WO2000047876A1 - Clapet creux et son procede de fabrication - Google Patents

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WO2000047876A1
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hollow
fillet region
port valve
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Takemi Murayama
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Nittan Valve Co., Ltd.
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    • F16K1/00Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
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    • F16K1/34Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • F16K1/36Valve members
    • F16K1/38Valve members of conical shape
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23PMETAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/001Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings
    • B23P15/002Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass valves or valve housings poppet valves
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21K1/00Making machine elements
    • B21K1/20Making machine elements valve parts
    • B21K1/22Making machine elements valve parts poppet valves, e.g. for internal-combustion engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/20Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49298Poppet or I.C. engine valve or valve seat making
    • Y10T29/49307Composite or hollow valve stem or head making

Definitions

  • the present invention relates to a hollow port valve for weight reduction and a method for manufacturing the same.
  • the present invention relates to a hollow port valve in which a cap is integrated by welding into a fillet region formed integrally with one end of a cylindrical stem portion, and a method of manufacturing the same.
  • a fillet region 4 that opens in a flared shape is formed at the end of a cylindrical stem portion 2, and a cap 6 is integrated with this fillet region 4 by welding. By doing so, a hollow poppet valve is configured.
  • Reference numeral 7 indicates a weld.
  • the face 6 is provided on the cap 6, and in the valve shown in FIG. 15, the face 8 is provided on the fillet region 4.
  • HV Hardness
  • FIGS. 16 and 17 show the hardness distribution in the longitudinal section near the cap welding portion 7 of the hollow poppet valve shown in FIGS. 14 and 15, and show the welded portion a and the area surrounding the welded portion a.
  • the hardness is more than 20 OHV required as a valve, but the hardness at the weld a is 100 to 149 HV, and the weld a (The area surrounding the welded part a)
  • the hardness of b is 150 to 199 HV, and in any structure, the hardness of the area almost half of the face 8 It is less than 200 HV, which is not enough for the market.
  • FIG. 16 and 17 show the hardness distribution in the longitudinal section near the cap welding portion 7 of the hollow poppet valve shown in FIGS. 14 and 15, and show the welded portion a and the area surrounding the welded portion a.
  • the hardness at the weld a is 100 to 149 HV
  • the weld a The area surrounding the welded part a
  • regions c to g with a hardness of 200 HV or more are regions with a hardness of 200 to 249 ⁇ 1 from a position near the welded portion a.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has an object to achieve high strength-to-weight characteristics by preventing the influence of welding heat on the face surface and preventing stress from being concentrated on the welded portion.
  • An object of the present invention is to provide a hollow port valve excellent in quality and a method for manufacturing the same. Disclosure of the invention
  • a fillet region that opens in a flared shape is integrally formed at one end of a cylindrical stem portion, and the fillet region is provided.
  • the opening edge of the fillet region is formed thicker than other regions, and a face surface is formed at the thick portion. It is configured as follows.
  • the opening edge of the fillet area where the cap is to be welded is thicker than the other areas, and the effect of welding heat does not affect the face as much.
  • the effect of welding heat on the face surface is avoided by increasing the thickness of the portion that may be affected by the welding heat when welding the cap (the opening edge of the fillet area), and the face surface is protected.
  • the overall weight of the valve is reduced. Can be reduced.
  • the welded portion of the cap and the face surface are at least 0.5 mm or more, preferably 0.8 mm. It is configured to be separated as described above. By keeping the face surface 0.5 mm or more, and preferably 0.8 mm away from the welded portion, the influence of welding heat on the face surface can be reliably avoided.
  • the cap is welded by electron beam welding or laser beam welding.
  • the beam diameter is small, so the width of the weld is small.
  • the effect of welding heat on the use surface is also small.
  • the thick wall portion has a vertical cross section at an opening edge portion of a fillet region. It is formed so as to be bent and formed in a U-shape, and to form the inside of the U-shaped bent portion in the vertical cross section in an R shape.
  • the stress concentrates on the bent part, the stress is not concentrated on the welded part away from the bent part. Also, the inside of the bent portion has an R shape, and the stress concentrated on the bent portion is dispersed throughout the bent portion.
  • the inner peripheral surface of the thick portion in the fillet region is provided with an inner peripheral surface of the stem portion.
  • the face surface is constituted by a cylindrical surface centered on an axis, and the face surface is constituted by a tapered surface inclined in a range of 25 to 45 degrees with respect to the axis of the stem portion.
  • a step for cap engagement is provided inside an opening edge of the fillet region. Is provided.
  • the cap is positioned with respect to the fillet region by engaging the cap with the cap engaging step. That is, the step for cap engagement acts as a positioning member when the cap is welded to the fillet region.
  • the step for cap engagement acts to reliably separate the welded portion from the stress concentration portion in the fillet region.
  • the cap engaging step serves to support the cap from below and reduce the load acting on the weld due to the pressure acting on the flank side of the cap.
  • a flange-shaped thick portion is formed at the opening edge of the cup-shaped molded product, and in the drawing process, a tapered face surface is formed at the opening edge of the fillet region of the molded product. It is configured to form a thick part.
  • the cap is desirably welded by an electron beam or a laser beam.
  • the draw forming step at least 0.5 mm or more, preferably 0 mm or more from the face inside the opening edge of the fillet region. It is desirable to form a step for cap engagement at a position separated by at least 8 mm.
  • FIG. 1 is a partially cutaway front view of a hollow poppet valve according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view around a cap weld
  • FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the hollow poppet valve.
  • Figure 4 shows the prototype material
  • Figure 5 shows the prototype dimensions and weight.
  • Fig. 6 shows the hardness distribution near the face of the prototype
  • Fig. 7 shows the state of the tensile test
  • Fig. 8 shows the result of the tensile test
  • Fig. 9 shows the stress
  • Fig. 10 shows the results of the concentration test
  • Fig. 10 shows the results of the stress concentration test
  • Fig. 11 shows the distribution of stress concentration in the longitudinal section of the prototype
  • FIG. 12 shows the results of the fatigue test.
  • FIG. 13 is an enlarged sectional view of a main part of a hollow bot valve according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a partially cutaway front view of a conventional hollow poppet valve
  • FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view of a main part of another conventional hollow port valve
  • FIG. 16 is a diagram showing a hardness distribution in the vicinity of the face surface of the conventional hollow port valve shown in FIG. 14, and
  • FIG. FIG. 16 is a diagram showing a hardness distribution near the face surface of the conventional hollow port valve shown in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 which is a partially cutaway front view of a hollow port valve according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 which is an enlarged sectional view around a cap welded portion
  • reference numeral 10 denotes a hollow port valve.
  • a flared fillet region 14 is formed at the upper end of the cylindrical stem portion 12 whose lower end is closed, and a face surface 15 is formed on the outer periphery of the fillet region 14.
  • a disc-shaped cap 16 is integrated with the opening edge of the fillet region 14 by welding.
  • Reference numeral 18 denotes a cotter groove provided on the outer periphery of the lower end of the stem portion 12.
  • Reference numeral 19 denotes a chip provided at the lower end of the stem 12.
  • Reference numeral 20 denotes a weld between the opening edge of the bullet region 14 and the cap 16.
  • the cap 16 is curved upward with its center at the top, and has sufficient strength to sufficiently oppose the pressure acting on the fire-resistant side of the valve (cap 16) even if it is relatively thin.
  • the cap 16 has a thickness of 7 mm at the thinnest central portion and a thickness of 12 mm at the thickest peripheral portion.
  • a cap engaging step 14 a (see FIG. 4) having a depth corresponding to the thickness of the cap 16 is provided around the cap 16.
  • Numeral 6 is welded while being carried on the step portion 14a.
  • This step 14 a In addition to acting as a positioning portion when welding the caster 16 to the fillet region 14, the cap 16 is supported from below, and the cap 16 acts on the ignition surface side of the valve (cap 16). It works to reduce the load (stress) acting on the weld 20.
  • the stem portion 12 is formed to have a substantially uniform thickness (0.5 mm) except for the fillet region 14.
  • the fillet region 14 is formed so as to be gradually thicker toward the opening edge (upper part in FIG. 1), and the opening edge is formed to be the thickest.
  • a face surface 15 is formed on the outer periphery of the thick portion 30 so that the face surface 15 is not affected by the cap welding heat.
  • the thick portion 30 provided at the opening edge of the fillet region 14 bends and extends in a vertical cross-shape, and the inside 32 a of the bent portion 32 has an R shape. It is formed.
  • the stress acting on the fillet region 14 due to the downward pulling of the stem portion 12 is concentrated on the bent portion 32, and the stress on the welded portion 20 away from the bent portion 32 is not so large. Stress is not concentrated.
  • the inside 32 a of the bent portion is R-shaped, and the stress concentrated on the bent portion 32 is dispersed throughout the bent portion 32, resulting in a structure with excellent durability.
  • the inner peripheral surface 31 of the thick portion 30 is formed of a cylindrical surface centered on the axis L of the stem portion 12, and the face 15 formed on the outer periphery of the thick portion 30 is
  • the stem 12 is formed of a tapered surface inclined at about 45 degrees with respect to the axis L of the stem 12.
  • the cap 16 is welded by electron beam welding or laser beam welding.
  • electron beam welding or laser beam welding the beam diameter is small, so the width d2 of the welded portion 20 can be small, and welding can be performed instantaneously with high energy. Little effect.
  • electron beam welding is superior to laser beam welding in that the effect of welding heat (softening of the structure) is small.
  • laser beam welding without such restrictions is superior in terms of productivity. Therefore, it is preferable to use electron beam welding when importance is placed on reliability or a valve on which a large load acts, and when importance is placed on productivity, laser beam welding is preferred.
  • a blank material ⁇ ⁇ is formed into a cup shape by cold pressing.
  • the cold press forming step includes a step of squeezing the blank ⁇ ⁇ the cup, steps Toka et press forming the flange-like thick portion 3 0 a on the opening side of the cup-shaped molded product W 2 become. Annealing is performed as necessary to facilitate subsequent transfer press forming.
  • a mandrel may be used as necessary. In principle, annealing is not performed. However, if molding is difficult due to hard material, intermediate annealing may be performed.
  • a cotter groove 18 is formed at the lower end of the stem 12 by roll forming or the like.
  • a cap 16 previously manufactured separately from the stem portion 12 is welded to the step portion 14a of the fillet region 14 by electron beam welding or laser beam welding.
  • the prototype S I ⁇ S 5 in FIG. 5 is using materials shown in NO. 1 of the NO. 3 from NO. 1 in FIG. 4, prototype S 4, S For No. 5 , the material shown in NO. 2 was used.
  • Figure 6 shows the hardness distribution near the face of the prototype.
  • the hardness at the welded portion 20 indicated by the symbol A is softened to 100 to 149 HV
  • the hardness of the portion B surrounding the welded portion A is 150 to 199 HV. Is also somewhat softened.
  • the hardness of the outer parts C and D is 200 to 249 HV, 250 to 299 HV
  • the outer part (the part where the face surface 15 is formed) E has a hardness of 300 to 349 HV.
  • the values are 350 to 399 HV and 400 HV or more. That is, in the present embodiment, the cap welding portion 20 is separated from the face surface 15 by ⁇ .8 mm or more, so that the face surface 15 is less affected by the cap welding heat and the hardness of 300 to 349 HV is secured. .
  • the hardness of the entire face surface 15 is maintained at 300 to 349 HV or more, and the hardness of the approximately half area of the face surface is 200 HV or less. (See 7).
  • the test machine supported the face surface 15 from below by the die 40, and applied the axial force to the inside of the fillet region 14 by the punch 42. It is configured to work.
  • the cap of the valve (prototype and conventional) has a circular hole 50 for applying an axial force.
  • the prototype product breaks at the bent portion 32 where the maximum stress is concentrated in each case, and the load up to the fracture is large (about twice that of the conventional product).
  • Fig. 11 When the stress distribution when the valve was seated was analyzed by the finite element method, the results shown in Fig. 11 were obtained. However, the conditions were calculated by simulating a sitting state in the bounce area and applying a force of 2500 N in the axial direction. As is clear from Fig. 11, a maximum principal stress of 3442 MPa (megapascal) is generated inside the thick part. If the same calculation is performed for the conventional product, a maximum principal stress of 665 Mpa occurs at almost the same place. This indicates that the maximum principal stress generated in the fillet region (valve head) can be reduced to about half by optimizing the shape in this example (prototype). The stress generated near the weld will be described.
  • the maximum principal stress (665 Mpa) is the force generated in the vicinity of the weld (near the reference numeral 7 shown in Fig. 14).
  • a main stress of 122 Mpa is generated near the weld. Therefore, from the viewpoint of reducing the stress near the weld, the prototype is safer than the conventional product.
  • the prototype was subjected to a fatigue test in which a load was applied repeatedly in the axial direction using the testing machine shown in Fig. 7, and the results shown in Fig. 12 were obtained.
  • the prototype While the conventional product wears the face surface and is inferior in durability, the prototype has a surface hardness of 300 to 349 HV (see Fig. 6). However, the stress concentration is dispersed to some extent at the bent portion 32, and the effect of the stress concentration does not affect the welded portion 20 away from the bent portion 32 (see FIG. 11). It was also confirmed that the prototype was excellent in terms of durability. In particular, the fatigue life strength in the low load range is extremely high.
  • the prototype when the prototype was evaluated using an automobile gasoline engine, it was confirmed that the prototype could withstand more than twice the rotational speed of the conventional product, that is, it had excellent durability.
  • a step 14a for engaging the cap is formed inside the thick part 30 provided at the opening edge of the fillet region 14, and the step 14a is keyed.
  • the gap 16 was welded, as shown in FIG. 13, the entire inner peripheral surface 31 of the thick portion 30 was formed by a tapered surface inclined with respect to the axis L of the stem 12.
  • the cap 16 may be welded to the thick portion 30 without the step portion 14a.
  • the face surface 15 is formed by a taper surface inclined at approximately 45 degrees with respect to the stem portion 12 axis L, but the inclination is limited to 45 degrees. Instead, it may be in the range of 25 degrees to 45 degrees.
  • the thickness of the central portion of the cap 16 is 7 mm, and the thickness of the peripheral portion of the cap and the depth of the step portion 14a supporting the cap 16 are 12 mm.
  • the present invention is not limited to this.
  • the tip portion 19 at the lower end of the stem portion is formed integrally with the stem portion main body.
  • a portion below a predetermined position above or below the cotter groove 18 is used as the tip portion and the stem portion is formed.
  • the structure may be formed separately from the main body, and the tip may be joined and integrated with the lower end of the stem main body.
  • the hollow poppet valve according to the present invention can maintain the face surface at a required hardness because the influence of welding heat upon welding the cap does not affect the face surface. This is suitable for increasing the strength and reducing the weight of a hollow valve (improving high strength-to-weight characteristics), since stress concentration on welds is avoided.
  • the influence of welding heat on the face surface can be reliably avoided, so that a further increase in strength and weight of the hollow valve can be achieved.
  • the welded portion is inconspicuous, the appearance as a product is good, and the effect of welding heat on the face surface is small, so that the strength and weight of the hollow valve can be further increased. Can be achieved.
  • the weld since stress is not concentrated on a weld having a low hardness, the weld is not broken at the weld and the durability is improved accordingly.
  • the method for manufacturing a hollow port valve according to claim 7 is suitable for easily manufacturing a hollow valve having high strength-to-weight characteristics.

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Description

明 細 書 中空ポぺットバルブおよびその製造方法 技術分野
本発明は、 軽量化を目的とする中空ポぺットバルブおよびその製造方法に関す る。 特に、 円筒形状のステム部の一端に一体に形成されているフィレット領域に キャップが溶接により一体化された中空ポぺットバルブおよびその製造方法に関 する。 背景技術
この種の従来技術としては、 特開平 6— 2 9 9 8 1 6号が知られている。 これ は、 図 1 4, 1 5に示すように、 円筒形状のステム部 2の端部にフレア状に開口 するフィレツト領域 4が形成されており、 このフィレツト領域 4にキャップ 6が 溶接より一体化されることで、 中空のポペットバルブが構成されている。 符号 7 は溶接部を示す。
なお、 図 1 4に示すバルブでは、 キャップ 6にフエ一ス面 8が設けられており 、 図 1 5に示すバルブでは、 フィレット領域 4にフェース面 8が設けられている し力、し、 前記した従来のポペットバルブにおけるフェース面近傍の硬度 (ビッ カース硬度、 以下 H Vで示す) を調べてみたところ、 摩耗しないように所要の硬 度が必要とされるべきであるに拘わらず、 十分な硬度が確保できないことがわか つた。
即ち、 図 1 6, 1 7は、 図 1 4, 1 5に示す中空ポペットバルブのキャップ溶 接部 7近傍の縦断面における硬度分布を示すもので、 溶接部 aおよびこの溶接部 aを取り囲む領域 b以外の領域 c, d , e, f , gでは、 バルブとして必要な 2 0 O HV以上の硬度となっているが、 溶接部 aにおける硬度は 1 0 0〜1 4 9 H V、 溶接部 aに臨む領域 (溶接部 aを取り囲む領域) bの硬度は 1 5 0〜 1 9 9 HVで、 いずれの構造においても、 フェース面 8の略半分の領域の硬度がフエ一 ス面としては不十分な 2 0 0 H V以下になっている。 なお、 図 1 6において、 硬 度 2 0 0 H V以上の領域 c〜gは、 溶接部 aに近い位置から、 硬度 2 0 0〜 2 4 9 ^1 の領域。、 硬度 2 5 0〜2 9 9ト1 の領域€1、 硬度 3 0 0〜3 4 9 H Vの 領域 e、 硬度 3 5 0〜3 9 9 H Vの領域 ί、 硬度 4 0 0 H V以上の領域 gからな る。
本願発明者が、 フェース面 8の硬度が低い原因について検討したところ、 フエ ース面 8の近くでキャップ 6が溶接され、 フェース面 8は、 この溶接熱の影響を 受け、 所要の硬度を維持することが難しい、 ということがわかった。 さらに、 図
1 4に示す構造では、 着座時の負荷 (応力) が溶接部 7の近傍に集中して、 溶接 部 7において破断し易く、 図 1 5に示す構造においても、 溶接部 7近傍の屈曲部
5に応力が集中し、 溶接部 7で破断するおそれがあるという問題もある。
本発明は前記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、 その目的は、 フェース 面に溶接熱の影響が及ばず、 かつ溶接部に応力が集中しないようにすることで、 高強度対重量特性に優れた中空ポぺットバルブおよびその製造方法を提供するこ とにある。 発明の開示
前記目的を達成するために、 請求の範囲第 1項に係る中空ポぺットバルブにお いては、 円筒形状のステム部の一端にフレア状に開口するフィレツ ト領域が一体 に形成され、 前記フィレツト領域の開口縁部にキャップが溶接により一体化され た中空ポぺットバルブにおいて、 前記フィレツト領域の開口縁部を他の領域より も厚肉に形成するとともに、 前記厚肉部にフェース面を形成するように構成した ものである。
キャップが溶接される部位であるフィレツト領域の開口縁部は、 他の領域より も厚肉で、 それだけ溶接熱の影響がフェース面に及ばない。
従って、 キャップを溶接する際の溶接熱の影響を受けるおそれのある部位 (フ ィレット領域の開口縁部) を厚肉にすることで、 フェース面における溶接熱の影 響を回避し、 フェース面を所要の硬度に維持できるとともに、 溶接熱の影響を受 けるおそれのないバルブの他の領域を薄肉にすることで、 バルブ全体の重量を軽 減できる。
また、 シリンダ側のシート面に当接するフェース面はフィレット領域 (外周面 ) に形成されているので、 フィレッ ト領域の開口縁部の厚肉部内側に設けられた 溶接部に負荷 (応力) が集中することがない。
また、 請求の範囲第 2項においては、 請求の範囲第 1項に記載の中空ポペット バルブにおいて、 前記キャップの溶接部と前記フェース面とを、 少なくとも 0 . 5 mm以上、 好ましくは 0 . 8 mm以上離間するように構成したものである。 フエ一ス面を溶接部から 0 . 5 m m以上、 好ましくは 0 . 8 mm離すことで、 フェース面への溶接熱の影響を確実に回避できる。
また、 請求の範囲第 3項においては、 請求の範囲第 1項または第 2項に記載の 中空ポペットバルブにおいて、 前記キャップを、 電子ビーム溶接またはレーザビ ーム溶接により溶接するようにしたものである。
電子ビーム溶接またはレーザビーム溶接では、 ビーム径が小さいため、 溶接部 の幅が小さくなる。 しかも、 高エネルギーで瞬時に溶接が行われるので、 それだ けフユース面への溶接熱の影響も少なレ、。
また、 請求の範囲第 4項においては、 請求の範囲第 1項から第 3項のいずれか に記載の中空ポペットバルブにおいて、 前記厚肉部を、 フィレット領域の開口縁 部において、 縦断面くの字型に屈曲して延出形成するとともに、 前記縦断面くの 字型屈曲部の内側を R形状に形成するように構成したものである。
屈曲部に応力が集中するため、 屈曲部から離れた溶接部にはそれだけ応力が集 中しない。 また、 屈曲部の内側は R形状で、 屈曲部に集中する応力が屈曲部全体 に分散される。
また、 請求の範囲第 5項においては、 請求の範囲第 1項から第 4項のいずれか に記載の中空ポぺットバルブにおいて、 前記フィレツト領域における厚肉部の内 周面を、 前記ステム部の軸心を中心とする円筒面で構成し、 前記フェース面を、 前記ステム部の軸心に対し 2 5〜4 5度の範囲で傾斜するテーパ面で構成するよ うにしたものである。
このように構成することで、 厚肉部を成形しやすく、 溶接部をフェース面から 離間させやすい。 また、 請求の範囲第 6項においては、 請求の範囲第 1項から第 5項のいずれか に記載の中空ポぺットバルブにおいて、 前記フィレツト領域の開口縁部の内側に 、 キャップ係合用の段差部を設けるように構成したものである。
キャップをキヤップ係合用段差部に係合させることで、 キャップはフィレット 領域に対し位置決めされる。 即ち、 キャップ係合用の段差部は、 キャップをフィ レツト領域に溶接する際の位置決め部材として作用する。
また、 キャップ係合用の段差部は、 溶接部をフィレッ ト領域における応力集中 部から確実に離間させるベく作用する。
さらには、 キャップ係合用の段差部は、 キャップを下方から担持して、 キヤッ プの触火面側に作用する圧力に起因して溶接部に作用する負荷を軽減するべく作 用する。
また、 請求の範囲第 7項に係る中空ポペットバルブの製造方法においては、 素 材をカップ型に冷間プレス成形するプレス成形工程と、 前記カップ型成形品をト ランスファープレスを用いた絞り成形により、 一端にフレア状に開口するフィレ ット領域の形成された円筒形状のステム部を冷間絞り成形する絞り成形工程と、 前記フィレツト領域の開口縁部にキャップを溶接する溶接工程と、 を備えた中空 ポぺットバルブの製造方法であって、
前記プレス成形工程では、 カップ型成形品の開口縁部にフランジ状厚肉部を成 形し、 前記絞り成形工程では、 成形品のフィレツト領域の開口縁部にテーパ状フ エース面の形成された厚肉部を成形するように構成したものである。
そして、 前記溶接工程では、 電子ビームまたはレーザビームによってキャップ を溶接することが望ましく、 前記絞り成形工程では、 フィレッ ト領域の開口縁部 内側の、 フェース面から少なくとも 0 . 5 mm以上、 好ましくは 0 . 8 mm以上 離間する位置に、 キヤップ係合用の段差部を成形することが望ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の一実施例である中空ポペットバルブの一部破断正面図、 図 2 は、 キャップ溶接部周辺の拡大断面図、 図 3は、 同中空ポペットバルブの製造ェ 程を示す図、 図 4は、 試作品の材料を示す図、 図 5は、 試作品の寸法および重量 を示す、 図 6は、 試作品のフェース面近傍の硬度分布を示す図、 図 7は、 引張試 験の様子を示す図、 図 8は、 引張試験の結果を示す図、 図 9は、 応力集中試験の 様子を示す図、 図 1 0は、 応力集中試験の結果を示す図、 図 1 1は、 試作品の縦 断面における応力集中の分布を示す図、 図 1 2は、 疲労試験の結果を示す図、 図 1 3は、 本発明の他の実施例である中空ボぺットバルブの要部拡大断面図、 図 1 4は、 従来の中空ポペットバルブの一部破断正面図、 図 1 5は、 従来の他の中空 ポぺットバルブの要部断面図、 図 1 6は、 図 1 4に示す従来の中空ポぺットバル ブのフ -ース面近傍の硬度分布を示す図、 図 1 7は、 図 1 5に示す従来の中空ポ ぺットバルブのフェース面近傍の硬度分布を示す図、 である。 発明を実施するための最良の形態
次に、 本発明の実施の形態を、 図 1から図 1 2を参照して、 実施例に基づいて 説明する。
本発明の一実施例である中空ポぺットバルブの一部破断正面図である図 1、 キ ヤップ溶接部周辺の拡大断面図である図 2において、 符号 1 0は、 中空のポぺッ トバルブで、 下端部が閉塞された円筒形状のステム部 1 2の上端部にフレア状に 開口するフィレツト領域 1 4がー体に形成され、 フィレツト領域 1 4の外周にフ エース面 1 5が形成されるとともに、 フィ レツト領域 1 4の開口縁部に円盤状の キャップ 1 6が溶接により一体化された構造となっている。 符号 1 8は、 ステム 部 1 2の下端部外周に設けられたコッタ溝である。 符号 1 9は、 ステム部 1 2の 下端部に設けられたチップ部である。
符号 2 0は、 ブイレツト領域 1 4の開口縁部とキャップ 1 6間の溶接部を示す 。 キャップ 1 6は、 中央部を頂点として上方に湾曲し、 比較的薄厚であってもバ ルブ (キャップ 1 6 ) の耐火面側に作用する圧力に十分対向できる強度が確保さ れている。 なお、 キャップ 1 6は最も薄い中央部では 7 mm厚、 最も厚い周縁部 では 1 2 mm厚に形成されている。
フィレツト領域 1 4の開口縁部の内側には、 キャップ 1 6の厚さに相当する深 さをもつキャップ係合用の段差部 1 4 a (図 4参照) が周設されており、 キヤッ プ 1 6は段差部 1 4 aに担持された状態で溶接されている。 この段差部 1 4 aは 、 キヤッァ 1 6をフィレツト領域 1 4に溶接する際の位置決め部として作用する とともに、 キャップ 1 6を下方から担持して、 バルブ (キャップ 1 6 ) の触火面 側に作用する圧力に起因して溶接部 2 0に作用する負荷 (応力) を軽減するべく 作用する。
ステム部 1 2は、 フィレッ ト領域 1 4を除いてほぼ均一の厚さ (0 . 5 mm) に形成されている。 フィレット領域 1 4では、 開口縁部側 (図 1の上方) ほど徐 々に厚くなるように形成され、 開口縁部が最も厚肉に形成されている。 そして、 この厚肉部 3 0の外周にフェース面 1 5が形成されて、 フェース面 1 5にキヤッ プ溶接熱の影響が及ばないように構成されている。
また、 フィレット領域 1 4の開口縁部に設けられた厚肉部 3 0は、 縦断面くの 字型に屈曲して延出するとともに、 この屈曲部 3 2の内側 3 2 aは R形状に形成 されている。
このため、 ステム部 1 2が下方に引っ張られることでフィレツト領域 1 4に作 用する応力は、 屈曲部 3 2に集中し、 屈曲部 3 2から離れた溶接部 2 0には、 そ れだけ応力が集中しない。 また、 屈曲部の内側 3 2 aは R形状で、 屈曲部 3 2に 集中する応力は屈曲部 3 2全体に分散され、 それだけ耐久性に優れた構造となつ ている。
また厚肉部 3 0の内周面 3 1は、 ステム部 1 2の軸心 Lを中心とする円筒面で 構成され、 厚肉部 3 0の外周に形成されたフエ一ス面 1 5は、 ステム部 1 2の軸 心 Lに対しほぼ 4 5度に傾斜するテーパ面で構成されている。 さらに、 厚肉部 3 0の内側に設けられた段差部 1 4 aにキャップ 1 6が溶接されることで、 溶接部 2 0は、 フェース面 1 5から約 0 . 8 111111離間する位置に設けられ (£1 1 = 0 . 8 mm) ており、 キャップ 1 6を溶接する際の溶接熱がフェース面 1 5に及んで フェース面 1 5の硬度が低下してしまうことがなく、 所要のフェース面硬度が確 保されている。
また、 キャップ 1 6は、 電子ビ一ム溶接またはレーザビーム溶接によって、 溶 接されている。 電子ビーム溶接またはレーザビーム溶接では、 ビーム径が小さい ため、 溶接部 2 0の幅 d 2が小さくて済み、 しかも高エネルギーで瞬時に溶接が 行われるので、 それだけフェース面 1 5への溶接熱の影響も少ない。 なお、 溶接熱の影響 (組織の軟化) が小さいという点では、 レーザビーム溶接 よりも電子ビーム溶接の方が優れている。 しかし、 電子ビーム溶接は、 溶接環境 を真空雰囲気とする必要があるため、 生産性の点ではこのような制約のないレー ザビーム溶接の方が優れている。 従って、 信頼性を重視する場合や大きな負荷が 作用するバルブに対しては、 電子ビーム溶接を採用し、 生産性を重視する場合に は、 レーザビーム溶接を採用することが好ましい。
次に、 この実施例に示す中空ポペットバルブ 1 0の製造工程を、 図 3に基づい て説明する。
まず、 同中空ポペットバルブの製造工程を示す図 3の (a ) 、 ( b ) に示すよ うに、 素材であるブランク材 \^を冷間プレスによりカップ型に成形する。 なお 、 この冷間プレス成形工程は、 ブランク材\\^をカップ型に絞る工程と、 カップ 型成形品 W2の開口部側にフランジ状の厚肉部 3 0 aをプレス成形する工程とか らなる。 また、 後に行う トランスファープレスによる成形を容易にするために、 必要に応じて焼鈍を行う。
次いで、 図 3 ( c ) 、 ( d ) に示すように、 カップ型成形品 W2をトランスフ ァ一プレスを使った冷間絞り成形工程により、 ステム部を絞り成形するとともに 、 カップ開口縁部側に厚肉部 3 0 b, 3 0 cおよび段差部 1 4 aをプレス成形す ることで、 一端にフレア状に開口するフィレツト領域が形成された所定の大きさ の成形品 W3、 W4を成形する。 なお、 図 3 ( c ) , ( d ) に示す冷間絞り成形 工程では、 必要に応じてマンドレルを使用する場合がある。 また、 原則としては 燃鈍をしないが、 材料が硬い等、 成形困難な場合には、 中間焼鈍を行う場合もあ る。
次に、 ステム部 1 2の下端部にロール成形等によりコッタ溝 1 8を成形する。 そして最後に、 予めステム部 1 2とは別に製造しておいたキャップ 1 6を、 フィ レツト領域 1 4の段差部 1 4 aに電子ビーム溶接またはレーザビーム溶接によつ て溶接する。
試作品の材料を示す図 4及び実際に製造した試作品の材質、 寸法おょぴ重量を 示す図 5に示すように、 いずれの試作品においても、 同一の材料を用いた中実体 構造のポぺットバルブのほぼ半分の重量であり、 軽量化について満足できること が確認された。 なお、 図 5における試作品 S i〜S 5のうち、 試作品 S i Sgは 、 図 4における NO. 1から NO. 3のうちの NO. 1に示す材料を用い、 試作 品 S4, S5は、 NO. 2に示す材料を用いた。
図 6は、 試作品のフェース面近傍の硬度分布を示すものである。 この図に示す ように、 符号 Aで示す溶接部 20における硬度は 1 00〜149HVと軟化して おり、 溶接部 Aを取り囲む部位 Bの硬度は 1 50〜1 99HVで、 この部位 Bに おいても多少軟化している。 しかし、 その外側の部位 C, Dの硬度は、 200〜 249 HV, 250〜299HVで、 さらにその外側の部位 (フェース面 1 5の 形成されている部位) Eの硬度は、 300〜349HV、 さらに溶接部 Aから遠 くなる部位 F, Gでは 350〜3 99 HV, 400 H V以上となっている。 即ち 、 本実施例では、 キャップ溶接部 20をフェース面 1 5から◦. 8mm以上離す ことで、 フェース面 1 5では、 キャップ溶接熱の影響が少なく、 300〜349 HVの硬度が確保されている。
従って、 試作品では、 フェース面 1 5全体の硬度が 300〜349HV以上に 維持されており、 フェース面の略半分の領域の硬度が 200HV以下となってい る従来構造のバルブ (図 14〜図 1 7参照) とは、 著しく相違している。
また、 試作品について、 図 7に示す引っ張り試験機を使って引っ張り試験を行 つたところ、 図 8に示すような結果が得られた。 試作品では、 コッタ溝 1 8から 破断が生じ、 図 14に示す従来品と顕著な差は認められなかった。
そこで、 試作品と従来品 (図 14参照) について、 図 9に示す試験機を使って 、 耐応力集中強度特性を評価したところ、 図 10に示す結果が得られた。 なお、 試験機は、 応力集中試験の様子を示す図 9に示すように、 ダイ 40によってフエ ース面 1 5を下方から支えた状態で、 パンチ 42によってフィレツト領域 14の 内側に軸方向力を作用させる構成となっている。 また、 バルブ (試作品および従 来品) のキャップには、 軸力を作用させるための円孔 50が開けられている。 この結果、 図 14に示す従来品では、 溶接部 7において破断した。 一方、 試作 品では、 いずれの場合も最大応力の集中する屈曲部 32で破断し、 破断に至るま での荷重が大きい (従来品の約 2倍) ことから、 本実施例 (試作品) の方が従来 品より耐応力集中強度に優れていることが確認された。 また、 バルブ着座時の応力分布を有限要素法により解析したところ、 図 1 1に 示す結果が得られた。 但し、 条件はバンス領域の着座状態をシミュレートして、 軸方向に 2 5 0 0 Nの力がかかったものとして計算した。 図 1 1から明らかなよ うに、 厚肉部内側には、 3 4 2 M p a (メガパスカル) の最大主応力が生じる。 同様の計算を従来品について行うと、 ほぼ同じ場所に 6 6 5 M p aの最大主応力 が生じる。 これは本実施例 (試作品) では形状を最適化したことにより、 フィレ ット領域 (バルブ頭部) に生じる最大主応力を約半分に軽減できることを示す。 また、 溶接部近傍に生じる応力について説明する。 従来品においては、 最大主 応力 (6 6 5 M p a ) は溶接部近傍 (図 1 4に示す符号 7で示す近傍) に生じる 力 本実施例 (試作品) では、 図 1 1から明らかなように、 溶接部近傍には 1 2 2 M p aの主応力が生じる。 従って、 溶接部近傍における応力の低減という観点 からも、 試作品は従来品に比べてより安全であるといえる。
さらに、 試作品について、 図 7に示す試験機を使って、 軸方向に繰り返し荷重 を作用させる疲労試験を行ったところ、 図 1 2に示す結果が得られた。
従来品では、 フェース面が摩耗し、 耐久性の点で劣るのに対し、 試作品では、 フエ一ス面の表面硬度が 3 0 0〜3 4 9 H V (図 6参照) という値を示し、 しか も応力集中は屈曲部 3 2においてある程度分散し、 屈曲部 3 2から離れた溶接部 2 0にこの応力集中の影響が及ばない (図 1 1参照) ことからも、 またこの図 1 2からも、 試作品が耐久性の点で優れていることが確認された。 特に低荷重域に おいての疲労寿命強度が著しく高い。
また、 試作品を自動車用ガソリンエンジンに使って評価したところ、 従来品の 2倍以上の回転速度に耐え得ること、 即ち耐久性に優れていること、 が確認され
^ ^― ο
なお、 前記実施例では、 フィレッ ト領域 1 4の開口縁部に設けられた厚肉部 3 0の内側に、 キャップ係合用の段差部 1 4 aが形成され、 この段差部 1 4 aにキ ヤップ 1 6が溶接された構造であつたが、 図 1 3に示すように、 厚肉部 3 0の内 周面 3 1全体をステム部 1 2の軸心 Lに対し傾斜させたテーパ面で構成し、 段差 部 1 4 aを介在させることなくキャップ 1 6を厚肉部 3 0に溶接した構造であつ てもよい。 なお、 前記した実施例では、 フェース面 1 5がステム部 1 2 軸心 Lに対しほ ぼ 4 5度傾斜するテ一パ面で構成されているが、 この傾斜は、 4 5度に限るもの ではなく、 2 5度〜 4 5度の範囲であればよい。
また、 前記実施例では、 キャップ 1 6の中央部の厚さが 7 m mで、 キャップ周 縁部の厚さおよびこのキャップ 1 6を担持する段差部 1 4 aの深さが 1 2 m mと して説明されているが、 これに限定されるものではない。 なお、 前記した実施例 では、 ステム部下端のチップ部 1 9がステム部本体に一体に形成されていたが、 コッタ溝 1 8の上または下の所定位置から下方の部分をチップ部としてステム部 本体とは別体に形成し、 ステム部本体下端にチップ部を接合一体化する構造であ つてもよい。 産業上の利用可能性
以上の説明から明らかなように、 本発明に係る中空ポペットバルブは、 キヤッ プを溶接する際の溶接熱の影響がフェース面に及ばないので、 フェース面を所要 の硬度に維持することができるとともに、 溶接部への応力の集中が回避されるの で、 中空バルブの高強度化および軽量化 (高強度対重量特性の向上) を図る場合 に適している。
請求の範囲第 2項によれば、 フェース面における溶接熱の影響を確実に回避で きるので、 さらなる中空バルブの高強度化および軽量化を達成できる。
請求の範囲第 3項によれば、 溶接部が目立たず、 製品としての見栄えがよい上 に、 フェース面への溶接熱の影響が少ないので、 一層の中空バルブの高強度化お よび軽量化を達成できる。
請求の範囲第 4項によれば、 硬度の低い溶接部に応力が集中しないので、 溶接 部で破断せず、 それだけ耐久性が向上する。
請求の範囲第 5項によれば、 製造が容易で、 量産に最適である。
請求の範囲第 6項によれば、 キヤップの溶接をスムーズかつ確実に遂行できる とともに、 強度的に優れた中空バルブを提供できる。
請求の範囲第 7項に係る中空ポぺットバルブの製造方法は、 高強度対重量特性 に優れた中空バルブを簡単に製造する場合に適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 円筒形状のステム部の一端にフレア状に開口するフィレツト領域が一体に形 成され、 前記フィレツト領域の開口縁部にキャップが溶接により一体化された中 空ポぺットバルブにおいて、
前記フィレツト領域の開口縁部が他の領域よりも厚肉に形成されるとともに、 前記厚肉部にフエース面が形成されたことを特徴とする中空ポぺットバルブ。
2 . 前記キャップの溶接部は、 前記フェース面から少なくとも 0 . 5 mm以上、 好ましくは 0 . 8 mm以上離間することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の 中空ポぺットバルブ。
3 . 前記キャップは、 電子ビーム溶接またはレーザビーム溶接により溶接された ことを特徴とする請求の範囲第 1項または第 2項に記載の中空ポぺットバルブ。
4 . 前記厚肉部は、 フィレッ ト領域の開口縁部において、 縦断面くの字型に屈曲 して延出形成されるとともに、 前記縦断面くの字型屈曲部の内側が R形状に形成 されたことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 3項のいずれかに記載の中空ポ ぺッ 卜ノ ルブ。
5 . 前記フィレッ ト領域における厚肉部の内周面は、 前記ステム部の軸心を中心 とする円筒面で構成され、 フェース面は、 前記ステム部の軸心に対し 2 5〜4 5 度の範囲で傾斜するテーパ面で構成されたことを特徴とする請求の範囲第 1項か ら第 4項のいずれかに記載の中空ポぺットバルブ。
6 . 前記フィレット領域の開口縁部の内側には、 キャップ係合用の段差部が設け られたことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 5項のいずれかに記載の中空ポ ぺッ 卜ノ ノレブ。
7 . 素材をカップ型に冷間プレス成形するプレス成形工程と、 前記カップ型成形 品をトランスファープレスを用いた絞り成形により、 一端にフレア状に開口する フィレツト領域の形成された円筒形状のステム部を冷間絞り成形する絞り成形ェ 程と、 前記フィレッ ト領域の開口縁部にキャップを溶接する溶接工程と、 を備え た中空ポぺットバルブの製造方法であって、
前記プレス成形工程では、 力ップ型成形品の開口縁部にフランジ状厚肉部を成 形し、 前記絞り成形工程では、 成形品のフィレツト領域の開口縁部にテーパ状フ エース面の形成された厚肉部を成形することを特徴とする中空ポペットバルブの 製造方法。
8 . 前記溶接工程は、 電子ビームまたはレーザビームによってキャップを溶接す ることを特徴とする請求の範囲第 7項記載の中空ポぺットバルブの製造方法。
9 . 前記絞り成形工程では、 フィレッ ト領域の開口縁部の内側の、 フェース面か ら少なくとも 0 . 5 mm以上、 好ましくは 0 . 8 mm以上離間する位置に、 キヤ ップ係合用の段差部を成形することを特徴とする請求の範囲第 7項または第 8項 に記載の中空ポぺットバルブの製造方法。
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