JP3583310B2

JP3583310B2 - クランク軸の冷間鍛造方法

Info

Publication number: JP3583310B2
Application number: JP13956899A
Authority: JP
Inventors: 省一安藤; 博史小野; 正小林; 満上川; 文男福田; 英樹松浦
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: JP2000326043A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動二輪車等のエンジンの分割型クランク軸の成形技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば自動二輪車等のエンジンのクランクシャフトは、左右の軸付き円盤状の分割型クランク軸を成形した後、それぞれの円盤状のウェイト部に形成されるピン穴にピンを嵌合させて連結するようにしており、左右の分割型クランク軸は熱間鍛造で成形するのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、熱間鍛造による成形は、成形後にスケールが発生する等の表面性状が劣化するため、後工程でスケールを除去するための切削加工や、精度確保のための機械加工等を必要とし、加工効率が必ずしも良くなく、また歩留りも悪かった。
また、熱間鍛造では多大な熱エネルギーを必要とし、高コスト化を招きやすいという問題もあった。
【０００４】
そこで本発明は、スケールを除去するような機械加工の手間を廃止するとともに歩留りを向上させ、大幅はコストダウンを可能にするクランク軸の成形技術を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、連続した冷間鍛造によりビレットからクランク軸を成形するようにし、ビレットを押出して、本体部に連なる少なくとも２段以上の多段軸部を成形する第１の工程と、この成形品を据込み絞りして本体部の径を広げると同時に多段軸部の少なくとも一部の径を絞る第２の工程と、この成形品を据込み絞りして本体部を非対称形状に荒地加工すると同時に多段軸部の少なくとも一部の径を絞る第３の工程と、この成形品の本体部の非対称境界部を加圧して本体部を仕上加工すると同時に軸中心にセンタ穴を成形する第４の工程と、この成形品の本体部の所定箇所にピン穴を打抜くと同時に本体部の外周を整形のため打抜く第５の工程を経て製造するようにした。
【０００６】
このような冷間鍛造を連続して行うことで多段軸部については徐々に軸径を絞り、ウェイト部となる本体部は徐々に非対称形状に据え込んでゆくが、この際、変形速度の大きい加工によって素材が発熱して伸び率が高まり、また割れの起点となる炭化物がフェライト中に多く固溶している段階では初期変形能力が維持されることに着目して連続成形すれば、例えば最大据込み率を９２％程度まで加工することが出来る。
そして連続した冷間鍛造により右または左のクランク軸を成形するようにすれば、後加工でスケールを除去したり、精度を確保するための機械加工を廃止出来、歩留りを向上させることが出来る。
【０００７】
因みに、このような冷間鍛造用ビレットとして、例えばＪＩＳＳ４８Ｃの成分組成を基本にして、これから材料割れの原因になりやすい元素であるＳｉ（珪素）やＰ（リン）やＳ（硫黄）の含有量を減らした成分組成の炭素鋼等が好適であり、また、このような材料に対して球状化焼鈍しを行った後引抜き加工し、更に球状化焼鈍しすれば、冷間鍛造性が良くなって一層好適である。
【０００８】
また本発明では、前記第４の工程で、多段軸部の端部にスプライン成形を同時に行うようにした。
【０００９】
このようにスプライン成形も同時に行うようにすれば、スプライン成形のための機械加工も廃止出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について添付した図面に基づき説明する。
ここで図１は自動二輪車等のクランクシャフトの組立図、図２はクランクシャフトの左側のクランク軸の斜視図、図３乃至図７は本発明に係るクランク軸の冷間鍛造方法の工程図である。
【００１１】
本発明は、自動二輪車等のエンジンの分割型クランク軸の製造方法の改良に関し、従来では熱間鍛造で成形していたものを、連続した冷間鍛造で行うことが出来るようにして、後工程での駄肉除去のための機械加工や表面仕上を廃止するようにしたものであり、図１に示すようなクランクシャフト１のうち、一方側（実施形態では左側）の軸付き円盤状のクランク軸１ａの製造に適用されている。
【００１２】
すなわち、クランクシャフト１は、軸付き円盤状の左右の分割型クランク軸１ａ、１ｂと、これらクランク軸１ａ、１ｂのウェイト部のピン穴ｐに結合される結合ピン１ｃを備えており、本発明に係る冷間鍛造方法は、左右のクランク軸１ａ、１ｂのいずれでも可能であるが、説明上、軸部にスプラインが形成される左のクランク軸１ａを代表例として説明する。
【００１３】
左側のクランク軸１ａは、図２に示すように、肉厚が非対称で表面側に複雑な凹凸面が形成されるウェイト部ｗと、径が異なる２段以上の異径部を有する多段軸部ｊを備えており、この多段軸部ｊの一部にはスプラインｓが形成されており、このクランク軸１ａは、図３の右方に示す円柱状のビレットＢから連続冷間鍛造法により成形されているが、まずこのビレットＢの組成成分とビレットＢの製造方法について簡単に説明する。
【００１４】
まず、ビレットＢの組成成分は、Ｃ（炭素）が０．４６〜０．４９ＷＴ％、Ｓｉ（珪素）が０．１４ＷＴ％以下、Ｍｎ（マンガン）が０．５５〜０．６５ＷＴ％、Ｐ（リン）が０．０１５ＷＴ％以下、Ｓ（硫黄）が０．０１５ＷＴ％以下、Ｃｕ（銅）が０．１５ＷＴ％以下、Ｎｉ（ニッケル）が０．１５ＷＴ％以下、Ｃｒ（クロム）が０．１０〜０．２０ＷＴ％含まれる鋼材（以下、Ｓ４８ＢＣという。）としている。
これは熱間鍛造素材であるＪＩＳＳ４８Ｃ（以下、Ｓ４８Ｃという。）の成分組成を基本にし、焼入れ性確保のためＣとＭｎ量を同等にするとともに、材料割れの要因になりやすいＳｉとＰとＳの量を削減した成分組成にしたものである。
【００１５】
そしてこのような成分組成の鋼材からなる棒材からビレットＢを製造する方法は、酸洗を行った後、第１回目の球状化焼鈍しを行い、セメンタイトを球状化して素材全体の加工性を向上させ、内部まで歪みを与えることが出来るようにするとともに、パーライトの微細化を図り、次に、酸洗、ボンデ処理を行って引抜き加工を行い、限界据込み率の向上を図り、次いで、この棒材を所望の寸法に切断し、これを酸洗した後、２回目の球状化焼鈍しを行い、炭化物の分散を図るとともに球状化率を高めるようにしている。そして２回目の球状化焼鈍しが終えると、ショットブラスト、ボンデ処理を行って表面調整を行い、冷間鍛造用ビレットを得るようにしている。
【００１６】
それでは、本発明のクランク軸１ａの冷間鍛造方法について説明する。
図３に示すように、前記要領で製造したビレットＢを準備すると、これを第１工程ではビレットＢを下方に押圧して、ビレットＢの径と略同径の本体部ｈに連なる異径の多段軸部ｊを拘束絞りする。
【００１７】
この際、多段軸部ｊは、実施形態では断面積Ａ_１の中径部と断面積Ａ_２の小径部からなる２段とし、本体部ｈの断面積（ビレットＢの元の断面積とほぼ一緒）をＡ_０とした場合に、自由端部側の絞り率（Ａ_０−Ａ_２）／Ａ_０×１００＝７５〜８５％程度になるようにし、後工程で自由端部側の一部の径を絞るため据え込む際に座屈や破損等が生じないようにしている。
【００１８】
次に、第２工程では、図４に示すように、据込み絞りによって本体部ｈの径を広げるとともに、多段軸部ｊの自由端部側の径を絞る。
ここで、本体部ｈは、最終的に左右の厚みを異ならせた非対称体積（例えば１：２）に仕上なければならないため、この段階では、体積の配分に応じて厚みを若干変化させて据え込むとともに、厚みが変化する方向に対して図４（ｃ）に示すように、下面の傾斜角を異ならせるようにしており、厚みを薄くする方の下面ｅの傾斜角を、厚くする方の下面ｆの傾斜角より深くしている。
そしてこの傾斜角によって、後工程の据込み時に材料の流れを調整するようにし、薄肉部側に向けて材料が流れるのを阻止し、厚肉部側に向けて材料が流れやすくなるようにしている。
【００１９】
そして実施形態では、角度が浅い側の下面ｆの傾斜角は、図４（ａ）に示すように、傾斜面とフラット面の接合ライン（破線で示す）を多段軸部ｊの中心から右側の約半周に亘ってほぼ同距離にして、この範囲を例えば１０〜１２度程度の略同一の傾斜角とし、角度が深い左側の下面ｅの傾斜角を、両側から中央部に向けて徐々に角度が深くなるようにして、中央部の最大傾斜角を２０〜２３度程度としている。
また、この角度が深い側の傾斜面ｅの外側には、余肉部ｙが設けられるとともに、この余肉部ｙから９０度位相が異なる両側下面にも余肉部ｘが設けられている。
因みに、これら余肉部ｙ、ｘは、後工程で表面側の非対称境界部の段差部に欠肉部が生じるのを防止するためであり、下面側でなく表面側に設けるようにしても良い。
【００２０】
また、図３に示す第１工程後の本体部ｈの高さをＢ_０とし、図４に示す第２工程後の本体部ｈの薄肉側の厚みをＢ_１とした場合、（Ｂ_０−Ｂ_１）／Ｂ_０×１００＝７５〜８５％程度になるようにし、また第２工程後の多段軸部ｊの自由端部側の断面積をＡ_３とした場合、（Ａ_０−Ａ_３）／Ａ_０ ×１００＝８２〜８８％程度になるようにしている。
【００２１】
次に、第３工程では、図５に示すように、本体部ｈを据え込んで図２のウェイト部ｗの形状に近づけるような荒地成形を行うとともに、多段軸部ｊの段差コーナ部を鋭角に絞り、また自由端部の径を絞る。
この際、本体部ｈを据込むと、下面の傾斜角の違いにより、傾斜角が深い方向へは材料が流れにくく、逆に傾斜角が浅い方向に材料が流れやすくなって、傾斜角の深い方向が薄肉にされ、傾斜角の浅い方向が厚肉にされる。
そして実施形態では、厚肉側の体積と薄肉側の体積比が、概ね２／３：１／３になるようにしている
【００２２】
また、第３工程後の本体部ｈの薄肉部の厚みをＢ_２とした場合に、（Ｂ_０−Ｂ_２）／Ｂ_０×１００＝９０〜９２％程度にし、また第３工程後の多段軸部ｊの自由端部の断面積をＡ_４とした場合に、（Ａ_０−Ａ_４）／Ａ_０×１００＝８８〜９２％程度になるようにしている。
【００２３】
次に第４工程では、図６に示すように、本体部ｈの非対称境界部を加圧して段差部のアールを減らし、ウェイト部ｗの形状に仕上成形する。また、本体部ｈの表面側中心部と多段軸部ｊの自由端面側中心部にセンタ穴ｃを成形すると同時に、多段軸部ｊの一部にスプラインｓを成形する。
【００２４】
そして最後の第５工程では、図７に示すように、本体部ｈにピン穴ｐを打抜くと同時に、本体部ｈの周縁に発生するバリ等（不図示）を打抜く。
そしてこのピン穴ｐを打抜いた際、上下面のピン穴ｐ周縁のコーナ部が面取り形状になるようにしている。
図２に示すような形状のクランク軸１ａは以上のような成形方法により成形されるが、図１に示す他方側のクランク軸１ｂもほぼ同様な要領で成形され、両方のピン穴ｐに結合ピン１ｃが嵌入されて一体化される。
【００２５】
因みに、以上のような一連の冷間鍛造は、工程間の時間間隔が６分程度以内なら、割れの起点になる炭化物がフェライト中に多く固溶し、また加工時の発熱によって伸び率も向上するため、中間焼鈍しを行うことなく、連続して成形することが出来る。
【００２６】
以上のような連続した冷間鍛造法により製造されたクランク軸１ａと、従来のような熱間鍛造法で製造されたクランク軸の素材歩留りの程度を比較すると、図８の通りである。
【００２７】
すなわち、熱間鍛造の場合は、図８（ｂ）に示すように、完成重量８８７ｇのクランク軸を製造するため１５３０ｇの仕込重量、１２４５ｇの素材重量を必要とし、素材重量からの切削重量が３５８ｇで、完成歩留り５８％、素材歩留り８１％であったが、本発明に係る連続冷間鍛造の場合は、図８（ａ）に示すように、完成重量８８７ｇのクランク軸を製造するため１１１２ｇの仕込重量、１０３５ｇの素材重量で済み、切削重量が１４８ｇで、完成歩留り８０％、素材歩留り９３％が確保されるようになった。
【００２８】
尚、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではない。本発明の特許請求の範囲に記載した事項と実質的に同一の構成を有し、同一の作用効果を奏するものは本発明の技術的範囲に属する。
例えば他方側のクランク軸１ｂを成形する際は、スプラインｓ加工を行わないこともある。
また、各工程の軸径の絞り率等は例示である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明に係るクランク軸の冷間鍛造方法は、第１の工程から第５の工程を経て、連続して冷間鍛造を行うことによってクランク軸を成形するようにしたため、従来の熱間鍛造法のように、後加工でスケールを除去したり、精度確保のための機械加工を廃止出来、歩留りを向上させることが出来る。
また第４の工程で、多段軸部の端部にスプライン成形を同時に行うようにすれば、スプライン成形のための機械加工も廃止出来、一層好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動二輪車等のクランクシャフトの組立図
【図２】クランクシャフトの左側のクランク軸の斜視図
【図３】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第１の工程の説明図で（ａ）はビレット、（ｂ）は第１工程終了後の形状
【図４】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第２の工程後の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図
【図５】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第３の工程後の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図６】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第４の工程後の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図７】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第５の工程後の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図８】材料の歩留りの説明図で、（ａ）は本発明の冷間鍛造法、（ｂ）は従来の熱間鍛造法

Claims

連続した冷間鍛造によりビレットからクランク軸を成形する方法であって、前記ビレットを押出して、本体部に連なる少なくとも２段以上の多段軸部を成形する第１の工程と、この成形品を据込み絞りして本体部の径を広げると同時に多段軸部の少なくとも一部の径を絞る第２の工程と、この成形品を据込み絞りして本体部を非対称形状に荒地加工すると同時に前記多段軸部の少なくとも一部の径を絞る第３の工程と、この成形品の本体部の非対称境界部を加圧して本体部を仕上加工すると同時に軸中心にセンタ穴を成形する第４の工程と、この成形品の本体部の所定箇所にピン穴を打抜くと同時に本体部の外周を整形のため打抜く第５の工程からなることを特徴とするクランク軸の冷間鍛造方法。
請求項１に記載のクランク軸の冷間鍛造方法において、前記第４の工程では、前記多段軸部の端部にスプライン成形を同時に行うことを特徴とするクランク軸の冷間鍛造方法。