JP2009293465A - 中空バルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】傘部の強度を向上させることができる中空バルブの製造方法を提供すること。
【解決手段】中空バルブ１０の製造方法では、パイプ素材２０をしごき加工により、パイプ素材２０の一部を残して径を小さくして、軸部１１の基幹部分１１ａと傘部形成部１２ａとを形成する。そして、傘部形成部１２ａの一部を内径拡大加工し、その内径拡大加工を施した部分を据え込み加工することを繰り返して、傘部形成部１２ａの内径を除々に拡げるとともに内径を除々に厚くしていき、傘部形成部１２ａに末広がり状の厚肉部２１を形成し、その厚肉部２１を熱間鍛造により傘形にして傘部１２を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンなどの吸気バルブ又は排気バルブに使用される中空形状をなす中空バルブの製造方法に関するものである。

エンジンなどで用いられる吸気バルブや排気バルブでは、内部を中空にして軽量化を図るとともに冷却効果を得る中空バルブが知られている。この中空バルブは、内部を中空に切削する切削加工やプレス加工などにより製造される。

その一例として、プレス加工における典型的な深絞り加工による成形法が特許文献１に記載されている。ここに記載された成形法では、まず金属板を絞り加工してカップ部材を形成する。そして、この後、パンチとダイスを順次変えつつ、このカップ部材をプレスすることで、最終的に軸部よりも傘部の肉厚が厚くなるように成形して、中空バルブを製造するようになっている。
特開２００１−２３４７１４号公報

しかしながら、上記した中空バルブの成形法では、深絞り加工により軸部と傘部とを成形しているため、傘部の肉厚を十分に厚くすることができないことと、内面に深絞り特有のシワが残ってしまうことから、傘部の強度が低いという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、傘部の強度を向上させることができる中空バルブの製造方法を提供することを課題とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係る中空バルブの製造方法は、軸部と、その軸部の一端に形成された傘部とを備え、中空形状をなす中空バルブの製造方法において、パイプ素材の一端側を内径拡大加工と据え込み加工を複数回行うことにより、前記パイプ素材を部分的に厚肉に成形する厚肉部形成工程と、前記厚肉部形成工程で形成された厚肉部をプレス加工して前記傘部を形成する傘部形成工程を有することを特徴とする。

この中空バルブの製造方法では、まず、厚肉部形成工程において、パイプ素材の一端側を内径拡大加工してその部分を据え込み加工することを繰り返してパイプ素材を部分的に厚肉に成形する。つまり、内径拡大加工してパイプ素材の内径を拡げ、その内径拡大部を据え込み加工して加工部分を短くして肉厚を厚くする。このような加工を繰り返すことにより、パイプ素材の一端側が徐々に肉厚に形成される。その後、傘部形成工程において、厚肉部形成工程で形成された厚肉部をプレス加工して傘部を形成する。このように、傘部は、厚肉部形成工程で形成された厚肉部で形成されるので、傘部の肉厚を十分に厚くすることができる。これにより、傘部の強度を向上させることができる。

本発明に係る中空バルブの製造方法においては、前記厚肉部形成工程では、パイプ素材のうち内径拡大加工を施す部分の長さを、その部分におけるパイプ素材の肉厚の２．５倍以下に設定していることが望ましい。

ここで、内径拡大加工を施す部分を長くすれば、厚肉部形成工程における加工回数を少なくすることができる一方、据え込み加工の際に加工部分が座屈してしまって肉厚を均等にすることができない。そのため、座屈による表皮折り込みが内部欠陥として残るおそれがある。

そこで、内径拡大加工を施す部分の長さを、パイプ素材の肉厚の２．５倍以下に設定することにより、厚肉部形成工程における加工回数の増加を抑制しながら、据え込み加工の際に加工部分が座屈することを防ぎ、内部欠陥が残ることを防止することができる。

また、本発明に係る中空バルブの製造方法においては、パイプ素材の他端側をしごき加工することによりパイプ素材の内径を小さくして前記軸部を形成する工程を有することが望ましい。

厚肉部形成工程における内径拡大加工では、１回の加工で上記したように限られた長さしかパイプ素材の内径を拡大することができない。このため、軸部の径を有するパイプ素材に対して厚肉部形成工程を実施して、傘部を形成するために必要とされるパイプ素材の長さだけ内径拡大するには、非常に多くの回数の加工を施さなければならなくなり、中空バルブの生産効率が悪化してしまう。

これに対して、軸部の径よりも大きいパイプ素材に対してしごき加工を行って軸部を形成することにより、傘部を形成するために必要とされるパイプ素材の長さを１回の加工で内径拡大することができる。このように、加工回数を少なくすることができるので、中空バルブの生産効率を向上させることができる。

また、本発明に係る中空バルブの製造方法においては、前記傘部の裏側に弁体を取り付けて前記傘部の裏側開口を封鎖するとともに、前記軸部の端部に軸端部材を取り付けて前記軸部の開口を封鎖する組み付け工程を有することが望ましい。

このようにすることにより、軸端部材と弁体にパイプ素材よりも硬い耐久材料を選択することが可能となる。従って、軸端部材及び弁体の耐久性を向上させることができる。

本発明に係る中空バルブの製造方法によれば、上記した通り、傘部の強度を向上させることができる。

以下、本発明の中空バルブの製造方法を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

まず、本実施の形態に係る製造方法によって作られた中空バルブについて、図１を参照しながら説明する。図１は、中空バルブの概略構成を示す正面図である。この中空バルブ１０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ものである。中空バルブ１０は、軸部１１と、その軸部１１の一端に形成された傘部１２と、傘部１２の裏側に設けられた弁体部１３と、軸部１１の他端に設けられた溝部１４及び軸端部１５とを備えている。軸部１１の先端部分は、軸部１１の基幹部分１１ａ及び傘部１２とは異なる別材料より形成される軸端部材１６から構成されている。

次に、この中空バルブ１０の製造方法について、図２及び図３〜図１１を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態に係る中空バルブの製造工程を示すフローチャートである。図３〜図１１は、本実施の形態に係る製造方法の各工程におけるそれぞれの状態を示す断面図である。以下の説明では、図２のフローチャートに示した工程順に説明する。

まず、「パイプ素材の準備」を行う。すなわち、図３に示すように、中空２０ａを有するパイプ素材２０を準備する。具体的に、長尺なパイプを所定長さ（例えば「１５０〜３００ ｍｍ」）に切断してパイプ素材２０として用意する。このようにして用意したパイプ素材２０は、次工程のために供される。本実施の形態では、パイプ素材２０は「ＳＵＳ３１６」を材料として形成されている。

次に、「軸部の形成」を行う。すなわち、図４に示すように、パイプ素材２０のうち軸部１１の基幹部分１１ａとなる箇所に対してしごき加工を行う。このしごき加工により、パイプ素材２０の径が小さくされる。これにより、傘部１２を形成する傘部形成部分１２ａにおけるパイプ素材２０の径を、１回の加工によって軸部１１の基幹部分１１ａにおけるパイプ素材２０の径よりも大きくすることができる。

次に、「厚肉部の形成」を行う。すなわち、パイプ素材２０の傘部形成部分１２ａに対して内径拡大加工と据え込み加工を繰り返し行い、図５に示す形状（１）〜（６）のように、パイプ素材２０の傘部形成部分１２ａの内径を拡げつつ据え込みを行って厚肉に成形していく。

ここで、パイプ素材２０に対する内径拡大加工は、図６に示すように、円環状のダイス３０，３１にセットされたパイプ素材２０内に、先端がテーパ状をなす円柱状のパンチ３２を挿入することにより行われる。このとき、ダイス３０の上端部内周面及びダイス３１の内周面に、内径拡大されたパイプ素材２０の外周が接触しないようになっている。そして、図７に示すように、パンチ３２が挿入された状態で、円環状のパンチ３３がパンチ３２とダイス３１との間に嵌装され、そのパンチ３３を下降させることによりパイプ素材２０に対する据え込み加工が行われる。このパンチ３３の下降により、パイプ素材２０のうち内径拡大加工された部分の長さが短くなりその分だけ肉厚が増す。

その後、パンチとダイスを変えながらパイプ素材２０の傘部形成部分１２ａに対する内径拡大加工と据え込み加工を繰り返すことにより、順次、図５に示す形状（１）〜（６）のようにパイプ素材２０の傘部形成部分１２ａを成形して（変形させて）いく。そして、この工程では、最終的に図５の形状（６）に示すように、パイプ素材２０の傘部形成部分１２ａに、傘部１２を形成するための末広がり状の厚肉部２１が成形される。

ここで、内径拡大加工を施す部分の長さを長くすれば、この工程における加工回数を少なくすることができる一方、据え込み加工の際に加工部分が座屈してしまって肉厚を均等にすることができない。そのため、座屈による表皮折り込みが内部欠陥として残るおそれがある。

そこで、本実施の形態では、内径拡大加工を施す部分の長さを、パイプ素材の肉厚の２．５倍以下に設定している。つまり、１回の内径拡大加工では、パイプ素材２０の肉厚の２．５倍以下の長さしか加工を施さない。これにより、この工程における加工回数（内径拡大及び据え込み）をできる限り少なくしつつ、据え込み加工の際に加工部分が座屈することを防ぐことができるので、座屈による表皮折り込みが内部欠陥として残るおそれがない。また、内径拡大加工の際に加工割れが発生することも防止している。従って、図５の形状（６）に示す厚肉部２１を確実に成形することができる。

また、この工程では、内径拡大加工と据え込み加工を複数回繰り返すため、パイプ素材２０に加工硬化が生じる。そこで、場合によっては、この工程中に中間焼鈍を行うようにしてもよい。この中間焼鈍により、加工硬化したパイプ素材の硬さを緩和することができるため、加工中に加工割れが発生することを確実に防止することができる。

次に、「傘部の形成」を行う。すなわち、前工程で厚肉部２１が成形されたパイプ素材２０を、図８に示すように、鍛造上型３５と鍛造下型３６との間で所定値の温度で加熱しながら鍛造することにより、厚肉部２１を傘形に成形することで傘部１２を形成する。この段階で、中空バルブ１０の軸部１１の一部と傘部１２のおおよその形状（粗形）が得られる。このように、傘部１２は、前工程で形成された厚肉部２１で形成されるので、傘部１２の肉厚を十分に厚くすることができる。従って、傘部１２の強度を向上させることができる。なお、鍛造時の加熱温度は「１２００℃」前後の温度である。この温度は、パイプ素材２０の融点より低く、変態点より高い。

次に、「部品組み付け」を行う。すなわち、図９に示すように、傘部１２の裏側開口１２ｂに弁体１７を取り付けて開口１２ｂを封鎖するとともに、傘部１２とは反対側の軸部１１の一端開口１１ｂに軸端部材１６を嵌めて開口１１ｂを封鎖する。本実施の形態では、弁体１７は、「ＳＵＨ３５」を材料として切削加工により形成されたものである。軸端部材１６は、軸部１３の一部を構成するものであり、軸部１３の外径と同じ外径を有し、「ＳＵＨ１」を材料として棒状に形成されたものである。軸端部材１６の一端部には小径部１６ａが形成されている。この小径部１６ａは、パイプ素材２０の一端開口１３ｂの内径とほぼ同じ寸法に形成されている。

このように、軸端部材１６にパイプ素材２０より硬い耐久材料を選択することが可能となる。この結果、軸端部１５の耐久性を向上させることができる。つまり、軸端部１５を他の部位より硬質として耐久性を向上させることができる。従って、ロッカーアームやバルブリフタ等と頻繁に接触する軸端部１５の先端面につき、高い耐摩耗性を確保することができる。

次に、「部品溶接」を行う。すなわち、図１０に示すように、傘部１２の端部と弁体１７を溶接Ｗ１により接合するとともに、軸部１１の端部と軸端部材１６の小径部１６ａの外周を溶接Ｗ２により接合する。これにより、中空バルブ１０の粗製品が得られる。この粗製品の中空２０ａには、冷媒として空気が満たされている。

最後に、「仕上げ加工」を行う。すなわち、図１０に示す粗製品を切削、研削加工することにより、図１１８に示すように、最終的な中空バルブ１０の外形にするとともに、寸法精度や面粗度の仕上げを行う。このとき、軸端部材１６には、溝部１４及び軸端部１５が形成される。このようにして図１に示す中空バルブ１０が得られる。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る中空バルブ１０の製造方法によれば、パイプ素材２０をしごき加工により、パイプ素材２０の一部を残して径を小さくして、軸部１１の基幹部分１１ａと傘部形成部１２ａとを形成する。そして、傘部形成部１２ａを内径拡大加工してその部分を据え込み加工することを繰り返して、末広がり状の厚肉部２１を形成し、厚肉部２１を熱間鍛造により傘形にして傘部１２を形成する。従って、傘部１２は、厚肉部２１で形成されるため、傘部１２の肉厚を十分に厚くすることができる。よって、傘部１２の強度を向上させることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、軸部１１の一端開口１１ｂに組み付けられる部材を比較的長尺な軸端部材１６としたが、この部材１６を、溝部１４と軸端部１５のみを含む短い軸端部材としてもよい。

また、上記した実施の形態では、中空バルブ１０の中空２０ａに空気を冷媒として満たしたが、空気の代わりにナトリウム系の冷媒を満たすようにしてもよい。これにより、バルブの冷却効果を高めることができる。

中空バルブの概略構成を示す正面図である。 中空バルブの製造工程を示すフローチャートである。 パイプ素材を示す断面図である。 軸部を形成したパイプ素材を示す断面図である。 厚肉部を形成する工程における傘部形成部の形状変化を示す断面図である。 内径拡大加工を行っている状態を示す断面図である。 据え込み加工を行っている状態を示す断面図である。 傘部を形成する工程における熱間鍛造を行っている状態を示す断面図である。 部品組み付けを示す断面図である。 部品溶接を示す断面図である。 仕上げ加工を示す断面図である。

符号の説明

１０ 中空バルブ
１１ 軸部
１１ａ 軸部の基幹部分
１１ｂ 一端開口
１２ 傘部
１２ａ 傘部形成部分
１２ｂ 裏側開口
１３ 弁体部
１６ 軸端部材
１７ 弁体
２０ パイプ素材
２０ａ 中空
２１ 厚肉部
３０ ダイス
３１ ダイス
３２ パンチ
３３ パンチ
３５ 鍛造上型
３６ 鍛造下型

Claims (4)

1. 軸部と、その軸部の一端に形成された傘部とを備え、中空形状をなす中空バルブの製造方法において、
   パイプ素材の一端側を内径拡大加工と据え込み加工を複数回行うことにより、前記パイプ素材を部分的に厚肉に成形する厚肉部形成工程と、
   前記厚肉部形成工程で形成された厚肉部をプレス加工により傘形に成形して前記傘部を形成する傘部形成工程とを有する
   ことを特徴とする中空バルブの製造方法。
2. 請求項１に記載する中空バルブの製造方法において、
   前記傘部形成工程では、パイプ素材のうち内径拡大加工を施す部分の長さを、その部分におけるパイプ素材の肉厚の２．５倍以下に設定していることが望ましい。
   ことを特徴とする中空バルブの製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載する中空バルブの製造方法において、
   パイプ素材の他端側をしごき加工することによりパイプ素材の内径を小さくして前記軸部を形成する工程を有する
   ことを特徴とする中空バルブの製造方法。
4. 請求項１から請求項３に記載するいずれか１つの中空バルブの製造方法において、
   前記傘部の裏側に弁体を取り付けて前記傘部の裏側開口を封鎖するとともに、前記軸部の端部に軸端部材を取り付けて前記軸部の開口を封鎖する組み付け工程を有する
   ことを特徴とする中空バルブの製造方法。

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