WO2016009620A1

WO2016009620A1 - 鍛造クランク軸の製造方法

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Publication number: WO2016009620A1
Application number: PCT/JP2015/003452
Authority: WO
Inventors: 憲司田村; 潤一大久保; 広一郎石原; 吉野　健; 訓宏薮野; 黒川　宣幸; 智久山下; 奨高本
Original assignee: 新日鐵住金株式会社
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2016-01-21
Also published as: MX2017000605A; EP3170576B1; JP6245369B2; JPWO2016009620A1; US10350671B2; EP3170576A4; US20170189955A1; EP3170576A1; CN106488816A; CN106488816B

Abstract

　鍛造クランク軸の製造方法は、クランクアーム部（Ａ）のピン部（Ｐ）近傍の両側部それぞれの外周から突出する余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）を有するクランク軸の形状が造形されたバリなしの荒素材（３１）を成形する予備成形工程と、荒素材（３１）を一対の第１金型を用いて圧下することにより、バリ付きの鍛造材（３２）を成形する型鍛造工程と、鍛造材（３２）からバリ（３２ａ）を除去するバリ抜き工程とを含む。型鍛造工程では、アーム部（Ａ）のジャーナル部（Ｊ）側の表面を第２金型（２０）の押し当てにより保持しながら、第１金型により、アーム部（Ａ）の余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）を変形させて、アーム部（Ａ）の両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みを増加させる。これらにより、軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を、歩留りを向上させつつ簡便に得ることができる。

Description

鍛造クランク軸の製造方法

　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、船舶等のレシプロエンジンは、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、型鍛造によって製造されるものと、鋳造によって製造されるものとに大別される。特に、高強度と高剛性が要求される場合は、それらの特性に優れた前者の鍛造クランク軸が多用される。

　一般に、鍛造クランク軸はビレットを原材料とし、そのビレットは、断面が丸形又は角形で全長にわたって断面積が一定である。また、鍛造クランク軸の製造では、予備成形、型鍛造、バリ抜き、及び整形の各工程が順に設けられる。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１（ａ）～図１（ｆ）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１（ｆ）に例示するクランク軸１は、４気筒エンジンに搭載されるものであり、４気筒－８枚カウンターウエイトのクランク軸である。そのクランク軸１は、５つのジャーナル部Ｊ１～Ｊ５、４つのピン部Ｐ１～Ｐ４、フロント部Ｆｒ、フランジ部Ｆｌ、及びジャーナル部Ｊ１～Ｊ５とピン部Ｐ１～Ｐ４をそれぞれつなぐ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から構成される。また、クランク軸１は、８枚の全てのアーム部Ａ１～Ａ８に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を有する。そのウエイト部Ｗ１～Ｗ８は、それぞれアーム部Ａ１～Ａ８と一体で成形される。

　以下では、ジャーナル部Ｊ１～Ｊ５、ピン部Ｐ１～Ｐ４、アーム部Ａ１～Ａ８及びウエイト部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及びこのピン部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１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、予め所定の長さに切断した図１（ａ）に示すビレット２を加熱炉（例えば誘導加熱炉やガス雰囲気加熱炉）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、例えば孔型ロールによりビレット２を圧延して絞りつつそ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を成形する（図１（ｂ）参照）。次に、曲げ打ち工程では、ロール成形によって得られたロール荒地３を長手方向と直角な方向から部分的に圧下する。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を成形する（図１（ｃ）参照）。

　続いて、荒打ち工程では、曲げ打ちによって得られた曲げ荒地４を上下に一対の金型を用いてプレス鍛造する。これにより、クランク軸（最終製品）のおおよその形状が造形された荒鍛造材５を成形する（図１（ｄ）参照）。更に、仕上げ打ち工程では、荒打ちによって得られた荒鍛造材５が供され、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。これにより、最終製品のクランク軸と合致する形状が造形された鍛造材６を成形する（図１（ｅ）参照）。これら荒打ち及び仕上げ打ちのとき、互いに対向する金型の型割面の間から、余材がバリとして流出する。このため、荒鍛造材５及び仕上げ鍛造材６は、いずれも、造形されたクランク軸の周囲にバリ（５ａ、６ａ）が大きく付いている。

　バリ抜き工程では、仕上げ打ちによって得られたバリ６ａ付きの仕上げ鍛造材６を、例えば、上下から金型で保持しつつ、刃物型によってバリ６ａを打ち抜き除去する。これにより、図１（ｆ）に示すように、鍛造クランク軸１が得られる。整形工程では、バリを除去した鍛造クランク軸１の要所を上下から金型で僅かに圧下し、最終製品の寸法形状に矯正する。ここで、クランク軸１の要所は、例えば、ジャーナル部Ｊ、ピン部Ｐ、フロント部Ｆｒ、フランジ部Ｆｌなどといった軸部、更にはアーム部Ａ及びウエイト部Ｗが該当する。こうして、鍛造クランク軸１が製造される。

　図１（ａ）～図１（ｆ）に示す製造工程は、図１（ｆ）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。ここで、４気筒－４枚カウンターウエイトのクランク軸では、８枚のアーム部Ａのうち、一部のアーム部Ａにウエイト部Ｗを設ける。例えば先頭の第１アーム部Ａ１、最後尾の第８アーム部Ａ８、及び中央の２枚のアーム部（第４アーム部Ａ４、第５アーム部Ａ５）にウエイト部Ｗを設ける。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、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。

　近年、特に自動車用のレシプロエンジンには、燃費の向上のために軽量化が求められている。このため、レシプロエンジンの基幹部品であるクランク軸にも、軽量化の要求が著しくなっている。鍛造クランク軸の軽量化を図る従来技術としては、下記のものがある。

　特許文献１及び２には、ジャーナル部側の表面に穴部が形成されたアーム部が記載され、このアーム部を有するクランク軸の製造方法も記載されている。アーム部の穴部は、ジャーナル部の軸心とピン部の軸心とを結ぶ直線（以下、「アーム部中心線」ともいう）上に形成され、ピン部に向けて大きく深く窪む。このような同文献に記載されたアーム部は、穴部の体積分が軽量化される。アーム部の軽量化は、アーム部と対をなすウエイト部の重量軽減につながり、ひいては鍛造クランク軸全体の軽量化につながる。また、同文献に開示されたアーム部は、アーム部中心線を間に挟むピン部近傍の両側部で厚みが厚く維持されていることから、剛性（ねじり剛性及び曲げ剛性）も確保される。

　このように、アーム部の両側部の厚みを厚く維持しつつ、アーム部のジャーナル部側の表面に凹みを持たせれば、軽量化と剛性確保を同時に図ることができる。

　ただし、そのような独特な形状のアーム部を有する鍛造クランク軸は、従来の製造方法では製造することが困難である。型鍛造工程において、アーム部表面に凹みを形成しようとすれば、当該凹み部位の金型の型抜き勾配が逆勾配になり、成形された鍛造材が金型から抜けなくなる事態が生じるからである。

　そのような事態に対処するため、特許文献１及び２に記載された製造方法では、型鍛造工程ではアーム部表面に凹みを形成することなくアーム部を小さく成形することとしている。また、バリ抜き工程の後に、アーム部の表面にパンチを押し込み、そのパンチの痕跡によって凹みを形成することとしている。

　ところで、前記図１（ａ）～図１（ｆ）に示すような製造方法では、製品とはならない不要なバリが大量に発生することから、歩留りの低下は否めない。このため、鍛造クランク軸を製造する上では、従来から、バリの発生を極力抑え、歩留りの向上を実現することが課題となっている。この課題に対応する従来の技術としては下記のものがある。

　例えば、特許文献３には、ジャーナル部及びピン部が造形され、アーム部もそれなりに造形されたクランク軸を製造する方法が記載されている。その製造技術では、クランク軸のジャーナル部とピン部に相当する部分が個々にくびれた段付きの丸棒を素材とする。その丸棒素材のうちでピン部相当部分を間に挟む一対のジャーナル部相当部分をそれぞれダイスで把持する。

　この状態で、両ダイスを軸方向に接近させて丸棒素材に圧縮変形を与えるとともに、ピン部相当部分に軸方向と直角な方向にポンチを押し付ける。これにより、ピン部相当部分を偏芯させる。このピン部相当部分の偏芯をクランクスローにわたって順次繰り返すことにより、ジャーナル部及びピン部が造形され、アーム部もそれなりに造形される。

　また、特許文献４にも、ジャーナル部及びピン部が造形され、アーム部もそれなりに造形されたクランク軸を製造する方法が記載されている。その製造技術では、単なる丸棒を素材とする。この丸棒素材の両端部のうちの一方を固定型で、その他方を可動型でそれぞれ保持するとともに、丸棒素材のジャーナル部相当部分をジャーナル型で、ピン部相当部分をピン型でそれぞれ保持する。

　この状態から、可動型、ジャーナル型及びピン型を固定型に向けて軸方向に移動させて丸棒素材に圧縮変形を与える。これと同時に、ピン型を軸方向と直角な偏芯方向に移動させてピン部相当部分を偏芯させる。これにより、ジャーナル部及びピン部が造形され、アーム部もそれなりに造形される。

　特許文献３及び４に記載される製造方法では、いずれもバリが発生しないことから、歩留りの著しい向上が期待できる。

特開２０１２－７７２６号公報特開２０１０－２３００２７号公報特開２００８－１５５２７５号公報特開２０１１－１６１４９６号公報

　確かに、前記特許文献１及び２に記載された製造方法によれば、アーム部の両側部の厚みを厚く維持しつつ、アーム部のジャーナル部側の表面に凹みを形成することが可能となる。これにより、軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を製造することができる。

　しかし、この製造方法では、アーム部表面に凹みを形成するために、アーム部表面にパンチを強く押し込んでアーム部全体を変形させることから、パンチの押し込みに多大な力を要する。このため、パンチに多大な力を付与するための格別な設備構成が必要であり、パンチの耐久性に関しても配慮が必要となる。

　一方、前記特許文献３及び４に記載された製造方法によれば、いずれもバリが発生しないことから、歩留りの著しい向上が期待できる。しかし、鍛造クランク軸の軽量化については検討されておらず、軽量化の要求を満足することができない。

　本発明の目的は、軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を、歩留りを向上させつつ簡便に得ることが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、回転中心となるジャーナル部と、そのジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、を有する鍛造クランク軸の製造方法である。当該製造方法は、前記クランクアーム部の前記ピン部近傍の両側部それぞれの外周から突出する余肉部を有するクランク軸の形状が造形されたバリなしの荒素材を成形する予備成形工程と、前記予備成形工程で成形した前記荒素材を一対の第１金型を用いて圧下することにより、バリ付きの鍛造材を成形する型鍛造工程と、前記型鍛造工程で成形した前記鍛造材からバリを除去するバリ抜き工程と、を含む。前記型鍛造工程では、前記クランクアーム部の前記ジャーナル部側の表面のうちで前記両側部の領域を少なくとも除く表面を、第２金型の押し当てにより保持しながら、前記第１金型により、前記クランクアーム部の前記余肉部を変形させて前記クランクアーム部の前記両側部の厚みを増加させる。

　上記の製造方法において、前記第２金型は、案内溝を有し、前記型鍛造工程の圧下過程で流出する前記バリを前記案内溝によって誘導するのが好ましい。

　上記の製造方法において、前記型鍛造工程の圧下過程で、前記第２金型が前記第１金型の対間の中央に位置するように前記第２金型を圧下方向に移動させるのが好ましい。

　本発明によれば、予備成形工程でアーム部の両側部の外周に局部的に突出する余肉部を形成し、この局部的に突出する余肉部を、型鍛造工程で第１金型によって変形させてアーム部の両側部の厚みを増加させる。これにより、アーム部の両側部の厚みを厚く維持しつつ、アーム部のジャーナル部側の表面に凹みを形成することが可能となる。このため、得られる鍛造クランク軸において、軽量化と剛性確保を同時に図ることができる。

　型鍛造工程では、アーム部のジャーナル部側の表面のうちで両側部の領域を少なくとも除く表面を、第２金型の押し当てにより保持する。この第２金型を用いることにより、型鍛造を支障なく行えるとともに、アーム部の凹みの形成を多大な力を要することなく簡便に行える。また、型鍛造工程で加工対象の荒素材はクランク軸の形状が既に造形されているとともにバリなしであるので、鍛造でのバリの形成を低減でき、歩留りを向上できる。

図１（ａ）～図１（ｆ）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り、図１（ａ）はビレット、図１（ｂ）はロール荒地、図１（ｃ）は曲げ荒地、図１（ｄ）は荒鍛造材、図１（ｅ）は仕上げ鍛造材、図１（ｆ）はクランク軸をそれぞれ示す。図２（ａ）～図２（ｄ）は、本発明による鍛造前のクランク軸におけるアーム部の形状例を示す模式図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）はジャーナル部側から見たときの正面図、図２（ｃ）は上面図、図２（ｄ）はＡ－Ａ断面図である。図３（ａ）～図３（ｄ）は、本発明による鍛造後のクランク軸におけるアーム部の形状例を示す模式図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）はジャーナル部側から見たときの正面図、図３（ｃ）は上面図、図３（ｄ）はＢ－Ｂ断面図である。図４（ａ）～（ｃ）は、本発明の型鍛造工程での金型の動作例を模式的に示す正面図であり、図４（ａ）は型打ち初期時、図４（ｂ）は型打ち中期時、図４（ｃ）は型打ち終了時をそれぞれ示す。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の型鍛造工程での第２金型の配置例を模式的に示す上面図であり、図５（ａ）は型打ち初期時、図５（ｂ）は型打ち終了時をそれぞれ示す。

　以下に、本発明の鍛造クランク軸の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

　本実施形態の鍛造クランク軸の製造方法は、予備成形工程と、型鍛造工程と、バリ抜き工程とを含む。予備成形、型鍛造及びバリ抜きの各工程は、いずれも熱間で行う。

１．クランク軸のアーム部の形状
　図２（ａ）～図２（ｄ）は、本発明による鍛造前のクランク軸におけるアーム部の形状例を示す模式図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）はジャーナル部側から見たときの正面図、図２（ｃ）は上面図、図２（ｄ）はＡ－Ａ断面図である。

　図３（ａ）～図３（ｄ）は、本発明による鍛造後のクランク軸におけるアーム部の形状例を示す模式図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）はジャーナル部側から見たときの正面図、図３（ｃ）は上面図、図３（ｄ）はＢ－Ｂ断面図である。

　図２（ａ）～図２（ｄ）及び図３（ａ）～図３（ｄ）では、クランク軸のアーム部（ウエイト部を含む）の１つを代表的に抽出して示しており、残りのクランク軸のアーム部を省略する。

　本実施形態における鍛造後のアーム部Ａでは、図３（ａ）～図３（ｄ）に示すように、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）がジャーナル部Ｊ側に膨らみ、それらの両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みが厚くされる。更に、そのアーム部Ａは、ジャーナル部Ｊ側の表面のうち、両側部（Ａａ、Ａｂ）の内側の領域Ａｓに、凹みを有する。ここで、アーム部Ａの側部（Ａａ、Ａｂ）とは、アーム部Ａの側面及びその周辺部を意味する。アーム部Ａの側部（Ａａ、Ａｂ）は、換言すると、アーム部Ａの幅方向（ジャーナル部Ｊの軸心及びピン部Ｐの軸心を含む面に対して垂直な方向）の端部となる。

　このように鍛造後のアーム部Ａは、両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みが厚く維持されるとともに、ジャーナル部Ｊ側の表面に凹みが形成されている。このアーム部Ａの形状は、バリ抜き後も維持される。このため、本実施形態による鍛造クランク軸は、アーム部Ａ表面の凹みによって軽量化を図ることができる。加えて、アーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚み維持によって剛性の確保を図ることができる。

　これに対し、鍛造前のアーム部Ａは、図２（ａ）～図２（ｄ）に示すように、ジャーナル部Ｊ側の表面のうち、両側部（Ａａ、Ａｂ）の内側の領域Ａｓに、鍛造後（最終製品）と合致する凹みを持つ。その凹みはアーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）の領域まで滑らかに広がっている。これにより、そのアーム部形状は、両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みが鍛造後（最終製品）の厚みよりも薄い。

　更に、アーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）には、それぞれの外周に余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）が造形される。この余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）は、両側部（Ａａ、Ａｂ）それぞれの外周（側面）から突出する。図２（ａ）～図２（ｄ）に示す余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）は、幅方向に沿って伸びる板状であり、アーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）の外周に沿って広がる。余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）の厚みは、その根元の両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みと比べ、同程度であるか又は薄い。

２．鍛造クランク軸の製造方法
　上述のとおり、本実施形態の鍛造クランク軸の製造方法は、予備成形工程と、型鍛造工程と、バリ抜き工程とを含み、いずれの工程も熱間で一連に行われる。ピン部の配置角度の調整が必要な場合は、バリ抜き工程の後工程として、捩り工程が設けられる。

　予備成形工程では、ビレットを原材料とし、このビレットに予備成形を施すことにより、クランク軸（最終製品）のおおよその形状が造形された荒素材を造形する。その荒素材は、中間素材であり、型鍛造工程でバリを形成しつつ仕上げ形状に造形するため、余剰体積を有する。

　予備成形工程は、例えば、絞り圧延と、複数回の曲げ打ち（通称「平押し」ともいう）とで構成できる。絞り圧延では、素材のビレットから中間素材のロール荒地を得る。その絞り圧延では、孔型ロールを用いたロール成形により、ビレットの体積を長手方向に配分する。続いて、曲げ打ちでは、ロール荒地の長手方向と直角な方向からロール荒地を部分的に圧下することにより、ロール荒地の体積をさらに配分する。このような加工を繰り返しロール荒地に施すことにより、上述の形状の荒素材を得ることが可能である。

　予備成形工程では、前記特許文献３又は４に開示される技術を用いて荒素材を得てもよい。また、クロスロールや閉塞鍛造を採用してもよい。

　このような予備成形工程では、得られる荒素材に、前記図２に示すようなクランク軸（最終製品）のおおよその形状を造形する。加えて、得られる荒素材に、アーム部の余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）とともに、アーム部のジャーナル部Ｊ側の表面に凹みを造形する。その余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）は、前述の通り、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）それぞれの外周に設けられ、その外周から突出する。また、凹みは、ジャーナル部Ｊ側の表面のうち、両側部（Ａａ、Ａｂ）の内側の領域Ａｓに位置し、鍛造後（最終製品形状）の形状と合致する。併せて、荒素材は、バリなしとする。

　ここで、予備成形工程による荒素材の成形では、ポンチやダイス等の金型が用いられる。その金型には、型彫刻部が彫り込まれており、その型彫刻部には、前述のアーム部Ａの形状、具体的には余肉部や領域Ａｓの凹みの形状が反映されている。型彫刻部の型抜き勾配は、アーム部外周の余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）に対応する部位及びアーム部表面の凹みに対応する部位のいずれでも、逆勾配にならない。このため、荒素材の成形は支障なく行える。

　そして、型鍛造工程に移行する。型鍛造工程では、従来の一般的な型鍛造工程（より具体的には荒打ち工程や仕上げ打ち工程）と同様に、一対の第１金型を用いる。本実施形態の製造方法では、加えて、第２金型を用いる。

　図４（ａ）～図４（ｃ）は、本発明の型鍛造工程での金型の動作例を模式的に示す正面図であり、図４（ａ）は型打ち初期時、図４（ｂ）は型打ち中期時、図４（ｃ）は型打ち終了時をそれぞれ示す。図４（ａ）～図４（ｃ）には、荒素材（３１、３２）と、上下で一対の第１金型１０と、第２金型２０とを示す。

　図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の型鍛造工程での第２金型の配置例を模式的に示す上面図であり、図５（ａ）は型打ち初期時、図５（ｂ）は型打ち終了時をそれぞれ示す。図５（ａ）及び図５（ｂ）には、荒素材（３１、３２）と、第２金型２０とを示す。また、図面の理解を容易にするため、第１金型を省略し、第２金型２０のみをアーム部中心面での断面形状で示す。

　第１金型１０の上型１１及び下型１２には、型彫刻部がそれぞれ彫り込まれている。その型彫刻部には、前記図３に示すクランク軸の形状のうち、アーム部Ａの領域Ａｓの凹みを除いた部分の形状が反映されている。具体的には、型彫刻部には、ジャーナル部Ｊやピン部Ｐの形状が反映される。また、型彫刻部には、領域Ａｓの凹みを除いたアーム部Ａの形状も反映される。

　第１金型１０の上型１１及び下型１２は、第２金型２０を収容するため、アーム部Ａの領域Ａｓの凹みに対応する部位が大きく開放されている。

　第２金型２０には、型彫刻部が彫り込まれている。その型彫刻部には、アーム部Ａのジャーナル部Ｊ側の表面のうちで両側部（Ａａ、Ａｂ）の領域を少なくとも除く表面に対応する形状が反映されている。図４（ａ）～（ｃ）等に示す第２金型２０の型彫刻部には、アーム部Ａの領域Ａｓの凹みの形状が反映されている。

　このような第２金型２０は、アーム部のジャーナル部Ｊ側の表面に対して接触したり離間したりするように進退移動が可能である。第２金型２０の進退移動は、第２金型２０に連結された油圧シリンダ等によって実行される。

　加えて、図４（ａ）～（ｃ）等に示す第２金型２０は、第１金型１０の上型１１と下型１２との中央に位置するように圧下方向に移動可能（図４では上下方向に移動可能）である。このように第２金型２０を移動させるための機構は、例えば、第２金型２０を保持するホルダー（図示なし）と、第１弾性体（例えばばね、図示なし）と、第２弾性体（例えばばね、図示なし）とで構成できる。第１弾性体は、下型１２とホルダーとを連結し、連結されたホルダーは上下動可能である。第２弾性体は、その一端が上型１１と連結され、他端がホルダーと当接可能である。

　このような構成の場合、初期状態では、上型１１と下型１２とが充分に離間して第２弾性体の他端がホルダーと当接しない。このため、上型１１と下型１２とが近づいても、ホルダーと下型１２との距離が一定で維持される。上型１１と下型１２とが近づき、上型１１と下型１２との中央に第２金型２０が位置すると、第２弾性体の他端がホルダーと当接する。上型１１と下型１２とがさらに近づくと、第１弾性体及び第２弾性体がそれぞれ圧縮を開始し、それに伴ってホルダーとともに第２金型２０が下降する。その際、第１弾性体と第２弾性体の縮む量が同じになるように調整されているので、第２金型２０は、上型１１と下型１２との中央に位置する状態で下降する。

　このような第１金型１０及び第２金型２０を用いた型鍛造工程は、以下のように行われる。先ず、第１金型１０の上型１１と下型１２とを充分に離間させた状態で、下型１２の型彫刻部に荒素材を収納する。このとき、第２金型２０は、荒素材３１から離間した退避状態にあり、アーム部Ａは、ジャーナル部Ｊ側表面（領域Ａｓ）の凹みが全く拘束されていない。

　続いて、第２金型２０を進出させ、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、アーム部Ａの領域Ａｓの凹みに第２金型２０を押し付ける。これにより、アーム部Ａの領域Ａｓの凹みの形状が、第２金型２０で保持される。その際、第２金型２０の圧下方向の位置は、第１金型１０の対間の中央でなく、下型１２から所定の距離にある。

　この状態で、上型１１を下型１２に向けて移動させる。その際、第２金型２０の圧下方向（上下方向）の位置は、上型１１と下型１２とが充分に離間した状態であることから、下型１２から所定の距離の位置で維持される。より具体的には、前述のホルダーと、第１弾性体と、第２弾性体とで構成される機構を採用する場合、第２弾性体が第２金型２０に当接しないことから、第２金型２０の圧下方向の位置が維持される。第２金型２０の圧下方向の位置が第１金型１０の対間の中央となる状態となるまで上型１１をさらに移動させると、図４（ｂ）に示す状態となる。

　図４（ｂ）に示す状態から上型１１を下型１２に向けてさらに移動させると、第２金型２０が圧下方向の移動を開始し、第２金型２０は第１金型１０の対間の中央に位置するように移動する。より具体的には、前述のホルダーと、第１弾性体と、第２弾性体とで構成される機構を採用する場合、第２弾性体が第２金型２０に当接し、第１弾性体と第２弾性体の双方が圧縮を開始する。これに伴い、第２金型２０が下降する。その第２金型２０の下降の際、第１弾性体と第２弾性体の縮む量が常に同じになるように調整されているので、第２金型２０は、上型１１と下型１２とのほぼ中央に常に位置する状態で下降する。この第２金型２０の圧下方向の移動開始とほぼ同時に、第１金型１０による荒素材３１の圧下が開始される。

　上型１１をさらに移動させて上型１１を圧下終了位置に到達させる（図４（ｃ）参照）。この間、上型１１の移動に応じて、第２金型２０は第１金型１０の対間のほぼ中央に常に位置するように移動する。上型１１の圧下終了位置への到達に伴い、荒素材３１の圧下が終了する。

　その圧下開始から終了に至る過程で、第１金型１０によって荒素材が圧下され、上型１１及び下型１２の型彫刻部に対応する形状が荒素材に造形される。例えば、ジャーナル部Ｊやピン部Ｐが荒素材に造形される。この圧下による造形に伴い、バリ３２ａが荒素材に形成される。

　また、圧下過程では、第２金型２０がアーム部Ａの領域Ａｓの凹みに押し付けられている。このため、アーム部Ａの領域Ａｓの凹み形状は、第２金型２０によって保持される。第２金型２０は、例えば前述の構成により、第１金型１０の上型１１と下型１２との中央に位置するように上下動が可能であるのが好ましい。ここで、圧下過程では、荒素材のアーム部中心線も上下に移動し、具体的には、アーム部中心線は第１金型１０の上型１１と下型１２との中央に位置するように上下動する。しがたって、第２金型２０が上下動可能であれば、圧下過程において、アーム部Ａの領域Ａｓの凹みと第２金型２０とは、それらの相対的な位置関係が維持された状態で上下動する。その結果、アーム部Ａの領域Ａｓの凹み形状は、第２金型２０によってより確実に保持される。

　さらに、荒素材のアーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）それぞれの外周には、余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）が造形され、その余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）は、両側部（Ａａ、Ａｂ）それぞれの外周から突出する。一方、第１金型１０（上型１１及び下型１２）の型彫刻部には、領域Ａｓの凹みを除いたアーム部Ａの形状、具体的にはアーム部の両側部（Ａａ、Ａｂ）の形状が反映されている。これらより、圧下に伴い、余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）には第１金型１０（上型１１及び下型１２）の型彫刻部が押し当てられ、余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）が、折り曲げられるか又は押し潰される。このように余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）が変形し、第１金型１０（上型１１及び下型１２）の型彫刻部に沿う形状に造形される。その結果、アーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）でジャーナル部Ｊ側の表面が張り出し、両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みが増加する。

　このようにして、前記図３に示すように、アーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みが厚くされ、アーム部Ａのジャーナル部Ｊ側の表面に凹みが造形された鍛造材が得られる。

　また、圧下過程では、アーム部Ａは、そのジャーナル部Ｊ側の表面の凹み領域Ａｓに第２金型２０が押し当てられて拘束されているので、その領域Ａｓの凹みの形状が安定する。

　第１金型１０での圧下を完了した後、第２金型２０を後退させてアーム部Ａから退避させ、その後に、第１金型１０の上型１１を下型１２から離間させてクランク軸（鍛造材）を取り出す。

　続いて、バリ抜き工程で、バリ付きの鍛造材からバリを打ち抜いて除去することにより、クランク軸を得る。その際、鍛造材に造形された主な形状（例えばアーム部Ａやジャーナル部Ｊ、ピン部Ｐ）は、バリ抜き後の鍛造材（得られるクランク軸）でも維持される。

　このように本実施形態の製造方法によれば、アーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みを厚く維持しつつ、アーム部Ａのジャーナル部Ｊ側の表面に凹みを造形することが可能となる。このため、本実施形態の製造方法は、軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を製造することができる。

　また、本実施形態の製造方法は、アーム部Ａの両側部（Ａａ、Ａｂ）の外周に局部的に突出する余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）を造形し、この局部的に突出する余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）を第１金型の圧下によって変形させる。この第１金型の圧下で必要な力は、従来の鍛造と同程度でよい。一方、第２金型をアーム部Ａ表面に押し付けるが、その第２金型をそれ以上に押し込むわけではないことから、第２金型を保持する力は小さくて済む。これらから、本実施形態の製造方法は、多大な力が不要であり、簡便に行える。

　ここで、前記図１に示すような従来の製造方法では、荒打ち工程及び仕上げ打ち工程で一対の金型を用いてプレス鍛造することから、得られる鍛造材に大きなバリが形成される。これに対し、本実施形態の製造方法は、予備成形工程でバリなしの荒素材を得て、型鍛造工程でバリ付きの鍛造材を得るので、型鍛造工程でバリが形成されるが、そのバリは小さい。また、前記図３（ａ）～（ｄ）及び図５（ｂ）に示すように、鍛造材（型鍛造後の荒素材）３２のうちの第２金型が当接する部位には、バリ３２ａが形成されない。これらから、本実施形態の製造方法は、歩留りを向上させることができる。

　本実施形態の製造方法では、型鍛造工程でバリを形成しつつ形状を造形するので、そのバリが第１金型１０（上型１１及び下型１２）の型彫刻部から流出し、第１金型１０と第２金型２０の隙間に侵入する場合がある。この場合、第１金型１０や第２金型２０の損傷に至るおそれがある。また、第２金型２０の進退移動を阻害し、操業停止に陥るおそれもある。

　これらを防止するため、第２金型２０は、案内溝２０ａを有し、型鍛造工程で流出するバリを案内溝２０ａによって誘導するのが好ましい。例えば、前記図４及び図５に示す第２金型２０では、第１金型１０の上型１１と下型１２との中央に位置する部分を中心に所定の幅の案内溝２０ａが設けられる。このように案内溝２０ａを設けることにより、荒素材に形成されるバリは、第１金型１０（上型１１及び下型１２）と第２金型２０の隙間に侵入することなく、案内溝２０ａに誘導される。

　案内溝２０ａの形状や寸法は、形成されるバリの大きさに応じて適宜設定すればよい。例えば、案内溝２０ａの断面形状は、矩形状や台形状、半円状とすることができる。

　型鍛造工程の圧下過程では、第２金型２０が第１金型１０の対間の中央に位置するように第２金型２０を圧下方向に移動させるのが好ましい。これにより、アーム部Ａの領域Ａｓの凹み等の形状が第２金型２０で確実に保持されるので、第２金型２０を押し当てる部位で加工精度を向上できる。第２金型２０を圧下方向に移動させるための機構は、前述の構成を採用でき、すなわち、ホルダーと、第１弾性体と、第２弾性体とで構成できる。

　ここで、クランク軸では、ピン部Ｐとアーム部Ａのつなぎ目であるピンフィレット部には、応力集中が生じ易い。このため、疲労強度の向上を目的とし、高周波誘導加熱による焼入れをピンフィレット部に施す場合が多い。このとき、アーム部Ａのピントップ部Ａｃは、焼入れが施されるピンフィレット部に隣接するので、ある程度の厚みが確保されていないと、焼割れが生じるおそれがある。

　予備成形工程では、アーム部Ａのピントップ部Ａｃを厚肉の形状に成形し、その形状を型鍛造工程でも維持するのが好ましい。これにより、得られるクランク軸において、ピントップ部Ａｃの厚みを確保できる。または、予備成形工程では、ピントップ部Ａｃの形状を厚肉に成形することなく、型鍛造工程でピントップ部Ａｃを厚肉の形状に成形するのが好ましい。これによっても、得られるクランク軸において、ピントップ部Ａｃの厚みを確保できる。このようにしてピントップ部Ａｃの厚みを確保すれば、焼割れに対する抵抗性を向上できる。

　本実施形態の製造方法は、図２（ａ）～（ｄ）及び図３（ａ）～（ｄ）に示すようなウエイト部を一体で有するアーム部に限らず、ウエイト部を有さないアーム部を対象としてもよい。具体的には、前述の４気筒－８枚カウンターウエイトのクランク軸は、全部のアーム部がウエイト部を一体で有する。この場合、全部のアーム部において、ピン部近傍の両側部に余肉部を成形し、その余肉部を変形させて両側部の厚みを増加させてもよい。

　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は、一部のアーム部がウエイト部を一体で有する。この場合、ウエイト部を一体で有するアーム部においてのみ、ピン部近傍の両側部に余肉部を成形し、その余肉部を変形させて両側部の厚みを増加させてもよい。あるいは、ウエイト部を一体で有するアーム部及びウエイト部を一体で有さないアーム部のいずれにおいても、ピン部近傍の両側部に余肉部を成形し、その余肉部を変形させて両側部の厚みを増加させてもよい。

　本実施形態の製造方法は、４気筒エンジンに搭載されるクランク軸に限らず、３気筒エンジンや直列６気筒エンジン、Ｖ型６気筒エンジン、８気筒エンジン等に搭載されるクランク軸にも適用できる。

　本発明は、あらゆる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、　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、
　Ａ、Ａ１～Ａ８：クランクアーム部、
　Ｗ、Ｗ１～Ｗ８：カウンターウエイト部、
　Ａａ、Ａｂ：アーム部の側部、　Ａｃ：アーム部のピントップ部、
　Ａｓ：アーム部のジャーナル部側表面における両側部の内側領域、
　Ａａａ、Ａｂａ：余肉部、　１０：第１金型、　１１：上型、
　１２：下型、　２０：第２金型、　２０ａ：案内溝、
　３１：型鍛造前の荒素材、　３２：型鍛造後の荒素材（鍛造材）、
　３２ａ：バリ

Claims

　回転中心となるジャーナル部と、そのジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、を有する鍛造クランク軸の製造方法であって、
　当該製造方法は、
　前記クランクアーム部の前記ピン部近傍の両側部それぞれの外周から突出する余肉部を有するクランク軸の形状が造形されたバリなしの荒素材を成形する予備成形工程と、
　前記予備成形工程で成形した前記荒素材を一対の第１金型を用いて圧下することにより、バリ付きの鍛造材を成形する型鍛造工程と、
　前記型鍛造工程で成形した前記鍛造材からバリを除去するバリ抜き工程と、を含み、
　前記型鍛造工程では、前記クランクアーム部の前記ジャーナル部側の表面のうちで前記両側部の領域を少なくとも除く表面を、第２金型の押し当てにより保持しながら、前記第１金型により、前記クランクアーム部の前記余肉部を変形させて前記クランクアーム部の前記両側部の厚みを増加させる、鍛造クランク軸の製造方法。
　請求項１に記載の鍛造クランク軸の製造方法において、
　前記第２金型は、案内溝を有し、前記型鍛造工程の圧下過程で流出する前記バリを前記案内溝によって誘導する、鍛造クランク軸の製造方法。
　請求項１または２に記載の鍛造クランク軸の製造方法において、
　前記型鍛造工程の圧下過程で、前記第２金型が前記第１金型の対間の中央に位置するように前記第２金型を圧下方向に移動させる、鍛造クランク軸の製造方法。