KR101511727B1 - 엔진용 중공밸브의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 또는 선박용 엔진에 사용되는 엔진밸브(Engine valve)에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 헤드와 스템의 내부에 형성된 중공홀에 열전도율을 향상시키는 냉각재를 충전하여 연소실에서 발생하는 열을 밸브를 통하여 효율적으로 전도시켜 연소실의 온도를 낮추고, 중공홀에 의해 형성된 헤드 내측의 홀에 스템의 중심축과 이루는 각이 20°~42°인 접합면을 구비하는 접합홀을 형성한 후, 접합홀에 접합부재를 견고하게 결합시켜 내구성 및 강성이 향상된 엔진용 중공밸브 및 엔진용 중공밸브의 제조방법에 관한 기술이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 주요 구성은, 헤드와 헤드의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템으로 구성된 엔진용 중공밸브에 있어서, 헤드와 스템 사이에 곡면 형태로 펠렛을 가공형성하고, 헤드의 상부 테두리 부분에 헤드면을 가공형성하는 연삭가공단계와 헤드와 스템의 내부에 중공홀을 형성하는 제1가공단계와 헤드의 내측에 접합홀을 형성하여 반제품밸브를 제조하는 제2가공단계와 중공홀에 냉각재를 충전하고, 반제품밸브의 접합홀에 접합부재를 밀착 및 가압한 후 결합시키는 결합단계와 헤드의 하부면과 일치하도록 접합부재를 절단하는 절삭가공단계 및 헤드의 하부면을 연마하여 가공하는 연마단계를 포함하여 구성된다.

Description

엔진용 중공밸브의 제조방법 {Production method for the hollow engine valve}

본 발명은 자동차 또는 선박용 엔진에 사용되는 엔진밸브(Engine valve)에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 헤드와 스템의 내부에 형성된 중공홀에 열전도율을 향상시키는 냉각재를 충전하여 연소실에서 발생하는 열을 밸브를 통하여 효율적으로 전도시킴으로써, 연소실의 온도를 낮추고, 헤드 내측에 스템의 중심축과 이루는 각이 20°~42°인 접합면을 구비하는 접합홀을 형성한 후, 상기 접합면에 경사진 접합면을 구비하는 접합부재를 부착함으로써, 내구성 및 강성이 향상된 엔진용 중공밸브의 제조방법에 관한 기술분야이다.

일반적으로 자동차 또는 선박용 엔진에 사용되는 엔진밸브(Engine valve)는 공기 또는 혼합기를 연소실 안으로 주입하고, 또한 연소가스를 외부로 방출하는 동시에 압축 및 폭발행정에서 밸브시트에 밀착되어 가스의 누출을 방지하는 기능으로서, 흡기밸브와 배기밸브로 구분되어 로커암의 작동으로 열리고, 밸브스프링에 의해 닫히도록 구성되어 있다.

이러한 종래의 엔진밸브는 대부분 표준형의 포핏 밸브(Poppet valve)로서, 도면에서 도 1과 같이 엔진밸브(10)는 원형으로 형성된 헤드(11)와, 상기 헤드(11)의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템(12)으로 구성되며, 상기 헤드(11)의 상부 테두리 부분에 헤드면이 가공 형성되는 한편 헤드(11)와 스템(12) 사이에 곡면형태로 펠렛(13)((Fellet)이 형성되어 내구성이 보강된다.

종래 엔진밸브는 자동차 또는 선박용 엔진의 다양한 특성에 따라 통상 10~15 단계의 연삭 가공공정을 거쳐 생산되며, 최근에는 엔진밸브의 자동 연삭라인에 가공공정별로 각각 연삭가공기가 배치되고, 상기 가공공정별로 배치된 여러 연삭가공기로 엔진밸브가 순차적으로 이송 공급되면서 헤드와 스템이 정밀하게 연삭 가공되어 완제품이 생산된다.

최근 엔진밸브는 헤드의 외경이 커지고, 스템이 가늘고 길어지는 추세로서, 보다 정밀한 연삭 가공이 요구되고 있으며, 또한 엔진밸브에서 펠렛의 표면을 정밀하게 연삭 가공하지 않을 경우, 펠렛의 표면에 카본과 각종 슬러지가 쉽게 발생하므로 엔진의 성능을 저하시키게 된다.

아울러, 종래 엔진밸브는 엔진의 구동에 의해 연소실의 온도가 지나치게 높으면, 노킹이 발생하여 소정의 엔진 출력이 얻어지지 않고, 연비의 악화 및 엔진 성능의 저하로 이어져 연소실의 온도를 낮추기 위해 중공을 형성하며, 상기 중공에 냉각재와 불활성 가스가 함께 충전되어 연소실에서 발생하는 열을 엔진밸브를 통하여 외부로 열을 전도시키고 있다.

상기와 같은 엔진밸브는 냉각재를 충전하기 위한 중공을 형성할 때, 헤드의 내측에 홀이 형성되고, 이러한 홀을 막기 위해 헤드의 하부면에 접합부재를 용접 결합한 후, 연마가공을 통해 제작되고 있다.

그러나, 종래의 엔진밸브는 헤드의 하부면 직경과 동일한 접합부재를 용접결합하거나 헤드의 하부면에 중공의 직경보다 큰 홀을 수직으로 형성한 후, 상기 홀에 접합부재를 용접 결합하여 제작되기 때문에 엔진밸브의 작동시 용접부위의 결합력이 약해져 접합부재가 이탈되어 고장이 발생하는 문제점이 있었고, 결합력이 약해진 용접부위에 의해 엔진밸브 자체의 내구성 및 강성이 저하되는 문제점이 있었다.

즉, 헤드의 하부면 직경과 동일한 접합부재를 용접 결합한 종래의 엔진밸브는 엔진밸브의 작동시 접합부재에 가해지는 충격이 누적되어 용접부위의 결합력이 약해지고, 헤드의 하부면에 중공의 직경보다 큰 홀을 수직으로 형성한 후, 상기 홀에 접합부재를 용접 결합한 종래의 엔진밸브는 헤드와 접합부재의 결합면이 엔진밸브가 운동하는 상하 방향과 동일하여 충격에 의해 용접부위의 결합력이 약해지는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1358692호.

본 발명은 상술한 종래기술에 따른 문제점들을 개선하고자 안출된 기술로서, 종래 엔진밸브는 헤드의 하부면 직경과 동일한 접합부재를 용접 결합하거나 헤드의 하부면에 중공의 직경보다 큰 홀을 수직으로 형성한 후, 상기 홀에 접합부재를 용접 결합하여 제작되기 때문에 엔진밸브의 작동시 용접부위의 결합력이 약해져 접합부재가 이탈되어 고장이 발생하는 문제점이 있었고, 결합력이 약해진 용접부위에 의해 엔진밸브 자체의 내구성 및 강성이 저하되는 문제점이 발생하여, 이에 대한 해결점으로 헤드 내측에 경사진 접합면을 갖는 접합홀을 형성하여 접합부재를 결합함에 따라 내구성 및 강성이 향상된 엔진용 중공밸브의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자, 헤드와 헤드의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템으로 구성된 엔진용 중공밸브에 있어서, 헤드와 스템 사이에 곡면 형태로 펠렛을 가공 형성하고, 헤드의 상부 테두리 부분에 헤드면을 가공 형성하는 연삭가공단계와; 헤드와 스템의 내부에 중공홀을 형성하는 제1가공단계와; 헤드의 내측에 접합홀을 형성하여 반제품밸브를 제조하는 제2가공단계와; 중공홀에 냉각재를 충전하고, 반제품밸브의 접합홀에 접합부재를 밀착 및 가압한 후, 결합시키는 결합단계와; 헤드의 하부면과 일치하도록 접합부재를 절단하는 절삭가공단계; 및 헤드의 하부면을 연마하여 가공하는 연마단계;를 포함하여 구성되는 엔진용 중공밸브의 제조방법을 제시한다.

또한 본 발명은 원형으로 형성된 헤드와 헤드의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템과, 헤드와 스템 사이에 곡면형태로 형성되는 펠렛 및 헤드와 스템의 내부에 중공홀이 형성되고, 상기 중공홀에 충전되는 냉각재를 포함하여 구성되고, 상기 헤드는 내측에 스템의 중심축과 이루는 각이 20°~42°인 접합면을 구비하여 형성된 접합홀과 상기 접합면에 대응되는 접합면을 구비하여 마찰 용접에 의해 결합된 접합부재를 더 포함하여 구성되는 엔진용 중공밸브를 제시한다.

상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 엔진용 중공밸브 및 엔진용 중공밸브의 제조방법은 헤드 내측에 헤드의 하부 수직방향과 이루는 각이 20°~42°인 접합면을 구비하여 형성된 접합홀과, 상기 접합면에 대응되는 접합면을 구비하여 마찰 용접에 의해 결합된 접합부재에 의해 내구성 및 강성이 향상된 효과와, 엔진 연소실의 온도를 효율적으로 낮추며, 경량화된 엔진용 중공밸브를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 중공밸브를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 중공밸브의 부분 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 반제품밸브와 접합부재를 도시한 부분 단면도 및 정면도.
도 4 내지 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 결합단계를 도시한 단면도.
도 6 내지 7은 본 발명의 절삭가공단계와 연마단계를 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예의 헤드 상세도.

본 발명은 헤드(11)와 스템(12)의 내부에 형성된 중공홀(12a)에 열전도율을 향상시키는 냉각재를 충전하여 연소실에서 발생하는 열을 엔진용 중공밸브(이하, '중공밸브'라 한다.)를 통하여 효율적으로 전도시켜 연소실의 온도를 낮추고, 중공홀(12a)에 의해 형성된 헤드(11) 내측의 홀에 스템(12)의 중심축과 이루는 각이 5°~75°인 접합면(11a)을 구비하는 접합홀(11b)을 형성한 후, 접합홀(11b)에 접합부재(200)를 견고하게 결합시킴으로써, 내구성 및 강성이 향상된 엔진용 중공밸브 및 엔진용 중공밸브의 제조방법을 제시한다.

이러한 본 발명의 엔진용 중공밸브의 제조방법은 헤드(11)와 헤드(11)의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템(12)으로 구성된 엔진용 중공밸브에 있어서, 헤드(11)와 스템(12) 사이에 곡면 형태로 펠렛(13)을 가공 형성하고, 헤드(11)의 상부 테두리 부분에 헤드면을 가공 형성하는 연삭가공단계; 헤드(11)와 스템(12)의 내부에 중공홀(12a)을 형성하는 제1가공단계; 헤드(11)의 내측에 접합홀(11b)을 형성하여 반제품밸브(100)를 제조하는 제2가공단계; 중공홀(12a)에 냉각재(S)를 충전하고, 반제품밸브(100)의 접합홀(11b)에 접합부재(200)를 밀착 및 가압한 후, 결합시키는 결합단계; 헤드(11)의 하부면과 일치하도록 접합부재(200)를 절단하는 절삭가공단계; 및 헤드(11)의 하부면을 연마하여 가공하는 연마단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 엔진용 중공밸브는 원형으로 형성된 헤드(11);와 헤드(11)의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템(12);과 헤드(11)와 스템(12) 사이에 곡면형태로 형성되는 펠렛(13); 및 헤드(11)와 스템(12)의 내부에 중공홀(12a)이 형성되고, 상기 중공홀(12a)에 충전되는 냉각재(S);를 포함하여 구성되고, 상기 헤드(11)는 내측에 스템(12)의 중심축과 이루는 각이 20°~42°인 접합면(11a)을 구비하여 형성된 접합홀(11b);과 상기 접합면(11a)에 대응되는 접합면(220)을 구비하여 마찰 용접에 의해 결합된 접합부재(200);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 원형으로 형성된 헤드(11)와 헤드(11)의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템(12)과 헤드(11)와 스템(12) 사이에 곡면형태로 형성되는 펠렛(13) 및 헤드(11)와 스템(12)의 내부에 중공홀(12a)이 형성되고, 상기 중공홀(12a)에 충전되는 냉각재(S)를 포함하는 구성은 중공홀(12a)이 형성되어 경량화되고, 엔진 연소실의 온도를 낮추는 효과가 종래의 기술과 유사하기 때문에 자세한 설명은 생략하고 본 발명의 주요 특징을 이하에서 자세히 설명하도록 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에서 도 2 내지 도 8을 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

구체적으로, 본 발명의 중공밸브는 내부에 중공홀(12a)이 헤드(11)의 하부면부터 스템(12)의 길이방향으로 일정 길이만큼 형성되어 내부에 열전도율이 높은 냉각재(S)를 충전하는 것으로서, 중공홀(12a)이 형성되는 길이는 당업자의 판단에 의해 다양하게 변경하여 실시가능하고, 냉각재(S)는 열전도율이 높은 소듐(Sodium) 등을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 헤드(11)는 헤드(11)의 내측에 스템(12)의 중심축과 이루는 각이 20°~42°인 접합면(11a)을 구비하여 형성된 접합홀(11b)과 상기 접합면(11a)에 대응되는 접합면(220)을 구비하여 마찰 용접에 의해 결합된 접합부재(200)를 더 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 헤드(11)는 경사진 접합면(11a)을 구비하여 형성된 접합홀(11b)에 상기 접합면(11a)에 대응되는 접합면(220)을 구비하는 접합부재(200)를 마찰 용접에 의해 결합됨으로써, 헤드(11)와 접합부재(200)의 결합면적이 넓어져 중공밸브의 내구성, 내충격성 및 강성이 증대되는 효과를 실현케 한다.

덧붙여 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 접합면(11a)의 경사각 θ가 20°미만으로 형성되면 용접부위 즉, 결합면적이 작아 결합력이 미미하여 중공밸브의 내구성이 저하되며 용접부위의 길이방향이 중공밸브가 작동하는 상하방향과 거의 일치되어 접합부재(200)에 작용하는 관성에 의해 접합부재(200)가 헤드(11)로부터 분리될 수 있고, 접합면(11a)의 경사각 θ가 42°를 초과하여 형성되면 용접부위 즉, 결합면적이 넓어져 헤드(11)와 접합부재(200)의 결합력은 증대될 수 있으나, 접합부재(200)의 상부 면적이 넓어지게 되고, 이에 따라 중공밸브의 작동에 따른 충격과 연소실의 충격이 헤드(11)에 비해 접합부재(200)에 많이 누적되어 헤드(11)와 접합부재(200)의 결합력이 약해질 수 있기 때문에 접합면(11a)의 경사각 θ는 20°~42°를 유지하며 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 접합부재(200)의 접합면(220)은 헤드(11)의 접합홀(11b) 접합면(11a)과 대응되게 형성됨은 자명할 것이고, 헤드(11)와 접합부재(200)의 결합은 저항용접 또는 전자 빔 용접이나 레이저 용접을 이용하여도 무방하며, 저항용접 또는 전자 빔 용접이나 레이저 용접을 이용할 때에는 접합부재(200)에 이하에서 설명할 접합헤드(210)가 형성되지 않고, 접합홀(11b)의 높이보다 접합부재(200)의 높이가 미세하게 크게 제작되어 용접된 후 연마가공을 통해 완제품을 생산하는 것이 바람직하다.

그러나, 본 발명의 접합부재(200)는 하부에 접합홀(11b)의 접합면(11a)과 대응되는 접합면(220)이 형성되고 상부에 접합헤드(210)가 형성되는 것으로서, 앞서 설명한 저항용접 또는 전자 빔 용접이나 레이저 용접을 이용하지 않고 접합헤드(210)를 척킹홀더(300)에 장착한 후 헤드(11)의 접합홀(11b)에 안정적이고, 강한 결합을 위해 마찰용접을 실시하여 결합하는 것이 가장 바람직하다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 헤드(11)에 접합부재(200)를 결합하는 방법은 도 3 내지 7에 도시된 바와 같이, 반제품 상태인 반제품밸브(100) 헤드(11)의 스템(12)을 척킹홀더(310)에 고정시키고, 반제품밸브(100)의 상부에 대향되도록 접합부재(200)의 접합헤드(210)를 척킹홀더(300)에 고정시킨 다음 밀착 및 가압한 후 서로 반대방향으로 회전시켜 용접결합을 실시함으로써, 접합부재(200)가 헤드(11)의 접합홀(11b)에 보다 안정적이고 강한 결합이 이루어져 중공밸브의 내구성 및 강성이 향상되는 효과를 실현할 수 있다.

이하, 본 발명의 엔진용 중공밸브의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 헤드(11)와 헤드(11)의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템(12)으로 구성된 중공밸브와 접합면(220) 및 접합헤드(210)를 구비하는 접합부재(200)를 준비한다.

다음으로 연삭가공단계는 헤드(11)와 스템(12) 사이에 곡면 형태로 펠렛(13)을 가공형성하고, 헤드(11)의 상부 테두리 부분에 헤드면을 가공형성하는 것으로서, 종래에 어떠한 기술을 이용하여도 무방하므로 자세한 설명은 생략하며, 정밀하게 연삭가공해야 하는 것은 자명할 것이다.

다음으로 제1가공단계는,

헤드(11)와 스템(12)의 내부에 중공홀(12a)을 형성하는 것으로서, 접합부재(200)를 결합하기 전에 중공홀(12a)에 냉각재(S)를 충전하기 위함이고, 더 나아가 중공밸브의 경량화를 도모하기 위한 것이며, 중공홀(12a)의 깊이와 크기는 당업자의 판단에 따라 다양하게 실시가능하다.

다음으로 제2가공단계는,

헤드(11)의 내측에 접합홀(11b)을 형성하여 반제품밸브(100)를 제조하는 것으로서, 접합홀(11b)은 헤드(11)의 내측에 헤드(11)의 하부수직방향과 이루는 각이 20°~42°인 접합면(11a)을 구비하도록 가공되고, 접합면(11a)과 헤드(11)의 하부수직방향과 이루는 각 즉, 접합면(11a)의 경사각 θ의 범위는 앞서 설명한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

다음으로 결합단계는,

중공홀(12a)에 냉각재(S)를 충전하고, 반제품밸브(100)의 접합홀(11b)에 접합부재(200)를 밀착 및 가압한 후 접합부재(200)를 결합시키는 것으로서, 반제품밸브(100)의 스템(12)을 척킹홀더(310)에 고정시키고, 접합부재(200)의 접합헤드(210)를 반제품밸브(100)와 대향되는 곳에 척킹홀더(300)를 이용하여 고정시킨 다음 척킹홀더(300, 310) 중 어느 하나 이상을 움직여 접합홀(11b)의 접합면(11a)에 접합부재(200)의 접합면(220)이 일치하도록 밀착 및 가압한다. 이후 반제품밸브(100)와 접합부재(200)를 서로 반대방향으로 회전시켜 마찰을 이용하여 용접결합시킴으로써 내구성 및 강성이 향상된 효과를 실현케 한다.

다음으로 절삭가공단계는,

헤드(11)의 하부면과 일치하도록 접합부재(200)를 절단하는 것으로서, 마찰 용접 이 후 척킹홀더(300)를 접합부재(200)에서 분리시키고 접합헤드(210)를 절단한다. 이때, 절단은 종래의 어떠한 방법을 이용하여도 무방함은 자명할 것이다.

다음으로 연마단계는,

헤드(11)의 하부면을 연마하여 가공하는 것으로서, 절단된 접합부재(200)의 절단면이 헤드(11)의 하부면과 일치하도록 정밀하게 가공하고, 마찰용접에 의해 발생한 칩 등을 제거하며, 제품출하를 위한 후속 가공공정 까지 모두 포함됨은 자명할 것이다.

결과적으로, 본 발명은 헤드(11)와 접합부재(200)가 결합되는 접합면(11a, 220)이 20°~42°로 경사져 있기 때문에 헤드(11)와 접합부재(200)의 결합력이 증대됨으로써, 본 발명의 중공밸브의 내구성 및 내충격성 등이 증대되어 연소실의 온도를 효율적으로 낮추는 한편, 엔진성능이 저하되는 것을 방지한다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명 하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.

10 : 엔진밸브 11 : 헤드
11a : 접합면 11b : 접합홀
12 : 스템 12a : 중공홀
13 : 펠렛
100 : 반제품밸브 200 : 접합부재
210 : 접합헤드 220 : 접합면
300, 310 : 척킹홀더

Claims (4)

1. 헤드(11)와 헤드(11)의 중앙부 상측으로 길게 돌출 형성된 스템(12)으로 구성된 엔진용 중공밸브에 있어서,
   상기 헤드(11)와 스템(12) 사이에 곡면 형태로 펠렛(13)을 가공 형성하고, 헤드(11)의 상부 테두리 부분에 헤드면을 가공 형성하는 연삭가공단계;
   상기 헤드(11)와 스템(12)의 내부에 중공홀(12a)을 형성하는 제1가공단계;
   상기 헤드(11)의 내측에 스템(12)의 중심축과 이루는 각이 20°~42°인 접합면(11a)을 구비하는 접합홀(11b)을 형성하여 반제품밸브(100)를 제조하는 제2가공단계;
   상기 중공홀(12a)에 소듐으로 이루어진 냉각재(S)를 충전하고, 반제품밸브(100)의 스템(12)을 척킹홀더(210)에 고정시킨 후, 반제품밸브(100)의 접합홀(11b)의 접합면(11a)과 대응되는 접합면(220)이 형성되며, 상부에 접합헤드(210)가 형성되는 접합부재(200)의 접합헤드(210)를 척킹홀더(300)에 고정한 다음, 반제품밸브(100)로 이동시켜 밀착 및 가압한 후, 서로 반대 방향으로 회전시켜 마찰용접으로 결합시키는 결합단계;
   상기 결합단계 이후, 척킹홀더(300)를 접합부재(200)에서 분리시키고, 상기 헤드(11)의 하부면과 일치하도록 접합부재(200)의 접합헤드(210)를 절단하는 절삭가공단계; 및
   절단된 접합부재(200)의 절단면이 상기 헤드(11)의 하부면과 일치하도록 정밀하게 가공함과 동시에 마찰용접에 의해 발생한 칩을 제거하기 위해 상기 헤드(11)의 하부면을 연마하여 가공하는 연마단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진용 중공밸브의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images