JP2010137248A - コンロッドの製造方法及びコンロッド - Google Patents

Abstract

【課題】冷間鍛造によって高強度、かつ高精度にコンロッドを成形することができるコンロッドの製造方法を提供する。
【解決手段】大端部３と、小端部４と、それらの間に延在するコラム部５と、を有するコンロッド２を冷間鍛造によって製造する方法であって、素材１の中途部を、該素材１より高い強度を有するフローティング部材であるフローティング板８により保持して所定方向に偏芯させつつ、素材１の軸方向に圧縮して据え込み成形を行う据え込み工程Ｓ１０と、フローティング板８を、素材１の中途部の上下に位置する据え込まれた素材１の間に挟み込みながらコラム部５を形成する挟み込み工程Ｓ２０と、コラム部５に対して塑性加工を行う塑性加工工程Ｓ３０と、コラム部５の厚さ方向に圧縮を行うことで、大端部３と小端部４となる部分に所定の形状を付与する形状付与工程Ｓ４０と、コンロッド２に対して仕上げ加工を行う仕上げ加工工程Ｓ５０と、を具備する。
【選択図】図６

Description

本発明は、高強度のコンロッドを製造する製造方法に関する。

内燃機関のピストンとクランクシャフトを連結するコンロッドは、クランク軸が連結される大端部と、ピストンピンが連結される小端部と、大端部と小端部を連結するコラム部とから構成されている。また、コンロッドは、ピストンの往復運動をクランク軸の回転運動へ変換する際に、引張荷重や圧縮荷重等の負荷がかかる部位であるために強度を高めることが求められている。一方、大端部と小端部は、コンロッド成形後に仕上げ加工として機械加工が行われるため、切削性を具備することが求められている。
コンロッドを製造する方法としては、以下のような技術が公知となっている。

特許文献１においては、コンロッド用プリフォームを製造するにあたり、コンロッドの大端部を押出し、小端部を押し潰しにより、複数工程にて行うというコンロッド用プリフォームの製造方法が記載されている。

特許文献２においては、据え込み加工の前に熱処理調質や燐酸被膜処理をし、複数の連続した据え込み加工により頭付部品を製造する方法が記載されている。

特許文献３においては、予備成形材を閉塞鍛造し、通常の型鍛造（バリ出し鍛造）を行う異形棒状部品の製造方法が記載されている。
特開２００１−１５００８８号公報 特開２００１−１２９６３２号公報 特開平１０−１８０３９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている製造方法においては、一旦、軸部を押し出して細軸を形成してから、押し潰して小端部の体積を確保するときに、座屈や成形限界等の制約で、一度に加工することができず、複数の工程を必要とする。
すなわち、細軸部を押し潰して小端部の体積を確保する際、細軸が座屈しやすいので、大きな荷重を加えることができず、型で拘束しながら押し潰しをすることになるので、工程が増える。このように工程が増えた場合、型磨耗や、温度、摩擦等の影響で、鍛造品の精度が悪化し、最終工程（コンロッドの鍛造）後の完成部品の精度に影響を与える。

また、特許文献２に記載されている製造方法においては、据え込み加工工程が複数必要であるのと、途中で熱処理や、燐酸被膜処理が必要であるため、連続での生産が途切れ、生産性が悪い。
すなわち、一般的に据え込み率（初期高さに対する押し込み高さの比）とされる６５〜７０％程度で加工硬化を行う場合は、ワレが生じやすく、成形限界となるので、熱処理により、軟化させたり、潤滑被膜を付与したりする再処理が必要となる。

また、特許文献３に記載されている製造方法においては、閉塞鍛造や、密閉鍛造は、冷間で行うと、鍛造荷重が著しく増え、金型の型寿命を破損や型磨耗により低下させてしまう。さらに、熱間鍛造で実施すると、一般的なバリをともなう型鍛造に比べて金型と素材との接触時間が長くなるので、型寿命が低下し、鍛造荷重も大きい。
すなわち、閉塞鍛造や、密閉鍛造は、１つの工程で所望の型形状に成形できるが、金型と素材との接触面積が大きく、パンチを押す力や、上下型を拘束する力、クッション圧や摩擦に抵抗する力が加わり、鍛造荷重が著しく増大する。そのため、この製造方法の適用は、鍛造プレス能力の制限や、複雑な型構成（磨耗、破損しやすい）を考慮すると、比較的小さな部品に対するものに限られる。

そこで、本発明は、冷間鍛造によって高強度、かつ高精度にコンロッドを成形することができるコンロッドの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
大端部と、小端部と、それらの間に延在するコラム部と、を有するコンロッドを冷間鍛造によって製造する方法であって、
素材の中途部を、該素材より高い強度を有するフローティング部材により保持して所定方向に偏芯させつつ、前記素材の軸方向に圧縮して据え込み成形を行う据え込み工程と、
前記フローティング部材を、前記素材の中途部の上下に位置する据え込まれた素材の間に挟み込みながら前記コラム部を形成する挟み込み工程と、
前記挟み込み工程により前記フローティング部材が挟み込まれて形成された前記コラム部に対して塑性加工を行う塑性加工工程と、
前記コラム部の厚さ方向に圧縮を行うことで、前記大端部と前記小端部となる部分に所定の形状を付与する形状付与工程と、
前記形状付与工程により形成されたコンロッドに対して仕上げ加工を行う仕上げ加工工程と、
を具備するコンロッドの製造方法である。

請求項２においては、
前記請求項１に記載の製造方法により製造されたコンロッドである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、冷間鍛造により低荷重で成形することに加え、コラム部を高強度材で強化することにより、座屈や、疲労強度に優れた高強度コンロッドを得ることができる。
また、冷間鍛造で加工するため、熱間鍛造と比べ鍛造バリが少ないので、通常の熱間鍛造によるコンロッドに比べて、歩留まりが向上し、鍛造品精度も向上する。また、機械加工取りしろが減り、大小端部の切削性は確保されるので、コストを低減できる。

請求項２においては、冷間鍛造により低荷重で成形することに加え、コラム部を高強度材で強化することにより、座屈や、疲労強度に優れた高強度コンロッドを得ることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。

まず、図５を用いて本発明に係るコンロッドの製造方法により製造されるコンロッドについて説明する。
本実施形態に係るコンロッド２は、主に大端部３と、小端部４と、それらの間に延在するコラム部５と、を有しており、大端部３には、クランク軸（図示せず）が連結され、小端部４には、ピストンピン（図示せず）が連結される。

上述したコンロッド２を製造する際において、以下に説明する本発明に係る一実施形態であるコンロッドの製造方法を適用する。

次に、図１から図４、図６を用いて本発明に係るコンロッドの製造方法の一実施形態について説明する。
コンロッドの製造方法は、図６に示す如く、主として据え込み工程Ｓ１０、挟み込み工程Ｓ２０、塑性加工工程Ｓ３０、形状付与工程Ｓ４０及び仕上げ加工工程Ｓ５０を具備する。以下、各工程について具体的に説明する。

最初に、コンロッド２の製造を開始するにあたり、コンロッド２の素材１を準備する。
素材１は、丸棒状である冷間鍛造用の鋼材である。素材１は、後述する成形装置１０の所定の位置にセットされて、本発明に係るコンロッドの製造方法により製造されるコンロッド２の素材である。

成形装置１０は、素材１を用いて冷間鍛造により偏芯据え込み成形を行う装置であり、図１に示すように、主として上型６、下型７、及びフローティング部材（偏芯治具）であるフローティング板８を具備する。上型６と下型７とは、上下に対向して配置され、上下型６・７の間にフローティング板８が配置される。
また、上型６と下型７とは、それぞれが対向する面にテーパ部６ａとテーパ部７ａとが設けられている。

フローティング板８は、扁平な形状であり、素材１よりも高い強度を有する板状部材である。フローティング板８は、所定箇所に開口部８ａが開口されており、該開口部８ａに素材１を挿入して、素材１の中途部（本実施形態においてはコンロッド２の小端部４となる部分）を保持することが可能である。また、フローティング板８は、素材２を成形装置１０にセットする初期状態において、上下型６・７の間の略中間位置に配置されており、成形装置１０の上型６が下降するに応じてフローティング板８も下降し、常に上下型６・７の上下方向中間に保持可能であるフローティング機構（図示せず）を有している。また、フローティング板８は、素材１の中途部を保持した状態で、素材１の中心軸方向に対して鉛直方向に移動可能（スライド可能）である。

据え込み工程Ｓ１０は、素材１の中途部を、該素材１より高い強度を有するフローティング部材であるフローティング板８により保持して所定方向に偏芯させつつ、前記素材１の軸方向に圧縮して据え込み成形を行う工程である。

すなわち、据え込み工程Ｓ１０では、図１に示すように、素材１より高い強度を有するフローティング板８により素材の中途部（コンロッド２の小端部４となる部分）を保持して、素材１の中途部を所定方向（座屈させる方向）に偏芯（オフセット）させると同時に、成形装置１０の上型６を下降させることで、素材１の中途部を意図的に座屈させつつ、素材の軸方向（上下方向）に圧縮し、偏芯据え込み成形を行う。
据え込み工程Ｓ１０が終了したら、挟み込み工程Ｓ２０に移行する。
なお、素材１においては、上述した丸棒状の部材に限定するものではなく、丸棒を粗加工して、形成される大小端部およびコラム部に応じた体積配分をしておくことも可能である。例えば、図７に示すように、成形限界等を考慮して、丸棒状の素材の長手方向中途部にくびれ部分を設けるテーパ状加工を施したテーパ付き丸棒１ａを素材として用いることで、テーパ状加工を施さない丸棒の素材１と比べて、低荷重で据え込み成形することが可能である。この場合は、形成される大端部３と小端部４の体積配分を考慮して、テーパ形状を決める。
また、偏芯据え込み時においては、素材１の成形限界までは、押し込まず、コラム部５成形時のリダクション（断面減少率）が６０％以下になるような形状にとどめることで、クラック等のワレを防止することができる。

挟み込み工程Ｓ２０は、フローティング板８を、素材１の中途部の上下に位置する据え込まれた素材１の間に挟み込みながら前記コラム部５を形成する工程である。

すなわち、挟み込み工程Ｓ２０では、図２に示すように、成形装置１０によりフローティング板８により素材１の中途部（小端部４となる部分）を座屈方向に偏芯させながら、テーパ部６ａ・７ａが設けられた上下型６・７を所定位置まで近接して圧縮することで、フローティング板８を素材１の中途部の上下に位置する据え込まれた素材１（コラム部５の表面層となる部分）に挟み込んでいく。つまり、挟み込み工程Ｓ２０では、高強度材であるフローティング板８をコラム部５の中間層として一体化するべく挟み込んでいく工程である。
なお、本工程にて、所定の圧縮を付与しながらフローティング板８を挟み込んでいくことで、成形時のワレを少なくすることができる。
挟み込み工程Ｓ２０が終了したら、塑性加工工程Ｓ３０に移行する。

塑性加工工程Ｓ３０は、挟み込み工程Ｓ２０によりフローティング板８が挟み込まれて形成されたコラム部５に対して塑性加工を行う工程である。

すなわち、塑性加工工程Ｓ３０では、図３に示すように、挟み込み工程Ｓ２０によりフローティング板８が挟み込まれて形成されたコラム部５を有したコンロッド２の中間成形物２ａを成形装置１０から取り出して、押し出し成形装置２０にセットして、コラム部５となる部分について所定の厚さとなるように押し出し成形及び圧延成形による塑性加工を行う。コンロッド２の中間成形物２ａの他端部を一端側（図３の右側）へと押し出しながら中間成形物２ａのコラム部５を所定の厚さとすると共に、大端部３側の素材体積を確保するように塑性加工を行う。
このように、押し出しや圧延による塑性加工を行うこと、すなわち、圧縮場による塑性加工を行うことにより、成形ワレが生じにくくなる。この場合の断面減少率は６０％以下が好ましい。
塑性加工工程Ｓ３０が終了したら、形状付与工程Ｓ４０に移行する。

形状付与工程Ｓ４０は、コラム部５の厚さ方向に圧縮を行うことで、大端部３と小端部４となる部分に所定の形状を付与する工程である。

すなわち、形状付与工程Ｓ４０では、図４に示すように、塑性加工工程Ｓ３０にて加工処理されたコンロッド２の中間成形物２ａを据え込み成形を行う成形装置３０の上下型１１・１２の所定位置にセットして、中間成形物２ａの厚さ方向に圧縮（据え込み）を行うことで、コンロッド２の両端部である大端部３と小端部４となる部分において、所定の形状となるように形状付与を行う。
なお、本工程においては、形状付与のために据え込み成形としているが、特に限定するものではない。
また、本工程の前工程である据え込み工程Ｓ１０、挟み込み工程Ｓ２０及び塑性加工工程Ｓ３０においては、偏芯据え込みやコラム部５となる部分の押し出し成形を行っているだけであり、大小端部３・４となる部分に対しては加工硬化を施していないので、コンロッド２の厚さ方向への型圧縮により大小端部３・４となる部分の形状付与をより低い荷重で行うことができる。
形状付与工程Ｓ４０が終了したら、仕上げ加工工程Ｓ５０に移行する。

仕上げ加工工程Ｓ５０は、形状付与工程Ｓ４０により形成されたコンロッド２に対して仕上げ加工を行う工程である。

すなわち、仕上げ加工工程Ｓ５０では、形状付与工程Ｓ４０により形成されたコンロッド２に対して仕上げ矯正（コイニング）を行うことにより、例えば、大端部３と小端部４とを繋ぐコラム部５を断面視略Ｈ型となるべく形成することできる。そして、コンロッド２の外周面のバリ取りを行って、図５に示すように、高強度コンロッド２を得ることができる。
なお、図５に示すコンロッド２は、大端部３を半割とした形となっているが、特に限定するものではなく、例えば、成形性に優れた素材を用いれば、大端部を半割とせずに繋がった形として成形することもできる。
上述したコンロッド２の製造方法においては、型鍛造成形のような型による積極的な拘束（密閉）を伴う成形を行わないので、最終的に、通常の型鍛造とは異なり微小なバリがあるにすぎず、仕上げ矯正やバリ取りを容易に行うことができる。

（実施例）
次に、上述したコンロッドの製造方法についての実施例を示す。
素材１として、Ｓ４５Ｃ焼鈍材（ビッカース硬さ：ＨＶ１８０）からなるφ２５ｍｍの丸棒を使用し、高強度材であるフローティング板８としてベイナイト鋼板（ＨＶ４００、厚さ８ｍｍ）を用いて、上述したコンロッドの製造方法を適用してコンロッド２を製造した。
（各工程における製造条件）
塑性加工工程Ｓ３０においては、コラム部５の塑性加工はリダクション（断面減少率）４０％とし、押し出しにて成形した。
なお、断面積減少率は、低すぎると高強度材との接触面に隙間が残り、高すぎると成形荷重が増大するので、１０〜６０％程度が望ましい。
形状付与工程Ｓ４０においては、コラム部５の厚さ方向への圧縮成形は、２５０トン油圧プレスにて行った後、同じ油圧プレスを用いてコラム部５の厚さ、コラム部５の長さ方向の仕上げ矯正を行い、高強度コンロッド２を得た。
こうして、本発明に係るコンロッドの製造方法によるコンロッド２の静的な座屈強度は、従来の熱間鍛造によるコンロッドと比べて、約１０％向上した。
なお、素材１として、Ａｌ合金系の焼結丸棒（例えばＲＳＰ粉末）を用い、コラム部５の高強度材であるフローティング板８としてベイナイト鋼板（ＨＶ４００）を用いることで、高強度な軽量コンロッドを製造することもできる。

このようにして、金型で密閉させずに、低い荷重で、かつ冷間加工で高強度コンロッド２を製造することが可能となる。
また、偏芯据え込み時にフローティング板８として素材１よりも強度の高い部材を使い、コラム部５に挟んで粗加工する。その後、コラム部５を押し出し、圧延等の塑性加工を行うことにより、コラム部５を長手方向に伸ばすことで、高強度部材であるフローティング板８と素材１とを複合化して高強度コンロッド２を得ることができる。

こうして、大端部３と、小端部４と、それらの間に延在するコラム部５と、を有するコンロッド２を冷間鍛造によって製造する方法であって、
素材１の中途部を、該素材１より高い強度を有するフローティング部材であるフローティング板８により保持して所定方向に偏芯させつつ、前記素材１の軸方向に圧縮して据え込み成形を行う据え込み工程Ｓ１０と、
前記フローティング板８を、前記素材１の中途部の上下に位置する据え込まれた素材１の間に挟み込みながら前記コラム部５を形成する挟み込み工程Ｓ２０と、
前記挟み込み工程Ｓ２０により前記フローティング板８が挟み込まれて形成された前記コラム部５に対して塑性加工を行う塑性加工工程Ｓ３０と、
前記コラム部５の厚さ方向に圧縮を行うことで、前記大端部３と前記小端部４となる部分に所定の形状を付与する形状付与工程Ｓ４０と、
前記形状付与工程Ｓ４０により形成されたコンロッド２に対して仕上げ加工を行う仕上げ加工工程Ｓ５０と、
を具備するコンロッドの製造方法を適用することにより、冷間鍛造により低荷重で成形することに加え、コラム部５を高強度材で強化することにより、座屈や、疲労強度に優れた高強度コンロッド２を得ることができる。
また、冷間鍛造で加工するため、熱間鍛造と比べ鍛造バリが少ないので、通常の熱間鍛造によるコンロッドに比べて、歩留まりが向上し、鍛造品精度も向上する。また、機械加工取りしろが減り、大小端部３・４の切削性は確保されるので、コストを低減できる。

また、本実施形態に係るコンロッドの製造方法により製造されたコンロッド２は、冷間鍛造により低荷重で成形することに加え、コラム部５を高強度材で強化することにより、座屈や、疲労強度に優れた高強度コンロッドを得ることができる。

つまり、本発明は、コンロッドの製造方法において、偏芯据え込み時に、フローティング板８としてコラム部５より強度の高い部材を使い、コラム部５にそのフローティング板８を挟み、その後、コラム部５を塑性加工する。これにより、座屈や、疲労強度に優れた高強度コンロッド２を得ることができる。さらに、冷間加工による製造方法であるため、バリが少なく歩留まりが向上し、鍛造品精度も向上する。

本発明の一実施形態に係る据え込み工程を示す模式側面断面図。 同じく挟み込み工程を示す模式側面断面図。 同じく塑性加工工程を示す模式側面断面図。 同じく形状付与工程を示す模式側面断面図。 コンロッドを示す斜視図。 コンロッドの製造方法のフローを示す図。 素材の別実施例を示す断面図。

符号の説明

１ 素材
２ コンロッド
２ａ 中間成形物
３ 大端部
４ 小端部
５ コラム部
８ フローティング板
１０ 成形装置

Claims (2)

1. 大端部と、小端部と、それらの間に延在するコラム部と、を有するコンロッドを冷間鍛造によって製造する方法であって、
   素材の中途部を、該素材より高い強度を有するフローティング部材により保持して所定方向に偏芯させつつ、前記素材の軸方向に圧縮して据え込み成形を行う据え込み工程と、
   前記フローティング部材を、前記素材の中途部の上下に位置する据え込まれた素材の間に挟み込みながら前記コラム部を形成する挟み込み工程と、
   前記挟み込み工程により前記フローティング部材が挟み込まれて形成された前記コラム部に対して塑性加工を行う塑性加工工程と、
   前記コラム部の厚さ方向に圧縮を行うことで、前記大端部と前記小端部となる部分に所定の形状を付与する形状付与工程と、
   前記形状付与工程により形成されたコンロッドに対して仕上げ加工を行う仕上げ加工工程と、
   を具備することを特徴とするコンロッドの製造方法。
2. 前記請求項１に記載の製造方法により製造されたことを特徴とするコンロッド。