WO2020084749A1

WO2020084749A1 - エンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法

Info

Publication number: WO2020084749A1
Application number: PCT/JP2018/039798
Authority: WO
Inventors: 淳恭一宮; 一憲倉橋
Original assignee: 日鍛バルブ株式会社
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-04-30
Also published as: US11285570B2; JP6912676B2; JPWO2020084749A1; EP3871800A1; CN112703069B; US20210245309A1; KR20210011495A; EP3871800B1; FI3871800T3; EP3871800A4; KR102259041B1; CN112703069A

Abstract

ピストン部や羽根部を形成するためのボス部のみに必要な高強度を付与し、前記ボス部を軸成形部上の傘成形部から離間した自在な位置に形成可能なエンジンバルブの中間品の製造方法の提供。軸成形部（３）よりも最大外径が大きな傘成形部（４）を一体に有し、軸成形部（３）よりも外径の大きなボス部（１１）を軸成形部中間の外周に一体に形成された、エンジンバルブのボス部（１１）付中間品（２）の製造方法であって、軸成形部（３）の中心から半径方向に着脱可能な複数の中間治具（６ａ～６ｃ）によって軸成形部（３）の中間を保持し、基端部（３ｂ）を基端治具（５）で保持する軸保持工程と、中間品（２）を回転させ、軸成形部（３）の外周に引張力及び圧縮力を交互に繰り返し作用させる交番負荷を負荷しつつ、中間品（２）に両端部から圧縮力を負荷してボス部（１１）を形成する軸肥大工程と、を備える。

Description

エンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法

　エンジンバルブの軸成形部にピストン部や羽根部を形成するためのボス部を備えたエンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法に関する技術。

　一般にエンジンバルブには、傘部よりも外径の小さな軸部に設けた大径のピストン部に作用する油圧で開閉動作されるピストン部付エンジンバルブや、軸部に設けた羽根部に排気流を作用させることでバルブを回転可能にした羽根部付エンジンバルブがある。エンジンバルブに形成されるピストン部や羽根部は、高温の排気流にさらされるため、高強度を有するように形成される必要がある。

特開２０１６－２１５２７３号公報

　一般にピストン部または羽根部有するエンジンバルブは、金属製の軸部材を鍛造加工した後で切削加工することによって形成されていた。具体的には、ピストン部や羽根部よりも外径の大きな金属製の所定の長さの軸部材を鍛造加工して先端にフランジのような傘部の原型部を形成し、傘部の原型部付きの軸部材を切削加工することによってピストン部、羽根部及び傘部を削りだして形成していた。また、形成されたエンジンバルブは、熱処理加工を施されることで硬化処理され、ピストン部や羽根部が必要な高強度を備えるようになる。

　しかし、一般にピストン部や羽根部を有するエンジンバルブの熱処理加工は、エンジンバルブ全体を熱処理炉に投入することによって行われ、ピストン部や羽根部のみならずバルブ全体を硬化させる。エンジンバルブの首部（シリンダヘッドのバルブシートに繰り返し接触するバルブフェースと軸部の双方に連続するくびれ部）には、バルブフェースがバルブシートに接触する際の衝撃を吸収して破断しないような靭性（粘り強さ）を備えることが必要とされる。しかし、熱処理加工によって首部の強度をピストン部や羽根部と同等に向上させることは、首部の靭性を低下させて破断を生じさせるおそれがあるため、ピストン部や羽根部付のエンジンバルブの製造においては、ピストン部や羽根部を除く部位の強度の増加を抑制しつつピストン部や羽根部のみを必要とされる高強度にする方法が求められている。

　一方で、特許文献１には、一定の外径を有する金属性の軸部材の中間部に元の軸部材よりも外径の大きな軸肥大（登録商標）部を形成して段付部材とする方法が開示されている。具体的には、段付部材は、特許文献１の図３に示すように有底筒状の一対のスリーブによって金属製の軸材の両端を保持し、軸材の両スリーブ間に曲げ部を形成しつつ軸材を回転させて前記曲げ部に軸中心線方向に沿った圧縮力と引張力を交互に繰り返し作用させる交番応力を発生させ、当該交番応力によって降伏応力の低下した曲げ部を軸部の両側から圧縮して半径方向外側に盛り上げることで両スリーブ間に大径の軸肥大部を形成している。

　しかし、特許文献１の製造方法は、軸材の両端近傍の外周をスリーブで保持する必要があり、中間品の一端を形成する傘成形部は、軸方向に伸びる外周の保持しろが短いためにスリーブによって外周を保持しても保持が不安定になる点で問題がある。

　また、特許文献１の製造方法によって形成されるボス部（肥大化部）は、軸部材の両端部に取り付けたスリーブで囲まれた領域に形成される。そのため、傘成形部と軸成形部の両端をスリーブで保持すると、ボス部は、傘成形部の基端部に沿って肥大化するために傘成形部に連続した位置にしか形成されない。エンジンバルブの完成品の軸部に形成されるピストン部や羽根部は、傘部の開閉ストロークを担保するために傘部から離間した位置に形成される必要があるため、ピストン部や羽根部を形成する中間品のボス部を傘成形部から離間した位置に形成出来ないことには、問題がある。

　上記課題に鑑み、本願発明は、エンジンバルブの中間品において、ピストン部や羽根部を形成するためのボス部のみを高強度とし、かつ前記ボス部を軸成形部上において傘成形部から離間した自在な位置に形成可能なエンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法を提供するものである。

　軸成形部よりも最大外径が大きな傘成形部を軸成形部の先端部に一体に有し、軸成形部よりも外径の大きなボス部を軸成形部中間の外周に一体に形成された、エンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法であって、前記中間品の軸成形部の中心から半径方向に着脱可能な複数の中間治具によって軸成形部の中間を保持し、軸成形部の基端部を基端治具によって保持する軸保持工程と、前記中間品を回転させ、軸成形部の外周に軸中心線に沿った方向の引張力及び圧縮力を交互に繰り返し作用させる交番負荷を負荷しつつ、中間品に両端部から圧縮力を負荷して前記ボス部を形成する軸肥大工程と、を備えるようにした。

　（作用）エンジンバルブの中間品の軸成形部の基端部を保持する基端治具と共に、半径方向に着脱可能な複数の中間治具が中間品の傘成形部では無く軸成形部の中間を保持することによって中間品が安定して保持される。

　また、エンジンバルブの中間品の軸成形部上に軸肥大部として形成されるボス部（完成品におけるピストン部や傘部を形成する部位）のみが交番応力を受けて他の部位（中間品におけるボス部以外の部位）よりも高い硬度を備えるようになるため、首成形部（中間品におけるフェース成形部と軸成形部の双方に連続する部位）は、強度の増加を抑制されて靱性が維持され、ボス部に形成されるピストン部や羽根部のみが必要な高い強度を有するようになる。

　また、複数の中間治具は、軸成形部上において基端治具と傘成形部の間に配置されるため、軸成形部に形成されるボス部は、中間治具の基端部に沿って傘成形部から離間した位置に形成される。

　また、エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法は、前記複数の中間治具が、表面処理や熱処理によって５００ＨＶ以上の硬さを有するように形成されて、軸成形部の周方向の３箇所以上で軸成形部の中間を保持することが望ましい。

　（作用）中間治具が表面処理や熱処理によって５００ＨＶ以上の硬さを有することにより、軸肥大工程時の中間品に交番負荷などを負荷する際に中間治具に坐屈を生じさせず、更に複数の中間治具が軸成形部の周方向３箇所以上を保持することにより、周方向２箇所で保持することに比べて、軸成形部へのボス部成形時にエンジンバルブの中間品の半径方向外側に向けて力が逃げにくくなり、中間品の振動が低減される。

　また、エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法は、前記複数の中間治具が軸成形部の周方向に等分配置された状態で軸成形部の中間を保持することが望ましい。

　（作用）周方向等間隔に配置された複数の中間治具が、軸成形部の外周を半径方向外側から軸中心に向かってそれぞれ均等な力で保持することにより、軸成形部へのボス部成形時にエンジンバルブの中間品の半径方向外側に向けて力が逃げにくくなり、中間品の振動が低減される。

　また、エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法は、前記エンジンバルブのボス部付中間品を析出硬化型Ｎｉ基合金で形成することが望ましい。

　（作用）析出硬化型Ｎｉ合金で形成された中間品のボス部が加工硬化されて、ボス部に形成されるピストン部や羽根部が必要な高い強度を有するようになる。

　また、エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法は、前記中間品のボス部に、マルテンサイト鋼の別部材で形成された第２ボス部付き軸端部材の第２ボス部を接合して二次中間品を形成する摩擦圧接工程を有することが望ましい。

　（作用）硬度の異なる別体の２つのボスを接合して先端側領域及び基端側領域をそれぞれ有するボスとすることで、ボスは、高熱を受ける傘成形部に近い先端側領域の硬度を高く、高熱を受けない基端側領域の硬度を低く形成される。

　また、エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法は、前記傘成形部が、首成形部を有し、前記首成形部が、前記軸成形部の先端部に連続するように一体に形成され、かつ前記軸成形部の先端部から前記首成形部の先端に向かって増径する形状を有することが望ましい。

　（作用）複数の中間治具が傘成形部では無く軸成形部の中間を保持することによって中間品を安定して保持すると共に、軸成形部上において基端治具と傘成形部の間に配置されることでボス部が軸成形部上の傘成形部から離間した自在な位置に形成される。形成されたボス部は、切削加工されずに無駄無く形成され、加工硬化によって完成品のピストン部や羽根部に必要な高い強度を有するようになる。

　エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法によれば、中間治具が中間品の軸成形部の中間を安定して保持することによって、中間品の全体に熱処理を施さなくてもボス部のみを硬化して完成品のピストン部や羽根部の強度のみを必要な強度まで上げることが出来るため、完成品の首部等の靭性を低下させることなく維持出来、軸成形部上の自在な位置に高精度なボス部を形成出来る。

　エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法によれば、中間治具に破損を生じることなくボス部を中間品に軸肥大形成出来、ボス部成形時に半径方向外側に向かう力の逃げが減少することで中間品が振動しにくくなるため、軸成形部に成形されるボス部の精度が向上する。

　エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法によれば、ボス部成形時に複数の中間治具が軸成形部の中間部を均等な力で保持して中間品を振動しにくくするため、軸成形部に成形されるボス部の精度が更に向上する。

　エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法によれば、ボス部に形成されるピストン部や羽根部が必要な高い強度を有するようになる。

　エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法によれば、エンジンバルブの完成後に燃焼室の高熱を受けやすい中間品のボス部を高硬度にして高温強度を強化すると共に、高熱を受けにくい軸端部材に析出硬化型Ｎｉ合金よりも安価なマルテンサイト鋼を採用してボス部を形成し、中間品のボス部に接合することで、エンジンバルブ全体の製造コストを安く出来る。

　エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法によれば、軸成形部よりも最大外径が大きな傘成形部を有するエンジンバルブの中間品において、高精度なボス部を軸成形部上の自在な位置に形成出来、安価で強度の低い素材から形成されたエンジンバルブの中間品に必要な高強度を有するボス部を熱処理することなく安価に形成出来る。

エンジンバルブのボス部付中間品の製造方法を示す第１実施例に関する製造工程の説明図で、（ａ）は、バルブの素材となる中実丸棒の軸方向断面図を示し、（ｂ）は、鍛造された傘成形部及び軸成形部を有するエンジンバルブの中間品の軸方向断面図を示し、（ｃ）は、中間治具によって中間品の軸成形部の中間を把持し、基端治具によって軸成形部の基端を回転可能に保持する軸保持工程を示し、（ｄ）は、中間品の軸成形部を中心軸線Ｏに対して屈曲させた状態で回転させつつ軸成形部の一部に交番応力を負荷し、降伏応力を低下させた中間品を両端部から圧縮する第１軸肥大工程を示し、（ｅ）は、屈曲した状態で回転するボス部付軸成形部を直線状に曲げ戻す第２軸肥大工程を示し、（ｆ）は、軸成形部の基端部に形成された残余部を切除する切除工程を示す。エンジンバルブのボス部付中間品を従来の切削加工（総削り）または軸肥大加工によって形成した場合におけるボス部各所の硬さを示す表を含む説明図である。（ａ）は、中間治具の分解斜視図であり、（ｂ）は、切削加工によってボス部を形成された、従来のボス部付エンジンバルブの中間品の説明図である。ボス部付中間品によるエンジンバルブの製造方法を示す第２実施例に関する製造工程の説明図で、（ａ）は、切削加工で形成されたエンジンバルブの軸端部材の軸方向断面図を示し、（ｂ）は、形成した軸端部材をボス部付中間品に接合して第２中間品とする摩擦圧接工程を示し、（ｃ）は、接合されたボス部付中間品と軸端部材を機械加工して形成したエンジンバルブの完成品の側面図を示す。ボス部付中間品によるエンジンバルブの製造方法の変形例によって形成されたピストン付エンジンバルブの側面図。ボス部付中間品によるエンジンバルブの製造方法の変形例によって形成された羽根部付エンジンバルブの側面図。

　図１によりエンジンバルブのボス部付中間品の製造方法に関する第１実施例を説明する。図１においては、エンジンバルブの傘成形部４側を先端側とし、軸成形部３側を基端側として説明する。

　図１（ａ）の金属丸棒１は、切断工程で高い耐熱性を有するＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金からなる長い棒材を切断することで形成される。金属丸棒１は、鍛造工程によって図１（ｂ）に示す軸成形部３及び軸成形部よりも外径の大きな傘成形部４を軸成形部３の先端部３ａに一体化した形状を有する中間品２として形成される。具体的には、中間品２は、据込み鍛造等によって形成され、傘成形部４は、基端部４ｃから先端部４ｄに向かって凹部状に増径するように形成された首成形部４ａと、首成形部４ａの先端部４ｄに連続するフェース成形部４ｂによって構成される。傘成形部４は、首成形部４ａの基端部４ｃにおいて軸成形部３の先端部３ａに連続する。据込み鍛造された中間品２は、鍛造によって生じた歪みを修正する歪修正加工と外径を荒加工される。

　その後、図１（ｃ）に示すように中間品２は、軸保持工程において各治具により軸成形部３の基端部３ｂと中間を保持される。具体的には、中間品２は、底部５ｂ付の保持孔５ａを有する基端治具５により、軸成形部３の基端部３ｂを底部５ｂに接触するよう保持孔５ａに挿入されることで基端治具５に対して相対回転可能に保持され、更に軸成形部３の中間、即ち首成形部４ａと基端治具５の前面５ｃに囲まれた軸成形部３の外周を複数の中間治具６ａ～６ｃにより保持される。

　図２（ａ）に示す、中間治具６ａ～６ｃは、円筒を等分に３分割された形状と、後述する雄ねじをネジ固定するねじ孔６ｇ（一部は図示せず）をそれぞれに有し、組み合わされることで内周面６ｄ～６ｆに軸成形部３をそれぞれ把持すると共に、図１（ｃ）に示すようにそれぞれ軸成形部３の中心軸線Ｏから半径方向に着脱される。

　図１（ｃ）に示す傘成形部４は、有底円筒形状の傘治具７によって保持される。傘治具７は、底部７ｂ付の保持孔７ａを有し、傘成形部４は、保持孔７ａに挿入され、底面４ｅを底部７ｂに接触させた状態でフェース成形部４ｂを保持孔７ａに保持される。また、中間品２を保持した中間治具６ａ～６ｃと傘治具７は、有底円筒形状の先端治具８によって保持される。

　図１（ｃ）の先端治具８は、底部８ｂ付の保持孔８ａを有し、傘成形部４を保持した傘治具７は先端面７ｃを底部８ｂに接触させた状態で外周面７ｄを保持孔８ａに保持される。また、先端治具８は、中間治具６ａ～６ｃの雌ねじ孔６ｇに対応する位置に後述する雄ねじを挿通させてネジ頭を保持する３つ（１つは図示せず）の段付挿通孔８ｃを有する。軸成形部３を保持した中間治具６ａ～６ｃは、それぞれの雌ねじ孔６ｇと段付挿通孔８ｃの位置が一致するように先端治具８の保持孔８ａに挿入され、傘治具７に隣接した状態で外周面を保持孔８ａに保持される。先端治具８と中間治具６ａ～６ｃは、３つの雄ねじ９（２つは図示せず）を段付挿通孔８ｃに挿通させて雌ねじ孔６ｇにねじ止めすることによって固定されると共に、中間治具６ａ～６ｃは、中間品２の軸成形部３の中間を首成形部４ａの近傍で相対回転不能に把持する。

　図１（ｃ）に示すように中間治具６ａ～６ｃは、傘成形部４の軸方向長さの短いフェース成形部４ｂでは無く軸成形部３の中間を保持することによって中間品を安定して保持するため、後述する軸肥大工程において精度の高いボス部付中間品の製造に寄与する。また、複数の中間治具６ａ～６ｃは、半径方向に着脱出来るため、基端治具５によって軸成形部３を保持する前のみならず保持した後においても着脱出来るため、軸成形部３への着脱時期の自由度が高い。

　次に、図１（ｄ）及び図（ｅ）によって軸保持工程後の軸肥大工程を説明する。軸肥大工程は、図１（ｄ）に示す中間品２の軸成形部３を斜めに屈曲させた状態で回転させつつ曲げ部に交番応力を負荷し、中間品２を両端側から圧縮して軸成形部３の一部を肥大させる第１軸肥大工程と、図１（ｅ）に示す、軸成形部３の一部が肥大化した中間品２を直線状に曲げ戻してボス成形部１０付の軸成形部３とする第２軸肥大工程に分けて説明する。

　図１（ｄ）に示すように軸保持工程で中間品２と一体化された先端治具８は、第１軸肥大工程において、基端治具５に基端部３ｂを保持された中間品２を中間治具６ａ～６ｃの基端面６ｈの近傍で中間品２の元の中心軸線Ｏに対して角度θだけ斜めに屈曲させ、中間品２の屈曲状態を維持しつつ共にモーター等の図示しない回動手段によって中間品２と共に一体となって回動する。

　図１（ｄ）に示すようにその際、中間品２の軸成形部３の基端部３ｂの近傍は、基端治具５に保持されることで元の中心軸線Ｏ周りに回動し、同時に中間品２の中心軸線Ｏに対して斜めに曲げられた部位は、中心軸線Ｏから斜めにθ傾いた傘成形部４の中心軸線Ｏ１周りに回動する。そのように回動する軸成形部３の一部、即ち基端治具５の前面５ｃから中間治具６ａ～６ｃの基端面６ｈまでの部位（以降は、ボス成形部１０とする）は、屈曲維持したまま中間品２が回動することにより引張力及び圧縮力を交互に受ける交番負荷を継続的に外周に負荷されて降伏応力を低下させられる。

　図１（ｄ）に示すように屈曲したまま回動する中間品２は、中間治具６ａ～６ｃが中心軸線Ｏ１方向に移動不能に保持され、かつ基端治具５が中心軸線Ｏに沿って中間治具６ａ～６ｃに近接する方向に力を受けることによって両端側から圧縮力を受ける。降伏応力の低下したボス成形部１０は、前記圧縮力によって半径方向外側に肥大化する。

　図１（ｄ）に示す第２軸肥大工程において、ボス成形部１０を肥大化された中間品２は、回動しつつ斜めに角度θだけ曲げられた軸成形部３を中心軸線Ｏ１から中心軸線Ｏに向けて直線状に曲げ戻され、ボス成形部１０は、軸成形部３よりも外径の大きなボス部１１として形成される。

　図１（ｆ）に示すように軸肥大工程によってボス部１１を形成された中間品２は、切除工程によってボス部１１の基端部１１ａの近傍から軸成形部３の基端部３ｂまでの残余部３ｃを切除されて、ボス部１１付の中間品２となる。

　図１（ａ）～図１（ｆ）に示す本実施例のボス部１１付中間品２の製造方法によれば、中間品２の半径方向に着脱可能な３つの中間治具６ａ～６ｃを使用して軸成形部３の中間を把持することにより、把持しろの短いフェース成形部４ｂを把持することに比べて中間品を安定して把持出来ることに加え、中間治具の軸方向の長さＬ１と軸成形部３を把持した際の基端面６ｈの位置に基づいて基端面６ｈより基端部側のボス部１１を形成出来るため、傘成形部４から離間したボス部を軸成形部３の自由な位置に形成出来る点で意義がある。

　尚、図２（ｂ）は、従来のボス部１４付の中間品１３を示すもので、従来のボス部１４付きの中間品１３の製造方法は、ＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金からなる金属製の丸棒を鍛造加工することによって傘成形部１７の原型部１３ｂを有する二点鎖線で示す形状の一次中間品１３ａを形成し、形成した一次中間品１３ａを切削加工することによって中間品１３にボス部１４，軸成形部１６及び傘成形部１７を形成するという方法だった。その場合、金属丸棒１５は、一次中間品１３ａからボス部１４付の中間品１３を除く部位を切削によって廃棄されるため、従来の製造方法には、材料の無駄が多かった。

　一方、図２（ｂ）の中間品１３は、ボス部１４を切削加工で形成されるため、切削加工後のボス部１４は、軸成形部１６と同一の硬度を有するように形成されていた。ここで、ボス部１４は、摺動に強いピストン部等を形成されるために所定の疲労強度を有するように硬度アップを図る必要がある一方、傘成形部１７の首成形部１７ａ（軸成形部１６とフェース成形部１７ｂの双方に連続するくびれ部）は、エンジンバルブの完成品の首部の靭性を低下させて衝撃による首部の破損が発生しないように硬度の増加を抑制する必要がある。

　従来は、ボス部１４を熱処理してその硬度を上げるために中間品１３（若しくはエンジンバルブの完成品）の全体を熱処理炉に投入する必要があった。しかし、中間品全体を熱処理炉に投入した場合、首成形部１７ａもまた、熱処理されることでボス部１４と同等に硬化し、靭性が低下する点で問題があった。

　図１（ａ）～図１（ｆ）に示す本実施例のボス部１１付中間品２の製造方法によれば、中間品２に形成されたボス部１１のみに交番負荷によって加工硬化が生じ、軸成形部３や首成形部４ａを含む傘成形部４には、交番負荷による加工硬化が生じない。従って、硬度の増加により、ボス部１１の疲労強度（ビッカース硬度）のみが必要な疲労強度まで向上し、硬度増を抑制された軸成形部３や首成形部４ａを含む傘成形部４の靱性が低下せずに保持される。

　図１Ａの上図は、ＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金を素材として形成した、エンジンバルブのボス部付の中間品２を示し、図１Ａの下に示される表は、ボス部１１の各所の硬度（ビッカース硬度：単位ＨＶ）に関する数値を説明したものである。図１Ａの上図は、中間品２のボス部１１及び軸成形部３における硬度の測定箇所I～XIIを示し、ボス部１１の符号I～IIIは、ボス部１１の外周近傍の部位を示し、符号VII～IXは、ボス部１１の中心軸線Ｏの近傍の部位を示し、符号IV～VIは、ボス部１１の外周と中心の中間の位置する部位を示す。また、図１Ａの符号X,XIは、軸成形部３においてボス部１１と傘成形部４に囲まれた部位を示し、符号XIIは、軸成形部３の基端部を示す。

　図１Ａの下のグラフは、上端に本実施例における第１及び第２軸肥大工程によって中間品２に形成されたボス部１１の各部位I～IX及び軸成形部３の各部位X～XIIの硬度ａと、従来の切削加工によって形成されたボス部１１及び軸成形部３のI～XIIの硬度ｂと、ａ／ｂの数値を示す。

　図１Ａによると、ＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金の素材を切削加工して形成した中間品２のボス部１１の硬度は、符号I～IXの各部位において３１０ＨＶから３３０ＨＶを示すのに対し、第１及び第２軸肥大工程によって形成された中間品２のボス部１１の硬度は、符号I～IXの各部位において、４３７ＨＶから５０８ＨＶを示す。従って、第１及び第２軸肥大工程によって形成されたボス部１１は、同じＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金の素材を用いたとしても総削りで形成されたボス部１１に比べて１．３７倍から１．６４倍の硬度を有し、ボス部１１は、熱処理加工を施されなくても硬度アップが図られている点で意義がある。

　一方、図１Ａによると、ＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金の素材に第１及び第２軸肥大工程を施して形成された中間品２の軸成形部３の硬度は、符号X～XIIの各部位に示されるように３５０ＨＶから３５６ＨＶを示すため、同じ素材を切削加工して形成した中間品２の軸成形部３における符号X～XIIの各部位の硬度３１２ＨＶから３２０ＨＶに比べて１．０９～１．１２倍のわずかな硬度増が認められるものの、第１及び第２軸肥大工程後の軸成形部３の硬度３５０ＨＶから３５６ＨＶは、第１及び第２軸肥大工程後のボス部１１の硬度４３７ＨＶから５０８ＨＶに比べて低く抑えられている。

　また、図１Ａに示す第１及び第２軸肥大工程後のボス部１１と傘成形部４との間の領域における軸成形部３における硬度は、傘成形部４に近い位置ほど低い（傘成形部４とボス部１１との中間位置を示す符号Ｘの位置の硬度３５０ＨＶは、前記中間位置とボス部１１との更に中間位置を示す符号ＸＩの位置の硬度３５６ＨＶよりも低くなっている）ため、傘成形部４の首成形部４ａは、ボス部１１に連続する軸成形部３に比べて更に交番応力の影響を受けにくいと言える。従って、本実施例のエンジンバルブの中間体の製造方法は、ボス部１１のみを硬化して完成品のピストン部や羽根部の強度のみを必要な強度まで上げることが出来ることに加えて、首成形部４ａの硬化を抑制し、完成品の首部等の靭性を低下させることなく維持出来る点で意義がある。

　このように、本実施例のエンジンバルブの中間品の製造方法によれば、軸肥大工程時にボス部１１に生じる加工硬化によって軸成形部３よりもボス部１１の硬度を向上させて完成品のピストン部や羽根部に必要な高い疲労強度を得られることのみならず、首部等の硬度を維持して必要な靱性を持たせることが出来るため、高性能なボス部または羽根部付エンジンバルブを製造することが出来る。

　尚、第１実施例に使用される中間治具は、軸成形部３の外周を保持する２つまたは４つ以上の中間治具として構成してもよいし、円筒を不等分に３分割した形状を有するように形成してもよいが、中間治具は、軸成形部３を保持する際に力を半径方向外側に逃げにくくする観点から３箇所以上配置されることが望ましく、各治具に軸成形部３を均等な力で保持させるようにする観点から本実施例のように軸成形部の外周に等間隔で配置されることが望ましい。

　また、図２（ａ）に示す第１実施例に使用される複数の中間治具６ａ～６ｃは、それぞれ表面処理や熱処理を施されることで５００ＨＶ以上の硬さを有するように形成されることが望ましい。中間治具６ａ～６ｃは、５００ＨＶ以上の硬さに形成されることで各中間治具に坐屈を生じることなくボス部１１を中間品２に形成することが出来る。

　また、第１実施例においては、中間治具６ａ～６ｃによって軸成形部３の中間を把持固定すると共に基端治具５によって軸成形部の基端部３ｂを相対回転可能に保持しているが、これとは逆に基端治具５によって軸成形部の基端部３ｂを把持固定すると共に、中間治具６ａ～６ｃによって軸成形部３の中間を相対回転可能に保持させてもよい。その場合、中間品２は、先端治具８と共に中心軸線Ｏに対して斜めに角度θ傾けられ、基端治具５を図示しないモーター等で回転させつつ中間治具６ａ～６ｃに接近させるように基端治具５に圧縮力をかけることで軸成形部３にボス部１１を形成される。

　次に、図３（ａ）から図３（ｃ）により、第１実施例によって製造したボス部付中間品を利用したエンジンバルブの製造方法に関する第２実施例を説明する。図１（ｆ）に示すボス部１１付の中間品２は、図３（ａ）に示す軸端部材１８に一体化されて、第２中間品２６を構成する。軸端部材１８は、中間品２に比べて高温や衝撃にさらされにくく、中間品２程の硬度を必要としないため、中間品２よりもＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金よりも安価な金属丸棒、例えばＳＵＨ３等の鋼による金属丸棒を切削加工または鍛造加工することで形成される。軸端部材１８は、中間品２のボス部１１と外径の等しい第２ボス部１９と、第２ボス部１９よりも外径の小さな軸端成形部２０を有するように形成される。

　図３（ｂ）に示すように、中間品２は、ボス部１１の基端部１１ａを第２ボス部１９の先端部１９ａを接触させた状態で軸端部材１８に摩擦圧接されることによって軸端部材１８と同軸に一体化される。一体化された中間品２と軸端部材１８による第２中間品２６は、全体に焼なましを行った後、歪修正加工を施される。

　本実施例において、歪みを修正された図３（ｂ）の第２中間品２６は、外周を機械加工されることで図３（ｃ）のピストン２２付のエンジンバルブ２１として形成される。軸成形部３は、軸部２３として形成され、傘成形部４は、傘部２４として形成される。傘部２４の首成形部４ａは、先端に向かって凹部状に増径する首部２４ａとして形成され、フェース成形部４ｂは、先端に向かってテーパー状に増径するフェース部２４ｂとして形成される。

　また、図３（ｃ）に示すように一体化されたボス部１１と第２ボス部１９は、ピストン２２として形成され、軸端成形部２０は、コッタ溝２５ａを有する軸端部２５として形成される。

　第２実施例のエンジンバルブ２１のピストン２２は、油圧等で摺動動作するものであり、ボス部１１からなる先端部領域２２ｂと、第２ボス部１９からなる基端部領域２２ｃによって構成され、先端部領域２２ｂは、加工硬化によって硬度を向上させたＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金で形成されると共に、基端部領域２２ｃは、先端部領域よりも安価なＳＵＨ３等の鋼によって形成されている。

　ピストン２２の先端部領域２２ｂは、傘部２４に近く、燃焼室内の高熱を受けた傘部２４の熱を軸部２３を介して受けやすい。しかし、本実施例のピストン部は、先端部領域２２ｂの硬度が高く摺動に対する疲労強度が高いことのみならず高温強度にも優れているという利点を有する。一方で、本実施例のピストン２２の基端部領域２２ｃに発生する熱は、先端部領域２２ｂに比べて軸端部２５からこれに接するクランクケース（図示せず）放熱されやすいため、基端部領域２２ｃと軸端部２５は、先端部領域２２ｂほどの高温強度を必要とされていない。

　第２実施例においては、ピストン２２の基端部領域２２ｃと軸端部２５をＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金よりも安価なＳＵＨ３等の鋼によって形成してＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金で形成した基端部領域２２ｃに一体に接合している。本実施例のエンジンバルブの製造方法によって形成されたエンジンバルブ２１は、高温になる傘部２４，軸部２３及びピストン２２の先端部領域２２ｂに必要な高温強度を備え、更に高温にならないピストン２２の基端部領域２２ｃと軸端部２５を安価な部材で形成して先端部領域２２ｂと接合することで、エンジンバルブ２１の全体をＮＣＦ８０Ａ等の析出硬化型Ｎｉ基合金のような高硬度で高価な材料によって形成するよりも安価に形成されるという利点を持つ。

　図４は、第１実施例のボス部付中間品の製造方法の変形例と第２実施例のエンジンバルブの製造方法の変形例によって形成されたピストン３１付のエンジンバルブ３０を示す。エンジンバルブ３０は、以下のように製造される。まず第１実施例のボス部付中間品の製造方法は、図１（ｆ）に示すように切除工程を行って中間品２の軸成形部３から残余部３ｃを切除しているが、本変形例では切除工程を行わずに残余部をそのまま残す。また、図３（ａ）（ｂ）に示す第２実施例のエンジンバルブの製造方法は、軸端部材１８の第２ボス部１９の先端側に何も設けていないが、本変形例では、第２ボス部１９の先端に残余部と同じ外径の接続部を設け、残余部と接続部を摩擦圧接する。本変形例において、その他の工程は、第１及び第２実施例と共通する。

　その結果、図４に示すエンジンバルブ３０のピストン３１は、残余部３２と接続部３３を間に挟んで前後に離間した第１ピストン３１ａ及び第２ピストン３１ｂによって構成される。本変形例のエンジンバルブ３０の製造方法によれば、ピストン３１を２つに分割してクリアランスを設け、摺動面積を小さくすることで油圧等で駆動する際のピストンの摺動抵抗を下げることが出来る。軸端部材１８の切削工程の一環として接続部３３を設けることにより、中間品の製造時に残余部の切除工程が一工程減るためにピストン３１付のエンジンバルブ３０の製造コストが安くなる。尚、接続部３３は、設けなくてもよい。その場合、残余部３２を第２ピストン３１ｂと直接かつ同軸に摩擦圧接することで、接続部３３の製造工数も減り、製造コストが安くなる。

　図５は、第１実施例のボス部付中間品の製造方法と、第２実施例のエンジンバルブの製造方法の変形例による羽根部４３付エンジンバルブ４０を示すものである。エンジンバルブ４０は、第１実施例の製造方法で製造される図１（ｆ）の中間品２に傘部４１，軸部４２，ボス部から形成される羽根部４３を形成し、ＳＵＨ３等の鋼で形成したものである。エンジンバルブ４０は、排気用バルブとして使用され、羽根部４３は、排気通路（図示せず）に配置されるため、エンジンバルブ４０の製造方法においては、図１（ｃ）から図１（ｅ）に示す各工程で使用される中間治具６ａ～６ｃの軸方向の長さＬ１を第１実施例よりも短く形成して基端面６ｈを先端側に後退させることで、羽根部４３を傘部４１に近づけて形成する必要がある。

２　　　　　　　　　中間品
３　　　　　　　　　軸成形部
３ａ　　　　　　　　先端部
３ｂ　　　　　　　　基端部
５　　　　　　　　　基端治具
６ａ～６ｃ　　　　　中間治具
１１　　　　　　　　ボス部
１８　　　　　　　　軸端部材
１９　　　　　　　　第２ボス部
２６　　　　　　　　第２中間品

Claims

　軸成形部よりも最大外径が大きな傘成形部を軸成形部の先端部に一体に有し、軸成形部よりも外径の大きなボス部を軸成形部の中間の外周に一体に形成された、エンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法であって、
　前記中間品の軸成形部の中心から半径方向に着脱可能な複数の中間治具によって軸成形部の中間を保持し、軸成形部の基端部を基端治具によって保持する軸保持工程と、
　前記中間品を回転させ、軸成形部の外周に軸中心線に沿った方向の引張力及び圧縮力を交互に繰り返し作用させる交番負荷を負荷しつつ、中間品に両端部から圧縮力を負荷して前記ボス部を形成する軸肥大工程と、を備えることを特徴とする、エンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法。
　前記複数の中間治具は、表面処理や熱処理によって５００ＨＶ以上の硬さを有するように形成されて、軸成形部の周方向の３箇所以上で間を保持することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法。
　前記複数の中間治具が軸成形部の周方向に等分配置された状態で軸成形部の中間を保持することを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法。
　前記エンジンバルブのボス部付中間品が、析出硬化型Ｎｉ基合金で形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法。
　前記中間品のボス部にマルテンサイト鋼の別部材で形成された第２ボス部付き軸端部材の第２ボス部を接合して二次中間品を形成する摩擦圧接工程と、を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法。
　前記傘成形部は、首成形部を有し、
　前記首成形部は、前記軸成形部の先端部に連続するように一体に形成され、かつ前記軸成形部の先端部から前記首成形部の先端に向かって増径する形状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンバルブのボス部付き中間品の製造方法。