JP2007152426A - クランクシャフトの鍛造成形方法および鍛造成形型構造 - Google Patents

Abstract

【課題】一連の鍛造成形工程の工順に変更を加えることで金型の長寿命化を図る。
【解決手段】荒地、仕上げ、トリム、ツイストの各工程を経る過程で、クランクシャフト粗材５のうち隣り合うカウンタウエイト３，３の反クランクピン部４寄りの部位同士の相互離間距離を正規寸法よりも予め大きく成形しておく。リストライク工程の前にカウンタウエイト矯正工程を設定し、一対のカウンタウエイト３，３を、加圧治具９，１０のほかカムダイ７および外周面矯正治具８を併用することにより加圧矯正して正規寸法に仕上げる。
【選択図】図４

Description

本発明はクランクシャフトの鍛造成形方法および鍛造成形型構造に関し、特に熱間鍛造をもって製造される内燃機関用のクランクシャフト粗材について鍛造成形後にカウンタウエイトの形状を矯正することを前提とした鍛造成形方法および鍛造成形型構造に関するものである。

内燃機関用のクランクシャフト、例えば直列４気筒エンジンのクランクシャフトの熱間鍛造は、例えば特許文献１に記載のように、大きく分けて（ａ）第１荒地（ベンディング）、（ｂ）第２荒地、（ｃ）仕上げ、（ｄ）トリムの各工程をもって行われ、それに続いてクランクシャフト粗材の曲がりあるいは形状矯正を目的としてリストライク加工（再打ち）が行われる。

このリストライク加工について上記特許文献１では、鍛造成形後のクランクシャフト粗材の軸直角方向から下降してきたパンチをもってこれに摺接することになるカムダイをクランクシャフト粗材の長手方向にスライドさせ、もってカウンタウエイトをそれぞれ同方向に矯正して、クランクシャフト粗材の曲がりのほかカウンタウエイトの倒れ等を矯正するようにしている。

また、上記特許文献１に記載の技術をＶ型６気筒エンジンのクランクシャフトに適用する場合には、その特殊性として上記トリム工程とリストライク工程との間にツイスト工程が付加されて、同ツイスト工程ではクランクシャフト粗材の長手方向両端部にツイスタにて例えば６０度程度のひねりを加える加工が施される。
特開２００３−１３６１８１号公報

例えば先に述べたようなＶ型６気筒エンジンのクランクシャフトの一連の鍛造工程のうち第２荒地および仕上げの各工程では、図１０の（Ａ），（Ｂ）に示すようなインプレッション（彫り込み）１２を有する半割り状の上下型１１ａ，１１ｂからなる金型１１をもってその型打ちが行われるが、同図（Ｂ）に示すように、Ｖ型６気筒エンジンのクランクシャフトの特殊性として、先に例示した直列４気筒エンジンのクランクシャフトに比べ、長手方向両端部においてクランクピン部４またはジャーナル部２として機能する軸部を挟んでその両側に位置することになるカウンタウエイト３，３を成形すべき空間Ｒ，Ｒ同士のなすピッチが小さく、しかも双方のカウンタウエイト３，３の形状が微妙に相違することから、インプレッション１２のなかでも素材肉が充満しやすい部分と素材肉が充満しにくい部分とが歴然と存在する。そして、素材肉が充満しやすい部分ではその素材肉の充満をもって早い時期に内圧が上昇する一方で、素材肉が充満しにくい部分では内圧上昇が遅れ気味となって、金型１１全体として内圧差が生じてしまうことになる。

図１０の（Ｂ）の例では、一方のカウンタウエイト３となるべき左側の空間Ｒ１よりも他方のカウンタウエイト３となるべき右側の空間Ｒ２の容積の方が明らかに大きく素材肉が充満しやすいことから、その内圧差のために空間Ｒ１とＲ２とを隔離形成しているリブ状の隔壁１３ａに矢印Ｆ方向の倒れまたは変形が生じ、この倒れもしくは変形による金型１１の破損、または上記倒れもしくは変形の繰り返しによる金型１１の疲労破壊が発生して、金型１１の早期寿命を招きやすいという問題がある。

また上記特許文献１に記載の技術では、カウンタウエイト３，３の側面のほぼ全体を同時に矯正することになるため、矯正治具であるカムダイに大きな剛性が必要となる。その一方、上記特許文献１に記載の技術を例えばＶ型６気筒エンジンのクランクシャフトに適用しようとする場合、かかるＶ型６気筒エンジンのクランクシャフトの特殊性として、先に述べたように直列４気筒タイプのクランクシャフトに比べ隣り合うカウンタウエイト３，３同士の相互離間距離（ピッチ）が小さくなるため、必然的に隣り合うカウンタウエイト３，３同士に間に入り込むことになるカムダイも薄肉のものとなって剛性不足気味となるだけでなく、隣り合うカウンタウエイト３，３の幅寸法（肉厚寸法）も微妙に異なるために、カウンタウエイト３，３の左右で矯正力に差異が生じて矯正不足となり、特にカウンタウエイト３，３の長手方向での位置のばらつきが大きくなり、一工程での必要十分な矯正効果を期待することは難しい。その結果、カウンタウエイト３，３は黒皮のままでも本来の機能を十分に発揮することができるにもかかわらず、場合によっては上記の位置のばらつきを解消するために後工程にて機械加工を施す必要があり、工数増加が余儀なくされる。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、一連の鍛造成形工程の工順に変更を加えることで金型の長寿命化を図り、併せてカウンタウエイトの矯正効果を一段と大きくして、カウンタウエイトのいわゆる機械加工レス化と共に必要十分な矯正効果が得られるようにしたクランクシャフトの鍛造成形方法および鍛造成形型構造を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、クランクシャフト粗材を鍛造成形する際に、軸部であるクランクピン部またはジャーナル部をはさんでその両側に位置する一対のカウンタウエイトの反軸部寄りの位置においてそのカウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法よりも大きくなるよう成形し、成形後のクランクシャフト粗材における一対のカウンタウエイトの反軸部寄りの位置を粗材長手方向に加圧拘束してそのカウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法となるように矯正することを特徴とする。

成形後のクランクシャフト粗材におけるカウンタウエイトの矯正は、請求項２に記載のように、一対のカウンタウエイトの両側から加圧治具にてそれらのカウンタウエイトを加圧拘束して行うものとし、矯正効果を一段大きくする上では、請求項３に記載のように、成形後のクランクシャフト粗材におけるカウンタウエイトの矯正は、一対のカウンタウエイト同士の間に中間治具を挿入し、それら一対のカウンタウエイトの両側から加圧治具にてそれらのカウンタウエイトを中間治具とともに加圧拘束して行うことが望ましい。

この場合、上記中間治具は、請求項４に記載のように、二つで一組のくさび状のカムダイを相対摺動可能に重ね合わせたものを使用する。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の技術を矯正用の鍛造成形型の構造として捉えたものであって、成形後のクランクシャフト粗材における一対のカウンタウエイトの両側からそれらのカウンタウエイトを加圧拘束して、カウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法となるように矯正する加圧治具を備えていることを特徴とする。

したがって、少なくとも請求項１，６に記載の発明では、クランクシャフト粗材のうち例えばクランクピン部をはさんでその両側に位置する一対のカウンタウエイトの反クランクピン部寄りの位置においてそのカウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法よりも大きくなるよう予め成形しておき、成形後に同部位を加圧拘束してそのカウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法となるように矯正することは、図１０に示したインプレッション１２のうち空間Ｒ１，Ｒ２同士の間に位置する隔壁１３ａの根元側の厚み寸法が従前よりも大きくなることを意味する。その結果として、隔壁１３ａの剛性が高くなり、その耐久性の向上によって金型の長寿命化が図れるようになる。

特に、請求項３に記載のように中間治具と加圧治具を併用した場合には、例えばクランクピン部をはさんでその両側に位置するカウンタウエイトがそれぞれに中間治具と加圧治具にて挟まれるかたちで同時に加圧矯正されることから、各カウンタウエイト共に必要十分な矯正力をもって矯正することが可能となる。

請求項１，６に記載の発明によれば、隣り合うカウンタウエイト同士の相互離間距離が正規寸法よりも小さくなるように予め成形した上で、後工程にて正規寸法となるように矯正するようにしたため、金型のインプレッションのうち隣り合うカウンタウエイトの成形を司る隔壁の厚み寸法を大きくすることができるようになり、その結果として金型の耐久性が向上して金型の長寿命化を達成できる効果がある。

また、クランクピン部等の軸部をはさんでその両側に位置するカウンタウエイト同士の相互離間距離が小さくてもカウンタウエイトの広い範囲を確実に矯正することできるため、カウンタウエイトの機械加工レス化とともに加工工数を削減できるようになる。

図１〜９は本発明のより具体的な実施の形態を示す図であり、先に述べたＶ型６気筒エンジンのクランクシャフトを熱間にて鍛造成形する場合の例を示している。

図１に示すように、クランクシャフト１は４箇所のジャーナル部２のほか７枚のカウンタウエイト３を軸心方向で備えており、各カウンタウエイト３，３相互間には軸部であるジャーナル部２から偏心した位置に合計６箇所の同じく軸部としてのクランクピン部４を設定してある。

そして、このようなクランクシャフト１となるべきクランクシャフト粗材５は、大別して図２に示すように、（ａ）第１荒地、（ｂ）第２荒地、（ｃ）仕上げ、（ｄ）トリム、（ｅ）ツイスト、（ｆ）カウンタウエイト矯正、（ｇ）リストライクの各工程を経て鍛造成形される。上記各工程のうち第１荒地、第２荒地および仕上げの３工程を経ることにより丸棒状の素材からクランクシャフト１の粗形状がクランクシャフト粗材５として仕上げられ、トリム工程にてばり６が打ち抜かれることにより製品形状に近いクランクシャフト粗材５となる。ツイスト工程では公知のツイスタを用いて例えば長手方向の両端部に６０°のひねりを加え、さらに、最後のリストライク工程ではいわゆる再打ちを行って主として曲がり矯正を行うことになる。

このようなクランクシャフト粗材５の鍛造成形過程では、図１０に示したように、Ｖ型６気筒エンジンのクランクシャフト１の特殊性として、長手方向両端部において隣り合うカウンタウエイト３，３同士の相互離間距離（ピッチ）が小さくならざるを得ないために、その隣り合うカウンタウエイト３，３となるべき空間Ｒ１，Ｒ２を隔離形成しているリブ状の隔壁１３ａに倒れまたは変形が生じ、この倒れもしくは変形による金型１１の破損、または上記倒れもしくは変形の繰り返しによる金型１１の疲労破壊が発生して、金型１１の早期寿命を招きやすいという欠点があることは先に述べた。

そこで、本実施の形態では、図２に示した第２荒地および仕上げの各工程における金型１１における上下型１１ａ，１１ｂのインプレッション１２の形状を変更し、図３に示すように、隣り合うカウンタウエイト３，３となるべき空間Ｒ，Ｒを隔離形成している隔壁１３の根元側厚み寸法Ｐ、すなわち空間Ｒ，Ｒをもって鍛造成形されるカウンタウエイト３，３同士の相互離間距離（ピッチ）Ｐを予めクランクシャフト１本来の正規寸法よりも大きく設定しておき、この金型１１をもってクランクシャフト粗材５を鍛造成形する。

つまり、第２荒地および仕上げの各工程では、図３に示すように、隣り合うカウンタウエイト３，３同士の関係においてそれらのカウンタウエイト３，３のうち反クランクピン部４側の部位を互いに離間する方向に屈曲させて、それらのカウンタウエイト３，３の反クランクピン部４側の部位同士のなす距離Ｐを正規法よりも大きくなるように鍛造成形する。こうすることにより、隣り合うカウンタウエイト３，３となるべき空間Ｒ，Ｒを隔離形成している隔壁１３の根元側厚み寸法Ｐを従来よりも大きく確保でき、隔壁１３の剛性もしくは強度向上が図れることになる。

なお、第２荒地および仕上げの各工程に続くトリムおよびツイストの各工程で使用される金型についても、当然のことながら図３のように屈曲したカウンタウエイト３，３の形状を考慮したものが採用される。つまり、仕上げ工程の後工程であるトリム工程では、図２に示すように、隣り合うカウンタウエイト３，３同士の関係においてそれらのカウンタウエイト３，３のうち反クランクピン部４側の部位を互いに離間する方向に屈曲させた状態のままで図２のばり６から打ち抜かれ、同じくその状態のままでツイスト工程においてひねりが加えられることになる。

ツイスト工程を経ることで成形されたクランクシャフト粗材５は、なおも上記にように隣り合うカウンタウエイト３，３同士の反クランクピン部４側の部位が正規形状でないことは明らかである。

そこで、隣り合うカウンタウエイト３，３の反クランクピン部４側の部位の矯正を目的として、ツイスト工程の後であってリストライク工程の前にカウンタウエイト矯正工程を設定して、例えば熱間鍛造のかたちでカウンタウエイト３，３の形状矯正を行うものとする。

図４，５は上記カウンタウエイト３，３の形状矯正工程の概略を示しており、図４はその要部平面図を、図５は要部正面図をそれぞれ示している。

ここでは、クランクシャフトシャフト粗材５の長手方向両端部において、クランクピン部４をはさんでその両側に位置するカウンタウエイト３，３の形状矯正を目的としており、同図に示すように、図２のツイスト工程を経たクランシャフト粗材５を所定位置に位置決めした上で、中間治具としての一対の断面くさび状（ウエッジ状）のカムダイ７，７を上下方向からカウンタウエイト３，３同士の対向間隙内に重ね合わせるように挿入して、双方の傾斜したカム面７ａ，７ａ同士を摺接させる。このカムダイ７，７の位置および移動量は図示しないカムダイ駆動装置側でコントロールされ、所定の位置にて一対のカムダイ７，７の重合厚さに相当する規制幅Ｃが設定されることで双方のカウンタウエイト３，３の位置および両者間のピッチの基準となる。カムダイ７，７の形状は図６に示すように側面視にて略矩形状のものとして設定してあり、各カウンタウエイト３，３の側面の広い範囲をカバーしつつもクランクピン部４とは干渉しないように考慮してある。

上記のように一対のカムダイ７をカウンタウエイト３，３同士の対向間隙内に挿入するのと並行して、そのカムダイ７の両側に配置してあるいわゆる総形の一対の外周面矯正治具８，８を前進させて、各カウンタウエイト３の円筒外周面３ａに当接させる。この外周面矯正治具８，８もまた図７に示すようにジャーナル部２やクランクピン部４と干渉しないように考慮した形状となっている。

こうしてカムダイ７，７および外周面矯正治具８，８をセットしたならば、図８に示すように、カウンタウエイト３，３の両側から一対の加圧治具９，１０を前進させて、一対のカウンタウエイト３，３をカムダイ７，７とともに加圧拘束して、クランクシャフト粗材５の軸心方向における各カウンタウエイト３，３の形状ひいて両者の相互離間距離（ピッチ）を矯正する。すなわち、図４に示したような隣り合うカウンタウエイト３，３の反クランクピン部４側の曲がりまたは倒れをクランクシャフト１の長手方向に矯正して、双方のカウンタウエイト３，３同士のなす相互離間距離が正規寸法のものとなるようにする。

加圧治具９，１０による加圧拘束力は図示しない液圧式、油圧式もしくは機械式の加圧駆動装置にて制御される。また、この加圧治具９，１０についても図９に示すように各カウンタウエイト３，３の側面の広い範囲をカバーしつつもジャーナル部２やクランクピン部４と干渉しないようにその形状を考慮してある。

ここで、左右の加圧治具９，１０の形状が異なるのは、図３，４に示すようにクランクピン部４をはさんでその両側に位置する一対のカウンタウエイト３，３の形状が微妙に異なるためであり、この一対のカウンタウエイト３，３の形状の相違とともに、先に述べた加圧駆動装置による左右の加圧治具９，１０の加圧拘束力を個別に且つ積極的にコントロールして、一対のカウンタウエイト３，３をそれぞれの形状の相違に応じて均一に加圧拘束する。

このような加圧治具９，１０の加圧拘束力に基づく形状矯正の際に、各カウンタウエイト３，３の円筒外周面３ａを外周面矯正治具８にて拘束することでその矯正効果もしくは整形効果によって円筒外周面３ａの形状崩れが防止され、その円筒外周面３ａの形状精度も維持することが可能となる。

この場合、上記の加圧矯正に伴って各カウンタウエイト３，３の輪郭形状である円筒外周面３ａが増大する分の粗材肉体積を予め見越して各カウンタウエイト３，３の形状を小さめ目に成形しておくことにより、材料投入量の削減による材料歩留まりの向上にも寄与できるできるようになる。

このように、一対のカムダイ７，７および加圧治具９，１０のほか外周面矯正治具８，８を併用して加圧拘束することで、簡単な設備構成にて各カウンタウエイト３，３の形状を確実に且つ精度良く矯正することが可能となる。

上記のように、クランクシャフト粗材５のツイスト加工に続きカウンタウエイト３，３の形状矯正を行うと、それに伴いクランクシャフト粗材５に曲がりが発生することがある。そこで、図２に示すように、カウンタウエイト矯正工程の後にリストライク加工としていわゆる再打ちを行って、クランクシャフト粗材５の曲がり矯正のほかカウンタウエイト３，３の形状を再度矯正する。

このように本実施の形態によれば、第２荒地、仕上げ、トリム、ツイストの各工程では、図２，４に示したように隣り合うカウンタウエイト３，３の反クランクピン部４側の部位同士の相互離間距離（ピッチ）を正規形状よりも大きな状態でそれぞれの加工を行う一方で、ツイスト加工の後であって且つリストライク加工の前のカウンタウエイト矯正工程にて上記反クランクピン部４側の部位同士の相互離間距離を正規形状に戻すようにしているため、少なくとも大きな荷重が金型に加わることになる第２荒地、仕上げの各工程では、図３に示したように該当する金型１１のうちカウンタウエイト３，３を成形すべき空間Ｒ，Ｒを隔離形成している隔壁１３の根元側の肉厚寸法Ｐを従来よりも大きく確保することができるため、金型１１の耐久性が向上して金型１１の長寿命化を達成できることになる。

ここで、上記実施の形態では、カウンタウエイト矯正工程をツイスト工程とリストライク工程との間に設定した場合について例示したが、例えば隣り合うカウンタウエイト３，３同士のなす寸法が小さい場合等、必要に応じてカウンタウエイト矯正工程を実質的にその前後のツイスト工程またはリストライク工程と統合して、ツイスト工程またはリストライク工程もしくはその両工程において上記カウンタウエイト３，３の矯正を行うようにしても良い。

Ｖ型６気筒エンジン用のクランクシャフトの一例を示す斜視図。 図１に示したクランクシャフトの鍛造成形工程の工程説明図。 図２の第２荒地および仕上げの各工程で使用される金型の平面説明図。 本発明の実施の形態としてカウンタウエイト形状矯正工程の概略を示す平面説明図。 図４に示すカウンタウエイト形状矯正工程の平面説明図。 図４，５に示す中間治具としてのカムダイの側面説明図。 図４，５に示す外周面矯正治具の側面説明図。 図４の状態から加圧治具を前進させたときの作動説明図。 図４，５に示す加圧治具の側面説明図。 （Ａ）は従来の第２荒地および仕上げの各工程で使用される金型の平面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。

符号の説明

１…クランクシャフト
３…カウンタウエイト
３ａ…円筒外周面
５…クランクシャフト粗材
７…カムダイ（中間治具）
７ａ…カム面
８…外周面矯正治具
９，１０…加圧治具
１１…金型
１１ａ…上型
１１ｂ…下型
１２…インプレッション
１３…隔壁

Claims (6)

1. クランクシャフト粗材を鍛造成形する際に、軸部であるクランクピン部またはジャーナル部をはさんでその両側に位置する一対のカウンタウエイトの反軸部寄りの位置においてそのカウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法よりも大きくなるよう成形し、
   成形後のクランクシャフト粗材における一対のカウンタウエイトの反軸部寄りの位置を粗材長手方向に加圧拘束してそのカウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法となるように矯正することを特徴とするクランクシャフトの鍛造成形方法。
2. 成形後のクランクシャフト粗材におけるカウンタウエイトの矯正は、一対のカウンタウエイトの両側から加圧治具にてそれらのカウンタウエイトを加圧拘束して行うことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの鍛造成形方法。
3. 成形後のクランクシャフト粗材におけるカウンタウエイトの矯正は、一対のカウンタウエイト同士の間に中間治具を挿入し、それら一対のカウンタウエイトの両側から加圧治具にてそれらのカウンタウエイトを中間治具とともに加圧拘束して行うことを特徴とする請求項２に記載のクランクシャフトの鍛造成形方法。
4. 上記中間治具は二つで一組のくさび状のカムダイを相対摺動可能に重ね合わせたものであ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鍛造成形方法。
5. カウンタウエイトの外周面に外周面矯正治具を圧接させて、その外周面の矯正を並行して行うことを特徴とする請求項３または４に記載のクランクシャフトの鍛造成形方法。
6. 請求項１に記載の鍛造成形方法に用いる矯正用の鍛造成形型の構造であって、
   成形後のクランクシャフト粗材における一対のカウンタウエイトの両側からそれらのカウンタウエイトを加圧拘束して、カウンタウエイト同士の相互離間距離がクランクシャフト本来の正規寸法となるように矯正する加圧治具を備えていることを特徴とするクランクシャフトの鍛造成形型構造。

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