(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材をカップ型に冷間プレス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に冷間絞り成形する絞り成形工程と、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、を備えた中空ポペ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、前記カップ型成形品の開口縁部にフランジ状厚肉部を形成し、
前記絞り成形工程では、前記フィレット領域の開口縁部の外周にテーパ状フェース面の形成された他の領域よりも厚肉状な厚肉部を成形し、前記開口縁部の内側の、フェース面から少なくとも０．５ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上離間する位置に前記キャップの溶接部となる内周面を成形することにより、前記フェース面全体の硬度を２００ＨＶ以上に維持することを特徴とする中空ポペットバルブの製造方法。
【請求項２】
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を特徴とする請求の範囲第１項記載の中空ポペットバルブの製造方法。
【請求項３】
前記絞り成形工程では、前記フィレット領域の開口縁部において前記キャップの溶接部となる内周面にキャップ係合用の段差部をトランスファープレスによってプレス成形することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の中空ポペットバルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、軽量化を目的とする中空ポペ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ペ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６−２９９８１６号が知られている。これは、図１４，１５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ット領域４が形成されており、このフィレット領域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１４に示すバルブでは、キャップ６にフェース面８が設けられており、図１５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。
しかし、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ＨＶ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った。
即ち、図１６，１７は、図１４，１５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２００ＨＶ以上の硬度となっているが、溶接部ａにおける硬度は１００〜１４９ＨＶ、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１５０〜１９９ＨＶ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ェース面としては不十分な２００ＨＶ以下になっている。なお、図１６において、硬度２００ＨＶ以上の領域ｃ〜ｇは、溶接部ａに近い位置から、硬度２００〜２４９ＨＶの領域ｃ、硬度２５０〜２９９ＨＶの領域ｄ、硬度３００〜３４９ＨＶの領域ｅ、硬度３５０〜３９９ＨＶの領域ｆ、硬度４００ＨＶ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、フェース面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１４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１５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ペ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に冷間絞り成形する絞り成形工程と、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、を備えた中空ポペ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、前記カップ型成形品の開口縁部にフランジ状厚肉部を形成し、前記絞り成形工程では、前記フィレット領域の開口縁部の外周にテーパ状フェース面の形成された他の領域よりも厚肉状な厚肉部を成形し、前記開口縁部の内側の、フェース面から少なくとも０．５ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上離間する位置に前記キャップの溶接部となる内周面を成形することにより、前記フェース面全体の硬度を２００ＨＶ以上に維持することとした。
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の製造方法において、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ようにした
請求の範囲第３項においては、請求の範囲第１項又は第２項に記載の中空ポペットバルブの製造方法において、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０．５ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上離間する位置に、キャップ係合用の段差部を前記トランスファープレスによって成形するようにした。
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の製造方法によって製造され、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ット領域が一体に形成され、前記フィレッ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ペットバルブであって、
他の領域よりも厚肉に形成された、前記フィレット領域の開口縁部における厚肉部は、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形状に形成されるようにした。
請求の範囲第５項においては、請求の範囲第４項に記載の中空ポペットバルブであって、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２５〜４５度の範囲で傾斜するテーパ面で構成されるようにした。
キャップが溶接される部位であるフィレッ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。
さらに、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０．５ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上離間するように構成したので、フェース面への溶接熱の影響を確実に回避できる。
即ち、キャップを溶接する際の溶接熱がフェース面に及んでフェース面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、それだけフェース面への溶接熱の影響も少ない。
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。
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。
キャップをキャ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、キャップをフィレッ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べく作用する。
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、キャ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。
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０．５ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上離間する位置に、キャップ係合用の段差部を成形することが望ましい。
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１２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ペットバルブの一部破断正面図である図１、キャップ溶接部周辺の拡大断面図である図２において、符号１０は、中空のポペットバルブで、下端部が閉塞された円筒形状のステム部１２の上端部にフレア状に開口するフィレット領域１４が一体に形成され、フィレット領域１４の外周にフェース面１５が形成されるとともに、フィレット領域１４の開口縁部に円盤状のキャップ１６が溶接により一体化された構造となっている。符号１８は、ステム部１２の下端部外周に設けられたコッタ溝である。符号１９は、ステム部１２の下端部に設けられたチップ部である。
符号２０は、フィレット領域１４の開口縁部とキャップ１６間の溶接部を示す。キャップ１６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１６）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１６は最も薄い中央部では７ｍｍ厚、最も厚い周縁部では１２ｍｍ厚に形成されている。
フィレット領域１４の開口縁部の内側には、キャップ１６の厚さに相当する深さをもつキャップ係合用の段差部１４ａ（図４参照）が周設されており、キャップ１６は段差部１４ａに担持された状態で溶接されている。この段差部１４ａは、キャップ１６をフィレット領域１４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１６を下方から担持して、バルブ（キャップ１６）の触火面側に作用する圧力に起因して溶接部２０に作用する負荷（応力）を軽減するべく作用する。
ステム部１２は、フィレット領域１４を除いてほぼ均一の厚さ（０．５ｍｍ）に形成されている。フィレット領域１４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３０の外周にフェース面１５が形成されて、フェース面１５にキャ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１４の開口縁部に設けられた厚肉部３０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３２の内側３２ａはＲ形状に形成されている。
このため、ステム部１２が下方に引っ張られることでフィレット領域１４に作用する応力は、屈曲部３２に集中し、屈曲部３２から離れた溶接部２０には、それだけ応力が集中しない。また、屈曲部の内側３２ａはＲ形状で、屈曲部３２に集中する応力は屈曲部３２全体に分散され、それだけ耐久性に優れた構造となっている。
また厚肉部３０の内周面３１は、ステム部１２の軸心Ｌを中心とする円筒面で構成され、厚肉部３０の外周に形成されたフェース面１５は、ステム部１２の軸心Ｌに対しほぼ４５度に傾斜するテーパ面で構成されている。さらに、厚肉部３０の内側に設けられた段差部１４ａにキャップ１６が溶接されることで、溶接部２０は、フェース面１５から約０．８ｍｍ離間する位置に設けられ（ｄ１＝０．８ｍｍ）ており、キャップ１６を溶接する際の溶接熱がフェース面１５に及んでフェース面１５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１６は、電子ビー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２０の幅ｄ２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１５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１０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Ｗ１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Ｗ１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３０ａ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をトランスファー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３０ｂ，３０ｃおよび段差部１４ａ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ッ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１２の下端部にロール成形等によりコッタ溝１８を成形する。そして最後に、予めステム部１２とは別に製造しておいたキャップ１６を、フィレット領域１４の段差部１４ａに電子ビーム溶接またはレーザビーム溶接によって溶接する。
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、寸法および重量を示す図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ペ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Ｓ１〜Ｓ５のうち、試作品Ｓ１〜Ｓ３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１００〜１４９ＨＶと軟化しており、溶接部Ａを取り囲む部位Ｂの硬度は１５０〜１９９ＨＶ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、２００〜２４９ＨＶ，２５０〜２９９ＨＶで、さらにその外側の部位（フェース面１５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３５０〜３９９ＨＶ，４００ＨＶ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１５から０．８ｍｍ以上離すことで、フェース面１５では、キャップ溶接熱の影響が少なく、３００〜３４９ＨＶの硬度が確保されている。
従って、試作品では、フェース面１５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１７参照）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ったところ、図８に示すような結果が得られた。試作品では、コッタ溝１８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によってフェース面１５を下方から支えた状態で、パンチ４２によってフィレット領域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１１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２５００Ｎの力がかかったものとして計算した。図１１から明らかなように、厚肉部内側には、３４２Ｍｐａ（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６６５Ｍｐａ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（６６５Ｍｐａ）は溶接部近傍（図１４に示す符号７で示す近傍）に生じるが、本実施例（試作品）では、図１１から明らかなように、溶接部近傍には１２２Ｍｐａ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１２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、フェース面の表面硬度が３００〜３４９ＨＶ（図６参照）という値を示し、しかも応力集中は屈曲部３２においてある程度分散し、屈曲部３２から離れた溶接部２０にこの応力集中の影響が及ばない（図１１参照）ことからも、またこの図１２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、が確認された。
なお、前記実施例では、フィレット領域１４の開口縁部に設けられた厚肉部３０の内側に、キャップ係合用の段差部１４ａが形成され、この段差部１４ａにキャップ１６が溶接された構造であったが、図１３に示すように、厚肉部３０の内周面３１全体をステム部１２の軸心Ｌに対し傾斜させたテーパ面で構成し、段差部１４ａを介在させることなくキャップ１６を厚肉部３０に溶接した構造であってもよい。なお、前記した実施例では、フェース面１５がステム部１２の軸心Ｌに対しほぼ４５度傾斜するテーパ面で構成されているが、この傾斜は、４５度に限るものではなく、２５度〜４５度の範囲であればよい。
また、前記実施例では、キャップ１６の中央部の厚さが７ｍｍで、キャップ周縁部の厚さおよびこのキャップ１６を担持する段差部１４ａの深さが１２ｍｍ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１９がステム部本体に一体に形成されていたが、コッタ溝１８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ってもよい。
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、キャ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１項に係る中空ポペ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。また、フェース面への溶接熱の影響を確実に回避できる。
請求の範囲第２項に係る中空ポペットバルブの製造方法は、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を少なくでき、
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３項に係る中空ポペットバルブの製造方法は、キャ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。
【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工程を示す図、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１０は、応力集中試験の結果を示す図、図１１は、試作品の縦断面における応力集中の分布を示す図、図１２は、疲労試験の結果を示す図、図１３は、本発明の他の実施例である中空ポペットバルブの要部拡大断面図、図１４は、従来の中空ポペットバルブの一部破断正面図、図１５は、従来の他の中空ポペットバルブの要部断面図、図１６は、図１４に示す従来の中空ポペットバルブのフェース面近傍の硬度分布を示す図、図１７は、図１５に示す従来の中空ポペ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。
【図１】
0003884912.tif 000002
【図２】
0003884912.tif 000003
【図３】
0003884912.tif 000004
【図４】
0003884912.tif 000005
【図５】
0003884912.tif 000006
【図６】
0003884912.tif 000007
【図７】
0003884912.tif 000008
【図８】
0003884912.tif 000009
【図９】
0003884912.tif 000010
【図１０】
0003884912.tif 000011
【図１１】
0003884912.tif 000012
【図１２】
0003884912.tif 000013
【図１３】
0003884912.tif 000014
【図１４】
0003884912.tif 000015
【図１５】
0003884912.tif 000016
【図１６】
0003884912.tif 000017
【図１７】
0003884912.tif 000018