JP2015186815A

JP2015186815A - クランクシャフトの鍛造方法

Info

Publication number: JP2015186815A
Application number: JP2014064847A
Authority: JP
Inventors: 英和秋葉; Hidekazu Akiba
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-10-29

Abstract

【課題】鍛造型の開き方向による制約を受けず、また、工程数を増やすことなく肉盗み部の形成を容易に実現する。【解決手段】クランクシャフト１の鍛造方法は、予備成形品１０２を型鍛造して荒地成形品１０３に成形する荒地工程（Ｓ１３）と、荒地成形品１０３を型鍛造して仕上げ成形品１０４に成形する仕上げ工程（Ｓ１４）と、を備えるものであって、荒地工程（Ｓ１３）は、荒地成形品１０３に、仕上げ成形品１０４の形状に比して型開き方向に膨出する部位である突出部７を形成し、仕上げ工程（Ｓ１４）は、型閉め動作により突出部７を曲げて、仕上げ成形品１０４に、凹部たる肉盗み部６を形成する。【選択図】図５

Description

本発明は、クランクシャフトの鍛造方法の技術に関し、より詳しくは、クランクシャフトを軽量化するための方法に関する。

従来、エンジンを構成する部品の一つであるクランクシャフトを鍛造により製造する技術が知られている。クランクシャフトには、エンジンの性能向上を図るべく、軽量化のニーズが存在しており、クランクシャフトの軽量化を図るための技術が種々検討されている。
クランクシャフトの軽量化を図るための従来技術では、鍛造後のクランクシャフトに別途機械加工を施し、肉盗み部（凹部）を形成することによって、軽量化を図るのが一般的である。

鍛造後のクランクシャフトに機械加工を施す構成では、機械加工の為の工程数および所要時間が増大するため、工程数を増やさずに、肉盗み部（凹部）の形成を実現することが望まれている。

そこで、鍛造後の機械加工によらずに、クランクシャフトに肉盗み部を形成する技術が開発されるに至っており、例えば、以下に示す特許文献１にその技術が示されている。
特許文献１に係るクランクシャフトの製造方法では、鍛造型に凸部を設けることによって、鍛造と同時に、工程数を増やすことなく肉盗み部（凹部）を形成することが可能になっている。

特開２００９−１３３３３１号公報

しかしながら、特許文献１に係る従来のクランクシャフトの製造方法では、鍛造型の開き方向との関係で、凸部の形成方向に制約があった。即ち、鍛造型の開き方向に交差する方向へ突出する凸部を設けると、鍛造後の離型が不可能になるため、鍛造型の内側に設けることができる凸部は、開き方向に平行な方向へ突出する凸部に限られていた。
また、鍛造型の開き方向に交差する方向へ突出する凸部を設けずに、肉盗み部を形成しようとする場合、鍛造型の合わせ面（見切線）の配置を工夫することで対応できる可能性もあるが、このような場合には、製品設計の自由度を阻害するとともに、鍛造性との両立も困難であった。

本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、鍛造型の開き方向による制約を受けず、また、工程数を増やすことなく肉盗み部の形成を容易に実現することが可能なクランクシャフトの鍛造方法を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、棒状材料を型鍛造して荒地成形品に成形する荒地工程と、前記荒地成形品を型鍛造して仕上げ成形品に成形する仕上げ工程と、を備えるクランクシャフトの鍛造方法であって、前記荒地工程は、前記荒地成形品に、前記仕上げ成形品の形状に比して型開き方向に膨出する部位である突出部を形成し、前記仕上げ工程は、型閉め動作により前記突出部を曲げて、前記仕上げ成形品に、凹部たる肉盗み部を形成するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、鍛造型の開き方向による制約を受けず、また、工程数を増やすことなく肉盗み部の形成を容易に実現することができる。

鍛造工程におけるクランクシャフトの成形状況を示す模式図。クランクシャフトの鍛造工程の流れを示す図。クランクシャフトを示す正面模式図。クランクシャフトを示すジャーナル軸方向視模式図。荒地工程〜仕上げ工程における肉盗み部の形成状況を示す斜視模式図。新地加工品に形成する突出部を説明するための模式図。仕上げ工程における突出部の変形状況および肉盗み部の形成状況を示す模式図。肉盗み部が形成された仕上げ成形品を示す模式図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
ここではまず、クランクシャフトの鍛造工程の流れについて、図１〜図４を用いて、説明をする。

本実施形態で示すクランクシャフトの鍛造工程では、図１に示すように、円柱状の棒状材料１０１を鍛造することによって、最終的にクランクシャフト１を製造する。
図２に示す如く、まず始めに、クランクシャフト１（図１（ｆ）参照）の最終形状・寸法等に基づく直径を有する円柱状のビレットを所定の長さに切断する切断工程（Ｓ１０）を実行し、クランクシャフト１の鍛造に使用する棒状材料１０１（図１（ａ）参照）を得る。

次に、棒状材料１０１を、例えば、約１２００℃以上の所定の温度まで加熱する加熱工程（Ｓ１１）を実行する。
次に、予備成形工程（Ｓ１２）を実行し、加熱された棒状材料１０１に対して曲げ加工等を施して、クランクシャフト１の最終形状に近づけた予備成形品１０２（図１（ｂ）参照）を得る。

次に、予備成形品１０２の角部等を単純化した荒地形状に型鍛造する荒地工程（Ｓ１３）を実行し、荒地成形品１０３（図１（ｃ）参照）を得る。荒地成形品１０３の周囲にはバリ１０３ａが形成されている。

次に、荒地成形品１０３を仕上げ形状に型鍛造する仕上げ工程（Ｓ１４）を実行し、仕上げ成形品１０４（図１（ｄ）参照）を得る。

次に、仕上げ成形品１０４の周囲には、バリ１０３ａが変形してバリ１０４ａ（図１（ｅ）参照）が形成されているため、このバリ１０４ａをトリミングにより切断するトリミング工程（Ｓ１５）を実行する。

そして、トリミング工程（Ｓ１５）において、仕上げ成形品１０４からバリ１０４ａを除去することで、図１（ｆ）に示すような最終成形品であるクランクシャフト１を得る。
そして、クランクシャフト１に対して検査工程（Ｓ１６）を実行し、傷や変形が無いことを確認した後で、後工程へと送られる。
以上が、クランクシャフト１の鍛造工程の一連の流れである。

このように本発明の一実施形態に係るクランクシャフト１の鍛造方法では、クランクシャフト１に肉盗み部を設けるべく機械加工を施すための工程を別途備えることなく完結している。
尚、本実施形態では、切断工程（Ｓ１０）〜検査工程（Ｓ１６）を備えるクランクシャフト１の鍛造方法を例示しているが、クランクシャフト１の鍛造方法では、その他にも例えば、クランクシャフト１に表面処理を施すサンドブラスト工程やクランクシャフト１を冷却する工程等も備えており、上記工程以外の工程を含む場合もある。

一連の鍛造工程を経て得られたクランクシャフト１には、図３に示すように、ジャーナル２、アーム部３、ピン４、カウンターウェイト部５等が形成されている。
ジャーナル２は、クランクシャフト１における不連続な軸を構成する部位であり、ジャーナル２の端部には当該ジャーナル２から半径方向外側に突出するアーム部３・３が形成され、一対のアーム部３・３の間に当該アーム部３・３を連結する軸部たるピン４が形成され、さらに、アーム部３・３の突出方向とは反対側に、アーム部３・３とのつり合いをとるための部位であるカウンターウェイト部５・５が形成されている。

そして、本発明の一実施形態に係る鍛造方法で製造されたクランクシャフト１には、図３および図４に示すように、アーム部３の外側（ピン４が在る側の反対側）に肉盗み部６が形成される。肉盗み部６は、アーム部３の軽量化を図るためにアーム部３を部分的に減肉した部位であり、アーム部３の剛性確保を考慮しつつ、位置および範囲を選択して設けられる。
尚、アーム部３に肉盗み部６を設けた場合には、その軽量化された重量分だけカウンターウェイト部５の重量も軽減させることができるため、クランクシャフト１における肉盗み部６は、アーム部３に設けるのが好適である。

肉盗み部６は、図２に示すように、機械加工等の追加工程がない一連の鍛造工程において形成され、より具体的には、荒地工程（Ｓ１３）から仕上げ工程（Ｓ１４）に至る一連の過程において、肉盗み部６が形成される。

次に、本発明の一実施形態に係るクランクシャフト１の鍛造方法における、肉盗み部６の形成方法について、図５〜図８を用いて説明をする。
図５に示す如く、本発明の一実施形態に係るクランクシャフト１の鍛造方法では、荒地工程（Ｓ１３）を経て得た荒地成形品１０３において、突出部７を形成する構成としている。

図５および図６に示す如く、突出部７は、荒地成形品１０３において、仕上げ用の鍛造型２０（図６参照）の型開き方向に向けて突出するように形成された部位であり、クランクシャフト１の最終形状に比して、型開き方向における外側に膨出した部位として形成されている。

図６には、型閉め状態の鍛造型２０と、荒地成形品１０３を重ね合わせて図示している。
突出部７は、図６に示すように、型閉め時の上型２１の型内面２１ｂの深さ方向の底部の位置から高さｈだけ突出しており、また、型閉め時の型内面２１ｂの幅方向の間口に対してオフセット量Ａだけ内側に配置されている。尚、図６では図示していないが、突出部７は、型閉め時の下型２２の型内面２２ｂの深さ方向の底部の位置からも高さｈだけ突出しており、また、型閉め時の型内面２２ｂの幅方向の間口に対してもオフセット量Ａだけ内側に配置されている。
突出部７を高さｈで突出させる構成では、鍛造型２０を型締めするときに、早期に突出部７が上型２１および下型２２と当接することになり、鍛造型２０の型締め動作に伴って、突出部７に徐々に変形が加えられるようになる。また突出部７をオフセット量Ａで奥まった位置に配置することで、変形した突出部７が型内に収まる空間を確保している。

尚、従来の荒地工程は、仕上げ工程に導入する前の素材を仕上げ成形品の形状に近づけるべく、仕上げ成形品（即ち、クランクシャフト）の形状に対して形状差がわずかになるように加工を施す工程として行われてきたため、仕上げ成形品の形状に比して膨出した部位を積極的に設けることは行われていなかった。

突出部７は、内側（ピン４が形成される側）においてテーパ部７ａを備えている。
テーパ部７ａは、突出部７における型開き方向の外側に向けて、突出部７の幅が狭くなるように、図６に示すように外側（ピン４が形成される側の反対側）に向けて、角度θで傾斜させて形成する。

仕上げ工程（Ｓ１４）における型鍛造は、図７に示すような仕上げ用の鍛造型２０を用いて行う。
鍛造型２０は、上型２１と下型２２により構成される。尚、本実施形態で示す鍛造型２０は、合わせ面を境にして上型２１と下型２２が対称形となっている。

仕上げ工程（Ｓ１４）で行われる型鍛造は、図７に示す如く、鍛造型２０内に荒地成形品１０３を配置した状態で型締めしていくことによって行われる。
鍛造型２０を型締めしていくと、荒地成形品１０３上部の突出部７・７に上型２１が押圧され、突出部７・７の内側に形成したテーパ部７ａ・７ａに当接する凸部２１ａが、テーパ部７ａ・７ａに当接しながら下降する。このとき突出部７・７は、凸部２１ａによって外側（ピン４が形成される側の反対側）に向けて押圧され、外側に向けて曲げられる。
そして、鍛造型２０の型締め動作が進行し、上型２１が型締め位置（下死点）まで下降すると、曲げられた突出部７・７が型内に収まるとともに、曲げられた突出部７によって囲まれた凹部として肉盗み部６が形成される。
また、鍛造型２０の型締めが完了したときには、下型２２の凸部２２ａと荒地成形品１０３との関係においても同様に、曲げられた突出部７によって囲まれた凹部として肉盗み部６が形成される。

突出部７を角度θで傾斜させて形成することによって、図７に示す如く、鍛造型２０が閉じられるのに従って、突出部７が外側（ピン４が形成される側の反対側）を選択して倒れるように、突出部７を変形させる（曲げる）ことができる。
突出部７が外側に向けて倒れると、アーム部３の外側に突出部７で囲まれた凹部が形成され、仕上げ工程（Ｓ１４）が完了すると、最終的にこの凹部が、得られた仕上げ成形品１０４における肉盗み部６として形成される。

従来の仕上げ工程は、鍛造型２０の型内に素材を充満させて鍛造する考え方であり、仕上げ成形品１０４をアンダーカット形状にすると離型できなくなることから、クランクシャフト１の最終形状に凹部を有する場合には、仕上げ成形品１０４に対して別途機械加工を施す工程（パンチ加工や切削加工等）を設ける必要があった。

一方、本発明の一実施形態に係るクランクシャフト１の鍛造方法に用いる鍛造型２０では、型開き（型閉め）方向と交差する向きに凸部を設けておらず、上型２１および下型２２を肉盗み部６に入り込ませずに、かつ、上型２１および下型２２の内型に素材を充満させることなく肉盗み部６を形成する構成としているため、容易に離型することができる。

即ち、本発明の一実施形態に係るクランクシャフト１の鍛造方法は、棒状材料（予備成形品１０２）を型鍛造して荒地成形品１０３に成形する荒地工程（Ｓ１３）と、荒地成形品１０３を型鍛造して仕上げ成形品１０４に成形する仕上げ工程（Ｓ１４）と、を備えるものであって、荒地工程（Ｓ１３）は、荒地成形品１０３に、仕上げ成形品１０４の形状に比して型開き方向に膨出する部位である突出部７を形成し、仕上げ工程（Ｓ１４）は、型閉め動作により突出部７を曲げて、仕上げ成形品１０４に、凹部たる肉盗み部６を形成するものである。
このような構成により、鍛造型２０の開き方向による制約を受けず、また、工程数を増やすことなく肉盗み部６の形成を容易に実現することができる。

肉盗み部６の形状や配置は、仕上げ工程（Ｓ１４）で用いる鍛造型２０の形状と、荒地工程（Ｓ１３）で形成する突出部７の形状、突出高さｈ、傾斜角度θ、オフセット量Ａを適宜変更することによって、所望の配置や形状に調整することができる。
また、本実施形態では、突出部７を外側（ピン４が形成される側の反対側）に倒して、肉盗み部６を形成する場合を例示したが、突出部７を内側（ピン４が形成される側）に倒して、肉盗み部６を形成する構成としてもよい。

１クランクシャフト
６肉盗み部
７突出部
１０２予備成形品
１０３荒地成形品
１０４仕上げ成形品

Claims

棒状材料を型鍛造して荒地成形品に成形する荒地工程と、
前記荒地成形品を型鍛造して仕上げ成形品に成形する仕上げ工程と、
を備えるクランクシャフトの鍛造方法であって、
前記荒地工程は、
前記荒地成形品に、前記仕上げ成形品の形状に比して型開き方向に膨出する部位である突出部を形成し、
前記仕上げ工程は、
型閉め動作により前記突出部を曲げて、前記仕上げ成形品に、凹部たる肉盗み部を形成する、
ことを特徴とするクランクシャフトの鍛造方法。