JP4462624B2 - スプリングリテーナ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン用バルブスプリングリテーナ及びその製造方法に関するものである。

エンジン用バルブスプリングリテーナは、バルブスプリングの端部を受け、このリテーナより内側の吸・排気バルブ及びバルブに嵌合したコッタを抑え、バルブの駆動中にバルブスプリングが外れないようにする役割を持つ。

従来のエンジン用バルブスプリングリテーナとして、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ系のＴｉ合金を素材としたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−１８００１３号公報（図１、「特許請求の範囲」、段落番号「０００２」）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１０は従来の技術の基本構成を説明する図であり、エンジン用バルブスプリングリテーナ２００は、軸線部にバルブ通過用の貫通孔２０１を形成し、その周縁部にダブルスプリングを支持するための受け部２０２、２０３を設けたものである。

特許文献１の「特許請求の範囲」に「Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ系のＴｉ合金を３００〜８００℃で所定形状に温間鍛造し、・・・エンジン用バルブスプリングリテーナ。」という記述がある。
また、特許文献１の段落番号「０００２」に「・・・軽量化したエンジン用バルブスプリングリテーナ・・・Ｔｉ−４Ａｌ−２２Ｖ系のＴｉ合金を２００℃前後で所定形状に冷間鍛造し、・・・。」という記述がある。

しかし、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ系のα＋β型Ｔｉ合金は、温間鍛造を前提とするため、寸法精度を出すためや表面の平滑性を得るために仕上げ加工が必要になり、工程数が増加するなど、製造コストが嵩む。

一方、Ｔｉ−４Ａｌ−２２Ｖ系はβ型Ｔｉ合金であり、冷間鍛造を前提とするため、製品形状が良好になる。しかし、β型Ｔｉ合金は材料が高価であるとともに、鍛造時の変形抵抗が高いために、金型の寿命が短くなり、エンジン用バルブスプリングリテーナは高価になる。

本発明は、材料がチタン系の比較的安価な合金であり、製造法が冷間鍛造であるスプリングリテーナ（エンジン用バルブスプリングリテーナ）及びその製造技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、吸・排気バルブを閉じ方向へ付勢するためのバルブスプリングの一端を保持するスプリングリテーナであって、円筒部の軸線を上下方向に見たとき、円筒部から鍔部を張出し形成し、円筒部の外周面と鍔部の下面とでバルブスプリングを受ける形状のスプリングリテーナにおいて、
このスプリングリテーナは、α型チタン合金で構成するとともに、少なくとも仕上げ工程は冷間鍛造法で実施し、この冷間鍛造の際に鍔部を径外方ほど厚さが薄くなるように前記鍔部を斜め下方へ圧縮してなり、
前記鍔部に形成する斜面は、前記円筒部の外周面からｔだけ径外方へ離れた位置から形成するものとし、距離ｔは前記鍔部の外径をＤ、円筒部の外径をｄとしたときに、（０．３９５Ｄ−０．５ｄ）≦ｔ≦（０．４５３Ｄ−０．５ｄ）に基づいて定め、
前記鍔部の最大厚さをｅ、鍔部の先端の厚さをｆと呼ぶときに、この鍔部の先端厚さｆは、鍔部の最大厚さｅの４１％〜７０％に設定し、
前記鍔部の外径Ｄのうち、最大径をＤ１、最小径をＤ２と定義した場合に、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１×１００により求められる扁平率が１．０％未満であることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、チタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と０．２〜０．５質量％の酸素を含み、その他不可避な不純物を含むα型チタン合金であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、チタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と、０．２〜０．５質量％の酸素と、０．０１〜０．０６質量％の窒素を含み、その他不可避な不純物を含むα型チタン合金であることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、鍔部は、外周端部に厚さを一定とした逃げ部を設けることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、逃げ部の幅は、鍔部に形成する斜面の長さの３０％を超えない大きさに設定したことを特徴とする。
請求項６に係る発明では、請求項１記載のスプリングリテーナは、鍔部の下面から連続するアウタースプリング抑え円筒部の外周面と、この外周面から連続する下面、及びこの下面から連続する外周面とで形成するインナースプリング抑え円筒部とを有し、このインナースプリング抑え円筒部の上下幅に対して、アウタースプリング抑え円筒部の上下幅を大きくしたことを特徴とする。

請求項７に係る発明では、円筒部から鍔部を張出し形成し、円筒部の外周面と鍔部の下面とでバルブスプリングを受ける形状のα型チタン合金のスプリングリテーナの製造方法において、
このスプリングリテーナの製造方法は、α型チタン合金のチタン線材又は棒材を切断し、成形用素材とする工程と、
金型のダイの凹部に成形用素材を置き、パンチの底面で成形用素材を据え込み加工する工程と、
据え込み加工後の据え込み品に穴開け加工を施す工程と、
ダイの凹部に穴開け加工品を置き、ダイとパンチを近づけるが如くダイあるいはパンチを移動させ、冷間鍛造して予備成形品を造る工程と、
ダイの凹部に予備成形品を置き、ダイとパンチを近づけるが如くダイあるいはパンチを移動させ、冷間鍛造して鍔部を径外方ほど厚さが薄くなるように形成されたスプリングリテーナとしての仕上げ成形品を造る工程と、からなり、
スプリングリテーナの鍔部の斜面を形成する傾斜部を、一体的に備えているパンチを用いて冷間鍛造を実施することにより、該斜面を形成すると同時にスプリングリテーナを本成形若しくは仕上げ成形するようにしたことを特徴とする。
請求項８に係る発明では、前記パンチの傾斜部に設けた逃げ部を形成する水平面を、前記パンチの傾斜部に設けることにより、スプリングリテーナの逃げ部を、冷間鍛造にて同時に形成するようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、冷間鍛造の際に、径外方ほど厚さが薄くなるように鍔部を斜め下方へ圧縮する。
その結果、仮に変形の異方性が大きいα型チタン合金を材料に採用しても、冷間鍛造で成形した時に、鍔元アール部に発生し易い引けを抑制するとともに、外径の異方性も抑制することができる。
加えて請求項１に係る発明では、鍔部に形成する斜面は、前記円筒部の外周面からｔだけ径外方へ離れた位置から形成するものとし、距離ｔは前記鍔部の外径をＤ、円筒部の外径をｄとしたときに、（０．３９５Ｄ−０．５ｄ）≦ｔ≦（０．４５３Ｄ−０．５ｄ）に基づいて定めたので、この範囲内にｔを設定することで、変形の異方性を確実に抑制することができる。
更に請求項１に係る発明では、鍔部の先端厚さは、鍔部の最大厚さの４１％〜７０％に設定した。４１％未満では先端における肉の充填が不足し、又７０％超では斜面に異方性の抑制効果が不十分となり、何れにしてもスプリングリテーナの形状は不良になる。この点、本発明によれば良好な形状のスプリングリテーナを提供することができる。

以上より、冷間鍛造工程で、量産可能で高強度、低コストのチタン合金製バルブスプリングリテーナを提供することができる。

請求項２に係る発明では、スプリングリテーナに使用するチタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と０．２〜０．５質量％の酸素を含み、その他不可避な不純物を含むα型チタン合金としたので、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金やＴｉ−４Ａｌ−２２Ｖ合金などに比べて、素材費を抑えることができる。

請求項３に係る発明では、スプリングリテーナに使用するチタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と、０．２〜０．５質量％の酸素と、０．０１〜０．０６質量％の窒素を含み、その他不可避な不純物を含むα型チタン合金としたので、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金やＴｉ−４Ａｌ−２２Ｖ合金などに比べて、素材費を抑えることができると共に、Ｎを含むことで、請求項２の合金に比べて、より強度を高めることができる。

請求項４に係る発明では、鍔部は、外周端部に厚さを一定とした逃げ部を設けたので、変形の異方性が十分抑制され、鍔部の外径精度が向上するという利点がある。

請求項５に係る発明では、逃げ部の幅は、鍔部に形成する斜面の長さの３０％を超えない大きさに設定したので、鍔部に形成する斜面形状の自由度を低下させることなく、変形の異方性を十分抑制できると共に、確実に外径精度の向上を図ることができるという利点がある。

請求項７に係る発明ではまず第１の工程として、チタン線材または棒材を切断し成形用素材とし、次に第２の工程としてこの成形用素材を据え込み加工し、第３の工程として続けて穴開けし、その後、第４の工程として冷間鍛造して予備成形品を造り、第５の工程として冷間鍛造でスプリングリテーナを造るという、少なくとも５段階の加工工程を経て製造する。
冷間鍛造を用いているので、最終鍛造後は、切削などの後加工を施すことなくスプリングリテーナの仕上げ成形品を完成させることができる。
また、冷間鍛造の際に鍔部は、径外方ほど厚さが薄くなるように鍔部を斜め下方へ圧縮することで、鍔部の肉の流れを均一化し、外径の精度の高いスプリングリテーナを製造できる。

図１〜図３で本発明の基礎技術の説明を行い、図４以降で本発明の成立経緯及び本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１はスプリングリテーナを含む動弁機構の一例を示す断面図であり、動弁機構１０は、吸気バルブ（又は排気バルブ）１１の傘部１２を受けるバルブシート１３と、傘部１２から上側に延びるバルブ軸１４と、このバルブ軸１４をガイドするバルブガイド１５と、吸気バルブ１１を閉じ方向へ付勢するバルブスプリング１６と、このバルブスプリング１６の一端１７を保持するスプリングリテーナ２０と、このスプリングリテーナ２０の内側にありバルブ軸１４の上部凹部２１に嵌合するコッタ２２と、バルブ軸１４の上端面に備えるインナーシム２３と、これらバルブ軸１４、バルブスプリング１６、スプリングリテーナ２０、コッタ２２及びインナーシム２３を覆うリフタ２４と、このリフタ２４に接触するカム２６を備えるカムシャフト２５とからなる。
なお、２７はピストン、２８はシリンダヘッドである。

図２はチタン棒の切断から冷間での穴開け加工までの作用図である。
（ａ）で、シャーリング装置３０の基台３１にチタン棒３２を載せ、このチタン棒３２を刃３３で切断し、矢印Ｐの如く成形用素材３４を得る。

（ｂ）で、金型３５のダイ３６の凹部３７に成形用素材３４を置き、パンチ３８の底面３９で矢印Ｑの如く移動させ成形用素材３４を据え込み加工する。

（ｃ）で、得た据え込み品４３を、ダイ４１の凹部４２にセットする。そして、据え込み品４３に穴開け工具４４で矢印Ｕの如く移動させ穴開け加工を施す。

図３はスプリングリテーナの予備成形から仕上げ成形までの作用図である。
（ａ）で、ダイ４５の凹部４６に穴開き品４７を置き、パンチ４８を矢印Ｖの如く移動させ、穴開き品４７を予備成形としての冷間鍛造する。

（ｂ）で、ダイ４９の凹部５１に予備成形品５２を置き、パンチ５３を矢印Ｗの如く下げ、スプリングリテーナを本成形若しくは仕上げ成形としての冷間鍛造する。
各工程は、ヘッダーマシン等の鍛造設備によって、連続的に行うことも可能であるし個別の工程として行うことも可能である。

図４は本発明で検討したＡ形スプリングリテーナの断面図であり、Ａ形スプリングリテーナ５５は、本体５６に円筒部５７を設け、この円筒部５７から外側に鍔部５８を設け、この鍔部５８の天井部５９を鍔部５８の外周面６１まで平らに延ばした部品である。６２は貫通孔、６３は鍔元アール部である。これを形状Ａとする。

図５は図４の平面図であり、完成品としてのＡ形スプリングリテーナ５５において、鍔部５８の外形は正円であることが望ましい。しかし、冷間鍛造により張出し成形したときに鍔部５８が歪な円になることがあった。そこで、歪の度合いを定量化するために、最大径をＤ１、最小径をＤ２とし、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１ × １００の計算式により、外径の扁平率を求めることにする。外径の扁平率が小さいほど良いことは言うまでもない。

出発材料をＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（酸素０．３質量％）の棒材とし、この棒材を切断し、上述したとおりに、据え込み、穴開け、予備成形（冷間鍛造）、本成形（冷間鍛造）することで、図４のＡ形スプリングリテーナ５５を得たところ、出来上がり品の外径扁平率は、８．９％であった。許容される外径の扁平率は１．０％と言われているので、８．９％では到底採用できない。

本発明者等は、安価なチタン合金（Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ）は、いわるゆ異方性が顕著であることと認識し、この異方性対策を検討した。いくつかの対策案のなかで、図４の鍔部５８を径外方へ膨出させ、流動化させるときに、この流れに適度な制動を掛ければ、扁平率が改善するのではないかと知見した。すなわち、他の部位より膨出し易い部位の流れを抑え、そこの流れを他の部位より膨出し難い部位へ振り向けることで均一化を図ることができると考えた。この考えに基づいて次の形状Ｂを決定した。

図６は本発明で検討したＢ形スプリングリテーナの断面図であり、Ｂ形スプリングリテーナ６４は、本体６５に円筒部６６を設け、この円筒部６６の外周面６７から外側に鍔部６８を設け、外周面６７から鉛直上向きの延長線Ｓを基準として−ｔの本体６５上面の位置を圧縮開始位置６９とし、この圧縮開始位置６９を起点として外側に斜面７１を設け、この斜面７１の端部を鍔部６８の外周面７２に連結した部品である。これを形状Ｂとする。７３は貫通孔、７４は鍔元アール部である。

次表は形状Ａ及びＢの鍔外径の扁平率について調べた結果を示す。

何れも、ｔは円筒部の外周面からテーパ開始点（以後、圧縮開始位置とする。）までの距離である。
試験番号１は、形状Ａでテーパ無しの場合であり、鍔外径の扁平率が８．９％であった。
試験番号２〜４は、形状Ｂで、ｔが各々−０．３ｍｍ、−０．７ｍｍ、−１．０ｍｍの場合であり、鍔外径の扁平率が各々２．９％、２．８％、３．８％であった。加えて、鍔元アール部（図６の符号７４）の形状を調べたところ、引けが認められた。

このように、鍔部６８に斜め下方へのテーパを設けた形状Ｂとすることで、鍔外径の扁平率は著しく改善したが、合格基準の１．０％未満には到達しなかった。

本発明者等は、形状Ｂは径外方への流れを制限し過ぎたために、結果として、扁平率が希望するほどには改善しなかったとともに引けが発生したと考えるに至った。であれば、形状Ａと形状Ｂとの中間の形状を検討することが有効となる。

図７は本発明で検討したＣ形及びＤ形スプリングリテーナの断面図である。
（ａ）で、Ｃ形スプリングリテーナ７５は、本体７６に円筒部７７を設け、この円筒部７７の外周面７８から外側に鍔部７９を設け、外周面７８から鉛直上向きの延長線Ｓと本体７６との交点位置を圧縮開始位置８１とし、この圧縮開始位置８１を起点として外側に斜面８２を設け、この斜面８２の端部を鍔部７９の外周面８３に連結した形状である。これを形状Ｃとする。また、８４は鍔元アール部である。

（ｂ）で、Ｄ形スプリングリテーナ８５は、本体８６に円筒部８７を設け、この円筒部８７の外周面８８から外側に鍔部８９を設け、外周面８８から鉛直上向きの延長線Ｓを基準として＋ｔの本体８６上面の位置を圧縮開始位置９１とし、この圧縮開始位置９１を起点として外側に斜面９２を設け、この斜面９２の端部を鍔部８９の外周面９３に連結した形状である。これを形状Ｄとする。また、９４は鍔元アール部である。
形状Ｃ、形状Ｄを比較した結果を次表に示す。

何れも、ｔは円筒部の外周面から圧縮開始位置までの距離である。
試験番号５は、形状Ｃで、ｔが０ｍｍの場合であり、鍔外径の扁平率は２．５％に改善されたが、鍔元アール形状に若干の引けが発生した。

試験番号６は、形状Ｄで、ｔが０．７ｍｍの場合であり、鍔外径の扁平率は０．８％に大幅に改善され、加えて鍔元アール形状に引けが無く、良好であった。
したがって、本発明に係るスプリングリテーナの形状は、形状Ｄを採用することにした。

以上をまとめると発明は、吸・排気バルブを閉じ方向へ付勢するためのバルブスプリングの一端を、保持するスプリングリテーナであって、円筒部から鍔部を張出し形成し、円筒部の外周面と鍔部の下面とでバルブスプリングを受ける形状のスプリングリテーナの製造方法において、
このスプリングリテーナは、チタン合金で構成するとともに、少なくとも仕上げ工程は冷間鍛造法で実施し、この冷間鍛造の際に鍔部を径外方ほど厚さが薄くなるように斜め下方へ圧縮することを特徴とする。

形状Ｄが好適であることが判明したので、次に距離ｔの好ましい値を探すため追加実験を実施した。その内容及び結果を次表に示す。

形状はＣおよびＤとする。
試験番号５は、形状Ｃで、ｔを０ｍｍとした場合であり、鍔外径の扁平率が２．５％で、鍔元アール形状に若干の引けが発生したために、判定を×とする。

試験番号７〜９は、形状Ｄで、各々ｔを０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．５ｍｍとした場合であり、鍔外径の扁平率が、各々０．９％、０．９％、０．９％であるために、判定を○とした。

試験番号１０は、ｔを２．０ｍｍとした場合であり、鍔外径の扁平率が３．３％で合格基準の１．０％より大きいために、判定を×とする。
したがって、ｔは０．３ｍｍ〜１．５ｍｍとした。
次に、このｔの範囲である０．３ｍｍ≦ｔ≦１．５ｍｍを数式を使って一般的な表現にすることを試みる。

このｔの範囲を数式を使って一般化するために、図８を参照する。

図８は本発明に係るスプリングリテーナの断面図であり、スプリングリテーナ１００は、本体１０１の上面１０２の圧縮開始位置１０３から下方へ延びる斜面１０４、この斜面１０４の外周端部１０５の外周面１０６、この外周面１０６から連続する下面１０７で形成する鍔部１０８と、この鍔部１０８の下面１０７から連続するアウタースプリング抑え円筒部１０９の外周面１１１と、この外周面１１１から連続する下面１１２、及びこの下面１１２から連続する外周面１１３とで形成するインナースプリング抑え円筒部１１４とからなるものである。なお、１１５は鍔元アール部である。

ここで、鍔部の外径をＤ、圧縮開始位置間の距離をＴ、円筒部の外径をｄ、円筒部外周から圧縮開始位置までの距離をｔとし、ＴはＤが大きくなれば大きくなり、Ｄが小さくなれば小さくなるごとくに、Ｄに比例させるべきであることがわかる。
これら、Ｄ、Ｔ、ｄ、ｔの基本式を次式で表す。

式（２）を式（１）に代入して次式を導き出す。

ここで、Ｄ＝２１ｍｍ、ｄ＝１６ｍｍとし、これらをｔの最大値１．５ｍｍ及び最小値０．３ｍｍと共に式（３）に代入すると、次式となる。

式（４）を変形するとｔの最大値を表す数式となり、これを次式で示す。

式（５）を変形するとｔの最小値を表す数式となり、これを次式で示す。

式（６）はｔの最大値を示すもので、式（７）はｔの最小値を示すものであるから、ｔの範囲を数式を使って一般化すると、次式となる。

この式（８）にＤ＝２１ｍｍ、ｄ＝１６ｍｍを代入すると、ｔは、ほぼ０．３ｍｍ≦ｔ≦１．５ｍｍとなる。

以上をまとめると、鍔部に形成する斜面は、円筒部の外周面からｔだけ径外方へ離れた位置から形成するものとし、距離ｔは鍔部の外径をＤ、円筒部の外径をｄとしたときに、（０．３９５Ｄ−０．５ｄ）≦ｔ≦（０．４５３Ｄ−０．５ｄ）に基づいて定めたことを特徴とする。

次に、スプリングリテーナに使用するチタン合金材料種を決定するための詳細な検討を行った。使用するチタン合金は、冷間鍛造が可能なα型チタン合金でチタン（以下Ｔｉとする。）に微量の鉄（以下Ｆｅとする。）、酸素（以下Ｏとする。）、窒素（以下Ｎとする。）を含むものを検討することにした。
次表は、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系チタン合金のＦｅ量を決めるための検討結果を示した表である。

何れも、形状はＤであり、ｔは円筒形の外周面から圧縮開始位置までの距離で１．０ｍｍとする。
試験番号１１は、Ｆｅが０．３質量％、Ｏが０．４質量％、残部をＴｉとしたチタン合金の場合であり、冷間鍛造後の割れは無かったが、鍔外径の扁平率が２．６％であり、合格基準の１．０％未満から外れるために判定を×とした。

試験番号１２〜１４は、各々Ｆｅが０．５質量％、１．０質量％、１．５質量％で、Ｏが０．４質量％、残部をＴｉとしたチタン合金の場合であり、冷間鍛造後の割れは無く、鍔外径の扁平率が各々０．８％、０．９％、０．８％であり、合格基準の１．０％未満であるために判定を○とした。

試験番号１５は、Ｆｅが１．７質量％、Ｏが０．４質量％、残部をＴｉとしたチタン合金の場合であり、冷間鍛造後の割れが有るために判定を×とした。
したがって、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系チタン合金のＦｅ量は、０．５質量％〜１．５質量％と決定する。

同様に次表は、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系チタン合金のＯ量を決めるための検討結果を示した表である。

何れも、形状はＤであり、ｔは円筒形の外周面から圧縮開始位置までの距離で１．０ｍｍとする。
試験番号１６は、Ｆｅが１．０質量％、Ｏが０．１質量％、残部をＴｉとしたチタン合金の場合であり、冷間鍛造後の割れは無かったが、単体強度が弱いために、判定を×とした。

試験番号１７〜１９は、Ｆｅが１．０質量％、各々Ｏが０．２質量％、０．３質量％、０．５質量％、残部をＴｉとしたチタン合金の場合であり、冷間鍛造後の割れが無く、単体強度が強いために、判定を○とした。

試験番号２０は、Ｆｅが１．０質量％、Ｏが０．６質量％、残部をＴｉとしたチタン合金の場合であり、冷間鍛造後の割れが有るために判定を×とした。
したがって、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系チタン合金のＯ量は、０．２質量％〜０．５質量％と決定する。

以上の表４及び表５の結果をまとめると、チタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と０．２〜０．５質量％の酸素を含み、その他不可避な不純物を含むα型チタン合金であることを特徴とする。

一般に、スプリングリテーナに使用するチタン合金でＴｉ−Ｆｅ−Ｏ系チタン合金の強度を増す目的などでＮを添加し、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系チタン合金とすることがある。そこで、このＴｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系チタン合金のＮ量を決定するための検討を行った。
次表は、Ｎ量を決めるための検討結果を示した表である。

何れも、形状はＤ、ｔは円筒部の外周面から圧縮開始位置までの距離で１．０ｍｍとし、Ｆｅは１．０質量％、Ｏは０．３質量％を含むものとする。
試験番号２１〜２３は、各々Ｎが０．０１質量％、０．０３質量％、０．０６質量％、残部をＴｉとしたチタン合金の場合であり、冷間鍛造後の割れは無く、単体強度も強いために、判定を○とした。

試験番号２４は、Ｎを０．０８質量％含む場合であり、冷間鍛造後の割れが有るために判定を×とした。
したがって、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系チタン合金のＮ量は、０．０１質量％〜０．０６質量％と決定する。

以上の表４、表５及び表６の結果をまとめると、チタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と０．２〜０．５質量％の酸素と、０．０１〜０．０６質量％の窒素を含み、その他不可避な不純物を含むα型チタン合金であることを特徴とする。

以上の検討で、スプリングリテーナの完成品において、少なくても仕上げ工程は冷間鍛造法で実施し、この冷間鍛造の際に厚さ一定の鍔部を径外方ほど厚さが薄くなるように斜め下方へ圧縮することと、安価なチタン合金を用いることが決定した。

図８において、鍔部１０８の基部の厚さを「鍔部の最大厚さｅ」、鍔部１０８の先端（外周面１０６）の厚さを「鍔部の先端厚さｆ」と呼ぶことにする。厚さが最大の基部と厚さが最小の先端との関係は、鍔部１０８の断面形状を決定する上で重要な要素である。そこで、最大厚さｅと先端厚さｆの関係を調べた。その内容及ぶ結果を次表に示す。なお、後述の実験番号２５〜２９の次に次の実験を実施したので、実験番号に番号３０〜３５を与えた。

第１行の見出しは、試験Ｎｏ．、ｔ、形状、鍔部の最大厚さｅ、鍔部の先端厚さｆ、ｆ／ｅ、成形性、判定とした。
何れも、形状はＤであり、円筒部外周からテーパ開始点までの距離ｔは１．０ｍｍであり、鍔部の最大厚さｅは１．７ｍｍとする。

試験番号３０は、鍔部の先端厚さｆが０．６ｍｍで、ｆ／ｅは３５％の場合である。成形テストでは、先端における肉の充填が不十分となり、鍔部の形状が不良であった。そこで、判定を×とした。

試験番号３１〜３４は、鍔部の先端厚さｆが０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍで、ｆ／ｅは４１％、４７％、５９％、７０％の場合であり、成形テスト結果は良好であり、判定を○とした。

試験番号３５は、鍔部の先端厚さｆが１．５ｍｍで、ｆ／ｅは８８％の場合である。成形テストでは、斜面による変形の異方性の抑制効果が不十分となり、逃げ部の形状不良が発生し、判定を×とした。

以上の結果から、鍔部１０８の基部の厚さを「鍔部の最大厚さｅ」、鍔部１０８の先端（外周面１０６）の厚さを「鍔部の先端厚さｆ」と呼ぶときに、この鍔部の先端厚さｆは、鍔部の最大厚さｅの４１％〜７０％に設定することが重要となり、この範囲に設定することで鍔部の形状を良好にすることができる。

ところで、図３（ｂ）に示すとおり、本発明を実現するために鋭いエッジを有するパンチ５３を使用する。しかし、エッジは鋭くするほど寿命（ショット回数）が短くなり、生産性に影響を及ぼす。そこで、次にパンチの形状を検討する。

図９は本発明に係るパンチ形状の検討図である。
（ａ）で、スプリングリテーナ１２０の鍔部１２１の斜面１２２を、パンチ５３の傾斜部１２３を用いて加工した後に、パンチ５３を矢印Ｙの如くスプリングリテーナ１２０から引離した状態を示す。

この場合は、スプリングリテーナ１２０の鍔部１２１に斜面１２２を造ることができるが、使用を重ねる度に、パンチ５３の傾斜部１２３の先端が丸くなり金型寿命の低下を引き起す虞がある。そこで、次のように改良した。

（ｂ）で、スプリングリテーナ１２４の鍔部１２５に、斜面１２６と共に設けた逃げ部１２７を、パンチ１２８の傾斜部１２９及び水平面１３１を用いて加工した後に、パンチ１２８を矢印Ｚの如くスプリングリテーナ１２４から引離した状態を示す。

図中、ｅは鍔部１２５の最大厚さ、ｋは逃げ部１２７の厚さ、ｈは逃げ部１２７の幅を表す。

鍔部１２５は、外周端部に厚さを一定とした逃げ部１２７を設けたので、パンチのエッジは何時までも変形しない。この結果、鍔部１２５の外径精度が向上するという利点がある。

以上より、逃げ部１２７を設けたので、鍔部１２５の外径精度が向上することが判明したが、次に最適な逃げ部１２７の厚さｋを探すために追加実験を実施した。その内容及び結果を次表に示す。

何れも、形状はＤであり、円筒部外周からテーパ開始点までの距離ｔは１．０ｍｍであり、鍔部の厚さは１．７ｍｍとする。
試験番号２５は、逃げ部の厚さｋが０．６ｍｍ、鍔部の最大厚さｅに対する逃げ部の厚さｋの比率が３５％の場合である。成形テストでは、逃げ部を造るクリアランスに素材が均一に入って行かなかったために逃げ部の形状不良が発生し、判定を×とした。

試験番号２６〜２８は、逃げ部の厚さｋを各々０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍとし、最大厚さｅに対する逃げ部の厚さｋの比率が各々４７％、５９％、７０％の場合であり、成形テスト結果は良好であり、判定を○とした。
なお、表に示さないが、これら試験番号２６〜２８の鍔外径の扁平率は０．５％であった。

試験番号２９は、逃げ部の厚さｋが１．５ｍｍ、最大厚さｅに対する逃げ部の厚さｋの比率が８８％の場合である。成形テストでは、斜面による変形の異方性の抑制効果が不十分となり、逃げ部の形状不良が発生し、判定を×とした。
以上の結果から、逃げ部１２７の厚さｋは、鍔部１２５の最大厚さｅの４７〜７０％に設定することが必要である。

逃げ部１２７の幅ｈは、鍔部１２５に形成する斜面の長さの３０％を超えない大きさに設定したしたので、確実に外径精度の向上を図ることができるという利点がある。

すなわち、鍔部は、外周端部に厚さを一定とした逃げ部を設けることを特徴とする。
さらに、逃げ部の幅は、鍔部に形成する斜面の長さの３０％を超えない大きさに設定したことを特徴とする。

また、この冷間鍛造の際に、径外方ほど厚さが薄くなるように鍔部を斜め下方へ圧縮する。
その結果、仮に変形の異方性が大きいα型チタン合金を材料に採用しても、冷間鍛造で成形した後で、鍔元アール部に発生し易い引けを抑制するとともに外径の異方性も抑制することができる。

尚、本発明のスプリングリテーナ１００、１２４を適用するエンジンは、吸気弁及び排気弁を備えるエンジンであれば種類を格別に限定するものではない。

本発明のスプリングリテーナは、自動車の動弁機構に好適である。

スプリングリテーナを含む動弁機構の一例を示す断面図である。 チタン棒の切断から冷間での穴開け加工までの作用図である。 スプリングリテーナの予備成形から仕上げ成形までの作用図である。 本発明で検討したＡ形スプリングリテーナの断面図である。 図４の平面図である。 本発明で検討したＢ形スプリングリテーナの断面図である。 本発明で検討したＣ形及びＤ形スプリングリテーナの断面図である。 本発明に係るスプリングリテーナの断面図である。 本発明に係るパンチ形状の検討図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１０…動弁機構 、１１…吸・排気バルブ 、１６…バルブスプリング 、２０、１００、１２４…スプリングリテーナ 、２２…コッタ 、１０１…本体 、１０３…圧縮開始位置 、１０４…斜面 、１０５…外周端部 、１０６、１１１、１１３…外周面 、１０７、１１２…下面 、１０８…鍔部 、１０９…アウタースプリング抑え円筒部 、１１４…インナースプリング抑え円筒部 、１１５…鍔元アール部 、１２７…逃げ部。

Claims (8)

1. 吸・排気バルブを閉じ方向へ付勢するためのバルブスプリングの一端を保持するスプリングリテーナであって、円筒部の軸線を上下方向に見たとき、円筒部から鍔部を張出し形成し、円筒部の外周面と鍔部の下面とでバルブスプリングを受ける形状のスプリングリテーナにおいて、
   このスプリングリテーナは、α型チタン合金で構成するとともに、少なくとも仕上げ工程は冷間鍛造法で実施し、この冷間鍛造の際に鍔部を径外方ほど厚さが薄くなるように前記鍔部を斜め下方へ圧縮してなり、
   前記鍔部に形成する斜面は、前記円筒部の外周面からｔだけ径外方へ離れた位置から形成するものとし、距離ｔは前記鍔部の外径をＤ、円筒部の外径をｄとしたときに、（０．３９５Ｄ−０．５ｄ）≦ｔ≦（０．４５３Ｄ−０．５ｄ）に基づいて定め、
   前記鍔部の最大厚さをｅ、鍔部の先端の厚さをｆと呼ぶときに、この鍔部の先端厚さｆは、鍔部の最大厚さｅの４１％〜７０％に設定し、
   前記鍔部の外径Ｄにおいて、最大径をＤ１、最小径をＤ２と定義した場合に、（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１×１００により求められる扁平率が１．０％未満であることを特徴とするスプリングリテーナ。
2. 前記α型チタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と０．２〜０．５質量％の酸素を含み、その他不可避な不純物を含む合金であることを特徴とする請求項１記載のスプリングリテーナ。
3. 前記α型チタン合金は、チタンに０．５〜１．５質量％の鉄と、０．２〜０．５質量％の酸素と、０．０１〜０．０６質量％の窒素を含み、その他不可避な不純物を含む合金であることを特徴とする請求項１記載のスプリングリテーナ。
4. 前記鍔部は、外周端部に厚さを一定とした逃げ部を設けることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載のスプリングリテーナ。
5. 前記逃げ部の幅は、鍔部に形成する斜面の長さの３０％を超えない大きさに設定したことを特徴とする請求項４記載のスプリングリテーナ。
6. 請求項１記載のスプリングリテーナは、鍔部の下面から連続するアウタースプリング抑え円筒部の外周面と、この外周面から連続する下面、及びこの下面から連続する外周面とで形成するインナースプリング抑え円筒部とを有し、
   このインナースプリング抑え円筒部の上下幅に対して、アウタースプリング抑え円筒部の上下幅を大きくしたことを特徴とするスクリングリテーナ。
7. 円筒部から鍔部を張出し形成し、円筒部の外周面と鍔部の下面とでバルブスプリングを受ける形状のα型チタン合金のスプリングリテーナの製造方法において、
   このスプリングリテーナの製造方法は、α型チタン合金のチタン線材又は棒材を切断し、成形用素材とする工程と、
   金型のダイの凹部に前記成形用素材を置き、パンチの底面で前記成形用素材を据え込み加工する工程と、
   前記据え込み加工後の据え込み品に穴開け加工を施す工程と、
   ダイの凹部に穴開け加工品を置き、ダイとパンチを近づけるが如くダイあるいはパンチを移動させ、冷間鍛造して予備成形品を造る工程と、
   ダイの凹部に予備成形品を置き、ダイとパンチを近づけるが如くダイあるいはパンチを移動させ、冷間鍛造して鍔部を径外方ほど厚さが薄くなるように形成されたスプリングリテーナとしての仕上げ成形品を造る工程と、からなり、
   スプリングリテーナの鍔部の斜面を形成する傾斜部を、一体的に備えているパンチを用いて冷間鍛造を実施することにより、該斜面を形成すると同時にスプリングリテーナを本成形若しくは仕上げ成形するようにしたことを特徴とするスプリングリテーナの製造方法。
8. 前記パンチの傾斜部に設けた逃げ部を形成する水平面を、前記パンチの傾斜部に設けることにより、スプリングリテーナの逃げ部を、冷間鍛造にて同時に形成するようにしたことを特徴とする請求項７記載のスプリングリテーナの製造方法。

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