JP2016215226A - 鍛造クランク軸の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を簡便に得ることができる鍛造クランク軸の製造装置を提供する。
【解決手段】整形加工とともに、ウエイト付きアーム部において、第１余肉部を変形させてアーム部のジャーナル部近傍の両側部の厚みを増加させる加工を施すための上下で一対の金型１１と、金型１１の開放部に収容され、ウエイト付きアーム部のピン部側の表面のうちでジャーナル部近傍の両側部の領域を少なくとも除く表面に押し当てられる第１工具２０と、を備え、金型１１および第１工具２０は、第１工具２０を退避位置から押し当て位置まで案内する第１案内面をそれぞれ有し、第１工具２０には、その上面２０ｂおよび下面２０ｃのいずれか一方または両方に、第１案内面２０ｅが設けられる。
【選択図】図６Ｄ

Description

本発明は、熱間鍛造によりクランク軸を製造する装置に関する。

自動車、自動二輪車、農業機械、船舶等のレシプロエンジンは、ピストンの往復運動を回転運動に変換して動力を取り出すために、クランク軸が不可欠である。クランク軸は、型鍛造または鋳造によって製造できる。特に、高強度と高剛性がクランク軸に要求される場合、それらの特性に優れることから、鍛造によって製造された鍛造クランク軸が多用される。

一般に、鍛造クランク軸の製造は、ビレットを原材料とし、ビレットは、断面が丸形または角形で全長にわたって断面積が一定である。鍛造クランク軸の製造工程は、予備成形、型鍛造、バリ抜きおよび整形の各工程を含む。通常、予備成形工程は、ロール成形と曲げ打ちの各工程を含み、型鍛造工程は、荒打ちと仕上げ打ちの各工程を含む。

図１Ａ〜１Ｆは、従来の一般的な鍛造クランク軸の製造工程を説明するための模式図である。図１Ａはビレット、図１Ｂはロール荒地、図１Ｃは曲げ荒地、図１Ｄは荒鍛造材、図１Ｅは仕上げ鍛造材、および、図１Ｆは鍛造クランク軸をそれぞれ示す。

図１Ｆに例示するクランク軸１は、５つのジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、４つのピン部Ｐ１〜Ｐ４、フロント部Ｆｒ、フランジ部Ｆｌ、および、８枚のクランクアーム部（以下、単に「アーム部」ともいう）Ａ１〜Ａ８から構成される。アーム部Ａ１〜Ａ８は、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５とピン部Ｐ１〜Ｐ４をそれぞれつなぐ。また、クランク軸１は、８枚の全てのアーム部Ａ１〜Ａ８にカウンターウエイト部（以下、単に「ウエイト部」ともいう）Ｗ１〜Ｗ８を有する。このようなクランク軸１は、４気筒エンジンに搭載され、４気筒−８枚カウンターウエイトである。

４つのピン部Ｐ１〜Ｐ４は、いずれも、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５に対して偏心している。ピン部Ｐ１〜Ｐ４の位相は、クランク軸１の長手方向の中央のジャーナル部Ｊ３を中心に面対称となるように適宜設定される。このため、中央のジャーナル部Ｊ３と繋がるアーム部（Ａ４、Ａ５）は、ジャーナル部Ｊ３を中心に面対称となる。すなわち、２つのアーム部（Ａ４、Ａ５）は、いずれも、同一のジャーナル部Ｊ３と繋がるとともに同位相のピン部（Ｐ２、Ｐ３）と繋がる。

以下では、ジャーナル部Ｊ１〜Ｊ５、ピン部Ｐ１〜Ｐ４、アーム部Ａ１〜Ａ８およびウエイト部Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれを総称するとき、その符号は、ジャーナル部で「Ｊ」、ピン部で「Ｐ」、アーム部で「Ａ」、ウエイト部で「Ｗ」とも記す。ピン部Ｐおよびこのピン部Ｐにつながる一組のアーム部Ａ（ウエイト部Ｗを含む）をまとめて「スロー」ともいう。

図１に示す製造方法では、以下のようにして鍛造クランク軸１が製造される。先ず、図１Ａに示すビレット２を加熱炉（例えば誘導加熱炉やガス雰囲気加熱炉）によって加熱した後、ロール成形を行う。ロール成形工程では、例えば孔型ロールによりビレット２を圧延して絞りつつその体積を長手方向に配分し、中間素材であるロール荒地３を成形する（図１Ｂ参照）。次に、曲げ打ち工程では、ロール荒地３を長手方向と直角な方向から部分的にプレス圧下してその体積を配分し、更なる中間素材である曲げ荒地４を成形する（図１Ｃ参照）。

続いて、荒打ち工程では、曲げ荒地４を上下に一対の金型を用いてプレス鍛造し、クランク軸（最終製品）のおおよその形状が造形された荒鍛造材５を成形する（図１Ｄ参照）。さらに、仕上げ打ち工程では、荒鍛造材５を上下に一対の金型を用いてプレス鍛造し、最終製品のクランク軸と合致する形状が造形された仕上げ鍛造材６を成形する（図１Ｅ参照）。これら荒打ちおよび仕上げ打ちのとき、互いに対向する金型の型割面の間から、余材がバリとして流出する。このため、荒鍛造材５および仕上げ鍛造材６は、いずれも、周囲にバリ（５ａ、６ａ）が大きく付いている。

バリ抜き工程では、例えば、仕上げ打ちによって得られたバリ６ａ付きの仕上げ鍛造材６を上下から金型で挟み込んで保持した状態で、刃物型によってバリ６ａを打ち抜き除去する。これにより、図１Ｆに示す鍛造クランク軸１とほぼ同じ形状のバリ無し鍛造材が得られる。整形工程では、バリ無し鍛造材の要所を上下から金型で僅かにプレス圧下し、最終製品の寸法形状に矯正する。ここで、バリ無し鍛造材の要所は、例えば、ジャーナル部Ｊ、ピン部Ｐ、フロント部Ｆｒ、フランジ部Ｆｌなどといった軸部、さらにはアーム部Ａおよびウエイト部Ｗが該当する。こうして、鍛造クランク軸１が製造される。

図１Ａ〜１Ｆに示す製造工程は、図１Ｆに示す４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸に限らず、様々なクランク軸に適用できる。例えば、一部のアーム部Ａにウエイト部Ｗを設けるクランク軸、より具体的には、４気筒−４枚カウンターウエイトのクランク軸にも適用できる。４気筒−４枚カウンターウエイトのクランク軸では、例えば、先頭の第１アーム部Ａ１、最後尾の第８アーム部Ａ８、および、中央の２枚のアーム部（第４アーム部Ａ４、第５アーム部Ａ５）にウエイト部（Ｗ１、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ８）を一体で設ける。また、残りのアーム部、具体的には、第２、第３、第６および第７のアーム部（Ａ２、Ａ３、Ａ６、Ａ７）は、ウエイト部を有さず、その形状が小判状となる。以下では、ウエイト部を一体で有するアーム部を「ウエイト付きアーム部」、ウエイト部を有さないアーム部を「ウエイトなしアーム部」ともいう。

前記図１Ａ〜１Ｆに示す製造工程は、その他に、３気筒エンジン、直列６気筒エンジン、Ｖ型６気筒エンジン、８気筒エンジン等に搭載されるクランク軸であっても、適用できる。なお、ピン部の配置角度の調整が必要な場合は、バリ抜き工程の後に、捩り工程が追加される。

ところで、近年、特に自動車用のレシプロエンジンには、燃費の向上のために軽量化が求められている。このため、レシプロエンジンに搭載されるクランク軸にも、軽量化の要求が著しくなっている。鍛造クランク軸の軽量化を図る従来技術としては、下記のものがある。

特許文献１および２には、ジャーナル部側の表面に穴部が成形されたアーム部が記載され、このアーム部を有するクランク軸の製造方法も記載されている。アーム部の穴部は、ジャーナル部の軸心とピン部の軸心とを結ぶ直線（以下、「アーム部中心線」ともいう）上に成形され、ピン部に向けて大きく深く窪む。このような同文献に記載されたアーム部は、穴部の体積分が軽量化される。アーム部の軽量化は、アーム部と対をなすウエイト部の重量軽減につながり、ひいては鍛造クランク軸全体の軽量化につながる。また、同文献に開示されたアーム部は、アーム部中心線を間に挟むピン部近傍の両側部で厚みが厚く維持されていることから、剛性（ねじり剛性および曲げ剛性）も確保される。

このように、アーム部のピン部近傍の両側部で厚みを厚く維持しながら、アーム部のジャーナル部側の表面に凹みを持たせれば、軽量化と剛性確保を同時に図ることができる。

ただし、そのような独特な形状のアーム部を有する鍛造クランク軸は、従来の製造方法では製造することが困難である。型鍛造工程において、アーム部表面に凹みを成形しようとすれば、当該凹み部位の金型の型抜き勾配が逆勾配になり、成形された鍛造材が金型から抜けなくなる事態が生じるからである。

そのような事態に対処するため、特許文献１および２に記載された製造方法では、型鍛造工程ではアーム部のジャーナル部側表面に凹みを成形することなくアーム部を小さく成形することとしている。また、バリ抜き工程の後に、アーム部のジャーナル部側の表面にパンチを押し込み、そのパンチの痕跡によって凹みを成形することとしている。

特開２０１２−７７２６号公報 特開２０１０−２３００２７号公報

確かに、前記特許文献１および２に記載された製造方法によれば、アーム部のピン部近傍の両側部で厚みを厚く維持しながら、アーム部のジャーナル部側の表面に凹みを成形することが可能となる。これにより、軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を製造することができる。

しかし、この製造方法では、アーム部のジャーナル部側の表面に凹みを成形するために、アーム部表面にパンチを強く押し込んでアーム部全体を変形させることから、パンチの押し込みに多大な力を要する。このため、パンチに多大な力を付与するための格別な設備構成が必要であり、パンチの耐久性に関しても配慮が必要となる。加えて、剛性を確保しながらさらに軽量化を図ることが要求される。

本発明の目的は、軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を簡便に得ることができる鍛造クランク軸の製造装置を提供することにある。

本発明の一実施形態による鍛造クランク軸の製造装置は、回転中心となるジャーナル部と、そのジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、を有する鍛造クランク軸の製造過程で、前記鍛造クランク軸の形状が造形されたバリ無しの鍛造材の形状を矯正する整形加工を施す鍛造クランク軸の製造装置である。前記鍛造クランク軸の前記クランクアーム部は、全部または一部がカウンターウエイト部を一体で有するウエイト付きアーム部であり、前記鍛造材は、前記ウエイト付きアーム部において、前記ジャーナル部近傍の両側部それぞれの外周に当該外周から突出する第１余肉部を有する。

前記鍛造クランク軸の製造装置は、前記整形加工とともに、前記ウエイト付きアーム部において、前記第１余肉部を変形させて前記ジャーナル部近傍の前記両側部の厚みを増加させる加工を施す上下で一対の金型と、前記金型の開放部に収容され、前記ウエイト付きアーム部の前記ピン部側の表面のうちで前記ジャーナル部近傍の前記両側部の領域を少なくとも除く表面に押し当てられる第１工具と、を備える。前記金型および前記第１工具は、前記第１工具を退避位置から押し当て位置まで案内する第１案内面をそれぞれ有し、前記第１工具には、その上面および下面のいずれか一方または両方に、前記第１案内面が設けられる。

前記鍛造クランク軸の製造装置は、前記ピン部の偏心方向に沿って移動可能な第１治具をさらに備え、前記第１治具は、前記第１工具を前記第１案内面による第１案内方向と角度を有する第１揺動方向に揺動可能に保持し、前記第１工具は、前記第１治具の移動に伴って前記第１案内方向に沿って移動するのが好ましい。この場合、前記第１治具は、２つの前記第１工具をそれぞれ前記第１揺動方向に揺動可能に保持し、前記２つの前記第１工具は、前記クランクアーム部のうちで同一の前記ピン部と繋がる２つの前記ウエイト付きアーム部に対し、前記ピン部側の表面にそれぞれ押し当てられるのが好ましい。

前記鍛造材は、前記クランクアーム部の前記ピン部近傍の両側部それぞれの外周に当該外周から突出する第２余肉部をさらに有し、前記金型は、前記第２余肉部を変形させ、前記クランクアーム部の前記ピン部近傍の両側部で厚みを増加させる加工をさらに施すのが好ましい。この場合、前記鍛造クランク軸の製造装置は、前記金型の開放部に収容され、前記クランクアーム部の前記ジャーナル部側の表面のうちで前記ピン部近傍の前記両側部の領域を少なくとも除く表面に押し当てられる第２工具をさらに備え、前記金型および前記第２工具は、前記第２工具を退避位置から押し当て位置まで案内する第２案内面をそれぞれ有し、前記第２工具には、その上面および下面のいずれか一方または両方に、前記第２案内面が設けられるのが好ましい。

前記クランク軸の製造装置は、前記ピン部の偏心方向に沿って移動可能な第２治具をさらに備え、前記第２治具は、前記第２工具を前記第２案内面による第２案内方向と角度を有する第２揺動方向に揺動可能に保持し、前記第２工具は、前記第２治具の移動に伴って前記第２案内方向に沿って移動するのが好ましい。この場合、前記第２治具は、２つの前記第２工具をそれぞれ第２揺動方向に揺動可能に保持し、前記２つの前記第２工具は、前記クランクアーム部のうちで同一の前記ジャーナル部と繋がるとともに同位相の前記ピン部と繋がる２つの前記クランクアーム部に対し、前記ジャーナル部側の表面にそれぞれ押し当てられるのが好ましい。

本発明の鍛造クランク軸の製造装置は、上下で一対の金型により、整形加工とともに、ウエイト付きアーム部において、第１余肉部を変形させてジャーナル部近傍の両側部の厚みを増加させる加工を施す。その際、ウエイト付きアーム部のピン部側表面に第１工具を押し当て、その第１工具は、上面および下面のいずれか一方または両方に案内面が設けられる。

このような本発明の鍛造クランク軸の製造装置は、金型によって第１余肉部を変形させることから、軽量化と剛性確保を同時に図った鍛造クランク軸を簡便に得ることができる。また、第１工具の押し当てにより、ウエイト付きアーム部のピン部側表面の形状を精密に成形できる。第１工具の上面および下面のいずれか一方または両方に案内面を設けるので、第１工具が第１治具や金型と干渉するのを防止でき、第１工具の可動範囲を十分に確保できる。このため、鍛造材の搬入および搬出を円滑に行うことができる。

図１Ａは、従来の鍛造クランク軸の製造工程におけるビレットを示す模式図である。 図１Ｂは、従来の鍛造クランク軸の製造工程におけるロール荒地を示す。 図１Ｃは、従来の鍛造クランク軸の製造工程における曲げ荒地を示す。 図１Ｄは、従来の鍛造クランク軸の製造工程における荒鍛造材を示す。 図１Ｅは、従来の鍛造クランク軸の製造工程における仕上げ鍛造材を示す。 図１Ｆは、従来の鍛造クランク軸の製造工程における鍛造クランク軸を示す。 図２Ａは、本発明で採用できる整形後のクランク軸について、ウエイト付きアーム部のピン部側表面の形状例を模式的に示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａのアーム部のピン部側表面を示す図である。 図２Ｃは、図２Ａのアーム部の側面を示す図である。 図２Ｄは、図２ＡのＡ−Ａ断面図である。 図３Ａは、本発明で採用できる整形後のクランク軸について、好適なアーム部のジャーナル部側表面の形状例を模式的に示す斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａのアーム部のジャーナル部側表面を示す図である。 図３Ｃは、図３ＡのＢ−Ｂ断面図である。 図４Ａは、整形前のウエイト付きアーム部について、ピン部側表面の形状例を示すための模式図であり、ピン部側表面を示す。 図４Ｂは、図４Ａのアーム部の側面を示す図である。 図４Ｃは、図４ＡのＣ−Ｃ断面図である。 図５Ａは、整形前のアーム部について、ジャーナル部側表面の形状例を示すための模式図であり、ジャーナル部側表面を示す。 図５Ｂは、図５ＡのＤ−Ｄ断面図である。 図６Ａは、本発明の鍛造クランク軸の製造装置の構成例を示す模式的に示す斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａの上面図であり、押し当て位置の場合を示す。 図６Ｃは、図６Ａの上面図であり、退避位置の場合を示す。 図６Ｄは、図６Ａの要部を拡大して示す斜視図である。 図７Ａは、第２工具の構成例を模式的に示す斜視図である。 図７Ｂは、図７Ａの要部を拡大して示す斜視図である。 図７Ｃは、図７Ａの上面図であり、押し当て位置の場合を示す。 図７Ｄは、図７Ａの上面図であり、退避位置の場合を示す。

以下に、本実施形態の鍛造クランク軸の製造装置について、図面を参照しながら説明する。

１．クランク軸の形状
本実施形態が対象とする鍛造クランク軸は、回転中心となるジャーナル部と、そのジャーナル部に対して偏心したピン部と、ジャーナル部とピン部をつなぐアーム部と、を有する。また、鍛造クランク軸は、アーム部のうちの全部または一部にウエイト部を一体で有する。このような鍛造クランク軸として、例えば、図２Ａ〜２Ｄおよび図３Ａ〜３Ｃに示す鍛造クランク軸を採用できる。

図２Ａ〜２Ｄは、本発明で採用できる整形後のクランク軸（最終製品）について、ウエイト付きアーム部のピン部側表面の形状例を示す模式図である。そのうち図２Ａは斜視図、図２Ｂはピン部側表面を示す図、図２Ｃは側面を示す図、図２ＤはＡ−Ａ断面図である。図２Ａ〜２Ｄでは、クランク軸のウエイト付きアーム部の１つを代表的に抽出して示しており、残りのアーム部を省略する。また、図２Ｃは、図２Ｂの破線矢印で示す方向からの投影図である。

ウエイト付きアーム部Ａは、ピン部Ｐ側の表面のうち、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の内側領域Ａｔに、凹みを有する。また、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）がピン部Ｐ側に膨らみ、それらの両側部（Ａｃ、Ａｄ）の厚みは、凹みの厚みと比べ、厚肉である。ここで、側部とは、アーム部Ａの幅方向（ピン部の偏心方向と直角な方向）の側面およびその周辺部分を意味し、換言すると、アーム部Ａの幅方向の端部を意味する。

このようなアーム部Ａは、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の厚みが厚く維持されるとともに、ピン部Ｐ側の表面に凹みが成形されている。このため、アーム部Ａのピン部Ｐ側表面の凹みによって軽量化を図ることができる。加えて、アーム部Ａのジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の厚み維持により、剛性の確保を図ることができる。

続いて、アーム部Ａのジャーナル部Ｊ側表面の形状について、その好ましい態様を説明する。

図３Ａ〜３Ｃは、本発明で採用できる整形後のクランク軸について、好適なアーム部のジャーナル部側表面の形状例を示す模式図であり、図３Ａは斜視図、同図３Ｂはジャーナル部側表面を示す図、図３ＣはＢ−Ｂ断面図である。

ウエイト部Ｗの有無に依拠することなく、アーム部Ａは、ジャーナル部Ｊ側の表面のうち、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の内側の領域Ａｓに凹みを有するのが好ましい。また、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）がジャーナル部Ｊ側に膨らみ、それらの両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みは、凹みの厚みと比べ、厚肉であるのが好ましい。

このようなアーム部Ａは、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みが厚く維持されるとともに、ジャーナル部Ｊ側の表面に凹みが成形される。このため、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚み維持によって剛性を確保しながら、ジャーナル部Ｊ側表面の凹みによってさらに軽量化を図ることができる。

続いて、整形前のアーム部の形状について、図面を参照しながら説明する。

図４Ａ〜Ｃは、整形前のウエイト付きアーム部について、ピン部側表面の形状例を示す模式図であり、図４Ａはピン部側表面を示す図、図４Ｂは側面を示す図、図４ＣはＣ−Ｃ断面図である。同図では、クランク軸のアーム部のうちで、ウエイト部を一体で有するアーム部を１つだけ抽出して示しており、残りのクランク軸のアーム部を省略する。なお、図４Ｂは、図４Ａの破線矢印で示す方向からの投影図である。

ウエイト付きアーム部Ａは、整形前に、ピン部Ｐ側表面のうち、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の内側領域Ａｔに、整形後の形状と合致する凹みを持つ。その凹みはジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の領域まで滑らかに広がっている。これにより、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の厚みは、整形後の厚みよりも薄い。

また、ウエイト付きアーム部Ａは、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の外周に、それぞれ第１余肉部（Ａｃａ、Ａｄａ）を有する。その第１余肉部（Ａｃａ、Ａｄａ）は、両側部（Ａｃ、Ａｄ）の外周から突出する。同図に示す第１余肉部（Ａｃａ、Ａｄａ）は、板状であり、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の外周に沿って設けられる。第１余肉部（Ａｃａ、Ａｄａ）の厚みは、その根元の両側部（Ａｃ、Ａｄ）の厚みと比べ、同程度であるかまたは薄い。

このような形状の整形前のウエイト付きアーム部は、ピン部Ｐ側表面の凹みに対応する部位および第１余肉部（Ａｃａ、Ａｄａ）に対応する部位のいずれでも、逆勾配にならない。

図５Ａおよび５Ｂは、整形前のアーム部について、ジャーナル部側表面の形状例を示す模式図であり、図５Ａはジャーナル部側表面を示す図、図５ＢはＤ−Ｄ断面図である。

前記図３Ａ〜３Ｄに示す整形後のアーム部Ａは、ウエイト部の有無に依拠することなく、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みが厚く維持されるとともに、ジャーナル部Ｊ側の表面に凹みが成形される。このような場合、整形前のアーム部Ａは、ジャーナル部Ｊ側の表面のうち、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の内側領域に、整形後（最終製品）の形状と合致する凹みを持つのが好ましい。その凹みはピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の領域まで滑らかに広がっている。これにより、整形前のピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みは、整形後の厚みよりも薄い。

また、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の外周には、第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）をそれぞれ設けるのが好ましく、第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）は、両側部（Ａａ、Ａｂ）の外周から突出する。同図に示す第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）は、板状であり、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の外周に沿って設けられる。第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）の厚みは、その根元の両側部（Ａａ、Ａｂ）の厚みと比べ、同程度であるかまたは薄い。

このような形状の整形前のアーム部は、ジャーナル部Ｊ側表面の凹みに対応する部位および第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）に対応する部位のいずれでも、逆勾配にならない。

２．鍛造クランク軸の製造装置
図６Ａ〜６Ｄは、本発明の鍛造クランク軸の製造装置の構成例を示す模式図であり、図６Ａは斜視図、図６Ｂは押し当て位置の場合の上面図、図６Ｃは退避位置の場合の上面図、図６Ｄは要部を拡大して示す斜視図である。図６Ａ〜６Ｄには、バリ無し鍛造材９１と、金型のうちの下型の一部を構成するボトム側部材１１と、第１工具２０と、第１治具３０とを示す。図６Ａには、さらに、下型の一部を構成するトップ側部材１２と、第２工具４０と、第２治具５０とを示す。なお、図６Ｂおよび６Ｃでは、バリ無し鍛造材９１を想像線で示す。

図６Ａ〜６Ｃでは、バリ無し鍛造材９１のうちで、１つのピン部Ｐと、そのピン部Ｐと繋がる２つのウエイト付きアーム部Ａと、その２つのウエイト付きアーム部Ａと繋がるジャーナル部Ｊの一部とを抽出して示す。図６Ｄでは、図６Ａ〜６Ｃと比べ、バリ無し鍛造材９１の一部を省略する。また、図６Ａ〜６Ｄでは、製造装置が備える複数の第１工具のうちの２つの第１工具２０を示し、他の第１工具の図示を省略する。その２つの第１工具は、同一のピン部Ｐと繋がる２つのウエイト付きアーム部Ａのピン部Ｐ側表面にそれぞれ押し当てられる。

第１工具２０は、ウエイト付きアーム部Ａのピン部Ｐ側の表面のうちでジャーナル部Ｊ近傍の両側部の領域を少なくとも除く表面に押し当てられる。例えば、第１工具２０の先端面２０ａは、アーム部Ａのピン部Ｐ側の表面のうち、ジャーナル部Ｊ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の内側領域Ａｔに押し当てられる。

上下で一対の金型は、上型と下型とで構成できる。同図では、図面の理解を容易にするため、上型の図示を省略するとともに、下型を構成する一部の部材のみを図示する。

上型および下型には、バリ無しの鍛造材の形状を矯正する整形加工とともに突出する余肉部を変形させるため、それぞれ型彫刻部１１ａが彫り込まれている。同図の下型を構成するボトム側部材１１の型彫刻部１１ａは、下型の型彫刻部の一部を構成する。

上型および下型の型彫刻部には、クランク軸（最終製品）の形状のうちの一部を除いた部分の形状が反映されている。具体的には、第１工具２０を収容するため、金型（上型および下型）に工具用開放部が設けられる。このため、型彫刻部には、アーム部のピン部側表面における凹み形状が反映されない。

また、アーム部のジャーナル部側表面に凹みを形成する場合（前記図３Ａ〜３Ｃ参照）、型彫刻部には、アーム部のジャーナル部側表面における凹み形状が反映されない。この凹み形状を型彫刻部に反映すると、型彫刻部の一部が逆勾配となるからである。この場合、第２工具４０を収容するため、金型（上型および下型）に工具用開放部を設けてもよい。

金型（上型および下型）には、第１治具３０を収容するため、それぞれ溝状の治具用開放部１１ｃ（図６Ｂ参照）が設けられる。

第１工具２０を退避位置から押し当て位置まで案内するため、第１工具２０の上面２０ｂおよび下面２０ｃの両方には、第１案内方向（図６Ｂおよび６Ｃの実線矢印参照）に沿って延びる凸部２０ｄが設けられる。また、金型を構成するボトム側部材１１の工具用開放部の底面には、第１工具２０の凸部２０ｄを受け入れるため、溝状の凹部１１ｄが設けられる（図６Ｄ参照）。このため、第１工具２０が退避位置から押し当て位置まで移動する際、工具用開放部（金型）の凹部１１ｄの両側面および第１工具２０の凸部２０ｄの両側面２０ｅに沿って第１工具２０が移動する。すなわち、工具用開放部（金型）の凹部１１ｄの両側面とともに、第１工具２０の上面２０ｂおよび下面２０ｃに設けられた凸部の両側面２０ｄが案内面（第１案内面）として機能する。

このような本実施形態の鍛造クランク軸の製造装置は、上下で一対の金型により、整形加工とともに、ウエイト付きアーム部において、第１余肉部を変形させてジャーナル部近傍の両側部の厚みを増加させる加工を施す。このため、得られるクランク軸のウエイト付きアーム部において、ジャーナル部近傍の両側部の厚みを厚く維持しつつ、ピン部側表面に凹みを持たせることができる。したがって、軽量化と剛性確保を同時に図ることができる。

第１余肉部を変形させてジャーナル部近傍の両側部の厚みを増加させる加工では、金型によって第１余肉部をピン部側表面に向けて折り曲げればよい。また、金型によって第１余肉部を押し潰し、ピン部側に張り出させてもよい。このため、本実施形態の鍛造クランク軸の製造装置は、軽量化と剛性確保を同時に図ったクランク軸を、多大な力を要することなく簡便に得ることができる。

第１余肉部を変形させる際に、第１工具をウエイト付きアーム部のピン部側表面に押し当てるので、ピン部側の表面の凹み等が保持される。これにより、ピン部側表面で、具体的には、ジャーナル部近傍の両側部やその内側領域で、形状を精密に成形できる。このように第１工具は、押し当てによる保持を目的とし、アーム部のピン部側表面に押し込まれることがない。このため、第１工具の押し当てに要する力は、小さくて済む。

また、本実施形態の鍛造クランク軸の製造装置は、第１工具２０の上面２０ｂおよび下面２０ｃのいずれか一方または両方に、第１案内面を設ける。このため、第１工具２０の側面形状を平面とする必要がなく、例えば、面取りや丸みを付けることによって適宜形状を変更できる。これにより、第１工具２０の幅を小さくできるので、第１工具２０が第１治具３０や金型と干渉するのを防止でき、第１工具２０の可動範囲を十分に確保できる。このため、鍛造材の搬入および搬出を円滑に行うことができる。

本発明の鍛造クランク軸の製造装置は、図６Ａに示すような同一のピン部Ｐと繋がる２つのウエイト付きアーム部Ａのピン部Ｐ側表面にそれぞれ押し当てる場合に限定されない。例えば、同一のピン部Ｐと繋がる２つのアーム部の一方がウエイトなしアーム部であり、他方のウエイト付きアーム部Ａのピン部Ｐ側表面にのみ第１工具を押し当てる場合にも適用できる。この場合、同一のピン部Ｐと繋がる２つのアーム部の間には、１つの第１工具が配置され、その１つの第１工具を第１治具が保持する構成となる。

同一のピン部Ｐと繋がる２つのアーム部Ａがいずれもウエイト部Ｗを一体で有する場合、２つの第１工具２０が互いに干渉し、第１工具２０の可動範囲が不十分となりがちである。これを防止して第１工具２０の可動範囲を十分に確保するため、同一のピン部Ｐと繋がる２つのウエイト付きアーム部Ａのピン部Ｐ側表面にそれぞれ押し当てられる２つの第１工具２０において、上面２０ｂおよび下面２０ｃのいずれか一方または両方に、第１案内面２０ｅをそれぞれ設けるのが好ましい。

ここで、図６Ａ〜６Ｄに示す構成と異なり、第１工具２０を第１治具３０に固定し、その第１治具を第１案内方向に沿って移動させるのに伴って第１工具を移動させる構成とすることもできる。しかし、上記構成では、複数の第１工具２０で第１案内方向が異なるので、第１治具３０を移動させる方向もそれぞれ異なる。このため、第１治具３０および駆動装置（図示なし）が干渉して可動範囲が不十分となるおそれがある。

第１治具３０および駆動装置（図示なし）が干渉するのを防止するとともに、第１治具３０を移動させる方向を統一する観点から、ピン部の偏心方向（図６Ｂおよび６Ｃのハッチングを施した矢印参照）に沿って移動可能な第１治具３０を備えるのが好ましい。この場合、第１治具３０は、第１案内面による第１案内方向と角度を有する第１揺動方向（図６Ｂおよび６Ｃの破線矢印参照）に第１工具２０を揺動可能に保持する。

このような第１治具３０を備えれば、偏心方向に沿って第１治具を移動させることにより、第１案内方向に沿って第１工具２０を移動させることができる。このため、鍛造材との干渉を防止しながら、アーム部とその隣のアーム部との間に配置できる。また、第１治具３０が偏心方向に沿って移動するので、第１治具３０の移動を駆動する機構を共通化でき、製造装置の設備構成を簡素化できる。その結果、第１工具の可動範囲を確保しながら、より狭小なスペースに第１工具２０を配置可能となる。第１揺動方向は、第１案内方向に応じて適宜設定することができる。

同一のピン部Ｐと繋がる２つのウエイト付きアーム部Ａのピン部Ｐ側表面に２つの第１工具２０を押し当てる場合、それら２つの第１工具２０を単一の第１治具３０で、それぞれ、揺動可能に保持するのが好ましい。これによっても、製造装置の構成を簡素化でき、第１工具２０の可動範囲をより十分に確保できる。

鍛造材９１は、図５Ａおよび５Ｂに示すような第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）を有するのが好ましい。この場合、金型は、整形加工および第１余肉部（Ａｃａ、Ａｄａ）を変形させる加工に加え、第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）を変形させ、アーム部のピン部近傍の両側部で厚みを増加させる加工をさらに施すのが好ましい。これにより、得られる鍛造クランク軸において、前記図３Ａ〜３Ｃに示すように、剛性を確保しながら、さらに軽量化を図ることができる。

第２余肉部を変形させてピン部近傍の両側部の厚みを増加させる加工では、金型によって第２余肉部をジャーナル部側表面に向けて折り曲げればよい。また、金型によって第２余肉部を押し潰し、ジャーナル部側に張り出させてもよい。これにより、軽量化と剛性確保を同時に図ったクランク軸を、多大な力を要することなく簡便に得ることができる。

鍛造材が第２余肉部を有する場合、本実施形態の鍛造クランク軸の製造装置は、アーム部のジャーナル部側の表面に押し当てられる第２工具４０を備えるのが好ましい。

図７Ａ〜７Ｄは、第２工具の構成例を示す模式図であり、図７Ａは斜視図、図７Ｂは要部を拡大して示す斜視図、図７Ｃは押し当て位置の場合を示す上面図、図７Ｄは退避位置の場合を示す上面図である。図７Ａ〜７Ｄには、金型のうちの下型の一部を構成するトップ側部材１２と、第２工具４０と、第２治具５０とを示す。また、図７Ａには、被加工材のバリ無し鍛造材９１の一部を示す。前述の第１工具２０については、図示を省略する。

第２工具４０は、アーム部のジャーナル部側の表面のうちでピン部近傍の両側部の領域を少なくとも除く表面に押し当てられる。例えば、第２工具４０の先端面４０ａは、アーム部Ａのジャーナル部Ｊ側の表面のうち、ピン部Ｐ近傍の両側部（Ａａ、Ａｂ）の内側の領域Ａｓに押し当てられる（図５Ａおよび５Ｂ参照）。

第２工具４０を収容するため、金型（上型および下型）に工具用開放部１２ｂが設けられる。また、第２治具５０を収容するため、それぞれ溝状の治具用開放部１２ｃが金型（上型および下型）に設けられる。

第２工具４０を退避位置から押し当て位置まで案内するため、第１工具と同様に、同図に示す第２工具４０の上面４０ｂおよび下面には、それぞれ、第２案内方向（図７Ｃおよび７Ｄの実線矢印参照）に沿って延びる凸部４０ｄが設けられる。また、金型を構成するトップ側部材１２には、第２工具４０の凸部４０ｄを受け入れるため、溝状の凹部１２ｄが設けられる。このため、第２工具４０が退避位置から押し当て位置まで移動する際には、金型を構成するトップ側部材１２の凹部１２ｄの両側面および第２工具４０の凸部４０ｄの両側面４０ｅに沿って第２工具４０が移動する。すなわち、金型を構成するトップ側部材１２の凹部１２ｄの両側面とともに、第２工具４０の上面４０ｂおよび下面に設けられた凸部４０ｄの両側面４０ｅが案内面（第２案内面）として機能する。

このような第２工具４０を備えれば、ジャーナル部側表面の凹みが第２工具の押し当てによって保持される。このため、アーム部のジャーナル部近傍の両側部において、形状を精密に成形できる。

また、第２工具４０の上面４０ｂおよび下面のいずれか一方または両方に第２案内面を設けることにより、前述の第１工具と同様に、第２工具４０が第２治具５０や金型と干渉するのを防止でき、第２工具の可動範囲を十分に確保できる。このため、鍛造材の搬入および搬出を円滑に行うことができる。

第１治具と同様に、第２治具５０および駆動装置（図示なし）が干渉するのを防止するとともに、第２治具５０を移動させる方向を統一する観点から、ピン部の偏心方向（図７Ｃおよび７Ｄのハッチングを施した矢印参照）に沿って移動可能な第２治具５０をさらに備えるのが好ましい。この場合、第２治具５０は、前記図６Ａ〜６Ｄに示す第１治具と同様に、第２案内面による第２案内方向と角度を有する第２揺動方向（図７Ｃおよび７Ｄの破線矢印参照）に第２工具４０を揺動可能に保持する。

第２揺動方向は、第２案内方向に応じて適宜設定することができ、例えば、第２工具が押し当てられるアーム部の部位に沿うような方向とすることができる。

同一のジャーナル部Ｊと繋がるとともに同位相のピン部と繋がる２つのアーム部のピン部側表面に２つの第２工具４０をそれぞれ押し当ててもよい。この場合、図７Ａ〜図７Ｄに示すように、それら２つの第２工具を単一の第２治具で、それぞれ、揺動可能に保持するのが好ましい。これによっても、製造装置の構成を簡素化でき、第２工具の可動範囲をより十分に確保できる。

また、第２工具は、例えば、図１Ｆに示す４気筒−８枚カウンターウエイトのクランク軸において、第１〜第３および第６〜第８のアーム部のジャーナル部側の表面に押し当ててもよい。この場合、ジャーナル部を介して隣り合うアーム部の間に１つの第２工具を配置し、その１つの第２工具を第２治具が保持する構成を採用できる。

３．鍛造クランク軸の製造方法
続いて、上述の本実施形態の鍛造クランク軸の製造装置を使用する方法、すなわち、上述の本実施形態の鍛造クランク軸の製造装置を用いる鍛造クランク軸の製造方法について説明する。

製造工程は、従来と同様の構成とすることができ、例えば、予備成形、型鍛造、バリ抜きおよび整形の各工程で構成できる。この場合、前記図４Ａ〜４Ｃに示すようなバリ無し鍛造材を得るため、型鍛造工程では、ウエイト付きアーム部において、第１余肉部を有するバリ付き鍛造材を成形する。第１余肉部は、ジャーナル部近傍の両側部それぞれの外周に設けられ、その両側部の外周から突出する。また、バリ付き鍛造材に、前述の第２余肉部を成形してもよい。第２余肉部は、アーム部のピン部近傍の両側部それぞれの外周に設けられ、その外周から突出する。

前述の通り、整形前のウエイト付きアーム部は、ピン部Ｐ側表面の凹みに対応する部位および第１余肉部（Ａｃａ、Ａｄａ）に対応する部位のいずれでも、逆勾配にならない。また、整形前のアーム部は、ジャーナル部Ｊ側表面の凹みに対応する部位および第２余肉部（Ａａａ、Ａｂａ）に対応する部位のいずれでも、逆勾配にならない。このため、型鍛造を支障なく行え、バリ付きの鍛造材を得ることができる。続いて、バリ抜き工程で、バリ付き鍛造材からバリを除去すれば、バリ無し鍛造材を得ることができる。

整形工程では、前記図６Ａ〜６Ｄに示すような鍛造クランク軸の製造装置を用いる。先ず、金型の上型および下型を離間させるとともに、第１工具を退避位置に配置する。そして、バリ無しの鍛造材を搬入し、上型と下型の間に配置する。

続いて、第１工具を押し当て位置に移動させることにより、鍛造材に、具体的には、アーム部のピン部側の表面に第１工具を押し当てる。この状態で、上型と下型とが近接するように移動させ、より具体的には、上型を下死点まで移動させ、鍛造材を金型で僅かにプレス圧下する。これにより、鍛造材に整形加工が施され、最終製品の寸法形状に矯正される。その際、第１余肉部を変形させてアーム部のピン部近傍の両側部の厚みを増加させる。

整形加工および第１余肉部への加工が完了した後、上型と下型とを離間させ、より具体的には、上型を上死点まで移動させる。そして、第１工具を退避位置まで移動させた後、加工済みの鍛造材を搬出する。これにより、前記図２Ａ〜２Ｄに示すようなクランク軸を得ることができ、軽量化と剛性確保を同時に図ることができる。

バリ無し鍛造材が第２余肉部を有する場合、鍛造クランク軸の製造装置がアーム部のジャーナル部側表面に押し当てられる第２工具を備えてもよい。第２工具は、第１工具に倣って、押し当て位置または退避位置に配置すればよい。これにより、前記図３Ａ〜３Ｃに示すようなクランク軸を得ることができ、剛性を確保しながらさらに軽量化を図ることができる。

本発明は、レシプロエンジンに搭載される鍛造クランク軸の製造に有効に利用できる。

１：鍛造クランク軸、 Ｊ、Ｊ１〜Ｊ５：ジャーナル部、 Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４：ピン部、
Ｆｒ：フロント部、 Ｆｌ：フランジ部、 Ａ、Ａ１〜Ａ８：クランクアーム部、
Ｗ、Ｗ１〜Ｗ８：カウンターウエイト部、
Ａａ、Ａｂ：アーム部のピン部近傍の側部、
Ａａａ、Ａｂａ：第２余肉部、
Ａｃ、Ａｄ：アーム部のジャーナル部近傍の側部、
Ａｃａ、Ａｄａ：第１余肉部、
Ａｓ：アーム部のジャーナル部側表面における両側部の内側領域、
Ａｔ：アーム部のピン部側表面における両側部の内側領域、
１１：下型を構成するボトム側部材、 １１ａ：型彫刻部、
１１ｃ：治具用開放部、 １１ｄ：凹部、
１２：下型を構成するトップ側部材、 １２ａ：型彫刻部、 １２ｂ：工具用開放部、
１２ｃ：治具用開放部、 １２ｄ：凹部、
２０：第１工具、 ２０ａ：先端面（型彫刻部）、 ２０ｂ：上面、
２０ｃ：下面、 ２０ｄ：凸部、 ２０ｅ：凸部の側面（第１案内面）
３０：第１治具、 ３０ａ：凸部、 ４０：第２工具、
４０ａ：先端面（型彫刻部）、 ４０ｂ：上面、 ４０ｄ：凸部、
４０ｅ：凸部の側面（第２案内面）、 ５０：第２治具、 ５０ａ：凸部、
９１：バリ無し鍛造材

Claims (6)

1. 回転中心となるジャーナル部と、そのジャーナル部に対して偏心したピン部と、前記ジャーナル部と前記ピン部をつなぐクランクアーム部と、を有する鍛造クランク軸の製造過程で、前記鍛造クランク軸の形状が造形されたバリ無しの鍛造材の形状を矯正する整形加工を施す鍛造クランク軸の製造装置であって、
   前記鍛造クランク軸の前記クランクアーム部は、全部または一部がカウンターウエイト部を一体で有するウエイト付きアーム部であり、
   前記鍛造材は、前記ウエイト付きアーム部において、前記ジャーナル部近傍の両側部それぞれの外周に当該外周から突出する第１余肉部を有し、
   前記鍛造クランク軸の製造装置は、
   前記整形加工とともに、前記ウエイト付きアーム部において、前記第１余肉部を変形させて前記ジャーナル部近傍の前記両側部の厚みを増加させる加工を施す上下で一対の金型と、
   前記金型の開放部に収容され、前記ウエイト付きアーム部の前記ピン部側の表面のうちで前記ジャーナル部近傍の前記両側部の領域を少なくとも除く表面に押し当てられる第１工具と、を備え、
   前記金型および前記第１工具は、前記第１工具を退避位置から押し当て位置まで案内する第１案内面をそれぞれ有し、
   前記第１工具には、その上面および下面のいずれか一方または両方に、前記第１案内面が設けられる、鍛造クランク軸の製造装置。
2. 請求項１に記載の鍛造クランク軸の製造装置であって、
   前記鍛造クランク軸の製造装置は、前記ピン部の偏心方向に沿って移動可能な第１治具をさらに備え、
   前記第１治具は、前記第１工具を前記第１案内面による第１案内方向と角度を有する第１揺動方向に揺動可能に保持し、
   前記第１工具は、前記第１治具の移動に伴って前記第１案内方向に沿って移動する、鍛造クランク軸の製造装置。
3. 請求項２に記載の鍛造クランク軸の製造装置であって、
   前記第１治具は、２つの前記第１工具をそれぞれ前記第１揺動方向に揺動可能に保持し、
   前記２つの前記第１工具は、前記クランクアーム部のうちで同一の前記ピン部と繋がる２つの前記ウエイト付きアーム部に対し、前記ピン部側の表面にそれぞれ押し当てられる、鍛造クランク軸の製造装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の鍛造クランク軸の製造装置であって、
   前記鍛造材は、前記クランクアーム部の前記ピン部近傍の両側部それぞれの外周に当該外周から突出する第２余肉部をさらに有し、
   前記金型は、前記第２余肉部を変形させ、前記クランクアーム部の前記ピン部近傍の両側部で厚みを増加させる加工をさらに施し、
   前記鍛造クランク軸の製造装置は、前記金型の開放部に収容され、前記クランクアーム部の前記ジャーナル部側の表面のうちで前記ピン部近傍の前記両側部の領域を少なくとも除く表面に押し当てられる第２工具をさらに備え、
   前記金型および前記第２工具は、前記第２工具を退避位置から押し当て位置まで案内する第２案内面をそれぞれ有し、
   前記第２工具には、その上面および下面のいずれか一方または両方に、前記第２案内面が設けられる、鍛造クランク軸の製造装置。
5. 請求項４に記載の鍛造クランク軸の製造装置であって、
   前記クランク軸の製造装置は、前記ピン部の偏心方向に沿って移動可能な第２治具をさらに備え、
   前記第２治具は、前記第２工具を前記第２案内面による第２案内方向と角度を有する第２揺動方向に揺動可能に保持し、
   前記第２工具は、前記第２治具の移動に伴って前記第２案内方向に沿って移動する、鍛造クランク軸の製造装置。
6. 請求項５に記載の鍛造クランク軸の製造装置であって、
   前記第２治具は、２つの前記第２工具をそれぞれ前記第２揺動方向に揺動可能に保持し、
   前記２つの前記第２工具は、前記クランクアーム部のうちで同一の前記ジャーナル部と繋がるとともに同位相の前記ピン部と繋がる２つの前記クランクアーム部に対し、前記ジャーナル部側の表面にそれぞれ押し当てられる、鍛造クランク軸の製造装置。