JP5575991B2 - 内燃機関用バルブの製造方法 - Google Patents

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、これらの提案では、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傘部フェースの硬度の向上（傘部フェースの耐磨耗性や高温耐食性の向上）には限界があった。

発明者がその原因について詳しく検討したところ、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工程に先立って行われる、切削により傘部の余肉を調整する余肉調整工程において、バルブ中間品の円盤形状傘部の周縁部を切削によりテーパ形状に切削することが問題であることがわかった。

詳しくは、バルブの製造方法は、軸端部に一体的に形成されている球状膨出部を鍛造して円盤形状傘部に成形する一次鍛造工程と、バルブ中間品の円盤形状傘部の周縁部をテーパ形状に切削する等の余肉調整工程と、円盤形状傘部の周縁テーパ部にスベリ変形が生じる鍛造を施す二次鍛造工程とを備えている。

そして、一次鍛造により成形された円盤形状傘部周縁の表層部では、図１２（ａ）に示すように、表面に沿って層状に形成された鍛流線が緻密になって、その硬度がある程度高められている。しかし、余肉調整工程において、図１２（ａ）仮想線Ｌ１−Ｌ１に示されるように、円盤形状傘部の周縁角部がテーパ形状に切削されると、表面に沿って層状に形成されている鍛流線が切れて、硬度の低い内層部がテーパ面に露呈する。

このため、二次鍛造工程において、円盤形状傘部の周縁テーパ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、図１２（ｂ）に示されるように、鍛流線の切れた内層部が成形面に露呈する形態は変わらず、傘部フェースの硬度は十分に高くならない。

そこで、発明者は、二次鍛造工程に供給されるバルブ中間品の円盤形状傘部の周縁テーパ部が一次鍛造された形態そのままであれば、鍛流線が緻密に形成されている周縁テーパ部が二次鍛造されることで、成形面である傘部フェースにおける鍛流線がより緻密になって、それだけ傘部フェースの硬度が高くなると考えた。

そして、二次鍛造工程に供給されるバルブ中間品の円盤形状傘部の周縁テーパ部が一次鍛造された形態そのままであるためには、一次鍛造工程で、バルブ中間品の円盤形状傘部周縁にテーパ部を成形するように鍛造すればよいし、切削工程では、バルブ中間品の円盤形状傘部の周縁角部の切削（テーパ部の形成）を省くことができる、と考えた。

そして、バルブ中間品の円盤形状傘部周縁にテーパ部を成形できるように、一次鍛造用の金型（ダイス）を試作し、この金型（ダイス）をバルブの製造方法に適用して、その効果を検証したところ、図１０，１１，１３，１４に示すように、傘部フェースを高硬度化する上で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に係る内燃機関用バルブの製造方法においては、
ダイスとパンチを備えた一次鍛造用金型によって、軸端部の球状膨出部に鍛造を施して円盤形状の傘部を成形する一次鍛造工程と、前記一次鍛造により成形された円盤形状傘部の余肉の厚さを切削により調整する余肉調整工程と、ダイスとパンチを備えた二次鍛造用金型によって、内燃機関のバルブシートに接触するバルブの傘部フェースに対応する前記円盤形状傘部の周縁部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して、バルブの傘部フェースを成形する二次鍛造工程とを備えた内燃機関用バルブの製造方法において、
前記一次鍛造用金型のダイスに形成された、前記円盤形状傘部を成形する成形面には、前記バルブの傘部フェースに対応するテーパ状成形面が周設されて、
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部にバルブの傘部フェースに対応する、後の二次鍛造を施すための所定のテーパ面を成形し、
前記余肉調整工程においては、前記一次鍛造により成形された円盤形状傘部の前面側だけを切削する構成とした。

（作用）内燃機関用バルブは、軸端部に傘部が一体的に形成され、傘部の背面側の周縁部には、内燃機関のバルブシートに接触するテーパ形状の傘部フェースが形成されている。

従来の方法では、一次鍛造により円盤形状に成形された傘部は、余肉調整工程によって、傘部の周縁部をテーパ形状に加工された後に、二次鍛造工程に送られるのに対し、本発明方法では、一次鍛造工程において、円盤形状傘部を成形すると同時に、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テーパ部を成形する。

このため、一次鍛造工程後のバルブの余肉調整工程では、従来の余肉調整工程で行っていた、円盤形状傘部の周縁部にバルブの傘部フェースに対応するテーパ部を形成する作業（円盤形状傘部の周縁部をテーパ形状に切削する作業）が不要になる。

また、二次鍛造工程前に行う余肉調整工程では、バルブ中間品の円盤形状傘部の周縁角部をテーパ形状に切削しない分、素材を節約できるし、余肉調整工程に要す時間も短縮される。

また、従来の余肉調整工程では、図１２（ａ）に示すように、一次鍛造により、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、図１２（ａ）の符号Ｌ１−Ｌ１で示すように、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、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、図１２（ｂ）に示すように、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場合に比べると、幾分低くなる。

一方、本発明方法では、二次鍛造工程に供給されるバルブ中間品の円盤形状傘部の周縁部は、一次鍛造により成形された形状（円盤形状傘部周縁にテーパ部が成形された形状）そのままである。即ち、図４（ｂ）に示すように、緻密な鍛流線が層状に形成された表層部で構成されている円盤形状傘部の周縁テーパ部が二次鍛造される。このため、二次鍛造工程において、円盤形状傘部周縁のテーパ部を含む領域に内周側から外周側に向けてスベリ変形が生じる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を構成する表層部における鍛流線がさらに緻密となって、バルブの傘部フェースの硬度が十分に高められる。

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、傘部フェースの高硬度化により耐吹き抜け性と耐磨耗性とが十分に向上した内燃機関用バルブを製造できる。

また、余肉調整工程で切削除去される余肉が大幅に減少するので、それだけバルブの素材（材料）の無駄を減らすことができる。

また、余肉調整工程に要す時間が短縮される分、バルブの製造に要す時間も短縮されるので、バルブの量産に有効である。

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。 比較例方法１を説明する説明図で、鍛造されたバルブ中間品の円盤形状傘部に形成される鍛流線を示し、（ａ）は一次鍛造後の余肉調整工程における切削位置を示す図、（ｂ）は二次鍛造後の傘部に形成された鍛流線を示す図である。 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２２ｃ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、円盤形状傘部の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（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、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が、比較例方法１（２）は、図５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、従来方法と異なる。

即ち、比較例方法１（２）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１６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。詳しくは、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、比較例方法１（２）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、比較例方法１（２）では、一次鍛造後の余肉調整工程において、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、円盤形状傘部の背面側，周縁部および前面を切削して、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。

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５００ＨＶ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、フェース巾の中央部の表層部（深さ０．５〜１．５ｍｍ）における硬度や、フェース内周側の深層部（深さ３．０〜５．０ｍｍ）における硬度が５００ＨＶ未満である等、深層部においては勿論、表層部においても、最高値が５００ＨＶに達していない測定点が少なからず散見され、平均的に約２０〜３０ＨＶ程度、実施例方法１よりも硬度が低い。

また、フェースの外周側に相当する部分の硬度が中央部および内周側に相当する部分の硬度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。

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２０〜３０ＨＶほど低くなる理由は、二次鍛造が施される円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａが、実施例方法１では、一次鍛造により成形された成形面で構成されているのに対し、比較例方法１では、切削工具によって切削された切削面で構成されているため、と解される。

即ち、比較例方法１では、一次鍛造により、円盤形状傘部の周縁部における鍛流線は、図１２（ａ）に示すように緻密になって、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で、図１２（ａ）の符号Ｌ１−Ｌ１で示すように、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ている鍛流線が切れて、テーパ面１６ａ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１６ａ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、図１２（ｂ）に示すように、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１６の硬度は、二次鍛造により硬度が高められるにしても、図１０に示すように、実施例方法１と比べて約２０〜３０ＨＶほど低い硬度にとどまる。

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であるが、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２０〜３０ＨＶほど高いことがわかる。また、フェース内周側の深層部（深さ４．０〜５．０ｍｍ）における硬度は、実施例方法２および比較例方法２のいずれの場合も４００ＨＶに達していないが、いずれも３５０ＨＶを十分越えた硬度が確保されている。

このように、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、実施例方法２よりも比較例方法２の方が約２０〜３０ＨＶほど低くなる理由は、実施例方法１と比較例方法１との比較において既に説明したように、二次鍛造が施される円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａが、一次鍛造により成形された成形面で構成されているか、切削工具によって切削された切削面で構成されているかの違いである。

図１３，図１４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（ｄ）に示す二次鍛造工程が、図１５に示す従来公知の金型、即ち、押圧凸部（押圧成形面）がダイスの内側に周設された金型（ダイス）を用いて、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という点だけが、前記した実施例方法１，２と相違する。

そして、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、４９３〜４３３ＨＶ（４２９〜３３６ＨＶ）の範囲に分布しており、５２５〜４８３ＨＶ（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５０ＨＶ（７０ＨＶ）ほど低い値となっているが、これは、二次鍛造工程に用いられる金型（ダイスの押圧面）が相違し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、従来公知の金型（図１５参照）を用いた二次鍛造の際の素材に作用する単位面積当たりの押圧力（押圧応力）が、実施例方法１（２）の金型４０を用いた二次鍛造の際の素材に作用する単位面積当たりの押圧力（押圧応力）に比べて小さいため、実施例方法３（４）のバルブの傘部フェースの硬度が、実施例方法１（２）の硬度よりも約５０ＨＶ（７０ＨＶ）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、従来の方法であって、図２（ｄ）に示す二次鍛造工程に供給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、図２（ｂ）に示す一次鍛造工程で成形されるのではなく、図１７に示す余肉調整工程で切削によって形成されるという点で、実施例方法３，４と異なる。

そして、従来方法（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、円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａを切削により形成する比較例方法１（２）では、円盤形状傘部の周縁テーパ面１６ａを鍛造（成形）により形成する実施例方法１（２）に比べて、傘部フェースの硬度が約３０（２０）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３０（２０）ＨＶほど低い、図１３（１４）の仮想線Ａ（Ｂ）で示す範囲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）よりも、バルブの傘部フェースの硬度を約３０（２０）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 テーパ部であるテーパ面
Ｗ１〜Ｗ５ バルブ中間品
２０ 一次鍛造用の金型
２２ ダイス
２２ｃ 円盤形状傘部成形面
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 (2)

1. ダイスとパンチを備えた一次鍛造用金型によって、軸端部の球状膨出部に鍛造を施して円盤形状の傘部を成形する一次鍛造工程と、前記一次鍛造により成形された円盤形状傘部の余肉の厚さを切削により調整する余肉調整工程と、ダイスとパンチを備えた二次鍛造用金型によって、内燃機関のバルブシートに接触するバルブの傘部フェースに対応する前記円盤形状傘部の周縁部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して、バルブの傘部フェースを成形する二次鍛造工程とを備えた内燃機関用バルブの製造方法において、
   前記一次鍛造用金型のダイスに形成された、前記円盤形状傘部を成形する成形面には、前記バルブの傘部フェースに対応するテーパ状成形面が周設されて、
   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部にバルブの傘部フェースに対応する、後の二次鍛造を施すための所定のテーパ面を成形し、
   前記余肉調整工程においては、前記一次鍛造により成形された円盤形状傘部の前面側だけを切削する、
   ことを特徴とする内燃機関用バルブの製造方法。
2. 前記一次鍛造用金型のダイスに設けられた、前記バルブの傘部フェースに対応するテーパ状成形面の傾斜角は、前記二次鍛造用金型のダイスに形成された前記バルブの傘部フェース成形用の押圧成形面の傾斜角より幾分小さい所定角度に構成された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。
   

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