JP2008043999A

JP2008043999A - 一体型クランク軸の鍛造方法

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Publication number: JP2008043999A
Application number: JP2006224420A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kakimoto; 英樹柿本; Kazuo Fujita; 和夫藤田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-21
Also published as: JP4773913B2

Abstract

【課題】鍛造前に初期素材の適正な形状を決定することができる一体型クランク軸の鍛造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】製品形状の周囲に機械加工代を均一に付与するステップと、機械加工代を付与した形状を全て含むようにピン軸とジャーナル軸の中央部分を中心に仮想楕円を描くステップと、仮想楕円をもとに鍛造荷重を算出するステップと、初期素材の直径と長さを製品形状に機械代を考慮することにより仮定するステップと、前期直径と長さをもとに予測楕円を計算で求めるステップと、予測楕円を仮想楕円と比較するステップと、両者に設定した誤差以上の差がある時長さを変更して２つ前のステップに戻るステップと、初期素材の適正な直径と長さを決定するステップを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、船用や陸上発電機に使用されている中小型ディーゼル機関用の一体型クランク軸を鍛造する際に、事前に素材の形状を簡単且つ適正に決定することができる一体型クランク軸の鍛造方法に関するものである。

船用や陸上発電機に使用されている中小型ディーゼル機関用のクランク軸は、一般には一体型クランク軸である。その一体型クランク軸は、ＲＲ鍛造法、ＴＲ鍛造法、二軸プレスなどにより丸棒からジャーナル軸、アーム、ピン軸を逐次鍛造し、一本のクランク軸としている。その各鍛造法のうちクランク軸をＣＧＦ(Continuous Grain Flow)鍛造する方法として広く知られているＲＲ鍛造法は、一回の鍛造で一気筒分のジャーナル軸、アーム、ピン軸を作る鍛造方法であって、このＲＲ鍛造法に用いられる鍛造装置の概要及び被成形材の状態を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。下記するように、図面の（ａ）は初期セット状態、（ｂ）は横圧縮によるアプセット工程、（ｃ）は横圧縮と偏芯によるオフセット工程での鍛造装置、被成形材の状態をそれぞれ示す。

ＲＲ鍛造法の鍛造原理は、横圧縮（アーム３の成形）とポンチ９による偏芯（ピン軸４の成形）の二方向鍛造である。まず、図４（ａ）に示すように、部分加熱された被成形材１２をＲＲ鍛造装置１３に搬入し、金型内にセットする。この時、ピン軸４はポンチ９、アンビル１０と呼ばれる金型で上下方向から固定され、ジャーナル軸５は固定金型１１と呼ばれる金型で固定される。（初期セット状態）

次に、図４（ｂ）に示すように、上方のプレス（図示せず）が加圧し始めると圧下力がくさび機構によって横圧縮力に変換される。すなわち、一対の固定金型１１，１１が、お互いが近付くように動く。この際、ポンチ９とアンビル１０はシリンダーのリリーフ機構により、初期の位置でピン軸４を保持したまま停止する。その結果、ピン軸４の両側のブロック状の初期素材３Ａのみが予備圧縮される工程となる。（アプセット工程）

更に、図４（ｃ）に示すように、上記アプセット工程で予備圧縮された初期素材３Ａは所定厚まで圧縮され、同時に、ポンチ９とアンビル１０はプレスの下降に伴い所定のストローク分だけ下方に下がり、その動きに伴いピン軸４が偏芯（下方に押し下げられる）し、スロー２は所定の形状に鍛造されてアーム３となる。（オフセット工程）

その後、部分加熱と鍛造を繰り返し決められた気筒数の一体型クランク軸１が成形される。

なお、初期素材３Ａとは、圧縮によりアーム３となる部位をのみを差し、ピン軸４とジャーナル軸５となる部位は、鍛造により形状が変わらないので含まない。

このＲＲ鍛造では、一体型クランク軸の形状に応じた適切な荒地形状及びプレス最大力量などを考慮して工程設計を行う必要がある。しかし、複雑な機構のため、鍛造に必要とする荷重など不明な点が多く、現状では基礎的な理論を基準に、工程設計者が個人の経験や知識を付加しながら工程設計を行っているに過ぎない。また、変形解析や実験などによって素材の形状を決定する手法も開発されているが、いずれも多大なコストがかかり問題となっていた。

また、定量的な指標に基づいた工程設計方法として特許文献１に記載された方法がある。この特許文献１に記載された方法は、アームを軸方向に圧縮する第１工程と、ピン軸を下方に偏芯させると共にアームを軸方向に更に圧縮する第２工程と、アームを軸方向に更に圧縮して成形型内で型形状に成形する第３工程からなるクランク軸の成形方法であって、前記工程内でのアームの直径や体積などの被成形材、及び成形型内のピン軸並びにアームに関連した体積等の設計データと実験式を基に、前記第１〜第３工程におけるそれぞれの軸方向の圧縮量を求めるクランク軸の成形方法である。

しかし、この特許文献１に記載されたクランク軸の成形方法は、被成形材や成形型内の各部位の体積計算を行って設計する必要があって設計作業が非常に煩雑である。また、算出により得られる形状は初期形状に過ぎず、この設計データに基づいた軸方向の圧縮力を確保しても、適正な鍛造仕上がり形状が得られるとは限らない。更には、クランク軸の試作を行って前記各工程での軸方向の圧縮量が適正か否かの確認をする必要があって、適正形状のクランク軸を製造するために試作を繰り返すなどの手間と時間を要し、また、開発費用も莫大なものとなる。
特開平３−７７７４２号公報

本発明は上記従来の種々の問題を解決せんとして発明したものであって、工程管理者の過去の経験や知識に頼ることがなく、また、試作等の実験や変形解析も必要とせず多大なコストを必要とすることなく、鍛造前に初期素材の適正な形状を決定することができる一体型クランク軸の鍛造方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、横圧縮によるアームの成形と、下方への押し下げによる偏芯でピン軸の成形を行う二方向鍛造法で、一体型クランク軸を鍛造する一体型クランク軸の鍛造方法であって、一対のアームとアーム間を繋ぐピン軸で成る複数のスローを、ジャーナル軸で連結して構成される一体型クランク軸の製品形状の周囲に、機械加工代を均一に付与する第１ステップと、前記機械加工代を付与した形状を全て含むように、ピン軸の軸芯とジャーナル軸の軸芯の中点を中心としてアーム側面の仮想楕円を描く第２ステップと、前記仮想楕円をもとに鍛造荷重を算出する第３ステップと、鍛造前の初期素材の素材直径、素材長さを、製品形状に機械加工代を考慮することにより仮定する第４ステップと、前記の仮定した素材直径、素材長さをもとにアーム側面の予測楕円を計算により求める第５ステップと、前記予測楕円を前記仮想楕円と比較する第６ステップと、前記予測楕円と前記仮想楕円との間のずれ量が設定した誤差を超えた場合、第５ステップで仮定した素材長さを変更し第６ステップに戻る第７ステップと、前記ずれ量が設定した誤差以内の場合、前記の仮定した素材直径、素材長さを鍛造前の初期素材の適正な素材直径、素材長さとする第８ステップを有する適正素材形状決定手法を用いて一体型クランク軸を鍛造する一体型クランク軸の鍛造方法である。

請求項２記載の発明は、第３ステップにおける鍛造荷重は、以下の式から算出されることを特徴とする請求項１記載の一体型クランク軸の鍛造方法である。
ここで、鍛造荷重Ｐ＝Ｑ×ＤＳ×σ
上式で、Ｑは拘束係数、ＤＳは仮想楕円の面積であり、σは変形抵抗である。

請求項３記載の発明は、第５ステップの予測楕円は、楕円長径と楕円短径及び楕円中心のずれ量を導き出す以下の３式で計算されることを特徴とする請求項１または２記載の一体型クランク軸の鍛造方法である。
楕円長径＝２×（Ｍ1×ストローク＋Ｍ2×アーム平均半径＋Ｍ3）
楕円短径＝２×（Ｍ4×アーム平均半径＋Ｍ5）
ずれ量＝Ｍ6×ストローク＋Ｍ7×素材直径／素材長さ＋Ｍ8
上式で、Ｍ1〜Ｍ8は材料定数であり、Ｍ1はストロークが楕円長径に及ぼす影響係数、Ｍ2は圧縮により発生するアーム平均半径が楕円長径に及ぼす係数、Ｍ3は補正係数、Ｍ4は圧縮により発生するアーム平均半径が楕円短径に及ぼす係数、Ｍ5は補正係数、Ｍ6はストロークがずれ量に及ぼす影響係数、Ｍ7は素材形状がずれ量に及ぼす影響係数、Ｍ8は補正係数である。また、アーム平均半径とはアームが横圧縮のみで変形したと仮定した場合のアーム側面の半径であり偏芯による変形は考慮していない。

請求項４記載の発明は、アーム外周のバルジ形状を２次式Ｙ＝Ａ×（Ｘ−Ｂ）^２＋Ｃから求める別のステップがあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の一体型クランク軸の鍛造方法である。
ここで、２次式のＸは軸方向を示し、Ｙは楕円の円周方向を示す（角度によって方向は異なる）。また、Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ次式で求めることができる。
Ａ（θ°）＝Ｍ9×素材直径／素材長さ＋Ｍ10×圧縮量／素材長さ＋Ｍ11
Ｂ＝Ｍ12×アーム厚み
Ｃ（0°）＝（Ｍ13×素材直径／素材長さ＋Ｍ14×ストローク／圧縮量＋Ｍ15）×アーム平均半径
Ｃ（90°）＝（Ｍ16×素材長さ／素材直径＋Ｍ17×圧縮量／素材長さ＋Ｍ18）×アーム平均半径
上式で、Ｍ9〜Ｍ18は材料定数であり、Ｍ9は素材形状が係数Ａに及ぼす影響係数、Ｍ10は圧縮率が係数Ａに及ぼす影響係数、Ｍ11は補正係数、Ｍ12はアームの厚みがＸ座標に及ぼす影響係数、Ｍ13は素材形状がＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ14はストローク／圧縮量がＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ15は補正係数、Ｍ16は素材形状がＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ17は圧縮量／素材長さがＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ18は補正係数である。

本発明の一体型クランク軸の鍛造方法によると、工程管理者の過去の経験や知識に頼ることがなく、また、試作等の実験や変形解析も必要とせず多大なコストを必要とすることなく、鍛造前に初期素材の適正な形状を決定することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

図７に示すように、本発明の一体型クランク軸の鍛造方法で鍛造される一体型クランク軸１は、一対の向かい合った扁平なアーム３，３と、アーム３，３間をその一端側で繋ぐピン軸４で成る複数のスロー２を、ジャーナル軸５で連結して構成される。ジャーナル軸５は隣り合うスロー２，２をアーム３の部位で連結するが、アーム３のピン軸４との連結部分をアーム３内側面の一端側とすると、アーム３のジャーナル軸５との連結部分はアーム３外側面の他端側（図７の両端のスロー２を参照）である。また、スロー２は、一体型クランク軸１を捻ったように規則性を持って様々な方向を向いている。

まず、ピン軸４とジャーナル軸５を両側に連接した初期素材３Ａ（横圧縮によりアーム３に変形する部位のみを示し、ピン軸４とジャーナル軸５は含まない。）が、鍛造による各工程でどのように変形するかを考える。図４（ａ）の初期セット状態では、図５（ａ）及び図６（ａ）のように、初期素材３Ａは略円柱状である。次に図４（ｂ）のアプセット工程で、図５（ｂ）及び図６（ｂ）のように、初期素材３Ａが両側から横圧縮される。この時、ピン軸４とジャーナル軸５は金型で保持されているので変形しない。最後の図４（ｃ）のオフセット工程では、図５（ｃ）及び図６（ｃ）のように、初期素材３Ａは更に両側から横圧縮され扁平なアーム３になり、ピン軸４は下方に押し下げられ偏芯する。

図４〜図６は、初期素材３Ａが鍛造によりアーム３の状態にまで変形する状況を示しているが、金型に接触する側面８は、初期セット状態やアプセット工程では円形であったのが、オフセット工程終了時には縦長の楕円形にまで変形する。また、図５（ｃ）に示すように、アーム３の外周は断面円弧状の形状、すなわちバルジ形状となる。よって、鍛造後のアーム３の形状は、楕円形状とバルジ形状が分かれば把握することが可能である。なお、ピン軸４並びにジャーナル軸５の形状は鍛造において特に変形はしないので考慮する必要はない。

楕円形状は、長径ＤＡと短径ＤＢに分け、ピン軸４の軸芯ｐとジャーナル軸５の軸芯ｊの中点ａからの位置ずれ量を考えることで形状予測が可能である。また、バルジ形状は２次式で表記することが可能であり、その頂点と２次の係数が分かれば３次元形状が予測可能である。以上の考えに基づいて、鍛造前の初期素材３Ａの適正な形状を予測することが可能と考え、適正素材形状決定手法を用いた一体型クランク軸の鍛造方法を発明した。以下その発明の内容をフローチャートに基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１ステップＳ１から第８ステップＳ８までの流れを示すフローチャートである。また、図２は、一体型クランク軸の製品形状６と仮想楕円Ｄ１と機械加工代７の最低量を示す。まず、第１ステップＳ１では、一体型クランク軸１の製品形状６の周囲に機械加工代７を付与する。機械加工代７の厚みは、５ｍｍ〜５０ｍｍである。なお、本明細書中での説明では、アーム３、ピン軸４、ジャーナル軸５と記述するものは特に断りのない限り全て機械加工代７を含むものを示し、機械加工代７を除去した製品形状６のものは製品アーム３、製品ピン軸４、製品ジャーナル軸５と記述する。

第２ステップＳ２では、製品形状６の周囲に機械加工代７を付与した形状を全て含むように仮想楕円Ｄ１を描く。この仮想楕円Ｄ１は、図３に示すように、ピン軸４の軸芯ｐとジャーナル軸５の軸芯ｊの中点ａを中心として描くことができる。仮想楕円Ｄ１はアーム３の側面８であり、金型で圧縮した際に金型と接触すると仮定される面である。

第３ステップＳ３では、仮想楕円Ｄ１をもとに鍛造荷重を算出する。鍛造荷重とは軸方向からアーム３にかかる荷重、すなわち、金型で圧縮した際にアーム３にかかる荷重である。この鍛造荷重Ｐは、Ｐ＝Ｑ×ＤＳ×σという数式から算出することができる。この式で、Ｑは拘束係数、ＤＳは仮想楕円の面積であり、σは変形抵抗で、温度とひずみ速度の関数として表すことができる。

拘束係数Ｑは、Ｑ＝（１＋μ×ＤＤ／３／Ｈ）という数式から算出することができる。この式で、μは摩擦係数、ＤＤは仮想楕円の長径ＤＡと短径ＤＢから算出でき、ＤＤ＝√（ＤＡ×ＤＢ）という数式で示すことができる。また、Ｈはアーム３の厚み（図５（ｃ）に示す）である。仮想楕円の面積ＤＳは、ＤＳ＝（π×ＤＡ×ＤＢ）／４という数式から算出することができる。

次に、第３ステップＳ３で算出した鍛造荷重を、プレス荷重と比較する。このプレス荷重とは、実際のプレス装置が出すことのできる最大荷重である。算出した鍛造荷重が、プレス荷重より小さい場合は鍛造可能であり、次のステップに進むことができるが、プレス荷重より小さくない場合は鍛造不可能であり製造することができず、適正素材形状の検討を終了しなければならない。但し、プレス荷重はプレス装置が出すことのできる最大荷重であり、より大きなプレス荷重を出すことのできるプレス装置を準備すれば次のステップに進むことができる。すなわち、プレス装置が出すことのできる最大荷重が大きければ、この鍛造荷重とプレス荷重の比較は不要である。

第４ステップＳ４では、鍛造前の初期素材３Ａの素材直径Ｄ、素材長さＬを次の計算により仮定する。素材直径Ｄは製品形状６に機械加工代７等を考慮した次式：Ｄ＝製品ピン軸４の直径または製品ジャーナル軸５の直径のうち大きい方の直径＋Ｋ×２＋ｌ×２という数式から算出でき、素材長さＬは、Ｌ＝仮想楕円Ｄ１の体積／{（π×Ｄ²）／４}という数式から算出できる。前記式で、Ｋは、ピン軸４とジャーナル軸５のうち直径の大きい方の片側の機械加工代７であり、ｌは、初期素材３Ａと、ピン軸４とジャーナル軸５のうち直径の大きい方の片側の段差（図５（ａ）に示す）である。また、仮想楕円Ｄ１の体積は、ＤＳ×Ｈから求めることができる。

第５ステップＳ５では、第４ステップＳ４で求められた素材直径Ｄ、素材長さＬをもとに、予測楕円Ｄ２を計算により求める。予測楕円Ｄ２はアーム３の側面８であり、前記仮想楕円Ｄ１と同一であることが望ましいが、様々な条件で図３に示すように、上下にずれることがある。この予測楕円Ｄ２は、楕円長径、楕円短径、ずれ量を導く３つの計算式から求めることができる。各計算式は、楕円長径＝２×（Ｍ1×ストローク＋Ｍ2×アーム平均半径＋Ｍ3）、楕円短径＝２×（Ｍ4×アーム平均半径＋Ｍ5）、ずれ量＝Ｍ6×ストローク＋Ｍ7×素材直径／素材長さ＋Ｍ8である。Ｍ1〜Ｍ8はそれぞれ材料定数であり、Ｍ1はストロークが楕円長径に及ぼす影響係数、Ｍ2は圧縮により発生するアーム平均半径が楕円長径に及ぼす係数、Ｍ3は補正係数、Ｍ4は圧縮により発生するアーム平均半径が楕円短径に及ぼす影響係数、Ｍ5は補正係数、Ｍ6はストロークがずれ量に及ぼす影響係数、Ｍ7は素材形状がずれ量に及ぼす影響係数、Ｍ8は補正係数である。なお、アーム平均半径とはアーム３が横圧縮のみで変形したと仮定した場合のアーム３の側面の半径であり偏芯による変形は考慮していない。この明細書中で示すアーム平均半径とは全てこの半径を示す。アーム平均半径Ｒは、初期素材３Ａの素材直径Ｄ、素材長さＬと、圧縮後のアーム３の長さ（厚み）Ｌ２より求めることができ、Ｒ＝√（Ｄ²×Ｌ／Ｌ２）という数式から算出することができる。

第６ステップＳ６では、第５ステップＳ５で求められた予測楕円Ｄ２を、前記仮想楕円Ｄ１と比較し、予測楕円Ｄ２が仮想楕円Ｄ１から上または下にいくらずれたか確認する。

第６ステップＳ６で確認したずれ量が、当初設定したずれ量以内である場合は第８ステップＳ８に進むが、当初の設定を超える場合は第７ステップＳ７に進む。なお、一体型クランク軸１の鍛造においては、ずれ量の許容範囲は５ｍｍ以内とするのが一般的である。

第７ステップＳ７は、第４ステップＳ４で計算により仮定した鍛造前の初期素材３Ａの素材長さＬを変更し、第５ステップＳ５に戻るステップである。

予測楕円Ｄ２が仮想楕円Ｄ１から上または下に許容範囲の５ｍｍを超えてずれた場合、必ず、予測楕円Ｄ２と仮想楕円Ｄ１の面積差ＳＳを生じているため、まず、予測楕円Ｄ２と仮想楕円Ｄ１の面積差ＳＳを求める。その面積差ＳＳや、素材直径Ｄ、圧縮後のアーム３の長さ（厚み）Ｌ２より素材長さＬの増減量を求めることができる。その素材長さＬの増減量は、増減量＝ＳＳ×Ｌ２／（π×Ｄ^２／４）という計算式より求めることができる。

予測楕円Ｄ２の面積が仮想楕円Ｄ１の面積より大きい場合、素材長さＬを前記計算式で求めた増減量だけ短くする。逆に、予測楕円Ｄ２の面積が仮想楕円Ｄ１の面積より小さい場合、素材長さＬを前記計算式で求めた増減量だけ長くする。その後、再び第５ステップＳ５での計算をやり直す。

第８ステップＳ８では、第６ステップＳ６で確認したずれ量が設定した誤差以内の場合、第５ステップＳ５で仮定した素材直径Ｄ、素材長さＬを、鍛造前の初期素材３Ａの適正な素材直径Ｄ、素材長さＬとする。以上で初期素材３Ａの適正形状を求め出し決定することができる。

なお、以上で鍛造後のアーム３側面の楕円形状は予測することができるが、鍛造後のアーム３の全体形状は、図５（ｃ）に示すようなアーム３外周のバルジ形状（円弧状の部位）が予測できなければ分からない。そこで、このバルジ形状を求め出す別のステップが必要となる。このバルジ形状は、２次式Ｙ＝Ａ×（Ｘ−Ｂ）^２＋Ｃから求め出すことができる。ここで、２次式のＸは軸方向を示し、Ｙは円周方向を示す（例えば、０°方向は図３に示す上方向、９０°方向は右方向である。）。

前記２次式Ｙ＝Ａ×（Ｘ−Ｂ）^２＋Ｃのうち、Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ次の計算式から求めることができる。各計算式は、Ａ（θ°）＝（Ｍ9×素材直径／素材長さ＋Ｍ10×圧縮量／素材長さ＋Ｍ11）×アーム平均半径、Ｂ＝Ｍ12×アーム厚み、Ｃ（0°）＝（Ｍ13×素材直径／素材長さ＋Ｍ14×ストローク／圧縮量＋Ｍ15）×アーム平均半径、Ｃ（90°）＝（Ｍ16×素材長さ／素材直径＋Ｍ17×圧縮量／素材長さ＋Ｍ18）×アーム平均半径である。Ｍ9〜Ｍ18はそれぞれ材料定数であり、Ｍ9は素材形状が係数Ａに及ぼす影響係数、Ｍ10は圧縮率が係数Ａに及ぼす影響係数、Ｍ11は補正係数、Ｍ12はアームの厚みがＸ座標に及ぼす影響係数、Ｍ13は素材形状がＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ14はストローク／圧縮量がＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ15は補正係数、Ｍ16は素材形状がＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ17は圧縮量／素材長さがＹ座標に及ぼす影響係数、Ｍ18は補正係数である。

ここで、ストロ−クとは、ピン軸４がオフセット工程で押し下げられるオフセット量であり、ピン軸４の軸芯ｐとジャーナル軸５の軸芯ｊを結ぶ仮想垂直線分の寸法と同じである。また、圧縮量とは、アーム３が初期素材長さからアーム厚さまで横圧縮されることにより減った量である。

まず、一体型クランク軸１をＲＲ鍛造法により鍛造した場合の形状予測を解析により求めた。解析は１３種の解析モデルについて行った。表１には、初期素材Ａの形状と、鍛造時にピン軸４がオフセット工程で押し下げられるストロ−クをそれぞれ示した。なお、単位は全てｍｍである。

表２には、各解析モデルの解析により求めたアーム３の形状を示す。なお、表に示すＡ，Ｂ，Ｃはそれぞれバルジ形状を求める２次式Ｙ＝Ａ×（Ｘ−Ｂ）^２＋Ｃの係数である。平均半径、厚みとはそれぞれアーム３の平均半径、アーム３の厚みであり、係数Ｃ（Ｙ座標）については平均半径で、係数Ｂ（Ｘ座標）については厚みで割ることで無次元化している。また、係数Ｃ（Ｙ座標）については、図３に示す０°方向の結果を示している。なお、単位は全てｍｍである。

まず、楕円形状は、素材直径及び素材長さが変化すると楕円の長径、短径ともに変化する。このため、アーム３の平均半径と関係すると考えられる。特に、長径はストロークの影響を受けると考えられる。一方、ずれ量は素材形状とストロークの影響が大きいと考えられる。以上より、以下の式が得られた。なお、各係数（材料定数）は、実際の種々の鍛造条件で鍛造したときの変形後の形状のデータを重回帰することによって求めた。
楕円長径＝2×（0.327×ストローク＋0.753×アーム平均半径＋10.974）
楕円短径＝2×（0.688×アーム平均半径＋60.586）
ずれ量＝0.181×ストローク＋52.240×素材直径／素材長さ−96.251

また、ＲＲ鍛造の圧縮、偏芯によって起こるバルジ形状は、基本的にアプセット時に起こると考えられる。そのため、バルジ形状の頂点Ｘ座標（係数Ｂ）は、圧縮面の中央、すなわちアーム３の厚みの１／２になり、表２の結果から以下のようになる。
Ｂ＝Ｍ12×アーム厚み

Ｙ座標は、ピン軸４の軸心とジャーナル軸５の軸心の中点ａを原点とした場合、方向や場所により見かけのストロークが異なる。部位ごとに、実際の種々の鍛造条件で鍛造したときの変形後の形状のデータを重回帰することによって求めた結果から以下の式が得られた。
Ａ（0°）＝-0.013×素材直径／素材長さ−0.068×圧縮量／素材長さ＋0.0508
Ａ（90°）＝-0.013×素材直径／素材長さ−0.043×圧縮量／素材長さ＋0.0400
Ｃ（0°）＝（-0.200×素材直径／素材長さ＋0.177×ストローク／圧縮量＋0.128）×アーム平均半径
Ｃ（90°）＝（0.150×素材長さ／素材直径−0.711×圧縮量／素材長さ＋0.400）×アーム平均半径

前記のように得られた式を用いて鍛造後のアーム３の形状予測を行い、変形解析により得られる結果と比較し、形状予測式の妥当性を検証した。表３に検証に用いる解析モデルの寸法等を示す。単位はｍｍである。また、表４に形状予測式から得られた結果と、解析によって得られた結果の比較を示す。

形状予測式より得られた結果と、解析によって得られた結果の差は７％以下で、絶対値でも１０ｍｍ程度と殆んど差がない。すなわち、形状予測式により精度良く形状予測ができることがわかった。

本発明の一実施形態を示すフローチャートである。一体型クランク軸の製品形状と、機械加工代の最低量と、仮想楕円とを示すアームの概略側面図である。仮想楕円と予測楕円の関係を示すアームの概略側面図である。一体型クランク軸の鍛造方法を示す縦断面図であって、（ａ）は初期セット状態、（ｂ）はアプセット工程、（ｃ）はオフセット工程をそれぞれ示す。初期素材がアームの状態にまで変形する過程を示す正面図であって、（ａ）は初期セット状態での初期素材とピン軸とジャーナル軸、（ｂ）はアプセット工程での初期素材とピン軸とジャーナル軸、（ｃ）はオフセット工程でのアームとピン軸とジャーナル軸をそれぞれ示す。初期素材がアームの状態にまで変形する過程を示す初期素材並びにアームの側面図であって、（ａ）は初期セット状態での初期素材、（ｂ）はアプセット工程での初期素材、（ｃ）はオフセット工程でのアームをそれぞれ示す。一体型クランク軸を示す正面図である。

符号の説明

１…一体型クランク軸
２…スロー
３…アーム
４…ピン軸
５…ジャーナル軸
６…製品形状
７…機械加工代
８…側面
３Ａ…初期素材
ａ…中点
ｐ…ピン軸の軸芯
ｊ…ジャーナル軸の軸芯
Ｄ１…仮想楕円
Ｄ２…予測楕円

Claims

一対のアームとアーム間を繋ぐピン軸で成る複数のスローを、ジャーナル軸で連結して構成される一体型クランク軸の製品形状の周囲に、機械加工代を均一に付与する第１ステップと、
前記機械加工代を付与した形状を全て含むように、ピン軸の軸芯とジャーナル軸の軸芯の中点を中心としてアーム側面の仮想楕円を描く第２ステップと、
前記仮想楕円をもとに鍛造荷重を算出する第３ステップと、
鍛造前の初期素材の素材直径、素材長さを、製品形状に機械加工代を考慮することにより仮定する第４ステップと、
前記の仮定した素材直径、素材長さをもとにアーム側面の予測楕円を計算により求める第５ステップと、
前記予測楕円を前記仮想楕円と比較する第６ステップと、
前記予測楕円と前記仮想楕円との間のずれ量が設定した誤差を超えた場合、第５ステップで仮定した素材長さを変更し第６ステップに戻る第７ステップと、
前記ずれ量が設定した誤差以内の場合、前記の仮定した素材直径、素材長さを鍛造前の初期素材の適正な素材直径、素材長さとする第８ステップを
有する適正素材形状決定手法を用いて一体型クランク軸を鍛造する
一体型クランク軸の鍛造方法。
第３ステップにおける鍛造荷重は、以下の式から算出されることを特徴とする請求項１記載の一体型クランク軸の鍛造方法。
ここで、鍛造荷重Ｐ＝Ｑ×ＤＳ×σ
上式で、Ｑは拘束係数、ＤＳは仮想楕円の面積、σは変形抵抗である。
第５ステップの予測楕円は、楕円長径と楕円短径及び楕円中心のずれ量を導き出す以下の３式で計算されることを特徴とする請求項１または２記載の一体型クランク軸の鍛造方法。
楕円長径＝２×（Ｍ1×ストローク＋Ｍ2×アーム平均半径＋Ｍ3）
楕円短径＝２×（Ｍ4×アーム平均半径＋Ｍ5）
ずれ量＝Ｍ6×ストローク＋Ｍ7×素材直径／素材長さ＋Ｍ8
上式で、Ｍ1はストロークが楕円長径に及ぼす影響係数、
Ｍ2は圧縮により発生するアーム平均半径が楕円長径に及ぼす係数、
Ｍ3は補正係数、
Ｍ4は圧縮により発生するアーム平均半径が楕円短径に及ぼす係数、
Ｍ5は補正係数、
Ｍ6はストロークがずれ量に及ぼす影響係数、
Ｍ7は素材形状がずれ量に及ぼす影響係数、
Ｍ8は補正係数である。
アーム外周のバルジ形状を２次式Ｙ＝Ａ×（Ｘ−Ｂ）^２＋Ｃから求める別のステップがあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の一体型クランク軸の鍛造方法。
ここで、上式のＡ，Ｂ，Ｃはそれぞれ次式で求めることができる。
Ａ（θ°）＝Ｍ9×素材直径／素材長さ＋Ｍ10×圧縮量／素材長さ＋Ｍ11
Ｂ＝Ｍ12×アーム厚み
Ｃ（0°）＝（Ｍ13×素材直径／素材長さ＋Ｍ14×ストローク／圧縮量＋Ｍ15）×アーム平均半径
Ｃ（90°）＝（Ｍ16×素材長さ／素材直径＋Ｍ17×圧縮量／素材長さ＋Ｍ18）×アーム平均半径
上式で、Ｍ9は素材形状が係数Ａに及ぼす影響係数、
Ｍ10は圧縮率が係数Ａに及ぼす影響係数、
Ｍ11は補正係数、
Ｍ12はアームの厚みがＸ座標に及ぼす影響係数、
Ｍ13は素材形状がＹ座標に及ぼす影響係数、
Ｍ14はストローク／圧縮量がＹ座標に及ぼす影響係数、
Ｍ15は補正係数、
Ｍ16は素材形状がＹ座標に及ぼす影響係数、
Ｍ17は圧縮量／素材長さがＹ座標に及ぼす影響係数、
Ｍ18は補正係数である。