JP2005014079A

JP2005014079A - 部分冷間強化コンロッドの製造方法

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Publication number: JP2005014079A
Application number: JP2003186309A
Authority: JP
Inventors: Naoki Iwama; 直樹岩間; Hidehisa Kato; 英久加藤; Shigeo Hirota; 茂夫廣田; Kinsei Kino; 欣成嬉野; Naohito Ono; 尚仁大野; Takashi Fujita; 崇史藤田; Hirotada Takada; 啓督高田
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】コラム部を効果的に高強度化することが可能となる部分冷間加工強化コンロッドの製造方法を提供すること。
【解決手段】熱間鍛造を施して大端部，小端部，及びコラム部１３を形成すると共に，コラム部１３に帯状の幹部１３０とその両面の幅方向両端近傍からそれぞれ立設させたリブ部１３１とを設けて断面略Ｈ形状とする熱間鍛造工程と，幹部１３０の幅方向両端の外側面部分のみを開放する開放部５１を有すると共に，その他のリブ部１３１及び幹部１３０のほぼ全表面を覆う開放鍛造型５を用いて開放鍛造を行い，コラム部１３の断面積の減面率が１０〜３０％となる範囲で冷間加工すると共に開放部５１からはみ出させたバリ１９を形成する冷間加工工程と，バリ１９を，ファインブランキング方法により切断除去するファインブランキング工程とを含む。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車のエンジン等に用いられるコンロッドを対象とし，特に冷間加工による加工硬化を利用して高強度なコンロッドを製造する上での冷間加工方法に関するものであり，冷間加工による高強度化をコラム断面全面に対して達成でき，より高い軽量化効果を生み出す冷間加工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や建設機械等に用いられる機械構造部品は，従来，炭素鋼や合金鋼を素材とし，熱間鍛造後，焼入焼もどし処理により必要な強度を確保してきた。しかし，エネルギー消費の効率化から，最近では，焼入焼もどし処理することなく必要な強度が確保できる非調質鋼が多量に使用されるようになってきている。この非調質鋼については，多数の特許が出願されており，フェライトパーライト型，ベイナイト型等様々な組織からなる鋼が提案されているが，その主となる考え方は，ＶやＮｂ等の炭窒化物を熱間加工後の冷却途中に析出させることによって，析出強化により強度を確保しようとするものである。
【０００３】
しかし，自動車等に対する軽量化への要求は，ますます強くなってきており，コンロッドも例外ではない。軽量化を可能とするためには，材料面での改良によるものと，加工方法の改良によるものの２通りの方策が考えられるが，材料面での改良は，従来から盛んに行われてきたため，最近では，加工方法の面からの改良方法が注目されるようになってきている。
【０００４】
加工方法の改良によるコンロッドの高強度方策としては，従来からコンロッドはコラム部が最も高強度が要求されることがわかっており，この部分に冷間加工を加えて（コイニング）加工強化により高強度化しようとする試みが行われるようになってきている。
【０００５】
例えば特許文献１では，ウエブ面のみに冷間コイニングを施すことによって，冷間コイニング後にリブ面に引張の残留応力を発生させないことにより，疲労強度が向上させることのできる冷間コイニング方法について開示されている。
【０００６】
また，特許文献２〜４には，鋼材として低炭素鋼，低炭素ボロン鋼，マルテンサイト変態開始温度が６００℃以上の鋼等を使用してコンロッド形状の熱間鍛造品を製造後焼入後，焼もどしすることなくコイニング，ショットピーニングすることによって，疲労強度の優れたコンロッドを得ることを特徴とする製造方法について記載されている。
【０００７】
さらに，特許文献５には，７００℃以上の温度で熱間コイニングし，冷間コイニングを省略することによって，座屈強度を低下させることのないコンロッドの製造方法について記載されている。
【０００８】
また，特許文献６，７には，冷間コイニングと熱処理（時効処理）を組合せることによって高強度化を図るという製造方法について記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平３−２２１２３２号公報
【特許文献２】
特開平５−７０８２８号公報
【特許文献３】
特開平７−６２４４４号公報
【特許文献４】
特開平９−１９６０４４号公報
【特許文献５】
特開平１０−２５８３３５号公報
【特許文献６】
特開平１０−１６８５４０号公報
【特許文献７】
特開平１１−１３１１３４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した熱間鍛造後に冷間でコイニングするという強度改善方法には，次の問題がある。
即ち，特許文献１〜７等従来行われているコイニング方法は，コラム部のリブ部の部分に限定されて加工が加えられるものであり，コラム部全体を加工強化するという方法ではなかった。そのため，リブ部以外の部分は，熱間鍛造されたままの状態で，全く加工強化されていない状態で残ることになり，この部分が強化されていないことが理由となって，希望とする高強度設計ができない状態となっていた。
【００１１】
しかしながら，コラム部全体を加工強化することも，これまでの方法では困難であった。すなわち，加工強化は，当然のごとく冷間で行わなければ強度向上効果が得られないため，変形抵抗が大きくなってしまうこと，さらに，コラム部全体を加工すべく閉塞鍛造を行う場合には，実質的にほとんど困難と言える程度に加工に必要な荷重が増加してしまうからである。
また，従来のコイニングは，強度向上というよりも，形状矯正に重点がおかれており，加工率等の条件が強度向上のために最適化された条件とはなっていない。
【００１２】
本発明は，以上記載した問題点を解決するために成されたものであり，大幅に荷重を増加させることなく冷間加工によってコンロッドのコラム部のほぼ全体を冷間加工することが可能であり，コンロッドで高強度が必要となるコラム部を効果的に高強度化することが可能となる部分冷間加工強化コンロッドの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は，大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間加工を施すことによって上記コラム部を強化してなる部分冷間強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成すると共に，上記コラム部に帯状の幹部と該幹部の両面の幅方向両端近傍からそれぞれ立設させた４つのリブ部とを設けて断面略Ｈ形状とする熱間鍛造工程と，
上記コラム部の上記幹部の幅方向両端の外側面部分のみを開放する開放部を有すると共に，その他の上記リブ部及び上記幹部のほぼ全表面を覆うよう構成された開放鍛造型を用いて開放鍛造を行い，上記コラム部の断面積の減面率が１０〜３０％となる範囲で冷間加工すると共に上記開放鍛造型の上記開放部からはみ出させたバリを形成する冷間加工工程と，
上記バリを切断除去するバリ除去工程とを含むことを特徴とする部分冷間加工強化コンロッドの製造方法にある（請求項１）。
【００１４】
本発明において注目すべきことは，上記冷間加工工程において，閉塞鍛造ではなく開放鍛造を採用し，上記バリを生成させながら加工することによって，大幅な荷重増加を伴うことなくコラム部ほぼ全面を加工する冷間加工を可能にしたこと，及び上記バリを上記バリ除去工程にて切断除去することによって所定の形状に仕上げるようにした点にある。
【００１５】
本発明では，上記冷間加工工程において，余分な材料がバリとして上記開放鍛造型の開放部から左右外側に向けて流れ出るようにしている（バリの厚みの望ましい範囲は０．５〜２．５ｍｍ程度）ため，荷重が極端に高くなることがなく，幹部も含めたコラム部全体を冷間加工することが可能となる。それ故，上記冷間加工工程を施すことにより，容易に強度を改善することができる。
【００１６】
上記冷間加工工程における減面率を１０〜３０％としたのは，１０％未満では，十分に加工強化を図ることが困難であるためであり，一方，３０％を超えると強度が十分に改善されるが，バリとなって除去される部分が増加して歩留が低下し，コストが増加して望ましくないためである。
ここで上記減面率は，冷間加工前の上記コラム部の断面積をＡとし，冷間加工後の上記コラム部の上記バリの部分を除く断面積をＢとした場合の，（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００（％）の値を意味する。
【００１７】
また，上記バリ除去工程は，上記バリを，切断面において殆ど破断面を発生させることなく切断除去するファインブランキング方法により行うことが好ましい（請求項２）。具体的には，例えばパンチとこれに対向する逆押さえとによってバリを加圧しながら剪断する等の方法がある。
そして，本発明では，このバリ除去工程を採用することによって，上記バリを積極的に形成する冷間加工工程を採用することができ，上記の優れた作用効果を得ることができるのである。
【００１８】
但し，本発明の冷間コイニングを実施すると，コイニングする部分としない部分の境界部分で引張残留応力が発生する場合がある。その場合には，コイニング後にショットブラストを実施すると，残留応力を小さく抑えることができるのでより好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例に係る部分冷間加工強化コンロッドの製造方法につき，図１〜図３を用いて説明する。
本例では，本発明の製造方法の実施例である試験１〜３と，比較のための試験４〜５を実施して，それぞれ５０個ずつコンロッドを作製し，平均座屈強度及び座屈強度のばらつきを測定して評価した。
【００２０】
全ての試験１〜６においては，素材として，Ｓ５５Ｃ（０．５５％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−０．８５％Ｍｎ−０．１５％Ｃｒ）鋼を用い，図１に示すごときコンロッド１を作製した。コンロッド１は，大端部１１と小端部１２とこれらをつなぐコラム部１３とを有するものである。コラム部１３は，帯状の幹部１３０とその両面において幅方向両端近傍から立ち上がった４つのリブ１３１とを有している。本例におけるリブ高さとは，同図に示すｈの寸法をいう。
【００２１】
試験１においては，図２に示すごとく，まず，上記素材を１２５０℃に加熱し，１２００℃にて熱間鍛造を施して上記大端部１１，上記小端部１２，及び上記コラム部１３の粗形状を形成する熱間鍛造工程Ｓ１を行った。
次いで，図２，図３に示すごとく，コラム部１３の幹部１３０の幅方向両端の外側面部分１３５のみを開放する開放部５０を有すると共に，その他のリブ部１３１及び幹部１３０のほぼ全表面を覆うよう構成された上下一対の金型５１，５２よりなる開放鍛造型５（図３）を用いて開放鍛造を行い，コラム部１３の断面積の減面率が１２％となる狙いで冷間加工すると共に上記開放鍛造型５の上記開放部５０からはみ出させたバリ１９（厚み１．５ｍｍ）を形成する冷間加工工程Ｓ２を行った。
【００２２】
次に，バリ１９を，切断面において殆ど破断面を発生させることなく切断するファインブランキング方法により切断除去するファインブランキング工程Ｓ３を行って，コンロッド１を得た。
【００２３】
試験２，３，４は，上記試験１と基本的に同じであり，上記冷間加工工程における減面率を，それぞれ２０％，２８％，６％に変更した点だけが異なる。
試験５は，上記冷間加工工程の代わりに，従来と同様のリブ部のみを加圧する冷間コイニング工程を加工率２０％で行った。この冷間コイニングの加工率は，図１に示したリブ高さｈについて，冷間コイニング前の高さをｈ_１，冷間コイニング後の高さをｈ_２とした場合に，（ｈ_１−ｈ_２）／ｈ_１×１００（％）により求めたものである。
試験６は，熱間鍛造工程のままのものであり，上述した冷間加工工程も冷間コイニング工程も施していないものである。
【００２４】
すべての試験１〜６において，熱間鍛造工程においては同じコンロッド型を用いて同じ狙い値で行った（ただし，寸法ばらつきは当然発生する）。
また，座屈強度は，０．２％の塑性変形が確認できた時点での値で評価した。また，そのばらつきは，最大値と最小値との差異を用いた。
これらの結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１より知られるごとく，比較例としての試験５においては，リム部のみ加工するという冷間コイニングを行ったが，この場合には，強度向上効果が小さくなるとともに，ばらつきが大きくなるという結果になった。これは，粗形材のリム部高さにばらつきがあり，機械プレスでストローク制御により加工すると，加工率に差異が生じてしまうことと，加工されず加工硬化による強度向上効果が得られない部位があるため，加工率のばらつきの影響が大きくなってしまうためと考えられる。
【００２７】
これに対し，本発明の実施例（試験１〜３）では，比較例（試験４〜６）に比べ大きな強度向上効果が得られ，かつその効果は，断面減少率を大きくするほど大きくなるという結果となった。また，強度ばらつきも比較例に比べ小さく，安定した強度を得られることがわかった。但し，断面減少率を大きくすると，座屈強度が向上する一方でバリが大きくなって，歩留が低下するため，最大でも３０％以下とした方が良いことは，前記した通りである。
また比較例の試験４においては，上記冷間加工工程を施したが，その減面率が小さすぎるので，あまり大きな強度向上効果が得られなかった。この結果から，減面率は６％を超える１０％以上とすることがよいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，コンロッドの（ａ）平面図，（ｂ）側面図，（ｃ）Ａ−Ａ線矢視断面拡大図。
【図２】実施例１における，製造工程を示す説明図。
【図３】実施例１における，コラム部の加工履歴を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．コンロッド，
１１．．．大端部，
１２．．．小端部，
１３．．．コラム部，
１３０．．．幹部，
１３１．．．リブ，

Claims

大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間加工を施すことによって上記コラム部を強化してなる部分冷間強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成すると共に，上記コラム部に帯状の幹部と該幹部の両面の幅方向両端近傍からそれぞれ立設させた４つのリブ部とを設けて断面略Ｈ形状とする熱間鍛造工程と，
上記コラム部の上記幹部の幅方向両端の外側面部分のみを開放する開放部を有すると共に，その他の上記リブ部及び上記幹部のほぼ全表面を覆うよう構成された開放鍛造型を用いて開放鍛造を行い，上記コラム部の断面積の減面率が１０〜３０％となる範囲で冷間加工すると共に上記開放鍛造型の上記開放部からはみ出させたバリを形成する冷間加工工程と，
上記バリを切断除去するバリ除去工程とを含むことを特徴とする部分冷間加工強化コンロッドの製造方法。
請求項１において，上記バリ除去工程は，上記バリを，切断面において殆ど破断面を発生させることなく切断除去するファインブランキング方法により行うことを特徴とする部分冷間加工強化コンロッドの製造方法。