JP2016191415A

JP2016191415A - クランクシャフトの製造方法

Info

Publication number: JP2016191415A
Application number: JP2015071249A
Authority: JP
Inventors: 好正谷口; Yoshimasa Taniguchi; 慎司上野; Shinji Ueno; 満男小槻; Mitsuo Kotsuki; 一後藤; Hajime Goto
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: CN106002113A; CN106002113B; JP6508461B2

Abstract

【課題】本発明は、簡単な手法で、加工性を損なうことなく、クランクジャーナル部、クランクピン部、フィレット部に高周波焼入れが施せるクランクシャフトの製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、クランクジャーナル部３ａ〜３ｅの軸方向端およびクランプピン部５ａ〜５ｄの軸方向端のフィレット部７，９に所定にロール加工を施す工程と、ロール加工を終えてから、クランクジャーナル部３ａ〜３ｅの摺動面４、クランプピン部５ａ〜５ｄの摺動面６を、各軸方向端のフィレット部７，９を含み高周波焼入れする工程とを有するものとした。これにより、クランクシャフト１の高周波焼き入れは、フィレット部７，９におけるロール加工を終えてから、フィレット部７，９と共にクランクジャーナル部３ａ〜３ｅの摺動面４、クランプピン部５ａ〜５ｄの摺動面６に施すという簡単な手法ですむ。【選択図】図９

Description

本発明は、クランクシャフトの製造方法に関する。

クランクシャフトは、疲労強度や耐摩耗性などの向上が求められるため、一般にはクランクジャーナル部の摺動面やクランクピン部の摺動面に高周波焼入れを施し、クランクジャーナル部およびクランクピン部の軸方向端に有するフィレット部に、ロール加工（フィレットロール加工）を施すことが行われている（各々独立）。
近時では、一層、クランクシャフトの強度や耐摩耗性などを向上させるため、クランクジャーナル部、クランクピン部、当該クランクジャーナル部およびクランクピン部の軸方向端のフィレット部に高周波焼入れを施し、各部の表面硬度を高めてから、各フィレット部に、ロール加工（フィレットロール加工）を施す手法が提案されている（特許文献１を参照）。

特開２０００−３３７３４５号公報

ところが、特許文献１のようなフィレット部に高周波焼入れを施す手法は、高周波焼入れを終えた後に、フィレット部のロール加工が余儀なくされるために、ロール加工を施すこと自体難しい。すなわち、フィレット部は、高周波焼入れにより表面の硬度が高くなるため、直接、焼入れ表面にロール加工を施すことが難しくなる。
そのため、フィレット部にロール加工を行う場合、例えば引用文献１の如くクランクシャフト全体の低温焼もどしを行うなど、ロール加工前に、ロール加工を行える状況する工程を設けることが求められ、クランクシャフトの製造を難しくしていた。

そこで、本発明の目的は、簡単な手法で、加工性を損なうことなく、クランクジャーナル部、クランクピン部、フィレット部に高周波焼入れが施せるクランクシャフトの製造方法を提供する。

本発明の態様は、クランクジャーナル部の軸方向端およびクランプピン部の軸方向端のフィレット部に所定にロール加工を施す工程と、ロール加工を終えてから、クランクジャーナル部の摺動面、クランプピン部の摺動面を、クランクジャーナル部およびクランプピン部の各軸方向端のフィレット部を含み高周波焼入れする工程とを有するものとした。

本発明によれば、クランクシャフトのクランクジャーナル部、クランプピン部、フィレット部における高周波焼入れは、高周波焼入れ工程の前段階で、フィレット部にロール加工を施す手法を用いたことにより、簡単な手法で、加工性を損なわずに、フィレット部を含むクランクジャーナル部およびクランクピン部の摺動面に高周波焼入れを施すことができる。

本発明の一実施形態のクランクシャフトの正面図。クランクシャフトのクランクジャーナル部のフィレット部にフィレットロール加工（ロール加工）を施すときを説明する正面図。同フィレットロール加工を施す加工装置の概略を示す側面図。同フィレットロール加工を施すときを説明する正面図。同フィレットロール加工を施す加工装置の概略を示す側面図。同クランクピン部のフィレットロール加工で行われる位相制御を説明する図。クランクシャフトに高周波焼入れを施したときを、位相制御する制御機器と共に示す正面図。同クランクシャフトの変形を説明する図。高周波焼入れを終えたときのクランクシャフト部、クランクピン部、フィレット部における焼入れ硬化層を示す断面図。

以下、本発明を図１から図９に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１はクランクシャフト１の外観を示している。同クランクシャフト１は、例えばガソリン車用の４気筒エンジンのクランクシャフトである。このクランクシャフト１は、例えば左側から１番ジャーナル部３ａ（以下、単にジャーナル部３ａという）、１番ピン部５ａ（以下、単にピン部５ａという）、２番ジャーナル部３ｂ（以下、単にジャーナル部３ｂという）、２番ピン部５ｂ（以下、単にピン部５ｂという）、３番ジャーナル部３ｃ（以下、単にジャーナル部３ｃという），３番ピン部５ｃ（以下、単にピン部５ｃという）、４番ジャーナル部３ｄ（以下、単にジャーナル部３ｄという）、４番ピン部５ｄ（以下、単にピン部５ｄという）、５番ジャーナル部３ｅ（以下、単にジャーナル部３ｅという）を備えている。そして、各ジャーナル部３ａ〜３ｅ（本願のクランクジャーナル部に相当）、ピン部５ａ〜５ｄ（本願のクランクピン部に相当）との間は、アーム部２によってそれぞれ接合され、各ジャーナル部３ａ〜３ｅを同一軸線上に連ね、各ジャーナル部３ａ〜３ｅの摺動面４を直線状に配置している。またジャーナル部３ａ〜３ｅの軸心から所定に離れた位置には、ピン部５ｂ，５ｃが同一線上に連ねられている。さらにジャーナル軸心を挟んだピン部５ｂ、５ｃとは反対側（１８０°）の位置にはピン部５ａ，５ｄが同一線上に連ねられ、ジャーナル軸心の周りの所定位置に、上記ピン部５ｂ、５ｃおよびピン部５ａ，５ｄの摺動面６（外周面）を配置している。そして、アーム部２の側面とジャーナル部３ａ〜３ｅの軸方向端との間はフィレット部７となり、アーム部２の側面とピン部５ａ〜５ｄの軸方向端との間はフィレット部９となる。

クランクシャフト１は、耐摩耗性や曲げ（ねじり）疲労強度などを向上させるために、ジャーナル部３ａ〜３ｅの摺動面４、ピン部５ａ〜５ｄの摺動面６、ジャーナル部３ａ〜３ｅのフィレット部７、ピン部５ａ〜５ｄのフィレット部９に高周波焼入れを施すが、始めに高周波焼入れを施すと、焼入れのもたらす表面硬化作用により、この時点で、フィレット部７，９におけるロール加工、すなわちフィレット部７，９をアール部形状（溝）にし、同フィレットアール形状部を冷間ロール加工するといったフィレットロール加工は行難くなる。

そのため、本実施形態では、フィレットロール加工が容易に行えるよう、高周波焼入れを施す前の段階において、ロール加工であるジャーナル部３ａ〜３ｅおよびピン部５ａ〜５ｄのフィレット部７，９におけるフィレットロール加工を行い、その後に各フィレット部７，９を含み、ジャーナル部３ａ〜３ｅの摺動面４、ピン部５ａ〜５ｄの摺動面９に高周波焼入れを施すという手法が用いられる。

この手法を説明すると、まず、図２〜図５に示されるようにクランクシャフト１のフィレット部７，９にフィレットロール加工（ロール加工）を施すことから始める。
すなわち、フィレットロール加工は、まず図２および図３に示されるように、例えばクランクシャフト１の両端部１ａ，１ｂを支持センタ具１５で回転可能に支え、各ジャーナル部３ａ〜３ｅに専用のフィレットロール加工機１７を組み付ける。フィレットロール加工機１７は、例えば図３にも示されるようにジャーナル部３ａ〜３ｅを挟んだ片側を一対の支えロール１９で支え、反対側に、フィレット部７へ向かって突き出るように傾斜したフィレットロール２１を配置しておく。そして、図２，３中の矢印ａの如く各フィレットロール２１にフィレット荷重を加えて、フィレット部７に形成されている溝形のフィレットアール部にフィレットロール２１の先端を押し付けつつ、矢印ｂの如くクランクシャフト１をジャーナル部３ａ〜３ｅの軸心を中心に回転させることで、各フィレット部７の全周の表面の面粗度を高める。

続いて、ピン部５ａ〜５ｄのフィレット部９にフィレットロール加工を施す。この場合、図４および図５に示されるように例えばクランクシャフト１の両端部１ａ，１ｂを支持センタ具２５で回転可能に支え、各ピン部５ａ〜５ｄにフィレットロール加工機２７を組み付ける。フィレットロール加工機２７は、例えば図５にも示されるようにピン部５ａ〜５ｄを挟んだ片側に一対の支えロール２９を配置し、反対側に、フィレット部７へ向かって突き出るように傾斜したフィレットロール３１を配置して、ピン部５ａ〜５ｄを挟み込む。そして、図４，５中の矢印ｃの如く各フィレットロール３１にフィレット荷重を加えて、フィレット部９に形成されている溝形のフィレットアール部にフィレットロール３１を押し付けつつ、矢印ｄの如くクランクシャフト１をジャーナル部３ａ〜３ｅの軸心を中心に回転させることで、各フィレット部９の表面の面粗度を高める。

フィレットロール加工の際、単純にフィレット荷重を加えるのでは、迅速にクランクシャフト１の製造ができない。
そのため、フィレットロール加工にも工夫が施されている。同工夫は、このフィレットロール加工を用いて、高周波焼入れを施したときに生ずるクランクシャフト１の変形量に備えるものである。具体的にはフィレットロール加工によって、焼入れ変形を相殺するような変形を与えようとするものである。

この点を説明すると、クランクシャフト１の高周波焼入れ装置４１は、例えば図７に示されるように例えばクランクシャフト１の両端部１ａ，１ｂを支持センタ具３５で回転可能に支え、各ジャーナル部３ａ〜３ｅ、各ピン部５ａ〜５ｄの外周面上に、それぞれ高周波コイル３９を配置しておき、各高周波コイル３９に高周波を印加しながら、矢印ｅ如くクランクシャフト１をジャーナル部３ａ〜３ｅの軸心を中心に回転させて、ジャーナル部３ａ〜３ｅの摺動面４、ピン部５ａ〜５ｄの摺動面６、ジャーナル部３ａ〜３ｅのフィレット部７のフィレットアール部，ピン部５ａ〜５ｄのフィレット部９のフィレットアール部の表面を加熱して、各部位の表面部に硬化層を形成する。このとき、クランクシャフト１は熱により変形する。多くはピン部５ａ〜５ｄに接合されるアーム部２の厚み寸法が、トップ側とボトム側とで極端に異なる傾向が有るため、ピン部５ａ〜５ｄ周辺において変形が生じやすい。多くは、ピン部５ａ〜５ｄの両側のアーム部２が両側へ拡がり、図７および図８中の矢印ｇのようにピン部５ａ〜５ｄのボトム側が外側へ変形する。特に焼入れ時のピン部５ａ〜５ｄのボトム部分の変形は、クランクシャフト１の曲がりに直結する。しかし、曲がらない程度のコイル出力とすると、焼入れ深さが不足することがある。

そのため、高周波焼入れ装置４１は、例えば図７に示されるように高周波コイル３９への投入エネルギーを制御する制御部４３やアーム部２の曲げ量を検知する曲げ量検知センサ４５を用いて、クランクシャフト１の変形量が、所定の焼入れ深さで最小となるよう焼入エネルギーを制御する位相制御式が用いられ、クランクシャフト１の変形量をできるだけ抑えるものとしている。

こうしたクランクシャフト１に高周波焼入れをしたときのアーム部２における変形量（クランクシャフト１の焼入れ変形量）のデータを予め取得しておき、このアーム部２の変形量データから、高周波焼入れ変形を相殺する変形力を生起させる相殺データを得、同相殺データにより、高周波焼入れ前に行われるフィレットロール加工のとき、予め高周波焼入れ変形量を相殺する変形力をアーム部２に与える。

すなわちフィレットロール加工機１７，２７は、ジャーナル部３ａ〜３ｅの外周部位、ピン部５ａ〜５ｄの外周部位に加わるフィレット荷重を可変可能とした位相制御式が用いられている。したがって、上記フィレットロール加工は、上記高周波焼入れ変形量を相殺させる相殺データに基づき、各フィレットロール２１，３１の押し付け力（フィレット荷重）を制御する。

具体的には、焼入れ変形の多くは、上述したようにピン部５ａ〜５ｄ周辺で生じるので、少なくともピン部５ａ〜５ｄのフィレット部９に加わるフィレット荷重を制御する。特にピン５ａ〜５ｄにおける焼入れ変形は、上述のようにアーム部２は、特定の方向に変形をきたす傾向があるので、フィレットロール加工では、図４中の矢印ｆのように上述した変形（矢印ｇ）とは逆向き方向の変形をアーム部２に与える。つまり、ピン部５ａ〜５ｄのボトム側が内側へ変位する変形を与える。そのため、フィレットロール加工では、ピン部５ａ〜５ｄのトップ側に高荷重を加え、ピン部５ａ〜５ｄのボトム側に低荷重を加えて、図６のようにピン部５ａ〜５ｄのトップ側を外側に変形させ、ピン部５ａ〜５ｄのボトム側を内側に変形させる。

具体的には、ジャーナル部３ａ〜３ｅのフィレットロール加工においては、例えば面粗度を高めるフィレット荷重（例えば５ｋｇＮ）だけで、フィレット部７の全周にフィレットロール２１を押し付ける。ジャーナル部３ａ〜３ｅのフィレットロール加工においては、例えば図６に示されるようにピン部５ａ〜５ｄのボトム側の半周部Ｂ（目安として１５０度程度）には、面粗度を高めるだけのフィレット荷重β（例えば５ｋｇＮ；低荷重）を加え、ピン部５ａ〜５ｄのトップ側の半周部Ａ（目安として１８０度程度）には、相殺データ（変形量）に基づき上記フィレット荷重よりも大きくしたフィレット荷重α（例えば１０ｋｇＮ；高荷重）を加えるようにする。つまり、ピン部５ａ〜５ｄでは、トップ側の半周部Ａに加わるフィレット荷重αを、ボトム側の半周部Ｂに加わるフィレット荷重βよりも大きくする。フィレット部７の半周部Ａに加わるフィレット荷重αが増すと、図６（ａ）に示されるようにピン部５ａ〜５ｄのボトム側が内側へ向かうよう変形する。このときのアーム部２の変形量は、予め高周波焼入れで生じる変形を相殺する変形量である。

クランクシャフト１は、このようにしてフィレット部７．９におけるフィレットロール加工を終えてから（ロール加工の工程）、上述した高周波焼入れ装置４１で、ジャーナル部３ａ〜３ｅの摺動面４、ピン部５ａ〜５ｄの摺動面６が、ジャーナル部３ａ〜３ｅのフィレット部７およびピン部５ａ〜５ｄのフィレット部９を含み高周波焼入れされる（高周波焼入れ工程）。すると、ピン部５ａ〜５ｄの両側のアーム部２は、フィレットロール加工による変形は解消され、変形の相殺により、変形のない、すなわち変形を抑えたクランクシャフト１が得られる。

以上のように、高周波焼入れ後にロール加工する工程とは異なり、先にロール加工を行い、その後に高周波焼入れするという簡単な手法で、加工性を損なわずに、フィレット部７，９を含むジャーナル部３ａ〜３ｅおよびピン部５ａ〜５ｄの摺動面４，６に高周波焼入れが施せる。つまり，容易にクランクシャフト１に高周波焼入れを施すことができ、迅速にクランクシャフト１の製造が行える。

特に、高周波焼入れは、フィレットロール加工で加工されたフィレット部７，９を含みジャーナル部３ａ〜３ｅおよびピン部５ａ〜５ｄの摺動面４，６に施すので、図９の符号γで示される焼入れ硬化層ように、容易にフィレット部７，９までも所定の焼入れ深さで焼入れを施すことができる。このため、フィレット部７，９は、高周波焼入れによる表面硬化作用とフィレットロール加工による面粗度向上作用との相乗効果により、一層、強度や耐摩耗性や耐疲労強度などの向上を図ることができる。

そのうえ、位相制御を用いたフィレットロール加工にて、予め高周波焼入れがもたらすクランクシャフト１（アーム部２）の変形量を相殺する変形を与えることより、高周波焼入れ工程を終えた時点では、クランクシャフト１の変形は相殺、つまりクランクシャフト１の変形はなくなるので、高精度のクランクシャフト１を速やかに得ることができる。特に焼入れ変形が誘起されやすいピン部５ａ〜５ｄに対しては有効である。

しかも、フィレットロール加工は、少なくともピン部５ａ〜５ｄのトップ側の半周部Ａに加わるフィレット荷重αを、焼入れ変形量に基づきボトム側の半周部Ｂに加わるフィレット荷重βよりも大きくしたので、容易に当該変形量を相殺する変形を与えることができる。もちろん、クランクシャフト１によっては、ジャーナル部３ａ〜３ｅに加わるフィレット荷重も、ピン部５ａ〜５ｄと同様に変化させるようにしても構わない。

またフィレットロール加工だけでなく、高周波焼入れにも位相制御を用いて、所定焼入れ深さを確保しつつクランクシャフト１の変形量が最小となるよう焼入れエネルギーを制御したことにより、クランクシャフト１の変形量を相殺する変形量が最小限に抑えられるから、クランクシャフト１が製造されるまでの時間の短縮化を図ることができる。
なお、上述した一実施形態における各構成および組合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であることはいうまでもない。また本発明は、一実施形態によって限定されることはなく、「特許請求の範囲」によってのみ限定されることはいうまでもない。

１クランクシャフト
３ａ〜３ｅジャーナル部（クランクジャーナル部）
４ジャーナル部の摺動面
５ａ〜５ｄピン部（クランクピン部）
６ピン部の摺動面
７，９フィレット部
Ａピン部のトップ側の半周部
Ｂピン部のボトム側の半周部

Claims

クランクジャーナル部の軸方向端およびクランプピン部の軸方向端のフィレット部に所定にロール加工を施す工程と、
前記ロール加工を終えてから、前記クランクジャーナル部の摺動面、前記クランプピン部の摺動面を、前記クランクジャーナル部および前記クランプピン部の各軸方向端のフィレット部を含み高周波焼入れする工程と
を備えるクランクシャフトの製造方法。
前記ロール加工は、前記フィレット部へフィレットロールを押し付けるフィレットロール加工であることを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの製造方法。
前記フィレットロール加工は、予め前記高周波焼入れによる前記クランクシャフトの変形量を相殺するように変形を与え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。
前記クランクシャフトの変形量を相殺するフィレットロール加工は、少なくともクランクピン部のトップ側の半周部に加わるフィレット荷重を、前記変形量に基づきボトム側の半周部に加わるフィレット荷重よりも大きくすることを特徴とする請求項３に記載のクランクシャフトの製造方法。
前記高周波焼入れは、前記クランクシャフトの変形量が所定の焼入れ深さ量のときにおいて最小となるよう焼入れエネルギーが制御されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のクランクシャフトの製造方法。