KR20030080303A - 내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 내연 기관용 밸브에 관한 것으로서 특히, 가벼우므로 엔진에 부하를 주지 않을 수 있으며, 저렴한 값의 내연 기관용 밸브에 관한 것이다.

본 발명에 따른 내연 기관용 밸브는 중앙을 관통하여 스템 결합홀이 형성된 헤드와 ; 상기 헤드에 형성된 스템 결합홈에 삽입되는 소경의 헤드 결합부가 일측단부에 형성된 스템을 결합하여 구성되며,

제조 방법은 헤드의 스템 결합홀에 스템의 헤드 결합부를 삽입한 후 스템의 헤드 결합부의 단부를 다이로 지지한 상태에서 스템을 고속 회전시켜 서로 다른 것의 압접부들이 서로 압접되고, 스템 결합홀의 내주면이 헤드 결합부의 외주면에 압접되며, 헤드 결합부의 단부가 헤드에 형성된 압착홈부의 내부에 플래시를 형성되게 하는 과정에 의해 만들어진다.

Description

내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법{valve and manufacturing method for interal combustion engine}

본 발명은 내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 헤드와 스템을 분리하여 그 일부를 경량 합금으로 구성함으로서 밸브를 전체적으로 경량화함으로서 엔진에 무리한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있게 한 내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

엔진의 밸브는 흡기 및 배기 밸브가 있으며, 이러한 밸브들은 실린더 내에 설치된 피스톤의 왕복 운동에 맞추어 서로 교번적으로 개폐되면서 피스톤의 운동을 돕는다.

이러한 엔진의 밸브는 캠에 의해 구동되어 왕복운동을 한다.

밸브는 직선 왕복운동을 함으로서 상당한 관성력을 갖으며, 이에 따라 밸브가 무거우면 엔진의 구동력을 저감시킬 뿐만 아니라 밸브 시트와의 접촉시 가해지는 충격력이 커지게 되어 밸브 및 밸브 시트는 물론 실린더 헤드의 수명을 단축시키게 되며, 이렇게 중량(重量)의 밸브를 지지하기 위해서는 밸브 스프링 또한 그 탄성력이 상당해야 하는 문제가 있다. 따라서 밸브를 경량화는 엔진을 구성함에 있어서 상당히 중요한 일면을 차지하고 있으나 밸브는 반복 왕복운동을 하는 부품으로 실린더나 피스톤에 못지 않게 강해야 함으로 경량화에 많은 어려움이 있다.

경량화된 밸브에는 가벼운 타타늄을 주재료로 한 티타늄 밸브가 대표적이나 이는 원자재의 값이 비싸므로 밸브를 제작하는 데 제작비가 너무 많이 소모되는 단점이 있으며, 다른 하나의 경량화된 밸브로는 스템을 비롯한 헤드의 일부를 중공된 상태로 형성하여 구성된 밸브가 있으나 이는 중공된 스템이 잦은 왕복 운동에 의하여 마모되어 누출되거나 꺽이는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로 무게를 경량화시킴은 물론 그 강도 또한 우수하여 장기간 사용할 수 있는 밸브 및 이를 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

도 1a은 본 발명에 따른 밸브의 조립 사시도이고,

도 1b은 본 발명에 따른 밸브의 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 밸브의 조립 과정을 설명하기 위한 단면도들이며,

도 3은 본 발명에 따른 밸브의 제작 과정을 설명하기 위한 과정도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

10 : 헤드 11 : 스템 삽입홀 12 : 압착홈부

20 : 스템 21 : 헤드 결합부 22 : 대경부

13, 23 : 압접부

S1 : 헤드 성형 단계 S1' : 스템 성형 단계

S2 : 압접 단계 S3 : 마감 단계

상기와 같은 목적을 갖는 본 발명의 목적은 내연 기관용 밸브에 있어서, 중앙을 관통하여 스템 결합홀이 형성된 헤드와 ; 상기 헤드에 형성된 스템 결합홈에 삽입되는 소경의 헤드 결합부가 일측단부에 형성된 스템을 결합하여 이루어진 내연 기관용 경량 밸브에 의해 이루어진다.

또한, 본 발명의 목적은 강도가 강한 금속으로 중앙을 관통하여 스템 결합홀이 형성된 헤드를 성형하는 헤드 성형 단계와 ; 강도가 강한 금속으로 소경의 헤드 결합부를 갖는 스템을 성형하는 스템 성형 단계와 ; 상기 각 단계에서 성형된 헤드의 스템 결합홀에 스템의 일측 단부에 형성된 헤드 결합부를 삽입하여 결합하는 접합 단계 및 ; 헤드와 스템이 결합된 밸브의 접합시 변형된 부분이나 불필요한 부분을 연마하는 마감 단계로 이루어지는 내연 기관용 경량 밸브의 제조 방법에 의해 이루어진다.

더욱이 본 발명의 목적은 상기 헤드와 스템 중 어느 하나만을 경량의 티타늄 또는 티타늄 합금으로 형성하고 다른 부분은 고강도의 다른 금속으로 형성함에 의해 이루어진다.

또한, 상기 제조 방법에 있어서, 접합 단계는 헤드에 형성된 스템 결합홀에 스템의 일측 단부에 형성된 헤드 결합부를 삽입하여 상기 헤드 결합부와 이어지는 대경부의 단부의 평평한 압접부가 헤드의 스템을 향한 단부에 형성된 평평한 압접부와 대면되게 한 후, 스템 결합홀을 관통하여 헤드의 반대측으로 돌출된 헤드 결합부의 단부에 내열 다이를 밀착시켜 지지하는 상태에서 스템을 헤드 측으로 밀며 고속 회전시킴에 의해 발생되는 업셋 변형에 의해 서로 다른 것의 압접부가 서로 결합되고, 스템 결합홀의 내주면이 헤드 결합부의 외주면에 결합되며, 헤드 결합부의 단부가 헤드에 형성된 압착홈부내에 플래시를 형성함에 의해 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 내연 기관용 경량 밸브 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a은 본 발명에 따른 경량 밸브의 조립 사시도이고, 도 1b은 본 발명에 따른 경량 밸브의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 경량 밸브의 조립 과정을 설명하기 위한 단면도들이며, 도 3은 본 발명에 따른 경량 밸브의 제작 과정을 설명하기 위한 과정도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 경량 밸브는 헤드(10)와 스템(20)을 결합하여 구성된다.

상기 헤드(10)는 도시한 바와 같이 그 중앙을 관통하는 스템 삽입홀(11)이 형성되어 있으며, 이 스템 삽입홀(11)의 일측 단부 즉, 스템(20)과 대향되는 단부의 반대측 단부에는 확개되어 압착홈부(12)가 형성되어 있다.

상기 스템(20)은 그 외경이 큰 대경부(22)와 그 외경이 작은 소경의 헤드 결합부(21)로 이루어지며, 헤드 결합부(21)의 길이는 헤드(10)에 형성된 스템 삽입홀(11)의 총 길이보다 다소 길다.

상기 헤드(10)에 형성된 스템 삽입홀(11)에는 스템(20)의 일측의 헤드 결합부(21)가 삽입되며, 헤드(10)의 스템(20)과 대향되는 단부는 평평하게 압접부(13)가 형성되어 스템(20)의 대경부(22)가 시작되는 단부에 형성된 평평한 압접부(23)와 면접되어 결합시 압접된다.

상기 헤드(10)와 스템(20)은 가벼우나 강도가 강한 금속으로 제작되되 바람직하게는 고강도 경량의 티타늄 또는 티타늄합금이 바람직하나, 모두 티타늄 합금을 사용하면 원자재인 티타늄의 가격에 의하여 제작 단가가 높아짐으로 어느 일측만을 티타늄 합금으로 제작하고 타측은 고강도의 저렴한 금속을 사용함이 바람직하다.

상기 고강도의 저렴한 금속으로는 특수강재가 있다.

상기 스템(20)만을 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제작하고 헤드(10)는 특수강재로 제작할 경우 기존의 밸브와 비교할 때 70%이상의 경량화를 이룰 수 있다.

또한 헤드(10)만을 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제작할 때에는 경량화시킬 수는 없으나 열팽창율을 더욱 적게 하는 효과가 있으며, 이때 스템(20)은 열팽창율이 극히 적은 니켈-구리 합금이 적당하다.

상기와 같이 구성되는 밸브의 제작 과정은 다음과 같다.

먼저 헤드(10)와 스템(20)을 제작하는 성형 단계(S1, S1')에서 헤드와 스템을 성형한다.

헤드(10)는 전기와 같이 그 중앙을 관통하는 스템 삽입홀(11)과 스템 삽입홀의 일측 단부를 확개하여 압착홈부(12)를 형성함에 의해 형성되며, 스템(20)은 외경이 큰 대경부(22)와 그 외경이 작은 소경의 헤드 결합부(21)를 형성함에 의해 이루어진다.

상기 헤드(10)는 형단조 또는 원기둥형상의 압연재의 기계가공에 의해 만들어질 수 있고, 상기 스템(20)은 형단조나 압연된 막대의 기계가공에 의해 만들어질 수 있다.

헤드(10)와 스템(20)이 만들어지면 이들의 결합시키기 위한 접합 단계(S2)를 수행한다.

접합 단계(S2)는 마찰 압접 방식에 의해 이루어진다.

헤드(20)의 일측 단면을 내열 다이에 밀착되게하여 헤드(10)가 다이에 의해 충분히 지지되는 상태가 되게 하고 헤드(10)에 형성된 스템 결합홀(11)에 스템(20)의 헤드 결합부(21)를 삽입한다.

이때 스탬(20)의 헤드 결합부(21)를 스템 결합홀(11)에 삽입함과 동시에 스템(20)을 고속으로 회전시킨다.

이렇게 스템(20)을 고속으로 회전시키면 스템 결합홀(11)을 관통하여 반대측 단부로 돌출된 헤드 결합부(21)의 단부가 다이와 마찰되어 플래시가 형성되고 압접부들(13, 23)이 서로 면접된 상태에서 마찰되어 열이 발생되고 이 열에 의하여 업셋 변형이 이루어져 서로 다른 것에 압접된다.

즉, 고속 회전하는 스템(20)의 헤드 결합부(21)와 내열 다이의 접촉에 의해 발생되는 열에 의해 헤드 결합부(21)가 변형되어 플래시를 형성함과 동시에 압접부들(13, 23)에도 열이 발생되고 업셋 변형이 이루어져 서로 다른 것에 압접된다.

이때 헤드(10)와 내열 다이를 고정시켜 이동 또는 회전되지 않게 한다.

압접에 소요되는 시간은 수초(數炒)에 불과하며, 압접이 완료된 후 스템(20)의 헤드 결합부(21)와 내열 다이 사이에는 작은 역추력이 발생하여 쉽게 분리된다.

상기 과정에서 압접 조건 즉, 스탬을 회전 및 가압하는 조건은 2000내지 30000rpm의 스핀들 회전수에 최소 100MPa의 압력이 요구된다.

상기와 같이 마찰 압접에 의해 결합된 헤드(10)와 스템(20)은 압접시 각각의 대향 부분에 불필요한 돌기가 발생될 수 있고 이 불필요한 부분들은 마감 단계(S3)에서 제거된다.

그러나 마감 단계(S3)는 압접 단계(S2)에서 회전수나 가압 압력을 조절함에 의해 접합면을 매끄럽게 형성함으로서 생략될 수 있다.

상기와 같이 제작된 밸브는 그 목적한 바와 같이 일부 또는 전체를 경량의 금속으로 제작함으로서 밸브의 무게에 의해 엔진에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있으며, 그 일부만은 고가 경량의 자재를 사용하고 다른 부분은 저가의 금속을 사용함으로서 저렴한 값의 밸브를 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 내연 기관용 밸브에 있어서,

   중앙을 관통하여 스템 결합홀(11)이 형성된 헤드(10)와 ;

   상기 헤드(10)에 형성된 스템 결합홈(11)에 삽입되는 소경의 헤드 결합부(21)가 일측단부에 형성된 스템(20)을 결합하여 이루어짐을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브.
2. 강도가 강한 금속으로 중앙을 관통하여 스템 결합홀(11)이 형성된 헤드(10)를 성형하는 헤드 성형 단계(S1)와 ;

   강도가 강한 금속으로 소경의 헤드 결합부(21)를 갖는 스템(20)을 성형하는 스템 성형 단계(S1')와 ;

   상기 각 단계에서 성형된 헤드(10)의 스템 결합홀(11)에 스템(20)의 일측 단부에 형성된 헤드 결합부(21)를 삽입하여 결합하는 접합 단계(S2)로 이루어짐을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 접합 단계(S2)에 의한 헤드(10)와 스템(20)의 접합 후, 접합시 변형된 부분이나 불필요한 부분을 연마하거나 다듬는 마감 단계(S3)를 더 수행함을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브의 제조 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 접합 단계(S2)는 헤드(10)의 일측면을 내열 다이에 밀착시키고 내열 다이와 헤드(10)를 고정시킨 상태에서 헤드(10)에 형성된 스템 결합홀(11)에 스템(20)의 일측 단부에 형성된 헤드 결합부(21)를 삽입하며 스템(20)을고속회전시켜 상기 헤드 결합부(21)의 단부가 열에 의해 업셋 변형을 일으킴에 의해 플래시가 형성되게 하고, 이와 동시에 스템(20)의 대경부(22)의 단부에 형성된 평평한 압접부(22)가 헤드(10)의 스템(20)을 향한 단부의 평평한 압접부(13)와 대면되어 열이 발생되게하여 업셋 변형에 의해 서로 다른 것의 압접부(13, 22)가 서로 결합되게 하고, 스템 결합홀(11)의 내주면이 헤드 결합부(21)의 외주면에 결합되게 하는 마찰 압접에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브 제조 방법.
5. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스템은 티타늄 또는 티타늄 합금이고, 헤드는 구리-니켈 합금임을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법.
6. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤드는 티타늄 또는 티타늄 합금이고, 스템은 니켈-구리 합금임을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법.
7. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤드와 스템은 티타늄, 티타늄 합금 또는 구리-니켈 합금 중 어느 하나임을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법.
8. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스템(20)에 형성된 헤드 결합부(21)는 헤드(10)에 형성된 스템 결합홀(11)을 통과한 단부가 스템 결합홀(11)의 단부에 넓게 형성된 압착홈부(12)의 내부로 펼쳐짐을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브 및 그 제조 방법.