JP4464315B2 - コンロッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、座屈強度の低下を抑制できるコンロッドの製造方法に関する。

自動車等に用いられるエンジンの部品の一つであるコンロッドは、熱間鍛造によって製造される場合が多い。一般的な製造方法としては、熱間鍛造工程、バリ抜き工程、冷間コイニング工程を行う方法がある（例えば、特許文献１）。
ところで、上記コンロッドは、周知のように大端部と小端部とこれらを繋ぐコラム部とを有するものであり、上記コラム部は、両側に配されたリブと、これらを繋ぐ幹部とよりなる断面略Ｈ型とすることが通常である。そして、コンロッドは、シリンダー内の爆発力をコンロッドの小端部側に固定されたピストンで受けた際の圧縮力に耐える必要があるため、コラム部の座屈強度を高めることが軽量化を可能にするために不可欠となる。そのため、座屈強度を向上するための研究が盛んに進められている。

また、座屈強度を高める研究が盛んに行われている一方で、製造上座屈強度が低下する要因となる問題も残っている。すなわち、実際の製造では、コラム部の断面形状が完全に対称となるコンロッドを製造することが難しいという問題である。
コラム部の断面形状が表裏対称でない場合、たとえばＨ型の両側のリブが平行でなく斜めに傾いている場合には、Ｈ断面の上部と下部で圧縮力に対する抵抗力に差異が生じてしまうため、どうしてもコラム部に曲げ歪みが生じてしまうことになる。したがって、この曲げ歪みが一定量を超えて大きくなると当然座屈現象が生じることとなり、完全対称の場合に比較して、曲げ歪みが大きく生じる分だけ座屈強度がより大きく低下してしまうことになるのである。上記の一般的な製造方法において製造したコンロッドは、コラム部に上記のような変形が生じる場合が多く、その分全体の剛性向上のために肉厚化するなどの対応策が必要となり、軽量化の妨げの１つともなっている。

特開２００３−１４７４３４号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、コラム部の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッドを得ることができる製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、素材に熱間鍛造を施して、大端部と小端部とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部とを有すると共に外周部にバリを備えたコンロッドを成形する熱間鍛造工程と、上記コンロッドの外周部に生じた上記バリを除去するバリ抜き工程と、上記大端部、上記小端部および上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含むコンロッドの製造方法において、
上記熱間鍛造工程においては、上記コンロッドの厚み方向中央からオフセットした位置に上記バリを生じさせるように熱間鍛造を行い、
上記バリ抜き工程においては、抜き穴を有すると共にその周囲にバリ切断刃を備えた抜き型を用い、上記コンロッドの上記バリからの厚みが厚い側を上記抜き穴に挿入すると共に、上記バリ切断刃に上記バリを当接させ、加圧型によって上記コンロッドを押圧して上記バリを上記バリ切断刃に押しつけることにより、上記オフセットした方向に向けて上記バリの切除を行うことを特徴とするコンロッドの製造方法にある（請求項１）。

本発明において注目すべきことは、上記熱間鍛造工程において、コンロッドの外周部に生じるバリを積極的に厚み方向中央からオフセットさせることである。これにより、最終的に、コラム部の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッドを得ることができる。

すなわち、上記熱間鍛造工程においてコンロッドの厚み方向中央位置に上記バリを設ける従来の方法では、上記バリ抜き工程を実施した際に、バリ切断時の剪断応力によってコラム部に応力が付与され、両側のリブが「ハ」字状に開くように変形する。そして、この変形が生じた場合には、この変形が大きいほど、その後の冷間コイニング工程における圧縮力が上記変形を増長させる方向に働き、より大きな変形を引き起こしてしまう。

これに対し、本発明では、上記のごとく、熱間鍛造工程においてコンロッドの外周部に生じるバリを積極的に厚み方向中央からオフセットさせる。そして、その後のバリ抜き工程では、上記コンロッドの上記バリからの厚みが厚い側を上記抜き穴に挿入すると共に、上記バリ切断刃に上記バリを当接させる。そして、この状態で加圧型によって上記コンロッドを押圧してバリ切断を行う。

これにより、バリが切断される際に生じる力は、上記コラム部の厚み方向中央からオフセットした位置において生じるので、「ハ」字状に開く方向に働く力を従来より抑制することができる。そして、このバリ抜き工程での変形抑制効果により、その後の冷間コイニング工程での変形も抑制することができる。
それ故、本発明の製造方法を用いれば、コラム部の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッドを得ることができる。

本発明においては、上記バリのオフセット量はコンロッドの形状、寸法等において適正範囲が異なると考えられるが、その判断基準の一例としては、次のものがある。すなわち、上記バリの厚み方向中央位置の上記コンロッドの厚み方向中央位置からのオフセット量Ａは、上記コラム部の幅方向中央部（幹部）の厚みＢと、上記リブの高さＤと、上記バリの厚みＣとの関係において、
Ｃ＜Ｂ／４の場合には、０＜Ａ≦Ｄ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を満たし、
Ｃ≧Ｂ／４の場合には、Ｂ／４≦Ａ≦Ｄ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を満たすことが好ましい（請求項２）。

まず、Ｃ＜Ｂ／４の場合には、バリの厚みが小さいのでその切断時におけるリブの変形への影響が比較的小さい。そのため、オフセット量Ａの下限値は０より大きければ特に問題を生じない。一方、オフセット量ＡがＤ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を超える場合には、上記リブをオフセットした側のリブ、つまり上記抜き型の抜き穴に挿通する側と反対側に位置するリブが内側に寄るように変形するおそれがある。

また、Ｃ≧Ｂ／４の場合には、バリ切断時におけるリブ変形への影響が非常に大きい。そのため、オフセット量Ａは、Ｂ／４以上設ける。オフセット量ＡがＢ／４未満の場合には、上記抜き型にの抜き穴に挿通された側のリブが「ハ」字状に開くように変形することを抑制することが困難となる。また、オフセット量ＡがＤ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を超える場合には、オフセットした側のリブ、つまり上記抜き型の抜き穴に挿通した側と反対側に位置するリブが内側に寄るように変形するおそれがある。

（実施例１）
本発明の実施例に係るコンロッドの製造方法につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例では、図１に示すごとく、大端部１１と小端部１２とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部１３とを有するコンロッド１を製造する。コラム部１３は、同図に示すごとく、両側に配されたリブ１３１と、これらを繋ぐ幹部１３０とより構成される断面略Ｈ型である。
本例の製造方法は、図２に示すごとく、熱間鍛造工程Ｓ１、バリ抜き工程Ｓ２、ショットブラスト工程Ｓ３、及び冷間コイニング工程Ｓ４を含むものである。なお、ショットブラスト工程Ｓ３は、省略することも可能である。また、同図に示すごとく、冷間コイニング工程Ｓ４の後には、必要に応じて、ショットピーニング工程Ｓ５と機械加工工程Ｓ６を追加する場合もある。

まず、図３に示すごとく、上記熱間鍛造工程Ｓ１は、素材に熱間鍛造を施して、大端部１１と小端部１２とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部１３とを有すると共に外周部にバリ２を備えたコンロッド１を成形する工程である。
ここで、本例では、同図（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、上記熱間鍛造工程Ｓ１においては、コンロッド１の厚み方向中央ａからオフセットした位置にバリ２を生じさせるように熱間鍛造を行う。

次に、図４に示すごとく、コンロッド１の外周部に生じたバリ２を除去するバリ抜き工程Ｓ２を行う。本例では、図４（ａ）に示すごとく、抜き穴５０を有すると共にその周囲にバリ切断刃５１を備えた抜き型５を用いる。そして、コンロッド１のバリ２からの厚みが厚い側（下半部１０１）を抜き穴５０に挿入すると共にバリ切断刃５１にバリ２を当接させる。次いで、加圧型４によってコンロッド１を押圧してバリ２をバリ切断刃５１に押しつけることにより、バリ２の切除を行う。なお、加圧型４は、バリ２を押さえるバリ押さえ部４１をスプリング４２を介して有している。

このバリ抜き工程Ｓ２を行った後、本例では酸化スケールを除去するためのショットブラスト工程Ｓ３を行い、その後、冷間コイニング工程Ｓ４を実施する。
冷間コイニング工程Ｓ４では、図５、図６に示すごとく、上下一対のコイニング型７１または７２によって、コンロッド１のコラム部１３を挟持して圧縮荷重を加える。コイニング型としては、図５に示すごとく、コラム部１３に関してはその長手方向中央部のみに圧縮荷重を加えるコイニング型７１と、図６に示すごとく、コラム部１３の長手方向全長に圧縮荷重を加えるコイニング型７２とがある。

このような製造方法を採用することにより、本例で得られるコンロッド１は、従来よりもコラム部１３の変形が少なく、座屈強度も従来よりも向上したものとなる。
すなわち、本例では、熱間鍛造工程Ｓ１において形成するバリ２を、上記のごとく積極的にコンロッド１の厚み方向中央ａからオフセットした位置に形成する。このオフセットの効果によって、上記バリ抜き工程Ｓ２では、コラム部１３における両側のリブ１３１が「ハ」字状に開かれるように変形することを抑制することができる。
そして、バリ抜き工程Ｓ２での変形の抑制によって、その後の冷間コイニング工程Ｓ４における圧縮力による変形の増長も抑制することができる。
それ故、本例の製造方法では、コラム部１３の断面形状の対称性に優れ、座屈強度の高いコンロッド１を得ることができるのである。

（実施例２）
本例では、実施例１の作用効果を明確にするために、複数種類の条件（試験Ｎｏ．１〜１８）によってコンロッドを作製し、その変形状態および座屈強度を評価した。
本例では、素材として、Ｓ５５Ｃ（０．５５％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−０．７５％Ｍｎ）鋼を用い、基本的に上述した実施例１と同様の製造工程を実施した（図２）。

熱間鍛造工程Ｓ１は、上記素材を１２５０℃に加熱し、熱間鍛造を施して大端部１１、小端部１２、及びコラム部１３を形成した。このとき、コンロッド１の外周部に形成されるバリ２の位置、寸法等は、後述する表１に示すごとく設定した。具体的には、試験Ｎｏ．１〜３と７〜１２は、バリ２の厚みＣが１ｍｍであり、それ以外の試験はバリ２の厚みＣが４ｍｍの例である。そして、試験Ｎｏ．１〜６が、バリ２のオフセット量Ａ（図３（Ｃ）参照）が適切な例であり、試験Ｎｏ．７〜１８がオフセット量Ａが０あるいは不適切な例である。

バリ抜き工程Ｓ２は、すべて同じ条件で行った。用いた型構造は実施例１（図４）に示すとおりである。なお、オフセット量Ａを０にした場合の従来のバリ抜き工程Ｓ２については、図７に示す。基本的に使用する型類は本発明の例（図４）と同じである。

バリ抜き工程Ｓ２の後にはショットブラスト工程Ｓ３を実施し、その後に冷間コイニング工程Ｓ４を実施した。この冷間コイニング工程Ｓ４では、３種類の条件を採用した。第１の条件は、コイニング型７１（図５）を用いて、加工率を５％とする条件である（試験Ｎｏ．１、４、７、１０、１３、１６）。この条件は、通常のコイニング方法であるので、後述する表１では加工種類を「通常」と示した。第２の条件は、コイニング型７２（図６）を用いて、加工率を１５％とする条件である（試験Ｎｏ．２、５、８、１１、１４、１７）。第３の条件は、コイニング型７２（図６）を用いて、加工率を２５％とする条件である（試験Ｎｏ．３、６、９、１２、１５、１８）。この第２の条件及び第３の条件は、コイニング加工によってコラム部の強度を高めることができるため、後述する表１では、加工種類を「コラム強化」と示した。なお、加工率は、リブ高さ減少率、すなわち、（１−コイニング後リブ高さ／コイニング前リブ高さ）×１００（％）によって定めることができる。

得られた１８種類のコンロッドについて、まず、その変形状態を評価した。変形状態は、図８に示すごとく、リブ１３１が「ハ」字状となった状態を、両側のリブ１３１の傾きを示す中心線１３９のなす角度αによって評価することとした。なお、リブ１３１の変形は、上記幹部１３０を境にして上半部１０２と下半部１０１において異なる場合が生じうるが、この場合には、大きく変形した側のリブ１３１の変形を基準に上記傾きの中心線１３９を作った。また、この評価は、冷間コイニング工程Ｓ４の前後においてそれぞれ行った。
また、得られた１８種類のコンロッドについて、座屈試験（圧縮試験）を行い、０．２％耐力を測定した。
これらの結果を表１に示す。

得られた結果は、バリ２の厚みごとに、かつ、冷間コイニングの条件ごとに評価することができる。すなわち、表１より知られるごとく、バリ２の厚みが１ｍｍであって冷間加工率５％の場合（試験Ｎｏ．１、７、１０）においては、バリ２のオフセット量Ａを１ｍｍに設定したもの（試験Ｎｏ．１）が、コイニング前も後も変形量（ハの字角度）が一番小さく、０．２％耐力が一番高かった。これに対し、試験Ｎｏ．７、１０の場合は、変形量（ハの字角度）が試験Ｎｏ．１よりも大きく、０．２％耐力も低かった。
また、この傾向は、バリ２の厚みが１ｍｍであって冷間加工率１５％の場合（試験Ｎｏ．２、８、１１）の場合、及びバリ２の厚みが１ｍｍであって冷間加工率２５％の場合（試験Ｎｏ．３、９、１２）の場合も同様であった。

次に、バリ２の厚みが４ｍｍであって冷間加工率５％の場合（試験Ｎｏ．４、１３、１６）においては、バリ２のオフセット量Ａを１．５ｍｍに設定したもの（試験Ｎｏ．４）が、コイニング前も後も変形量（ハの字角度）が一番小さく、０．２％耐力が一番高かった。これに対し、試験Ｎｏ．１３、１６の場合は、変形量（ハの字角度）が試験Ｎｏ．４よりも大きく、０．２％耐力も低かった。
また、この傾向は、バリ２の厚みが４ｍｍであって冷間加工率１５％の場合（試験Ｎｏ．５、１４、１７）の場合、及びバリ２の厚みが４ｍｍであって冷間加工率２５％の場合（試験Ｎｏ．６、１５、１８）の場合も同様であった。

以上の結果から、バリ２のオフセット量Ａを０に設定した従来の製造方法（試験Ｎｏ．７〜９及び１６〜１８）に比べて、適度なオフセット量Ａを設定した本発明の製造方法（試験Ｎｏ．１〜６）は、従来よりも変形量を抑制することができ、座屈強度を向上させることができることがわかる。
また、試験Ｎｏ．１〜６と試験Ｎｏ．１０〜１５から、オフセット量Ａには適正な範囲があることがわかる。その適正な範囲は、コンロッドの形状、寸法等によって異なると考えられるが、本発明者が本実施例のデータ等、数多くのデータを基にして検討した結果、コラム部の幅方向中央部の厚みＢと、リブの高さＤと、バリの厚みＣとの関係において、少なくとも、Ｃ＜Ｂ／４の場合には、０＜Ａ≦Ｄ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を満たし、Ｃ≧Ｂ／４の場合には、Ｂ／４≦Ａ≦Ｄ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を満たすことが好ましいことが確認できた。

実施例１における、最終製品としてのコンロッドの形状を示す（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ａ−Ａ線矢視断面拡大図。 実施例１における、製造工程を示す説明図。 実施例１における、熱間鍛造工程直後のコンロッドの形状を示す（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線矢視断面拡大図。 実施例１における、バリ抜き工程の（ａ）コンロッドを抜き型にセットした状態を示す説明図、（ｂ）バリを切除した直後の状態を示す説明図。 実施例１における、冷間コイニング工程の（ａ）コンロッドを軽加工用のコイニング型にセットした状態の説明図、（ｂ）コイニング型によってコンロッドのコラム部を挟持した状態の説明図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線矢視断面拡大図。 実施例１における、冷間コイニング工程の（ａ）コンロッドを重加工用のコイニング型にセットした状態の説明図、（ｂ）コイニング型によってコンロッドのコラム部を挟持した状態の説明図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線矢視断面拡大図。 実施例２における従来例としてのオフセット量Ａが０の場合のバリ抜き工程を示す、（ａ）コンロッドを抜き型にセットした状態を示す説明図、（ｂ）バリを切除した直後の状態を示す説明図。 実施例２における、変形状態の評価方法を示す説明図。

符号の説明

１ コンロッド
１１ 大端部
１２ 小端部
１３ コラム部
１３１ リブ
２ バリ
４ 加圧型
５ 抜き型
５０ 抜き穴
５１ バリ切断刃
６ 拘束型
６１ 収容凹部

Claims (2)

1. 素材に熱間鍛造を施して、大端部と小端部とこれらを繋ぐ断面略Ｈ型のコラム部とを有すると共に外周部にバリを備えたコンロッドを成形する熱間鍛造工程と、上記コンロッドの外周部に生じた上記バリを除去するバリ抜き工程と、上記大端部、上記小端部および上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含むコンロッドの製造方法において、
   上記熱間鍛造工程においては、上記コンロッドの厚み方向中央からオフセットした位置に上記バリを生じさせるように熱間鍛造を行い、
   上記バリ抜き工程においては、抜き穴を有すると共にその周囲にバリ切断刃を備えた抜き型を用い、上記コンロッドの上記バリからの厚みが厚い側を上記抜き穴に挿入すると共に、上記バリ切断刃に上記バリを当接させ、加圧型によって上記コンロッドを押圧して上記バリを上記バリ切断刃に押しつけることにより、上記オフセットした方向に向けて上記バリの切除を行うことを特徴とするコンロッドの製造方法。
2. 請求項１において、上記バリの厚み方向中央位置の上記コンロッドの厚み方向中央位置からのオフセット量Ａは、上記コラム部の幅方向中央部の厚みＢと、上記リブの高さＤと、上記バリの厚みＣとの関係において、
   Ｃ＜Ｂ／４の場合には、０＜Ａ≦Ｄ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を満たし、
   Ｃ≧Ｂ／４の場合には、Ｂ／４≦Ａ≦Ｄ／４＋Ｂ／２−Ｃ／２を満たすことを特徴とするコンロッドの製造方法。

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