JP2020085208A - 金属製部品の破断方法およびコネクティングロッドの破断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、容易に応力集中部を形成する手法を用いて、３次元的なずれが抑えられる良好な破断面を形成しながら破断が行える破断方法を提供する。【解決手段】本発明は、所定の貫通孔５ａを有した金属製部品１，Ｂを有し、貫通孔の内周面の対向する位置に、貫通孔の第１開口端から第２開口端まで連続する溝部１７を形成し、金属製部品を溝部から破断可能とする金属製部品の破断方法であって、金属製部品の溝部において、当該金属製部品の破断開始時において応力を集中させる位置δ、δ１、δ２を特定し、溝部の特定した位置を破壊起点とするべく、当該特定した位置と対応する溝部の底部の位置に応力集中部１９を形成し、金属製部品の破断開始時、溝部上の応力集中部１９から、溝部の各部よりも最先に亀裂Ｓ１を生じさせ、溝部の各部から亀裂Ｓ２を進展させるものとした。【選択図】 図２

Description

本発明は、貫通孔から破断される金属製部品の破断方法およびコネクティングロッドの破断方法に関する。

貫通孔を有する金属製部品では、貫通孔から破断して分割された部品を組み合わせて、一対の製品として用いる場合がある。代表的な金属製部品には、コネクティングロッド（以下、コンロッドという）が知られている。

コンロッドでは、大端部の貫通孔に拡張する方向に荷重を加えて、大端部を本体部とキャップ部とに破断して分割し、破断した破断面に生じた凹凸を位置決めに用いることによって、本体部とキャップ部とをボルトで締結する際に、位置決めピンを省略した状態でも高精度に位置決めをすることが可能となる。

コンロッドの多くは、大端部の貫通孔の内周面の対向する各部位に、一方の開口端（第１開口端）から他方の開口端（第２開口端）に連続して溝部を形成することによって、大端部が溝部から破断されるようにしている。

しかし、コンロッドに形成した溝部だけでは、破壊起点が溝部上に多数個存在するため、多方向から進展した亀裂同士が互いに干渉し合って３次元的にずれて亀裂が進み、良好な破断面が得られないことがある。

そこで、特許文献１に開示されているように溝部と破断最終位置との間の中間位置、例えばボルト孔の内周面に、応力集中部として段差部を形成する手法を採用して、段差部（応力集中部）にて亀裂が進む方向を誘導し、亀裂の３次元的なずれを抑える技術が提案されている。

特開２０１４−９８４２３号公報

しかしながら、応力集中部は、溝部と破断最終位置との間の中間に配置することが余儀なくされるので、応力集中部の形成は面倒である。たとえボルト孔の内周面に段差部を形成して応力集中部とする場合でも、ボルト孔を所定の大径部と所定の小径部で形成するなど、コスト的な負担の多い作業が強いられやすい。

そこで、本発明の目的は、容易に応力集中部を形成する手法を用いて、３次元的なずれが抑えられる良好な破断面を形成しながら破断が行える金属製部品の破断方法およびコネクティングロッドの破断方法を提供する。

第１の発明となる金属製部品の破断方法の態様は、所定の貫通孔を有した金属製部品を有し、貫通孔の内周面の対向する位置に、貫通孔の第１開口端から第２開口端まで連続する溝部を形成し、金属製部品を溝部から破断可能とする金属製部品の破断方法であって、金属製部品の溝部において、当該金属製部品の破断開始時において応力を集中させる位置を特定し、溝部の特定した位置を破壊起点とするべく、当該特定した位置と対応する溝部の底部の位置に応力集中部を形成し、金属製部品の破断開始時、溝部上の応力集中部から、溝部の各部よりも最先に亀裂を生じさせ、溝部の各部から亀裂を進展させるものとした。

この方法により、金属製部品の破断開始時、溝部上の応力集中部が最先の破壊起点となって亀裂が生じ、金属製部品の最終破断位置まで最先に進行する。この亀裂の進行にしたがい溝部の各部から亀裂は進展され、最終破断位置まで進む。つまり、溝部からの亀裂は、最終破断位置まで良好に進み、金属製部品は、３次元的なずれが抑えられる良好な破断面を形成しながら破断される。

第２の発明となる金属製部品の破断方法の態様は、応力集中部を凹み部で形成する。これにより、応力集中部は、溝部の底部に凹み部を形成するだけでよい。

また、第３の発明となるコネクティングロッドの破断方法の態様は、貫通孔を有する大端部を備えるコネクティングロッドに対して、貫通孔の内周面の対向する位置に、貫通孔の第１開口端から第２開口端まで連続する溝部を形成し、大端部を溝部から破断可能とするコネクティングロッドの破断方法であって、大端部の溝部において、当該大端部の破断開始時において応力を集中させる位置を特定し、溝部上の特定した位置を破壊起点とするべく、当該特定した位置と対応する溝部の底部の位置に応力集中部を形成し、大端部の破断開始時、溝部上の応力集中部から、溝部の各部よりも最先に亀裂を生じさせ、溝部の各部から亀裂を進展させるものとした。

この形成方法により、大端部の破断開始時、溝部上の応力集中部が最先の破壊起点となって亀裂が生じ、大端部の最終破断位置まで最先に進行する。この亀裂の進行にしたがい溝部の各部から亀裂は進展され、最終破断位置まで進む。つまり、溝部からの亀裂は、最終破断位置まで良好に進み、コネクティングロッドの大端部は、３次元的なずれが抑えられる良好な破断面を形成しながら破断される。

第４の発明となるコネクティングロッドの破断方法の態様は、ボルト孔と溝部との間の距離が最小となる地点と対応する溝部の底部の位置に応力集中部を形成する。これにより、ボルト孔を活用して、溝部の特定の位置から亀裂が進行する。

第５の発明となるコネクティングロッドの破断方法の態様は、並んだ複数の各ボルト孔と溝部との間の距離が最小となる各地点と対応する溝部の底部の位置にそれぞれ応力集中部を形成する。これにより、複数のボルト孔を活用して、溝部の特定の位置から亀裂が進行する。

第６の発明となるコネクティングロッドの破断方法の態様は、応力集中部を凹み部から形成する。これにより、応力集中部は、溝部の底部に凹み部を形成するだけでよい。

本発明によれば、金属製部品、コネクティングロッドは、溝部上に応力集中部を形成するという容易な方法により、３次元的なずれが抑えられる良好な破断面を形成しながら破断できる（請求項１，３）。

特に、ボルト孔と溝部との間の距離が最小となる位置を、応力を集中させる位置と特定し、同位置と対応する溝部の底部に、応力集中部を形成したことにより、既存のボルト孔を活用して、破断開始時、溝部の特定の位置から最先に亀裂を進行させることができる（請求項４）。また、ボルト孔が複数ある場合も、それぞれのボルト穴に対応した応力集中部を形成することによって、３次元的なずれを抑制しながらも効率的に亀裂を進行させることができる（請求項５）。そのうえ、応力集中部は、溝部の底部に凹み部を形成するだけでよく、簡単で、コスト的な負担も少なくてすむ（請求項２，６）。

本発明の第１の実施形態に係る態様の対象となるコネクティングロッドを示す正面図。 コネクティングロッドの大端部が分割される前の半製品たるワーク（金属製部品）を示す斜視図。 （ａ）はワーク（コネクティングロッド）に形成された溝部、応力集中部を示す図２中の矢視Ｘから見た側面図、（ｂ）は同溝部、応力集中部を拡大して示す側面図。 図３（ｂ）中の矢視Ｙから見た溝部、応力集中部を示す矢視図。 図３（ａ）中の矢視Ｚから見たワークの平面図。 内径拡張装置を用いて、ワーク（コネクティングロッドの大端部）を破断するときを説明する斜視図。 ワーク（コネクティングロッドの大端部）が破断されるときを説明する説明図。 破断されたワーク（コネクティングロッドの大端部）を示す斜視図。 同大端部の破断時における亀裂の発生具合を説明する断面図。 破断面に生じた凹凸を用いて位置決め、再び組み上げた大端部を示す斜視図。 本発明の第２の実施形態に係る態様となる二対のボルト孔をもつコネクティングロッドの大端部（ワーク）に溝部、応力集中部を形成した例を示す平面図。

以下、本発明を図１から図１０に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、製品であるコネクティングロッド１（以下、コンロッド１という）の正面図を示している。

コンロッド１は、ピストンピン孔３ａを有する小端部３と、クランクピン孔５ａ(本願の所定の貫通孔に相当)を有する大端部５と、これら小端部３と大端部５とを連結するロッド７とを有している。また大端部５は、クランクピン孔５ａの側方に位置して一対のボルト孔９（左右一本ずつ）が設けられている。ちなみにボルト孔９は、クランクピン孔５ａと直交する方向に延びる孔で形成される。

大端部５は、クランクピン（図示しない）を挟み込めるよう、本体部１５ａと半円弧形のキャップ部１５ｂとに分割され、各ボルト孔９に挿入されるコンロッドボルト１１にて、クランクピンを挟み込んだまま、キャップ部１５ｂが本体部１５ａに締結される。

こうしたコンロッド１の分割には、例えば後述する内径拡張装置Ａを用いて、大端部５の内径（クランクピン孔５ａ）に拡張する方向に荷重を加え、大端部５を、本体部１５ａとキャップ部１５ｂとに分割させる破断方法が用いられる。この破断方法により破断面に生じた凹凸を用いて、本体部１５ａとキャップ部１５ｂとが位置決められる。

破断方法の多くは、破断が行われる前のコンロッド１の半製品、例えば図２に示されるような小端部３や大端部５を有するワークＢ（金属製部品）のうち、クランクピン孔５ａの内周面の対向する各部位に、それぞれクランクピン孔５ａの一方の開口端（本願の第１開口端）から他方の開口端（本願の第２開口端に相当）に連続して溝部、例えばＶ形断面のＶ溝部１７（本願の溝部に相当）を形成して、Ｖ溝部１７から大端部５を破断可能とする手法が用いられる。図２中の「α」は、破断位置（片側だけ図示）を示す。

これでは、破壊起点がＶ溝部１７上に多数個存在するため、多方向から進展した亀裂同士が互いに干渉し合って３次元的にずれて亀裂が進み、良好な破断面が得られないことが懸念される。

本実施形態の破断方法には、こうした３次元的なずれが抑えられる手法が用いられる。
すなわち、本実施形態の破断方法には、図２〜図４に示されるように大端部５の各Ｖ溝部１７（溝部）上に、破壊起点となる応力集中部１９を形成して、大端部５を破断させる破断方法が用いられる。

応力集中部１９は、大端部５の破断開始時において応力を集中させる位置を特定し、その特定した位置と対応するＶ溝部１７の底部に形成してある（図３、４）。

コンロッド１（ワークＢ）の大端部５においては、中央にクランクピン孔５ａを有し、同クランクピン孔５ａの両側にボルト孔９を有しているので、コンロッド１の大端部５の破断開始時に応力を集中させる地点は、図５に示す「δ」のようにクランクピン孔５ａの内周面とボルト孔９の内周面との間の距離が最も小さくなる「Ｌ（最小）」となる地点と対応するＶ溝部１７の底部に特定される。

図２〜図５に示されるように応力集中部１９は、こうして特定された「δ」と対応するＶ溝部１７の底部に形成される。応力集中部１９は、例えば極小の凹み部、ここでは円錐台形の凹み部２１から形成されている。むろん、応力集中部１９は円錐台形に関わらず、他の形状でも構わない。

この溝部１７上の凹み部２１にて、大端部５の破断開始時、応力を集中させる特定の位置δに有る凹み部２１から亀裂を最先に生じさせる。これにより、順に溝部１７の各部から亀裂が生じ、本体部１５ａとキャップ部１５ｂとの間が破断され、良好な破断面を形成しながら本体部１５ａとキャップ部１５ｂとに分割されるようしている。

つぎに、このＶ溝部１７から、本体部１５ａとキャップ部１５ｂとに分割する破断方法を説明すると、まず、図２に示したコンロッド１の半製品となるワークＢを用意する。
図２〜図５に示されるようにワークＢは、クランクピン孔５ａの内周面の対向する位置に一対のＶ溝部１７を有する。また各Ｖ溝部１７上の応力を集中させる位置δには凹み部２１（応力集中部１９）が形成されている。むろん、クランクピン孔５ａの両側には一対のボルト孔９が配置されている。

ついで、図６に示されるようにワークＢを破断機器である内径拡張装置Ａにセットして、ワークＢの大端部５の破断工程に入る。

ここで内径拡張装置Ａは、例えばクランピン孔５ａに合わせて半割形とした一対の接離方向に変位可能な一対の加圧治具２５と、一対の加圧治具２５間を押し開く楔部２７と、同楔部２７を駆動するアクチュエータ（図示しない）とを有している。ちなみに、加圧治具２５の隣接する側面には、楔部２７が挿入されるテーパー面２５ａが形成されている。

この内径拡張装置Ａの加圧治具２５に、ワークＢ（コンロッド１）の大端部５（クランクピン孔５ａ）を嵌める。むろん、大端部５は、大端部５の破断位置に合わせて、加圧治具２５に嵌め込む。なお、小端部３のピストンピン孔３ａは、ピン（図示しない）へ嵌め込まれる。
これによりワークＢは、内径拡張装置Ａにセットされる。

その後、アクチュエータを作動させて、加圧治具２５のテーパー面２５ａ間へ楔部２７を圧入させる。
これにより、大端部５には、クランクピン孔５ａを拡張する方向へ荷重が加わり、大端部５の破断が開始される。これにより大端部５は、図７（ａ），（ｂ）に示されるように各Ｖ溝部１７からそれぞれ破断され、図８に示されるように本体部１５ａとキャップ部１５ｂとに分割される。

この破断が開始されるとき、大端部５の各Ｖ溝部１７の底部上には、予め応力を集中させる地点と対応する位置δに凹み部２１（応力集中部１９）が形成されているので、図９に示されるように大端部５の破断開始時は、それぞれ凹み部２１が最先の破壊起点となって、同部分から破断位置αに沿って亀裂が生じる。図９中の「Ｓ１」は、最先に生じた亀裂を示している。この亀裂Ｓ１は、大端部５の最終破断位置まで最先に進行する。

この亀裂Ｓ１の進行にしたがい、図９中の「Ｓ２」に示されるようにＶ溝部１７の各部から順に亀裂は進展され、大端部５の最終破断位置まで進む。これにより、進展した亀裂同士が互いに干渉し合って亀裂が進むことが抑えられる。
つまり、Ｖ溝部１７からの各亀裂は、互いに干渉せずに最終破断位置まで良好に進む。これにより、亀裂Ｓ１，Ｓ２の３次元的なずれは抑えられる。

それ故、ワークＢ（コンロッド１）は、Ｖ溝部１７（溝部）の底部に応力集中部１９（凹み部２１）を設けて、応力集中部１９（凹み部２１）から最先に亀裂を生じさせる破断方法により、３次元的なずれが抑えられる良好な破断面を形成しながら破断できる。しかも、応力集中部１９は、加工作業のしやすいＶ溝部１７の底部に形成するだけでよく、容易である。

こうした破断方法は、高精度が求められる破断、すなわち金属製部品を貫通孔のＶ溝部１７（溝部）から破断したり、コンロッド１の大端部５をＶ溝部１７（溝部）から破断したりするには有効である。

しかも、ボルト孔９とＶ溝部１７（溝部）との間の距離が最小となる位置δを、応力を集中させる位置と特定し、同位置と対応するＶ溝部１７の底部に、応力集中部たる凹み部２１を形成したことにより、既存のボルト孔９を活用して、Ｖ溝部１７の特定の位置から最先に亀裂を進行させることができる。そのうえ、応力集中部１９は、加工作業がしやすいＶ溝部１７（溝部）の底部に凹み部２１を形成するだけでよく、簡単で、コスト的な負担も少なくてすむ。

一方、分割を終えたら、ワークＢ（コンロッド１）の仕上げ加工を行う。
これには、まず、本体部１５ａの破断面に生じた凹凸と、キャップ部１５ｂの破断面に生じた凹凸とを位置決めに用いて、図１０に示されるように元の状態に戻す。
すなわち、それぞれ破断面に生じた凹凸を位置決めに用いて、本体部１５ａにキャップ部１５ｂを組み付ける。そして、高精度に位置決めされた状態のまま、コンロッドボルト１１にて、キャップ部１５ｂを本体部１５ａに締結する。

その後、図１０中の二点鎖線に示されるようにクランクピン孔５ａの内周面に例えば機械加工などで各種の仕上げ加工を施して、クランクピン孔５ａの内周面を図１０中の二点鎖線に示されるように切削して凹凸のない内周面に仕上げたり、クランクピン孔５ａに油孔を加工したりする。こうした各種仕上げ加工をワークＢ（コンロッド１）に施すことにより、製品たる、図１に示される滑らかな内周面をもつコンロッド１が製造される。なお、図１中の「１ａ」は、仕上げ加工を終えたクランクピン孔５ａの内周面を示す。

図１１は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態のようにクランクピン孔５ａ（貫通孔）の側方に位置して一対のボルト孔９が設けられているコンロッド１でなく、ボルト孔９が、クランクピン孔５ａ（貫通孔）の軸方向に沿って並んで複数配置される（例えば、クランクピン孔５ａ（貫通孔）の側方に位置して二対のボルト孔９が設けられている）コンロッド１（ワークＢ）に適用した場合を例に挙げたものである。

すなわち本実施形態は、図１１中の「δ１、δ２」に示されるようそれぞれボルト孔９とＶ溝部１７との間の距離が最小Ｌ１となる地点と対応するＶ溝部１７の底部に、それぞれ応力集中部１９となる凹み部２１を形成したものである。
このようにボルト孔９の位置にならい凹み部２１を形成することにより、複数のボルト孔９（片側）に有するコンロッド１（ワークＢ）でも、第１の実施形態と同様の効果を奏する。むろん、三対以上のボルト孔９でも同様である。
但し、図１１において上述の第１の実施形態と同じ部分には同一符号を付して、その説明を省略した。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば上述した実施形態では、金属製部品としてコンロッドを例に挙げたが、これに限らず、シリンダーブロック、シリンダーヘッドなどの他の部品の破断に、本発明を適用してもよい。

１ コンロッド（コネクティングロッド）
５ 大端部
５ａ クランクピン孔（貫通孔）
１７ Ｖ溝部（溝部）
２１ 凹み部（応力集中部）
Ａ 内径拡張装置
Ｂ ワーク（金属製部品）
δ、δ１、δ２ 応力を集中させる位置

Claims (6)

1. 所定の貫通孔を有した金属製部品を有し、前記貫通孔の内周面の対向する位置に、前記貫通孔の第１開口端から第２開口端まで連続する溝部を形成し、前記金属製部品を溝部から破断可能とする金属製部品の破断方法であって、
   前記金属製部品の溝部において、当該金属製部品の破断開始時において応力を集中させる位置を特定し、
   前記溝部の特定した位置を破壊起点とするべく、当該特定した位置と対応する溝部の底部の位置に応力集中部を形成し、
   前記金属製部品の破断開始時、前記溝部上の応力集中部から、前記溝部の各部よりも最先に亀裂を生じさせ、前記溝部の各部から亀裂を進展させる
   ことを特徴とする金属製部品の破断方法。
2. 前記応力集中部は、凹み部で形成されることを特徴とする請求項１に記載の金属製部品の破断方法。
3. 貫通孔を有する大端部を備えるコネクティングロッドに対して、前記貫通孔の内周面の対向する位置に、前記貫通孔の第１開口端から第２開口端まで連続する溝部を形成し、前記大端部を前記溝部から破断可能とするコネクティングロッドの破断方法であって、
   前記大端部の溝部において、当該大端部の破断開始時において応力を集中させる位置を特定し、
   前記溝部上の特定した位置を破壊起点とするべく、当該特定した位置と対応する溝部の底部の位置に応力集中部を形成し、
   前記大端部の破断開始時、前記溝部上の応力集中部から、前記溝部の各部よりも最先に亀裂を生じさせ、前記溝部の各部から亀裂を進展させる
   ことを特徴とするコネクティングロッドの破断方法。
4. 前記大端部は、前記貫通孔の側方に、当該貫通孔と直交する方向に延びるボルト孔を有し、
   前記応力集中部は、前記ボルト孔と溝部との間の距離が最小となる地点と対応する溝部の底部の位置に形成される
   ことを特徴とする請求項３に記載のコネクティングロッドの破断方法。
5. 前記ボルト孔は、貫通孔の軸方向に沿って並んで複数、配置され、
   前記応力集中部は、各ボルト孔と溝部との間の距離が最小となる各地点と対応する溝部の底部の位置にそれぞれ形成される
   ことを特徴とする請求項４に記載のコネクティングロッドの破断方法。
6. 前記応力集中部は、凹み部で形成されることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のコネクティングロッドの破断方法。
   

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