JP2010179350A - クランクシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクシャフトのクランクピン部への孔部形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、孔部形成による寸法精度の低下を防止することができるクランクシャフトの製造方法を提供する。
【解決手段】分割可能な上型および下型からなる金型１０３のキャビティ形状よりも小さく成形されたクランクシャフトの予備成形品を、材料Ｍとして金型１０３のキャビティに配置する。金型１０３のキャビティは、クランクシャフトの狙い形状に対応している。 金型１０３のキャビティへの材料Ｍの配置時には、材料Ｍとキャビティとの間に隙間が存在しているが、側方成形用パンチＰを材料Ｍに挿入すると、材料Ｍに中空状の孔部が形成されるとともに、キャビティ内で材料充填が行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、クランクシャフトの製造方法に係り、特に、中空状の孔部をクランクシャフトのクランクピン部に形成する技術に関する。

内燃機関のクランクシャフトは、ジャーナル軸部を備えている。ジャーナル軸部には、それと平行なクランクピン部がアームにより連結されている。アーム部にはカウンタウェイト部が形成され、カウンタウェイト部のジャーナル軸部に対する形成位置は、クランクピン部の接続箇所の反対側である。

クランクシャフトでは、燃費向上の観点から、クランクピン部に中空状の孔部を形成して軽量化を図ることがある。クランクピン部に孔部を形成した場合でも、クランクシャフトの剛性には影響が少ないので、クランクピン部への孔部の形成は好適である。孔部の形成手法については切削加工による手法や、パイプ材でクランクピンを形成しクランクシャフト本体と接合する手法などが考えられるが、いずれの手法も、工程が複雑化し、製造コストが増大する。ここで、製造コストの低減のためには、クランクシャフト本体の成形と孔部の形成を鍛造で行うことが有効であるが、上記のようにクランクシャフトは複雑な形状であるため、従来の鍛造では、クランクシャフトの成形と同時に孔部を形成することが困難である。

すなわち、従来の鍛造では、プレスラム方向に金型の上下型が移動して被成形体を拘束し、閉塞された金型のキャビティ内に材料を充填することにより、材料の狙い形状を得ている（たとえば特許文献１）。このような鍛造によりクランクシャフトを成形する場合、クランクシャフトの金型への配置は、その軸方向がプレスラムの移動方向に対して垂直となるようにしなければならないため、孔部形成用パンチをクランクシャフトの軸方向からクランクピン部に挿入することが困難である。このため、従来の鍛造では、熱間バリだし多工程成形が一般的に用いられている。この場合、使用される金型の上下型が分割可能となるように、クランクピン部およびアーム部を中実状態とし、かつそれら部位には、型からの抜け勾配を形成している。

以上のように閉塞型構造を用いた鍛造では、クランクピン部への孔部の形成が困難であるから、孔部の形成は、鍛造および成形トリム後、クランクシャフトを閉塞空間に配置せずに行っている。

具体的には、たとえば図５で示すクランクシャフト１０に孔部１３Ａ，１３Ｂを形成する場合、図６（Ａ）に示すように、クランクピン部１３を連結する一方のアーム部１２（図５の最も右側のアーム部１２）の一面を下型１（図の斜線部）に当接させ、パンチ２を他方のアーム部１２の上面側からクランクピン部１３へ挿入する。パンチ２の挿入による孔部１３Ａ，１３Ｂの形成は独立して行うが、孔部１３Ｂの形成時、アーム部１２に隣接する部位との干渉が生じるため、パンチ２の挿入は、クランクピン部１３に斜め方向（図５の破線矢印方向）から行う。この場合、アーム部１２（図５の最も右側のアーム部１２）の一面における下型１との当接部には、その跡が残る場合がある。

特開２００３−３４３５９２号公報

しかしながら、図６（Ａ）に示す手法では、図６（Ｂ）に示すように、クランクピン部１３の径方向（矢印方向）はフリーであるため、クランクピン部１３に孔部１３Ａ，１３Ｂを形成すると、寸法精度が低下してしまう。具体的には、クランクピン部１３では、孔部１３Ａ，１３Ｂの開口端面においてクランクピン部１３の軸方向に面ヒケが発生し、クランクピン部１３の径方向（図の矢印方向）に材料が拡がってしまう。このため、アーム部１２のカウンタウェイト部外周部に複数の孔部（図示略）を形成する等して、バランス補正を行う必要がある。

そこで、予め上下分割型に適用可能な形状に成形された予備成形体を被成形体として用い、プレスラムの移動方向に対して垂直方向に移動する鍛造装置を利用してコイニングを行うことが考えられる。しかしながら、この側方成形の技術では、孔部形成による寸法精度の向上を図ることができなかった。

したがって、本発明は、クランクピン部への孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、孔部形成による寸法精度の低下を防止することができるクランクシャフトの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のクランクシャフトの製造方法は、クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、クランクシャフトの予備成形品を配置して予備成形品を鍛造し、予備成形では、クランクシャフトの予備成形品の形状をキャビティの形状よりも小さく成形し、鍛造では、クランクピン部にパンチを挿入することにより、クランクピン部に孔部を形成するとともに、キャビティ内に予備成形品の材料を充填することを特徴としている。

本発明のクランクシャフトの製造方法では、分割可能な上型および下型からなる金型を用いてクランクシャフトの予備成形品に鍛造を行う。この場合、クランクシャフトの予備成形品は、鍛造で使用する上記金型のキャビティの形状よりも小さく成形されたものである。鍛造では、クランクピン部へのパンチの挿入により、金型内に成形品の材料を充填するので、金型のキャビティをクランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定することにより、鍛造によりクランクシャフトの狙い形状を得ることができる。その結果、クランクピン部への中空状の孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、上記のように閉塞空間内で鍛造を行うことによりクランクシャフトの寸法精度を向上させることができるので、カウンタウェイト部への複数の孔部の形成を行う等のバランス補正が不要となる。

また、一般的な機械加工により孔部を形成すると、孔部の開口角部がエッジ状をなすことから、その部位への応力集中を回避するためにハンドワーク等により仕上げ工程を別途行うがあるが、本発明のクランクシャフトの製造方法では、鍛造時の材料の変形抵抗により孔部の開口角部が湾曲形状をなすので、従来技術の仕上げ工程を行う必要がない。

本発明のクランクシャフトの製造方法は種々の構成を用いることができる。たとえば鍛造では、金型内での成形圧に応じて、上型が開放方向へ移動することができる。この態様では、鍛造時に予備成形品の材料体積が設定値より大きい場合、金型内での成形圧に応じて、上型が開放方向へ移動することができるので、上記のような場合でも、クランクシャフトの最終狙い形状を得ることができる。

本発明のクランクシャフトの製造方法によれば、クランクピン部への孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、孔部形成による寸法精度の低下を防止することができる等の効果を得ることができる。

本発明に係る一実施形態のクランクシャフト製造方法で使用する鍛造装置の動作を説明するための概念図である。 本発明に係る一実施形態のクランクシャフト製造方法を説明するための概念図である。 実験例および比較実験例の孔部形成面の寸法を説明するための図である。 比較実験例の孔部形成手法を説明するための図である。 クランクピン部への孔部形成の従来手法を説明するための図である。 （Ａ），（Ｂ）は、クランクピン部への孔部形成の従来手法の問題点を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る一実施形態のクランクシャフト製造方法で使用する鍛造装置１００の動作を説明するための概念図である。図１では、鍛造装置１００の各部位（特に金型１０３）の図示を簡略化している。

鍛造装置１００は、たとえばプレスボルスタ１０１を備え、プレスボルスタ１０１上に、プレスラム１０２が支持されている。プレスボルスタ１０１とプレスラム１０２との間に金型１０３が配置されている。

金型１０３は、下型１０３Ａ、上型１０３Ｂ、および、側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐを備えている。上型１０３Ｂは、下型１０３Ａに対して移動可能に設けられている。図２中の符号１０４は、上型１０３Ｂへの初期荷重を調整する荷重調整部（油圧手段やエア圧手段等）である。金型１０３には、材料Ｍが配置される。上型１０３Ｂは、材料Ｍの体積が設定値より大きい場合、金型１０３内での成形圧に応じて、開放方向（上方向）へ移動する。

側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐは、上型１０３Ｂの移動方向に対して垂直方向に移動可能に設けられている。側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐは、金型１０３の側部に形成されたパンチ用孔（図示略）を通じて、金型１０３の内部に対して挿脱可能となっている。側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐは、プレスラム１０２の移動に連動して金型１０３の内部へ移動させるカム機構１１１，１１２を備えている。カム機構１１１，１１２は、カム１１１ｃ，１１２ｃ、および、カム１１１ｃ，１１２ｃを駆動するカムドライバ１１１ｄ、１１２ｄを備えている。

カム１１１ｃ，１１２ｃの金型１０３内部側の側面には、側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐが設けられている。カム１１１ｃ，１１２ｃの金型１０３外部側の側面は傾斜面である。カムドライバ１１１ｄ、１１２ｄの下面は、初期状態においてカム１１１ｃ，１１２ｃの傾斜面に対して所定間隔をおいて配置される傾斜面である。カムドライバ１１１ｄ、１１２ｄは、プレスラム１０２の下方への移動に伴って下降し、カムドライバ１１１ｄ、１１２ｄの下面がカム１１１ｃ，１１２ｃの傾斜面に接触すると、それら傾斜面は互いに摺動する。

カム機構１１１，１１２には、退避部材１１１ｓ，１１２ｓが設けられている。プレスラム１０２の下死点での側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐによる側方成形完了後、プレスラム１０２による上死点への移動に伴い、カムドライバ１１１ｄ、１１２ｄが上昇すると、側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐは、退避部材１１１ｓ，１１２ｓにより金型１０３外部へ退避させられ、初期位置に戻る。

以上のような鍛造装置１００に材料Ｍとして、成形トリムがなされたクランクシャフトの予備成形品を配置する場合、ジャーナル軸部の軸方向がプレスラム１０２の移動方向に対して垂直となる。この場合、クランクピン部は、ジャーナル軸部と平行に配置され、クランクピン部の一面（ジャーナル軸部と垂直な面）が、側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐに対向する。クランクシャフトの予備成形品は、クランクシャフトの狙い形状よりも小さく成形され、金型１０３のキャビティは、クランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定されている。

鍛造装置１００を用いた本実施形態のクランクシャフト製造方法について、図１，２を参照して説明する。

まず、金型１０３のキャビティ内に、材料Ｍとしてクランクシャフトの予備成形品を配置する。続いて、プレスラム１０２が上死点から下方へ移動を開始すると、カムドライバ１１１ｄ、１１２ｄが、それに伴って下降し、カムドライバ１１１ｄ、１１２ｄの傾斜面が、カム１１１ｃ，１１２ｃの傾斜面に接触する。それら傾斜面は、プレスラム１０２がさらに下方へ移動すると、互いに摺動し、側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐが水平方向に沿って金型１０３内部側へ移動する。そして、側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐが予備成形品のクランクピン部に孔部を形成する。

続いて、プレスラム１０２が下死点に到達したとき、カム１１１ｃ，１１２ｃのストローク長が最大となり、側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐによる側方成形が完了する。次いで、カムドライバ１１１ｄ、１１２ｄが、プレスラム１０２の上方への移動に伴って、上昇を開始すると、カム１１１ｃ，１１２ｃは、退避部材１１１ｓ，１１２ｓにより金型１０３の外部側へ退避する。カム１１１ｃ，１１２ｃが初期位置に戻った後、離型ピンが作動することにより、孔部が形成されたクランクシャフトが離型される。

このような本実施形態の鍛造では、クランクシャフトの予備成形品を材料Ｍとして用いる場合、予めクランクシャフトの狙い形状（すなわち、金型のキャビティの形状）よりも小さく成形された予備成形品を金型１０３のキャビティに配置する。

このような予備成形品のクランクピン部に側方成形用パンチ１１１ｐ，１１２ｐを挿入することにより、クランクピン部に孔部を形成するとともに、金型１０３内に予備成形品の材料を充填することができる。図２は、本実施形態のクランクシャフト製造方法を説明するための概念図であり、１本の側方成形用パンチＰによる孔部形成を行った場合を表している。図２では、下向き矢印が、金型１０３から材料Ｍへの拘束圧方向を示し、図２の上向き矢印が、材料Ｍの充填方向を示している。図２に示すように、キャビティ形状よりも小さく成形された材料Ｍを金型１０３のキャビティに配置したときには、材料Ｍとキャビティとの間に隙間が存在しているが、側方成形用パンチＰを材料Ｍに挿入することにより、材料充填を行うことができる。

以上のように本実施形態の鍛造では、金型１０３のキャビティ内に材料充填を行うことができるので、金型１０３のキャビティをクランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定することにより、鍛造によりクランクシャフトの狙い形状を得ることができる。その結果、クランクピン部への孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、上記のように閉塞空間内で鍛造を行うことによりクランクシャフトの寸法精度を向上させることができるので、カウンタウェイト部への複数の孔部の形成を行う等のバランス補正が不要となる。また、鍛造時の材料の変形抵抗により孔部の開口角部が湾曲形状をなすので、従来技術の仕上げ工程を別途行う必要がない。

特に、予備成形品の材料体積が設定値より大きい場合、金型１０３内での成形圧に応じて、上型１０３Ｂが開放方向へ移動することができるので、この場合でも、クランクシャフトの狙い形状を得ることができる。

以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。本発明の実験例および比較実験例では、パンチを挿入することにより、図３に示すように、孔部２００Ａを素材２００に形成した。図３は、素材２００の上面図である。孔部２００Ａ形成後の素材２００の目標寸法について、幅ｗ１は７０．１ｍｍ、幅ｗ２は５０．２ｍｍに設定した。

本発明の実験例では、図２で示される本実施形態のクランクシャフトの製造方法を用いた。具体的には、最終形状よりも小さな素材２００を金型内に配置した。金型の内面の形状は、素材２００の狙い形状に対応させた。素材２００にパンチを挿入することにより、素材２００に孔部２００Ａを形成した結果、孔部形成後の素材２００の寸法について、幅ｗ１は７０．８ｍｍ（目標値との差は０．７ｍｍ）、幅ｗ２は５０．４ｍｍ（目標値との差は０．２ｍｍ）であった。また、素材２００の孔部２００Ａ近傍の端面２０１での面ヒケ（紙面垂直方向の端面２０１の高さ減少）は０．１ｍｍであった。

比較実験例では、図４に示すように、下型３００の傾斜面３０１に素材２００を配置して、素材２００にパンチ２を挿入することにより、素材２００に孔部２００Ａを形成した。比較実験例でのパンチ２の挿入では、素材２００は傾斜面３０１，３０２に押圧されるが、その被押圧部分以外の部分は、拘束しなかった。その結果、孔部形成後の素材２００の寸法について、幅ｗ１は７５．４ｍｍ（目標値との差は５．３ｍｍ）、幅ｗ２は５１．３ｍｍ（目標値との差は１．１ｍｍ）であった。また、素材２００の孔部２００Ａ近傍の端面２０１での面ヒケは２ｍｍであった。

以上のように本発明の実験例では、幅ｗ１，ｗ２および面ヒケのいずれについても、比較実験例よりも小さかった。これにより、本発明のクランクシャフトの製造方法では、孔部形成において、孔部近傍部位の寸法精度を向上および面ヒケ発生の抑制を図ることができることを確認した。

１０３…金型、１０３Ａ…下型、１０３Ｂ…上型、Ｍ…材料（クランクシャフトの予備成形品）、１１１Ｐ，１１２Ｐ，Ｐ…側方成形用パンチ（パンチ）

Claims (2)

1. クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、
   分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、前記クランクシャフトの予備成形品を配置して前記予備成形品を鍛造し、
   前記予備成形では、前記クランクシャフトの予備成形品の形状を、前記キャビティの形状よりも小さく成形し、
   前記鍛造では、前記クランクピン部にパンチを挿入することにより、前記クランクピン部に孔部を形成するとともに、前記キャビティ内に前記予備成形品の材料を充填することを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
2. 前記鍛造では、前記キャビティ内での成形圧に応じて、前記上型が開放方向へ移動することを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの製造方法。

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