JP6795094B2 - 鍛造クランク軸の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間鍛造によりクランク軸を製造する方法に関する。

自動車、自動二輪車、農業機械または船舶等のレシプロエンジンにおいて、ピストンの往復運動を回転運動に変換して動力を取り出すために、クランク軸が不可欠である。クランク軸は、型鍛造または鋳造によって製造できる。高強度と高剛性がクランク軸に要求される場合、型鍛造によって製造されたクランク軸（以下、「鍛造クランク軸」ともいう）が多用される。

一般に、鍛造クランク軸の原材料は、ビレットである。そのビレットでは、横断面が丸形または角形であり、断面積が全長にわたって一定である。鍛造クランク軸の製造工程は、予備成形工程、型鍛造工程およびバリ抜き工程を含む。必要に応じ、バリ抜き工程の後に整形工程が追加される。通常、予備成形工程は、ロール成形と曲げ打ちの各工程を含み、型鍛造工程は、荒打ちと仕上げ打ちの各工程を含む。

図１Ａ〜図１Ｆは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程を説明するための模式図である。図１Ａはビレット、図１Ｂはロール荒地、図１Ｃは曲げ荒地、図１Ｄは荒鍛造材、図１Ｅは仕上げ鍛造材、図１Ｆはクランク軸（最終製品）をそれぞれ示す。図１Ｆに例示する鍛造クランク軸１は、４気筒エンジンに搭載される。そのクランク軸１は、５つのジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５と、４つのピン部Ｐ１〜Ｐ４と、フロント部Ｆｒと、フランジ部Ｆｌと、８枚のクランクアーム部（以下、単に「アーム部」ともいう）Ａ１〜Ａ８と、を備える。アーム部Ａ１〜Ａ８は、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５とピン部Ｐ１〜Ｐ４をそれぞれつなぐ。また、全部のアーム部Ａ１〜Ａ８は、カウンターウエイト部（以下、単に「ウエイト部」ともいう）Ｗ１〜Ｗ８をそれぞれ一体で有する。

以下では、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、ピン部Ｐ１〜Ｐ４、アーム部Ａ１〜Ａ８およびウエイト部Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれを総称するとき、その符号は、ジャーナル部で「Ｊ」、ピン部で「Ｐ」、アーム部で「Ａ」、ウエイト部で「Ｗ」とも記す。ピン部Ｐおよびそのピン部Ｐにつながる一組のアーム部Ａ（ウエイト部Ｗを含む）をまとめて「スロー」ともいう。

図１Ａ〜図１Ｆに示す製造方法では、以下のようにして鍛造クランク軸１が製造される。先ず、図１Ａに示すような所定の長さのビレット２を加熱炉（例えば誘導加熱炉またはガス雰囲気加熱炉等）によって加熱した後、ロール成形を行う。ロール成形工程では、例えば孔型ロールを用いてビレット２を圧延し、ビレット２の長手方向の一部で断面積を減少させる。これにより、ビレット２の体積を長手方向に配分し、中間素材であるロール荒地３を得る（図１Ｂ参照）。次に、曲げ打ち工程では、ロール荒地３を長手方向と垂直な方向から部分的に圧下し、ロール荒地３の長手方向の一部を偏心させる。これにより、ロール荒地３の体積を配分し、更なる中間素材である曲げ荒地４を得る（図１Ｃ参照）。

続いて、荒打ち工程では、曲げ荒地４を一対の金型（上型と下型）を用いてプレス鍛造することにより、荒鍛造材５を得る（図１Ｄ参照）。得られる荒鍛造材５は、クランク軸（最終製品）のおおよその形状を有する。さらに、仕上げ打ち工程では、荒鍛造材５を上下に一対の金型を用いてプレス鍛造することにより、仕上げ鍛造材６を得る（図１Ｅ参照）。得られる仕上げ鍛造材６は、最終製品のクランク軸と合致する形状を有する。これら荒打ちおよび仕上げ打ちのとき、余材が、上型と下型の隙間から流出してバリとなる。このため、荒鍛造材５および仕上げ鍛造材６のいずれも、周囲に大きなバリＢを有する。

バリ抜き工程では、例えば、バリ付きの仕上げ鍛造材６を一対の金型によって挟んで保持した状態で、刃物型によってバリＢを打ち抜く。これにより、仕上げ鍛造材６からバリＢを除去し、バリ無し鍛造材を得る。そのバリ無し鍛造材は、図１Ｆに示す鍛造クランク軸１とほぼ同じ形状である。

整形工程では、バリ無し鍛造材の要所を上下から金型で僅かに圧下し、バリ無し鍛造材を最終製品の寸法形状に矯正する。ここで、バリ無し鍛造材の要所は、例えば、ジャーナル部Ｊ、ピン部Ｐ、フロント部Ｆｒおよびフランジ部Ｆｌなどといった軸部、さらにはアーム部Ａおよびウエイト部Ｗである。こうして、鍛造クランク軸１が製造される。

図１Ａ〜図１Ｆに示す製造工程は、図１Ｆに示す４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸に限らず、様々なクランク軸に適用できる。例えば、４気筒−４枚カウンターウエイトのクランク軸にも適用できる。

４気筒−４枚カウンターウエイトのクランク軸の場合、８枚のアーム部Ａのうちの一部のアーム部Ａがウエイト部Ｗを一体で有する。例えば、先頭の第１アーム部Ａ１、最後尾の第８アーム部Ａ８および中央の２枚のアーム部（第４アーム部Ａ４、第５アーム部Ａ５）がウエイト部Ｗを有する。また、残りのアーム部Ａ、具体的には、第２アーム部Ａ２、第３アーム部Ａ３、第６アーム部Ａ６および第７アーム部Ａ７は、ウエイト部を有さない。以下では、ウエイト部を有するアーム部を「ウエイト有りアーム部」、ウエイト部を有さないアーム部を「ウエイト無しアーム部」ともいう。

その他に、３気筒エンジン、直列６気筒エンジン、Ｖ型６気筒エンジンおよび８気筒エンジン等に搭載されるクランク軸であっても、製造工程は同様である。なお、ピン部の配置角度の調整が必要な場合は、バリ抜き工程の後に、捩り工程が追加される。

このような鍛造クランク軸の製造では、型鍛造におけるバリの流出を低減することにより、材料歩留りを向上することが望まれる。ここで、材料歩留りとは、鍛造クランク軸（最終製品）の体積がビレットの体積に占める割合（百分率）を意味する。この材料歩留りは、予備成形において、体積の配分を促進することにより、向上できる。

予備成形に関する技術が、特開２００１−１０５０８７号公報（特許文献１）、特開平２−２５５２４０号公報（特許文献２）および特開昭６２−２４４５４５号公報（特許文献３）に記載される。

特許文献１には、一対の上型と下型を用いる予備成形方法が記載される。その予備成形方法では、上型と下型とで棒状の被加工物を圧下する際に、被加工物の一部を伸ばして断面積を減少させながら、一部に連続した他部をすべらせながら動かして偏心させる。このような特許文献１に記載の予備成形方法では、延ばしと曲げを同時に実施できることから、設備投資の少ない予備成形方法を提供できるとしている。

特許文献２に記載の予備成形では、従来の２パスのロール成形に代え、４パスの高速ロール設備を用いる。その予備成形において、ロール荒地の断面積を、鍛造クランク軸（最終製品）のウエイト部、アーム部およびジャーナル部の断面積の分布に合わせて決めることが提案されている。これにより、特許文献２では、材料歩留りを向上できるとしている。

特許文献３に記載の予備成形では、クロスローリング法によって体積を軸方向および径方向に配分し、軸非対称な中間素材を得る。クロスローリング法では、２つのダイスで丸棒状の素材を圧下し、そのダイスの転造作用によって体積を配分する。

特開２００１−１０５０８７号公報 特開平２−２５５２４０号公報 特開昭６２−２４４５４５号公報 国際公開２０１４／０３８１８３号公報

鍛造クランク軸の製造では、前述の通り、型鍛造でのバリの流出を低減し、材料歩留りを向上させることが望まれる。

図１Ａ〜図１Ｆに示す製造工程のように、予備成形がロール成形および曲げ打ちからなる場合がある。この場合、ウエイト部となる部位の材料体積を確保するため、曲げ打ちでは、ピン部となる部位、および、そのピン部とつながる１組のアーム部となる部位を圧下して、それらの部位をピン部の偏心方向とは反対の方向に偏心させる。

なお、以下では、ジャーナル部となる部位を「ジャーナル相当部」、ピン部となる部位を「ピン相当部」、アーム部となる部位を「アーム相当部」、ピン相当部およびそのピン相当部とつながる１組のアーム部（ウエイト部となる部位を含む）となる部位を「スロー相当部」ともいう。

しかしながら、上記の方法では、曲げ打ちによってスロー相当部をピン部の偏心方向とは反対の方向に偏心させる。これにより、型鍛造において、ピン部の位置の材料体積がピン部の偏心方向とは反対方向に偏っているため、ピン部の周辺に多くのバリが発生する。型鍛造でピン部の欠肉を防止するために、スロー相当部（ピン相当部を含む）の体積を大きくしなければならないからである。その結果、材料歩留りの向上が期待できない。

前記特許文献１に記載の予備成形方法では、上記の方法と同様に、スロー相当部をピン部の偏心方向とは反対の方向に偏心させる。そのため、材料歩留りの向上が期待できない。

前記特許文献２に記載の予備成形方法では、ロール成形であることから、ビレットの一部を偏心させることができない。このため、得られるロール荒地に、曲げ打ち等をさらに施す必要がある。この場合、前述の通り、材料歩留りの向上が期待できない。

前記特許文献３に記載の予備成形では、クロスローリング法によって体積を軸方向および径方向に配分する。クロスローリング法では、曲げ打ちや型鍛造等で使用されるプレス機でなく、特別な設備を用いる。また、クロスローリング法では、複数箇所を同時に加工することが困難であり、例えば、複数のジャーナル相当部および複数のスロー相当部を順に、加工することとなる。このため、ダイスが大型化する。これらから、設備コストが増大する。

本発明の目的は、設備コストの増大を抑制しながら、材料歩留りを向上できる鍛造クランク軸の製造方法を提供することにある。

本発明の一実施形態による鍛造クランク軸の製造方法は、回転中心となる複数のジャーナル部と、複数のジャーナル部に対して偏心した複数のピン部と、複数のジャーナル部と複数のピン部とをつなぐ複数のクランクアーム部と、を備える鍛造クランク軸の製造方法である。その製造方法は、一対の第１金型によって棒状部材の長手方向の一部である第１部位を挟むことによって、第１部位を保持する挟みステップと、第１部位を第１金型によって保持した状態で、棒状部材の第２部位を第２金型によって偏心させる偏心ステップと、を含む。第２部位は、複数のピン部となる複数のピン相当部のうちの少なくとも１つのピン相当部である。第１部位は、複数のクランクアーム部となる複数のアーム相当部のうちの、第２部位としてのピン相当部が接する複数のアーム相当部である。第２金型による偏心方向は、第１金型による挟み方向、および、棒状部材の長手方向のそれぞれと垂直な方向であって、対応するピン部の偏心方向と同じ方向である。

鍛造クランク軸を製造するための本発明の製造方法によれば、ピン相当部を、対応するピン部の偏心方向に偏心させる。これにより、型鍛造において、ピン部の位置の材料体積がピン部の偏心方向と同じ方向に偏っているため、ピン部の欠肉が発生しにくい。そうすると、ピン相当部の材料体積を小さくできる。その結果、材料歩留りを向上できる。また、本発明の製造方法は、プレス機を用いて実施できる。このため、設備コストの増大を抑制できる。

図１Ａは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程におけるビレットを示す模式図である。 図１Ｂは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程におけるロール荒地を示す模式図である。 図１Ｃは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程における曲げ荒地を示す模式図である。 図１Ｄは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程における荒鍛造材を示す模式図である。 図１Ｅは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程における仕上げ鍛造材を示す模式図である。 図１Ｆは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程におけるクランク軸を示す模式図である。 図２Ａは、挟みステップおよび偏心ステップによる加工フロー例における挟み開始前を示す縦断面図である。 図２Ｂは、挟みステップおよび偏心ステップによる加工フロー例における挟み終了時を示す縦断面図である。 図３Ａは、挟みステップおよび偏心ステップによる加工フロー例における挟み終了時を示す上面図である。 図３Ｂは、挟みステップおよび偏心ステップによる加工フロー例における偏心終了時を示す上面図である。 図４Ａは、図３Ａの線IVＡ−IVＡにおける断面図である。 図４Ｂは、図３Ａの線IVＢ−IVＢにおける断面図である。 図４Ｃは、図３Ａの線IVＣ−IVＣにおける断面図である。 図５Ａは、図３Ｂの線ＶＡ−ＶＡにおける断面図である。 図５Ｂは、図３Ｂの線ＶＢ−ＶＢにおける断面図である。 図５Ｃは、図３Ｂの線ＶＣ−ＶＣにおける断面図である。 図６は、挟みステップおよび偏心ステップによる加工フロー例における偏心終了時の棒状部材を示す上面図である。 図７Ａは、第１金型の変形例を示す横断面図であり、ジャーナル部側の端の横断面形状を示す。 図７Ｂは、第１金型の変形例を示す横断面図であり、ピン部側の端の横断面形状を示す。 図８は、第２金型の変形例を示す横断面図である。 図９Ａは、楔機構を利用する構成例における挟み開始前を示す横断面図である。 図９Ｂは、楔機構を利用する構成例における挟み終了時を示す横断面図である。 図９Ｃは、楔機構を利用する構成例における第２金型の動作時を示す横断面図である。

本発明の実施の形態について以下に説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。

本実施形態の製造方法は、鍛造クランク軸の製造方法である。その鍛造クランク軸は、回転中心となる複数のジャーナル部Ｊと、複数のジャーナル部Ｊに対して偏心した複数のピン部Ｐと、複数のジャーナル部Ｊと複数のピン部Ｐとをつなぐ複数のクランクアーム部Ａと、を備える。本実施形態の製造方法は、挟みステップと偏心ステップとを含む。

挟みステップは、一対の第１金型によって棒状部材の長手方向の一部である第１部位を挟むことによって、その第１部位を保持するステップである。第１金型によって第１部位を挟む際、第１金型によって第１部位を圧下してもよい。第１部位が第１金型によって保持された状態で、次の偏心ステップが行われる。

挟みステップで挟まれる棒状部材は、鍛造クランク軸の材料となる部材である。当該棒状部材には、上述したビレットと呼ばれる材料を用いることができる。

偏心ステップは、第１部位を第１金型によって保持した状態で、棒状部材の第２部位を第２金型によって偏心させるステップである。ここで、第２部位は、複数のピン部となる複数のピン相当部のうちの少なくとも１つのピン相当部である。第１部位は、複数のクランクアーム部となる複数のアーム相当部のうちの、第２部位としてのピン相当部が接する複数のアーム相当部である。すなわち、第１部位及び第２部位を設定するにあたり、複数のスロー相当部のうちの少なくとも１つのスロー相当部が選ばれる。選ばれたスロー相当部に含まれるピン相当部を第２部位とし、そのスロー相当部に含まれる一組のアーム相当部を第１部位とする。一例では、スロー相当部の全てが選ばれ、ピン相当部の全てを第２部位とし、アーム相当部の全てを第１部位とする。

第２金型による偏心方向（偏心ステップにおける偏心方向）は、第１金型による挟み方向（挟みステップにおける挟み方向）、および、棒状部材の長手方向のそれぞれと垂直な方向であって、対応するピン部の偏心方向と同じ方向である。典型的な一例において、挟みステップでは、第１金型が鉛直方向に移動し、偏心ステップでは第２金型が主に水平方向に移動する。

本実施形態の製造方法によれば、ピン相当部に接する一組のアーム相当部を保持した状態で、そのピン相当部を、対応するピン部の偏心方向に偏心させる。これにより、型鍛造において、ピン部の位置の材料体積がピン部の偏心方向と同じ方向に偏っているため、ピン部の欠肉が発生しにくい。そうすると、ピン相当部の材料体積を従来のように過剰に確保しておく必要はない。したがって、ピン相当部の材料体積を小さくできる。その結果、材料歩留りを向上できる。また、本実施形態の製造方法は、プレス機を用いて実施できる。このため、設備コストの増大を抑制できる。

第２金型によってピン相当部を偏心させるときに、第１金型によってアーム相当部を保持しておけば、ピン相当部のみを有効に偏心させることができる。さらに、そのピン相当部に接するアーム相当部の過剰な変形を抑制することができる。仮に第１金型によるアーム相当部の保持がなければ、第２金型によるピン相当部の偏心移動に伴って、アーム相当部が無作為に変形してしまう。

本実施形態の製造方法において、第１部位はさらに、複数のジャーナル部となるジャーナル相当部のうちの、第１部位としてのアーム相当部が接するジャーナル相当部を含んでもよい。すなわち、選ばれたスロー相当部に含まれる一組のアーム相当部、およびそのアーム相当部が接するジャーナル相当部を、第１部位としてもよい。この場合、第１金型による第１部位の保持がさらに安定する。そのため、偏心ステップにおいて第２部位（ピン相当部）を有効に偏心させることができる。

本実施形態の製造方法において、複数のアーム部の少なくとも１つはウエイト部を有するウエイト有りアーム部であってもよい。この場合、第１部位は、ウエイト有りアーム部となるウエイト有りアーム相当部を含んでもよい。この場合、挟みステップにおいて、第１金型によって第１部位（ウエイト有りアーム相当部）を圧下することにより、その第１部位を、対応するピン部の偏心方向とは反対の方向（ウエイト部の偏心方向）に張り出させてもよい。ウエイト部の材料体積を確保できるからである。

以下に、本実施形態の鍛造クランク軸の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する実施形態は例示であり、以下の実施形態の構成の少なくとも一部を、上述した構成に置き換えることができる。

１．製造工程例
本実施形態の製造方法が対象とする鍛造クランク軸は、回転中心となるジャーナル部Ｊと、ジャーナル部Ｊに対して偏心したピン部Ｐと、ジャーナル部Ｊとピン部Ｐとをつなぐアーム部Ａと、を備える。アーム部Ａの一部または全部は、ウエイト部Ｗを備える。本実施形態の製造方法は、例えば、前記図１Ｆに示す４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸を対象とすることができる。また、前述の４気筒−４枚カウンターウエイトのクランク軸を対象とすることもできる。その他に、３気筒エンジン、直列６気筒エンジン、Ｖ型６気筒エンジンまたは８気筒エンジン等に搭載されるクランク軸を対象とすることもできる。

本実施形態の鍛造クランク軸の製造方法は、挟みステップと、偏心ステップと、を含む。挟みステップでは、一対の第１金型によって棒状部材の長手方向の一部（第１部位）を挟み、当該一部を保持する。偏心ステップでは、第１金型によって第１部位を保持した状態で、第２金型によって、棒状部材の長手方向の一部（第２部位）を偏心させる。挟みステップおよび偏心ステップの詳細は、後述する。

本実施形態の挟みステップおよび偏心ステップからなる加工は、従来の製造工程の予備成形に相当し、より具体的には、ロール成形および曲げ打ちからなる予備成形に相当する。ロール成形および曲げ打ちは、異なる設備によってそれぞれ行うが、本実施形態の製造方法では、挟みステップおよび偏心ステップからなる加工は、単一のプレス機内で行うことができる。

被加工材である棒状部材は、例えば、ビレットとすることができる。あるいは、長手方向の一部で断面積を減少させた初期荒地とすることができる。その初期荒地は、例えば、ビレットにロール成形等を施すことによって得られる。

予備成形の後に、例えば、前記図１Ｄ〜図１Ｆに示す製造工程と同様に、型鍛造工程およびバリ抜き工程を追加でき、必要に応じ、バリ抜き工程の後に整形工程を追加できる。型鍛造工程は、荒打ちと仕上げ打ちから構成できる。なお、ピン部の配置角度の調整が必要な場合は、バリ抜き工程の後に、捩り工程が追加される。これらの工程は、いずれも、熱間で一連に行われる。

あるいは、予備成形の後工程として、国際公開２０１４／０３８１８３号公報（特許文献４）に記載される成形装置によって加工する工程を追加してもよい。特許文献４には、クランク軸の粗形状が造形された粗素材から仕上打ち用素材を成形する成形装置が提案される。その粗素材として、挟みステップおよび偏心ステップによって得られた荒地を用いる。この場合、上記の成形装置によって加工する工程の後に、仕上げ鍛造工程およびバリ抜き工程を追加してもよく、必要に応じて整形工程を追加してもよい。これらの工程は、いずれも、熱間で一連に行われる。

通常、４気筒エンジン用クランク軸を製造する場合、捩り工程は省略される。仕上げ鍛造工程によって、ピン部の配置角度を含めて最終製品の形状が得られるからである。４気筒エンジン用クランク軸では、ピン部の配置角度は１８０°である。そのため、偏心ステップにおいて、第２金型による偏心方向（第２部位（ピン相当部）を偏心させる方向）は、対応するピン部の偏心方向と完全に一致する。

３気筒エンジン用クランク軸では、ピン部の配置角度は１２０°である。３気筒エンジン用クランク軸を製造する場合、下記の２つのバリエーションがある。１つ目は、仕上げ鍛造工程によって、ピン部の配置角度を除いて最終製品の形状が得られる場合である。３つのピン部（第１〜第３ピン部）のうちの第１及び第３ピン部となる第１及び第３ピン相当部が、第２部位として設定される。この場合、得られる仕上げ鍛造材のこれら第１ピン部と第３ピン部の配置角度は１８０°である。そのため、偏心ステップにおいて、第２金型による偏心方向（第２部位（ピン相当部）を偏心させる方向）は、対応するピン部の仕上げ鍛造材での偏心方向と完全に一致する。この場合、第１及び第３ピン部の配置角度の最終調整のため、捩り工程が追加される。

２つ目は、仕上げ鍛造工程によって、ピン部の配置角度を含めて最終製品の形状が得られる場合である。この場合、得られる仕上げ鍛造材のピン部の配置角度は１２０°である。そのため、偏心ステップにおいて、第２金型による偏心方向（第２部位（ピン相当部）を偏心させる方向）は、対応するピン部の仕上げ鍛造材での偏心方向とほぼ一致する。厳密に言えば、３つのピン部（第１〜第３ピン部）のうちの第１及び第３ピン部となる第１及び第３ピン相当部が、第２部位として設定される。偏心ステップにおいて、第２金型による偏心方向（第２部位（第１及び第３ピン相当部）を偏心させる方向）は、対応するピン部（第１及び第３ピン部）の偏心方向から３０°ずれる。この場合、ピン部の配置角度の最終調整は不要であり、捩り工程は省略される。

直列６気筒エンジン用クランク軸では、ピン部の配置角度は１２０°である。そのため、直列６気筒エンジン用クランク軸を製造する場合、そのバリエーションは３気筒エンジン用クランク軸を製造する場合と同様になる。

本明細書において、第２金型による偏心方向に関する「ピン部の偏心方向と同じ方向」とは、ピン部の偏心方向と完全に一致する方向を意味することはもとより、さらにピン部の偏心方向から若干（例：３０°）ずれる方向をも意味する。

２．挟みステップおよび偏心ステップ
挟みステップおよび偏心ステップによる加工フロー例について、図面を参照しながら説明する。本加工フロー例は、４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸を対象とする。

図２Ａ〜図６は、挟みステップおよび偏心ステップによる加工フロー例を示す模式図である。そのうちの図２Ａおよび図２Ｂは、縦断面図であり、図２Ａは挟み開始前を示し、図２Ｂは挟み終了時を示す。図２Ａおよび図２Ｂには、棒状部材５１（ビレット）と、一対の第１金型１０とを示し、図面の理解を容易にするため、後述の第２金型を省略する。

図３Ａおよび図３Ｂは、上面図であり、図３Ａは挟み終了時を示し、図３Ｂは偏心終了時を示す。図３Ａおよび図３Ｂには、棒状部材５１、荒地５２、一対の第１金型１０のうちの第１上型１１、および、第２金型２０を示す。図面の理解を容易にするため、図３Ａおよび図３Ｂでは、第１上型１１および第２金型２０にそれぞれハッチングを施す。

図４Ａ〜図４Ｃは、挟み終了時（偏心開始前）の状態を示す横断面図である。図４Ａは図３Ａの線IVＡ−IVＡにおける断面図であり、図４Ｂは図３Ａの線IVＢ−IVＢにおける断面図であり、図４Ｃは図３Ａの線IVＣ−IVＣにおける断面図である。また、図５Ａ〜図５Ｃは、偏心終了時の状態を示す横断面図である。図５Ａは図３Ｂの線ＶＡ−ＶＡにおける断面図であり、図５Ｂは図３Ｂの線ＶＢ−ＶＢにおける断面図であり、図５Ｃは図３Ｂの線ＶＣ−ＶＣにおける断面図である。図４Ａおよび図５Ａは、第１金型のジャーナル部側の端の横断面形状を示し、図４Ｂおよび図５Ｂは、第１金型のピン部側の端の横断面形状を示す。図４Ｃおよび図５Ｃは、第２金型の横断面形状を示す。

図６は、偏心終了時の棒状部材（荒地５２）を示す上面図である。図６の下側には、荒地５２の各部位と、鍛造クランク軸（最終製品）の各部位との対応を示すため、鍛造クランク軸１の形状を想像線で示す。

本加工フロー例において、一対の第１金型１０は、第１上型１１および第１下型１２で構成される。第１上型１１は、プレス機の上側ベースプレート（図示なし）に固定され、第１下型１２は、プレス機の下側ベースプレート（図示なし）に固定される。

第１金型１０は、棒状部材５１（ビレット）の第１部位５１ａの位置に配置される。本加工フロー例では、アーム部となる部位（アーム相当部）が第１部位５１ａとなる（図６参照）。このような一対の第１金型１０により、第１部位５１ａを挟み、その第１部位５１ａを保持する。

本加工フロー例では、第１金型１０は、スロー相当部のうちでピン部となる部位（ピン相当部）に対応する範囲が開放される。また、ジャーナル部となる部位（ジャーナル相当部）に対応する範囲も開放される。フロント部となる部位およびフランジ部となる部位に対応する範囲も開放される。

それらの開放された範囲の少なくとも一部には、第２金型２０が配置される。具体的には、第２金型２０は、第２部位５１ｂの位置に配置される。本加工フロー例では、スロー相当部のうちのピン相当部が第２部位５１ｂとなる（図６参照）。その第２金型２０により、第２部位５１ｂを偏心させる。第２金型２０は、第１金型１０による挟み方向、および、棒状部材５１の長手方向のそれぞれと垂直な方向であって、対応するピン部の偏心方向と同じ方向（図３Ｂのハッチングを施した矢印参照）に沿って移動可能である。

ここで、第１上型１１および第１下型１２（第１金型１０）は、上述の第１部位５１ａを挟むために凹状の型彫刻部をそれぞれ有する。その型彫刻部の横断面形状は、例えば、放物線状、半楕円状または半円状である。具体的には、図４Ａおよび図５Ａを参照し、第１金型１０のジャーナル部側の端において、型彫刻部の横断面形状は、例えば半円状である。第１部位５１ａのうちのジャーナル部側では、第２部位５１ｂ（ピン相当部）の偏心方向側となる範囲を第１金型１０によって拘束するためである。一方、図４Ｂおよび図５Ｂを参照し、第１金型１０のピン部側の端において、型彫刻部の横断面形状は、例えば半楕円状である。第１部位５１ａのうちのピン部側では、第２部位５１ｂ（ピン相当部）の偏心方向側となる範囲を第１金型１０から開放するためである。したがって、第１金型１０の型彫刻部において、少なくとも第２部位５１ｂ（ピン相当部）の偏心方向側となる範囲は、ジャーナル部側からピン部側にいくほど拡大している（図３Ａおよび図３Ｂの点線参照）。

第２金型２０は、上述の第２部位５１ｂを偏心させるために凹状の型彫刻部を有する。その型彫刻部の横断面形状は、例えば、放物線状、半楕円状または半円状である。具体的には、図４Ｃおよび図５Ｃを参照し、第２金型２０の型彫刻部の横断面形状は、例えば半円状である。第２部位５１ｂ（ピン相当部）のうちの第２部位５１ｂの偏心方向とは反対側となる範囲を第２金型２０によって拘束するためである。

挟みステップおよび偏心ステップは、上述の第１金型１０および第２金型２０を用いて以下のように行うことができる。

プレス機の動作に伴い、第１上型１１と第１下型１２とを離間させ、第１下型１２上に、断面形状が円形である棒状部材５１を載置する（図２Ａ参照）。その際、第２金型２０は、棒状部材５１の干渉を防止するため、退避させる。

続いて、挟みステップでは、プレス機の動作に伴って第１上型１１を下降させる。第１上型１１の下降により、第１上型１１および第１下型１２が棒状部材５１の第１部位５１ａを挟む。第１上型１１が下死点に到達すると、挟みステップが終了する（図２Ｂ、図３Ａ、および図４Ａ〜図４Ｃ参照）。その結果、第１金型１０（第１上型１１および第１下型１２）によって第１部位５１ａが保持される。本加工フローでは、第１部位５１ａの断面形状は、円形状のままで変形しない（図４Ａおよび図４Ｂ参照）。

偏心ステップでは、第１上型１１の位置を下死点に維持することにより、一対の第１金型１０で棒状部材５１の第１部位５１ａを挟んで保持する。この状態で、第２金型２０を移動させて棒状部材５１に押し当てる。第２金型２０をさらに移動させることにより、第２部位５１ｂを偏心させる（図３Ｂ、および図５Ａ〜図５Ｃ参照）。その際、１つのスロー相当部において、１つの第２部位５１ｂ（ピン相当部）に接する２つの第１部位５１ａ（アーム相当部）が第１金型１０によって保持されているため、第２金型２０によって第２部位５１ｂ（ピン相当部）を偏心させることができる。このようにして、図６に示すように、ピン相当部（第２部位５１ｂ）がピン部の偏心方向に偏心した荒地５２が形成される。

なお、第１部位５１ａ（アーム相当部）のうちのピン部側では、第２部位５１ｂ（ピン相当部）の偏心方向側となる範囲が第１金型１０から開放されている。そのため、偏心ステップにおいて、第２部位５１ｂから第１部位５１ａに材料が流動する。そのため、第１部位５１ａのうちで第２部位５１ｂの偏心方向側となる範囲が第２部位５１ｂと滑らかにつながる。

偏心終了後、第２金型２０を退避させるとともに、第１上型１１を上昇させる。この状態で、荒地５２を取り出し、次工程に搬送する。後工程の荒打ちや仕上げ打ちでは、その荒地５２を型鍛造する。この型鍛造では、ピン部の位置の材料体積（第２部位５１ｂの体積）がピン部の偏心方向と同じ方向に偏っている。そのため、バリの流出を低減でき、材料歩留りを向上できる。

上述の通り、一対の第１金型１０による動作は、プレス機によって実現できる。第２金型２０の動作は、例えば、後述の楔機構、または、油圧シリンダ等によって実現できる。このため、挟みステップおよび偏心ステップには、既存のプレス機を利用でき、クロスローリング法のように特別な設備が不要である。このため、設備コストの増大を抑制できる。

また、上述の加工フロー例のように、プレス機の１ストローク（１往復運動）内で、挟みステップおよび偏心ステップを行うことができる。このため、製造効率を維持または向上させながら、材料歩留りを向上できる。

第１部位５１ａはさらに、ジャーナル相当部を含んでもよい。この場合、第１金型による第１部位５１ａの保持がさらに安定する。

また、アーム部の全てがウエイト有りアーム部であってもよいし、アーム部の一部がウエイト有りアーム部であり、残りのアーム部がウエイト無しアーム部であってもよい。この場合、挟みステップにおいて、第１金型によって第１部位（ウエイト有りアーム相当部）を圧下することにより、その第１部位を、対応するピン部の偏心方向とは反対の方向（ウエイト部の偏心方向）に張り出させてもよい。これにより、ピン相当部の体積を抑えながら、ウエイト部となる部位で材料体積を確保できる。その結果、材料歩留りを向上できる。

型鍛造におけるピン部用型彫刻部への材料の充満性を確保する観点から、荒地５２のピン相当部の偏心量Ｅ１（ｍｍ）は、仕上げ寸法の偏心量（鍛造クランク軸のピン部の偏心量）Ｅ０（ｍｍ）に対する比（Ｅ１／Ｅ０）で、（１．０−Ｄｐ／２／Ｅ０）以上１．０以下とするのが好ましい（図６参照）。ここでＤｐは、仕上げ寸法のピン部の直径（鍛造クランク軸のピン部の直径）を意味する。同様の観点から、荒地５２のピン相当部の断面積Ｓｐ１（ｍｍ^２）は、鍛造クランク軸のピン部の断面積Ｓｐ０（ｍｍ^２）に対する比（Ｓｐ１／Ｓｐ０）で、０．７以上１．５以下とするのが好ましい。より好ましい比（Ｓｐ１／Ｓｐ０）は０．７５以上１．１以下である。

第１金型１０および第２金型２０の横断面形状は、上記の形状に限定されない。第１金型１０および第２金型２０の変形例について、図面を参照しながら説明する。

図７Ａおよび図７Ｂは、第１金型の変形例を示す横断面図である。図７Ａは第１金型のジャーナル部側の端の横断面形状を示し、図３Ａの線IVＡ−IVＡにおける断面図に対応する。図７Ｂは、第１金型のピン部側の端の横断面形状を示し、図３Ａの線IVＢ−IVＢにおける断面図に対応する。

図７Ａおよび図７Ｂを参照し、第１上型１１および第１下型１２（第１金型１０）の型彫刻部は、第２部位５１ｂ（ピン相当部）の偏心方向とは反対側となる範囲を開放されている。偏心ステップでの第１部位５１ａの保持に影響しないからである。

図８は、第２金型の変形例を示す横断面図である。図８は第２金型の横断面形状を示し、図３Ａの線IVＣ−IVＣにおける断面図に対応する。

図８を参照し、第２金型２０は、第２上型２１および第２下型２２で構成されている。この場合、第２上型２１および第２下型２２（第２金型２０）の型彫刻部の横断面形状は、例えば、半円状である。ただし、第２部位５１ｂ（ピン相当部）の偏心方向側となる範囲を開放されていてもよい。偏心ステップでの第２部位５１ｂの偏心作用に影響しないからである。

上述の通り、第２金型２０の動作は、例えば、後述の楔機構、または、油圧シリンダ等によって実現できる。プレス機の往復運動と確実に同期して第２金型を動作させるとともに、高速な動作を実現する観点から、楔機構によって第２金型を動作させるのが好ましい。以下に、楔機構によって第２金型を動作させる場合の構成例について、図面を参照しながら説明する。

図９Ａ〜図９Ｃは、楔機構によって第２金型を動作させる場合の構成例を模式的に示す横断面図であり、図９Ａは挟み開始前、図９Ｂは挟み終了時、図９Ｃは第２金型の動作時をそれぞれ示す。図９Ａ〜図９Ｃには、プレス機４０の一部と、棒状部材５１（ビレット）と、一対の第１金型１０と、第２金型２０と、楔４４とを示す。プレス機４０は、ベッド４３と、上下に往復運動する上側ベースプレート４１と、下側ベースプレート４２と、弾性部材４５（例えばばね）とを備える。下側ベースプレート４２は、弾性部材４５を介してベッド４３に上下動可能に保持される。

第１金型１０のうちの第１上型１１は、上側ベースプレート４１に固定され、第１下型１２は、下側ベースプレート４２に固定される。第２金型２０は、第１金型１０の挟み方向と垂直な方向（本構成例では水平方向）に沿って移動可能な状態で、下側ベースプレート４２に保持される。第２金型２０の底面の一部は、傾斜面２０ａであり、その傾斜面２０ａの高さは、第１金型１０から遠ざかるに従って高くなる。楔４４は、上下方向に伸び、その楔４４の下端は、ベッド４３に固定される。また、楔４４の上面は、傾斜面４４ａであり、その傾斜面４４ａの高さは、第１金型１０から遠ざかるに従って高くなる。

このような構成例を採用する場合、挟みステップでは、上側ベースプレート４１の下降に伴って第１上型１１が下降する（図９Ａ参照）。これに伴い、一対の第１金型１０により、棒状部材５１が挟まれる。このとき、第１上型１１の型割り面と第１下型１２の型割り面とが当接し、さらに上側ベースプレート４１と第２金型２０が当接し、挟みステップが終了する（図９Ｂ参照）。

挟み終了後、上側ベースプレート４１をさらに下降させると、弾性部材４５が縮む（図９Ｃ参照）。これに伴い、第１上型１１、第１下型１２および第２金型２０が下降する。その際、第２金型２０の傾斜面２０ａが楔４４の傾斜面４４ａに押され、第２金型２０が水平方向に移動する（図９Ｃのハッチングを施した矢印参照）。これにより、第２金型２０が棒状部材５１に押し当てられ、棒状部材５１の一部が偏心する。このように楔機構を採用すれば、上側ベースプレート４１の往復運動に伴って第２金型２０を動作させることができる。

前述の加工フロー例および楔機構を用いる構成例では、一対の第１金型１０による挟みが終了したときに、第２金型２０による偏心を開始する。本実施形態の鍛造クランク軸の製造方法では、一対の第１金型１０による挟みが終了した後であれば、いつでも第２金型２０による偏心を開始してもよい。

本発明は、レシプロエンジンに搭載される鍛造クランク軸の製造に有効に利用できる。

１ 鍛造クランク軸
１０ 第１金型
１１ 第１上型
１２ 第１下型
２０ 第２金型
２０ａ 傾斜面
４０ プレス機
４１ 上側ベースプレート
４２ 下側ベースプレート
４３ ベッド
４４ 楔
４４ａ 傾斜面
４５ 弾性部材
５１ 棒状部材
５１ａ 第１部位（アーム相当部）
５１ｂ 第２部位（ピン相当部）
５２ 荒地
Ａ、Ａ１〜Ａ８ クランクアーム部
Ｂ バリ
Ｊ、Ｊ１〜Ｊ５ ジャーナル部
Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４ ピン部
Ｆｒ フロント部
Ｆｌ フランジ部
Ｗ、Ｗ１〜Ｗ８ カウンターウエイト部

Claims (3)

1. 回転中心となる複数のジャーナル部と、前記複数のジャーナル部に対して偏心した複数のピン部と、前記複数のジャーナル部と前記複数のピン部とをつなぐ複数のクランクアーム部と、を備える鍛造クランク軸の製造方法であって、
   前記製造方法は、
   一対の第１金型によって棒状部材の長手方向の一部である第１部位を挟むことによって、前記第１部位を保持する挟みステップと、
   前記第１部位を前記第１金型によって保持した状態で、前記棒状部材の第２部位を第２金型によって偏心させて荒地を形成する偏心ステップと、を含み、
   前記棒状部材は、断面積が全長にわたって一定であるビレット、または前記ビレットの長手方向の一部で断面積を減少させて得た初期荒地であり、
   前記第２部位は、前記複数のピン部となる複数のピン相当部のうちの少なくとも１つのピン相当部であり、
   前記第１部位は、前記複数のクランクアーム部となる複数のアーム相当部のうちの、前記第２部位としての前記ピン相当部が接する複数のアーム相当部であり、
   前記第１金型による挟み方向は、前記棒状部材の長手方向と垂直な方向であり、
   前記第２金型による偏心方向は、前記第１金型による挟み方向、および、前記棒状部材の長手方向のそれぞれと垂直な方向であって、対応する前記ピン部の偏心方向と同じ方向である、鍛造クランク軸の製造方法。
2. 請求項１に記載の鍛造クランク軸の製造方法であって、
   前記第１部位はさらに、前記複数のジャーナル部となるジャーナル相当部のうちの、前記第１部位としての前記アーム相当部が接するジャーナル相当部を含む、鍛造クランク軸の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の鍛造クランク軸の製造方法であって、
   前記複数のクランクアーム部の少なくとも１つはカウンターウエイト部を有するウエイト有りアーム部であり、
   前記第１部位は、前記ウエイト有りアーム部となるウエイト有りアーム相当部を含む、鍛造クランク軸の製造方法。

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