連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法
【課題】据え込み時に連続中空部が閉塞しないようにした中空素材を用いることで、偏芯据え込み法で連続中空部を有したクランクシャフトを成形する方法を提案する。
【解決手段】中空素材２の中途部をフローティング治具６により保持し、上下型３・４にセットするセット工程と、上型３を下降させつつ、フローティング治具６により、中空素材２の中途部を偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程と、上型３を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、クランクシャフト５のアーム部９・９を形成する偏芯据え込み完了工程とを備え、中空素材２として、中空部７の内部に据え込み成形時に前記中空素材２に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部９・９の内部に位置する中空部７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いる。
【解決手段】中空素材２の中途部をフローティング治具６により保持し、上下型３・４にセットするセット工程と、上型３を下降させつつ、フローティング治具６により、中空素材２の中途部を偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程と、上型３を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、クランクシャフト５のアーム部９・９を形成する偏芯据え込み完了工程とを備え、中空素材２として、中空部７の内部に据え込み成形時に前記中空素材２に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部９・９の内部に位置する中空部７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏芯据え込み法によって連続中空部を有するクランクシャフトを成形する成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、据え込み成形法の一種である偏芯据え込み法により内燃機関の構成部品であるクランクシャフトを製造する方法や連続した中空部が形成された中空クランク軸に関する技術は公知となっている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１に記載されているクランクシャフトの製造方法は、偏芯据え込み法にてクランクシャフトを冷間鍛造により成形する方法であり、予め曲げ加工されたオフセット材料を作製し、このオフセット材料を据え込み工程により軸方向へ加圧してクランク本体を圧縮成形する方法である。
【０００４】
特許文献２に記載されている中空クランク軸は、その内部に油圧経路を兼ねる中空部が形成されたものである。この中空部の形成方法としては、鋳物として形成する場合、砂中子等の中子を用いることで中空部を有する鋳物クランクを形成する旨が記載されている。
【０００５】
また、冷間鍛造で中空部（中空穴）を有するクランクシャフトを成形する技術として、図１２に示すように、連続した中空部を有する円筒状の中空素材を用いて偏芯据え込み法によりクランクシャフトを成形することで、据え込み時の素材表面の引張応力を内部中空側に分散させて成形割れを抑制する技術があり、ピン部やジャーナル部を中空にすることができる。
【特許文献１】特開２００５−９５９５号公報
【特許文献２】特開２００４−３４０３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１、２のように、従来技術として、クランクシャフトを偏芯据え込み法により製造する技術、クランクシャフトが具備するピン部やジャーナル部の内部に設けられる中空部や油穴を鋳造（パイプ鋳包みや中子）で形成する技術、及び中空部や油穴を機械加工により形成する技術はそれぞれ公知となっているが、連続中空部（油穴）を有したクランクシャフトを鍛造かつ偏芯据え込み法により成形する技術は確立されていない。
【０００７】
また、上述した中空部を有するクランクシャフトの成形技術（冷鍛成形法）においては、図１２のように、中空素材を用いた偏芯据え込み法によりクランクシャフトを成形することでクランクシャフトのピン部やジャーナル部を中空化することができるが（図１３参照）、クランクシャフトのアーム部における中空部は潰れてしまう。ピン部やジャーナル部に形成された中空部（中空穴）を潤滑用油を供給する油穴として用いる場合、ピン部とジャーナル部の穴を繋ぐ穴加工等の工程を追加する必要が有り（図１４参照）、高い製造コストとなる。また、現行クランクシャフトでは、図１４に示すように、油穴がそれぞれ独立に配置されており、各ジャーナル部に個別に給油を行う為、給油機構が複雑になる。
【０００８】
上記中空部を有する成形技術は、具体的には、表面の引張応力を内径側に分散させることで成形割れを抑制する方法であり、偏芯量や据え込み量が大きい場合や鍛造性の悪い材料（カーボン量が多い材料）の場合、据え込み時の圧縮力や素材表面の応力が高くなるに伴い、内径中空部に分散させた応力も高くなり、その応力によりアーム部における中空部が潰されてしまい、成形前の状態において連続していた中空部が途中で閉塞してしまう。そのため、中空素材を用いて上述した偏芯据え込み法によりクランクシャフトを成形する場合に、据え込み時に発生する応力により据え込まれる部位であるアーム部の中空部が潰されて閉塞しないようにする技術が求められている。
【０００９】
そこで、本発明では、据え込み時に連続中空部が閉塞しないようにした中空素材を用いることで、偏芯据え込み法で連続中空部を有したクランクシャフトを成形する方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
即ち、請求項１においては、
連続した中空部を有する中空素材を用いて冷間鍛造によって偏芯据え込み成形を行うことでクランクシャフトを成形する方法であって、
前記中空素材の中途部を偏芯治具により保持し、成形装置の上下型に前記中空素材の中心軸方向における両端をセットするセット工程と、
前記成形装置の上型を下降させつつ、前記偏芯治具を前記中空素材の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、前記偏芯治具が保持する前記中空素材の中途部を前記中空素材の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程と、
前記上型を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、前記偏芯治具に保持された前記中空素材の中途部の両端に前記クランクシャフトのアーム部を連続して形成する偏芯据え込み完了工程と、を備え、
前記中空素材として、前記中空部の内部に前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部の内部に位置する中空部が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いるものである。
【００１２】
請求項２においては、
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の内壁面に前記中空素材の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、前記複数の溝部が前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向に設けられた溝部と潰れ難い方向に設けられた溝部と、からなるものである。
【００１３】
請求項３においては、
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔を備え、前記中空素材よりも高硬度であり、かつ前記中空部の所定位置に支持される支持部材と、
前記支持部材の外周面と前記中空部の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間と、からなるものである。
【００１４】
請求項４においては、
前記閉塞防止手段は、
前記中空部に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔が設けられた低融点合金であり、前記据え込み成形後に、前記低融点合金を加熱融解して前記中空部から排出するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１においては、据え込み成形時に中空素材に対して作用する応力を低減することが可能となり、連続した中空部を有する中空クランクシャフトを成形することができる。
【００１７】
請求項２においては、偏芯据え込み時に表面に発生する引張力を内部中空部に分散させる際に、その引張力や据え込み時の過大な圧縮力を低減させる為に潰れる溝と、座屈により引張力が働く方向に空けた溝（潰され難い溝）により、成形性を損ねることなく、連続中空部を有するクランクシャフトを偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
【００１８】
請求項３においては、偏芯量（ストローク長）が大きいクランクシャフトの場合やカウンターウエイトを張り出させる為に据え込み量を高めた場合等中空部（内径部）に作用する荷重が高くなった時でも、高硬度の支持部材が成形荷重を支えることで、確実に連続中空部を有するクランクシャフトを偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
【００１９】
請求項４においては、低融点合金に設けた貫通孔により、内部中空部に分散させた力を低減させることで成形性を確保し、且つ成形したクランクシャフトの内部に残った低融点合金を溶解して排出させることで、成形荷重が高い場合でも比較的低コストで連続中空部を有するクランクシャフトを偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明に係る連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法が適用される成形装置の構成について図１を用いて説明する。
なお、同様の用途及び機能を有する部材には同符号を付してその説明を省略する。
【００２１】
成形装置１は、中空素材２を用いて冷間鍛造によりクランクシャフト５の偏芯据え込み成形を行う装置であり、図１（ａ）に示すように、主として上型３、下型４、及び偏芯治具であるフローティング治具６を具備する。上型３と下型４とは、上下に対向して配置され、上下型３・４の間にフローティング治具６が配置される。
【００２２】
中空素材２は、丸棒状であり、軸方向の略中心部を貫通する中空部７を有する。中空素材２は、偏芯据え込み法により成形されるクランクシャフト５の素材である。
中空素材２は、該中空素材２が有する中空部７に後述する閉塞防止手段が設けられている。
閉塞防止手段は、据え込み成形時に中空素材２に対して作用する応力を低減する（緩和する）ことで、前記応力によりクランクシャフト５が有するアーム部９・９の内部に位置する中空部７が潰れて閉塞することを防止するものである。
【００２３】
フローティング治具６は、扁平な形状であり、所定箇所に開口部６ａが開口されており、該開口部６ａに中空素材２を挿入して、中空素材２の中途部（本実施形態においてはクランクシャフト５のピン部８となる部分）を保持することが可能である。また、フローティング治具６は、中空素材２を成形装置１にセットする初期状態（図１（ａ））において、上下型３・４の間の略中間位置に配置されており、成形装置１の上型３が下降するに応じてフローティング治具６も下降し（図１（ｂ））、常に上下型３・４の上下方向中間位置にフローティング治具６を保持可能であるフローティング機構（図示せず）を有している。また、フローティング治具６は、中空素材２の中途部（ピン部８）を保持した状態で、中空素材２の中心軸方向に対して鉛直方向に移動可能（スライド可能）である。
【００２４】
このように成形装置１を構成することで、偏芯治具であるフローティング治具６の所定箇所に開口された開口部６ａに中空素材２を挿通し、該中空素材２の一端（ジャーナル部１０となる部分）を上型３の所定箇所に固定し、かつ、前記中空素材２の他端（ジャーナル部１０となる部分）を下型４の所定箇所に固定した状態で、上型３を下降させて中空素材２を軸方向に圧縮しつつ、中空素材２の中途部を軸方向に対して鉛直方向に移動（偏芯）することで、上型３とフローティング治具６との間に位置する中空素材２と、下型４とフローティング治具６との間に位置する中空素材２とが、据え込まれてクランクシャフト５のアーム部９・９（図１（ｃ））を形成することが可能となる。
【００２５】
すなわち、図１（ｃ）に示すように、本実施形態に係る成形装置１によって成形されるクランクシャフト５は、一対の扁平な形状であるアーム部９・９、アーム部９・９の間に配置されるピン部８、及び上下型３・４に固定されるジャーナル部１０・１０を具備する。
なお、本実施形態で示すクランクシャフト５は、ピン部８と該ピン部８の両側に配置されるアーム部９・９の例を示したものであるが、この形状に特に限定するものではなく、例えば、クランクシャフト５のジャーナル部と該ジャーナル部の両側に形成されるアーム部であってもかまわない。
【００２６】
次に、上述した成形装置１を用いたクランクシャフトの成形方法について説明する。
【００２７】
クランクシャフトの成形方法は、図２に示すように、セット工程Ｓ１０、偏芯据え込み工程Ｓ２０及び偏芯据え込み完了工程Ｓ３０、を具備している。以下、各工程について説明する。
【００２８】
セット工程Ｓ１０は、中空素材２の中途部を偏芯治具であるフローティング治具６により保持し、成形装置１の上下型３・４に前記中空素材２の中心軸方向における両端をセットする工程である。
【００２９】
すなわち、セット工程Ｓ１０では、図１（ａ）に示すように、据え込み成形完了後にクランクシャフト５のピン部８となる中空素材２の中途部をフローティング治具６の開口部６ａに挿入保持するとともに、据え込み成形完了後にクランクシャフト５のジャーナル部１０となる中空素材２の一端を下型４の所定位置に固定し、同じくジャーナル部１０となる中空素材２の他端を上型３の所定位置に固定して、中空素材２を成形装置１の上下型３・４にセットして、据え込み成形を開始する準備を行って、据え込み成形開始の初期状態とするものである。
セット工程Ｓ１０が終了したら、偏芯据え込み工程Ｓ２０に移行する。
【００３０】
偏芯据え込み工程Ｓ２０は、成形装置１の上型３を下降させつつ、フローティング治具６を中空素材２の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、フローティング治具６が保持する中空素材２の中途部を前記中空素材２の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う工程である。
【００３１】
すなわち、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、成形装置１の上型３を下降しながら中空素材２を軸方向に圧縮しつつ、フローティング治具６により中空素材２の中途部を軸方向に対して鉛直方向に移動（偏芯）させることで、上型３とフローティング治具６との間に位置する中空素材２と、下型４とフローティング治具６との間に位置する中空素材２とが、据え込まれる。
偏芯据え込み工程Ｓ２０が終了したら、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０に移行する。
【００３２】
偏芯据え込み完了工程Ｓ３０は、上型３を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、フローティング治具６に保持された中空素材２の中途部の両端にクランクシャフト５のアーム部９・９を連続して形成する工程である。
【００３３】
すなわち、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、成形装置１の上型３の下面とフローティング治具６の上面との距離が形成されるアーム部９の所定の厚さ相当となる位置まで上型３を下降させて据え込み成形を行うと同時に、前述したようにフローティング治具６はフローティング機構により上下型３・４の間の上下方向中間位置に配置されるようになっており、成形装置１の下型４の上面とフローティング治具６の下面との距離も形成されるアーム部９の所定の厚さ相当となる。
【００３４】
従来のクランクシャフトの成形方法によれば、図１３に示すように中空素材２の中途部となるピン部８もしくはジャーナル部１０の内部に中空部を形成することが可能であるが、据え込み成形時に中空素材２に対して作用する応力によりアーム部９・９の内部の中空部は潰れてしまいクランクシャフト５内に連続した中空部７を形成することができない。
これに対して、本実施形態に係る閉塞防止手段を予め設けた中空素材２を用いて、上述したクランクシャフトの成形方法において据え込み成形を行った場合、前記応力を低減する（逃がす）ことによりアーム部９・９の内部に位置する中空部が潰れて閉塞することを防止することが可能となる。そのため、据え込み成形時にアーム部９・９の内部に位置する中空部を残すことが可能となり、連続した中空部７を有するクランクシャフト５を成形することが可能となる。
つまり、閉塞防止手段を有した中空素材２を用いて成形装置１により成形を行うことで、冷間鍛造の偏芯据え込み成形法により丸棒状の中空素材２から一体型、かつ連続中空部を有するクランクシャフト５を成形することができる。
【００３５】
このように、連続した中空部７を有する中空素材２を用いて冷間鍛造によって偏芯据え込み成形を行うことでクランクシャフト５を成形する方法であって、
前記中空素材２の中途部を偏芯治具であるフローティング治具６により保持し、成形装置１の上下型３・４に前記中空素材２の中心軸方向における両端をセットするセット工程Ｓ１０と、
前記成形装置１の上型３を下降させつつ、前記フローティング治具６を前記中空素材２の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、前記フローティング治具６が保持する前記中空素材２の中途部を前記中空素材２の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程Ｓ２０と、
前記上型３を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、前記フローティング治具６に保持された前記中空素材２の中途部の両端に前記クランクシャフト５のアーム部９・９を連続して形成する偏芯据え込み完了工程Ｓ３０と、を備え、
前記中空素材２として、前記中空部７の内部に前記据え込み成形時に前記中空素材２に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部９・９の内部に位置する中空部７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いるクランクシャフト５の成形方法を適用することにより、据え込み成形時に中空素材２に対して作用する応力を低減することが可能となり、連続した中空部７を有する中空クランクシャフト５を成形することができる。
本実施形態に係る閉塞防止手段の具体的な実施例を、以下に説明する。
【実施例１】
【００３６】
次に、前述した閉塞防止手段が設けられた中空素材２を用いたクランクシャフト５の成形方法について説明する。
本実施例に係るクランクシャフト５の成形方法は、上述した成形方法と同様であり、ここでは、この成形方法で用いられる閉塞防止手段が設けられた中空素材の例について具体的に説明する。
【００３７】
中空素材１２は、図３に示すように、丸棒状部材であり、その内部に一端から他端まで連続して貫通する断面視十字形状の中空部１７を有する。
【００３８】
中空素材１２には、据え込み成形時に中空素材１２に対して作用する応力を低減する（逃がす）ことで、前記応力によりアーム部９・９の内部に位置する中空部１７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が予め設けられている。
【００３９】
閉塞防止手段は、図３に示すように、中空部１７の内壁面に中空素材１２の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、該複数の溝部が据え込み成形時に中空素材１２に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向（据え込みによる圧縮力が作用する方向）に設けられた第一溝部１３・１３と潰れ難い方向（座屈による引張力が作用する方向）に設けられた第二溝部１４・１４と、からなるものである。
なお、本実施例においては２つの第一溝部１３・１３と２つの第二溝部１４・１４とをそれぞれにおいて対向して配置して、断面視十字形状となるように構成したが、特に限定するものではなく、溝の形状や中空部１７内における溝の配置構成等は適宜変更することが可能である。また、閉塞防止手段を構成する溝部としては、方向性を持った一体、もしくは別体となるように構成することが可能である。
【００４０】
次に、閉塞防止手段として第一溝部１３・１３及び第二溝部１４・１４が形成された中空素材１２を用いて上述したクランクシャフトの成形方法により偏芯据え込み成形を行った場合の成形方法について図１を用いて説明する。
【００４１】
セット工程Ｓ１０（成形初期状態）では、図１（ａ）に示すように、中空素材１２が成形装置１にセットされる。この状態においては、中空素材１２の断面視は、第一溝部１３・１３及び第二溝部１４・１４とから十字形状となっている（図４（ａ））。
【００４２】
続いて、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、図１（ｂ）に示すように、中空素材１２に対して据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用し、意図的に潰す溝である第一溝部１３・１３が潰れ始める（図４（ｂ））。
【００４３】
続いて、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、図１（ｃ）に示すように、据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用したことで、第一溝部１３・１３は完全に潰れてしまい（図４（ｃ）点線矢印参照）、一方、第二溝部１４・１４は残る（（図４（ｃ））。このように、据え込み成形時に第一溝部１３・１３が潰れることで応力を低減する（応力を逃がす）ことが可能となり、第二溝部１４・１４を残すことが可能となる。これにより、クランクシャフト５の内部には、連続した中空部１７が形成される。
【００４４】
このように、前記閉塞防止手段は、前記中空部１７の内壁面に前記中空素材１２の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、前記複数の溝部が前記据え込み成形時に前記中空素材１２に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向に設けられた溝部である第一溝部１３・１３と潰れ難い方向に設けられた溝部である第二溝部１４・１４と、からなることにより、偏芯据え込み時に表面に発生する引張力を内部中空部１７に分散させる際に、その引張力や据え込み時の過大な圧縮力を低減させる為に潰れる溝である第一溝部１３・１３と、座屈により引張力が働く方向に空けた溝（潰され難い溝）である第二溝部１４・１４により、成形性を損ねることなく、連続中空部１７を有するクランクシャフト５を偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
また、中空部１７を潤滑用の油穴として利用する場合、後工程（ドリル加工等）が不要となり低コスト化が図れる。
また、中空部１７がクランクシャフト５の内部に多く形成されるため、通常の鍛造より軽量なクランクシャフトが成形できる。
【００４５】
つまり、意図的に潰れ易い方向に空けた溝と潰れ難い方向に空けた溝が設けられた中空素材１２を用いて、偏芯据え込み法により成形する構成としたことにより、潰れ難い部分である第二溝部１４・１４により形成される空間を油穴として利用するために残すことが可能となる。
【実施例２】
【００４６】
次に、閉塞防止手段が設けられた中空素材を用いたクランクシャフトの成形方法の別実施例について説明する。
【００４７】
中空素材２２は、図５に示すように、丸棒状部材であり、その内部に一端から他端まで連続して貫通する断面視丸形状の中空部２７を有する。
【００４８】
中空素材２２には、据え込み成形時に中空素材２２に対して作用する応力を低減する（逃がす）ことで、前記応力によりアーム部９・９の内部に位置する中空部２７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が予め設けられている。
【００４９】
閉塞防止手段は、図５に示すように、中空部２７の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔２３ａを備え、中空素材２２よりも高硬度であり、かつ中空部２７の所定位置に支持される支持部材２３と、前記支持部材２３の外周面と前記中空部２７の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間２４と、からなるものである。
また、本実施例における支持部材２３は、図５（ａ）に示すように、アーム部９・９を形成する部位９ａ・部位９ａにおける中空部２７内に支持される。
なお、中空素材２２よりも高硬度材の例としては、熱処理した高炭素鋼材、超硬合金、セラミック等の中空素材２２よりも高硬度かつ高強度材を用いることが可能である。
また、本実施例においては、支持部材２３を、中空部２７内に４個挿入しているが、特に限定するものではなく、少なくとも１個以上挿入していればよい。
また、支持部材２３には、貫通孔２３ａが少なくとも１つ以上設けられており、貫通孔２３ａが据え込み成形完了時に連続した中空部２７を形成できればよい。
【００５０】
次に、閉塞防止手段として支持部材２３及び隙間２４が形成された中空素材２２を用いて上述したクランクシャフトの成形方法により偏芯据え込み成形を行った場合の成形方法について図６を用いて説明する。
【００５１】
セット工程（成形初期状態）では、図６（ａ）に示すように、中空素材２２が成形装置１にセットされる。この状態においては、中空素材２２の断面視は、支持部材２３が配置された部分では、支持部材２３が中空部２７内に挿入（圧入）されたことで、支持部材２３の断面視長手方向の両端部が中空素材２２の内壁に当接支持されている（図５（ｂ）の符号２５部分）。また、支持部材２３の外周面と中空素材２２の内壁面との間には隙間２４が設けられた状態となっている。
【００５２】
続いて、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、図６（ｂ）に示すように、中空素材２２に対して据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用し、意図的に潰す空間である隙間２４が潰れ始める（図７（ｂ））。
【００５３】
続いて、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、図６（ｃ）に示すように、据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用したことで、隙間２４は完全に潰れて閉塞されてしまい（図７（ｃ）点線矢印参照）、一方、支持部材２３の貫通孔２３ａは残る。このように、据え込み成形時に隙間２４が潰れることで応力を低減する（応力を逃がす）ことが可能となる。これにより、クランクシャフト５には、連続した中空部２７が形成される。
【００５４】
このように、前記閉塞防止手段は、前記中空部２７の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔２３ａを備え、前記中空素材２２よりも高硬度であり、かつ前記中空部２７の所定位置に支持される支持部材２３と、前記支持部材２３の外周面と前記中空部２７の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間２４と、からなることにより、偏芯量（ストローク長）が大きいクランクシャフトの場合やカウンターウエイトを張り出させる為に据え込み量を高めた場合等中空部２７（内径部）に作用する荷重が高くなった時でも、高硬度の支持部材２３が成形荷重を支えることで、確実に連続中空部２７を有するクランクシャフト５を偏芯据え込み法で成形できる。
また、中空部２７を潤滑用の油穴として利用する場合、後工程（ドリル加工等）が不要となり低コスト化が図れる。
また、中空部２７がクランクシャフト５の内部に多く形成されるため、通常の鍛造より軽量なクランクシャフトが成形できる。
【００５５】
つまり、据え込まれる部位（アーム部９成形部）に高硬度材で製作した貫通孔２３ａを有した支持部材２３を少なくとも一個以上挿入し、前記貫通孔２３ａが少なくとも１つ以上は空けられており、かつ中空素材２２と支持部材２３との間に応力を逃がすための隙間２４が設けられた状態となるように支持部材２３を挿入した中空素材２２を用いて、偏芯据え込み法により成形する構成としたことにより、潰れ難い部分である貫通孔２３ａを油穴として利用するために残すことが可能となる。
【実施例３】
【００５６】
次に、閉塞防止手段が設けられた中空素材を用いたクランクシャフトの成形方法の別実施例について説明する。
【００５７】
中空素材２２は、図５に示すように、丸棒状部材であり、その内部に一端から他端まで連続して貫通する断面視丸形状の中空部２７を有する。
【００５８】
中空素材２２には、据え込み成形時に中空素材２２に対して作用する応力を低減する（逃がす）ことで、前記応力によりアーム部９・９の内部に位置する中空部２７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が予め設けられている。
【００５９】
閉塞防止手段は、図８に示すように、中空部２７に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔２８が設けられた低融点合金２９であり、据え込み成形後に、前記低融点合金２９を加熱融解して中空部２７から排出するものである。
なお、低融点合金としては、例えば、ロウ、ハンダ、スズ等が挙げられる。
【００６０】
次に、閉塞防止手段として中空部２７に貫通孔２８を有する低融点合金２９が設けられた中空素材２２を用いて上述したクランクシャフトの成形方法により偏芯据え込み成形を行った場合の成形方法について図９を用いて説明する。
【００６１】
セット工程（成形初期状態）では、図９（ａ）に示すように、中空素材２２が成形装置１にセットされる。この状態においては、中空素材２２の断面視は、低融点合金２９が中空素材２２の内壁面に沿って被装されており、中央部に貫通孔２８を有している（図８（ｂ））。
【００６２】
続いて、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、図９（ｂ）に示すように、中空素材２２に対して据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用し、意図的に潰す孔である貫通孔２８が潰れ始める（図１０（ｂ））。
【００６３】
続いて、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、図９（ｃ）に示すように、据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用したことで、貫通孔２８は完全に潰れて閉塞されてしまう（図１０（ｃ）点線矢印参照）。このように、据え込み成形時に貫通孔２８が潰れることで応力を低減する（応力を逃がす）ことが可能となる。そうして、据え込み成形後に、成形されたクランクシャフト５を所定温度にて加熱することで、中空部２７内の低融点合金２９を融解して中空部２７から排出する（図９（ｄ））。これにより、クランクシャフト５には、連続した中空部２７が形成される。
【００６４】
このように、前記閉塞防止手段は、前記中空部２７に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔２８が設けられた低融点合金２９であり、前記据え込み成形後に、前記低融点合金２９を加熱融解して前記中空部２７から排出することにより、低融点合金２９に設けた貫通孔２８により、内部中空部２７に分散させた力を低減させることで成形性を確保し、且つ成形したクランクシャフト５の内部に残った低融点合金２９を溶解して排出させることで、成形荷重が高い場合でも比較的低コストで連続中空部２７を有するクランクシャフト５を偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
また、中空部２７を潤滑用の油穴として利用する場合、後工程（ドリル加工等）が不要となり低コスト化が図れる。
また、中空部２７がクランクシャフト５の内部に多く形成されるため、通常の鍛造より軽量なクランクシャフトが成形できる。
【００６５】
こうして、本発明を適用することで、図１１に示すように、連続した中空孔を有するクランクシャフトを製造することができるため、この中空孔を利用してクランクシャフトへの集中給油が可能となり給油機構及びブロック構造そのものも簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの成形方法を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図。
【図２】同じくクランクシャフトの成形フローを示す図。
【図３】中空素材を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図４】図１に示す各工程における中空素材の断面視を示す図であり、（ａ）は図１（ａ）におけるＡ１−Ａ１矢視断面図、（ｂ）は図１（ｂ）におけるＡ２−Ａ２矢視断面図、（ｃ）は図１（ｃ）におけるＡ３−Ａ３矢視断面図。
【図５】中空素材の別実施例を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図６】クランクシャフトの成形方法の別実施例を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図。
【図７】図６における中空素材の断面視を示す図であり、（ａ）は図６（ａ）におけるＡ１−Ａ１矢視断面図、（ｂ）は図６（ｂ）におけるＡ２−Ａ２矢視断面図、（ｃ）は図６（ｃ）におけるＡ３−Ａ３矢視断面図。
【図８】中空素材の別実施例を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図９】クランクシャフトの成形方法の別実施例を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図、（ｄ）は低融点合金の排出時を示す模式側面断面図。
【図１０】図９における中空素材の断面視を示す図であり、（ａ）は図９（ａ）におけるＡ１−Ａ１矢視断面図、（ｂ）は図９（ｂ）におけるＡ２−Ａ２矢視断面図、（ｃ）は図９（ｃ）におけるＡ３−Ａ３矢視断面図。
【図１１】本発明に係るクランクシャフトの成形方法により成形されたクランクシャフトを示す説明図。
【図１２】従来のクランクシャフトの成形方法（成形メカニズム）を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図。
【図１３】従来法により成形されたクランクシャフトを示す図。
【図１４】従来法により成形されたクランクシャフトの課題を説明する図。
【符号の説明】
【００６７】
１ 成形装置
２・１２・２２ 中空素材
３ 上型
４ 下型
５ クランクシャフト
６ フローティング治具
７・１７・２７ 中空部
９ アーム部
１３ 第一溝部
１４ 第二溝部
２３ 支持部材
２４ 隙間
２８ 貫通孔
２９ 低融点合金
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏芯据え込み法によって連続中空部を有するクランクシャフトを成形する成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、据え込み成形法の一種である偏芯据え込み法により内燃機関の構成部品であるクランクシャフトを製造する方法や連続した中空部が形成された中空クランク軸に関する技術は公知となっている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１に記載されているクランクシャフトの製造方法は、偏芯据え込み法にてクランクシャフトを冷間鍛造により成形する方法であり、予め曲げ加工されたオフセット材料を作製し、このオフセット材料を据え込み工程により軸方向へ加圧してクランク本体を圧縮成形する方法である。
【０００４】
特許文献２に記載されている中空クランク軸は、その内部に油圧経路を兼ねる中空部が形成されたものである。この中空部の形成方法としては、鋳物として形成する場合、砂中子等の中子を用いることで中空部を有する鋳物クランクを形成する旨が記載されている。
【０００５】
また、冷間鍛造で中空部（中空穴）を有するクランクシャフトを成形する技術として、図１２に示すように、連続した中空部を有する円筒状の中空素材を用いて偏芯据え込み法によりクランクシャフトを成形することで、据え込み時の素材表面の引張応力を内部中空側に分散させて成形割れを抑制する技術があり、ピン部やジャーナル部を中空にすることができる。
【特許文献１】特開２００５−９５９５号公報
【特許文献２】特開２００４−３４０３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１、２のように、従来技術として、クランクシャフトを偏芯据え込み法により製造する技術、クランクシャフトが具備するピン部やジャーナル部の内部に設けられる中空部や油穴を鋳造（パイプ鋳包みや中子）で形成する技術、及び中空部や油穴を機械加工により形成する技術はそれぞれ公知となっているが、連続中空部（油穴）を有したクランクシャフトを鍛造かつ偏芯据え込み法により成形する技術は確立されていない。
【０００７】
また、上述した中空部を有するクランクシャフトの成形技術（冷鍛成形法）においては、図１２のように、中空素材を用いた偏芯据え込み法によりクランクシャフトを成形することでクランクシャフトのピン部やジャーナル部を中空化することができるが（図１３参照）、クランクシャフトのアーム部における中空部は潰れてしまう。ピン部やジャーナル部に形成された中空部（中空穴）を潤滑用油を供給する油穴として用いる場合、ピン部とジャーナル部の穴を繋ぐ穴加工等の工程を追加する必要が有り（図１４参照）、高い製造コストとなる。また、現行クランクシャフトでは、図１４に示すように、油穴がそれぞれ独立に配置されており、各ジャーナル部に個別に給油を行う為、給油機構が複雑になる。
【０００８】
上記中空部を有する成形技術は、具体的には、表面の引張応力を内径側に分散させることで成形割れを抑制する方法であり、偏芯量や据え込み量が大きい場合や鍛造性の悪い材料（カーボン量が多い材料）の場合、据え込み時の圧縮力や素材表面の応力が高くなるに伴い、内径中空部に分散させた応力も高くなり、その応力によりアーム部における中空部が潰されてしまい、成形前の状態において連続していた中空部が途中で閉塞してしまう。そのため、中空素材を用いて上述した偏芯据え込み法によりクランクシャフトを成形する場合に、据え込み時に発生する応力により据え込まれる部位であるアーム部の中空部が潰されて閉塞しないようにする技術が求められている。
【０００９】
そこで、本発明では、据え込み時に連続中空部が閉塞しないようにした中空素材を用いることで、偏芯据え込み法で連続中空部を有したクランクシャフトを成形する方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
即ち、請求項１においては、
連続した中空部を有する中空素材を用いて冷間鍛造によって偏芯据え込み成形を行うことでクランクシャフトを成形する方法であって、
前記中空素材の中途部を偏芯治具により保持し、成形装置の上下型に前記中空素材の中心軸方向における両端をセットするセット工程と、
前記成形装置の上型を下降させつつ、前記偏芯治具を前記中空素材の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、前記偏芯治具が保持する前記中空素材の中途部を前記中空素材の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程と、
前記上型を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、前記偏芯治具に保持された前記中空素材の中途部の両端に前記クランクシャフトのアーム部を連続して形成する偏芯据え込み完了工程と、を備え、
前記中空素材として、前記中空部の内部に前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部の内部に位置する中空部が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いるものである。
【００１２】
請求項２においては、
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の内壁面に前記中空素材の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、前記複数の溝部が前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向に設けられた溝部と潰れ難い方向に設けられた溝部と、からなるものである。
【００１３】
請求項３においては、
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔を備え、前記中空素材よりも高硬度であり、かつ前記中空部の所定位置に支持される支持部材と、
前記支持部材の外周面と前記中空部の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間と、からなるものである。
【００１４】
請求項４においては、
前記閉塞防止手段は、
前記中空部に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔が設けられた低融点合金であり、前記据え込み成形後に、前記低融点合金を加熱融解して前記中空部から排出するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１においては、据え込み成形時に中空素材に対して作用する応力を低減することが可能となり、連続した中空部を有する中空クランクシャフトを成形することができる。
【００１７】
請求項２においては、偏芯据え込み時に表面に発生する引張力を内部中空部に分散させる際に、その引張力や据え込み時の過大な圧縮力を低減させる為に潰れる溝と、座屈により引張力が働く方向に空けた溝（潰され難い溝）により、成形性を損ねることなく、連続中空部を有するクランクシャフトを偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
【００１８】
請求項３においては、偏芯量（ストローク長）が大きいクランクシャフトの場合やカウンターウエイトを張り出させる為に据え込み量を高めた場合等中空部（内径部）に作用する荷重が高くなった時でも、高硬度の支持部材が成形荷重を支えることで、確実に連続中空部を有するクランクシャフトを偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
【００１９】
請求項４においては、低融点合金に設けた貫通孔により、内部中空部に分散させた力を低減させることで成形性を確保し、且つ成形したクランクシャフトの内部に残った低融点合金を溶解して排出させることで、成形荷重が高い場合でも比較的低コストで連続中空部を有するクランクシャフトを偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明に係る連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法が適用される成形装置の構成について図１を用いて説明する。
なお、同様の用途及び機能を有する部材には同符号を付してその説明を省略する。
【００２１】
成形装置１は、中空素材２を用いて冷間鍛造によりクランクシャフト５の偏芯据え込み成形を行う装置であり、図１（ａ）に示すように、主として上型３、下型４、及び偏芯治具であるフローティング治具６を具備する。上型３と下型４とは、上下に対向して配置され、上下型３・４の間にフローティング治具６が配置される。
【００２２】
中空素材２は、丸棒状であり、軸方向の略中心部を貫通する中空部７を有する。中空素材２は、偏芯据え込み法により成形されるクランクシャフト５の素材である。
中空素材２は、該中空素材２が有する中空部７に後述する閉塞防止手段が設けられている。
閉塞防止手段は、据え込み成形時に中空素材２に対して作用する応力を低減する（緩和する）ことで、前記応力によりクランクシャフト５が有するアーム部９・９の内部に位置する中空部７が潰れて閉塞することを防止するものである。
【００２３】
フローティング治具６は、扁平な形状であり、所定箇所に開口部６ａが開口されており、該開口部６ａに中空素材２を挿入して、中空素材２の中途部（本実施形態においてはクランクシャフト５のピン部８となる部分）を保持することが可能である。また、フローティング治具６は、中空素材２を成形装置１にセットする初期状態（図１（ａ））において、上下型３・４の間の略中間位置に配置されており、成形装置１の上型３が下降するに応じてフローティング治具６も下降し（図１（ｂ））、常に上下型３・４の上下方向中間位置にフローティング治具６を保持可能であるフローティング機構（図示せず）を有している。また、フローティング治具６は、中空素材２の中途部（ピン部８）を保持した状態で、中空素材２の中心軸方向に対して鉛直方向に移動可能（スライド可能）である。
【００２４】
このように成形装置１を構成することで、偏芯治具であるフローティング治具６の所定箇所に開口された開口部６ａに中空素材２を挿通し、該中空素材２の一端（ジャーナル部１０となる部分）を上型３の所定箇所に固定し、かつ、前記中空素材２の他端（ジャーナル部１０となる部分）を下型４の所定箇所に固定した状態で、上型３を下降させて中空素材２を軸方向に圧縮しつつ、中空素材２の中途部を軸方向に対して鉛直方向に移動（偏芯）することで、上型３とフローティング治具６との間に位置する中空素材２と、下型４とフローティング治具６との間に位置する中空素材２とが、据え込まれてクランクシャフト５のアーム部９・９（図１（ｃ））を形成することが可能となる。
【００２５】
すなわち、図１（ｃ）に示すように、本実施形態に係る成形装置１によって成形されるクランクシャフト５は、一対の扁平な形状であるアーム部９・９、アーム部９・９の間に配置されるピン部８、及び上下型３・４に固定されるジャーナル部１０・１０を具備する。
なお、本実施形態で示すクランクシャフト５は、ピン部８と該ピン部８の両側に配置されるアーム部９・９の例を示したものであるが、この形状に特に限定するものではなく、例えば、クランクシャフト５のジャーナル部と該ジャーナル部の両側に形成されるアーム部であってもかまわない。
【００２６】
次に、上述した成形装置１を用いたクランクシャフトの成形方法について説明する。
【００２７】
クランクシャフトの成形方法は、図２に示すように、セット工程Ｓ１０、偏芯据え込み工程Ｓ２０及び偏芯据え込み完了工程Ｓ３０、を具備している。以下、各工程について説明する。
【００２８】
セット工程Ｓ１０は、中空素材２の中途部を偏芯治具であるフローティング治具６により保持し、成形装置１の上下型３・４に前記中空素材２の中心軸方向における両端をセットする工程である。
【００２９】
すなわち、セット工程Ｓ１０では、図１（ａ）に示すように、据え込み成形完了後にクランクシャフト５のピン部８となる中空素材２の中途部をフローティング治具６の開口部６ａに挿入保持するとともに、据え込み成形完了後にクランクシャフト５のジャーナル部１０となる中空素材２の一端を下型４の所定位置に固定し、同じくジャーナル部１０となる中空素材２の他端を上型３の所定位置に固定して、中空素材２を成形装置１の上下型３・４にセットして、据え込み成形を開始する準備を行って、据え込み成形開始の初期状態とするものである。
セット工程Ｓ１０が終了したら、偏芯据え込み工程Ｓ２０に移行する。
【００３０】
偏芯据え込み工程Ｓ２０は、成形装置１の上型３を下降させつつ、フローティング治具６を中空素材２の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、フローティング治具６が保持する中空素材２の中途部を前記中空素材２の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う工程である。
【００３１】
すなわち、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、成形装置１の上型３を下降しながら中空素材２を軸方向に圧縮しつつ、フローティング治具６により中空素材２の中途部を軸方向に対して鉛直方向に移動（偏芯）させることで、上型３とフローティング治具６との間に位置する中空素材２と、下型４とフローティング治具６との間に位置する中空素材２とが、据え込まれる。
偏芯据え込み工程Ｓ２０が終了したら、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０に移行する。
【００３２】
偏芯据え込み完了工程Ｓ３０は、上型３を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、フローティング治具６に保持された中空素材２の中途部の両端にクランクシャフト５のアーム部９・９を連続して形成する工程である。
【００３３】
すなわち、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、成形装置１の上型３の下面とフローティング治具６の上面との距離が形成されるアーム部９の所定の厚さ相当となる位置まで上型３を下降させて据え込み成形を行うと同時に、前述したようにフローティング治具６はフローティング機構により上下型３・４の間の上下方向中間位置に配置されるようになっており、成形装置１の下型４の上面とフローティング治具６の下面との距離も形成されるアーム部９の所定の厚さ相当となる。
【００３４】
従来のクランクシャフトの成形方法によれば、図１３に示すように中空素材２の中途部となるピン部８もしくはジャーナル部１０の内部に中空部を形成することが可能であるが、据え込み成形時に中空素材２に対して作用する応力によりアーム部９・９の内部の中空部は潰れてしまいクランクシャフト５内に連続した中空部７を形成することができない。
これに対して、本実施形態に係る閉塞防止手段を予め設けた中空素材２を用いて、上述したクランクシャフトの成形方法において据え込み成形を行った場合、前記応力を低減する（逃がす）ことによりアーム部９・９の内部に位置する中空部が潰れて閉塞することを防止することが可能となる。そのため、据え込み成形時にアーム部９・９の内部に位置する中空部を残すことが可能となり、連続した中空部７を有するクランクシャフト５を成形することが可能となる。
つまり、閉塞防止手段を有した中空素材２を用いて成形装置１により成形を行うことで、冷間鍛造の偏芯据え込み成形法により丸棒状の中空素材２から一体型、かつ連続中空部を有するクランクシャフト５を成形することができる。
【００３５】
このように、連続した中空部７を有する中空素材２を用いて冷間鍛造によって偏芯据え込み成形を行うことでクランクシャフト５を成形する方法であって、
前記中空素材２の中途部を偏芯治具であるフローティング治具６により保持し、成形装置１の上下型３・４に前記中空素材２の中心軸方向における両端をセットするセット工程Ｓ１０と、
前記成形装置１の上型３を下降させつつ、前記フローティング治具６を前記中空素材２の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、前記フローティング治具６が保持する前記中空素材２の中途部を前記中空素材２の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程Ｓ２０と、
前記上型３を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、前記フローティング治具６に保持された前記中空素材２の中途部の両端に前記クランクシャフト５のアーム部９・９を連続して形成する偏芯据え込み完了工程Ｓ３０と、を備え、
前記中空素材２として、前記中空部７の内部に前記据え込み成形時に前記中空素材２に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部９・９の内部に位置する中空部７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いるクランクシャフト５の成形方法を適用することにより、据え込み成形時に中空素材２に対して作用する応力を低減することが可能となり、連続した中空部７を有する中空クランクシャフト５を成形することができる。
本実施形態に係る閉塞防止手段の具体的な実施例を、以下に説明する。
【実施例１】
【００３６】
次に、前述した閉塞防止手段が設けられた中空素材２を用いたクランクシャフト５の成形方法について説明する。
本実施例に係るクランクシャフト５の成形方法は、上述した成形方法と同様であり、ここでは、この成形方法で用いられる閉塞防止手段が設けられた中空素材の例について具体的に説明する。
【００３７】
中空素材１２は、図３に示すように、丸棒状部材であり、その内部に一端から他端まで連続して貫通する断面視十字形状の中空部１７を有する。
【００３８】
中空素材１２には、据え込み成形時に中空素材１２に対して作用する応力を低減する（逃がす）ことで、前記応力によりアーム部９・９の内部に位置する中空部１７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が予め設けられている。
【００３９】
閉塞防止手段は、図３に示すように、中空部１７の内壁面に中空素材１２の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、該複数の溝部が据え込み成形時に中空素材１２に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向（据え込みによる圧縮力が作用する方向）に設けられた第一溝部１３・１３と潰れ難い方向（座屈による引張力が作用する方向）に設けられた第二溝部１４・１４と、からなるものである。
なお、本実施例においては２つの第一溝部１３・１３と２つの第二溝部１４・１４とをそれぞれにおいて対向して配置して、断面視十字形状となるように構成したが、特に限定するものではなく、溝の形状や中空部１７内における溝の配置構成等は適宜変更することが可能である。また、閉塞防止手段を構成する溝部としては、方向性を持った一体、もしくは別体となるように構成することが可能である。
【００４０】
次に、閉塞防止手段として第一溝部１３・１３及び第二溝部１４・１４が形成された中空素材１２を用いて上述したクランクシャフトの成形方法により偏芯据え込み成形を行った場合の成形方法について図１を用いて説明する。
【００４１】
セット工程Ｓ１０（成形初期状態）では、図１（ａ）に示すように、中空素材１２が成形装置１にセットされる。この状態においては、中空素材１２の断面視は、第一溝部１３・１３及び第二溝部１４・１４とから十字形状となっている（図４（ａ））。
【００４２】
続いて、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、図１（ｂ）に示すように、中空素材１２に対して据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用し、意図的に潰す溝である第一溝部１３・１３が潰れ始める（図４（ｂ））。
【００４３】
続いて、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、図１（ｃ）に示すように、据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用したことで、第一溝部１３・１３は完全に潰れてしまい（図４（ｃ）点線矢印参照）、一方、第二溝部１４・１４は残る（（図４（ｃ））。このように、据え込み成形時に第一溝部１３・１３が潰れることで応力を低減する（応力を逃がす）ことが可能となり、第二溝部１４・１４を残すことが可能となる。これにより、クランクシャフト５の内部には、連続した中空部１７が形成される。
【００４４】
このように、前記閉塞防止手段は、前記中空部１７の内壁面に前記中空素材１２の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、前記複数の溝部が前記据え込み成形時に前記中空素材１２に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向に設けられた溝部である第一溝部１３・１３と潰れ難い方向に設けられた溝部である第二溝部１４・１４と、からなることにより、偏芯据え込み時に表面に発生する引張力を内部中空部１７に分散させる際に、その引張力や据え込み時の過大な圧縮力を低減させる為に潰れる溝である第一溝部１３・１３と、座屈により引張力が働く方向に空けた溝（潰され難い溝）である第二溝部１４・１４により、成形性を損ねることなく、連続中空部１７を有するクランクシャフト５を偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
また、中空部１７を潤滑用の油穴として利用する場合、後工程（ドリル加工等）が不要となり低コスト化が図れる。
また、中空部１７がクランクシャフト５の内部に多く形成されるため、通常の鍛造より軽量なクランクシャフトが成形できる。
【００４５】
つまり、意図的に潰れ易い方向に空けた溝と潰れ難い方向に空けた溝が設けられた中空素材１２を用いて、偏芯据え込み法により成形する構成としたことにより、潰れ難い部分である第二溝部１４・１４により形成される空間を油穴として利用するために残すことが可能となる。
【実施例２】
【００４６】
次に、閉塞防止手段が設けられた中空素材を用いたクランクシャフトの成形方法の別実施例について説明する。
【００４７】
中空素材２２は、図５に示すように、丸棒状部材であり、その内部に一端から他端まで連続して貫通する断面視丸形状の中空部２７を有する。
【００４８】
中空素材２２には、据え込み成形時に中空素材２２に対して作用する応力を低減する（逃がす）ことで、前記応力によりアーム部９・９の内部に位置する中空部２７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が予め設けられている。
【００４９】
閉塞防止手段は、図５に示すように、中空部２７の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔２３ａを備え、中空素材２２よりも高硬度であり、かつ中空部２７の所定位置に支持される支持部材２３と、前記支持部材２３の外周面と前記中空部２７の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間２４と、からなるものである。
また、本実施例における支持部材２３は、図５（ａ）に示すように、アーム部９・９を形成する部位９ａ・部位９ａにおける中空部２７内に支持される。
なお、中空素材２２よりも高硬度材の例としては、熱処理した高炭素鋼材、超硬合金、セラミック等の中空素材２２よりも高硬度かつ高強度材を用いることが可能である。
また、本実施例においては、支持部材２３を、中空部２７内に４個挿入しているが、特に限定するものではなく、少なくとも１個以上挿入していればよい。
また、支持部材２３には、貫通孔２３ａが少なくとも１つ以上設けられており、貫通孔２３ａが据え込み成形完了時に連続した中空部２７を形成できればよい。
【００５０】
次に、閉塞防止手段として支持部材２３及び隙間２４が形成された中空素材２２を用いて上述したクランクシャフトの成形方法により偏芯据え込み成形を行った場合の成形方法について図６を用いて説明する。
【００５１】
セット工程（成形初期状態）では、図６（ａ）に示すように、中空素材２２が成形装置１にセットされる。この状態においては、中空素材２２の断面視は、支持部材２３が配置された部分では、支持部材２３が中空部２７内に挿入（圧入）されたことで、支持部材２３の断面視長手方向の両端部が中空素材２２の内壁に当接支持されている（図５（ｂ）の符号２５部分）。また、支持部材２３の外周面と中空素材２２の内壁面との間には隙間２４が設けられた状態となっている。
【００５２】
続いて、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、図６（ｂ）に示すように、中空素材２２に対して据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用し、意図的に潰す空間である隙間２４が潰れ始める（図７（ｂ））。
【００５３】
続いて、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、図６（ｃ）に示すように、据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用したことで、隙間２４は完全に潰れて閉塞されてしまい（図７（ｃ）点線矢印参照）、一方、支持部材２３の貫通孔２３ａは残る。このように、据え込み成形時に隙間２４が潰れることで応力を低減する（応力を逃がす）ことが可能となる。これにより、クランクシャフト５には、連続した中空部２７が形成される。
【００５４】
このように、前記閉塞防止手段は、前記中空部２７の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔２３ａを備え、前記中空素材２２よりも高硬度であり、かつ前記中空部２７の所定位置に支持される支持部材２３と、前記支持部材２３の外周面と前記中空部２７の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間２４と、からなることにより、偏芯量（ストローク長）が大きいクランクシャフトの場合やカウンターウエイトを張り出させる為に据え込み量を高めた場合等中空部２７（内径部）に作用する荷重が高くなった時でも、高硬度の支持部材２３が成形荷重を支えることで、確実に連続中空部２７を有するクランクシャフト５を偏芯据え込み法で成形できる。
また、中空部２７を潤滑用の油穴として利用する場合、後工程（ドリル加工等）が不要となり低コスト化が図れる。
また、中空部２７がクランクシャフト５の内部に多く形成されるため、通常の鍛造より軽量なクランクシャフトが成形できる。
【００５５】
つまり、据え込まれる部位（アーム部９成形部）に高硬度材で製作した貫通孔２３ａを有した支持部材２３を少なくとも一個以上挿入し、前記貫通孔２３ａが少なくとも１つ以上は空けられており、かつ中空素材２２と支持部材２３との間に応力を逃がすための隙間２４が設けられた状態となるように支持部材２３を挿入した中空素材２２を用いて、偏芯据え込み法により成形する構成としたことにより、潰れ難い部分である貫通孔２３ａを油穴として利用するために残すことが可能となる。
【実施例３】
【００５６】
次に、閉塞防止手段が設けられた中空素材を用いたクランクシャフトの成形方法の別実施例について説明する。
【００５７】
中空素材２２は、図５に示すように、丸棒状部材であり、その内部に一端から他端まで連続して貫通する断面視丸形状の中空部２７を有する。
【００５８】
中空素材２２には、据え込み成形時に中空素材２２に対して作用する応力を低減する（逃がす）ことで、前記応力によりアーム部９・９の内部に位置する中空部２７が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が予め設けられている。
【００５９】
閉塞防止手段は、図８に示すように、中空部２７に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔２８が設けられた低融点合金２９であり、据え込み成形後に、前記低融点合金２９を加熱融解して中空部２７から排出するものである。
なお、低融点合金としては、例えば、ロウ、ハンダ、スズ等が挙げられる。
【００６０】
次に、閉塞防止手段として中空部２７に貫通孔２８を有する低融点合金２９が設けられた中空素材２２を用いて上述したクランクシャフトの成形方法により偏芯据え込み成形を行った場合の成形方法について図９を用いて説明する。
【００６１】
セット工程（成形初期状態）では、図９（ａ）に示すように、中空素材２２が成形装置１にセットされる。この状態においては、中空素材２２の断面視は、低融点合金２９が中空素材２２の内壁面に沿って被装されており、中央部に貫通孔２８を有している（図８（ｂ））。
【００６２】
続いて、偏芯据え込み工程Ｓ２０では、図９（ｂ）に示すように、中空素材２２に対して据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用し、意図的に潰す孔である貫通孔２８が潰れ始める（図１０（ｂ））。
【００６３】
続いて、偏芯据え込み完了工程Ｓ３０では、図９（ｃ）に示すように、据え込みによる圧縮力と分散させた表面の引張力とが応力として作用したことで、貫通孔２８は完全に潰れて閉塞されてしまう（図１０（ｃ）点線矢印参照）。このように、据え込み成形時に貫通孔２８が潰れることで応力を低減する（応力を逃がす）ことが可能となる。そうして、据え込み成形後に、成形されたクランクシャフト５を所定温度にて加熱することで、中空部２７内の低融点合金２９を融解して中空部２７から排出する（図９（ｄ））。これにより、クランクシャフト５には、連続した中空部２７が形成される。
【００６４】
このように、前記閉塞防止手段は、前記中空部２７に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材２２に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔２８が設けられた低融点合金２９であり、前記据え込み成形後に、前記低融点合金２９を加熱融解して前記中空部２７から排出することにより、低融点合金２９に設けた貫通孔２８により、内部中空部２７に分散させた力を低減させることで成形性を確保し、且つ成形したクランクシャフト５の内部に残った低融点合金２９を溶解して排出させることで、成形荷重が高い場合でも比較的低コストで連続中空部２７を有するクランクシャフト５を偏芯据え込み法で冷鍛成形できる。
また、中空部２７を潤滑用の油穴として利用する場合、後工程（ドリル加工等）が不要となり低コスト化が図れる。
また、中空部２７がクランクシャフト５の内部に多く形成されるため、通常の鍛造より軽量なクランクシャフトが成形できる。
【００６５】
こうして、本発明を適用することで、図１１に示すように、連続した中空孔を有するクランクシャフトを製造することができるため、この中空孔を利用してクランクシャフトへの集中給油が可能となり給油機構及びブロック構造そのものも簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの成形方法を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図。
【図２】同じくクランクシャフトの成形フローを示す図。
【図３】中空素材を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図４】図１に示す各工程における中空素材の断面視を示す図であり、（ａ）は図１（ａ）におけるＡ１−Ａ１矢視断面図、（ｂ）は図１（ｂ）におけるＡ２−Ａ２矢視断面図、（ｃ）は図１（ｃ）におけるＡ３−Ａ３矢視断面図。
【図５】中空素材の別実施例を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図６】クランクシャフトの成形方法の別実施例を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図。
【図７】図６における中空素材の断面視を示す図であり、（ａ）は図６（ａ）におけるＡ１−Ａ１矢視断面図、（ｂ）は図６（ｂ）におけるＡ２−Ａ２矢視断面図、（ｃ）は図６（ｃ）におけるＡ３−Ａ３矢視断面図。
【図８】中空素材の別実施例を示す図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図。
【図９】クランクシャフトの成形方法の別実施例を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図、（ｄ）は低融点合金の排出時を示す模式側面断面図。
【図１０】図９における中空素材の断面視を示す図であり、（ａ）は図９（ａ）におけるＡ１−Ａ１矢視断面図、（ｂ）は図９（ｂ）におけるＡ２−Ａ２矢視断面図、（ｃ）は図９（ｃ）におけるＡ３−Ａ３矢視断面図。
【図１１】本発明に係るクランクシャフトの成形方法により成形されたクランクシャフトを示す説明図。
【図１２】従来のクランクシャフトの成形方法（成形メカニズム）を示す図であり、（ａ）はセット工程を示す模式側面断面図、（ｂ）は偏芯据え込み工程を示す模式側面断面図、（ｃ）は偏芯据え込み完了工程を示す模式側面断面図。
【図１３】従来法により成形されたクランクシャフトを示す図。
【図１４】従来法により成形されたクランクシャフトの課題を説明する図。
【符号の説明】
【００６７】
１ 成形装置
２・１２・２２ 中空素材
３ 上型
４ 下型
５ クランクシャフト
６ フローティング治具
７・１７・２７ 中空部
９ アーム部
１３ 第一溝部
１４ 第二溝部
２３ 支持部材
２４ 隙間
２８ 貫通孔
２９ 低融点合金
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続した中空部を有する中空素材を用いて冷間鍛造によって偏芯据え込み成形を行うことでクランクシャフトを成形する方法であって、
前記中空素材の中途部を偏芯治具により保持し、成形装置の上下型に前記中空素材の中心軸方向における両端をセットするセット工程と、
前記成形装置の上型を下降させつつ、前記偏芯治具を前記中空素材の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、前記偏芯治具が保持する前記中空素材の中途部を前記中空素材の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程と、
前記上型を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、前記偏芯治具に保持された前記中空素材の中途部の両端に前記クランクシャフトのアーム部を連続して形成する偏芯据え込み完了工程と、を備え、
前記中空素材として、前記中空部の内部に前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部の内部に位置する中空部が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いることを特徴とする連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【請求項２】
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の内壁面に前記中空素材の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、前記複数の溝部が前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向に設けられた溝部と潰れ難い方向に設けられた溝部と、からなることを特徴とする請求項１に記載の連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【請求項３】
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔を備え、前記中空素材よりも高硬度であり、かつ前記中空部の所定位置に支持される支持部材と、
前記支持部材の外周面と前記中空部の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間と、からなることを特徴とする請求項１に記載の連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【請求項４】
前記閉塞防止手段は、
前記中空部に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔が設けられた低融点合金であり、前記据え込み成形後に、前記低融点合金を加熱融解して前記中空部から排出することを特徴とする請求項１に記載の連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【請求項１】
連続した中空部を有する中空素材を用いて冷間鍛造によって偏芯据え込み成形を行うことでクランクシャフトを成形する方法であって、
前記中空素材の中途部を偏芯治具により保持し、成形装置の上下型に前記中空素材の中心軸方向における両端をセットするセット工程と、
前記成形装置の上型を下降させつつ、前記偏芯治具を前記中空素材の中心軸方向に対して鉛直方向に移動させることで、前記偏芯治具が保持する前記中空素材の中途部を前記中空素材の中心軸に対して偏芯させて据え込み成形を行う偏芯据え込み工程と、
前記上型を所定位置まで下降させて据え込み成形を行うことで、前記偏芯治具に保持された前記中空素材の中途部の両端に前記クランクシャフトのアーム部を連続して形成する偏芯据え込み完了工程と、を備え、
前記中空素材として、前記中空部の内部に前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力を低減させることで、当該応力により前記アーム部の内部に位置する中空部が潰れて閉塞することを防止する閉塞防止手段が設けられたものを用いることを特徴とする連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【請求項２】
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の内壁面に前記中空素材の中心軸方向と略平行に設けられた複数の溝部であり、前記複数の溝部が前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力の方向に対して意図的に潰れ易い方向に設けられた溝部と潰れ難い方向に設けられた溝部と、からなることを特徴とする請求項１に記載の連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【請求項３】
前記閉塞防止手段は、
前記中空部の中心軸方向と同方向に貫通する貫通孔を備え、前記中空素材よりも高硬度であり、かつ前記中空部の所定位置に支持される支持部材と、
前記支持部材の外周面と前記中空部の内壁面との間に形成され、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する隙間と、からなることを特徴とする請求項１に記載の連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【請求項４】
前記閉塞防止手段は、
前記中空部に鋳込み、冷却して固められて、前記据え込み成形時に前記中空素材に対して作用する応力により潰れて閉塞する貫通孔が設けられた低融点合金であり、前記据え込み成形後に、前記低融点合金を加熱融解して前記中空部から排出することを特徴とする請求項１に記載の連続中空部を有するクランクシャフトの成形方法。
【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１４】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１３１６０９（Ｐ２０１０−１３１６０９Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０７８８１（Ｐ２００８−３０７８８１）
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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