特許 7190506 エンジンのポペットバルブの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-07

(45)【発行日】2022-12-15

(54)【発明の名称】エンジンのポペットバルブの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F01L 3/24 20060101AFI20221208BHJP

   F01L 3/20 20060101ALI20221208BHJP

   F01L 3/14 20060101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

F01L3/24 D

F01L3/20 C

F01L3/14 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020556473

(86)(22)【出願日】2018-11-12

(86)【国際出願番号】 JP2018041807

(87)【国際公開番号】W WO2020100185

(87)【国際公開日】2020-05-22

【審査請求日】2021-10-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000227157

【氏名又は名称】株式会社ＮＩＴＴＡＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100087826

【弁理士】

【氏名又は名称】八木 秀人

(74)【代理人】

【識別番号】100139745

【弁理士】

【氏名又は名称】丹波 真也

(74)【代理人】

【識別番号】100168088

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 悠

(74)【代理人】

【識別番号】100187182

【弁理士】

【氏名又は名称】川野 由希

(74)【代理人】

【識別番号】100207642

【弁理士】

【氏名又は名称】簾内 里子

(72)【発明者】

【氏名】国武 浩史

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 大樹

(72)【発明者】

【氏名】笹川 裕樹

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】特公平６－９６１７７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１２－１９７７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１５２２０８９１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２００３－３０５５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１５５６６５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｌ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

先端に向かって増径する首部を介して一体化される軸部と傘部を有するエンジンのポペットバルブの製造方法において、
首部を介して中間軸部と傘部を一体化した金属製の中間部材を形成する鍛造工程と、
軸材の圧縮面及び軸材圧縮面から先端側に徐々に離間するよう形成された軸材導入面を有するように形成されると共に中間軸部の外周に対して周方向等分複数箇所に配置された複数の縮径工具間に中間部材の中間軸部を挿入し、その中心軸線に沿った方向に相対変位させつつ回転させた中間軸部の一部に接触させた各縮径工具の圧縮面から半径方向内向きの圧縮力を中間軸部に基端部から付加することで中間軸部の一部を基端部から縮径させて第１軸部の本体部を中間部材に形成すると共に前記軸材導入面によって本体部に連続する段差部を形成し、中間軸部の残部の未縮径によって段差部を介して本体部に連続すると共に首部にも連続する、本体部よりも太軸の第２軸部を形成する縮径工程と、
本体部と同じ外径の軸端部材を本体部の基端部に接合する接合工程と、
を備えることを特徴とする、エンジンのポペットバルブの製造方法。

【請求項2】

前記複数の縮径工具は、それぞれ中間部材の中間軸部の半径方向に同期して往復揺動可能に構成された複数のダイスであり、
前記縮径工程において、前記中心軸線回りに中間部材と各ダイスを互いに相対回転させ、往復揺動する各ダイスにより前記中間軸部への圧縮力の付加及び開放を交互に繰り返しつつ中間軸部の一部を縮径することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンのポペットバルブの製造方法。

【請求項3】

前記複数の縮径工具は、中間軸部の外径よりも小さな外周間隔で互いに平行な回転軸を有するように配置され、円柱外周面からなる前記圧縮面及び基端側から先端側に先窄まりとなる前記軸材導入面を備える複数の同期回転する転造ローラであり、
前記縮径工程において、同方向に同期回転する複数の転造ローラが中間部材の中間軸部に転がり接触しつつ圧縮力を付加して中間軸部の一部を縮径することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンのポペットバルブの製造方法。

【請求項4】

中間部材の中間軸部の基端部から、中間軸部、首部及び傘部の内側にかけて中間中空部を形成する孔あけ工程を前記鍛造工程後かつ縮径工程前に行い、
前記縮径工程において、軸材の前記圧縮面によって中間軸部の一部を縮径させて第１軸部の本体部の形成と同時に本体部の内側に第１中空部を形成し、軸材導入面によって前記段差部の形成と同時に段差部の内側に第１中空部に連続する縮径部を形成し、中間軸部の残部の未縮径によって太軸の第２軸部の内側に縮径部を介して第１中空部に連続する大内径の第２中空部を形成し、
前記接合工程において、前記第１中空部及び第２中空部に冷媒を装填した後で軸端部材を本体部の基端部に接合することを特徴とする、請求項１から３のうちいずれかに記載のエンジンのポペットバルブの製造方法。

【請求項5】

前記縮径工程において、第１軸部を第２軸部よりも薄肉に形成する特徴とする、請求項４に記載のエンジンのポペットバルブの製造方法。

【請求項6】

前記鍛造工程において、弁閉時にシリンダヘッドのシート部に当接するフェース部を傘部に形成し、
前記縮径工程において、前記段差部の基端部からフェース部の先端部までの軸方向長さが、シリンダヘッドのバルブガイド開口部の最先端部からシート部の先端部までの軸方向長さよりも短くなるように前記段差部及び第１軸部を形成することを特徴とする、請求項４または５に記載のエンジンのポペットバルブの製造方法。

【請求項7】

中間部材の中間軸部の基端部から、中間軸部、首部及び傘部の内側にかけて中間中空部を形成する孔あけ工程を前記縮径工程後かつ接合工程前に行い、
前記接合工程において、前記中空部に冷媒を装填した後で軸端部材を本体部の基端部に接合することを特徴とする請求項２または３に記載のエンジンのポペットバルブの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

先端に向かって増径する首部を介して一体化される軸部と傘部を有するエンジンのポペットバルブの製造方法に関する技術。

【背景技術】

【0002】

一般にエンジンのポペットバルブは、先端に向かって増径する首部を介して傘部と軸部を一体化した形状を有し、ポペットバルブには、軸端部側の軸部の外径を首部側の軸部の外径よりも小さくして軸部を段差状に形成した段付きポペットバルブがある。

【0003】

また、ポペットバルブの製造方法には、特許文献１の図１に示すように傘部、首部、軸部を成形するための成形孔Ｍ１、Ｍ２’、Ｍｍ、Ｍｎの形状を少しずつ変えた金型に順に押しこんで鍛造する方法がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】ＷＯ２０１１/１０４９１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のエンジンバルブの製造方法は、１形態のエンジンバルブを形成するために専用の複数の金型を必要とするため、段付きエンジンバルブの段差の相対的な高さや軸方向長さを変更した新たな形状の段付きエンジンバルブを製造する場合、複数の専用金型群も新たに製造しなければならない。金型は高価であるため、形状の異なる新たな段付きエンジンバルブを形成する毎に新たな金型群を製造することは、エンジンバルブの製造コストを格段に高くする点で問題があった。

【0006】

上記課題に鑑み、本願発明は、低コストで多種多様な製造を可能にしたエンジンのポペットバルブの製造方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

先端に向かって増径する首部を介して一体化される軸部と傘部を有するエンジンのポペットバルブの製造方法において、首部を介して中間軸部と傘部を一体化した金属製の中間部材を形成する鍛造工程と、軸材の圧縮面及び軸材圧縮面から先端側に徐々に離間するよう形成された軸材導入面を有するように形成されると共に中間軸部の外周に対して周方向等分複数箇所に配置された複数の縮径工具間に中間部材の中間軸部を挿入し、中心軸線に沿った方向に相対変位させつつ回転させた中間軸部の一部に接触させた各縮径工具の圧縮面から半径方向内向きの圧縮力を付加することで中間軸部の一部を縮径させて第１軸部の本体部を中間部材に形成すると共に圧縮面によって本体部に連続する段差部を形成し、中間軸部の残部の未縮径によって段差部を介して本体部に連続する、本体部よりも太軸の第２軸部を形成する縮径工程と、本体部と同じ外径の軸端部材を本体部の基端部に接合する接合工程と、を備えるようにした。

【0008】

（作用）エンジンバルブの中間部材に形成した中間軸部の周囲に等分配置された複数の縮径工具が、各縮径工具に対して相対回転しつつ軸方向に沿って相対変位する中間軸部の一部を任意の位置から半径方向内向きに圧縮して軸方向に引き延ばすことにより、中間軸部に任意の軸方向長さを有する第２軸部と、第２軸部よりも外径の小さな第１軸部の本体部を形成する。

【0009】

また、エンジンのポペットバルブの製造方法において、前記複数の縮径工具は、それぞれ中間部材の中間軸部の半径方向に同期して往復揺動可能に構成された複数のダイスであり、前記縮径工程において、前記中心軸線回りに中間部材と各ダイスを互いに相対回転させ、往復揺動する各ダイスにより前記中間軸部への圧縮力の付加及び解放を交互に繰り返しつつ中間軸部の一部を縮径することが望ましい。

【0010】

（作用）中間部材の中間軸部の半径方向に同期して往復揺動可能しつつ中間軸部の中心軸線回りに同期回転可能に構成され、エンジンバルブの中間部材に形成した中間軸部の周囲に等分配置された複数のダイスが、ダイスに対して相対回転しつつ軸方向に沿って相対変位する中間軸部の一部を任意の位置から半径方向内向きに圧縮して軸方向に引き延ばすことにより、中間軸部に任意の軸方向長さを有する第２軸部と、第２軸部よりも外径の小さな第１軸部の本体部を形成する。

【0011】

また、エンジンのポペットバルブの製造方法において、前記複数の縮径工具は、中間軸部の外径よりも小さな外周間隔で互いに平行な回転軸を有するように配置され、円柱外周面からなる前記圧縮面及び基端側から先端側に先窄まりとなる前記軸材導入面を備える複数の同期回転する転造ローラであり、前記縮径工程において、同方向に同期回転する複数の転造ローラが中間部材の中間軸部に転がり接触しつつ圧縮力を付加して中間軸部の一部を縮径することが望ましい。

【0012】

（作用）円柱外周面からなる前記圧縮面及び基端側から先端側に先窄まりとなる前記軸材導入面を備えるように形成され、中間軸部の外径よりも小さな外周間隔で互いに平行な回転軸を有するようにエンジンバルブの中間部材に形成した中間軸部の周囲に等分配置されて同期回転する複数の転造ローラが、転造ローラに対して相対回転しつつ軸方向に沿って相対変位する中間軸部の一部と任意の位置で転がり接触しつつ、半径方向内向きに圧縮して軸方向に引き延ばすことにより、中間軸部に任意の軸方向長さを有する第２軸部と、第２軸部よりも外径の小さな第１軸部の本体部を形成する。

【0013】

また、エンジンのポペットバルブの製造方法において、中間部材の中間軸部の基端部から、中間軸部、首部及び傘部の内側にかけて中間中空部を形成する孔あけ工程を前記鍛造工程後かつ縮径工程前に行い、前記縮径工程において、軸材の前記圧縮面によって中間軸部の一部を縮径させて第１軸部の本体部の形成と同時に本体部の内側に第１中空部を形成し、軸材導入面によって前記段差部の形成と同時に段差部の内側に第１中空部に連続する縮径部を形成し、中間軸部の残部の未縮径によって太軸の第２軸部の内側に縮径部を介して第１中空部に連続する大内径の第２中空部を形成し、前記接合工程において、前記第１中空部または第２中空部の少なくとも一方に冷媒を装填した後で軸端部材を本体部の基端部に接合することが望ましい。

【0014】

（作用）孔あけ工程において、冷媒の装填に必要な中空部の形成に必要な孔あけ作業が、傘部の底面側からではなく軸部の基端部から行われると共に孔あけ回数が複数回から１回に減少する。縮径工程において、予め外径と内径を大きく形成した中間軸部の一部を複数のダイス、または転造ローラの円柱外周面が基端側から中心軸線方向に縮径することにより、傘部の底面に孔を空けることなく大外径の第２軸部とその内側の大内径の第２中空部を残しつつ、それらの基端部側に連続する小外径の第１軸部の本体部と内側の小内径の第１中空部を同時に形成し、更にダイス、または基端側から先端側に先窄まりに形成された各転造ローラの軸材導入面が第２軸部と第１軸部の外周を接続する段差部とその内側の縮径部を同時に形成する。また、縮径部は、塑性変形によって凹型円弧面として形成されて、第１中空部及び第２中空部にそれぞれ接続される。

【0015】

また、エンジンのポペットバルブの製造方法は、前記縮径工程において、第１軸部を第２軸部よりも薄肉に形成することが望ましい。

【0016】

（作用）形成されたエンジンのポペットバルブの第２軸部そのものの熱伝達の許容量が増加することで燃焼室から冷媒への熱伝達性が更に向上する。

【0017】

エンジンのポペットバルブの製造方法は、前記鍛造工程において、弁閉時にシリンダヘッドのシート部に当接するフェース部を傘部に形成し、前記縮径工程において、前記段差部の基端部からフェース部の先端部までの軸方向長さが、シリンダヘッドのバルブガイド開口部の最先端部からシート部の先端部までの軸方向長さよりも短くなるように前記段差部及び第１軸部を形成することが望ましい。

【0018】

（作用）ポペットバルブの開閉動作時に段差部及び第２軸部がシリンダヘッドのバルブガイド開口部に干渉しない。

【0019】

エンジンのポペットバルブの製造方法は、中間部材の中間軸部の基端部から、中間軸部、首部及び傘部の内側にかけて中空部を形成する孔あけ工程を前記縮径工程後かつ接合工程前に行い、前記接合工程において、中空部に冷媒を装填した後で軸端部材を本体部の基端部に接合することが望ましい。

【0020】

（作用）使用時に流動する冷媒を内側に有する冷媒入り段付き中空ポペットバルブが製造される。

【発明の効果】

【0021】

エンジンのポペットバルブの製造方法によれば、一組の複数の専用金型から形成した傘部、首部及び軸部を有するエンジンバルブの中間部材の一形態から第２軸部と第１軸部の本体部の相対的な高さや第２軸部の軸方向長さが異なる形状の段付きエンジンバルブを自在に製造出来、段付きエンジンバルブの形状毎に専用金型群を複数組用意する必要が無く、首部と第２軸部を鍛造成形して第１軸部のみを縮径するため、首部と第２軸部も含めた中間部材の全体を棒材から縮径することに比べて中間部材を安価に形成出来、エンジンの多種多様なポペットバルブを低コストで製造することができる。

【0022】

エンジンのポペットバルブの製造方法によれば、傘部底面の孔あけ作業とキャップの接合による封止作業が不要になり、高コストで精度の高いキャップの接合作業やバルブ底面のキャップ接合部の仕上がり精度を高める切削作業が不要になることでエンジンの中空ポペットバルブを低コストで製造出来る。また、複数の転造ローラが小外径の細軸部と小内径の第１中空部を同時に形成することで、長軸のエンジンの中空ポペットバルブを少ない工程で低コストに製造出来る。また、従来のように傘部側から複数回の穴開けすることで内径の異なる第１の中空部と第２中空部を連続して形成すると接続部分に段差が出来て応力集中が発生するが、本願の製造方法によれば、塑性変形によって形成される縮径部が凹型湾曲面となり、第１中空部及び第２中空部を滑らかに接続するため、接続部分に発生する応力集中が緩和される。

【0023】

この製造方法で製造されたエンジンのポペットバルブによれば、高温の燃焼室にさらされるバルブの第２軸部の強度が太軸に形成されて保持された状態で、第２軸部、首部及び傘部の内側に設けた第２中空部の容積が拡大して高温にさらされる部位の冷媒装填量が増加して熱伝達の許容量が増加することで燃焼室から冷媒への熱伝達が円滑に行われ、バルブの高速振動時に一定内径を有する第２中空部内でバルブの軸方向に振られることで冷媒が第２中空部の内壁に残留しにくくなり、縮径部を介して第１中空部との間の円滑な移動を促進される。

【0024】

エンジンのポペットバルブの製造方法によれば、軸部を長軸化しつつ高温にさらされる部位を厚肉に維持することで第２軸部そのものの熱伝達の許容量が増えて燃焼室から冷媒への熱伝達性が向上することで製造されたエンジンの中空ポペットバルブによる冷却効果が更に向上する。

【0025】

エンジンのポペットバルブの製造方法によれば、バルブの開閉動作時に段差部及び第２軸部をシリンダヘッドのバルブガイド開口部に干渉させることなく第２中空部の容積及び第２軸部の肉厚を大きく出来るため、燃焼室から冷媒への熱伝達性が更に向上したエンジンの中空ポペットバルブを製造出来る。

【0026】

エンジンのポペットバルブの製造方法によれば、冷媒により段付きポペットバルブにおける冷却効果が期待される。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】転造工程を含むエンジンのポペットバルブの製造方法の第１実施例に関する製造工程の説明図で、（ａ）は、バルブの素材となる中実丸棒を示し、（ｂ）は、バルブの第１軸部、第２軸部、首部及び傘部を形成するための中間部材を形成する鍛造工程を示し、（ｃ）は、中間部材に中間中空部を形成する孔あけ工程を示し、（ｄ）は、中間中空部に超硬金属棒を挿入する挿入工程を示し、（ｅ）は、中間軸部の基端部側から縮径して第１及び第２軸部を形成する転造工程を示し、（ｆ）は、超硬金属棒を抜き取った中間部材に冷媒を装填して軸端部を接合する接合工程を示す。

【図2】第１実施例の製造方法で製造したエンジンのポペットバルブの軸方向断面図。

【図2A】ロータリースウェージング工程を含むエンジンのポペットバルブの製造方法の第２実施例に関する製造工程の説明図で、（ａ）は、バルブの素材となる中実丸棒を示し、（ｂ）は、バルブの第１軸部、第２軸部、首部及び傘部を形成するための中間部材を形成する鍛造工程を示し、（ｃ）は、中間軸部の基端部側から縮径して第１及び第２軸部を形成するロータリースウェージング工程を示し、（ｄ）は、（ｃ）図をＩ－Ｉ部分で切断した断面図を示し、（ｅ）は、中間部材に中間中空部を形成する孔あけ工程を示し、（ｆ）は、中間部材に冷媒を装填して軸端部を接合する接合工程を示す。

【図3】シリンダヘッドに設置された第１実施例の製造方法によるエンジンのポペットバルブの縦方向断面図。

【図4】第１実施例の排気用中空ポペットバルブ測温結果を示すグラフであり、（ａ）は、バルブ底面中央に関するグラフ、（ｂ）は、バルブ首部に関するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

図１により縮径工程に転造工程を採用したエンジンの冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法の第１実施例を説明する。図１においては、エンジンの中空ポペットバルブの傘部２４側を先端側とし、第１軸部２５側を基端側として説明する。

【0029】

図１（ａ）の金属丸棒１は、高い耐熱性を有するＳＵＨ３５（クロムとシリコン、炭素をベースにしたマルテンサイト系の高耐熱鋼）のような耐熱合金等からなる棒材から形成される。金属丸棒１は、鍛造工程によって図１（ｂ）に示す中間軸部３、首部２３及び傘部２４を一体化した形状の中間部材２に形成される。中間部材２は、徐々に形状が変化する複数の金型（図示せず）から金属丸棒１を順に押し出す押出鍛造または据込鍛造によって形成される。

【0030】

図１（ｂ）の中間部材２は、外径Ｄ４の円柱形状の中間軸部３と、中間軸部３の先端３ａに滑らかに連続すると共に外径が先端に向かって徐々に増径する凹型の湾曲形状を有する首部２３と、首部２３の先端部２３ａに連続すると共に基端側から先端側に末広がりとなるテーパー状のフェース部２８を外周に有する傘部２４を有するように形成される。また、中間軸部３は、必要に応じて寸切加工によって短くされ、中間軸部３と首部２３の各外周面には、粗研削処理が施される。

【0031】

中間部材２は、孔あけ工程によって図１（ｃ）に示す内径ｄ４の中間中空部６を形成される。中間中空部６は、ガンドリル７のような切削工具を中間軸部３の基端部３ｂから打ち込むことで形成され、中間軸部３は、肉厚ｔ４の円筒部位として形成される。中間中空部６は、中間部材２と同軸になるよう形成され、かつ中間軸部３、首部２３及び傘部２４の内側にかけて有底円孔形状を有するように形成される。

【0032】

中間中空部６には、挿入工程によって図１（ｄ）に示すように中間中空部６の内径ｄ４よりも小さな外径Ｄ０を有する超硬金属棒８が底部６ａまで挿入される。超硬金属棒８は、後述する縮径工程（転造工程）において複数の転造ローラから中間部材２の中心軸線Ｏに向かう方向の力を受けても縮径しない中間部材２よりも硬度の高い金属で形成される。

【0033】

尚、本実施例においては、図１（ｃ）に示す孔あけ工程と、図１（ｄ）に示す超硬金属棒８の挿入工程を省略して図１（ｅ）の転造工程を行うことによって、中実ポペットバルブを製造してもよいし、図１（ｄ）に示す超硬金属棒８の挿入工程のみを省略して図１（ｅ）の転造工程を行うことで冷媒入りの中空ポペットバルブを製造しても良い。

【0034】

図１（ｄ）に示すように超硬金属棒８を挿入された中間部材２は、縮径工程である転造工程において、図１（ｅ）に示すように中間軸部３を縮径される。転造加工機９は、複数の同形状の転造ローラ（９ａ、９ａ）とモーター（９ｂ、９ｂ）を有し、転造ローラ（９ａ，９ａ）は、それぞれモーター（９ｂ、９ｂ）によって互いに平行となる回転軸（Ｏ１，Ｏ１）周りに回動する。転造ローラ（９ａ、９ａ）は、軸材の圧縮面である円柱外周面（９ｃ、９ｃ）と、軸材導入面（９ｄ，９ｄ）をそれぞれ有する。軸材導入面（９ｄ，９ｄ）は、基端部（９ｆ、９ｆ）から先端部（９ｅ、９ｅ）方向に先細りとなる先窄まりの凹型湾曲面形状をそれぞれ有し、基端部（９ｆ、９ｆ）は、円柱外周面（９ｃ、９ｃ）の先端に連続する。尚、本実施例において、軸材導入面（９ｄ、９ｄ）は、凹型湾曲面形状の替わりに先窄まりのテーパー形状を有するように形成されても良い。また、転造加工機９の複数の転造ローラ９ａとモーター９ｂは、２組設けられているが、転造ローラ９ａとモーター９ｂは、中心軸線Ｏに直行する方向に中間部材２を抜け止めして振動の少ない縮径を行う観点から少なくとも３組設けられることがより望ましい。

【0035】

図１（ｅ）に示す複数の転造ローラ（９ａ，９ａ）は、円柱外周面（９ｃ、９ｃ）の外周間隔をＤ３とした場合、超硬金属棒８の外径Ｄ０と中間軸部３の肉厚ｔ４との関係において、Ｄ３≦Ｄ０+２×ｔ４となるように配置される。外周間隔Ｄ３がＤ３＝Ｄ０+２×ｔ４である場合、中間軸部３は、複数の転造ローラ（９ａ，９ａ）に押し込まれることにより、肉厚ｔ４を保ちつつ超硬金属棒８の全周に接するまで縮径され、外周間隔Ｄ３がＤ３＜Ｄ０+２×ｔ４である場合、中間軸部３は、複数の転造ローラ（９ａ，９ａ）に押しこまれて超硬金属棒８に押し付けられることにより、肉厚ｔ４よりも薄い肉厚ｔ３に縮径されるとともに中心軸線Ｏに沿って基端部方向に引き延ばされて、より軸長の長いバルブに形成される。本実施例においては、一例としてＤ３＜Ｄ０+２×ｔ４となるように転造ローラ（９ａ，９ａ）を配置している。

【0036】

本実施例の転造工程において、図１（ｄ）の中間部材２は、図１（ｅ）の符号ｄｅ１方向に回転しつつ超硬金属棒８と共に中間軸部３の基端部３ｂを軸材導入面（９ｄ、９ｄ）側から符号ｄｅ２方向（中間部材２に対して逆回転となる方向）に回転する転造ローラ（９ａ，９ａ）の間に押し込まれる。図１（ｄ）及び（ｅ）に示すように、押し込まれた中間軸部３の基端部３ｂ側は、転造ローラ（９ａ，９ａ）の円柱外周面（９ｃ、９ｃ）と超硬金属棒８との間で中心軸線Ｏに直交する方向の圧縮力を受けて外径をＤ４からＤ３まで縮径され、中間中空部６の内径をｄ４からＤ０まで縮径され、肉厚をｔ４からｔ３まで薄くされ、かつ軸長を基端部側に引き延ばされる。

【0037】

その結果、図１（ｅ）に示すように中間軸部３の基端部３ｂ側の部位は、外径Ｄ３、肉厚ｔ３に形成されて内側に内径Ｄ０の第１中空部３０を備える（後述する第１軸部２５の）本体部２５ａとして形成される。本体部２５ａの先端側には、転造ローラ（９ａ，９ａ）の軸材導入面（９ｄ、９ｄ）により、内側に縮径部３１を備える段差部２６が連続して形成される。

【0038】

転造ローラ（９ａ，９ａ）の軸材導入面（９ｄ、９ｄ）が図１（ｅ）に示すような凹型の湾曲面として形成された場合、段差部２６は、先端側から基端側に縮径する凸型の湾曲部として形成され、縮径部３１は、先端側から基端側に縮径する凹型の湾曲部として形成される。転造ローラ（９ａ，９ａ）によって縮径されない中間軸部３の残部は、内側に内径ｄ４の第２中空部３２を形成された第２軸部２７として形成される。このようにして中間軸部３は、転造工程によって第１軸部２５の本体部２５ａ、段差部２６及び第２軸部２７として形成される。

【0039】

本実施例によれば、本体部２５ａと第２軸部２７は、凸型湾曲形状の段差部２６を介して湾曲状に滑らかに接続され、その内側の第１中空部３０と第２中空部３２もまた、凹側湾曲形状の縮径部３１を介して湾曲状に滑らかに接続されることにより、接続部分に発生する応力集中が緩和され、後述する冷媒の滑らかな流動が促進される。

【0040】

図１（ｅ）に示すように厚肉かつ大外径を有するように形成された第２軸部２７は、先端側から基端側に先細りの凸型湾曲形状を有する段差部２６を介して薄肉かつ小外径を有する第１軸部２５の本体部２５ａに一体化される。第２軸部２７の先端部２７ａは、首部２３に滑らかに接続する。中間中空部６は、転造工程によって第１中空部３０，縮径部３１及び第２中空部３２を有する中空部２９として形成される。第２中空部３２は、第２軸部２７，首部２３及び傘部２４の内側にかけて底部３２ａを有する有底円筒形状に形成され、大内径の第２中空部３２は、先端側から基端側に先細りとなる縮径部３１を介して小内径の第１中空部３０に滑らかに連続する。

【0041】

図１（ｆ）に示すように、接合工程においては、超硬金属棒８が中空部２９から引き抜かれ、本体部２５ａの基端部２５ｃには、中空部２９の一部領域に金属ナトリウム等の冷媒３４が装填された状態で軸端部材２５ｂが接合される。軸端部材２５ｂは、ＳＵＨ１１（クロムとシリコン、炭素をベースにしたマルテンサイト系の耐熱鋼であって、ＳＵＨ３５より耐熱性の低いもの）等の耐熱合金等からなる外径Ｄ３の中実棒材によって形成され、抵抗溶接等によって先端部２５ｄを本体部２５ａに軸接合される。本体部２５ａは、軸端部材２５ｂと共に第１軸部２５を形成し、エンジンの中空ポペットバルブ２１の軸部２２は、第１軸部２５，段差部２６及び第２軸部２７によって構成される。図２に示す中空ポペットバルブ２１は、接合工程において、首部２３及び傘部２４に一体に形成された本体部２５ａに軸端部材２５ｂを接合することで形成される。接合工程後の中空ポペットバルブ２１は、軸端部材２５ｂにコッタ溝２５ｅを設けられた上で必要な焼鈍処理、研削処理、窒化処理などを施される。

【0042】

次に、図２Ａにより縮径工程にロータリースウェージング工程を採用した冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法の第２実施例を説明する。図２Ａにおいては、エンジンの中空ポペットバルブの傘部５４側を先端側とし、軸部５２側を基端側として説明する。

【0043】

図２Ａ（ａ）の金属丸棒４１は、高い耐熱性を有するＳＵＨ３５（クロムとシリコン、炭素をベースにしたマルテンサイト系の高耐熱鋼）のような耐熱合金等からなる棒材から形成される。金属丸棒４１は、鍛造工程によって図２Ａ（ｂ）に示す中間軸部４３、首部５３及び傘部５４を一体化した形状の中間部材４２に形成される。中間部材４２は、徐々に形状が変化する複数の金型（図示せず）から金属丸棒４１を順に押し出す押出鍛造または据込鍛造によって形成される。

【0044】

図２Ａ（ｂ）の中間部材４２は、外径Ｄ６の円柱形状の中間軸部４３と、中間軸部４３の先端４３ａに滑らかに連続すると共に外径が先端に向かって徐々に増径する凹型の湾曲形状を有する首部５３と、首部５３の先端部５３ａに連続すると共に基端側から先端側に末広がりとなるテーパー状のフェース部５８を外周に有する傘部５４を有するように形成される。また、中間軸部４３は、必要に応じて寸切加工によって短くされ、中間軸部４３と首部５３の各外周面には、粗研削処理が施される。

【0045】

図２Ａ（ｂ）の中間部材４２は、縮径工程であるロータリースウェージング工程において、図２Ａ（ｃ）及び（ｄ）に示すように中間軸部４３を縮径される。ロータリースウェージング加工機４９は、挿入される中間軸部４３の中心軸線Ｏ２の周囲において、等分複数箇所に配置される同形状のダイス４４ａを有する。各ダイス４４ａは、図２Ａ（ｄ）に示すように丸棒形状の中間軸部４３の半径方向内側に凹型となる凹曲外周面４４ｂ（軸材の圧縮面）と、基端部４４ｅから先端部４４ｄ方向に末広がりとなる凹型湾曲面からなる軸材導入面４４ｃをそれぞれ有する。各軸材導入面４４ｃの基端部４４ｅは、凹曲外周面４４ｂの先端に連続する。尚、第２実施例の各軸材導入面４４ｃは、先端に向かって末広がりのテーパー状に形成されても良い。また、第２実施例において一例として４つ設けられているダイス４４ａは、複数であれば２つでも良いが、中間部材４２の半径方向に偏りの無い力を与えるという観点から、３つ以上設けられることが望ましい。

【0046】

図２Ａ（ｃ）（ｄ）に示すように複数のダイス４４ａは、挿入される中間軸部４３の中心軸線Ｏ２から半径方向に沿って内外に同期して往復揺動するように構成され、接触する中間軸部４３に半径方向内向きの圧縮力を付加する。

【0047】

第２実施例のロータリースウェージング工程において、図２Ａ（ｂ）の中間部材４２は、図２Ａ（ｃ）（ｄ）の符号ｄｅ３方向に回転しつつ、中間軸部４３の基端部４３ｂを軸材導入面４４ｃ側から複数のダイス４４ａの間に押し込まれる。図２Ａ（ｃ）及び（ｄ）に示すように、押し込まれた中間軸部４３の基端部４３ｂ側は、符号ｄｅ４、ｄｅ５方向に往復揺動する４つのダイス４４ａの間で中心軸線Ｏ２に直交する方向の圧縮力を受けて外径をＤ６からＤ５まで縮径されて軸長を基端部側に引き延ばされる。尚、ロータリースウェージング工程においては、中間部材４２を回転させずに４つのダイス４４ａを中心軸線Ｏ２周りに同期回転させても良いし、ｄｅ３方向に回転する中間部材よりも高速でｄｅ３と同方向（ｄｅ３’方向）に４つのダイス４４ａを同期回転させてもよい。

【0048】

その結果、図２Ａ（ｃ）に示すように中間軸部４３の基端部５３ｂ側の部位は、外径Ｄ５を有する第１軸部５５の本体部５５ａとして形成される。本体部５５ａの先端側には、各ダイス４４ａの軸材導入面４４ｃにより、凸型湾曲部からなる段差部５６が連続して形成される。本体部５５ａと第２軸部５７は、凸型湾曲形状の段差部５６を介して湾曲状に滑らかに接続されることにより、接続部分に発生する応力集中が緩和される。

【0049】

各ダイス４４ａの軸材導入面４４ｃが図２Ａ（ｃ）に示すような凹型の湾曲面として形成された場合、段差部５６は、先端側から基端側に縮径する凸型の湾曲部として形成され、湾曲面状の接続部を介して本体部５５ａに滑らかに接続される。各ダイス４４ａによって縮径されない中間軸部４３の残部は、第２軸部５７として形成され、第２軸部５７は、湾曲面状の接続部を介して段差部５６に滑らかに接続される。このようにして中間軸部４３は、ロータリースウェージング工程によって第１軸部５５の本体部５５ａ、段差部５６及び第２軸部５７として形成される。

【0050】

図２Ａ（ｃ）に示すように第１軸部５５、段差部５６及び第２軸部５７を形成された中間部材４２は、孔あけ工程によって図２Ａ（ｅ）に示す内径ｄ５の中空部４６を形成される。中空部４６は、ガンドリル４７のような切削工具を本体部５５ａの基端部５５ｃから打ち込むことで中間部材４２と同軸になるように形成され、かつ本体部５５ａ、首部５３及び傘部５４の内側にかけて底部５４ａを有する有底円孔形状を有するように形成される。

【0051】

図２Ａ（ｆ）に示すように、接合工程において、本体部５５ａの基端部５５ｃには、中空部４６の一部領域に金属ナトリウム等の冷媒３４が装填された状態で軸端部５５ｂが接合される。軸端部５５ｂは、ＳＵＨ１１（クロムとシリコン、炭素をベースにしたマルテンサイト系の耐熱鋼であって、ＳＵＨ３５より耐熱性の低いもの）等の耐熱合金等からなる外径Ｄ５の中実棒材によって形成され、抵抗溶接等によって先端部５５ｄを本体部５５ａに軸接合される。本体部５５ａは、軸端部５５ｂと共に第１軸部５５を形成し、エンジンのポペットバルブ５１の軸部５２は、第１軸部５５，段差部５６及び第２軸部５７によって構成される。エンジンのポペットバルブ５１は、接合工程において、首部５３及び傘部５４に一体に形成された本体部５５ａに軸端部５５ｂを接合することで形成される。接合工程後のエンジンのポペットバルブ５１は、軸端部５５ｂにコッタ溝５５ｅを設けられた上で必要な焼鈍処理、研削処理、窒化処理などを施される。

【0052】

尚、第１実施例の製造方法においては、図１（ｅ）に示す転造工程の代わりに図２Ａ（ｃ）に示す第２実施例のロータリースウェージング工程を採用しても良いし、第２実施例の製造方法においては、図２Ａ（ｃ）に示すロータリースウェージング工程の代わりに図１（ｄ）に示す第１実施例の転造方法を採用しても良い。また、第２実施例においては、図２Ａ（ｅ）に示す穴あけ工程を省略することで中実のポペットバルブを形成しても良い。

【0053】

尚、図３は、シリンダヘッド６０に設置され、排気に基づく開閉時に燃焼室６１と排気通路６２の間を進退する、第１実施例の製造方法で製造されたエンジンの中空のポペットバルブ２１を示している。無論シリンダヘッド６０には、第２実施例の中空のポペットバルブ５１を採用しても良いし、ポペットバルブ（２１、５１）は、吸気バルブとして使用してもよい。シリンダヘッド６０には、バルブガイド６０ａと燃焼室６１に向かって開口する排気通路６２が設けられている。バルブガイド６０ａには、中空ポペットバルブ２１の軸部２２が摺接するバルブ挿通孔６０ｂが設けられ、バルブ挿通孔６０ｂの先端は、排気通路６２に開口する。バルブ挿通孔６０ｂには、バルブスプリング６３によって閉弁方向（バルブの先端から基端方向）に付勢された中空ポペットバルブ２１の軸部２２が保持されて先後に進退する。中空ポペットバルブ２１は、開弁時において中心軸線Ｏに沿って先端方向にスライドし、閉弁時において傘部２４のフェース部２８がバルブスプリング６３の付勢力によって排気通路６２の開口周縁部に形成されたシリンダヘッド６０のシート部６４のシート面６４ａに当接するように形成される。

【0054】

第１実施例のエンジンのポペットバルブの製造方法によれば、図１（ｃ）の孔あけ工程において、冷媒３４を装填する中空部２９の形成に必要な孔あけ作業を傘部の底面側から行わないことで孔あけ回数が複数回から１回に減少する。また、第１及び第２実施例の製造方法によれば、傘部（２４、５４）の底部（２４ａ、５４ａ）の孔あけ作業とキャップの接合による封止作業が不要になるため、高コストで精度の高いキャップの接合作業やバルブ底面のキャップ接合部の仕上がり精度を高める切削作業によって底部２４ａの強度を維持する作業が不要になることでエンジンのポペットバルブを低コストで製造出来る。

【0055】

また、第１実施例の製造方法によれば、複数の転造ローラ（２９ａ，２９ａ）が、小外径Ｄ３を有する細軸の第１軸部２５と小内径Ｄ０を有する第１中空部３０を同時に形成し、細軸化で余分になった素材を伸ばして軸長を長くすることにより、素材の無駄がなく、細軸である第１軸部２５の研磨回数が減ることにより、長軸のポペットバルブを少ない工程で低コストに製造出来る。

【0056】

一方、第１及び第２実施例の製造方法によれば、第２軸部（２７，５７）や、首部（２３，５３）を鍛造で形成し、転造加工またはロータリースウェージング加工を第１軸部（２５，５５）の本体部（２５ａ，５５ａ）のみに施し、第２軸部（２７，５７）や首部（２３，５３）まで施さないため、首部（２３，５３）と第２軸部（２７，５７）も含めた中間部材（２，４２）の全体を外径の大きな棒材から縮径して形成することに比べて中間部材（２，４２）を安価に形成出来、ポペットバルブを低コストに製造出来る。

【0057】

また、第１実施例の製造方法によれば、図１（ｅ）の転造工程において、中間軸部３の一部を基端部３ｂ側から縮径することにより、傘部２４の底部２４ａに孔を空けることなく、冷媒３４を装填するための内径の大きな第２中空部３２を燃焼室内で高温にさらされる第２軸部２７、首部２３及び傘部２４の内側にかけて形成できると共に、先細りの縮径部３１を介して細軸で軽量な第１軸部２５の内側に形成された第１中空部３０に滑らかに一体化した中空ポペットバルブ２１を製造出来る。

【0058】

更に第１実施例のエンジンのポペットバルブの製造方法によれば、図２に示すようにエンジンの燃焼室及び排気通路の高温の排気ガスにさらされる第２軸部２７、首部２３及び傘部２４の内側に設けた第２中空部３２の内径ｄ４を第１中空部３０の内径Ｄ０よりも大きくし、高温にさらされる第２軸部２７の熱伝達の許容量を拡大しつつ第２中空部３２の容積を拡大して冷媒３４の装填量を増加させたことで図３の燃焼室６１及び排気通路６２の排気ガスから冷媒３４への熱伝達が円滑に行われるエンジンの中空ポペットバルブ２１を製造できる。また、第２中空部３２の内側で熱伝達を受けた冷媒３４は、バルブの中心軸線Ｏに沿って先後に振られる際に第１及び第２中空部（３０，３２）を滑らかに接続するテーパー形状または凹側湾曲面形状に形成された縮径部３１によって第１中空部３０との間の円滑な移動を促進されるため、冷媒３４から軸部２２への熱伝達性が向上した中空ポペットバルブ２１を製造出来る。中空ポペットバルブ２１によれば、傘部２４と軸部２２との間の冷媒３４の移動効率が向上することにより、エンジンの低中速回転時においても従来の傘中空バルブと同等以上の冷却効果を発揮する。

【0059】

更に、第１実施例のエンジンの中空ポペットバルブの製造方法によれば、第２軸部２７の肉厚ｔ４が、第１軸部２５の肉厚ｔ３よりも厚肉に（つまりｔ４＞ｔ３となるように）形成されるため、第２軸部２７のそのものの熱伝達の許容量が増加することで燃焼室及び排気通路の排気ガスから冷媒３４への熱伝達性が更に向上することでバルブによる冷却効果が向上する中空ポペットバルブ２１を製造出来る。

【0060】

尚、第１実施例のエンジンのポペットバルブの製造方法においては、第２軸部を別途縮径しつつ基端部方向に引き延ばすこと等で薄肉化することで第２軸部２７を第１軸部２５よりも薄肉に形成（ｔ４＜ｔ３とする）しても良いし、第１軸部２５と第２軸部２７の肉厚を一致（ｔ４＝ｔ３とする）させてもよい。

【0061】

尚、第１実施例の転造工程（第２実施例のロータリースウェージング工程においても同様）においては、図３に示すように段差部２６の基端部２６ａ（第２実施例においては、図２Ａ（ｅ）に示す段差部５６の基端部５６ａ）からフェース部２８の先端部２８ａまでの中心軸線Ｏに沿った方向の長さＬ１が、シリンダヘッド６０のバルブガイド開口部６０ｃの最先端部６０ｄからシート部６４の先端部６４ｂまでの軸方向長さＬ２よりも短くなるように中間部材２を加工することが望ましい。

【0062】

ポペットバルブ２１（及びポペットバルブ５１）がこのように形成された場合、図３に示すように段差部２６の基端部２６ａは、弁閉時においてシリンダヘッドのバルブガイド開口部の最先端部６０ｄよりも下に位置するため、排気時におけるポペットバルブ２１の開閉動作時に段差部２６及び第２軸部２７がシリンダヘッド６０のバルブガイド開口部６０ｃに干渉しない。その結果、ポペットバルブ２１においては、第２中空部３２の容積及び第２軸部２７の肉厚ｔ４を更に大きく出来るため、燃焼室から冷媒への熱伝達性が更に向上する。

【0063】

図４（ａ）（ｂ）により、熱電対法によって測定した第１実施例の製造方法で製造した冷媒入り中空ポペットバルブ２１（図２を参照）を使用したエンジンの回転数に対するバルブの傘部２４の底面２４ｂの中央と首部２３の温度を説明する。図４（ａ）は、バルブの底面２４ｂの中央に関するグラフであり、図４（ｂ）は、バルブの首部２３に関するグラフである。各図の横軸はバルブの回転数（ｒｐｍ）、縦軸は温度（℃）を示し、三角のラインが特許文献１のような従来の冷媒入り傘中空バルブの温度を示し、四角のラインが本実施例による冷媒入り中空バルブの温度を示すものである。

【0064】

図４（ａ）によると本実施例における冷媒入り中空バルブの傘部の底面温度は、エンジンの回転数が約３５００ｒｐｍのときに従来の冷媒入り傘中空バルブと同等の温度となる。また、本実施例による中空バルブ底面温度は、エンジンが約３５００ｒｐｍを越えて高速回転すると、従来の傘中空バルブよりもやや高温になるが、エンジンが３５００ｒｐｍ以下の回転数で低中速回転をすると、従来の傘中空バルブよりも低く抑えられる。

【0065】

また、図４（ｂ）によると本実施例によるエンジンバルブの首部温度は、エンジンの回転数が３０００ｒｐｍのときに従来の傘中空バルブと同等の温度となる。また、本実施例によるエンジンバルブの首部温度は、エンジンの回転数が約３０００ｒｐｍを越えて高速回転すると従来の傘中空バルブよりもやや高温になるが、エンジンが３０００ｒｐｍ以下の回転数で低中速回転をすると、本実施例による中空バルブの首部温度は、従来の傘中空バルブよりも低く抑えられる。

【0066】

このように、図４（ａ）（ｂ）の測定結果から従来の冷媒入り傘中空バルブは、エンジンの高速回転時に優れた冷却効果を発揮するが、本実施例の製造方法によって製造されたエンジンのポペットバルブは、エンジンの低中速回転時に傘中空バルブと同等以上の優れた冷却効果を発揮することで耐ノック性が向上し、燃費改善に繋がるものと言える。

【0067】

中空バルブの冷媒として一般的に使用される金属ナトリウムは、融点が９８℃である。エンジンが低中速回転する際の燃焼室から熱を受ける冷媒入り中空バルブは、高速回転時ほど高温にならないため、従来の中空バルブの中空部内に冷媒として装填された金属ナトリウムは、燃焼室にさらされる高温の傘部や首部の内側領域から燃焼室にさらされないために温度の低い軸端部の近傍領域に移動した際に融点以下に冷却されて軸端部の近傍領域に固着することで移動を阻害され、傘部及び首部から軸部へのバルブの熱引性を悪化させるおそれがある。しかし、本実施例で製造された冷媒入り中空バルブによれば、軸端部材２５ｂに近い第１中空部３０の内径が第２中空部３２の内径よりも小さく、仮に第１中空部３０内の軸端部材２５ｂの近傍領域に固着しても固着する冷媒３４の量が少なくなって熱引性の悪化が低減されるため、エンジンが低中速回転量域で動作していてもバルブの温度が低減されるものと考えられる。

【0068】

そのため、第１実施例の製造方法で製造されたエンジンのポペットバルブは、電気自動車の駆動用モーターに使用される発電専用エンジンのような低中速回転領域でのみ動作するエンジンに使用されることで最も優れた冷却効果を発揮するものと言える。

【符号の説明】

【0069】

２ 中間部材
３ 中間軸部
３ｂ 基端部
６ 中間中空部
９ａ 転造ローラ（縮径工具）
９ｃ 円柱外周面（軸材の圧縮面）
９ｄ 軸材導入面
２１ ポペットバルブ
２２ 軸部
２３ 首部
２４ 傘部
２５ 第１軸部
２５ａ 本体部
２５ｂ 軸端部材
２５ｃ 本体部の基端部
２６ 段差部
２６ａ 基端部
２７ 第２軸部
２８ フェース部
２８ａ 先端部
３０ 第１中空部
３１ 縮径部
３２ 第２中空部
３４ 冷媒
４２ 中間部材
４３ 中間軸部
４３ｂ 基端部
４４ａ ダイス（縮径工具）
４４ｂ 凹曲外周面（軸材の圧縮面）
４４ｃ 軸材導入面
４６ 中空部
４８ 冷媒
５１ 中空ポペットバルブ
５２ 軸部
５３ 首部
５４ 傘部
５５ 第１軸部
５５ａ 本体部
５５ｂ 軸端部
５５ｃ 本体部の基端部
５６ 段差部
５６ａ 基端部
５７ 第２軸部
６０ シリンダヘッド
６０ｃ バルブガイド開口部
６０ｄ 最先端部
６４ シート部
６４ｂ 先端部
Ｄ０ 超硬金属棒の外径及び第１軸部の内径
Ｄ３ 円柱外周面の外周間隔及び第１軸部の外径
ｄ４ 中間中空部の内径
Ｌ１ 段差部の基端部からフェース部の先端部までの軸方向長さ
Ｌ２ バルブガイド開口部の最先端部からフェース部の先端部までの軸方向長さ
Ｏ、Ｏ２ 中間部材及びポペットバルブの中心軸線

【図1】

【図2】

【図2A】

【図3】

【図4】