JP4867801B2 - 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，熱間鍛造工程後における冷却途中の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る。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る。

このため、本出願人は、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として、Ｉセクション部のみを加熱した後、コイニングダイにセットしてコイニングを行い、コイニングダイでコンロッドを保持したまま、Ｉセクション部を冷却する（焼き入れる）方法を提案した。

しかしながら、この方法においては、Ｉセクション部は冷却（焼き入れ）され収縮・膨張するが、大端部、小端部はコイニングダイで保持されたままであるため、Ｉセクション部にひずみが残り、強度低下の虞があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、残留ひずみのないコイニング加工による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、少なくともいずれか一方のコイニングダイが他方のコイニングダイに対して接近・離脱方向に移動可能に構成した大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとにより、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、少なくともいずれか一方のコイニングダイが他方のコイニングダイに対して接近・離脱方向に移動可能に構成した大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとにより、加熱工程により大端部および小端部を除くコラム部が加熱されたコンロッドの大端部および小端部を加圧してコイニングし、前記コイニング状態においてコラム部を冷却するため、加熱されたコラム部が冷却される際の収縮・膨張にコイニングダイが追従して、コラム部に残留ひずみが残らず、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の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１〜図３は、本発明を適用したコンロッドの製造方法の第１実施例を示し、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はコンロッドの製造工程を示す工程図、図３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は第１実施例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を夫々挟み加圧する大端側上下コイニングダイ２Ａ、２Ｂおよび小端側上下コイニングダイ２Ｃ、２Ｄと、大端側上下コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとの間に位置させて、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３Ａを備える冷却ジャケット３と、冷却ジャケット３の冷却液路３Ａ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に溜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〜２Ｄ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。そして、前記したように、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂおよび小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとに分離されており、いずれか一方のコイニングダイ（図示例では、小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄ）は、他方のコイニングダイ（図示例では、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂ）に対して、位置決めスプリング７による拘束状態の範囲内で、矢印に示すように、横方向に移動可能に配置されている。

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から、下方コイニングダイ２Ａ、２Ｃ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、電磁弁４を閉状態に維持しつつ、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、コイニングプレス機１により上方コイニングダイ２Ｂ、２Ｄを下降させてコイニングダイ２Ａ、２Ｂ同士の平面部分およびコイニングダイ２Ｃ、２Ｄ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ジャケット３の冷却液路３Ａ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、２Ｄ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２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３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Ｉセクション部Ｗ３の中央領域の局部加熱方法としては、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とをコイニングダイ２Ａ〜２Ｄにより挟んで加圧して、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、２Ｃ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は下方冷却ジャケット３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、２Ｄ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、２Ｃ−２Ｄ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〜２Ｄ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低下の虞がない。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。

前記コイニング工程Ｓ５において、加熱により温度上昇しているＩセクション部Ｗ３が隣接している大端部Ｗ１および小端部Ｗ２へのコイニングダイにより挟圧される際に、Ｉセクション部Ｗ３が熱膨張したり、コイニングダイ２Ａ〜２Ｄにより温度低下されて熱収縮される際には、横方向可動に構成した小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄが小端部Ｗ２を挟持した状態で横移動することにより、前記Ｉセクション部Ｗ３の膨張・収縮を許容するため、Ｉセクション部Ｗ３に曲がりや引張り方向の残留応力の発生による強度低下もない。

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ジャケット３の冷却液路３Ａ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、冷却ジャケット３に設けた複数の細穴からなる冷却液路３Ａ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。

前記冷却工程Ｓ６におけるコンロッド（Ｉセクション部Ｗ３）の冷却により、Ｉセクション部Ｗ３の軸方向寸法（大端部Ｗ１と小端部Ｗ２との間隔寸法）が収縮される。この収縮はＩセクション部Ｗ３に引張り方向の残留応力を発生させるよう作用するが、本実施形態においては、いずれか一方のコイニングダイ（小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄ）がスプリング装置７による拘束状態の範囲内で矢印方向に移動可能に構成しているため、小端部Ｗ２を挟み込んでいるコイニングダイ２Ｃ、２Ｄは小端部Ｗ２の移動に伴って横方向に移動し、前記Ｉセクション部Ｗ３の収縮を許容する。したがって、Ｉセクション部Ｗ３には引張り方向の残留応力が発生せず、強度低下も発生しない。また、Ｉセクション部Ｗ３の強度向上を狙って当該Ｉセクション部Ｗ３に焼入れのために急冷する場合においても、同様にＩセクション部Ｗ３の冷却による収縮変形に応答良く小端部コイニングダイ２Ｃ、２Ｄを横方向に追従させることができる。

その後、（必要に応じて）ショットピーニングによって鍛造粗材Ｗの表面のスケールが除去され、また、表面に圧縮残留応力を与えて疲労強度を向上させ、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。

図４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第２実施例を示す概略構成図である。本実施例のコイニングプレス装置においては、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとを夫々別のプレス装置１Ａ、１Ｂにより支持させ、両プレス装置１Ａ、１Ｂを同期させて型開き型閉じさせるようにしたものである。その他の構成は、図１に示す第1実施例のコイニングプレス装置１と同様に構成され、コンロッドＷの製造方法においても、第1実施例と同様に構成している。

このように、プレス装置を大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとで分割することにより、小型の２台のプレス装置１Ａ、１Ｂによりコイニング工程Ｓ５を実施することができ、装置の小型化が実現でき、大型のプレス装置を用いる場合に比較して、製造設備費を低減させることができる。

なお、上記実施形態において、冷却手段として、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとの間のコラム部Ｗ３に上下から臨む位置に冷却ジャケット３を配置するものについて説明したが、図示はしないが、コラム部Ｗ３の横方向からコラム部Ｗ３に向けて冷却液を噴出するものであってもよい。

また、上記実施形態において、少なくともいずれか一方のコイニングダイが他方のコイニングダイに対して接近・離脱方向に移動可能に構成した大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとして、小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄが横方向に移動可能とするものについて説明したが、図示はしないが、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂが横方向に移動可能なものであってもよく、また、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとの両者が横方向に移動可能なものであってもよい。

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）少なくともいずれか一方のコイニングダイが他方のコイニングダイに対して接近・離脱方向に移動可能に構成した大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとにより、加熱工程Ｓ４により大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を除くコラム部Ｗ３が加熱されたコンロッドＷの大端部Ｗ１および小端部Ｗ２を加圧してコイニングし、前記コイニング状態においてコラム部Ｗ３を冷却するため、加熱されたコラム部Ｗ３が冷却される際の収縮・膨張にコイニングダイ２Ｃ、２Ｄが追従して、コラム部Ｗ３に残留ひずみが残らず強度が低下しない。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）大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとの間に冷却ジャケット３を備え、冷却工程Ｓ６は、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとによる大端部Ｗ１および小端部Ｗ２へのコイニング状態において、冷却ジャケット３から冷却液を噴射させることによりコラム部Ｗ３を冷却することにより、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。

（ウ）図１の実施例においては、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとは、一つのプレス機械１の固定ダイと可動ダイとに取付けられて同時に型開きおよび型閉じされることにより、冷却手段を含めてアセンブリ化可能である。

（エ）図４の実施例においては、大端側コイニングダイ２Ａ、２Ｂと小端側コイニングダイ２Ｃ、２Ｄとは、同期して作動する２つのプレス機械１Ａ、１Ｂに夫々分離して、固定ダイと可動ダイとに取付けられることにより、小型の２台のプレス装置１Ａ、１Ｂによりコイニング工程Ｓ５を実施することができ、装置の小型化が実現でき、大型のプレス装置を用いる場合に比較して、製造設備費を低減させることができる。

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第２実施例の概略構成図。

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
２Ａ〜２Ｄ コイニングダイ
３ 冷却ジャケット
３Ａ 冷却液路
４ 電磁弁
５ 冷却液供給装置
６ コントローラ

Claims (6)

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手段と、
   少なくともいずれか一方のコイニングダイが他方のコイニングダイに対して接近・離脱方向に移動可能に構成した大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとを備えて、前記加熱手段により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加圧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。
2. 前記冷却手段は、大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとの間に配置された冷却ジャケットを備え、大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとによる大端部および小端部へのコイニング状態において、冷却ジャケットから冷却液を噴射させてコラム部を冷却す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装置。
3. 前記大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとは、一つのプレス機械の固定ダイと可動ダイとに取付けられて同時に型開きおよび型閉じされ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装置。
4. 前記大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとは、同期して作動する２つのプレス機械に夫々分離して、固定ダイと可動ダイとに取付けられ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装置。
5. 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、
   少なくともいずれか一方のコイニングダイが他方のコイニングダイに対して接近・離脱方向に移動可能に構成した大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとにより、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。
6. 前記大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとの間に冷却ジャケットを備え、
   前記冷却工程は、大端側コイニングダイと小端側コイニングダイとによる大端部および小端部へのコイニング状態において、冷却ジャケットから冷却液を噴射させることによりコラム部を冷却することを特徴とする請求項５に記載のコンロッドの製造方法。

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