JP6215156B2 - 中空エンジンバルブ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、中空エンジンバルブ及びその製造方法に係わり、特に、弁傘部とこの弁傘部に接続する弁軸部とにわたって有底の中空孔が形成された弁本体を備える中空エンジンバルブの製造方法及びその製造方法に関する。
近年、エンジンの高出力化及び高性能化に伴い、高精度なバルブ開閉動作が可能なエンジンバルブへの要望が高まっている。そこで、内部を中空に形成して軽量化を実現した中空エンジンバルブが提供されている。このような中空エンジンバルブの製造方法は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２０１０−０９４７３２号公報
特許文献１に示されているような従来の中空エンジンバルブの製造方法では、中空エンジンバルブの素材となる中実丸棒を、鍛造によって、弁傘部に対応する拡径部と中実の胴部とを備えた中間部材に成形し、次いで、この中間部材の上面にパンチング加工により有底の中空孔を形成して、中空エンジンバルブの半完成品を得る。さらに、鍛造によって、この半完成品の拡径部と胴部とを絞り上げることにより、中空エンジンバルブの完成品が成形される。
ところで、この中空エンジンバルブを排気弁として使用する場合、高温の排気に曝されるという使用環境に耐えられるようにするため、高い耐熱性を有する耐熱鋼や耐熱合金により中空エンジンバルブを製造する必要がある。しかしながら、そのような高い耐熱性を有する材料は一般的に難削材であり、工具寿命が短縮されることが多い。
特に、特許文献１に示されているように、中空エンジンバルブの半完成品を得る工程において、難削材の中間部材の上面にパンチング加工によって有底の中空孔を形成する場合、パンチング加工に使用する工具（パンチ）を数回の使用で交換しなければならず、製造コストが増大するという問題がある。
また、中空エンジンバルブの完成品と同様の外形を有する中実の半完成品を成形した後、切削加工によりこの半完成品の軸部に中空孔を形成することも考えられるが、この場合、径に対する長さの比が極めて大きい細長い孔をドリルで加工しなければならないので、加工自体が困難であると共に、工具寿命が非常に短くなってしまう。
また、特許文献１に示されているような従来の製造方法では、中空エンジンバルブの半完成品における中空孔の底面は平面であり、この中空孔の底面と内周面との成す角度はほぼ９０°となっている。この場合、鍛造によって、この半完成品の拡径部と胴部とを絞り上げると、中空孔の底面と内周面との間の隅部が折り畳まれてこの隅部のＲが小さくなる。その結果、中空エンジンバルブの使用時にこの隅部に応力集中が生じ易くなり、中空エンジンバルブの耐久性が低下する可能性がある。
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、製造コストの増大を抑制しつつ、耐久性の高い中空エンジンバルブ及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の中空エンジンバルブの製造方法は、弁傘部とこの弁傘部に接続する弁軸部とにわたって有底の中空孔が形成された弁本体を備える中空エンジンバルブの製造方法において、弁本体の素材となる中実丸棒を、鍛造により、弁傘部に対応する半完成品弁傘部と弁軸部に対応する中実軸部とを備えた弁本体中間部材に成形する工程と、弁本体中間部材に対して、中実軸部と半完成品弁傘部とにわたって、中空孔に対応した有底の半完成品中空孔を形成する切削加工を行うことにより、弁本体中間部材を、半完成品弁傘部と弁軸部に対応する半完成品弁軸部とを備えた弁本体半完成品に成形する工程と、弁本体半完成品に対して、半完成品弁軸部を段階的に絞り上げるネッキング加工を行うことにより、半完成品弁軸部の径を縮径すると共に、半完成品弁軸部の軸長を長くして、弁本体半完成品を弁本体に成形する工程とを有することを特徴とする。
このように構成された本発明においては、弁本体の素材となる中実丸棒を、鍛造により、半完成品弁傘部と中実軸部とを備えた弁本体中間部材に成形した後、この弁本体中間部材に対して、中実軸部と半完成品弁傘部とにわたって、有底の半完成品中空孔を形成する切削加工を行うことにより、弁本体中間部材を、半完成品弁傘部と半完成品弁軸部とを備えた弁本体半完成品に成形するので、中空エンジンバルブの素材として難削材を使用する場合でも、その難削材の加工に適した切削工具（ドリル）を使用して半完成品中空孔を形成することができ、これにより、弁本体中間部材に対してパンチング加工によって半完成品中空孔を形成する場合や、中空エンジンバルブの完成品と同様の外形を有する中実の半完成品の軸部に切削加工によって細長い中空孔を形成する場合と比較して、工具に要するコストを低減することができると共に加工サイクルタイムを短縮できる。従って、中空エンジンバルブの製造コストの増大を抑制することができる。
また、本発明において、好ましくは、中空孔に対応した半完成品中空孔を形成する工程において、先端が傾斜したドリルにより半完成品中空孔を形成する。
このように構成された本発明においては、半完成品中空孔の底面を逆円錐状に形成することができ、これにより、この半完成品中空孔の底面が平面である場合と比較して、半完成品弁軸部にネッキング加工を施した際に中空孔の底面と内周面との間の隅部が折り畳まれてこの隅部のＲが小さくなることを抑制できる。従って、中空エンジンバルブの使用時にこの隅部に生じる応力集中を低減でき、耐久性の高い中空エンジンバルブを製造することができる。
また、本発明において、好ましくは、ドリルの刃先の先端角は、１４０°以上１７８°以下である。
このように構成された本発明においては、半完成品中空孔の底面を頂角が１４０°以上１７８°以下の逆円錐状に形成することができ、これにより、中空孔の底面の内径を適当な大きさに維持しつつ、半完成品弁軸部にネッキング加工を施した際に中空孔の底面と内周面との間の隅部のＲが小さくなることを抑制できる。従って、適当な大きさの中空孔を形成することによる軽量化及び高い冷却性能と、中空孔の底面と内周面との間の隅部における応力集中の低減による高い耐久性とを両立した中空エンジンバルブを製造することができる。
また、本発明の中空エンジンバルブは、弁傘部とこの弁傘部に接続する弁軸部とにわたって有底の中空孔が形成された弁本体を備える中空エンジンバルブであって、弁傘部の底面は、平面又は凹面であり、中空孔の底面は、凹面であることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、中空孔の底面が平面である場合と比較して、中空エンジンバルブを製造する際に中空孔の底面と内周面との間の隅部が折り畳まれてこの隅部のＲが小さくなることを抑制できる。従って、中空エンジンバルブの使用時にこの隅部に生じる応力集中を低減でき、耐久性の高い中空エンジンバルブを得ることができる。
また、本発明において、好ましくは、中空孔の底面は、逆円錐状に形成されている。
このように構成された本発明においては、中空孔の底面が平面である場合と比較して、中空エンジンバルブを製造する際に中空孔の底面と内周面との間の隅部が折り畳まれてこの隅部のＲが小さくなることを抑制できる。従って、中空エンジンバルブの使用時にこの隅部に生じる応力集中を低減でき、耐久性の高い中空エンジンバルブを得ることができる。
また、本発明において、好ましくは、中空孔の底面は、頂角が１４０°以上１７８°以下の逆円錐状に形成されている。
このように構成された本発明においては、中空孔の底面の内径を適当な大きさに維持しつつ、中空エンジンバルブを製造する際に中空孔の底面と内周面との間の隅部が折り畳まれてこの隅部のＲが小さくなることを抑制できる。従って、適当な大きさの中空孔が形成されていることによる軽量化及び高い冷却性能と、中空エンジンバルブの使用時に中空孔の底面と内周面との間の隅部に生じる応力集中の低減による高い耐久性とを両立した中空エンジンバルブを得ることができる。
本発明による中空エンジンバルブ及びその製造方法によれば、製造コストの増大を抑制しつつ、耐久性の高い中空エンジンバルブを得ることができる。
本発明の実施形態による中空エンジンバルブの完成品の断面図である。 本発明の実施形態による中空エンジンバルブの製造工程を示した工程図である。 本発明の実施形態による中空エンジンバルブの弁本体半完成品を示す図であり、（ａ）は弁本体半完成品の断面図、（ｂ）は弁本体半完成品の半完成品弁傘部の拡大断面図である。 本発明の実施形態による中空エンジンバルブの弁本体を示す図であり、（ａ）は弁本体の断面図、（ｂ）は弁本体の弁傘部の拡大断面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による中空エンジンバルブ及びその製造方法を説明する。
まず、図１により、本発明の実施形態による中空エンジンバルブを説明する。図１は、本発明の実施形態による中空エンジンバルブの完成品の断面図である。
まず、図１において、符号１は、本発明の実施形態による中空エンジンバルブを示す。この中空エンジンバルブ１は、車両等の内燃エンジンにおいて、吸気バルブ又は排気バルブとして使用される。
中空エンジンバルブ１は、中空の弁本体２と、中実の軸端封止部材４とを有している。
弁本体２は、傘状の弁傘部６と、この弁傘部６から軸線方向に沿って延びる弁軸部８とを有している。例えば、この弁傘部６の底面６ａの外径は３０ｍｍであり、弁軸部８の外径は６ｍｍである。これらの弁傘部６と弁軸部８とにわたって、弁傘部６及び弁軸部８の外形に沿うように有底の中空孔１０が形成されている。この中空孔１０の底面１０ａの内径は、弁軸部８における内径よりも大きく、例えば中空孔１０の底面１０ａの内径は１０ｍｍ、弁軸部８における中空孔１０の内径は３ｍｍである。この中空孔１０の内部には、例えば冷媒用の金属ナトリウムを封入することができる。以下の説明では、中空エンジンバルブ１の軸線方向に沿って弁軸部８から弁傘部６に向かう方向を下方、弁傘部６から弁軸部８に向かう方向を上方とする。
軸端封止部材４は、弁本体２の弁軸部８と同じ外径を有しており、この弁軸部８の上端と軸端封止部材４の下端とは、互いに接合されている。
図１に示すように、弁本体２の弁傘部６の底面６ａは平面であり、一方、弁傘部６における中空孔１０の底面１０ａは凹面となっている。より詳細には、中空孔１０の底面１０ａは逆円錐状に形成されており、その頂角は１４０°以上１７８°以下の範囲となるように形成されている。
弁本体２及び軸端封止部材４の材料としては、ＨＴ８０相当の高張力鋼で、８００℃における引張強度が３００ＭＰａ以上の耐熱材料（例えば、ＳＵＨ系の耐熱鋼やＮＣＦ系の耐熱合金等）が用いられる。
次に、図２乃至図４により、本発明の実施形態による中空エンジンバルブ１の製造方法を説明する。図２は、本発明の実施形態による中空エンジンバルブ１の製造工程を示した工程図である。また、図３は本発明の実施形態による中空エンジンバルブ１の弁本体半完成品２４を示す図であり、図３（ａ）は弁本体半完成品２４の断面図、図３（ｂ）は弁本体半完成品２４の半完成品弁傘部１４の拡大断面図である。また、図４は本発明の実施形態による中空エンジンバルブ１の弁本体２を示す図であり、（ａ）は弁本体２の断面図、（ｂ）は弁本体２の弁傘部６の拡大断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、所定の長さ及び外径に加工された中実丸棒１２を準備する。
次いで、図２（ｂ）に示すように、中実丸棒１２に対して、１回又は複数回の鍛造加工を行うことにより、弁傘部６に対応する半完成品弁傘部１４と、弁軸部８に対応する中実軸部１６とを備えた弁本体中間部材１８を成形する。このとき形成される半完成品弁傘部１４の底面１４ａの外径Ｄ1は、完成品の弁傘部６の底面６ａの外径よりも僅かに大きく、例えば３２ｍｍである。また、中実軸部１６の外径Ｄ2は、完成品の弁軸部８の外径よりも大きく、例えば１４〜２０ｍｍである。なお、この工程の鍛造加工では、冷間鍛造、温間鍛造、又は熱間鍛造のいずれの鍛造法を用いてもよい。
次に、図２（ｃ）に示すように、弁本体中間部材１８に対して、中実軸部１６と半完成品弁傘部１４とにわたって、中空孔１０に対応した有底の半完成品中空孔２０を形成する切削加工を行う。これにより、弁本体中間部材１８は、半完成品弁傘部１４と、弁軸部８に対応する半完成品弁軸部２２とを備えた弁本体半完成品２４に成形される。
図３（ａ）に示すように、この半完成品中空孔２０を形成する切削加工では、中実軸部１６と半完成品弁傘部１４とにわたって、有底の半完成品中空孔２０が形成される。この切削加工は、軸芯クーラント機能を備えた穴あけ加工機を使用して行なわれる。具体的は、穴あけ加工機はスルークーラントホール付きの超硬ドリルを備えており、このドリルに対して２ＭＰａ以上の圧力によりクーラントが供給される。この穴あけ加工機は、半完成品弁傘部１４の外周部分を保持した状態で、中実軸部１６の上端から半完成品弁傘部１４まで穴あけ加工を切削する。このようにして形成される半完成品中空孔２０の内径φ1は、完成品の中空孔１０の底面１０ａの内径よりも僅かに大きく、例えばφ1＝１０．７ｍｍである。
また、この切削加工で使用されるドリルの刃先の先端角は、１４０°以上１７８°以下である。従って、図３（ａ）に示すように、半完成品中空孔２０の底面２０ａは、頂角θ1が１４０°以上１７８°以下の逆円錐状に形成される。すなわち、図３（ｂ）に示すように半完成品中空孔２０の底面２０ａは、半完成品弁傘部１４の底面１４ａに対して傾斜角θ2が１°以上２０°以下となるように形成される。また、図３（ｂ）に示すように、この切削加工で形成された半完成品中空孔２０の底面２０ａと内周面２０ｂとの間の隅部には、所定の丸みＲ1（例えばＲ1＝１．０ｍｍ）が形成される。
ドリルの刃先の先端角が１４０°未満の場合（即ち、半完成品中空孔２０の底面２０ａの傾斜角θ2が２０°より大きい場合）、半完成品弁傘部１４の底面１４ａの肉厚を一定とすると、この半完成品弁傘部１４における半完成品中空孔２０の体積が小さくなるので、中空孔１０を形成することによる軽量化及び冷却性能の向上の効果が低減してしまう。また、ドリルの刃先の先端角が１７８°より大きい場合（即ち、半完成品中空孔２０の底面２０ａの傾斜角θ2が１°未満の場合）、半完成品弁軸部２２に後述するネッキング加工を施した際に中空孔１０の底面１０ａと内周面１０ｂとの間の隅部が折り畳まれてこの隅部のＲが小さくなるので、中空エンジンバルブの使用時に隅部に応力集中が生じ易くなり、中空エンジンバルブ１の耐久性が低下する可能性がある。従って、上述したように、ドリルの刃先の先端角は、１４０°以上１７８°以下（即ち、半完成品中空孔２０の底面２０ａの傾斜角θ2が１°以上２０°以下）であることが望ましい。
上述した半完成品中空孔２０を形成する切削加工の後、図２（ｄ）に示すように、弁本体半完成品２４に対して、半完成品弁軸部２２を段階的に絞り上げる複数回（例えば８回〜１５回）のネッキング加工（絞り加工）を行うことにより、半完成品弁軸部２２の径を縮径すると共に、半完成品弁軸部２２の軸長を長くする。これにより、弁本体半完成品２４は、弁傘部６と弁軸部８とを備えた弁本体２に成形される。
半完成品弁軸部２２は、ネッキング加工によって、弁軸部８の外径（例えば６ｍｍ）まで縮径されると共に、軸線方向の長さが延長される。このネッキング加工において、半完成品弁軸部２２の下端部分（半完成品弁傘部１４への接続部分）が中心軸線側に傾斜するように絞り込まれる。これに伴い、図４（ｂ）に示すように、中空孔１０の底面１０ａと内周面１０ｂとの間の隅部のＲ2は、図３（ｂ）に示した半完成品中空孔２０の底面２０ａと内周面２０ｂとの間の隅部のＲ1よりも小さくなる（例えばＲ2＝０．２ｍｍ）。また、中空孔１０の底面１０ａの内径φ2は、半完成品中空孔２０の内径φ1よりも僅かに小さくなる（例えばφ2＝１０ｍｍ）。
次いで、弁本体２の弁軸部８の上端に軸端封止部材４を接合し、弁傘部６の底面６ａの外周を面取り加工することにより、完成品としての中空エンジンバルブ１が形成される。
次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上述した実施形態においては、弁本体２の弁傘部６の底面６ａは平面であると説明したが、この弁傘部６の底面６ａは凹面であってもよい。
次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例による車両用内装構造の作用効果を説明する。
まず、弁本体２の素材となる中実丸棒１２を、鍛造により、半完成品弁傘部１４と中実軸部１６とを備えた弁本体中間部材１８に成形した後、この弁本体中間部材１８に対して、中実軸部１６と半完成品弁傘部１４とにわたって、有底の半完成品中空孔２０を形成する切削加工を行うことにより、弁本体中間部材１８を、半完成品弁傘部１４と半完成品弁軸部２２とを備えた弁本体半完成品２４に成形するので、中空エンジンバルブ１の素材として難削材を使用する場合でも、その難削材の加工に適した切削工具（ドリル）を使用して半完成品中空孔２０を形成することができ、これにより、弁本体中間部材１８に対してパンチング加工によって半完成品中空孔２０を形成する場合や、中空エンジンバルブ１の完成品と同様の外形を有する中実の半完成品の軸部に切削加工によって細長い中空孔を形成する場合と比較して、工具に要するコストを低減することができると共に加工サイクルタイムを短縮できる。従って、中空エンジンバルブ１の製造コストの増大を抑制することができる。
また、先端が傾斜したドリルにより半完成品中空孔２０を形成するので、半完成品中空孔２０の底面２０ａを逆円錐状に形成することができ、これにより、この半完成品中空孔２０の底面２０ａが平面である場合と比較して、半完成品弁軸部２２にネッキング加工を施した際に中空孔１０の底面１０ａと内周面１０ｂとの間の隅部が折り畳まれてこの隅部のＲが小さくなることを抑制できる。従って、中空エンジンバルブの使用時にこの隅部に生じる応力集中を低減でき、耐久性の高い中空エンジンバルブ１を製造することができる。
特に、ドリルの刃先の先端角は、１４０°以上１７８°以下であるので、半完成品中空孔２０の底面２０ａを頂角が１４０°以上１７８°以下の逆円錐状に形成することができ、これにより、中空孔１０の底面１０ａの内径を適当な大きさに維持しつつ、半完成品弁軸部２２にネッキング加工を施した際に中空孔１０の底面１０ａと内周面１０ｂとの間の隅部のＲが小さくなることを抑制できる。従って、適当な大きさの中空孔１０を形成することによる軽量化及び高い冷却性能と、中空孔１０の底面１０ａと内周面１０ｂとの間の隅部における応力集中の低減による高い耐久性とを両立した中空エンジンバルブ１を製造することができる。
１ 中空エンジンバルブ
２ 弁本体
６ 弁傘部
８ 弁軸部
１０ 中空孔
１２ 中実丸棒
１４ 半完成品弁傘部
１６ 中実軸部
１８ 弁本体中間部材
２０ 半完成品中空孔
２２ 半完成品弁軸部
２４ 弁本体半完成品

Claims (4)

  1. 弁傘部とこの弁傘部に接続する弁軸部とにわたって有底の中空孔が形成された弁本体を備える中空エンジンバルブの製造方法において、
    上記弁本体の素材となる中実丸棒を、鍛造により、上記弁傘部に対応する半完成品弁傘部と上記弁軸部に対応する中実軸部とを備えた弁本体中間部材に成形する工程と、
    上記弁本体中間部材に対して、上記中実軸部と上記半完成品弁傘部とにわたって、上記中空孔に対応した有底の半完成品中空孔を形成する切削加工を行うことにより、上記弁本体中間部材を、上記半完成品弁傘部と上記弁軸部に対応する半完成品弁軸部とを備えた弁本体半完成品に成形する工程と、
    上記弁本体半完成品に対して、上記半完成品弁軸部を段階的に絞り上げるネッキング加工を行うことにより、上記半完成品弁軸部の径を縮径すると共に、上記半完成品弁軸部の軸長を長くして、上記弁本体半完成品を上記弁本体に成形する工程とを有することを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。
  2. 上記中空孔に対応した半完成品中空孔を形成する工程において、先端が傾斜したドリルにより上記半完成品中空孔を形成する請求項１に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  3. 上記ドリルの刃先の先端角は、１４０°以上１７８°以下である請求項２に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  4. 弁傘部とこの弁傘部に接続する弁軸部とにわたって有底の中空孔が形成された弁本体を備える中空エンジンバルブであって、
    上記弁傘部の底面は、平面又は凹面であり、
    上記中空孔の底面は、頂角が１４０°以上１７８°以下の逆円錐状に形成された凹面であり、且つ、上記中空孔の底面の内径は上記中空孔の上記弁軸部における内径よりも大きいことを特徴とする中空エンジンバルブ。
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