JP5152079B2 - 型鍛造クランク軸、その製造方法、およびその製造に用いられる型鍛造用金型 - Google Patents

Description

本発明は、熱間鍛造によって製造される型鍛造クランク軸に関し、特に、型鍛造クランク軸が外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する場合、穴あけ加工によって形成される加工穴において高周波焼入れに起因する割れの発生を防止できる型鍛造クランク軸、その製造方法、およびその製造に用いられる型鍛造用金型に関する。

クランク軸は、ピストンの往復運動を回転運動に変換して動力を得るエンジンの主要部品であり、型鍛造によって製造されるものと、鋳造によって製造されるものとに大別される。自動車や船舶や建設機械などのエンジンにおいては、多くの場合、クランク軸に高い強度と剛性が要求されることから、型鍛造によって製造される型鍛造クランク軸が広く用いられている。

通常、型鍛造クランク軸は、角鋼片または丸鋼片を素材とし、予備成形工程、型鍛造工程、バリ抜き工程および整形工程を順に経て製造される。予備成形工程には、ロール成形工程と曲げ打ち工程が含まれ、型鍛造工程には、荒打ち工程と仕上打ち工程が含まれる。

ロール成形工程では、加熱した鋼片を孔型ロールで圧延してその体積を長手方向に分配する。曲げ打ち工程では、ロール成形で得られた中間素材を長手方向と直角な方向にプレスしてその体積を分配する。

荒打ち工程では、最終鍛造製品の寸法形状と概ね一致した彫刻部を有する上下に一対の金型を用い、予備成形で得られた中間素材をプレス鍛造する。仕上打ち工程では、最終鍛造製品の寸法形状と一致した彫刻部を有する上下に一対の金型を用い、荒打ちで得られた中間素材をプレス鍛造する。これら荒打ちおよび仕上打ちのとき、互いに対向する金型の型割面の間から、余材がバリとして流出する。

バリ抜き工程では、仕上打ちで得られたバリ付きの中間鍛造製品を上下から金型で保持しつつ、刃物型によってバリを打ち抜き除去する。整形工程では、バリを除去した中間鍛造製品を上下から金型でプレスし、最終鍛造製品の寸法形状に矯正する。こうして、型鍛造クランク軸が製造される。

図１は、従来の型鍛造クランク軸の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は軸部を代表するフランジ部の径方向断面図、同図（ｄ）はフランジ部の外側端面図である。同図では、直列４気筒エンジン用の型鍛造クランク軸１０１を例示している。

図１に示す型鍛造クランク軸１０１は、フロント部２、５つのジャーナル部３、４つのピン部４、フランジ部５、および各ジャーナル部３と各ピン部４の間に配置される８つのカウンターウエイト６から構成される。これらのうちで、フロント部２、ジャーナル部３およびフランジ部５は、クランク軸の回転中心と同軸上に配置され、ピン部４は、クランク軸の回転中心からピストンストロークの半分の距離を隔てて配置される。これらのフロント部２、ジャーナル部３、ピン部４およびフランジ部５は、いずれも円柱状の軸部である。

型鍛造クランク軸１０１は、上述した型鍛造工程でバリが発生し、そのバリをバリ抜き工程で除去されることから、その痕跡として、全周にわたりバリ線７が現れる。通常、軸部（フロント部２、ジャーナル部３、ピン部４およびフランジ部５）は、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、径方向断面の形状がバリ線７を挟んで型鍛造用金型の上型側と下型側とで対称の半円状とされる。

このような型鍛造クランク軸１０１は、エンジンに搭載するクランク軸として機能させるため、種々の加工や熱処理が施される（例えば、特許文献１、２参照）。

図２は、型鍛造クランク軸を加工した後の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はフランジ部の外側端面図である。同図に例示する型鍛造クランク軸１０１は前記図１に示すものに対応し、図２（ａ）では、一部を断面図で表している。

図２に示すように、フロント部２、ジャーナル部３、ピン部４およびフランジ部５は、いずれも外周を機械加工され、所定の外径に仕上げられる。ジャーナル部３は、すべり軸受ブッシュを介してエンジンブロックに支持される。ピン部４は、ピストンが連結されたコンロッドの端部に、すべり軸受ブッシュを介して連結される。

ジャーナル部３およびピン部４には、穴あけ加工により、径方向に貫通する油穴８ａ、８ｂがそれぞれ設けられ、さらにピン部４の油穴８ｂとジャーナル部３の油穴８ａを連通する油穴８ｃが設けられる。クランク軸がエンジン内で回転する際、ジャーナル部３には、これを支持するエンジンブロックから潤滑油が供給され、ピン部４には、その潤滑剤が油穴８ａ、８ｃ、８ｂを通じて供給される。

フランジ部５の外側端面には、穴あけ加工により、同一円周上で等間隔に複数のボルト穴９が設けられる。フランジ部５の外側端面には、フライホイールが取り付けられ、このフライホイールはボルト穴９と螺合するボルトによって強固に固定される。

ジャーナル部３およびピン部４は、すべり軸受ブッシュと摺動することから、耐摩耗性が要求される。このため、ジャーナル部３およびピン部４は、外周に高周波焼入れが施されることが多い。また、フランジ部５の外周にも高周波焼入れが施されることがある。

特開２０００−１４５８９０号公報 特開平５−３４０４１８号公報

このように外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施された軸部は、穴あけ加工によって形成された加工穴（ジャーナル部の油穴や、ピン部の油穴や、フランジ部のボルト穴など）に、高周波焼入れに起因して割れ（以下、「穴割れ」ともいう）が発生することがある。すなわち、軸部の外周には高周波焼入れにより焼入れ硬化層が形成され、この焼入れ硬化層およびその焼境層には著しい引張応力が作用するため、その焼入れ硬化層または焼境層に加工穴が重なる場合、引張応力の作用により、焼割れや置き割れといった穴割れが発生し易い。

図３は、加工後の型鍛造クランク軸において、高周波焼入れに起因する穴割れの発生状況の一例を示すフランジ部の外側端面図である。同図に示すように、フランジ部５の外周に高周波焼入れが施され、焼入れ硬化層１０または焼境層にボルト穴９が重なる場合、ボルト穴９からフランジ部５の外周にわたって穴割れ１４が発生する。

従来、穴割れが発生した場合、高周波焼入れの条件を調整して対処している。しかし、高周波焼入れ条件の調整は、極めて煩雑な作業であり、焼入れ硬化層の特性を変動させるおそれもあることから、限界がある。このため、高周波焼入れ条件の調整では穴割れの発生を十分に抑制することができず、新たな対応策が強く望まれている。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、型鍛造クランク軸が外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する場合、バリ線の位置を規定することにより、加工穴で高周波焼入れに起因する割れの発生を防止できる型鍛造クランク軸、その製造方法、およびその製造に用いられる型鍛造用金型を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、型鍛造クランク軸に外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れを施し、フランジ部において穴割れが発生したものを詳細に調査した。その結果、穴割れは、バリ線上に中心が重なる特定のボルト穴のみに発生していることが分かった。

図４は、加工後の型鍛造クランク軸において、穴割れの発生位置を説明するフランジ部の外側端面図である。同図では、加工前のフランジ部の外周およびバリ線７も合わせて示している。同図に示すように、バリ線７上に中心が重なるボルト穴９には穴割れ１４が発生し、その他のボルト穴９には穴割れが発生しない。

このような穴割れの発生状況は以下の理由から説明することができる。型鍛造クランク軸の素材である鋼片には各種の介在物が存在する。この介在物は、型鍛造クランク軸を製造する際の型鍛造工程において、金型の型割面の間から流出するバリにも含まれる。このとき、型鍛造用金型の型割面の近傍では鋼が著しく圧下され、鋼の流動も著しいことから、介在物のうちのマンガン硫化物（以下、「ＭｎＳ」という）がバリ中で伸長し、細長い線状になる。

このため、型鍛造クランク軸のバリ線上には、多くのＭｎＳが細長い線状で存在し、このＭｎＳにより割れ感受性が高まる。このことから、バリ線上に中心が重なるように加工穴が設けられた場合、細長い線状のＭｎＳを起点にして加工穴に割れが発生し易い。

一方、バリ線から外れた位置では、型鍛造工程でＭｎＳが細長い線状になることは少なく、割れ感受性が低い。このため、バリ線から外れた位置に中心が重なるように加工穴が設けられた場合は、加工穴に割れが発生し難い。

本発明は、以上の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）の型鍛造クランク軸、下記（２）の型鍛造クランク軸の製造方法、および下記（３）の型鍛造クランク軸の型鍛造用金型を要旨としている。

（１）外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する型鍛造クランク軸であって、前記軸部として、当該型鍛造クランク軸の後端部を構成し、外側端面に前記穴あけ加工によってボルト穴が穿設されるフランジ部を有し、前記フランジ部のバリ線が前記ボルト穴の中心から外れた位置に設けられ、且つ前記フランジ部の径方向断面の形状が前記バリ線を挟んで非対称であることを特徴とする型鍛造クランク軸である。

（２）外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する型鍛造クランク軸の製造方法であって、前記型鍛造クランク軸は、前記軸部として、当該型鍛造クランク軸の後端部を構成し、外側端面に前記穴あけ加工によってボルト穴が穿設されるフランジ部を有するものであり、当該製造方法は、前記ボルト穴の中心から外れた位置に型割面が配置され、且つ前記フランジ部の径方向断面の形状が前記型割面を挟んで非対称である金型を用いて、鍛造を行う型鍛造工程と、前記型割面の間から流出したバリを除去するバリ抜き工程と、を含むことを特徴とする型鍛造クランク軸の製造方法である。

（３）外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する型鍛造クランク軸の型鍛造用金型であって、前記型鍛造クランク軸は、前記軸部として、当該型鍛造クランク軸の後端部を構成し、外側端面に前記穴あけ加工によってボルト穴が穿設されるフランジ部を有するものであり、当該型鍛造用金型は、前記ボルト穴の中心から外れた位置に型割面が配置され、且つ前記フランジ部の径方向断面の形状が前記型割面を挟んで非対称であることを特徴とする型鍛造クランク軸の型鍛造用金型である。

本発明の型鍛造クランク軸によれば、軸部に形成される加工穴の中心が、細長い線状のＭｎＳが多く存在するバリ線上に重ならないため、加工穴での割れ感受性が低減し、軸部の外周に高周波焼入れが施される場合であっても、加工穴で高周波焼入れに起因する穴割れの発生を防止することができる。

また、本発明の型鍛造クランク軸の製造方法によれば、加工穴の中心から外れた位置に型割面を配置した本発明の型鍛造用金型を用いることにより、加工穴で高周波焼入れに起因する穴割れの発生を防止できる型鍛造クランク軸を製造することが可能になる。

従来の型鍛造クランク軸の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は軸部を代表するフランジ部の径方向断面図、同図（ｄ）はフランジ部の外側端面図である。 型鍛造クランク軸を加工した後の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はフランジ部の外側端面図である。 加工後の型鍛造クランク軸において、高周波焼入れに起因する穴割れの発生状況の一例を示すフランジ部の外側端面図である。 加工後の型鍛造クランク軸において、穴割れの発生位置を説明するフランジ部の外側端面図である。 本発明の型鍛造クランク軸の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）はフランジ部の外側端面図、同図（ｃ）はフランジ部の内側端面図である。 本発明の型鍛造クランク軸におけるバリ線形状の変形例を示すフランジ部の外側端面図である。 前記図５に示す本発明の型鍛造クランク軸の製造工程を説明する図である。 実施例の試験における介在物形態の調査結果を示す図であり、同図（ａ）は本発明例の結果を示し、同図（ｂ）は比較例の調査結果を示している。

以下に、本発明の型鍛造クランク軸、その製造方法、およびその製造に用いられる型鍛造用金型の実施形態について詳述する。

図５は、本発明の型鍛造クランク軸の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）はフランジ部の外側端面図、同図（ｃ）はフランジ部の内側端面図である。同図に例示する型鍛造クランク軸１は前記図１および図２に示すものに対応し、図５（ｂ）では、加工後のフランジ部の外周およびボルト穴９も合わせて示している。

同図に示すように、本実施形態の型鍛造クランク軸１においては、フランジ部５のバリ線７が、フランジ部５の中心から型鍛造用金型の上型側にシフトされて、ボルト穴９の中心から外れた位置に設けられている。すなわち、図５（ｂ）に示すように、フランジ部５は、径方向断面の形状がバリ線７を挟んで上型側と下型側とで非対称とされる。この場合、ボルト穴９からフランジ部５表面までの引張応力が高くなる最短距離上にバリ線７が存在しない。

一方、フランジ部５以外の他の軸部（フロント部２、ジャーナル部３およびピン部４）は、図１に示す従来の型鍛造クランク軸１０１と同様に、径方向断面の形状がバリ線７を挟んで上型側と下型側とで対称の半円状とされる。

このような構成の型鍛造クランク軸１によれば、フランジ部５に形成されるボルト穴９の中心が、細長い線状のＭｎＳが多く存在するバリ線７上に重ならないため、ボルト穴９での割れ感受性が低減する。その結果、フランジ部５の外周に高周波焼入れが施される場合であっても、ボルト穴９で高周波焼入れに起因する穴割れの発生を防止することができる。

図６は、本発明の型鍛造クランク軸におけるバリ線形状の変形例を示すフランジ部の外側端面図である。図６（ａ）に示すように、フランジ部５のバリ線７を、フランジ部５の中心から下型側にシフトして、ボルト穴９の中心から外れた位置に設けても構わない。また、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、フランジ部５のバリ線７を、ボルト穴９の中心から外れるように斜めに設けても構わない。

図７は、前記図５に示す本発明の型鍛造クランク軸の製造工程を説明する図である。同図では、製造工程のうちの型鍛造工程とバリ抜き工程を示し、フランジ部に設けるボルト穴９も合わせて示している。

型鍛造工程では、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、フランジ部５を形成する彫刻部の形状が上型１１と下型１２とで異なる金型を用いる。具体的には、上型１１と下型１２それぞれのフランジ部５での型割面１１ａ、１２ａが、フランジ部５の中心からいずれも同じ上型側方向にシフトされ、ボルト穴９の中心から外れた位置に配置されている。すなわち、フランジ部５に対応する彫刻部は、径方向断面の形状が上型１１と下型１２とで非対称とされる。

このような金型を用いて型鍛造を行うと、図７（ｂ）に示すように、互いに対向する上型１１と下型１２の型割面１１ａ、１２ａの間からバリ１３が流出する。これにより、バリ１３がボルト穴９の中心から外れた位置に設けられた状態になる。

そして、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、バリ抜き工程でバリ１３を打ち抜いて除去する。これにより、バリ線７がボルト穴９の中心から外れた位置に設けられ、フランジ部５のボルト穴９で穴割れの発生を防止できる型鍛造クランク軸を得ることが可能になる。

本発明の型鍛造クランク軸の効果を確認するため、以下に示す試験を実施して、その結果を評価した。試験では、下記表１に代表組成を示す硫黄快削鋼の鋼片を用いて熱間鍛造を行い、フランジ部のバリ線がボルト穴の中心から外れた前記図５に示す型鍛造クランク軸（本発明例）を２０本製造した。また、比較のため、同鋼種の鋼片を用いて、フランジ部のバリ線がボルト穴の中心上にある前記図１に示す型鍛造クランク軸（比較例）を２０本製造した。これらの供試クランク軸におけるフランジ部の外径はφ９０ｍｍとした。

各供試クランク軸のフランジ部について、外径をφ８５ｍｍに加工するとともに、比較例の供試クランク軸のバリ線上に相当する位置に、フランジ部の外周と３ｍｍの隙間を設けて、内径がφ１２ｍｍで深さが１３ｍｍの穴を加工した後、高周波焼入れを施してフランジ部の外周に厚さが１．５ｍｍの焼入れ硬化層を形成した。そして、２時間放置した後、加工穴とフランジ部の外周にわたる領域を目視観察して、穴割れの発生状況を調査した。さらに、同領域からサンプルを採取し、研磨を行った後、顕微鏡を用いて撮影したサンプル表面の画像を画像解析し、検出した介在物の形態を調査した。

本発明例の供試クランク軸では、穴割れは１本も発生しなかった。一方、比較例の供試クランク軸では、２０本中３本に穴割れが発生した。

図８は、実施例の試験における介在物形態の調査結果を示す図であり、同図（ａ）は本発明例の結果を示し、同図（ｂ）は比較例の調査結果を示している。同図では、画像解析で検出した各介在物の幅Ｗに対する長さＬの比率（Ｌ／Ｗ）を縦軸とし、各介在物の等面積円相当径を横軸として、介在物の形態をまとめた。尚、調査は、バリ線がボルト穴の中心から外れた本発明例においては、バリ線に最も近いボルト穴からフランジ部表面までの最短距離上を含む領域、バリ線がボルト穴の中心上にある比較例では当該ボルト穴からフランジ部表面までの最短距離上を含む領域にて、それぞれ行った。

本発明例の供試クランク軸では、図８（ａ）に示すように、介在物（ＭｎＳ含む）は、全てＬ／Ｗが４以下であり、円相当径も小さいことから、短いことが分かる。このため、本発明例の場合、割れ感受性が低く、穴割れが発生し難いことが明らかになった。

一方、比較例の供試クランク軸では、図８（ｂ）に示すように、同領域に存在する介在物（ＭｎＳ含む）は、その多くでＬ／Ｗが４を超え、円相当径も大きいことから、細長い線状であることが分かる。このため、比較例の場合、割れ感受性が高く、穴割れが発生し易いことが明らかになった。

その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、高周波焼入れが施されるジャーナル部やピン部について、油穴がバリ線上に開口するように設計されている場合、そのバリ線を油穴の中心から外れる位置に変更することができる。

本発明の型鍛造クランク軸によれば、軸部に形成される加工穴の中心がバリ線上に重ならないため、加工穴での割れ感受性が低減し、軸部の外周に高周波焼入れが施される場合であっても、加工穴で高周波焼入れに起因する穴割れの発生を防止することができる。

また、本発明の型鍛造クランク軸の製造方法によれば、加工穴の中心から外れた位置に型割面を配置した本発明の型鍛造用金型を用いることにより、加工穴で高周波焼入れに起因する穴割れの発生を防止できる型鍛造クランク軸を製造することが可能になる。

１：型鍛造クランク軸、 ２：フロント部、 ３：ジャーナル部、
４：ピン部、 ５：フランジ部、 ６：カウンターウエイト、
７：バリ線、 ８ａ、８ｂ、８ｃ：油穴、 ９：ボルト穴、
１０：焼入れ硬化層、 １１：上型、 １２：下型、
１１ａ：上型の型割面、 １２ａ：下型の型割面、 １３：バリ、
１４：穴割れ

Claims (3)

1. 外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する型鍛造クランク軸であって、
   前記軸部として、当該型鍛造クランク軸の後端部を構成し、外側端面に前記穴あけ加工によってボルト穴が穿設されるフランジ部を有し、
   前記フランジ部のバリ線が前記ボルト穴の中心から外れた位置に設けられ、且つ前記フランジ部の径方向断面の形状が前記バリ線を挟んで非対称であることを特徴とする型鍛造クランク軸。
2. 外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する型鍛造クランク軸の製造方法であって、
   前記型鍛造クランク軸は、前記軸部として、当該型鍛造クランク軸の後端部を構成し、外側端面に前記穴あけ加工によってボルト穴が穿設されるフランジ部を有するものであり、
   当該製造方法は、前記ボルト穴の中心から外れた位置に型割面が配置され、且つ前記フランジ部の径方向断面の形状が前記型割面を挟んで非対称である金型を用いて、鍛造を行う型鍛造工程と、
   前記型割面の間から流出したバリを除去するバリ抜き工程と、を含むことを特徴とする型鍛造クランク軸の製造方法。
3. 外周加工、穴あけ加工および高周波焼入れが施される軸部を有する型鍛造クランク軸の型鍛造用金型であって、
   前記型鍛造クランク軸は、前記軸部として、当該型鍛造クランク軸の後端部を構成し、外側端面に前記穴あけ加工によってボルト穴が穿設されるフランジ部を有するものであり、
   当該型鍛造用金型は、前記ボルト穴の中心から外れた位置に型割面が配置され、且つ前記フランジ部の径方向断面の形状が前記型割面を挟んで非対称であることを特徴とする型鍛造クランク軸の型鍛造用金型。

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