JP4811010B2 - コンロッドの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用エンジン等に用いられるコンロッドの製造方法および製造装置に関し、特に、コンロッドの曲り矯正や大小端部の厚み精度向上および大小端部の面性状（面粗度等）向上のためのコイニング加工を含むコンロッドの製造方法および製造装置に関するものである。

従来から熱間鍛造されたコンロッドの曲り矯正や大小端部の厚み精度向上のため、コイニング加工が一般的に実施されている（特許文献１、２参照）。

特許文献１では、素材鋼をコンロッド形状に熱間鍛造し、得られた鍛造粗材に熱間コイニングを施して鍛造粗材の形状・寸法を矯正することにより、鍛造粗材の大端部および小端部の厚さ精度および平行度を向上させて機械加工の工数を削減することができ、しかも座屈強度を低下させることのないコンロッドの製造方法が提案されている。

また、特許文献２では、素材に熱間鍛造を施して大端部，小端部，及びコラム部を形成する熱間鍛造工程と，熱間鍛造工程後の冷却途中の５００〜１０００℃の温度領域において，コラム部に熱間コイニング又は温間コイニングを施す熱間／温間コイニング工程と，熱間／温間コイニング工程の後にコラム部にさらに１００℃以下の温度領域において冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを備える。そして、冷間コイニング工程では，冷間コイニング前のコラム部のリブ高さをｈ１，冷間コイニング後のコラム部のリブ高さをｈ２とした場合，加工率（ｈ１−ｈ２）／ｈ１が０．１５〜０．２５となる条件で冷間コイニングを施すことにより、熱間鍛造粗形材の寸法がばらついた場合でも安定した強度を有する強度ばらつきの小さい冷間コイニング強化コンロッドの製造方法が提案されている。
特開平１０−２５８３３５号公報 特開２００５−１４０７８号公報

しかしながら、前記冷間コイニングでは、常温でコイニング加工を行うため、コンロッドのＩセクション部（連桿部・コラム部）にひずみが残り強度が低下したり、スプリングバックにより曲がり矯正の精度が向上できないという問題があった。

また、前記ホットコイニングでは、８００℃程度と高温状態のワークにコイニングを行うため、熱収縮によりワークの厚み精度が低下したり、コイニング前後でもコイニング面に酸化スケールが発生し、コイニング面（大小端部）の面性状が悪化するという問題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、強度低下を防止しつつ形状精度を向上できるコイニング加工を含むコンロッドの製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、コンロッドの大端部および小端部を除くコラム部を予め加熱する加熱工程と、前記加熱したコラム部を備えるコンロッドの大端部および小端部をコイニングダイにより挟圧・加圧するコイニング工程と、前記コイニングダイにより大端部および小端部を加圧したコイニング状態において、コラム部を冷却する冷却工程と、を備えるようにした。

したがって、本発明では、コンロッドのコラム部を予め加熱する加熱工程と、前記加熱したコラム部を備えるコンロッドの大端部および小端部をコイニングダイにより挟圧・加圧するコイニング工程と、前記大端部および小端部を加圧したコイニング状態のコンロッドのコラム部を冷却する冷却工程と、を備えるようにした。このため、冷間コイニングに比べ、コラム部にひずみが残らないため強度が低下しない。また、スプリングバックも起こらないため大端部および小端部の平面度が向上する。また、ホットコイニングに比べ、大端部および小端部は加熱しないため、厚み精度が確保でき、面性状に問題が生じない。しかも、コイニング中にそのまま冷却することができるため、冷却時のコラム部の曲がりも抑制できる。

以下、本発明に係わるコンロッドの製造方法および製造装置を各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明を適用したコンロッドの製造方法の第１実施形態を示し、図１はコンロッドの製造装置であるコイニングプレス装置の概略構成図、図２はコイニングダイの別の一例を示す断面図、図３はコンロッドの製造工程を示す工程図、図４は製造するコンロッドの平面図および側面図である。

図１は本実施形態におけるコイニングプレス装置１であり、コンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を挟み加圧する上下コイニングダイ２Ａ、２Ｂと、上下コイニングダイ２Ａ、２ＢにコンロッドＷのコラム部Ｗ３（Ｉセクション部ともいう）に臨んで通路端を開放させて配置した複数の冷却液路３と、冷却液路３に電磁弁４を介して冷却液を供給する冷却液供給装置５と、これらをコントロールするコントローラ６とを備える。

前記冷却液供給装置５は、冷却液タンク５Ａに貯めている冷却液をポンプ５Ｂにより汲み上げて吐出し、レギュレータ５Ｃによりその供給圧力および供給流量を調整して各電磁弁４に供給するよう機能する。コイニングプレス機１、各電磁弁４、レギュレータ５Ｃおよびポンプ５Ｂはコントローラ６により制御される。

前記上下コイニングダイ２Ａ、２Ｂは、ワークであるコンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を夫々の端面から挟圧して加圧する平面部分を対向して備える。また、コンロッドＷのＩセクション部Ｗ３に臨む部分は、Ｉセクション部Ｗ３に対して隙間が存在するよう形成されているが、下方コイニングダイ２Ａのみならず上方コイニングダイ２Ｂにおいて、Ｉセクション部Ｗ３に対面する部位に窪み２Ｃを設けて、積極的に隙間を拡大させた断熱空間を形成するようにすることが望ましい。

また、コイニング修正と同時にコラム部Ｗ３の形状も修正することが望ましい場合には、図２に示すように、上下のコイニングダイ２Ａ、２Ｂのコラム部Ｗ３に対面する窪み２Ｃの一部に突起２Ｅを夫々設けて、突起２Ｅの先端同士によりコラム部Ｗ３を押圧して、その形状を修正するようにする。なお、図中に示すように、窪み２Ｃ内に加熱手段７を配置して、型開き状態のコイニングダイ２Ａ、２ＢにワークＷを投入後に加熱手段７によりコラム部Ｗ３を加熱することもできる。

前記コントローラ６は、コイニングプレス機１によりコイニングダイ２同士を離間させた型開きの待機状態において、電磁弁４を閉状態とし、ポンプ５Ｂを作動させて冷却液を吐出させ、レギュレータ５Ｃにより調圧して電磁弁４に供給する。そして、下方コイニングダイ２Ａの上にワークとしてのコンロッドＷが載置された時点から起動され、コイニングプレス機１により上方コイニングダイ２Ｂを下降させてコイニングダイ２Ａ、２Ｂ同士の平面部分によりワークＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を端面方向から挟圧して加圧する型閉め状態とする。

そして、型締め状態を維持した状態で、電磁弁４を開放してポンプ５Ｂよりの冷却液を冷却液路３に供給してコイニング中のコンロッドＷのＩセクション部Ｗ３に噴出させるよう機能する。そして、予め設定した所定時間経過後に、電磁弁４を閉じ、コイニングプレス機１により上方コイニングダイ２Ｂを上昇させて型開きを行い、ワークであるコンロッドＷの搬出を可能とするよう作動させる。

以上の構成のコイニングプレス装置１を用いたコンロッドの製造方法について以下に説明する。

図３は本実施形態におけるコンロッドＷの製造工程を示し、先ず、通常の熱間鍛造コンロッドＷと同様、熱間鍛造工程Ｓ１により、図４に示すように、大端部Ｗ１、小端部Ｗ２，及びＩセクション部Ｗ３を有するコンロッドＷの粗形材を製造する。そして、得られたコンロッドＷの粗形材を冷却工程Ｓ２により冷却する。この冷却温度は鍛造後の温度降下に伴うワーク寸法の熱収縮が収斂する温度、例えば、５００℃以下に下がればよい。そして、冷却工程Ｓ２の前工程若しくは後工程に配置したショットブラスト工程Ｓ３によりスケールを除去する。

次いで、加熱工程Ｓ４により、大端部Ｗ１および小端部Ｗ２とこれらに隣接する領域のＩセクション部Ｗ３を除く中央領域のＩセクション部Ｗ３を局部加熱することにより７００℃以上に加熱して、次工程のコイニング工程Ｓ５に投入する。前記中央領域のＩセクション部Ｗ３の局部加熱の方法としては、例えば、高周波誘導加熱により加熱し、隣接する領域のＩセクション部Ｗ３および大小端部Ｗ１、Ｗ２は、例えば、保護材によりカバーして加熱しないようにする。

コイニング工程Ｓ５では、コイニングプレス機１によりコンロッドＷの大端部Ｗ１と小端部Ｗ２とを挟んで加圧して、コンロッドＷの曲がり矯正を行う。具体的には、前記コンロッドＷは、コイニングプレス機１の下方コイニングダイ２Ａ上に中央領域を加熱して温度上昇させたコンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２の端面を当接させて載置される。載置状態においては、コンロッドＷのＩセクション部Ｗ３は下方コイニングダイ２Ａとの間に隙間若しくは断熱空間があるよう構成されている。

そして、上方コイニングダイ２Ｂをコイニングプレス機１により下降させてコイニングダイ２Ａ、２Ｂ同士で大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を端面から加圧し、その状態に保持する。コンロッドＷは大端部Ｗ１および小端部Ｗ２がコイニングダイ２Ａ、２Ｂにより加圧されることにより、大端部Ｗ１および小端部Ｗ２の厚さ方向に塑性変形を与え、大小端部Ｗ１、Ｗ２の厚さ精度と面の平行度を向上させ、機械加工時の削り代を少なくするようにする。

このように、鍛造粗材の大端部Ｗ１および小端部Ｗ２のみに塑性加工を施す場合には、矯正された大小端部Ｗ１、Ｗ２の平行度が大小端部Ｗ１、Ｗ２を連結するＩセクション部Ｗ３も変形させるよう作用するが、Ｉセクション部Ｗ３は加熱されて高温に維持されているため、大小端部Ｗ１、Ｗ２の塑性変形に追従して残留応力を生じさせることなく変形し、Ｉセクション部Ｗ３にひずみが残らないため強度が低下しない。また、スプリングバックも生じないため、大端部Ｗ１および小端部Ｗ２の平面度を向上させることができる。さらに、大端部Ｗ１、小端部Ｗ２は加熱しないため、厚み精度が確保でき、面性状にも問題を生じさせない。また、ひずみが残らず強度低下が生じないため、コラム部Ｗ３を直接加圧して曲がりを矯正することもできる。

そして、前記加圧に引続く冷却工程Ｓ６において、各電磁弁４が開放され、冷却液供給装置５より供給された冷却液を冷却液路３を経由させてコンロッドＷの中央領域のＩセクション部Ｗ３に噴射して、中央領域のＩセクション部Ｗ３およびそれに隣接するＩセクション部Ｗ３および大小端部Ｗ１、Ｗ２を冷却する。この冷却時においても、コンロッドＷはその大小端部Ｗ１、Ｗ２がコイニングダイ２により継続して加圧されているため、Ｉセクション部Ｗ３の曲がりも抑制できる。この冷却装置によれば、コイニングダイ２に複数の細穴からなる冷却液路３により、そこからコントローラ６の指令により電磁弁４を開いて、冷却液を出すようにしているため、冷却時間を短くでき、また冷却ノズルを別に設ける必要がなく、省スペース化できる。

その後、必要に応じてショットブラストによって鍛造粗材の表面のスケールが除去され、機械加工工程Ｓ７によって製品コンロッドに仕上げられる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）大端部Ｗ１および小端部Ｗ２とこれらをつなぐコラム部Ｗ３とを備え、大端部Ｗ１および小端部Ｗ２をコイニングダイ２により挟圧して加圧することによりコイニングを施すコンロッドＷの製造方法および製造装置であり、コンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を除くコラム部Ｗ３を予め加熱する加熱工程Ｓ４と、前記加熱したコラム部Ｗ３を備えるコンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２をコイニングダイ２により挟圧・加圧するコイニング工程Ｓ５と、前記コイニングダイ２により大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を加圧したコイニング状態において、コラム部Ｗ３を冷却する冷却工程Ｓ６と、を備えるようにした。

このため、冷間コイニングに比べ、コラム部Ｗ３にひずみが残らないため強度が低下しない。また、スプリングバックも起こらないため大端部Ｗ１および小端部Ｗ２の平面度が向上する。また、ホットコイニングに比べ、大端部Ｗ１および小端部Ｗ２は加熱しないため、厚み精度が確保でき、面性状に問題が生じない。しかも、コイニング中にそのまま冷却することができるため、冷却時のコラム部Ｗ３の曲がりも抑制できる。

（イ）冷却工程Ｓ６は、コラム部Ｗ３に臨ませてコイニングダイ２に開口させた複数の冷却液流路３より冷却液を噴射することにより実行されることにより、冷却時間を短くでき、また冷却ノズルを別に設ける必要がなく、省スペース化できる。

（第２実施形態）
図５〜図８は、本発明を適用したコンロッドの製造方法および製造装置の第２実施形態を示し、図５はコンロッドの製造装置であるコイニング装置の概略構成図、図６は下方コイニングダイの上端面形状を示す平面図および断面図、図７および図８はコイニングプレス機によるコンロッドの製造過程を示す概略断面図である。本実施形態においては、コンロッドのＩセクション部の加熱手段をコイニングプレス機に設けた構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置・部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図５において、本実施形態のコイニングプレス機１においては、上下コイニングダイ２Ａ、２ＢのコンロッドＷのＩセクション部Ｗ３に臨むコイニング面を大きく抉ってコイル収容空間２Ｄを形成しており、上方コイニングダイ２Ｂとも接触しないように、上方コイニングダイ２Ｂにもコイニング面から大きく抉ってコイル収容空間２Ｄを形成している。このコイル収容空間２Ｄには高周波電流による誘導加熱コイル７が設置されている。前記誘導加熱コイル７は、コイニングプレス機１に隣接させて配置した高周波発振装置８により発生する高周波電流が供給される構成され、電流供給時にコイル７内に配置されるワークＷを誘導加熱するよう機能する。前記高周波発振装置８の動作はコントローラ６により制御するよう構成している。

前記誘導加熱コイル７は、下方コイニングダイ２Ａのコイル収容空間２Ｄに下半分が収容され、その上半分がコイル収容空間２Ｄから上方へ露出する状態となったコイル状のものであり、コイル７で形成する空間の前後端の外側には、コンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２の下端面に当接する下側コイニングダイ２Ａのコイニング面が隣接して配列される位置関係となる。このため、ワークであるコンロッドＷは、例えば、その小端部Ｗ２を、コイル７内に挿入し、コイル７の向こう側に位置するコイニング面に載置することでＩセクション部Ｗ３をコイル７内に位置させるようにする。この場合、誘導加熱コイル７の形状が、上方に開放された形状である場合には、上記のようなコンロッド投入方法によることなく、通常のように上方からワークを投入することができる。

前記コイニングプレス装置１は、下方コイニングダイ２ＡにコンロッドＷが投入された場合に、コントローラ６の指令で、先ず誘導加熱コイル７に高周波発振装置８から高周波電流を供給して、コンロッドＷのＩセクション部Ｗ３の加熱を実行させる。この加熱の際に、図６に示すように、コンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を位置決めする窪み９が型彫りされている場合には、コンロッドＷを精度よく位置決めすることができ、誘導加熱コイル７により加熱する部分の位置精度を高めることができ、結果として、Ｉセクション部Ｗ３の焼入れ範囲を一定して決めることができる。そして、誘導加熱コイル７による加熱によりＩセクション部Ｗ３の温度が、例えば、５００〜１０００℃の間の予め設定した加熱温度に達した時点で誘導加熱コイル７よりの加熱を終了させる。以後のコントローラ６の動作は、第１実施形態と同様である。

以上の構成のコイニングプレス装置１を用いたコンロッドＷの製造方法では、図７に示すように、初期状態では上方コイニングダイ２Ｂは上昇しており、コンロッドＷが誘導加熱コイル７内に投入されると、コンロッドＷのＩセクション部Ｗ３の加熱を開始する。Ｉセクション部Ｗ３が所望の温度になれば、上方コイニングダイ２Ｂを下降させて、図８に示すように、コイニングダイ２Ａ、２Ｂのコイニング面同士によりコンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を挟圧・加圧してコイニングを行う。この時点で誘導加熱コイル７による加熱動作を終了させてもよい。そして、コンロッドＷを上下コイニングダイ２Ａ、２Ｂにより保持したまま、指定のタイミングで冷却液路３の細穴から冷却液を噴射し、Ｉセクション部Ｗ３の冷却を行う。

前記誘導加熱コイル７による加熱温度を調整することで、Ｉセクション部Ｗ３に焼入れすることが可能であり、Ｉセクション部Ｗ３の強度を向上させることができる。また、冷却時にはコンロッドＷのＩセクション部Ｗ３に曲がりが生じやすいが、コイニングダイ２Ａ、２Ｂによるコイニングを実行しながら冷却することにより、Ｉセクション部Ｗ３の曲がりを抑制することができる。

また、誘導加熱コイルが設置されているため、ワークであるコンロッドＷは、Ｉセクション部Ｗ３を予め加熱して高温状態とする必要がない。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（ウ）加熱工程Ｓ４は、コイニングダイ２Ａに設けた加熱手段７によりコイニングダイ２ＡにセットされたコンロッドＷのコラム部Ｗ３を加熱することにより実行し、コイニング工程Ｓ５は、前記加熱されたコンロッドＷに対してコイニングダイ２Ａ、２Ｂにより挟圧・加圧することにより実行することにより、コンロッドＷのコラム部Ｗ３の加熱および冷却を、コイニングプレス機１内でコイニング工程Ｓ５の前後で行うことができ、コンロッドＷの工程間移動を省略できる。

（エ）コイニングダイ２には、コンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を位置決めする窪み９を備えるため、コンロッドＷを定位置に置くことができ、コラム部Ｗ３の焼入れ範囲を一定に決めることができる。

本発明の一実施形態を示すコンロッドの製造装置であるコイニングプレス装置の概略構成図。 同じくコイニングダイの別の一例を示す断面図。 同じくコンロッドの製造工程を示す工程図。 製造するコンロッドの平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）。 本発明の第２実施形態を示すコンロッドの製造装置であるコイニングプレス装置の概略構成図。 下方コイニングダイの上端面形状を示す平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）。 コイニングプレス機によるコンロッドの製造過程を示す概略断面図。 図７に続くコイニングプレス機によるコンロッドの製造過程を示す概略断面図。

符号の説明

Ｗ コンロッド
Ｗ１ 大端部
Ｗ２ 小端部
Ｗ３ コラム部、Ｉセクション部
１ コイニングプレス機、コイニングプレス装置
２ コイニングダイ
３ 冷却液路
４ 電磁弁
５ 冷却液供給装置
６ コントローラ
７ 誘導加熱コイル
８ 高周波発振装置
９ 窪み

Claims (9)

1. 大端部および小端部とこれらをつなぐコラム部とを備え、大端部および小端部をコイニングダイにより挟圧して加圧することによりコイニングを施すコンロッドの製造方法において、
   前記コンロッドの大端部および小端部を除くコラム部を予め加熱する加熱工程と、
   前記加熱したコラム部を備えるコンロッドの大端部および小端部をコイニングダイにより挟圧して加圧するコイニング工程と、
   前記コイニングダイにより大端部および小端部を加圧したコイニング状態において、コラム部を冷却する冷却工程と、を備えることを特徴とするコンロッドの製造方法。
2. 前記冷却工程は、前記コラム部に臨ませてコイニングダイに開口させた複数の冷却液流路より冷却液を噴射することにより実行されることを特徴とする請求項１に記載のコンロッドの製造方法。
3. 前記加熱工程は、コイニングダイに設けた加熱手段によりコイニングダイにセットされたコンロッドのコラム部を加熱することにより実行し、
   コイニング工程は、前記加熱されたコンロッドに対してコイニングダイにより挟圧して加圧することにより実行することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンロッドの製造方法。
4. 大端部および小端部とこれらをつなぐコラム部とを備え、大端部および小端部をコイニングダイにより挟圧して加圧することによりコイニングを施すコンロッドの製造装置において、
   前記大端部および小端部を除くコラム部を高温状態としたコンロッドの投入に応じてコンロッドの大端部および小端部を挟圧・加圧してコイニングするコイニングダイと、
   前記コイニングダイにより大端部および小端部の前記コイニングによる加圧状態において、コラム部を冷却する冷却手段と、を備えることを特徴とするコンロッドの製造装置。
5. 前記冷却手段は、前記コラム部に臨ませてコイニングダイに開口させた複数の冷却液流路に冷却液を供給し、冷却液流路からコラム部に冷却液を噴射するよう構成していることを特徴とする請求項４に記載のコンロッドの製造装置。
6. 前記コイニングダイは、コンロッドのコラム部を高温状態に加熱する加熱手段を備え、
   前記コイニングダイは、投入されたコンロッドのコラム部を前記加熱手段により高温状態に加熱した後に、型閉じによりコンロッドの大端部および小端部をコイニングすることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のコンロッドの製造装置。
7. 前記コイニングダイには、コンロッドの大端部および小端部を位置決めする窪みを備えていることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一つに記載のコンロッドの製造装置。
8. 前記コイニングダイには、コンロッドのコラム部に対面する部分にコラム部の形状を矯正する突起を備えていることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか一つに記載のコンロッドの製造装置。
9. 前記加熱手段は、コイニングダイに取付けた高周波加熱コイルであることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか一つに記載のコンロッドの製造装置。

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