레이저빔(L)의 조사 위치의 접합계면(F)으로부터의 오프셋량(δ)만큼, 캡 부재(17)측(시트 맞닿음부(19)의 외측 표층부(19b)로부터 이간하는 측)으로 벗어나 있기 때문에, 시트 맞닿음부(19)측의 용융영역의 폭(d1)이 캡 부재(17)측의 용융영역의 폭(d2) 보다도 협폭(d1<d2)으로 되고, 그만큼 시트 맞닿음부(19)의 외측 표층부(19b)로의 용접열의 영향이 적다. 이 결과, 시트 맞닿음부(19)의 외측 표층부(19a)에는, 필요한 표면경도가 확보되어 있다.

또, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 캡 부재(17) 표면측의 외주 가장자리부 및 시트 맞닿음부(19)의 외주 가장자리부에는, 양 부재(17, 19)의 접합계면(F)(캡 부재(17)의 외주 단면과 시트 맞닿음부(19)의 내주면 사이의 걸어맞춤부)을 외측으로 직경확장하는 여유부(17a, 19a)가 각각 형성되어 있고, 양 부재(17, 19)의 접합계면(F)을 따른 방향으로 레이저빔(L)이 조사되면, 접합계면(F)을 포함하는 영역(A)이 용융되어, 캡 부재(17)와 시트 맞닿음부(19) 사이의 걸어맞춤부가 용접(용착)되지만, 접합계면(F)을 포함하는 용융영역(A) 전체가 빔(L) 조사방향(접합계면(F)을 따른 내측)으로 유동(이동)하고, 도 3(b) 부호 17c, 19c에 도시하는 바와 같이, 용융영역(A)의 외측(여유부(17a, 19a)의 레이저빔 입사측)이 움푹 들어감과 아울러, 용융영역(A)의 내측이 외측으로 움푹 들어간 양 상당만큼 팽출하여, 캡 부재(17)와 시트 맞닿음부(19) 사이의 걸어맞춤부의 내측에 용접 비드 부분(20)을 구성한다.

또한, 용접이 종료된 단계에서, 캡 부재(17)와 시트 맞닿음부(19) 사이의 걸어맞춤부의 여유부(17a, 19a)를 포함하는 외주 가장자리 영역은, 부호 C로 나타내는 바와 같이 절삭 제거되어, 캡 부재(17)의 표면이 매끄러운 소정의 곡면 형상으로 가공된다.

그리고, 캡 부재(17)와 필릿 부분(18)(의 시트 맞닿음부(19))의 걸어맞춤부(접합계면(F))의 내측을 따라 형성된 용접 비드 부분(20)은, 용접 깊이(용착부의 깊이)를 확대하여 캡 부재(17)의 부착 강도를 높임과 아울러, 종단면 원호 형상의 캡 부분(16)(캡 부재(17))과 협동하여 캡 부분(16)으로부터 필릿 부분(18)에 걸친 영역의 단면 계수를 증가시켜, 중공 밸브(10) 전체의 강성 강도를 높이기 위해 작용한다.

또, 캡 부재(17) 이면측의 외주 가장자리에는, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 평면부분(17b)이 링 모양으로 형성되고, 캡 부재(17)의 외주 단면의 폭(축방향 길이)이 시트 맞닿음부(19)의 내주면의 폭(축방향 길이)보다도 짧아짐으로써 이하의 효과가 얻어진다.

제1로는, 캡 부재(17)와 시트 맞닿음부(19) 사이의 접합계면(F)의 폭을 좁혀져, 레이저빔(L)이 조사되는 영역의 열용량이 저하되어, 접합계면(F)을 포함하는 영역이 용융되기 쉬워지기 때문에, 레이저빔(L)의 조사시간이 단축된다.

제2로는, 캡 부재(17) 이면측 외주 가장자리의 평면부분(17b)과 시트 맞닿음부(19)의 내주면 사이에 종단면 예각삼각형 형상 스페이스(S)(도 3(a) 참조)가 형성되고, 레이저빔(L)이 조사된 용융영역(A)의 일부가 이 스페이스(S)로 밀려나와 용접 비드 부분(20)을 구성하지만, 이 스페이스(S)에 충전형성된 용접 비드 부분(20)이 용접 깊이(용착부의 깊이)를 확대하도록 기능하여, 평면부분(17b)을 형성함으로써 캡 부재(17)와 시트 맞닿음부(19) 사이의 접합계면(S)의 폭(축방향 길이)이 좁혀짐에 따르는 용접 깊이(용착부의 깊이)의 감소를 보충한다.

제3으로는, 캡 부재(17)를 시트 맞닿음부(19)의 내측에 걸어맞추어지게 할 때에, 시트 맞닿음부(19) 밑동부측(종단면이 곡선 형상의 필릿 부분(18))과의 간섭을 회피할 수 있다. 즉, 스템 부분(12)의 축에 대하여 거의 직교하도록 개구하는 필릿 부분(18)의 개구측에 대하여, 시트 맞닿음부(19)는 거의 45도로 경사지기 때문에, 캡 부재(17)의 외주 단면의 폭(축방향 길이)이 시트 맞닿음부(19)의 내주면의 폭(축방향 길이)과 동일한 치수로 설계되어 있으면, 이들 폭에 제조상의 치수 오차가 있을 경우(예를 들면, 캡 부재(17)의 외경치수가 시트 맞닿음부(19)의 내경치수보다 작을 경우)에는, 캡 부재(17)(의 외주 단면)를 시트 맞닿음부(19)(의 내주면)에 걸어맞추어지게 할 때에, 캡 부재(17) 이면측의 외주 가장자리와 시트 맞닿음부(19) 밑동부측(종단면 곡선 형상의 필릿 부분(18))이 간섭하여, 캡 부재(17)를 시트 맞닿음부(19)에 대하여 적정한 위치에 걸어맞추어지게 할 수 없을 우려가 있는데, 캡 부재(17)의 외주 단면의 폭(축방향 길이)이 시트 맞닿음부(19)의 내주면의 폭(축방향 길이)보다도 확실하게 짧기 때문에, 양자 17, 18이 간섭하지 않는다.

다음에, 이 실시예에 나타내는 중공 포핏밸브(10)의 제조공정을, 도 2에 기초하여 설명한다.

우선, 도 2(a), (b)에 도시하는 바와 같이, 소재인 금속판(W1)을 냉간 프레스에 의해 컵형(W2)으로 성형하고, 필요에 따라 어닐링을 행한 후, 도 2(c), (d)에 도시하는 바와 같이, 컵형 성형품(W2)을 트랜스퍼 프레스를 사용한 냉간 드로잉 성형 공정에 의해, 필릿 부분(18) 및 스템 부분(12)을 드로잉 성형함과 아울러, 필릿 부분(18)의 개구 가장자리부측을 프레스 성형함으로써 필릿 부분(18)의 개구단에 시트 맞닿음부(19)가 형성된 소정의 크기의 성형품(W2→W3→W4)을 성형한다. 또한, 도 2(c), (d)에 도시하는 냉간 드로잉 성형 공정에서는, 필요에 따라 맨드릴을 사용하는 경우가 있다. 또, 원칙으로서는 어닐링을 하지 않지만, 재료가 단단한 등, 성형 곤란한 경우에는, 중간 어닐링을 행하는 경우도 있다.

다음에, 성형품(W4)의 스템 부분(12)의 하단부 외주에 롤 성형 등에 의해 코터 홈(13)을 성형함으로써 박육 원통형 부재(11)가 완성된다. 그리고 최후에, 원통형 부재(11)와는 별도로 금속판을 프레스 성형함으로써 미리 제조해 둔 캡 부재(17)를, 원통형 부재(11)의 필릿 부분(18)의 시트 맞닿음부(19) 내주면에 레이저빔 용접에 의해 부착한 후, 여유부(17a, 19a)를 절삭하고, 캡 부분(16)의 표면을 소정의 곡면으로 마무리한다.

상기한 제 1 실시예의 중공 포핏밸브(10)에서는, 필릿 부분(18), 스템 부분(12) 및 팁 부분(14)이 박육 원통형 부재(11)로서 일체로 형성되어 있지만, 이 제 2 실시예의 중공 포핏밸브(10A)에서는, 팁 부분(14)을 제외한 스템 부분(12)에 필릿 부분(18)이 일체로 형성되어, 박육 원통형 부재(11A)를 구성하고 있다.

이 박육 원통형 부재(11A)는, 상기한 제 1 실시예에서의 박육 원통형 부재(11)의 스템 부분(12)을 팁 부분(14) 근방에서 절단함으로써, 박육 원통형 부재(11A)의 전체 길이가 소정의 길이로 형성되어 있다.

그리고, 원통형 부재(11A)의 스템 부분(12)의 하단측에, 팁 부분(14)을 구성하는 팁 부재(15)를 용접에 의해 부착함과 아울러, 필릿 부분(18)의 개구측에 캡 부분(16)을 구성하는 캡 부재(17)가 레이저빔 용접에 의해 장착되어, 중공 포핏밸브(10A)가 구성되어 있다.

그 밖은, 상기 제 1 실시예와 동일하며, 동일한 부호를 붙임으로써 중복된 설명은 생략한다.

이 제 2 실시예에서는, 박육 원통형 부재(11A)의 전체 길이를 고정밀도로 관리할 수 있으므로, 제조되는 중공 포핏밸브(10A)의 전체 길이가 불균일하지 않고 일정하게 되므로, 제조상의 수율이 높다.

도 5는, 본 발명의 제 3 실시예인 중공 포핏밸브의 종단면도이다.

이 제 3 실시예의 중공 포핏밸브(10B)에서는, 필릿 부분(18)과 스템 부분(12)의 상반부(12a)에 의해 박육 원통형 부재(11B)가 구성되고, 원통형 부재(11B)의 스템 부분(12a)에, 스템 부분(12)의 하반부(12b)와 팁 부분(14)을 구성하는 중실 환봉(15A)이 접합(예를 들면, 마찰 압접) 일체화됨과 아울러, 필릿 부분(18)의 개구측에 캡 부분(16)을 구성하는 캡 부재(17)가 레이저빔 용접에 의해 부착되어 있다.

그 밖은, 상기 제 1 실시예와 동일하며, 동일한 부호를 붙임으로써, 중복된 설명은 생략한다.

이 제 4 실시예의 중공 포핏밸브(10C)에서는, 필릿 부분(18)에만 의해 박육 원통형 부재(11C)가 구성되고, 원통형 부재(11B)(필릿 부분(18))의 기단부측(도 6 하측)에, 스템 부분(12)과 팁 부분(14)을 형성하는 중실 환봉(15C)이 접합(예를 들면, 마찰 압접) 일체화됨과 아울러, 필릿 부분(18)의 개구측에 캡 부분(16)을 구성하는 캡 부재(17)가 레이저빔 용접에 의해 부착되어 있다.

또, 도 5, 6에 도시하는 제 3, 제 4 실시예의 중공 포핏밸브(10B, 10C)에서는, 제 2 실시예의 중공 포핏밸브(10A)보다도 무거워지지만, 제 2 실시예의 중공 포핏밸브(10A)와 같이 제조되는 중공 포핏밸브(10A)의 전체 길이가 불균일하지 않고 일정하게 되므로, 제조상의 수율이 높다.

그리고, 도 7에 도시하는 사양의 박육 원통 형상 부재(11) 및 캡 부재(17)를, SUS305, SUS436 또는 SUS430제의 금속판으로 각각 성형하고, 박육 원통 형상 부재(11)와 캡 부재(17)를 레이저빔 용접에 의해 일체화하여, 제 1 실시예의 포핏밸브(10)를 시작했다. 그리고, FEM 해석을 행한 결과를 도 8에 나타낸다.

도 8은, 포핏밸브(10)의 FEM 해석 결과를 특허문헌 1, 2의 포핏밸브의 FEM 해석결과와 비교하여 나타내는 도면으로, (a)는 제 1 실시예의 포핏밸브(10), (b)는 특허문헌 1의 포핏밸브, (c)는 특허문헌 2의 포핏밸브의 FEM 해석 결과를 각각 나타낸다.

특허문헌 1의 포핏밸브에서는, 도 8(b)에 도시하는 바와 같이, 캡 부분(16)이 평탄한 형상이라는 것도 있어, 연소압 작용시에, 캡 부분(16)에서의 필릿 부분(18)과의 용접부(B)의 근방에 545MPa라고 하는 큰 응력이 작용하여, 용접부(B)에서 피로 파괴될 우려가 있다. 또, 캡 부분(16)의 중앙부에 560MPa라고 하는 큰 응력이 작용하므로, 캡 부분(16) 자체의 강도도 부족하다.

특허문헌 2의 포핏밸브에서는, 도 8(c)에 도시하는 바와 같이, 연소압 작용시에, 캡 부분(16)에서의 필릿 부분(18)과의 용접부(B) 근방에 117MPa, 필릿 부 분(18)의 시트 맞닿음부(19) 근방에 100MPa라고 하는 각각 비교적 큰 응력이 작용한다. 필릿 부분(18)에 대해서는, 가공경화 처리에 의해 대응할 수 있지만, 캡 부분(16)과 필릿 부분(18)의 용접부(B)는 근방에 작용하는 응력(117MPa)에 의해 피로파괴될 우려가 있다.

한편, 제 1 실시예의 포핏밸브(10)에서는, 캡 부분(16)으로부터 필릿 부분(18)에 걸친 영역 전체의 강성 강도가 높으므로, 연소압 작용시에, 캡 부분(16)과 필릿 부분(18)의 용접부(B)의 근방에는, 4MPa라고 하는 대단히 작은 응력밖에 작용하지 않는다. 또, 실린더측의 밸브 맞닿음면(밸브 시트)에 맞닿는 시트 맞닿음부(19) 근처에는, 157MPa라고 하는 비교적 높은 응력이 작용하지만, 필릿 부분(18)을 가공경화 처리함으로써 대응할 수 있다.

또한, 상기한 제 1~제 4 실시예에서는, 필릿 부분(18)의 개구 단부(시트 맞닿음부(19))에, 캡 부재(17)가 레이저빔 용접에 의해 부착되어 있지만, 전자빔 용접을 채용해도 된다.

용접열의 영향(조직의 연화)이 작다고 하는 점에서는, 레이저빔 용접보다도 전자빔 용접 쪽이 우수하다. 그러나, 전자빔 용접은, 용접 환경을 진공분위기로 할 필요가 있기 때문에, 생산성의 점에서는 이러한 제약이 없는 레이저빔 용접쪽이 우수하다. 따라서, 신뢰성을 중시하는 경우나 큰 부하가 작용하는 밸브에 대해서는, 전자빔 용접을 채용하고, 생산성을 중시하는 경우에는, 레이저빔 용접을 채용하는 것이 바람직하다.

또, 상기한 제 1~제 4 실시예의 중공 밸브(10, 10A, 10B, 10C)에서는, 시트 맞닿음부(19)가 스템 부분(12)의 축에 대하여 거의 45도로 경사지는 구조로서 설명했지만, 시트 맞닿음부(19)의 경사는, 45도에 한정되지는 않고, 엔진의 실린더에 형성되어 있는 밸브 맞닿음면(밸브 시트)의 경사에 대응하는 25도~45도의 범위이면 된다.

또, 상기한 제 1~제 4 실시예의 중공 밸브(10, 10A, 10B, 10C) 내에는 냉각재가 충전되어 있지 않지만, 중공 밸브 내에 나트륨?칼륨이나 물과 같은 냉각재를 소정량만 충전하여, 중공 밸브의 냉각효과를 높일 수도 있다.

Claims

일단측에 닫혀진 팁 부분이 형성된 스템 부분과, 연소압력이 작용하는 캡 부분과, 상기 스템 부분과 상기 캡 부분 사이의 천이영역을 형성하는 플레어형의 필릿 부분을 갖고,

상기 필릿 부분과, 상기 스템 부분의 적어도 필릿 부분에 면하는 측이 일체의 박육 원통형 부재로 구성되고, 상기 캡 부분은, 상기 필릿 부분에 용접된 디스크형의 캡 부재로 구성된 내연기관용 중공 포핏밸브에 있어서,

상기 박육 원통형 부재는, 상기 포핏밸브를 드로잉 성형하는 최초의 금속판의 두께 이하의 두께로 형성되고, 상기 캡 부재는, 상기 필릿 부분의 최대 두께와 거의 동일한 박육의 종단면 원호형으로 형성됨과 아울러, 그 테이퍼 형상의 외주 단면이 상기 필릿 부분의 개구 단부에 형성된 시트 맞닿음부의 테이퍼 형상의 내주면에 레이저빔 용접 또는 전자빔 용접되어, 상기 양 부재의 접합계면(걸어맞춤면)의 내주 가장자리를 따라 용접 비드 부분이 팽출형성된 중공 포핏밸브로서,

상기 시트 맞닿음부와 상기 캡 부재는 양자의 접합계면(걸어맞춤면)으로부터 캡 부재측으로 약간 오프셋된 위치에 레이저빔 또는 전자빔이 이 접합계면(걸어맞춤면)을 따른 방향으로 조사됨으로써 용접된 것을 특징으로 하는 중공 포핏밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 캡 부재의 두께는 반경방향 외측으로 갈수록 서서히 커지도록 구성된 것을 특징으로 하는 중공 포핏밸브.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 캡 부재 이면측의 외주 가장자리에는, 상기 스템 부분의 축방향과 직교하는 링 형상의 평면부분이 형성된 것을 특징으로 하는 중공 포핏밸브.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 박육 원통형 부재에는, 상기 필릿 부분, 상기 스템 부분 및 상기 팁 부분이 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 포핏밸브.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 박육 원통형 부재에는, 상기 필릿 부분 및 상기 스템 부분이 일체로 형성됨과 아울러, 상기 스템 부분의 개구 단부에 팁 부분을 구성하는 원반 형상의 팁 부재가 용접에 의해 부착된 것을 특징으로 하는 중공 포핏밸브.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 박육 원통형 부재에는, 상기 필릿 부분 및 상기 스템 부분의 일부를 구성하는 영역이 일체로 형성됨과 아울러, 상기 스템 부분의 일부를 구성하는 영역의 개구 단부에, 상기 스템 부분의 나머지 영역 및 상기 팁 부분을 구성하는 중실체 부재가 접합에 의해 부착된 것을 특징으로 하는 중공 포핏밸브.
일단측에 팁 부분이 형성된 스템 부분과, 연소압력이 작용하는 캡 부분과, 상기 스템 부분과 상기 캡 부분 사이의 천이영역을 형성하는 플레어형의 필릿 부분을 갖고,

상기 필릿 부분과, 상기 스템 부분의 적어도 필릿 부분에 면하는 측이 일체의 박육 원통형 부재로 구성되고, 상기 캡 부분은, 상기 필릿 부분에 용접된 디스크형의 캡 부재로 구성된 내연기관용 중공 포핏밸브의 제조방법으로서,

금속판을 적어도 드로잉 성형 가공함으로써 상기 필릿 부분의 개구 단부에 시트 맞닿음부를 형성한, 상기 금속판의 두께 이하의 두께의 상기 박육 원통형 부재를 형성하는 박육 원통형 부재 형성 공정과,

상기 필릿 부분의 최대 두께와 거의 동일한 박육의 종단면 원호형으로 형성한 상기 캡 부재의 테이퍼 형상의 외주 단면을 상기 필릿 부분의 개구 단부에 형성된 시트 맞닿음부의 테이퍼 형상의 내주면에 걸어맞추고, 이 걸어맞춤부의 내주 가장자리를 따라 용접 비드 부분이 팽출형성되도록 이 걸어맞춤부를 레이저빔 용접 또는 전자빔 용접하는 용접 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 중공 포핏밸브의 제조방법이며,

상기 용접 공정에서는 상기 시트 맞닿음부와 상기 캡 부재와의 걸어맞춤면으로부터 캡 부재측으로 약간 오프셋한 위치에 레이저빔 또는 전자빔을 이 걸어맞춤면을 따른 방향으로 조사하는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브의 제조방법.
삭제