JP5263946B2 - クランクシャフトの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトの製造方法および製造装置に関し、特に鍛造成形される３気筒用クランクシャフトの製造に好適なクランクシャフトの製造方法および製造装置に関する。

クランクシャフトの製造工程は、通常、鍛造工程、芯出し工程、機械加工工程（鏡面加工、油路穴あけ加工など）、仕上げ工程、そして検査工程とから構成されている。また、検査工程では、クランクシャフトのアンバランス量（偏心度合い）を測定し、測定したアンバランスの程度に応じてクランクシャフトに設けたバランスウェイトに穿孔することで、アンバランスの修正を行うようにしている。

しかしながら、この種のシャフトは鍛造や各種機械加工を経て形成されるものであり、また、個々の加工精度のばらつきも大きい傾向にある。そのため、実際の製品のアンバランス量が予め想定した範囲を超えることがあり、このことが、製造ラインの停止ないし歩留まりの低下を招く一因となっている。

例えば下記特許文献１には、上記問題を解決するための手段として、鍛造後の素形材のアンバランス量、ここでは素形材の回転軸と慣性主軸とのずれに起因して生じる振動の大きさを機械加工工程の前に測定して、そのアンバランス量（振動）を解消する位置に機械加工の軸心方向の基準となるセンタ穴をあける重量芯出し装置（マスセンタリング装置）が開示されている。また、この重量芯出し装置を用いて素形材の芯出しを行う方法が開示されている。
特開２０００−１２１４７９号公報

ところで、上記特許文献１に開示の重量芯出し装置によるアンバランスの解消方法は、例えば４気筒用以上のクランクシャフトには適用可能であるが、軽自動車を中心に採用されている３気筒用のクランクシャフトには適用することができない。３気筒用のクランクシャフトは通常、鍛造工程を経て形成されるが、この種のクランクシャフトにおいては１２０°間隔でクランクピンが配置される関係上、鍛造時の離型性を確保する目的で、中央のクランクピン側のカウンタウェイトを、両端のクランクピン側のカウンタウェイトに比べて小さく設定せざるを得ない事情がある。かかる事情に起因して、３気筒用クランクシャフトでは、アンバランス修正代を確保するために、シャフト両端側のカウンタウェイトを例えば４気筒用のそれに比べて相当重く（大きく）設定している。そのため、（１）アンバランス量が零となる位置（慣性主軸位置）にセンタリングを行うと、素形材の実際の回転中心とは大きく離れた位置にセンタリングするおそれがある。これでは、機械加工用のセンタ穴として十分に機能しない可能性がある。また、（２）上述の理由により両端側のカウンタウェイトを意図的に大きく設計することでアンバランス量が大きくなり過ぎ、カウンタウェイトへの穴あけ加工を行ったとしてもアンバランス量を修正し切れない場合が生じ得る。

以上の理由から、鍛造成形を経て３気筒用クランクシャフトを製造するに際しては、重量芯出し装置を用いることができないため、重量芯出し装置に代わる適当な調心機構を用いてセンタ穴の位置決め加工を行っている。図６は、その一例を示すもので、クランクシャフトの回転主軸となるクランクジャーナルに対応する部分としての素形材の端軸部１０１を一軸方向に相対移動可能な一対のバイス１１１，１１２によってクランプすることで、端軸部１０１の回転中心Ｏ_Ｒをバイス１１１，１１２間の中心位置に合わせる機構が採用されている。ところが、鍛造で成形されたクランクシャフトの素形材は、実際には、一対の分割型を用いて成形される関係上、図７に示すように、型合せ目跡１０１ｃ（パーティングライン跡）を境に半円筒状の上筒部１０１ａと下筒部１０１ｂとが例えば左右にずれた状態で成形されることがある（この図ではずれ量を誇張して描いている。以下に説明する図においても同様に誇張して描いている。）。このように、型合せ目跡１０１ｃを境にして端軸部１０１にずれが生じると、その断面が非真円形状となり、図６，図７に例示のクランプ機構（バイス１１１，１１２）ではその中心を出すことができない。これでは、センタ穴が偏り、結果として外形加工（機械加工後）のアンバランス量のばらつきも大きくなる。

以上の事情に鑑み、クランクシャフト、特に３気筒用クランクシャフトを製造するに際し、加工後の検査工程において修正すべきアンバランス量を最小限に抑えつつも、その回転バランス精度を高めることを解決すべき技術的課題とする。

本発明は、前記課題の解決を図るためになされたものである。すなわち、本発明に係るクランクシャフトの製造方法は、鍛造により成形された３気筒用クランクシャフトの素形材に対して機械加工を行う際の加工基準となるセンタ穴の位置決めを行い、センタ穴を素形材に形成する芯出し工程を少なくとも含むクランクシャフトの製造方法において、芯出し工程に際し、同一直線上で相互に接近することで素形材の端軸部をクランプする一対のクランプ用治具を複数設け、複数対のクランプ用治具のクランプ中心が何れも端軸部の断面重心と一致するように端軸部をクランプし、この際のクランプ中心に対応する位置にセンタ穴を形成する点をもって特徴付けられる。

本発明は、鍛造成形された素形材の端軸部の断面がその重心位置を中心とする点対称な形状をなす、との知見に基づきなされたもので、複数対のクランプ用治具のクランプ中心が何れも素形材の断面重心と一致するように素形材をクランプするようにしたものである。ここで、図５に基づき上記クランプ態様を詳述すると、素形材の端軸部１０１は、２対のクランプ用治具によって相異なる方向（図５中、２種類の矢印方向）にクランプされる。各対のクランプ用治具は同一直線上で互いに接近することで端軸部１０１をクランプするようになっている。この場合、端軸部１０１の断面は型合せ目跡１０１ｃに沿って左右にずれた形状を有し、かつ、一のクランプ用治具によるクランプ位置Ｃ_１Ａ，Ｃ_１Ｂが同一直線上に存在することから、クランプ位置Ｃ_１Ａ，Ｃ_１Ｂは断面重心Ｏ_Ｇを中心に点対象の位置にある。よって、一のクランプ用治具のクランプ中心は断面重心Ｏ_Ｇと一致する。同様に、他のクランプ用治具によるクランプ位置Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂも断面重心Ｏ_Ｇを中心に点対象の位置関係にあり、他のクランプ用治具のクランプ中心は断面重心Ｏ_Ｇと一致する。

よって、この構成によれば、端軸部のクランプと同時にセンタ穴の位置決めが行われ、当該センタ穴を確実かつ適正な位置に形成することができる。これにより、検査工程におけるアンバランス修正量（修正代）を最小限に抑えることができる。言い換えると、バランスウェイトを従来より小さく設計することができるので、材料コストや加工費の低減化、加工時間の短縮化を図ることができる。また、離型性も向上するので鍛造精度の向上にもつながる。

この場合、具体的には、例えば複数対のクランプ用治具は共通のクランプ中心を有し、かつ、何れの一対のクランプ用治具も共通のクランプ中心から等距離を保って移動するように構成することができる。このように構成することで、複数対のクランプ用治具間に配置された素形材に対して自動的に求心動作を行いつつ、当該素形材がクランプされる。そのため、素形材の外形状のばらつきによらずセンタ穴の位置合わせを正確に行うことができる。また、センタ穴の位置合わせを自動的かつ容易に行うことができる。

また、前記課題の解決は、鍛造により成形された３気筒用クランクシャフトの素形材に対して機械加工を行う際の加工基準となるセンタ穴の位置決めを行い、センタ穴を素形材に形成する芯出し手段を少なくとも備えたクランクシャフトの製造装置において、芯出し手段は、同一直線上で相互に接近することで素形材の端軸部をクランプする一対のクランプ用治具と、クランプ用治具のクランプ中心に対応する位置にセンタ穴を形成するセンタ穴形成手段とを有し、一対のクランプ用治具は複数設けられ、複数対のクランプ用治具は、各対のクランプ中心が何れも端軸部の断面重心と一致するように端軸部をクランプできるように構成されていることを特徴とするクランクシャフトの製造装置によっても達成される。

以上のように、本発明によれば、クランクシャフト、特に３気筒用クランクシャフトを製造するに際し、加工後の検査工程において修正すべきアンバランス量を最小限に抑えつつも、その回転バランス精度を高めることができる。

以下、本発明に係るクランクシャフトの製造方法および製造装置の一実施形態を図面に基づき説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの素形材１００の斜視図を示している。この素形材１００は、３気筒用クランクシャフトを製造する過程で形成されるものであって、鍛造により完成品に準じた形状に成形される。素形材１００は、３本のクランクピンとこのピンの両側に配置されるカウンタウェイト、そして、カウンタウェイト間を連結すると共に、完成品の状態では回転主軸となるクランクジャーナルにそれぞれ対応する部分を有するもので、両端のクランクジャーナルに対応する部分（端軸部１０１，１０１）が後述する芯出し工程におけるセンタ穴の位置決め基準として使用される。ここで、素形材１００は上下の分割型による鍛造成形品であり、端軸部１０１はその端面から軸方向に沿って均一な断面形状を有するものとする。

図１は、素形材１００の一方の端軸部１０１をクランプし、端軸部１０１の端面にセンタ穴を形成するための芯出し手段１０を備えたクランクシャフトの製造装置のうち、芯出し手段１０の要部側面図を示している。芯出し手段１０は、それぞれ同一直線上で相対移動可能に構成され、相互に接近することで素形材１００をクランプする第１および第２のクランプ手段１１，１２と、図示は省略するが、双方のクランプ手段１１，１２によりクランプされた端軸部１０１の端面の所定位置にセンタ穴を形成するためのセンタ穴形成手段とを主に備えている。なお、ここでは、同様に図示は省略するが、上記構成の芯出し手段１０が、素形材１００の他方の端軸部にも配置されている。

第１のクランプ手段１１は、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂと、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂに対して相対摺動可能に連結されるスライドレール部１１ｃとで主に構成される。各々のクランプアーム１１ａ，１１ｂには、図示は省略するが、それぞれ駆動源となるモータが組み込まれており、当該モータを適当な制御手段により駆動制御することで、各クランプアーム１１ａ，１１ｂのスライドレール部１１ｃ上における位置を制御できるようになっている。また、これらクランプアーム対１１ａ，１１ｂを同期してかつ同速度で接近あるいは離隔させることができるように制御されている。なお、ここでは、各クランプアーム１１ａ，１１ｂ先端のワーク受け面は、端軸部１０１の外周面との線接触を狙って平坦面状に形成されている。後述する第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂ先端のワーク受け面の形状についても同様である。

第２のクランプ手段１２は、第１のクランプ手段１１と同様、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂと、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂに対して相対摺動可能に連結されるスライドレール部１２ｃとで主に構成される。また、各々のクランプアーム１２ａ，１２ｂには、それぞれ駆動源となるモータが組み込まれており、当該モータを例えば第１のクランプ手段１１と共通の制御手段により駆動制御することで、各クランプアーム１２ａ，１２ｂのスライドレール部１２ｃ上における位置および動作が第１のクランプ手段１１と同様に制御されるようになっている。

ここで、双方のクランプ手段１１，１２の位置関係について見ると、双方のスライドレール部１１ｃ，１２ｃは、芯出し手段１０を側面から見て、互いに直交する向きに配置されている。これにより、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂのクランプ方向（相対移動方向）と、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂのクランプ方向（相対移動方向）とが直交するように構成されている。また、この実施形態では、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂのクランプ中心（この図示例では、各クランプアーム１１ａ，１１ｂの素形材１００との当接面間の中間位置。第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂも同様）と、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂのクランプ中心とが常に同一位置にあるようにこれら２組のクランプアーム対１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂが同期して移動制御されるようになっている。

以下、上記構成に係る芯出し手段１０を用いた素形材１００の芯出し工程を説明する。

まず、図２に示す状態において、素形材１００のうち端軸部１０１を除く部分は、図示しない適当な支持手段により回転可能に支持されると共に、端軸部１０１は第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂの間で、かつ、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂの間に配置されている。そして、この状態から、図３に示すように、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂおよび第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂをそれぞれ相対接近（図３中実線位置から一点鎖線位置に移動）させることで、端軸部１０１を相異なる２方向にクランプする。

また、このクランプと同時に、端軸部１０１が第１および第２のクランプアーム対１１ａ〜１２ｂにより附勢されて後述するセンタ穴形成に適した位置に移動される。具体的には、端軸部１０１の端面重心Ｏ_Ｇ（実質的に断面重心と同一位置）が、第１および第２のクランプアーム対１１ａ〜１２ｂの共通のクランプ中心と一致する位置において端軸部１０１がクランプされる。図３でいえば、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂによるクランプ位置Ｃ_１Ａ，Ｃ_１Ｂの中間位置は端軸部１０１の端面重心Ｏ_Ｇと一致し、かつ、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂによるクランプ位置Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂの中間位置が端軸部１０１の端面重心Ｏ_Ｇと一致するように端軸部１０１がクランプされる。この場合、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂによるクランプ位置Ｃ_１Ａ，Ｃ_１Ｂ間の距離と、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂによるクランプ位置Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂ間の距離とは異なる。

よって、この状態において、端軸部１０１の端面の、適当な制御手段により位置制御される第１および第２のクランプアーム対１１ａ〜１２ｂの共通のクランプ中心に対応する位置にセンタ穴形成手段（のドリル）を予めセットしておくことで、端軸部１０１のクランプと同時に、センタ穴の位置決めが自動的に行われる。

このように、上記クランプ方法によれば、端軸部１０１の上筒部１０１ａと下筒部１０１ｂとが鍛造時に生じた型合せ目跡１０１ｃを境に左右にずれた形状をなしており、端面重心（断面重心）Ｏ_Ｇから外周面任意位置までの距離は不均一な場合においても、この後に続く工程における機械加工（黒皮むき加工、鏡面加工など）に適したセンタ穴の位置決めを行いつつ、当該加工後の検査工程において修正すべきアンバランス量を最小限に抑え得る位置にて端軸部１０１（素形材１００）をクランプすることが可能となる。なお、この際、より正確な位置決めを伴ってクランプを行うため、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂによる端軸部１０１のクランプ位置Ｃ_１Ａ，Ｃ_１Ｂが、型合せ目跡１０１ｃから外れた位置とするのがよい。第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂについても同様に、各クランプ位置Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂが型合せ目跡１０１ｃから外れた位置とするのがよい。

以上、本発明の一実施形態に係るクランクシャフトの製造方法を説明したが、もちろん、本発明は上記形態に限定されるものではなく、他の形態を採ることも可能である。以下、その例を紹介する。

上記実施形態では、端軸部１０１の端面が、型合せ目跡１０１ｃに沿って左右にずれた面形状をなす場合の素形材１００をクランプする場合を説明したが、上下分割型を使用する鍛造形態に起因して他の端面形状をなす場合にも本発明を適用することができる。図４はその一例を示すもので、同図に示す素形材の端軸部２０１は、型合せ目跡２０１ｃを境に上下に分割される上筒部２０１ａと下筒部２０１ｂとが当該上下方向にずれた端面（断面）形状をなしている。言い換えると、型合せ目跡２０１ｃが上下方向に所定の幅を有する端面形状をなしている。この場合、図１に示す芯出し手段１０を用いて素形材（の端軸部２０１）は以下のようにクランプされる。

すなわち、図４に示すように、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂおよび第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂをそれぞれ相対接近（図４中実線位置から一点鎖線位置に移動）させることで、端軸部２０１を相異なる２方向にクランプする。

また、このクランプと同時に、端軸部２０１が第１および第２のクランプアーム対１１ａ〜１２ｂにより附勢されて後述するセンタ穴形成に適した位置に移動される。具体的には、端軸部２０１の端面重心Ｏ_Ｇが、第１および第２のクランプアーム対１１ａ〜１２ｂの共通のクランプ中心と一致する位置において端軸部２０１がクランプされる。図４でいえば、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂによるクランプ位置Ｃ_１Ａ，Ｃ_１Ｂ間の中間位置は端軸部２０１の端面重心Ｏ_Ｇと一致し、かつ、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂによるクランプ位置Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂ間の中間位置が端軸部２０１の端面重心Ｏ_Ｇと一致するように端軸部２０１がクランプされる。

よって、この状態において、端軸部２０１の端面の、適当な制御手段により位置制御される第１および第２のクランプアーム対１１ａ〜１２ｂの共通のクランプ中心に対応する位置にセンタ穴形成手段（のドリル）を予めセットしておくことで、端軸部２０１のクランプと同時に、センタ穴の位置決めが自動的に行われる。

このように、上記クランプ方法によれば、端軸部１０１，２０１の型合せ目跡１０１ｃ，２０１ｃを境とするずれ形状に依らずセンタ穴の適正な位置決めを行うことができ、かつ、当該加工後の検査工程において修正すべきアンバランス量を最小限に抑え得る位置にて端軸部１０１，２０１をクランプすることが可能となる。また、クランプの際、端面重心Ｏ_Ｇがクランプ中心から上下左右いずれの方向にずれた状態で配置された場合であっても、自動的な求心作用により、端面重心Ｏ_Ｇを双方のクランプアーム対１１ａ〜１２ｂの共有のクランプ中心と一致する位置において端軸部１０１，２０１をクランプすることが可能となる。

なお、上記何れの実施形態においても、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂのクランプ方向と第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂのクランプ方向（例えば図３，図４中破線で示す方向）とは互いに直交するように双方のクランプ手段１１，１２を配置した場合を例示したが、必ずしも直交する必要はない。端面重心（断面重心）Ｏ_Ｇと各クランプアーム対１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂのクランプ中心が全て一致する限りにおいてその交差角は任意である。例えば図３において、線分Ｏ_Ｇ−Ｃ_２Ａと線分Ｏ_Ｇ−Ｃ_１Ａとがなす角が鋭角であり、線分Ｏ_Ｇ−Ｃ_１Ｂと線分Ｏ_Ｇ−Ｃ_２Ａとがなす角が鈍角となるように、双方のクランプ手段１１，１２を配置するようにしても構わない。

また、クランプ用治具（クランプアーム）の数についても２である必要はなく、例えば３以上のクランプ用治具（クランプアーム）で端軸部をクランプするようにしても構わない。

また、上記実施形態では、共通のクランプ中心から等距離を保って、第１のクランプアーム対１１ａ，１１ｂ、第２のクランプアーム対１２ａ，１２ｂをそれぞれ同期して移動するように制御した場合を説明したが、これらクランプアーム１１ａ〜１２ｂの動作態様はこれに限られない。端軸部１０１，２０１との位置関係が、最終的なクランプ状態において例えば図３や図４に示す位置関係となっていればよく、例えば４つのクランプアーム１１ａ〜１２ｂを適当なタイミングで順次移動するように制御しても構わない。あるいは、４つのクランプアーム１１ａ〜１２ｂのうちの一を固定し、残る３つを移動制御するようにしても構わない。

また、各クランプアーム１１ａ〜１２ｂの駆動手段に関し、モータ等の駆動手段はクランプアーム１１ａ〜１２ｂ個々に一体的に設ける他、例えばクランプアーム１１ａ〜１２ｂに対して固定側となる箇所（図１でいえばスライドレール部１１ｃ，１２ｃなど）に配設するようにしても構わない。あるいは、クランプアーム１１ａ〜１２ｂとスライドレール部１１ｃ，１２ｃとの組合せに係る構成自体を変更しても構わない。例えば、ラック・ピニオン機構を用いて各々のクランプアーム対１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂがそれぞれ同一直線上を相対移動できるように構成することも可能である。あるいは、各クランプアーム１１ａ〜１２ｂをシリンダ機構に連結し、各々のクランプアーム対１１ａ，１１ｂ、１２ａ，１２ｂがそれぞれ同一直線上を相対移動できるように配置するようにしても構わない。

また、以上の説明では、３気筒用クランクシャフトの素形材を芯出しの対象とした場合を例示したが、本発明はその技術的内容から、４気筒以上用のクランクシャフトの素形材の芯出し工程にも適用できることはもちろんである。

また、上記以外の本発明に係る事項についても、本発明の範囲内において他の具体的形態を採り得ることはもちろんである。

本発明の一実施形態に係る素形材の芯出し手段の要部側面図である。 一の形態に係るクランクシャフトの素形材の斜視図である。 素形材の芯出し工程を概念的に説明する側面図である。 他の形態に係るクランクシャフトの素形材の芯出し工程を概念的に説明する側面図である。 本発明に係る芯出し工程を概念的に説明する素形材の要部断面図である。 従来の芯出し工程を概念的に説明する素形材の要部断面図である。 従来の芯出し工程を概念的に説明する素形材の要部断面図である。

符号の説明

１０ 芯出し手段
１１ 第１のクランプ手段
１１ａ，１１ｂ 第１のクランプアーム対
１１ｃ スライドレール部
１２ 第２のクランプ手段
１２ａ，１２ｂ 第２のクランプアーム対
１２ｃ スライドレール部
１００ 素形材
１０１，２０１ 端軸部
１０１ｃ，２０１ｃ 型合せ目跡
１１１，１１２ バイス
Ｃ_１Ａ，Ｃ_１Ｂ 第１のクランプ手段によるクランプ位置
Ｃ_２Ａ，Ｃ_２Ｂ 第２のクランプ手段によるクランプ位置
Ｏ_Ｇ 端面重心（断面重心）
Ｏ_Ｒ 回転中心

Claims (3)

1. 鍛造により成形された３気筒用クランクシャフトの素形材に対して機械加工を行う際の加工基準となるセンタ穴の位置決めを行い、該センタ穴を前記素形材に形成する芯出し工程を少なくとも含むクランクシャフトの製造方法において、
   前記芯出し工程に際し、同一直線上で相互に接近することで前記素形材の端軸部をクランプする一対のクランプ用治具を複数設け、
   前記複数対のクランプ用治具のクランプ中心が何れも前記端軸部の断面重心と一致するように前記端軸部をクランプし、この際のクランプ中心に対応する位置にセンタ穴を形成することを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
2. 前記複数対のクランプ用治具は共通のクランプ中心を有し、かつ、何れの前記一対のクランプ用治具も前記共通のクランプ中心から等距離を保って移動するように構成される請求項１に記載のクランクシャフトの製造方法。
3. 鍛造により成形された３気筒用クランクシャフトの素形材に対して機械加工を行う際の加工基準となるセンタ穴の位置決めを行い、該センタ穴を前記素形材に形成する芯出し手段を少なくとも備えたクランクシャフトの製造装置において、
   前記芯出し手段は、同一直線上で相互に接近することで前記素形材の端軸部をクランプする一対のクランプ用治具と、該クランプ用治具のクランプ中心に対応する位置に前記センタ穴を形成するセンタ穴形成手段とを有し、
   前記一対のクランプ用治具は複数設けられ、該複数対のクランプ用治具は、各対のクランプ中心が何れも前記端軸部の断面重心と一致するように前記端軸部をクランプできるように構成されていることを特徴とするクランクシャフトの製造装置。

Images