WO2020004286A1 - 中空エンジンバルブの製造方法 - Google Patents

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  • the support member 35 can be moved in the radial direction and the axial direction of the cylindrical portion 8B by a moving mechanism (not shown). Note that one or a plurality of the processing rollers 32 may be used.

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Abstract

中空孔を形成する内面での表面状態が良好であるとともに、中空孔の容積を大きくすることができる中空エンジンバルブの製造方法を提供する。本製造方法は、鍛造加工により、円筒状部(8B)及び該円筒状部の軸端側に連なる半傘状部(9B)を備える中間部品(7)を得る鍛造工程(S3)と、中間部品を軟化させるために円筒状部(8B)の肉厚(t)に応じて決められる加熱保持時間(t2)で熱処理する熱処理工程(S4)と、熱処理された中間部品の円筒状部をスピニング加工により軸方向に延伸するスピニング工程(S5)と、軸方向に延伸された円筒状部を絞り加工により縮径することで、軸部(2)及び傘状部(3)を形成するネッキング工程(S6)と、を備える。

Description

中空エンジンバルブの製造方法
 本発明は、中空エンジンバルブの製造方法に関し、更に詳しくは、軸部及び該軸部の軸端側に連なる傘状部を備え、軸部及び傘状部にわたって中空孔が形成された中空エンジンバルブの製造方法に関する。
 従来の中空エンジンバルブの製造方法として、鍛造加工により、円筒状部及び該円筒状部の軸端側に連なる半傘状部を備える中間部品を製造し、その中間部品の円筒状部をスピニング加工した後に絞り加工して縮径することで、中空エンジンバルブを製造する方法が記載されている(特許文献1の請求項5及び明細書の段落〔0023〕等参照)。
国際公開第2011/104903号公報
 しかし、上記従来の中空エンジンバルブの製造方法では、鍛造加工により得られた中間部品を文献・資料等と作業者の経験に基づいて決められる加熱保持時間で熱処理し、その熱処理された中間部品の円筒状部をスピニング加工しているため、スピニング加工時に中間部品の円筒状部が伸び難くい場合がある。その場合、中間部品の円筒状部において加工面(すなわち、円筒状部の外周面)と加工用ツールが接触しない内周面との間で表面状態が異なる。具体的に、中間部品の円筒状部の内周面、ひいては中空エンジンバルブの中空孔を形成する内面には肌荒れが生じて表面状態が悪くなる。そのため、中空エンジンバルブの強度が低下してしまう。さらに、中空エンジンバルブの中空孔内に冷却用の金属ナトリウムを入れることがあるが、その場合、中空孔内での金属ナトリウムの流動性が低く冷却機能が低下してしまう。
 なお、上述の問題は、特にオーステナイト系耐熱材料(例えば、ニッケル基超合金、オーステナイト系ステンレス鋼等)の難加工材を加工する場合に顕著に現れる。
 ここで、中空エンジンバルブでは、軽量化等のために中空孔の容積を大きくすることが求められる。しかしながら、上記従来の中空エンジンバルブの製造方法では、上述のように、鍛造加工により得られた中間部品を文献・資料等と作業者の経験に基づいて決められる加熱保持時間で熱処理し、その熱処理された中間部品の円筒状部をスピニング加工しているため、スピニング加工に加えて絞り加工時にも中間部品の円筒状部が伸び難い。そのため、加圧力が大きくなるように、中間部品の円筒状部の底端側まで深く金型で絞り加工する必要がある。その結果、中空エンジンバルブの傘状部の中空孔の外周側が潰れ易く、傘状部の中空孔の容積を大きくできない。
 本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、中空孔を形成する内面での表面状態が良好であるとともに、中空孔の容積を大きくすることができる中空エンジンバルブの製造方法を提供することを目的とする。
 本発明は以下の通りである。
 1.軸部及び該軸部の軸端側に連なる傘状部を備え、前記軸部及び前記傘状部にわたって中空孔が形成された中空エンジンバルブの製造方法であって、鍛造加工により、円筒状部及び該円筒状部の軸端側に連なる半傘状部を備える中間部品を得る鍛造工程と、前記中間部品を軟化させるために前記円筒状部の肉厚に応じて決められる加熱保持時間で熱処理する熱処理工程と、熱処理された前記中間部品の前記円筒状部をスピニング加工により軸方向に延伸するスピニング工程と、軸方向に延伸された前記円筒状部を絞り加工により縮径することで、前記軸部及び前記傘状部を形成するネッキング工程と、を備えることを要旨とする。
 2.前記中間部品は、オーステナイト系耐熱材料で形成されており、前記熱処理工程は、前記中間部品を1000~1100℃に加熱保持した後に水冷する上記1.記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 3.前記熱処理工程は、加熱された前記中間部品を前記円筒状部の肉厚の1mm当りに対して3~8分となる加熱保持時間で保持する上記2.記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 4.前記熱処理工程は、前記中間部品を、容器内で攪拌される冷却水中又は容器に対して循環される冷却水中に投入して水冷する上記2.又は3.に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 5.前記冷却水の水温は、15~35℃である上記4.記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 6.前記スピニング工程は、前記円筒状部の外周面に加工ローラの外周円弧面を所定の切込み量で押し当てながら、前記加工ローラを前記円筒状部に対して軸方向に移動させて前記円筒状部を軸方向に延伸し、前記加工ローラの外周円弧面の曲率半径は、スピニング加工前の前記円筒状部の肉厚の3~5倍の値であり、前記スピニング加工時に、前記円筒状部の軸方向に沿う断面において、前記加工ローラの外周円弧面が前記円筒状部の外周面と接する円弧の一端と他端とを結ぶ直線は、前記円筒状部の軸方向に対して5~7度の傾斜角度で傾斜している上記1.乃至5.のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 7.前記中空エンジンバルブは、前記中空孔を形成する内面の表面粗さRaが4.0~22.0である上記1.乃至6.のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 8.前記鍛造工程は、前記中間部品の前記円筒状部の内周面の底端側に円弧面を形成し、前記ネッキング工程は、前記円筒状部を上側とし且つ前記半傘状部を下側としたときに、前記円筒状部の軸方向で前記円弧面よりも上側の部分を絞り加工する上記1.乃至7.のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 9.前記スピニング工程は、加工ローラを用いて前記中間部品の前記円筒状部をスピニング加工し、前記加工ローラは、該加工ローラを挟んで該加工ローラの軸方向に沿って配置される前後の軸受を介して支持部材に回転自在に支持されている上記1.乃至8.のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
 本発明の中空エンジンバルブの製造方法によると、鍛造加工により、円筒状部及び該円筒状部の軸端側に連なる半傘状部を備える中間部品を得る鍛造工程と、中間部品を軟化させるために前記円筒状部の肉厚に応じて決められる加熱保持時間で熱処理する熱処理工程と、熱処理された中間部品の円筒状部をスピニング加工により軸方向に延伸するスピニング工程と、軸方向に延伸された円筒状部を絞り加工により縮径することで、軸部及び傘状部を形成するネッキング工程と、を備える。このように、鍛造加工により得られた中間部品を熱処理して軟化させることで、スピニング加工時及び絞り加工時に中間部品の円筒状部が伸び易くなるため、スピニング加工及び絞り加工の加工性に優れる。その結果、中空エンジンバルブの中空孔を形成する内面での表面肌荒れの発生が抑制されて表面状態が良好となる。よって、中空エンジンバルブの強度の低下が抑制される。さらに、中空エンジンバルブの中空孔内に冷却用の金属ナトリウムを入れる場合には、中空孔内で金属ナトリウムが円滑に流動して効果的に冷却機能を発揮する。さらに、絞り加工の加工性に優れるため、傘状部の中空孔の外周側の潰れが抑制されるように、絞り加工の型締め時の金型の高さ位置を容易に調整できる。その結果、中空エンジンバルブの中空孔の容積を大きくすることができる。
 また、前記中間部品が、オーステナイト系耐熱材料で形成されており、前記熱処理工程が、前記中間部品を1000~1100℃に加熱保持した後に水冷する場合は、中間部品を固溶化熱処理して効果的に軟化させることができる。
 また、前記熱処理工程が、加熱された前記中間部品を前記円筒状部の肉厚の1mm当りに対して3~8分となる加熱保持時間で保持する場合は、中間部品の加熱保持時間を比較的短くでき、熱処理後の中間部品の表面での酸化膜の発生を低減できる。
 また、前記熱処理工程が、前記中間部品を、容器内で攪拌される冷却水中又は容器に対して循環される冷却水中に投入して水冷する場合は、冷却水の温度上昇が抑えられるため、熱処理工程で中間部品を効果的に急冷できる。
 また、前記冷却水の水温が、15~35℃である場合は、熱処理工程で中間部品を効果的に急冷できる。
 また、前記スピニング工程が、前記円筒状部の外周面に加工ローラの外周円弧面を所定の切込み量で押し当てながら、前記加工ローラを前記円筒状部に対して軸方向に移動させて前記円筒状部を軸方向に延伸し、前記加工ローラの外周円弧面の曲率半径が、スピニング加工前の前記円筒状部の肉厚の3~5倍の値であり、前記スピニング加工時に、前記円筒状部の軸方向に沿う断面において、前記加工ローラの外周円弧面が前記円筒状部の外周面と接する円弧の一端と他端とを結ぶ直線が、前記円筒状部の軸方向に対して5~7度の傾斜角度で傾斜している場合は、切込み量の最大値と最小値を想定考慮して加工ローラの外周円弧面の曲率半径を設定することとなるため、スピニング加工時に中間部品の円筒状部を効果的に延伸できる。
 また、前記中空エンジンバルブが、前記中空孔を形成する内面の表面粗さRaが4.0~22.0である場合は、中空エンジンバルブの中空孔を形成する内面の表面状態が極めて良好である。
 また、前記鍛造工程が、前記中間部品の前記円筒状部の内周面の底端側に円弧面を形成し、前記ネッキング工程が、前記円筒状部を上側とし且つ前記半傘状部を下側としたきに、前記円筒状部の軸方向で前記円弧面よりも上側の部分を絞り加工する場合は、中空エンジンバルブの中空孔の最大外径が鍛造加工で得られる中間部品の円筒状部の開口の内径と略同じにできる。その結果、中空エンジンバルブの中空孔の容積を更に大きくできる。
 さらに、前記スピニング工程が、加工ローラを用いて前記中間部品の前記円筒状部をスピニング加工し、前記加工ローラが、該加工ローラを挟んで該加工ローラの軸方向に沿って配置される前後の軸受を介して支持部材に回転自在に支持されている場合は、加工ローラの倒れ込みが抑制されるため、中間部品の円筒状部が効果的にスピニング加工される。
 本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
本実施例に係る中空エンジンバルブの製造方法を説明するための説明図である。 本実施例に係る中空エンジンバルブの製造方法を説明するための説明図であり、(a)は素材の縦断面を示し、(b)は第1鍛造工程で得られる中間部品の縦断面を示し、(c)はしごき工程を経た中間部品の縦断面を示す。 上記中空エンジンバルブの製造方法を説明するための説明図であり、(a)は第2鍛造工程を経た中間部品の縦断面を示し、(b)はスピニング工程を経た中間部品の縦断面を示し、(c)はネッキング工程で得られる中空エンジンバルブの縦断面を示す。 本実施例に係る熱処理工程を説明するための説明図である。 上記熱処理工程を説明するための説明図である。 上記スピニング工程を説明するための説明図である。 上記ネッキング工程を説明するための説明図であり、中心線の左側が絞り加工の直前の中間部品の縦断面を示し、中心線の右側が絞り加工の完了時の中空エンジンバルブの縦断面を示す。 他の形態のネッキング工程を説明するための説明図である。 本実施例に係る中空エンジンバルブの表面状態を説明するための説明図であり、(a)はスピニング工程を経た中間部品の要部の縦断面画像処理図を示し、(b)は中空エンジンバルブの要部の縦断面画像処理図を示す。 比較例に係る中空エンジンバルブの表面状態を説明するための説明図であり、(a)はスピニング工程を経た中間部品の要部の縦断面画像処理図を示し、(b)は中空エンジンバルブの要部の縦断面画像処理図を示す。 実験例1~7に係る中空エンジンバルブの製造方法の実験結果を示す表である。 実験例8~13に係る中空エンジンバルブの製造方法の実験結果を示す表である。 実験例14~19及び比較例に係る中空エンジンバルブの製造方法の実験結果を示す表である。 他の形態のスピニング工程を説明するための説明図である。 図14の要部拡大図である。 実験例に係るスピニング工程の実験結果を示す表であり、(a)は実験例20~24の実験結果を示し、(b)は実験例25~27の実験結果を示す。
 ここで示される事項は例示的なものおよび本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
 本実施形態に係る中空エンジンバルブの製造方法は、軸部(2)及び該軸部の軸端側に連なる傘状部(3)を備え、軸部(2)及び傘状部(3)にわたって中空孔(4)が形成された中空エンジンバルブ(1)の製造方法であって、鍛造加工により、円筒状部(8B)及び該円筒状部の軸端側に連なる半傘状部(9B)を備える中間部品(7C)を得る鍛造工程(S3)と、中間部品(7C)を軟化させるために円筒状部(8B)の肉厚(t)に応じて決められる加熱保持時間(t2)で熱処理する熱処理工程(S4)と、熱処理された中間部品(7C)の円筒状部(8B)をスピニング加工により軸方向に延伸するスピニング工程(S5,S5’)と、軸方向に延伸された円筒状部(8B)を絞り加工により縮径することで、軸部(2)及び傘状部(3)を形成するネッキング工程(S6)と、を備える(例えば、図1~図3等参照)。
 本実施形態に係る中空エンジンバルブの製造方法としては、例えば、上記中間部品(7C)は、オーステナイト系耐熱材料で形成されており、熱処理工程(S4)は、中間部品(7C)を1000~1100℃(好ましくは1030~1070℃、特に1040~1060℃)に加熱保持した後に水冷する形態(例えば、図11~図13等参照)が挙げられる。なお、上記オーステナイト系耐熱材料としては、例えば、NCF751(インコネル751(登録商標))等のニッケル基超合金、SUS304等のステンレス鋼、SUH35、SUH38等の耐熱鋼等が挙げられる。
 上述の形態の場合、例えば、上記熱処理工程(S4)は、加熱された中間部品(7C)を円筒状部(8B)の肉厚(t)の1mm当りに対して3~8分(好ましくは4~6分)となる加熱保持時間(t2)で保持することができる(例えば、図11~図13等参照)。この場合、例えば、上記中間部品(7C)の円筒状部(8B)の肉厚(t)は1~3mmであり、熱処理工程(S4)は、加熱された中間部品(7C)を3~24分(好ましくは4~18分、特に5~15分)の加熱保持時間で保持することができる。
 上述の形態の場合、例えば、上記熱処理工程(S4)は、中間部品(7C)を、容器(22)内で攪拌される冷却水(23)中又は容器に対して循環される冷却水中に投入して水冷することができる(例えば、図5等参照)。この場合、例えば、上記冷却水の水温は、15~35℃(好ましくは20~30℃)であることができる(例えば、図11~図13等参照)。
 本実施形態に係る中空エンジンバルブの製造方法としては、例えば、図14及び図15に示すように、スピニング工程(S5’)は、円筒状部(8B)の外周面に加工ローラ(132)の外周円弧面(132a)を所定の切込み量(d)で押し当てながら、加工ローラ(132)を円筒状部(8B)に対して軸方向に移動(相対的に移動)させて円筒状部(8B)を軸方向に延伸することができる。この場合、例えば、加工ローラ(132)の外周円弧面(132a)の曲率半径(R)は、スピニング加工前の円筒状部(8B)の肉厚(t)の3~5倍の値であり、スピニング加工時に、円筒状部(8B)の軸方向に沿う断面において、加工ローラ(132)の外周円弧面(132a)が円筒状部(8B)の外周面と接する円弧の一端(p1)と他端(p2)とを結ぶ直線(L1)は、円筒状部(8B)の軸方向に対して5~7度の傾斜角度(θ1)で傾斜していることができる。
 本実施形態に係る中空エンジンバルブの製造方法としては、例えば、上記中空エンジンバルブ(1)は、中空孔(4)を形成する内面の表面粗さRaが4.0~22.0(好ましくは4.0~12.0、特に4.0~8.0、更に4.0~6.0)である形態(例えば、図9等参照)が挙げられる。なお、上記表面粗さは算術平均粗さ(Ra)を採用した。また、上記表面粗さRaは、ネッキング工程後の表面粗さを示す。
 本実施形態に係る中空エンジンバルブの製造方法としては、例えば、上記鍛造工程(S3)は、中間部品(7C)の円筒状部(8B)の内周面の底端側に円弧面(17)を形成し、ネッキング工程(S6)は、円筒状部(8B)を上側とし且つ半傘状部(9B)を下側としたときに、円筒状部(8B)の軸方向で円弧面(17)よりも上側の部分を絞り加工する形態(例えば、図8等参照)が挙げられる。この場合、例えば、上記中空エンジンバルブ(1)は、中空孔(4)の最大外径(D1’)が鍛造工程(S3)で得られる中間部品(7C)の円筒状部(8B)の開口の内径(D2)と同じであることができる。
 なお、上記同じとは、略同じであることを意図しており、±5%程度の相違も含むものとする。
 本実施形態に係る中空エンジンバルブの製造方法としては、例えば、上記スピニング工程(S5、S5’)は、加工ローラ(32、132)を用いて中間部品(7C)の円筒状部(8B)をスピニング加工し、加工ローラ(32、132)は、加工ローラ(32、132)を挟んで加工ローラの軸方向に沿って配置される前後の軸受(34、134)を介して支持部材(35、135)に回転自在に支持されている形態(例えば、図6及び図14等参照)が挙げられる。
 本実施形態に係る中空エンジンバルブの製造方法としては、例えば、中実円柱状の素材(6)を鍛造加工して、杯状拡径部(8A)及び該杯状拡径部の縮径する軸端側に連なる円柱状部(9A)を備える中間部品(7A)を得る第1鍛造工程(S1)と、杯状拡径部(8A)をしごき加工により円筒状部(8B)とするしごき工程(S2)と、を備え、上記鍛造工程は、円柱状部(9A)を鍛造加工により半傘状部(9B)とする第2鍛造工程(S3)である形態(例えば、図1~図3等参照)が挙げられる。
 なお、上記実施形態で記載した各構成の括弧内の符号は、後述する実施例に記載の具体的構成との対応関係を示すものである。
 以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。
(1)中空エンジンバルブの構成
 本実施例に係る中空エンジンバルブ1は、図3(c)に示すように、軸部2及び該軸部2の軸端側に連なる傘状部3を備えている。これら軸部2及び傘状部3にわたって中空孔4が形成されている。この中空孔4の最大外径D1は、後述の鍛造工程S3で得られる中間部品7Cの円筒状部8Bの開口の内径D2(図3(a)参照)より僅かに小さな値とされている。さらに、中空エンジンバルブ1は、中空孔4を形成する内面の表面粗さRaが約4.0とされている(図9参照)。
(2)中空エンジンバルブの製造方法
 本実施例に係る中空エンジンバルブの製造方法は、図1に示すように、第1鍛造工程S1、しごき工程S2、第2鍛造工程S3、熱処理工程S4、スピニング工程S5及びネッキング工程S6を備えている。
 上記第1鍛造工程S1は、図2(a)(b)に示すように、ニッケル基超合金製で中実円柱状の素材6を熱間鍛造加工して中間部品7Aを得る工程である。この中間部品7Aは、杯状拡径部8Aと、杯状拡径部8Aの縮径する軸端側に連なる円柱状部9Aと、を備えている。さらに、第1鍛造工程S1では、杯状拡径部8Aの内壁を形成するための凸状部11aを有する金型11と、素材6を保持するとともに杯状拡径部8Aの外壁を形成するための凹状部12aを有する金型12と、が用いられる。
 上記しごき工程S2は、図2(b)(c)に示すように、主に、中間部品7Aの杯状拡径部8Aを冷間しごき加工により円筒状部8Bとして中間部品7Bを得る工程である。この円筒状部8Bの外径は、円柱状部9Aの外径と略同じとされている。さらに、しごき工程S2では、杯状拡径部8Aをしごくための貫通孔14aが形成された金型14と、円柱状部9Aを押圧するための突起部15aを備える金型15と、が用いられる。
 上記第2鍛造工程S3は、図2(c)及び図3(a)に示すように、主に、中間部品7Bの円柱状部9Aを熱間鍛造加工して傘状部3の半完成品である半傘状部9Bとして中間部品7Cを得る工程である。すなわち、第2鍛造工程S3で得られる中間部品7Cは、円筒状部8Bと、円筒状部8Bの軸端側に連なる半傘状部9Bと、を備えている。この円筒状部8Bの内周面の底端側には、円弧面17が形成されている。さらに、第2鍛造工程S3では、円柱状部9Aの底面を押圧するための凸状部18aを備える金型18と、円柱状部9A及び円筒状部8Bの外周側を保持する貫通孔19aが形成された金型19と、貫通孔19aに挿入されて円筒状部8Bの底端側に当接するピン20と、が用いられる。
 なお、上記第2鍛造工程S3で得られる中間部品7Cの円筒状部8Bの肉厚tは、約2mmとされている。
 上記熱処理工程S4は、中間部品7Cを軟化させるために円筒状部8Bの肉厚tに応じて決められる加熱保持時間t2で固溶化熱処理する工程である。この熱処理工程S4では、図4に示すように、中間部品7Cが所定の加熱温度T1(例えば、1050℃)に加熱保持された後に水冷される。具体的に、常温T2(例えば、20℃)の中間部品7Cは、所定の昇温時間t1(例えば、5分)で加熱温度T1まで昇温され、その加熱温度T1に所定の加熱保持時間t2(例えば、10分)の間保持される。その後、中間部品7Cは、所定の冷却時間t3(例えば、10秒)で常温T2まで急冷される。なお、上記加熱保持時間t2は、中間部品7Cの円筒状部8Bの肉厚tの1mm当りに対して約5分となる値とされている。
 上記水冷では、図5に示すように、容器22内に貯留される冷却水23(例えば、水道水等)が用いられる。この容器22内には、ポンプ24に接続されて水の噴射可能なノズル25が配置されている。このノズル25は、水の噴射により冷却水23を攪拌するように配置されている。よって、容器22内に多数(例えば、20~30個)の中間部品7Cを投入しても、冷却水23の水温は20~30℃に保たれる。
 上記スピニング工程S5は、図3(a)(b)に示すように、熱処理された中間部品7Cの円筒状部8Bを冷間スピニング加工により軸方向に延伸して薄肉化して中間部品7Dを得る工程である。このスピニング工程S5では、図6に示すように、半傘状部9Bを把持して中間部品7Cを軸回りに回転させるチャック機構31と、その外周面が円筒状部8Bの外周面に押し当てられる加工ローラ32と、が用いられる。この加工ローラ32の軸方向に延びる支持軸33は、加工ローラ32の両表面側のそれぞれで軸受34を介して支持部材35に回転自在に支持されている。言い替えると、加工ローラ32は、該加工ローラ32を挟んで加工ローラ32の軸方向に沿って配置される前後の軸受34を介して支持部材35に回転自在に支持されている。この支持部材35は、図示しない移動機構により、円筒状部8Bの径方向及び軸方向に移動可能とされている。なお、上記加工ローラ32は、1つが用いられてもよいし、複数が用いられてもよい。
 上記スピニング工程S5では、中間部品7Cの円筒状部8Bの内側に保持ピン37が挿入されるが、保持ピン37は、その先端が円筒状部8Bの底端側に当接しているのみで、円筒状部8Bの内周面には当接していない。すなわち、スピニング加工S5では、中間部品7Cの円筒状部8Bの内周面にはツールが何ら当接していない。
 ここで、第2鍛造工程S3で得られる中間部品7Cの円筒状部8Bの肉厚に不揃いが生じることがあるが、その場合であっても、スピニング加工後の円筒状部8Bでは肉厚の不揃いが解消される。これに対して、スピニング加工の代わりにスウェージング加工を採用した場合、円筒状部8Bの肉厚の不揃いを解消し難い。
 上記ネッキング工程S6は、図3(b)(c)に示すように、軸方向に延伸された円筒状部8Bを複数段階(例えば、9段階)の冷間絞り加工により徐々に縮径することで、軸部2及び傘状部3を形成する工程(即ち、中空エンジンバルブ1を得る工程)である。具体的に、円筒状部8Bの底端側以外の縮径された部分で軸部2が形成されるとともに、円筒状部8Bの底端側の縮径された部分と半傘状部9Bとで傘状部3が形成される。このネッキング工程S6では、中間部品7Dの半傘状部9Bを保持する金型38と、円筒状部8Bを絞り加工するための成形孔39aを有する金型39と、が用いられる。この金型39としては、複数段階の絞り加工に応じて成形孔39aの穴径等が異なる複数種のものが使用される。
 上記ネッキング工程S6では、図7に示すように、中間部品7Dの円筒状部8Bの軸方向で円弧面17を含む部分が絞り加工される。具体的に、最終段階(例えば、9段階目)の絞り加工の型締め時において、金型39の下端面は、絞り加工前の中間部品7Dの円筒状部8Bの円弧面17の上端(図7中に一点鎖線で示す高さ。)より下方に位置している。
(3)実施例の効果
 本実施例の中空エンジンバルブの製造方法によると、鍛造加工により、円筒状部8B及び該円筒状部8Bの軸端側に連なる半傘状部9Bを備える中間部品7Cを得る鍛造工程S3と、中間部品7Cを軟化させるために円筒状部8Bの肉厚tに応じて決められる加熱保持時間t2で熱処理する熱処理工程S4と、熱処理された中間部品7Cの円筒状部8Bをスピニング加工により軸方向に延伸するスピニング工程S5と、軸方向に延伸された円筒状部8Bを絞り加工により縮径することで、軸部2及び傘状部3を形成するネッキング工程S6と、を備える。このように、鍛造加工により得られた中間部品7Cを熱処理して軟化させることで、スピニング加工時及び絞り加工時に中間部品7Cの円筒状部8Bが伸び易くなるため、スピニング加工及び絞り加工の加工性に優れる。その結果、中空エンジンバルブ1の中空孔4を形成する内面での表面肌荒れの発生が抑制されて表面状態が良好となる。よって、中空エンジンバルブ1の強度の低下が抑制される。さらに、中空エンジンバルブ1の中空孔4内に冷却用の金属ナトリウムを入れる場合には、中空孔4内で金属ナトリウムが円滑に流動して効果的に冷却機能を発揮する。さらに、絞り加工の加工性に優れるため、傘状部3の中空孔4の外周側の潰れが抑制されるように、絞り加工の型締め時の金型39の高さ位置を容易に調整できる。その結果、中空エンジンバルブ1の中空孔4の容積を大きくすることができる。
 また、本実施例では、中間部品7Cは、ニッケル基超合金で形成されており、熱処理工程S4は、中間部品7Cを1050℃に加熱保持した後に水冷する。これにより、中間部品7Cを固溶化熱処理して効果的に軟化させることができる。
 また、本実施例では、熱処理工程S4は、加熱された中間部品7Cを円筒状部8Bの肉厚t(具体的に、2mm)の1mm当りに対して5分となる加熱保持時間t2(具体的に、10分)で保持する。これにより、中間部品7Cの加熱保持時間t2を比較的短くでき、熱処理後の中間部品7Cの表面での酸化膜の発生を低減できる。
 また、本実施例では、熱処理工程S4は、中間部品7Cを、容器22内で攪拌される冷却水23中に投入して水冷する。これにより、冷却水23の温度上昇が抑えられるため、熱処理工程S4で中間部品7Cを効果的に急冷できる。特に、本実施例では、冷却水23の水温は、20~30℃であるので、熱処理工程S4で中間部品7Cを効果的に急冷できる。
 また、本実施例では、中空エンジンバルブ1は、中空孔4を形成する内面の表面粗さRaが4.0である。これにより、中空エンジンバルブ1の中空孔4を形成する内面の表面状態が極めて良好である。
 さらに、本実施例では、スピニング工程S5は、加工ローラ32を用いて中間部品7Cの円筒状部8Bをスピニング加工し、加工ローラ32は、加工ローラ32を挟んで加工ローラ32の軸方向に沿って配置される前後の軸受34を介して支持部材35に回転自在に支持されている。これにより、加工ローラ32の倒れ込みが抑制されるため、中間部品7Cの円筒状部8Bが効果的にスピニング加工される。
 さらに、本実施例では、中実円柱状の素材6を鍛造加工して、杯状拡径部8A及び該杯状拡径部8Aの縮径する軸端側に連なる円柱状部9Aを備える中間部品7Aを得る第1鍛造工程S1と、杯状拡径部8Aをしごき加工して円筒状部8Bとするしごき工程S2と、円柱状部9Aを鍛造加工して半傘状部9Bとする第2鍛造工程S3と、を備える。これにより、比較的小さな加圧力で比較的肉厚の薄い円筒状部8Bを容易に形成できる。
(4)実験例1~19及び比較例について
 次に、図11~図13に基づいて、実験例1~19及び比較例に係る中空エンジンバルブの製造方法の試験結果について説明する。これら実験例1~19では、上述の実施例の中空エンジンバルブの製造方法と同様にして、第1鍛造工程S1、しごき工程S2、第2鍛造工程S3、熱処理工程S4、スピニング工程S5及びネッキング工程S6を経て中空エンジンバルブを製造した。一方、比較例では、上述の各工程S1~S6のうちで熱処理工程S4を省略して中空エンジンバルブを製造した。そして、実験例1~19及び比較例の各製法で得られた中空エンジンバルの表面状態を確認するとともに、スピニング加工の加工性を確認して、総合評価を下した。
 ここで、実験例1~7では、ニッケル含有率が約50%であるニッケル基超合金製の素材を用い、実験例8~13では、ニッケル含有率が約80%であるニッケル基超合金製の素材を用い、実験例14~19及び比較例では、ニッケル含有率が約30%であるニッケル基超合金製の素材を用いた。また、実験例1~19の熱処理工程では、加熱温度、加熱保持時間、冷却方法及び処理量等を変更した。特に、実験例1~17では、攪拌されない冷却水中に中間部品を投入して水冷し、実験例18及び19では、攪拌中の冷却水中に中間部品を投入して水冷した。さらに、実験例1~16では、1個の中間部品を冷却水中に投入して水冷し、実験例17~19では、10~20個の中間部品を冷却水中に投入して水冷した。
 その結果、比較例の製法で得られた中空エンジンバルブでは、中空孔を形成する内面に顕著な肌荒れが発生し、その表面粗さRaが約22.0であった(図10参照)。さらに、スピニング加工での材料の伸びが悪く、加工性が極めて低かった。
 これに対して、実験例1、2、6、9及び11の製法で得られた中空エンジンバルブでは、中空孔を形成する内面に少々の肌荒れが発生するが、比較例に比べて表面状態が良好であった。また、実験例3-5、7、8、10及び12-19の製法で得られた中空エンジンバルブでは、中空孔を形成する内面に肌荒れが発生せず、表面状態が極めて良好であった。特に、実験例19の製法で得られた中空エンジンバルブでは、中空孔を形成する内面での酸化膜の発生が少なかった。
 また、実験例1-15及び17の製法では、スピニング加工での材料の伸びがやや悪かったが、比較例に比べて加工性が高かった。また、実験例16、18及び19の製法では、スピニング加工での材料の伸びが良く、加工性が極めて高かった。
 ここで、実験例18及び19の製法では、多数の中間部品を一度に処理しても効果的に水冷された。これは、攪拌を伴う冷却水で冷却することで、冷却水の温度上昇が抑制されるためである。さらに、実験例19の製法では、中空エンジンバルブの中空孔を形成する内面での酸化膜の発生が少なかった。これは、加熱保持時間t2が10分と極めて短いためである。この点から、鍛造工程S3で得られた中間部品7Cを円筒状部8Bの肉厚tの1mm当りに対して5分程度の加熱保持時間t2で保持することで、スピニング加工に必要な成分組織の改質が得られると言える。
<他の形態のスピニング工程>
 次に、他の形態のスピニング工程S5’について説明するが、上述のスピニング工程S5と略同じ構成の部位には同じ符号を付けて詳説を省略する。
(1)スピニング工程について
 上記スピニング工程S5’は、図3(a)(b)に示すように、熱処理された中間部品7Cの円筒状部8Bを冷間スピニング加工により軸方向に延伸して薄肉化して中間部品7Dを得る工程である。このスピニング工程S5’では、図14に示すように、半傘状部9Bを把持して中間部品7Cを軸回りに回転させるチャック機構131と、その外周円弧面132aが円筒状部8Bの外周面に押し当てられる加工ローラ132と、が用いられる。この加工ローラ132は、その軸方向に延びる支持軸133(すなわち、支持部材135)に対して、加工ローラ132を挟んで加工ローラ132の軸方向に沿って配置される前後の軸受134(具体的に、スラスト軸受134)を介して回転自在に支持されている。この支持部材135は、図示しない移動機構により、円筒状部8Bの径方向及び軸方向に移動可能とされている。
 なお、上記加工ローラ132は、1つが用いられてもよいし、複数が用いられてもよい。また、図14中の円筒状部8Bにおいて、中心線より上側の部分がスピニング加工前の肉厚(例えば、1.65mm)を示し、中心線より下側の部分がスピニング加工後の肉厚(例えば、1.0mm)を示す。
 上記スピニング加工S5’では、図15に示すように、円筒状部8Bの外周面に加工ローラ132の外周円弧面132aを所定の切込み量dで押し当てながら、加工ローラ132を円筒状部8Bの軸方向に沿う加工方向Pに移動させてこれを繰り返すことで、円筒状部8Bが軸方向に延伸される。なお、上記スピニング加工S5’における切込み量d及び延伸させる方向Pへの移動回数等は特に問わない。また、スピニング加工S5’では、通常、スピニング加工時に切込み量dよりも小さな量の戻りが生じる。
 ここで、加工ローラ132の外周円弧面132aの曲率半径Rは、スピニング加工前の円筒状部8Bの肉厚tの3~5倍の値とされている。そして、スピニング加工時に、円筒状部8Bの軸方向に沿う断面において、加工ローラ132の外周円弧面132aが円筒状部8Bの外周面と接する円弧の一端p1と他端p2とを結ぶ直線L1は、円筒状部8Bの軸方向に対して5~7度の傾斜角度θ1で傾斜している。これにより、切込み量dの最大値と最小値を想定考慮して加工ローラ132の外周円弧面132aの曲率半径Rを設定することとなるため、スピニング加工時に中間部品7Cの円筒状部8Bを効果的に延伸できる。
 なお、上記一端p1は、通常、スピニング加工時に、円筒状部8Bの軸方向に沿う断面において、加工ローラ132の外周円弧面132aの曲率半径Rの中心を通り且つ円筒状部8Bの軸心と直交する直線L2が円筒状部8Bの外周面と交差する点である。また、上記スピニング工程S5の加工ローラ32の曲率半径R及び傾斜角度θ1として、スピニング工程S5’の加工ローラ132の曲率半径R及び傾斜角度θ1と同じ条件を採用している。
(2)実験例20~27について
 次に、図16に基づいて、実験例20~27に係るスピニング工程の試験結果について説明する。これら実験例20~27では、上述の第1鍛造工程S1、しごき工程S2、第2鍛造工程S3、熱処理工程S4(実験例19)を経た中間部品7Cに対して、円筒状部8Bの肉厚tが1.65mmから1mmとなるまで複数回のスピニング加工を行った。各実験例20~24では、円筒状部8Bに対する加工ローラ132の切込み量dを0.15mmとした。さらに、各実験例25~27では、円筒状部8Bに対する加工ローラ132の切込み量dを0.1mmとした。そして、スピニング加工後の中間部品7Dの表面状態を確認し、その表面状態及びスピニング回数に基づいて評価を下した。
 なお、上記実験例20~27では、汎用のNC旋盤を用いて、中間部品7Cの回転数を1200rpmとし、加工ローラ132の送り速度を0.13mm/sとした。
 実験例21~23、25及び26では、その外周円弧面132aの曲率半径Rがスピニング加工前の円筒状部8Bの肉厚tの3~5倍の値であり、直線L1が円筒状部8Bの軸方向に対して5~7度の傾斜角度θ1で傾斜する加工ローラ132を採用した。その結果、実験例21~23で得られた中間部品7Dの表面状態は滑らかで良く、スピニング回数が10回であり加工性にも優れる。また、実験例25及び26で得られた中間部品7Dの表面状態は滑らかで良く、スピニング回数が13回であり加工性にも優れる。
 一方、実験例20では、その外周円弧面132aの曲率半径Rがスピニング加工前の円筒状部8Bの肉厚tの約1.8倍の値であり、直線L1が円筒状部8Bの軸方向に対して9度の傾斜角度θ1で傾斜する加工ローラ132を採用した。その結果、実験例20で得られた中間部品7Dの表面状態はやや荒れた肌を示したが、スピニング回数が10回であり加工性に優れる。
 また、実験例24では、その外周円弧面132aの曲率半径Rがスピニング加工前の円筒状部8Bの肉厚tの約6倍の値であり、直線L1が円筒状部8Bの軸方向に対して4.5度の傾斜角度θ1で傾斜する加工ローラ132を採用した。その結果、実験例24で得られた中間部品7Dの表面状態は滑らかで良いが、スピニング回数が16回であった。
 さらに、実験例27では、その外周円弧面132aの曲率半径Rがスピニング加工前の円筒状部8Bの肉厚tの5倍の値であり、直線L1が円筒状部8Bの軸方向に対して4.5度の傾斜角度θ1で傾斜する加工ローラ132を採用した。その結果、実験例27で得られた中間部品7Dの表面状態は滑らかで良いが、スピニング回数が20回であった。
 なお、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。すなわち、上記実施例では、熱間鍛造加工、冷間しごき加工、冷間スピニング加工、及び冷間絞り加工等を例示したが、これに限定されず、例えば、これら各加工は、熱間、温間、冷間加工のうちから適宜選択できる。さらに、これら各加工は、1回の加工であってもよいし、複数回の加工であってもよい。
 また、上記実施例では、オーステナイト系耐熱材料(具体的に、ニッケル基超合金)により形成される中間部品7Cを例示したが、これに限定されず、例えば、SUH3、SUH11等のマルテンサイト系耐熱材料により形成される中間部品7Cとしてもよい。この場合、熱処理工程S4では、中間部品7Cの材料に適した熱処理が行われる。
 また、上記実施例では、鍛造加工により杯状拡径部8Aを備える中間部品7Aを形成し、その杯状拡径部8Aをしごき加工により円筒状部8Bとして円筒状部8Bを備える中間部品7Bを得るようにしたが、これに限定されず、例えば、杯状拡径部8Aを形成することなく、鍛造加工により円筒状部8Bを備える中間部品7Bを得るようにしてもよい。
 また、上記実施例では、ノズル25の水の噴射により容器22内で冷却水23を攪拌するようにしたが、これに限定されず、例えば、攪拌羽根又は攪拌スクリュウの回転により容器22内で冷却水23を攪拌するようにしてもよい。さらに、例えば、容器22に循環経路を接続し、容器22に対して冷却水23を循環させるようにしてもよい。この場合であっても、冷却水23の温度上昇が抑えられるため、熱処理工程S4で中間部品7Cを効果的に急冷できる。
 また、上記実施例では、スピニング工程S5、S5’で、その外周円弧面132aの曲率半径Rがスピニング加工前の円筒状部8Bの肉厚tの3~5倍の値である加工ローラ132を用いる形態を例示したが、これに限定されず、例えば、その外周円弧面132aの曲率半径Rが、スピニング加工前の円筒状部8Bの肉厚tの3倍未満の値又は5倍を超える値である加工ローラ132を用いてもよい。
 また、上記実施例では、スピニング工程S5、S5’で、直線L1が円筒状部の軸方向に対して5~7度の傾斜角度θ1で傾斜する加工ローラ132を用いる形態を例示したが、これに限定されず、例えば、直線L1が、円筒状部8Bの軸方向に対して5度未満又は7度を超える傾斜角度θ1で傾斜する加工ローラ132を用いてもよい。
 また、上記実施例では、中間部品7Dの円筒状部8Bの軸方向で円弧面17を含む部分を絞り加工するネッキング工程S6を例示したが、これに限定されず、例えば、図8に示すように、中間部品7Dの円筒状部8Bを上側とし且つ半傘状部9Bを下側としたきに、円筒状部8Bの軸方向で円弧面17よりも上側の部分を絞り加工するネッキング加工S6としてもよい。この場合、絞り加工の型締め時において、金型39の下端面は、絞り加工前の中間部品7Dの円筒状部8Bの円弧面17の上端(図8中に一点鎖線で示す高さ。)より上方に位置している。これにより、中空エンジンバルブ1の中空孔4の最大外径D1’が鍛造工程S3で得られる中間部品7Dの円筒状部8Bの開口の内径D2(図3(a)参照)と同じにできる。その結果、中空エンジンバルブ1の中空孔4の容積を更に大きくできる。
 さらに、上記実施例では、前後の軸受34により両持ち支持された加工ローラ32を例示したが、これに限定されず、例えば、片持ち支持された加工ローラ32としてもよい。さらに、例えば、加工ローラ32に替えて又は加えて、加工へらを用いるスピニング工程S5としてもよい。
 本発明は、軽量で且つ耐熱性に優れた中空エンジンバルブを製造する技術として好適に利用される。
 1;中空エンジンバルブ、2;軸部、3;傘状部、4;中空孔、7C;中間部品、8B;円筒状部、9B;半傘状部、17;円弧面、22;容器、23;冷却水、32,132;加工ローラ、33;支持軸、34,134;軸受、35,135;支持部材、39,139;金型、S3;第2鍛造工程、S4;熱処理工程、S5,S5’;スピニング工程、S6;ネッキング工程、T1;加熱温度、t2;加熱保持時間。

Claims (9)

  1.  軸部及び該軸部の軸端側に連なる傘状部を備え、前記軸部及び前記傘状部にわたって中空孔が形成された中空エンジンバルブの製造方法であって、
     鍛造加工により、円筒状部及び該円筒状部の軸端側に連なる半傘状部を備える中間部品を得る鍛造工程と、
     前記中間部品を軟化させるために前記円筒状部の肉厚に応じて決められる加熱保持時間で熱処理する熱処理工程と、
     熱処理された前記中間部品の前記円筒状部をスピニング加工により軸方向に延伸するスピニング工程と、
     軸方向に延伸された前記円筒状部を絞り加工により縮径することで、前記軸部及び前記傘状部を形成するネッキング工程と、を備えることを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。
  2.  前記中間部品は、オーステナイト系耐熱材料で形成されており、
     前記熱処理工程は、前記中間部品を1000~1100℃に加熱保持した後に水冷する請求項1記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  3.  前記熱処理工程は、加熱された前記中間部品を前記円筒状部の肉厚の1mm当りに対して3~8分となる加熱保持時間で保持する請求項2記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  4.  前記熱処理工程は、前記中間部品を、容器内で攪拌される冷却水中又は容器に対して循環される冷却水中に投入して水冷する請求項2又は3に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  5.  前記冷却水の水温は、15~35℃である請求項4記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  6.  前記スピニング工程は、前記円筒状部の外周面に加工ローラの外周円弧面を所定の切込み量で押し当てながら、前記加工ローラを前記円筒状部に対して軸方向に移動させて前記円筒状部を軸方向に延伸し、
     前記加工ローラの外周円弧面の曲率半径は、スピニング加工前の前記円筒状部の肉厚の3~5倍の値であり、
     前記スピニング加工時に、前記円筒状部の軸方向に沿う断面において、前記加工ローラの外周円弧面が前記円筒状部の外周面と接する円弧の一端と他端とを結ぶ直線は、前記円筒状部の軸方向に対して5~7度の傾斜角度で傾斜している請求項1乃至5のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  7.  前記中空エンジンバルブは、前記中空孔を形成する内面の表面粗さRaが4.0~22.0である請求項1乃至6のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  8.  前記鍛造工程は、前記中間部品の前記円筒状部の内周面の底端側に円弧面を形成し、
     前記ネッキング工程は、前記円筒状部を上側とし且つ前記半傘状部を下側としたときに、前記円筒状部の軸方向で前記円弧面よりも上側の部分を絞り加工する請求項1乃至7のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
  9.  前記スピニング工程は、加工ローラを用いて前記中間部品の前記円筒状部をスピニング加工し、
     前記加工ローラは、該加工ローラを挟んで該加工ローラの軸方向に沿って配置される前後の軸受を介して支持部材に回転自在に支持されている請求項1乃至8のいずれか一項に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
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