KR20200019904A - 중공 챔버 밸브의 제조를 위한 방법(method for the production of hollow chamber valves) - Google Patents

Abstract

중공 챔버 밸브의 밸브 바디의 제조를 위한 방법이 개시되고, 상기 방법은 하단 부분, 및 중공 챔버를 둘러싸는, 환형 벽을 가지는 보울형 반제작 제조물을 제공하는 단계, 이어서 벽을 연장시키는 단계 및 제조될 밸브의 사전 결정된 밸브 샤프트 외부 직경을 획득하기 환형 벽의 외부 직경을 최종적으로 감소시키는 단계를 포함한다. 상기 방법에 의해 제조되는 중공 챔버 밸브가 추가적으로 개시된다.

Description

중공 챔버 밸브의 제조를 위한 방법(METHOD FOR THE PRODUCTION OF HOLLOW CHAMBER VALVES)

본 발명은 내연 기관용 중공 밸브를 제조하기 위한 방법, 및 이 방법을 이용하여 제조되는 중공 밸브에 관한 것이다.

흡기 밸브들 및 배기 밸브들은 높은 열 및 기계적 응력을 받는 내연 기관에서의 컴포넌트들이다. 따라서, 밸브들의 장기간 동안의 기능성을 보장하기 위해 충분한 냉각이 필요하다. 솔리드 스템 밸브(solid stem valve)들 및 중공 밸브들을 비교하면, 공동이 스템과 밸브 헤드 양쪽 모두에 존재하여, 나트륨과 같은 냉각제를 사용하여 개선된 내부 냉각이 달성될 수 있다는 점에서 중공 밸브들이 유리하다. 추가적인 장점들은 낮은 중량, 핫스팟들의 방지, 및 감소된 CO₂이다.

중공 밸브들은 통상적으로 단조(forging), 선삭(turning), 및 용접(welding)과 같은 다양한 공정들의 조합에 의해 제조된다. 특히, 공동의 선삭 또는 절삭(milling)은 비용이 많이 든다. 또한, 디스크 표면 상이나 다른 작동상 중요한 위치들에서의 용접 지점들은 피해야한다. 공지된 방법들의 다른 단점들은 많은 수의 공정 단계들이 종종 필요하다는 것이다. 예를 들어, 미국 특허 공개번호 제US6,006,713A호는 용접에 의해 중공 블랭크를 폐쇄함으로써 제조되는 중공 밸브에 관한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 단점들을 가지지 않으며, 그리고 동시에 높은 생산성 및 좋은 재료 활용성을 가지는, 중공 밸브 또는 중공 밸브들을 위한 밸브 바디들에 대한 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 중공 밸브의 밸브 바디를 제조하기 위한 방법에 의해 구현되고, 상기 방법은 보울형 반제작 제조물을 제공하는 단계 - 상기 반제작 제조물은 베이스 섹션, 및 상기 반제작 제조물의 원통형 공동을 둘러싸는 환형 벽을 가짐 -; 상기 베이스 섹션으로부터 밸브 헤드를 성형하는 단계; 성형에 의해 축방향으로 상기 환형 벽을 연장시키는 단계 - 상기 성형 중에 상기 공동(8) 내에 맨드릴이 삽입됨 -; 및 사전 결정된 외부 직경(D)을 가지는 완성된 상기 밸브 바디(16)의 밸브 스템을 획득하기 위해 회전식 스웨이징(rotary swaging)에 의해 상기 환형 벽의 외부 직경을 감소시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 보울형 반제작 제조물을 제공하는 단계는 적어도 부분적으로 원통형인 블랭크를 제공하는 단계, 및 상기 블랭크로부터 상기 보울형 반제작 제조물을 성형하는 단계를 포함할 수 있다.

다른 양상에 따르면, 상기 보울형 반제작 제조물을 성형하는 단계는 열간 성형 공정, 특히 후방 캔 압출 또는 단조(backward can extrusion or forging)를 통해 이루어질 수 있다.

다른 양상에 따르면, 상기 밸브 헤드를 성형하는 단계는 열간 성형 공정, 특히 후방 캔 압출 또는 단조(backward can extrusion or forging)를 통해 이루어질 수 있다.

다른 양상에 따르면, 상기 환형 측면 벽을 연장시키는 단계는 맨드릴을 통한 아이어닝(ironing), 또는 맨드릴을 이용하는 회전식 스웨이징을 통해 이루어질 수 있다.

다른 양상에 따르면, 상이한 직경들을 가지는 복수의 맨드릴들은 상기 환형 벽을 연장시키는 단계 동안에 사용될 수 있다.

다른 양상에 따르면, 연속적으로 사용되는 맨드릴들의 상기 직경들은 상기 환형 벽을 연장시키는 단계 동안에 감소할 수 있다.

다른 양상에 따르면, 상기 환형 벽의 외부 직경을 감소시키는 단계는 복수의 회전식 스웨이징 하위 단계들을 포함할 수 있다.

다른 양상에 따르면, 상기 환형 벽의 외부 직경을 감소시키는 단계는 삽입되는 맨드릴 없이 이루어질 수 있다.

다른 양상에 따르면, 상기 방법은 상기 공동 내에 냉각제, 특히 나트륨을 충전하는 단계 및 상기 밸브 스템을 폐쇄하는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 상기 방법을 이용하여 제조된 밸브 바디를 포함하는 중공 밸브에 의해 추가적으로 달성된다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 기술된다.
도 1a 내지 도 1f는 블랭크(도 1a에 도시됨)으로부터 중공 밸브의 밸브 바디(도 1f에 도시됨)에 따른 다양한 제조의 중간 단계들을 도시한다.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 따른 방법을 제조하는 중간 단계들의 단면도들을 도시한다. 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 알려진 밸브 강철로 제조된 블랭크(2)는 바람직하게는 시작 지점으로 사용된다(도 1a를 참조). 블랭크는 제조될 밸브 바디 또는 밸브의 원형 형상에 대응하는 적어도 부분적으로 원통형인 형상, 바람직하게는 원형 원통형인 형상을 가진다.

블랭크(2)는 도 1b에 도시되는 워크피스 또는 보울형 반제작 제조물(4)로 성형된다. 보울 형태의 반제작 제조물은 밸브 헤드(또는 밸브 디스크)(12)가 후속적으로 성형되는 베이스 섹션, 및 보울형 반제작 제조물(4)의 원통형인, 바람직하게는 원형 원통형인, 공동(8)을 둘러싸고, 그리고 밸브 스템(14)이 후속적으로 성형되는 환형 벽(6)을 포함한다. 이와 관련하여, 후속적인 성형 단계들 동안에 베이스 섹션(10)과 환형 벽(6) 사이에 임의의 재료가 흐를 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따르면, 보울형 반제작 제조물(4)이 직접적으로 제공된다; 이어서 본 발명은 도 1b에 도시되는 보울형 반제작 제조물(4)을 제공하는 단계로 시작한다.

밸브 바디(16)는 후속적인 성형하는 단계에서 베이스 섹션(10)으로부터 성형된다. 이렇게 획득되는 워크피스는 도 1c에서 도시된다.

베이스 섹션(10)으로부터 밸브 바디(16)의 성형 뿐만 아니라 보울형 반제작 제조물(4)로의 블랭크(2)의 성형은 바람직하게는 열간 성형 공정(hot forming process)을 통해 수행된다; 이는 또한 후방 캔 압출 또는 단조(backward can extrusion or forging)를 이용하는 것이 또한 바람직하다. 후방 캔 압출 동안, 공동(8)을 성형하기 위해 블랭크(2) 내로 스탬프가 가압된다.

다음의 머시닝 단계에서, 환형 벽(6)의 축방향 길이가 증가된다. 이와 관련하여, “축방향(axial)”은 스템, 즉 환형 벽의 축에 의해 정의되는 종방향을 지칭한다; 이에 대응하여, “방사방향(radial)”은 축방향에 수직인 방향이다. 효과적인 길이의 증가를 구현하기 위해, 이 단계 동안 맨드릴(미도시)은 공동 내에 삽입되어, 방사방향으로의 재료의 공급(flow)이 방지되고, 그리고 재료 공급이 축방향으로 주로 발생한다. 따라서 환형 벽(6)의 벽 두께 및 내부 직경이 원하는 값으로 조정될 수 있다. 또한, 이 성형 단계는 복수의 맨드릴들이 감소하는 직경의 순서로 선택적으로 삽입되는, 복수의 하위 단계들로 구성될 수 있다. 이렇게 구현되는 반제작 제조물의 형태들이 도 1d 및 도 1e에서 예시의 방식으로 도시되고, 여기서 초기에 더 큰 직경을 가지는 맨드릴이 도 1d에서 도시되는 반제작 제조물 상태를 획득하기 위해 사용되고, 그리고 더 작은 직경을 가지는 맨드릴이 도 1e에서 도시되는 상태를 획득하기 위해 후속적으로 사용된다. 물론, 상이한 직경들을 가지는 둘 이상의 맨드릴들을 사용하는 것이 또한 가능하다.

맨드릴을 통한 아이어닝(ironing), 또는 맨드릴을 이용하는 회전식 스웨이징이 바람직하게는 이러한 연장 또는 신장(elongation)을 위한 성형 공정으로 사용된다.

마지막으로, 환형 벽(6)의 외부 직경은 밸브 스템(12)이 사전 결정된 외부 직경(D), 즉 원하는 목표 직경을 가지는 완성된 밸브 바디(16)를 획득하기 위해 회전식 스웨이징에 의해 감소된다(도 1f를 참조). 이 성형하는 단계는 바람직하게는 삽입된 맨드릴 없이 이루어져, 직경이 효율적으로 감소될 수 있다. 이 단계는 외부 직경의 감소 뿐만 아니라, 환형 벽(6)의 추가적인 연장을 일으키고, 그리고 맨드릴 없이, 환형 벽의 벽 두께에서의 증가를 일으킨다. 따라서 벽 두께는 마지막 단계에서 증가된 두께를 고려하여, 특정한 벽 두께, 그리고 따라서 주어진 외부 직경(D)을 위한 특정한 내부 직경을 획득하기 위해 선행하는 연장시키는 단계에서 다소 더 작게 선택적으로 설정될 수 있다.

환형 벽(6)의 외부 직경을 감소시키기 위한 단계는 이들 각각이 회전식 스웨이징에 의해 수행되는, 복수의 연속적인 하위 단계들로 분할될 수 있다. 이는 무엇보다도, 달성될 직경의 감소, 즉 보울형 워크피스의 시작 외부 직경(도 1e)과 달성될 완성된 밸브 스템(12)의 사전 결정된 외부 직경(D)(도 1f) 사이의 차이에 따른다. 개별적인 하위 단계들은 맨드릴을 이용하거나 또는 이용하지 않는, 회전식 스웨이징에 의해 서로 독립적으로 발생할 수 있다. 직경에서의 큰 감소, 따라서 많은 수의 하위단계가 필요한 경우, 예를 들어 적어도 몇몇의 하위단계에 대해 맨드릴이 삽입되어 환형 벽(6)의 두께가 너무 커지지 않도록 할 수 있다.

환형 벽(6)의 외부 직경을 감소시키기 위한 회전식 스웨이징 이후에 밸브 바디(16)를 추가적으로 성형하는 단계가 발생하지 않는 것이 중요하고, 이는 회전식 스웨이징에 의해 획득되는 유리한 재료 특성들에 불리하게 영향을 주기 때문이다. 따라서 회전식 스웨이징은 최종 성형 단계이다. 회전식 스웨이징은 머시닝될 워크피스가 방사방향으로 다양한 측면들로부터 신속하게 일련적으로(rapid succession) 해머링되는(hammered) 증압 성형 공정(incremental pressure forming process)이다. 결과적인 압력으로 인해, 어떤 면으로 보면 재료가 “공급되고(flow)”, 그리고 재료 구조는 인장 응력들에 의해 왜곡되지 않는다. 회전식 스웨이징은 바람직하게는 냉간 성형 공정으로, 즉 머시닝된 재료의 재결정화 온도 이하에서 수행된다.

따라서, 최종 성형 단계로서 회전식 스웨이징을 이용하는 것의 중요한 이점은 회전식 스웨이징 동안에, 압축 응력들이 반사방향의 힘 전달에 의해 유도되어, 따라서 균열들에 대한 감수성을 증가시키는 인장 응력들의 발생을 방지하는 것이다; 이는 특히 중공 스템의 엣지 층들에 대해 적용 가능하다. 예를 들어, 인출 공정들(drawing processes) 또는 “넥킹(necking)”(후퇴 공정, 즉, 긴축에 의해 직경을 감소시키는 것) 시에 이러한 바람직하지 않은 인장 응력들이 발생한다. 회전식 스웨이징은 무엇보다도 워크피스에서의 중단없는 입자 공급을 허용한다. 인출 공정들 또는 넥킹에 비교하여, 최종 단계로서의 회전식 스웨이징의 추가적인 이점들은 각각의 단계들에 대한 스템의 직경에서의 상대적으로 큰 감소 및 더 높은 구현가능한 표면 품질이다. 매우 작은 회전식 스웨이징 동안의 유지 가능한 공차의 결과로, 그리고 높은 레벨의 구현가능한 표면 품질로 인해, 밸브 스템의 후-머시닝은 일반적으로 필요하지 않다. 넥킹과 같은, 압축 공정 또는 프리폼 공정을 이용하면, 일반적으로 더 열악한 표면 품질 또는 공차 유지(tolerance maintenance)만이 달성 가능하다. 따라서, 회전 스웨이징 이후에, 특히 인출 공정 또는 넥킹을 이용하는 방법 단계가 환형 벽의 외부 직경을 감소시키기 위해 발생하지 않는다.

중공 밸브를 제조하기 위한 공정을 완료하기 위해, 나트륨과 같은 냉각제가 밸브 스템의 바깥쪽으로 개방된 단부를 통해 밸브 몸체의 공동 내에 충전될 수도 있고, 그리고 밸브 스템의 이 단부는 예를 들어 마찰 용접(friction welding) 또는 몇몇의 다른 용접 공정에 의해 부착되는, 예를 들어 밸브 스템 단부 피스에 의해, 후속적으로 폐쇄된다.

2 블랭크
4 보울형 반제작 제조물
6 환형 벽
8 공동
10 베이스 섹션
12 밸브 헤드
14 밸브 스템
16 완성된 밸브 바디
D 밸브 스템 외부 직경

Claims (10)

1. 중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법에 있어서,
   보울형 반제작 제조물(4)을 제공하는 단계 - 상기 반제작 제조물은 베이스 섹션(10), 및 상기 반제작 제조물의 원통형 공동(8)을 둘러싸는 환형 벽(6)을 가짐 -;
   상기 베이스 섹션(10)으로부터 밸브 헤드(12)를 성형하는 단계;
   성형에 의해 축방향으로 상기 환형 벽(6)을 연장시키는 단계 - 상기 성형 중에 상기 공동(8) 내에 맨드릴이 삽입됨 -; 및
   사전 결정된 외부 직경(D)을 가지는 완성된 상기 밸브 바디(16)의 밸브 스템(14)을 획득하기 위해 회전식 스웨이징(rotary swaging)에 의해 상기 환형 벽의 외부 직경을 감소시키는 단계;
   를 포함하고,
   상이한 직경들을 가지는 복수의 맨드릴들은 상기 환형 벽(6)을 연장시키는 단계 동안에 사용되는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 보울형 반제작 제조물을 제공하는 단계는:
   적어도 부분적으로 원통형인 블랭크(2)를 제공하는 단계; 및
   상기 블랭크(2)로부터 상기 보울형 반제작 제조물(4)을 성형하는 단계;
   를 포함하는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 보울형 반제작 제조물(4)을 성형하는 단계는 열간 성형 공정(hot forming process)을 통해 이루어지고, 상기 열간 성형 공정은 후방 캔 압출 또는 단조(backward can extrusion or forging)를 포함하는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
   상기 밸브 헤드(12)를 성형하는 단계는 열간 성형 공정을 통해 이루어지고, 상기 열간 성형 공정은 후방 캔 압출 또는 단조(backward can extrusion or forging)를 포함하는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 환형 벽(6)을 연장시키는 단계는 맨드릴을 통한 아이어닝(ironing), 또는 맨드릴을 이용하는 회전식 스웨이징을 통해 이루어지는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   연속적으로 사용되는 맨드릴들의 상기 직경들은 상기 환형 벽(6)을 연장시키는 단계 동안에 감소하는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 환형 벽(6)의 외부 직경을 감소시키는 단계는 복수의 회전식 스웨이징 하위 단계들을 포함하는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 환형 벽(6)의 외부 직경을 감소시키는 단계는 삽입되는 맨드릴 없이 이루어지는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 공동 내에 냉각제를 충전하는 단계 - 상기 냉각제는 나트륨을 포함함 -; 및
   상기 밸브 스템을 폐쇄하는 단계;
   를 더 포함하는,
   중공 밸브의 밸브 바디(16)를 제조하기 위한 방법.
   
10. 제 1 항에 따른 방법을 이용하여 생산되는 밸브 바디를 포함하는, 내부 스템 기하학적 형상을 가지는, 중공 밸브.

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