JP2010094732A - 中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法及び中空エンジンバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性に特に優れた素材からなる中空エンジンバルブの弁傘部の成形を冷間鍛造によって行う方法を開発する。その際、弁傘部の先端拡径部内の中空孔の最大内径が、少なくとも弁傘部の後端部の最小外径よりも大であるように拡径された中空孔を得るものとする。
【解決手段】耐熱性に優れた素材を加工して中空孔の内径が完成品の中空孔の最大内径と同一且つ拡径部の最大外径が完成品の拡径部の最大外と同一である弁傘部半完成品となし、拡径部の中央部から下部以外の部分を複数回の冷間鍛造によって絞り上げて弁傘部の完成品を得る方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる弁傘部に中空軸部に溶接される側が開口された弁傘部中空孔を有し、該弁傘部中空孔が弁傘部の拡径部内において拡径形成されていて、該弁傘部中空孔の最大内径が中空軸部の最大外径より大である中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法、及び、該弁傘部を有する中空エンジンバルブに関するものである。

中空エンジンバルブを弁傘部、中空軸部、軸端封止材の３部材に分けて各部材の製造を行い、最後に３つの部材を溶接により接合して完成品の中空エンジンバルブを得るということは、下記特許文献１に開示されているように、従来から行われてきた技術である。あるいは、弁傘部と一端が封止された中空軸部を溶接により接合して完成品の中空エンジンバルブを得るということも、従来から行われている。なお、高温耐性が求められる排気弁用の中空エンジンバルブの中空孔内にはナトリウムが封入され、エンジンバルブの、特に高温となる弁傘部から中空軸部の弁傘部寄りの部分の冷却を担当する。したがって、中空エンジンバルブの中空孔の形状は、下記特許文献１の第２図、第３図に見られるような単純な円筒形状よりは、下記特許文献２の図１に見られるような、弁傘部内部にて拡径されている形状の方がより望ましい。

従来の中空エンジンバルブ、特に高温に晒される排気用の中空エンジンバルブにおいては、最も高温となる弁傘部においてマンガンベースの耐熱鋼あるいはニッケルベースの耐熱鋼などの耐熱性に優れた特性を示す素材を用い、さほど温度が高くならない中空軸部あるいは軸端封止材については、通常の鋼材あるいは通常の耐熱鋼材を用い、弁傘部、中空軸部、軸端封止材の３者あるいは弁傘部と一端が封止された中空軸部の２者を溶接して中空エンジンバルブの完成品とするということが行われてきた。あるいは、特に優れた耐熱性が求められる場合には、中空軸部にも弁傘部と同様の耐熱性に優れた特性を示す素材を用いるという方法もあった。

本来ならば、中空エンジンバルブの全体を耐熱性に優れた特性を示す上記素材にて製造するのが本来理想的であるが、これらの素材は高価であり、また硬くて加工特性が悪いので、特に高温となる弁傘部のみにこれらの素材を用い、さほど温度が高くならない中空軸部あるいは軸端封止材は通常の鋼板ですませるということである。したがって、中空エンジンバルブの製造方法においては、特に弁傘部の製造方法に関して、数多くの技術開発が行われてきた。なお、中空軸部にも耐熱性に優れた特性を持つ素材を使用する場合は余り多くはないので、以下には、特に排気弁においては必ず耐熱性に優れた特性を持つ素材を使用する必要があり、加工も難しい弁傘部の製造方法に関する技術のみに要点を絞る。

中空エンジンバルブの弁傘部の製造においては、２つの部分に開発のポイントが集中する。その第１は弁傘部の先端拡径部の製造方法であり、第２は、弁傘部に中空孔を設ける方法に関する技術である。すなわち、上記のように弁傘部に用いる素材は、耐熱性に優れる反面、加工特性が悪いので、先端拡径部を形成するにあたっても、中空孔を設けるにあたっても、通常の鋼材加工に比較すると高度な加工困難性を克服しなければならず、その点において、これまでさまざまな発明や考案がなされてきた。

下記特許文献１の「鋼板を丸めて作る中空バルブ」においては、弁傘部の製造方法の詳細については触れられておらず、ただ「鍛造成形」とだけ記載されている。なお、中空孔については、その形状が円筒形状であるところから、パンチ、あるいはドリルを用いているものであると考えられる。

下記特許文献２の「Ｎａ封入中空エンジンバルブの製造方法」においては、弁傘部の拡径部の成形には「熱間塑性加工」を用い、中空孔の成形には「熱間静水圧プレス」を用いるとあるので、どちらも結局「熱間鍛造」によって成形されていることになる。なお、下記特許文献２の発明においては、弁傘部の素材として「バルブ軸径よりも太径の丸素材」を用い、中空孔の内径も、当初は「完成バルブ中空部内径より大きい」と記されている。下記特許文献２の図１においては、当初の中空孔の内径が、弁傘部の熱間鍛造プロセスにおいてさらに拡径され、弁傘部の拡径部内部に拡径された中空孔が設けられるように描かれているが、実際の鍛造プロセスにおいて最初に開けられた中空孔の内径以上に中空孔を拡径して適切な形状に形成するのはきわめて困難であり、現実には、中空孔は、下記特許文献２の図１に描かれているようには拡径されない。

下記特許文献３の「Ｎａ封入中空エンジンバルブの製造方法」においては、第１発明と第２発明では、パイプの先端をまず球状に鍛造して後に傘状に成形するという方法で弁傘部の先端拡径部の成形を行っており、成形方法は熱間鍛造である。第１発明では中空パイプ状のまま、第２発明では中空部に被削性に富む素材を封入しているという相違点がある。これに対し、第３発明にては、中空部に被削性に富む素材を封入した中空軸部より大径のパイプから出発し、一端を傘状に、他端を細いパイプ状に成形する。成形方法は、いずれも熱間鍛造である。

また、中空孔の形成に関しては、第１発明は当初から中空状であり、第２発明と第３発明においては、中空部に封入された被削性に富む素材を切削除去することによって行っている。なお、第１から第３のすべての発明において、弁傘部の先端拡径部中央には耐熱性の高い素材が欠落している状態であるが、最後のプロセスにおいて、この部分に耐熱性の高い素材を溶接することによって、先端拡径部の外側全体を耐熱性の高い素材からなるものとして形成するという方法を用いている。

下記特許文献４の「Ｎａ封入中空エンジンバルブの製造方法」においては、弁傘部は団塊形状（第１発明）あるいは丸棒形状（第２発明）であり、中空軸部と接合される端部に、いずれも浅孔を有しているのが特徴である。すなわち、弁傘部を構成する耐熱性に富む素材は被削性が悪いので、浅孔を穿つのみとして、この部分に中空軸部を溶接して連続せる中空孔を形成し、その後に弁傘部を傘状に成形する。弁傘部の成形は、いずれも熱間鍛造によって行われる。この方法特有の欠点は、弁傘部に穿たれる中空孔が浅孔なので、完成品の中空エンジンバルブにおいては、弁傘部と中空軸部との溶接箇所が弁傘部の拡径部のすぐ近傍となり、エンジン稼動中にはかなりの高温に晒されることになるので、強度不安が残ることとなるという点である。
特開昭６３‐１９５３０８号公報 特開平７−１０２９１７号公報 特開平７−１１９４２１号公報 特開平７−２０８１２７号公報

上記従来技術を見る限り、弁傘部の成形にはいずれも熱間鍛造が用いられ、また中空孔の成形においては、最初に耐熱性の高い素材のパイプ内に被削性に富む素材を封入しておき、仕上げに被削性に富む素材をガンドリルなどで切削して中空孔を設けたり、あるいは当初から耐熱性の高い素材をパイプ状で用い、そのまま中空孔としたり、さらには弁傘部の中空孔を浅孔ですませておき、通常の鋼よりなるパイプを連設して中空孔として完成させるなど、弁傘部の耐熱性の高い素材の難加工性を克服するために、さまざまな工夫が行われてきた。

しかしながら、まず、弁傘部の成形に熱間鍛造を用いるという点においては、次のような問題点が指摘されてきた。すなわち、熱間鍛造の場合には、素材の温度を８５０℃〜１２００℃位まで上げなければならず、そのための設備が必要となる。また、冷却にも時間を要するので、その分加工手間は悪くなる。また、熱間鍛造においては、金属の膨張等の問題から、冷間鍛造ほどの精密な加工精度が望めないし、製品の表面の肌理が、冷間鍛造に比べて劣る結果となる。

したがって、弁傘部の加工は、本来は冷間鍛造、あるいはせいぜい温間鍛造にて行うのが理想的である。しかしながら、特に排気弁用の中空エンジンバルブの弁傘部には、どうしてもマンガンベースやニッケルベースの耐熱性に優れた鋼材を用いなければならないが、これらの素材は非常に硬いため前述のように加工性に著しく劣り、これまで、冷間鍛造にて弁傘部の完成形状に成形するのは到底無理であると考えられてきた。

この点は、上記特許文献３（段落０００６）、上記特許文献４（段落０００８）にも明記されているところである。以下、上記特許文献４の当該箇所を引用する。
「排気弁用の主流となっているＳＵＨ３５（２１％Ｃｒ−４％Ｎｉ―９％Ｍｎ鋼）では、仕上時の冷間加工時にＭｎを多量に含有しているため、加工硬化を生じ造管が極めて困難で現状造管技術では、外径１０ｍｍ以下の冷間造管時に微細クラック発生や破断を生じ実用化のネックとなっている。」
なお、引用中のＳＵＨ３５の成分表記は、上記特許文献４の表記のままである。

また、中空孔の形成においても、様々な問題が生じている。弁傘部の中空孔は、内部に封入されるナトリウムの冷却作用という点からすれば、断面同一の単純な円筒形状ではなく、最も高温となる先端拡径部の内部にて、外面の拡径形状に相応して拡径されていることが望ましいのは当然のことである。しかしながら、浅孔を穿設した状態では、上記特許文献４の発明に見られるように先端拡径部の内部にて中空孔を拡径させることは不可能である。かといって、上記特許文献３の発明のように弁傘部の素材を当初からパイプ状とすると、結局最後に、先端に耐熱性の高い素材を別に溶接しなければならないが、これには手間がかかるし、また、弁傘部先端拡径部は特に高温に晒される部位であるので、溶接による強度不安が残ることになる。さらに、上記特許文献２の発明においては、弁傘部の先端拡径部の中空孔が上記特許文献２の図１のようにはならないことは、前述のとおりである。

以上より、本発明の課題を、以下のように設定した。
＜課題１＞
中空エンジンバルブにおいて、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる弁傘部の成形を、冷間鍛造によって行う方法を開発する。
＜課題２＞
上記素材よりなる弁傘部の先端拡径部において、中空孔の最大内径が、少なくとも弁傘部の後端部、すなわち中空軸部との接続部分の外径よりも大であるように拡径された中空孔を得る。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、下記に示す解決手段を提供するものである。
＜解決手段１＞
中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる弁傘部に中空軸部に溶接される側が開口された弁傘部中空孔を有し、該弁傘部中空孔が弁傘部の拡径部内において拡径形成されていて、該弁傘部中空孔の最大内径が中空軸部の最大外径より大である中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法において、
中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材を加工して弁傘部半完成品となし、該弁傘部半完成品においては、円筒形状の胴部の一端に胴部と一体の拡径部を有し、拡径部側を下とした場合に、拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と同一であり、完成品の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径を有する円筒形状中空孔を有し、該円筒形状中空孔は上端が開口され下端が拡径部内において有底である弁傘部半完成品を製造する第１ステップと、
上記弁傘部半完成品を、冷間鍛造により拡径部の上部及び胴部を複数段階に分けて徐々に絞り上げ、
すなわち、上記弁傘部半完成品の拡径部の上部及び胴部を押圧するダイスの内径が、段階が進むごとに少しずつ縮小されたダイスを、絞り上げ工程の数だけ用いて徐々に絞り上げ、
弁傘部中空孔の拡径部内に於ける最大内径が上記円筒形状中空孔の内径のままに保持され、その内径は上方に向かうに従い縮径され、胴部の上端にて上記中空軸部の中空孔の内径と等しくなるように構成された完成品の弁傘部を得る第２ステップと、
よりなることを特徴とする、中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
＜解決手段２＞
第１ステップにおいて、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる、完成品の弁傘部の最小外径よりは大径で最大外径よりは小径の円筒形状の中実丸棒を素材とし、該中実丸棒の、一端の円形面を上面、他端の円形面を下面とした場合に、
該中実丸棒に、上端が開口され下端が有底の円筒形状中空孔を形成し、該円筒形状中空孔の内径は完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一とし、
次に、下部を鍛造により拡径してその最大外径を完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致させることにより、
拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致し、完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径の下端が有底の円筒形状中空孔を有する弁傘部半完成品を製造することを特徴とする解決手段１に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
＜解決手段３＞
第１ステップにおいて、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる、完成品の弁傘部の最小外径よりは大径で最大外径よりは小径の円筒形状の中実丸棒を素材とし、該中実丸棒の、一端の円形面を上面、他端の円形面を下面とした場合に、
下部を鍛造により拡径してその最大外径を完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致させ、次に上端が開口され下端が有底の円筒形状中空孔を形成し、該円筒形状中空孔の内径は完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一とし、
拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致し、完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径の下端が有底の円筒形状中空孔を有する弁傘部半完成品を製造することを特徴とする解決手段１に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
＜解決手段４＞
第２ステップにおいて、ダイスが固定されるラムとワークが固定されるプレスベッドを、ラムを上方に、プレスベッドを下方に離間設置し、
ラムに、冷間鍛造を行う工程数（ｎ回）だけのｎ個のダイスを絞り上げの工程の順番に等間隔に固定し、但しｎは正の整数でｎ≧２とし、
プレスベッドには上記弁傘部半完成品を、１番目の弁傘部半完成品が最初のダイスの下方になるように位置させ、
ラムを下降させて１番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
ラムを上昇させて、１番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの下方に位置するようにトランスファー移動させると同時に２番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの下方に位置させ、
ラムを下降させて２番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の２回目の絞り上げ鍛造を行うと同時に１番目のダイスにより２番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
ラムを上昇させて、１番目の弁傘部半完成品が３番目のダイスの下方に位置し、２番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの下方に位置するようにトランスファー移動させると同時に３番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの下方に位置させ、
このようにして、ｎ回のラムの降下と複数の弁傘部半完成品のトランスファー移動により１番目の弁傘部半完成品が弁傘部完成品となったところで１番目の弁傘部完成品をプレスベッドより除去し、
さらに上記工程を連続させて複数の弁傘部完成品を得る、
ことを特徴とする解決手段１あるいは解決手段２あるいは解決手段３に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
＜解決手段５＞
第２ステップにおいて、ダイスが固定されるラムとワークが固定されるプレスベッドを、ラムを下方に、プレスベッドを上方に離間設置し、
ラムに、冷間鍛造を行う工程数（ｎ回）だけのｎ個のダイスを絞り上げの工程の順番に等間隔に固定し、但しｎは正の整数でｎ≧２とし、
プレスベッドには上記弁傘部半完成品を、１番目の弁傘部半完成品が最初のダイスの上方になるように位置させ、
ラムを上昇させて１番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
ラムを下降させて、１番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの上方に位置するようにトランスファー移動させると同時に２番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの上方に位置させ、
ラムを上昇させて２番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の２回目の絞り上げ鍛造を行うと同時に１番目のダイスにより２番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
ラムを下降させて、１番目の弁傘部半完成品が３番目のダイスの上方に位置し、２番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの上方に位置するようにトランスファー移動させると同時に３番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの上方に位置させ、
このようにして、ｎ回のラムの上昇と複数の弁傘部半完成品のトランスファー移動により１番目の弁傘部半完成品が弁傘部完成品となったところで１番目の弁傘部完成品をプレスベッドより除去し、
さらに上記工程を連続させて複数の弁傘部完成品を得る、
ことを特徴とする解決手段１あるいは解決手段２あるいは解決手段３に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
＜解決手段６＞
両端が開放された中空軸部の一端に解決手段１あるいは解決手段２あるいは解決手段３あるいは解決手段４あるいは解決手段５の製造方法にて製造した弁傘部を溶接し、他端に軸端封止材を溶接してなる中空エンジンバルブ。
＜解決手段７＞
一端が封止された中空軸部の他端に解決手段１あるいは解決手段２あるいは解決手段３あるいは解決手段４あるいは解決手段５の製造方法にて製造した弁傘部を溶接してなる中空エンジンバルブ。

本発明の、解決手段１の発明によれば、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材を加工して弁傘部半完成品となし、該弁傘部半完成品においては、円筒形状の胴部の一端に胴部と一体の拡径部を有し、拡径部側を下とした場合に、拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と同一であり、完成品の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径を有する円筒形状中空孔を有し、該円筒形状中空孔は上端が開口され下端が拡径部内において有底である弁傘部半完成品を製造する第１ステップを有しているので、完成品の弁傘部に設けられる弁傘部中空孔の最大内径を、中空軸部の外径より大とすることが可能であり、これにより、中空孔内に封入されるナトリウムが、最も高温となる弁傘部の拡径部において、拡径された中空孔内部に充満できることにより、弁傘部の拡径部の冷却が効率的に行われる。また、溶接により弁傘部の拡径部を耐熱性の高い素材で封止するということも行わず、弁傘部の拡径部の中空孔を外包する耐熱性の高い素材はすべて一体として成形されるので、溶接の手間が要らず、また強度的な不安も生じない。

すなわち、弁傘部の半完成品として、完成品の弁傘部に設けられる弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径の中空孔を設けた状態のものをまず製作しているので、後は、絞り上げの工程において、弁傘部中空孔の有底端部をそのままの状態にしておいて、その他の部分を絞り上げることにより、弁傘部の拡径部内に望みの内径の中空孔を設けることができるものである。

また、予め弁傘部の半完成品の拡径部の最大外径を完成品の弁傘部の最大拡径部の外径と一致させているので、後の絞り上げ（ネッキング）の工程（第２ステップ）においても、この部分にのみは力を加える必要がなく、すなわちこの部分をダイスで押圧する必要がなく、これにより、第２ステップにおいても、座屈やクラックを生じることがない。すなわち、第２ステップにおいて、拡径部の特に中央から下部についてはその外側も内側も大部分が加工する必要がないように、拡径部の最大外径及び拡径部内の中空孔の最大内径を完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と拡径部内の中空孔の最大内径に揃えた状態の半完成品を製造してから第２ステップに移るため、第２ステップの冷間鍛造プロセスにおいては、それ以外の部分、すなわち拡径部の上部及び胴部を徐々に絞り上げるというごく単純な工程に還元されるので、従来困難とされていた耐熱性の特に高い鋼材の冷間鍛造が可能となったものである。

すなわち、従来の発想においては、「弁傘部の冷間鍛造」を考える場合、弁傘部の丸ごと全体を一気に冷間鍛造によって成形しようと考えていたため、素材の加工困難性がネックとなって、前記のように実現不可能とされていたものである。しかしながら、本願発明者は、最初に弁傘部の拡径部の最大外径部分とその内部の中空孔の最大内径部分さえ完成品と同様の形状に成形しておくならば、後はそれ以外の部分を複数回に分割して絞り上げて（ネッキング）いくだけの工程になり、この方法によるなら、冷間鍛造にても弁傘部の成形が可能となるのではと考え、実験してみた。すなわち、弁傘部の成形工程全体を、拡径部の最大外径とその内部の中空孔の最大内径が完成品と同様の状態の半完成品を成形する第１ステップと、さらに、それ以外の部分を複数回に分割して絞り上げて完成品を得る第２ステップに分割して行う方法を考え、実験してみたところ、座屈やクラックもなく、完全な弁傘部完成品を冷間鍛造にて得ることに成功したものである。

同じく本発明の解決手段１の発明によれば、上記弁傘部半完成品を、冷間鍛造により拡径部の上部及び胴部を複数段階に分けて徐々に絞り上げ、すなわち、上記弁傘部半完成品の拡径部の上部及び胴部を押圧するダイスの内径が、段階が進むごとに少しずつ縮小されたダイスを、絞り上げ工程の数だけ用いて徐々に絞り上げ、弁傘部中空孔の拡径部内に於ける最大内径が上記円筒形状中空孔の内径のままに保持され、その内径は上方に向かうに従い縮径され、胴部の上端にて上記中空軸部の中空孔の内径と等しくなるように構成された完成品の弁傘部を得る第２ステップを有しているので、従来冷間鍛造ではとても成形は無理であると思われていた、耐熱性の特に高い素材を用いた弁傘部の冷間鍛造が可能となったものである。

すなわち、前述のように、弁傘部半完成品の拡径部の中央から下部（最大外径部分とその周辺部）には一切力を加えず（ダイスを当てず）、それより上の部分を、複数回に分けて少しずつ丹念に絞り上げていくことにより、従来では不可能とされていた耐熱性の高い素材による弁傘部の冷間鍛造成形に成功した。

絞り上げの工程数は、中空エンジンバルブのサイズや形状によって夫々異なってくる。今、絞り上げの工程数をｎ回（ｎは正の整数で、ｎ≧２とする）とすれば、中空軸部の直径が６ｍｍ程度、中空孔の中空軸部内の内径が３ｍｍ程度、弁傘部の拡径部の外径が３０ｍｍ程度、弁傘部の拡径部の中空孔の最大内径が１０ｍｍ程度の中空エンジンバルブ（普通乗用車のエンジンに使用する標準的なサイズ）で、８〜１５回程度が適切な工程数であろうと考えられる。このサイズの中空エンジンバルブの弁傘部においては、絞り上げの工程数が８回を下回るようになると１回毎の絞り上げに無理が生じて座屈やクラックを生じ、あるいは絞り上げ工程そのものが円滑に進まなくなる。また、工程数は多ければ多いほど良いというものでもなく、沢山のダイスを用意しなければならず、設備規模も大きくなり、加工手間も煩瑣で、加工時間も長くなる。およそ１５回位から上は、仕上げ精度や工程の円滑さも左程変わらないので、上限は１５回程度と考えられる。

このように、弁傘部の拡径部の中央から下部（最大外径部分とその周辺部）には一切力を加えず、また絞り上げの工程数を適切な範囲の回数とすることによって、耐熱性の特に高い素材による弁傘部の冷間鍛造成形に成功したものであり、その結果として、熱間鍛造に必要な装置類は不要となり製造ラインの規模を縮小し簡易化することができた。また、部材を加熱する時間と冷却する時間が省略できるので、製造時間の短縮につながり、コストダウンにも貢献することとなった。また、冷間鍛造は熱間鍛造に比べて高精度であるので、製品の品質向上が図られるという顕著な効果を奏し得たのである。

本発明の解決手段２あるいは解決手段３の発明によれば、解決手段１の発明に記載された弁傘部半完成品を得るための第１ステップが詳細に記載されているので、具体的に本発明を実施することが可能である。すなわち、解決手段２あるいは解決手段３の発明は、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に特に優れた素材よりなる、完成品の弁傘部の最小外径よりは大径で最大外径よりは小径の円筒形状の中実丸棒を素材とする。このような素材は、丸棒を所定の直径に成形して切断して簡単に得ることができるものである。また、中空孔の成形はパンチあるいは鍛造（熱間、温間、冷間を問わない）により、そして拡径部の成形は鍛造（熱間、温間、冷間を問わない）により、簡単に行うことができる。無論、冷間鍛造にては熱間鍛造より加工は困難ではあるものの、弁傘部完成品に比較すればはるかに単純な形状の半完成品を得れば良いので、十分に可能である。

したがって、本発明においては、比較的技術的に簡単な第１ステップ、すなわち弁傘部の半完成品を得る工程において、
１．完成品の弁傘部の中空孔の最大内径に等しい内径を有する中空孔
２．完成品の弁傘部の拡径部の最大外径に等しい外径を有する拡径部
以上の２要素を予め成形しておき、
技術的に複雑な要因を有する冷間鍛造の第２ステップにおいては、上記１、２の部分には触れず、工程としてごく単純な「絞り上げ」（ネッキング）工程に特化させ、それを必要回数繰り返して徐々に絞り上げを進めた点、
これにより、従来不可能であると思われていた、耐熱性に特に優れた素材による弁傘部の冷間鍛造加工に成功したこと、
この点に、本発明の要点は、尽くされているのである。

すなわち、前述のように、従来は、耐熱性に特に優れた素材による弁傘部の加工を、一気に行おうとする発想から抜けられなかったため、そのような加工は冷間鍛造では到底不可能であると考えられていた。したがって、冷間鍛造の各種の利点は十分に認識されながらも、試みてみようとする者さえ現れないという状態であった。

しかるに、叙上のように、本発明の発明者は、鍛造技術開発、特に冷間鍛造の分野に長年携わってきた経験から、耐熱性に特に優れた素材による弁傘部の冷間鍛造加工は、これを一気に行うことはとても無理であるが、上記第１ステップと第２ステップに分割してこれを行えば可能ではないかという着想を得て、実際にこれを行ってみたところ、座屈やクラック等の瑕疵が見られず、加工精度の良い弁傘部の冷間鍛造加工に成功したものである。したがって、これにより、耐熱性に特に優れた素材による弁傘部の加工において、冷間鍛造の有する様々な効果を得られることとなったのである。

本発明の解決手段４あるいは解決手段５の発明によれば、解決手段１あるいは解決手段２あるいは解決手段３の発明における第２ステップの各工程が詳細に記載されているので、これらの発明における第２ステップを具体的に実施することが可能である。また、複数個の弁傘部半完成品をトランスファー移動させることが開示されているので、第２ステップを無駄なく合理的に組み上げることが可能である。すなわち、加工に要する時間を最小となし、また加工設備も最小規模のもので、第２ステップの冷間鍛造工程を実施することが可能である。また、本発明の解決手段６あるいは解決手段７の発明によれば、本発明の解決手段１あるいは解決手段２あるいは解決手段３あるいは解決手段４あるいは解決手段５の発明によって得られた弁傘部を有する完成品としての中空エンジンバルブを得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例１として、弁傘部１の製造方法及び弁傘部１を有する中空エンジンバルブＶを、以下に詳細に説明する。中空エンジンバルブＶは、図５ａ、図５ｂに示すように、弁傘部１、中空軸部２、軸端封止材３から構成されている。すなわち、中空軸部２の一端に弁傘部１が溶接され、他端に軸端封止材３が溶接され、内部に中空孔Ｓが設けられた構成であって、中空孔Ｓには図示しないナトリウムが封入される。ナトリウムは、軸端封止材３が溶接される前に封入される。中空軸部２は、鋼板を丸めて端部どうしを溶接した電縫管や、継ぎ目のないシームレスパイプなどを用いることができる。また、中空軸部２に弁傘部１あるいは軸端封止材３を溶接する際の溶接方法は問わないが、摩擦圧接などを用いることができる。なお、Ｓ１は弁傘部１内の中空孔、Ｓ２は中空軸部内の中空孔である。また、中空エンジンバルブＶを吸気弁用として用いる場合には、中空孔Ｓ内にナトリウムを封入する必要はなく、中空状のままでよい。

弁傘部１、中空軸部２、軸端封止材３の素材に関しては、これを、耐熱性を基準として並べれば、以下のとおりである。
特に高い耐熱性を有する素材（素材Ａ群）……弁傘部１に使用
次に高い耐熱性を有する素材（素材Ｂ群）……中空軸部２に使用
通常程度の耐熱性を有する素材（素材Ｃ群）……軸端封止材３に使用
但し、以上は中空エンジンバルブＶを排気弁用として用いるという前提であって、中空エンジンバルブＶを吸気弁用として用いる場合には、弁傘部１、中空軸部２、軸端封止材３の全体を、上記素材Ｃ群（通常程度の耐熱性を有する素材）で構成しても、何等差し支えはない。

以下、上記素材Ａ群について、その一例を具体的に掲げれば、次のとおりである。なお、各素材の主要成分については、図６を参照されたい。
ＮＣＦ４７Ｗ（ニッケルベース鋼）
ＳＵＨ３５（オーステナイト系マンガンベース鋼）
インコネル７５１（ニッケルベース鋼）
なお「インコネルInconel」はスペシャルメタル社(Special Metals Corporation／旧名インコ社・International Nickel Company）の登録商標であり、ベースのニッケルに加えられる鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等の元素比率によって様々な種類のものが造られているが、いずれも耐熱性には特に優れている反面、加工は困難である。

次に、上記素材Ｂ群について、その一例を具体的に掲げれば、次のとおりである。なお、各素材の主要成分については、図６を参照されたい。
ＳＵＳ３０４（オーステナイト系ニッケルベース鋼）
ＳＵＳ４３０（フェライト系ステンレス鋼）
ＳＵＨ１１（マルテンサイト系ステンレス鋼）
ＳＵＳ３０４は、１８−８ともいわれる代表的なステンレス鋼で、加工性、耐食性、耐熱性に優れているが、加工硬化性が大きいので、冷間鍛造にはやや不向きとされている。また、ＳＵＳ４３０は、１８Ｃｒといわれるクロム系ステンレスの代表鋼種で、１８−８系よりは安価であるが、加工性、耐食性の点でやや劣る。ＳＵＨ１１については次段落を参照されたい。

最後に、上記素材Ｃ群について、その一例を具体的に掲げれば、次のとおりである。なお、主要成分については、図６を参照されたい。
ＳＵＨ１１（マルテンサイト系ステンレス鋼）
ＳＵＨ１１はマルテンサイト系の耐熱鋼で、クロム系であり、耐熱性は上記ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０より劣るが、加工性は良い。この素材は、ある程度の耐熱性は有しているので、上記のように中空軸部２に使用することもできる。

弁傘部１、中空軸部２、軸端封止材３の素材に関しては、上記のとおりである。中空エンジンバルブＶを排気弁用として用いる場合には、弁傘部１の素材は上記素材Ａ群より、中空軸部２の素材は上記素材Ｂ群より、軸端封止材３の素材は上記素材Ｃ群より選択するが、中空軸部２の素材を上記素材Ａ群より、軸端封止材３の素材を上記素材Ａ、Ｂ群より選択しても、無論問題はない。また、中空エンジンバルブＶを吸気弁用として用いる場合には、弁傘部１、中空軸部２、軸端封止材３の素材をすべて上記素材Ｂ群、あるいはＣ群より選択することができる。無論Ａ群より選択しても技術的には何等問題はないが、加工面や価格面からすると意味のない選択となる。
以下、本発明の実施例１の中核となる弁傘部の形成について、詳細に説明する。

＜第１ステップ＞
図１に、本発明の実施例１の第１ステップを示す。図１ａには、弁傘部１の半完成品１１を縦断面図にて示す。半完成品１１は、円盤状の拡径部１１１と円筒形状の胴部１１２が一体として形成されていて、胴部１１２の下端部が連続的に拡径部１１１の上端に接続されており、接続部分は図１ａに見るように緩やかなカーブを描いている。半完成品１１の内部には下端が有底の円筒形状の中空孔Ｓ１１が形成されおり、中空孔Ｓ１１の上端は胴部１１２の上面にて開口され、下端は拡径部１１１内にて有底とされている。この半完成品１１の拡径部１１１の上部及び胴部１１２の全体を冷間鍛造によって絞り上げ（ネッキング）、図１ｂに見るような弁傘部１の完成品を得る。図１ｂにおいて、１ａは拡径部、１ｂは胴部である。完成品の弁傘部１においては、拡径部１ａと胴部１ｂの境界を確定するのは困難であるが、図１ｂにては、断面図の外形の曲線の曲率が急になる部分にて拡径部１ａと胴部１ｂを分けている。またＳ１は下端が有底の円筒形状の中空孔で、中空孔Ｓ１の上端は胴部１ｂの上面にて開放され、下端は拡径部１ａの内部にて有底とされている。

図１ａにて、ｈ１１は半完成品１１の全体の高さ、ｈ１２は拡径部１１１の高さ、ｈ１３は胴部１１２の高さ、ｈ１４は中空孔Ｓ１１の高さ（深さ）、φ１０は胴部１１２の外径、φ１２は、拡径部１１１の最大外径、φ１１は中空孔Ｓ１の内径である。また、図１ｂにて、ｈ１５は完成品の弁傘部１の全体の高さ、ｈ１６は拡径部１ａの高さ、ｈ１７は胴部１ｂの高さ、ｈ１８は中空孔Ｓ１の高さ（深さ）、φ１４は胴部１ｂの上端部の外径、φ１２は、拡径部１１１の最大外径、φ１１は中空孔Ｓ１の最大内径、φ１３は中空孔Ｓ１の上端部の内径である。

ここで、完成品の弁傘部１の全体の高さｈ１５は半完成品１１の全体の高さｈ１１より大（ｈ１１＜ｈ１５）、中空孔Ｓ１の高さ（深さ）ｈ１８は中空孔Ｓ１１の高さ（深さ）ｈ１４より大（ｈ１４＜ｈ１８）、拡径部１１１の高さｈ１２は拡径部１ａの高さｈ１６と略同一（ｈ１２≒ｈ１６）、胴部１ｂの高さｈ１７は胴部１１２の高さｈ１３より大（ｈ１３＜ｈ１７）、拡径部１１１の最大外径は拡径部１ａの最大外径と同一（両者共φ１２）、胴部１１２の上端部の外径φ１０は胴部１ｂの上端部の外径φ１４より大（φ１４＜φ１０）、中空孔Ｓ１１の内径は中空孔Ｓ１の最大内径と同一（両者共φ１１）、中空孔Ｓ１１の内径φ１１は中空孔Ｓ１の上端部の内径φ１３より大（φ１３＜φ１１）である。

図２に、半完成品１１を得る第１の方法を示す。図２ａに示すように、素材Ａ群（図６参照）から選択された素材よりなる中実丸棒２Ａを用意する。実施例１にては、ＮＣＦ４７Ｗを用いた（主要成分は図６参照）。中実丸棒２Ａの外径は、半完成品１１の胴部１１２の外径と同じφ１０、高さｈ２０は半完成品１１の高さｈ１１より低い（ｈ２０＜ｈ１１）。

中実丸棒２Ａの上面にパンチで中空孔２Ｃを形成して、コップ状の中間部材２Ｂとする（図２ｂ）。中空孔２Ｃは、中間部材２Ｂの全体の高さｈ２１の半分程度の高さ（深さ）ｈ２２を有するものとする。この際、中間部材２Ｂの外径は、中実丸棒２Ａの外径φ１０と同一とするので、結果として、中間部材２Ｂの高さｈ２１は、中実丸棒２Ａの高さｈ２０より大となる（ｈ２０＜ｈ２１）。また、中空孔２Ｃの内径は、半完成品１１（図２ｃ）の中空孔Ｓ１１の内径φ１１と同一とする。

次に、中間部材２Ｂの下部を鍛造によって成形して拡径部１１１とする。この際、鍛造の種類は問わない。すなわち、冷間鍛造、温間鍛造、熱間鍛造のいずれを用いてもよい。このステップは中間工程であるので、後述の第２ステップにて要求されるほどの精度は要求されないが、中間部材２Ｂの上部の外径を半完成品１１の胴部の外径φ１０に保持すること、中空孔２Ｃの内径を、半完成品１１の中空孔Ｓ１１の内径φ１１に保持すること、さらに、中間部材２Ｂの下部を拡径部１１１とする際に最大外径を半完成品１１の拡径部１１１の最大外径φ１２とすること、この３点が重要となる。なお、この過程にて、中空孔２Ｃ（高さｈ２２）はやや深められて、高さ（深さ）ｈ１４の中空孔Ｓ１１とされる。このように、中実丸棒２Ａ（図２ａ）から中間部材２Ｂ（図２ｂ）を経由して半完成品１１（図２ｃ）を得る。

図３に、半完成品１１を得る第２の方法を示す。図３ａに示すように、素材Ａ群（図６参照）から選択された素材よりなる中実丸棒３Ａを用意する。実施例１にては、ＮＣＦ４７Ｗを用いた。中実丸棒３Ａの外径は、半完成品１１の胴部１１２の外径と同じφ１０、高さｈ３０は半完成品１１の高さｈ１１より低い（ｈ３０＜ｈ１１）。なお、高さｈ３０は先述の中実丸棒２Ａの高さｈ２０と等しい（ｈ３０＝ｈ２０）。

中実丸棒３Ａの下部を鍛造によって成形して拡径部３Ｃを有する中実の帽子状の中間部材３Ｂとする（図３ｂ）。この際、鍛造の種類は問わない。すなわち、冷間鍛造、温間鍛造、熱間鍛造のいずれを用いてもよい。このステップは中間工程であるので、後述の第２ステップにて要求されるほどの精度は要求されないが、中間部材３Ｂの上部の外径を半完成品１１の胴部の外径φ１０に保持することと、中間部材３Ｂの下部を拡径部３Ｃとする際に拡径部３Ｃの最大外径を半完成品１１の拡径部１１１の最大外径φ１２とすること、この２点が重要となる。なお、この過程で、中間部材３Ｂの高さｈ３１はやや低くなる。すなわち、ｈ３１＜ｈ３０である。

次に、中間部材３Ｂの上面にパンチで高さ（深さ）ｈ１４、内径φ１１の中空孔Ｓ１１を形成する。この過程にて、中間部材３Ｂの上部は延伸されて高さｈ１３の胴部１１２となる（図３ｃ）。このように、中実丸棒３Ａ（図３ａ）から中間部材３Ｂ（図３ｂ）を経由して半完成品１１（図３ｃ）を得る。この際、胴部１１２の外径をφ１０に保持する点と、拡径部１１１の最大外径をφ１２に保持する点の２点が重要である。

＜第２ステップ＞
次に、図４にて第２ステップにおける冷間鍛造のプロセスを詳細を説明する。図４において、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ（ｍ−１）、Ｄｍ、Ｄ（ｎ−１）、Ｄｎはダイスである。但し、Ｄｎはｎ番目（最後）のダイス、Ｄｍはｍ番目のダイスであり、ｍ＜ｎ、ｍとｎはいずれも３以上の正の整数とする。また、Ｄ（ｍ−１）はダイスＤｍの一つ手前のダイス、Ｄ（ｎ−１）はダイスＤｎの一つ手前のダイスを意味する。ダイスＤ１、Ｄ２、Ｄ（ｍ−１）、Ｄｍ、Ｄ（ｎ−１）、Ｄｎは、中央の成形孔Ｍ１、Ｍ２、Ｍ（ｍ−１）、Ｍｍ、Ｍ（ｎ−１）、Ｍｎの内径が、順次縮小されている。また、ＲＭはダイスＤ１、Ｄ２、Ｄ（ｍ−１）、Ｄｍ、Ｄ（ｎ−１）、Ｄｎが固定されるラムである。

また、１１は半完成品、１１ａ、１１ｍ、１１ｎは中間ワークであり、１は完成品の弁傘部である。さらにＰＢは半完成品１１、中間ワーク１１ａ、１１ｍ、１１ｎ、弁傘部１の完成品が固定されるプレスベッドである。ダイスＤ１、Ｄ２、Ｄ（ｍ−１）、Ｄｍ、Ｄ（ｎ−１）、ＤｎとラムＲＭの適切な固定状態、及び半完成品１１、中間ワーク１１ａ、１１ｍ、１１ｎ、弁傘部１の完成品とプレスベッドＰＢの適切な固定状態を実現するためには、各種の固定具が当然必要となるが、それらを表示すると図面が複雑となりわかりにくくなるので、各種の固定具の類の図示はすべて省略している。また、このステップにて用いられるトランスファー移動（後述）に関する装置類も、すべて省略して図示している。

次に、第２ステップの作用について説明する。図４にては、半完成品１１の上部にダイスＤ１が、中間ワーク１１ａの上部にダイスＤ２が、中間ワーク１１ｍの上部にダイスＤｍが、中間ワーク１１ｎの上部にダイスＤｎが、夫々位置せしめられているが、最初の状態では、当然半完成品１１がダイスＤ１の下部に位置せしめられただけの状態で、中間ワーク１１ａ、１１ｍ、１１ｎ、弁傘部１の完成品は存在しない。その状態で、ラムＲＭを下降（ｙ方向）させる。

ラムＲＭが下降すると、ダイスＤ１の成形孔Ｍ１が半完成品１１の拡径部１１１の上部及び胴部１１２を絞り上げ、半完成品１１は成形されて中間ワーク１１ａとなる。成形孔Ｍ１の内径は半完成品１１の胴部１１２の外径φ１０よりやや小なので、半完成品１１の胴部１１２の外径φ１０は少し縮小されて中間ワーク１１ａとなり、その高さは半完成品１１の高さｈ１１（図１ａ参照）よりやや高くなる。また、中空孔Ｓ１１も絞られてその内径φ１１がやや縮小された中間ワーク１１ａの中空孔Ｓ１１ａとなるが、ダイスＤ１は半完成品１１の拡径部１１１の中央部から下部にかけて（最大外径部分とその周辺部）は押圧しないので、中空孔Ｓ１１の下端部も押圧されることなく、この部分の内径はφ１１のまま保持される。したがって、中間ワーク１１ａの拡径部１１１ａの最大外径も当然φ１２のままに保持される。

１回目の絞り上げが完了するとラムＲＭは上昇し、半完成品１１は中間ワーク１１ａとなる。この際、図示しない固定具の作用によって、中間ワーク１１ａはプレスベッドＰＢに固定されているので、ダイスＤ１と一緒に上昇することがない。ラムＲＭの上昇が終わると、中間ワーク１１ａ（元の半完成品１１）の固定が解除され、図示しない移動装置によって、図５で一つ右の位置にトランスファー移動（ｘ方向）され、次のダイスＤ２の直下に位置せしめられて再度固定される。なお、トランスファー移動とは、ワークの位置を一つずつ順次ずらせていく移動のことをいう。中間ワーク１１ａ（元の半完成品１１）が右にトランスファー移動させられると、空いた位置には新たな半完成品１１が固定される。

したがって、この段階では、プレスベッドＰＢ上には半完成品１１と中間ワーク１１ａが固定されている。この状態で、ラムＲＭを降下（ｙ方向）させ、ダイスＤ１にて半完成品１１を、ダイスＤ２にて中間ワーク１１ａを押圧成形する。成形が完了すれば、半完成品１１と中間ワーク１１ａを右へトランスファー移動させ、プレスベッドＰＢの左端には新たな半完成品１１を固定する。

図４の中央には、ｍ番目の中間ワーク１１ｍとダイスＤｍを示す。また、その右には最後の中間ワークである１１ｎとダイスＤｎを示す。最後の中間ワーク１１ｎはダイスＤｎによって押圧成形されることによって、完成品の弁傘部１となり、右へトランスファー移動される。図４の右端にトランスファー移動された状態の完成品の弁傘部１を示す。完成品の弁傘部１は、プレスベッドＰＢから除去される。

上記のようにして、ラムＲＭを１回降下（ｙ方向）させる度に半完成品１１、中間ワーク１１ａ、１１ｍ、１１ｎを右（ｘ方向）へトランスファー移動させ、完成品の弁傘部１をプレスベッドＰＢから除去し、プレスベッドＰＢの左端には新たな半完成品１１を固定させる。このようにして、連続的に冷間鍛造による成形を行うことにより、ラムＲＭの１回の降下の度に完成品の弁傘部１が１個生産されるので、きわめて合理的であり、効率が良い。一般的に、冷間鍛造の短所として、成形工程の数が多いことが言われるが、上記トランスファー移動を採用することにより、この点は解決されるものである。

なお、図４から明らかなように、ダイスＤ１、Ｄ２、Ｄｍ、Ｄｎは、いずれも半完成品１１、中間ワーク１１ａ、１１ｍ、１１ｎの拡径部１１１、１１１ａ、１１１ｍ、１１１ｎの上部及び胴部１１２、１１２ａ、１１２ｍ、１１２ｎを押圧成形しており、拡径部１１１、１１１ａ、１１１ｍ、１１１ｎの中央から下部（最大外径部分とその周辺部）には触れていない。したがって、拡径部１１１、１１１ａ、１１１ｍ、１１１ｎの最大外径は、φ１２のまま保持されて完成品の弁傘部１の拡径部１ａの最大外径φ１２となる。

また、半完成品１１、中間ワーク１１ａ、１１ｍ、１１ｎの中空孔Ｓ１１、Ｓ１１ａ、Ｓ１１ｍ、Ｓ１１ｎの下端部以外の部分は押圧成形されてその内径は縮小されるが、中空孔Ｓ１１、Ｓ１１ａ、Ｓ１１ｍ、Ｓ１１ｎの下端部は押圧成形されないので、その最大内径はφ１１のままで保持され、完成品の弁傘部１の中空孔の最大内径φ１１に至る。

第２ステップの工程数ｎは、基本的には２以上の自然数となるが、具体的には、求められる中空エンジンバルブのサイズや形状によって異なってくる。今、中空軸部の直径が６ｍｍ程度、中空孔の中空軸部内の内径が３ｍｍ程度、弁傘部の拡径部の外径が３０ｍｍ程度、弁傘部の拡径部の中空孔の最大内径が１０ｍｍ程度の中空エンジンバルブ（普通乗用車のエンジンに使用する標準的なサイズ）で、８〜１５回程度が適切な工程数であろうと考えられるが、この数値限定の理由については先述のとおりである。実施例１にては、上記サイズの中空エンジンバルブの冷間鍛造を様々な回数で試みてみたが、１２回前後が最適であった。

また、トランスファー移動に関しては、１回目のトランスファー移動では、中間ワーク１１ａ（元の半完成品１１）を右にトランスファー移動させるのみで、ダイスＤ１の直下には新たな半完成品１１を配置しないという方法もある。この方法の場合、３回目のトランスファー移動、５回目のトランスファー移動……というように、奇数回目のトランスファー移動のときに、ダイスＤ１の直下に新たな半完成品１１を配置する。このようにすることにより、プレスベッドＰＢ上のワークは１つ置きに配置されることになり、プレスの際の抵抗は半分になる。同数の製品を得るための時間は通常のトランスファー移動の２倍となるが、プレス圧力の軽減による設備の省力化や設備の耐久性の向上等のメリットも多い。

なお、上記にては、ワークとダイスを直線状に配列したが、円周状、あるいは蛇行状に配列する等、様々な応用形態は当然考え得る。また、ラムＲＭを上に、プレスベッドＰＢを下に配置したが、ラムＲＭを下に、プレスベッドＰＢを上に配置して、成形時にラムＲＭを上昇させるようにしても良い。

上記第２ステップは、実施例１にては冷間鍛造にて実施しているが、温間鍛造でも可能であるのは当然のことである。なお、冷間鍛造は、通常は常温での鍛造をいうが、温度範囲としては、０℃〜２５０℃程度までは冷間鍛造と呼んでも差し支えないと考えられる。また、温間鍛造の範囲は、通常は６００℃〜８５０℃程度とされる。２５０℃〜６００℃の間は、温度が低ければ冷間鍛造、高ければ温間鍛造ということになる。温度が８５０℃を超えると、熱間鍛造となる。

以上、第２ステップの詳細を述べた。これにて、弁傘部１の成形が完了するので、後は、図５ａに示す３つの部材、弁傘部１、中空軸部２、軸端封止材３を、図５ｂのように、すなわち、中空軸部２の一端に弁傘部１を、中空軸部２の他端に軸端封止材３を、夫々溶接にて固着させて全体を一体とすれば、中空エンジンバルブＶが完成する。実施例１にては、溶接方法として摩擦圧接を用いた。なお、図５ｂでは図示していないが、中空エンジンバルブＶを排気弁用とする場合には、中空孔Ｓ内には、軸端封止材３を溶接する前にナトリウムが封入される。

また、図５ｂに見るように、弁傘部１と中空軸部２との溶接位置は、中空エンジンバルブＶの中間に近いくらいの高い位置にある。これは、弁傘部１を冷間鍛造によって成形する本発明の方法の特長の一つであり、溶接線をこれくらい弁傘部１の先端から離間できると、溶接線はエンジン稼動時に常時シリンダの外部に位置することになるので、熱による影響が極めて少なく、溶接による強度不安の問題は完全に解消される。また、中空軸部２の素材に、弁傘部１の素材よりは耐熱性に劣る素材を用いても、何の問題も生じない。

本発明の実施例２の中空エンジンバルブＷは、図７ａ、図７ｂに示すように、弁傘部１、中空軸部２０から構成されている。すなわち、一端が封止された中空軸部２０の他端に弁傘部１が溶接され、内部に中空孔ＳＳが設けられた構成であって、中空孔ＳＳには図示しないナトリウムが封入される。ナトリウムは、弁傘部１と中空軸部２０が溶接される前に封入される。中空軸部２０は、鋼板を丸めて端部どうしを溶接した電縫管や、継ぎ目のないシームレスパイプなどの一端を封止したもの、あるいは中実丸棒にドリルで中空孔２０を穿設したものなどを用いることができる。また、弁傘部１と中空軸部２０を溶接する際の溶接方法は問わないが、摩擦圧接などを用いることができる。また、中空エンジンバルブＷを吸気弁用として用いる場合には、中空孔ＳＳ内にナトリウムを封入する必要はなく、中空状のままでよい。弁傘部１の製造方法については、第１ステップ、第２ステップとも実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

実施例２の弁傘部１の素材については、実施例１の項にて述べた素材Ａ群を、中空軸部２０の素材については、実施例１の項にて述べた素材Ｂ群を、夫々用いることが可能である。

本発明は、叙上のように、中空エンジンバルブの、特に耐熱性の高い素材を用いた弁傘部の成形において、冷間鍛造にてこれを行える技術内容を開示するものであるが、これは、斯界の技術者たちがいわば「夢の技術」として、理想的ではあるが現時点では実現不可能としていた技術である。したがって、これを可能としたということは、中空エンジンバルブの製造方法におけるいわば革命的な方法を提供するということになる。

前記のように、中空エンジンバルブの弁傘部に用いられる素材は硬度が特に高く、従来は、熱間鍛造による精度の悪さや冷却時間待ちという加工手間の悪さを我慢し、さらには、超硬刃のガンドリルを用いてもすぐに取り替えなければならないという経済効率の悪さに耐えて、弁傘部の成形が行われてきた。したがって、本発明によって弁傘部の冷間鍛造が可能となったことにより、中空エンジンバルブの工場のラインは一新される可能性が生じた。すなわち、精度の高い中空エンジンバルブを簡単な設備にて合理的かつ安価に量産可能とする新たな生産体制へのシフトが現実のものとなったのである。

そもそも、エンジンバルブは、エンジンにはつきものであり、乗用車や貨物自動車などの車両用のエンジンにとどまらず、航空機用のエンジンや船舶用のエンジンにも用いられている。特に、排気弁用にはナトリウムを封入した中空エンジンバルブが使用されることが多いので、本発明の中空エンジンバルブの製造方法は、エンジン製造工程において、画期的な技術革新を齎すものとなり得る。

また、排気弁に限らず、吸気弁においても中空エンジンバルブを採用することにより、エンジン全体の軽量化につながり、且つ素材の合理化によるコスト低減にもつながるので、これからの傾向としては、吸気弁においてもエンジンバルブの中空化が進むものと思われる。そのような流れの中で、本発明は、エンジン製造に関わる産業において、大きな利用可能性を有するものであると考える次第である。

（ａ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップを説明するための説明図である。 （ｂ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップを説明するための説明図である。 （ａ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第１の方法を説明するための説明図である。 （ｂ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第１の方法を説明するための説明図である。 （ｃ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第１の方法を説明するための説明図である。 （ａ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第２の方法を説明するための説明図である。 （ｂ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第２の方法を説明するための説明図である。 （ｃ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第２の方法を説明するための説明図である。 本発明の実施例１の製造方法における第２ステップを説明するための説明図である。 （ａ）本発明の実施例１における中空エンジンバルブの構成を説明するための説明図である。 （ｂ）本発明の実施例１における中空エンジンバルブの構成を説明するための説明図である。 本発明の実施例１における弁傘部、中空軸部、軸端封止材に用いる各種素材の主要成分を示す図表である。 （ａ）本発明の実施例２における中空エンジンバルブの構成を説明するための説明図である。 （ｂ）本発明の実施例２における中空エンジンバルブの構成を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 弁傘部
１ａ 拡径部
１ｂ 胴部
１１ 半完成品
１１ａ 中間ワーク
１１ｍ 中間ワーク
１１ｎ 中間ワーク
１１１ 拡径部
１１１ａ 拡径部
１１１ｍ 拡径部
１１１ｎ 拡径部
１１２ 胴部
１１２ａ 胴部
１１２ｍ 胴部
１１２ｎ 胴部
２ 中空軸部
２０ 中空軸部
２Ａ 中実丸棒
２Ｂ 中間部材
２Ｃ 中空孔
３ 軸端封止材
３Ａ 中実丸棒
３Ｂ 中間部材
３Ｃ 拡径部
Ｄ１ ダイス
Ｄ２ ダイス
Ｄ（ｍ−１） ダイス
Ｄｍ ダイス
Ｄ（ｎ−１） ダイス
Ｍ１ 成形孔
Ｍ２ 成形孔
Ｍ（ｍ−１） 成形孔
Ｍｍ 成形孔
Ｍ（ｎ−１） 成形孔
ＰＢ プレスベッド
ＲＭ ラム
Ｓ 中空孔
ＳＳ 中空孔
Ｓ１ 中空孔
Ｓ１１ 中空孔
Ｓ１１ａ 中空孔
Ｓ１１ｍ 中空孔
Ｓ１１ｎ 中空孔
Ｓ２ 中空孔
Ｓ２０ 中空孔
Ｖ 中空エンジンバルブ
Ｗ 中空エンジンバルブ
ｈ１１ 高さ
ｈ１２ 高さ
ｈ１３ 高さ
ｈ１４ 高さ
ｈ１５ 高さ
ｈ１６ 高さ
ｈ１７ 高さ
ｈ１８ 高さ
ｈ２０ 高さ
ｈ２１ 高さ
ｈ２２ 高さ
ｈ３０ 高さ
ｈ３１ 高さ
φ１０ 外径
φ１１ 内径
φ１２ 最大外径
φ１３ 内径
φ１４ 外径

Claims (7)

1. 中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる弁傘部に中空軸部に溶接される側が開口された弁傘部中空孔を有し、該弁傘部中空孔が弁傘部の拡径部内において拡径形成されていて、該弁傘部中空孔の最大内径が中空軸部の最大外径より大である中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法において、
   中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材を加工して弁傘部半完成品となし、該弁傘部半完成品においては、円筒形状の胴部の一端に胴部と一体の拡径部を有し、拡径部側を下とした場合に、拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と同一であり、完成品の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径を有する円筒形状中空孔を有し、該円筒形状中空孔は上端が開口され下端が拡径部内において有底である弁傘部半完成品を製造する第１ステップと、
   上記弁傘部半完成品を、冷間鍛造により拡径部の上部及び胴部を複数段階に分けて徐々に絞り上げ、
   すなわち、上記弁傘部半完成品の拡径部の上部及び胴部を押圧するダイスの内径が、段階が進むごとに少しずつ縮小されたダイスを、絞り上げ工程の数だけ用いて徐々に絞り上げ、
   弁傘部中空孔の拡径部内に於ける最大内径が上記円筒形状中空孔の内径のままに保持され、その内径は上方に向かうに従い縮径され、胴部の上端にて上記中空軸部の中空孔の内径と等しくなるように構成された完成品の弁傘部を得る第２ステップと、
   よりなることを特徴とする、中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
2. 第１ステップにおいて、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる、完成品の弁傘部の最小外径よりは大径で最大外径よりは小径の円筒形状の中実丸棒を素材とし、該中実丸棒の、一端の円形面を上面、他端の円形面を下面とした場合に、
   該中実丸棒に、上端が開口され下端が有底の円筒形状中空孔を形成し、該円筒形状中空孔の内径は完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一とし、
   次に、下部を鍛造により拡径してその最大外径を完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致させることにより、
   拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致し、完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径の下端が有底の円筒形状中空孔を有する弁傘部半完成品を製造することを特徴とする請求項１に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
3. 第１ステップにおいて、中空軸部の素材と同等あるいはそれ以上に耐熱性に優れた素材よりなる、完成品の弁傘部の最小外径よりは大径で最大外径よりは小径の円筒形状の中実丸棒を素材とし、該中実丸棒の、一端の円形面を上面、他端の円形面を下面とした場合に、
   下部を鍛造により拡径してその最大外径を完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致させ、次に上端が開口され下端が有底の円筒形状中空孔を形成し、該円筒形状中空孔の内径は完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一とし、
   拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と一致し、完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径の下端が有底の円筒形状中空孔を有する弁傘部半完成品を製造することを特徴とする請求項１に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
4. 第２ステップにおいて、ダイスが固定されるラムとワークが固定されるプレスベッドを、ラムを上方に、プレスベッドを下方に離間設置し、
   ラムに、冷間鍛造を行う工程数（ｎ回）だけのｎ個のダイスを絞り上げの工程の順番に等間隔に固定し、但しｎは正の整数でｎ≧２とし、
   プレスベッドには上記弁傘部半完成品を、１番目の弁傘部半完成品が最初のダイスの下方になるように位置させ、
   ラムを下降させて１番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
   ラムを上昇させて、１番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの下方に位置するようにトランスファー移動させると同時に２番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの下方に位置させ、
   ラムを下降させて２番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の２回目の絞り上げ鍛造を行うと同時に１番目のダイスにより２番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
   ラムを上昇させて、１番目の弁傘部半完成品が３番目のダイスの下方に位置し、２番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの下方に位置するようにトランスファー移動させると同時に３番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの下方に位置させ、
   このようにして、ｎ回のラムの降下と複数の弁傘部半完成品のトランスファー移動により１番目の弁傘部半完成品が弁傘部完成品となったところで１番目の弁傘部完成品をプレスベッドより除去し、
   さらに上記工程を連続させて複数の弁傘部完成品を得る、
   ことを特徴とする請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
5. 第２ステップにおいて、ダイスが固定されるラムとワークが固定されるプレスベッドを、ラムを下方に、プレスベッドを上方に離間設置し、
   ラムに、冷間鍛造を行う工程数（ｎ回）だけのｎ個のダイスを絞り上げの工程の順番に等間隔に固定し、但しｎは正の整数でｎ≧２とし、
   プレスベッドには上記弁傘部半完成品を、１番目の弁傘部半完成品が最初のダイスの上方になるように位置させ、
   ラムを上昇させて１番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
   ラムを下降させて、１番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの上方に位置するようにトランスファー移動させると同時に２番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの上方に位置させ、
   ラムを上昇させて２番目のダイスにより１番目の弁傘部半完成品の２回目の絞り上げ鍛造を行うと同時に１番目のダイスにより２番目の弁傘部半完成品の１回目の絞り上げ鍛造を行い、
   ラムを下降させて、１番目の弁傘部半完成品が３番目のダイスの上方に位置し、２番目の弁傘部半完成品が２番目のダイスの上方に位置するようにトランスファー移動させると同時に３番目の弁傘部半完成品を１番目のダイスの上方に位置させ、
   このようにして、ｎ回のラムの上昇と複数の弁傘部半完成品のトランスファー移動により１番目の弁傘部半完成品が弁傘部完成品となったところで１番目の弁傘部完成品をプレスベッドより除去し、
   さらに上記工程を連続させて複数の弁傘部完成品を得る、
   ことを特徴とする請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３に記載の中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
6. 両端が開放された中空軸部の一端に請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４あるいは請求項５の製造方法にて製造した弁傘部を溶接し、他端に軸端封止材を溶接してなる中空エンジンバルブ。
7. 一端が封止された中空軸部の他端に請求項１あるいは請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４あるいは請求項５の製造方法にて製造した弁傘部を溶接してなる中空エンジンバルブ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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