JPH1181932A

JPH1181932A - エンジン用吸気弁の成形方法

Info

Publication number: JPH1181932A
Application number: JP23873297A
Authority: JP
Inventors: Shohachi Nishiuchi; 正八西内; Masanobu Ishikawa; 正信石川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【解決手段】ビレットを断面減少率７０％〜８０％の
範囲で冷間鍛造することで軸部の第１段成形を実施し、
この軸部の残りの絞り加工を第２段以降の冷間鍛造で実
施し、少なくとも据込み率７０％で且つワークが２００
℃を超えないように温度制御しつつ傘部を冷間鍛造す
る。【効果】マルテンサイト系耐熱鋼の成分を限定し、第
１段の断面減少率を適正範囲に留め、且つ２００℃以下
で傘部を成形することにより、エンジン用吸気弁の完全
冷間鍛造化を実現することができた。冷間鍛造であるか
ら、熱エネルギーの大幅な節約が可能となり、スケール
が発生しないことから歩留りが良く、熱膨張がないので
仕上り寸法精度が極めてよくて機械加工を省くことがで
き、エンジン用吸気弁を効率よく製造することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエンジン用吸気弁の
成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジン用吸気弁は、エンジン用排気弁
と同様に、燃焼室の高温ガスに晒されるため耐熱鋼を塑
性加工した弁を使用する。エンジン用吸気弁は、その特
性上、エンジン用排気弁ほど高温に晒されないので、エ
ンジン用排気弁に対して安価であるマルテンサイト系耐
熱鋼が好適である。そして、一般的にエンジン用吸気弁
の成形方法は、マルテンサイト系耐熱鋼の細径軸材の一
端をアプセット加工して熱間鍛造で傘部の成形するもの
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】熱間鍛造であれば、塑
性加工が容易である。しかし、熱間鍛造では例えば１０
００℃以上の高温でワークを加熱しなければならないの
で、その熱エネルギーは甚大である。そして、熱間で鍛
造し、室温で機械加工することになるが、熱間温度と室
温（約２５℃）とでは極端に温度が異なるため、熱膨張
を見込んで鍛造を実施しても得られた鍛造品の寸法精度
は良くない。そのために機械加工が必須となる。

【０００４】そこで、本発明者らは、エンジン用吸気弁
を冷間鍛造法で製造する研究を鋭意進めた。しかし、マ
ルテンサイト系耐熱鋼は難加工材であり、延性に乏しい
ことから、冷間鍛造が難かしいことは周知のことであ
る。図９（ａ），（ｂ）は据込み鍛造の原理図である。
（ａ）は比較的大径のビレット１０１を金型１０２にセ
ットし、パンチ１０３で押圧するものであり、ビレット
１０１の径をｄ０、断面積をＡ０、長さをＬ０とし、金
型１０２の絞り穴の径をｄ１、断面積をＡ１とし、ビレ
ット１０１と金型１０２壁面との摩擦係数μとすると、
次の関係が成立する。絞り荷重は、断面減少率に比例す
る。ここで、断面減少率＝（Ａ０−Ａ１）／Ａ０＝１−（ｄ
１／ｄ０）² また、ビレットと金型との間に接触抵抗が発生し、この
接触抵抗は、μ×接触面積に比例する。ここで、接触面積＝（π・ｄ０・Ｌ０）

【０００５】ビレット１０１が大径であれば、その長さ
Ｌ０は十分に小さいので、前記摩擦抵抗は小さくなり、
パンチ力Ｐ０は小さくなる。パンチ力Ｐ０が小さけれ
ば、金型１０２に発生する金型面圧は比例的に小さくな
り、金型破壊の心配はない。しかし、断面減少率は大き
いので、絞り荷重は大きくなる。従って、断面減少率は
上限がある。

【０００６】（ｂ）は比較的小径のビレット１０５を金
型１０６にセットし、パンチ１０７で押圧するものであ
り、ビレット１０５の径をｄ３、断面積をＡ３、長さを
Ｌ３とし、金型１０６の絞り穴の径をｄ１、断面積をＡ
１とし、ビレット１０５と金型１０６壁面との摩擦係数
μとすると、次の関係が成立する。絞り荷重は、断面減
少率に比例する。ここで、断面減少率＝（Ａ３−Ａ１）／Ａ３＝１−（ｄ
１／ｄ３）² また、ビレットと金型との間に接触抵抗が発生し、この
接触抵抗は、μ×接触面積に比例する。ここで、接触面積＝（π・ｄ３・Ｌ３）

【０００７】ビレット１０５が小径であるから、断面減
少率は小さい。ビレット１０５の径ｄ３が、大径のビレ
ット１０１の径ｄ１の１／２であれば、（π／４）・
（ｄ０）²・Ｌ０＝（π／４）・（ｄ３）²・Ｌ３＝（π
／４）・（ｄ１／２）²・Ｌ３から、Ｌ３＝４・Ｌ０と
なる。このように、ビレット１０５が小径であれば、そ
の長さＬ３は径の比の２乗に逆比例して大きくなる。上
の例では４倍になり接触抵抗も４倍となる。接触抵抗は
金型を押し広げる力、即ち金型を破壊する力となるか
ら、小径のビレットほど金型面圧は大きくなる。従っ
て、小径のビレットでは金型面圧の点から断面減少率に
下限がある。

【０００８】そこで、本発明者らは軸部の冷間鍛造を詳
細に研究し、好適な断面減少率の範囲を確立することに
成功した。

【０００９】

【課題を解決するための手段】具体的には、請求項１は
Ｃが０．３５％〜０．５５％、Ｃｒが５％〜１２％の範
囲にあるマルテンサイト系耐熱鋼のビレットを準備し、
このビレットを冷間鍛造法にて軸部及び傘部からなる吸
気弁を成形する方法であって、軸部の第１段成形は、断
面減少率７０％〜８０％の範囲で実施することを特徴と
したエンジン用吸気弁の成形方法である。

【００１０】Ｃが０．３５％未満であると十分な焼入れ
硬さが得られず、また０．５５％を超えると焼入れ硬さ
は十分得られるが有効Ｃｒの欠乏が生じ耐食性が低下す
る。従って、Ｃは０．３５％〜０．５５％の範囲とす
る。Ｃｒが５％未満であると十分な耐熱性、耐酸化性及
び耐食性が得られず、また１２％を超えるとフェライト
相が現れ、焼入れ硬化性が低下する。従って、Ｃｒは５
％〜１２％の範囲とする。

【００１１】また、断面減少率が８０％を超えると絞り
荷重が過大になり、また、断面減少率が７０％を下回る
と接触抵抗が過大となり、金型破壊に繋がる。従って、
断面減少率は７０％〜８０％の範囲にする。残りの断面
減少は第２段以降の工程で実施する。第２段工程以降で
は、吸気弁の製造上、金型とビレットの接触は軽微とな
り、実質的に接触抵抗を考えなくとも良いので、断面減
少率３０％未満の冷間鍛造が可能である。

【００１２】マルテンサイト系耐熱鋼の成分を限定し、
第１段の断面減少率を適正範囲に留めることで吸気弁の
軸部の冷間鍛造が可能となった。

【００１３】請求項２は、Ｃが０．３５％〜０．５５
％、Ｃｒが５％〜１２％の範囲にあるマルテンサイト系
耐熱鋼のビレットを準備し、このビレットを断面減少率
７０％〜８０％の範囲で冷間鍛造することで軸部の第１
段成形を実施し、この軸部の残りの絞り加工を第２段以
降の冷間鍛造で実施し、少なくとも据込み率７０％で且
つワークが２００℃を超えないように温度制御しつつ傘
部を冷間鍛造することを特徴としたエンジン用吸気弁の
成形方法である。

【００１４】マルテンサイト系耐熱鋼の成分を限定し、
第１段の断面減少率を適正範囲に留め、且つ２００℃以
下で傘部を成形することにより、エンジン用吸気弁の完
全冷間鍛造化を実現することができた。

【００１５】請求項３は、ビレットを鍛造前に、８５０
℃〜９５０℃で焼鈍処理を施すことを特徴とする。予め
焼鈍したことにより、次の冷間鍛造が円滑に実施でき
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基
づいて以下に説明する。なお、本発明で対象とした実施
例１，２の成分組成は次の表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】図１（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る冷間鍛
造の工程図（前半、軸部形成）である。（ａ）：直径Ｄ、長さＬのビレット１を第１金型２（先
端に円錐面を形成する）にセットし第１パンチ３で据え
込む。この工程は省略可能なものであるから、成形段数
にはカウントしない。（ｂ）：先端が円錐になった中間品４（中間加工品を
「中間品」と呼ぶことにする。以下同じ。）を第２金型
５（径ｄ２の軸部を形成する）にセットし第２パンチ６
で据え込む。この間に、中間品４は第２金型５壁面と全
面的に接触して大きな「接触抵抗」が発生する。すなわ
ち、「軸部の第１段成形」は第２金型５で、径Ｄを径ｄ
２に絞ったこという。

【００１９】図２は断面減少率と絞り荷重との関係を調
べたグラフであり、横軸は断面減少率、縦軸は絞り荷重
である。ビレットは表１に示すマルテンサイト系耐熱鋼
（実施例１，２）、鍛造前の径Ｄは１４〜１８ｍｍ、第
１段成形後の軸部の径ｄ２は７．５ｍｍとした。断面減
少率に比例して絞り荷重が増加する。絞り荷重が過大と
なるとパンチや金型を痛めることになるので、４７５Ｎ
を上限とし、断面減少率を８０％に留めることにした。

【００２０】図３は断面減少率と金型面圧との関係を調
べたグラフであり、断面減少率が小さくなるほどにビレ
ットと金型の接触面積が増加し、接触抵抗が増加するこ
とから金型面圧は増加する。金型面圧の許容値を２２０
ｋｇ／ｍｍ²とし、断面減少率の下限値を７０％にする
ことにした。

【００２１】図１に戻って、第１段成形後の軸部の加工
及び傘部の加工を引き続き説明する。（ｃ）：径ｄ２の軸部を有する中間品７を第３金型８
（径ｄ３の軸部を形成する）にセットし第３パンチ９で
据え込む。中間品７の軸部（径ｄ２の部分）は、第３金
型８に接触していない。従って、接触抵抗は考えなくて
もよい。従って、ここで実施する軸部の第２段成形の断
面減少率は３０％以下の例えば１０％とする。（ｄ）：径ｄ３の軸部を有する中間品１１を第４金型１
２（径ｄ４の軸部を形成する）にセットし第４パンチ１
３で据え込む。ここで実施する軸部の第３段成形の断面
減少率は残り断面減少率（例えば１０％）とする。すな
わち、（ｂ）の第１段成形では断面減少率７０〜８０％
とし、（ｃ），（ｄ）の第２段・第３段成形で残りの断
面減少率を適当に配分して実施すればよい。

【００２２】図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る冷間鍛
造の工程図（後半、傘部形成）である。（ａ）：径ｄ４の軸部を有し、且つ径Ｄ１の傘部を有す
る中間品１４を第５金型１５（径Ｄ２の傘部を形成す
る）にセットし第５パンチ１６で据え込む。（ｂ）：径Ｄ２の傘部を有する中間品１７を第６金型１
８（径Ｄ３の傘部を形成する）にセットし第６パンチ１
９で据え込む。（ｃ）：以上の６工程を経て完成した吸気弁２０を示
す。

【００２３】なお、今まで説明しなかったが、傘部を７
０％以上の据込み率で冷間鍛造すると割れることがあ
る。そこで、その要因及び対策を以下に説明する。図５
（ａ），（ｂ）は吸気弁における据込み率の説明図であ
る。（ｂ）の吸気弁２０は軸部２１と傘部２２とからな
り、軸部２１は径ｄ６、長さｌ６のストレート部分とす
る。傘部２２の長さ（高さ）はＬ６とする。軸部２１の
体積ｖ６は（π／４）×（ｄ６）²×ｌ６で求まる。
（ａ）において、ビレット１を軸部分１ａと傘部分１ｂ
に仮想的に区分けする。具体的には軸部分１ａを前記ｖ
６相当高さ｛ｖ６÷（π／４）×Ｄ²｝とし、残りを傘
部分１ｂの高さＬ０とすればよい。据込み率は据込み長
さを据込み前の長さで除した値であるから、本発明にお
いては、据込み率は｛（Ｌ０−Ｌ６）／Ｌ０｝×１００
（％）と定義する。

【００２４】ところで、上記の冷間鍛造工程でワーク
（中間品、完成品）が熱くなることが分かった。そこ
で、温度を計測した。図６は吸気弁を冷間鍛造したとき
の据込み率と表面温度の関係を示すグラフであり、横軸
は据込み率、縦軸は表面温度である。冷間鍛造では変形
しにくい素材を無理に塑性変形するために、据込み率に
比例して表面温度が上り、据込み率７０％では約２５０
度、据込み率８０％では約３００度に達した。

【００２５】そこで本発明者らは温度と耐熱鋼の割れの
関係を調べた。図７はマルテンサイト系耐熱鋼の温度と
据込み限界との関係を示すグラフであり、横軸は試験温
度、縦軸は割れが発生したときの据込み率を示す。試験
はワークが加工熱で温度上昇するときであっても、冷却
するなどして試験温度に強制的に保って実施した。実施
例１，２の合金成分は先に示した通りである。

【００２６】図７において実施例１，２共に、−５０℃
〜６００℃の領域では３００℃付近を極小値とした下に
凸の曲線となることが分かった。細かくは、実施例１
（１２％Ｃｒ）では２００℃で据込み限界が７０％を切
り、約３５０℃で７０％を回復する。実施例５（８％Ｃ
ｒ）では２００℃で据込み限界が７２％であるから、実
施例１よりは有利である。このことから、マルテンサイ
ト系耐熱鋼のビレットを７０％の据込み率で且つ冷間鍛
造法で吸気弁にするには、ビレットや中間品の温度を２
００℃以下にすれば、割れは防止できることが分かる。

【００２７】ビレットや中間品の温度を２００℃以下に
保つには、金型を冷却水等で強制冷却する、ワークの傘
部を空気等で直接冷却する、の双方若しくは一方を実施
すればよい。

【００２８】以上をまとめるとエンジン用吸気弁は、次
の工程で製造することができる。図８は本発明に係るエ
ンジン用吸気弁の製造工程図であり、ＳＴ××はステッ
プ番号を示し、図１及び図４を参照しつつ説明する。ＳＴ０１：実施例１，２で指定した成分のマルテンサイ
ト系耐熱鋼のビレットを準備する。例えばビレットの径
は１６ｍｍである。ＳＴ０２：８５０℃〜９５０℃で焼鈍処理をする。ＳＴ０３：スケールを除去する。ＳＴ０４：潤滑処理をする。

【００２９】ＳＴ０５：（参照図１（ａ），（ｂ））、
断面減少率７０％〜８０％で軸部の第１段成形を実施す
る。例えば、７．５ｍｍまで第１段成形する。１６ｍｍ
→７．５ｍｍは、断面減少率７８％となる。ＳＴ０６：（参照図１（ｃ），（ｄ））、軸部を例えば
８７％まで断面減少させるとして、差引き９％を第２段
以降で成形する。ＳＴ０７：（参照図２（ａ），（ｂ））、据込み率７０
％以上の傘打ちを行うが、このときにワークを２００℃
以下に保つ。据込み率を例えば７２％にすることで、図
４（ｃ）の吸気弁２０を製造することができる。

【００３０】なお、傘部に対する据込み率は、７０％未
満では一定の径の傘部を得るのに、太いビレットを準備
しなければならず、ビレットが太くなると軸部の成形が
難しくなる。しかし、据込み率が７０％を大きく上回る
と、本発明によれば冷却をより強化しなければならない
ので、据込み率は７０％〜７５％範囲とすることが好ま
しい。

【００３１】また、本実施例では軸部を４工程（実質３
工程）で成形したが、この工程数の増減は任意である。
傘部の成形も同様である。

【００３２】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１は、マルテンサイト系耐熱鋼の成分を限
定し、第１段の断面減少率を適正範囲に留めることで吸
気弁の軸部の冷間鍛造が可能となり、冷間鍛造であるか
ら、熱エネルギーの大幅な節約が可能となり、スケール
が発生しないことから歩留りが良く、熱膨張がないので
仕上り寸法精度が極めてよくて機械加工を省くことがで
き、エンジン用吸気弁を効率よく製造することができ
る。

【００３３】請求項２は、マルテンサイト系耐熱鋼の成
分を限定し、第１段の断面減少率を適正範囲に留め、且
つ２００℃以下で傘部を成形することにより、エンジン
用吸気弁の完全冷間鍛造化を実現することができた。冷
間鍛造であるから、熱エネルギーの大幅な節約が可能と
なり、スケールが発生しないことから歩留りが良く、熱
膨張がないので仕上り寸法精度が極めてよくて機械加工
を省くことができ、エンジン用吸気弁を効率よく製造す
ることができる。

【００３４】請求項３は、ビレットを鍛造前に、８５０
℃〜９５０℃で焼鈍処理を施すことを特徴とする。予め
焼鈍したことにより、次の冷間鍛造が円滑に実施でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る冷間鍛造の工程図（前半、軸部形
成）

【図２】断面減少率と絞り荷重との関係を調べたグラフ

【図３】断面減少率と金型面圧との関係を調べたグラフ

【図４】本発明に係る冷間鍛造の工程図（後半、傘部形
成）

【図５】吸気弁における据込み率の説明図

【図６】吸気弁を冷間鍛造したときの据込み率と表面温
度の関係を示すグラフ

【図７】マルテンサイト系耐熱鋼の温度と据込み限界と
の関係を示すグラフ

【図８】本発明に係るエンジン用吸気弁の製造工程図

【図９】据込み鍛造の原理図

【符号の説明】

１…ビレット、２０…エンジン用吸気弁、２１…軸部、
２２…傘部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/18 Ｃ２２Ｃ 38/18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃが０．３５％〜０．５５％、Ｃｒが５
％〜１２％の範囲にあるマルテンサイト系耐熱鋼のビレ
ットを準備し、このビレットを冷間鍛造法にて軸部及び
傘部からなる吸気弁を成形する方法であって、前記軸部
の第１段成形は、断面減少率７０％〜８０％の範囲で実
施することを特徴としたエンジン用吸気弁の成形方法。
【請求項２】Ｃが０．３５％〜０．５５％、Ｃｒが５
％〜１２％の範囲にあるマルテンサイト系耐熱鋼のビレ
ットを準備し、このビレットを断面減少率７０％〜８０
％の範囲で冷間鍛造することで軸部の第１段成形を実施
し、この軸部の残りの絞り加工を第２段以降の冷間鍛造
で実施し、少なくとも据込み率７０％で且つワークが２
００℃を超えないように温度制御しつつ傘部を冷間鍛造
することを特徴としたエンジン用吸気弁の成形方法。
【請求項３】前記ビレットを鍛造前に、８５０℃〜９
５０℃で焼鈍処理を施すことを特徴とした請求項１又は
請求項２記載のエンジン用吸気弁の成形方法。