JP3915773B2 - クランク軸の焼入れ方法及び焼入れ装置並びにクランク軸の製造方法 - Google Patents
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Description
なお、置割れとは、放置しておくことにより残留応力等に起因して発生する割れを言う。
本発明のクランク軸の焼入れ方法は、
(1)ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却に加え、前記のピン及び/又はジャーナルの肩部、及び、必要に応じて、ピン及び/又はジャーナルのトップ部も同時に冷却する、
或いは、
(2)ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却に加えて行う、前記のピン及び/又はジャーナルの肩部の冷却、及び、必要に応じて行う、ピン及び/又はジャーナルのトップ部の冷却を、前記の円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却よりも先に行う、
ことを最も主要な特徴とする。
(1)ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部に加え、前記のピン及び/又はジャーナルの肩部、又は肩部及びトップ部を加熱後に冷却するための第1の冷却手段を備えた高周波加熱コイルと、
クランク軸の回転により前記第1の冷却手段にて前記のピン及び/又はジャーナルの肩部、又は肩部及びトップ部が冷却できないときのための、前記高周波加熱コイルとは独立した第2の冷却手段とを備えた、
或いは、
(2)ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部を加熱後に冷却するための第3の冷却手段を備えた高周波加熱コイルと、
該高周波加熱コイルとは独立した冷却手段であって、前記ピン及び/又はジャーナルの肩部、又は肩部及びトップ部を加熱後に冷却するための第4の冷却手段とを備えた、
ことで、肩部、又は肩部及びトップ部の冷却を、円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却と同時又はこれらの冷却よりも先に行えるようにしたことを最も主要な特徴とする。
図7は、従来のクランク軸の焼入れ状態を説明する図であり、通常のクランク軸の高周波焼入れの場合、加熱後の冷却時には、ピン1やジャーナル2の円筒部1c、2c、フィレットR部1a、2a、スラスト部1b、2bの範囲に冷却剤を噴射される。
クランク軸の表面には、冷却剤が直接かかるため、冷却速度が内部よりも速くなる。従って、加熱時にオーステナイト化した部分は、その表面が内部と比べて早くからマルテンサイト変態を起こす。このとき相変態によって表面は膨張し、内部のオーステナイト領域もこれにつられて伸びるが、降伏応力が低いため、塑性伸び歪みが発生する。冷却が進み、内部もマルテンサイト化する温度となったときは、マルテンサイト変態による膨張を開始するが、内部は前記塑性歪みを発生した状態からさらに伸びるため、これにより表面がさらに引っ張られることになる。これが表面引張応力の発生機構である。
従来のように、フィレットR部、スラスト部付近と円筒部のみを冷却剤により冷却する場合は、ピン、ジャーナルの頂上部のフィレットR部側は速く冷却されることになるが、フィレットR側と反対側(ピンをピン肩部、ジャーナルでカウンタウェイトの無い部分をジャーナル肩部と称する)は遅れて冷却されるため、遅れて収縮することになる。このため、フィレットR側のスラスト部との接続部付近(図9(d)における矢印c付近)にはこの遅れた収縮により生じるモーメント(図9(d)における矢印m)の影響でさらに引張応力が発生する。
(1)実施方法
図10は、直列4気筒用クランク軸のピン1及びジャーナル2の焼入れ後における硬化層範囲B(ハッチングを入れた箇所)の例を示している。通常、クランク軸は、図7(b)に示すような半円筒型のコイル3を用いて焼入れされるが、クランク軸はジャーナル2の中心線上を軸に回転する際、コイル3は軸部外周上の半周を囲んだ状態で追随し、180°回転することで全周加熱される。加熱後の冷却は、コイル3のジャケットより冷却剤が噴霧され、加熱と同様に180°回転することで全周冷却される。加熱、冷却共に、実施条件で指定した時間だけクランク軸が回転する。
以下、本発明の実施の形態について説明する。ここでは、ピンを焼入れした場合について説明するが、ジャーナルの場合も、対象がジャーナルとなるだけで、概略同様である。
実施例に用いた焼入れ条件を以下に示す。
周波数:20kHz、出力:100〜150kW、加熱時間:5sec、冷却時間:15sec、ワーク回転数:50rpm、冷却剤:水溶性ポリマー10%、冷却剤流量密度:10000L/m2 ・min、フィレットR部の焼入れ深さ:1.0〜3.0mm、焼入れ後の硬さ:HV650〜700。
また、実施例におけるピン及び/又はジャーナル部の肩部、トップ部の冷却は、実施例3−2、7−2以外は、冷却時間全体の9割以上の時間において冷却剤が直接かかるように装置を構成した。また、実施例3−2、7−2では、冷却時間全体の7割の時間において冷却剤が直接かかるように装置を構成した。すなわち、実施例3−2、7−2では図4(b)における角度θ1とθ2の和が250°以上となるようにしている。また、実施例3−2、7−2以外ではクランク軸の冷却対象となるピンまたはジャーナルの全周を上下の冷却装置で覆うようにしており、冷却時間全体の9割以上の時間、ピンまたはジャーナルの肩部やトップ部に冷却剤が直接かかるように構成している。なお、図4(b)中の15は、クランク軸のジャーナル中心を示す。
焼入れ直後の焼割れ、および、pH1.0の塩酸浸漬1時間後、200時間放置した後の置割れ発生有無で評価した。評価位置は、図6に示すような、フィレットR部からスラスト部にかけての位置とした。
評価を下記表1及び表2に示す。下記表1はピンを焼入れした場合、表2はジャーナルを焼入れした場合の結果を示したもので、表中の割れ無は、焼割れ及び置割れ共に発生しなかったものを、割れ有は、置割れが発生したものを意味する。
スラスト部、フィレットR部、円筒部をマルテンサイト変態可能な臨界冷却速度で冷却した場合に、これら部分の温度が、冷却時にAc3温度(加熱時のフェライト/パーライト→オーステナイト変態終了温度)まで冷却された時からマルテンサイト変態開始温度へ到達するまでの時間をtmaxとする。
また、ピンの肩部、トップ部の冷却は、可能な限り常時行うのが残留応力発生の観点から望ましいが、前記実施例にあるように、冷却時間全体の7割以上の時間において冷却剤が直接かかるようにすればよいことを確認している。
また、ジャーナルの肩部、トップ部の冷却は、可能な限り常時行うのが残留応力発生の観点から望ましいが、前記実施例にあるように、冷却時間全体の7割以上の時間において冷却剤が直接かかるようにすればよいことを確認している。
また、本発明は、ピンの円筒部、フィレットR部やスラスト部だけでなく、ピンの肩部やトップ部をも可能な限り常時冷却することによって、フィレットR部、スラスト部の表面だけでなく、ピンの肩部側からもマルテンサイトに変態し、内部のみ変態が遅れるため、フィレットR部の終端部の引張応力が大幅に低下する。これは、カウンタウェイトのない場合のジャーナル部に関しても同様である。
1a フィレットR部
1b スラスト部
1c 円筒部
1d トップ部
1e 肩部
2 ジャーナル
2a フィレットR部
2b スラスト部
2c 円筒部
2d フィレットR部
3 コイル
4 カウンタウェイト
5 アーム部
11 第1の冷却手段
11a、11b 冷却装置
12 第2の冷却手段
13 第3の冷却手段
14 第4の冷却手段
Claims (7)
- クランク軸の表面を焼入れする方法であって、
ピン及び/又はジャーナルの加熱後の冷却を行う際、
前記ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却に加え、前記ピン及び/又はジャーナルの肩部も同時に冷却することを特徴とするクランク軸の焼入れ方法。 - 請求項1に記載のクランク軸の焼入れ方法において、
前記ピン及び/又はジャーナルのトップ部も同時に冷却することを特徴とするクランク軸の焼入れ方法。 - クランク軸の表面を焼入れする方法であって、
ピン及び/又はジャーナルの加熱後の冷却を行う際、
前記ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却に加えて行う、前記ピン及び/又はジャーナルの肩部の冷却を、前記円筒部、フィレットR部及びスラスト部よりも先に行うことを特徴とするクランク軸の焼入れ方法。 - 請求項3に記載のクランク軸の焼入れ方法において、
前記ピン及び/又はジャーナルの肩部と共に行うトップ部の冷却も、前記円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却よりも先に行うことを特徴とするクランク軸の焼入れ方法。 - クランク軸の表面を焼入れするための装置であって、
ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部に加え、前記ピン及び/又はジャーナルの肩部、又は肩部及びトップ部を加熱後に冷却するための第1の冷却手段を備えた高周波加熱コイルと、
クランク軸の回転により前記第1の冷却手段にて前記ピン及び/又はジャーナルの肩部、又は肩部及びトップ部が冷却できないときのための、前記高周波加熱コイルとは独立した第2の冷却手段とを備え、
前記肩部、又は肩部及びトップ部の冷却を、前記円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却と同時又はこれらの冷却よりも先に行えるようにしたことを特徴とするクランク軸の焼入れ装置。 - クランク軸の表面を焼入れするための装置であって、
ピン及び/又はジャーナルの円筒部、フィレットR部及びスラスト部を加熱後に冷却するための第3の冷却手段を備えた高周波加熱コイルと、
該高周波加熱コイルとは独立した冷却手段であって、前記ピン及び/又はジャーナルの肩部、又は肩部及びトップ部を加熱後に冷却するための第4の冷却手段とを備え、
前記肩部、又は肩部及びトップ部の冷却を、前記円筒部、フィレットR部及びスラスト部の冷却と同時又はこれらの冷却よりも先に行えるようにしたことを特徴とするクランク軸の焼入れ装置。 - 請求項1〜4の何れかに記載の焼入れ方法により、クランク軸の表面を焼入れ硬化することを特徴とするクランク軸の製造方法。
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