JP2018118257A - 熱間鍛造装置及びそれを用いたエンジンバルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸部原形の押出し成形時と中間成形物の取り出し時の両方で軸部原形の軸曲がりを抑え、軸部原形の真直性を向上させること。【解決手段】熱間鍛造装置は、ダイ21とパンチ22を備え、ダイ21は、チタン焼結材からなる棒状の素材11を、軸部原形と傘部原形を有する中間成形物に成形する成形孔42を含む。パンチ22は、素材11を成形孔42にて押圧する形状を有する。成形孔42は、素材11が装填されると共に素材11の一部を傘部原形に成形する装填部46と、装填部46に装填された素材11がパンチ22により押圧されることで素材11の一部を所定の外径に縮径しながら軸部原形に成形する絞り部44と、絞り部44から所定の間隔を隔てて配置され、絞り部44にて縮径されて押し出された軸部原形を軸方向へ案内する案内部48とを含む。案内部48の内径は絞り部44の内径と同じかそれよりも小さく設定される。【選択図】 図３

Description

この発明は、軸部と傘部を含むエンジンバルブの製造に使用される熱間鍛造装置及びそれを用いたエンジンバルブの製造方法に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１及び２に記載される技術が知られている。特許文献１には、冷間押出成形用の金型装置（第１従来例）が記載される。図８に、この金型装置による素材の成形過程を断面図により示す。図８に示すように、この金型装置は、その中心に装填部６１、成形ランド６２、逃げ部６３及び拘束部６４よりなる成形孔が設けられた金型６５を備える。この金型６５の装填部６１に素材を装填し、パンチ６６で素材を押圧することにより、成形ランド６２で軸部原形７１ａを押出し成形すると共に、装填部６１にて傘部原形７１ｂを成形するようになっている。成形された中間成形物７１は、ノックアウトピン６７により金型６５から取り出される。逃げ部６３は、成形ランド６２よりも内径が大きく形成される。拘束部６４には、成形後の軸部原形７１ａの先端が入り込む。この拘束部６４は、成形ランド６２よりも内径が大きく、逃げ部６３よりも内径が小さく形成される。逃げ部６３は、成形ランド６２よりも内径が「０.１〜０.５（ｍｍ）」程度大きく形成される。

ここで、軸部原形７１ａの押出し成形時には、軸部原形７１ａが逃げ部６３にて金型６５に接触することなく下方へ押し出される。ところが、逃げ部６３と軸部原形７１ａとの間に隙間があることから、図９に金型６５の一部を拡大断面図で示すように、軸部原形７１ａに「０.１（ｍｍ）」程度の軸曲がりが発生するおそれがあった。この軸曲がりは、成形が進むほど大きくなり、軸部原形７１ａの先端にて最大になり、この先端が拘束部６４にて規制力を受けて軸曲がりが戻される。しかしながら、軸部原形７１ａの先端のみ軸曲がりが戻されても、軸部原形７１ａの全体の軸曲がりが十分に戻されることはなかった。

そこで、特許文献２には、上記問題に対処するためのエンジンバルブの鍛造システム（第２従来例）が提案されている。図１０に、この鍛造システムの一部を断面図により示す。図１０に示すように、この鍛造システムの金型８１は、複数のブロック材により構成され、その中心には、装填部８２及び軸成形部８３と、多段に配置された複数の軸曲がり規制部８４が設けられる。各軸曲がり規制部８４は、先端（下方）及び中心へ向かって先細りとなる円錐台形状の孔を有する。従って、金型８１の装填部８２に素材７６を装填し、押圧部材８５で押圧することにより、軸成形部８３で軸部原形を押出し成形すると共に、装填部８２にて傘部原形を成形するようになっている。そして、軸部原形の押出し成形時には、押し出された軸部原形が、複数の軸曲がり規制部８４にて連続的に繰り返し曲がりが規制され、軸部原形の軸曲がりを大幅に低減するようになっている。成形された中間成形物は、ノックアウトピン８６で押し上げられることにより、金型８１から取り出される。

特開２００２−１１３５４２号公報 国際公開第２０１３／０９８９５６号

ところが、特許文献２に記載の鍛造システムでは、複数の軸曲がり規制部８４の孔が円錐台形状をなし、軸部原形の外径より大きい内径を有する部分がある。そのため、軸成形部８３から押し出された軸部原形と軸曲がり規制部８４との間に隙間が生じることは避けられず、軸部原形に軸曲がりが発生するおそれがあった。しかも、この隙間の存在は、ノックアウトピン８６による中間成形物の取り出しの際にも、軸曲がりを発生させる懸念があった。この軸曲がりは、その後、軸部原形の外周を切削加工することで取り除かなければならなかった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、軸部原形の押出し成形時と中間成形物の取り出し時の両方で軸部原形の軸曲がりを抑え、軸部原形の真直性を向上させることを可能とした熱間鍛造装置及びそれを用いたエンジンバルブの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、軸部と、軸部の一端に設けられた傘部とを含むエンジンバルブの製造に使用される熱間鍛造装置であって、ダイ及びパンチを備え、ダイは、チタン焼結材からなる棒状の素材を軸部原形と傘部原形を有する中間成形物に成形するための軸方向へ延びる成形孔を含み、パンチは、素材を成形孔にて軸方向へ押圧する形状を有し、成形孔は、素材が装填されると共に素材の一部を傘部原形に成形するための装填部と、装填部に装填された素材がパンチにより押圧されることで素材の一部を所定の外径に縮径（径を縮めること）しながら軸部原形に成形するための絞り部と、絞り部から所定の間隔を隔てて配置され、絞り部にて縮径されて押し出された軸部原形を軸方向へ案内するための案内部とを含み、案内部の内径が絞り部の内径と同じかそれよりも小さく設定されることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ダイの装填部に装填された素材を、パンチにより軸方向へ押圧することにより、絞り部にて素材の一部が所定の外径に縮径されながら軸部原形に成形されて押し出される。その後、絞り部から押し出された軸部原形は、案内部にて軸方向へ案内される。ここで、案内部の内径が絞り部の内径と同じかそれよりも小さく設定されるので、軸部原形と案内部との間に隙間が生じることなく、軸部原形が案内部を軸方向へ案内される。また、素材がチタン焼結材から形成されるので、チタン溶製材と比較した材料相対密度（真密度に対する素材の密度の比）が小さく、素材の変形抵抗が相対的に小さくなる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、絞り部と案内部との間には、絞り部から押し出された軸部原形が拘束から一時的に開放される開放部が設けられることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の作用に加え、絞り部と案内部との間に開放部が設けられるので、絞り部からの軸部原形の押出し抵抗が緩和される。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、軸部と、軸部の一端に設けられた傘部とを含むエンジンバルブの製造方法であって、所定の寸法と所定の密度を有するチタン焼結材からなる棒状の素材を形成する工程と、形成された素材に、請求項１又は２に記載の熱間鍛造装置を使用して熱間押出し鍛造を施すことにより、軸部原形と傘部原形を含む中間成形物を成形する工程と、成形された傘部原形に熱間鍛造を施すことにより、傘部を成形する工程と、成形された軸部原形に機械加工を施すことにより、軸部を形成する工程とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、素材を成形する工程で成形された棒状の素材に、中間成形物を形成する工程で、請求項１又は２に記載の熱間鍛造装置を使用して熱間押出し鍛造が施されることにより、軸部原形と傘部原形を含む中間成形物が成形される。その後、傘部を成形する工程で、傘部原形に熱間鍛造が施されることにより、傘部が成形され、軸部を成形する工程で、軸部原形に機械加工が施されることにより、軸部が形成される。ここで、中間成形物を成形する工程では、熱間押出し鍛造装置を使用した熱間鍛造により、軸部原形を真直に成形することができるので、軸部を成形する工程では、軸部原形の機械加工による取り代が少なくなる。

請求項１に記載の発明によれば、軸部原形の押出し成形時と中間成形物の取り出し時の両方で軸部原形の軸曲がりを抑えることができ、軸部原形の真直性を向上させることができる。しかも、軸部原形と案内部との間の焼き付きの発生を抑えることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、絞り部からの軸部原形の押出し性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、エンジンバルブ製造における素材の歩留まりを向上させることができ、加工費の削減を図ることができる。

一実施形態に係り、エンジンバルブを示す正面図。 一実施形態に係り、一連の製造工程に対応したエンジンバルブの成形過程を示す流れ図。 一実施形態に係り、熱間鍛造装置の主要部とその作用を示す断面図。 一実施形態に係り、熱間鍛造装置の主要部とその作用を示す断面図。 一実施形態に係り、熱間鍛造装置の主要部とその作用を示す断面図。 一実施形態に係り、図４の鎖線四角の部分を簡略化して示す拡大断面図。 一実施形態に係り、図６の鎖線四角の部分の示す拡大断面図。 第１従来例に係り、金型装置による素材の成形過程を示す断面図。 第１従来例に係り、金型の一部を示す拡大断面図。 第２従来例に係り、鍛造システムの一部を示す断面図。

以下、本発明における熱間鍛造装置及びそれを用いたエンジンバルブの製造方法を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態のエンジンバルブ１を正面図により示す。このエンジンバルブ１は、エンジンの吸気バルブ又は排気バルブとして使用される。エンジンバルブ１は、軸部２、傘部３、溝部４及び軸端部５を備える。このエンジンバルブ１は、チタンを主成分とする材料により形成される。

次に、上記したエンジンバルブ１の製造方法について説明する。図２に、一連の製造工程に対応したエンジンバルブの成形過程を流れ図により示す。

先ず、第１の工程では、図２（ａ）に示すように、所定の寸法と所定の密度を有する棒状のチタン焼結ビレット１１を形成する。この実施形態で、チタン焼結ビレット１１は、チタンの粉末材料が、再結晶温度以上の高温に加熱され焼結されることで形成される。これにより、例えば、チタン焼結ビレット１１の材料相対密度を、チタン溶製材よりも小さい「０.９９２」とすることができ、素材としての変形抵抗を減少させることができる。チタン焼結ビレット１１は、本発明における棒状の素材の一例に相当する。

次に、第２の工程では、図２（ａ）に示すチタン焼結ビレット１１を、高温（例えば、「１２００℃」）に加熱し、所定の金型に装填して熱間押出し鍛造を施すことにより、図２（ｂ）に示す中間成形物１２を成形する。この熱間押出し鍛造では、チタン焼結ビレット１１を、１回の押し出しにより鍛造する。これにより、チタン焼結ビレット１１の全長を引き延ばして軸部原形１２ａを成形すると共に、その軸部原形１２ａの上端に傘部原形１２ｂを成形する。この傘部原形１２ｂの外径は、チタン焼結ビレット１１の外径とほぼ同じ寸法を有する。この中間成形物１２の全長Ｌ２は、チタン焼結ビレット１１の全長Ｌ１の約２倍となる。軸部原形１２ａの外径Ｄ２は、チタン焼結ビレット１１の外径Ｄ１の約半分となる。この第２の工程については、後で詳しく説明する。

次に、第３の工程では、図２（ｂ）に示す中間成形物１２の傘部原形１２ｂに熱間鍛造によりプレス成形を施すことにより、図２（ｃ）に示す傘部３を成形し、次の中間成形物１３とする。

次に、第４の工程では、鍛造時に発生した残留応力を除去するために、傘部３を成形した中間成形物１３の全体に熱処理を施す。この実施形態では、熱処理として、低温焼鈍を行う。併せて２次焼鈍を行う場合もある。この低温焼鈍は「４００℃」程度で行うことができる。

次に、第５の工程では、各部の寸法合わせなどを行うために、低温焼鈍後の中間成形物に機械加工を施すことにより、図２（ｂ）に示す軸部原形１２ａを、図１２（ｄ）に示すように軸部２とし、その軸部２の一端部に溝部４と軸端部５を形成する。具体的には、機械加工として、軸粗研、傘削り、溝研、端面研磨、フェース研又は軸精研を行うことができる。

その後、第６の工程では、各部の耐摩耗性を向上させるために、機械加工後の中間成形物に表面処理を施す。具体的には、窒化処理、Ｃｒメッキなどを行うことができる。これにより、図２（ｄ）に示すようなエンジンバルブ１の完成品を得ることができる。

ここで、上記した第２の工程（熱間押出し鍛造）の内容について、図３〜図６を参照して詳しく説明する。図３〜図５は、この実施形態の熱間鍛造装置の主要部とその作用を断面図により示す。図６に、図４の鎖線四角Ｓ１の部分を簡略化して拡大断面図により示す。図３〜図５に示すように、この実施形態の熱間鍛造装置は、押出しダイ２１と、押出しパンチ２２を含む可動型２３とを備える。

図３〜図５に示すように、押出しパンチ２２は、チタン焼結ビレット１１を成形孔にて軸方向へ押圧する形状（この実施形態では軸形状）を有し、可動型２３と一体に押出しダイ２１に対し往復動可能に設けられる。押出しダイ２１は、ケース３１，３２と複数のブロック材３３〜４０及び案内型４１等により構成される。押出しダイ２１は、上下方向に並ぶ第１ダイ部２１Ａ、第２ダイ部２１Ｂ及び第３ダイ部２１Ｃを含む。第１〜第３のダイ部２１Ａ〜２１Ｃの中心には、一連なりの成形孔４２が設けられる。第１ダイ部２１Ａの中の成形孔４２の上端には、受入れ口４３が形成される。第１ダイ部２１Ａの中の成形孔４２の下端には、他の部位よりも縮径された（径が縮められた）絞り部４４が形成される。受入れ口４３は、チタン焼結ビレット１１の受け入れを容易にするために、外方へ拡径（径を拡げること）された曲面をなす。受入れ口４３の直後は、チタン焼結ビレット１１が装填されると共に、同ビレット１１の一部を傘部原形に成形するための装填部４６となっている。この実施形態で、装填部４６の内径はチタン焼結ビレット１１の外径とほぼ同じかそれよりも若干大きく設定される。絞り部４４は、装填部４６に装填されたチタン焼結ビレット１１が、押出しパンチ２２により押圧されることで、同ビレット１１の一部を所定の外径に縮径しながら軸部原形に成形するための手段である。絞り部４４の直前には、絞り部４４へ向けて徐々に縮径するテーパ部４５が形成される。

第２ダイ部２１Ｂの中心には、成形孔４２を構成すると共に、絞り部４４から押し出された軸部原形１２ａが拘束から一時的に開放される開放部４７が設けられる。この開放部４７の内径は、絞り部４４の内径より若干大きく設定される。

第３ダイ部２１Ｃは案内型４１を含む。案内型４１の中心には、成形孔４２を構成すると共に、絞り部４４から所定の間隔を隔てて配置され、絞り部４４にて縮径されて押し出された軸部原形１２ａを軸方向へ案内するための案内部４８が形成される。この案内部４８の内径は、絞り部４４の内径よりも若干小さく設定される。また、案内部４８の軸方向の長さは、開放部４７の軸方向の長さの３倍以上の長さに設定される。

この実施形態では、一例として、図７において、絞り部４４の内径Ｊ１が「６（ｍｍ）」に、開放部４７の内径Ｊ２が「６.１（ｍｍ）」に、案内部４８の内径Ｊ３が、絞り部４４の内径Ｊ１よりも「所定値」だけ小さく設定される。この実施形態で、「所定値」として「０.０１（ｍｍ）」を当てはめることができる。すなわち、案内部４８の内径Ｊ３を「５.９９（ｍｍ）」に設定することができる。図７は、図６の鎖線四角Ｓ２の部分を示す拡大断面図である。

上記の熱間鍛造装置を使用して行われる第２の工程の内容は以下の通りである。先ず、第１の過程では、図３に示すように、押出しダイ２１の装填部４６にチタン焼結ビレット１１を装填する。

次に、図４に示すように、押出しパンチ２２を装填部４６に押し込み、そのパンチ２２によりチタン焼結ビレット１１を成形孔４２の中へ更に押し込む。これにより、チタン焼結ビレット１１を、絞り部４４から一気に押出すことにより、軸部原形１２ａに成形すると共に、装填部４６にて傘部原形１２ｂを成形する。この間の時間は、例えば、「０.５（秒）」程度を想定することができる。

その後、図５に示すように、この中間成形物１２を取り出しピン（図示略）により、押出しダイ２１から取り出すことにより、図２（ｂ）に示すように、軸部原形１２ａと傘部原形１２ｂを含む中間成形物１２が得られる。この間の時間は、例えば、「３（秒）」程度を想定することができる。

上記した第２の工程は、いわゆる「前方押出し加工」に相当するものであり、押出しダイ２１の成形孔４２に素材を装填し、押出しパンチ２２の進む方向に素材を流動させて、絞り部４４を通して素材の一部の断面積を縮小させるようになっている。

以上説明したこの実施形態における熱間鍛造装置によれば、押出しダイ２１の装填部４６に装填されたチタン焼結ビレット１１を、押出しパンチ２２により軸方向へ押圧することにより、絞り部４４にてチタン焼結ビレット１１の一部が所定の外径に縮径されながら軸部原形１２ａに成形されて押し出される。その後、絞り部４４から押し出された軸部原形１２ａは、案内部４８にて軸方向へ案内される。ここで、案内部４８の内径が絞り部４４の内径よりも若干小さく設定されるので、軸部原形１２ａと案内部４８との間に隙間が生じることなく、軸部原形１２ａが案内部４８を軸方向へ案内される。このように軸部原形１２ａが案内部４８を軸方向へ案内されるときに、軸部原形１２ａがしごき加工されることになる。このため、押出しパンチ２２による軸部原形１２ａの押出し成形時と、取り出しピンによる中間成形物１２の取り出し時との両方で軸部原形１２ａの軸曲がりを抑えることができ、軸部原形１２ａの真直性を向上させることができる。ここで、軸部原形１２ａのしごき加工時には、軸部原形１２ａと案内部４８との間に焼き付きが発生するおそれがある。しかしながら、絞り部４４と案内部４８との間の内径の差が「０.０１（ｍｍ）」と比較的小さく、また、チタン焼結ビレット１１がチタン焼結材から形成され、その材料相対密度が「１.０」より小さいので、チタン焼結ビレット１１の変形抵抗が相対的に小さくなる。このため、軸部原形１２ａと案内部４８との間の焼き付きの発生を抑えることができる。

この実施形態の構成によれば、絞り部４４と案内部４８との間に開放部４７が設けられるので、絞り部４４からの軸部原形１２ａの押出し抵抗が緩和される。このため、絞り部４４からの軸部原形１２ａの押出し性（押出し速度、押出し性状）を向上させることができる。

また、この実施形態におけるエンジンバルブの製造方法によれば、第１の工程で形成されたチタン焼結ビレット１１に、第２の工程で、熱間鍛造装置を使用して熱間押出し鍛造が施されることにより、軸部原形１２ａと傘部原形１２ｂを含む中間成形物１２が成形される。その後、第３の工程で、傘部原形１２ｂに熱間鍛造が施されることにより、傘部３が成形され、その後、第４の工程を経て第５の工程では、軸部原形１２ａに機械加工が施されることにより、軸部２が形成される。ここで、第２の工程では、熱間鍛造装置を使用した熱間鍛造により、軸部原形１２ａを真直に成形することができるので、第５の工程では、軸部原形１２ａの機械加工による取り代が少なくなる。このため、エンジンバルブ１の製造におけるチタン焼結ビレット１１の歩留まりを向上させることができ、加工費の削減を図ることができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

（１）前記実施形態では、絞り部４４と案内部４８の間に開放部４７を設けたが、この開放部４７を省略することもできる。

（２）前記実施形態では、案内部４８の内径を絞り部４４の内径よりも若干小さく設定したが、案内部４８の内径と絞り部４４の内径を同じに設定することもできる。

この発明は、エンジンに設けられる吸気バルブ及び排気バルブの製造に利用することができる。

１ エンジンバルブ
２ 軸部
３ 傘部
１１ チタン焼結ビレット（棒状の素材）
１２ 中間成形物
１２ａ 軸部原形
１２ｂ 傘部原形
１３ 中間成形物
２１ 押出しダイ（ダイ）
２２ 押出しパンチ（パンチ）
４２ 成形孔
４４ 絞り部
４６ 装填部
４７ 開放部
４８ 案内部

Claims (3)

1. 軸部と、前記軸部の一端に設けられた傘部とを含むエンジンバルブの製造に使用される熱間鍛造装置であって、
   ダイ及びパンチを備え、
   前記ダイは、チタン焼結材からなる棒状の素材を軸部原形と傘部原形を有する中間成形物に成形するための軸方向へ延びる成形孔を含み、
   前記パンチは、前記素材を前記成形孔にて前記軸方向へ押圧する形状を有し、
   前記成形孔は、前記素材が装填されると共に前記素材の一部を前記傘部原形に成形するための装填部と、前記装填部に装填された前記素材が前記パンチにより押圧されることで前記素材の一部を所定の外径に縮径しながら前記軸部原形に成形するための絞り部と、前記絞り部から所定の間隔を隔てて配置され、前記絞り部にて縮径されて押し出された前記軸部原形を前記軸方向へ案内するための案内部とを含み、前記案内部の内径が前記絞り部の内径と同じかそれよりも小さく設定される
   ことを特徴とする熱間鍛造装置。
2. 前記絞り部と前記案内部との間には、前記絞り部から押し出された前記軸部原形が拘束から一時的に開放される開放部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造装置。
3. 軸部と、前記軸部の一端に設けられた傘部とを含むエンジンバルブの製造方法であって、
   所定の寸法と所定の密度を有するチタン焼結材からなる棒状の素材を形成する工程と、
   形成された前記素材に、請求項１又は２に記載の熱間鍛造装置を使用して熱間押出し鍛造を施すことにより、軸部原形と傘部原形を含む中間成形物を成形する工程と、
   成形された前記傘部原形に熱間鍛造を施すことにより、前記傘部を成形する工程と、
   成形された前記軸部原形に機械加工を施すことにより、前記軸部を形成する工程と
   を備えたことを特徴とするエンジンバルブの製造方法。

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