JP5145987B2 - 金属製部品の加工方法及び金属製部品の加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属製部品の加工方法及び金属製部品の加工装置に関する。

金属製部品の加工方法として、金属製部品の貫通孔内に半割型の一対の拡張具（マンドレル）を嵌合して、その拡張具間に楔を打ち込むことにより、該金属製部品を、貫通孔部分において第１分割部品と第２分割部品とに破断するものが知られている。近時においては、この種の加工方法は、改良が加えられ、特許文献１に示すように、上記楔の移動速度を制御することにより金属製部品の破断の進行を制御して、第１，第２分割部品が形成する貫通孔の真円度を所定の真円度とするものも提案されている。
特開２００５−１４４５６０号公報

しかし、上記金属製部品の加工方法にあっては、楔の移動速度と金属製部品の破断状態との関係に一定の関係がなく、第１，第２分割部品が形成する貫通孔の真円度が所定の真円度にならない場合がある。そのような場合には、第１，第２分割部品をボルト締付けにより一体化する際、そのボルトの軸力（締付力）が、分割面圧着力だけでなく、ボルトホールの真直度悪化を矯正する力にも利用されることになり、第１，第２分割部品の分離荷重は低下せざるを得ない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、その第１の技術的課題は、第１，第２分割部品を一体化するためのボルト締付軸力を高く安定した所定値に管理できる金属製部品の加工方法を提供することにある。
第２の技術的課題は、上記金属製部品の加工方法を使用する金属製部品の加工装置を提供することにある。

前記第１の技術的課題を達成するために本発明（請求項１に係る発明）においては、
金属製部品の貫通孔内に半割型の一対の拡張具を嵌合して、その一対の拡張具を離間させることにより該金属製部品を第１分割部品と第２分割部品とに破断する金属製部品の加工方法において、
前記金属製部品を前記第１分割部品と前記第２分割部品とに破断した後に、該第１分割部品と該第２分割部品とを再び組み合わせた上で、該第１分割部品と該第２分割部品との合わせ部を、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔内から径方向外方に向けて拡開して、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を矯正する構成としてある。この請求項１の好ましい態様としては、請求項２〜４の記載の通りとなる。

前記第２の技術的課題を達成するために本発明（請求項５に係る発明）においては、
破断装置と矯正装置とが備えられ、
破断装置が、金属製部品の貫通孔内に半割型の一対の拡張具を嵌合して、その一対の拡張具を離間させることにより該金属製部品を第１分割部品と第２分割部品とに破断するように設定され、
前記矯正装置が、前記第１分割部品と前記第２分割部品とを再び組み合わせた上で、該第１分割部品と該第２分割部品との合わせ部を、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔内から径方向外方に向けて拡開して、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を矯正するように設定されている、
ことを特徴とする金属製部品の加工装置とした構成としてある。この請求項５の好ましい態様としては、請求項６の記載の通りとなる。

請求項１に係る発明によれば、金属製部品の破断後に、第１分割部品と第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を矯正することから、これに伴い、ボルトホールの真直度も是正されることになり、第１，第２分割部品をボルト締付けにより一体化する際、そのボルトの締付軸力のほとんどを第１，第２分割部品の分割面圧着力に利用できることになる。このため、第１，第２分割部品を一体化するためのボルト締付軸力を高く安定した所定値に管理できる。

請求項２に係る発明によれば、金属製部品を第１分割部品と第２分割部品とに破断した後に、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を計測し、貫通孔の真円度が悪化傾向にあるほど合わせ部に対する矯正加工量を多くすることから、金属製部品の破断条件等の変化により第１，第２分割部品が形成する貫通孔の真円度が変化しても、その状況を的確に把握した上でその貫通孔の真円度を矯正できる。このため、金属製部品の破断条件等の変化により第１，第２分割部品が形成する貫通孔の真円度が悪化することを防止できる。

請求項３に係る発明によれば、金属製部品を第１分割部品と第２分割部品とに破断した後に、該第１分割部品と該第２分割部品との破断面にブラシ加工を施すことから、その両破断面を位置合わせする際、抵抗となる部分（破断時に破断面の先端面に形成）が存在することをなくし、ボルトの締付軸力がその抵抗となる部分に消費されることを防止できる。このため、この観点からも、第１，第２分割部品を一体化するためのボルト締付軸力を高く安定した所定値に管理できる。

請求項４に係る発明によれば、金属製部品が一体成形された鋼製コンロッドであり、第１分割部品がコンロッドのロッドであり、第２分割部品がコンロッドのキャップであるから、ロッドとキャップとからなるコンロッドを作製する場合においても、上記各作用効果を得ることができる。特に、金属製部品が鋼製コンロッドとされて、焼結材を用いたコンロッドの場合よりも延性があることから、破断時に、ロッドとキャップとが形成する貫通孔の真円度が悪化傾向（変形が大きい状態）にあるけれども、真円度の矯正により的確に対応して、第１，第２分割部品を一体化するためのボルト締付軸力が低下すること（消費されること）を抑制できる。

請求項５に係る発明によれば、当該装置を用いることにより、請求項１に係る金属製部品の加工方法を使用する金属製部品の加工装置を提供できる。

請求項６に係る発明によれば、当該装置を用いることにより、請求項２に係る金属製部品の加工方法を使用する金属製部品の加工装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、エンジンのコンロッドの加工を例にとって、図面に基づいて説明する。

先ず、実施形態に係る金属製部品の加工方法の説明に先立ち、その加工方法を使用する加工装置について説明する。本発明に係る加工装置１は、破断装置１０と、計測装置２０と、矯正装置３０と、制御手段としての制御ユニットＵと、を備えている。

前記破断装置１０は、図１に示すように、鋼材料を用いて一体的に作製（一体成形）されたコンロッドＷをロッドＷ１とキャップＷ２（図７参照）の二部品に破断するべく、半割型の一対の拡張具としての一対のマンドレル１２ａ，１２ｂと、そのマンドレル１２ａと１２ｂとの間に打ち込まれる楔１４と、楔１４を移動させる駆動手段としての油圧アクチュエータ１６とを備えている。

前記一対のマンドレル１２ａ，１２ｂは、コンロッドＷが有しているピストンピン支持用小径孔Ｈ１及びクランクピン支持用大径孔（貫通孔）Ｈ２のうち、大径孔Ｈ２部分を破断すべく、間隔Ｌをあけて大径孔Ｈ２内に嵌合されるように構成されている。その一対のマンドレル１２ａ，１２ｂには、コンロッドＷの大径孔Ｈ２の内周面Ｐに当接して押圧するための押圧面２２ａ，２２ｂ、楔１４と当接するテーパ面２４ａ，２４ｂが備えられている。また、図示は略されているが、一対のマンドレル１２ａ，１２ｂは、コンロッドＷの小径孔Ｈ１及び大径孔Ｈ２の並設方向Ｂにのみ移動するように規制されている（例えばマンドレル１２ａ，１２ｂは、小径孔Ｈ１及び大径孔Ｈ２の並設方向Ｂに延びるレール上を移動するように構成されている。）

前記楔１４は、一対のマンドレル１２ａ，１２ｂ間において、コンロッドＷの大径孔Ｈ２の軸心延び方向に移動するように構成されている。この楔１４の先端側周面は、その移動に伴って、マンドレル１２ａ，１２ｂのテーパ面２４ａ，２４ｂに当接することになっており、これにより、楔１４は、小径孔Ｈ１及び大径孔Ｈ２の並設方向Ｂにおいて、マンドレル１２ａ，１２ｂをその両者１２ａ，１２ｂ間の間隔Ｌが拡がるように移動させる機能を果たす。

前記油圧アクチュエータ１６は、楔１４に駆動力を付与するものであり、この油圧アクチュエータ１６の駆動力により、楔１４は一対のマンドレル１２ａ，１２ｂ間に打ち込まれる。

前記計測装置２０は、前記破断装置１０によりコンロッドＷがロッドＷ１とキャップＷ２の二部品に破断された後、そのロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２の真円度を計測するものである。具体的には、図２に示すように、支持台２１上に、ロッドＷ１とキャップＷ２とが再び組み合わせられた状態（大径孔Ｈ２を形成するよう合わせられた状態）に位置決めされ（位置決め手段は図示を略す）、その状態のロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２に関し、少なくとも、小径孔Ｈ１及び大径孔Ｈ２の並設方向Ｂの長さＬ１、ロッドＷ１とキャップＷ２の両合わせ部Ｗ１２間の長さＬ２が計測され（図３，図４参照）、それらに基づき真円度Ｌ１−Ｌ２が演算される。勿論、真円度Ｌ１−Ｌ２に関しては、後述の制御ユニットＵに演算させ、計測装置２０は、Ｌ１，Ｌ２のみを計測してもよい。この計測装置２０としては、既存の定寸装置等が用いられる。

図３，図４は、真円度Ｌ１−Ｌ２の具体的態様を示すものである。図３は、真円度Ｌ１−Ｌ２の悪化傾向が高いもの（値大）を示しており、図４は、真円度Ｌ１−Ｌ２＝０、すなわち真円の状態を示している。

前記矯正装置３０は、破断装置１０に基づき悪化した大径孔Ｈ２の真円度を矯正するものである。このため、矯正装置３０は、図５に示すように、支持具３１と、拡開具３２とを備えている。支持具３１は、図示を略す支持台上に位置固定されており、支持具３１は、同じく支持台に設けられる位置決めピン３３にロッドＷ１とキャップＷ２とを合わせた状態でセットすることにより、そのロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２内に、その半分程度の一方の領域において挿入された状態となる。この支持具３１は、その外周面が円弧状に形成されており、その円弧状の外周面は、ロッドＷ１とキャップＷ２が形成する大径孔Ｈ２の内周面に沿いつつ、一方の合わせ部（分離部）Ｗ１２に臨んでいる。拡開具３２は、ロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２内に、他方の領域において挿入されており、その拡開具３２は、他方の合わせ部（分離部）Ｗ１２に臨んでいる。この拡開具３２には、駆動シリンダ３４が連結されており、その駆動シリンダ３４の伸縮動に基づき、拡開具３２は支持具３１に対して接近、離間動できることになっている。このため、大径孔Ｈ２の矯正に際しては、一方の合わせ部Ｗ１２が支持具３１外周面に当接される一方、他方の合わせ部Ｗ１２には拡開具３２により押圧力が付与され、これにより、両合わせ部Ｗ１２間が拡開されることになっている。尚、図５中、符号３５は、ロッドＷ１とキャップＷ２とを一体化するために用いられるボルトホールである。

制御ユニットＵは、前記計測装置２０から計測信号（真円度信号）を受け入れて、その真円度に応じた制御信号を前記駆動シリンダ３４に出力することになっている。具体的には、真円度が悪化傾向にあるほど（Ｌ１−Ｌ２が大ほど）、両合わせ部Ｗ１２に対する矯正加工量（拡開量）が多くなる制御信号を駆動シリンダ３４に出力するように設定されている。

次に、実施形態に係る金属製部品の加工方法について、前記加工装置１の作用と共に説明する。
先ず、図６に示すように、破断工程が実行される。破断工程においては、破断すべき対象として、図７，図８に示すように、鋼材料を用いて一体的に作製（一体成形）されたコンロッドＷが用意される。破断すべき対象を、一体的に作製（一体成形）されたコンロッドＷとしているのは、コンロッドＷをロッドＷ１とキャップＷ２の二部品に破断して、その両者Ｗ１，Ｗ２の破断面を合わせ面として利用することにより、その両者Ｗ１，Ｗ２の合わせ面に沿う方向の位置ずれを防止するためである。これにより、これまで位置ずれ防止のために用いられてきた規制部品（ピン等）を省くことができることになり、軽量化等を図ることができることになる。破断すべき対象を鋼材料品（スチール材料品）としているは、焼結材料品に比べて延性があるために、破断（後述の破断工程）時に、大径孔Ｈ２部分の変形が大きくなり、その変形によりボルトホール３５の真直度が、図５に示すように、悪化する問題点が発生するものの、その問題点については当該加工方法の実施により解消することになったからである。これにより、矯正にボルトの締付軸力が利用されることがなくなり、ボルト締付軸力を高く安定した所定値に管理できることになる。
尚、コンロッドＷを鋼材料を用いて一体的に作製しているのは、焼結材を用いて作製された場合に比して、強度を高めて軽量化を図るようにするためである。

また、このコンロッドＷは、前述した如く、小径孔Ｈ１と、大径孔Ｈ２とを備えており、その小径孔Ｈ１及び大径孔Ｈ２は、研磨加工等の加工により所定の真円度になっている。そのうち、大径孔Ｈ２の内周面Ｐには、図７，図８に示すように、Ｖ字形状の破断溝（ノッチ）Ｎ１，Ｎ２が形成されている。この両破断溝Ｎ１，Ｎ２は、所定の破断線（大径孔Ｈ２の中心を通過し、大径孔Ｈ２及び小径孔Ｈ１の並設方向Ｂと直交する線）ＢＬ上で破断するようにするべく、その破断線ＢＬと交差する大径孔Ｈ２の内周面Ｐ上を大径孔Ｈ２の軸心延び方向に延びている。尚、上記破断溝Ｎ１，Ｎ２は、Ｖ字形状に限らず、例えばレーザ加工で多数の細孔を形成して破断促進部としたものであってもよい。

破断工程においては、破断装置１０が用いられる。破断装置１０においては、図１に示すように、上記コンロッドＷの大径孔Ｈ２内に半割型の一対のマンドレル１２ａ，１２ｂが嵌合され、その半割型のマンドレル１２ａ，１２ｂ間に楔１４が打ち込まれる。これにより、コンロッドＷの大径孔Ｈ２部分は、マンドレル１２ａ，１２ｂの拡張力、破断溝Ｎ１，Ｎ２の作用を受けることになり、コンロッドＷは、ロッドＷ１とキャップＷ２の二部品に破断される。このようにコンロッドＷをロッドＷ１とキャップＷ２の二部品に破断するのは、ロッドＷ１とキャップＷ２とがその合わせ面に沿う方向に位置ずれすることを防止するべく、互いに噛み合う破断面をロッドＷ１及びキャップＷ２に形成するためである。

次に、図６に示すように、計測工程に移行される。計測工程においては、図２に示すように、計測装置２０が用いられ、位置決めされたロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２において、小径孔Ｈ１及び大径孔Ｈ２の並設方向Ｂの長さＬ１、両合わせ部Ｗ１２間の長さＬ２が計測される。そして、計測装置２０は、真円度Ｌ１−Ｌ２を計算し、その真円度Ｌ１−Ｌ２を制御ユニットＵに出力する。ロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２の真円度の状況を的確に把握し、この後の矯正工程を的確に実行するためである。

次に、図６に示すように、矯正工程に移行される。矯正工程においては、ロッドＷ１とキャップＷ２とが、図５に示すように、矯正装置３０における支持具３１及び拡開具３２にセットされ、ロッドＷ１とキャップＷ２との両合わせ部（一体成形されたコンロッドＷの破断部分）Ｗ１２に対して、図９に示すように、その両者Ｗ１，Ｗ２が形成する大径孔Ｈ２内から径方向外側に向けて拡開力が作用される。これにより、両合わせ部Ｗ１２は互いに離れる方向に押し広げられ、ロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２の真円度の悪化状態は低くなり、これに伴い、ボルトホール３５の真直度も是正される。この場合、矯正装置３０による矯正は、制御ユニットＵによる制御信号に基づき、真円度が悪化傾向にあるほど、矯正加工量（拡開量）が大きくされる。

図１０，図１１は、ロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する大径孔Ｈ２の真円度（Ｌ１−Ｌ２)が８０μｍであったものを真円度１０μｍに矯正したものを示している。すなわち、図５に示すように、矯正装置３０に前記ロッドＷ１及び前記キャップＷ２をセットした上で、駆動シリンダ３４により拡開具３２を引張ると、その引張り荷重と、そのときの変位（ロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する両合わせ部Ｗ１２間の拡開変位又は駆動シリンダ３４の駆動変位）とは、図１０に示すように比例特性を示し、駆動シリンダ３４による引張り荷重が４Ｔｏｎのときには変位は２ｍｍとなる。また、駆動シリンダ３４による引張り荷重と真円度補正量との関係に関しては、同じく図１０に示すように、引張り荷重が３Ｔｏｎ当たりから真円度補正量が急激に立上がり、駆動シリンダ３４による引張り荷重が４Ｔｏｎのときには真円度補正量は７０μｍとなる。したがって、ロッドＷ１とキャップＷ２とが形成する両合わせ部Ｗ１２間の間隔を、駆動シリンダ３４による４Ｔｏｎの引張り荷重で約２ｍｍだけ変位させたときには、真円度の悪化量が約７０μｍだけ矯正（改善）されることになり、当初、真円度が８０μｍであったものは、矯正後においては、図１１に示すように、真円度が１０μｍに修正される。これに伴い、ボルトホール３５の真直度も改善されることになり、分離荷重効果（ボルトの締付軸力効果）は、図１２に示すように、矯正加工なしでブラッシング処理したものに比較して１７％向上した。

次に、本実施形態においては、図６に示すように、ブラッシング工程に移行される。ブラッシング工程においては、ロッドＷ１の破断面及びキャップＷ２の破断面がブラシによりブラッシングされ、各破断面は、延性破面（ディンプル模様の出現）に修正（例えばブラッシングにより約４．２％減）される。これは、ロッドＷ１における破断面とキャップＷ２における破断面とは、基本的には、その両者Ｗ１，Ｗ２の破断面の凹凸が互いに噛み合って、その両者Ｗ１，Ｗ２の合わせ面の沿う方向に位置ずれしないことになるものの、破断面の先端付近に噛み合いを阻害するものが存在する場合があり、そのようなものが存在したままの状態で互いの破断面を合わせると、それが抵抗部となり、ボルトの締付軸力の一部が破断面同士の噛み合わせに利用される。このため、上記の通り、ロッドＷ１の破断面及びキャップＷ２の破断面をブラシによりブラッシングし、ボルトの締付軸力が利用されることになる抵抗部を除去しようとしているのである。

図１２には、矯正工程だけでなくブラッシング工程も行ったものの分離荷重効果（ボルトの締付軸力効果）が示されている。これによれば、２９％向上し、ブラッシング工程だけを経たものよりも高い分離荷重効果を示した。

以上の工程を経たロッドＷ１、キャップＷ２は、ボルトを用いて、製品として使用される。

一体成形されたコンロッドを破断する破断装置を示す説明図。 ロッドとキャップとが形成する大径孔の径（真円度）を計測する計測装置を説明する説明図。 真円度が悪化傾向にあることを説明する説明図。 真円度が真円の状態にあることを説明する説明図。 実施形態に係る矯正装置を平面的に説明する説明図。 実施形態に係る工程の順序を示す工程図。 一体成形されたコンロッドを示す図。 図７のＸ８−Ｘ８線断面図。 真円度が悪化傾向にあるもの（破断工程直後のもの）を矯正した状態を示す説明図。 駆動シリンダによる引張り荷重と変位、駆動シリンダによる引張り荷重と真円度補正量との関係を示す特性図。 矯正工程による真円度の改善を説明する説明図。 ブラッシング及び矯正工程の両方を行った場合、矯正工程を行った場合の分離荷重効果を説明する説明図。

符号の説明

１ 加工装置
１０ 破断装置
１２ａ マンドレル（拡張具）
１２ｂ マンドレル（拡張具）
２０ 計測装置
３０ 矯正装置
３２ 拡開具
Ｈ２ 大径孔（貫通孔）
Ｗ 一体成形されたコンロッド（金属製部品）
Ｗ１ ロッド（第１分割部品又は第２分割部品）
Ｗ２ キャップ（第２分割部品又は第１分割部品）
Ｗ１２ 合わせ部
Ｕ 制御ユニット（制御手段）

Claims (6)

1. 金属製部品の貫通孔内に半割型の一対の拡張具を嵌合して、その一対の拡張具を離間させることにより該金属製部品を第１分割部品と第２分割部品とに破断する金属製部品の加工方法において、
   前記金属製部品を前記第１分割部品と前記第２分割部品とに破断した後に、該第１分割部品と該第２分割部品とを再び組み合わせた上で、該第１分割部品と該第２分割部品との合わせ部を、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔内から径方向外方に向けて拡開して、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を矯正する、
   ことを特徴とする金属製部品の加工方法。
2. 請求項１において、
   前記金属製部品を前記第１分割部品と前記第２分割部品とに破断した後に、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を計測し、
   前記貫通孔の真円度が悪化傾向にあるほど前記合わせ部に対する矯正加工量を多くする、
   ことを特徴とする金属製部品の加工方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記金属製部品を前記第１分割部品と前記第２分割部品とに破断した後に、該第１分割部品と該第２分割部品との破断面にブラシ加工を施す、
   ことを特徴とする金属製部品の加工方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   前記金属製部品が一体成形された鋼製コンロッドであり、
   前記第１分割部品が前記コンロッドのロッドであり、
   前記第２分割部品が前記コンロッドのキャップである、
   ことを特徴とする金属製部品の加工方法。
5. 破断装置と矯正装置とが備えられ、
   前記破断装置が、金属製部品の貫通孔内に半割型の一対の拡張具を嵌合して、その一対の拡張具を離間させることにより該金属製部品を第１分割部品と第２分割部品とに破断するように設定され、
   前記矯正装置が、前記第１分割部品と前記第２分割部品とを再び組み合わせた上で、該第１分割部品と該第２分割部品との合わせ部を、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔内から径方向外方に向けて拡開して、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を矯正するように設定されている、
   ことを特徴とする金属製部品の加工装置。
6. 請求項５において、
   前記金属製部品を前記第１分割部品と前記第２分割部品とに破断した後に、該第１分割部品と該第２分割部品とが形成する貫通孔の真円度を計測する計測装置と、
   前記計測装置の計測値に基づき前記矯正装置を制御して、前記貫通孔が悪化傾向にあるほど前記合わせ部に対する矯正加工量を多くする制御手段と、
   を備えている、
   ことを特徴とする金属製部品の加工装置。
   
   

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