JP2010023103A - 鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛造型の磨耗による経時変化にも関わらずに鍛造後のワークに欠肉が生じることを抑制する。
【解決手段】本発明の鍛造方法は、経時変化後の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積が経時変化前の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積よりも拡大するワーク部位を特定する第１工程（Ｓ１１）と、特定されたワーク部位に接する鍛造型部位の磨耗量を計測する第２工程（Ｓ１４）と、計測された磨耗量が閾値を超えた場合に鍛造型の型間距離を短くする第３工程（Ｓ１８）を含む。磨耗量が閾値を超えると型間距離が短くなるので、ワークの欠肉が防止できる。
【選択図】図８

Description

本発明は、鍛造型の磨耗による経時変化後であってもワーク欠肉の発生を抑制することのできる鍛造方法に関する。特に自動車用クランクシャフトの鍛造方法に関する。

型鍛造は、一組の鍛造型で型打ちすることによってワークを塑性変形させてワークを目的の形状に成形する加工方法である。鋳造と異なり、型鍛造は型の押し付け力でワークに強い荷重を加えることによってワークを塑性変形させる。鍛造型に強い荷重が加わるので鍛造型は使用するにつれて磨耗する。鍛造型が磨耗すると、鍛造後のワークに欠肉が生じる可能性が高くなる。そこで従来は、鍛造型の磨耗量が許容範囲を超えると新しい鍛造型に交換していた。

鍛造型の磨耗を低減する技術が、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１によれば、磨耗の主な要因は、鍛造過程において、塑性変形したワークが、一対の鍛造型内のインプレッションに挟まれた空間からフラッシュランドに挟まれた狭い空間へ進入する際の抵抗であると述べられている。そこで特許文献１の技術は、鍛造型の磨耗量を計測し、計測した磨耗量に応じてワーク重量を変える。磨耗量が少ない段階では、ワーク重量を小さくしてフラッシュランドで挟まれた空間へ進入するワーク量を低減する。即ち、フラッシュランドの抵抗を低減する。磨耗量の増加とともにワーク重量を増加し、磨耗による鍛造型内の空間の増加にも関わらずに、フラッシュランドで挟まれた空間へ進出するワーク量を一定に保つ。これによって、鍛造後の欠肉の発生を回避しながら、フラッシュランドの抵抗を低減し、もって鍛造型の磨耗を抑制する。また、特許文献１には、鍛造型の磨耗量を直接に計測することに替えて、鍛造後のワーク重量や鍛造型の重量を計測することによって磨耗量を推定する技術も開示されている。
また、特許文献２には、鍛造後のワーク重量を計測し、ワーク重量の変化に基づいて一対の鍛造型の間の距離（型間距離）を調整する技術が開示されている。特許文献２の技術も、鍛造後のワーク重量の増加と鍛造型の磨耗量の増加との間に相関関係があるという知見に基づいている。

特許第２５２９３３１号公報 特許第２６５３２２３号公報

特許文献１の技術は、鍛造型の磨耗量の増加にともないワーク重量を増加する。従って鍛造型を使用するにつれて必要となるワーク重量が増大する。即ち、ワークのコストが増大する。
また、鍛造後のワーク重量を計測する特許文献２に開示された技術では、フラッシュ（バリ）を除去した後のワーク重量を計測する必要がある。フラッシュを除去する前のワーク重量は、鍛造前のワーク重量に同じであり、フラッシュ除去後のワーク重量に鍛造型の磨耗量が影響するからである。従ってワーク重量を計測する技術は、例えば荒鍛造工程や仕上鍛造工程など、複数回の鍛造工程（即ち、複数の鍛造型セット）を有する鍛造加工の場合、磨耗している鍛造型を特定することは困難である。さらにワーク重量や鍛造型の重量を計測する技術では、鍛造型の磨耗量の総量を推定することはできるが、局所的な磨耗量を推定することは困難である。
本発明は、ワーク重量を増加することなく、或いはワークや鍛造型の重量を計測することなく、鍛造型の磨耗による経時変化によらずに、鍛造後のワークに欠肉が生じることを抑制する鍛造方法を実現する。

本発明による鍛造方法は、第１工程と第２工程と第３を含む。第１工程では、経時変化後の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積が経時変化前の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積よりも拡大するワーク部位を特定する。第２工程では、特定されたワーク部位に接する鍛造型部位の磨耗量を計測する。第３工程では、計測された磨耗量が閾値を超えた場合に鍛造型の型間距離を短くする。型間距離は、上下一対の鍛造型が最も接近したときの、上下型の間の距離である。型間距離を短くする具体的な手法は、例えばボルスタ（鍛造型を保持する部品）と鍛造型の間に所定の厚みのスペーサを挿入すればよい。

上記の第１工程は、鍛造品の量産に先立って行なわれる工程であり、量産の準備工程と換言することができる。経時変化の前後で断面積が拡大するワーク部位の特定は、例えば実験によって特定すればよい。即ち、上記の第１工程は、経時変化前の鍛造型によって鍛造されたワーク形状と経時変化後の鍛造型によって鍛造されたワーク形状を計測して比較することによって、ワーク部位を特定することが好ましい。ワーク形状の計測は、例えば公知の計測装置（例えば、レーザ式３次元計測装置）を用いればよい。

或いはワーク部位の特定は、鍛造工程におけるワークの塑性変形過程をコンピュータシミュレーションし、シミュレーション結果から特定（推定）してもよい。型間距離を変更するための磨耗量の閾値も、実験、或いはコンピュータシミュレーションによって予め設定すればよい。磨耗量の計測は、レーザ変位計などのセンサを用いて計測すればよい。
鍛造型の経時変化前後で断面積が拡大するワーク部位に接する鍛造型部位が、他の部位よりも磨耗が顕著に進行する部位を示す。磨耗の進行が顕著である鍛造型部位の磨耗量を計測し、磨耗量が閾値を超えたときに型間距離を短くする。型間距離を短くすることによって、一対の鍛造型を閉じたときの鍛造型内部空間の容量が小さくなる。従って、上記の鍛造方法は、欠肉の発生を抑制できる。

上記の鍛造方法によれば、鍛造型の磨耗が進行した後であっても、ワーク重量を増大することなく、欠肉の発生を低減できる。上記の鍛造方法はまた、磨耗量を計測する部位を予め特定することによって、磨耗量の計測点数を少なくすることができる。

磨耗を計測する鍛造型部位は、インプレッションとフラッシュランドの境界を含む部位であることが好ましい。インプレッションは、「彫刻部」とも呼ばれ、完成品の表面形状に形成された鍛造型内面を指す。フラッシュランドは、フラッシュ（バリ）を形成するための鍛造型内面を指す。以下では、インプレッションとフラッシュランドの境界をインプレッション境界と称することがある。閉じた鍛造型の内部空間は、インプレッション境界で、インプレッションの領域からフラッシュランドの領域へ向かって鍛造型の内部空間が急激に狭くなる。従って、鍛造工程中に塑性変形したワークがフラッシュランドへ進入する際に大きな抵抗を受ける。大きな抵抗は鍛造型の磨耗を促進する。即ち、インプレッション境界で磨耗が顕著に進行する。磨耗の顕著に進行するインプレッション境界の磨耗量を計測することで、鍛造型全体の磨耗の進行具合を正確に推定することができる。即ち、型間距離の変更のタイミングを適切に判断することができる。

インプレッション境界のうち、磨耗量を計測する鍛造型部位は、鍛造中のワーク塑性変形過程においてワーク内部の歪速度ゼロ点が水平方向に移動する方向に位置する部位であることも好ましい。これは以下の理由による。ワークは一対の鍛造型が近づくことによって荷重を受ける。本明細書では、一対の鍛造型が近づく方向を便宜上、上下方向と称する。また、荷重方向に交差する方向を便宜上、水平方向と称する。ワークは上下方向に圧縮され、水平方向に拡がる。従ってワーク内部には歪速度ゼロの点が存在する。ワークが水平方向に均等に伸びることができる場合は、ワークは水平方向において偏った力を受けていないことを意味する。このとき、歪速度ゼロ点の動きは上下方向の荷重に支配され、歪速度ゼロ点の移動範囲は小さい。他方、ワークが水平面内のいずれかの方向に偏って伸びる場合、歪速度ゼロ点も水平方向に移動する。ワークが水平面内のいずれかの方向に偏って伸びる場合は、ワークに偏った水平方向の荷重が作用していることを意味する。水平方向の偏った荷重は、塑性変形しているワークがいずれかの領域でインプレッション境界に達し、その境界付近で膨張しようとするワークがフラッシュランドからの抵抗を受けることによって発生する。ワークのいずれかの部位がフラッシュランドから抵抗を受けると、フラッシュランドから抵抗を受けていない方向へ膨張するボリュームが増加する。その結果、歪速度ゼロ点がワークとインプレッション境界の接点の方向へ移動する。即ち、ワークは、歪速度ゼロ点の移動方向に位置するインプレッション境界で他の部位よりも先に鍛造型に接する。従って、ワーク内部の歪速度ゼロ点が移動する方向に位置する鍛造型部位が磨耗の進行が顕著な部位であると特定できる（推定できる）。歪速度ゼロ点の移動方向を推定することによって、磨耗が顕著に進行する部位、即ち、経時変化後の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積が経時変化前の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積よりも拡大するワーク部位を特定することができる。ワーク内部の歪速度ゼロ点が移動する方向に位置する鍛造型部位の磨耗量を計測することによって、鍛造型全体の磨耗の進行を正確に推定することができる。型間距離の変更のタイミングを適切に判断することができる。

本発明の鍛造方法は、軸方向に沿って断面積の小さい部分と断面積の大きい部分が混在する部品の鍛造に好適である。そのような複雑な形状の鍛造型では、磨耗が顕著に進行する部分と欠肉を生じ易い部分が複雑に分かれるからである。そのような形状の代表的な部品が自動車のクランクシャフトである。クランクシャフトの鍛造方法において、磨耗量を計測する鍛造型部位は、カウンタウエイトに挟まれたクランクシャフトジャーナルを形成する部位とコンロッドピンを形成する部位の少なくとも一方の部位であるとよい。上記２つの部位はいずれも、軸線と交差するワーク断面の面積がカウンタウエイトの断面積よりも小さい。そのような部位では、ワークと鍛造型の間の空隙がはじめから小さく、鍛造工程の早いタイミングでワークがインプレッション境界に達する。そのような部位では、ワークがインプレッション境界に接している時間が長いので磨耗が激しい。

クランクシャフトの鍛造工程は、荒地鍛造工程と仕上鍛造工程を含む場合がある。そのような場合、荒地鍛造工程において磨耗量を計測する鍛造型部位がクランクシャフトジャーナルを形成する部位とコンロッドピンを形成する部位の少なくとも一方の部位であり、仕上鍛造工程において磨耗量を計測する鍛造型部位がカウンタウエイトのピン支持部を形成する部位であることが好ましい。荒地鍛造工程後のワークの形状は最終的なクランクシャフトの形状に近い。即ち、荒地鍛造工程後のワークは、大きい断面積を有しているカウンタウエイトの近似形状を有している。しかしながら、荒地鍛造工程後のワークは、大きい断面積を有しているカウンタウエイトに欠肉を生じている可能性がある。特に、ボリュームの大きいウエイト部（実質的にカウンタウエイトの本体部分）が、ボリュームの小さいピン支持部（カウンタウエイトうち、コンロッドピンに連続する部位）よりも欠肉が生じ易い。
他方、仕上鍛造工程は、コイニングと呼ばれる場合もあり、荒地鍛造工程後のワークに正確にインプレッションの形状を転写する工程である。仕上鍛造工程によって、荒地鍛造工程後の欠肉部分が補填される。従って、仕上鍛造工程では、カウンタウエイトのピン支持部を形成する鍛造型部位に他の部位よりも大きな荷重が加わる。仕上鍛造工程では、ピン支持部を形成する鍛造型部位で磨耗の進行が顕著である。従って、荒地鍛造工程と仕上鍛造工程のそれぞれで磨耗の進行が顕著な鍛造型部位の磨耗量を計測することによって、一層確実に、欠肉が生じる前に型間距離を調整することができる。
なお、荒地鍛造工程と仕上鍛造工程の双方で、クランクシャフトジャーナルを形成する部位（第１部位）、コンロッドピンを形成する部位（第２部位）、及び、カウンタウエイトのピン支持部を形成する部位（第３部位）の夫々の磨耗量を計測し、荒地鍛造工程においては第１部位と第２部位のいずれか一方の磨耗量に基づいて型間距離を調整し、仕上鍛造工程においては第３部位の磨耗量に基づいて型間距離を調整してもよい。荒地鍛造工程と仕上鍛造工程の双方で第１部位、第２部位、第３部位の全ての磨耗量を計測する方法と、荒地鍛造工程では第１部位と第２部位の少なくとも一方の磨耗量を計測し、仕上鍛造工程では第３部位の磨耗量を計測する方法は等価であることに留意されたい。

本発明の鍛造方法によれば、鍛造型の磨耗によるワーク欠肉の発生を抑制することができる。

図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。本実施例は、自動車のクランクシャフトの鍛造方法である。まず、図１を参照してクランクシャフトを説明する。クランクシャフト１０は、ジャーナル１６と、カウンタウエイト１２と、コンロッドピン１４を備える。このクランクシャフト１０は、４シリンダ用であり、４つのコンロッドピン１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄを備える。４つのコンロッドピン１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び１４ｄを合わせて「コンロッドピン１４」と総称する。コンロッドピン１４ａと１４ｄは、同位相に配置されている。コンロッドピン１４ｂと１４ｃも同位相に配置されている。コンロッドピン１４ａと１４ｂは、１８０度の位相差を有している。ジャーナル１６は、正確にはクランクシャフトジャーナルと呼ばれることもあるが、実施例では簡単のため単に「ジャーナル」と称する。ジャーナル１６は、クランクシャフト１０全体の端部に相当する端部ジャーナル１６ａと、２つのカウンタウエイトに挟まれている中間ジャーナル１６ｂに分けることができる。端部ジャーナル１６ａと中間ジャーナル１６ｂを合わせて「ジャーナル１６」と総称する。

カウンタウエイト１２は、実質的にカウンタウエイトの本体であるウエイト部１２ａと、ピン支持部１２ｂに分けることができる。より厳密には、ジャーナル１６の軸線ＣＬよりもコンロッドピン側をピン支持部１２ｂと称し、軸線ＣＬを挟んでコンロッドピン１４と反対側をウエイト部１２ａと称する。クランクシャフト１０の形状は、軸線ＣＬに交差する断面において形状差の大きな非対称であるとともに、軸線ＣＬに沿って大きな断面を有するカウンタウエイト１２と小さな断面を有するジャーナル１６及びコンロッドピン１４が交互に配置されており、鍛造が難しい。

図２を参照して、クランクシャフトの製造工程の概要を説明する。図２の（Ａ）〜（Ｅ）は、クランクシャフトのカウンタウエイトになるべきワーク部分の断面を示している。「ワーク」とは、完成前のクランクシャフトを意味する。「ワーク」は、「素材」、「半製品」或いは「中間製品」と称される場合もある。

まず円柱状の材料を、クランクシャフト全長にほぼ匹敵する長さにカットする（図２（Ａ））。図２（Ａ）の符号Ｗ１がカットした材料を示している。次に、ワークＷ１を予備成形する（図２（Ｂ））。図２（Ｂ）の符号Ｗ２が予備成形されたワークを示している。ワークＷ２は、後の鍛造工程の負荷を軽減するために、円柱状のワークＷ１を楕円に潰したり、クランクシャフトの形状に合わせて湾曲させたりして成形する。次に、ワークＷ２をクランクシャフト１０の近似形状に鍛造加工する（図２（Ｃ））。この工程が荒地鍛造工程である。図２（Ｃ）の符号Ｗ３が、クランクシャフト１０の近似形状に成形されたワークを示している。鍛造工程では、一組の鍛造型の合わせ目に沿って、ワークＷ３の周囲にバリＷａ、Ｗｂが生じる。次に、ワークＷ３を、目的とするクランクシャフト１０の形状に鍛造加工する（図２（Ｄ））。この工程が仕上鍛造工程である。仕上鍛造工程によって、ワーク表面にインプレッションの形状が正確に転写される。この「転写」は「コイニング（ｃｏｉｎｉｎｇ）」と呼ばれることもある。図２（Ｄ）の符号Ｗ４が、クランクシャフト１０の形状に成形されたワークを示している。ワークＷ４にもバリが残っている。最後に、バリを除去してクランクシャフト１０が完成する（図２（Ｅ））。荒地鍛造工程と仕上鍛造工程における鍛造方法が、本実施例で説明する鍛造方法である。以下では、荒地鍛造工程と仕上鍛造工程を合わせて単に「鍛造工程」と称する場合がある。

図３を用いて鍛造工程を説明する。図３の（Ａ）から（Ｃ）の順に、ワークＷが成形される過程を示している。図３は、図１のIII−III線に沿って見たときの図である。即ち、図３は、クランクシャフト１０のカウンタウエイト１２に相当するワーク断面を示している。図３のワークＷの右側部分がピン支持部になるべき部分であり、左側部分がウエイト部になるべき部分である。
符号２０と２２は夫々、鍛造上型と鍛造下型を示している。鍛造上型２０と鍛造下型２２を合わせて一対の鍛造型と称する。符号２０ａと２０ｂは、鍛造上型２０のフラッシュランドを示している。符号２０ａは、ピン支持部側のフラッシュランドを示しており、符号２０ｂはウエイト側のフラッシュランドを示している。符号２０ｃは、鍛造上型２０のインプレッションを示している。符号２２ａと２２ｂは、鍛造下型２２のフラッシュランドを示している。符号２２ａはピン支持部側のフラッシュランドを示しており、符号２２ｂはウエイト側のフラッシュランドを示している。符号２２ｃは、鍛造下型２２のインプレッションを示している。
符号Ｓ１は、鍛造型の左端からワークＷの中心までの距離を示している。この距離は、鍛造型内におけるワークＷのセット位置を意味する。符号Ｑは、ワークＷと鍛造上型２０が最初に接する位置を示している。この位置Ｑは、鍛造型のくびれ部分に相当する。くびれ部分は換言すれば、ウエイト部とピン支持部の境界である。符号Ｌ１、Ｆ及びＣＰについては後述する。

ワークＷは、鍛造下型２２に載置され、一組の鍛造型（鍛造上型２０と鍛造下型２２）が所定の荷重で閉じる際に塑性変形する。ワークＷは、塑性変形しながら一組の鍛造型のインプレッションに密着し、目的とする形状に成形される。図３（Ａ）は、鍛造工程開始時の状態を示しており、図３（Ｂ）は、一組の鍛造型が途中まで接近した状態を示しており、図３（Ｃ）は、鍛造工程が終了した状態を示している。鍛造工程終了時の上下型の間の距離が型間距離Ｈである。以下では、一組の鍛造型が接近する方向を「上下方向」と称し、上下方向に直交する方向を「水平方向」と称する。図３の紙面上下方向が「上下方向」に相当し、紙面左右方向が「水平方向」に相当する。

鍛造工程を説明する前に、鋳造時のワークＷの塑性変形過程を説明する。鍛造開始時（図３（Ａ））は、まず位置Ｑで鍛造型（上型２０と下型２２）とワークＷが接触する。一組の鍛造型を近づけると、ワークＷに上下方向から荷重が加わる。上下方向の荷重によってワークＷは上下方向に圧縮されるとともに水平方向に膨張する。塑性変形の間、ワークＷは塑性流体として扱うことができる。ワークＷの内部では、荷重によって歪速度が生じる。符号Ｆが示す矢印群が、ワーク内部の各流体要素の歪速度ベクトル（即ち、歪速度の方向）を示している。位置Ｑの付近で上下方向の荷重を受けるため、位置Ｑの付近では上下方向から中心へ向かい、位置Ｑからワーク上下方向の中間位置へ向かうにつれて徐々に中心から水平方向両側へ開いていくように歪速度ベクトルが分布する。図に示すように、ワーク内部には歪速度ゼロの点が存在する。図３の符号ＣＰが歪速度ゼロ点を示している。図３（Ａ）の符号Ｌ１が、鍛造開始時における、鍛造型左端から歪速度ゼロ点ＣＰまでの距離を示している。即ち、符号Ｌ１は、歪速度ゼロ点の初期位置を表す。この実施例では、ワークＷのセット位置Ｓ１と、歪速度ゼロ点ＣＰの初期位置Ｌ１が一致している。

一組の鍛造型が近づくにつれてワークＷは塑性変形し、鍛造型内のいずれかの位置で、ワークＷがインプレッションの端部へ到達する。「インプレッションの端部」とは、インプレッションとフラッシュランドの境界を意味する。図３（Ｂ）では、カウンタウエイトのピン支持部側（図３の右側）のインプレッション端部が、ウエイト部側（図３の左側）よりも先にワークと接触している。インプレッションの端部へ到達したワークＷは上下方向の荷重によって狭いフラッシュランドへ進出しようとして抵抗を受ける。膨張しようとしているワークＷからみれば、フラッシュランドの抵抗はワークＷに加わる水平方向の荷重として扱うことと等価である。
ワークＷは接触しているインプレッション端部からも荷重を受け、接触点と反対側において、ワークとインプレッションの間の空隙への膨張が促進される。その結果、ワーク内部ではワークとインプレッションの間の空隙へと移動するボリュームが増え、歪速度ゼロ点ＣＰが移動する（図３（Ｂ））。歪速度ゼロ点ＣＰは、ワークＷとインプレッション端部との接触点へ向かって移動する。図３（Ｂ）では、ピン支持部側のインプレッション端部へ向かって歪速度ゼロ点ＣＰが移動している。図３（Ｂ）は、歪速度ゼロ点ＣＰが初期位置Ｌ１から水平方向（ピン支持部側のインプレッション端部へ向かう方向）に距離ｄ１だけ移動した状態を示している。一組の鍛造型をさらに近づけると、歪速度ゼロ点ＣＰはさらに右側へ移動する。一対の鍛造型が所定の型間距離Ｈで停止した時点で歪速度ゼロ点ＣＰの移動が停止する。ここで、型間距離Ｈは、鍛造工程が終了したときの一対の鍛造型の間の距離を意味する。別言すれば、型間距離Ｈは、ワークＷとインプレッションとの間の空隙（欠肉により生じる空隙を除く）が消滅したときの一対の鍛造型の間の距離である。図３（Ｃ）の符号ｄ２は、型間距離Ｈまで一対の鍛造型が接近した時点における歪速度ゼロ点ＣＰの移動距離を示している。即ち、歪速度ゼロ点ＣＰは、鍛造工程において水平方向に距離ｄ２だけ移動する。図３（Ｃ）では、フラッシュランドの間（２０ａと２２ａの間、及び、２０ｂと２２ｂの間）に塑性変形したワークの一部（バリＷａとバリＷｂ）が進出している状態を示している。図３が示すように、クランクシャフト１０の鍛造工程は、軸線に対して非対称の長尺部品の半密閉鍛造工程である。

次に、鍛造装置を説明する。図４に鍛造装置５０の模式図を示す。この鍛造装置５０は、荒地鍛造用の一対の鍛造型（荒地用鍛造上型２２０と荒地用鍛造下型２２２）、及び、仕上鍛造用の一対の鍛造型（仕上用鍛造上型３２０と仕上用鍛造下型３２２）を同時に使うことができる。即ち、鍛造装置５０は、荒地鍛造工程と仕上鍛造工程を同時に実施できる。以下では、荒地用鍛造上型２２０と仕上用鍛造上型３２０を、鍛造上型２０と総称する。荒地用鍛造下型２２２と仕上用鍛造下型３２２を、鍛造下型２２と総称する。

鍛造上型２０は、上ボルスタ５２に保持される。鍛造下型２２は、下ボルスタ５４に保持される。下ボルスタ５４は、鍛造装置５０のベース（不図示）に固定される。上ボルスタ５２は、油圧機構５６に支持され、図４の矢印が示すように、上下に移動することができる。荒地用鍛造下型２２２の下面と下ボルスタ５４の間に、荒地用スペーサ５８が配置されている。仕上用鍛造下型３２２の下面と下ボルスタ５４の間に、仕上用スペーサ５９が介挿されている。荒地用スペーサ５８を厚みの異なる他のスペーサに交換することによって、荒地鍛造工程における型間距離を変更することができる。仕上用スペーサ５９を厚みの異なる他のスペーサに交換することによって、仕上鍛造工程における型間距離を変更することができる。鍛造装置５０は、荒地鍛造工程と仕上鍛造工程のそれぞれで型間距離を独立に調整することができる。

図５〜図７を参照して、磨耗による経時変化の前後で鍛造後のワーク形状がどのように変化するかを説明する。
図５に、鍛造下型２２の平面図を示す。図５の鍛造下型２２は、図３に示す鍛造下型２２に対応している。図３の鍛造下型２２は、図５のＢ−Ｂ線に沿って見たときの断面を示している。図３と図５において同じ符号は同じ部品を表している。即ち、図５の符号２２ａはピン支持側のフラッシュランドを示し、符号２２ｂはウエイト側のフラッシュランドを示し、符号２２ｃは、インプレッションを示している。なお、「ピン支持側のフラッシュランド」、「ウエイト側のフラッシュランド」という表現は、カウンタウエイトのピン支持部の位置に依存することに留意されたい。即ち、ピン支持部を形成する鍛造型部位が図５の左側に位置する領域については、符号２２ｂが「ピン支持側のフラッシュランド」に相当し、符号２２ａが「ウエイト側のフラッシュランド」に相当する。
図６に、荒地鍛造工程後のワークの断面を示す。図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は夫々、図５のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿ったワーク断面を示している。図７に、仕上鍛造工程後のワークの断面を示す。図７の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）も夫々、図５のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、及びＣ−Ｃ線に沿ったワーク断面を示している。Ａ−Ａ線に沿った断面は、中間ジャーナル１６ｂに相当するワーク部位の断面である。Ｂ−Ｂ線に沿った断面は、カウンタウエイト１２に相当するワーク部位の断面である。Ｃ−Ｃ線に沿った断面は、コンロッドピン１４に相当するワーク部位の断面である。図６と図７において、符号ａは、コンロッドピン側のフラッシュランドで形成される領域を示し、符号ｂは、ウエイト側のフラッシュランドで形成される領域を示す。即ち、領域ａと領域ｂに相当するワーク部位は、バリ（フラッシュ）を意味する。符号ｃは、インプレッションで形成される領域を示す。図５の符号ｐ１〜ｐ３については後述する。

図６と図７において、実線は、経時変化前（磨耗前）の鍛造型によって形成されたワークの断面を示している。破線は、経時変化後（磨耗後）の鍛造型によって形成されたワークの断面を示している。破線が示されていない部分は、経時変化前後で形状に変化がないことを示している。経時変化前の鍛造型とは、別言すれば、新品の鍛造型を意味し、経時変化後の鍛造型とは、例えば数千回の鍛造を繰り返した後の鍛造型を意味する。図６と７は、試験用の鍛造型で鍛造加工を繰り返して得た実験結果を模式的に表している。図６と図７から、経時変化前後でワーク断面形状が拡大するワーク部位を特定することができる。

荒地鍛造工程における、経時変化前後のワーク断面形状の変化を説明する。図６の（Ａ）、（Ｃ）が示すように、ジャーナルに相当するワーク部位とコンロッドピンに相当するワーク部位において、鍛造型の経時変化前後で断面積が拡大している。特に図６の符号ｑ１とｑ３が示すように、インプレッションとフラッシュランドの境界を含むワーク部位で断面積が拡大している。他方、図６の（Ｂ）が示すように、カウンタウエイトに相当するワーク部位においては、経時変化の前後で断面積が減少している。これは、カウンタウエイトに相当する部位からジャーナルに相当する部位とコンロッドピンに相当する部位にワークのボリュームが移動していることを示している。その結果、カウンタウエイトに相当する部位、特に、ウエイト部側の部位（符号ｑ２が示す部位）で欠肉が生じている。
図６の結果から、荒地鍛造工程では、ジャーナルを形成するワーク部位であり、インプレッションとフラッシュランドの境界を含むワーク部位が、鍛造型の経時変化前後で断面積が増大する部位として特定できる。同様に、コンロッドピンを形成するワーク部位であり、インプレッションとフラッシュランドの境界を含むワーク部位が、鍛造型の経時変化前後で断面積が増大する部位として特定できる。

ジャーナルを形成するワーク部位と、コンロッドピンを形成するワーク部位は、カウンタウエイトに比較して断面積が小さいため、鍛造工程中の早いタイミングでワークが型内の空間に広がる。それらの部位は、鍛造工程中の早いタイミングで狭いフラッシュランドへ進出しようとするため、フラッシュランドから強い抵抗を受ける。そのため、特にフラッシュランドとインプレッションの境界付近で磨耗が顕著に進行し、他の部位よりもワーク断面積が拡大する。

図７を参照して、仕上鍛造工程における、経時変化前後のワーク断面形状の変化を説明する。カウンタウエイトに相当するワーク部位において、鍛造型の経時変化前後で断面積が拡大している。特に図７の符号ｑ４が示すように、カウンタウエイトのピン支持部側（図７（Ｂ）の右側）で断面積が拡大している。
図７の結果から、仕上鍛造工程では、カウンタウエイトを形成するワーク部位であり、インプレッションとフラッシュランドの境界を含むワーク部位が、鍛造型の経時変化前後で断面積が増大する部位として特定できる。特に、カウンタウエイトのピン支持部側に相当するワーク部位が、鍛造型の経時変化前後で断面積が拡大する部位として特定できる。

前述したように、荒地鍛造工程では、カウンタウエイトのウエイト側に欠肉が生じる（図６（Ｂ）の符号ｑ２が示す部位）。仕上鍛造工程では、ピン支持部側から強い荷重が加わり、この欠肉部が補填される。そのため、仕上工程ではカウンタウエイトのピン支持部側でワーク断面積の拡大が顕著となる。

図６と図７に示す試験結果から、次の鍛造方法を得ることができる。荒地鍛造工程では、ジャーナルを形成するワーク部位に接する鍛造型部位、或いは、コンロッドピンを形成するワーク部位に接する鍛造型部位の磨耗量を計測し、磨耗量が閾値を超えた場合に、型間距離を短くする。また、仕上鍛造工程では、カウンタウエイトを形成するワーク部位に接する鍛造型部位の磨耗量を計測し、磨耗量が閾値を超えた場合に型間距離を短くする。磨耗量を計測する部位は、フラッシュランドとインプレッションの境界を含む部位が好ましい。特に仕上鍛造工程では、カウンタウエイトのピン支持部を形成するワーク部位に接する鍛造型部位であって、フラッシュランドとインプレッションの境界を含む部位（図７（Ｂ）の符号ｑ４が示す部位）の磨耗量を計測することが好ましい。

図５の符号ｐ１〜ｐ３が、磨耗量を計測する好ましいポイントを示している。ポイントｐ１は、中間ジャーナル１６ｂに相当するワーク部位に接する鍛造型部位であってフラッシュランドとインプレッションの境界である。ポイントｐ１は、図６（Ａ）のｑ１の部位に対応する。ポイントｐ２は、カウンタウエイトのピン支持部１２ｂの側に接する鍛造型部位であってフラッシュランドとインプレッションの境界である。ポイントｐ２は、図７（Ｂ）のｑ４に対応する。ポイントｐ３は、コンロッドピン１４に相当するワーク部位に接する鍛造型部位であってフラッシュランドとインプレッションの境界である。ポイントｐ３は、図６（Ｃ）のｑ３に対応する。
荒地鍛造工程では、ポイントｐ１とｐ３の少なくとも一方の磨耗量を計測することによって、荒地用鍛造型の磨耗の程度を正確に把握することができる。仕上鍛造工程では、ポイントｐ２の磨耗量を計測することによって、仕上用鍛造型の磨耗の程度を正確に把握できる。計測した磨耗量が閾値を超えた場合に、図４のスペーサ５８又は５９を交換して型間距離を短くすることによって、磨耗量の増加にも関わらずにワークの欠肉を防止できる。

上記の鍛造工程のフローチャートを図８に示す。量産工程に先立って、ステップＳ１０〜Ｓ１２を実行する。これらのステップは、量産前の準備工程である。まず、ステップＳ１０では、量産用の鍛造型を使って、一定回数の鍛造を繰り返す。このとき、定期的に鍛造後のワークの形状（或いはワーク断面の断面）を計測する。ワークの形状は、レーザ式３次元計測装置を用いて計測する。
次にステップＳ１１では、試験開始前の鍛造型によって形成されたワーク断面と所定回数使用後の鍛造型によって形成されたワーク断面を比較し、ワーク断面積が拡大しているワーク部位を特定する。即ちステップＳ１０とＳ１１の工程は、経時変化前の鍛造型によって鍛造されたワーク形状と経時変化後の鍛造型によって鍛造されたワーク形状を計測して比較することによって、ワーク部位を特定する。
次に、ステップＳ１２で、ワーク断面が拡大しているワーク部位に接する鍛造型部位を特定する。荒地用鍛造型ではポイントｐ１とｐ３が特定される。仕上用鍛造型ではポイントｐ２が特定される。こうして特定されたポイントが量産工程における磨耗量の計測ポイントである。即ちステップＳ１２によって、磨耗量の計測ポイントが特定される。また、準備工程の試験の結果から、各計測ポイントにおける磨耗量の許容値（閾値）が特定される。

ステップＳ１４からＳ１８が、量産鍛造工程である。量産鍛造工程では、所定回数だけ鍛造する毎に、ステップＳ１２で特定された計測ポイントの磨耗量を計測する（ステップＳ１４）。計測された磨耗量が閾値を超えた場合（ステップＳ１６、ＹＥＳ）、スペーサを交換して型間距離を短くする。そして再び鍛造を繰り返す。計測された磨耗量が閾値を超えていない場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、そのまま鍛造を繰り返す。

上記の鍛造方法によって、閾値まで磨耗が進行すると型間距離が縮められ、欠肉が防止される。上記の鍛造方法は、ワークのボリュームを増加させることなく、鍛造型の磨耗の進行に関わらずに欠肉を防止することができる。また上記の鍛造方法は、磨耗量の計測点が予め特定されているので、量産鍛造中に迅速に磨耗量をチェックすることができる。特に上記の鍛造方法は、量産工程に先立って、経時変化前後（磨耗前後）の鍛造型によって鍛造されたそれぞれのワークの形状を計測して比較することによって、磨耗量の計測ポイントを特定する。特定された計測ポイントは、磨耗の顕著な部位である。上記の鍛造方法は、そのように特定された数少ない計測ポイントを計測すればよいので、磨耗のチェックを低コストで迅速に実施することができる。上記の鍛造方法は、磨耗のチェックを低コストで頻繁に実施することができるので、鍛造型の経時的変化に応じて適切なタイミングで型間距離を調整することができる。即ち、上記の鍛造方法は、鍛造時の欠肉の発生を抑制することができる。

図８に示した鍛造工程の変形例を説明する。図８のフローチャートでは、実験によって、経時変化前後で断面積が拡大するワーク部位を特定した。実験の代わりに、コンピュータシミュレーションによって、鍛造型の磨耗量計測ポイントを特定する（推定する）こともできる。前述したように、経時変化前後で断面積が拡大するワーク部位は、塑性変形において歪速度ゼロ点ＣＰの移動方向に対応することを説明した。この知見を利用することによって、以下のとおり、コンピュータシミュレーションで磨耗量計測ポイント特定することができる。まず、鍛造中のワークの塑性変形過程をコンピュータシミュレーションによって推定する。シミュレーションによって、ワーク塑性変形中の歪速度ゼロ点の軌跡を推定する。そして、歪速度ゼロ点の移動方向に位置する鍛造型部位（特に、インプレッションとフラッシュランドの境界の部位）を、磨耗量計測ポイントとして特定する。コンピュータシミュレーションによってワーク内部の歪速度ゼロ点の移動方向を推定することによって、実験を要することなく、磨耗量計測ポイントを特定することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１は、クランクシャフトの模式的斜視図を示す。 図２は、クランクシャフトの製造過程を模式的に示す図である。 図３は、鍛造工程を説明する図である。 図４は、鍛造装置の模式図である。 図５は、鍛造型の平面図である。 図６は、荒地鍛造工程における鍛造型の経時変化前後のワーク形状の変化を示す。 図７は、仕上鍛造工程における鍛造型の経時変化前後のワーク形状の変化を示す。 図８は、準備工程を含む鍛造工程のフローチャート図である。

符号の説明

１０：クランクシャフト
１２：カウンタウエイト
１２ａ：ウエイト部
１２ｂ：ピン支持部
１４：コンロッドピン
１６：ジャーナル
２０：鍛造上型
２２：鍛造下型
５０：鍛造装置
５２：上ボルスタ
５４：下ボルスタ
５６：油圧機構
５８：荒地用スペーサ
５８：スペーサ
５９：仕上用スペーサ

Claims (6)

1. 経時変化後の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積が経時変化前の鍛造型によって鍛造されたワークの断面積よりも拡大するワーク部位を特定する第１工程と、
   特定されたワーク部位に接する鍛造型部位の磨耗量を計測する第２工程と、
   計測された磨耗量が閾値を超えた場合に鍛造型の型間距離を短くする第３工程と、
   を含むことを特徴とする鍛造方法。
2. 第１工程は、経時変化前の鍛造型によって鍛造されたワーク形状と経時変化後の鍛造型によって鍛造されたワーク形状を計測して比較することによって、前記ワーク部位を特定することを特徴とする請求項１に記載の鍛造方法。
3. 前記鍛造型部位は、インプレッションとフラッシュランドの境界を含む部位であることを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造方法。
4. 前記鍛造型部位は、鍛造中のワーク塑性変形過程においてワーク内部の歪速度ゼロ点が移動する方向に位置している部位であることを特徴とする請求項３に記載の鍛造方法。
5. クランクシャフトの鍛造方法であり、
   前記鍛造型部位は、クランクシャフトジャーナルを形成する部位とコンロッドピンを形成する部位の少なくとも一方の部位であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の鍛造方法。
6. 荒地鍛造工程と仕上鍛造工程を含む鍛造方法であり、
   荒地鍛造工程における前記鍛造型部位がクランクシャフトジャーナルを形成する部位とコンロッドピンを形成する部位の少なくとも一方の部位であり、仕上鍛造工程における前記鍛造型部位がカウンタウエイトのピン支持部を形成する部位であることを特徴とする請求項５に記載の鍛造方法。

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