JP2014098423A

JP2014098423A - コネクティングロッドの製造方法およびコネクティングロッドの半製品

Info

Publication number: JP2014098423A
Application number: JP2012249819A
Authority: JP
Inventors: Akiko Inami; 顕子稲見
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-05-29
Anticipated expiration: 2032-11-14
Also published as: JP6039375B2

Abstract

【課題】破断面における欠けの発生を抑制する。
【解決手段】大端部１４を径方向に拡張して本体部１６とキャップ部１７とに破断分割する破断分割工程に投入されるコネクティングロッドの半製品であって、大端部１４の中央部に設けられるクランクピン穴１３の内周面２４に形成され、破断分割時にき裂Ｃの発生起点となるノッチ２５と、大端部１４の両端部に設けられるボルト穴１８の内周面に形成され、破断分割時にき裂Ｃが進展して通過する段付部２３とを有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、破断分割される大端部を備えたコネクティングロッドの製造技術に関する。

エンジンには、クランク軸とピストンとを連結するコネクティングロッド(以下、コンロッドという)が組み込まれている。コンロッドの大端部にクランク軸のクランクピンを装着するため、コンロッドの大端部は本体部とキャップ部とに分割されている。一般的に、分割された本体部とキャップ部とを位置決めするため、本体部とキャップ部との間にはノックピン等が設けられている。しかしながら、ノックピンを用いて本体部とキャップ部とを位置決めすることは、コンロッドの高コスト化を招く要因となっていた。そこで、コンロッドの大端部を破断分割する所謂クラッキング製法が開発されている(特許文献１参照)。このクラッキング製法により、本体部とキャップ部との破断面に適度な凹凸を形成することができるため、ノックピンを用いることなく本体部とキャップ部とを高精度に位置決めすることが可能となる。

特開２００５−１８８７４１号公報

ところで、大端部を破断分割するクラッキング製法においては、本体部やキャップ部の破断面における品質不良の発生、つまり破断面における欠けの発生を抑制することが重要である。しかしながら、劈開破面である破断面の品質を制御すること、つまり破断面における欠けの発生を抑制することは極めて困難となっていた。

本発明の目的は、破断面における欠けの発生を抑制することにある。

本発明のコネクティングロッドの製造方法は、本体部とキャップ部とに破断分割される大端部を備えたコネクティングロッドの製造方法であって、前記大端部の中央部に設けられる大端穴の内周面に、切り欠きを形成する切り欠き加工工程と、前記大端部の両端部に設けられるボルト穴の内周面に、応力集中部を形成する応力集中部加工工程と、前記大端穴を径方向に拡張させることにより、前記切り欠きからき裂を発生させて前記大端部を破断分割する破断分割工程とを有し、前記破断分割工程において、き裂を前記切り欠きから前記応力集中部を経て進展させることを特徴とする。

本発明のコネクティングロッドの半製品は、大端部を径方向に拡張して本体部とキャップ部とに破断分割する破断分割工程に投入されるコネクティングロッドの半製品であって、前記大端部の中央部に設けられる大端穴の内周面に形成され、破断分割時にき裂の発生起点となる切り欠きと、前記大端部の両端部に設けられるボルト穴の内周面に形成され、破断分割時にき裂が進展して通過する応力集中部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、大端穴の内周面に切り欠きを形成するとともに、ボルト穴の内周面に応力集中部を形成し、大端部の破断分割時には切り欠きから応力集中部を経てき裂を進展させるようにしている。これにより、き裂のすれ違いを抑制することができ、破断面における欠けの発生を抑制することが可能となる。

(ａ)はコンロッドを示す正面図であり、(ｂ)は分解されたコンロッドを示す正面図である。コンロッドの製造工程の一例を示す説明図である。破断分割工程において使用される破断装置の一例を示す概略図である。 (ａ)および(ｂ)は破断分割工程におけるワークの加工状況を示す説明図である。 (ａ)はワークを示す正面図であり、(ｂ)は図５(ａ)のＡ−Ａ線に沿ってワークを示す断面図である。 (ａ)はワークを示す側面図であり、(ｂ)は図６(ａ)のＡ−Ａ線に沿ってワークを示す断面図である。 (ａ)〜(ｃ)は破断分割工程における大端部の破断過程を示す説明図である。図５(ａ)のＢ−Ｂ線に沿ってワークを示す断面図である。 (ａ)は段付部を有していない場合の裂け目の進展状況を示すイメージ図であり、(ｂ)は段付部を有する場合の裂け目の進展状況を示すイメージ図である。本発明の他の実施の形態であるコネクティングロッドの半製品の一部を示す断面図である。本発明の他の実施の形態であるコネクティングロッドの半製品の一部を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１(ａ)はコネクティングロッド１０(以下、コンロッドという)を示す正面図である。図１(ｂ)は分解されたコンロッド１０を示す正面図である。図１(ａ)に示すように、コンロッド１０は、ピストンピン穴１１を備える小端部１２と、クランクピン穴(大端穴)１３を備える大端部１４と、小端部１２と大端部１４とを連結するロッド部１５とを有している。小端部１２には図示しないピストンのピストンピンが組み付けられ、大端部１４には図示しないクランク軸のクランクピンが組み付けられる。また、図１(ａ)および(ｂ)に示すように、コンロッド１０の大端部１４は、本体部１６とキャップ部１７とに分割されている。クランクピンに対してコンロッド１０を組み付ける際には、分割された本体部１６とキャップ部１７とによってクランクピンを挟み込んだ後に、ボルト穴１８に挿入されるコンロッドボルト１９を用いて本体部１６にキャップ部１７が締結される。

コンロッド１０の大端部１４を分割する際には、生産性や位置決め精度を向上させるため、大端部１４の内径を拡張させて破断分割させる所謂クラッキング製法が用いられる。このクラッキング製法を用いることにより、本体部１６とキャップ部１７との破断面２０，２１に対し、適度な粗さを持った凹凸を形成することが可能となる。これにより、本体部１６に対してキャップ部１７を組み付ける際には、破断面２０，２１の凹凸を互いに噛み合わせることができ、本体部１６とキャップ部１７との位置決め精度を向上させることが可能となる。また、コンロッド１０から位置決め用のノックピン等を削減することができ、コンロッド１０の生産性を向上させることが可能となる。

次いで、コンロッド１０の製造方法について説明する。図２はコンロッド１０の製造工程の一例を示す説明図である。図２に示すように、素材鍛造工程Ｓ１では、切り出された炭素鋼材やチタン合金材に熱間鍛造等を施すことにより、小端部１２、ロッド部１５および大端部１４が一体となるワークが製造される。また、研削工程Ｓ２では、研削盤を用いて小端部１２や大端部１４の側面研削が施される。続いて、小端穴加工工程Ｓ３では、小端部１２にドリル加工やリーマ加工等を施すことにより、小端部１２にピストンピン穴１１が加工される。続く大端穴加工工程Ｓ４では、大端部１４にドリル加工やリーマ加工等を施すことにより、大端部１４の中央部にクランクピン穴１３が加工される。さらに、ボルト穴加工工程(応力集中部加工工程)Ｓ５では、大端部１４にドリル加工やリーマ加工等を施すことにより、大端部１４の両端部にボルト穴１８が加工される。このボルト穴加工工程Ｓ５においては、後述するように、ボルト穴１８の内周面２２に対して環状の段付部(応力集中部)２３が形成される。続いて、ノッチ加工工程(切り欠き加工工程)Ｓ６では、後述するように、クランクピン穴１３の内周面２４に対し、互いに対向する一対のノッチ(切り欠き)２３，２４が形成される。なお、ノッチ加工工程Ｓ６においては、切削加工や放電加工等を用いてノッチ２５，２６が形成されている。そして、破断分割工程Ｓ７では、後述する破断装置３０を用いて大端部１４の内径が拡張され、ノッチ２５，２６を起点に大端部１４が本体部１６とキャップ部１７とに破断分割される。

続くボルト締付工程Ｓ８では、コンロッドボルト１９を締め付けることにより、分割されたキャップ部１７が本体部１６に対して組み付けられる。また、仕上げ研削工程Ｓ９では、破断分割後における大端部１４の段差を除去したり、小端部１２および大端部１４の平面度や平行度を確保したりするため、研削盤を用いて小端部１２や大端部１４の側面研削が実施される。さらに、油穴加工工程Ｓ１０では、小端部１２や大端部１４にドリル加工を施すことにより、小端部１２や大端部１４に潤滑用の油穴が加工される。続いて、メタル溝加工工程Ｓ１１では、大端部１４に切削加工を施すことにより、大端部１４の内周面２４に軸受メタルを固定するメタル溝が加工される。また、ホーニング工程Ｓ１２では、ピストンピン穴１１やクランクピン穴１３の加工精度を確保するため、小端部１２や大端部１４にホーニング加工が施される。そして、洗浄工程Ｓ１３でコンロッド１０に付着する切粉等を除去した後に、検査工程Ｓ１４でコンロッド１０の完成検査が実施される。

図３は破断分割工程Ｓ７において使用される破断装置３０の一例を示す概略図である。また、図４(ａ)および(ｂ)は破断分割工程Ｓ７におけるワークＸの加工状況を示す説明図である。なお、図４(ａ)に示されるワークＸは、破断分割工程Ｓ７に投入されるワークＸであり、本発明の一実施の形態であるコネクティングロッドの半製品つまり製造過程における中間製品となっている。

図３に示すように、破断装置３０は、ベース部材３１と、これに移動自在に組み付けられる一対のスライダ３２，３３とを有している。一方のスライダ３２には、小端部１２のピストンピン穴１１に挿入される位置決めピン３４と、大端部１４のクランクピン穴１３に挿入される加圧治具３５とが設けられる。また、他方のスライダ３３には、大端部１４のクランクピン穴１３に挿入される加圧治具３６が設けられる。さらに、破断装置３０は、油圧シリンダ３７によって上下に駆動される楔３８を有している。この楔３８は、上昇して加圧治具３５，３６から離れる退避位置と、下降して加圧治具３５，３６間に挿入される加圧位置とに移動自在となっている。破断分割時には、図４(ａ)に示すように、破断装置３０のスライダ３２，３３を互いに近づけた状態のもとで、位置決めピン３４にワークＸの小端部１２を取り付け、双方の加圧治具３５，３６にワークＸの大端部１４を取り付ける。そして、図３および図４(ｂ)に黒塗りの矢印で示すように、楔３８を加圧位置に向けて下降させ、一対の加圧治具３５，３６を互いに離れる方向に移動させる。このように、加圧治具３５，３６を用いてワークＸの大端部１４の内径を拡張することにより、ノッチ２５，２６を起点に大端部１４は本体部１６とキャップ部１７とに破断分割される。すなわち、大端部１４の吸気側連結部３９はノッチ２５を起点に破断され、大端部１４の排気側連結部４０はノッチ２６を起点に破断されることになる。なお、吸気側連結部３９とは、コンロッド１０をエンジンに組み付けた際に吸気ポート側に位置する部位である。また、排気側連結部４０とは、コンロッド１０をエンジンに組み付けた際に排気ポート側に位置する部位である。

以下、破断面２０，２１における欠けの発生を抑制するためのワーク構造について説明する。図５(ａ)はワークＸを示す正面図であり、図５(ｂ)は図５(ａ)のＡ−Ａ線に沿ってワークＸを示す断面図である。また、図６(ａ)はワークＸを示す側面図であり、図６(ｂ)は図６(ａ)のＡ−Ａ線に沿ってワークＸを示す断面図である。

図５(ａ)および(ｂ)に示すように、ワークＸの大端部１４に設けられるクランクピン穴１３の内周面２４には、ノッチ２５，２６が互いに対向する位置に形成されている。これらのノッチ２５，２６は、内周面２４を幅方向に分断するように、つまり大端部１４を厚み方向に横断するように、クランクピン穴１３の内周面２４に形成されている。また、ノッチ２５とノッチ２６とは、内周面上の１８０°ずれた位置に形成されるとともに、クランクピン穴１３の中心線Ｃ１を含む平面Ｓと重なる位置に形成されている。このように、双方のノッチ２５，２６と重なる平面Ｓが、破断分割工程Ｓ７において破断される大まかな破断予定面となる。また、図示するワークＸを用いて製造されるコンロッド１０が、中心線Ｃ２に対して対称となる対称型コンロッドであることから、平面Ｓは中心線Ｃ２に対して垂直となっている。なお、図５に示す符号Ｃ３は、ピストンピン穴１１の中心線である。続いて、図６(ｂ)に示すように、ワークＸの大端部１４に設けられるボルト穴１８の内周面２２には、応力集中部として環状の段付部２３が形成されている。ボルト穴１８は、雌ねじ部５０を備える小径穴部５１と、これと同心上に配置される大径穴部５２とによって構成されている。大径穴部５２は小径穴部５１よりも大きな径寸法を有しており、小径穴部５１と大径穴部５２との境界部分が環状の段付部２３として表れている。このボルト穴１８の段付部２３は、平面Ｓの近傍に位置するように形成されている。なお、ボルト穴１８に大径穴部５２を設けることにより、コンロッドボルト１９を小径穴部５１に対して簡単に挿入することが可能となっている。つまり、ボルト穴１８の大径穴部５２は、コンロッドボルト１９のガイド部として機能している。

続いて、破断分割工程Ｓ７における大端部１４の破断過程について説明する。図７(ａ)〜(ｃ)は破断分割工程Ｓ７における大端部１４の破断過程を示す説明図である。図７(ａ)〜(ｃ)には、図４(ａ)に符号αで示した部位が図示されている。なお、図７および図８を用いて吸気側連結部３９の破断過程について説明するが、排気側連結部４０についても吸気側連結部３９と同様の破断過程で破断される。

図７(ａ)に示すように、加圧治具３５，３６を用いてワークＸの大端部１４の内径を拡張させると、き裂Ｃ(以下、裂け目という)がノッチ２５を起点に発生し、矢印Ａ１で示すように、裂け目Ｃはクランクピン穴１３の径方向外方に向けて進展する。続いて、図７(ｂ)に矢印Ａ２で示すように、裂け目Ｃは応力集中部である段付部２３に向けて進展した後に、矢印Ａ３で示すように、裂け目Ｃは段付部２３に沿ってクランクピン穴１３の径方向外方に向けて進展する。そして、図７(ｃ)に示すように、大端部１４の吸気側連結部３９は、本体部１６とキャップ部１７とに破断分割される。このように、応力が集中する段付部２３をボルト穴１８に形成することにより、裂け目Ｃを段付部２３に導くことが可能となる。これにより、裂け目Ｃを段付部２３に沿って進展させることができるため、合流する裂け目Ｃの高さ位置を一致させることができ、破断面２０，２１の欠けを抑制することが可能となる。

ここで、図８は図５(ａ)のＢ−Ｂ線に沿ってワークＸを示す断面図であり、図８には矢印を用いて裂け目の進展状況が示されている。また、図９(ａ)は段付部２３を有していない場合の裂け目の進展状況を示すイメージ図であり、図９(ｂ)は段付部２３を有する場合の裂け目の進展状況を示すイメージ図である。図８に複数の矢印で示すように、ノッチ２５から進展する裂け目は、ボルト穴１８を避けるように二手に分かれた後に、符号αで示す部位において合流している。ここで、図９(ａ)に示すように、矢印Ａ１で進展する裂け目と、矢印Ａ２で進展する裂け目との、高さ位置がずれていた場合には、符号αで示すように、すれ違う裂け目の間で材料が欠落することになる。これに対し、図９(ｂ)に示すように、応力が集中する段付部２３をボルト穴１８に形成することにより、破断分割時に進展する裂け目は破断し易い段付部２３を通過することになる。これにより、図９(ｂ)に示すように、矢印Ａ３で進展する裂け目と、矢印Ａ４で進展する裂け目との、高さ位置を一致させることができるため、材料の欠落を防止することが可能となるのである。

前述の説明では、ボルト穴１８に形成する応力集中部として、環状の段付部２３を挙げているが、これに限られることはなく、周辺部位に比べて応力が集中する形状であれば如何なる形状であっても良い。例えば、応力集中部として、環状の切り欠きを形成しても良く、ボルト穴１８の内周面２２の一部に段付部や切り欠きを形成しても良い。ここで、図１０は本発明の他の実施の形態であるコネクティングロッドの半製品(ワークＸａ)の一部を示す断面図である。図１０には図８と同様の部位が示されている。なお、図１０において、図８に示す部位と同様の部位については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１０に示すように、ワークＸａにおいては、ボルト穴１８の内周面２２の一部に対して切り欠き(応力集中部)５３が形成されている。このように、ボルト穴１８の内周面２２の一部に切り欠き５３を形成する場合には、ボルト穴１８の内周面２２におけるノッチ２５側とは反対側の部位に切り欠き５３が形成されることになる。すなわち、前述した裂け目の合流部位(図８の符号α)に対し、応力集中部である切り欠き５３を形成することにより、切り欠き５３に沿って裂け目を合流させることができるため、破断面２０，２１の欠けを抑制することが可能となる。

また、前述の説明では、破断面２０，２１の欠けを抑制するため、ボルト穴１８の内周面２２に対して段付部２３や切り欠き５３を形成しているが、更に大端部１４の幅方向の端部に切り欠き等を形成しても良い。ここで、図１１は本発明の他の実施の形態であるコネクティングロッドの半製品(ワークＸｂ)の一部を示す断面図である。図１１には図８と同様の部位が示されている。なお、図１１において、図８に示す部位と同様の部位については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１１に示すように、ワークＸｂには、大端部１４の幅方向の端部５４に切り欠き５５が形成されている。このように、切り欠き５５を設けることにより、段付部２３に沿って合流した裂け目を再び分離させることなく、大端部１４の幅方向の端部５４に導くことができるため、破断面２０，２１の欠けを更に抑制することが可能となる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。図６(ｂ)に示す場合には、平面Ｓの下方側に段付部２３を形成しているが、これに限られることはなく、裂け目の進展経路上に段付部２３等の応力集中部が形成されていれば良い。例えば、平面Ｓの上方側に段付部２３等の応力集中部を形成しても良く、平面Ｓ上に段付部２３等の応力集中部を形成しても良い。裂け目が上方に進展する傾向のワークに対しては、平面Ｓの上方側に段付部２３等の応力集中部を形成することが望ましく、裂け目が水平方向に進展する傾向のワークに対しては、平面Ｓ上に段付部２３等の応力集中部を形成することが望ましい。

また、前述の説明では、ボルト穴加工工程Ｓ５において、ボルト穴１８の穴あけ加工に併せて段付部２３を形成しているが、これに限られることはなく、他の工程においてボルト穴１８に段付部２３を形成しても良い。さらに、前述の説明では、ボルト穴加工工程Ｓ５の後にノッチ加工工程Ｓ６を設けているが、これに限られることはなく、ノッチ加工工程Ｓ６の後にボルト穴加工工程Ｓ５を設けても良い。すなわち、クランクピン穴１３の内周面２４にノッチ２３，２４を形成した後に、ボルト穴１８の内周面２２に段付部２３を形成しても良い。なお、図示するコンロッド１０は、中心線Ｃ２に対して対称形状となる対称型コンロッドであるが、これに限られることはない。例えば、中心線Ｃ２に対して非対称形状となる非対称型コンロッドであっても、本発明の製造技術を有効に適用することが可能である。

１０コンロッド(コネクティングロッド)
１３クランクピン穴(大端穴)
１４大端部
１６本体部
１７キャップ部
１８ボルト穴
２２内周面
２３段付部(応力集中部)
２４内周面
２５，２６ノッチ(切り欠き)
５３切り欠き(応力集中部)
Ｓ５ボルト穴加工工程(応力集中部加工工程)
Ｓ６ノッチ加工工程(切り欠き加工工程)
Ｓ７破断分割工程
Ｃ裂け目(き裂)
Ｘワーク(コネクティングロッドの半製品)
Ｘａワーク(コネクティングロッドの半製品)
Ｘｂワーク(コネクティングロッドの半製品)

Claims

本体部とキャップ部とに破断分割される大端部を備えたコネクティングロッドの製造方法であって、
前記大端部の中央部に設けられる大端穴の内周面に、切り欠きを形成する切り欠き加工工程と、
前記大端部の両端部に設けられるボルト穴の内周面に、応力集中部を形成する応力集中部加工工程と、
前記大端穴を径方向に拡張させることにより、前記切り欠きからき裂を発生させて前記大端部を破断分割する破断分割工程とを有し、
前記破断分割工程において、き裂を前記切り欠きから前記応力集中部を経て進展させることを特徴とするコネクティングロッドの製造方法。
請求項１記載のコネクティングロッドの製造方法において、
前記応力集中部は、少なくとも前記ボルト穴の内周面における切り欠き側とは反対側の部位に形成されることを特徴とするコネクティングロッドの製造方法。
請求項１または２記載のコネクティングロッドの製造方法において、
前記応力集中部は、前記ボルト穴の内周面に形成される環状の段付部であることを特徴とするコネクティングロッドの製造方法。
大端部を径方向に拡張して本体部とキャップ部とに破断分割する破断分割工程に投入されるコネクティングロッドの半製品であって、
前記大端部の中央部に設けられる大端穴の内周面に形成され、破断分割時にき裂の発生起点となる切り欠きと、
前記大端部の両端部に設けられるボルト穴の内周面に形成され、破断分割時にき裂が進展して通過する応力集中部と、を有することを特徴とするコネクティングロッドの半製品。
請求項４記載のコネクティングロッドの半製品において、
前記応力集中部は、少なくとも前記ボルト穴の内周面における切り欠き側とは反対側の部位に形成されることを特徴とするコネクティングロッドの半製品。
請求項４または５記載のコネクティングロッドの半製品において、
前記応力集中部は、前記ボルト穴の内周面に形成される環状の段付部であることを特徴とするコネクティングロッドの半製品。