(57)【要約】【課題】  鋼板を塑性加工して弁部からフレア部を経てステムに至る中空ポペット弁の要部を塑造する技術において、肉厚の大きい弁部の塑性成形と着座部の仕上げを容易にすること、および、ステムの小径端とその小径端を閉じる心金との連結を確実に行わせるための端部構造を得んとする点にある。【解決手段】  板厚の厚い浅い円錐状に形成された弁部と、円管状に形成されたステム部との間を、弁部からステム部へ連続的に板厚を減じる円弧状のフレア部を介して連結した深絞り基材の、前記弁部をなす大径端外面に着座部を形成した。【選択図】図１
2008088815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大径に作られた一端と小径に作られた内端とを有する浅い円錐状に作られた比較的厚肉の弁部と、比較的薄肉に作られた円管状のステム部との間が、軸芯方向へ凸の円弧状の曲面で形成されたフレア部によって一体的に連結され、前記フレア部が弁部に連なる厚肉の部分からステム部に連なる薄肉の部分に至る間が漸次に板厚を減じる一方、前記弁部とフレア部によって形成される開口部の内面に球殻を溶接し、前記ステム部をなす円管の開口部に心金を嵌着して内外を遮断するとともに、前記弁部をなす大径端の外面に着座部を形成してなる中空ポペット弁。
【請求項２】
請求項１において、前記弁部の円錐角が前記着座部の円錐角より、広角に設定されている中空ポペット弁。
【請求項３】
請求項１において、前記ステム部をなす円管の開口部に嵌着される心金に外周溝を設けるとともに、前記円管の開口部外面を縮径してコッタ溝を設け、そのコッタ溝の裏面を前記心金の外周溝に係合させてなる中空ポペット弁。
【請求項４】
鋼板に絞り加工を加えて略円錐台形にした弁部、円筒形のステム、および両者を連結するフレア部とを一連に有する深絞り基材を成形する素材工程と、前記弁部に着座部を形成する機械加工工程、弁部側の開口部に仕切り板を溶接して閉じる溶接工程、ステムの小径端に心金を挿入する挿入工程、および、前記ステムの外面を軸芯方向へ縮径して心金をステムに係止する縮径工程とを含む中空ポペット弁の製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの吸排気弁として好適な中空ポペット弁に関するもので、特に、一層の軽量化を図るとともに、それを高効率で生産する生産性の優れた製造方法を得ることにある。
【背景技術】
【０００２】
一般にポペット弁の質量を減じる目的で、ステムの軸芯に軸方向の軸孔を穿孔して中空にした、いわゆる中空ポペット弁が知られている。また、中空ポペット弁を一層の軽量化と生産性向上とのため、鋼板を塑性加工してステムから弁部に至るまで、機械加工することなく中空に成形する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、この文献で示されたポペット弁は、ステムからフレア部を通して弁部に至る間を、等しい肉厚で成形する工程となっているので、それによって成形されたポペット弁は、強大な燃焼圧力を受ける弁部の強度が不足しがちであった。そこでステムの一端を拡開して形成したフレア部に、別体に成形した厚肉の弁板を摩擦溶接して強化することも考慮された（特許文献２参照）が、一連の薄肉化工程とは別の工程が必要となって、工程が複雑になる他、弁部の重量軽減効果が激減した。
【０００４】
また、前記中空ポペット弁はステムが薄肉の筒状に成形されるため、弁ばねの弾力を受けるコッタ溝を追加して成形したり、カムの押圧力を受ける端部を補強したりする工程が必要になっている。そこで、その工程を合理的に行うため、従来からステムの小径端に硬質の心金を固定する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
しかし、この文献で示されたステムの端末処理方法は、ステムの端末に設けたコッタ溝に鋼球を支え、外周からステムの直径を縮径して抜け止めするものであるため、外面からいくら強く締めても締め付け強さには限度があり、しかも、ステムの肉厚が薄いものでは固定が不完全になり易かった。
【特許文献１】特開２０００−４５７３０号公報
【特許文献２】特開２００１−２２１３４８号公報
【特許文献３】特開２００１−３１７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする問題点は、鋼板を塑性加工して弁部からフレア部を経てステムに至る中空ポペット弁の要部を塑造する技術において、肉厚の大きい弁部の塑性成形と着座部の仕上げを容易にすること、および、ステムの小径端とその小径端を閉じる心金との連結を確実に行わせるための端部構造を得んとする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に係る物の発明は、大径に作られた一端と小径に作られた内端とを有する浅い円錐状に作られた比較的厚肉の弁部と、比較的薄肉に作られた円管状のステム部との間が、軸芯方向へ凸の円弧状の曲面で形成されたフレア部によって一連一体的に連結され、前記フレア部が弁部に連なる厚肉の部分からステム部に連なる薄肉の部分に至る間が漸次に板厚を減じる一方、前記弁部とフレア部によって形成される内面の開口部に仕切り板を溶接し、かつ、前記ステム部をなす円管の開口部に外周溝を設けた心金を嵌着し、その心金の外方に設けるコッタ溝の裏面を前記外周溝に係止して内外を遮断するとともに、前記弁部をなす大径端の外面に着座部を削成したことを特徴とする。
【０００８】
また、本願に係る方法の発明は、鋼板に絞り加工を加えて略円錐台形にした弁部、円筒形のステム、および両者を連結するフレア部とを一連に有する深絞り基材を成形する素材工程と、前記弁部に着座部を形成する機械加工工程、弁部側の開口部に仕切り板を溶接して閉じる溶接工程、ステムの小径端に外周溝を設けた心金を挿入する挿入工程、および、前記ステムの外面を軸芯方向へ縮径してコッタ溝を成形するとともに、そのコッタ溝の裏面を前記外周溝に係止する縮径工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本願に係る物の発明によれば、ポペット弁の弁部、および、フレア部の肉厚を減じて軽量化を図ったものであるにもかかわらず、弁部の周辺からフレア部に至る間が、板厚の厚い浅い円錐状に形成されているから、強大な燃焼圧力や、ポペット弁が着座するときの強い衝撃に耐えることができる。
【００１０】
燃焼室側に開くステムの内面は、大径の端部より内側に溶接された仕切り板によって閉じられるので、仕切り板に作用する燃焼室の圧力が少なくなり、薄肉の材料で足りるので一層の軽量化が可能となる。
【００１１】
板厚の厚い弁部と薄肉の円管状に作られたステム部との間に介在するフレア部は、比較的短い距離で両者を連結するので、板厚をスムースに変化させることができる。よって、ステム部から弁部へ伝えられる弁ばねの応力を、引っ張り方向から曲げ方向へと無用な応力を発生させることなく、無理なく変換できるので、この部分の材料に無駄がなく弁部の重量を軽減できる。
【００１２】
本願に係る方法の発明によれば、中空ポペット弁の素材を冷間で塑性加工して製造するに際して、弁部が浅い円錐状に成形されているから、素材である鋼板に曲げ加工のような大きな断面形状の変化を与えないので、弁部の肉厚を大きくしても、弁部の成形性を損なうことがない。また、断面積形状が大きく減少するフレア部を比較的短くすることができるので、フレア部の断面積を変化させる範囲が少なくて済み、金型の製作や修正が容易になるなどの利点がある。
【００１３】
さらに、薄肉の筒状をしたステムの端部は心金によって閉じられるが、その心金は、外周溝が設けてあるから、ステムの外周にコッタ溝を設ける際に、その裏面が係合する。このとき、コッタ溝は比較的幅が狭く深いので剛性が高く、弾性によって原形に復旧する傾向が小さいので、確実に係止できて心金の軸方向の移動が確実に阻止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
中空ポペット弁の一層の軽量化を求めるという目的を、ポペット弁として必要な機能と、冷間塑性加工のし易さという条件を満たし、かつ、機械的な強度を低下させることなく実現した。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本願発明に係る中空ポペット弁１０の軸線に沿った断面図である。中空ポペット弁１０は略円錐形をした厚肉の弁部２０と、薄肉に作られた円管状のステム部３０とを、軸線方向の一方から他方へと肉厚を減じる比較的短小なフレア部４０によって連結した形状を有し、それらは一連に、かつ冶金的に一体に成形されている。
【００１６】
前記弁部２０は円錐状をした略一定の肉厚に成形されており、その頂角αが１３０°に設定されており、直径に比して高さの低い、いわゆる浅い円錐状に成形されている。よって燃焼室の強い燃焼圧力は、頂角の広い弁部２０に強く作用するが、この部分は肉厚がおおきく、十分な強度をもって、圧力に耐える。頂角βは着座部２２の頂角であり、従来と同様に略９０°に設定されている。前記着座部２２は弁部２０の燃焼室側の端部（以下、大径端という）の外方を切削あるいは研削して、燃焼室面２２ａ、外周面２２ｂ、および着座面２２ｃを形成してある。この加工は板状に塑性加工された大径端の端部を切除するだけなので、取り代が少なく効率よく行うことができる。
【００１７】
前記ステム部３０は全体的に薄肉に作られた円管状をなし、図１中、符号１２で示す弁ガイド１２の内面に挿通され摺動可能に支持され、従来と同様に、弁部２０と反対側の端部で弁ばねの弾力と動弁カム（図示してない）の押圧力を受け、前記弁部２０を開閉弁挙動させる一方、弁リフタあるいはロッカーアームのような開弁手段１４の作用を受ける。すなわち、ステム部３０は絶えず軸方向の交番荷重の作用を受けることになる。
【００１８】
ステム部３０のフレア部４０に連結されない側の端部（以下、小径端という）には、弁ばねを係止するためのコッタ溝３２と、前記開弁手段１４の作用を受ける硬質の端面３４が形成されている。その硬質の端面３４は前記コッタ溝３２より端部近くにベアリング用の鋼球あるいはローラからなる心金３６が圧入されている。心金３６は圧入後に研削して前記端面３４が形成されている。
【００１９】
このように、心金３６はステム部３０の小径端に一旦圧入されているから、後続の工程によってステム部３０の外径に加工が加えられることがあっても緩むことがなく、心金３６の表裏間の気密性が保たれるからステム部３０内にナトリウムを封入する排気弁であっても、心金３６の部分から洩れ出すのを防止できる。
【００２０】
前記フレア部４０は弁部２０に連なる大径端と、ステム部３０に連なる小径端との間を２個の滑らかな円弧で連続させたものであり、外面の形状は従来のポペット弁の形状と大差のないＲ１によって描かれており、内面の形状は外面とやや異なった中心と半径とをもつ円弧Ｒ２によって描かれている。このように形成されたフレア部４０の内面には、大径端側に鋼板をプレス成形して作った仕切り板４２が、プロジェクション溶接によって固定され、表裏が密封されている。この例のように、仕切り板４２を半球形とし、燃焼室側を凸にして溶着させると、燃焼圧力に対して高強度を維持できるので、仕切り板４２の板厚を薄くすることが出来、中空ポペット弁１０の軽量化に大きく寄与する。
【００２１】
次に、中空ポペット弁１０の製造方法を説明する。工程の全体を図２によって簡略に説明すると、まず、後述するプレス機による絞り加工によって、前記弁部２０、ステム部３０、およびフレア部４０を備えた深絞り基材Ａを製作する素材工程が行われる。
【００２２】
素材工程は図３で示すように、前記深絞り基材Ａを、弁部２０の板厚と略同じ板厚の深絞り用冷間圧延鋼を円形に打ち抜いて得た同図（ａ）で示す第１素材６０を、図示してないプレス機によって絞り加工し、同図（ｂ）で示すように、側壁と底部とを比較的大きな円弧Ｒで連結された椀形に成形して第２素材６１を成形する。
【００２３】
第２素材６１は同図（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）と、絞り加工を加え、外径を縮径すると同時に、前記椀形の第２素材６１の開口部に円錐状に前記弁部２０に対応する円錐状の耳部２０ａを残して直管部２０ｂの外径を絞って得られる第３素材６２、直管部２０ｂを一段と絞って耳部２０ａを拡開させた第４素材６３、および、第５素材６４へと変形を進行させる。
【００２４】
その途中には、同図（ｆ）で示すように、円錐状に拡開した前記耳部２０ａや、フレア部４０に相当する円弧状の部分２０ｃの角度や形状を矯正して第６素材６５を成形する矯正工程を行い、さらに、絞り加工を続けて、前記直管部２０ｂを一層伸長させて第７素材６６を成形した後に、最後に弁部２０に相当する耳部２０ａの外径をトリムして円形に整えて深絞り基材Ａとする。
【００２５】
このようにして得られた深絞り基材Ａには、図２、図４で示すように、小径端の加工が行われる。詳細を図４によって説明する。小径端の加工は、まず、同図（ａ）で示すように、絞り加工による形状が不安定な部分７０を切除する。これによって、残部は肉厚が安定した真円のステム部３０が得られる。そして、できた開口７２へ心金３６を表裏の気密が保たれるよう比較的強く圧入する。
【００２６】
その後、ステム部３０の前記心金３６の軸方向両側に位置して、外径を図１で示す転造ローラ５０によって挟圧して縮径工程を行う。すなわち、縮径工程はコッタ用の溝３２を成形すると同時に、前記開口７２が軸芯方向へ折り曲げる加締め加工が同時に行われる。その結果、前記小径端が外方に凸の、いわゆる円弧面取り形状となる。これによってステム部３０の小径端が閉じられた圧入済み素材Ｂが完成する。
【００２７】
前記圧入済み素材Ｂは、次いで、フレア部４０の燃焼室側の面（以下、単に内面という）に開いた開口を、溶接工程によって仕切り板４２を用いて閉じ、溶接済み素材Ｃとする。この例において、前記仕切り板４２は半球形に作られ、その凹側の面をフレア部４０の内面へ向けてプロジェクション溶接（電気抵抗溶接の一種）してある。その結果、前述した軽量化の効果の他に、プロジェクション溶接し易い工程上の効果がある。また、仕切り板４２を溶着するのに、プロジェクション溶接を用いると、溶接時間が短く溶融範囲が狭くて、確実な溶接が得られる。なお、中空ポペット弁１０が排気弁である場合には、仕切り板４２を溶着するに、先立って、内部へ粉末ナトリウムを所定量だけ入れ、然る後に仕切り板４２を溶着する。
【００２８】
以後、溶接済み素材Ｃは図２、および図４（ｂ）で示すように、切削加工の他、ステム部３０の外面３０ａ、硬質の端面３４、および必要に応じて研削工程を含む一連の機械加工工程を行い、その後、軟窒化処理その他を行う熱処理工程を経て完成に至る。なお、前記研削工程と熱処理工程は従来の中空ポペット弁の仕上げ加工工程と大差はない。 
【図面の簡単な説明】
【００２９】
前記図４で心金３６として鋼球を用いているが、発明の構成上、これに限るものではなく、図５で示すように、外周に円周溝３８が設けられた軸状の部材を用いることができる。この軸状をなす心金３６は、ステム部３０へ固定するに際し、前記コッタ溝３２の裏面を外周溝３８へ係合させ、それによって抜け止めする構成にしてもよい。
【００３０】
【図１】本願発明に係る中空ポペット弁の軸線に沿った断面図である。
【図２】中空ポペット弁の製造工程を示す工程図である。
【図３】深絞り基材の製造工程を示す工程図である。
【図４】ステム部の小径端を閉じる工程を示す工程図である。
【図５】ステム部の小径端を閉じる他の工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    中空ポペット弁
１２    弁ガイド
１４    開弁手段
２０    弁部
２２    着座部
２２ａ  燃焼室面
２２ｂ  外周面
２２ｃ  着座面
３０    ステム部
３０ａ  ステム部の研削した外面
３２    コッタ溝
３４    硬質の端面
３６    鋼球（心金）
３８    外周溝
４０    フレア部
４２    仕切り板
５０    転造ローラ
６０、６１、６２    第１素材、第２素材、第３素材
６３、６４、６５、６６    第４素材、第５素材、第６素材、第７素材
７０    不安定な部分
７２    開口
A    深絞り基材
B    圧入済み素材
C    溶接済み素材
Ｒ１、Ｒ２    円弧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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