KR20220155425A - 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법 - Google Patents

엔진의 포핏 밸브의 제조 방법 Download PDF

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다이키 사토
유키 사사가와
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Abstract

선단을 향하여 직경증가하는 목부를 개재시켜 일체화되는 축부와 우산부를 가지는 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 있어서, 중간 축부와, 목부를 개재시켜 중간 축부에 일체화되는 우산부를 갖춘 축우산 중간품을 열간단조에 의해 형성하는 우산부 제조 공정과, 중심축선을 향하여 서서히 끝이 가늘어지는 축재 도입면과, 축재 도입면에 연속되고, 중간 축부의 외경보다 작은 일정한 내경을 갖춘 축재 압축면을 적어도 일부에 갖춘 좁힘 구멍을 가지는 중공 원구멍 금형에 대하여, 선재 도입면과 축재 압축면에 상기 중간 축부의 일부를 기단부로부터 압입하는 냉간 드로잉 가공에 의해 직경축소된 제1 축부와, 축재 도입면에 의해 형성되는 단차부와, 단차부를 개재시켜 제1 축부에 접속되는 미직경축소인 제2 축부를 갖춘 단차 축부를 중간 축부로부터 형성하는 단차 축부 제조 공정과, 제1 축부와 동일한 외경의 축단부를 제1 축부의 기단부에 접합하는 접합 공정을 갖춘다.

Description

엔진의 포핏 밸브의 제조 방법
선단을 향하여 직경증가하는 목부를 개재시켜 일체화되는 축부와 우산부를 가지는 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 관한 기술.
일반적으로 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에는, 특허문헌 1의 도 2(a) 내지 도 2(d)에 나타내는 바와 같이 중실환봉으로부터 다소 굵은 축부와, 목부 및 우산부를 형성하고, 다소 굵은 축부에 구멍을 형성한 다음, 구멍의 기단부측을 직경축소시키고 우산부의 외경에 따른 우산형 형상의 우산 중공부를 선단측에 형성하는 방법이 있다. 우산 바닥면을 향하여 내경이 끝으로 갈수록 넓어지는 우산 중공부는, 축 중공부보다 많은 냉매를 수납할 수 있기 때문에, 우산부의 냉각 효율을 향상시키는 점에서 의의가 있다. 한편, 도 2(d)에 나타내는 바와 같은 우산 중공부는, 특허문헌 1의 [0027]에 기재되어 있는 바와 같이 도 2(c)의 반완성품 밸브축부에 우산 중공부의 최대 내경과 동일한 내경의 반완성품 중공 구멍을 형성하고, 반완성품 중공 구멍의 선단에 우산 중공부를 남기면서 반완성품 밸브축부의 기단부측을 복수회(예를 들면 8회~15회) 드로잉 가공하여, 도 2(d)에 나타내는 밸브축부의 굵기가 될 때까지 직경축소시킴으로써 형성된다.
한편, 특허문헌 2에는, 도 1(d)에 나타내는 바와 같이, 중간 축부의 선단에 우산부를 가지는 축우산 중간품의 중앙에 중공 구멍을 형성하고, 중간 축부의 일부를 기단부로부터 복수의 전조 롤러(또는 로터리 스웨이징 공법)로 서서히 직경축소시킴으로써 형성되는 제1 축부와, 외경이 보다 큰 제2 축부로 이루어지는 단차 축부를 축우산 중간품에 형성하고, 아울러 고온에 노출되는 제2 축부, 목부 및 우산부의 내측에는, 고온에 노출되기 어렵고, 제1 축부의 내측의 제1 중공부보다 내경이 큰 제2 중공부를 형성하여 냉매의 수납 용적을 크게 형성하고, 상기 단차 축부의 내측에 제1 및 제2 중공부를 포함하는 단차 중공부를 형성함으로써, 우산 중공부를 가지는 엔진 밸브와 동등 이상의 냉각 효과를 발휘시키는 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법이 개시되어 있다.
일본 특개 2016-47537호 공보 PCT/JP2018/041807
특허문헌 1의 도 2(c)에 나타내는 반완성품 밸브축부는, 우산부의 내측에 우산 중공부를 남기도록 형성하기 때문에 도 2(d)의 밸브축부보다 상당히 굵게 할 필요가 있기 때문에, 특허문헌 1의 중공 포핏 밸브의 제조 방법에 있어서는, 반완성품 밸브축부를 축부의 굵기로 직경축소시키기 위해서 반복하여 드로잉 가공(예를 들면 8회~15회)하지 않으면 안된다. 반완성품 밸브축부에 반복하여 시행되는 드로잉 가공은 냉매를 봉입하는 중공 구멍의 내벽의 조도(粗度)를 저하(즉 거칠게)시켜, 중공 구멍의 내벽에 균열을 발생시키는 일이 있다. 중공 구멍의 내벽에 생기는 균열은 육안에 의해 발견할 수 없기 때문에 불량품으로서 제거하는 것이 어렵고, 봉입한 냉매의 이동 효율도 저하시키기 때문에 문제가 있었다.
또 특허문헌 2의 중공 포핏 밸브의 제조 방법은, 복수의 롤러를 이용한 전조 방법 및 로터리 스웨이징 공법의 어느 것을 이용한 경우에 있어서도, 중간 축부의 직경축소에 시간이 걸리기 때문에, 보다 간이한 설비로 직경축소 시간을 단축할 수 있으면 더욱 바람직하다고 본원의 출원인은 생각했다.
상기 과제를 감안하여, 본원발명은 단차 중공 구멍을 형성했다고 해도 그 내벽의 조도를 저하(거칠게)시키지 않고, 내벽에 균열을 발생시키지 않는 단차 축부를 보다 간이한 설비에 의해 단시간에 제조 가능한 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법을 제공하는 것이다.
선단을 향하여 직경증가하는 목부를 개재시켜 일체화되는 축부와 우산부를 가지는 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 있어서, 중간 축부와, 목부를 개재시켜 상기 중간 축부에 일체화되는 우산부를 갖춘 축우산 중간품을 열간단조에 의해 형성하는 우산부 제조 공정과, 중심축선을 향하여 서서히 끝이 가늘어지는 형상을 가지는 축재 도입면과, 상기 축재 도입면의 기단부에 연속되고, 상기 기단부와 동일하며 상기 중간 축부의 외경보다 작은 일정한 내경을 갖춘 축재 압축면을 적어도 일부에 갖춘 좁힘 구멍을 가지는 중공 원구멍 금형에 대하여, 선재 도입면 및 축재 압축면에 상기 중간 축부의 일부를 기단부로부터 압입하는 냉간 드로잉 가공에 의해 직경축소된 제1 축부와, 축재 도입면에 의해 형성되는 단차부와, 단차부를 개재시켜 상기 제1 축부에 매끄럽게 접속되는 미직경축소 부분인 제2 축부를 갖춘 단차 축부를 상기 중간 축부로부터 형성하는 단차 축부 제조 공정과, 상기 제1 축부와 동일한 외경의 축단부를 제1 축부의 기단부에 접합하는 접합 공정을 갖추도록 했다.
(작용)축우산 중간품의 중간 축부를 단차 축부로 하기 위한 제1 축부의 직경축소가, 간이한 형상을 가지는 중공 원구멍 금형을 이용한 냉간 드로잉 가공에 의해 행해진다.
또 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 있어서, 중간 부재의 중간 축부의 기단부로부터, 중간 축부, 목부 및 우산부의 내측에 구멍을 형성하여 중간 중공부를 형성하는 중공부 제조 공정을 상기 우산부 제조 공정 후 또한 상기 단차 축부 제조 공정 전에 행하고, 상기 단차 축부 제조 공정의 제1 축부의 직경축소에 따라 단차 축부의 내측에 중간 중공 처음으로부터 형성되는 단차 중공부에 냉매를 장전한 후에 축단부를 제1 축부의 기단부에 접합하는 것이 바람직하다.
(작용)열간단조에 의해 형성된 축우산 중간품은, 제1 축부의 외경에 가까운 굵기가 되도록 중간 축부가 형성되고, 또한 중앙에 중간 원구멍이 형성된 중간 축부는, 중공 원구멍 금형에 의한 냉간 드로잉 가공이 시행됨으로써, 중간 원구멍과 함께 기단부측의 일부가 순간적으로 직경축소되면서 기단부 방향으로 잡아늘려져, 제1 축부 및 제1 중공부가 형성된다. 그 때, 제1 축부의 외주면 근방에는 축방향으로 작용하는 인장응력이 발생하고, 제1 중공부의 내주면 근방에는 직경방향으로 작용하는 압축응력이 발생한다.
또 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법의 단차 축부 제조 공정의 냉간 드로잉 가공에 있어서, 선재 도입면 및 축재 압축면에 상기 중간 축부의 일부를 기단부로부터 압입하는 횟수를 1회로 하는 것이 바람직하다.
(작용)중앙에 중간 원구멍이 형성된 중간 축부는, 중공 원구멍 금형에 의한 냉간 드로잉 가공이 1회만 시행됨으로써, 제1 축부 및 제1 중공부가 형성된다. 그 때, 제1 축부의 외주면 근방에 있어서 축방향으로 작용하는 인장응력과, 제1 중공부의 내주면 근방에 있어서 직경방향으로 작용하는 압축응력이 한번만 발생한다.
또 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 있어서, 상기 단차 축부 제조 공정에서 직경축소되는 제1 축부의 제2 축부에 대한 외경의 직경축소율이 25% 이하인 것이 바람직하다.
(작용)중간 축부의 미직경축소 부분인 제2 축부에 대하여 제1 축부의 외경을 직경축소율 25% 이하가 되도록 직경축소시킴으로써, 중공 원구멍 금형을 이용하여 행하는 직경축소에 의해 제1 축부를 형성할 때에 있어서, 제1 축부의 외주면 근방에는 축방향으로 작용하는 인장응력이 발생하고, 제1 중공부의 내주면 근방에는 직경방향으로 작용하는 압축응력이 발생한다.
엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 의하면, 간이한 형상을 가지는 중공 원구멍 금형을 이용한 냉간 드로잉 가공을 중간 축부의 일부에 시행함으로써, 축우산 중간품에 단시간에 단차 축부를 형성할 수 있다.
또 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 의하면, 중공 원구멍 금형을 이용한 냉간 드로잉 가공에 의해 제1 축부의 외주면 근방에는 축방향으로 작용하는 인장응력이 발생함과 아울러, 제1 중공부의 내주면 근방에는 직경방향으로 작용하는 압축응력이 발생함으로써, 제1 축부에는 중심방향으로의 과잉한 압축력이 작용하기 어려워진다. 따라서, 단차 축부의 내측에 형성되는 단차 중공부의 내벽에 발생하는 조도의 저하가 대폭 저감되어, 균열이 생기기 어려워진다.
또 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 의하면, 중공 원구멍 금형을 이용한 1회의 냉간 드로잉 가공이 시행되는 제1 축부에는, 중심방향으로의 압축력이 반복하여 작용하지 않게 되기 때문에, 단차 축부의 내측에 형성되는 단차 중공부의 내벽에 발생하는 조도의 저하가 대폭 저감되어, 균열이 생기기 어려워진다. 또 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 의하면, 중공 원구멍 금형을 이용한 냉간 드로잉 가공에 의해, 중간 축부의 일부를 제1 축부로 압축할 때 더욱 축방향으로 힘이 빠져나가기 쉬워짐과 아울러 중심방향으로의 압축력이 더욱 작용하기 어려워지기 때문에, 형성되는 단차 중공부의 내벽에 발생하는 조도의 저하(거칠어지는 것)가 더욱 저감되어, 균열이 생기기 어려워진다.
도 1은 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법의 실시예에 관한 제조 공정의 설명도이며, (a)는 밸브의 소재가 되는 중실환봉을 나타내고, (b)는 중간 축부와, 목부를 개재시켜 중간 축부에 일체화되는 우산부를 갖춘 축우산 중간품을 열간단조에 의해 형성하는 우산부 제조 공정을 나타내고, (c)는 축우산 중간품에 구멍을 형성하여 중간 중공부를 형성하는 중공부 제조 공정을 나타내고, (d)는 단차 축부 제조 공정에 사용되는 중공 원구멍 금형과 중간 축부를 직경축소시키기 전의 축우산 중간품을 나타내는 단면도이며, (e)는 중간 축부의 일부를 냉간 드로잉 가공에 의해 직경축소시키는 단차 축부 제조 공정을 나타내고, (f)는 중간 중공부로부터 형성된 단차 중공부에 냉매를 장전하여 축단부를 접합하는 접합 공정을 나타낸다.
도 2는 실시예의 제조 방법으로 제조한 엔진의 포핏 밸브의 축방향 단면도이다.
도 3은 실시예의 엔진의 중공 포핏 밸브의 측온 결과를 나타내는 그래프이며, 밸브 목부에 관한 그래프이다.
도 1에 의해 직경축소 공정에 냉간 드로잉 가공을 채용한 엔진의 냉매 포함 중공 포핏 밸브의 제조 방법의 실시예를 설명한다. 도 1에 있어서는, 엔진의 중공 포핏 밸브의 우산부(24)측을 선단측으로 하고, 제1 축부(25)측을 기단측으로 하여 설명한다.
도 1(a)의 금속환봉(1)은 높은 내열성을 가지는 SUH35(오스테나이트계의 고내열강)와 같은 내열합금 등으로 이루어지는 봉재로 형성된다. 금속환봉(1)은 열간단조 공정에 의해 도 1(b)에 나타내는 중간 축부(3), 목부(23) 및 우산부(24)를 일체화한 형상의 축우산 중간품(2)으로 형성된다. 축우산 중간품(2)은 가열한 상태에서 형상이 서서히 변화하는 복수의 금형(도시하지 않음)으로부터 900℃~1300℃정도로 가열한 금속환봉(1)을 순서대로 압출하는 열간압출단조 또는 열간업셋단조에 의해 형성된다. 축우산 중간품(2)은 열간단조의 반복에 의해, 제1 축부를 형성할 때의 중간 축부의 가공성이 향상됨으로써, 여분의 공정을 삭감할 수 있다는 이점을 가지게 된다.
도 1(b)의 축우산 중간품(2)은, 외경(D4)의 원기둥 형상의 중간 축부(3)와, 중간 축부(3)의 선단(3a)에 매끄럽게 연속됨과 아울러 외경이 선단을 향하여 서서히 직경증가하는 오목형의 만곡 형상을 가지는 목부(23)와, 목부(23)의 선단부(23a)에 연속됨과 아울러 기단측으로부터 선단측으로 갈수록 넓어지는 테이퍼 형상의 페이스부(28)를 외주에 가지는 우산부(24)를 가지도록 형성된다. 또 중간 축부(3)는 필요에 따라 촌절(寸切) 가공에 의해 짧게 되고, 중간 축부(3)와 목부(23)의 각 외주면에는 조연삭 처리가 시행된다.
축우산 중간품(2)은 기단부(3b)로부터 중간 축부(3)의 중심에 구멍을 형성하는 중공부 제조 공정에 의해 도 1(c)에 나타내는 내경(d4)의 중간 중공부(6)가 형성된다. 중간 중공부(6)는 건드릴(7)과 같은 절삭 공구에 의해 중간 축부(3)의 기단부(3b)를 절삭 가공함으로써 형성되고, 중간 축부(3)는 두께(t4)의 원통 부위로서 형성된다. 중간 중공부(6)는 축우산 중간품(2)과 동축이 되도록 형성되고, 또한 중간 축부(3), 목부(23) 및 우산부(24)의 내측에 걸쳐 바닥이 있는 원구멍 형상을 가지도록 형성된다. 또한 도 1(c)에 나타내는 중공부 제조 공정은 생략함으로써 중실 밸브를 제조할 수도 있다.
도 1(d) 및 도 1(e)에 나타내는 바와 같이 단차 축부 제조 공정에 있어서, 축우산 중간품(2)은 중간 축부(3)의 일부가 냉간 드로잉 가공됨으로써, 후술하는 단차 축부(22) 및 그 내측의 단차 중공부(29)가 형성된다. 구체적으로는, 중간 중공부(6)를 가지는 축우산 중간품(2)은, 비가열 상태에서 중공 원구멍 금형(9)의 선단측에 형성된 후술하는 축재 도입면(9b)에 중간 축부(3)의 일부가 기단부(3b)로부터 압입된다. 중공 원구멍 금형(9)은, 중심축선(O)에 대한 수직 단면이 각각 원형이 되는 축재 압축면(9a), 축재 도입면(9b) 및 릴리프부(9c)를 갖춘 좁힘 구멍(9d)을 가진다. 축재 도입면(9b)은 기단부(9e)로부터 선단부(9f) 방향으로 갈수록 넓어지는 볼록형 만곡면 형상을 각각 가지고, 기단부(9e)는 일정 내경을 가지는 축재 압축면(9a)의 선단에 연속된다. 축재 압축면(9a)의 기단부에는 직경확대부(9g)를 개재시켜 축재 압축면보다 큰 일정 내경을 가지는 릴리프부(9c)가 설치된다. 또한 축재 도입면(9b)은 볼록형 만곡면 형상 대신에 오목형 만곡면 형상이나 갈수록 넓어지는 테이퍼 형상을 가지도록 형성되어도 된다.
도 1(d)에 나타내는 바와 같이, 중공 원구멍 금형(9)의 축재 압축면(9a)의 내경(D3)은 축우산 중간품(2)의 중간 축부(3)의 외경(D4)보다 작게 형성되고, 릴리프부(9c)의 내경(D5)은 축재 압축면(9a)의 내경(D3)보다 크게 형성된다. 도 1(e)에 나타내는 바와 같이 축우산 중간품(2)은, 단차 축부 제조 공정에 있어서, 중공 원구멍 금형(9)과 동축(중심축선(O))이 되도록 배치된 상태에서, 기단부(3b)로부터 중간 축부(3)의 일부가 중공 원구멍 금형(9)의 축재 도입면(9b) 및 축재 압축면(9a)의 순서로 압입된다. 중간 축부(3) 중 축재 압축면(9a)에 압입된 부분은, 외경(D4)로부터 (D3)까지 직경축소된 제1 축부(25)를 형성하고, 제1 축부(25)는 중간 축부(3)의 두께(t4)보다 얇은 두께(t3)로 형성되면서 중심축선(O)을 따라 릴리프부(9c)를 향하여 잡아늘려짐과 아울러 축재 도입면(9b)에 압압됨으로써 선단측으로부터 기단 방향으로 끝이 가늘어지는 오목형 만곡면 형상을 가지도록 형성된 단차부(26)를 개재시켜 미직경축소 부위로 이루어지는 제2 축부(27)에 매끄럽게 연속되도록 형성된다. 축재 압축면(9a)의 기단부측에 연속되는 릴리프부(9c)를 설치하고, 냉간 드로잉 가공시에 있어서의 중간 축부(3)와 축재 압축면(9a)의 접촉 면적을 작게 하여 드로잉 가공에 필요한 힘을 적게 함으로써 제1 축부(25)는 좌굴을 발생시키지 않고 기단부 방향으로 잡아늘려진다. 축우산 중간품(2)의 중간 축부(3)는, 단차 축부 제조 공정에 있어서, 제1 축부(25), 단차부(26) 및 제2 축부(27)로 이루어지는 단차 축부(22)로서 형성된다.
또 도 1(e)에 나타내는 바와 같이 단차 축부 제조 공정에 있어서, 제1 축부(25)의 내측에는, 중간 축부(3)의 내경(d4)보다 직경축소된 내경(d3)을 가지는 제1 중공부(30)가 형성되고, 단차부(26)의 내측에는, 선단측으로부터 기단 방향으로 끝이 가늘어지는 볼록형 만곡면 형상을 가지도록 형성된 직경축소부(31)가 형성된다. 제1 중공부(30)는 직경축소부(31)를 개재시켜 미직경축소 부분인 제2 축부(27)의 내측에 구획형성된 제2 중공부(32)에 매끄럽게 연속되고, 제2 축부(27)의 선단부(27a)는 목부(23)에 매끄럽게 접속된다. 제1 중공부(30), 직경축소부(31) 및 제2 중공부(32)는 단차 축부(22)의 내측에 형성된 단차 중공부(29)를 구성한다.
또한 도 1(d) 및 도 1(e)에 나타내는 바와 같이, 중간 축부(3)의 기단부측에 시행되는 냉간 드로잉 가공의 횟수는 복수회보다 1회만으로 하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 제1 축부(25)는 중간 축부(3)의 기단부측을 1회만 냉간 드로잉 가공함으로써 형성되는 것이 바람직하다. 1회의 냉간 드로잉 가공만으로 중간 축부(3)로부터 형성된 제1 축부(25)는 중심 방향으로의 압축력을 복수회 반복하여 받지 않게 된다. 그 결과, 단차 축부(22)에 있어서는, 내측의 단차 중공부(29)의 제1 중공부(30)에 작용하는 직경방향의 압축력에 따라 발생하는 조도의 저하가 대폭 저감되기 때문에, 제1 중공부(30)의 내벽에 균열이 생기기 어려워진다.
또한 제2 축부(27)가 직경축소됨으로써 형성되는 제1 축부(25)의 외경의 직경축소율은, 냉간 드로잉 가공을 복수회 또는 1회 행하는 경우 중 어디에 있어서도 제1 축부(25)에 좌굴이나 균열 등과 같은 가공 문제를 발생시키지 않도록 제2 축부(27)의 외경에 대하여 25% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3% 이상 12% 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 도 1(d)에 나타내는 중공 원구멍 금형(9)에 있어서의 축재 압축면(9a)의 내경(D3)은, 축우산 중간품(2)의 중간 축부(3)의 외경, 즉 제2 축부(27)의 외경(D4)에 대하여, D3≤(1-0.25)×D4=0.75×D4가 되도록 형성되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 (1-0.12)×D4=0.88×D4≤D3≤(1-0.03)×D4=0.97×D4가 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 1(d) 및 도 1(e)에 나타내는 단차 축부 제조 공정에 의하면, 중공 원구멍 금형(9)을 이용한 냉간 드로잉 가공에 의해 축우산 중간품(2)의 중간 축부(3)를 단차 축부(22)로 형성할 수 있는 것에 의해, 단조 중의 단차 축부(22)의 제1 축부(25)는 기단부(25a) 방향으로 변형하고, 특허문헌 1의 도 2(c)에 나타내는 반완성품 밸브축부에 시행되는 것 같은 반복적인 드로잉 가공에 의해 생길 우려가 있는 것이라고 종래 염려되고 있던 가공 경화가 단차 중공부(29)의 내벽에 생기기 어려워지기 때문에, 단차 중공부의 내벽에 발생하는 조도의 저하(거칠어지는 것)가 대폭 저감되어, 내부에 균열이 생기기 어려워진다. 또 제1 축부(25)의 외주에 있어서도 조도가 거칠어지지 않고 작게 억제되어, 마무리 가공의 수고가 적어진다. 또 도 1(e)의 축우산 중간품(2)은 특히 1회의 냉간 드로잉 가공으로 단차 축부(22)가 형성됨으로써, 경도가 올라가 강도가 증가하는 이점을 가지게 된다.
또한 단차 축부 제조 공정에 있어서는, 중간 축부(3)보다 경도가 높고, 외경(D3)을 가지는 중실환봉으로 이루어지는 초경금속봉(도시하지 않음)을 도 1(d)에 나타내는 축우산 중간품(2)의 중간 중공부(6)에 미리 삽입한 상태에서 도 1(e)에 나타내는 제1 축부의 직경축소를 행해도 된다.
또 도 1(f)에 나타내는 바와 같이, 접합 공정에 있어서는, 제1 축부(25)의 기단부(25a)에는, 단차 중공부(29)의 일부 영역에 금속 나트륨 등의 냉매(34)가 장전된 상태에서 금속제의 축재로 형성한 축단부(33)가 접합된다. 축단부(33)의 소재는 SUH11(크롬과 실리콘, 탄소를 베이스로 한 마르텐사이트계의 내열강으로서, SUH35보다 내열성이 낮은 것) 등의 내열합금 등으로 이루어지는 외경(D3)의 중실봉재에 의해 형성되어, 마찰압접 등에 의해 선단부(33a)가 제1 축부(25)의 기단부(25a)에 축접합된다. 단차 축부(22)는 축단부(33)와 함께 축부(21)를 형성하고, 도 2에 나타내는 엔진의 중공 포핏 밸브(20)는 접합 공정에 있어서 목부(23) 및 우산부(24)에 일체로 형성된 단차 축부(22)에 축단부(33)를 접합함으로써 형성된다. 접합 공정 후의 중공 포핏 밸브(20)는 축단부(33)에 코터 홈(33b)이 설치된 다음 필요한 소둔 처리, 연삭 처리, 질화 처리 등이 시행되는 것이라고 할 수 있다.
실시예의 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 의하면, 도 1(c)의 중공부 제조 공정에 있어서, 냉매(34)를 장전하는 단차 중공부(29)의 형성에 필요한 구멍 형성 작업을 우산부(24)의 바닥면(24a)측으로부터 행하지 않는 것으로 구멍 형성 횟수가 복수회로부터 1회로 감소한다. 또 실시예의 제조 방법에 의하면, 우산부(24)의 바닥면(24a)으로의 구멍 형성 작업과 캡(도시하지 않음)의 접합에 의한 밀봉 작업이 불필요하게 되기 때문에, 고비용이며 정밀도가 높은 캡의 접합 작업이나 밸브 바닥면의 캡 접합부의 마무리 정밀도를 높이는 절삭 작업에 의해 바닥면(24a)의 강도를 유지하는 작업이 불필요하게 됨으로써 엔진의 포핏 밸브를 저비용으로 제조할 수 있다.
또한 실시예의 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 의하면, 제조된 냉매 포함 포핏 밸브를 엔진의 배기용 밸브에 사용하는 경우에 있어서, 엔진의 연소실 및 배기 통로의 고온의 배기가스에 노출되는 제2 축부(27), 목부(23) 및 우산부(24)의 내측에 설치한 제2 중공부(32)의 내경(d4)을 제1 중공부(30)의 내경(d3)보다 크게 하여, 고온에 노출되는 제2 축부(27)의 내측에 구획형성되는 제2 중공부(32)의 용적을 확대하여 냉매(34)의 장전량을 증가시킴으로써 도시하지 않는 연소실 및 배기 통로의 배기가스로부터 냉매(34)로의 열전달이 원활하게 행해지는 엔진의 중공 포핏 밸브(20)를 제조할 수 있다. 또 제2 중공부(32)의 내측에서 열전달을 받은 냉매(34)는 밸브의 중심축선(O)을 따라 앞뒤로 흔들릴 때 제1 및 제2 중공부(30, 32)를 매끄럽게 접속하는 볼록형 만곡면 형상(또는 오목형 만곡면 형상 또는 테이퍼 형상)으로 형성된 직경축소부(31)에 의해 제1 중공부(30)와의 사이의 원활한 이동이 촉진되기 때문에, 냉매(34)로부터 축부(21)로의 열전달성이 향상된 중공 포핏 밸브(20)를 제조할 수 있다. 중공 포핏 밸브(20)에 의하면, 우산부(24)와 축부(21) 사이의 냉매(34)의 이동 효율이 향상됨으로써, 엔진의 저중속 회전시에 있어서도 종래의 우산 중공 밸브와 동등 이상의 냉각 효과를 발휘한다.
도 3에 의해, 열전대법에 의해 측정한 제1 실시예의 제조 방법으로 제조한 냉매 포함 중공 포핏 밸브(20)(도 2를 참조)를 사용한 엔진의 회전수에 대한 밸브의 목부(23)의 온도를 설명한다. 도 3은 밸브의 목부(23)에 관한 그래프이다. 각 도면의 가로축은 밸브의 회전수(rpm), 세로축은 온도(℃)를 나타내고, 삼각의 라인이 종래의 냉매 포함 우산 중공 밸브의 온도를 나타내고, 사각의 라인이 본 실시예에 의한 냉매 포함 중공 밸브의 온도를 나타내는 것이다.
도 3에 의하면 엔진의 회전수가 1500rpm에 있어서, 본 실시예에 의한 냉매 포함 중공 포핏 밸브의 목부 온도는 종래의 냉매 포함 우산 중공 밸브와 거의 동등하거나 다소 밑도는 정도의 온도이다. 한편, 엔진의 회전수가 1500rpm을 넘고 또한 2000rpm 이하인 경우, 종래의 우산 중공 밸브는 목부 온도가 거의 변동이 없거나 또는 다소 상승하는 것에 대해, 본 실시예에 의한 중공 포핏 밸브의 목부 온도는 하강함으로써 2000rpm에 있어서 종래의 우산 중공 밸브보다 대폭 낮고 또한 가장 낮아지는 점에서 특히 우수한 효과를 발휘한다.
또 엔진의 회전수가 2000rpm을 넘고 또한 3000rpm 이하인 경우, 본 실시예에 의한 냉매 포함 중공 포핏 밸브의 목부 온도는 완만하게 상승하지만 종래의 냉매 포함 우산 중공 밸브보다 대폭 낮고, 엔진의 회전수가 3000rpm을 넘고 또한 4000rpm 이하인 경우, 본 실시예에 의한 중공 포핏 밸브의 목부 온도는 종래의 우산 중공 밸브보다 대폭 낮은 상태를 유지하면서 거의 변동이 없게 추이한다.
그리고, 엔진의 회전수가 4000rpm을 넘고 5500rpm 이하인 경우, 본 실시예에 의한 냉매 포함 중공 포핏 밸브의 목부 온도는 서서히 상승하여, 종래의 냉매 포함 우산 중공 밸브의 목부 온도에 근접하고, 5500rpm에 있어서 종래의 우산 중공부 밸브로 동일한 온도가 된다.
이와 같이, 도 3의 측정 결과로부터 본 실시예의 냉매 포함 중공 포핏 밸브는, 엔진의 저속 회전시인 1500rpm을 넘고 또한 2000rpm 이하인 경우에 있어서, 목부 온도가 변동이 없게 되는 종래의 냉매 포함 우산 중공 밸브와 비교하여 목부 온도가 하강하는 가장 우수한 효과를 발휘한다. 또 본 실시예의 냉매 포함 중공 포핏 밸브는, 엔진의 저중속 회전시인 2000rpm을 넘고 또한 4000rpm 이하인 경우에 있어서, 본 실시예의 중공 포핏 밸브의 목부 온도가 상승해도 완만하거나(2000rpm~3000rpm) 또는 변동이 없게(3000rpm~4000rpm) 추이하면서, 종래의 우산 중공 밸브보다 대폭 낮게 유지되는 점에서 우수한 효과를 발휘한다.
또 엔진의 중고속 회전시인 4000rpm을 넘고 또한 5500rpm 미만인 경우에 있어서, 본 실시예의 냉매 포함 중공 포핏 밸브의 목부 온도가 상승했다고 해도, 종래의 냉매 포함 우산 중공 밸브의 목부 온도보다 낮게 유지되는 점에서 우수한 효과를 발휘한다.
본 실시예의 제조 방법에 의해 제조된 엔진의 냉매 포함 중공 포핏 밸브는, 엔진의 회전수가 저중속 회전시인 1500rpm 이상 3000rpm 이하인 경우에 한정되지 않고, 중고속 회전시인 3000rpm을 넘고 또한 5500rpm 미만인 경우에 있어서도 종래의 냉매 포함 우산 중공 밸브 이상의 우수한 냉각 효과를 발휘함으로써 내노크성이 향상되고, 연비 개선으로 이어지는 것이라고 할 수 있다.
중공 밸브의 냉매로서 일반적으로 사용되는 금속 나트륨은 융점이 98℃이다. 엔진이 저중속 회전할 때의 연소실로부터 열을 받는 냉매 포함 중공 밸브는, 고속회전시만큼 고온이 되지 않기 때문에, 종래의 중공 밸브의 중공부 내에 냉매로서 장전된 금속 나트륨은 연소실에 노출되는 고온의 우산부나 목부의 내측 영역으로부터 연소실에 노출되지 않기 때문에 온도가 낮은 축단부의 근방 영역으로 이동했을 때 융점 이하로 냉각되어 축단부의 근방 영역에 고착됨으로써 이동이 저해되어, 우산부 및 목부로부터 축부로의 밸브의 열 인성을 악화시킬 우려가 있다. 그러나, 본 실시예에서 제조된 냉매 포함 중공 밸브에 의하면, 축단부(33)에 가까운 제1 중공부(30)의 내경이 제2 중공부(32)의 내경보다 작고, 설령 제1 중공부(30) 내의 축단부(33)의 근방 영역에 고착되어도 고착되는 냉매(34)의 양이 적어져 열 인성의 악화가 저감되기 때문에, 엔진이 저중속 회전 영역에서 동작하고 있어도 밸브의 온도가 저감되는 것이라고 생각된다. 또한 본 실시예의 냉매 포함 중공 포핏 밸브에 의하면, 엔진이 중고속 회전 영역에서 동작하고 있어도, 종래의 우산 중공 밸브보다 저감되는 것이라고 생각된다.
그 때문에 실시예의 제조 방법으로 제조된 엔진의 냉매 포함 중공 포핏 밸브는, 전기 자동차의 구동용 모터에 사용되는 발전 전용 엔진과 같은 저중속 회전 영역에서만 동작하는 엔진에 사용됨으로써 가장 우수한 냉각 효과를 발휘할 뿐만아니라, 자동차 등의 구동용 엔진 그 자체에 사용해도 우수한 냉각 효과를 발휘하는 점에서 우수한 것이라고 할 수 있다.
2…축우산 중간품
3…중간 축부
3b…기단부
6…중간 중공부
9…중공 원구멍 금형
9a…축재 압축면
9b…축재 도입면
9d…좁힘 구멍
9e…기단부
20…중공 포핏 밸브
22…단차 축부
23…목부
24…우산부
25…제1 축부
25a…기단부
26…단차부
27…제2 축부
33…축단부
34…냉매
D3…축재 압축면의 내경 및 제1 축부의 외경
D4…제2 축부의 외경
O…축우산 중간품 및 포핏 밸브의 중심축선

Claims (4)

  1. 선단을 향하여 직경증가하는 목부를 개재시켜 일체화되는 축부와 우산부를 가지는 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법에 있어서,
    중간 축부와, 목부를 개재시켜 상기 중간 축부에 일체화되는 우산부를 갖춘 축우산 중간품을 열간단조에 의해 형성하는 우산부 제조 공정과,
    중심축선을 향하여 서서히 끝이 가늘어지는 형상을 가지는 축재 도입면과, 상기 축재 도입면의 기단부에 연속되고, 상기 기단부와 동일하며 상기 중간 축부의 외경보다 작은 일정한 내경을 갖춘 축재 압축면을 적어도 일부에 갖춘 좁힘 구멍을 가지는 중공 원구멍 금형에 대하여, 선재 도입면 및 축재 압축면에 상기 중간 축부의 일부를 기단부로부터 압입하는 냉간 드로잉 가공에 의해 직경축소된 제1 축부와, 축재 도입면에 의해 형성되는 단차부와, 단차부를 개재시켜 상기 제1 축부에 매끄럽게 접속되는 미직경축소 부분인 제2 축부를 갖춘 단차 축부를 상기 중간 축부로부터 형성하는 단차 축부 제조 공정과,
    상기 제1 축부와 동일한 외경의 축단부를 제1 축부의 기단부에 접합하는 접합 공정
    을 갖추는 것을 특징으로 하는, 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 중간 부재의 중간 축부의 기단부로부터, 중간 축부, 목부 및 우산부의 내측에 구멍을 형성하여 중간 중공부를 형성하는 중공부 제조 공정을 상기 우산부 제조 공정 후 또한 상기 단차 축부 제조 공정 전에 행하고,
    상기 단차 축부 제조 공정의 제1 축부의 직경축소에 따라 단차 축부의 내측에 중간 중공 처음으로부터 형성되는 단차 중공부에 냉매를 장전한 후에 축단부를 제1 축부의 기단부에 접합하는 것을 특징으로 하는, 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단차 축부 제조 공정의 상기 냉간 드로잉 가공에 있어서, 선재 도입면 및 축재 압축면에 상기 중간 축부의 일부를 기단부로부터 압입하는 횟수가 1회인 것을 특징으로 하는, 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 단차 축부 제조 공정에서 직경축소되는 제1 축부의 제2 축부에 대한 외경의 직경축소율이 25% 이하인 것을 특징으로 하는, 엔진의 포핏 밸브의 제조 방법.
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