JP5246898B1 - クランクシャフトの製造方法およびクランクシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】大径偏心部を有するとともに、両端を貫通する中空孔を有するクランクシャフトをより容易に製造する技術を提供する。
【解決手段】クランクシャフトは、軸部と、軸部よりも外径が大きく軸部から偏心した大径偏心部とを有し、両端を貫通する中空孔が設けられている。このクランクシャフトを製造するため、まず、両端を貫通する中空孔を有する中空パイプを準備する。次に、準備された中空パイプに据え込み鍛造を施すことにより、外周面および内周面が外向きに凸な凸部を形成する。そして、凸部に据え込み鍛造を施すことにより、中空孔を有する大径偏心部を形成する。
【選択図】図５

Description

この発明は、中空クランクシャフトの製造方法に関し、特に、ロータリ圧縮機構を有する圧縮機に使用される中空クランクシャフトの製造方法に関する。

近年、給湯器などのエネルギー効率の高い熱源として、大気の熱（空気熱）を移動させて熱源とするヒートポンプが注目されている。一般的に利用されている蒸気圧縮ヒートポンプ（以下、単に「ヒートポンプ」と呼ぶ）では、液化した熱媒体（「冷媒」とも呼ばれる）を蒸発器で気化させることにより熱を吸収し、気化した熱媒体を圧縮した後、圧縮された熱媒体を凝縮器で液化することにより熱を放出する一連の熱サイクルにより熱の移動が行われる。このようなヒートポンプでは熱媒体を圧縮するために種々の圧縮機が用いられているが、圧縮機はその方式ごとに異なる特性を有している。

例えば、ロータリ圧縮機は、押しのけ量を大きくすることが比較的容易であるとともに、動作時の摩擦ロスが小さいという利点を有している反面、圧縮機内での漏れやトルク変動を低減することが難しい。一方、スクロール圧縮機は、圧縮機内での漏れやトルク変動が小さいという利点を有している反面、動作時の摩擦ロスが比較的大きく、また、押しのけ量を大きくすると小型化が困難となる。そこで、小型で高性能な圧縮機を実現するため、ロータリ圧縮機により圧力を高めたガスをスクロール圧縮機によりさらに圧縮することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、このような多段圧縮機９００の一例を示す概略断面図である。多段圧縮機９００は、ロータリ式圧縮機構９１０と、スクロール式圧縮機構９２０と、モータ９３０と、モータ９３０の回転力をロータリ式圧縮機構９１０およびスクロール式圧縮機構９２０に伝達するクランクシャフト９４０とを、密閉されたハウジング９０２内に格納することにより構成されている。ハウジング９０２の底部は、潤滑油を貯留する潤滑油溜まりＯＴとなっている。

クランクシャフト９４０は、円筒状の軸部９４２と、軸部９４２よりも外径が小さいピン部９４４と、軸部９４２よりも外径が大きいクランク部９４６を有している。軸部９４２は、モータ９３０の回転子９３２に固定されており、ハウジング９０２に固定された固定子９３４に交流電力を供給することにより、軸部９４２の軸線Ａ−Ａを中心に回転する。なお、ピン部９４４は、外径が軸部９４２よりも小さく、その軸線が軸部９４２の軸線Ａ−Ａから偏心しているため、「小径偏心部」とも呼ぶことができる。一方、クランク部９４６は、外径が軸部９４２よりも大きく、その軸線が軸部９４２の軸線Ａ−Ａから偏心しているため、「大径偏心部」とも呼ぶことができる。

ロータリ式圧縮機構９１０は、ハウジング９０２に固定されたシリンダ本体９１２と、シリンダ本体９１２の上下に固定的に配置される上部軸受け９１４および下部軸受け９１６と、ロータ９１８とを有している。シリンダ本体９１２、上部軸受け９１４および下部軸受け９１６は、シリンダ室９１０ａを形成する。ロータ９１８は、クランクシャフト９４０のクランク部９４６に嵌合されており、クランクシャフト９４０の回転に伴ってシリンダ室９１０ａ内で摺動回転する。

図７に示すように、クランク部９４６およびロータ９１８は、軸部９４２の軸線Ａ−Ａ（すなわち、クランクシャフト９４０の回転軸Ａ−Ａ）から偏心している。そのため、クランクシャフト９４０が回転すると、ロータ９１８と、シリンダ本体９１２に設けられたブレード（図示しない）とにより形成された空間の容積が変化する。これにより、吸気管９０４からシリンダ室９１０ａに流入した低圧の冷媒ガスが圧縮され、中圧の冷媒ガスがハウジング９０２内に吐出される。

スクロール式圧縮機構９２０は、固定スクロール９２２と、旋回スクロール９２４と、オルダムリング９２６と、ハウジング９０２に固定されたフレーム９２８とを有している。スクロール式圧縮機構９２０の上部には、吐出カバー９０８が設けられており、この吐出カバー９０８と固定スクロール９２２とにより吐出チャンバ９０８ａが形成される。固定スクロール９２２と旋回スクロール９２４とには、それぞれ対向する面に渦巻き状のラップ９２３，９２５が設けられている。旋回スクロール９２４は、フレーム９２８との間に挟まれたオルダムリング９２６により自転が規制されるとともに、クランクシャフト９４０に設けられたピン部９４４により駆動されることにより、フレーム９２８に固定された固定スクロール９２２に対して公転運動する。

旋回スクロール９２４が固定スクロール９２２に対して公転運動すると、固定スクロール９２２に設けられた吸気口９２２ａから供給された冷媒ガスは、外周から内周に向かって移送されるとともに圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、固定スクロール９２２の中央部に設けられた吐出口９２２ｂから吐出される。

ロータリ式圧縮機構９１０からハウジング９０２内に吐出された中圧の冷媒ガスは、フレーム９２８に設けられたガス通路９２８ａを介してスクロール式圧縮機構９２０に供給される。スクロール式圧縮機構９２０に供給された中圧の冷媒ガスは、さらに圧縮され、高圧の冷媒ガスが吐出弁９２９を介して吐出チャンバ９０８ａに吐出される。そして、吐出チャンバ９０８ａ内の高圧の冷媒ガスは、吐出カバー９０８に接続された吐出管９０６から吐出される。このようにして、小型で高性能な圧縮機が実現される。

図７に示す多段圧縮機９００では、クランクシャフト９４０に一方の端から他方の端まで貫通する中空孔９４８が設けられている。中空孔９４８は、クランク部９４６側の端（以下、「下端」とも呼ぶ）からピン部９４４側に向かって伸びる孔９４８ａと、ピン部９４４側の端（以下、「上端」とも呼ぶ）からクランク部９４６側に向かって伸びる孔９４８ｂとをクランクシャフト９４０内部で接続することにより形成される。このように、クランクシャフト９４０にその両端を貫通する中空孔９４８を設けることにより、潤滑油溜まりＯＴからスクロール式圧縮機構９２０まで潤滑油を供給することが可能となっている。スクロール式圧縮機構９２０に供給された潤滑油は、フレーム９２８に設けられた潤滑油通路９２８ｂを介して潤滑油溜まりＯＴまで落ちていく際に、多段圧縮機９００の各部に行き渡る。

このようなクランクシャフト９４０は、通常、中実丸棒からの削り出しと、ドリルによる穿孔により形成される。具体的には、外径がクランク部９４６よりも大きい中実丸棒から、軸部９４２およびピン部９４４を削り出しにより形成する。次いで、下端から軸線Ａ−Ａ方向にドリルで穿孔して下端側の孔９４８ａを形成し、上端から下端側の孔９４８ａの上端に向かってドリルで穿孔して上端側の孔９４８ｂを形成する。これにより、中空孔９４８を有するクランクシャフト９４０が形成される。

特開平５−８７０８４号公報 特開２００９−２２６４１０号公報 特開２０１０−１７２９２６号公報

図７に示すように、一般的に、クランクシャフト９４０の軸部９４２は、クランクシャフト９４０の長さ方向において大部分を占めている。そのため、下端側の孔９４８ａは、クランクシャフト９４０と同程度の長さとなる。このように長い孔９４８ａをドリルで穿孔した場合、穿孔に要する時間が長くなるとともに、ドリルの消耗が早まる。また、状況によっては、ドリルが折損する可能性も高くなる。このように、クランクシャフト９４０の下端側の孔９４８ａをドリルにより穿孔することは容易ではない。

さらに、クランクシャフト９４０の長さ方向において大部分を占める軸部９４２を外径がクランク部９４６よりも大きい中実丸棒から削り出すと、切削屑が大量に発生し、歩留まりが低下する。また、切削量が多くなるため、切削のためのバイトの消耗が早まる虞がある。なお、これらの問題は、多段圧縮機９００用のクランクシャフト９４０のみならず、両端を貫通する中空孔を有するクランクシャフトであれば、小径偏心部と大径偏心部とを有するクランクシャフトや、小径偏心部を有さず大径偏心部を有するクランクシャフトにも共通する。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、大径偏心部を有するとともに、両端を貫通する中空孔を有するクランクシャフトをより容易に製造する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態としてのクランクシャフトの製造方法は、軸部と、前記軸部よりも外径が大きく前記軸部から偏心した大径偏心部とを有し、両端を貫通する中空孔が設けられたクランクシャフトの製造方法であって、（ａ）両端を貫通する中空孔を有する中空パイプを準備する工程と、（ｂ）芯材を挿入することなく前記中空パイプに据え込み鍛造を施すことにより、外周面および内周面が外向きに凸で、据え込み鍛造における加圧方向に向かって外径が大きくあるいは小さくなっているテーパー部を形成する工程と、（ｃ）芯材を挿入することなく前記テーパー部に据え込み鍛造を施すことにより、前記中空孔を有する前記大径偏心部を形成する工程とを備えることを特徴とする。
一般に、据え込み鍛造で大径偏心部を形成する場合、部分的に内向きの応力が被加工材に加わり、大径偏心部が閉塞する虞がある。これに対し、本形態では、あらかじめ据え込み鍛造により外周面および内周面が外向きに凸で、据え込み鍛造における加圧方向に向かって外径が大きくあるいは小さくなっているテーパー部を形成し、さらに、テーパー部を据え込み鍛造することで大径偏心部を形成している。この場合、大径偏心部を形成する際、テーパー部では外向きの応力が発生するので、大径偏心部を形成する際の内面が狭窄が抑制される。そのため、芯材を挿入しない状態においても、素材である中空パイプが有する中空孔の狭窄がクランクシャフトの両端に渉って抑制されるので、大径偏心部を有し、両端を貫通する中空孔が設けられた、クランクシャフトの製造がより容易となる。

［適用例１］
軸部と、前記軸部よりも外径が大きく前記軸部から偏心した大径偏心部とを有し、両端を貫通する中空孔が設けられたクランクシャフトの製造方法であって、（ａ）両端を貫通する中空孔を有する中空パイプを準備する工程と、（ｂ）前記中空パイプに据え込み鍛造を施すことにより、外周面および内周面が外向きに凸な凸部を形成する工程と、（ｃ）前記凸部に据え込み鍛造を施すことにより、前記中空孔を有する前記大径偏心部を形成する工程とを備える、クランクシャフトの製造方法。

一般に、据え込み鍛造で大径偏心部を形成する場合、部分的に内向きの応力が被加工材に加わり、大径偏心部が閉塞する虞がある。これに対し、本適用例では、あらかじめ据え込み鍛造により外周面および内周面が外向きに凸な凸部を形成し、さらに、凸部を据え込み鍛造することで大径偏心部を形成している。この場合、大径偏心部を形成する際、凸部では外向きの応力が発生するので、大径偏心部を形成する際の内面が狭窄が抑制される。そのため、素材である中空パイプが有する中空孔の狭窄がクランクシャフトの両端に渉って抑制されるので、大径偏心部を有し、両端を貫通する中空孔が設けられた、クランクシャフトの製造がより容易となる

［適用例２］
適用例１記載のクランクシャフトの製造方法であって、前記凸部は、前記据え込み鍛造における加圧方向に向かって外径が大きくなっている、クランクシャフトの製造方法。

この適用例によれば、加圧側の金型を変更することにより、凸部の形成と大径偏心部の形成とを行うことができる。そのため、２回の据え込み鍛造を続けて行うことができ、大径偏心部の形成に要する時間を短縮することが可能となる。

［適用例３］
適用例１または２記載のクランクシャフトの製造方法であって、前記据え込み鍛造は、熱間で行われる、クランクシャフトの製造方法。

据え込み鍛造を熱間で行うことにより、大径偏心部を形成する際の成形荷重を低減することができる。

［適用例４］
適用例３記載のクランクシャフトの製造方法であって、前記据え込み鍛造は、前記中空パイプを部分的に加熱することにより行われる、クランクシャフトの製造方法。

この適用例によれば、非加熱部分における変形抵抗が増大し、軸部の内径が縮小することを抑制することができる。

［適用例５］
適用例１ないし４のいずれか記載のクランクシャフトの製造方法であって、前記クランクシャフトは、さらに、前記軸部よりも外径が小さく前記軸部から偏心した小径偏心部が一方の端部に形成されたクランクシャフトであり、前記工程（ｂ）に先だって、前記中空パイプの前記一方の端部を前記小径偏心部の偏心方向に絞ることにより閉塞部を形成するとともに、前記中空パイプの他方の端部からマンドレルを挿入して前記閉塞部の形成の際に狭窄される前記中空パイプの内面を前記一方の端部側にしごくことにより閉塞孔を形成し、前記工程（ｃ）の後に、前記閉塞部の前記一方の端部から前記閉塞孔の先端に向けて穿孔することにより前記中空孔を有する前記小径偏心部を形成する、クランクシャフトの製造方法。

この適用例によれば、小径偏心部に対応する閉塞部の一方の端から穿孔することにより、両端を貫通するクランクシャフトの中空孔が形成される。一般に、クランクシャフトの小径偏心部は、軸部よりも長さが短いので、閉塞部を穿孔することは容易である。そのため、より容易に両端を貫通する中空孔が設けられたクランクシャフトを製造することが可能となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、クランクシャフトの製造方法、その製造方法で製造されたクランクシャフト、そのクランクシャフトを利用したロータリ圧縮機、そのクランクシャフトを利用しロータリ式圧縮機構とスクロール式圧縮機構とを有する多段圧縮機、それらの圧縮機を利用したヒートポンプ等の態様で実現することができる。

本発明を適用して製造されるクランクシャフトの一例を示す外形図。 クランクシャフトの製造方法の概略を示す工程図。 クランクシャフトの製造方法の概略を示す工程図。 中空パイプを閉塞する閉塞工程の具体例を示す工程図。 中間材に大径偏心部を形成する据え込み工程の具体例を示す工程図。 中間材に大径偏心部を形成する据え込み工程の具体例を示す工程図。 多段圧縮機の一例を示す概略断面図。

本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．クランクシャフトの形状：
Ａ２．製造方法の概略：
Ａ３．閉塞部の形成：
Ａ４．大径偏心部の形成：
Ｂ．変形例：

Ａ１．クランクシャフトの形状：
図１は、本発明を適用して製造されるクランクシャフト１００（図７の９４０に相当する）の一例を示す外形図である。図１（ａ）は、クランクシャフト１００の長さ方向の外形を示している。図１（ｂ）は、クランクシャフト１００を一方の端（先端）から見た外形を示し、図１（ｃ）は、クランクシャフト１００を他方の端（後端）から見た外形を示している。

図１に示すように、クランクシャフト１００は、円筒状の軸部１１０（図７の９４２に相当する）と、先端側に形成されたピン部１２０（図７の９４４に相当する）と、後端側寄りの軸部１１０の中間に形成されたクランク部１３０（図７の９４６に相当する）とを有している。但し、クランク部１３０の位置は、必ずしも後端側寄りにある必要はなく、クランクシャフト１００が使用される装置の構成によって適宜変更される。

外径が軸部１１０よりも小さいピン部１２０は、その外径の中心（外径中心）が軸部１１０の軸線Ａ−Ａ（図１（ｂ）および（ｃ）では、十字で示す）から所定の偏心方向（図１の例では図の右方向）にずれるように形成されている。外径が軸部１１０よりも大きいクランク部１３０は、クランク主部１３２と、クランク主部１３２の先端側および後端側に設けられたフランジ部１３４と、クランク主部１３２とフランジ部１３４との間に設けられ中間的な形状を有する中間部１３６とにより構成されている。

クランク主部１３２は、その外径中心がピン部１２０の偏心方向と同一方向にずれるように形成されている。図１の例では、ピン部１２０とクランク主部１３２との偏心方向を同一方向としているが、ピン部１２０とクランク主部１３２との偏心方向は、必ずしも同一である必要はない。なお、クランクシャフト１００としては、外径が軸部１１０よりも小さく、偏心したピン部１２０と、外径が軸部１１０よりも大きく、偏心したクランク主部１３２とが設けられておればよく、その形状は種々変更することが可能である。

フランジ部１３４は、上部軸受け９１４および下部軸受け９１６（図７）と接触する部分であり、クランクシャフト１００の回転を円滑にするため、その外径中心がクランクシャフト１００の回転中心である軸部１１０の軸線Ａ−Ａと一致するように形成されている。また、フランジ部１３４の半径は、ロータ９１８（図７）をクランク主部１３２と嵌合させる際の干渉を避けるため、クランク主部１３２の外周面と軸線Ａ−Ａとの最短距離以下に設定される。但し、クランクシャフト１００の回転を円滑にするためには、上部軸受け９１４および下部軸受け９１６と接触するフランジ部１３４の外径を大きくするのが好ましい。そのため、図１の例では、フランジ部１３４の半径をクランク主部１３２の外周面と軸線Ａ−Ａとの最短距離としている。

クランクシャフト１００には、また、先端と後端とを貫通する中空孔１４０（図７の９４８に相当する）が設けられている。中空孔１４０は、軸線Ａ−Ａに沿って後端から先端に向かって穿孔された中空孔１４２（図７の９４８ａに相当する）と、先端から中空孔１４２の先端部に向かって穿孔された中空孔１４４（図７の９４８ｂに相当する）とがクランクシャフト１００内で接続されることにより構成されている。

Ａ２．製造方法の概略：
図２および図３は、クランクシャフトの製造方法の概略を示す工程図である。図２（ａ）ないし図３（ｂ）は、クランクシャフト１００を製造する各工程における部材の断面形状を示しており、図中の二点鎖線は、次の工程における部材の断面形状を示している。

本実施例では、まず、クランクシャフト１００の素材として中空パイプ１００ａが準備される（図２（ａ））。中空パイプ１００ａは、外径がクランクシャフト１００の軸部１１０よりもやや大きく、両端を貫通する中空孔１４０ａの内径が軸部１１０に設けられた中空孔１４２（図７の９４８ａに相当する）と同径の円筒状の金属部材である。準備される中空パイプ１００ａの長さは、クランクシャフト１００よりも長く設定される。なお、中空パイプ１００ａの材質は、製造工程に対する適性や最終的なクランクシャフト１００の強度等を考慮して適宜選択される。後述するように、本実施例では、製造工程において熱間鍛造を行うため、熱間鍛造に適し強度の高い構造用クロム鋼（ＳＣＲ４５０Ｂ）を用いている。

次いで、詳細については後述するが、熱間鍛造を行うことにより、中空パイプ１００ａの先端をピン部１２０の偏心方向に絞ることにより閉塞する（図２（ｂ））。本実施例では、絞られた先端側における軸線Ａ−Ａに垂直な面の断面形状（絞り形状）を円形としている。これにより、クランクシャフト１００の中空孔１４２と略同形状の閉塞孔１４２ｂが設けられた軸部１１０ｂと、外径中心が軸線Ａ−Ａからずれた略円柱形状の閉塞部１２０ｂとを有する略円筒状の中間材１００ｂが得られる。なお、絞り形状は、必ずしも円形である必要はなく、楕円や多角形等、種々の形状とすることができる。

閉塞部１２０ｂの円柱部分の外径（絞り径）は、クランクシャフト１００のピン部１２０の形状や、中空パイプ１００ａの形状等により決定される。具体的には、ピン部１２０は、閉塞部１２０ｂの外周を切削することにより形成されるので、絞り径の下限は、ピン部１２０の外径となる。また、先端側を十分に閉塞させるため、絞り径の上限は、円柱部分の断面積が中空パイプ１００ａの断面積よりも小さくなる外径となる。なお、ここで断面積とは、軸線Ａ−Ａに垂直な面における断面積をいう。一般に、絞り径は、これらの上限および下限の間で適宜設定できるが、絞り径を小さくするほど、先端側が十分に閉塞されるが、成形荷重が大きくなる。絞り径は、このような特性を考慮して決定される。

詳細については後述するが、閉塞部１２０ｂが形成された中間材１００ｂに、さらに、熱間据え込み鍛造を施すことにより、クランク部１３０の荒地となる大径偏心部１３０ｃを有する中間材１００ｃが得られる（図３（ａ））。なお、据え込み鍛造で大径偏心部１３０ｃを形成した場合、大径偏心部１３０ｃの内面は、若干変形する。但し、後述する大径偏心部１３０ｃの形成方法を用いることにより、内面の変形量を十分に小さくすることができる。

ピン部１２０の荒地となる閉塞部１２０ｂと、大径偏心部１３０ｃとを有する中間材１００ｃに機械加工を施すことにより、最終的なクランクシャフト１００が得られる（図３（ｂ））。具体的には、部材が充満していない閉塞部１２０ｂの先端を切断して除去した後、閉塞部１２０ｂの先端側から閉塞孔１４２ｃの先端に向かってドリルで穿孔することにより中空孔１４４を形成する。そして、軸部１１０ｃ、閉塞部１２０ｂ、および大径偏心部１３０ｃのそれぞれの外周を切削して、クランクシャフト１００の軸部１１０とピン部１２０とクランク部１３０とを形成する。これにより、最終的なクランクシャフト１００を得ることができる。但し、中間材１００ｃの外周の切削を行った後、ピン部１２０の先端側の中心から閉塞孔１４２ｃの先端に向かってドリルで穿孔して中空孔１４４を形成することも可能である。この場合、中空孔１４４が形成される前のピン部１２０に相当する部分は、内部が閉塞された状態であるので、閉塞部とも呼ぶことができる。なお、目的とするクランクシャフトの形状が鍛造で得られる場合には、機械加工を省略することも可能である。

Ａ３．閉塞部の形成：
図４は、中空パイプ１００ａを閉塞する閉塞工程（図２（ｂ））の具体例を示す工程図である。図４（ａ）および（ｂ）は、各工程における部材および金型の断面図である。図示を省略するが、閉塞工程では、まず、中空パイプ１００ａの先端を加熱する。中空パイプ１００ａの加熱は、誘導加熱によって行われる。加熱温度は、中空パイプ１００ａの再結晶化温度よりも十分高い温度（例えば、１０００℃）に設定される。

先端部分が加熱された中空パイプ１００ａは、アンビル（図示しない）上に配置された下部金型２００に、先端部分を下に挿入される（図４（ａ））。下部金型２００は、中空パイプ１００ａが挿通される挿通孔２１０が設けられている。挿通孔２１０よりも先端側の内面には、中空パイプ１００ａを偏心方向に絞って中間材１００ｂの閉塞部１２０ｂを形成するための絞り部２２０が設けられている。なお、図４では、下部金型２００を一体のものとして描いているが、下部金型２００を、中空パイプ１００ａの先端を絞るためのダイスと、中空パイプ１００ａの外径を拘束するためのコンテナーとを含む複数の金型により構成することも可能である。

中空パイプ１００ａを下部金型２００に挿入した後、中空パイプ１００ａの後端に上部金型３００が配置される。上部金型３００は、略円筒形状のパンチ３１０と、閉塞孔１４２ｂ（図２（ｂ））と略同形状のマンドレル３２０とから構成されている。マンドレル３２０の後端には、マンドレル３２０の落下を防止するため、外径が大きい大径部３２２が設けられている。パンチ３１０は、外径が中空パイプ１００ａと略同一の部材で、マンドレル３２０を挿通するための挿通孔３１２が設けられている。挿通孔３１２は、パンチ３１０の後端がマンドレル３２０の後端と同一面となるように、マンドレル３２０の後端側の形状に合わせた形状となっている。但し、パンチ３１０の後端がマンドレル３２０の後端とは、必ずしも同一面となる必要はない。

中空パイプ１００ａの後端に上部金型３００を配置した後、プレス機のスライド（図示しない）をアンビルに向かって降下させることにより、中空パイプ１００ａが先端方向に押し出される。これにより中空パイプ１００ａの先端が絞られ、図４（ｂ）に示すように、中間材１００ｂが形成される。このとき、中空パイプ１００ａの先端部分では、内向きの応力が加わるため内径が縮小する（内面が狭窄する）が、マンドレル３２０がパンチ３１０の移動とともに先端方向に移動するので、内径が縮小した領域では中空パイプ１００ａの内面が先端方向にしごかれる。このように、マンドレル３２０の先端付近では、中空パイプ１００ａの内面が先端方向にしごかれることにより、内向きの応力が増大して内径の縮小が促進され、先端部が確実に閉塞される。

Ａ４．大径偏心部の形成：
図５および図６は、中間材１００ｂに大径偏心部１３０ｃを形成する据え込み工程（図３（ａ））の具体例を示す工程図である。図５（ａ）ないし図６（ｂ）は、各工程における部材および金型の断面図である。図示を省略するが、据え込み工程では、まず、中間材１００ｂにおいて大径偏心部１３０ｃを形成する中間部分を加熱する。中間材１００ｂの加熱は、誘導加熱によって行われる。加熱温度は、中間材１００ｂ（中空パイプ１００ａ）の再結晶化温度よりも十分高い温度（例えば、１０００℃）に設定される。

中間部分が加熱された中間材１００ｂは、アンビル（図示しない）上に配置された下部金型４００に、先端部分を下に挿入される（図５（ａ））。下部金型４００は、中間材１００ｂの先端形状に合わせた形状となっている。また、下部金型４００の上面の位置は、大径偏心部１３０ｃの先端側の位置に設定される。なお、閉塞工程において用いた下部金型２００（図４）が、中空パイプ１００ａの先端を絞るためのダイスと、中空パイプ１００ａの外径を拘束するためのコンテナーとを含む複数の金型から構成されている場合、当該ダイスと、閉塞工程で用いたコンテナーよりも短いコンテナーとから据え込み工程で使用する下部金型４００を構成することができる。

据え込み鍛造を行うための上部金型５００には、その内面に、パイプ挿入部５１０と、パイプ挿入部５１０よりも先端側に形成されたテーパー部５２０とが設けられている。パイプ挿入部５１０は、中空パイプ１００ａと同一形状の中間材１００ｂの後端部分が挿入可能なように、内径が中間材１００ｂの後端側の外径と同径（すなわち、中空パイプ１００ａの外径と同径）に形成されている。テーパー部５２０は、内径が先端側に行くに従って増大し、その先端側が上部金型５００の開口をなしている。なお、図５の例では、上部金型５００を一体の部材として図示しているが、上部金型５００を複数の部材で構成することも可能である。

この上部金型５００を中間材１００ｂの後端側に配置した後、プレス機のスライドをアンビルに向かって降下させると、中間材１００ｂの後端が先端方向に押し出される。これにより、中間材１００ｂは、軸線Ａ−Ａ方向に潰れるとともに、下部金型４００の上面において外周方向に広げられる（図５（ｂ））。これにより、中間材１００ｂには、先端側に行くに従って外径が増大するテーパー部１５０ｂが形成される。なお、本実施例では、上部金型５００が据え込み成型のための空間（キャビティ）を有する金型（パンチ）となっている。本明細書等においては、このパンチの移動方向を、「加圧方向」と呼ぶ。

大径偏心部１３０ｃは、中間材１００ｂに形成されたテーパー部１５０ｂに対して据え込み鍛造を行うことにより形成される。テーパー部１５０ｂの据え込み鍛造は、中間材１００ｂが下部金型４００に挿入された状態で、形状の異なる上部金型６００を用いて行われる（図６（ａ））。この上部金型６００には、その内面に、上部金型５００のパイプ挿入部５１０（図５）と同形状のパイプ挿入部６１０と、パイプ挿入部６１０よりも先端側に形成され、大径偏心部１３０ｃに対応した形状の大径部６２０とが設けられている。なお、図６の例では、上部金型６００を一体の部材として図示しているが、上部金型６００を複数の部材で構成することも可能である。

そして、上部金型６００を中間材１００ｂの後端側に配置した後、プレス機のスライドをアンビルに向かって降下させると、テーパー部１５０ｂが先端方向に押し出され、中間材１００ｂに形成されたテーパー部１５０ｂは軸線Ａ−Ａ方向に潰れるとともに、テーパー部１５０ｂを形成していた部材が外周方向に押し出される（図６（ｂ））。これにより、大径偏心部１３０ｃが形成された中間材１００ｃを得ることができる。

本実施例によれば、据え込み鍛造により先端方向（加圧方向）に向かって外径が大きくなるテーパー部１５０ｂを形成した後、さらにテーパー部１５０ｂに対して据え込み鍛造を行うことにより、大径偏心部１３０ｃを形成することができる。このとき、図６（ａ）に示すように、１回目の据え込み鍛造で形成されるテーパー部１５０ｂは、その外周面および内周面が外向きに凸な形状となる。そのため、２回目の据え込み鍛造で大径偏心部１３０ｃを形成する際、テーパー部１５０ｂには、外向きの応力が発生する。このように、テーパー部１５０ｂに外向きの応力が発生することにより、大径偏心部１３０ｃの内面が狭窄することを抑制することができる。

一般的に、据え込み鍛造により中空パイプに大径偏心部を形成すると、軸からの距離が短い領域で内向きの応力が発生し、大径偏心部の内面が狭窄する。そのため、中空パイプに大径偏心部を形成する場合には、パイプに芯材を挿入して内面の狭窄を抑制することが行われる。しかしながら、芯材を挿入した場合、パイプの内面が芯材に食いつき芯材を抜くことが困難となる虞がある。また、芯材として低融点金属やゴム等を挿入することも行われている。しかしながら、この場合には、据え込み鍛造の際の温度が常温程度に限定されるので、より適した条件で据え込み鍛造を行うことが困難となる。

これに対し、本実施例では、据え込み鍛造により加圧方向に向かって外径が大きくなるテーパー部１５０ｂを形成した後、さらにテーパー部１５０ｂに対して据え込み鍛造を行って大径偏心部１３０ｃを形成している。テーパー部１５０ｂは、外周面および内周面が外向きに凸な形状となっているため、大径偏心部１３０ｃを形成する際、テーパー部１５０ｂには外向きの応力が発生する。そのため、芯材を挿入することなく大径偏心部１３０ｃの内面の狭窄を抑制することができ、大径偏心部１３０ｃを有する中間材１００ｃをより容易に得ることが可能となる。そして、このように得られた中間材１００ｃに機械加工を施すことにより、軸部１１０よりも外径が大きく偏心したクランク部１３０と、両端を貫通する中空孔１４０とを有するクランクシャフト１００をより容易に製造することが可能となる。

一般的に、中空のクランクシャフトの製造に本発明が適用されたか否かは、製造されたクランクシャフトの断面を観察することにより判断することができる。具体的には、クランクシャフトの断面に現れるフローラインと、本発明を適用して製造されたクランクシャフト１００のフローラインもしくはシミュレーションにより求められるクランクシャフト１００のフローラインとを比較することにより、中空のクランクシャフトの製造に本発明が適用されたか否かを判断することができる。

Ｂ．変形例：
本発明は実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、ピン部１２０と、クランク部１３０と、両端を貫通する中空孔１４０とを有するクランクシャフト１００の製造に本発明を適用しているが、本発明は、クランク部１３０と、中空孔１４０とを有するクランクシャフトの製造に適用することも可能である。この場合、中空パイプ１００ａの先端を閉塞する閉塞工程（図２（ｂ））は省略される。また、据え込み鍛造を行う際の下部金型には、その先端側が閉塞されたものが使用される。この場合には、中空パイプ１００ａに据え込み鍛造を施すことにより、テーパー部１５０ｂが形成される。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、単一のクランク部１３０を有するクランクシャフト１００の製造に本発明を適用しているが、本発明は、複数のクランク部を有するクランクシャフトの製造に適用することも可能である。

具体的には、上記実施例と同様に大径偏心部を形成した後、先に形成された大径偏心部の外面を拘束するための割型を下部金型４００（図５および図６）の後端面上に配置する。このようにして、先に形成された大径偏心部および当該大径偏心部より先端側の外面を拘束した状態で、パイプ挿入部５１０とテーパー部５２０とを有する上部金型を用いて中空パイプ部分に据え込み鍛造を施すことにより、テーパー部（図５および図６の１５０ｂに相当する）を形成する。その後、パイプ挿入部６１０と大径部６２０とを有する上部金型を用いてテーパー部に据え込み鍛造を施すことにより、２つの大径偏心部を有する中間材を形成することができる。

任意数の大径偏心部を有する中間材は、このような加工を繰り返して行うことにより形成することができる。なお、複数の大径偏心部を形成する場合、大径偏心部を所定の方向（例えば、後端方向）に向かって順次形成するのが好ましい。大径偏心部を所定の方向に向かって順次形成すれば、下部金型および上部金型の双方で割型を使用することを避けることができ、テーパー部および大径偏心部を形成する際の据え込み鍛造をより容易に行うことができる。

複数のクランク部を有するクランクシャフトは、このようにして得られた中間材を切削加工することにより形成される。なお、複数のクランク部を設ける場合には、それぞれのクランク部の偏心方向が異なる方向に設定されるのが通例である。この場合、テーパー部から大径偏心部を形成する際の上部金型に設けられる大径部６２０を、それぞれのクランク部の偏心方向に偏心させればよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、加圧方向に向かって外径が増大するテーパー部１５０ｂを形成し、テーパー部１５０ｂを据え込み鍛造することにより大径偏心部１３０ｃを形成しているが、据え込み鍛造により加圧方向に向かって外径が縮小するテーパー部を形成し、そのテーパー部を据え込み鍛造することにより大径偏心部を形成することも可能である。一般的には、内周面および外周面が外向きに凸な形状の凸部を形成し、当該凸部を据え込み鍛造することによって大径偏心部を形成するものとしても良い。これらの場合においても、大径偏心部を形成する際にテーパー部や凸部に外向きの応力が発生するので、大径偏心部の内面が狭窄することを抑制することができる。

但し、上記実施例のように、据え込み鍛造により加圧方向に向かって外径が増大するテーパー部１５０ｂを形成し、テーパー部１５０ｂを据え込み鍛造する場合には、同一の下部金型４００で２回の据え込み鍛造を行うことができる（１ダイ・２ブロー）。この場合、１回目の据え込み鍛造に引き続き２回目の据え込み鍛造を行うことができるので、大径偏心部１３０ｃの形成に要する時間を短縮することができる。また、中間材１００ｂの加熱も１回目の据え込み鍛造の前に行うのみで済むので、加熱に要するエネルギーの消費量を低減することが可能となる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、中空パイプ１００ａの閉塞やテーパー部１５０ｂおよび大径偏心部１３０ｃの形成を熱間鍛造によって行っているが、これらの工程は、温間鍛造や冷間鍛造によって行うことも可能である。但し、成形荷重を低減することができる点で、熱間鍛造によって中空パイプ１００ａの閉塞やテーパー部１５０ｂおよび大径偏心部１３０ｃの形成を行うのが好ましい。

また、上記実施例では、熱間鍛造に際して、中空パイプ１００ａや中間材１００ｂの一部分のみを加熱しているが、中空パイプ１００ａや中間材１００ｂの全体を加熱して熱間鍛造を行うことも可能である。但し、非加熱部分における変形抵抗が増大し、中間材１００ｂ，１００ｃ（図２（ｂ），図３（ａ））の軸部１１０ｂ，１１０ｃの内径が縮小することを抑制できる点で、中空パイプ１００ａや中間材１００ｂの一部分のみを加熱して熱間鍛造するのが好ましい。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例では、本発明をロータリ式圧縮機構９１０を有する圧縮機においてロータ９１８を駆動するためのクランクシャフト１００に適用しているが、本発明は、一端に大径偏心部が形成され、両端を貫通する中空孔が設けられたクランクシャフトであれば、種々のクランクシャフトに適用することができる。本発明は、例えば、大径偏心部に往復運動が可能な部材を接触させ、外部機構を往復駆動するクランクシャフトにも適用することができる。

１００…クランクシャフト
１００ａ…中空パイプ
１００ｂ，１００ｃ…中間材
１１０，１１０ｂ，１１０ｃ…軸部
１２０…ピン部
１２０ｂ…閉塞部
１３０…クランク部
１３０ｃ…大径偏心部
１３２…クランク主部
１３４…フランジ部
１３６…中間部
１４０…中空孔
１４２…中空孔
１４２ｂ，１４２ｃ…閉塞孔
１４４…中空孔
１５０ｂ…テーパー部
２００…下部金型
２１０…挿通孔
２２０…絞り部
３００…上部金型
３１０…パンチ
３１２…挿通孔
３２０…マンドレル
３２２…大径部
４００…下部金型
５００…上部金型
５１０…パイプ挿入部
５２０…テーパー部
６００…上部金型
６１０…パイプ挿入部
６２０…大径部
９００…多段圧縮機
９０２…ハウジング
９０４…吸気管
９０６…吐出管
９０８…吐出カバー
９０８ａ…吐出チャンバ
９１０…ロータリ式圧縮機構
９１０ａ…シリンダ室
９１２…シリンダ本体
９１８…ロータ
９２０…スクロール式圧縮機構
９２２…固定スクロール
９２２ａ…吸気口
９２２ｂ…吐出口
９２３，９２５…ラップ
９２４…旋回スクロール
９２６…オルダムリング
９２８…フレーム
９２８ａ…ガス通路
９２８ｂ…潤滑油通路
９２９…吐出弁
９３０…モータ
９３２…回転子
９３４…固定子
９４０…クランクシャフト
９４２…軸部
９４４…ピン部
９４６…クランク部
９４８…中空孔
９４８ａ…孔
９４８ｂ…孔

Claims (7)

1. 軸部と、前記軸部よりも外径が大きく前記軸部から偏心した大径偏心部とを有し、両端を貫通する中空孔が設けられたクランクシャフトの製造方法であって、
   （ａ）両端を貫通する中空孔を有する中空パイプを準備する工程と、
   （ｂ）芯材を挿入することなく前記中空パイプに据え込み鍛造を施すことにより、外周面および内周面が外向きに凸で、据え込み鍛造における加圧方向に向かって外径が大きくあるいは小さくなっているテーパー部を形成する工程と、
   （ｃ）芯材を挿入することなく前記テーパー部に据え込み鍛造を施すことにより、前記中空孔を有する前記大径偏心部を形成する工程と
   を備える、
   クランクシャフトの製造方法。
2. 請求項１記載のクランクシャフトの製造方法であって、
   前記据え込み鍛造は、熱間で行われる、
   クランクシャフトの製造方法。
3. 請求項２記載のクランクシャフトの製造方法であって、
   前記据え込み鍛造は、前記中空パイプを部分的に加熱することにより行われる、
   クランクシャフトの製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか記載のクランクシャフトの製造方法であって、
   前記クランクシャフトは、さらに、前記軸部よりも外径が小さく前記軸部から偏心した小径偏心部が一方の端部に形成されたクランクシャフトであり、
   前記工程（ｂ）に先だって、前記中空パイプの前記一方の端部を前記小径偏心部の偏心方向に絞ることにより閉塞部を形成するとともに、前記中空パイプの他方の端部からマンドレルを挿入して前記閉塞部の形成の際に狭窄される前記中空パイプの内面を前記一方の端部側にしごくことにより閉塞孔を形成し、
   前記工程（ｃ）の後に、前記閉塞部の前記一方の端部から前記閉塞孔の先端に向けて穿孔することにより前記中空孔を有する前記小径偏心部を形成する、
   クランクシャフトの製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の製造方法によって製造された、クランクシャフト。
6. 請求項５記載のクランクシャフトであって、
   前記大径偏心部は、ロータリ圧縮機においてロータを駆動する、
   クランクシャフト。
7. 請求項４記載の製造方法によって製造されたクランクシャフトであって、
   前記クランクシャフトは、ロータリ式圧縮機構とスクロール式圧縮機構とを有する多段圧縮機において使用されるクランクシャフトであり、
   前記大径偏心部は、ロータリ式圧縮機構においてロータを駆動し、
   前記小径偏心部は、スクロール圧縮機構において旋回スクロールを公転駆動する、
   クランクシャフト。

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