JP2022007426A - クランクシャフト製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波焼入れ後の曲がり矯正を必要としないクランクシャフト製造方法を提供する。【解決手段】従来、フィレットＦの凹凸をなくす程度であったフィレットロール加工の加圧力を規定値まで大きくしてフィレットＦを加圧変形し、この加圧変形に伴う残留圧縮応力でピンＰ及びジャーナルＪの剛性を向上することにより、その後のピンＰ及びジャーナルＪの高周波焼入れ時のシャフト曲がりを低減することができ、これにより高周波焼入れ後の曲がり矯正を不要とすることが可能となる。また、先にピンＰの高周波焼入れを行い、次にジャーナルＪの高周波焼入れを行うことにより、高周波焼入れ後のシャフト曲がりを規定状態に収めやすく、曲がり矯正を不要とすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、クランクシャフト製造方法、特に、車両用エンジンに用いられるクランクシャフトの製造方法に関する。

車両用エンジン、特に量産車両用多気筒エンジンに用いられるクランクシャフトは、周知のように、シャフト軸線と同軸なジャーナルと、シャフト軸線から偏心したピンが、例えばシャフト軸線方向に向けて交互に配置されて構成される。一般的な量産多気筒エンジン用のクランクシャフトは、例えば、鍛造加工された一体成形素材を主として切削・研削して製造される。こうしたクランクシャフトの製造プロセスでは、ピンの軸線方向端部及びジャーナルの軸線方向端部に形成されたフィレット（溝）を加圧するフィレットロール加工工程、及び、ピン及びジャーナルを高周波誘導加熱によって焼入れする高周波焼入れ工程がある。

このうち、フィレットロール加工方法・装置としては、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。この種のフィレットロール加工では、ピン及びジャーナルの疲労強度を向上することを目的とし、主として旋削時に生じているフィレット内の凹凸を圧し潰す、いわゆる旋盤目のバニッシング加工を行う。上記特許文献１に記載されるフィレットロール加工装置は、ピンのフィレットロール加工を行う際、その周方向の加圧力を変更できるように構成されている。

また、高周波焼入れ方法・装置としては、例えば下記特許文献２に記載されるものがある。この種の高周波焼入れ工程では、強度、疲労強度、耐摩耗性の向上を目的とし、ピン及びジャーナルに対し、例えば、いくつかのピンをまとめて、或いはいくつかのジャーナルをまとめて高周波誘導加熱し、その後、それぞれを冷却液で冷却して焼入れを行う。上記特許文献２に記載されるクランクシャフト高周波焼入れ装置は、ピンの高周波誘導加熱後の焼入れ冷却中に、クランクシャフト端部のフランジや軸部を高周波誘導加熱できるように構成されている。

なお、過去には、フィレットロール加工の加圧力をフィレットに残留圧縮応力が生じる程度の加圧力に設定していたが、ピン及びジャーナルの高周波焼入れ工程で何れも残留圧縮応力が消失されてしまうことから、現在は、上記のように旋削時の凹凸がなくなる程度の加圧力でしか加圧していない。

特開２００６－１４２４３１号公報 特開２００２－４７５１４号公報

量産クランクシャフトでは、上述の従来の高周波焼入れで生じる曲がりが問題になっている。クランクシャフトの曲がりは、例えば、軸方向両端面に設けられたセンター穴を両側から支持した状態でシャフトを回転させ、各ジャーナル部分の振れを検出し、軸線に対して振れている方向と逆向きに加圧して矯正する。そして、規定の矯正回数で規定の曲がり(振れ)状態まで矯正できないものは不良品として生産ラインから外すことが行われている。しかしながら、クランクシャフトの曲がり矯正は非効率であることから、曲がり矯正を必要としない製造方法が求められている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高周波焼入れ後の曲がり矯正を必要としないクランクシャフト製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のクランクシャフト製造方法は、
高周波焼入れ及びフィレットロール加工を伴うクランクシャフト製造方法において、
クランクシャフトのピン及びジャーナルの高周波焼入れを行う前のフィレットロール加工で、フィレットを規定の加圧力で加圧して加圧変形させることを特徴とする。

この構成によれば、従来、フィレットの凹凸をなくす程度であったフィレットロール加工の加圧力をフィレットに加圧変形が生じる規定値まで大きくしており、このフィレットの加圧変形に伴う残留圧縮応力でピン及びジャーナルの剛性が向上される。これにより、ピン及びジャーナルの高周波焼入れ時のシャフト曲がりを低減することができ、高周波焼入れ後の曲がり矯正を不要とすることが可能となる。

また、本発明の他の構成は、前記規定の加圧力が３．５ｋＮ以上であることを特徴とする。

この構成によれば、フィレットロール加工の加圧力を３．５ｋＮ以上、好ましくは４．０ｋＮ以上とすることで、高周波焼入れ後のシャフト曲がりを規定状態に収めることが可能となる。

本発明の更なる構成は、前記高周波焼入れでは、先に前記ピンの高周波焼入れを行い、次に前記ジャーナルの高周波焼入れを行うことを特徴とする。

この構成によれば、高周波焼入れ後のシャフト曲がりを規定状態に収めやすく、曲がり矯正を不要とすることができる。先にピンを高周波焼入れすることでジャーナルの振れが大きくなるが、その後にジャーナルを高周波焼入れすることでシャフト曲がりが是正される。

本発明の更なる構成は、前記ピンのフィレットロール加工時、シャフト径方向内側部分の加圧力に対してシャフト径方向外側部分の加圧力を小さく設定したことを特徴とする。

この構成によれば、ピン－ジャーナル間の距離が小さく、結果としてウエブの厚さが小さい場合に、特にピンのフィレットロール加工時のシャフト径方向外側部分の加圧力でウエブが変形するのを抑制・防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、高周波焼入れ後の曲がり矯正を不要とすることができるので、量産エンジン用のクランクシャフトの生産効率を向上することが可能となる。

本発明のクランクシャフト製造方法が適用されるクランクシャフトの一実施の形態を示す断面図である。 図１のクランクシャフトのフィレットロール加工の説明図である。 図１のクランクシャフトのピン及びジャーナルの高周波焼入れの説明図である。

以下に、本発明のクランクシャフト製造方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、この実施の形態のクランクシャフト製造方法が適用されたクランクシャフトＣＳの断面図である。このクランクシャフトＣＳは、例えば、水平対向４気筒エンジンに用いられる。量産エンジン用のクランクシャフトＣＳは、前述のように、鍛造加工による一体成形品を主として切削・研削加工で製造されるので、図ではハッチングを省略している。このクランクシャフトＣＳは、図の右端部が変速機に接続される出力端であり、図の左端から、第１ジャーナルＪ－１、第１ピンＰ－１、第２ジャーナルＪ－２、第２ピンＰ－２、第３ジャーナルＪ－３、第３ピンＰ－３、第４ジャーナルＪ－４、第４ピンＰ－４、第５ジャーナルＪ－５の順にジャーナルＪとピンＰが交互に軸線方向に沿って配置されている。なお、クランクシャフトＣＳの軸線方向両端部の軸心部には、前述のようにセンター穴ＣＨが設けられている。

前述のように、量産エンジン用のクランクシャフトＣＳの製造工程では、ピンＰ及びジャーナルＪの軸線方向端部のフィレットＦを加圧成形するフィレットロール加工工程や、ピンＰ及びジャーナルＪを高周波焼入れする高周波焼入れ工程がある。これらの工程は、何れも製造工程の比較的後期であり、クランクシャフトＣＳ自体は凡そ製品形状になっている。フィレットロール加工は、旋削などの切削加工で生じたフィレットＦの凹凸をなくしてピンＰやジャーナルＪの疲労強度を向上するために行われる。また、高周波焼入れは、ピンＰやジャーナルＪの強度、疲労強度、耐摩耗性を向上するために行われる。この実施の形態では、ピンＰ及びジャーナルＪのフィレットロール加工を行った後、ピンＰ及びジャーナルＪの高周波焼入れを行う。高周波焼入れでは、先にピンＰの高周波焼入れを行い、その後、ジャーナルＪの高周波焼入れを行う。

図２は、フィレットロール加工の説明図であり、ピンＰのフィレットＦを加圧成形している状態を示している。このフィレットロール加工では、フィレットローラ１と呼ばれる押圧工具をホルダ２に回転自在に保持し、このフィレットローラ１をピンＰ及びジャーナルＪのフィレットＦに押し付けるようにして加圧し、例えば旋盤目などの凹凸を圧し潰す。図では、フィレットローラ１が長円断面となっているが、実際のフィレットローラ１は、ウエブＷ側の部分が円錐台形状となっているものもある。この実施の形態では、ピンＰ及びジャーナルＪのフィレットロール加工で、それぞれのフィレットＦを規定の加圧力で加圧して加圧変形せしめ、これによって発生する残留圧縮応力でピンＰ及びジャーナルＪの剛性を向上する。前述のように、従来は、フィレットＦの旋盤目などの凹凸を圧し潰す、すなわち応力集中を低減する程度の加圧力でしか加圧していない。これは、フィレットロール加工でピンＰ及びジャーナルＪに残留圧縮応力を生じせしめても、後工程の高周波焼入れで残留圧縮応力が消失されてしまうことから、応力集中を低減して疲労強度を向上することを目的にフィレットロール加工の加圧力を設定していたためである。

これに対し、この実施の形態では、フィレットロール加工でフィレットＦが加圧変形されるように加圧力を設定し、その規定加圧力でフィレットＦをロール加工する。このような加圧変形を伴うフィレットロール加工でピンＰ及びジャーナルＪに残留圧縮応力を付与し、後工程の高周波焼入れ工程、特に先に焼入れされるピンＰの高周波焼入れ時のジャーナルＪの曲がり変形に対する剛性を向上する。上記規定の加圧力については後述するが、ピンＰ及びジャーナルＪのフィレットＦが加圧変形される程度の加圧力でフィレットロール加工すれば、ピンＰを先に高周波焼入れしても、ジャーナルＪを先に高周波焼入れしても、シャフト曲がりを低減することは可能である。好ましくは、ピンＰを先に高周波焼入れし、その後にジャーナルＪを高周波焼入れする。

また、この実施の形態では、ピンＰのフィレットロール加工時、ピンＰのシャフト径方向内側部分（ボトムともいう）の加圧力に対して、ピンＰのシャフト径方向外側部分（トップともいう）の加圧力をやや小さく設定している。前述のように、この実施の形態のクランクシャフトＣＳは、ピンＰとジャーナルＪの距離が小さく、ウエブＷが薄い。このため、フィレットＦの加圧力が大きすぎると、ピンＰの軸線方向両側のウエブＷのトップ側が軸線方向両外側に開くように変形するおそれがある。そこで、この実施の形態では、ピンＰのフィレットロール加工時、ピンＰのシャフト径方向内側部分（ボトム）の加圧力に対して、ピンＰのシャフト径方向外側部分（トップ）の加圧力をやや小さく設定し、ウエブＷの変形を抑制・防止するようにしている。なお、この実施の形態では、第１ピンＰ－１と第３ピンＰ－３のフィレットロール加工を同時に行い、以下同様に、第２ピンＰ－２と第４ピンＰ－４を同時に、第１ジャーナルＪ－１と第３ジャーナルＪ－３と第５ジャーナルＪ－５を同時に、第２ジャーナルＪ－２と第４ジャーナルＪ－４を同時に、それぞれフィレットロール加工する。

図３は、ピンＰ及びジャーナルＪの高周波焼入れの説明図であり、具体的には、第１ピンＰ－１及び第３ピンＰ－３の高周波焼入れ工程を示している。高周波焼入れ工程では、焼入れ対象部位を高周波誘導加熱コイル３で誘導加熱し、然る後、冷却して焼入れを行う。この実施の形態では、上記フィレットロール加工の後でピンＰ及びジャーナルＪの高周波焼入れを行う。更に、この高周波焼入れ工程では、ピンＰを先に高周波焼入れし、その後、ジャーナルＪの高周波焼入れを行う。ピンＰの高周波焼入れとジャーナルＪの高周波焼入れとでは、ピンＰの高周波焼入れの方がシャフト曲がりが大きくなる傾向にある。特に、振れを計測する基準となるセンター穴からの距離が大きい第２ピンＰ－２及び第３ピンＰ－３の高周波焼入れでシャフト曲がりが大きくなる傾向にある。

この実施の形態では、前工程のフィレットロール加工でピンＰ及びジャーナルＪの剛性が向上されているので、ピンＰの剛性によって、ピンＰそのものの高周波焼入れ時の変形を低減すると共に、ピンＰの高周波焼入れ時のシャフト曲がりをジャーナルＪの剛性で低減する。また、その後、ジャーナルＪを高周波焼入れすることでピンＰの高周波焼入れ時のシャフト曲がりを或る程度矯正できることを見出した。このように工程設定することで、量産されるクランクシャフトＣＳの曲がり矯正を不要とすることが可能となった。これに対し、ジャーナルＪを先に高周波焼入れし、ピンＰを後から高周波焼入れする場合には、クランクシャフトＣＳの曲がり矯正を完全に不要とすることが困難であった。特に、ジャーナルＪを先に高周波焼入れする場合、ピンＰの高周波焼入れ後の曲がり測定で、センター穴に近い第１ジャーナルＪ－１及び第５ジャーナルＪ－５の振れが大きく、同軸度が悪化する傾向にある。

結果として、ピンＰを先に高周波焼入れし、ジャーナルＪを後から高周波焼入れする工程設定でシャフト曲がりを低減することが可能となる。そして、この焼入れ工程条件でクランクシャフトＣＳの曲がり矯正を不要とする上記フィレットロール加工の加圧力を求めたところ、ピンＰのトップ側のフィレットロール加工を除き、フィレットロール加工の加圧力を３．５ｋＮ以上、好ましくは４．０ｋＮ以上とすることで、高周波焼入れ後のシャフト曲がりを規定状態に収めることが可能となる。但し、加圧力が大きすぎると、ピンＰ－ジャーナルＪ間のウエブＷに変形（倒れ）が生じたり、シャフト逆曲がりが生じたりする場合があるので、この実施の形態では上限を４．５ｋＮ程度とした。

このように、上記実施の形態のクランクシャフト製造方法では、従来、フィレットＦの凹凸をなくす程度であったフィレットロール加工の加圧力を規定値まで大きくしてフィレットＦを加圧変形し、この加圧変形に伴う残留圧縮応力でピンＰ及びジャーナルＪの剛性を向上することにより、その後のピンＰ及びジャーナルＪの高周波焼入れ時のシャフト曲がりを低減することができ、これにより高周波焼入れ後の曲がり矯正を不要とすることが可能となる。

また、フィレットロール加工の加圧力を３．５ｋＮ以上、好ましくは４．０ｋＮ以上とすることで、高周波焼入れ後のシャフト曲がりを規定状態に収めることが可能となる。

また、先にピンＰの高周波焼入れを行い、次にジャーナルＪの高周波焼入れを行うことにより、高周波焼入れ後のシャフト曲がりを規定状態に収めやすく、曲がり矯正を不要とすることができる。

また、ピンＰのフィレットロール加工時、シャフト径方向内側部分（ボトム）の加圧力に対してシャフト径方向外側部分（トップ）の加圧力を小さく設定することにより、ピンＰ－ジャーナルＪ間の距離が小さく、結果としてウエブＷの厚さが小さい場合に、特にピンＰのフィレットロール加工時のシャフト径方向外側部分(トップ)の加圧力でウエブＷが変形するのを抑制・防止することができる。

以上、実施の形態に係るクランクシャフト製造方法について説明したが、本件発明は、上記実施の形態で述べた構成に限定されるものではなく、本件発明の要旨の範囲内で種々変更が可能である。例えば、本発明のクランクシャフト製造方法が適用されるクランクシャフトは上記実施の形態のものに限定されるものでなく、例えば、クランクシャフトＣＳの剛性が高ければ、フィレットロール加工の加圧力を４．５ｋＮ以上としても差し支えない。また、同様に、ウエブＷに変形が生じなければ、ピンＰのフィレットロール加工時、シャフト径方向外側部分（トップ）の加圧力を小さくする必要はない。

１ フィレットローラ
２ ホルダ
３ 高周波誘導加熱コイル
ＣＳ クランクシャフト
Ｐ ピン
Ｊ ジャーナル
Ｆ フィレット
Ｗ ウエブ

Claims (4)

1. 高周波焼入れ及びフィレットロール加工を伴うクランクシャフト製造方法において、
   クランクシャフトのピン及びジャーナルの高周波焼入れを行う前のフィレットロール加工で、フィレットを規定の加圧力で加圧して加圧変形させることを特徴とするクランクシャフト製造方法。
2. 前記規定の加圧力が３．５ｋＮ以上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製造方法。
3. 前記高周波焼入れでは、先に前記ピンの高周波焼入れを行い、次に前記ジャーナルの高周波焼入れを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のクランクシャフト製造方法。
4. 前記ピンのフィレットロール加工時、シャフト径方向内側部分の加圧力に対してシャフト径方向外側部分の加圧力を小さく設定したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のクランクシャフト製造方法。

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