JP4908877B2

JP4908877B2 - 一体型クランク軸の鍛造制御方法と鍛造装置

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Publication number: JP4908877B2
Application number: JP2006050809A
Authority: JP
Inventors: 英樹柿本; 和夫藤田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007229720A

Description

この発明は、大型・中速ディーゼル機関に使用される一体型クランク軸のアーム部の最終成形に用いる横押しシリンダの自動制御を行なう鍛造制御方法とその鍛造装置に関する。

舶用や発電機用などに使われているディーゼル機関用クランク軸には，一体型クランク軸と組立型クランク軸がある。その中でも中小型のディーゼル機関には一体型クランク軸が用いられており，その製造方法としてはRR鍛造法，TR鍛造法，多軸プレスによる方法などが知られている。このうち、クランク軸をＣＧＦ(Continuous Grain Flow) 鍛造する方法として、広く知られているＲＲ鍛造方法は、１回の鍛造で1気筒分のジャーナル軸、ピン軸、アーム部を作る鍛造方法であり、このＲＲ鍛造法に用いられるＲＲ鍛造装置の概要を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。図５（ａ）は丸棒状素材５を把持した成形開始時点の状態を、図５（ｂ）はアーム部を予備圧縮するアプセット成形工程を、図５（ｃ）はピン部の成形とアーム部の横圧縮を同時に行なうオフセット工程を示している。前記丸棒状素材５は、素材丸棒に、アーム部６（６ａ）を挟んで、ピン部８とジャーナル部１１とを予備加工して形成されている。このＲＲ鍛造装置は、主プレス（図示省略）の圧下に伴うクロスヘッド１の圧下力Ｐを、傾斜摺動板２を介して、把持ダイス４を備えた一対の摺動台３に伝達させ、この圧下力Ｐの水平方向の分力Ｆの作用により、部分加熱された丸棒状素材（以下素材と記す）５のアーム部６、６ａを軸方向に圧縮すると共に、クロスヘッド１に連結された上ポンチ７にて素材５のピン部８をその軸に直角方向に押し下げて、素材５の単位クランクスロー部を成形する装置構成となっている。そして、前記オフセット工程でのアーム部６、６ａの（最終）圧縮時に、プレス力量不足を補うため、およびアーム部６、６ａの厚さを目標寸法に早く到達させるために、横押しシリンダ１４、１４ａが設置されている。

また、把持ダイス４は、クロスヘッド１の両側に設けたダイス押えシリンダ９により一定の把持圧力を付与される。そして、上ポンチ７は、ポンチシリンダ（図示省略）を介してクロスヘッド１に連結され、その下方には、アンビルシリンダ（図示省略）を介して台盤（図示省略）に連結された下ポンチ１０が設けられている。成形過程における素材５のピン部８は、これらの上下ポンチ７、１０により上下から一定圧力で把持されている。

また、上ポンチ７の上端および下ポンチ１０の下端には、クロスヘッド１の下面１ａおよび台盤の上面に当接して退没程度を規定する拡径ストッパ７ａ、１０ａが設けられ、この拡径ストッパ７ａ、１０ａにより上下ポンチ７、１０はクランク素材１５のピン部８を把持して限定された範囲で昇降するようになっている。

上記従来のＲＲ鍛造装置によるクランク軸の成形方法を、さらに図６および図７を参照して概略説明する。まず、図５（ａ）に示したように、素材５のジャーナル部１１を一対の把持ダイス４、４にて把持し、ピン部８を上下ポンチ７、１０にて把持する。次に、クロスヘッド１の圧下により、傾斜傾動板２を介して一対の摺動台３を内側に駆動し、図６に模式的に示すように、アーム部６、６ａの予備圧縮を行なう（アプセット工程）。アプセット工程で、所定量の予備圧縮を行った後に、上ポンチ７をクロスヘッド１の圧下動に直動して圧下させ、図７に模式的に示すように、横圧縮を行ないながらピン部８の押し下げを行う（オフセット工程）。このオフセット工程の後半に、前記クロスヘッド１から傾斜摺動板２を介して得られる圧下力Ｐの水平方向の分力Ｆ、すなわち横圧縮荷重が不足し、アーム部６、６ａを所要の厚さまで圧縮できないため、横押しシリンダを作動させる。

このように、ＲＲ鍛造装置によるクランク軸の成形方法では、アーム部６の予備圧縮を行なうアプセット工程と、前記水平分力Ｆにより横圧縮を行ないながらピン部８の押し下げを行なうオフセット工程と、このオフセット工程の後半に、図７に示すように、前記押し下げによりピン部８を偏心させながら、横押しシリンダ１４、１４ａを用いてアーム部６を横圧縮する工程からなる成形を実施することができる。なお、アーム部６が充満する前記金型は、上ポンチ７の先端側に取り付けられて上ポンチ７と連動する上部ダイス１２ａおよび側部ダイス１２ｂと、下ポンチ１０の先端側に取り付けられ、下ポンチ１０と連動する下部ダイス１３と、前記把持ダイス４、４とにより形成される（図５（ｂ）および図５（ｃ）参照）。

このＲＲ鍛造方法では、上述のように、変形挙動は横圧縮(アーム部の成形（アプセット成形）)とポンチによる偏芯(ピン軸の成形（オフセット成形）)の２種類があり、プレス挙動や、バリの発生や金型充満状態など素材の変形挙動が複雑であるため、図８に示すように、アーム部６、６ａからの反力によりジャーナル部１１で材料の滑りが発生してアーム部６、６ａだけでなく軸方向に材料が流れるため、成形中の単位クランクスロー部分の材料不足による欠肉や、隣り合う単位クランクスローとの間隔の変化による寸法不良が発生するなどの問題点がある。このため、例えば、特許文献１では、図９に示すように、ピン部８の押し下げを所定量行った後にアーム部６、６ａの軸方向圧縮を行うことにより、ジャーナル部１１での軸方向にかかる力が低減して前記問題点を解消するクランク軸の成形方法が開示されている。
特開２００３−３２６３３２号公報

しかし、特許文献１に開示された成形方法も含めて、従来のクランク軸の成形では、横押しシリンダを用いてアーム部６、６ａを圧縮する際に、前記横押しシリンダ１４、１４ａの作動については、作業者の判断により、手動でＯＮ／ＯＦＦが行なわれていた。このため、アーム部６（６ａ）の成形時の調整作業が増加し、また、調整作業に作業者の個人差が介入し、調整作業が長引くとエネルギー消費や作業能率の面でも好ましくない。

そこで、この発明の課題は、一体型クランク軸のアーム部の最終圧縮時に作動させる横押しシリンダを自動制御して、成形調整作業を簡便化してエネルギー消費や作業能率を改善し、かつ、作業者の調整個人差によるアーム部寸法のバラツキを低減し、寸法精度を向上させる一体型クランク軸の鍛造制御方法とその鍛造装置を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

請求項１に係る一体型クランク軸の鍛造制御方法は、ピン部と、このピン部の両側のアーム部と、この両側のアーム部を挟むように、アーム部の、ピン部との反対側の面にジャーナル部がそれぞれ予備加工された丸棒状素材を部分加熱した後、前記ジャーナル部を、一対の把持ダイスにて把持し、クロスヘッドの圧下に連動させて、丸棒状素材の軸方向に互いに接近するようにこれらの把持ダイスを駆動して、前記素材の二つのアーム部を圧縮するとともに、アーム部間のピン部を、クロスヘッドに連結されたポンチにて、前記素材の軸に直角な方向に押し下げ、かつ、把持ダイスの両側に設けた横押しシリンダの作動を制御してアーム部を圧縮することにより単位クランクスロー部を成形する一体型クランク軸の鍛造方法であって、前記横押しシリンダの作動を制御するプロセスが、前記アーム部の圧縮速度と所定の速度とを比較するステップ１と、このアーム部の圧縮速度が所定の速度以下になったとき以降の、両側のアーム部の厚さの計測値から、両者の厚さの差Δｄを算出し、この厚さの差Δｄと所定の厚さとを比較するステップ２と、前記厚さの差Δｄが前記所定の厚さを超える場合には、アーム部の目標厚さからの差が大きいアーム部側の横押しシリンダを予め設定した設定横押し時間だけ作動させるステップ３ａと、前記厚さの差Δｄが所定の厚さ以下となるまでステップ３ａを繰り返して、この厚さの差Δｄが所定の厚さ以下になったとき以降に、前記両側の横押しシリンダを作動させるステップ３と、この両側の横押しシリンダを作動させた後に、両側のアーム部の厚さの計測値と目標寸法とを比較するステップ４を備え、少なくとも、両側のアーム部の厚さが目標寸法に到達するまで前記横押しシリンダで前記アーム部の圧縮を行なうことを特徴とする。

請求項２に係る一体型クランク軸の鍛造装置は、クロスヘッドの下方に配設された、このクロスヘッドの圧下に連動して丸棒状素材の軸方向に互いに接近するように駆動される一対のジャーナル把持ダイスと、この一対のジャーナル把持ダイスの間の、クロスヘッドに上端が連接された丸棒状素材のピン部押し下げ用ポンチと、このピン部の両側のアーム部を仕上げ圧縮する両側の横押しシリンダを備えた一体型のクランク軸の鍛造装置であって、前記両側のアーム部の厚さを計測する手段と、このアーム部厚さの計測値からアーム部の圧縮速度を算出する手段と、前記横押しシリンダを制御する手段を備え、前記アーム部の圧縮速度が所定の速度以下になり、かつ、前記厚さの差が所定の厚さを超える場合にアーム部の目標厚さからの差が大きいアーム部側の横押しシリンダを予め設定した設定横押し時間だけ作動させ、前記厚さの差Δｄが所定の厚さ以下となるまで前記横押しシリンダの作動を繰り返して、両側のアーム部の厚さの差が所定の値になった以降に、両側の横押しシリンダを作動させるようにしたことを特徴とする。

この発明では、一体型クランク軸の鍛造最終工程におけるアーム部のシリンダを用いた圧縮過程で、アーム部の厚さの計測値からアーム部の圧縮速度を算出し、この圧縮速度が所定の速度以下になった以降で、かつ、ピン部の両側のアーム部の厚さの差を所定の厚さ以下に調整した後に両側の横押しシリンダを作動させて仕上げ圧縮を行なうように両側の横押しシリンダの作動させるタイミングを自動制御するようにしたので、作業者の手動による調整作業を必要とせず、成形調整作業が簡便化され、アーム部の厚さを精度よく、また効率よく仕上げることができる。それにより、作業者の個人差による寸法バラツキが低減して一体型クランク軸のアーム部の寸法精度が向上し、鍛造工程でのエネルギー効率や作業能率が向上する効果が得られる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１および図４に基づいて説明する。

図１は、実施形態の鍛造装置１５を模式的に示したもので、この鍛造装置１５は、横押しシリンダ１４、１４ａを設置した成形部１６（図５（ａ）〜（ｃ）参照）と、成形されるアーム部６、６ａ（図５（ｃ）参照）の厚さｄ１、ｄ２を計測するアーム部厚さ計測手段１７と、このアーム部厚さ計測手段１７により計測したアーム部６、６ａの厚さからその圧縮速度を算出するアーム部圧縮速度算出手段１８と、これらの計測手段１７と算出手段１８に基づいて、横押しシリンダ１４、１４ａの作動を制御する制御手段１９を備えている。前記アーム部厚さ計測手段１７としては、レーザー距離計または横押しシリンダ１４、１４ａのストロークを計測するストローク計を用いることができる。

図２は、前記鍛造装置１５を用いて一体型クランク軸を成形するための実施形態の鍛造制御方法を、すなわち鍛造工程におけるアーム部の仕上げ圧縮過程での横押しシリンダ１４、１４ａの制御プロセスを示したものである。この鍛造制御方法では、まず、図５（ａ）に示したように、丸棒状素材５が部分加熱された状態で鍛造装置にセットされる。また、アーム部６、６ａの圧縮速度の境界設定値α（ｍｍ／ｓ）、アーム部６、６ａの許容設定厚さβ（ｍｍ）、横押しシリンダ１４、１４ａの厚さ調整押圧時間γ（ｓ）、サンプリング時間δ（ｓ）、アーム部６、６ａの目標厚さｄｆ（熱膨張量を考慮）およびその許容差Δｄｆが設定される。そして、鍛造が開始され、図５（ｂ）に示したように、一対の把持ダイス４、４により、アーム部６、６ａが、前記水平分力Ｆにより丸棒状素材５の軸方向に圧縮され予備成形される（アプセット工程）。次に、図５（ｃ）に示したように、上ポンチ７によるピン部８の成形と、横押しシリンダ１４、１４ａにより、アーム部６、６ａの仕上げ圧縮が行なわれる（オフセット工程）。前記アプセット工程およびオフセット工程で、図３に示すように、鍛造開始時からアーム部６、６ａの圧縮速度が、予め設定した時間間隔Ｘ毎に算出される（Ｓ１０）。

図３は、前記アーム厚さ計測手段１７およびアーム部圧縮速度算出手段１８を用いてアーム部６、６ａの圧縮速度を算出する流れを示したものである。まず、素材５を鍛造装置１５にセットした後、前記レーザー距離計またはストローク計の表示値をゼロにセットする（Ｓ１０−１）。次に、レーザー距離計を用いる場合には、鍛造開始時から、上ポンチ７と把持ダイス４、４との距離Ｄ、Ｄａ（図５（ａ）を参照）を圧縮の進行とともに順次測定し、予め設定した算出時間Ｘ毎に、圧縮速度Ｖ（Ｖａ）を、Ｖ＝Ｄ（Ｄａ）／Ｘで算出する（Ｓ１０−２）。この圧縮速度Ｄ（Ｄａ）は金型移動速度、すなわち把持ダイス４、４の移動速度に相当する。一方、ストローク計を用いる場合には、圧縮の進行とともに横押しシリンダ１４、１４ａのストロークＳ、Ｓａを順次測定し、レーザー距離計の場合と同様に、予め設定した算出時間Ｘ毎に、圧縮速度Ｖ（Ｖａ）を、Ｖ（Ｖａ）＝Ｓ（Ｓａ）／Ｘで算出する（Ｓ１０−２）。

前記オフセット工程の後半では、図２に示したように、まず、ステップ１で、算出したアーム部６、６ａの圧縮速度Ｖ、Ｖａと予め設定した圧縮速度の境界設定値αとを比較する（Ｓ２０）。この圧縮速度Ｖ、Ｖａのいずれか一方または両方が所定の設定速度αを超える場合には、ステップ１ａで、まず、アーム部厚さ計測手段１７により計測したアーム部６、６ａの厚さｄ、ｄａと目標寸法ｄｆとを比較する（Ｓ２０ａ）。この厚さｄ、ｄａがともに目標寸法ｄｆの許容差Δｄｆ内に収まっている場合には、この時点で横押しシリンダ１４、１４ａを停止し、鍛造を終了する。厚さｄ、ｄａが目標寸法ｄｆの許容差Δｄｆ内に収まっていない場合には、圧縮を継続して、予め設定したサンプリング時間δで圧縮速度Ｖ、Ｖａを繰り返し算出し、再度境界設定速度αと比較し、圧縮速度Ｖ、Ｖａの両方が設定速度α以下になるまで、アーム部６、６ａの厚さの計測値から算出を繰り返す（ステップ１０−１、２）。次に横押し速度Ｖ、Ｖａが設定速度α以下になると、ステップ２で、計測したアーム部６、６ａの厚さｄ、ｄａの差Δｄ（Δｄ＝abs(ｄ−ｄａ)、absは絶対値を示す。）と予め設定した設定厚み差βとを比較する（Ｓ３０）。厚さの差Δｄが設定厚み差βを超える場合には、ステップ３ａで、アーム部６（６ａ）の目標厚さｄｆからの差が大きいアーム部６（６ａ）側の横押しシリンダ１４（１４ａ）を予め設定した設定横押し時間γだけ作動させ（Ｓ４０ａ）、サンプリング時間δ（＜γ）で、繰り返しアーム部の厚さｄ、ｄａを計測し（Ｓ４０ｂ）、その差Δｄと設定厚み差βとを再度比較し（Ｓ３０）、厚み差Δｄが設定厚み差β以下となるまで、ステップ３ａ（Ｓ４０ａ）を繰り返して前記一方の横押しシリンダ１４（１４ａ）を作動させる。厚み差Δｄが設定厚み差β以内に収まると、ステップ３で、両側の横押しシリンダ１４、１４ａを作動させる（Ｓ４０）。そして、ステップ４で、横圧縮中のアーム部６、６ａの厚さｄ、ｄａと目標寸法ｄｆとを比較し（Ｓ５０）、厚さｄ、ｄａが目標寸法ｄｆの許容差Δｄｆ内に収まらない場合には、サンプリング時間δで計測を繰り返し（Ｓ５０ｂ）、目標寸法ｄｆの許容差Δｄｆ内に収まると、横押しシリンダ１４、１４ａの作動を停止して鍛造を終了する。なお、前記の予め設定した横押し時間γは、クランク軸（スロー）の寸法、鋼種、鍛造温度、横押しシリンダの圧力等に基づいて決定することができる。

この発明の実施形態の鍛造方法における横押しシリンダの制御プロセスは以上のような構成である。以下に実施例を示す。

図１に模式的に示した実施形態の鍛造装置１５を用いて、前述の横押しシリンダ１４、１４ａの制御ありの場合（実施例）と、制御なしの場合（比較例）について、図４（ａ）および（ｂ）にスロー７の断面形状を示す大、小の６気筒クランク軸Ａ、Ｂを成形した（合計４本）。クランク軸Ａ（小）の形状は、クランクスローＴの幅は３００ｍｍ、高さは５００ｍｍ、ピン部８とジャーナル部１１との中心間距離は２００ｍｍである。クランク軸Ｂ（大）では、スローＴの幅は５００ｍｍ、高さは８００ｍｍ、ピン部８とジャーナル部９との中心間距離は３００ｍｍである。横押しシリンダ制御ありの場合の、図２の制御プロセスで示した設定値α（ｍｍ／ｓ）、ピン部両側のアーム部の厚み差Δｄの許容厚さ（設定厚み差）β（ｍｍ）、目標寸法より遠い側の横押しシリンダ１４（１４ａ）の押圧時間γ（ｓ）、サンプリング時間δ（ｓ）の値を表１に、鍛造成形後の、それぞれのクランク軸Ａ（小）、Ｂ（大）の中、スローＴのアーム部厚さｄ（ｄａ）の目標寸法（クランク軸Ａ：１２０ｍｍ、クランク軸Ｂ：２１０ｍｍ）からの最大偏差および最小偏差を表２に示す。

表２から、実施例の横押しシリンダの制御ありの場合には、制御なしの場合に比べて、クランク軸Ａ（小）、クランク軸(大)のともに、スローＴの厚みｄ（ｄａ）の目標寸法からの偏差（バラツキ）が著しく減少しており、仕上げ圧縮過程で横押しシリンダを自動制御する本願発明の鍛造方法により、優れた寸法精度が得られることがわかる。それとともに、成形調整作業が簡便化され、作業者の個人差による寸法バラツキが低減し、鍛造工程でのエネルギー効率や作業能率が向上する効果が得られる。

実施形態の鍛造装置を模式的に示す説明図である。実施形態の鍛造制御プロセスを示す説明図である。実施形態のアーム部の圧縮速度の算出の流れを示す説明図である。（ａ）、（ｂ）実施例で示したクランク軸のスローの正面図である。（ａ）ＲＲ鍛造装置の、素材をセットした状態を示す説明図である。（ｂ）ＲＲ鍛造装置による成形工程（アプセット工程）を示す説明図である。（ｃ）ＲＲ鍛造装置による成形工程（オフセット工程）を示す説明図である。ＲＲ鍛造装置による成形工程（アプセット時）を模式的に示す説明図である。ＲＲ鍛造装置による成形工程（オフセット時）を模式的に示す説明図である。ＲＲ鍛造装置による成形工程（アプセット初期）の材料（被鍛造成形材）に作用する力を模式的に示す説明図である。ＲＲ鍛造装置による成形工程（オフセット時）を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１：クロスヘッド１ａ：クロスヘッド下面２：傾斜傾動板
３：摺動台４：把持ダイス５：素材
６、６ａ：アーム部７：上ポンチ７ａ：拡径ストッパ
８：ピン部９：ダイス押えシリンダ１０：下ポンチ
１０ａ：拡径ストッパ１１：ジャーナル部１２ａ：上部ダイス
１２ｂ：側部ダイス１３：下部ダイス１４、１４ａ：横押しシリンダ
１５：鍛造装置１６：成形部１７：アーム部厚さ計測手段
１８：アーム部圧縮速度算出手段１９：制御手段
Ｔ：クランクスロー

Claims

ピン部と、このピン部の両側のアーム部と、この両側のアーム部を挟むように、アーム部の、ピン部との反対側の面にジャーナル部がそれぞれ予備加工された丸棒状素材を部分加熱した後、前記ジャーナル部を、一対の把持ダイスにて把持し、クロスヘッドの圧下に連動させて、丸棒状素材の軸方向に互いに接近するようにこれらの把持ダイスを駆動して、前記素材の二つのアーム部を圧縮するとともに、アーム部間のピン部を、クロスヘッドに連結されたポンチにて、前記素材の軸に直角な方向に押し下げ、かつ、把持ダイスの両側に設けた横押しシリンダの作動を制御してアーム部を圧縮することにより単位クランクスロー部を成形する一体型クランク軸の鍛造方法であって、
前記横押しシリンダの作動を制御するプロセスが、前記アーム部の圧縮速度と所定の速度とを比較するステップ１と、このアーム部の圧縮速度が所定の速度以下になったとき以降の、両側のアーム部の厚さの計測値から、両者の厚さの差Δｄを算出し、この厚さの差Δｄと所定の厚さとを比較するステップ２と、前記厚さの差Δｄが前記所定の厚さを超える場合には、アーム部の目標厚さからの差が大きいアーム部側の横押しシリンダを予め設定した設定横押し時間だけ作動させるステップ３ａと、前記厚さの差Δｄが所定の厚さ以下となるまでステップ３ａを繰り返して、この厚さの差Δｄが所定の厚さ以下になったとき以降に、前記両側の横押しシリンダを作動させるステップ３と、この両側の横押しシリンダを作動させた後に、両側のアーム部の厚さの計測値と目標寸法とを比較するステップ４を備え、少なくとも、両側のアーム部の厚さが目標寸法に到達するまで前記横押しシリンダで前記アーム部の圧縮を行なうことを特徴とする一体型クランク軸の鍛造方法。
クロスヘッドの下方に配設された、このクロスヘッドの圧下に連動して丸棒状素材の軸方向に互いに接近するように駆動される一対のジャーナル把持ダイスと、この一対のジャーナル把持ダイスの間の、クロスヘッドに上端が連接された丸棒状素材のピン部押し下げ用ポンチと、このピン部の両側のアーム部を仕上げ圧縮する両側の横押しシリンダを備えた一体型のクランク軸の鍛造装置であって、
前記両側のアーム部の厚さを計測する手段と、このアーム部厚さの計測値からアーム部の圧縮速度を算出する手段と、前記横押しシリンダを制御する手段を備え、前記アーム部の圧縮速度が所定の速度以下になり、かつ、前記厚さの差が所定の厚さを超える場合にアーム部の目標厚さからの差が大きいアーム部側の横押しシリンダを予め設定した設定横押し時間だけ作動させ、前記厚さの差Δｄが所定の厚さ以下となるまで前記横押しシリンダの作動を繰り返して、両側のアーム部の厚さの差が所定の値になった以降に、両側の横押しシリンダを作動させるようにしたことを特徴とする一体型クランク軸の鍛造装置。