JP5010765B1 - 内燃機関用バルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

傘部フェース（１６）を成形する押圧凸部（４３）を設けたダイス（４２）と、押圧パンチ（４８）とを備えた金型（４０）を用いて、傘部フェース（１６）の内周側から外周側に向けてスベリ変形が生じる鍛造を施すバルブの製造方法で、ダイス（４２）に押圧凸部（４３）と凹溝（４６）を周方向に交互に連続して設け、パンチ（４８）の押圧動作に連係して、バルブ中間品（W3）を金型（４０）に対し所定角度回転させつつ、傘部フェース（１６）を鍛造する。押圧凸部（４３）による素材の深さ方向の塑性変形量が従来の金型（ダイス）よりも大きく、それだけ傘部フェース（１６）の深層部まで高硬度化できる。塑性変形する部位は周方向に離間するが、押圧凸部（４３）の押圧位置がパンチ（４８）の押圧動作毎に周方向にずれて、塑性変形した傘部フェース（１６）の成形面（鍛造面）が平滑化する。
【選択図】図７

Description

この発明は、内燃機関用バルブの製造方法に係り、特に、素材にスベリ変形が生じる鍛造を傘部フェースに施すことで、傘部フェースの硬度を向上させる内燃機関用バルブの製造方法に関する。

内燃機関用の吸，排気バルブの傘部フェースは、バルブシートと接触して燃焼室を開閉するという重要な部位であるために、耐磨耗性や高温耐食性が要求されている。そして、鍛造の温度条件や加工率を特定することで耐磨耗性や高温耐食性を改善しようとする試みは、これまでに数多く提案されている。しかし、従来の提案では、傘部フェースの硬度が足らず、傘部フェースへ燃焼残渣が食い込み、圧痕が発生して、耐吹き抜け性が悪化し、特に、低質燃料を使用するディーゼルエンジンにおいて、顕著であった。

このような問題に応えるべく、下記特許文献１が提案されている。

ここには、析出硬化型Ｎｉ基合金を素材として使用し、この素材に２０〜５００℃の温度範囲内で、傘部フェースの内周側から外周側に向けてスベリ変形が生じる鍛造を施すというバルブの製造方法が開示されている。

傘部フェースの硬度が大幅に向上し、燃焼残渣による圧痕が非常に付き難くなり、耐吹き抜け性が向上すると同時に、耐磨耗性も大きく向上する。また、硬度の向上範囲を、外周側で深く、かつ、内周側で浅くすることができ、バルブ寿命が大幅に延長する、というものである。

特開平８−６１０２８号（段落０００７、００１２、００１４〜００１８、００２９、図１，５）

しかしながら、近年の排ガス規制に対応するため、燃焼圧が向上する等エンジン技術が変化し、これに伴ってバルブ（傘部フェース）の使用環境も厳しくなっている。即ち、内燃機関用の吸，排気バルブの傘部フェースには、さらなる耐磨耗性や高温耐食性が要求されているものの、特許文献１の方法によって達成できる耐磨耗性や高温耐食性には限界があった。

発明者が詳しく検討したところ、バルブの鍛造、特に、内燃機関のバルブシートと接触する傘部フェースの成形は、図１４に示すように、半径方向内側に膨出する押圧凸部２が周設されたダイス１と、ダイス１に挿入されたバルブ中間品Ｗの傘部前面側を押圧するパンチ４とを備えた金型を用いて行うが、周設された押圧凸部２のテーパ状押圧面２ａ全体で素材を塑性変形させるため、素材を塑性変形させるための面圧（単位面積当たりの押圧力）には自ずと限界（金型において発生可能なプレス力の限界）があって、塑性変形が深層部まで及ばず、表層部の硬度の改善しかできなかった（深層部までの硬度の改善はできなかった）。

そこで、発明者は、ダイスに周設された押圧凸部２の周方向複数箇所に押圧凸部２を横切る凹溝を形成すれば、押圧凸部２の押圧面積がそれだけ減少し、素材を塑性変形させるための面圧（単位面積当たりの押圧力）が上がって、塑性変形が深層部まで及び、深層部までの硬度の改善が可能となる、と考えた。

また、ダイスには押圧凸部と凹溝が周方向に交互に連続する形態となるため、素材の塑性変形する部位と塑性変形しない部位が周方向に交互に連続する（素材の塑性変形した部位が周方向に平坦でなくなる）が、パンチの押圧動作に連係させて、バルブ中間品または金型を所定角度相対回転させながら鍛造すれば、塑性変形する部位が平滑化される（塑性変形した成形面が平滑化する）、と考えた。

そして、押圧凸部と凹溝が周方向に交互に連続するダイスを備えた金型を試作し、この金型を用いた鍛造を行ってその効果を検証したところ、図１０，１１，１２，１３に示すように、傘部フェースの表層部から深層部までの高硬度化に有効であることが確認されたので、今回の出願に至ったものである。

本発明は、前記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、傘部フェースの表層部から深層部までが高硬度化されることで耐吹き抜け性と耐磨耗性とを十分に向上させることができる内燃機関用バルブの製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１においては、内燃機関のバルブシートと接触するバルブの傘部フェースを成形する押圧凸部がその内側に周設されたダイスと、前記ダイスに挿入されたバルブ中間品の傘部前面側を押圧するパンチとを備えた金型によって、耐熱合金製のバルブ中間品の傘部フェース側にその内周側から外周側に向けてスベリ変形が生じる鍛造を施す内燃機関用バルブの製造方法において、
前記ダイスの周方向に延在する前記押圧凸部の周方向等分複数箇所に該押圧凸部を横切る凹溝を設けるとともに、前記パンチの押圧動作に連係して、前記バルブ中間品と前記金型を所定角度相対回転させつつ鍛造を施すように構成した。

（作用）ダイスに周設されている押圧凸部の周方向等分複数箇所に該押圧凸部を横切る凹溝が設けられることで、内燃機関のバルブシートと接触するバルブの傘部フェースを成形する押圧凸部がダイス内側の周方向等分複数箇所に設けられた構造、即ち、ダイスには、バルブの傘部フェース成形用の平面視円弧状（扇状）の押圧凸部（押圧面）と、平面視円弧状（扇状）の凹溝とが、周方向に交互に配置された構造となる。

したがって、耐熱合金製バルブ中間品の傘部フェース側を、その内周側から外周側に向けてスベリ変形が生じるように塑性変形させるフェース成形用の押圧凸部（押圧面）の総面積は、従来の二次鍛造に用いられる金型のダイス（図１４参照）に周設されている押圧凸部（所定巾の円環状の押圧面）の総面積に比べて、凹溝の面積相当分小さいため、押圧凸部（押圧面）を介して素材に作用する単位面積あたりの押圧力がそれだけ大きい。このため、パンチの押圧動作１回当たりの素材の深さ方向の塑性変形量は、従来の金型（ダイス）を用いる場合に比べて大きく、それだけ傘部フェースの深層部まで硬度を高めることができる。

また、パンチの押圧動作に連係して、バルブ中間品と金型を所定角度（例えば、60度）相対回転させながら鍛造するので、即ち、バルブ中間品の傘部における被押圧位置（素材の塑性変形する領域）が、パンチの押圧動作毎に周方向に所定角度（例えば、60度）ずれるので、パンチの一連の押圧動作に対して、例えば、金型に対しバルブ中間品を３／４〜１回転（２７０度〜３６０度回転）させることで、押圧凸部の押圧によって塑性変形した傘部フェースの成形面（鍛造面）が平滑化する。

なお、パンチの押圧動作毎に、バルブ中間品と金型を所定角度だけ相対回転させるが、この回転角度は、個々の押圧凸部の周方向の長さ（ダイス中心に対する角度）によっても異なるが、少なくとも押圧凸部の押圧位置が前回の押圧位置と周方向に一部重なる所定の角度であることが望ましい。

請求項２においては、請求項１に記載の内燃機関用バルブの製造方法において、前記パンチが押圧動作後、前記ダイスの上方所定位置まで上昇したときに、前記バルブ中間品は、その軸端部がエジェクタピンによって突き押しされてその傘部が前記ダイスの押圧凸部からが離間した形態に保持されるように構成した。

（作用）バルブ中間品と金型を相対回転させる方法としては、バルブ中間品に対し金型（ダイス）を回転させる方法と、金型（ダイス）に対しバルブ中間品を回転させる方法がある。前者の方法では、大きくかつ重量のある金型（ダイス）を回転させるためには大型の装置が必要であるのに対し、後者の方法では、コンパクトかつ軽量なバルブ中間品を回転させるためには僅かな力でよく、例えば、バルブ中間品をエジェクタピンで突き押しして、金型（ダイス）の押圧凸部から傘部が離間した状態にバルブ中間品を保持して、作業者が傘部を持ってバルブ中間品を所定角度だけ回動する。

請求項３においては、請求項１または２に記載の内燃機関用バルブの製造方法において、前記バルブ中間品は、一次鍛造により軸端部に円盤形状の傘部が成形され、切削により前記円盤形状の傘部の余肉部が調整された後に、前記円盤形状の傘部に二次鍛造を施す前記金型に供給されるが、前記一次鍛造工程では、前記円盤形状の傘部を成形すると同時に、該円盤形状傘部の周縁にバルブの傘部フェースに対応する所定のテーパ部を成形するように構成した。

（作用）一次鍛造工程により、バルブ中間品の円盤形状の傘部における鍛流線が緻密になることで、傘部フェースに対応する円盤形状の傘部周縁部のテーパ面の硬度がある程度高められ、その後、傘部フェース側に二次鍛造が施されることで、傘部フェースにおける鍛流線がさらに緻密となって、傘部フェースの硬度がいっそう高められる。

詳しくは、バルブの製造方法（バルブを製造する工程）は、軸端部に円盤形状の傘部を成形する一次鍛造工程と、一次鍛造されたバルブ中間品の傘部における余肉部の厚さを切削により調整する余肉調整工程と、余肉部が調整されたバルブ中間品の傘部フェース側を鍛造する二次鍛造工程を備えている。

そして、一次鍛造工程では、素材のスベリ変形を伴う後の二次鍛造がスムーズに遂行できるように、円盤形状の傘部周縁部にバルブの傘部フェースに対応するテーパ面も成形する。即ち、従来では余肉調整工程で行っていたテーパ面の形成を、一次鍛造工程で行うので、余肉調整工程では、バルブ中間品の傘部フェース側を切削することなく、傘部前面側だけを切削して傘部の余肉部を調整すればよい。

また、二次鍛造用の金型に供給されるバルブ中間品の傘部フェース表面には、一次鍛造で施された硬度の高い緻密な鍛流線の形成されている表層部がそのまま露呈しているため、バルブ中間品の傘部フェース側に二次鍛造を施すことで、バルブの傘部フェースの表層部における鍛流線がいっそう緻密になって、バルブの傘部フェースにおける硬度はいっそう高くなる。

以上の説明から明らかなように、本発明にかかる内燃機関用バルブの製造方法によれば、パンチの押圧動作による素材の深さ方向の塑性変形量が大きいので、それだけ傘部フェースの深層部までが高硬度化されて、傘部フェースの硬度が大幅に向上し、燃焼残渣による圧痕が付き難くなり、耐吹き抜け性が大きく向上すると同時に、耐磨耗性も大きく向上する内燃機関用バルブを提供できる。

また、従来のバルブの製造設備の中で、二次鍛造用の金型（ダイス）を交換するだけで、バルブの傘部フェースの深層部までの高硬度化が可能となるので、耐吹き抜け性および耐磨耗性に優れた内燃機関用バルブを低コストで量産できる。

請求項２によれば、バルブ中間品の金型に対する所定角度の回転を作業者が手動で行うので、バルブ中間品と金型を相対回転させる装置を別途設ける必要がなく、バルブ鍛造用の金型構造が複雑になることもない。

請求項３によれば、バルブの傘部フェースの硬度がいっそう向上し、耐吹き抜け性がいっそう向上すると同時に、耐磨耗性もいっそう向上する内燃機関用バルブを提供できる。

本発明に係る製造方法によって製造された内燃機関用ポペットバルブの側面図である。 本発明の実施例方法１によってポペットバルブを製造する全工程を示す図で、（ａ）はバルブの据え込み工程を示す図、（ｂ）は傘部を熱間鍛造（一次鍛造）する工程を示す図、（ｃ）は傘部の余肉部の厚さを調整する余肉調整工程を示す図、（ｄ）は傘部を再鍛造（二次鍛造）する工程を示す図、（ｅ）は傘部表面を切削する仕上げ工程を示す図、（ｆ）は傘部表面を研削する仕上げ工程を示す図である。 実施例方法１によって製造されたバルブの傘部の拡大側面図で、（ａ）は一次鍛造工程後，（ｂ）は余肉調整工程後、（ｃ）は二次鍛造後の傘部の外形をそれぞれ示す図である。 （ａ）は一次鍛造用の金型に設けた傘部成形面を示すダイスの拡大縦断面図、（ｂ）は一次鍛造により成形された傘部における鍛流線を示す図、（ｃ）は二次鍛造により成形された傘部における鍛流線を示す図である。 二次鍛造用の金型を構成するダイスの斜視図である。 同ダイスに設けた押圧凸部（押圧成形面）の平面図である。 同ダイスの縦断面図（図６に示す線ＶII−ＶIIに沿う断面図）で、（ａ）は傘部を二次鍛造する前の状態、（ｂ）は傘部を二次鍛造した後の状態、（ｃ）はバルブ中間品の傘部を押圧部から離間させた状態を示す図である。 同ダイスの縦断面図（図６に示す線ＶIII−ＶIIIに沿う断面図）である。 硬度測定試験で測定したバルブの傘部フェースにおける測定位置を説明する説明図である。 実施例方法１と比較例方法１によってそれぞれ製造したバルブ（傘径７０mm）の傘部フェースでの硬度試験の測定結果を示す説明図で、（ａ）は実施例方法１で製造したバルブの測定結果表、（ｂ）は比較例方法１で製造したバルブの測定結果表、（ｃ）は（ａ），（ｂ）の測定結果を示すグラフである。 実施例方法２と比較例方法２によってそれぞれ製造したバルブ（傘径１６０mm）の傘部フェースでの硬度試験の測定結果を示す説明図で、（ａ）は実施例方法１で製造したバルブの測定結果表、（ｂ）は比較例方法２で製造したバルブの測定結果表、（ｃ）は（ａ），（ｂ）の測定結果を示すグラフである。 実施例方法３によって製造したバルブ（傘径７０mm）の傘部フェースでの硬度試験の測定結果を示す説明図で、（ａ）は測定結果表、（ｂ）は（ａ）の測定結果を示すグラフである。 実施例方法４によって製造したバルブ（傘径１６０mm）の傘部フェースでの硬度試験の測定結果を示す説明図で、（ａ）は測定結果表、（ｂ）は（ａ）の測定結果を示すグラフである。 従来の二次鍛造用の金型（ダイス）の縦断面図である。 従来の一次鍛造用の金型（ダイス）の縦断面図である。 従来の傘部の余肉調整工程を示す図である。

以下、本発明の実施例方法を添附図面を参照して詳細に説明する。

図１における符号１０は、本発明に係る製造方法によって製造された内燃機関用ポペットバルブで、析出硬化型Ｎｉ基合金（例えば、ＮＣＦ８０ＡやＮＣＦ７５１）等の耐熱合金で構成され、弁棒１１の先端側に傘部１２が首部１４およびＲ部１５を介して一体的に形成されている。傘部１２の背面側には、Ｒ部１４に連なり、燃焼室Ｓに開口する排気ポート（または吸気ポート）１８の周縁部に設けられたバルブシート１９と接触するフェース部１６が形成されている。

図２は、図１に示すポペットバルブ１０を製造する第１の実施例方法（以下、実施例方法１という）の全工程を示す図で、析出硬化型Ｎｉ基合金であるＮＣＦ８０Ａ製の棒状素材に対し、この図２（ａ）〜（ｆ）に示すそれぞれの加工を順次施すことでポペットバルブ１０を製造できる。

詳しくは、まず、図２（ａ）に示す据え込み工程において、一対の電極２４ａ，２４ｂ間に電圧を与えて加熱（例えば約１１００℃）したＮＣＦ８０Ａ製の棒状の素材を、軸方向に加圧して傘部を所定の球状に加工するとともに、次の熱間鍛造のために、傘部に余熱を与える。この据え込み工程終了後のバルブ中間品を符号Ｗ１で示す。

次に、図２（ｂ）に示す熱間鍛造工程（一次鍛造工程）では、所定の成形面２２ａが設けられたダイス２２と、ダイス２２に挿入されたバルブ中間品Ｗ１の球状の傘部前面を押圧するパンチ２８で構成した金型２０を用いて、据え込み工程で据え込んだ素材Ｗ１の球状傘部を熱間鍛造により、所定の形状（円盤形状）に成形する。この熱間鍛造工程終了後のバルブ中間品を符号Ｗ２で示す。バルブ中間品Ｗ２の円盤形状傘部の周縁部には、バルブ１０の傘部フェース１６に対応するテーパ面１６ａが成形される（図３（ａ）参照）。

次に、図２（ｃ）に示す余肉調整工程では、バルブ中間品Ｗ２を回転させつつ、切削工具３０を使って、円盤形状傘部の外周面および前面を切削して、傘部の余肉部の厚さを調整する（図３（ｂ）参照）。この切削工程終了後のバルブ中間品を符号Ｗ３で示す。なお、図３（ｂ）の仮想線は、切削された傘部前面側の余肉部を示す。

次に、図２（ｄ）に示す再鍛造工程（二次鍛造工程）では、所定の押圧成形面４４が設けられたダイス４２と、ダイス４２に挿入されたバルブ中間品Ｗ３の円盤形状傘部前面を押圧するパンチ４８で構成した金型４０を用いて、バルブ中間品Ｗ３のテーパ面１６ａを含む円盤形状傘部周縁部を２０〜５００℃の温度範囲内で鍛造して、バルブ中間品Ｗ４の傘部フェース１６を成形する（図３（ｃ）参照）。

次に、図２（ｅ）に示す切削工程では、バルブ中間品Ｗ４を回転させつつ、切削工具３４，３５，３６を使って、傘部フェース，首下Ｒ部，軸部およびコッター溝１１ａの旋盤による荒加工を行い、最後に、図２（ｆ）に示すように、バルブ中間品Ｗ４を回転させつつ、研削工具３７，３８を使って、傘部フェース１６および軸部１１を設計値どおりの粗さに仕上げる（研削盤による仕上げ加工を施す）ことで、図１に示すバルブ１０が完成する。

以下、図２（ｂ）に示す一次鍛造工程に用いる金型２０（ダイス２２）について、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して詳しく説明する。

図２（ｂ）および図４（ａ）に示すように、ダイス２２の中央には、バルブ中間品Ｗ２の軸部が挿通できる上下に延びる孔２２ａが設けられ、ダイス２２の内側には、孔２２ａから連続してダイス前端面２２ｂに開口する、バルブ中間品Ｗ２の円盤形状傘部の外形を成形する成形面２２ｃが形成され、成形面２２ｃには、円盤形状傘部周縁部にバルブ１０の傘部フェース１６に対応するテーパ面１６ａを成形するテーパ状成形面２２ｃ１が周設されている。

テーパ面１６ａは、後の二次鍛造（図２（ｄ）参照）の際に、バルブ中間品Ｗ３の円盤形状傘部フェース側にその内周側から外周側に向けたスベリ変形が効率よくかつスムーズに発生するようにするためのもので、テーパ面１６ａ（ダイ２２のテーパ状成形面２２ｃ１）の傾斜角θ１は、二次鍛造用の金型４０（ダイス４２）に形成されている押圧凸部４３の押圧成形面４４（バルブ１０の傘部フェース１６）の傾斜角θ２（例えば30度）より幾分小さい角度（例えば10度）であることが望ましい。

そして、実施例方法１では、二次鍛造に先立って行われる一次鍛造工程において、バルブ中間品Ｗ２の傘部周縁部が二次鍛造に最適なテーパ形状に成形されるので、図２（ｃ）に示す、一次鍛造工程後に行う傘部の余肉部の厚さを調整する余肉調整工程では、バルブ中間品Ｗ２の傘部の前面側だけを切削すればよい（図３（ｂ）仮想線参照）。

即ち、従来のバルブの製造方法では、一次鍛造後の傘部の余肉部の厚さを調整する余肉調整工程において、後の二次鍛造でバルブ中間品の円盤形状傘部周縁の内周側から外周側向けたスベリ変形が効率よくかつスムーズに発生するように、バルブ中間品の円盤形状傘部周縁部に所定のテーパ面１６ａを切削によって形成していたが、本実施例方法では、一次鍛造工程において、バルブ中間品の円盤形状傘部の周縁に所定のテーパ面１６ａが成形されるので、図２（ｃ）に示す余肉調整工程では、切削する部位および切削量が少ない分、素材を節約できるし、余肉調整工程に要す時間も短くなる。

また、金型２０を用いた一次鍛造により成形されたバルブ中間品Ｗ３の円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａには、図４（ｂ）に示すように、硬度の高い緻密な鍛流線が積層する表層部がそのまま露呈して、テーパ面１６ａにおける硬度が高められている。そして、その後、円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａを含む領域に、図２（ｄ）に示す二次鍛造が施されることで、図４（ｃ）に示すように、成形面であるバルブの傘部フェース１６の表層部における鍛流線がさらに緻密となって、バルブ１０の傘部フェース１６における硬度はいっそう高められる。

次に、図２（ｄ）に示す再鍛造（二次鍛造）工程に用いる金型４０（ダイス４２）について、図５〜図８を参照して詳しく説明する。

ダイス４２の中央には、バルブ中間品Ｗ３の軸部が挿通できる上下に延びる孔４２ａが設けられるとともに、孔４２ａから連続してダイス前端面４２ｂに開口するスカート状領域４２ｃの内側には、傘部成形用の押圧凸部４３が周方向等分３箇所に設けられている。詳しくは、従来の二次鍛造用金型のダイス１（図１５参照）内側に周設されている傘部成形用の押圧凸部２の周方向等分３箇所に、周方向に延在する押圧凸部２（押圧面２ａ）を半径方向に横切る凹溝４６を設けるようにしたものである。即ち、ダイス４２の内側には、傘部フェース１６成形用の平面視円弧状（扇状）の押圧凸部４３（押圧成形面４４）と平面視円弧状（扇状）の凹溝４６が周方向に交互に設けられた構造となっている。

凹溝４６は、図５,７に示すように、その底面４６ａがスカート状領域４２ｃに連続する面で構成されて、押圧凸部４３がスカート状領域４２ｃおよび凹溝底面４６ａから突出するように形成されているが、押圧凸部４３の高さ（段差）は、バルブ中間品Ｗ３の円盤形状傘部に鍛造を施す際に、スカート状領域４２ｃ（凹溝底面４６ａ）とバルブ中間品Ｗ３の傘部とが確実に緩衝しない所定の高さに形成されている。

押圧凸部４３は、図７（ａ）に示すように、ダイス４２の前端面４２ｂに対し４５度でダイス中心Ｏに向かって斜め下方に傾斜する半径方向外側の第１のテーパ面４３ａと、第１のテーパ面４３ａに対し１５度上向きでダイス中心Ｏに向かって斜め下方に傾斜する、半径方向内側の第２のテーパ面４３ｂを備え、ダイス４２の前端面４２ｂに対し３０度傾斜する第２のテーパ面４３ｂが傘部フェース１６を成形する押圧成形面４４を構成している。

また、押圧成形面４４は、図６に示すように、ダイス中心Ｏに対し平面視４５度の扇型に、凹溝４６はダイス中心Ｏに対し平面視７５°の扇型にそれぞれ形成され、押圧凸部４３のテーパ状押圧成形面４４（４３ｂ）と凹溝４６の底面４６ａ間の段差面４５は、図８に示すように、水平面に対し３０度の傾斜面（鉛直面に対し左右６０度の傾斜面）で構成されている。

特に、段差面４５の水平面（鉛直面）に対する傾斜は、図８に示すように、効率よく素材を塑性変形させるとともに、金型４０（ダイス４２）を長期間使用できるように、３０度（６０度）に設定されている。即ち、段差面４５の水平面（鉛直面）に対する傾斜は、２５度未満（６５度を超える）では、二次鍛造時の素材に作用する単位面積当たりの押圧凸部４３による押圧力（押圧応力）が低下して、塑性変形が素材の深層部まで及ばない。一方、４５度を超える（４５度未満）では、押圧凸部４３の押圧成形面４４（４３ｂ）と段差面４５との分岐部における摩滅が激しく、長期間の使用に適さない。

このため、段差面４５の水平面（鉛直面）に対する傾斜は、２５度（６５度）〜４５度（４５度）の範囲が望ましく、最適な角度３０度（６０度）に設定されている。

また、ダイス４２中央の孔４２ａには、図７（ｂ）に示すように、二次鍛造後のバルブ中間品Ｗ４の軸端部を突き押しして、バルブ中間品Ｗ４をダイス４２の上方に押し出すエジェクタピン５０が設けられている。

このエジェクタピン５０は、二次鍛造終了後のバルブ中間品Ｗ４を取り出す際に使用されることは勿論であるが、図７（ｃ）に示すように、パンチ４８の押圧動作後の上昇動作に連係して、バルブ中間品Ｗ４の軸端部を突き押しして所定距離だけ上昇して、バルブ中間品Ｗ４の傘部を押圧凸部４３から所定距離Ｈだけ離間した位置に保持するという作用もある。そして、ダイス４２の上方所定位置に保持されたバルブ中間品Ｗ４の傘部を、作業者が手で金型４０（ダイス４２）に対し所定角度だけ回転させた後に、傘部が押圧凸部４３に当接する元の位置までエジェクタピン５０を下降させれば、バルブ中間品Ｗ４の傘部における押圧凸部４３による押圧位置が周方向に所定角度だけずれた形態となる。

即ち、ダイス４２には押圧凸部４３と凹溝４６が周方向に交互に連続して設けられているため、パンチ４８の押圧動作によって、バルブ中間品Ｗ３の傘部側には素材が塑性変形する部位と塑性変形しない部位が周方向に交互に形成されるが、例えば、パンチ４８の押圧動作に連係して、バルブ中間品Ｗ３を金型４０（のダイ４２）に対し所定角度（例えば、60度）回転させて、バルブ中間品Ｗ３の傘部における押圧凸部４３の押圧位置を周方向に所定角度ずれるようにして、バルブ中間品Ｗ３の傘部フェース側を鍛造すれば、５〜６回程度のパンチ４８の昇降動作（押圧動作）で、バルブ中間品Ｗ３の傘部フェース全周をほぼ均一に成形できる。

また、金型４０を用いた二次鍛造では、パンチ４８を介してバルブ中間品Ｗ３の傘部フェース側をダイス４２の押圧凸部４３に押圧すると、円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａがその内周側から外周側に向けたスベリ変形を伴って塑性変形する。

特に、円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａ含む領域を塑性変形させるフェース成形用の押圧凸部４３（押圧成形面４４）の総面積が、図１５に示すような、従来の二次鍛造に用いられる金型（ダイス１）に周設されている押圧凸部２（傘部フェースに対応する所定巾の円環状の押圧面２ａ）の総面積に比べて凹溝の面積相当分小さいため、押圧凸部４３（押圧成形面４４）を介して素材に作用する単位面積あたりの押圧力（押圧応力）がそれだけ大きい。このため、パンチ４８の押圧動作１回当たりの素材の深さ方向の塑性変形量は従来の金型（ダイス１）に比べて大きく、それだけ傘部フェース１６の深層部まで硬度を高めることができる。

次に、実施例方法１（２）と比較例方法１（２）によってそれぞれ製造した傘径７０mm（傘径１６０mm）のバルブの傘部フェースでの硬度試験の測定結果を図１０（１１）に示す。なお、比較例方法１（２）は、図２（ｄ）に示す二次鍛造に用いる金型４０（ダイス４２）だけが、図２に示す実施例方法１（２）と相違し、その他の工程については前記した実施例方法１（２）と何ら変わるものではない。しかし、比較例方法１（２）は、図４に示す金型２０(テーパ状成形面２２ｃ１が設けられたダイス２２)を用いて図２（ｂ）に示す一次鍛造を行うという点で、従来方法とは異なる。

即ち、比較例方法１（２）では、図２（ｄ）に示す二次鍛造用の金型４０（ダイス４２）に代えて、図１４に示す従来公知の金型（特許文献１の二次鍛造に用いられる金型と同一構造のダイス１）を用いて、換言すれば、押圧凸部４３（押圧成形面４４）が周設されている（周方向に延在する）構造のダイス１を用いて、バルブ中間品Ｗ３の円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａに内周側から外周側に素材のすべり変形を伴う鍛造を施すようになっている。

また、この硬度試験では、図９に示すように、バルブ完成品の傘部フェース１６相当部分の巾方向の中心と、巾方向外周側の１ｍｍ巾内の点、巾方向内周側の１ｍｍ巾内の点にそれぞれ測定点を設定し、これらの各測定点における深さが0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0ｍｍの点について、ビッカース硬度計で硬度を測定した。

そして、図１０に示した硬度試験の結果を見ると、実施例方法１では、表層部においては勿論、表面から４〜５ｍｍの深層部においても、ビッカース硬度が５００以上の測定点が非常に多く認められ、高硬度が要求されるフェース外周側には５５０ＨＶ以上の測定点も少なからず認められる。一方、比較例方法１では、表面から４〜５ｍｍの深層部においては勿論、表層部においても、最高値が５００ＨＶに達していない。

また、フェースの外周側に相当する部分が内周側および中央部に相当する部分よりも高いという硬度パターンの傾向は、実施例方法１および比較例方法１とも共通するが、フェースの外周側，内周側、中央部のいずれの硬度パターンについても、実施例方法１の方が比較例方法１よりも約５０〜６３ＨＶ程度高い（実施例方法１よりも比較例方法１の方が約５０〜６３ＨＶ程度低い）。

このように、実施例方法１と比較例方法１でそれぞれ製造したバルブの傘部フェースにおける硬度を比較した場合に、実施例方法１よりも比較例方法１の方が約５５〜６５ＨＶほど低くなる理由は、すでに説明したように、二次鍛造の際、円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａに作用する単位面積当たりの押圧力（押圧応力）の差によるものである。即ち、実施例方法１では、二次鍛造の際に、押圧凸部４３（押圧成形面４４）を介して素材に作用する単位面積当たりの押圧力（押圧応力）が、比較例方法１における二次鍛造の際の押圧成形面を介して素材に作用する単位面積当たりの押圧力（押圧応力）よりも大きいため、バルブの傘部フェース１６の表層部から深層部の全域において、約５０〜６３ＨＶ程度の差がでると考えられる。

また、図１１は、傘径１６０mmのバルブの製造に本発明方法を適用したもので、実施例方法２とその比較例方法２によってそれぞれ製造したバルブ（傘径１６０mm）の傘部フェースでの硬度試験の測定結果を示している。

この実施例方法２および比較例方法２では、実施例方法１の各工程，比較例方法１の各工程と実質的に変わるものではないが、バルブの傘径が大きい分、図２（ａ）に示す据え込み工程で成形する球状膨出部が大きく、図２（ｂ）に示す一次鍛造用の金型２０（ダイス２２およびパンチ２８）および図２（ｄ）に示す二次鍛造用の金型４０（ダイス４２およびパンチ４８）もバルブの傘径に応じて大きく形成されている。

さらに、鍛造用金型４０のプレス力を大きくして、二次鍛造時の素材に作用する単位面積当たりの押圧凸部４３による押圧力（押圧応力）が実施例方法１の場合と同様の値となるように設計（金型４０のプレス力／押圧成形面４４の総面積が実施例方法１と同様に設定）されている。しかし、傘径１６０mmの傘部は傘径７０mmの傘部よりもその厚さが増えるため、それだけ押圧力に対する素材の変形抵抗が大きく、塑性変形しにくい。したがって、実施例方法２では、二次鍛造の際、素材に実際に作用する単位面積当たりの押圧凸部４３による押圧力（押圧応力）が実施例方法１の場合より小さい（傘部フェース面１６ａにおける塑性変形量が実施例方法１の場合より少ない）。このため、実施例方法２では、実施例方法１の場合と同程度の深層部までは塑性変形が及ばず、実施例方法１（約５５０〜５００ＨＶ）に比べて、約５０〜１００ＨＶほど低い約５００〜４００ＨＶの硬度となる。しかし、高硬度が要求されるフェース外周側では、実施例方法１（約５５０〜５００ＨＶ）に比べて約５０ＨＶほど低い約５００〜４５０ＨＶであって、これはバルブの傘部フェースとして十分な硬度である。

また、図１１に示した硬度試験の結果を見ると、実施例方法２および比較例方法２では、フェース外周側，中央部および内周側の全ての硬度パターンについて、深くなるほど硬度が低下するという同じような傾向を示し、全ての硬度パターンについて、実施例方法２の方が平均して約５４〜７５ＨＶほど硬度が高いことがわかる。また、実施例方法２では、フェース内周側の深層部（深さ４．０〜５．０ｍｍ）における硬度が４００ＨＶ未満であるが、それ以外は、５００〜４００ＨＶの範囲にある。また、比較例方法２では、フェース内周側の深層部（深さ４．０〜５．０ｍｍ）における硬度が３５０ＨＶ未満であるが、それ以外は、４５０〜３５０ＨＶの範囲にある。

そして、実施例方法２と比較例方法２でそれぞれ製造したバルブの傘部フェースにおける硬度を比較した場合に、フェースの外周側，内周側、中央部のいずれの硬度パターンについても、実施例方法１の方が比較例方法１よりも約５４〜７５ＨＶ程度高い（実施例方法１よりも比較例方法１の方が約５４〜７５ＨＶ程度低い）が、既に説明したように、二次鍛造の際、円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａに作用する単位面積あたりの押圧力（押圧応力）の差によるものと考えられる。

図１２，図１３は、実施例方法３，４によって製造した傘径７０mm，１６０mmのバルブの傘部フェースでの硬度試験の測定結果をそれぞれ示す説明図で、（ａ）は測定結果表、（ｂ）は（ａ）の測定結果を示すグラフである。

この実施例方法３（４）は、図２（ｂ）に示す一次鍛造工程と、図２（ｃ）に示す余肉調整工程とが、実施例方法１（２）と相違し、その他の工程については前記した実施例方法１（２）と何ら変わるものではないが、図５〜８に示す金型４０(ダイス４２)を用いて図２（d）に示す二次鍛造を行うという点で、従来方法とは異なる。

実施例方法３（４）では、図２（ｂ）に示す一次鍛造用の金型２０（ダイス２２）に代えて、図１５に示す、円盤形状傘部の外形を成形する成形面２２ｃ’が設けられた金型２０’（ダイス２２’）を用いて一次鍛造を行う。換言すれば、実施例方法１（２）で用いる金型２０（ダイス２２）には、図４（ａ）に示すように、円盤形状傘部の外形を成形する成形面２２ｃが形成され、成形面２２ｃには、円盤形状傘部周縁部にテーパ面１６ａを成形するテーパ状成形面２２ｃ１が設けられているが、実施例方法３（４）で用いる金型２０’（ダイス２２’）の成形面２２ｃ’には、テーパ状成形面２２ｃ１が設けられていない。

そのため、実施例方法３（４）における余肉調整工程では、図１７に示すように、バルブ中間品Ｗ２を回転させつつ、切削工具３０，３２を使って、円盤形状傘部の周縁にテーパ面１６ａを形成する必要がある。

この実施例方法３（４）で製造したバルブの傘部フェースの硬度は、５２５〜４５５ＨＶ（４８８〜３６０ＨＶ）の範囲に分布しており、５５４〜４８３ＨＶ（５０４〜３８０ＨＶ）の範囲に分布する実施例方法１（２）で製造したバルブの傘部フェースの硬度よりも、約３０ＨＶ（２０ＨＶ）ほど低い値であるが、これは、二次鍛造工程に搬入されるバルブ中間品Ｗ３の円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａが、実施例方法３（４）では、切削面で構成されているのに対し、実施例方法１（２）では、鍛造による成形面で構成されていることによるものと考えられる。

即ち、実施例方法３（４）では、一次鍛造により、バルブ中間品Ｗ２の円盤形状傘部の周縁部における鍛流線が緻密になって、円盤形状傘部周縁部における硬度がある程度高められる。しかし、その後の余肉調整工程（図１６参照）において、断面矩形状の周縁角部がテーパ形状に切削されることで、表面に沿って層状に形成された外側の鍛流線が切れて、テーパ面に内側の鍛流線（硬度の低い内層部）が露呈した形態となる。このため、二次鍛造工程において、金型４０を用いて、円盤形状傘部のテーパ面を含む周縁部に内周側から外周側に向けてスベリ変形が生じる鍛造を施したとしても、鍛流線の切れた内層部が成形面に露呈するという形態は変わらず、成形面であるバルブの傘部フェースの硬度は、一次鍛造した成形面をそのまま二次鍛造する実施例方法１（２）に比べて、約３０ＨＶ（２０ＨＶ）ほど低くなると考えられる。

一方、この実施例方法３（４）に対する比較例方法３，４は、従来公知の方法であって、図２（ｄ）に用いられる二次鍛造用金型として、図１４に示す従来公知の金型（押圧凸部（押圧成形面）がダイスの内側に周設された構造）を用いて、余肉調整工程で切削により形成された円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａに内周側から外周側に素材のすべり変形を伴う鍛造を施すようにしたもので、この点において、実施例方法３，４と異なる。

そして、従来方法である比較例方法３（４）によって製造された傘径７０mm（１６０mm）のバルブの傘部フェースでの硬度試験の測定結果については、直接提示してはいない。しかし、図１０（１１）に示すように、押圧凸部４３（押圧成形面４４）が周方向に延在する従来公知の金型（ダイス）によって二次鍛造を施す比較例方法１（２）では、押圧凸部４３（押圧成形面４４）が周方向等間隔に配置されている金型４０（ダイス４２）によって二次鍛造を施す実施例方法１（２）に比べて、傘部フェースの硬度が約５０〜６３（５４〜７５）ＨＶほど低くなることから、従来方法である比較例方法３（４）で製造されたバルブの傘部フェースの硬度は、実施例方法３（４）で製造されたバルブの傘部フェースの硬度よりも約５０〜６３（５４〜７５）ＨＶほど低い、図１２,１３の仮想線で示した範囲Ａ（Ｂ）に分布するものと推定される。

即ち、実施例方法３（４）によれば、従来方法である比較例方法３（４）によってバルブを製造する場合よりも、バルブの傘部フェースの硬度を約５０〜６３（５４〜７５）ＨＶほど高めることができる。

なお、前記した実施例方法１〜４では、耐熱合金製のポペットバルブ１０の素材をＮＣＦ８０Ａ製として説明したが、バルブ１０の素材は、ＮＣＦ７５１その他の析出硬化型Ｎｉ基合金であってもよく、さらには、析出硬化型Ｎｉ基合金以外の内燃機関用バルブの素材として公知である他の耐熱合金であってもよい。

１０ ポペットバルブ
１１ 軸部
１２ 傘部
１６ 傘部フェース
１６ａ テーパ面
Ｗ１〜Ｗ５ バルブ中間品
２０ 一次鍛造用の金型
２２ ダイス
２２ｃ 円盤状傘部成形面
２２ｃ１ テーパ部成形面
２８ パンチ
４０ 二次鍛造用の金型
４２ ダイス
４３ 押圧凸部
４４ 押圧成形面
４６ 凹溝
４８ パンチ
５０ エジェクタピン

Claims (3)

1. 内燃機関のバルブシートと接触するバルブの傘部フェースを成形する押圧凸部がその内側に周設されたダイスと、前記ダイスに挿入されたバルブ中間品の傘部前面側を押圧するパンチとを備えた金型によって、耐熱合金製のバルブ中間品の傘部フェース側にその内周側から外周側に向けてスベリ変形が生じる鍛造を施す内燃機関用バルブの製造方法において、
   前記ダイスには、周方向に延在する前記押圧凸部の周方向等分複数箇所に該押圧凸部を横切る凹溝が設けられるとともに、前記パンチの押圧動作に連係して、前記バルブ中間品と前記金型を所定角度相対回転させつつ鍛造を施すことを特徴とする内燃機関用バルブの製造方法。
2. 前記パンチが押圧動作後、前記ダイスの上方所定位置まで上昇したときに、前記バルブ中間品は、その軸端部がエジェクタピンによって突き押しされてその傘部が前記ダイスの押圧凸部からが離間した形態に保持されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブの製造方法。
3. 前記バルブ中間品は、一次鍛造により軸端部に円盤形状の傘部が成形され、切削により前記円盤形状の傘部の余肉部が調整された後に、前記円盤形状の傘部に二次鍛造を施す前記金型に供給されるが、
   前記一次鍛造工程では、前記円盤形状の傘部を成形すると同時に、該円盤形状傘部の周縁にバルブの傘部フェースに対応する所定のテーパ部を成形することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用バルブの製造方法。

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