JP2006312978A - コンロッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コラム部の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッドを得ることができる製造方法を提供すること。
【解決手段】熱間鍛造工程とバリ抜き工程と冷間コイニング工程とを含むコンロッドの製造方法である。バリ抜き工程においては、抜き穴５０を有すると共にその周囲にバリ切断刃５１を備えた抜き型５を用い、抜き型５の抜き穴５０にコンロッドを挿入してバリ２をバリ切断刃５１に当接させ、抜き穴５０を貫通突出したコンロッドの少なくともコラム部１３に対し、コラム部１３の両側のリブ１３１が開く方向に変形することを阻止するように拘束する拘束型６を当接させ、拘束型６によるコラム部１３の拘束状態を維持したまま、加圧型４によってコンロッドを押圧してバリ２をバリ切断刃５１に押しつけることにより、バリ２の切除を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、座屈強度の低下を抑制できるコンロッドの製造方法に関する。

自動車等に用いられるエンジンの部品の一つであるコンロッドは、熱間鍛造によって製造される場合が多い。一般的な製造方法としては、熱間鍛造工程、バリ抜き工程、冷間コイニング工程を行う方法がある（例えば、特許文献１）。
ところで、上記コンロッドは、周知のように大端部と小端部とこれらを繋ぐコラム部とを有するものであり、上記コラム部は、両側に配されたリブと、これらを繋ぐ幹部とよりなる断面略Ｈ型とすることが通常である。そして、コンロッドは、シリンダー内の爆発力をコンロッドの小端部側に固定されたピストンで受けた際の圧縮力に耐える必要があるため、コラム部の座屈強度を高めることが軽量化を可能にするために不可欠となる。そのため、座屈強度を向上するための研究が盛んに進められている。

また、座屈強度を高める研究が盛んに行われている一方で、製造上座屈強度が低下する要因となる問題も残っている。すなわち、実際の製造では、コラム部の断面形状が完全に対称となるコンロッドを製造することが難しいという問題である。
コラム部の断面形状が表裏対称でない場合、たとえばＨ型の両側のリブが平行でなく斜めに傾いている場合には、Ｈ断面の上部と下部で圧縮力に対する抵抗力に差異が生じてしまうため、どうしてもコラム部に曲げ歪みが生じてしまうことになる。したがって、この曲げ歪みが一定量を超えて大きくなると当然座屈現象が生じることとなり、完全対称の場合に比較して、曲げ歪みが大きく生じる分だけ座屈強度がより大きく低下してしまうことになるのである。上記の一般的な製造方法において製造したコンロッドは、コラム部に上記のような変形が生じる場合が多く、その分全体の剛性向上のために肉厚化するなどの対応策が必要となり、軽量化の妨げの１つともなっている。

特開２００３−１４７４３４号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、コラム部の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッドを得ることができる製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、素材に熱間鍛造を施して、大端部と小端部とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部とを有すると共に外周部にバリを備えたコンロッドを成形する熱間鍛造工程と、上記コンロッドの外周部に生じた上記バリを除去するバリ抜き工程と、上記大端部、上記小端部および上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含むコンロッドの製造方法において、
上記バリ抜き工程においては、抜き穴を有すると共にその周囲にバリ切断刃を備えた抜き型を用い、該抜き型の上記抜き穴に上記コンロッドを挿入して上記バリを上記バリ切断刃に当接させ、
上記抜き穴を貫通突出した上記コンロッドの少なくとも上記コラム部に対し、該コラム部の両側のリブが開く方向に変形することを阻止するように拘束する拘束型を当接させ、
該拘束型による上記コラム部の拘束状態を維持したまま、加圧型によって上記コンロッドを押圧して上記バリを上記バリ切断刃に押しつけることにより、上記バリの切除を行うことを特徴とするコンロッドの製造方法にある（請求項１）。

本発明の製造方法において注目すべき点は、上記バリ抜き工程において、上記拘束型を用い、上記コラム部の上記変形を阻止するための上記拘束型による拘束状態を維持したままバリの切除を行うことである。これにより、最終的に、コラム部の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッドを得ることができる。

すなわち、上記バリ抜き工程では、上記拘束型によって両側のリブが開かないように拘束した状態で上記バリを上記抜き型のバリ切断刃に押しつける。このとき、上記拘束型を用いない場合には、コラム部がバリ抜き時の剪断力によって引っ張られて、両側のリブが「ハ」字状に開くように変形する可能性がある。これに対し、上記拘束型によってコラム部を拘束している場合には、上記の「ハ」字状への変形を抑制することができ、バリ抜き工程直後におけるコラム部の変形を皆無に近くまたは従来よりも小さくすることができる。

上記バリ抜き工程の後に行う上記冷間コイニング工程では、上記コラム部を上記バリ抜きの方向と同じ方向に圧縮する工程である。そのため、コラム部が冷間コイニング工程を実施する前に「ハ」字状に変形していた場合には、冷間コイニングの際の圧縮力が、上記変形を増長させる方向に働き、より大きな変形を引き起こしてしまう。また、これは、冷間コイニング前の「ハ」字状への変形が大きいほど顕著となる。このような変形の増長をも、上記バリ抜き工程での変形抑制効果によって抑制することができる。
そして、これにより、上述したごとく、コラム部の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッドを得ることができるのである。

本発明においては、上記拘束型は、上記抜き型から突出した上記コラム部の両側の上記リブの先端部を収容する収容凹部を備えていることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記収容凹部に上記コラム部の先端部を収めておくことによって、その拘束を確実に行うことができる。なお、上記収容凹部としては、Ｈ型の両側のリブの先端部２つに対してそれぞれ対応するよう２つ設けることが、その変形防止効果が最も高く好ましい。一方、両側のリブの先端部２つをまとめて収容し、少なくともその外方部からの拘束効果が得られる１つの収容凹部とすることも可能である。

なお、上記収容凹部を設けない拘束方法として、非常に摩擦係数の高い表面を上記拘束型に設けることも可能である。その場合には、十分な摩擦力を確保するために十分な当接力を維持し続けるよう制御することが重要となる。そのため、上記収容凹部に頼る方が製造上合理的である。

また、上記熱間鍛造工程および上記冷間コイニング工程としては、従来一般的に行われている方法を採用することができる。また、冷間コイニング工程の前には、ショットブラスト工程を追加することもできる。
また、上記素材としては、コンロッドとして使用できるものであれば特に限定する必要はない。

（実施例１）
本発明の実施例に係るコンロッドの製造方法につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例では、図１に示すごとく、大端部１１と小端部１２とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部１３とを有するコンロッド１を製造する。コラム部１３は、同図に示すごとく、両側に配されたリブ１３１と、これらを繋ぐ幹部１３０とより構成され、上記のごとく、なる断面略Ｈ型である。
本例の製造方法は、図２に示すごとく、熱間鍛造工程Ｓ１、バリ抜き工程Ｓ２、ショットブラスト工程Ｓ３、及び冷間コイニング工程Ｓ４を含むものである。なお、ショットブラスト工程Ｓ３は、省略することも可能である。また、同図に示すごとく、冷間コイニング工程Ｓ４の後には、必要に応じて、ショットピーニング工程Ｓ５と機械加工工程Ｓ６を追加する場合もある。

まず、上記熱間鍛造工程Ｓ１は、素材に熱間鍛造を施して、大端部１１と小端部１２とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部１３とを有するコンロッド１を成形する周知の工程である。実際には、図３に示すごとく、コンロッド１の外周に、一対の鍛造型の間隙に据え込まれて形成されるバリ２が生じている。そのため、次のバリ抜き工程Ｓ２を実施する。

本例のバリ抜き工程Ｓ２では、図４（ａ）に示すごとく、抜き穴５０を有すると共にその周囲にバリ切断刃５１を備えた抜き型５を用い、抜き型５の抜き穴５０にコンロッド１を挿入してバリ２をバリ切断刃５１に当接させる。そして、抜き穴５０を貫通突出したコンロッド１のコラム部１３に対し、その幅方向の変形を阻止するように拘束する拘束型６を当接させる。

同図に示すごとく、本例の拘束型６は、抜き型５から突出したコラム部１３の両側のリブ１３１の先端部１３２をそれぞれ収容する２つの収容凹部６１を備えている。各収容凹部６１は、深さＤが１ｍｍとなるように設定してあり、図４（ｂ）に示すごとく、コラム部１３１の先端部１３２の外側面１３３及び内側面１３４に対し、凹部外側面６１３と凹部内側面６１４とが当接するようにしてある。なお、この側面の当接関係は、あらかじめ許容交差分だけクリアランスを設けておき、変形が起こった際に実際に当接するように設定することも可能である。

そして、図４（ｂ）に示すごとく、拘束型６によるコラム部１３の拘束状態を維持したまま、加圧型４によってコンロッド１を押圧する。なお、加圧型４は、バリ２を押さえるバリ押さえ部４１をスプリング４２を介して有している。そのため、コンロッド１を押圧する際には、上記バリ押さえ部４１によってバリ２を保持することができる。そして、この押圧時には、拘束型６は図示しないバネのバネ力によって必要とする拘束力を保持したまま、加圧型４の下方への移動と共に下方へ移動する。それと共に、バリ２が固定されているバリ切断刃５１に押しつけられた際にも、コラム部１３全体が下方の拘束型６へ押しつけられることとなるため、その結果、コラム部が拘束された状態のままバリ２が切除可能となる。
つまり、本例では、上記のごとく拘束型６によるコラム部１３の拘束状態を維持した状態でバリ２の切除を行うので、コラム部１３における両側のリブ１３１が「ハ」字状に開かれるように変形することを抑制することができる。

このバリ抜き工程Ｓ２を行った後、本例では酸化スケールを除去するためのショットブラスト工程Ｓ３を行い、その後、冷間コイニング工程Ｓ４を実施する。
冷間コイニング工程Ｓ４では、図５、図６に示すごとく、上下一対のコイニング型７１または７２によって、コンロッド１の大端部１１、小端部１２およびコラム部１３を挟持して圧縮荷重を加える。コイニング型としては、図５に示すごとく、コラム部１３に関してはその長手方向中央部のみに圧縮荷重を加えるコイニング型７１と、図６に示すごとく、コラム部１３の長手方向全長に圧縮荷重を加えるコイニング型７２とがある。

このような製造方法を採用することにより、本例で得られるコンロッド１は、従来よりもコラム部１３の変形が少なく、座屈強度も従来よりも向上したものとなる。
すなわち、本例では、上記のような拘束型６を用いることにより、バリ抜き工程Ｓ２においてコラム部１３がバリ抜き時の剪断力によって引っ張られて、両側のリブ１３１が「ハ」字状に変形することを十分に抑制することができるのである。
そして、バリ抜き工程Ｓ２での変形の抑制によって、その後の冷間コイニング工程Ｓ４における圧縮力による変形の増長も抑制することができる。
それ故、本例の製造方法では、コラム部１３の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッド１を得ることができるのである。

（実施例２）
本例では、実施例１の作用効果を明確にするために、複数種類の条件（試験Ｎｏ．１〜９）によってコンロッドを作製し、その変形状態および座屈強度を評価した。
本例では、素材として、Ｓ５５Ｃ（０．５５％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−０．７５％Ｍｎ）鋼を用い、基本的に上述した実施例１と同様の製造工程を実施した（図２）。

熱間鍛造工程Ｓ１は、上記素材を１２５０℃に加熱し、熱間鍛造を施して大端部１１、小端部１２、及びコラム部１３を形成した。
次いで、バリ抜き工程Ｓ２は、３種類の条件で行った。本発明の実施例としては、前述した図４に示すごとく、２つの収容凹部６１を有しその深さＤを１ｍｍとしたタイプの第１の拘束型６を用いた試験（Ｎｏ．１〜３）と、同様に２つの収容凹部６１を有するがその深さＤを０．５ｍｍとしたタイプの第２の拘束型６を用いた試験（Ｎｏ．４〜６）を行った。

また、図７（ａ）（ｂ）に示すごとく、比較例として、拘束型を全く用いない試験（Ｎｏ．７〜９）も行った。すなわち、試験Ｎｏ．７〜９では、同図に示すごとく、上記バリ抜き工程Ｓ２においては、抜き穴５０を有すると共にその周囲にバリ切断刃５１を備えた抜き型５を用い、抜き型５の抜き穴５０にコンロッド１を挿入してバリ２をバリ切断刃５１に当接させ、拘束型を用いることなく、加圧型４によってコンロッド１を押圧してバリ２をバリ切断刃５１に押しつけることにより、バリ２の切除を行った。

バリ抜き工程Ｓ２の後にはショットブラスト工程Ｓ３を実施し、その後に冷間コイニング工程Ｓ４を実施した。この冷間コイニング工程Ｓ４では、３種類の条件を採用した。第１の条件は、コイニング型７１（図５）を用いて、加工率を５％とする条件である（試験Ｎｏ．１、４、７）。この条件は、通常のコイニング方法であるので、後述する表１では加工種類を「通常」と示した。第２の条件は、コイニング型７２（図６）を用いて、加工率を１５％とする条件である（試験Ｎｏ．２、５、８）。第３の条件は、コイニング型７２（図６）を用いて、加工率を２５％とする条件である（試験Ｎｏ．３、６、９）。この第２の条件及び第３の条件は、コイニング加工によってコラム部の強度を高めることができるため、後述する表１では、加工種類を「コラム強化」と示した。なお、加工率は、リブ高さの減少率、すなわち、（１−コイニング後リブ高さ／コイニング前のリブ高さ）×１００（％）によって定めることができる。

得られた９種類のコンロッドについて、まず、その変形状態を評価した。変形状態は、図８に示すごとく、「ハ」字状となった状態を、両側のリブ１３１の傾きを示す中心線１３９のなす角度αによって評価することとした。
また、得られた９種類のコンロッドについて、座屈試験（圧縮試験）を行い、０．２％耐力を測定した。
これらの結果を表１に示す。

得られた結果は、冷間コイニングの条件ごとに評価することができる。すなわち、表１より知られるごとく、冷間加工率５％の場合には、本発明の例のうち、第１の拘束型を用いたもの（試験Ｎｏ．１）が、変形量（ハの字角度）が一番小さく、０．２％耐力が一番高かった。これに対し、比較例（試験Ｎｏ．７）の場合は、変形量（ハの字角度）が一番大きく、０．２％耐力も一番低かった。本発明の例のうち、第２の拘束型を用いたもの（試験Ｎｏ．４）は、上記２つの結果の中間の特性を示した。
また、この傾向は、冷間加工率が１５％の場合の比較（試験Ｎｏ．２、５、８）と、冷間加工率が２５％の場合の比較（試験Ｎｏ．３、６、９）においても同様である。

以上の結果から、従来の製造方法（試験Ｎｏ．７〜９）に比べて、本発明の拘束型を用いたバリ抜き工程Ｓ２を実施した製造方法（試験Ｎｏ．１〜６）は、冷間加工率ごとに評価すると、従来よりも変形量を抑制することができ、座屈強度を向上させることができることがわかる。また、試験Ｎｏ．１〜３と試験Ｎｏ．４〜５との比較から、拘束型の収容凹部は、その深さが深い方が拘束力が高くなり、より良好な結果が得られることがわかる。ただし、その深さの最適な寸法は、コンロッドの寸法サイズ等によって変化することが考えられ、実験によって最適化することが好ましいと考えられる。

実施例１における、最終製品としてのコンロッドの形状を示す（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ａ−Ａ線矢視断面拡大図。 実施例１における、製造工程を示す説明図。 実施例１における、熱間鍛造工程直後のコンロッドの形状を示す（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線矢視断面拡大図。 実施例１における、バリ抜き工程の（ａ）コンロッドを抜き型にセットした状態を示す説明図、（ｂ）バリを切除した直後の状態を示す説明図。 実施例１における、冷間コイニング工程の（ａ）コンロッドを軽加工用のコイニング型にセットした状態の説明図、（ｂ）コイニング型によってコンロッドのコラム部を挟持した状態の説明図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線矢視断面拡大図。 実施例１における、冷間コイニング工程の（ａ）コンロッドを重加工用のコイニング型にセットした状態の説明図、（ｂ）コイニング型によってコンロッドのコラム部を挟持した状態の説明図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線矢視断面拡大図。 実施例２中の比較例における、バリ抜き工程の（ａ）コンロッドを抜き型にセットした状態を示す説明図、（ｂ）バリを切除した直後の状態を示す説明図。 実施例２における、変形状態の評価方法を示す説明図。

符号の説明

１ コンロッド
１１ 大端部
１２ 小端部
１３ コラム部
１３１ リブ
２ バリ
４ 加圧型
５ 抜き型
５０ 抜き穴
５１ バリ切断刃
６ 拘束型
６１ 収容凹部

Claims (2)

1. 素材に熱間鍛造を施して、大端部と小端部とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部とを有すると共に外周部にバリを備えたコンロッドを成形する熱間鍛造工程と、上記コンロッドの外周部に生じた上記バリを除去するバリ抜き工程と、上記大端部、上記小端部および上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含むコンロッドの製造方法において、
   上記バリ抜き工程においては、抜き穴を有すると共にその周囲にバリ切断刃を備えた抜き型を用い、該抜き型の上記抜き穴に上記コンロッドを挿入して上記バリを上記バリ切断刃に当接させ、
   上記抜き穴を貫通突出した上記コンロッドの少なくとも上記コラム部に対し、該コラム部の両側のリブが開く方向に変形することを阻止するように拘束する拘束型を当接させ、
   該拘束型による上記コラム部の拘束状態を維持したまま、加圧型によって上記コンロッドを押圧して上記バリを上記バリ切断刃に押しつけることにより、上記バリの切除を行うことを特徴とするコンロッドの製造方法。
2. 請求項１において、上記拘束型は、上記抜き型から突出した上記コラム部の両側の上記リブの先端部を収容する収容凹部を備えていることを特徴とするコンロッドの製造方法。

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