JP3649593B2 - フライホイールの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフライホイールに係り、特に、外周部にリングギヤが一体に設けられているフライホイールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料の燃焼によって作動するエンジンが自動車などに多用されているが、このようなエンジンは爆発に伴って周期的な回転変動（トルク変動）を生じることが避けられず、この回転変動を抑制するためにクランク軸などにフライホイールが取り付けられるのが普通である。エンジン以外でも、周期的な回転変動を生じる回転部材には、その回転変動を抑制するためにフライホイールが用いられる。
【０００３】
上記車両用のフライホイールは、図１２に示されるように一般にホブ切りやピニオンカッタなどによる切削加工で外周部に多数の歯が設けられた機械構造用炭素鋼、例えばＳ４８Ｃから成るリングギヤに、中心部にクランク軸を取り付けるための取付部が設けられたねずみ鋳鉄、例えばＦＣ２３０から成る本体が、圧入や焼き嵌め等により一体的に固設されることにより構成されていた。リングギヤは、エンジンを始動する際にクランク軸を回転駆動するためのもので、スタータ用モータのピニオンと噛み合わされて回転させられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記フライホイールは、本体がねずみ鋳鉄から成ることから取付部の引っ張り強度が不充分で、強度不足を補うために取付部を厚くする必要があり、その結果、本体の重量が増大しフライホイールの全重量に対するフライホイール外周部の重量比が小さくなることから、フライホイールの慣性モーメントが低下し、クランク軸の回転変動が大きくなって燃費が低下するなどの不都合があった。また、フライホイールがリングギヤと本体の２つの部品から構成されることから、工程数が多くなって製造コスト低減に限界があった。更に、エンジンの性能向上に伴ってフライホイールが高速で回転させられ（高速回転化）、且つエンジンの始動性向上に伴ってスタータ用モータのピニオンがより高圧で高回転でリングギヤに噛み合う（高コンプレッション化）ので、十分な耐性がフライホイールおよびリングギヤに求められるが、リングギヤの噛合歯は切削加工によって形成されているためメタルフローが切断されるとともに、切断されたメタルフローと同方向にスタータ用モータからの荷重がかかるため十分な機械的強度（靱性など）が得られず、大きなモジュールに設定する必要があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として成されたもので、その目的とするところは、取付部およびリングギヤの強度を向上させると共に、製造コストを低減させたフライホイールを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１発明は、略円板形状を成している円板部と、その円板部の外周縁に一体に設けられた円筒形状の円筒部とを有し、その円板部の中央部分が所定の回転部材に一体的に固設される取付部とされるとともに、その円板部の取付部よりも外周側部分の一方の端面に摩擦面が設けられる一方、前記円筒部の外周面に軸心と平行な多数の噛合歯から成るリングギヤが設けられているフライホイールの製造方法であって、(a) 所定の金属粗材に熱間鍛造加工を施して、前記円板部および前記円筒部に類似する形状部分を一体に備えた中間品を成形する工程で、その中間品に鍛造成形する一対の金型の突合せ面は、前記リングギヤを形成する部位とは異なる位置に定められており、且つその突合せ面に所定の隙間が設けられて余肉がはみ出すことを許容するようになっている熱間鍛造工程と、(b) 前記隙間内に余肉がはみ出すことにより前記中間品の外周面に生じたフランジ状のバリを切断する切断工程と、(c) そのバリが切断された前記中間品に軸方向から冷間鍛造加工を施し、前記円板部および前記円筒部と略等しい形状になるように圧縮整形する整形工程と、(d) その整形された前記中間品の前記円筒部に冷間鍛造加工を施すことにより、その円筒部の外周面であって前記バリの切断部を含まない軸方向の一端部に前記リングギヤを形成するリングギヤ加工工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
第２発明は、第１発明のフライホイールの製造方法において、(a) 前記金属粗材は、メタルフローが軸方向に揃っている丸棒状の鋼材を所定の長さ寸法で切断した円柱形状を成すもので、(b) 前記熱間鍛造工程は、その円柱形状の金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して前記中間品を加工するものであることを特徴とする。
【０００８】
第３発明は、第２発明のフライホイールの製造方法において、前記熱間鍛造工程は、(a) 前記円柱形状の金属粗材を熱間鍛造加工により軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して平坦な円板形状とする円板加工工程と、(b) その円板形状の粗材を熱間鍛造加工により軸方向から押圧して前記中間品に成形する中間品成形工程とを含むものであることを特徴とする。
【０００９】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかのフライホイールの製造方法において、前記円板部の摩擦面に焼入れ硬化処理を施した後ショットピーニング加工を行って多数の微小凹部を形成する摩擦面処理工程を有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
このようなフライホイールの製造方法によれば、フライホイールが機械構造用炭素鋼等の所定の金属粗材に熱間鍛造加工および冷間鍛造加工等が施されることにより一体成形されるため、取付部の引っ張り強度が向上して薄肉化が図れるようになり、フライホイールの全重量に対するフライホイール外周部の重量比を大きくでき、フライホイールの慣性モーメントが大きくなる。また、切削加工によりリングギヤに多数の歯を設ける場合に比べて、鍛造加工では金属組織（メタルフロー）が切断されることなく連続的に繋がっているため機械的強度が向上する。特に、かかるリングギヤは、円筒部の外周面であってバリの切断部を含まない軸方向の一端部に形成されるため、多数の噛合歯の他端部は互いに連結されていて、高速回転化や高コンプレッション化に対しても十分な靱性が得られ、機械的強度も一層向上する。このように高い機械的強度が得られることからリングギヤのモジュールを小さくすることが可能で、同等の外径でモジュールが大きなリングギヤに比べて外周部（ギヤ部分）の質量が大きくなり、慣性モーメントが増大する。更に、一体成形を行うことにより工程数が減少するため、製造コストが低減される。
【００１１】
一方、本発明では、熱間鍛造工程で中間品を鍛造成形する一対の金型の突合せ面に所定の隙間が設けられ、余肉がはみ出すことを許容するようになっているため、金型にかかる負荷が軽減されて型寿命が向上する。その隙間内にはみ出した余肉は、中間品の外周面にフランジ状のバリとして残り、そのバリは切断工程で除去されるため、それに伴ってメタルフローが切断されるが、その後の整形工程で円板部や円筒部が冷間鍛造加工により高い寸法精度に圧縮整形されるため、その際の圧縮でメタルフローの切断に起因する強度の低下が改善される。また、このようにリングギヤの加工に先立って円板部や円筒部が冷間鍛造加工で高い寸法精度に整形されることから、リングギヤを冷間鍛造加工する際の加工精度が向上し、リングギヤの寸法精度が向上する。
【００１２】
第２発明では、メタルフローが軸方向に揃っている丸棒状の鋼材を所定の長さ寸法で切断した円柱形状の金属粗材が用いられ、それを軸方向に押し潰して所定形状に成形するため、メタルフローの繋がりが良好に維持される。また、熱間鍛造工程では、その円柱形状の金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して中間品を加工するため、材料の密度が疎となる部分を生じることがなく、局部的な機械的強度の低下が回避される。金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰すことから、金属粗材の径寸法が小さくなり、大径の金属粗材を用いる場合に比較して材料コストが低減される。
【００１３】
第３発明では、上記円柱形状の金属粗材を先ず熱間鍛造加工により軸方向に押し潰して平坦な円板形状とするため、その円板形状の状態ではメタルフローが略放射状に外周側へ延び出すとともに板厚方向へ１８０°回曲して中心側へ集束し、軸心まわりにおいて略均質な状態が得られる。すなわち、大きくて複雑な変形を一度に加えると、金属の流動状態が不均一になったりメタルフローが途切れたりする恐れがあるが、本発明では単純な円板形状の粗材を先ず鍛造加工するため、軸心まわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に得られ、その後の熱間鍛造加工や冷間鍛造加工においても、軸心まわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に維持されるようになるのである。
【００１４】
第４発明では、円板部の摩擦面にショットピーニング加工を行って多数の微小凹部（ミクロホール）を形成するため、摩擦面に押圧されるクラッチディスク等の摩擦材との間に空気層が形成され、高温時の摩擦係数の上昇が抑制されて摩擦面の摩耗による寿命低下などが防止される。すなわち、摩擦材とのすべり摩擦によってフライホイールの摩擦面は高温になるが、従来の鋳鉄品の場合、成分として含有するグラファイトが溶け出して潤滑作用を行うことにより、高温になっても摩擦係数の上昇が少なく、摩耗が起こり難いが、機械構造用炭素鋼等の所定の金属材料にて構成した本発明品の場合、そのままでは温度上昇に伴って摩擦係数が上昇してしまうのである。
【００１５】
なお、摩擦面の摩擦係数が上昇すると、クラッチの接続が急になるため、例えば車両用フライホイールの場合、以下のような問題が生じる。
(a) クラッチ操作が難しくなってエンジンが停止し易くなる。
(b) ミッション等の伝達系に発生する衝撃的負荷トルクが大きくなり、寿命低下の原因になる。
(c) 低回転で激しく振動するジャダー現象が起こり易くなる。
(d) 摩耗が激しくなり、クラッチディスク（摩擦材）の寿命が低下する。
【００１６】
一方、このように微小凹凸を設けても、摩擦面が摩耗して表面粗さが小さくなると、空気層が小さくなって摩擦係数が高くなる。また、熱が発生することで、クラッチディスクの材料が熱分解して柔らかくなるとともに摩擦力が大きくなり、摩擦係数が更に上昇するが、本発明ではショットピーニング加工に先立って焼入れ硬化処理を施し、表面硬さを例えばＨＲＣ４５〜４７程度まで硬化させるため、これにより従来の鋳鉄品と同程度の耐久性（寿命）を確保することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の製造方法は、エンジンのクランク軸に同軸に取り付けられる車両用フライホイールに好適に適用されるが、他の回転部材に取り付けられるフライホイールにも適用され得る。車両用フライホイールは、リングギヤにスタータの駆動ピニオンが噛み合わされてエンジン始動時に回転駆動される。
【００１８】
金属粗材としては、機械構造用炭素鋼の丸棒状の鋼材が好適に用いられる。鋳造および圧延直後の鋼材は、第２発明のようにメタルフローが軸方向に揃っているが、更に真円度を高めるために圧延後に引抜き処理を行ったものを用いることもできる。円柱形状の金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して平坦な円板形状とする円板加工工程は、潰した状態の円板形状の板厚が、目的とするフライホイールの軸方向寸法、具体的には外周部分の円筒部の軸方向厚さと概略同じ厚さとなるように定めることが望ましい。
【００１９】
熱間鍛造加工や冷間鍛造加工は、金型の１往復で目的形状に鍛造加工するものでも良いが、複数の金型を用いて多段階の鍛造加工を行ったり、同一の金型を複数回繰り返し押圧して鍛造加工を行ったりするものでも良い。中間品に鍛造成形する一対の金型の突合せ面間の隙間は、小さいと金型の負荷が大きく大きいと中間品の成形精度が阻害されるため、例えば２〜６ｍｍ程度の範囲内で４ｍｍ程度が望ましい。
【００２０】
熱間鍛造工程の熱間鍛造加工や整形工程、リングギヤ加工工程の冷間鍛造加工、或いは切断工程のバリの切断は、何れもプレス機械を用いたプレス加工で行うことが望ましい。
【００２１】
第４発明の摩擦面処理工程は、冷間鍛造加工によるリングギヤ加工工程の後に行うことが望ましいが、整形工程とリングギヤ加工工程との間に行うことも可能である。摩擦面処理の他、仕上げ切削加工や所定の穴明け加工、リングギヤの焼入れ硬化処理などを行うことも可能である。
【００２２】
摩擦面処理工程におけるショットピーニング加工（ＷＰＣ処理＝Wide Peaning Cleaning)は、対象物と同等以上の硬度を有するφ４０〜２００μｍ程度のショット（鋼粒など）を圧縮空気又は遠心力などにより１００ｍ／ｓｅｃ程度の速度で、フライホイールの表面にたたきつけて、その表面に１０〜２０μｍ程度の深さの硬化層および多数のミクロホールを形成するものである。尚、ミクロホールの深さは数μｍである。
【００２３】
摩擦面処理工程における焼入れ硬化処理は、例えば高周波誘導加熱等による高周波焼入れが好適に用いられ、ショットピーニング加工に先立って摩擦面の表面の硬度を、例えばＨＲＣ４５〜４７程度にする。
【００２４】
上記摩擦面処理工程では、ショットピーニング加工に先立って高周波焼入れ等による焼入れ硬化処理が行われるが、他の発明の実施に際してはショットピーニング加工を行うだけでも差し支えない。使用条件や材質などによっては、そのような摩擦面処理を省略したり、全く異なる表面処理を行うようにしたりすることもできる。
【００２５】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１のフライホイール１０は、本発明の製造方法に従って製造された車両用フライホイールの一例で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。このフライホイール１０は、略円板形状を成している円板部１２と、その円板部１２の外周縁に一体に設けられた円筒形状の円筒部１４とを備えており、円筒部１４は円板部１２から軸方向の一方へ突き出すように設けられている。円板部１２の中央部分は取付部１６で、円筒部１４と同じ方向へ半分程度膨出させられ、複数の取付穴１８を介してボルト等により所定の回転部材すなわち図示しないエンジンのクランク軸に同心に一体的に固設される。取付部１８の中央には中心穴１７が設けられている。円板部１２の取付部１６よりも外周側部分の一方の端面、すなわち図の下側の端面には摩擦面２０が設けられており、図示しないクラッチのクラッチディスクが押圧される。また、円筒部１４の外周面の軸方向の一端部、すなわち突出方向の先端側部分には、全周に亘って軸心Ｓと平行に多数の噛合歯２２が設けられてリングギヤ２４が構成されており、図示しないスタータの駆動ピニオンと噛み合わされて回転駆動される。
【００２６】
図２は、かかるフライホイール１０の製造工程を説明するフローチャートである。ステップＳ１では、例えばＳ３５Ｃなどの機械構造用炭素鋼の丸棒状の鋼材（圧延鋼材）を鋸盤等により所定寸法で切断することにより、図３の(a) に示すような円柱形状の金属粗材３０を切り出す。金属粗材３０の径寸法ｄ1 、高さ寸法ｔ1 は、目的とするフライホイール１０の体積より穴明けやバリを考慮して少し大きめの体積を有し、且つステップＳ２の熱間鍛造時に軸方向寸法が３／１０以下になるように、例えばｄ1 ≒１００ｍｍ程度、ｔ1 ≒１００ｍｍ程度に定められている。丸棒状の圧延鋼材は、金属組織が軸方向に引き延ばされているため、金属粗材３０のメタルフローＦは図３の(b) に示すように軸方向に揃っており、一方の端面３２から他方の端面３４まで繋がっている。なお、図３の(a) は金属粗材３０の斜視図で、(b) は軸心Ｓを含む断面においてメタルフローＦを説明する図である。
【００２７】
ステップＳ２では、上記円柱形状の金属粗材３０をプレスの熱間鍛造加工により軸方向に押し潰し、図４の(a) に示すような平坦な円板形状の円板粗材３６に成形する。円板粗材３６の高さ寸法ｔ2 は、目的とするフライホイール１０の軸方向寸法と略同じ、具体的には外周部分の円筒部１４の軸方向寸法と概略同じ厚さで、本実施例ではｔ2 ≒２８ｍｍ程度に定められており、径寸法ｄ2 ≒１８５ｍｍ程度になる。円板粗材３６のメタルフローＦは、図４の(b) に示すように略放射状に外周側へ延び出すとともに外周部において板厚方向へ１８０°回曲して中心側へ集束し、軸心Ｓまわりにおいて略均質な状態になる。すなわち、大きくて複雑な変形を一度に加えると、金属の流動状態が不均一になったりメタルフローＦが途切れたりする恐れがあるが、ここでは単純な円板形状に鍛造加工するだけであるため、軸心Ｓまわりの均質状態やメタルフローＦの繋がりが良好に維持されるのである。このステップＳ２は熱間鍛造工程で、特に円板加工工程に相当する。なお、図４の(a) は円板粗材３６の斜視図で、(b) は軸心Ｓを含む断面においてメタルフローＦを説明する図である。
【００２８】
ステップＳ３では、プレスの熱間鍛造加工により前記円板粗材３６を軸方向すなわち厚さ方向に押圧することにより、図５に示すように前記円板部１２および円筒部１４に類似する形状部分、すなわち円板相当部３８ａおよび円筒相当部３８ｂを一体に有する中間品３８を成形する。この中間品３８は、目的とするフライホイール１０に比較して、中心穴１７や取付穴１８、リングギヤ２４が設けられていない他、円板相当部３８ａの外周縁すなわち円筒相当部３８ｂとの接続部分の肉厚が漸増しているが、径寸法ｄ3 、高さ寸法ｔ3 はフライホイール１０と略同じで、ｄ3 ≒２２５ｍｍ程度、ｔ3 ≒３０ｍｍ程度である。図７は、かかる中間品３８に鍛造成形する一対の固定金型４０および可動金型４２の一例で、それぞれ中間品３８に対応する成形面４４、４６を備えており、可動金型４２が複数回上下動させられることにより目的とする中間品３８が得られる。
【００２９】
上記一対の固定金型４０、可動金型４２の突合せ面４８、５０は、中心線Ｏの右側に示すように可動金型４２が下死点に位置する型閉め状態において、例えば４ｍｍ程度の所定の隙間ｇを有するように形成されており、円板粗材３６の余肉が隙間ｇにはみ出すことにより中間品３８の外周面にはフランジ状のバリ５２が形成される。突合せ面４８、５０の成形面４４、４６に連続する内周側の一部にだけ隙間ｇが形成されるように、突合せ面４８、５０の何れか一方或いは両方に段差を設けるようにしても良い。また、突合せ面４８、５０は、中間品３８の外周面のうち前記リングギヤ２４が設けられる部位とは異なる位置、具体的には前記摩擦面２０が設けられる側に近い部分にバリ５２が形成されるように、各成形面４４、４６に対する相対位置が定められている。この中間品３８の状態においても、円板粗材３６のメタルフローが反映され、軸心Ｓまわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に維持される。このステップＳ３は熱間鍛造工程で、特に中間品成形工程に相当する。なお、図５の(a) は中間品３８の斜視図で、(b) は軸心Ｓを含む断面図であり、図７の中心線Ｏより左側は鍛造加工前の状態で、右側は可動金型４２が下死点まで下降させられた状態である。
【００３０】
ステップＳ４では、図８に示すように固定ダイス５４上に載置された中間品３８に対し、リング状の切断刃５６およびポンチ５８がプレスによって下降させられることより、その切断刃５６によって前記バリ５２を切断除去するとともにポンチ５８によって中心穴１７を穿設する。この切断プレスは、中間品３８が前工程で熱せられた状態のまま行われる。このステップＳ４は切断工程である。なお、図８の中心線Ｏより左側は切断プレス前の状態で、右側は切断プレス後の状態である。
【００３１】
ステップＳ５では、バリ５２が切断除去され且つ中心穴１７が形成された中間品３８を放置して常温まで冷却し、その後、表面に付着したゴミなどを除去してから焼鈍およびボンデ処理を行う。焼鈍は、材料の材質を均質化および軟化するためのもので、再加熱して熱処理することになるが、前記熱間鍛造（Ｓ２、Ｓ３）および切断（Ｓ４）後の冷却の速度を制御することで同様の効果が得られるので、冷却の際に中間品３８を炉に入れて温度を制御しても良い。ボンデ処理は、中間品３８の表面にリン酸亜鉛等で皮膜を形成し、中間品３８と次工程（Ｓ６、Ｓ７）の固定金型６０、７０および可動金型６２、７２との潤滑を図って冷間鍛造加工を行い易くするためのものである。
【００３２】
ステップＳ６で、例えば図９に示すように固定金型６０に対して可動金型６２を接近させることにより、中間品３８を軸方向から押圧して冷間鍛造加工を行い、前記円板部１２および円筒部１４と略同一形状になるように、言い換えればフライホイール１０においてリングギヤ２２が無い状態と略同一形状になるように圧縮整形する。この冷間鍛造による圧縮整形（コイニング、面打ち）により、中間品３８は高い寸法精度で目的形状に整形されるとともに、外周部が軸方向に圧縮されることにより前記バリ５２が切断された部分のメタルフローの密度が蜜になり、メタルフローの切断による強度低下が抑制される。図６は、このステップＳ６で圧縮整形された後の中間整形品６４を示す図で、前記円板部１２および円筒部１４を一体に備えている。ステップＳ６は整形工程に相当する。なお、図６の(a) は斜視図で(b) は軸心Ｓを含む断面図であり、図９の中心線Ｏより左側は圧縮整形前の状態で、右側は可動金型６２が下死点まで下降させられた圧縮整形後の状態である。
【００３３】
ステップＳ７では、図１０に示すように前記リングギヤ２４の噛合歯２２に対応する加工歯６６が設けられたリング状ダイス６８を有する固定金型７０に、円筒部１４が下方へ突き出す姿勢で中間整形品６４をセットし、可動金型７２を下降させて中間整形品６４を下方へ押圧することにより、冷間鍛造加工によって円筒部１４の外周面であって前記バリ５２の切断部よりも先端側部分にリングギヤ２４を形成する。中間整形品６４は高い寸法精度で形成されており、且つリングギヤ２４も冷間鍛造で加工されるため、リングギヤ２４が高い寸法精度で形成されるとともに、軸方向の鍛造であるためメタルフローが切断されることがなく、リングギヤ２４の各噛合歯２２の機械的強度が十分に確保される。このステップＳ７はリングギヤ加工工程に相当する。なお、図１０の中心線Ｏより左側は鍛造加工前の状態で、右側は可動金型７２が下死点まで下降させられた鍛造加工後の状態である。
【００３４】
その後、ステップＳ８において、摩擦面２０の耐摩耗性を向上させるための表面改質処理が行われる。すなわち、先ず摩擦面２０に高周波焼入れが行われることにより、摩擦面２０がＨＲＣ４５〜４７程度の硬さに硬化させられる。次に、その摩擦面２０にφ４０〜２００μｍのショット（鋼粒など）を圧縮空気又は遠心力などにより１００ｍ／ｓｅｃでたたきつけるショットピーニング加工が行われることにより、摩擦面２０に図１１に示されるような数μｍの深さの多数のミクロホール７４、及びミクロホール７４よりも深い約２０μｍの深さの硬化層が形成される。ミクロホール７４は微小凹部に相当する。なお、硬化層の硬さは、例えばＨＲＣ７０〜９０程度である。このステップＳ８は摩擦面処理工程に相当する。なお、このステップＳ８の前または後において、前記取付穴１８がドリル等により切削加工されると共に、リングギヤ２４の表面に高周波焼入れ等の硬化処理が施される。
【００３５】
上述のように本実施例によれば、フライホイール１０が機械構造用炭素鋼の金属粗材３０から鍛造加工により一体成形されるため、取付部１６の引っ張り強度が向上して薄肉化が図れるようになり、フライホイール１０の全重量に対するフライホイール外周部（円筒部１４）の重量比が大きくなって、フライホイール１０の慣性モーメントが大きくなる。これにより、クランク軸の回転変動を小さくすることが可能となって燃費が向上する。また、切削加工により円筒部１４に多数の噛合歯２２を設ける場合と比べて、鍛造加工ではメタルフローが連続的に繋がっているため強度が向上するとともに、多数の噛合歯２２は軸方向の一端すなわち図１(b) における下側が互いに連結されているため、高速回転化や高コンプレッション化に対しても十分な靱性が得られ、機械的強度も一層向上する。このように高い機械的強度が得られることからリングギヤ２４のモジュールを小さくすることが可能で、同等の外径でモジュールが大きなリングギヤに比べて外周部（ギヤ部分）の質量が大きくなり、慣性モーメントが増大する。更に、一体成形を行うことにより工程数が減少するため、製造コストが低減される。
【００３６】
一方、本実施例では、ステップＳ３で中間品３８に鍛造成形する一対の金型４０、４２の突合せ面４８、５０に所定の隙間ｇが設けられ、余肉がはみ出すことを許容するようになっているため、それ等の金型４０、４２にかかる負荷が軽減されて型寿命が向上する。その隙間ｇ内にはみ出した余肉は、中間品３８の外周面にフランジ状のバリ５２として残り、そのバリ５２はステップＳ４の切断工程で除去されるため、それに伴ってメタルフローが切断されるが、その後の整形工程（ステップＳ６）で軸方向に圧縮されることにより、メタルフローの切断に起因する強度の低下が改善される。また、このようにリングギヤ２４の加工に先立って中間品３８の円板相当部３８ａや円筒相当部３８ｂが冷間鍛造加工で高い寸法精度に整形されることから、リングギヤ２４を冷間鍛造加工する際の加工精度が向上し、リングギヤ２４の寸法精度が向上する。
【００３７】
また、丸棒状の圧延鋼材を所定の長さ寸法ｔ1 で切断した円柱形状の金属粗材３０が用いられるため、メタルフローが軸方向に揃っており、それを軸方向に押し潰して所定形状に成形するため、メタルフローの繋がりが良好に維持される。ステップＳ２、Ｓ３の熱間鍛造工程では、上記円柱形状の金属粗材３０を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して中間品３８を成形するため、材料の密度が疎となる部分を生じることがなく、局部的な機械的強度の低下が回避される。
【００３８】
特に、本実施例では円柱形状の金属粗材３０を先ずステップＳ２で熱間鍛造加工により軸方向に押し潰して平坦な円板形状とするため、その円板形状の状態ではメタルフローが略放射状に外周側へ延び出すとともに板厚方向へ１８０°回曲して中心側へ集束し、軸心まわりにおいて略均質な状態が得られる。すなわち、大きくて複雑な変形を一度に加えると、金属の流動状態が不均一になったりメタルフローが途切れたりする恐れがあるが、本実施例では先ずステップＳ２で単純な円板粗材３６に鍛造加工するため、軸心まわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に得られ、その後の熱間鍛造加工（ステップＳ３）や冷間鍛造加工（ステップＳ６、Ｓ７）においても、軸心Ｓまわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に維持されるのである。
【００３９】
また、このように金属粗材３０を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰すことから、金属粗材３０の径寸法ｄ1 が小さくなり、大径の金属粗材を用いる場合に比較して材料コストが低減される。
【００４０】
また、本実施例では、摩擦面２０の表面にショットピーニング加工が施されることによって多数のミクロホール７４が設けられているため、摩擦面２０に押圧されるクラッチディスク等の摩擦材との間に空気層が形成され、高温時の摩擦係数の上昇が抑制されて摩擦面２０の摩耗による寿命低下などが防止される。すなわち、摩擦材とのすべり摩擦によってフライホイール１０の摩擦面２０は高温になるが、従来の鋳鉄品の場合、成分として含有するグラファイトが溶け出して潤滑作用を行うことにより、高温になっても摩擦係数の上昇が少なく、摩耗が起こり難いが、機械構造用炭素鋼で構成した本実施例品の場合、そのままでは温度上昇に伴って摩擦係数が上昇してしまうのである。
【００４１】
一方、このようにミクロホール７４を設けても、摩擦面２０が摩耗して表面粗さが小さくなると、空気層が小さくなって摩擦係数が高くなる。また、熱が発生することで、クラッチディスクの材料が熱分解して柔らかくなるとともに摩擦力が大きくなり、摩擦係数が更に上昇する。このため、ショットピーニング加工に先立って焼入れ硬化処理を施し、表面硬さを例えばＨＲＣ４５〜４７程度まで硬化させることにより、従来の鋳鉄品と同程度の耐久性（寿命）が確保される。
【００４２】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法に従って製造された車両用のフライホイールの一例を示す図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。
【図２】図１のフライホイールの製造手順を説明するフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ１で切り出された金属粗材を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面のメタルフローＦを説明する図である。
【図４】図２のステップＳ２で熱間鍛造加工された平板状の金属粗材（円板粗材）を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面のメタルフローＦを説明する図である。
【図５】図２のステップＳ３で熱間鍛造加工された中間品を示す図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。
【図６】図２のステップＳ６で冷間鍛造加工により圧縮整形された中間品（中間整形品）を示す図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。
【図７】図２のステップＳ３で中間品を熱間鍛造加工する際の金型の断面図である。
【図８】図２のステップＳ４で切断加工を行う際の金型の断面図である。
【図９】図２のステップＳ６で冷間鍛造加工により圧縮整形する際の金型の断面図である。
【図１０】図２のステップＳ７で冷間鍛造加工によりリングギヤを加工する際の金型の断面図である。
【図１１】図１のフライホイールの摩擦面の断面形状を示す図である。
【図１２】従来のフライホイールの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１０：フライホイール
１２：円板部
１４：円筒部
１６：取付部
２０：摩擦面
２４：リングギヤ
３０：金属粗材
３６：円板粗材（円板形状に潰された金属粗材）
３８：中間品
４８、５０：突合せ面
５２：バリ
６４：中間整形品（圧縮整形された中間品）
７４：ミクロホール（微小凹部）
ステップＳ２：熱間鍛造工程、円板加工工程
ステップＳ３：熱間鍛造工程、中間品成形工程
ステップＳ４：切断工程
ステップＳ６：整形工程
ステップＳ７：リングギヤ加工工程
ステップＳ８：摩擦面処理工程
【発明の属する技術分野】
本発明はフライホイールに係り、特に、外周部にリングギヤが一体に設けられているフライホイールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料の燃焼によって作動するエンジンが自動車などに多用されているが、このようなエンジンは爆発に伴って周期的な回転変動（トルク変動）を生じることが避けられず、この回転変動を抑制するためにクランク軸などにフライホイールが取り付けられるのが普通である。エンジン以外でも、周期的な回転変動を生じる回転部材には、その回転変動を抑制するためにフライホイールが用いられる。
【０００３】
上記車両用のフライホイールは、図１２に示されるように一般にホブ切りやピニオンカッタなどによる切削加工で外周部に多数の歯が設けられた機械構造用炭素鋼、例えばＳ４８Ｃから成るリングギヤに、中心部にクランク軸を取り付けるための取付部が設けられたねずみ鋳鉄、例えばＦＣ２３０から成る本体が、圧入や焼き嵌め等により一体的に固設されることにより構成されていた。リングギヤは、エンジンを始動する際にクランク軸を回転駆動するためのもので、スタータ用モータのピニオンと噛み合わされて回転させられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記フライホイールは、本体がねずみ鋳鉄から成ることから取付部の引っ張り強度が不充分で、強度不足を補うために取付部を厚くする必要があり、その結果、本体の重量が増大しフライホイールの全重量に対するフライホイール外周部の重量比が小さくなることから、フライホイールの慣性モーメントが低下し、クランク軸の回転変動が大きくなって燃費が低下するなどの不都合があった。また、フライホイールがリングギヤと本体の２つの部品から構成されることから、工程数が多くなって製造コスト低減に限界があった。更に、エンジンの性能向上に伴ってフライホイールが高速で回転させられ（高速回転化）、且つエンジンの始動性向上に伴ってスタータ用モータのピニオンがより高圧で高回転でリングギヤに噛み合う（高コンプレッション化）ので、十分な耐性がフライホイールおよびリングギヤに求められるが、リングギヤの噛合歯は切削加工によって形成されているためメタルフローが切断されるとともに、切断されたメタルフローと同方向にスタータ用モータからの荷重がかかるため十分な機械的強度（靱性など）が得られず、大きなモジュールに設定する必要があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として成されたもので、その目的とするところは、取付部およびリングギヤの強度を向上させると共に、製造コストを低減させたフライホイールを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１発明は、略円板形状を成している円板部と、その円板部の外周縁に一体に設けられた円筒形状の円筒部とを有し、その円板部の中央部分が所定の回転部材に一体的に固設される取付部とされるとともに、その円板部の取付部よりも外周側部分の一方の端面に摩擦面が設けられる一方、前記円筒部の外周面に軸心と平行な多数の噛合歯から成るリングギヤが設けられているフライホイールの製造方法であって、(a) 所定の金属粗材に熱間鍛造加工を施して、前記円板部および前記円筒部に類似する形状部分を一体に備えた中間品を成形する工程で、その中間品に鍛造成形する一対の金型の突合せ面は、前記リングギヤを形成する部位とは異なる位置に定められており、且つその突合せ面に所定の隙間が設けられて余肉がはみ出すことを許容するようになっている熱間鍛造工程と、(b) 前記隙間内に余肉がはみ出すことにより前記中間品の外周面に生じたフランジ状のバリを切断する切断工程と、(c) そのバリが切断された前記中間品に軸方向から冷間鍛造加工を施し、前記円板部および前記円筒部と略等しい形状になるように圧縮整形する整形工程と、(d) その整形された前記中間品の前記円筒部に冷間鍛造加工を施すことにより、その円筒部の外周面であって前記バリの切断部を含まない軸方向の一端部に前記リングギヤを形成するリングギヤ加工工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
第２発明は、第１発明のフライホイールの製造方法において、(a) 前記金属粗材は、メタルフローが軸方向に揃っている丸棒状の鋼材を所定の長さ寸法で切断した円柱形状を成すもので、(b) 前記熱間鍛造工程は、その円柱形状の金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して前記中間品を加工するものであることを特徴とする。
【０００８】
第３発明は、第２発明のフライホイールの製造方法において、前記熱間鍛造工程は、(a) 前記円柱形状の金属粗材を熱間鍛造加工により軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して平坦な円板形状とする円板加工工程と、(b) その円板形状の粗材を熱間鍛造加工により軸方向から押圧して前記中間品に成形する中間品成形工程とを含むものであることを特徴とする。
【０００９】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかのフライホイールの製造方法において、前記円板部の摩擦面に焼入れ硬化処理を施した後ショットピーニング加工を行って多数の微小凹部を形成する摩擦面処理工程を有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
このようなフライホイールの製造方法によれば、フライホイールが機械構造用炭素鋼等の所定の金属粗材に熱間鍛造加工および冷間鍛造加工等が施されることにより一体成形されるため、取付部の引っ張り強度が向上して薄肉化が図れるようになり、フライホイールの全重量に対するフライホイール外周部の重量比を大きくでき、フライホイールの慣性モーメントが大きくなる。また、切削加工によりリングギヤに多数の歯を設ける場合に比べて、鍛造加工では金属組織（メタルフロー）が切断されることなく連続的に繋がっているため機械的強度が向上する。特に、かかるリングギヤは、円筒部の外周面であってバリの切断部を含まない軸方向の一端部に形成されるため、多数の噛合歯の他端部は互いに連結されていて、高速回転化や高コンプレッション化に対しても十分な靱性が得られ、機械的強度も一層向上する。このように高い機械的強度が得られることからリングギヤのモジュールを小さくすることが可能で、同等の外径でモジュールが大きなリングギヤに比べて外周部（ギヤ部分）の質量が大きくなり、慣性モーメントが増大する。更に、一体成形を行うことにより工程数が減少するため、製造コストが低減される。
【００１１】
一方、本発明では、熱間鍛造工程で中間品を鍛造成形する一対の金型の突合せ面に所定の隙間が設けられ、余肉がはみ出すことを許容するようになっているため、金型にかかる負荷が軽減されて型寿命が向上する。その隙間内にはみ出した余肉は、中間品の外周面にフランジ状のバリとして残り、そのバリは切断工程で除去されるため、それに伴ってメタルフローが切断されるが、その後の整形工程で円板部や円筒部が冷間鍛造加工により高い寸法精度に圧縮整形されるため、その際の圧縮でメタルフローの切断に起因する強度の低下が改善される。また、このようにリングギヤの加工に先立って円板部や円筒部が冷間鍛造加工で高い寸法精度に整形されることから、リングギヤを冷間鍛造加工する際の加工精度が向上し、リングギヤの寸法精度が向上する。
【００１２】
第２発明では、メタルフローが軸方向に揃っている丸棒状の鋼材を所定の長さ寸法で切断した円柱形状の金属粗材が用いられ、それを軸方向に押し潰して所定形状に成形するため、メタルフローの繋がりが良好に維持される。また、熱間鍛造工程では、その円柱形状の金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して中間品を加工するため、材料の密度が疎となる部分を生じることがなく、局部的な機械的強度の低下が回避される。金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰すことから、金属粗材の径寸法が小さくなり、大径の金属粗材を用いる場合に比較して材料コストが低減される。
【００１３】
第３発明では、上記円柱形状の金属粗材を先ず熱間鍛造加工により軸方向に押し潰して平坦な円板形状とするため、その円板形状の状態ではメタルフローが略放射状に外周側へ延び出すとともに板厚方向へ１８０°回曲して中心側へ集束し、軸心まわりにおいて略均質な状態が得られる。すなわち、大きくて複雑な変形を一度に加えると、金属の流動状態が不均一になったりメタルフローが途切れたりする恐れがあるが、本発明では単純な円板形状の粗材を先ず鍛造加工するため、軸心まわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に得られ、その後の熱間鍛造加工や冷間鍛造加工においても、軸心まわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に維持されるようになるのである。
【００１４】
第４発明では、円板部の摩擦面にショットピーニング加工を行って多数の微小凹部（ミクロホール）を形成するため、摩擦面に押圧されるクラッチディスク等の摩擦材との間に空気層が形成され、高温時の摩擦係数の上昇が抑制されて摩擦面の摩耗による寿命低下などが防止される。すなわち、摩擦材とのすべり摩擦によってフライホイールの摩擦面は高温になるが、従来の鋳鉄品の場合、成分として含有するグラファイトが溶け出して潤滑作用を行うことにより、高温になっても摩擦係数の上昇が少なく、摩耗が起こり難いが、機械構造用炭素鋼等の所定の金属材料にて構成した本発明品の場合、そのままでは温度上昇に伴って摩擦係数が上昇してしまうのである。
【００１５】
なお、摩擦面の摩擦係数が上昇すると、クラッチの接続が急になるため、例えば車両用フライホイールの場合、以下のような問題が生じる。
(a) クラッチ操作が難しくなってエンジンが停止し易くなる。
(b) ミッション等の伝達系に発生する衝撃的負荷トルクが大きくなり、寿命低下の原因になる。
(c) 低回転で激しく振動するジャダー現象が起こり易くなる。
(d) 摩耗が激しくなり、クラッチディスク（摩擦材）の寿命が低下する。
【００１６】
一方、このように微小凹凸を設けても、摩擦面が摩耗して表面粗さが小さくなると、空気層が小さくなって摩擦係数が高くなる。また、熱が発生することで、クラッチディスクの材料が熱分解して柔らかくなるとともに摩擦力が大きくなり、摩擦係数が更に上昇するが、本発明ではショットピーニング加工に先立って焼入れ硬化処理を施し、表面硬さを例えばＨＲＣ４５〜４７程度まで硬化させるため、これにより従来の鋳鉄品と同程度の耐久性（寿命）を確保することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の製造方法は、エンジンのクランク軸に同軸に取り付けられる車両用フライホイールに好適に適用されるが、他の回転部材に取り付けられるフライホイールにも適用され得る。車両用フライホイールは、リングギヤにスタータの駆動ピニオンが噛み合わされてエンジン始動時に回転駆動される。
【００１８】
金属粗材としては、機械構造用炭素鋼の丸棒状の鋼材が好適に用いられる。鋳造および圧延直後の鋼材は、第２発明のようにメタルフローが軸方向に揃っているが、更に真円度を高めるために圧延後に引抜き処理を行ったものを用いることもできる。円柱形状の金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して平坦な円板形状とする円板加工工程は、潰した状態の円板形状の板厚が、目的とするフライホイールの軸方向寸法、具体的には外周部分の円筒部の軸方向厚さと概略同じ厚さとなるように定めることが望ましい。
【００１９】
熱間鍛造加工や冷間鍛造加工は、金型の１往復で目的形状に鍛造加工するものでも良いが、複数の金型を用いて多段階の鍛造加工を行ったり、同一の金型を複数回繰り返し押圧して鍛造加工を行ったりするものでも良い。中間品に鍛造成形する一対の金型の突合せ面間の隙間は、小さいと金型の負荷が大きく大きいと中間品の成形精度が阻害されるため、例えば２〜６ｍｍ程度の範囲内で４ｍｍ程度が望ましい。
【００２０】
熱間鍛造工程の熱間鍛造加工や整形工程、リングギヤ加工工程の冷間鍛造加工、或いは切断工程のバリの切断は、何れもプレス機械を用いたプレス加工で行うことが望ましい。
【００２１】
第４発明の摩擦面処理工程は、冷間鍛造加工によるリングギヤ加工工程の後に行うことが望ましいが、整形工程とリングギヤ加工工程との間に行うことも可能である。摩擦面処理の他、仕上げ切削加工や所定の穴明け加工、リングギヤの焼入れ硬化処理などを行うことも可能である。
【００２２】
摩擦面処理工程におけるショットピーニング加工（ＷＰＣ処理＝Wide Peaning Cleaning)は、対象物と同等以上の硬度を有するφ４０〜２００μｍ程度のショット（鋼粒など）を圧縮空気又は遠心力などにより１００ｍ／ｓｅｃ程度の速度で、フライホイールの表面にたたきつけて、その表面に１０〜２０μｍ程度の深さの硬化層および多数のミクロホールを形成するものである。尚、ミクロホールの深さは数μｍである。
【００２３】
摩擦面処理工程における焼入れ硬化処理は、例えば高周波誘導加熱等による高周波焼入れが好適に用いられ、ショットピーニング加工に先立って摩擦面の表面の硬度を、例えばＨＲＣ４５〜４７程度にする。
【００２４】
上記摩擦面処理工程では、ショットピーニング加工に先立って高周波焼入れ等による焼入れ硬化処理が行われるが、他の発明の実施に際してはショットピーニング加工を行うだけでも差し支えない。使用条件や材質などによっては、そのような摩擦面処理を省略したり、全く異なる表面処理を行うようにしたりすることもできる。
【００２５】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１のフライホイール１０は、本発明の製造方法に従って製造された車両用フライホイールの一例で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。このフライホイール１０は、略円板形状を成している円板部１２と、その円板部１２の外周縁に一体に設けられた円筒形状の円筒部１４とを備えており、円筒部１４は円板部１２から軸方向の一方へ突き出すように設けられている。円板部１２の中央部分は取付部１６で、円筒部１４と同じ方向へ半分程度膨出させられ、複数の取付穴１８を介してボルト等により所定の回転部材すなわち図示しないエンジンのクランク軸に同心に一体的に固設される。取付部１８の中央には中心穴１７が設けられている。円板部１２の取付部１６よりも外周側部分の一方の端面、すなわち図の下側の端面には摩擦面２０が設けられており、図示しないクラッチのクラッチディスクが押圧される。また、円筒部１４の外周面の軸方向の一端部、すなわち突出方向の先端側部分には、全周に亘って軸心Ｓと平行に多数の噛合歯２２が設けられてリングギヤ２４が構成されており、図示しないスタータの駆動ピニオンと噛み合わされて回転駆動される。
【００２６】
図２は、かかるフライホイール１０の製造工程を説明するフローチャートである。ステップＳ１では、例えばＳ３５Ｃなどの機械構造用炭素鋼の丸棒状の鋼材（圧延鋼材）を鋸盤等により所定寸法で切断することにより、図３の(a) に示すような円柱形状の金属粗材３０を切り出す。金属粗材３０の径寸法ｄ1 、高さ寸法ｔ1 は、目的とするフライホイール１０の体積より穴明けやバリを考慮して少し大きめの体積を有し、且つステップＳ２の熱間鍛造時に軸方向寸法が３／１０以下になるように、例えばｄ1 ≒１００ｍｍ程度、ｔ1 ≒１００ｍｍ程度に定められている。丸棒状の圧延鋼材は、金属組織が軸方向に引き延ばされているため、金属粗材３０のメタルフローＦは図３の(b) に示すように軸方向に揃っており、一方の端面３２から他方の端面３４まで繋がっている。なお、図３の(a) は金属粗材３０の斜視図で、(b) は軸心Ｓを含む断面においてメタルフローＦを説明する図である。
【００２７】
ステップＳ２では、上記円柱形状の金属粗材３０をプレスの熱間鍛造加工により軸方向に押し潰し、図４の(a) に示すような平坦な円板形状の円板粗材３６に成形する。円板粗材３６の高さ寸法ｔ2 は、目的とするフライホイール１０の軸方向寸法と略同じ、具体的には外周部分の円筒部１４の軸方向寸法と概略同じ厚さで、本実施例ではｔ2 ≒２８ｍｍ程度に定められており、径寸法ｄ2 ≒１８５ｍｍ程度になる。円板粗材３６のメタルフローＦは、図４の(b) に示すように略放射状に外周側へ延び出すとともに外周部において板厚方向へ１８０°回曲して中心側へ集束し、軸心Ｓまわりにおいて略均質な状態になる。すなわち、大きくて複雑な変形を一度に加えると、金属の流動状態が不均一になったりメタルフローＦが途切れたりする恐れがあるが、ここでは単純な円板形状に鍛造加工するだけであるため、軸心Ｓまわりの均質状態やメタルフローＦの繋がりが良好に維持されるのである。このステップＳ２は熱間鍛造工程で、特に円板加工工程に相当する。なお、図４の(a) は円板粗材３６の斜視図で、(b) は軸心Ｓを含む断面においてメタルフローＦを説明する図である。
【００２８】
ステップＳ３では、プレスの熱間鍛造加工により前記円板粗材３６を軸方向すなわち厚さ方向に押圧することにより、図５に示すように前記円板部１２および円筒部１４に類似する形状部分、すなわち円板相当部３８ａおよび円筒相当部３８ｂを一体に有する中間品３８を成形する。この中間品３８は、目的とするフライホイール１０に比較して、中心穴１７や取付穴１８、リングギヤ２４が設けられていない他、円板相当部３８ａの外周縁すなわち円筒相当部３８ｂとの接続部分の肉厚が漸増しているが、径寸法ｄ3 、高さ寸法ｔ3 はフライホイール１０と略同じで、ｄ3 ≒２２５ｍｍ程度、ｔ3 ≒３０ｍｍ程度である。図７は、かかる中間品３８に鍛造成形する一対の固定金型４０および可動金型４２の一例で、それぞれ中間品３８に対応する成形面４４、４６を備えており、可動金型４２が複数回上下動させられることにより目的とする中間品３８が得られる。
【００２９】
上記一対の固定金型４０、可動金型４２の突合せ面４８、５０は、中心線Ｏの右側に示すように可動金型４２が下死点に位置する型閉め状態において、例えば４ｍｍ程度の所定の隙間ｇを有するように形成されており、円板粗材３６の余肉が隙間ｇにはみ出すことにより中間品３８の外周面にはフランジ状のバリ５２が形成される。突合せ面４８、５０の成形面４４、４６に連続する内周側の一部にだけ隙間ｇが形成されるように、突合せ面４８、５０の何れか一方或いは両方に段差を設けるようにしても良い。また、突合せ面４８、５０は、中間品３８の外周面のうち前記リングギヤ２４が設けられる部位とは異なる位置、具体的には前記摩擦面２０が設けられる側に近い部分にバリ５２が形成されるように、各成形面４４、４６に対する相対位置が定められている。この中間品３８の状態においても、円板粗材３６のメタルフローが反映され、軸心Ｓまわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に維持される。このステップＳ３は熱間鍛造工程で、特に中間品成形工程に相当する。なお、図５の(a) は中間品３８の斜視図で、(b) は軸心Ｓを含む断面図であり、図７の中心線Ｏより左側は鍛造加工前の状態で、右側は可動金型４２が下死点まで下降させられた状態である。
【００３０】
ステップＳ４では、図８に示すように固定ダイス５４上に載置された中間品３８に対し、リング状の切断刃５６およびポンチ５８がプレスによって下降させられることより、その切断刃５６によって前記バリ５２を切断除去するとともにポンチ５８によって中心穴１７を穿設する。この切断プレスは、中間品３８が前工程で熱せられた状態のまま行われる。このステップＳ４は切断工程である。なお、図８の中心線Ｏより左側は切断プレス前の状態で、右側は切断プレス後の状態である。
【００３１】
ステップＳ５では、バリ５２が切断除去され且つ中心穴１７が形成された中間品３８を放置して常温まで冷却し、その後、表面に付着したゴミなどを除去してから焼鈍およびボンデ処理を行う。焼鈍は、材料の材質を均質化および軟化するためのもので、再加熱して熱処理することになるが、前記熱間鍛造（Ｓ２、Ｓ３）および切断（Ｓ４）後の冷却の速度を制御することで同様の効果が得られるので、冷却の際に中間品３８を炉に入れて温度を制御しても良い。ボンデ処理は、中間品３８の表面にリン酸亜鉛等で皮膜を形成し、中間品３８と次工程（Ｓ６、Ｓ７）の固定金型６０、７０および可動金型６２、７２との潤滑を図って冷間鍛造加工を行い易くするためのものである。
【００３２】
ステップＳ６で、例えば図９に示すように固定金型６０に対して可動金型６２を接近させることにより、中間品３８を軸方向から押圧して冷間鍛造加工を行い、前記円板部１２および円筒部１４と略同一形状になるように、言い換えればフライホイール１０においてリングギヤ２２が無い状態と略同一形状になるように圧縮整形する。この冷間鍛造による圧縮整形（コイニング、面打ち）により、中間品３８は高い寸法精度で目的形状に整形されるとともに、外周部が軸方向に圧縮されることにより前記バリ５２が切断された部分のメタルフローの密度が蜜になり、メタルフローの切断による強度低下が抑制される。図６は、このステップＳ６で圧縮整形された後の中間整形品６４を示す図で、前記円板部１２および円筒部１４を一体に備えている。ステップＳ６は整形工程に相当する。なお、図６の(a) は斜視図で(b) は軸心Ｓを含む断面図であり、図９の中心線Ｏより左側は圧縮整形前の状態で、右側は可動金型６２が下死点まで下降させられた圧縮整形後の状態である。
【００３３】
ステップＳ７では、図１０に示すように前記リングギヤ２４の噛合歯２２に対応する加工歯６６が設けられたリング状ダイス６８を有する固定金型７０に、円筒部１４が下方へ突き出す姿勢で中間整形品６４をセットし、可動金型７２を下降させて中間整形品６４を下方へ押圧することにより、冷間鍛造加工によって円筒部１４の外周面であって前記バリ５２の切断部よりも先端側部分にリングギヤ２４を形成する。中間整形品６４は高い寸法精度で形成されており、且つリングギヤ２４も冷間鍛造で加工されるため、リングギヤ２４が高い寸法精度で形成されるとともに、軸方向の鍛造であるためメタルフローが切断されることがなく、リングギヤ２４の各噛合歯２２の機械的強度が十分に確保される。このステップＳ７はリングギヤ加工工程に相当する。なお、図１０の中心線Ｏより左側は鍛造加工前の状態で、右側は可動金型７２が下死点まで下降させられた鍛造加工後の状態である。
【００３４】
その後、ステップＳ８において、摩擦面２０の耐摩耗性を向上させるための表面改質処理が行われる。すなわち、先ず摩擦面２０に高周波焼入れが行われることにより、摩擦面２０がＨＲＣ４５〜４７程度の硬さに硬化させられる。次に、その摩擦面２０にφ４０〜２００μｍのショット（鋼粒など）を圧縮空気又は遠心力などにより１００ｍ／ｓｅｃでたたきつけるショットピーニング加工が行われることにより、摩擦面２０に図１１に示されるような数μｍの深さの多数のミクロホール７４、及びミクロホール７４よりも深い約２０μｍの深さの硬化層が形成される。ミクロホール７４は微小凹部に相当する。なお、硬化層の硬さは、例えばＨＲＣ７０〜９０程度である。このステップＳ８は摩擦面処理工程に相当する。なお、このステップＳ８の前または後において、前記取付穴１８がドリル等により切削加工されると共に、リングギヤ２４の表面に高周波焼入れ等の硬化処理が施される。
【００３５】
上述のように本実施例によれば、フライホイール１０が機械構造用炭素鋼の金属粗材３０から鍛造加工により一体成形されるため、取付部１６の引っ張り強度が向上して薄肉化が図れるようになり、フライホイール１０の全重量に対するフライホイール外周部（円筒部１４）の重量比が大きくなって、フライホイール１０の慣性モーメントが大きくなる。これにより、クランク軸の回転変動を小さくすることが可能となって燃費が向上する。また、切削加工により円筒部１４に多数の噛合歯２２を設ける場合と比べて、鍛造加工ではメタルフローが連続的に繋がっているため強度が向上するとともに、多数の噛合歯２２は軸方向の一端すなわち図１(b) における下側が互いに連結されているため、高速回転化や高コンプレッション化に対しても十分な靱性が得られ、機械的強度も一層向上する。このように高い機械的強度が得られることからリングギヤ２４のモジュールを小さくすることが可能で、同等の外径でモジュールが大きなリングギヤに比べて外周部（ギヤ部分）の質量が大きくなり、慣性モーメントが増大する。更に、一体成形を行うことにより工程数が減少するため、製造コストが低減される。
【００３６】
一方、本実施例では、ステップＳ３で中間品３８に鍛造成形する一対の金型４０、４２の突合せ面４８、５０に所定の隙間ｇが設けられ、余肉がはみ出すことを許容するようになっているため、それ等の金型４０、４２にかかる負荷が軽減されて型寿命が向上する。その隙間ｇ内にはみ出した余肉は、中間品３８の外周面にフランジ状のバリ５２として残り、そのバリ５２はステップＳ４の切断工程で除去されるため、それに伴ってメタルフローが切断されるが、その後の整形工程（ステップＳ６）で軸方向に圧縮されることにより、メタルフローの切断に起因する強度の低下が改善される。また、このようにリングギヤ２４の加工に先立って中間品３８の円板相当部３８ａや円筒相当部３８ｂが冷間鍛造加工で高い寸法精度に整形されることから、リングギヤ２４を冷間鍛造加工する際の加工精度が向上し、リングギヤ２４の寸法精度が向上する。
【００３７】
また、丸棒状の圧延鋼材を所定の長さ寸法ｔ1 で切断した円柱形状の金属粗材３０が用いられるため、メタルフローが軸方向に揃っており、それを軸方向に押し潰して所定形状に成形するため、メタルフローの繋がりが良好に維持される。ステップＳ２、Ｓ３の熱間鍛造工程では、上記円柱形状の金属粗材３０を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して中間品３８を成形するため、材料の密度が疎となる部分を生じることがなく、局部的な機械的強度の低下が回避される。
【００３８】
特に、本実施例では円柱形状の金属粗材３０を先ずステップＳ２で熱間鍛造加工により軸方向に押し潰して平坦な円板形状とするため、その円板形状の状態ではメタルフローが略放射状に外周側へ延び出すとともに板厚方向へ１８０°回曲して中心側へ集束し、軸心まわりにおいて略均質な状態が得られる。すなわち、大きくて複雑な変形を一度に加えると、金属の流動状態が不均一になったりメタルフローが途切れたりする恐れがあるが、本実施例では先ずステップＳ２で単純な円板粗材３６に鍛造加工するため、軸心まわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に得られ、その後の熱間鍛造加工（ステップＳ３）や冷間鍛造加工（ステップＳ６、Ｓ７）においても、軸心Ｓまわりの均質状態やメタルフローの繋がりが良好に維持されるのである。
【００３９】
また、このように金属粗材３０を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰すことから、金属粗材３０の径寸法ｄ1 が小さくなり、大径の金属粗材を用いる場合に比較して材料コストが低減される。
【００４０】
また、本実施例では、摩擦面２０の表面にショットピーニング加工が施されることによって多数のミクロホール７４が設けられているため、摩擦面２０に押圧されるクラッチディスク等の摩擦材との間に空気層が形成され、高温時の摩擦係数の上昇が抑制されて摩擦面２０の摩耗による寿命低下などが防止される。すなわち、摩擦材とのすべり摩擦によってフライホイール１０の摩擦面２０は高温になるが、従来の鋳鉄品の場合、成分として含有するグラファイトが溶け出して潤滑作用を行うことにより、高温になっても摩擦係数の上昇が少なく、摩耗が起こり難いが、機械構造用炭素鋼で構成した本実施例品の場合、そのままでは温度上昇に伴って摩擦係数が上昇してしまうのである。
【００４１】
一方、このようにミクロホール７４を設けても、摩擦面２０が摩耗して表面粗さが小さくなると、空気層が小さくなって摩擦係数が高くなる。また、熱が発生することで、クラッチディスクの材料が熱分解して柔らかくなるとともに摩擦力が大きくなり、摩擦係数が更に上昇する。このため、ショットピーニング加工に先立って焼入れ硬化処理を施し、表面硬さを例えばＨＲＣ４５〜４７程度まで硬化させることにより、従来の鋳鉄品と同程度の耐久性（寿命）が確保される。
【００４２】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法に従って製造された車両用のフライホイールの一例を示す図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。
【図２】図１のフライホイールの製造手順を説明するフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ１で切り出された金属粗材を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面のメタルフローＦを説明する図である。
【図４】図２のステップＳ２で熱間鍛造加工された平板状の金属粗材（円板粗材）を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面のメタルフローＦを説明する図である。
【図５】図２のステップＳ３で熱間鍛造加工された中間品を示す図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。
【図６】図２のステップＳ６で冷間鍛造加工により圧縮整形された中間品（中間整形品）を示す図で、(a) は斜視図、(b) は軸心Ｓを含む断面図である。
【図７】図２のステップＳ３で中間品を熱間鍛造加工する際の金型の断面図である。
【図８】図２のステップＳ４で切断加工を行う際の金型の断面図である。
【図９】図２のステップＳ６で冷間鍛造加工により圧縮整形する際の金型の断面図である。
【図１０】図２のステップＳ７で冷間鍛造加工によりリングギヤを加工する際の金型の断面図である。
【図１１】図１のフライホイールの摩擦面の断面形状を示す図である。
【図１２】従来のフライホイールの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１０：フライホイール
１２：円板部
１４：円筒部
１６：取付部
２０：摩擦面
２４：リングギヤ
３０：金属粗材
３６：円板粗材（円板形状に潰された金属粗材）
３８：中間品
４８、５０：突合せ面
５２：バリ
６４：中間整形品（圧縮整形された中間品）
７４：ミクロホール（微小凹部）
ステップＳ２：熱間鍛造工程、円板加工工程
ステップＳ３：熱間鍛造工程、中間品成形工程
ステップＳ４：切断工程
ステップＳ６：整形工程
ステップＳ７：リングギヤ加工工程
ステップＳ８：摩擦面処理工程
Claims (4)
- 略円板形状を成している円板部と、該円板部の外周縁に一体に設けられた円筒形状の円筒部とを有し、該円板部の中央部分が所定の回転部材に一体的に固設される取付部とされるとともに、該円板部の該取付部よりも外周側部分の一方の端面に摩擦面が設けられる一方、前記円筒部の外周面に軸心と平行な多数の噛合歯から成るリングギヤが設けられているフライホイールの製造方法であって、
所定の金属粗材に熱間鍛造加工を施して、前記円板部および前記円筒部に類似する形状部分を一体に備えた中間品を成形する工程で、該中間品に鍛造成形する一対の金型の突合せ面は、前記リングギヤを形成する部位とは異なる位置に定められており、且つ該突合せ面に所定の隙間が設けられて余肉がはみ出すことを許容するようになっている熱間鍛造工程と、
前記隙間内に余肉がはみ出すことにより前記中間品の外周面に生じたフランジ状のバリを切断する切断工程と、
該バリが切断された前記中間品に軸方向から冷間鍛造加工を施し、前記円板部および前記円筒部と略等しい形状になるように圧縮整形する整形工程と、
該整形された前記中間品の前記円筒部に冷間鍛造加工を施すことにより、該円筒部の外周面であって前記バリの切断部を含まない軸方向の一端部に前記リングギヤを形成するリングギヤ加工工程と
を有することを特徴とするフライホイールの製造方法。 - 前記金属粗材は、メタルフローが軸方向に揃っている丸棒状の鋼材を所定の長さ寸法で切断した円柱形状を成すもので、
前記熱間鍛造工程は、該円柱形状の金属粗材を軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して前記中間品を加工するものである
ことを特徴とする請求項１に記載のフライホイールの製造方法。 - 前記熱間鍛造工程は、前記円柱形状の金属粗材を熱間鍛造加工により軸方向の長さ寸法が３／１０以下になるまで押し潰して平坦な円板形状とする円板加工工程と、該円板形状の粗材を熱間鍛造加工により軸方向から押圧して前記中間品に成形する中間品成形工程とを含むものである
ことを特徴とする請求項２に記載のフライホイールの製造方法。 - 前記円板部の摩擦面に焼入れ硬化処理を施した後ショットピーニング加工を行って多数の微小凹部を形成する摩擦面処理工程を有する
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のフライホイールの製造方法。
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