(57)【要約】【課題】エンジンバルブを生産性良く軽量化して製造すること。【解決手段】芯材１１が軽量材料よりなり、芯材１１を覆う外皮材１２が耐熱材料よりなるエンジンバルブ１は、一方の端に底２２ｂが形成され、他方の端に開口２２ｃが形成された耐熱材料よりなる円筒材２２の中空部２２ａに、開口２２ｃを通じて芯材１１となる軽量材料２１を詰めて、開口２２ｃを栓材２３により蓋をすることにより、２層ビレット２４を形成する。栓材２３は、円筒材２２における開口２２ｃの周囲の端面から所定の距離Ｆ１だけ中空部２２ａの中に没入して配置される。そして、２層ビレット２４の、栓材２３をした側の端を先頭として、２層ビレット２４を押出ダイスに押し込んで特定形状に押し出し成形することにより、エンジンバルブ１を製造する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材が軽量材料よりなり、前記芯材を覆う外皮材が耐熱材料よりなるエンジンバルブの製造方法において、
一方の端に底が形成され、他方の端に開口が形成された耐熱材料よりなる円筒材の中空部に、前記開口を通じて前記芯材となる軽量材料を詰めて、前記開口に栓をすることによりビレットを形成し、前記栓をした前記他方の端を先頭として、前記ビレットを押出ダイスに押し込んで特定形状に押し出し成形することを特徴とするエンジンバルブの製造方法。
【請求項２】
前記栓は、前記円筒材における前記開口の周囲の端面から所定距離だけ前記中空部の中に没入して配置され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製造方法。
【請求項３】
エンジンバルブの製造に使用され、押出ダイスにより特定形状に押し出し成形されるビレットであって、
一方の端に底が形成され、他方の端に開口が形成された耐熱材料よりなる円筒材の中空部に、前記開口を通じて軽量材料を詰めて、前記開口に栓をしたことを特徴とするビレット。
【請求項４】
前記栓は、前記円筒材における前記開口の周囲の端面から所定距離だけ前記中空部の中に没入して配置されることを特徴とする請求項３に記載のビレット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの吸気バルブ又は排気バルブとして使用されるエンジンバルブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のエンジンバルブの製造方法として、例えば、下記の特許文献１乃至３に記載された技術が知られている。その中で、特許文献１に記載の製造方法は、エンジンバルブを中空化することによりバルブの軽量化を狙ったものであり、後方押圧出し加工により耐熱鋼からなる素材の中心部に孔を形成する。次に、この素材を加熱した後、素材より融点が低く、加熱することなく変形容易な芯材を孔に装填する。その後、素材の孔の開口と反対側に熱間前方押出し成型により芯材の入ったバルブステム部分を形成する。次いで、素材の残部に熱間プレス据込形成を施して傘部を形成する。次に、素材を加熱し芯材を溶解除去して素材に中空部を形成する。その後、傘部にある孔の開口を密栓することにより、中空エンジンバルブを得るようになっている。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１７９８３３号公報
【特許文献２】特開平５−１１３１１３号公報
【特許文献３】特開昭６３−２６４２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の中空エンジンバルブの製造方法では、中空化のために、素材の孔に一旦装填した芯材を溶融除去したり、最後に孔の開口に栓を溶接したりしなければならず、その分だけ工数が増えることとなり、生産性が良くなかった。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、生産性良く軽量化を図ることを可能としたエンジンバルブの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、芯材が軽量材料よりなり、芯材を覆う外皮材が耐熱材料よりなるエンジンバルブの製造方法において、一方の端に底が形成され、他方の端に開口が形成された耐熱材料よりなる円筒材の中空部に、開口を通じて芯材となる軽量材料を詰めて、開口に栓をすることによりビレットを形成し、栓をした他方の端を先頭として、ビレットを押出ダイスに押し込んで特定形状に押し出し成形することを趣旨とする。
【０００７】
上記発明の構成によれば、ビレットが、栓をした他方の端を先頭として、押出ダイスに押し込まれて押し出し成形されることで、円筒材、軽量材料及び栓が一体的に塑性変形し、特定形状に成形される。ここで、円筒材の開口が栓により塞がれるので、中空部から軽量材料がはみ出ることがない。また、栓は、押し出し成形の過程で円筒材によりかしめられる。特定形状に成形されたエンジンバルブは、芯材が軽量材料より形成される分だけ、全体が軽量化される。更に、外皮材が耐熱材料より形成されることから、エンジンバルブとして耐熱性が得られる。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、栓は、円筒材における開口の周囲の端面から所定距離だけ中空部の中に没入して配置されることを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、押し出し成形の過程で円筒材の端部が開口に回り込み、開口からの栓の移動が規制される。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、エンジンバルブの製造に使用され、押出ダイスにより特定形状に押し出し成形されるビレットであって、一方の端に底が形成され、他方の端に開口が形成された耐熱材料よりなる円筒材の中空部に、開口を通じて軽量材料を詰めて、開口に栓をしたことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、ビレットを、栓をした他方の端を先頭として、押出ダイスに押し込んで押し出し成形することにより、円筒材、軽量材料及び栓が一体的に塑性変形することとなり、その成形の過程で栓が円筒材によりかしめられ、開口が塞がれる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、栓は、円筒材における開口の周囲の端面から所定距離だけ中空部の中に没入して配置されることを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、押し出し成形の過程で円筒材の端部が開口に回り込み、開口からの栓の移動が規制される。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、生産性を向上させながら軽量化したエンジンバルブを製造することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、栓を円筒材に対し確実に固定することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の製造方法に好適なビレットを提供することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加え、栓を円筒材に対し確実に固定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明におけるエンジンバルブの製造方法を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１に、この実施形態のエンジンバルブ１を正面図により示す。このエンジンバルブ１は、エンジンの吸気バルブ又は排気バルブとして使用される。エンジンバルブ１は、軸部２、傘部３、溝部４及び軸端部５を備える。
【００２０】
図２に、エンジンバルブ１を断面図により示す。エンジンバルブ１は、芯材１１と、その芯材１１を包む外皮材１２及びプラグ１３とから構成される。軽量化を図るために、芯材１１は軽量材料より構成される。耐熱性を得るために、外皮材１２及びプラグ１３は耐熱材料より構成される。この実施形態で、芯材１１を構成する軽量材料として、アルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料が使用される。この材料は、チタンを主成分とする材料に比べて高温強度が低くかつ低比重の材料特性を有する。また、外皮材１２及びプラグ１３を構成する耐熱材料として、耐熱鋼（ＳＵＨ３）が使用される。この材料は、高温強度が高くかつ高比重の材料特性を有する。プラグ１３は、本発明の栓に相当する。
【００２１】
図３に、上記した各種材料の融点と比重を表に比較して示す。耐熱鋼（ＳＵＨ３）は、「１４７０℃」という高融点で、かつ「７．６」という高比重の材料特性を有する。アルミニウムは、「５９５℃」という低融点で、かつ「２．７」という低比重の材料特性を有する。マグネシウムは、「６１５℃」という低融点で、かつ「１．８」という低比重の材料特性を有する。これに対し、参考のチタンは、「１８２０℃」という高融点で、かつ「４．５」という耐熱鋼（ＳＵＨ３）に比べて低比重の材料特性を有する。従って、この実施形態では、アルミニウムとマグネシウムの融点及び比重を基準に、低融点の範囲を「常温〜６５０℃」程度とし、低比重の範囲を「１〜３」程度としている。この実施形態では、芯材１１となる軽量材料として、融点及び比重につき、上記範囲内の特性を有する材料を選択することができる。
【００２２】
次に、上記したエンジンバルブ１の製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｅ）に、一連の製造工程を断面図により示す。
【００２３】
先ず、第１の工程では、図４（ａ）に示すように、芯材１１となる棒材２１を、外皮材１２となる円筒材２２と、プラグ１３となる栓材２３により包み込んで棒状の２層ビレット２４を成形する。この実施形態で、棒材２１は、軽量材料よりなるコイル材（線材）を、所定長さに切断することにより予め形成される。また、円筒材２２は、耐熱材料よりなるコイル材を、所定長さに切断して有底円筒形に加工する。円筒材２２は、中空部２２ａを有し、一方の端に底２２ｂが形成され、他方の端に開口２２ｃが形成される。そして、円筒材２の中空部２２ａに、開口２２ｃを通じて棒材２１を詰め、開口２２ｃに耐熱材料よりなる栓材２３を詰めることにより、図４（ａ）に示す２層ビレット２４を形成する。栓材２３は、円筒材２２における開口２２ｃの周囲の端面から所定の距離Ｆ１だけ中空部２２ａの中に没入して配置される。ここでは、円筒材２２の外周厚みＴ２に対する底厚みＴ１の比を「１〜３」の範囲の値、好ましくは「２」に設定している。この実施形態では、上記の比を「１」に設定している。また、２層ビレット２４の外径Ｄ１に対する円筒材２２の外周厚みＴ２の割合を「１／８〜１／４」の範囲の値、好ましくは「１／６」に設定している。
【００２４】
次に、第２の工程では、図４（ａ）に示す棒状の２層ビレット２４を常温による冷間鍛造により押出成形することで、図４（ｂ）に示すように、棒材２１を芯材１１とし、円筒材２２を外皮材１２とし、栓材２３をプラグ１３としたバルブ原形２５を成形する。この押出成形は、２層ビレット２４を、複数の工程を経て軸押出し、傘据え込みを行うことで鍛造する。これにより、２層ビレット２４の全長を引き延ばして軸部原形２６を成形し、その軸部原形２６の一端に傘部原形２７を成形する。この傘部原形２７は、２層ビレット２４の外径とほぼ同一の外径寸法である。このバルブ原形２５の全体の長さＬ２は、２層ビレット２４の長さＬ１の約２倍となっている。軸部原形２６の外径Ｄ２は、２層ビレット２４の外径Ｄ１の約半分となる。軸部原形２６の外皮材１２の外周厚みＴ３は、２層ビレット２４の外周厚みＴ２の約半分となっている。また、傘部原形２７の外皮材１２の底厚みＴ４は、２層ビレット２４の底厚みＴ１とほぼ同じとなっている。
【００２５】
上記した第２の工程につき、特に、図５（ａ）〜（ｅ）を参照して詳細に説明する。この実施形態では、押出ダイス３１と押出パンチ３２が使用される。押出ダイス３１は、第１ダイス３３と第２ダイス３４とを含む。第１ダイス３３の成形孔３３ａの押出口３３ｂは、他の部分より縮径されて形成される。第２ダイス３４の成形孔３４ａは、第１ダイス３３の押出口３３ｂとほぼ同径に形成される。
【００２６】
そして、先ず、図５（ａ）に示すように、押出ダイス３１の成形孔３３ａに２層ビレット２４を装填すると共に、押出パンチ３２を挿入する。
【００２７】
次に、図５（ａ）に示す状態から、図５（ｂ）に示すように、２層ビレット２４の栓材２３で蓋をした側の端を先頭として、２層ビレット２４を押出パンチ３２により押出ダイス３１の成形孔３３ａに押し込んで押出口３３ｂから押し出し成形される。このとき、２層ビレット２４の先頭は、円筒材２２の開口２２ｃの部分が、押出口３３ｂにてかしめられる。ここでは、成形前の２層ビレット２４において、栓材２３が円筒材２２の開口２２ｃの周囲の端面から所定の距離Ｆ１だけ中空部２２ａの中に没入して配置されるので、図６に拡大して示すように、押し出し成形の過程で、円筒材２２の端部２２ｄが開口２２ｃの中心へ向けて回り込み、開口２２ｃからの栓材２３の移動が規制される。
【００２８】
その後、２層ビレット２４を押出パンチ３２により、更に押出ダイス３３の成形孔３３ａ，３４ａに順次押し込むことで、図５（ｃ）〜図５（ｅ）に示すように、２層ビレット２４が徐々に変形して、最終的に、図４（ｂ）に示すように、軸部原形２６と傘部原形２７とを含むバルブ原形２５が得られる。
【００２９】
その後、第３の工程では、図４（ｂ）に示すバルブ原形２５に冷間鍛造により、図４（ｃ）に示す傘部３を成形する。すなわち、図４（ｂ）に示す傘部原形２７を冷間鍛造によりプレス成形することで、図４（ｃ）に示す傘部３を成形する。この工程の冷間鍛造は、常温で行うことも可能であるが、必要に応じて「３００℃」程度まで加熱して行うことも考えられる。
【００３０】
次に、第４の工程では、鍛造時に発生した残留応力を除去するために、傘部３を成形した後の外皮材１２の全体に熱処理を施す。この実施形態では、熱処理として、低温焼鈍を行う。具体的には、ＬＮＧ連続炉を使用して一次焼鈍を行う。併せて２次焼鈍を行う場合もある。この低温焼鈍は「４００℃」程度で行われる。
【００３１】
次に、第５の工程では、軸部原形２６の長さを寸法合わせするために、図４（ｄ）に示すように、軸部２となる軸部原形２６の部を切断する。
【００３２】
次に、第６の工程では、各部の寸法合わせなどをするために、低温焼鈍後の外皮材１２、芯材１１及びプラグ１３に機械加工を施す。これにより、図４（ｅ）に示すように、軸部原形２６を軸部２とし、その軸部２の一端部に溝部４と軸端部５を形成する。具体的には、機械加工として、軸粗研、傘削り、溝研、端面研磨、フェース研又は軸精研を行う。
【００３３】
その後、第７の工程では、各部の耐摩耗性を向上させるために、機械加工後の外皮材１２に表面処理を施す。具体的には、窒化処理（タフトイド又はガス軟窒化）、Ｃｒメッキなどを行う。これにより、芯材１１、外皮材１２及びプラグ１３からなるエンジンバルブ１の完成品が得られる。
【００３４】
以上説明したこの実施形態のエンジンバルブ１の製造方法によれば、２層ビレット２４の栓材２３で蓋をした側の端を先頭として、２層ビレット２４が、押出パンチ３２により押出ダイス３１の成型孔３３ａに押し込まれて押し出し成形される。これにより、外皮材１２となる円筒材２２、芯材１１となる棒材２１及びプラグ１３となる栓材２３が一体的に塑性変形して、特定形状のバルブ原形２５が成形される。ここで、円筒材２２の開口２２ｃが栓材２３により塞がれるので、中空部２２ａから棒材２１がはみ出ることがない。また、栓材２３は、押し出し成形の過程で、円筒材２２によりかしめられる。このため、芯材１１となる棒材２１を、円筒材２２に一旦装填した後に溶融除去する必要がなく、最後に中空部２２ａの開口２２ｃにプラグ１３を溶接する必要がなく、その分だけ工数を減らすことができ、エンジンバルブ１の生産性を向上させることができる。
【００３５】
特に、この実施形態では、２層ビレット２４は押し出し成形される過程で、円筒材２２の端部２２ｄが開口２２ｃの中心に向かって回り込み、開口２２ｃからの栓材２３の移動が規制されるので、プラグ１３となる栓材２３を円筒材２２に対し確実に固定することができる。
【００３６】
また、この実施形態で、エンジンバルブ１の完成品は、芯材１１に軽量材料が使用されるので、耐熱材料により中実に形成されたエンジンバルブに比べて、芯材１１が軽量材料より形成される分だけエンジンバルブ１の全体が軽量化される。ここで、軽量材料が低融点の材料特性を有するので、軽量材料として比較的安価な材料を選択可能である。この実施形態では、軽量材料２して、アルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料を選択しているので、材料費が比較的安価となる。この結果、エンジンバルブ１につき、比較的低コストで軽量化を図ることができる。つまり、この実施形態によれば、生産性を向上させながら軽量化したエンジンバルブを比較的安価に製造することができる。
【００３７】
また、この実施形態によれば、軽量材料よりなる棒材２１を耐熱材料よりなる円筒材２２及び栓材２３で包み込んだ２層ビレット２４が、冷間鍛造により押出成形されるので、芯材１１に低融点の軽量材料を使用しているにもかかわらず、芯材１１に加熱による溶融のおそれがない。このため、溶融により、芯材１１に空隙ができたり、芯材１１が密度不均一になったりすることがなく、エンジンバルブ１として必要な信頼性を確保することができる。つまり、この実施形態の製造方法によれば、低比重の棒材２１を芯材１１として冷間鍛造により成形するので、エンジンバルブ１につき、必要な信頼性を確保しながら比較的低コストで軽量化を図ることができる。
【００３８】
また、この製造方法における熱処理が低温焼鈍であることから、芯材１１に高温加熱による溶融のおそれがない。この意味でも、エンジンバルブ１として必要な信頼性を確保することができる。
【００３９】
また、この実施形態では、耐熱鋼よりなる円筒材２２及び栓材２３が、芯材１１を内包する外皮材１２及びプラグ１３に成形されるので、外皮材１２及びプラグ１３に耐熱性と剛性が得られる。このため、エンジンバルブ１として耐久性を向上させることができ、エンジンバルブ１として必要な信頼性を確保することができる。特に、この実施形態では、エンジンバルブ１の軸端部５の端面が、耐熱鋼よりなるプラグ１３で形成されるので、カム部材等の接触に対し軸端部５の耐久性を向上させることができる。
【００４０】
この実施形態で、上記したような製造方法における作用効果は、２層ビレット２４が、一方の端に底２２ｂが形成され、他方の端に開口２２ｃが形成された円筒材２２の中空部２２ａに、開口２２ｃを通じて芯材１１となる棒材２１を詰めて、開口２２ｃに栓材２３をした構造を有し、その栓材２３が、円筒材２２における開口２２ｃの周囲の端面から所定の距離Ｆ１だけ中空部２２ａの中に没入して配置されることにより得られるものである。したがって、２層ビレット２４は、上記したエンジンバルブ１の製造方法に好適なビレットとして提供することができる。
【００４１】
尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】エンジンバルブを示す正面図。
【図２】エンジンバルブを示す断面図。
【図３】各種材料の融点と比重を比較して示す表。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、一連の製造工程を示す断面図。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、第２の工程を詳細に示す断面図。
【図６】工程の一部を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１    エンジンバルブ
１１    芯材
１２    外皮材
１３    プラグ（栓）
２２    円筒材
２２ａ    中空部
２２ｂ    底
２２ｃ    開口
２３    栓材（栓）
２４    ２層ビレット
３１    押出ダイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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