クランクシャフトおよびその製造方法
【課題】孔部の形状の自由度を大きくすることができるのはもちろんのこと、切削加工により生じていた問題を解消することができるクランクシャフトおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】クランクピン部１１３の両側には中空状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍが形成されている。ジャーナル軸用貫通孔１２１とピン用貫通孔１２２はオイル流路１２３により接続されている。孔部１１３Ｌの底面部には、ジャーナル軸部１１１に向かって延在するオイル流路１２３が形成されている。孔部１１３Ｌには、オイル流路１２３が形成されているから、孔部１１３Ｌは、クランクピン部１１３の表面からの深さを孔部１１３Ｍよりも深く設定することができる。孔部１１３Ｍの底面部は、オイル流路１２３の延在方向に略平行に形成することができ、孔部１１３Ｍは、孔部１１３Ｌよりも、底面の面積を広く設定することができる。
【解決手段】クランクピン部１１３の両側には中空状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍが形成されている。ジャーナル軸用貫通孔１２１とピン用貫通孔１２２はオイル流路１２３により接続されている。孔部１１３Ｌの底面部には、ジャーナル軸部１１１に向かって延在するオイル流路１２３が形成されている。孔部１１３Ｌには、オイル流路１２３が形成されているから、孔部１１３Ｌは、クランクピン部１１３の表面からの深さを孔部１１３Ｍよりも深く設定することができる。孔部１１３Ｍの底面部は、オイル流路１２３の延在方向に略平行に形成することができ、孔部１１３Ｍは、孔部１１３Ｌよりも、底面の面積を広く設定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトおよびその製造方法に係り、特に、中空状の孔部をクランクシャフトのクランクピン部に形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジン等の内燃機関では、コネクティングロッドを介してピストンの往復運動を回転運動に変更するクランクシャフトが使用されている。図１２は、従来のクランクシャフト１０の概略構成を表す側断面図である。クランクシャフト１０はジャーナル軸部１１を備え、ジャーナル軸部１１には、それと平行なクランクピン部１３がアーム部１２により連結されている。アーム部１２にはカウンタウェイト部１２Ａが形成され、カウンタウェイト部１２Ａのジャーナル軸部１１に対する形成位置は、クランクピン部１３の接続箇所の反対側である。
【０００３】
ジャーナル軸部１１には、その表面にオイルを供給するジャーナル軸用貫通孔２１が形成されている。クランクピン部１３には、その表面にオイルを供給するピン用貫通孔２２が形成されている。ジャーナル用貫通孔２１とピン用貫通孔２２はオイル流路２３により接続されている。ジャーナル用貫通孔２１内のオイルは、オイル流路２３を通じてピン用貫通孔２２からクランクピン１３部表面へ供給される。なお、符号２４は、オイル流路２３の開口を閉塞する栓２４である。
【０００４】
このようなクランクシャフト１０は、おもに分割可能な上下型を用いた鍛造により製造される。鍛造では、加熱処理が施された素材を鍛造プレスに投入し、鍛造プレス内の各種上下型を用いて素材に各種成形を行うことにより、クランクシャフト１０を得る。次いで、クランクシャフト１０にジャーナル軸用貫通孔２１、ピン用貫通孔２２、および、オイル流路２３を切削加工により形成している。
【０００５】
ところで、自動車では、燃費向上のためにエンジンの軽量化が要求されていることから、エンジンに用いられるクランクシャフトの軽量化が図られている。たとえばクランクピン部の両側に中空状の孔部を形成することにより、中空クランクシャフトを得る技術が提案されており、その中空クランクシャフトは、中実クランクシャフトよりも顕著に軽量となる。
【０００６】
しかしながら、クランクピン部には、孔部の形成後、上記オイル流路を加工するため、孔部の形成は、オイル流路の加工予定位置との交差を回避して行う必要がある。このため、クランクピン部の孔部の形状の自由度が低くなっていた。そこで、孔部にオイル流路を形成することが考えられる（たとえば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭５６−１２１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、ドリルを用いた切削加工により孔部の形成を行っているため、孔部の形成によりクランクピン部の剛性が低下する虞がある。また、切削加工では、種々のドリルを用いる必要が生じ、加工時間が長くなるため、必然的に孔部の形状自由度が低くなる。さらに、孔部の形成によりクランクピン部の剛性が低下する虞がある。また、孔部の開口縁でエッジが形成されやすく、応力集中防止のための手作業による磨き工程が必要となる。
【０００９】
したがって、本発明は、孔部の形状の自由度を大きくすることができるのはもちろんのこと、切削加工により生じていた問題を解消することができるクランクシャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のクランクシャフトは、クランクピン部の両側に孔部が形成され、一方の孔部の底面部には、ジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路が形成され、一方の孔部は、他方の孔部よりも、面積が狭い底面を有し、かつクランクピン部の表面から深く形成されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明のクランクシャフトは、次のような鍛造を用いたクランクシャフトの製造方法により得られる。すなわち、本発明のクランクシャフトの製造方法は、クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、クランクシャフトの予備成形品を配置して予備成形品を鍛造により本成形し、予備成形では、クランクシャフトの予備成形品の形状を、金型のキャビティの形状よりも小さく成形し、本成形では、クランクピン部の両側にパンチを同時に挿入することにより、クランクピン部の両側に孔部を形成するとともに、キャビティ内に予備成形品の材料を充填し、孔部の形成後、一方の孔部の底面部に、そこからジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路をたとえば切削加工により形成し、孔部の形成では、一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積を狭く、かつクランクピン部の表面から深く設定することを特徴とする。
【００１２】
本発明のクランクシャフトの製造方法では、分割可能な上型および下型からなる金型を用いてクランクシャフトの予備成形品に鍛造を行う。この場合、クランクシャフトの予備成形品は、鍛造で使用する金型のキャビティの形状よりも小さく成形されたものである。鍛造では、クランクピン部へのパンチの挿入により、金型内に成形品の材料を充填するので、金型のキャビティをクランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定することにより、鍛造によりクランクシャフトの狙い形状を得ることができる。
【００１３】
このようにクランクピン部への中空状の孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、閉塞空間内で材料を充填して鍛造を行うので、クランクシャフトの寸法精度を向上させることができる。また、孔部の形状に沿ってファイバーフローが新たに生成するから、機械加工による削孔品に比べて、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、孔部周辺の組織を微細化することができるので、剛性を高めることができる。したがって、孔部を深く形成した場合でも、高負荷に耐えることができる。孔部の形成を鍛造成形により行っているので、機械加工とは異なり、孔部の開口縁でのエッジ形成を防止することができ、これにより応力集中防止のための手作業による磨き工程が不要となる。したがって、製造工程数を低減することができる。
【００１４】
また、閉塞空間内での鍛造においてクランクピン部の両側へのパンチの挿入を同時に行うので、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形（他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での孔形状の変形や、面ヒケ、バリの発生）を防止することができる。これにより、寸法精度をさらに向上させることができる。したがって、カウンタウェイト部への複数の孔部の形成を行う等のバランス補正の増大による製造コスト増大を防止することができる。
【００１５】
ここで本発明のクランクシャフトの製造方法では、上記のようなクランクピン部への孔部形成後、一方の孔部にオイル流路を形成する。この場合、一方の孔部は、オイル流路の延在方向に沿って、クランクピン部の表面からの深さを深く設定することができ、かつ他方の孔部は、オイル流路に応じて底面部を延在方向に沿うようにして配置することができ、その底面の面積を広く設定することができるから、孔部形成による軽量化を十分に図ることができる。また、そのような異形状の孔部をオイル流路に応じて適宜配置することにより、オイル供給に十分なオイル流路を最短直線距離で形成することができる。また、この場合、上記のように孔部形成時に変形が生じないから、オイル流路の加工に不良が生じない。
【００１６】
たとえばジャーナル軸部に、その表面にオイルを供給するジャーナル軸用貫通孔を形成し、クランクピン部に、その表面にオイルを供給するピン用貫通孔を形成する場合、オイル流路は、ジャーナル軸用貫通孔とピン用貫通孔とを接続することができ、オイル流路の外部開口を栓により閉塞することができる。
【００１７】
この場合、クランクシャフトの動作時、オイルは、遠心力によって、オイル流路におけるジャーナル軸部の径方向外側に向かって移動する可能性がある。従来のクランクシャフトでは、図１２に示すように、オイル流路２３の外部開口はクランクピン部１３の表面に形成されているため、オイルは、クランクピン部１３の表面に設けられた栓２４とピン用貫通孔２２との間に滞留する虞がある。これに対して本発明のクランクシャフトでは、オイル流路の外部開口を一方の孔部の底面部に形成することができるから、その底面部の外部開口に栓を設けることにより、孔部の深さに応じて栓とピン用貫通孔との間の間隔を短くすることができる。したがって、従来のクランクシャフトで生じていたオイルの滞留を抑制することができる。このように簡単な構成でオイルの流動性の向上を図ることができる。この場合、たとえばオイル流路の形成位置を、一方の孔部の底面部におけるジャーナル軸部側の端部とは反対側の端部に設定する態様を用いることができる。この態様では、遠心力により、オイル流路内のオイルは、その内周面に沿って移動しやすくなるから、オイルの流動性の向上をさらに図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のクランクシャフトあるいはその製造方法によれば、孔部の形状の自由度を大きくすることができるのはもちろんのこと、切削加工により生じていた問題を解消することができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの概略構成を表し、（Ａ）はクランクシャフトの側断面図、（Ｂ）はクランクピン部の一側への孔部の底面図、（Ｃ）はクランクピン部の他側への孔部の底面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法で用いる鍛造装置を表す概念図であり、鍛造装置の下型を表す斜視図である。
【図３】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法による孔部形成を説明するための図である。
【図４】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法で用いる鍛造装置を表す概念図であり、鍛造装置の概略構成を表す図１のＡ−Ａ’線の側断面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法を説明するための概念図である。
【図６】鍛造により成形されるクランクシャフトに形成されているファイバーフローを表し、（Ａ）は機械加工前のクランクシャフト中のファイバーフローの概念図、（Ｂ）は機械加工後のクランクシャフト中のファイバーフローの概念図である。
【図７】クランクシャフトに鍛造により形成した孔部近傍のファイバーフローの概念図である。
【図８】鍛造により孔部を形成したクランクシャフトの状態を表す写真であり、（Ａ）は孔部を含むアーム部の状態を表す写真、（Ｂ）は孔部の状態を表す写真（（Ａ）の矩形状で囲まれた部分の拡大写真）である。
【図９】孔部を形成していない比較実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである箇所の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。
【図１０】孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである領域の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。
【図１１】孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、フィレット部の表面から３ｍｍ以内の領域Ｘ（図７、ただし軟窒化処理層を除く）の縦断面組織を表す光学顕微鏡写真である。
【図１２】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの概略構成を表す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（１）クランクシャフトの構成
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る一実施形態のクランクシャフト１００の一部の概略構成を表し、（Ａ）はクランクシャフト１００の側断面図、（Ｂ）はクランクピン部１１３の一側の孔部１１３Ｌの底面図、（Ｃ）はクランクピン部１１３の他側の孔部１１３Ｍの底面図である。
【００２１】
クランクシャフト１００はジャーナル軸部１１１を備え、ジャーナル軸部１１１には、それと平行なクランクピン部１１３がアーム部１１２により連結されている。アーム部１１２にはカウンタウェイト部１１２Ａが形成され、カウンタウェイト部１１２Ａのジャーナル軸部１１１に対する形成位置は、クランクピン部１１３の接続箇所の反対側である。クランクピン部１１３の両側には中空状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍが形成されている。クランクピン部１１３とアーム部１１２との境界部におけるジャーナル軸部１１１の軸線側の表面には、フィレット部１１４Ａ，１１４Ｂが形成されている。
【００２２】
ジャーナル軸部１１１には、その表面にオイルを供給するジャーナル軸用貫通孔１２１が形成されている。クランクピン部１１３には、その表面にオイルを供給するピン用貫通孔１２２が形成されている。ジャーナル軸用貫通孔１２１とピン用貫通孔１２２はオイル流路１２３により接続されている。オイル流路１２３の外部開口は、孔部１１３Ｌの底面部に形成され、たとえば栓１２４により閉塞されている。オイル流路１２３は、たとえば孔部１１３Ｌの底面部における径方向外側端部（ジャーナル軸部１１１側の端部とは反対側の端部）に形成されている。
【００２３】
孔部１１３Ｌには、オイル流路１２３が形成されているから、クランクピン部１１３の表面から深く設定することができ、本実施形態では、孔部１１３Ｌは、クランクピン部１１３の表面からの深さを孔部１１３Ｍよりも深く設定する。孔部１１３Ｍの底面部は、オイル流路１２３の延在方向に略平行に形成することができ、本実施形態では、孔部１１３Ｍは、孔部１１３Ｌよりも、底面の面積を広く設定している。
【００２４】
（２）クランクシャフトの製造方法
図２，４は、本発明に係る一実施形態のクランクシャフト製造方法の本成形で用いる鍛造装置２００を表す概念図である。図３は、図２，４に示す鍛造装置２００による孔部形成を説明するための図である。図２は、鍛造装置２００の下型を表す斜視図である。図４は、鍛造装置２００の概略構成を表す図２のＡ−Ａ’線の側断面図である。図４では、鍛造装置２００の各部位（特に金型２０３）の図示を簡略化している。
【００２５】
鍛造装置２００は、本発明のクランクシャフト製造方法が適用される装置の一例であり、４気筒のクランクシャフトを得るための装置である。鍛造装置２００は、たとえばプレスボルスタ２０１を備え、プレスボルスタ２０１上に、プレスラム２０２が支持されている。プレスボルスタ２０１とプレスラム２０２との間に金型２０３が配置されている。
【００２６】
金型２０３は、下型２０３Ａ、上型２０３Ｂ、および、側方成形用パンチ２１１ｐ〜２１８ｐ（以下、パンチ２１１ｐ〜２１８ｐと略称する）を備えている。上型２０３Ｂは、下型２０３Ａに対して移動可能に設けられている。図４中の符号２０４は、上型２０３Ｂへの初期荷重を調整する荷重調整部（油圧手段や、エア圧手段、スプリング手段等）である。上型２０３Ｂは、予備成形品１５０の体積が設定値より大きい場合、金型２０３内での成形圧に応じて、開放方向（上方向）へ移動する。
【００２７】
金型２０３には、クランクシャフトの予備成形品１５０が配置される。図中の符号１５１は予備成形品１５０のジャーナル軸部、符号１５２は予備成形品１５０のアーム部、符号１５３は予備成形品１５０のクランクピン部である。パンチ２１１ｐ〜２１８ｐは、上型２０３Ｂの移動方向に対して垂直方向に移動可能に設けられている。具体的には、パンチ２１１ｐ，２１２ｐは、金型２０３の側部に形成されたパンチ用孔２１１ａ〜２１８ａに沿って、金型２０３の内部に対して移動可能となっている。
【００２８】
パンチ２１１ｐ〜２１８ｐは、プレスラム２０２の移動に連動して金型２０３の内部へ移動させるカム機構を備えている。パンチ２１１ｐ，２１２ｐを移動させるカム機構２１１，２１２は、図４に示すように、カム２１１ｃ，２１２ｃ、および、カム２１１ｃ，２１２ｃを駆動するカムドライバ２１１ｄ、２１２ｄを備えている。なお、パンチ２１３ｐ〜２１８ｐのカム機構は、パンチ２１１ｐ，２１２ｐと略同様な構成・作用を有するので、以下では、その説明および図示を省略している。
【００２９】
カム２１１ｃ，２１２ｃの金型２０３内部側の側面には、パンチ２１１ｐ，２１２ｐが設けられている。カム２１１ｃ，２１２ｃの金型２０３外部側の側面は傾斜面である。カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄの下面は、初期状態においてカム２１１ｃ，２１２ｃの傾斜面に対して所定間隔をおいて配置される傾斜面である。カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄは、プレスラム２０２の下方への移動に伴って下降し、カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄの下面がカム２１１ｃ，２１２ｃの傾斜面に接触すると、それら傾斜面は互いに摺動する。
【００３０】
カム機構２１１，２１２には、退避部材２１１ｓ，２１２ｓが設けられている。プレスラム２０２の下死点でのパンチ２１１ｐ，２１２ｐによる側方成形完了後、プレスラム２０２による上死点への移動に伴い、カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄが上昇すると、側方成形用パンチ２１１ｐ，２１２ｐは、退避部材２１１ｓ，２１２ｓにより金型２０３外部へ退避させられ、初期位置に戻る。
【００３１】
このようなカム機構を用いることにより、たとえば、図２に示すクランクピン部１５３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入およびパンチ２１３ｐ，２１４ｐの挿入を同時に行い、次いで、パンチ２１５ｐ，２１６ｐの挿入およびパンチ２１７ｐ，２１８ｐの挿入を同時に行う。図３は、クランクピン部１５３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入する形態を表している。プレスラム２０２の上死点から下死点までの１工程内でパンチ２１１ｐ〜２１８ｐの挿入を行う場合、たとえば本出願人が特願２００９−２７０５０で提案しているパンチ同士の干渉防止手法を用いることが好適である。
【００３２】
鍛造装置２００の金型２０３にはクランクシャフトの予備成形品１５０が配置される。予備成形品１５０の配置では、ジャーナル軸部１５１の軸方向がプレスラム２０２の移動方向に対して垂直となる。パンチ２１１Ｐ〜２１８ｐの挿入方向は、隣接するアーム部のカウンタウェイト部への衝突が回避される方向に設定し、たとえばクランクピン部２１３の中央部の軸線に対する垂直方向からの角度θ（図１（Ａ））が４５度をなすことが好適である。
【００３３】
予備成形品１５０は、トリム成形が施されたものであり、クランクシャフト１００の狙い形状よりも小さく成形され、金型２０３のキャビティは、クランクシャフト１００の狙い形状に対応する形状に設定されている。この場合、予備成形品１５０の金型２０３への配置時、予備成形品１５０と金型２０３のキャビティとの間にクリアランスが形成されるが、０ｍｍを超え、かつ０．５ｍｍ以下にクリアランスの最大長を設定することが好適である。これにより、予備成形品１５０を金型２０３のキャビティに容易に投入することができ、下記鍛造時にカウンタウェイト部１５２Ａの倒れ変形を防止することができる。
【００３４】
以上のような鍛造装置２００を用いた本実施形態のクランクシャフト製造方法の本成形について、おもに図１〜５を参照して説明する。まず、金型２０３の下型２０３Ａに、クランクシャフトの予備成形品１５０を配置する。続いて、プレスラム２０２が上死点から下方へ移動することにより、クランクピン部１５３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入およびパンチ２１３ｐ，２１４ｐの挿入を同時に行い、次いで、パンチ２１５ｐ，２１６ｐの挿入およびパンチ２１７ｐ，２１８ｐの挿入を同時に行う。これにより、予備成形品１５０の各クランクピン部１５３の両側への孔部形成が同時に行われる。このような孔部形成後、金型２０３からクランクシャフト１００が離型される。
【００３５】
このような本実施形態では、予備成形品１５０は、予めクランクシャフト１００の狙い形状（すなわち、金型のキャビティの形状）よりも小さく成形されたものである。鍛造では、金型２０３による予備成形品１５０の閉塞とともに、予備成形品１５０のクランクピン部１５３にパンチ２１１ｐ〜２１８ｐを挿入することにより、クランクピン部１５３に孔部を形成するとともに、金型２０３内に予備成形品１５０の材料を充填することができる。
【００３６】
図５は、本実施形態のクランクシャフト製造方法を説明するための概念図であり、１本のパンチＰによる孔部形成を行った場合を表している。図５では、下向き矢印が、金型２０３から予備成形品１５０への拘束圧方向を示し、図５の上向き矢印が、予備成形品１５０の充填方向を示している。図５に示すように、キャビティ形状よりも小さく成形された予備成形品１５０を金型２０３のキャビティに配置したときには、予備成形品１５０とキャビティとの間にクリアランスが存在しているが、パンチＰを予備成形品１５０に挿入することにより、材料充填を行うことができる。
【００３７】
このような鍛造では、クランクピン部へのパンチ２１１ｐ〜２１８ｐの挿入により、金型２０３内に予備成形品１５０の材料を充填するので、金型２０３のキャビティをクランクシャフト１００の狙い形状に対応する形状に設定することにより、クランクシャフト１００の狙い形状を得ることができる。
【００３８】
ここで本実施形態では、金型２０３の閉塞空間内での鍛造において、クランクピン部１１３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入を同時に行い、パンチ２１３ｐ，２１４ｐの挿入を同時に行い、パンチ２１５ｐ，２１６ｐの挿入を同時に行い、パンチ２１７ｐ，２１８ｐの挿入を同時に行う。これにより、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形（他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での面ヒケやバリの発生）を防止することができるので、寸法精度をさらに向上させることができる。
【００３９】
（３）ファイバーフローの形成
図６（Ａ）は、鍛造により成形されるクランクシャフト３００に形成されているファイバーフローを表し、（Ａ）は機械加工前のクランクシャフト３００中のファイバーフローの概念図、（Ｂ）は機械加工後のクランクシャフト３００中のファイバーフローの概念図である。図７は、クランクシャフト１００に鍛造により形成した孔部３１３Ａ近傍のファイバーフローの概念図である。なお、図中の符号３１２はアーム部、符号３１３はクランクピン部、符号３１４Ａはフレット部を示している。
【００４０】
複数工程の鍛造成形を経て得られる中実のクランクシャフト３００では、図６（Ａ）に示すようにファイバーフローが形成されるが、機械加工によって中実のクランクシャフト３００に中空状の孔部３１３Ａ，３１３Ｂを成形すると、図６（Ｂ）に示すようにファイバーフローが切れてしまう。
【００４１】
これに対して本実施形態の鍛造による孔部３１３Ａ，３１３Ｂ形成では、図７に示すように、孔部３１３Ａ，３１３Ｂの形状に沿ってファイバーフローが新たに生成する。したがって、機械加工による削孔品に比べて、耐摩耗性が向上する。このように本実施形態では、図１に示す孔部１１３Ｌ，１１３Ｍを鍛造成形により形成することにより、耐摩耗性の向上を図ることができる。図８は、鍛造により孔部３１３Ａを形成したクランクシャフト３００の状態を表す写真であり、（Ａ）は孔部３１３Ａを含むアーム部３１０の状態を表す写真、（Ｂ）は孔部３１３Ａの状態を表す写真（（Ａ）の矩形状で囲まれた部分の拡大写真）である。図８から判るように、本発明の実験例では、孔部の形状に沿ってファイバーフローが新たに生成することを確認した。
【００４２】
（４）組織の微細化
図１に示すフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂ（図７では符号３１４Ａ）は、クランクシャフト１００回転時にコンロッド（図示略）が当接する部位であるから、捻り応力や曲げ応力が集中しやすい。そこでフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂを強化するために、ロール加工法や、高周波焼き入れ法、窒化等が行われている。
【００４３】
しかしながら、鋼材への窒化処理では、フェライト部がパーライト部に比べて窒素が進入しやすい。このため、フェライト粒およびパーライト粒が粗大化した組織を窒化処理した場合、組織状態に応じて窒化層が形成されるため、硬化深さに大きな差異が生じる。
【００４４】
窒化層が表面から深く、かつ硬質である場合、疲れ限度が高くなるが、上記のように窒化層表面からの深さに差異があるとき、強度分布が不均一となり、かつ強度低下が生じる。また、窒化層の深い部分には、曲げ矯正時に応力が集中して割れが生じやすくなるため、フェライト部の結晶粒とパーライト部の結晶粒の両方を極力微細化し、窒化処理後の硬化深さを均一にする必要がある。
【００４５】
本実施形態では、孔部形成を鍛造によって行うことにより、クランクピン部１１３における孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ周辺部において、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状に沿って組織を微細化している。そのような組織は、鍛造による孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成によってフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂまで微細化されることで、窒化層が表面から深い領域まで均一に入りやすくなる。
【００４６】
フィレット部１１４Ａ，１１４Ｂまでの組織を微細化するために、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの延在方向がフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂに交差することが好適である。この場合、クランクピン部１１３におけるジャーナル軸部１１１の軸線を含む断面において、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの断面積を２分する直線（図７では符号ｌ）がクランクピン部１１３のジャーナル軸部１１１側表面を通過するように孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状を設定することがより好適である。
【００４７】
図９は、孔部を形成していない比較実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである箇所の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。図１０は、孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである領域の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。実験例および比較実験例では、ともにフェライト部とパーライト部から構成される組織（窒化処理層を除く）が形成されていたが、孔部を鍛造により形成した本発明の実験例の組織は、図９，１０から判るように、孔部を形成していない比較実験例と比べて微細化されていることを確認した。
【００４８】
図１１は、孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、フィレット部の表面から３ｍｍ以内の領域Ｘ（図７、ただし軟窒化処理層を除く）の縦断面組織を表す光学顕微鏡写真である。図１１から判るように、フェライト部の結晶粒の平均寸法は、孔部を形成しない比較実験例と比較して、２〜３割程度微細化されたことを確認した。また、鍛造時に１０００度程度で組織微細化を行うことにより、疲労強度の向上を図ることができることを確認した。
【００４９】
以上のように本実施形態では、分割可能な上型２０３Ｂおよび下型２０３Ａからなる金型２０３を用いてクランクシャフトの予備成形品１５０に鍛造を行う。この場合、予備成形品１５０は、鍛造で使用する上記金型２０３のキャビティの形状よりも小さく成形されたものである。鍛造では、クランクピン部１１３へのパンチの挿入により、金型２０３内に予備成形品１５０の材料を充填するので、金型２０３のキャビティをクランクシャフト１００の狙い形状に対応する形状に設定することにより、鍛造によりクランクシャフト１００の狙い形状を得ることができる。
【００５０】
このようにクランクピン部１１３への中空状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、閉塞空間内で材料を充填して鍛造を行うので、クランクシャフト１００の寸法精度を向上させることができる。また、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状に沿ってファイバーフローが新たに生成するから、機械加工による削孔品に比べて、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ周辺の組織を微細化することができるので、剛性を高めることができる。したがって、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍを深く形成した場合でも、高負荷に耐えることができる。孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成を鍛造成形により行っているので、機械加工とは異なり、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの開口縁でのエッジ形成を防止することができるので、応力集中防止のための手作業による磨き工程が不要となる。したがって、製造工程数を低減することができる。
【００５１】
また、閉塞空間内での鍛造においてクランクピン部１１３の両側へのパンチの挿入を同時に行うので、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形（他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での孔形状の変形や、面ヒケやバリの発生）を防止することができる。これにより、寸法精度をさらに向上させることができる。したがって、カウンタウェイト部１１２Ａへの複数の孔部の形成を行う等のバランス補正の増大による製造コスト増大を防止することができる。
【００５２】
ここで本実施形態では、上記のようなクランクピン部１１３への孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ形成後、一方の孔部１１３Ｌにオイル流路１２３をたとえば切削加工により形成する。この場合、一方の孔部１１３Ｌは、オイル流路１２３の延在方向に沿って、クランクピン部１１３の表面からの深さを深く設定することができ、かつ他方の孔部１１３Ｍは、オイル流路１２３に応じて底面部を延在方向に沿うようにして配置することができ、その底面の面積を広く設定することができるから、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ形成による軽量化を十分に図ることができる。また、そのような異形状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍをオイル流路１２３に応じて適宜配置することにより、オイル供給に十分なオイル流路１２３を最短直線距離で形成することができる。また、この場合、上記のように孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成時に変形が生じないから、オイル流路１２３の加工に不良が生じない。
【００５３】
以上のように本実施形態では、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状の自由度を大きくすることができるのはもちろんのこと、切削加工により生じていた問題を解消することができる。
【００５４】
また、オイル流路１２３の外部開口を孔部１１３Ｌの底面部に形成することができるから、栓１２４とピン用貫通孔１２２との間の間隔を短くすることができる。したがって、従来のクランクシャフトで生じていたオイルの滞留を抑制することができる。この場合、孔部１１３Ｌの深さに応じて栓１２４とピン用貫通孔１２２との間の間隔を適宜設定することができ、たとえば図１に示すように栓１２４をピン用貫通孔１２２の近傍に設けることにより、オイルの滞留を効果的に抑制することができる。このように簡単な構成でオイルの流動性の向上を図ることができる。特に、オイル流路１２３の形成位置を、孔部１１３Ｌの底面部における径方向外側端部（ジャーナル軸部１１１側の端部とは反対側の端部）に形成する態様では、遠心力により、オイル流路１２３内のオイルは、その内周面に沿って移動しやすくなるから、オイルの流動性の向上をさらに図ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１００…クランクシャフト、１１１…ジャーナル軸部、１１２…アーム部、１１３…クランクピン部、１１３Ｌ，１１３Ｍ，３１３Ａ…孔部、１１４Ａ，１１４Ｂ，３１４Ａ…フィレット部、１２３…オイル流路、１５０…予備成形品、１５１…予備成形品のジャーナル軸部、１５２…予備成形品のアーム部、１５３…予備成形品のクランクピン部、２０３…金型、２０３Ａ…下型、２０３Ｂ…上型、２１１ｐ〜２１８ｐ，Ｐ…側方成形用パンチ（パンチ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトおよびその製造方法に係り、特に、中空状の孔部をクランクシャフトのクランクピン部に形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジン等の内燃機関では、コネクティングロッドを介してピストンの往復運動を回転運動に変更するクランクシャフトが使用されている。図１２は、従来のクランクシャフト１０の概略構成を表す側断面図である。クランクシャフト１０はジャーナル軸部１１を備え、ジャーナル軸部１１には、それと平行なクランクピン部１３がアーム部１２により連結されている。アーム部１２にはカウンタウェイト部１２Ａが形成され、カウンタウェイト部１２Ａのジャーナル軸部１１に対する形成位置は、クランクピン部１３の接続箇所の反対側である。
【０００３】
ジャーナル軸部１１には、その表面にオイルを供給するジャーナル軸用貫通孔２１が形成されている。クランクピン部１３には、その表面にオイルを供給するピン用貫通孔２２が形成されている。ジャーナル用貫通孔２１とピン用貫通孔２２はオイル流路２３により接続されている。ジャーナル用貫通孔２１内のオイルは、オイル流路２３を通じてピン用貫通孔２２からクランクピン１３部表面へ供給される。なお、符号２４は、オイル流路２３の開口を閉塞する栓２４である。
【０００４】
このようなクランクシャフト１０は、おもに分割可能な上下型を用いた鍛造により製造される。鍛造では、加熱処理が施された素材を鍛造プレスに投入し、鍛造プレス内の各種上下型を用いて素材に各種成形を行うことにより、クランクシャフト１０を得る。次いで、クランクシャフト１０にジャーナル軸用貫通孔２１、ピン用貫通孔２２、および、オイル流路２３を切削加工により形成している。
【０００５】
ところで、自動車では、燃費向上のためにエンジンの軽量化が要求されていることから、エンジンに用いられるクランクシャフトの軽量化が図られている。たとえばクランクピン部の両側に中空状の孔部を形成することにより、中空クランクシャフトを得る技術が提案されており、その中空クランクシャフトは、中実クランクシャフトよりも顕著に軽量となる。
【０００６】
しかしながら、クランクピン部には、孔部の形成後、上記オイル流路を加工するため、孔部の形成は、オイル流路の加工予定位置との交差を回避して行う必要がある。このため、クランクピン部の孔部の形状の自由度が低くなっていた。そこで、孔部にオイル流路を形成することが考えられる（たとえば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭５６−１２１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、ドリルを用いた切削加工により孔部の形成を行っているため、孔部の形成によりクランクピン部の剛性が低下する虞がある。また、切削加工では、種々のドリルを用いる必要が生じ、加工時間が長くなるため、必然的に孔部の形状自由度が低くなる。さらに、孔部の形成によりクランクピン部の剛性が低下する虞がある。また、孔部の開口縁でエッジが形成されやすく、応力集中防止のための手作業による磨き工程が必要となる。
【０００９】
したがって、本発明は、孔部の形状の自由度を大きくすることができるのはもちろんのこと、切削加工により生じていた問題を解消することができるクランクシャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のクランクシャフトは、クランクピン部の両側に孔部が形成され、一方の孔部の底面部には、ジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路が形成され、一方の孔部は、他方の孔部よりも、面積が狭い底面を有し、かつクランクピン部の表面から深く形成されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明のクランクシャフトは、次のような鍛造を用いたクランクシャフトの製造方法により得られる。すなわち、本発明のクランクシャフトの製造方法は、クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、クランクシャフトの予備成形品を配置して予備成形品を鍛造により本成形し、予備成形では、クランクシャフトの予備成形品の形状を、金型のキャビティの形状よりも小さく成形し、本成形では、クランクピン部の両側にパンチを同時に挿入することにより、クランクピン部の両側に孔部を形成するとともに、キャビティ内に予備成形品の材料を充填し、孔部の形成後、一方の孔部の底面部に、そこからジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路をたとえば切削加工により形成し、孔部の形成では、一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積を狭く、かつクランクピン部の表面から深く設定することを特徴とする。
【００１２】
本発明のクランクシャフトの製造方法では、分割可能な上型および下型からなる金型を用いてクランクシャフトの予備成形品に鍛造を行う。この場合、クランクシャフトの予備成形品は、鍛造で使用する金型のキャビティの形状よりも小さく成形されたものである。鍛造では、クランクピン部へのパンチの挿入により、金型内に成形品の材料を充填するので、金型のキャビティをクランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定することにより、鍛造によりクランクシャフトの狙い形状を得ることができる。
【００１３】
このようにクランクピン部への中空状の孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、閉塞空間内で材料を充填して鍛造を行うので、クランクシャフトの寸法精度を向上させることができる。また、孔部の形状に沿ってファイバーフローが新たに生成するから、機械加工による削孔品に比べて、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、孔部周辺の組織を微細化することができるので、剛性を高めることができる。したがって、孔部を深く形成した場合でも、高負荷に耐えることができる。孔部の形成を鍛造成形により行っているので、機械加工とは異なり、孔部の開口縁でのエッジ形成を防止することができ、これにより応力集中防止のための手作業による磨き工程が不要となる。したがって、製造工程数を低減することができる。
【００１４】
また、閉塞空間内での鍛造においてクランクピン部の両側へのパンチの挿入を同時に行うので、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形（他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での孔形状の変形や、面ヒケ、バリの発生）を防止することができる。これにより、寸法精度をさらに向上させることができる。したがって、カウンタウェイト部への複数の孔部の形成を行う等のバランス補正の増大による製造コスト増大を防止することができる。
【００１５】
ここで本発明のクランクシャフトの製造方法では、上記のようなクランクピン部への孔部形成後、一方の孔部にオイル流路を形成する。この場合、一方の孔部は、オイル流路の延在方向に沿って、クランクピン部の表面からの深さを深く設定することができ、かつ他方の孔部は、オイル流路に応じて底面部を延在方向に沿うようにして配置することができ、その底面の面積を広く設定することができるから、孔部形成による軽量化を十分に図ることができる。また、そのような異形状の孔部をオイル流路に応じて適宜配置することにより、オイル供給に十分なオイル流路を最短直線距離で形成することができる。また、この場合、上記のように孔部形成時に変形が生じないから、オイル流路の加工に不良が生じない。
【００１６】
たとえばジャーナル軸部に、その表面にオイルを供給するジャーナル軸用貫通孔を形成し、クランクピン部に、その表面にオイルを供給するピン用貫通孔を形成する場合、オイル流路は、ジャーナル軸用貫通孔とピン用貫通孔とを接続することができ、オイル流路の外部開口を栓により閉塞することができる。
【００１７】
この場合、クランクシャフトの動作時、オイルは、遠心力によって、オイル流路におけるジャーナル軸部の径方向外側に向かって移動する可能性がある。従来のクランクシャフトでは、図１２に示すように、オイル流路２３の外部開口はクランクピン部１３の表面に形成されているため、オイルは、クランクピン部１３の表面に設けられた栓２４とピン用貫通孔２２との間に滞留する虞がある。これに対して本発明のクランクシャフトでは、オイル流路の外部開口を一方の孔部の底面部に形成することができるから、その底面部の外部開口に栓を設けることにより、孔部の深さに応じて栓とピン用貫通孔との間の間隔を短くすることができる。したがって、従来のクランクシャフトで生じていたオイルの滞留を抑制することができる。このように簡単な構成でオイルの流動性の向上を図ることができる。この場合、たとえばオイル流路の形成位置を、一方の孔部の底面部におけるジャーナル軸部側の端部とは反対側の端部に設定する態様を用いることができる。この態様では、遠心力により、オイル流路内のオイルは、その内周面に沿って移動しやすくなるから、オイルの流動性の向上をさらに図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のクランクシャフトあるいはその製造方法によれば、孔部の形状の自由度を大きくすることができるのはもちろんのこと、切削加工により生じていた問題を解消することができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの概略構成を表し、（Ａ）はクランクシャフトの側断面図、（Ｂ）はクランクピン部の一側への孔部の底面図、（Ｃ）はクランクピン部の他側への孔部の底面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法で用いる鍛造装置を表す概念図であり、鍛造装置の下型を表す斜視図である。
【図３】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法による孔部形成を説明するための図である。
【図４】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法で用いる鍛造装置を表す概念図であり、鍛造装置の概略構成を表す図１のＡ−Ａ’線の側断面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法を説明するための概念図である。
【図６】鍛造により成形されるクランクシャフトに形成されているファイバーフローを表し、（Ａ）は機械加工前のクランクシャフト中のファイバーフローの概念図、（Ｂ）は機械加工後のクランクシャフト中のファイバーフローの概念図である。
【図７】クランクシャフトに鍛造により形成した孔部近傍のファイバーフローの概念図である。
【図８】鍛造により孔部を形成したクランクシャフトの状態を表す写真であり、（Ａ）は孔部を含むアーム部の状態を表す写真、（Ｂ）は孔部の状態を表す写真（（Ａ）の矩形状で囲まれた部分の拡大写真）である。
【図９】孔部を形成していない比較実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである箇所の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。
【図１０】孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである領域の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。
【図１１】孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、フィレット部の表面から３ｍｍ以内の領域Ｘ（図７、ただし軟窒化処理層を除く）の縦断面組織を表す光学顕微鏡写真である。
【図１２】本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの概略構成を表す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（１）クランクシャフトの構成
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る一実施形態のクランクシャフト１００の一部の概略構成を表し、（Ａ）はクランクシャフト１００の側断面図、（Ｂ）はクランクピン部１１３の一側の孔部１１３Ｌの底面図、（Ｃ）はクランクピン部１１３の他側の孔部１１３Ｍの底面図である。
【００２１】
クランクシャフト１００はジャーナル軸部１１１を備え、ジャーナル軸部１１１には、それと平行なクランクピン部１１３がアーム部１１２により連結されている。アーム部１１２にはカウンタウェイト部１１２Ａが形成され、カウンタウェイト部１１２Ａのジャーナル軸部１１１に対する形成位置は、クランクピン部１１３の接続箇所の反対側である。クランクピン部１１３の両側には中空状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍが形成されている。クランクピン部１１３とアーム部１１２との境界部におけるジャーナル軸部１１１の軸線側の表面には、フィレット部１１４Ａ，１１４Ｂが形成されている。
【００２２】
ジャーナル軸部１１１には、その表面にオイルを供給するジャーナル軸用貫通孔１２１が形成されている。クランクピン部１１３には、その表面にオイルを供給するピン用貫通孔１２２が形成されている。ジャーナル軸用貫通孔１２１とピン用貫通孔１２２はオイル流路１２３により接続されている。オイル流路１２３の外部開口は、孔部１１３Ｌの底面部に形成され、たとえば栓１２４により閉塞されている。オイル流路１２３は、たとえば孔部１１３Ｌの底面部における径方向外側端部（ジャーナル軸部１１１側の端部とは反対側の端部）に形成されている。
【００２３】
孔部１１３Ｌには、オイル流路１２３が形成されているから、クランクピン部１１３の表面から深く設定することができ、本実施形態では、孔部１１３Ｌは、クランクピン部１１３の表面からの深さを孔部１１３Ｍよりも深く設定する。孔部１１３Ｍの底面部は、オイル流路１２３の延在方向に略平行に形成することができ、本実施形態では、孔部１１３Ｍは、孔部１１３Ｌよりも、底面の面積を広く設定している。
【００２４】
（２）クランクシャフトの製造方法
図２，４は、本発明に係る一実施形態のクランクシャフト製造方法の本成形で用いる鍛造装置２００を表す概念図である。図３は、図２，４に示す鍛造装置２００による孔部形成を説明するための図である。図２は、鍛造装置２００の下型を表す斜視図である。図４は、鍛造装置２００の概略構成を表す図２のＡ−Ａ’線の側断面図である。図４では、鍛造装置２００の各部位（特に金型２０３）の図示を簡略化している。
【００２５】
鍛造装置２００は、本発明のクランクシャフト製造方法が適用される装置の一例であり、４気筒のクランクシャフトを得るための装置である。鍛造装置２００は、たとえばプレスボルスタ２０１を備え、プレスボルスタ２０１上に、プレスラム２０２が支持されている。プレスボルスタ２０１とプレスラム２０２との間に金型２０３が配置されている。
【００２６】
金型２０３は、下型２０３Ａ、上型２０３Ｂ、および、側方成形用パンチ２１１ｐ〜２１８ｐ（以下、パンチ２１１ｐ〜２１８ｐと略称する）を備えている。上型２０３Ｂは、下型２０３Ａに対して移動可能に設けられている。図４中の符号２０４は、上型２０３Ｂへの初期荷重を調整する荷重調整部（油圧手段や、エア圧手段、スプリング手段等）である。上型２０３Ｂは、予備成形品１５０の体積が設定値より大きい場合、金型２０３内での成形圧に応じて、開放方向（上方向）へ移動する。
【００２７】
金型２０３には、クランクシャフトの予備成形品１５０が配置される。図中の符号１５１は予備成形品１５０のジャーナル軸部、符号１５２は予備成形品１５０のアーム部、符号１５３は予備成形品１５０のクランクピン部である。パンチ２１１ｐ〜２１８ｐは、上型２０３Ｂの移動方向に対して垂直方向に移動可能に設けられている。具体的には、パンチ２１１ｐ，２１２ｐは、金型２０３の側部に形成されたパンチ用孔２１１ａ〜２１８ａに沿って、金型２０３の内部に対して移動可能となっている。
【００２８】
パンチ２１１ｐ〜２１８ｐは、プレスラム２０２の移動に連動して金型２０３の内部へ移動させるカム機構を備えている。パンチ２１１ｐ，２１２ｐを移動させるカム機構２１１，２１２は、図４に示すように、カム２１１ｃ，２１２ｃ、および、カム２１１ｃ，２１２ｃを駆動するカムドライバ２１１ｄ、２１２ｄを備えている。なお、パンチ２１３ｐ〜２１８ｐのカム機構は、パンチ２１１ｐ，２１２ｐと略同様な構成・作用を有するので、以下では、その説明および図示を省略している。
【００２９】
カム２１１ｃ，２１２ｃの金型２０３内部側の側面には、パンチ２１１ｐ，２１２ｐが設けられている。カム２１１ｃ，２１２ｃの金型２０３外部側の側面は傾斜面である。カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄの下面は、初期状態においてカム２１１ｃ，２１２ｃの傾斜面に対して所定間隔をおいて配置される傾斜面である。カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄは、プレスラム２０２の下方への移動に伴って下降し、カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄの下面がカム２１１ｃ，２１２ｃの傾斜面に接触すると、それら傾斜面は互いに摺動する。
【００３０】
カム機構２１１，２１２には、退避部材２１１ｓ，２１２ｓが設けられている。プレスラム２０２の下死点でのパンチ２１１ｐ，２１２ｐによる側方成形完了後、プレスラム２０２による上死点への移動に伴い、カムドライバ２１１ｄ、２１２ｄが上昇すると、側方成形用パンチ２１１ｐ，２１２ｐは、退避部材２１１ｓ，２１２ｓにより金型２０３外部へ退避させられ、初期位置に戻る。
【００３１】
このようなカム機構を用いることにより、たとえば、図２に示すクランクピン部１５３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入およびパンチ２１３ｐ，２１４ｐの挿入を同時に行い、次いで、パンチ２１５ｐ，２１６ｐの挿入およびパンチ２１７ｐ，２１８ｐの挿入を同時に行う。図３は、クランクピン部１５３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入する形態を表している。プレスラム２０２の上死点から下死点までの１工程内でパンチ２１１ｐ〜２１８ｐの挿入を行う場合、たとえば本出願人が特願２００９−２７０５０で提案しているパンチ同士の干渉防止手法を用いることが好適である。
【００３２】
鍛造装置２００の金型２０３にはクランクシャフトの予備成形品１５０が配置される。予備成形品１５０の配置では、ジャーナル軸部１５１の軸方向がプレスラム２０２の移動方向に対して垂直となる。パンチ２１１Ｐ〜２１８ｐの挿入方向は、隣接するアーム部のカウンタウェイト部への衝突が回避される方向に設定し、たとえばクランクピン部２１３の中央部の軸線に対する垂直方向からの角度θ（図１（Ａ））が４５度をなすことが好適である。
【００３３】
予備成形品１５０は、トリム成形が施されたものであり、クランクシャフト１００の狙い形状よりも小さく成形され、金型２０３のキャビティは、クランクシャフト１００の狙い形状に対応する形状に設定されている。この場合、予備成形品１５０の金型２０３への配置時、予備成形品１５０と金型２０３のキャビティとの間にクリアランスが形成されるが、０ｍｍを超え、かつ０．５ｍｍ以下にクリアランスの最大長を設定することが好適である。これにより、予備成形品１５０を金型２０３のキャビティに容易に投入することができ、下記鍛造時にカウンタウェイト部１５２Ａの倒れ変形を防止することができる。
【００３４】
以上のような鍛造装置２００を用いた本実施形態のクランクシャフト製造方法の本成形について、おもに図１〜５を参照して説明する。まず、金型２０３の下型２０３Ａに、クランクシャフトの予備成形品１５０を配置する。続いて、プレスラム２０２が上死点から下方へ移動することにより、クランクピン部１５３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入およびパンチ２１３ｐ，２１４ｐの挿入を同時に行い、次いで、パンチ２１５ｐ，２１６ｐの挿入およびパンチ２１７ｐ，２１８ｐの挿入を同時に行う。これにより、予備成形品１５０の各クランクピン部１５３の両側への孔部形成が同時に行われる。このような孔部形成後、金型２０３からクランクシャフト１００が離型される。
【００３５】
このような本実施形態では、予備成形品１５０は、予めクランクシャフト１００の狙い形状（すなわち、金型のキャビティの形状）よりも小さく成形されたものである。鍛造では、金型２０３による予備成形品１５０の閉塞とともに、予備成形品１５０のクランクピン部１５３にパンチ２１１ｐ〜２１８ｐを挿入することにより、クランクピン部１５３に孔部を形成するとともに、金型２０３内に予備成形品１５０の材料を充填することができる。
【００３６】
図５は、本実施形態のクランクシャフト製造方法を説明するための概念図であり、１本のパンチＰによる孔部形成を行った場合を表している。図５では、下向き矢印が、金型２０３から予備成形品１５０への拘束圧方向を示し、図５の上向き矢印が、予備成形品１５０の充填方向を示している。図５に示すように、キャビティ形状よりも小さく成形された予備成形品１５０を金型２０３のキャビティに配置したときには、予備成形品１５０とキャビティとの間にクリアランスが存在しているが、パンチＰを予備成形品１５０に挿入することにより、材料充填を行うことができる。
【００３７】
このような鍛造では、クランクピン部へのパンチ２１１ｐ〜２１８ｐの挿入により、金型２０３内に予備成形品１５０の材料を充填するので、金型２０３のキャビティをクランクシャフト１００の狙い形状に対応する形状に設定することにより、クランクシャフト１００の狙い形状を得ることができる。
【００３８】
ここで本実施形態では、金型２０３の閉塞空間内での鍛造において、クランクピン部１１３の両側へのパンチ２１１ｐ，２１２ｐの挿入を同時に行い、パンチ２１３ｐ，２１４ｐの挿入を同時に行い、パンチ２１５ｐ，２１６ｐの挿入を同時に行い、パンチ２１７ｐ，２１８ｐの挿入を同時に行う。これにより、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形（他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での面ヒケやバリの発生）を防止することができるので、寸法精度をさらに向上させることができる。
【００３９】
（３）ファイバーフローの形成
図６（Ａ）は、鍛造により成形されるクランクシャフト３００に形成されているファイバーフローを表し、（Ａ）は機械加工前のクランクシャフト３００中のファイバーフローの概念図、（Ｂ）は機械加工後のクランクシャフト３００中のファイバーフローの概念図である。図７は、クランクシャフト１００に鍛造により形成した孔部３１３Ａ近傍のファイバーフローの概念図である。なお、図中の符号３１２はアーム部、符号３１３はクランクピン部、符号３１４Ａはフレット部を示している。
【００４０】
複数工程の鍛造成形を経て得られる中実のクランクシャフト３００では、図６（Ａ）に示すようにファイバーフローが形成されるが、機械加工によって中実のクランクシャフト３００に中空状の孔部３１３Ａ，３１３Ｂを成形すると、図６（Ｂ）に示すようにファイバーフローが切れてしまう。
【００４１】
これに対して本実施形態の鍛造による孔部３１３Ａ，３１３Ｂ形成では、図７に示すように、孔部３１３Ａ，３１３Ｂの形状に沿ってファイバーフローが新たに生成する。したがって、機械加工による削孔品に比べて、耐摩耗性が向上する。このように本実施形態では、図１に示す孔部１１３Ｌ，１１３Ｍを鍛造成形により形成することにより、耐摩耗性の向上を図ることができる。図８は、鍛造により孔部３１３Ａを形成したクランクシャフト３００の状態を表す写真であり、（Ａ）は孔部３１３Ａを含むアーム部３１０の状態を表す写真、（Ｂ）は孔部３１３Ａの状態を表す写真（（Ａ）の矩形状で囲まれた部分の拡大写真）である。図８から判るように、本発明の実験例では、孔部の形状に沿ってファイバーフローが新たに生成することを確認した。
【００４２】
（４）組織の微細化
図１に示すフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂ（図７では符号３１４Ａ）は、クランクシャフト１００回転時にコンロッド（図示略）が当接する部位であるから、捻り応力や曲げ応力が集中しやすい。そこでフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂを強化するために、ロール加工法や、高周波焼き入れ法、窒化等が行われている。
【００４３】
しかしながら、鋼材への窒化処理では、フェライト部がパーライト部に比べて窒素が進入しやすい。このため、フェライト粒およびパーライト粒が粗大化した組織を窒化処理した場合、組織状態に応じて窒化層が形成されるため、硬化深さに大きな差異が生じる。
【００４４】
窒化層が表面から深く、かつ硬質である場合、疲れ限度が高くなるが、上記のように窒化層表面からの深さに差異があるとき、強度分布が不均一となり、かつ強度低下が生じる。また、窒化層の深い部分には、曲げ矯正時に応力が集中して割れが生じやすくなるため、フェライト部の結晶粒とパーライト部の結晶粒の両方を極力微細化し、窒化処理後の硬化深さを均一にする必要がある。
【００４５】
本実施形態では、孔部形成を鍛造によって行うことにより、クランクピン部１１３における孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ周辺部において、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状に沿って組織を微細化している。そのような組織は、鍛造による孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成によってフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂまで微細化されることで、窒化層が表面から深い領域まで均一に入りやすくなる。
【００４６】
フィレット部１１４Ａ，１１４Ｂまでの組織を微細化するために、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの延在方向がフィレット部１１４Ａ，１１４Ｂに交差することが好適である。この場合、クランクピン部１１３におけるジャーナル軸部１１１の軸線を含む断面において、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの断面積を２分する直線（図７では符号ｌ）がクランクピン部１１３のジャーナル軸部１１１側表面を通過するように孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状を設定することがより好適である。
【００４７】
図９は、孔部を形成していない比較実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである箇所の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。図１０は、孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、（Ａ）はクランクピン部を表す全体写真、（Ｂ）は孔部の表面からの深さが１０ｍｍである領域の断面組織を表す光学顕微鏡写真である。実験例および比較実験例では、ともにフェライト部とパーライト部から構成される組織（窒化処理層を除く）が形成されていたが、孔部を鍛造により形成した本発明の実験例の組織は、図９，１０から判るように、孔部を形成していない比較実験例と比べて微細化されていることを確認した。
【００４８】
図１１は、孔部を鍛造により形成した本発明の実験例のクランクピン部を表し、フィレット部の表面から３ｍｍ以内の領域Ｘ（図７、ただし軟窒化処理層を除く）の縦断面組織を表す光学顕微鏡写真である。図１１から判るように、フェライト部の結晶粒の平均寸法は、孔部を形成しない比較実験例と比較して、２〜３割程度微細化されたことを確認した。また、鍛造時に１０００度程度で組織微細化を行うことにより、疲労強度の向上を図ることができることを確認した。
【００４９】
以上のように本実施形態では、分割可能な上型２０３Ｂおよび下型２０３Ａからなる金型２０３を用いてクランクシャフトの予備成形品１５０に鍛造を行う。この場合、予備成形品１５０は、鍛造で使用する上記金型２０３のキャビティの形状よりも小さく成形されたものである。鍛造では、クランクピン部１１３へのパンチの挿入により、金型２０３内に予備成形品１５０の材料を充填するので、金型２０３のキャビティをクランクシャフト１００の狙い形状に対応する形状に設定することにより、鍛造によりクランクシャフト１００の狙い形状を得ることができる。
【００５０】
このようにクランクピン部１１３への中空状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、閉塞空間内で材料を充填して鍛造を行うので、クランクシャフト１００の寸法精度を向上させることができる。また、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状に沿ってファイバーフローが新たに生成するから、機械加工による削孔品に比べて、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ周辺の組織を微細化することができるので、剛性を高めることができる。したがって、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍを深く形成した場合でも、高負荷に耐えることができる。孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成を鍛造成形により行っているので、機械加工とは異なり、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの開口縁でのエッジ形成を防止することができるので、応力集中防止のための手作業による磨き工程が不要となる。したがって、製造工程数を低減することができる。
【００５１】
また、閉塞空間内での鍛造においてクランクピン部１１３の両側へのパンチの挿入を同時に行うので、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形（他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での孔形状の変形や、面ヒケやバリの発生）を防止することができる。これにより、寸法精度をさらに向上させることができる。したがって、カウンタウェイト部１１２Ａへの複数の孔部の形成を行う等のバランス補正の増大による製造コスト増大を防止することができる。
【００５２】
ここで本実施形態では、上記のようなクランクピン部１１３への孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ形成後、一方の孔部１１３Ｌにオイル流路１２３をたとえば切削加工により形成する。この場合、一方の孔部１１３Ｌは、オイル流路１２３の延在方向に沿って、クランクピン部１１３の表面からの深さを深く設定することができ、かつ他方の孔部１１３Ｍは、オイル流路１２３に応じて底面部を延在方向に沿うようにして配置することができ、その底面の面積を広く設定することができるから、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍ形成による軽量化を十分に図ることができる。また、そのような異形状の孔部１１３Ｌ，１１３Ｍをオイル流路１２３に応じて適宜配置することにより、オイル供給に十分なオイル流路１２３を最短直線距離で形成することができる。また、この場合、上記のように孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形成時に変形が生じないから、オイル流路１２３の加工に不良が生じない。
【００５３】
以上のように本実施形態では、孔部１１３Ｌ，１１３Ｍの形状の自由度を大きくすることができるのはもちろんのこと、切削加工により生じていた問題を解消することができる。
【００５４】
また、オイル流路１２３の外部開口を孔部１１３Ｌの底面部に形成することができるから、栓１２４とピン用貫通孔１２２との間の間隔を短くすることができる。したがって、従来のクランクシャフトで生じていたオイルの滞留を抑制することができる。この場合、孔部１１３Ｌの深さに応じて栓１２４とピン用貫通孔１２２との間の間隔を適宜設定することができ、たとえば図１に示すように栓１２４をピン用貫通孔１２２の近傍に設けることにより、オイルの滞留を効果的に抑制することができる。このように簡単な構成でオイルの流動性の向上を図ることができる。特に、オイル流路１２３の形成位置を、孔部１１３Ｌの底面部における径方向外側端部（ジャーナル軸部１１１側の端部とは反対側の端部）に形成する態様では、遠心力により、オイル流路１２３内のオイルは、その内周面に沿って移動しやすくなるから、オイルの流動性の向上をさらに図ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１００…クランクシャフト、１１１…ジャーナル軸部、１１２…アーム部、１１３…クランクピン部、１１３Ｌ，１１３Ｍ，３１３Ａ…孔部、１１４Ａ，１１４Ｂ，３１４Ａ…フィレット部、１２３…オイル流路、１５０…予備成形品、１５１…予備成形品のジャーナル軸部、１５２…予備成形品のアーム部、１５３…予備成形品のクランクピン部、２０３…金型、２０３Ａ…下型、２０３Ｂ…上型、２１１ｐ〜２１８ｐ，Ｐ…側方成形用パンチ（パンチ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクピン部の両側に孔部が形成され、
一方の孔部の底面部には、ジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路が形成され、
前記一方の孔部は、他方の孔部よりも、面積が狭い底面を有し、かつ前記クランクピン部の表面から深く形成されていることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記オイル流路は、前記孔部の底面部の端部に形成され、
前記端部は、前記ジャーナル軸部側の端部とは反対側の端部であることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
【請求項３】
クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、
分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、前記クランクシャフトの予備成形品を配置して前記予備成形品を鍛造により本成形し、
前記予備成形では、前記クランクシャフトの予備成形品の形状を、前記金型のキャビティの形状よりも小さく成形し、
前記本成形では、前記クランクピン部の両側にパンチを同時に挿入することにより、前記クランクピン部の両側に孔部を形成するとともに、前記キャビティ内に前記予備成形品の材料を充填し、
前記孔部の形成後、一方の孔部の底面部に、そこからジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路を形成し、
前記孔部の形成では、前記一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積を狭く、かつ前記クランクピン部の表面から深く設定することを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
【請求項４】
前記オイル流路の形成位置は、前記一方の孔部の底面部における前記ジャーナル軸部側の端部とは反対側の端部に設定することを特徴とする請求項３に記載のクランクシャフトの製造方法。
【請求項１】
クランクピン部の両側に孔部が形成され、
一方の孔部の底面部には、ジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路が形成され、
前記一方の孔部は、他方の孔部よりも、面積が狭い底面を有し、かつ前記クランクピン部の表面から深く形成されていることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
前記オイル流路は、前記孔部の底面部の端部に形成され、
前記端部は、前記ジャーナル軸部側の端部とは反対側の端部であることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフト。
【請求項３】
クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、
分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、前記クランクシャフトの予備成形品を配置して前記予備成形品を鍛造により本成形し、
前記予備成形では、前記クランクシャフトの予備成形品の形状を、前記金型のキャビティの形状よりも小さく成形し、
前記本成形では、前記クランクピン部の両側にパンチを同時に挿入することにより、前記クランクピン部の両側に孔部を形成するとともに、前記キャビティ内に前記予備成形品の材料を充填し、
前記孔部の形成後、一方の孔部の底面部に、そこからジャーナル軸部に向かって延在するオイル流路を形成し、
前記孔部の形成では、前記一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積を狭く、かつ前記クランクピン部の表面から深く設定することを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
【請求項４】
前記オイル流路の形成位置は、前記一方の孔部の底面部における前記ジャーナル軸部側の端部とは反対側の端部に設定することを特徴とする請求項３に記載のクランクシャフトの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−７７２６（Ｐ２０１２−７７２６Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１０５８５（Ｐ２０１１−１１０５８５）
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]