WO2011104916A1 - 中空エンジンバルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

　高強度化及び軽量化の向上を図るようにした中空エンジンバルブを容易に製造することができる中空エンジンバルブの製造方法を提供する。そのため、半完成品（１０ａ）における中空軸部の外径寸法及び内径寸法を段階的に縮径させると共に、当該中空軸部の長さを段階的に延伸させるように、この中空軸部を孔形状が異なった複数の成形孔（Ｍ１，Ｍ２´，Ｍ（ｍ－１），Ｍｍ，Ｍ（ｎ－１），Ｍｎ）に順次挿入して、その絞り加工を順次行うことにより、中空軸部を所定形状に成形するようにした中空エンジンバルブの製造方法において、半完成品（１０ａ）に対して、所定硬度以下となるように熱処理を施し、長さ（Ｌ２´）及び最大内径（Ｄ２´）に調整したダイス（Ｄｉ２´）の成形孔（Ｍ２´）によって、中空軸部と当該中空軸部の下端に接続した弁傘部との間の最大肉厚（ｔ２´）を、中空軸部の肉厚（ｔ２）よりも厚くする。

Description

中空エンジンバルブの製造方法

　本発明は、高強度化及び軽量化の向上を図るようにした中空エンジンバルブの製造方法に関する。

　近年、エンジンバルブの中には、エンジンの高出力化及び高性能化に伴って、その内部を中空に形成すると共に、この中空部内に冷媒用の金属ナトリウムを封入したものが種々提供されている。これにより、中実のエンジンバルブと比べて、軽量化が図られると共に、封入された金属ナトリウムの働きにより、熱伝導性の向上が図られるようになっている。このような、従来の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。

特許第４３９０２９１号公報

　ここで、エンジンバルブの閉弁時においては、その弁傘部が弁座に勢い良く接触すると共に、特に、排気弁用のエンジンバルブにおいては、高温の排気ガスによって連続的に加熱されるため、弁傘部と中空軸部との接続部分となる首部には、大きな負荷が掛かることになる。これにより、エンジンバルブを中空状に製造する場合には、上記問題が顕著となり、エンジントラブルの原因に繋がるおそれがある。しかしながら、上述した従来の製造方法は、上記問題についての対策が採られている中空エンジンバルブを対象とするものではなかった。

　従って、本発明は上記課題を解決するものであって、高強度化及び軽量化の向上を図るようにした中空エンジンバルブを容易に製造することができる中空エンジンバルブの製造方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決する第１の発明に係る中空エンジンバルブの製造方法は、
　半完成品における中空軸部の外径寸法及び内径寸法を段階的に縮径させると共に、前記中空軸部の長さを段階的に延伸させるように、前記中空軸部を孔形状が異なった複数の成形孔に順次挿入して、その絞り加工を順次行うことにより、前記中空軸部を所定形状に成形するようにした中空エンジンバルブの製造方法において、
　半完成品に対して、所定硬度以下となるように熱処理を施し、
　孔長及び孔径を調整した少なくともいずれか１つの前記成形孔によって、前記中空軸部と当該中空軸部の下端に接続した弁傘部との間の肉厚を、前記中空軸部の肉厚よりも厚くする
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第２の発明に係る中空エンジンバルブの製造方法は、
　前記成形孔における前記弁傘部を成形する弁傘成形部の孔径を調整する
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第３の発明に係る中空エンジンバルブの製造方法は、
　少なくともいずれか１つの前記成形孔による絞り加工後に、前記中空軸部内に冷媒を注入し、
　最後の前記成形孔による絞り加工後に、前記中空軸部の開口部を封止する
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第４の発明に係る中空エンジンバルブの製造方法は、
　いずれかの前記成形孔による絞り加工後に、前記中空軸部の開口部を封止する
　ことを特徴とする。

　従って、本発明に係る中空エンジンバルブの製造方法によれば、所定硬度以下となるように熱処理を施した半完成品を、孔長及び孔径を調整した成形孔によって、中空軸部と弁傘部との間の肉厚が中空軸部の肉厚よりも厚くなるように成形することにより、高強度化及び軽量化の向上を図るようにした中空エンジンバルブを容易に製造することができる。

本発明に係る中空エンジンバルブの製造方法が適用される冷間鍛造装置の概略構成図である。 （ａ）は冷間鍛造装置の第２絞り工程に設けられるダイスの縦断面図と、このダイスにより成形された半完成品の縦断面図、（ｂ）は冷間鍛造装置の第２絞り工程に従来設けられていたダイスの縦断面図と、このダイスにより成形された半完成品の縦断面図である。 本発明に係る製造方法により製造される中空エンジンバルブの縦断面図である。

　以下、本発明に係る中空エンジンバルブの製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。

　先ず、図３に示すように、本発明に係る製造方法により製造される中空エンジンバルブ１は、車両等におけるエンジンの吸気バルブまたは排気バルブとして使用されるものであって、冷媒用の金属ナトリウムＮが注入される弁本体１０と、この弁本体１０の軸端に接合される軸端封止部材１５とから構成されている。

　弁本体１０は、弁傘部１１と中空軸部１２とが一体成形されたものであって、その内部には、中空孔１３が弁傘部１１と中空軸部１２とに亘って形成されている。また、弁傘部１１と中空軸部１２との間の接続部分となる首部１４の最大肉厚は、中空軸部１２の肉厚よりも厚くなるように形成されている。そして、弁本体１０の基端（上端）には、金属ナトリウムＮが注入された状態で、軸端封止部材１５が接合されている。

　即ち、弁本体１０を後述する冷間鍛造装置２０等を用いて製造し、その冷間鍛造中または冷間鍛造後に、中空孔１３内に金属ナトリウムＮを注入した後、その中空孔１３の開口部を塞ぐように、その基端に軸端封止部材１５を接合する。これにより、完成品としての中空エンジンバルブ１を得ることができる。なお、使用条件によっては、金属ナトリウムＮを封入しない場合もある。

　次に、冷間鍛造装置２０の構成について、図１及び図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

　図１に示した冷間鍛造装置２０は、半完成品１０ａに対して、絞り（冷間鍛造）加工を順次行うことにより、弁本体１０を成形するものである。この冷間鍛造装置２０の下部には、プレスベッド２１が設けられる一方、その上部には、ラム２２がプレスベッド２１と対向するように設けられており、このラム２２は上下方向に移動可能に支持されている。

　ラム２２の下面には、筒状のダイスＤｉ１，Ｄｉ２´，Ｄｉ（ｍ－１），Ｄｉｍ，Ｄｉ（ｎ－１），Ｄｉｎが、半完成品の搬送方向に沿って直列に設けられている。但し、添え字ｍはｍ番目を示し、添え字ｎはｎ番目（最後）を示しており、ｍ＜ｎで、ｍとｎとはいずれも３以上の正の整数となっている。

　ダイスＤｉ１，Ｄｉ２´，Ｄｉ（ｍ－１），Ｄｉｍ，Ｄｉ（ｎ－１），Ｄｉｎの中央部には、円形横断面をなす成形孔Ｍ１，Ｍ２´，Ｍ（ｍ－１），Ｍｍ，Ｍ（ｎ－１），Ｍｎが開口されており、これらの内径は、搬送方向下流側に向かうに従って、漸次小径となるように形成されている。また、成形孔Ｍ１，Ｍ２´，Ｍ（ｍ－１），Ｍｍ，Ｍ（ｎ－１），Ｍｎの長さ（深さ）は、Ｌ１，Ｌ２´，Ｌ（ｍ－１），Ｌｍ，Ｌ（ｎ－１），Ｌｎとなっており、これらの長さＬ１，Ｌ（ｍ－１），Ｌｍ，Ｌ（ｎ－１），Ｌｎは、搬送方向下流側に向かうに従って、漸次長くなるように形成されている。即ち、これらの長さは、Ｌ１＜Ｌ（ｍ－１）＜Ｌｍ＜Ｌ（ｎ－１）＜Ｌｎとなるように設定されている。

　一方、プレスベッド２１の上面には、半完成品１０ａ，１０ｂ，１０ｃ（図２（ａ）参照），１０ｍ，１０ｎ及び弁本体１０が、図示しない搬送手段によって、搬送及び位置決め可能となっている。

　ここで、ダイスＤｉ２´について、図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

　ダイスＤｉ２´は、ダイスＤｉ１が成形した半完成品１０ｂに対して絞り加工を行うことにより、半完成品１０ｃを得るものである。そして、この半完成品１０ｃにおいては、その首部の肉厚が中空軸部の肉厚よりも厚くなるように成形されることになる。即ち、冷間鍛造装置２０では、従来使用されていた、首部から中空軸部に亘ってその肉厚が一定となるような半完成品１０ｘを成形するためのダイスＤｉ２に替えて、ダイスＤｉ２´を設けている。

　図２（ａ）に示すように、ダイスＤｉ２´の成形孔Ｍ２´は、その長さがＬ２´に形成されており、半完成品１０ｃの弁傘部の上部を最終的に成形するための成形部（弁傘成形部）Ｍａ２´と、この成形部Ｍａ２´の上部に連続的に形成され、且つ、半完成品１０ｃの中空軸部を成形するための成形部（軸成形部）Ｍｂ２´とを有している。そして、成形部Ｍａ２´の最大内径はＤ２´に形成されており、成形部Ｍｂ２´の内径はｄ２に形成されている。

　このようなダイスＤｉ２´を用いて絞り加工を行うことにより、半完成品１０ｃの長さ（高さ）がｌ２´に成形され、更に、その中空軸部の肉厚がｔ２に成形されると共に、その首部の最大肉厚が肉厚ｔ２よりも厚いｔ２´に成形されることになる。なお、ダイスＤｉ２´による絞り加工では、最大肉厚ｔ２´が肉厚ｔ２のおよそ３倍（ｔ２´≒３ｔ２）になるまで成形可能となっている。

　一方、図２（ｂ）に示すように、ダイスＤｉ２の成形孔Ｍ２は、その長さが長さＬ２´よりも長いＬ２（Ｌ２＞Ｌ２´）に形成されており、半完成品１０ｘの弁傘部の上部を最終的に成形するための成形部Ｍａ２と、この成形部Ｍａ２の上部に連続的に形成され、且つ、半完成品１０ｘの中空軸部を成形するための成形部Ｍｂ２とを有している。そして、成形部Ｍａ２の最大内径は最大内径Ｄ２´よりも大きいＤ２（Ｄ２＞Ｄ２´）に形成されており、成形部Ｍｂ２の内径はｄ２に形成されている。

　このようなダイスＤｉ２を用いて絞り加工を行うことにより、半完成品１０ｘの長さ（高さ）が長さｌ２´よりも長いｌ２（ｌ２＞ｌ２´）に成形され、更に、その中空軸部の肉厚及び首部の最大肉厚がｔ２に成形されることになる。

　即ち、ダイスＤｉ２に対して、ダイスＤｉ２´を、長さＬ２´が長さＬ２よりも短く、且つ、最大内径Ｄ２´が最大内径Ｄ２よりも小さくなるように設定することにより、このダイスＤｉ２´によって、首部の最大肉厚ｔ２´が中空軸部の肉厚ｔ２よりも厚くなるような半完成品１０ｃを成形することができる。

　従って、弁本体１０を製造する場合には、先ず、図示しない中実丸棒素材を熱間鍛造して、半完成品１０ａを成形した後、この半完成品１０ａに対して、所定硬度以下となるように熱処理を施す。次いで、この所定硬度以下の半完成品１０ａを、冷間鍛造装置２０のプレスベッド２１上におけるダイスＤｉ１に対応した位置に位置決めする。

　そして、ラム２２の昇降動作と搬送手段の搬送動作及び位置決め動作とを順次行って、ダイスＤｉ１，Ｄｉ２´，Ｄｉ（ｍ－１），Ｄｉｍ，Ｄｉ（ｎ－１），Ｄｉｎによるｎ回の絞り加工を順次行うようにする。これにより、半完成品１０ａが、半完成品１０ｂ，１０ｃ，１０ｍ，１０ｎと順に成形され、これに伴って、それぞれの中空軸部の外径寸法及び内径寸法が段階的に縮径されると共に、それぞれの中空軸部の長さが段階的に延伸されることになり、最終的に弁本体１０が成形される。

　ここで、半完成品１０ａに対して、所定硬度以下となるように熱処理を施すことにより、この半完成品１０ａ及びこれ以降の半完成品１０ｂ，１０ｃ，１０ｍ，１０ｎにおいては、その硬度が低くなるに従って、その中空軸部の肉厚が厚くなり易くなると共に、その中空軸部の長さが延び難くなる。

　このように、調質された半完成品１０ｂを、長さＬ２´及び最大内径Ｄ２´に調整されたダイスＤｉ２´の成形孔Ｍ２´によって、絞り上げることにより、半完成品１０ｃを、首部の最大肉厚ｔ２´が中空軸部の肉厚ｔ２よりも厚くなるように成形することができる。そして、ダイスＤｉ（ｍ－１），Ｄｉｍ，Ｄｉ（ｎ－１），Ｄｉｎの絞り加工においては、これらの成形孔Ｍ（ｍ－１），Ｍｍ，Ｍ（ｎ－１），Ｍｎの孔形状を、従来のものと比べて調整していないので、それぞれの首部が肉厚のままの状態で成形され、最終的に、弁本体１０においても、首部１４の最大肉厚は、中空軸部１２の肉厚よりも厚く成形されるようになっている。

　なお、ダイスＤｉ２´の絞り加工時において、１回の絞り加工で、中空軸部の肉厚ｔ２に対して、首部の最大肉厚ｔ２´が所定の肉厚にならないときには、その最大肉厚ｔ２´が所定の肉厚になるまで、複数回の絞り加工を行うようにする。また、成形孔Ｍ１，Ｍ２´，Ｍ（ｍ－１），Ｍｍ，Ｍ（ｎ－１），Ｍｎは、半完成品１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｍ，１０ｎにおける弁傘部の下部を押圧しないため、それらの弁傘部の最大外径は、Ｄｏのままで保持されることになる。

　次いで、成形した弁本体１０の中空孔１３内に金属ナトリウムＮを注入した後、その中空孔１３の開口部を塞ぐように、その基端に軸端封止部材１５を接合することにより、完成品としての中空エンジンバルブ１が製造されることになる。

　なお、冷間鍛造装置２０では、ダイスＤｉ１，Ｄｉ２´，Ｄｉ（ｍ－１），Ｄｉｍ，Ｄｉ（ｎ－１）のいずれかの絞り加工後に、金属ナトリウムＮを注入することも可能となっている。また、金属ナトリウムＮを注入しない場合には、ダイスＤｉ１，Ｄｉ２´，Ｄｉ（ｍ－１），Ｄｉｍ，Ｄｉ（ｎ－１），Ｄｉｎのいずれかの絞り加工後に、軸端封止部材１５を接合するようにしても構わない。

　これにより、エンジンに設置された中空エンジンバルブ１においては、弁傘部１１が、弁座に勢い良く接触すると共に高温に加熱されることにより、特に首部１４に大きな負荷が掛かることになるが、この首部１４の最大肉厚を厚くして、当該首部１４の強度を向上させているので、中空エンジンバルブ１の破損を防止することができる。また、負荷の掛かり難い中空軸部１２では、その肉厚を極力薄くしているので、中空エンジンバルブ１の軽量化を図ることができる。

　従って、本実施形態によれば、高強度化及び軽量化の向上を図るようにした中空エンジンバルブ１を容易に製造することができる。

　本発明は、ダイスを交換可能とすることにより、形状が異なった中空エンジンバルブを１つの製造装置で製造することを目的とした中空エンジンバルブ製造装置に適用可能である。

Claims (4)

1. 　半完成品における中空軸部の外径寸法及び内径寸法を段階的に縮径させると共に、前記中空軸部の長さを段階的に延伸させるように、前記中空軸部を孔形状が異なった複数の成形孔に順次挿入して、その絞り加工を順次行うことにより、前記中空軸部を所定形状に成形するようにした中空エンジンバルブの製造方法において、
   　半完成品に対して、所定硬度以下となるように熱処理を施し、
   　孔長及び孔径を調整した少なくともいずれか１つの前記成形孔によって、前記中空軸部と当該中空軸部の下端に接続した弁傘部との間の肉厚を、前記中空軸部の肉厚よりも厚くする
   　ことを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。
2. 　請求項１に記載の中空エンジンバルブの製造方法において、
   　前記成形孔における前記弁傘部を成形する弁傘成形部の孔径を調整する
   　ことを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。
3. 　請求項１に記載の中空エンジンバルブの製造方法において、
   　少なくともいずれか１つの前記成形孔による絞り加工後に、前記中空軸部内に冷媒を注入し、
   　最後の前記成形孔による絞り加工後に、前記中空軸部の開口部を封止する
   　ことを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。
4. 　請求項１に記載の中空エンジンバルブの製造方法において、
   　いずれかの前記成形孔による絞り加工後に、前記中空軸部の開口部を封止する
   　ことを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。

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