WO2011077776A1

WO2011077776A1 - 中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法及び中空エンジンバルブの弁傘部のプレス装置及び中空エンジンバルブ

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Publication number: WO2011077776A1
Application number: PCT/JP2010/061933
Authority: WO
Inventors: 豹治吉村
Original assignee: 三菱重工業株式会社; 株式会社吉村カンパニー
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-06-30
Also published as: US20120228538A1; JP4526097B1; CN102652042A; EP2517806A1; EP2517806B1; CN102652042B; JP2011131228A; EP2517806A4; US8650752B2

Abstract

　従来、中空エンジンバルブの弁傘部の熱間鍛造においては仕上がり精度が悪く、冷間鍛造では扱える素材が限られていた。また、冷間及び従来の温間鍛造では絞り上げの工程数が多くなって焼きなまし等の中間熱処理の工程が何度も必要となり、作業効率が悪かった。そこで、中空孔と拡径部を有する半完成品を製造しておき（第１ステップ）、ダイセット（ＤＳ）全体を外筒（４）、内筒（５）で囲繞するプレス装置を用いることで、常温～８７０℃の間の任意の温度の恒温雰囲気にて該半完成品の胴部を中心に絞り上げるようにした（第２ステップ）。

Description

中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法及び中空エンジンバルブの弁傘部のプレス装置及び中空エンジンバルブ

　本発明は、軸端封止材あるいは中空軸部に溶接される側が開口された弁傘部中空孔を有し、該弁傘部中空孔が弁傘部の拡径部内において拡径形成されていて、該弁傘部中空孔の最大内径が中空軸部の最大外径より大である中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法、及び該中空エンジンバルブの弁傘部のプレス装置、及び該弁傘部を有する中空エンジンバルブに関するものである。

　中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法に関しては、本願の発明者により下記特許文献１の発明がなされている。その概要を述べれば、以下のとおりである。すなわち、中空エンジンバルブの弁傘部は、特に排気バルブにおいては高温に晒されることになるので、従来からマンガン、ニッケル、クロムなどをベースとした耐熱鋼など耐熱性に優れた特性を示す素材が用いられてきた。

　これらの素材は、耐熱性が高いという長所を持つ反面、塑性加工性に劣るという短所も合わせ持っている。すなわち、弁傘部の完成形状にまで鍛造するのが難しい上に、中空エンジンバルブにおいては中空孔を設けなければならず、なお一層加工が困難となる。したがって、このような素材を鍛造して弁傘部を形成する際には、素材の温度を再結晶温度以上に上げて、熱間鍛造によって行うのが一般的であった。

　しかしながら、熱間鍛造においては、金属の膨張等の問題から加工精度が下がり、製品の表面の肌理も冷間鍛造に比べると劣る結果とならざるを得ない。

　そこで、本願発明者は、上記の様な耐熱性の高い素材を使用して、熱間鍛造ではなく冷間鍛造にて弁傘部を形成する方法を模索し、試行錯誤の結果、拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の最大外径と一致し、完成品の弁傘部の弁傘部中空孔の最大内径と同一の下端が有底の円筒形状中空孔を有する弁傘部半完成品をまず製造しておき、該半完成品を冷間鍛造により拡径部の上部及び胴部を複数段階に分けて徐々に絞り上げ、完成品の弁傘部とする方法を完成してこれを出願し、この出願は権利化されることとなった（下記特許文献１）。

　この際、弁傘部の素材としては、
　ＮＣＦ４７Ｗ（ニッケルベース鋼）
　ＳＵＨ３５（オーステナイト系マンガンベース鋼）
　インコネル７５１（ニッケルベース鋼）
　の３種類を掲げておいた。

　本願発明者は、下記特許文献１の特許取得後も上記素材について何度も確認のための実験を繰り返した。その結果、ＮＣＦ４７Ｗとインコネル７５１は下記特許文献１の方法にて何ら問題なく完成品の弁傘部が得られることが確認されたが、ＪＩＳ４３１１耐熱鋼に含まれる炭素含有量の多い素材（上記ＳＵＨ３５も含まれる）については、ネッキング（絞り上げ）の全段階を冷間鍛造で行おうとするとクラックや変形等の支障がＮＣＦ４７Ｗやインコネル７５１に比べてやや多く見られることが判明してきた。

　近年は、車両の低燃費化が求められる風潮が強く、車両用部品は全て小型軽量化が求められる傾向にある。中空エンジンバルブは、そういう風潮の中で、特にエンジン内部で急速な往復運動を繰り返す部材の軽量化という点においても注目が集まり、冷鍛性の良くないものも含めた様々な素材を用いて、精度の良い鍛造を希求する傾向が強くなっているのが現状である。

特許第４３９０２９１号公報

日本鉄鋼協会編「改訂５版　鋼の熱処理」丸善株式会社、１９７９年発行（第２版第３刷）幸田成康監訳「レスリー鉄鋼材料学」丸善株式会社、１９８７年発行（第２刷）

　中空エンジンバルブの素材としては、さまざまな鋼材が考え得るが、冷鍛性が良いものは少ない。たとえば、ＪＩＳ４３１１耐熱鋼に含まれる炭素含有量の多い素材を用いて冷間鍛造で弁傘部を形成しようとすると、不良品の発生率を低く抑えるためには絞り上げの工程数を増やす、つまり、ダイスの数を多くするか、あるいは工程と工程の間に適宜中間熱処理（焼きなまし等）を何度も挟みながら行わなければならないが、いずれにしても手間が増える結果となり、製品価格に跳ね返るのは避けられない。したがって、ＪＩＳ４３１１耐熱鋼に含まれる炭素含有量の多い素材を用いて、あるいは他の冷鍛性の悪い素材を用いて、工程数を増加させることなく、また中間熱処理をなるべく行うことなく成形を行うことのできる方法の開発が、今回の解決すべき課題となった。

　本発明は、上記課題解決するためになされたものであって、下記に示す解決手段を提供するものである。
＜解決手段１＞
　中空軸部あるいは軸端封止材に溶接される側が開口された弁傘部中空孔を有し、該弁傘部中空孔が弁傘部の拡径部内において拡径形成されていて、該弁傘部中空孔の最大内径が中空軸部の最大外径より大である中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法において、
　素材の中実丸棒より弁傘部半完成品を製造する第１ステップと、該弁傘部半完成品を温間鍛造によって弁傘部の完成品となす第２ステップを有し、
　第１ステップにおいては、円筒形状の胴部の一端に胴部と一体の拡径部を有し、拡径部側を下とした場合に、拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と同一であり、完成品の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径を有する円筒形状中空孔を有し、該円筒形状中空孔は上端が開口され下端が拡径部内において有底である弁傘部半完成品を得、
　第２ステップにおいては、弁傘部半完成品を温度が常温～８７０℃の範囲内とする鍛造により拡径部の上部及び胴部を複数段階に分けて徐々に絞り上げ、
　すなわち、ワーク、ダイス、パンチを含めた全体の空間自体を恒温に保持し、弁傘部半完成品の拡径部の上部及び胴部を押圧するダイスの内径が、段階が進むごとに少しずつ縮小されたダイスを、絞り上げ工程の数だけ用いて徐々に絞り上げ、
　弁傘部中空孔の拡径部内に於ける最大内径が上記円筒形状中空孔の内径のままに保持され、その内径は上方に向かうに従い縮径されるように構成された完成品の弁傘部を得る、
ことを特徴とする、中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
＜解決手段２＞
　第２ステップに用いられるプレス装置においては、ワーク及びワークを固定する固定具及びダイス及びダイスを固定する固定具の全体を包含する断熱壁を有し、該断熱壁の効果にて断熱壁内部を恒温状態に保持できるように構成され、解決手段１に記載の製造方法にて中空エンジンバルブの弁傘部を製造することができる
ことを特徴とする中空エンジンバルブの弁傘部のプレス装置。
＜解決手段３＞
　軸端封止材の一端に解決手段１に記載の製造方法あるいは解決手段２に記載のプレス装置にて製造した弁傘部を溶接してなる中空エンジンバルブ。
＜解決手段４＞
　両端が開放された中空軸部の一端に解決手段１に記載の製造方法あるいは解決手段２に記載のプレス装置にて製造した弁傘部を溶接し、他端に軸端封止材を溶接してなる中空エンジンバルブ。

　本発明の、解決手段１の発明によれば、弁傘部半完成品を、常温～８７０℃の温間鍛造により、ワーク、ダイス、パンチを含めた全体の空間自体を恒温に保持し、拡径部の上部及び胴部を複数段階に分けて徐々に絞り上げるので、クラックや変形等が激減し、且つネッキング（絞り上げ）の工程数が増えることもなく、また焼きなましの様な中間熱処理を何度も挟む必要もなく、例えばＪＩＳ４３１１耐熱鋼に含まれる炭素含有量の多い素材であっても問題なく弁傘部の成形を行うことができる。

　この際、弁傘部の成形が円滑に行われるのは、素材を第１ステップにおいて、一旦弁傘部半完成品とし、それを第２ステップにおいて絞り上げて弁傘部の完成品とするという２段階のステップを有しているからにほかならない。すなわち、もし弁傘部半完成品を製造する第１ステップを欠いたとすれば、常温～８７０℃の温間鍛造では、第２ステップの絞り上げを円滑に行うことは不可能であって、さらに温度の高い熱間鍛造を用いなければならなくなる。

　本発明の、解決手段２の発明によれば、弁傘部完成品を絞り上げるためのプレス装置において、ワーク及びワークを固定する固定具及びダイス及びダイスを固定する固定具の全体を包含する断熱壁を有し、該断熱壁の効果にて断熱壁内部を恒温状態に保持できるように構成されている点が開示されている。

　温間鍛造においては、一番問題となるのは絞り上げの際の、ワークの温度変化による組織の変成である。すなわち、絞り上げの工程数が１回や２回程度であれば、必要な温度まで予め加熱したワークをヒータを内蔵したダイスやパンチによって絞り上げることにより、ワークの変成の影響もあまりなく加工を行うことが可能である。

　しかし、絞り上げの工程数が増えてくると、たとえば３，４回を越えるようになると、ダイスやパンチをヒータによって加熱していても、ワークが空気中に晒されるたびにワークの温度が下がり、その結果金属組織の変成（硬化）が進行する。したがって、そのまま無理に絞り上げを行えば、ワークの割れが生じたりして完成品を得ることができない。

　通常は、ある程度工程数の多い絞り上げを行う場合には、途中に焼きなましなどの中間熱処理の工程を何度も挟んで行うことが多い。しかしながら、中空エンジンバルブの弁傘部の絞り上げにおいては、素材によって異なるので一概にはいえないが、１０工程前後、場合によってはそれ以上の工程が必要となるので、中間熱処理の回数も増え、その度に絞り上げを中断せねばならず、凡そ現実的な製造方法とは言いがたいものとなってくる。すなわち、実験的に行うなら良いが、現実の工場でのライン生産に応用できる技術内容とは言いがたいものとなる。

　したがって、焼きなましなどの中間熱処理の工程をなるべくはさまずに１０工程前後、場合によってはそれ以上の工程の絞り上げを連続的に行うことが必要となってくるが、その際に重要となるのはワークの温度低下を避けるということである。すなわち、ダイスやパンチはヒータを内蔵あるいは添設させれば恒温化が可能であるが、ヒータを取り付けられないワークにおいては、どうしても空気中に晒された瞬間の温度低下が避けられないので、これを解決するにはワーク、ダイス、パンチを含めた全体の空間自体を恒温に保持する必要が生じるのである。

　本発明の、解決手段２の発明によれば、このように空間全体を恒温雰囲気中に保持する技術内容を開示している。これにより、ワークの絞り上げにおける恒温状態は理想的なかたちで保持されることとなり、絞り上げにおいてもワークの温度低下が避けられ、さらに何度も中間熱処理を行う必要もなく円滑に複数工程の絞り上げができるようになったのである。

　本発明の解決手段３あるいは解決手段４の発明によれば、本発明の解決手段１あるいは解決手段２の発明によって得られた弁傘部を有する完成品としての中空エンジンバルブを得ることができる。

　なお、解決手段１に記載の第２ステップにおける温度範囲の数値限定の根拠は以下のとおりである。すなわち、温間鍛造の温度範囲の定義には諸説あり、未だ定説がないのが現状であるが、本発明においては、温間鍛造の温度範囲として、最も一般的であると考えられる「鋼材の再結晶温度以下」の温度範囲を「温間鍛造の温度範囲」として考えるものである。なお、ここに「一般的」と書く意味は、「各種の鋼材において最も幅広く適用できる」という意味である。したがって、素材を限定していけば、この温度範囲はさらに狭く限定され得るものであることはいうまでもない。

　上記考え方からすると、「温間鍛造」の温度範囲の下限はないことになるが、実際の現場では、素材を冷却して鍛造するということは滅多に行われないところから、温度範囲の下限を「常温」とした。「常温」の定義もいろいろあると考えられるが、本発明においては常識的に「常温」を１０℃～３０℃とする。実際の作業における下限は、２０℃前後になるものと考えられる。

　次に、「温間鍛造」の温度範囲の上限についてであるが、これは、前記非特許文献１のｐ.４８の図２・１６の記載より８７０℃とした。すなわち、再結晶温度というものは特定の温度ではなく、諸条件により上下するが、軟鉄の場合で最高８７０℃までは条件によってはあり得ると前記非特許文献１のｐ.４８の図２・１６では述べており、これをもって温度範囲の上限とした。

　なお、鉄の再結晶温度については、前記非特許文献２のｐ.１３８には、再結晶温度は鉄に添加元素を含むことで変化する（上昇する）ことが記載されている。本発明において素材の一つとする耐熱鋼においては、再結晶温度を引き上げる働きのあるニッケル（オーステイナイト系の耐熱鋼ほぼ全てに含有）、モリブデン（ＳＵＨ３８に含有）、クロム（耐熱鋼の全てに含有）が含まれており、鉄への合金元素の添加割合でバラツキはあるものの、前記非特許文献２のｐ.１３８に記載のデータからの類推では、少なくとも７００℃以上である可能性が高いといい得る。

　なお、本発明にては、「完成品の弁傘部」あるいは「弁傘部の完成品」という言葉を用いているが、この言葉は、次のような状態の弁傘部を意味するものである。すなわち、
１）拡径部の外径がそれ以上変化しない状態に至ったもの
２）中空孔の最大内径がそれ以上変化しない状態に至ったもの
３）胴部の端部の外径が、軸端封止材あるいは中空軸部の外径と一致した状態となったもの
　上記３点の状態を備えるものをもって「完成品の弁傘部」あるいは「弁傘部の完成品」と呼称するものである。

　したがって、例えば、フラットな状態の弁傘部の完成品の拡径部面に刻印を施したり、あるいは熱間鍛造にて凹部を形成したりすることは自由であって、それらは、あくまで本発明における「完成品の弁傘部」あるいは「弁傘部の完成品」に後から施される加工であり、本発明における「完成品の弁傘部」あるいは「弁傘部の完成品」を用いて後から上記に類するいかなる加工を行おうとも、弁傘部の上記３点の加工において本発明の方法を用いている場合には、それらはすべて本発明の範囲に包含されるものであることは言をまたない。

　また、本発明の方法は、「焼きなまし」のプロセスをできるだけ減らすという点にも眼目がある。したがって、本発明の方法を用いて、さらに中間に１～２回程度の焼きなまし工程を挟む方法を排除するものではないのは以上の論旨から当然のことである。すなわち、ロータリープレス装置での工程数が多くなりすぎる時など、第２ステップを前半と後半に分割して１回分の工程数を減らし、前半と後半の間に材料の再加熱、すなわち焼きなましの工程を挟むのは、技術内容からする当然の要請であり、このような方法もすべて本発明の範囲に包含されるのは当然のことである。

本発明の実施例１の製造方法における第２ステップに用いられるプレス装置の正面図である。本発明の実施例１の製造方法における第２ステップに用いられるプレス装置のダイセットの一部を省略した正面図である。本発明の実施例１の製造方法における第２ステップに用いられるプレス装置のダイセットの一部を省略した縦断面図である。（ａ）～（ｄ）本発明の実施例１の製造方法における第２ステップを説明するための説明図である。（ａ）～（ｄ）本発明の実施例１の製造方法における第２ステップを説明するための説明図である。（ａ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップにて得られる弁傘部の半完成品の縦断面図である。　　（ｂ）本発明の実施例１の製造方法における第２ステップにて得られる弁傘部の完成品の縦断面図である。（ａ）～（ｃ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第１の方法を説明するための説明図である。（ａ）～（ｃ）本発明の実施例１の製造方法における第１ステップの第２の方法を説明するための説明図である。（ａ）本発明の実施例１の製造方法において得られる中空エンジンバルブの一例の縦断面図である。　　（ｂ）本発明の実施例１の製造方法において得られる中空エンジンバルブの他の一例の縦断面図である。

　本発明を実施するための最良の形態を、以下に、図面を参照しながら詳細に説明する。

　本発明の実施例１として、弁傘部１の製造方法及び弁傘部１を有する中空エンジンバルブＶを、以下に詳細に説明する。中空エンジンバルブＶは、図９ａに示すように、弁傘部１、軸端封止材３から構成されている。すなわち、弁傘部１の一端に軸端封止材３が溶接され、内部に中空孔Ｓが設けられた構成であって、中空孔Ｓには、排気弁として用いられる場合には、図示しないナトリウムが封入される。排気弁として用いられない場合には、ナトリウムは封入されない。

　図９ｂに示す中空エンジンバルブＹは弁傘部１に中空軸部２を溶接し、さらに中空軸部２に軸端封止材３を溶接した例であって、やはり内部に中空孔Ｓが設けられており、中空孔Ｓには、排気弁として用いられる場合には、図示しないナトリウムが封入され、排気弁として用いられない場合には、ナトリウムは封入されない。

　中空エンジンバルブＹの中空軸部２は、鋼板を丸めて端部どうしを溶接した電縫管や、継ぎ目のないシームレスパイプなどを用いることができる。また、各部材を溶接する際の溶接方法は問わないが、摩擦圧接などを用いることができる。

　弁傘部１の素材の具体名を挙げれば、以下のとおりである。実施例１の中空エンジンバルブＶあるいはＹが排気用バルブとして用いられる場合には、耐熱性の高い素材、例えばＮＣＦ４７ＷとかＳＵＨ３５とかインコネル７５１等を弁傘部１に用い、次に耐熱性の高い素材、例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０、ＳＵＨ１１等を中空軸部２に用い（Ｙのみ）、軸端封止材３にはＳＵＨ１１など耐熱性にはやや劣るとされる素材を用いても良い。これに対し、エンジンバルブＶあるいはＹが排気用バルブとして用いられない場合には、弁傘部１、中空軸部２、軸端封止材３のいずれにも、さほど耐熱性の高い素材を用いる必要は生じない。

　本発明の実施例１の製造方法によって得られる中空エンジンバルブＶ，Ｙに関しては、上記のとおりである。以下、本発明の実施例１の中核となる弁傘部１の製造方法について、詳細に説明する。

＜第１ステップ＞
　図６ａに、本発明の実施例１の第１ステップにて得られる弁傘部１の半完成品１１を縦断面図にて示す。半完成品１１は、円盤状の拡径部１１１と円筒形状の胴部１１２が一体として形成されていて、胴部１１２の下端部が連続的に拡径部１１１の上端に接続されており、接続部分は図６ａに見るように緩やかなカーブを描いている。半完成品１１の内部には下端が有底の円筒形状の中空孔Ｓ１１が形成されおり、中空孔Ｓ１１の上端は胴部１１２の上面にて開口され、下端は拡径部１１１内にて有底とされている。

　本発明の実施例１の第２ステップにては、図６ａの半完成品１１の拡径部１１１の上部及び胴部１１２の全体を温間鍛造によって絞り上げ（ネッキング）、図６ｂに見るような弁傘部１の完成品を得る。図６ｂにおいて、１ａは拡径部、１ｂは胴部である。完成品の弁傘部１においては、拡径部１ａと胴部１ｂの境界を確定するのは困難であるが、図６ｂにては、断面図の外形の曲線の曲率が急になる部分にて拡径部１ａと胴部１ｂを分けている。またＳ１は下端が有底の円筒形状の中空孔で、中空孔Ｓ１の上端は胴部１ｂの上面にて開放され、下端は拡径部１ａの内部にて有底とされている。

　図６ａにて、ｈ１１は半完成品１１の全体の高さ、ｈ１２は拡径部１１１の高さ、ｈ１３は胴部１１２の高さ、ｈ１４は中空孔Ｓ１１の高さ（深さ）、φ１０は胴部１１２の外径、φ１２は、拡径部１１１の最大外径、φ１１は中空孔Ｓ１１の内径である。また、図６ｂにて、ｈ１５は完成品の弁傘部１の全体の高さ、ｈ１６は拡径部１ａの高さ、ｈ１７は胴部１ｂの高さ、ｈ１８は中空孔Ｓ１の高さ（深さ）、φ１４は胴部１ｂの上端部の外径、φ１２は、拡径部１ａの最大外径、φ１１は中空孔Ｓ１の最大内径、φ１３は中空孔Ｓ１の上端部の内径である。

　ここで、完成品の弁傘部１の全体の高さｈ１５は半完成品１１の全体の高さｈ１１より大（ｈ１１＜ｈ１５）、中空孔Ｓ１の高さ（深さ）ｈ１８は中空孔Ｓ１１の高さ（深さ）ｈ１４より大（ｈ１４＜ｈ１８）、拡径部１１１の高さｈ１２は拡径部１ａの高さｈ１６と略同一（ｈ１２≒ｈ１６）、胴部１ｂの高さｈ１７は胴部１１２の高さｈ１３より大（ｈ１３＜ｈ１７）、拡径部１１１の最大外径は拡径部１ａの最大外径と同一（両者共φ１２）、胴部１１２の上端部の外径φ１０は胴部１ｂの上端部の外径φ１４より大（φ１４＜φ１０）、中空孔Ｓ１１の内径は中空孔Ｓ１の最大内径と同一（両者共φ１１）、中空孔Ｓ１１の内径φ１１は中空孔Ｓ１の上端部の内径φ１３より大（φ１３＜φ１１）である。

　図７に、半完成品１１を得る第１の方法を示す。図７ａに示すように、適切な素材よりなる中実丸棒２Ａを用意する。実施例１にては、エンジンバルブＶあるいはＹを排気弁として用いることを想定して、素材としてＳＵＨ３５を用いることとする。中実丸棒２Ａの外径は、半完成品１１の胴部１１２の外径と同じφ１０、高さｈ２０は半完成品１１の高さｈ１１より低い（ｈ２０＜ｈ１１）。

　中実丸棒２Ａの上面にパンチで中空孔２Ｃを形成して、コップ状の中間部材２Ｂとする（図７ｂ）。本例では、中空孔２Ｃは、中間部材２Ｂの全体の高さｈ２１の半分程度の高さ（深さ）ｈ２２を有している。この際、中間部材２Ｂの外径は、中実丸棒２Ａの外径φ１０と同一とするので、結果として、中間部材２Ｂの高さｈ２１は、中実丸棒２Ａの高さｈ２０より大となる（ｈ２０＜ｈ２１）。また、中空孔２Ｃの内径は、半完成品１１（図７ｃ）の中空孔Ｓ１１の内径φ１１と同一とする。

　次に、中間部材２Ｂの下部を鍛造によって成形して拡径部１１１とする。この際、鍛造の種類は問わない。すなわち、冷間鍛造、温間鍛造、熱間鍛造のいずれを用いてもよい。このステップは中間工程であるので、後述の第２ステップにて要求されるほどの精度は要求されないが、中間部材２Ｂの上部の外径を半完成品１１の胴部の外径φ１０に保持すること、中空孔２Ｃの内径を、半完成品１１の中空孔Ｓ１１の内径φ１１に保持すること、さらに、中間部材２Ｂの下部を拡径部１１１とする際に最大外径を半完成品１１の拡径部１１１の最大外径φ１２とすること、この３点が重要となる。なお、この過程にて、中空孔２Ｃ（高さｈ２２）はやや深められて、高さ（深さ）ｈ１４の中空孔Ｓ１１とされる。このように、中実丸棒２Ａ（図７ａ）から中間部材２Ｂ（図７ｂ）を経由して半完成品１１（図７ｃ）を得る。

　図８に、半完成品１１を得る第２の方法を示す。図８ａに示すように、適切な素材から選択された素材よりなる中実丸棒３Ａを用意する。実施例１にては、エンジンバルブＶあるいはＹを排気弁として用いることを想定して、素材としてＳＵＨ３５を用いることとする。中実丸棒３Ａの外径は、半完成品１１の胴部１１２の外径と同じφ１０、高さｈ３０は半完成品１１の高さｈ１１より低い（ｈ３０＜ｈ１１）。なお、高さｈ３０は先述の中実丸棒２Ａの高さｈ２０と等しい（ｈ３０＝ｈ２０）。

　中実丸棒３Ａの下部を鍛造によって成形して拡径部３Ｃを有する中実の帽子状の中間部材３Ｂとする（図８ｂ）。この際、鍛造の種類は問わない。すなわち、冷間鍛造、温間鍛造、熱間鍛造のいずれを用いてもよい。このステップは中間工程であるので、後述の第２ステップにて要求されるほどの精度は要求されないが、中間部材３Ｂの上部の外径を半完成品１１の胴部の外径φ１０に保持することと、中間部材３Ｂの下部を拡径部３Ｃとする際に拡径部３Ｃの最大外径を半完成品１１の拡径部１１１の最大外径φ１２とすること、この２点が重要となる。なお、この過程で、中間部材３Ｂの高さｈ３１はやや低くなる。すなわち、ｈ３１＜ｈ３０である。

　次に、中間部材３Ｂの上面にパンチで高さ（深さ）ｈ１４、内径φ１１の中空孔Ｓ１１を形成する。この過程にて、中間部材３Ｂの上部は延伸されて高さｈ１３の胴部１１２となる（図８ｃ）。このように、中実丸棒３Ａ（図８ａ）から中間部材３Ｂ（図８ｂ）を経由して半完成品１１（図８ｃ）を得る。この際、胴部１１２の外径をφ１０に保持する点と、拡径部１１１の最大外径をφ１２に保持する点の２点が重要である。

＜第２ステップ＞
　次に、図１～図５にて第２ステップにおける温間鍛造のプロセスを詳細を説明する。図１は第２ステップにて用いられるプレス装置ＰＲである。プレス装置ＰＲはロータリープレス装置であって、その構成は公知であるので、本発明の実施例１に特有の構成であるダイセットＤＳに限って、その構成を詳細に説明する。

　ダイセットＤＳは、ワークＷを吊設する複数の上部パンチＰ、ワークＷが挿入成形される複数のダイスＤ、複数の上部パンチＰを押圧するラムＲと上部ラムＵＲ、複数のダイスＤが固定されるプレスベッドＢ、伸縮する４本のガイドポストＧＰから構成されており、ラムＲが一定角度ずつ回転することによって複数の上部パンチＰと複数のダイスＤの対応する位置が一つずつずれていく。この場合、ラムＲを平面視で時計回りに回転させるのも反時計まわりに回転させるのも自由であるが、実施例１にてはラムＲを平面視で時計回りに回転させるものとする。

　すなわち、パンチＰがワークＷをダイスＤに挿入成形させ、ラムＲが上昇するとラムＲは平面視で時計回りに一定角度だけ回転して停止するのでパンチＰは次のダイスＤの直上に位置する。この状態にてパンチＰがワークＷを次のダイスＤに挿入成形させ、ラムＲが上昇するとラムＲはまた平面視で時計回りに一定角度だけ回転して停止する。このようにして、成形を行うロータリープレス装置は公知技術であるので、回転機構に関する説明はこれ以上行わない。なお、ワークＷを吊設する複数の上部パンチＰは、解決手段２に記載の「ワークを固定する固定具」に相当し、複数のダイスＤは、解決手段２に記載の「ダイスを固定する固定具」をも含むものである。

　複数のダイスＤと複数の上部パンチＰには図示しないヒータが内蔵されており、複数のダイスＤ、複数の上部パンチＰを常温（１０℃～３０℃）から８７０℃の間の任意の温度で恒温状態に保持できるように構成されている。このようなヒータ付きのダイスやパンチも公知であるので、詳細な説明は省略する。なお、上記温度範囲の限定の理由については前述のとおりである。

　複数のダイスＤと複数の上部パンチＰの全体は、断熱材からなる外筒４と内筒５によって囲繞されている（図３参照）。すなわち、外筒４と内筒５の２重円筒がドーナツ状の空間Ｃ１を形成して、複数のダイスＤと複数の上部パンチＰの全体が空間Ｃ１内に包含された状態である。また、ラムＲの一部または全部が断熱材製とされ、ラムＲの断熱材製の部分の一部は内筒５の内側に位置する遮蔽筒６として円筒形状に構成されている。なお、外筒４、内筒５、遮蔽筒６は、解決手段２に記載の「断熱壁」に相当する構成である。

　ラムＲと上部ラムＵＲの間には、断熱材からなる断熱層ＨＳが挟まれている。また、図示しないが、複数のダイスＤとプレスベッドＢの間にも断熱層が設けられている。これらの断熱層も解決手段２に記載の「断熱壁」に相当する構成である。

　内筒５の内部の空間Ｃ２には、皿状のフロート７が浮設されている。フロート７は、内筒５に設けられた複数の凸部５ａによって最下位位置が定められる。また、内筒５には複数の気道Ａ１が穿設され、複数の気道Ａ１により、空間Ｃ１と空間Ｃ２は連通状態にある。さらに、ラムＲにも複数の気道Ａ２が穿設されており、複数の気道Ａ２によりフロート７の上部の空間Ｃ３と外部空間は連通状態にある。

　外筒４の正面部分には長方形状の窓部４１が穿設されている（図２参照）。また、ラムＲの正面部分には扉ＤＲが装着されていて、ラムＲの降下と共に外筒４の窓部４１を遮蔽するように構成されている。なお、４２は複数の吹出口４２ａが上方に穿設並列されたエアカーテン装置であって、複数の吹出口４２ａが窓部４１の下辺に沿って並ぶように構成されている。

　次にダイセットＤＳの作用を説明する。プレス装置ＰＲは本発明の実施例１の製造方法における第２ステップにおいて用いられるものであるので、ダイセットＤＳの作用の説明は、そのまま本発明の実施例１の製造方法における第２ステップの説明となる。

　ダイセットＤＳには、図示しない搬入装置によって弁傘部の半完成品１１が搬入される。この搬入は窓部４１から行われるが、この際には図２に示すようにラムＲが上昇状態にあり、半完成品１１はワークＷとして、拡径部１１１を上にした状態で空間Ｃ１内に搬入され（図４ｂの方向α）、上部パンチＰ１（Ｐ）の底面視が馬蹄形状のハンガーＨ（図４ａ、４ｂ参照）に吊設固定される。なお、ハンガーＨは、解決手段２に記載の「ワークを固定する固定具」の一部である。また、図４ｂは上部パンチＰ１（Ｐ）の底面視である。なお、ワークＷ（半完成品１１）が搬入された状態にては、上部パンチＰ１（Ｐ）の下方にはダイスＤは存在しない。

　ワークＷ（半完成品１１）が上部パンチＰ１（Ｐ）のハンガーＨに完全に吊設固定され終わると図示しない搬入装置は窓部４１から後退し、ラムＲは平面視で時計回りに一定角度だけ回転する。すると、ワークＷ（半完成品１１）の中心はダイスＤ１の中心の真上に位置し、ここでラムＲの回転は停止される（図４ｃ参照）。

　次に、ラムＲが下降する（図４ｃの方向Ｘ）。ラムＲが下降するとワークＷ（半完成品１１）はダイスＤ１（Ｄ）内に挿入され、ここで第１回目の絞り上げが行われる。次にラムＲが上昇し（図４ｃの方向Ｚ）、さらにラムＲは平面視で時計回りに一定角度だけ回転してダイスＤ２（Ｄ）の直上に停止し（図４ｄ参照）、次に降下して（方向Ｘ）ワークＷはダイスＤ２（Ｄ）にて第２回目の絞り上げを受ける。

　このようにして、ワークＷは図５ｂのダイスＤＮ（Ｄ）に至るまで絞り上げを受けて完成品の弁傘部１として成形される（図５ｃ参照）。なお、図５ａには途中の工程にてワークＷがダイスＤＭ（Ｍ＜Ｎ）の直上に位置し、ダイスＤＭ（Ｍ＜Ｎ）にて絞り上げを受ける直前の状態を示す。ワークＷが図５ｂの絞り上げの後完成品の弁傘部１となりさらにラムＲが平面視で時計回りに一定角度だけ回転すると、ワークＷは窓部４１のすぐ背面に位置することになり（図５ｃ、５ｄ参照）、ここに図示しない搬出装置が挿入されてワークＷ（弁傘部１）をハンガーＨから外し（図５ｄの方向β）、窓部４１から搬出する。なお、図５ｄは搬出時の上部パンチＰ１（Ｐ）の底面視であり、この状態にては下方に対応するダイスＤは存在しない。また、ワークＷ（半完成品１１）の搬入（図４ａ、４ｂ）とワークＷ（弁傘部１）の搬出（図５ｃ、５ｄ）は同時に行われる。

　図４～図５は、このようにして弁傘部の半完成品１１（ワークＷ）が絞り上げ工程ごとに徐々に内径Ｄｒの狭くなるダイスＤ１～ＤＮによって絞り上げられ、完成品の弁傘部１（ワークＷ）となる状態を示している。なお、上部パンチＰは、ダイスＤの数をＮ基とすると、Ｎ＋２基存し、ラムＲが平面視で時計回りに一定角度だけ回転すると次の上部パンチＰが窓部４１のすぐ背面に位置してここに新たなワークＷが吊設固定されるので、結局ラムＲが平面視で時計回りに一定角度だけ回転する毎に複数のダイスＤの夫々にワークＷが挿入成形されることになり、最初の半完成品１１（ワークＷ）が完成品の弁傘部１（ワークＷ）となってからは、ラムＲが平面視で時計回りに一定角度だけ回転する毎に１個の完成品の弁傘部１が出来上がるということになる。なお、金型の寿命という観点からすれば、複数の上部パンチＰの１基おきに半完成品１１（ワークＷ）を吊設固定するという方法もあり得る。

　ここで注目すべきは、ワークＷの拡径部Ｗａは最初から最後まで常にハンガーＨに吊設されたままの状態であるということである。すなわち、ワークＷの拡径部Ｗａの大部分はダイスＤ１～ＤＮ内に挿入されることがなく、従って絞り上げを受けることがない。このように、ワークＷの拡径部Ｗａにはほとんど変形を加えることがなく胴部Ｗｂを中心に絞り上げるので、円滑な絞り上げが可能となったのである。

　すなわち、図６ａに示すような半完成品１１を最初に成形しておけば（第１ステップ）、それ以降の第２ステップにおいてはワークＷの拡径部Ｗａにはほとんど変形を加える必要がなくなり、この部分をハンガーＨに吊設した状態にて絞り上げを行うことができるので、第１ステップと第２ステップが極めて合理的に連繋されて、最終的に拡径部１ａ内で中空孔Ｓが充分に拡径された状態を保持する完成品の弁傘部１を得ることができるのである。

　図３にて、ラムＲが下降すると、空間Ｃ１内の空気は圧縮されるが、内筒５に複数の気道Ａ１が設けてあるので、圧縮された空気は複数の気道Ａ１を通って内筒５に囲繞された空間Ｃ２に流入する。すると空間Ｃ２の気圧が高くなってフロート７を押し上げ、フロート７は上昇する。上昇したフロート７は上部の空間Ｃ３を圧縮するが、ここで圧縮された空気はラムＲに設けられた複数の気道Ａ２を通って装置外に排出される。

　ラムＲの上昇時にはこの逆のプロセスで、空間Ｃ１の気圧が下がると複数の気道Ａ１から空間Ｃ２の空気が流入する。空間Ｃ２の気圧が下がるとフロート７が下降し、空間Ｃ３の気圧が下がる。空間Ｃ３の気圧が下がると複数の気道Ａ２を通って装置外から空気が空間Ｃ３に流入する。ラムの上昇、降下に合わせて以上のプロセスが繰り返される。

　複数の上部パンチＰ及び複数のダイスＤには図示しないヒータが内蔵されていて、複数の上部パンチＰ、複数のダイスＤは常温（１０℃～３０℃）から８７０℃の間の温度範囲の任意の温度で恒温状態となるように設定されている。今、ワークＷの素材がＳＵＨ３５であるとするなら、一例として複数の上部パンチＰ、複数のダイスＤを４００℃程度の恒温状態に設定することができる。また、ワークＷも予めインダクションヒータ等（図示せず）を用いて４００℃に加熱された状態にて窓部４１より空間Ｃ１に挿入される。むろん、ワークＷも常温（１０℃～３０℃）から８７０℃の間の温度範囲の任意の温度に加熱することが可能である。

　複数の上部パンチＰ、複数のダイスＤ、ワークＷのすべてが同一の温度状態とされ、さらに全体が外筒４と内筒５に囲繞されているので、空間Ｃ１内は、複数の上部パンチＰ、複数のダイスＤ、ワークＷ、そして空間Ｃ１内の空気のすべてが同一の温度雰囲気を保持することができる。複数の気道Ａ１により空間Ｃ１内の空気は空間Ｃ２内の空気と連通しているが、フロート７の遮蔽作用により空間Ｃ２の外には洩れないので、暖められた空気が空間Ｃ１と空間Ｃ２を往来するだけで、空間Ｃ１の恒温雰囲気は保持される。

　また、空間Ｃ３は複数の気道Ａ２によって外部空間と連通するが、フロート７の遮蔽作用によって空間Ｃ３と空間Ｃ２は遮蔽されているので、外部空間の冷たい空気が空間Ｃ２に流入することはない。無論、実際には、フロート７と内筒５の間のわずかな隙間から僅少の空気の出入りはあるものの、空間Ｃ２に入った空気はさらに複数の気道Ａ１を通過して空間Ｃ１に入らなければならないので、外部から空間Ｃ３、空間Ｃ２を経由して空間Ｃ１に達する空気は無視できる程度であり、しかも複数の上部パンチＰ、複数のダイスＤはヒータ（図示せず）によって加熱され続けているので、空間Ｃ１の恒温雰囲気が乱されることはない。

　また、ラムＲの上昇状態では、外筒４の窓部４１は開かれた状態となるが、ラムＲの下死点状態（図示せず）以外では、外筒４の正面下部に設けられたエアカーテン装置４２の複数の吹出口４２ａから強い気流が上方に向けて噴出されることにより空間Ｃ１は気流的に外部空間から遮断されるので、空間Ｃ１の温度が低下することがない。

　以上のようにして第２ステップの絞り上げ工程が行われ、ラムＲが一定角度回転する毎に完成品の弁傘部１が１個得られることになる。この際のポイントは２つあって、まず第一点は、前述のように、ワークＷの拡径部Ｗａの大部分については絞り上げが行われず、したがって半完成品１１の拡径部１１１内部の中空孔Ｓ１１の内径φ１１（図６ａ参照）は、完成品の弁傘部１（図６ｂ参照）においてもφ１１のままに保持されるという点である。また、半完成品１１の拡径部１１１の外径φ１２が、完成品の弁傘部１の拡径部１ａにおいてもφ１２のままに保持されることは言うまでもない。

　次に、第２点目として、これも前述のように、ワークＷが絞り上げ加工される空間Ｃ１全体が恒温の温度雰囲気に保持されるという点である。工程数の多い温間鍛造においては、この点は極めて重要であって、ダイスＤからワークＷが引き抜かれた瞬間も、空間Ｃ１がワークＷと同じ温度に保持されているのでワークＷの温度が低下することがなく、したがってワークＷにおいて加工硬化が起こらない。これにより、工程数の多い場合にても、中間熱処理等の余分な工程をできる限り減らして連続的に絞り上げ工程を進めていくことが可能となり、作業効率は格段に改善されることとなった。

　またさらに注目すべきは、全体が非常にコンパクトに構成できるという点である。すなわち、用いるのは通常のロータリープレス装置であり、ダイセットＤＳの周囲のみを外筒４、内筒５にて囲繞するので、特別な大掛かりな加熱装置を必要とすることなく簡便に構成できる点も、本発明の大きな特徴であるといい得る。なお、上記第２ステップの全工程は、ロータリープレス装置に限らず、通常の直線移動を行うトランスファー鍛造装置（図示せず）にても行えることはいうまでもないことである。

　本発明は、中空エンジンバルブの中核となる弁傘部の製造において、全体を２つのステップに分け、特にその第２ステップを温間鍛造で行うための具体的な方法を開示したものであり、地球温暖化防止対策の推進のために低燃費の経済的な車が求められる風潮が益々高まる中で、これからの自動車産業において愈々その利用可能性が増すものであると確信している。

　すなわち、中空エンジンバルブは、これまでは内部にナトリウムを封入して排気弁用として用いられるケースが多かったが、昨今その軽量性に注目が集まって、吸気弁としてのニーズも増加の一途を辿っている。吸気弁用として用いられる場合には、排気弁用の場合ほどには耐熱性が要求されないので、用いることのできる素材の範囲もはるかに広くなる。

　しかし、素材としての鋼材の中には、例えばＪＩＳ４３１１耐熱鋼に含まれる炭素含有量の多い素材のように冷間鍛造性の悪いものも多く、このような素材の場合には冷間鍛造による絞り上げは困難であるが、かといって熱間鍛造で行う場合には仕上げ精度の点で問題が残る。したがって、いかなる素材にも対応でき、且つ仕上げ精度も良い温間鍛造にて適応するのが最も望ましい。

　本発明は、この温間鍛造に着目し、特に第２ステップにおいて、半完成品の拡径部には絞り上げを行わず胴部のみを絞り上げる装置を含む技術の開発、及び、絞り上げ全体を恒温雰囲気にて行えるやはり装置を含む技術を開発したものであって、これにより中空エンジンバルブの弁傘部の温間鍛造を、略いかなる素材を選択しても円滑に行うことができる技術内容を開示するものであり、将来の自動車産業の最も望ましい方向付けに、大いに寄与しうるものであると考える次第である。

１　　　　　弁傘部
１ａ　　　　拡径部
１ｂ　　　　胴部
１１　　　　半完成品
１１１　　　拡径部
１１２　　　胴部
２　　　　　中空軸部
２Ａ　　　　中実丸棒
２Ｂ　　　　中間部材
２Ｃ　　　　中空孔
３　　　　　軸端封止材
３Ａ　　　　中実丸棒
３Ｂ　　　　中間部材
３Ｃ　　　　中空孔
４　　　　　外筒
４１　　　　窓部
４２　　　　エアカーテン装置
４２ａ　　　吹出口
５　　　　　内筒
５ａ　　　　凸部
６　　　　　遮蔽筒
７　　　　　フロート
Ａ１　　　　気道
Ａ２　　　　気道
Ｂ　　　　　プレスベッド
Ｃ１　　　　空間
Ｃ２　　　　空間
Ｃ３　　　　空間
Ｄ　　　　　ダイス
Ｄ１　　　　ダイス
Ｄ２　　　　ダイス
ＤＭ　　　　ダイス
ＤＮ　　　　ダイス
ＤＲ　　　　扉
ＤＳ　　　　ダイセット
Ｄｒ　　　　内径
ＧＰ　　　　ガイドポスト
Ｈ　　　　　ハンガー
ＨＳ　　　　断熱層
Ｐ　　　　　上部パンチ
Ｐ１　　　　上部パンチ
ＰＲ　　　　プレス装置
Ｒ　　　　　ラム
Ｓ　　　　　中空孔
Ｓ１　　　　中空孔
Ｓ１１　　　中空孔
ＵＲ　　　　上部ラム
Ｖ　　　　　中空エンジンバルブ
Ｗ　　　　　ワーク
Ｗａ　　　　拡径部
Ｗｂ　　　　胴部
Ｘ　　　　　方向
Ｙ　　　　　中空エンジンバルブ
Ｚ　　　　　方向
ｈ１１　　　高さ
ｈ１２　　　高さ
ｈ１３　　　高さ
ｈ１４　　　高さ
ｈ１５　　　高さ
ｈ１６　　　高さ
ｈ１７　　　高さ
ｈ１８　　　高さ
ｈ２０　　　高さ
ｈ２１　　　高さ
ｈ２２　　　高さ
ｈ３０　　　高さ
ｈ３１　　　高さ
α　　　　　方向
β　　　　　方向
φ１０　　　外径
φ１１　　　内径
φ１２　　　最大外径
φ１３　　　内径
φ１４　　　外径

Claims

　中空軸部あるいは軸端封止材に溶接される側が開口された弁傘部中空孔を有し、該弁傘部中空孔が弁傘部の拡径部内において拡径形成されていて、該弁傘部中空孔の最大内径が中空軸部の最大外径より大である中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法において、
　素材の中実丸棒より弁傘部半完成品を製造する第１ステップと、該弁傘部半完成品を温間鍛造によって弁傘部の完成品となす第２ステップを有し、
　第１ステップにおいては、円筒形状の胴部の一端に胴部と一体の拡径部を有し、拡径部側を下とした場合に、拡径部の最大外径が完成品の弁傘部の拡径部の最大外径と同一であり、完成品の弁傘部中空孔の最大内径と同一の内径を有する円筒形状中空孔を有し、該円筒形状中空孔は上端が開口され下端が拡径部内において有底である弁傘部半完成品を得、
　第２ステップにおいては、弁傘部半完成品を温度が常温～８７０℃の範囲内とする鍛造により拡径部の上部及び胴部を複数段階に分けて徐々に絞り上げ、
　すなわち、ワーク、ダイス、パンチを含めた全体の空間自体を恒温に保持し、弁傘部半完成品の拡径部の上部及び胴部を押圧するダイスの内径が、段階が進むごとに少しずつ縮小されたダイスを、絞り上げ工程の数だけ用いて徐々に絞り上げ、
　弁傘部中空孔の拡径部内に於ける最大内径が上記円筒形状中空孔の内径のままに保持され、その内径は上方に向かうに従い縮径されるように構成された完成品の弁傘部を得る、
ことを特徴とする、中空エンジンバルブの弁傘部の製造方法。
　第２ステップに用いられるプレス装置においては、ワーク及びワークを固定する固定具及びダイス及びダイスを固定する固定具の全体を包含する断熱壁を有し、該断熱壁の効果にて断熱壁内部を恒温状態に保持できるように構成され、請求項１に記載の製造方法にて中空エンジンバルブの弁傘部を製造することができる
ことを特徴とする中空エンジンバルブの弁傘部のプレス装置。
　軸端封止材の一端に請求項１に記載の製造方法あるいは請求項２に記載のプレス装置にて製造した弁傘部を溶接してなる中空エンジンバルブ。
　両端が開放された中空軸部の一端に請求項１に記載の製造方法あるいは請求項２に記載のプレス装置にて製造した弁傘部を溶接し、他端に軸端封止材を溶接してなる中空エンジンバルブ。