JP4801254B2 - クランクシャフトのピンジャーナルｒ溝の加工方法およびクランクシャフト - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法およびクランクシャフトに係り、特にクランクシャフトミラーによってピンジャーナル端部のＲ溝をフライスカッタで加工する際の加工方法、および該加工方法で加工されたクランクシャフトに関する。
【０００２】
【背景技術】
自動車のエンジン等に用いられるクランクシャフトをクランクシャフトミラーによってフライス加工（ミーリング加工）することが知られている。
このようなクランクシャフトには、コンロッドが軸支されるピンジャーナルが気筒数に応じて設けられており、ピンジャーナルの両端部には、周方向に連続したＲ溝が設けられる場合がある。
【０００３】
このＲ溝は従来、クランクシャフトミラーでクランクシャフトのピンジャーナルやメインジャーナルの加工を行った後、旋盤による旋削加工によって設けられていたが、旋削加工のための設備やメンテナンス等にかかる費用を削減するために、ピンジャーナルと同様にクランクシャフトミラーによって加工されることが多くなっている。
そして、加工されたＲ溝は、次工程においてロール仕上げされ、Ｒ溝での疲労強度の向上が図られている。
【０００４】
図４（Ａ）には、ピンジャーナル１００のＲ溝１０１部分の断面であって、該Ｒ溝１０１をクランクシャフトミラーに装着された半径Ｒのインターナルカッタ１０２で加工した場合（ロール加工前の段階）が示されており、図４（Ｂ）には、エクスターナルカッタ１０３で加工した場合が示されている。
なお、図示を簡略化するために、ピンジャーナル１００の断面部分のハッチングを省略した。
【０００５】
図４（Ａ）において、インターナルカッタ１０２を用いた場合では、クランクシャフト（ピンジャーナル１００）を固定しておき、カッタ１０２を自転させながらピンジャーナル１００に接触させ、接触させながらカッタ１０２をさらにピンジャーナル１００の外周に沿って公転（ロータリ回転：図中の実線矢印参照）させ、周方向に連続したＲ溝１０１を加工する。
【０００６】
一方、図４（Ｂ）において、エクスターナルカッタ１０３を用いた場合では、カッタ１０３を自転させながらピンジャーナル１００に接触させるが、カッタ１０３を公転させず、クランクシャフト（ピンジャーナル１００）側をメインジャーナル軸を中心として低速で自転（図中の実線矢印参照）させてＲ溝１０１を加工する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インターナルカッタ１０２の公転時の送りや、エクスターナルカッタ１０３を用いた場合のピンジャーナル１００側の自転時の送りは、クランクシャフトミラーでの加工に要するサイクルタイムが全体の生産性を阻害しない程度に設定されるが、その送りが大き過ぎると、Ｒ溝１０１の外周面には、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すような多角形状の突部１０４が形成され、この突部１０４の突出高さδによっては、後のロール仕上げによる表面の塑性変形がＲ溝１０１の周方向で均一におこなわれず、疲労強度にばらつきが生じる可能性がある。
【０００８】
このために現状では、インターナルカッタ１０２の送りや、エクスターナルカッタ１０３を用いた場合のピンジャーナル１００側の送りを小さくし、突部１０４の突出高さδを十分に小さくしてロール仕上げによる強度上のばらつきをなくしている。従って、Ｒ溝１０１自身の加工に要するサイクルタイムが長くなり、生産性が必ずしも良好とはいえないという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、クランクシャフトミラー等によるフライス加工でＲ溝を設けた場合でも、安定した疲労強度を確保でき、かつ生産性を向上させることができるクランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法およびクランクシャフトを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のクランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法は、クランクシャフトのピンジャーナル端部に設けられたＲ溝のフライスカッタによる加工方法であって、前記Ｒ溝の加工時に、前記クランクシャフトのメインジャーナルの軸中心に最も近い部分を中心として、前記Ｒ溝の周方向の両側にそれぞれ少なくとも３°以上、６０°以下の範囲では、前記ピンジャーナルとカッタとの前記周方向の相対的な送りを、他の部分の送りよりも小さくして加工することを特徴とする。この際、用いられるカッタとしては、内刃式のインターナルカッタであってもよく、外刃式のエクスターナルカッタであってもよい。
【００１１】
このような方法によれば、Ｒ溝の疲労強度的に不利な部分を加工するにあたり、インターナルカッタを用いた場合には、当該インターナルカッタの公転時の送りを他の部分の送りよりも小さくし、エクスターナルカッタを用いた場合には、クランクシャフト側の自転時の送りを他の部分の送りよりも小さくする。
このため、疲労強度的に不利な部分では、Ｒ溝の表面に形成される突部の突出高さが小さくなるため、ロール仕上げが均一に行われて安定した疲労強度が確実に得られる。
また、小さな送りで加工する部分は、疲労強度的に不利な部分のみであり、他の部分の加工をより大きな送りで加工するので、その分Ｒ溝全体の加工に要するサイクルタイムが短縮され、生産性が向上する。
以上により、前記目的が達成される。
【００１２】
また、ピンジャーナルに加わる曲げ応力が最大となる部分を含むその近傍が疲労強度的には不利な部分となるが、最大曲げ応力が加わる位置には変動が生じることもあるため、送りを小さくする部分を３°よりも狭くしたのでは、その変動を吸収できない可能性がある。反対に、６０°よりも広くすると、小さな送りで加工する部分が多くなってサイクルタイムが長くなり、十分な生産性が得られない可能性がある。
【００１４】
さらに、本発明の加工方法では、前記相対的な送りは、前記Ｒ溝の外周面に形成される突部の突出高さが０．０２mm以下となるように設定されていることが望ましい。
０．０２mmよりも大きいと、ロール仕上げ時の表面の塑性変形が均一に行われにくく、安定した疲労強度が得られない可能性が高い。
【００１５】
一方、本発明のクランクシャフトは、前述の加工方法によって加工されたクランクシャフトであり、当該加工方法を作用することで同様な作用効果が得られ、前記目的が達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るクランクシャフト１０を示す正面図、図２は、クランクシャフト１０のピンジャーナル１４の要部を示す拡大図、図３は、該要部を示す断面図である。
【００１７】
クランクシャフト１０は、自動車のエンジン等に用いられるものであって、本実施形態では、直列四気筒のエンジンに用いられるものである。従って、クランクシャフト１０の回転軸と同じ軸中心Ｃを有する複数のメインジャーナル１１間には、カウンタウェイト１２が一体に設けられたクランクウェブ１３を介して合計四つ（図１では三つを図示）のピンジャーナル１４が設けられている。
【００１８】
ピンジャーナル１４の両端には、本発明の加工方法で加工されるＲ溝１５が該ピンジャーナル１４の全周にわたって設けられている。
このＲ溝１５は、ピンジャーナル１４全体の周面をインターナルカッタを使用したクランクシャフトミラーで加工した後、同様なクランクシャフトミラーで加工される。この際、本実施形態では、図２に示すインターナルカッタ２０を用いた。
【００１９】
インターナルカッタ２０は、ここでの詳細な図示を省略するが、円環状のカッタ本体２１と、カッタ本体２１の厚み方向の両端側に設けられたカッタチップ２２とを備えている。
カッタチップ２２は、カッタ本体２１の内周に沿ってほぼ等間隔に複数設けられている。図２に示すように、カッタチップ２２の幅方向の間隔は、ピンジャーナル１４両端のＲ溝１５間の間隔に対応しており、一つのインターナルカッタ２０で両側のＲ溝１５を同時に加工することが可能である。
【００２０】
この際、ピンジャーナル１４の周方向に対するインターナルカッタ２０の公転時の送り（ロータリ送り）は大小の略二段階に設定されている。
すなわち、図３において、一段目としては、Ｒ溝１５の周方向において、メインジャーナル１１の軸中心Ｃに最も近い位置としての基準位置Ｐから、周方向の両側にそれぞれ角度Ａの範囲を加工する際の小さい送りである。なお、基準位置Ｐは、エンジン駆動中にピンジャーナル１４に加わる曲げ応力が最大となる部分であり、疲労強度的に不利な部分の略中心である。
【００２１】
この一段目の送りは、Ｒ溝１５表面に形成される突部１０４（図４）の突出高さδが０．０２mm以下、好ましくは０．０１mm以下となるように、次式（１）によって概ね決定される。
０．０２mmよりも大きいと、後のロール仕上げが良好に行われず、Ｒ溝１５部分での疲労強度が安定しない可能性が高い。
また、突出高さδを０．０１mm以下にすれば、ロール加工での仕上げ状態をさらに良好にでき、ひいてはピンジャーナル１４の角度Ａ内での疲労強度をより安定させることができる。
【００２２】
ここで、（１）式中のｆはインターナルカッタ２０の公転時の送り、Ｒはインターナルカッタ２０のチップ２２の刃先までの半径、ｒはピンジャーナル１４の半径、δは突部１０４の突出高さである。また（１）式は、カッタ本体２１の周方向の刃数（有効刃数）が一枚の場合である。
【００２３】
【数１】

【００２４】
また、角度Ａとしては、基準位置Ｐから少なくとも３°以上、６０°以下、好ましくは少なくとも１０°以上、４５°以下、より好ましくは少なくとも２０°以上、３０°以下に設定される。
ピンジャーナル１４に加わる曲げ応力が最大となる位置はばらついたり、エンジンの回転数に応じて意図的に変更される場合が考えられ、角度Ａが３°よりも狭いと、そのようなばらつきや変動を許容できない可能性がある。反対に、６０°よりも大きいと、送りの小さい部分が多くなって加工に要するサイクルタイムが長くなり、加工性を阻害する。
従って、角度Ａが少なくとも２０°以上であれば、応力が最大となる位置が変更されても、その変動を一層確実に許容でき、また、３０°以下であれば、サイクルタイムを大幅に短縮できる。
【００２５】
一方、二段目としては、前記角度Ａの範囲外の大きな送りであり、この送りは、Ｒ溝１５の加工に要するサイクルタイムや、後のロール仕上げが支障なく行えること等を勘案し、できるだけ大きく設定されている。
【００２６】
なお、二段階ある送りは実際、連続した加工途中で瞬間的に変更されるのではなく、大小の送りの中間程度の送りによる加工を経て段階的に変更される。ただし、この中間程度の送りでの加工は、インターナルカッタ２０への負荷やＲ溝１５の仕上げ面等を考慮して行われるものであって、加工範囲としても非常に狭く、本発明での作用効果に実質的に影響するものではないから、本実施形態で詳説するのを省略する。
【００２７】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
Ｒ溝１５の周方向の中でも基準位置Ｐを含む疲労強度的に不利な部分を、角度Ａの範囲でインターナルカッタ２０の公転時の送りを小さくして加工するので、Ｒ溝１５の表面に形成される突部１０４の突出高さδを小さくできる。このため、角度Ａの範囲では、後工程でのロール仕上げを均一に行うことができ、安定した疲労強度を得ることができる。
また、角度Ａの範囲外では、インターナルカッタ２０の送りを大きくするため、Ｒ溝１５全体の加工に要するサイクルタイムを短縮でき、生産性を向上させることができる。
【００２８】
角度Ａは、基準位置Ｐから少なくとも３°以上に設定されるので、ピンジャーナル１４での曲げ応力が最大となる位置が多少ずれても、そのずれを確実に許容でき、疲労強度を確実に確保できる。
さらに、角度Ａは、基準位置Ｐから６０°以下に設定されるので、送りを小さくする範囲が過剰に広くなく、サイクルタイムが極端に長くなる心配がない。
【００２９】
インターナルカッタ２０の送りを小さくする部分は、メインジャーナル１１の軸中心Ｃに最も近い部分を中心として、その範囲が設定されているため、クランクシャフト１０をエンジンに組み込んだ際にピンジャーナル１４に最も曲げ応力が加わる可能性がある爆発行程において、その曲げ応力に確実に対抗することができ、信頼性の高いエンジンを供給することができる。
【００３０】
インターナルカッタ２０の送りは、前記（１）式に基づき、Ｒ溝１５の外周面に形成される突部１０４の突出高さδが０．０２mm以下となるように設定されているため、ロール仕上げ時の表面の塑性変形をより均一に行え、一層安定した疲労強度を得ることができる。
そして、前記（１）式はカッタに設けられた一つの場合であるため、インターナルカッタ２０の周方向に沿って複数のチップ２２が設けられている本実施形態では、（１）式で求めた送りで加工すると、実際にはより小さい突出高さδの突部１０４を形成できる。
【００３１】
Ｒ溝１５は、インターナルカッタ２０を用いたクランクシャフトミラーで加工されるので、加工時の中心位置補正をピンジャーナル１４毎に行え、旧来のような旋盤による切削加工のように、同一回転位相のピンジャーナル毎に旋盤を設け、これらのピン中心の心出しを行うなどの面倒な作業を省くことができ、この点でも作業性を良好にできる。
また、旧来では、ピンジャーナル１４の外周面をクランクシャフトミラーで加工し、Ｒ溝１５を旋盤で加工していたために、形態の異なる工作機械部分が二種類必要となり、設備やメンテナンスに経費がかかっていたが、本実施形態では、ピンジャーナル１４自身の加工もＲ溝１５の加工も同じクランクシャフトミラーで行え、経済的に有利である。
【００３２】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、インターナルカッタ２０が用いられていたが、複数のチップが外周側に設けられたエクスターナルカッタを用いて本発明に係る加工方法を実施してもよい。
【００３３】
クランクシャフトに設けられるピンジャーナルの数等は任意であり、前記実施形態のものに限定されない。
【００３４】
Ｒ溝１５の加工は、ピンジャーナル１４自身の加工の後に行ってもよく、場合によっては、ピンジャーナル１４の加工と同時に行ってもよい。このような場合、インターナルカッタ２０には、ピンジャーナル１４の外周等を加工するためのチップも設けられることになる。
【００３５】
【実施例】
本発明の実施例として、前記実施形態に基づき、以下の条件でＲ溝１５の加工を行い、その時のサイクルタイムを測定した。
・切削速度 １４０m/min
・カッタ半径：Ｒ ４５mm
・有効刃数（チップ数） １０枚
・カッタ回転数 ２３５rpm
・角度：Ａ 約２５°
・送り（角度Ａ内）：ｆ １．５mm/回転
・送り（角度Ａ外）：ｆ ５．０mm/回転
・ピンジャーナル半径：ｒ ２２．５mm
・加工長さ １４１mm
以上の条件では、角度Ａ内、すなわち送りの小さい部分の加工時間が３．４秒、角度Ａ外、すなわち送りの大きい部分の加工時間が６．２秒であった。従って、Ｒ溝１５の加工に要するサイクルタイムは９．６秒であった。
【００３６】
次に、比較例として、以下の従来の条件（Ｒ溝１５全周のカッタ送りを前記疲労強度的に不利な部分のカッタ送りと同じにした）でＲ溝１５の加工を行い、その時のサイクルタイムを測定した。
・切削速度 １４０m/min （同上）
・カッタ半径：Ｒ ４５mm （同上）
・有効刃数（チップ数） １０枚 （同上）
・カッタ回転数 ２３５rpm （同上）
・送り（全周）：ｆ １．５mm/回転
・ピンジャーナル半径：ｒ ２２．５mm （同上）
・加工長さ １４１mm （同上）
以上の従来の条件では、Ｒ溝１５の加工に要するサイクルタイムは２４．１秒であった。
【００３７】
この実施例および比較例によれば、前記実施形態に基づいた加工でのサイクルタイムの方が従来に比較して１４．５秒短いことが確認され、生産性が向上すると認められる。
また、前記実施例において、角度Ａ内での送りによれば、（１）式から求められる突部１０４の突出高さδは０．００９５mmとなるが、実際には有効刃数が１０枚であるために、突出高さδはこの値よりも格段に小さいと推測され、ロール加工を均一に行ってピンジャーナル１４の疲労強度を十分に向上させることができると思われる。
【００３８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、クランクシャフトミラー等によるフライス加工でＲ溝を設けた場合でも、安定した疲労強度を確保でき、かつ生産性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトを示す正面図である。
【図２】前記実施形態のピンジャーナルの要部を示す拡大図である。
【図３】前記要部を示す断面図である。
【図４】背景技術を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ クランクシャフト
１４ ピンジャーナル
１５ Ｒ溝
２０ フライスカッタであるインターナルカッタ
１０４ 突部
Ａ 角度
Ｐ 基準位置
δ 突出高さ

Claims (4)

1. クランクシャフトのピンジャーナル端部に設けられたＲ溝のフライスカッタによる加工方法において、
   前記Ｒ溝の加工時に、前記クランクシャフトのメインジャーナルの軸中心に最も近い部分を中心として、前記Ｒ溝の周方向の両側にそれぞれ少なくとも３°以上、６０°以下の範囲では、前記ピンジャーナルとカッタとの前記周方向の相対的な送りを、他の部分の送りよりも小さくして加工する
   ことを特徴とするクランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法。
2. 請求項１に記載のクランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法において、
   前記相対的な送りは、前記Ｒ溝の外周面に形成される突部の突出高さが０．０２mm以下となるように設定されている
   ことを特徴とするクランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のクランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法において、
   前記カッタは、インターナルカッタまたはエクスターナルカッタである
   ことを特徴とするクランクシャフトのピンジャーナルＲ溝の加工方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載された加工方法で加工された
   ことを特徴とするクランクシャフト。

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