JP4526864B2 - 自動車部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は自動車部品の製造方法、特に内燃機関に用いる自動車部品の製造方法に関するものである。

自動車部品にはコネクティングロット、クランクシャフト等があるがここではコネクティングロットを例に説明する。自動車の内燃機関においては、ピストンとクランクシャフトとがコネクティングロットにより連結されており、ピストンの往復運動はコネクティングロットを介してクランクシャフトに伝達され回転運動に変換される。

車両等の内燃機関では多くは４気筒以上から構成されており、ピストンに連結している複数のコネクティングロットは高速で往復運動をしている。そのためコネクティングロットの重量のばらつきは車両の振動、騒音の原因になると同時に、動力効率の低下、内燃機関の寿命を低下させる原因などとなるため、コネクティングロットの重量調整は非常に重要な課題である。

図１１に従来のコネクティングロットの製造工程を示す。また図４にコネクティングロットの概略構造図を示す。コネクティングロット２０の基材は炭素鋼あるいは合金鋼から作られている。この基材を切断し、その後、高温加熱し、金型を用いた鍛造法により、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材が製造されている。

鍛造過程におけるバリの発生、金型の経時的な磨耗等により、鍛造後のコネクティングロット２０に重量のばらつきが発生する。この重量のばらつきは１例を示すと、コネクティングロット２０の本体部２１の重量が７２０ｇの場合で、本体重量の数％が重量のばらつきになる。

その後、鍛造で作られたコネクティングロット２０の粗材は機械加工される。機械加工されたコネクティングロット２０は本体部２１およびキャップ部２２に分けられ、それぞれの重量が計測され、重量別に層別してグループに分けられロットに分類し保管管理される。

各ロット内のコネクティングロット２０が一定数量集まった時点で、重量を調整することになる。図１１に示したが、重量調整の方法には大きく分けて、ボスの切削加工を行うケース１と、重量の異なるナットとワッシャを取り付けるケース２の方法が実施されている。

ケース１では、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の端部の外周に重量調整用のボスを鍛造時に設置し、この重量調整用のボスを切削加工することにより、具体的には目標重量に合わせロットごとに切削量を決め切削し、コネクティングロット２０の重量を調整している。

一方、ケース２では、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２はナット２５およびワッシャ２６で固定されるが、これらのナット２５およびワッシャ２６も重量の異なるものを製作し、重量別に層別してグループに分けて、ロットに分類し保管する。これらの重量の異なるナット２５およびワッシャ２６を用いて、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２を組み合わせ、重量調整を行っている。

重量調整されたコネクティングロット２０は、製品として内燃機関に適用される。同一内燃機関には、複数のコネクティングロットが用いられているが、同一ロットのコネクティングロット２０は、重量のばらつきが少ないため、これらを用いて同一内燃機関に取り付けることになる。ケース１のボスを切削加工する方法は、特に精度の高い重量調整が必要な、Ｖ型エンジンなどのコネクティングロット２０に適用されている。
特開２０００−１４５７５０号公報

ボスの切削加工し重量を調整する方法は、コネクティングロットの本体部およびキャップ部の端部外周に設置された重量調整用のボスを切削加工することにより、コネクティングロットの重量を調整している。そのため、ボスの切削加工による重量調整等の作業が発生すると同時に、加工後のコネクティングロットの本体部およびキャップ部の重量計測が必要であり、問題がある場合は再加工が要求される。

コネクティングロットの本体部およびキャップ部に設置されたボスは、コネクティングロット自身の機能には無関係であり、ボスの設置による重量の増加は自動車の動力効率の低下を招くことになる。

一方、重量の異なるナットとワッシャを用いる方法は、コネクティングロットの本体部とキャップ部を固定するナットおよびワッシャは重量を調整するため、異なる重量のものを予め製造し、重量別のロットに分け保管し、コネクティングロットの重量に対応して選択し、取り付ける必要がある。そのため、ナットおよびワッシャの重量計測作業、および保管場所の確保が必要になる。

従来の重量調整法では、重量調整を考慮したボスの切削加工、あるいは、重量が異なるナットおよびワッシャの製作、保管管理、重量を合わせるための選別作業など異なる専門作業が発生し、それぞれの工程で熟練した技術者が必要になる。これらの作業では、粗材の移動、作業の工程管理に時間を要するため 作業効率が低下する問題などがある。

また、基材を加熱した後、鍛造でコネクティングロットが製造されるため、表面に脱炭層が形成され、強度が低下する問題もある。

自動車部品における鍛造等で製造された後の複数の粗材を、粗材重量により層別して分類し、層別されたグループごとに、それぞれの前記自動車部品の重量から、目標の前記自動車部品の重量までエッチング条件を選定し、前記自動車部品の表面をエッチングして、その重量を軽減し目標範囲まで調整して、以降の製造では、前記自動車部品の重量別層別を廃止して、前記自動車部品の組立を行うことを特徴とする。

自動車部品における鍛造等で製造された後の粗材をサイジングし、複数の粗材重量により層別して分類し、層別されたグループごとに、それぞれの前記自動車部品の重量から、目標の前記自動車部品の重量までエッチング条件を選定し、前記自動車部品の表面をエッチングして、その重量を軽減し目標範囲まで調整して、以降の製造では、前記自動車部品の重量別層別を廃止して、前記自動車部品の組立を行うことを特徴とする。前記サイジングにおいて、前記粗材のサイジングを冷間加工により行うことを特徴とする。

個々の前記自動車部品における重量の層別の範囲は、少なくとも前記自動車部品の重量の目標範囲より小さい範囲で設定することを特徴とする。前記自動車部品を鍛造等で製造する際の、重量のばらつきによる下限値は、少なくとも完成時の前記自動車部品における重量の目標範囲の下限値より大きく設定することを特徴とする。

前記エッチングは、ハンガー式搬送方式のエッチング装置で行い、搬送速度で前記自動車部品のエッチング量を決め、前記自動車部品の目標範囲に収めることを特徴とする。

前記エッチングにおいて、エッチング液は塩化第２鉄を用いることを特徴とする。前記エッチングにおいて、エッチングを必要としない部分にはマスキング部材で被覆して、エッチング液から保護しエッチングを行わないことを特徴とする。

コネクティングロットの本体部およびキャップ部の粗材は、重量にばらつきがあるが、粗材をエッチングにより減量し重量調整することで、その後の重量調整工程を大幅に削減できる。

具体的には、重量調整のために行っていたコネクティングロットの本体部およびキャップ部の、ボスの切削加工による重量調整作業をおこなっていたがこれらの作業が不要になる。あるいは、重量が異なるナットおよびワッシャを組み込むことによる重量調整、すなわち重量が異なるナットおよびワッシャの製作、保管作業、重量別の選別による取り付け、保管場所の確保などが不要になる。

そのため、ボスの切削加工、あるいは重量の異なるナットとワッシャの製造に必要な、作業場の確保、ボスの切削加工後の重量測定、再加工の判定、あるいは、重量調整のための重量の異なるナットとワッシャの選定など複雑な工程管理が必要となるが、エッチング法による重量調整ではこれらの工程管理も大幅に削減することができる。

また、それぞれの作業工程で必要であった熟練した専門の技術者も不要となる、すなわち、エッチング法による重量調整では、直接人手を介さず自動的に処理できるため、特別な熟練技術者を必要としない特徴がある。

ボスの切削加工、あるいは重量の異なるナットとワッシャの取り付けによる重量調整はコネクティングロットの特定な部分の重量調整により、全体の重量を調整する方法であるため、コネクティングロット自身の重心の位置など重量バランスはそれぞれ異なる。内燃機関にコネクティングロットを取り付けた場合、この重量バランスの微妙な差も振動、騒音、動力効率の低下の要因になる。

これに対し、エッチング法はコネクティングロットの全面をエッチングして、重量を調整する方法であるため、これらの問題も無く、効果的な重量調整方法である。
さらに、加熱後、鍛造で作られたコネクティングロットの表面は、炭素含有量が低い層が形成されており、この脱炭層は疲労強度に弱い性質がある。コネクティングロットの表面をエッチングすることにより、重量調整すると同時に、表面の脱炭層を除去することができる重要な特徴がある。

ここでは自動車部品であるコネクティングロットを例に取り、本発明を具体的に説明する。

まず図４を参照して本発明を適用するコネクティングロットを説明する。コネクティングロット２０の基材は炭素鋼あるいは合金鋼から作られている。この基材を切断し、その後、高温加熱し、金型を用いた鍛造法により、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材が製造されている。コネクティングロット２０には大端部２３、小端部２４を有し、大端部２３がクランクに接続され、小端部２４がピストンに接続されて、エンジンの往復運動を回転運動に変換している。ナット２５およびワッシャ２６は本体部２１およびキャップ部２２を一体化するものである。

図１を参照して本発明に基づくコネクティングロットの製造工程を説明する。

本発明ではコネクティングロット２０の材料となる基材１を切断した後、高温加熱した基材１を鍛造することによりコネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１を製造する。製造されたコネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１はそれぞれ、重量が測定され、重量別に層別してグループに分けたロットに分類される。

重量別に層別してグループに分けられたロットは、その後、ハンガー式搬送方式によりエッチングを行い、各ロットの重量に見合ってエッチング量を制御することにより、目標重量の範囲に調整される。重量調整後のコネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２は重量を計測し、機械加工される。機械加工されたコネクティングロット２０は製品として用いられる。そのため従来の重量調整法であるボスの設置、切削加工、あるいは重量の異なるナット２５およびワッシャ２６の製造、重量調整のための選別、取り付け工程が省略される。

図１では、コネクティングロット２０を重量別に層別して、グループに分けたロットを対象にし、エッチング法による重量調整について説明したが、さらに、厳密な重量調整が要求される高級エンジンに対しては、個々のコネクティングロット２０に対し、それぞれエッチング時間を調整したエッチング法を採用する方法が有効である。また、コネクティングロット２０の厚みに厳密な精度が要求される場合、予め、サイジングを行う方法が有効である。

図２では事前にサイジング工程を加えた場合の、コネクティングロットの製造工程である。コネクティングロット２０を鍛造成形後にサイジングを行い、コネクティングロット２０の厚みを一定精度内に入れる。その後図１と同様にエッチングを行うことにより、精度の高い厚みを持つコネクティングロット２０を作ることができる。

図３に本発明に基づいたコネクティングロットのエッチングによる重量調整装置の１例を示す。エッチングはハンガー式搬送方式のエッチング装置で行っており、エッチング部と洗浄部からなっている。エッチング部はエッチング槽３、洗浄部は水洗浄槽４、水洗槽５、湯槽６から構成されている。

コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１は、予め重量を計測することで目標重量との差を求める。次に、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１を、重量別に層別してグループに分けたロットをハンガー式のホルダー２に取り付ける。このホルダー２はエッチング部と洗浄部を巡回し移動するコンベア９に懸垂されている。

コンベア９でホルダー２をエッチング槽３の上部に搬送させ、エッチング槽３内へ下ろす。エッチング槽３の内部は、複数のシャワーノズル８ａが取り付けられており、このシャワーノズル８ａからは、エッチング液である塩化第２鉄を３５％から４５％含む水溶液がシャワー状に散布されている。

このエッチング液により、ホルダー２内のコネクティングロット２０の本体部２１、およびキャップ部２２の粗材１表面のほぼ全体を、均一にエッチングして重量を低減する。
その後、ホルダー２はエッチング槽３より吊り上げられ、コンベア９により水洗浄槽４に搬送される。水洗浄槽４の内部はエッチング槽３と同様に複数個のシャワーノズル８ｂが取り付けられ、このシャワーノズル８ｂからは水が散布されており、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１に付着している、塩化第２鉄を洗い落とすことになる。

水洗されたコネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１は、さらに水洗槽５に搬送され、水に浸漬するか、水に浸漬すると共に超音波をかけることで、粗材１に付着している微量の塩化第２鉄が除去される。

その後、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１は、湯槽６に送られ、微量の塩化第２鉄を除去すると共に、粗材１の温度を高める。粗材１の温度をあげることで、その後の乾燥時間を短くすることができ、腐食が防止される。

表面洗浄を厳しく要求される条件では、最終工程で鉄球等によるショットブラストを実施し、さびを除去すると同時に、細部に浸透した塩化鉄を除去する方法が効果的である。
エッチング部のエッチング槽３は、シャワー方式または浸漬方式、洗浄部は水シャワー方式、水浸漬方式、望ましくは超音波洗浄およびショットブラストの組み合わせにより構成することができる。

図５は本発明の鍛造後におけるコネクティングロットの本体部の重量とその分布割合の１例である。コネクティングロットを重量別に層別したロットに分け横軸に示した。例えば横軸が７２０ｇのロットは、重量が７２０ｇ±０．５ｇ範囲内のコネクティングロット２０からなるロットであり、棒グラフの高さは、製造された全コネクティングロット２０の４％であることを示している。

図５より鍛造後のコネクティングロット２０の重量には、ばらつきがあることが分かる。この重量差は自動車の振動、騒音の発生、動力効率の低下などの原因になるため、製品として用いるためには、コネクティングロット２０の本体部２１の重量を低減する必要がある。重量調整のため、本発明ではエッチング法を採用している。

図６はコネクティングロットの本体部をエッチングした場合の、エッチング時間とエッチングによる重量の減少量との関係である。この図から分かるようにエッチング時間に比例して、エッチングによる重量の減少量が決まっている。一方、ロットの搬送は移動停止を繰り返しており、エッチング槽３に送られたロットは搬送を停止させ、一定時間エッチング液と接触させエッチングを行う方法を取っている。そのため、この接触時間によりエッチング量が決まり、エッチング時間はロットの搬送速度で調整することになる。

水溶液中の塩化第２鉄は、コネクティングロット２０の本体部２１およびキャップ部２２の粗材１の材料である鉄の一部と反応させ、塩化第１鉄の水溶液に変えることで、重量を低減する。なお、塩化第１鉄はその後加水分解し、水酸化鉄と塩化第２鉄になる。反応した鉄は水酸化鉄として取り出され、塩化第２鉄を含む水溶液は、再びエッチング液として利用される。

図７はコネクティングロットの重量別に層別した、ロットのエッチングよる重量調整における重量変化の概念の１例である。図７ではロットの数が６個の場合を示している。重量の重いロットはエッチング時間を長く取り、重量減少量を多くし、目標重量範囲に調整することになる。

そのため、個々のロットにおけるコネクティングロット２０の重量は目標重量より重い重量であり、ロット内のコネクティングロット２０における、重量の層別の範囲は、少なくとも重量の目標範囲より小さい範囲で設定することになる。

また、自動車部品を鍛造等で製造する際の、重量のばらつきによる下限値は、少なくとも完成時の自動車部品における重量の目標範囲の下限値より大きく設定することになる。

これまでは、設置されたボスの切削加工、あるいは重量の異なるナット２５およびワッシャ２６の取り付けで、重量調整を行っているが、エッチング法はこれらの方法に比べ、機能に無関係なボスの設置、あるいは重量の異なるナット２５およびワッシャ２６の取り付けが不要になるため、効果的な重量調整法といえる。

また、これらの方法はコネクティングロット２０の特定な場所での重量調整を行う方法であるが、エッチング法はコネクティングロット２０の表面全体をエッチングし、重量を低減する方法であるため、コネクティングロット２０自身における、重心位置等の重量バランスもほぼ同一にすることができる。

なお、実際に内燃機関に適用した場合、コネクティングロット２０の大端部２３、小端部２４の首部等に応力が集中する部分が存在するが、この部分の強度を維持するため、あるいは他の理由により減肉を避ける必要がある部分についてはテーピング、塗装等によりマスキングすることにより、エッチング液との接触を避け、減肉を防止することも可能である。

図８はコネクティングロットの本体部をエッチングした場合のエッチング後における重量分布の１例である。なお、エッチング前の重量分布については図５に示す。図８は図５と同様に、例えば横軸が７２０ｇのロットは、重量が７２０ｇ±０．５ｇ範囲内のコネクティングロットからなるロットであり、棒グラフの高さは、全体のコネクティングロットの２２％であることを示している。

エッチング前におけるコネクティングロット２０の本体部２１の重量差は、最大１４ｇであるが、処理時間を変えてエッチングを行うことにより、重量の誤差範囲は２ｇから３ｇまで低減している。この結果より、エッチング処理によりコネクティングロット２０の本体部２１の重量を、ほぼ均一にできることが分かる。

個々のロットにおけるコネクティングロット２０の重量は、目標重量より重い重量であり、ロット内のコネクティングロット２０における重量の層別の範囲は、少なくとも重量の目標範囲より小さい範囲に設定することで、目標重量を達成している。

また、自動車部品を鍛造等で製造する際の、重量のばらつきによる下限値は、エッチングにより重量を減少するため、少なくとも完成時の自動車部品における重量の目標範囲の下限値より大きくなっている。

図９はコネクティングロットのエッチング処理前後における、大端部厚さとコネクティングロットの分布割合の１例である。例えば、横軸の大端部の厚さが２８．８ｍｍものは２７．８ｍｍ±０．０２５ｍｍの範囲のものを示しており、この範囲のコネクティングロットの分布割合は、エッチング後で１７％である。エッチングをすることにより、コネクティングロットの大端部の寸法差は０．７０ｍｍ〜０．７５ｍｍであるのに対し、０．４５ｍｍ〜０．５０ｍｍまで減少している。

図９に同時に事前にサイジングを行った後、エッチングをした結果を示したが、コネクティングロットの大端部の寸法差は、さらに減少し０．２０ｍｍ〜０．２５ｍｍ以下に低減することができる。

すなわちエッチングにより、局部的な減肉は見られず、コネクティングロット２０の表面が均一に減肉されており、信頼性の高い重量調整ができることが分かる。

図１０は本発明にもとづく、エッチング法によるコネクティングロット表面の脱炭効果の１例である。

加熱後、鍛造で作られたコネクティングロットの表面は、炭素含有量が低い層が形成されており、この脱炭層は疲労強度に弱い性質がある。コネクティングロットの表面をエッチングすることにより、重量調整すると同時に、表面の脱炭層を除去することができる重要な特徴がある。

自動車部品であるコネクティングロット、クランクシャフト等に適用することができる。

本発明に基づく、コネクティングロットの製造工程を説明するフロー図である。 本発明に基づく、事前にサイジング工程を加えた場合の、コネクティングロットの製造工程を説明するフロー図である。 本発明に基づくコネクティングロットのエッチングによる重量調整装置の１例を説明する側面図である。 本発明を適用するコネクティングロットの概略構造図である。 本発明の鍛造後におけるコネクティングロットの本体部の重量とその分布割合の１例を説明する特性図である。 本発明のコネクティングロットの本体部をエッチングした場合のエッチング時間とエッチングによる重量の減少量との関係を示す特性図である。 本発明のコネクティングロットの重量別に層別したロットのエッチングよる重量調整における重量変化の概念図である。 本発明のコネクティングロットの本体部をエッチングした場合の、エッチング後における本体部の重量とその分布割合の１例を説明する特性図である。 本発明のコネクティングロットのエッチング処理前後における、大端部の寸法差の１例を説明する特性図である。 本発明のエッチング法によるコネクティングロット表面の脱炭効果の１例を説明する特性図である。 従来のコネクティングロットの製造工程を説明するフロー図である。

符号の説明

１ 粗材
２ ハンガー
３ エッチング槽
４ 水洗浄槽
５ 水洗槽
６ 湯槽
７ ワイヤー
８ａ、８ｂ シャワーノズル
９ コンベア
２０ コネクティングロット
２１ 本体部
２２ キャップ部
２３ 大端部
２４ 小端部
２５ ナット
２６ ワッシャ

Claims (9)

1. 自動車部品における鍛造等で製造された後の複数の粗材を、粗材重量により層別して分類し、層別されたグループごとに、それぞれの前記自動車部品の重量から、目標の前記自動車部品の重量までエッチング条件を選定し、前記自動車部品の表面をエッチングして、その重量を軽減し目標範囲まで調整して、以降の製造では、前記自動車部品の重量別層別を廃止して、前記自動車部品の組立を行うことを特徴とする自動車部品の製造方法。
2. 自動車部品における鍛造等で製造された後の粗材をサイジングし、複数の粗材重量により層別して分類し、層別されたグループごとに、それぞれの前記自動車部品の重量から、目標の前記自動車部品の重量までエッチング条件を選定し、前記自動車部品の表面をエッチングして、その重量を軽減し目標範囲まで調整して、以降の製造では、前記自動車部品の重量別層別を廃止して、前記自動車部品の組立を行うことを特徴とする自動車部品の製造方法。
3. 個々の前記自動車部品における重量の層別の範囲は、少なくとも前記自動車部品の重量の目標範囲より小さい範囲で設定することを特徴とする請求項１または２に記載の自動車部品の製造方法。
4. 前記自動車部品を鍛造等で製造する際の、重量のばらつきによる下限値は、少なくとも完成時の前記自動車部品における重量の目標範囲の下限値より大きく設定することを特徴とする請求項１または２に記載の自動車部品の製造方法。
5. 前記エッチングは、ハンガー式搬送方式のエッチング装置で行い、搬送速度で前記自動車部品のエッチング量を決め、前記自動車部品の目標範囲に収めることを特徴とする請求項１または２に記載の自動車部品の製造方法。
6. 前記エッチングにおいて、エッチング液は塩化第２鉄を用いることを特徴とする請求項１、２または５のいずれかに記載の自動車部品の製造方法。
7. 前記エッチングにおいて、エッチングを必要としない部分にはマスキング部材で被覆して、エッチング液から保護しエッチングを行わないことを特徴とする請求項１、２または５のいずれかに記載の自動車部品の製造方法。
8. 前記エッチングにより、鍛造製造時に前記自動車部品の表面に生成した、脱炭層を除去することを特徴とする請求項１、２または５のいずれかに記載の自動車部品の製造方法。
9. 前記サイジングにおいて、前記粗材の前記サイジングを冷間加工により行うことを特徴とする請求項２に記載の自動車部品の製造方法。
   

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