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エンジンバルブの製造方法 - 特開2008−768 | j-tokkyo
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【発明の名称】 エンジンバルブの製造方法
【発明者】 【氏名】岩瀬 悟

【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。

【構成】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。
【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
【出願人】 【識別番号】000116574
【氏名又は名称】愛三工業株式会社
【出願日】 平成18年6月20日(2006.6.20)
【代理人】 【識別番号】110000291
【氏名又は名称】特許業務法人コスモス特許事務所


【公開番号】 特開2008−768(P2008−768A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−170555(P2006−170555)