JP2010230027A - クランクシャフトおよびその製造方法 - Google Patents

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    • B21K1/00Making machine elements
    • B21K1/06Making machine elements axles or shafts
    • B21K1/08Making machine elements axles or shafts crankshafts

Abstract

【課題】クランクピン部への孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、クランクシャフトの寸法精度および製品強度の向上を図ることができるクランクシャフトおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】クランクシャフト200では、クランクピン部213に形成される一方の孔部213Lは、他方の孔部213Mよりも、面積が広い底面を有し、かつクランクピン部の表面から浅く形成されている。このような孔部213L,213Mの形成では、キャビティの形状よりも小さなクランクシャフトの予備成形品200を金型に配置し、クランクピン部213へのパンチの挿入を同時に行う。これにより、予備成形品200の各クランクピン部213の両側への孔部213L,213M形成が同時に行われる。
【選択図】図5

Description

本発明は、クランクシャフトおよびその製造方法に係り、特に、中空状の孔部をクランクシャフトのクランクピン部に形成する技術に関する。
内燃機関は、たとえば図10に示すクランクシャフト10を備えている。クランクシャフト10はジャーナル軸部11を備え、ジャーナル軸部11には、それと平行なクランクピン部13がアーム部12により連結されている。アーム部12にはカウンタウェイト部12Aが形成され、カウンタウェイト部12Aのジャーナル軸部11に対する形成位置は、クランクピン部13の接続箇所の反対側である。
ジャーナル軸部11には、その表面にオイルを供給するジャーナル軸用貫通孔21が形成されている。クランクピン部13には、その表面にオイルを供給するピン用貫通孔22が形成されている。ジャーナル用貫通孔21とピン用貫通孔22はオイル流路23により接続されている。ジャーナル用貫通孔21内のオイルは、オイル流路23を通じてピン用貫通孔22からクランクピン13部表面へ供給される。なお、符号24は、オイル流路23の開口を閉塞する栓24である。
このようなクランクシャフト10では、燃費向上の観点から、軽量化を図るために種々の技術が提案されている。たとえば、アーム部12におけるクランクピン部13およびジャーナル軸部11側表面全体に凹溝を形成することが提案されている(たとえば特許文献1)。また、クランクピン部13に中空状の孔部を形成することが提案されている。この場合、中空状の孔部形成を局所的に行うことから、クランクシャフト10の剛性には影響が少ないので、クランクピン部13への孔部の形成は好適である。
このような中空状の孔部の形成には、プレスラムの移動方向に対して垂直方向に移動する側方成形用パンチを有する鍛造装置を用いることが提案されている(たとえば特許文献2)。この技術では、複数の孔部を同時に形成することができないため、孔部の形成箇所に応じた金型を用意し、個々の孔部の形成を行う必要があるため、非常に手間がかかる。
このような理由から、中空状の孔部の形成ではトリム成形後、図11に示すクランクシャフト10を閉塞空間に配置せずに行っている。具体的には、たとえばクランクシャフト10に孔部を形成する場合、図12に示すように、一方のアーム部12(図11の最も右側のアーム部12)の一面を下型1(図の斜線部)に当接させ、クランクピン部13により連結された他方のアーム部12の上面側からクランクピン部13へパンチ2を挿入する。この場合、アーム部12(図11の最も右側のアーム部12)の一面における下型1との当接部には、その跡が残る場合がある。
特開2005−114131号公報 実開昭61−143727号公報
以上のようなパンチ2の挿入による孔部13A,13Bの形成は独立して行うが、この場合、孔部13Aの形成では、図12(A)に示すように、ジャーナル軸部11と平行な方向からパンチ2の挿入を行う場合、ジャーナル軸部11の上側部分が、パンチ2の挿入に従って、下側へ変形する。また、孔部13Bの形成では、アーム部12に隣接する部位との干渉が生じるため、パンチ2の挿入を行うことができない。
また、図12(B)に示すように、ジャーナル軸部11およびアーム部12のカウンタウェイト部12Aの外周部を下型1に当接させ、ジャーナル軸部11に対する垂直方向からパンチ2の挿入を行う場合、同一のクランクピン部13で連結されたアーム部12が下側に変形する。また、図12(C)に示すように、下型1を所定角度傾斜させ、ジャーナル軸部11およびアーム部12のカウンタウェイト部12Aの外周部を下型1に当接させ、ジャーナル軸部11に対する所定角度方向からパンチ2の挿入を行う場合、同一のクランクピン部13で連結されたアーム部12が下側に変形する上に、そのカウンタウェイト部12Aでは下型1の傾斜方向への倒れ変形が生じる。
以上のように図12(A)〜(C)に示す手法では、クランクシャフト10のアーム部12およびクランクピン部13における下型1との当接部分以外はフリーであるため、それら部分に変形が生じる。また、この場合、クランクピン部13では、孔部13A,13Bの開口端面においてクランクピン部13の軸方向に面ヒケが発生し、孔部13A,13Bの開口縁部にバリが発生する。このため、クランクシャフト10の所定の寸法精度が得られず、かつバリ除去工程の追加や、アーム部12のカウンタウェイト部12Aに複数の孔部(図示略)を多量に形成する等の大幅なバランス補正を行う必要が生じ、製造コストが増大する。また、孔部13A,13Bに変形が生じた場合、孔部13A,13B形成後に行うクランクピン部13へのオイル流路23(図10にのみ図示)の加工に不良が生じる。
したがって、本発明は、クランクピン部への孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、孔部形成によるクランクシャフトの寸法精度および製品強度の低下を防止することができるクランクシャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のクランクシャフトは、クランクピン部の両側に孔部を有し、一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積が広く、かつクランクピン部の表面から浅く形成されていることを特徴としている。
本発明のクランクシャフトは、次のようなクランクシャフトの製造方法により得られる。すなわち、本発明のクランクシャフトの製造方法は、クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、クランクシャフトの予備成形品を配置して予備成形品を鍛造し、予備成形では、クランクシャフトの予備成形品の形状を、金型のキャビティの形状よりも小さく成形し、鍛造では、クランクピン部の両側にパンチを同時に挿入することにより、クランクピン部に孔部を形成するとともに、キャビティ内に予備成形品の材料を充填し、孔部の形成では、一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積が広く、かつクランクピン部の表面からの深さを浅く設定することを特徴としている。
本発明のクランクシャフトの製造方法では、分割可能な上型および下型からなる金型を用いてクランクシャフトの予備成形品に鍛造を行う。この場合、クランクシャフトの予備成形品は、鍛造で使用する上記金型のキャビティの形状よりも小さく成形されたものである。鍛造では、クランクピン部へのパンチの挿入により、金型内に成形品の材料を充填するので、金型のキャビティをクランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定することにより、鍛造によりクランクシャフトの狙い形状を得ることができる。
このようにクランクピン部への中空状の孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、閉塞空間内で材料を充填して鍛造を行うので、クランクシャフトの寸法精度を向上させることができる。
ここで本発明のクランクシャフトの製造方法では、閉塞空間内での鍛造においてクランクピン部の両側へのパンチの挿入を同時に行うので、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形(他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での面ヒケやバリの発生)を防止することができる。これにより、寸法精度をさらに向上させることができる。したがって、カウンタウェイト部への複数の孔部の形成を行う等のバランス補正の増大による製造コスト増大を防止することができる。
また、上記のようなクランクピン部への孔部形成後、クランクピン部中央部のクランクピン部用孔部と、アーム部間のジャーナル軸部中央部のジャーナル軸部用孔部とを接続するオイル流路を加工する場合、孔部の形成では、一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積を広く、かつクランクピン部の表面からの深さを浅く設定しているから、そのような異形状の孔部をオイル流路に応じて適宜配置することにより、オイル供給に十分なオイル流路を最短直線距離で形成することができる。また、この場合、上記のように孔部形成時に変形が生じないから、オイル流路の加工に不良が生じない。
以上のように得られた本発明のクランクシャフトでは、クランクピン部への孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、寸法精度が向上し、これにより回転バランスが良好となり、かつ製品強度が向上している。
本発明のクランクシャフトの製造方法は、種々の構成を用いることができる。たとえば鍛造での予備成形品の配置では、予備成形品と金型のキャビティとの間のクリアランスの最大長を、0mm超とし、かつ0.5mm以下に設定することができる。この場合、予備成形品と金型のキャビティとの間には、予備成形品の表面に沿ってクリアランス(隙間)が形成されているが、クリアランスの最大長とは、そのようなクリアランスにおいて予備成形品の表面と金型のキャビティ面との距離が最大となる箇所の間隔のことをいう。この態様では、クランクシャフトの離型を確実に行うことができ、かつ鍛造時にクランクシャフトのカウンタウェイト部の倒れ変形を防止することができる。
本発明のクランクシャフトあるいはその製造方法によれば、クランクピン部への中空状の孔部の形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、クランクシャフトの寸法精度を向上させることができるので、カウンタウェイト部への複数の孔部の形成を行う等のバランス補正の増大による製造コスト増大を防止することができる。また、最短直線距離のオイル流路を確保することができるとともに、その加工に不良が生じない。
本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法で用いる鍛造装置を表す概念図であり、鍛造装置の下型を表す斜視図である。 本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法による孔部形成を説明するための図である。 本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法で用いる鍛造装置を表す概念図であり、鍛造装置の概略構成を表す図1のA−A’線の側断面図である 本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの製造方法を説明するための概念図である。 本発明に係る一実施形態のクランクシャフトの概略構成を表し、(A)はクランクシャフトの側断面図、(B)はクランクピン部の一側への孔部の底面図、(C)はクランクピン部の他側への孔部の底面図である。 クランクシャフトの製造方法の比較形態の問題点を説明するための図である。 (A)〜(C)はクランクシャフトの製造方法における金型へのクランクシャフトの予備成形品の各種配置状態を表す側断面図である。 (A),(B)はクランクシャフトの製造方法の比較形態で生じる倒れ変形を説明するための図である。 実施例で得られたクリアランス量と倒れ量との関係を表すグラフである。 従来のクランクシャフトの概略構成を表す側断面図である。 従来のクランクシャフトの概略構成を表す斜視図である。 (A)〜(C)はクランクピン部への孔部形成の従来手法を説明するための図である。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1,3は、本発明に係る一実施形態のクランクシャフト製造方法で用いる鍛造装置100を表す概念図である。図3は、図1,2に示す鍛造装置100による孔部形成を説明するための図である。図1は、鍛造装置100の下型を表す斜視図である。図3は、鍛造装置100の概略構成を表す図1のA−A’線の側断面図である。図3では、鍛造装置100の各部位(特に金型103)の図示を簡略化している。
鍛造装置100は、本発明のクランクシャフト製造方法が適用される装置の一例であり、4気筒のクランクシャフトを得るための装置である。鍛造装置100は、図3に示すように、たとえばプレスボルスタ101を備え、プレスボルスタ101上に、プレスラム102が支持されている。プレスボルスタ101とプレスラム102との間に金型103が配置されている。
金型103は、下型103A、上型103B、および、側方成形用パンチ111p〜118p(以下、パンチ111p〜118pと略称する)を備えている。上型103Bは、下型103Aに対して移動可能に設けられている。図3中の符号104は、上型103Bへの初期荷重を調整する荷重調整部(油圧手段やエア圧手段等)である。上型103Bは、予備成形品200の体積が設定値より大きい場合、金型103内での成形圧に応じて、開放方向(上方向)へ移動する。
金型103には、クランクシャフトの予備成形品200が配置される。予備成形品200はジャーナル軸部211を備え、ジャーナル軸部211には、それと平行なクランクピン部213がアーム部212により連結されている。アーム部212にはカウンタウェイト部212Aが形成され、カウンタウェイト部212Aのジャーナル軸部211に対する形成位置は、クランクピン部213の接続箇所の反対側である。
パンチ111p〜118pは、上型103Bの移動方向に対して垂直方向に移動可能に設けられている。具体的には、パンチ111p,112pは、金型103の側部に形成されたパンチ用孔111a〜118aに沿って、金型103の内部に対して移動可能となっている。
パンチ111p〜118pは、プレスラム102の移動に連動して金型103の内部へ移動させるカム機構を備えている。パンチ111p,112pを移動させるカム機構111,112は、図3に示すように、カム111c,112c、および、カム111c,112cを駆動するカムドライバ111d、112dを備えている。なお、パンチ113p〜118pのカム機構は、パンチ111p,112pと略同様な構成・作用を有するので、以下では、その説明および図示を省略している。
カム111c,112cの金型103内部側の側面には、パンチ111p,112pが設けられている。カム111c,112cの金型103外部側の側面は傾斜面である。カムドライバ111d、112dの下面は、初期状態においてカム111c,112cの傾斜面に対して所定間隔をおいて配置される傾斜面である。カムドライバ111d、112dは、プレスラム102の下方への移動に伴って下降し、カムドライバ111d、112dの下面がカム111c,112cの傾斜面に接触すると、それら傾斜面は互いに摺動する。
カム機構111,112には、退避部材111s,112sが設けられている。プレスラム102の下死点でのパンチ111p,112pによる側方成形完了後、プレスラム102による上死点への移動に伴い、カムドライバ111d、112dが上昇すると、側方成形用パンチ111p,112pは、退避部材111s,112sにより金型103外部へ退避させられ、初期位置に戻る。
このようなカム機構を用いることにより、たとえば、図1に示すクランクピン部213の両側へのパンチ111p,112pの挿入およびパンチ113p,114pの挿入を同時に行い、次いで、パンチ115p,116pの挿入およびパンチ117p,118pの挿入を同時に行う。図2は、クランクピン部213の両側へのパンチ111p,112pの挿入する形態を表している。プレスラム102の上死点から下死点までの1工程内でパンチ111p〜118pの挿入を行う場合、たとえば本出願人が特願2009−27050で提案しているパンチ同士の干渉防止手法を用いることが好適である。
鍛造装置100の金型103にはクランクシャフトの予備成形品200が配置される。予備成形品200の配置では、ジャーナル軸部211の軸方向がプレスラム102の移動方向に対して垂直となる。パンチ111P〜118pの挿入方向は、隣接するアーム部のカウンタウェイト部への衝突が回避される方向に設定し、たとえばクランクピン部213の中央部の軸線に対する垂直方向からの角度θ(図5(A))が45度をなすことが好適である。
予備成形品200は、トリム成形が施されたものであり、クランクシャフトの狙い形状よりも小さく成形され、金型103のキャビティは、クランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定されている。この場合、予備成形品200の金型への配置時、予備成形品200と金型103のキャビティとの間にクリアランスが形成されるが、クリアランスの最大長を、0mmを超え、かつ0.5mm以下に設定することが好適である。
以上のような鍛造装置100を用いた本実施形態のクランクシャフト製造方法について、おもに図1〜5を参照して説明する。まず、金型103の下型103Aに、クランクシャフトの予備成形品200を配置する。続いて、プレスラム102が上死点から下方へ移動することにより、クランクピン部213の両側へのパンチ111p,112pの挿入およびパンチ113p,114pの挿入を同時に行い、次いで、パンチ115p,116pの挿入およびパンチ117p,118pの挿入を同時に行う。これにより、予備成形品200の各クランクピン部213の両側への孔部形成が同時に行われる。このような孔部形成後、金型103からクランクシャフトが離型される。
このような本実施形態では、予備成形品200は、予めクランクシャフトの狙い形状(すなわち、金型のキャビティの形状)よりも小さく成形されたものである。鍛造では、金型103による予備成形品200の閉塞とともに、予備成形品200のクランクピン部に側方成形用パンチ111p〜118pを挿入することにより、クランクピン部に孔部を形成するとともに、金型103内に予備成形品200の材料を充填することができる。
図4は、本実施形態のクランクシャフト製造方法を説明するための概念図であり、1本のパンチPによる孔部形成を行った場合を表している。図4では、下向き矢印が、金型103から予備成形品200への拘束圧方向を示し、図4の上向き矢印が、予備成形品200の充填方向を示している。図4に示すように、キャビティ形状よりも小さく成形された予備成形品200を金型103のキャビティに配置したときには、予備成形品200とキャビティとの間にクリアランスが存在しているが、側方成形用パンチPを予備成形品200に挿入することにより、材料充填を行うことができる。
このような鍛造では、クランクピン部へのパンチ111p〜118pの挿入により、金型103内に予備成形品200の材料を充填するので、金型103のキャビティをクランクシャフトの狙い形状に対応する形状に設定することにより、クランクシャフトの狙い形状を得ることができる。
ここで本実施形態では、金型103の閉塞空間内での鍛造において、クランクピン部213の両側へのパンチ111p,112pの挿入を同時に行い、パンチ113p,114pの挿入を同時に行い、パンチ115p,116pの挿入を同時に行い、パンチ117p,118pの挿入を同時に行う。これにより、従来の孔部形成で発生していた孔部の変形(他方のパンチの挿入による孔部の形成時における一方の形成済孔部近傍部位での面ヒケやバリの発生)を防止することができるので、寸法精度をさらに向上させることができる。
上記のような鍛造における予備成形品200の配置では、予備成形品200と金型103のキャビティとの間のクリアランスの最大長を0mm超で、かつ0.5mm以下に設定することが好適である。
たとえば図7(B)に示すように、クリアランスの最大長Cが0.5mmを超える場合、クランクシャフト200のカウンタウェイト部212Aに倒れ変形が生じる。具体的には、図8(A)に示すようにパンチPを予備成形品200に挿入すると、図中の矢印方向に材料の移動が生じる。この場合、アーム部分212におけるジャーナル軸部211に支持されている箇所では、剛性が確保されているから、ほとんど変形が生じない。
これに対して、アーム部分212のカウンタウェイト部212Aは、フリーであるため、剛性が小さく、そこに大きな変形が生じる。このように孔部Hを形成した結果、隣接するアーム部分212では、図8(B)に示すように、互いのカウンタウェイト部212Aが接近するように倒れ変形が生じる。また、クランクピン部213両側に異形状の孔部213L,213M(図5)を形成する場合、カウンタウェイト212Aの変形は、孔部213L,213Mの形状に依存するため、両側のカウンタウェイト部212Aが異なる形状となり、後工程のバランス補正(カウンタウェイト部212A底部へのドリル孔の加工等によるバランス補正)が困難となる。
一方、図7(C)に示すように、クリアランスの最大長Cを0mmに設定すると、予備成形品200の金型103のキャビティへの投入が困難となる。したがって、図7(A)に示すように、クリアランスの最大長Cを0mm超で、かつ0.5mm以下に設定することにより、予備成形品200を金型103のキャビティに容易に投入することができ、鍛造時にカウンタウェイト部212Aの倒れ変形を防止することができる。
以上のような孔部の形成後、クランクピン部213中央部のクランクピン部用孔部222と、アーム部212間のジャーナル軸部211中央部のジャーナル軸部用孔部221とを接続するオイル流路223を加工する。図5(A)〜(C)は、クランクシャフトの概略構成を表す側断面図である。ここで本実施形態では、オイル流路223を最短直線距離に設定するために、上記孔部形成では、孔部213Lは、孔部213Mよりも、底面の面積を広く、かつクランクピン部213の表面からの深さを浅く設定する。
この場合、たとえば仮に図6(A)に示すように、クランクピン部213の表面から深く設定されている孔部213Mをクランクピン部213の両側に配置した場合、図の左側の孔部213Mは最短直線距離のオイル流路223に重なってしまう。また、たとえば仮に図6(B)に示すように、面積が広く設定されている孔部213Lをクランクピン部213の両側に配置した場合、図の右側の孔部213Lは最短直線距離のオイル流路223に重なってしまう。
これにより、異形状をなす孔部213L,213Mをオイル流路223の加工位置に重ならないように図5(A)に示すように配置することにより、オイル供給に十分なオイル流路223を最短直線距離で形成することができる。また、この場合、上記のように孔部213L,213Mの形成時に変形が生じないから、オイル流路223の加工に不良が生じない。
以上のように本実施形態では、クランクピン部213への中空状の孔部213L,213Mの形成により軽量化を図ることができるのはもちろんのこと、クランクシャフトの寸法精度を向上させることができるので、カウンタウェイト部212Aへの複数のドリル孔の加工を行う等のバランス補正の孔数増大による製造コスト増大を防止することができる。また、最短直線距離のオイル流路223を確保することができるとともに、その加工に不良が生じない。
以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。実施例では、本実施形態の鍛造装置100を用い、クランクシャフトの予備成形品200と金型103のキャビティとの間のクリアランスの最大長を0mm(比較実験例11)、0.5(実験例11)、1mm(比較実験例12)に設定して鍛造を行った。
実験条件について、予備成形品200の材質として炭素鋼を用い、鍛造時の加熱温度を1100〜1300℃に設定し、パンチの挿入角度θ(図5(A))を45度、孔部213Lの底面あるいは孔部213Mの側面とオイル流路223との間の肉厚K(図5(A))を6〜10mm、パンチの挿入経路とカウンタウェイト部212Aとの間隔L(非干渉量)を3〜5mm、孔部213Mの底面とクランクピン部213のジャーナル軸部211側表面との間の肉厚量N(曲率半径、図5)を15〜20mmに設定した。その結果を表1および図9に示す。
表1は、クリアランスの最大長Cの設定値と、その設定値Cのときに得られた倒れ量を表している。図9は、表1に示したクリアランスの最大長Cと倒れ量との関係を表すグラフである。なお、倒れ量は、パンチ挿入前のカウンタウェイト部同士の間隔A(図8(A))と、パンチ挿入後のカウンタウェイト部同士の間隔B(図8(B))との差(=A−B)として得た。
図9から判るように、クリアランスの最大長Cを0mmに設定した比較実験例11(図7(C))では、倒れ変形は生じなかったが、予備成形品の金型のキャビティへの投入が困難であった。クリアランスの最大長Cを1mmに設定した比較実験例12(図7(B))では、大きな倒れ変形が生じた(図8(B))。これに対して、クリアランスの最大長Cを0.5mmに設定した実験例11(図7(A))では、倒れ変形が生じたものの、その量は非常に小さく、問題のないものであった。また、この場合、予備成形品の金型のキャビティへの投入が容易であった。
以上のように予備成形品と金型のキャビティとの間のクリアランスの最大長を0mm超で、かつ0.5mm以下に設定することにより、予備成形品を金型のキャビティに容易に投入することができ、かつ鍛造時にクランクシャフトのカウンタウェイト部の倒れ変形を抑止することができることを確認した。
103…金型、103A…下型、103B…上型、200…クランクシャフトの予備成形品、213…クランクピン部、213L,213M…孔部、111p,112p,P…側方成形用パンチ(パンチ)

Claims (3)

  1. クランクピン部の両側に孔部が形成され、
    一方の孔部は、他方の孔部よりも、面積が広い底面を有し、かつ前記クランクピン部の表面から浅く形成されていることを特徴とするクランクシャフト。
  2. クランクピン部を備えたクランクシャフトを予備成形し、
    分割可能な上型および下型からなる金型のキャビティ内に、前記クランクシャフトの予備成形品を配置して前記予備成形品を鍛造し、
    前記予備成形では、前記クランクシャフトの予備成形品の形状を、前記金型のキャビティの形状よりも小さく成形し、
    前記鍛造では、前記クランクピン部の両側にパンチを同時に挿入することにより、前記クランクピン部に孔部を形成するとともに、前記キャビティ内に前記予備成形品の材料を充填し、
    前記孔部の形成では、一方の孔部は、他方の孔部よりも、底面の面積を広く、かつ前記クランクピン部の表面から浅く設定することを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
  3. 前記鍛造での前記予備成形品の配置では、前記予備成形品と前記金型のキャビティとの間のクリアランスの最大長を、0mm超で、かつ0.5mm以下に設定している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製造方法。
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