JP2010071438A

JP2010071438A - 金属製部品及びその製造方法

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Publication number: JP2010071438A
Application number: JP2008242209A
Authority: JP
Inventors: Akira Hashimoto; 晃橋本; Daisuke Fujii; 大輔藤井
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-22
Also published as: JP5252371B2

Abstract

【課題】破断部の曲げ剛性を高め、分離荷重を高めることのできるコンロッドと、その製造方法を提供する。
【解決手段】コンロッド部材の貫通孔の両側部位を破断してロッド部とキャップ部とに分割され、分割部後にそれらが締結部材により締結されるコンロッドにおいて、 1対の破断部の各々の断面形状における貫通孔の軸心と直交する径方向長さＨ１，Ｈ２が貫通孔の軸心方向幅Ｂ１，Ｂ２よりも長く設定され、ロッド部とキャップ部を締結する締結部材を挿通させる為の挿入孔８が形成され、挿入孔８の近傍の内径側部分には、この内径側部分よりも大径の大径側部分よりも貫通孔の軸心方向幅Ｂ１，Ｂ２が大きく設定された幅拡張部Ｅ１，Ｅ２が形成されている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、金属製部品及びその製造方法に関し、特にエンジン用コンロッド等の金属製部品の貫通孔の両側部位を破断して第１，第２分割部品にしてから締結部材でもって一体的に締結される金属製部品と、その製造方法に関する。

従来のエンジンのコンロッドは、ロッド部と、このロッド部に複数のボルトにて締結されるキャップ部からなり、一般に鍛造部材又は焼結部材で構成されている。しかし、最近では、延性金属材料製の鍛造部材からなるコンロッドを一体品として製作後に、破断装置を用いて破断し、ロッド部とキャップ部とに分割することによりコンロッドを製作するコンロッドクラッキング技術が採用されつつある。特許文献１には、延性金属製部品の破断方法、破断装置、延性金属製部品の製造方法が開示されている。

エンジンに組み込まれた状態のコンロッドには、ピストンとクランクピンから圧縮荷重や引っ張り荷重が作用し、ロッド部とキャップ部との分割面に作用する圧縮応力が低下して分割面が分離する傾向になる。そこで、コンロッドの性能の１つに、「分離荷重」という指標がある。これは、コンロッドの大径部と小径部とを相離隔する方向へ引っ張った場合に、上記分割面の内周端（クランクピン孔の周面）における圧縮歪みが零になるまでに、コンロッドに付加し得る引っ張り荷重のことである。

前記クラッキング技術により、コンロッドの大径部の１対の破断部を破断したとき、破断部にはへき開状の脆性破断面がほぼ全面的に発生するけれども、破断面にはディンプル状の延性破断面も発生し、分割されたコンロッドの大径部のクランクピン孔（貫通孔）がコンロッドの長さ方向に微小に引き延ばされた長円形になる。つまり、破断部の近傍部には微小塑性変形が発生している。そのため、ロッド部にキャップ部を２本のボルトで締結するとき、ボルト張力の一部は、上記の微小塑性変形を解消させたり、多数の微小突起を変形させたりするのに消費されるため、分離荷重が低下しがちになる。

図１３は本願出願人が採用している現行の焼結金属製のコンロッドの分割面１００の形状を示し、ボルト孔１０１も示されている。図１４は本願出願人が採用している現行の鍛造品のコンロッドの破断分割面２００の形状を示し、ボルト孔２０１も示されている。これらコンロッドの分割面１００や破断分割面２００では、クランクピンの軸心と直交する径方向長さＨが、軸心と平行方向幅Ｂの約５０〜６０％の長さに設定されている。
特開２００５−１４４５６０号公報

従来のコンロッドの分割面や破断分割面では、クランクピンの軸心と直交する径方向長さＨが、前記軸心と平行方向幅Ｂの約５０〜６０％に設定されているため、ロッド部とキャップ部とをボルトにて締結した状態において、コンロッドの１対の分割面（破断部）の近傍部の曲げ剛性（断面２次モーメント）が低くなってしまう。そのため、コンロッドの小径部と大径部とを相離隔させるような荷重が作用したとき、１対の分割面の内径側部分が引っ張り方向へ変形し易くなるため、コンロッドの分離荷重を高めることが難しく、コンロッドの性能を高めることが困難である。

しかも、分割面の面積も大きく設定されているため、ボルトなどの締結部材で締結したときの圧縮応力も低くなるため、分離荷重を高めることが難しい。特にクラッキング技術で製作したコンロッドの場合は、前記のように分離荷重を高めることが難しい。

本発明の目的は、破断により第１，第２金属部品に分割してから締結部材で締結される金属製部品であって、破断部の曲げ剛性を高め、分離荷重を高めることのできる金属製部品と、その製造方法を提供することである。

請求項１の金属製部品は、金属製部材の貫通孔の両側部位を破断して第１分割部品と第２分割部品とに分割され、分割部後にそれら第１，第２分割部品が締結部材により締結される金属製部品において、第１分割部品と第２分割部品とに分割される 1対の破断部の各々の断面形状における貫通孔の軸心と直交する径方向長さが貫通孔の軸心方向幅よりも長く設定されたことを特徴としている。

ここで、上記の請求項１の発明に次の構成を採用してよい。
前記第１分割部品と第２分割部品とを締結する締結部材を挿通させる為に、前記各破断部を直交状に貫通する挿入孔が形成され、前記各破断部の前記挿入孔の近傍の内径側部分には、この内径側部分よりも大径の大径側部分よりも貫通孔の軸心方向幅が大きく設定された幅拡張部が形成され、この幅拡張部の径方向幅が前記大径側部分の径方向幅よりも小さく形成されたことを特徴とする（請求項２）。

前記金属製部品は、エンジンの鋼製コンロッドであり、前記第１分割部品が鋼製コンロッドのロッド部であり、前記第２分割部品が鋼製コンロッドのキャップ部であることを特徴とする（請求項３）

請求項４の金属製部品の製造方法は、金属製部材の貫通孔の両側部位を破断して第１分割部品と第２分割部品とに分割し、分割部後にそれら第１，第２分割部品を締結部材により締結して金属製部品とする金属製部品の製造方法において、第１分割部品と第２分割部品とに分割する１対の破断部の各々の断面形状における貫通孔の軸心と直交する径方向長さを貫通孔の軸心方向幅よりも長くなるよう設定することにより、破断部における曲げ剛性を高めて破断部の分離荷重を高めることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、金属製部材の貫通孔の両側部位を破断して第１，第２分割部品に分割され、分割部後にそれら第１，第２分割部品が締結部材により締結される金属製部品において、第１，第２分割部品に分割される 1対の破断部の各々の断面形状における貫通孔の軸心と直交する径方向長さが貫通孔の軸心方向幅よりも長く設定されたため、前記締結部材により締結した状態において、貫通孔の両側の破断部の曲げ剛性（断面２次モーメント）が高くなるため、第１，第２分割部品を相離隔させる方向へ荷重が作用する時の分離荷重を格段に高めることができ、性能の高い金属製部品になる。

請求項２の発明によれば、前記第１分割部品と第２分割部品とを締結する締結部材を挿通させる為に、前記各破断部を直交状に貫通する挿入孔が形成され、前記各破断部の前記挿入孔の近傍の内径側部分には、この内径側部分よりも大径の大径側部分よりも貫通孔の軸心方向幅が大きく設定された幅拡張部が形成されたため、挿入孔により破断部の曲げ剛性が低下するのを防止して、破断部の曲げ剛性を高める上で有利である。そして、大径側部分の幅を小さくして破断部の断面積を小さく設定することが可能となる。それ故、第１，第２分割部品を締結部材で締結した状態において、破断部に作用する圧縮応力を大きくすることが可能となり、その結果分離荷重を高めることが可能となる上、金属製部品に用いる金属材料の量を節減して製作コストを低減できる。
また、前記幅拡張部の径方向幅が前記大径側部分の径方向幅よりも小さく形成されたため、挿入孔近傍の面積を小さくすることができるから、挿入孔近傍の面圧を高めることができ、締結力を高めることができるため、分離荷重を高めることができる。

請求項３の発明によれば、金属製部品がエンジンのコンロッドであり、第１分割部品がロッド部であり、第２分割部品がコンロッドのキャップ部であるため、ロッド部とキャップ部との境界の破断部の近傍部位の曲げ剛性に優れ且つ分離荷重を高めたコンロッドが得られる。

請求項４の発明によれば、第１分割部品と第２分割部品とに分割する 1対の破断部の各々の断面形状における貫通孔の軸心と直交する径方向長さを貫通孔の軸心方向幅よりも長くなるよう設定することにより、破断部における曲げ剛性を高め且つ破断部の分離荷重を高めるため、破断部の近傍部位における曲げ剛性を高めて破断部の分離荷重を高めた金属製部品を製作することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例に基づいて説明する。

最初に、金属製部品である鋼製のコンロッドについて説明する。
図１、図２に示すように、コンロッドは延性のある鍛造用鋼を用いて鍛造成形にて製作されるものであり、コンロッド１は、ロッド部２と、キャップ部３と、これらロッド部２とキャップ部３とを締結する締結部材としての１対のボルト４とを備えている。
図１、図２に示すように、ロッド部２にキャップ部３を、挿入孔８に挿通された１対のボルト４により締結し破断部６を密着させた状態では、コンロッド１の大径部１ａに円形の貫通孔５が形成され、コンロッド１の小径部１ｂにピン孔９が形成されている。

このコンロッド１を製作する場合、コンロッド部材１Ａ（図３参照）を一体品として鍛造成形にて製作後に、ロッド部２とキャップ部３との境界部を破断することによりロッド部２とキャップ部３とを分割する。このように分割した状態において、ロッド部２が第１分割部品に相当し、キャップ部３が第２分割部品に相当する。

上記のコンロッド部材１Ａを分割する際には、図３に示す破断装置１０を用いて行う。この破断に際して、貫通孔５の内周面のうち破断部６（図１、図２参照）に対応する部位に１対のノッチ７が形成される。その後、図３に示すように、貫通孔５内に上記のノッチ７の両側に位置する１対のマンドレル１１（拡張具）をセットし、それらマンドレル１１の間に形成されるＶ形隙間１２に楔部材１３を挿入し、楔部材１３を油圧シリンダ１４の出力ロッド１５の先端に連結しておき、油圧シリンダ１４により、楔部材１３をＶ形隙間１２に瞬時に強制的に嵌入させることで、１対のノッチ７を破断の起点とする破断を発生させて、ロッド部２とキャップ部３とを分断する。この破断面６（分割面）の大部分はへき開状の脆性破断面のような破断面になるが、この破断面には多数の微小突起のあるディンプル状の延性破断面も含まれる。

ところで、上記のようなクラッキングにより製作したコンロッド１の場合、貫通孔５の外周側壁部に微小な塑性歪みが発生し、貫通孔５の真円度が低下し、貫通孔５がコンロッド１の長さ方向に歪んだ形状になる。しかし、ロッド部２とキャップ部３とを締結部材（ボルト４）により締結した状態で、貫通孔５の内面を研磨加工することにより、貫通孔５の真円度は確保される。

ここで、コンロッド１の小径部１ｂはピン部材を介してエンジンのピストンに連結され、コンロッド１の大径部１ａはクランク軸のクランクピンに連結され、エンジンの稼働中にロッド部２からキャップ部３を分離させるような大きな分離荷重が作用する。そのため、コンロッド１の耐え得る最大の分離荷重がコンロッド１の性能を評価する重要な指標となっている。

クラッキングにより製作したコンロッド１の分離荷重を測定する場合、貫通孔５の内周面のうちの破断面６に対応する部位に、歪みゲージを貼り付けた状態で、締結部材（ボルト４）を所定の締結力で強力に締結して、破断部６とその近傍部の壁部を圧縮状態にし、その状態において、大径部１ａと小径部１ｂを相離隔させる「引っ張り荷重」を付加することにより、破断面６とその近傍部の壁部の圧縮歪みを低減させていき、歪みゲージの歪みが零になる時の上記引っ張り荷重を「分離荷重」と定義している。以下、本明細書に記載する「分離荷重」は、上記の分離荷重のことである。

ところで、クラッキングにより製作したコンロッド１の場合、破断面６に前記のような多数の微小突起が発生した延性破断面が存在するため、また、貫通孔５の外周側壁部に微小な塑性歪みが発生していて、そこに締結部材４による締結力の一部が吸収（消費）されてしまうため、分離荷重が低下しがちになる。

そこで、本願の発明者等は、品質工学の手法を用いて破断面の望ましい断面形状（つまり、図１のＸ−Ｘ断面に表れる望ましい断面形状）を決定すべく品質工学に基づいて開発を行った。以下に、その内容と望ましい断面形状について説明する。

図４、図５に示すように、コンロッド１についての品質工学上の制御因子としては、ボルト座確保の為の基準長、縦横比、縦段差比、基準座Ｒなどを選択した。これらの制御因子について、水準１，２，３の３通り設定した。水準２は平均的な値を示し、水準１は水準２よりも低い値を示し、水準３は水準２よりも高い値を示す。図４には、４因子×３水準からなる１２通りのモデルが設定されている。

図６に示すように、コンロッド１についての品質工学上の誤差因子としては、断面積と、中凹量、中凸量を選択し、図６のようにＮ１（有利）、Ｎ２（不利）の場合の誤差因子の諸量を設定した。中凹とは、図７に示すように、貫通孔５Ａの内周面において、締結部材で締結しない状態で破断面６ａ間に隙間が発生する状態であり、中凸とは中凹の逆の状態である。

図４に示す１２モデルについてのＮ１，Ｎ２の２ケースのコンロッド模型、つまり、合計２４個のコンロッド模型を機械加工により、クラッキング技術に伴うボルト座角度、中凹量、中凸量等の変形形態を折り込み製作した。図７はそのコンロッド模型１Ｍの斜視図である。コンロッド模型１Ｍは、ロッド部の代用としてのロッド部代用部３Ｂと、キャップ部３Ａと、ボルト孔８Ａと、貫通孔５Ａなどが形成されている。

次に、合計２４個のコンロッド模型１Ｍの各々について、３通りの締結力（１０ＫＮ，２５ＫＮ，４０．８ＫＮ）にて締結部材４を締結した状態において、ロッド部代用部３Ｂとキャップ部３Ａとを分離させる分離方向の荷重を作用させた場合の分離荷重を測定した。但し、その測定結果は図示省略したが、図８には上記の測定結果から得られた「ＳＮ比」を示し、図９には上記の測定結果から得られた「感度」を示す。

尚、「ＳＮ比」とは、誤差に左右される性質を示す指標であり、できるだけ大きい値が望ましい。「感度」は「ＳＮ比」と比例関係にあり、誤差に左右される性質を示す指標である。図８、図９において、横軸に示すＡ１，Ａ２，Ａ３，・・は、制御因子Ａ〜Ｄと、水準１，２，３とで分類されるコンロッド模型１Ｍを示す。そして、「２重丸」で示すコンロッド模型が各制御因子別に望ましいものを示している。

図８、図９から判るように、制御因子Ａ（基準長）ではＡ１の模型が望ましい結果となったため、「基準長」については「１４．５」ｍｍが望ましい値であることが判った。
制御因子Ｂ（縦横比）ではＢ３の模型が望ましい結果となったため、「縦横比」については「１：１．２」が望ましい値であることが判った。制御因子Ｃ（縦段差比）についてはＣ１の模型が望ましい結果となったため、「縦段差比」については「１：２」が望ましい値であることが判った。制御因子Ｄ（基準座Ｒ）ではＤ３の模型が望ましい結果となったため、「基準座Ｒ」については「０」が望ましい値であることが判った。
以上のように得られた、コンロッド模型１Ｍの破断面６ａ（分割面）の最適な形状は、図１０に示すとおりである。但し、図１０の数値に厳密に制約される訳ではない。

以上の検討結果を加味して、クラッキング技術により製作するコンロッド１の望ましい破断面（分割面）の形状について補足的に説明する。
図１１は、出願人が将来採用予定の特に望ましい破断面６Ａ（分割面）の形状を示す。この破断面６Ａ（分割面）の形状において、貫通孔の軸心と平行方向の幅Ｂ１はＢ１＝１４．５ｍｍであり、貫通孔の軸心と直交方向の長さＨ１はＨ１＝幅Ｂ１×（1.1 〜 1.2）であり、縦段差比ｈ１：ｈ２は１：２であり、基準座Ｒは０であり、破断面６Ａの断面積は例えば２６０ｍｍ²である。

この破断面６Ａでは、その破断面を直交状に貫通する挿入孔８（ボルト穴）が形成され、各破断面６Ａの挿入孔８の近傍の内径側部分には、この内径側部分よりも大径の大径側部分よりも貫通孔の軸心方向幅Ｃが大きく設定された幅拡張部Ｅ１が形成されている。

図１２は、出願人が将来採用予定の特に望ましい破断面６Ｂ（分割面）の形状を示す。この破断面６Ｂでは、前記幅拡張部Ｅ１と同様の幅拡張部Ｅ２が形成され、貫通孔の軸心と直交方向の長さＨ２は貫通孔の軸心と平行方向の幅Ｂ２よりも大きく設定されている。また、内径側部分よりも大径の大径側部分において、挿入孔８の外周側に所定の厚さの壁部８ａが形成され且つ大径側部分の軸心平行方向幅ｂが小さく設定されている。

以上説明した図１０〜図１２に示すコンロッド１の作用、効果について説明する。
図１１に示すコンロッド１においては、ロッド部２とキャップ部３に分割する１対の破断部６の各々の断面形状における貫通孔５の軸心と直交する径方向長さＨ１が貫通孔５の軸心方向幅Ｂ１よりも長く設定されたため、締結部材４により締結した状態において、貫通孔５の両側の破断部における曲げ剛性が高くなるため、ロッド部２とキャップ部３とを相離隔させる方向へ荷重が作用する時の分離荷重を格段に高めることができ、性能の高いコンロッド１になる。

幅拡張部Ｅ１が形成されているため、挿入孔８により破断部の曲げ剛性が低下するのを防止して、破断部における曲げ剛性を高める上で有利である。しかも、幅拡張部Ｅ１よりも外径側の外径側部分の軸心平行方向幅Ｂ１を小さくして、破断部の断面積を小さくすることが可能であるので、締結部材４で締結した状態における圧縮応力を大きく設定可能であるから、分離荷重を高める上で有利である。

また、前記幅拡張部Ｅ１の径方向幅が前記大径側部分の径方向幅よりも小さく形成されたため、挿入孔８の近傍の面積を小さくすることができるから、挿入孔８近傍の面圧を高めることができ、締結力を高めることができるため、分離荷重を高めることができる。
図１２のコンロッドにおいては、前記と同様の作用、効果を奏する上、幅拡張部Ｅ２よりも外径側の外径側部分のうちの最外径側部分の幅ｂを小さくしてあるため、破断部の断面積を一層小さくすることが可能であり、重量を軽減可能である。

本願のコンロッド１の製造方法は、ロッド部２とキャップ部３とに分割する１対の破断部の各々の断面形状における貫通孔５の軸心と直交する径方向長さＨ１，Ｈ２を貫通孔５の軸心方向幅Ｂ１，Ｂ２よりも長くなるよう設定することにより、破断部における曲げ剛性を高めて破断部の分離荷重を高めることを特徴としている。

前記実施例では、エンジンのコンロッドに本発明を適用した場合を例として説明したが、本発明は、エンジンのコンロッド以外の種々の金属製部品とその製造方法に適用可能であることは勿論である。

本発明の実施例に係るコンロッドの正面図である。図１のII−II線断面図である。コンロッド部材を破断する破断装置とコンロッド部材の要部断面図である。制御因子と水準で区分した１２モデルを示す説明図である。制御因子と水準の内容を示す図表である。誤差因子と有利／不利の内容を示す図表である。コンロッド模型の斜視図である。１２モデルについてのＳＮ比を示す線図である。１２モデルについての感度を示す線図である。コンロッドの破断面に関する制御因子の最適値を示す図表である。コンロッドの望ましい破断面形状の平面図である。別のコンロッドの望ましい破断面形状の平面図である。従来の焼結金属製コンロッドの分割面の平面図である。従来の鍛造品のコンロッドの破断面形状の平面図である。

符号の説明

１コンロッド
２ロッド部
３キャップ部
４ボルト（締結部材）
５貫通孔
６破断部
８挿入孔
Ｈ１，Ｈ２径方向長さ
Ｂ１，Ｂ２軸心方向幅
Ｅ１，Ｅ２幅拡張部

Claims

金属製部材の貫通孔の両側部位を破断して第１分割部品と第２分割部品とに分割され、分割部後にそれら第１，第２分割部品が締結部材により締結される金属製部品において、第１分割部品と第２分割部品とに分割される 1対の破断部の各々の断面形状における貫通孔の軸心と直交する径方向長さが貫通孔の軸心方向幅よりも長く設定されたことを特徴とする金属製部品。
前記第１分割部品と第２分割部品とを締結する締結部材を挿通させる為に、前記各破断部を直交状に貫通する挿入孔が形成され、
前記各破断部の前記挿入孔の近傍の内径側部分には、この内径側部分よりも大径の大径側部分よりも貫通孔の軸心方向幅が大きく設定された幅拡張部が形成され、この幅拡張部の径方向幅が前記大径側部分の径方向幅よりも小さく形成されたことを特徴とする請求項１に記載の金属製部品。
前記金属製部品は、エンジンの鋼製コンロッドであり、前記第１分割部品が鋼製コンロッドのロッド部であり、前記第２分割部品が鋼製コンロッドのキャップ部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属製部品。
金属製部材の貫通孔の両側部位を破断して第１分割部品と第２分割部品とに分割し、分割部後にそれら第１，第２分割部品を締結部材により締結して金属製部品とする金属製部品の製造方法において、
第１分割部品と第２分割部品とに分割する 1対の破断部の各々の断面形状における貫通孔の軸心と直交する径方向長さを貫通孔の軸心方向幅よりも長くなるよう設定することにより、破断部における曲げ剛性を高めて破断部の分離荷重を高めることを特徴とする金属製部品の製造方法。