JP7248886B2 - クランク軸の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、クランク軸の製造方法に関する。

例えば自動車に搭載されるレシプロエンジンは、燃料の燃焼によるピストンの往復運動を回転運動に変換するため、クランク軸を備える。クランク軸は、クランクジャーナルと、クランクピンと、クランクアームとを備える。クランクジャーナルは、クランク軸の主軸部であり、軸心周りに回転する。クランクピンは、クランクジャーナルに対して偏心して配置され、コネクティングロッドを介してピストンに接続される。クランクアームは、クランクジャーナルとクランクピンとを連結する。

近年、自動車の燃費向上及び軽量化を目的として、クランク軸の軽量化について様々な検討がなされている。例えば、特許文献１は、クランクアームに肉盗み部を有するクランク軸を提案する。特許文献１では、クランク軸の荒地成形品を型鍛造で成形する際、クランクアームに突出部を成形する。この突出部は、仕上げ打ち工程で用いられる金型の開き方向に突出している。仕上げ打ち工程では、型閉め動作によって突出部を曲げ、クランクアームの表面に凹状の肉盗み部を成形する。この肉盗み部は、クランクアームを部分的に減肉して軽量化する。また、肉盗み部によって軽減されたクランクアームの重量分、カウンターウエイトの重量を軽減することができる。

特許文献２は、クランクアームのクランクジャーナル側の表面に凹みを設けたクランク軸を提案する。特許文献２では、仕上げ打ち工程において、クランクアームのクランクジャーナル側の表面を凹ませるとともに、クランクアームから幅方向の外側に突出する余肉部を成形する。仕上げ打ち工程で得られた仕上げ鍛造品は、バリ抜き工程でバリを除去される。その後、整形工程において、余肉部がクランクジャーナル側に折り曲げられる。これにより、クランクアームにおいて、クランクジャーナル側の表面の凹みが維持されつつ、幅方向の両端部が厚肉化される。このため、クランク軸の軽量化と剛性確保とを同時に図ることができる。

特開２０１５－１８６８１５号公報 特許第６０２４８３２号公報

特許文献１では、型鍛造により、肉抜き部を成形するための突出部を成形する。すなわち、突出部は、当該突出部の形状を彫り込んだ金型によって成形される。このような金型では、型彫り工具の制限により、彫り込む突出部の先端Ｒをある程度大きくせざるを得ない。よって、特許文献１の技術では、突出部の厚みを小さくすることに限界があり、クランクアーム及びクランク軸を十分に軽量化することが難しい。

特許文献２では、クランクアームに余肉部を成形して折り曲げることにより、クランクアームの幅方向の両端部を厚肉化し、クランク軸の剛性を確保する。しかしながら、特許文献２の余肉部も、特許文献１の突出部と同様、型鍛造によって成形される。よって、余肉部の厚みが十分に小さくならず、クランクアーム及びクランク軸の軽量化が阻害される可能性がある。

本開示は、クランク軸の剛性を確保することができ、クランク軸を十分に軽量化することができるクランク軸の製造方法を提供することを課題とする。

本開示に係るクランク軸の製造方法は、工程ａ）と、工程ｂ）と、工程ｃ）と、を備える。工程ａ）では、型鍛造によって成形され、バリが除去された仕上げ鍛造品を準備する。仕上げ鍛造品は、クランクジャーナルと、クランクピンと、クランクアームと、を有する。クランクピンは、クランクジャーナルに対して偏心する。クランクアームは、クランク軸の回転軸方向においてクランクジャーナルとクランクピンとの間に配置される。クランクアームは、クランクジャーナルとクランクピンとを連結する。工程ｂ）では、クランクアームをクランクピン側から治具によって支持した状態で、クランクアームの幅方向の端部をクランクジャーナル側から押圧工具で押圧することにより、端部の材料を幅方向の外側に流動させて、端部を薄肉化するとともに突出部を成形する。突出部は、クランクアームの本体から幅方向の外側に突出する。工程ｃ）では、突出部を幅方向の内側に向かって押圧することにより、クランクアームにおいて、幅方向で端部の内側に位置し端部よりも厚肉の中央部と、薄肉化された端部との境界を起点として、端部をクランクジャーナル側に折り曲げる。

本開示に係るクランク軸の製造方法によれば、クランク軸の剛性を確保することができ、クランク軸を十分に軽量化することができる。

図１は、実施形態に係る製造方法の工程ａ）で準備される仕上げ鍛造品の側面図である。 図２は、図１に示す仕上げ鍛造品に含まれるクランクウェブの正面図である。 図３は、実施形態に係る製造方法の工程ｂ）が実施された後のクランクウェブの正面図である。 図４は、工程ｂ）におけるクランクアームの加工方法を説明するための模式図である。 図５Ａは、工程ｂ）におけるクランクアームの加工状態を示す横断面図である。 図５Ｂは、工程ｂ）におけるクランクアームの加工状態を示す別の横断面図である。 図６Ａは、実施形態に係る製造方法の工程ｃ）におけるクランクアームの加工状態を示す横断面図である。 図６Ｂは、工程ｃ）におけるクランクアームの加工状態を示す別の横断面図である。 図７は、図２に示すクランクウェブとは異なるクランクウェブの正面図である。

実施形態に係るクランク軸の製造方法は、工程ａ）と、工程ｂ）と、工程ｃ）と、を備える。工程ａ）では、型鍛造によって成形され、バリが除去された仕上げ鍛造品を準備する。仕上げ鍛造品は、クランクジャーナルと、クランクピンと、クランクアームと、を有する。クランクピンは、クランクジャーナルに対して偏心する。クランクアームは、クランク軸の回転軸方向においてクランクジャーナルとクランクピンとの間に配置される。クランクアームは、クランクジャーナルとクランクピンとを連結する。工程ｂ）では、クランクアームをクランクピン側から治具によって支持した状態で、クランクアームの幅方向の端部をクランクジャーナル側から押圧工具で押圧することにより、端部の材料を幅方向の外側に流動させて、端部を薄肉化するとともに突出部を成形する。突出部は、クランクアームの本体から幅方向の外側に突出する。工程ｃ）では、突出部を幅方向の内側に向かって押圧することにより、クランクアームにおいて、幅方向で端部の内側に位置し端部よりも厚肉の中央部と、薄肉化された端部との境界を起点として、端部をクランクジャーナル側に折り曲げる（第１の構成）。

第１の構成では、バリを除去した後の仕上げ鍛造品において、クランクアームの幅方向端部をクランクジャーナル側から押圧して薄肉化しつつ、クランクアームの本体から突出する突出部を成形する。その後、この突出部を押圧して、クランクアームの薄肉の幅方向端部をクランクジャーナル側に折り曲げる。これにより、クランクアームの幅方向端部は、幅方向中央部よりも薄肉である一方、側縁に向かって徐々に厚肉化することになる。このため、クランクアームの重量を低減しつつ、クランク軸のねじり剛性を確保することができる。また、クランクアームの幅方向中央部を厚肉のまま維持することで、クランク軸の曲げ剛性を確保することもできる。

第１の構成では、型彫りされた金型を用いることなく、クランクアームに突出部を成形する。突出部は、クランクアームの幅方向端部を治具と押圧工具との間で圧縮することによって成形される。このため、突出部の先端Ｒを自由に設定することができ、突出部の厚みを十分に小さくすることが可能となる。よって、クランクアームをより軽量化することができる。また、クランクアームの軽量化に伴い、カウンターウエイトの重量を低減させることもできる。したがって、クランク軸を十分に軽量化することができる。

押圧工具は、押圧面を有することができる。押圧面は、クランクアームのクランクジャーナル側の表面に対向する。押圧面は、凹状の逃げ部と、接触部と、を含んでいてもよい。逃げ部は、クランクアームの幅方向の中央部に対応して設けられる。接触部は、クランクアームの幅方向で逃げ部の外側に配置される。接触部は、逃げ部よりもクランクアーム側に張り出して、クランクアームの幅方向の端部に接触する（第２の構成）。

第２の構成によれば、押圧工具の押圧面には、クランクアーム側に張り出す接触部が設けられている。このため、押圧工具をクランクアームに近づけたとき、接触部がクランクアームの幅方向端部に優先的に接触する。よって、クランクアームの幅方向端部を確実に押圧して薄肉化し、クランクアームを軽量化することができる。

第２の構成によれば、押圧工具の押圧面には、凹状の逃げ部も設けられている。押圧工具をクランクアームに近づけたとき、クランクアームの幅方向中央部は、逃げ部内に配置され、実質的に押圧工具によって押圧されない。よって、クランクアームの幅方向中央部が不必要に加工されることがなく、幅方向中央部の厚みを確実に維持することができる。このため、クランク軸の曲げ剛性を確保することができる。

接触部は、クランクアームの長手方向に沿って凸状に湾曲していてもよい（第３の構成）。

第３の構成によれば、押圧工具の接触部がクランクアームの長手方向に沿って凸状に湾曲しているため、この接触部によって加工されたクランクアームの幅方向端部も、クランクアームの長手方向に沿い、段差が形成されることなく緩やかに湾曲する。これにより、クランクアームの幅方向端部の加工に起因して曲げ剛性又はねじり剛性が低下するのを防止することができる。

治具は、把持部と、支持部と、を有することができる。把持部は、クランクピンを外周側から把持する。支持部は、クランクアームをクランクピン側から支持する。支持部は、荷重受け面と、案内面と、コーナー面と、を含んでいてもよい。荷重受け面は、クランクアームのクランクピン側の表面に対向して押圧工具からの押圧荷重を受け止める。案内面は、クランクアームの外周面から幅方向の外側且つ押圧工具側に傾斜して延びる。案内面は、押圧工具で押圧されて流動する材料を案内する。コーナー面は、クランクアームのクランクピン側の表面と外周面との間の角部に沿って荷重受け面と案内面とを接続する（第４の構成）。

第４の構成によれば、クランクアームをクランクジャーナル側から押圧工具で押圧すると、治具に設けられた傾斜状の案内面に沿ってクランクアームの幅方向端部の材料が流動する。この材料が最終的に案内面と押圧工具との間に挟まれることにより、突出部が成形される。このとき、クランクアームのクランクピン側の角部及び表面は、案内面に連続するコーナー面及び荷重受け面によって拘束される。また、クランクピンは、治具の把持部によって拘束される。これにより、クランクアームにおいて余剰変形を発生させることなく、所望の形状の突出部を成形することができる。

工程ａ）で準備される仕上げ鍛造品は、隆起部を有していてもよい。隆起部は、クランクアームのうち工程ｂ）で押圧される端部において、クランクジャーナル側に隆起する（第５の構成）。

第５の構成によれば、クランクアームの幅方向端部において、クランクジャーナル側の表面に予め隆起部が形成されている。クランクジャーナル側からクランクアームに押圧工具を近づけた際、この隆起部が優先的に押し潰され、幅方向の外側に向かって材料が順次流動する。よって、工程ｂ）におけるクランクアームの加工を容易に行うことができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

［クランク軸の製造方法］
本実施形態に係るクランク軸の製造方法は、クランク軸の仕上げ鍛造品を準備する工程ａ）と、当該仕上げ鍛造品を加工する工程ｂ）及び工程ｃ）と、を備える。以下、各工程について説明する。

工程ａ）
本実施形態に係るクランク軸の製造方法では、まず、工程ａ）において、クランク軸の仕上げ鍛造品を準備する。仕上げ鍛造品は、一般的な型鍛造によって成形される。すなわち、加熱されたビレットを予備成形して荒地を得た後、この荒地の荒打ち及び仕上げ打ちを行ってバリ付きの仕上げ鍛造品を得る。その後、仕上げ鍛造品のバリ抜きを実施し、バリなしの仕上げ鍛造品を得る。

図１は、バリ抜き後の仕上げ鍛造品１０を模式的に示す側面図である。仕上げ鍛造品１０は、最終製品であるクランク軸とほとんど同一の寸法及び形状を有する。仕上げ鍛造品１０は、複数のクランクジャーナル１１と、複数のクランクピン１２と、複数のクランクアーム１３と、を有する。図１では、４気筒エンジン用のクランク軸の仕上げ鍛造品１０を例示する。しかしながら、本実施形態に係る製造方法で製造されるクランク軸は、４気筒エンジン用のクランク軸に限られない。

複数のクランクジャーナル１１は、それぞれ、仕上げ鍛造品１０（クランク軸）の回転軸Ｘ１を軸心とする概略円柱状をなす。クランクジャーナル１１は、回転軸Ｘ１に沿って配列され、クランク軸の主軸部を構成する。

複数のクランクピン１２は、それぞれ概略円柱状をなし、クランクジャーナル１１に対して偏心する。すなわち、複数のクランクピン１２は、回転軸Ｘ１の周りに所定の位相差で配置される。本実施形態において、回転軸方向で両端に位置するクランクピン１２は、中央の２つのクランクピン１２と１８０°の位相差を有する。

クランクアーム１３の各々は、回転軸方向においてクランクジャーナル１１とクランクピン１２との間に配置される。クランクアーム１３は、クランクジャーナル１１とクランクピン１２とを連結する。クランクアーム１３は、回転軸Ｘ１と交差する表面１３１，１３２を有する。一方の表面１３１にクランクジャーナル１１が接続され、他方の表面１３２にクランクピン１２が接続される。各クランクアーム１３において、両表面１３１，１３２をつなぐ面を外周面１３３という。

本実施形態では、全てのクランクアーム１３がカウンターウエイト１４を一体で有する。ただし、一部のクランクアーム１３にのみ、カウンターウエイト１４が設けられていてもよい。一体化されたクランクアーム１３及びカウンターウエイト１４は、一般に、クランクウェブ１５と称される。

図２は、クランクウェブ１５をクランクジャーナル１１側から見た図である。以下、説明の便宜上、クランクウェブ１５において、クランクジャーナル１１側の面を正面、クランクピン１２側の面を背面と称することがある。クランクウェブ１５の正面視で、クランクピン１２の中心軸Ｘ２及び回転軸Ｘ１に直交する軸を縦軸Ｚと定義する。縦軸Ｚが延びる方向を長手方向といい、クランクアーム１３側を上、カウンターウエイト１４側を下とする。クランクウェブ１５の正面視で縦軸Ｚに垂直な方向は幅方向である。

図２に示すように、カウンターウエイト１４は、クランクアーム１３から下方に向かって拡幅している。カウンターウエイト１４は、例えば、正面視で概略扇状をなす。工程ａ）に続く工程ｂ）では、クランクウェブ１５のうちクランクアーム１３を加工する。

工程ｂ）
工程ｂ）におけるクランクアーム１３の加工形状について、図３を参照しつつ説明する。図３は、工程ｂ）が実施された後のクランクウェブ１５の正面図である。

図３に示すように、工程ｂ）では、クランクアーム１３のクランクジャーナル１１側の表面１３１において、幅方向の両端部１３４を凹状に変形させる。すなわち、クランクアーム１３において、幅方向の各端部１３４の厚みを幅方向の中央部１３５の厚みよりも小さくする。クランクアーム１３の表面１３１において、厚肉の中央部１３５と薄肉の端部１３４との間には段差が形成される。

クランクアーム１３には、突出部１３６が形成される。突出部１３６は、クランクアーム１３の本体から幅方向の両外側に突出する。クランクアーム１３のクランクジャーナル１１側の表面１３１において、各突出部１３６は、薄肉化された端部１３４と段差を介することなく滑らかに連続する。クランクアーム１３において、薄肉の端部１３４及び突出部１３６は、長手方向でクランクピン１２の頂点（上端）から回転軸Ｘ１までの範囲Ｒ１に設けられる。より好ましくは、薄肉の端部１３４及び突出部１３６は、長手方向でクランクピン１２の頂点からクランクジャーナル１１の頂点（上端）までの範囲Ｒ２に設けられる。

クランクアーム１３を図３に示す形状に加工する具体的な方法について、図４を参照しつつ説明する。図４は、工程ｂ）におけるクランクアーム１３の加工方法を説明するための模式図である。

図４を参照して、工程ｂ）では、まず、治具２０により、仕上げ鍛造品１０のクランクジャーナル１１を保持する。治具２０は、例えば、円筒状の内周面を有し、クランクウェブ１５の縦軸Ｚ（図２）を境界として幅方向で左右に分割するよう構成されている。治具２０は、クランクジャーナル１１を外周側から把持して拘束する。

また、治具３０により、クランクアーム１３をクランクピン１２側から支持する。治具３０は、治具２０と同様、クランクウェブ１５の縦軸Ｚ（図２）を境界として幅方向で左右に分割するよう構成されている。ただし、必要に応じ、治具２０，３０をクランクウェブ１５の長手方向で上下に分割することもできる。治具３０は、クランクピン１２を保持するとともに、クランクアーム１３のクランクピン１２側の表面１３２に接触する。この状態で、押圧工具４０をクランクアーム１３に近づけ、押圧工具４０でクランクアーム１３を押圧する。以下、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、治具３０及び押圧工具４０の構成及び動作について詳細に説明する。

図５Ａ及び図５Ｂは、工程ｂ）におけるクランクアーム１３の加工状態を示す横断面図である。図５Ａ及び図５Ｂでは、クランクアーム１３とともに治具３０及び押圧工具４０を示す。クランクアーム１３、治具３０、及び押圧工具４０の横断面とは、クランクアーム１３の幅方向に沿う平面で切断した断面をいう。

まず、図５Ａを参照して、治具３０及び押圧工具４０の構成を説明する。図５Ａに示すように、治具３０は、把持部３１と、支持部３２とを有する。把持部３１は、円筒状の内周面３１１を有し、クランクピン１２を外周側から把持する。支持部３２は、クランクアーム１３をクランクピン１２側から支持する。支持部３２は、荷重受け面３２１と、案内面３２２と、コーナー面３２３とを含む。

荷重受け面３２１は、クランクピン１２側で、クランクアーム１３の表面１３２に対向する。荷重受け面３２１は、クランクアーム１３の表面１３２に対応する形状を有する。荷重受け面３２１は、把持部３１の内周面３１１に連続して設けられている。把持部３１によってクランクピン１２が把持されたとき、荷重受け面３２１は、クランクアーム１３の表面１３２に接触する。クランクアーム１３の長手方向において荷重受け面３２１がクランクアーム１３の表面１３２に接触する範囲（長手方向範囲）は、長手方向において押圧工具４０がクランクアーム１３の表面１３１に接触する範囲（長手方向範囲）と一致するか、当該範囲を包含する。

案内面３２２は、クランクアーム１３の外周面１３３から幅方向の外側、且つ押圧工具４０側に傾斜して延びる。すなわち、案内面３２２は、加工中のクランクアーム１３の横断面視で、クランクピン１２の中心軸Ｘ２に対して傾斜する傾斜面である。中心軸Ｘ２に対する案内面３２２の角度θは、好ましくは４５°以上であり、より好ましくは５０°以上である。角度θは、８０°以下であることが好ましい。

コーナー面３２３は、荷重受け面３２１と案内面３２２とを接続する。コーナー面３２３は、クランクアーム１３の表面１３２と外周面１３３との間の角部を拘束するため、当該角部に沿う形状を有する。コーナー面３２３は、クランクアーム１３の外周面１３３まで延在していてもよい。コーナー面３２３の終点、すなわち案内面３２２の起点は、狙いの加工形状に応じて適宜決定することができる。

押圧工具４０は、押圧面４１を有する。押圧面４１は、クランクアーム１３の表面１３１に対向する。押圧面４１は、逃げ部４１１と、接触部４１２とを含む。

逃げ部４１１は、押圧面４１に設けられた凹状の部分である。逃げ部４１１は、クランクアーム１３の幅方向の中央部１３５に対応して設けられる。逃げ部４１１は、底面４１１ａと、側面４１１ｂとを有する。押圧工具４０の横断面視では、底面４１１ａ，側面４１１ｂは概ね直線状をなす。押圧工具４０の横断面視で、底面４１１ａは、側面４１１ｂと円弧４１１ｃを介して接続される。押圧工具４０の横断面視で、側面４１１ｂは、接触部４１２と円弧４１１ｄを介して接続される。円弧４１１ｃ，４１１ｄの曲率半径は、３ｍｍ～１０ｍｍであることが好ましい。

クランクアーム１３及び押圧工具４０の代表横断面において、逃げ部４１１の幅は、クランクアーム１３の幅の１／３以上であることが好ましい。クランクアーム１３及び押圧工具４０の代表横断面とは、押圧工具４０に押圧されて薄肉化するクランクアーム１３の端部１３４の長手方向中央の位置におけるクランクアーム１３及び押圧工具４０の横断面をいう。逃げ部４１１の幅は、押圧工具４０の代表横断面視で、円弧４１１ｄと接触部４１２との接続点間の距離をいう。

側面４１１ｂは、押圧工具４０の横断面視で直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。押圧工具４０の代表横断面において側面４１１ｂが直線状をなす場合、側面４１１ｂがクランクピン１２の中心軸Ｘ２となす角度は、１５°以上であることが好ましい。

接触部４１２は、クランクアーム１３の幅方向の端部１３４に対応して設けられる。接触部４１２は、クランクアーム１３の幅方向で逃げ部４１１の外側に配置される。接触部４１２は、逃げ部４１１よりもクランクアーム１３側に張り出している。押圧工具４０の横断面視で、接触部４１２は概ね直線状をなす。

接触部４１２は、好ましくは、クランクアーム１３の長手方向に沿って凸状に湾曲する。すなわち、接触部４１２は、クランクアーム１３の長手方向において、上下端部よりも中央部がクランクアーム１３側に張り出す凸曲面であることが好ましい。

押圧工具４０の代表横断面視で、逃げ部４１１と接触部４１２との間の急峻度ｈ／ｄは、０．２以上であることが好ましく、０．４５以上であることがより好ましい。ｈは、逃げ部４１１に対する接触部４１２の高さである。接触部４１２の高さｈは、押圧工具４０の代表横断面において、逃げ部４１１の底面４１１ａから接触部４１２までの回転軸方向の距離で定義される。クランクアーム１３及び押圧工具４０の代表横断面視で、高さｈは、クランクアーム１３の中央部１３５の厚み（回転軸方向の寸法）の２／３以下であることが好ましい。ｄは、押圧工具４０の代表横断面において、逃げ部４１１の底面４１１ａから接触部４１２までの幅方向の距離である。

次に、押圧工具４０の動作と、これに伴うクランクアーム１３の材料の挙動とを説明する。図５Ａを参照して、治具３０に支持されたクランクアーム１３に押圧工具４０を接近させていくと、押圧工具４０の接触部４１２がクランクアーム１３の幅方向の端部１３４に接触し、端部１３４を押圧する。一方、クランクアーム１３の幅方向の中央部１３５は、凹状の逃げ部４１１内に配置されるため、押圧工具４０で押圧されない。よって、クランクアーム１３では、図５Ｂに示すように、端部１３４の材料のみが幅方向の外側に流動し、端部１３４が薄肉化される。幅方向の外側に流動した材料は、治具３０の案内面３２２に案内されて突出部１３６を成形する。突出部１３６は、案内面３２２及び接触部４１２により、クランクアーム１３の横断面視で概略三角形状に成形される。押圧工具４０がクランクアーム１３の端部１３４を押圧している間、押圧工具４０からの押圧荷重は、治具３０の荷重受け面３２１によって受け止められる。端部１３４から流動した材料が案内面３２２と接触部４１２との間を満たすに伴い、案内面３２２にも押圧工具４０からの押圧荷重が作用する。

押圧工具４０を所定の位置まで移動させ、クランクアーム１３の端部１３４の薄肉化及び突出部１３６の成形が完了したら、押圧工具４０を後退させてクランクアーム１３から離間させる。その後、クランクジャーナル１１及びクランクピン１２から治具２０，３０を取り外す（図４）。

工程ｂ）において、押圧工具４０は、一般的な油圧機構や楔機構等を用いて移動させることができる。例えば、押圧工具４０に油圧シリンダを接続し、この油圧シリンダを伸縮させることで、クランクアーム１３に対する押圧工具４０の接近及び離間を行ってもよい。また、例えば、押圧工具４０においてクランクアーム１３と反対側の表面に斜面を設け、この斜面に対して楔部材の斜面をスライドさせることで、クランクアーム１３に対する押圧工具４０の接近及び離間を行うこともできる。ただし、押圧工具４０の駆動方法は、これらに限定されるものではない。

工程ｃ）
工程ｂ）に続く工程ｃ）では、端部１３４が薄肉化され、突出部１３６が成形されたクランクアーム１３をさらに加工する。図６Ａ及び図６Ｂは、工程ｃ）におけるクランクアーム１３の加工状態を示す横断面図である。

図６Ａを参照して、工程ｃ）では、クランクアーム１３の幅方向に沿って接近及び離間可能な一対の金型５０が使用される。工程ｃ）では、この金型５０を互いに接近させることで、クランクアーム１３の突出部１３６を幅方向の内側に向かって押圧する。これにより、クランクアーム１３の薄肉の端部１３４は、厚肉の中央部１３５との境界Ｂを起点としてクランクジャーナル１１（図１）側に折れ曲がる。すなわち、端部１３４は、図６Ｂに示すように、中央部１３５との境界Ｂからクランクジャーナル１１（図１）側に傾倒する。突出部１３６は、突出部１３６に接触する金型５０の内面に沿って変形する。これにより、クランクアーム１３の端部１３４の厚みは、幅方向の外側に向かって大きくなる。クランクアーム１３の端部１３４を折り曲げた後、金型５０同士を離間させてクランク軸を取り出して工程ｃ）を終了する。

工程ｃ）で使用する金型５０は、例えば、クランク軸の最終製品形状を掘り込んだ金型であってもよい。この場合、工程ｃ）において、クランクアーム１３の端部１３４を折り曲げると同時に、仕上げ鍛造品１０を最終製品の寸法及び形状に矯正することができる。ただし、工程ｃ）はクランクアーム１３の薄肉の端部１３４を折り曲げる工程であるため、金型５０は、クランクアーム１３の端部１３４を拘束しない。金型５０のうち突出部１３６を押圧する部分は、金型５０の横断面視で回転軸方向に対して平行な面であってもよいし、回転軸方向に対して傾斜する面であってもよい。境界Ｂを起点とする端部１３４の折り曲げは、前工程ｂ）でクランクアーム１３に付与した形状によって発生するものであり、本工程ｃ）で使用する金型５０の形状には実質的に依存しない。このため、工程ｃ）で使用する金型５０は、特に限定されない。

［実施形態の効果］
本実施形態に係るクランク軸の製造方法では、仕上げ鍛造品１０からバリを除去した後、工程ｂ）において、クランクアーム１３の幅方向の端部１３４をクランクジャーナル１１側から押圧して薄肉化しつつ、当該端部１３４の材料を幅方向の外側に流動させて突出部１３６を成形する。クランクアーム１３のクランクジャーナル１１側の表面１３１において、厚肉の中央部１３５と薄肉の端部１３４との間には段差が形成される。このため、続く工程ｃ）で突出部１３６を幅方向の内側に押圧すれば、クランクアーム１３の薄肉の端部１３４は、厚肉の中央部１３５との境界Ｂを起点としてクランクジャーナル１１側に折れ曲がる。これにより、クランクアーム１３の幅方向の両側縁の厚みが大きくなり、クランク軸のねじり剛性を確保することができる。

本実施形態に係る製造方法で製造されるクランク軸では、クランクアーム１３の幅方向の端部１３４が薄肉化され、軽量化されている。このクランクアーム１３の軽量化に伴い、クランクアーム１３とつりあうカウンターウエイト１４の重量を低減させることができる。このため、クランク軸を軽量化することができる。一方、クランクアーム１３の幅方向の中央部１３５は厚肉に維持されている。よって、クランク軸の曲げ剛性を確保することができる。

本実施形態では、クランクアーム１３の端部１３４を治具３０と押圧工具４０との間で圧縮することにより、クランクアーム１３に突出部１３６を成形する。突出部１３６の成形には、型彫りされた金型を用いない。よって、突出部１３６の先端Ｒを自由に設定することができ、突出部１３６の厚みを小さくすることができる。このため、クランクアーム１３の重量を十分に抑制することができる。

本実施形態において、クランクアーム１３のうちクランクピン１２の頂点よりも上側の部分は、工程ｂ）で押圧されず、薄肉化されない。よって、クランク軸に熱処理を施した際、当該部分に割れが生じるのを防止することができる。

本実施形態において、押圧工具４０の押圧面４１は、凹状の逃げ部４１１と、クランクアーム１３側に張り出す接触部４１２とを有する。この押圧面４１をクランクアーム１３に接近させた際には、まず、接触部４１２がクランクアーム１３に接触する。接触部４１２は、クランクアーム１３の幅方向の端部１３４に対応しているため、端部１３４を確実に押圧して薄肉化する。一方、クランクアーム１３の幅方向の中央部１３５は逃げ部４１１内に配置され、実質的に押圧面４１で押圧されない。よって、中央部１３５の厚みを確実に維持することができる。

本実施形態において、接触部４１２は、クランクアーム１３の長手方向に沿って凸状に湾曲していることが好ましい。これにより、クランクアーム１３の端部１３４を、長手方向に沿って緩やかに湾曲する形状に加工することができる。よって、端部１３４の加工に起因してクランク軸の剛性が低下するのを抑制することができる。

押圧工具４０における逃げ部４１１と接触部４１２との間の急峻度ｈ／ｄは、クランクアーム１３における厚肉の中央部１３５と薄肉の端部１３４との間の急峻度に相当する。クランクアーム１３の端部１３４を適切に折り曲げるためには、ある程度の急峻度ｈ／ｄが必要となる。すなわち、急峻度ｈ／ｄが小さすぎる場合、端部１３４を折り曲げる際、端部１３４と中央部１３５との境界Ｂがクランクジャーナル１１側に押し出されるとともに、突出部１３６がクランクジャーナル１１側に倒れ込む。この場合、境界Ｂを起点としてクランクアーム１３の端部１３４を折り曲げることが困難になる。境界Ｂを起点とした端部１３４の折り曲げを容易にするため、本実施形態では、急峻度ｈ／ｄを好ましくは０．２以上、より好ましくは０．４５以上に設定している。

本実施形態において、逃げ部４１１の底面４１１ａ及び接触部４１２にそれぞれ連続する円弧４１１ｃ，４１１ｄは、好ましくは３ｍｍ～１０ｍｍの曲率半径を有する。円弧４１１ｃ，４１１ｄの曲率半径が大きすぎると、クランクアーム１３において薄肉の端部１３４と厚肉の中央部１３５との段差が緩やかになり、急峻度ｈ／ｄが小さすぎる場合と同様、端部１３４を適切に折り曲げることが難しくなるためである。

本実施形態において、クランクアーム１３を押圧工具４０で押圧する際、このクランクアーム１３は、押圧工具４０と反対側から治具３０によって支持される。クランクアーム１３の端部１３４の材料は、押圧工具４０の押圧荷重を受けて流動し、治具３０に設けられた傾斜状の案内面３２２に案内されて突出部１３６に変形する。このとき、クランクピン１２は、治具３０の把持部３１に拘束され、クランクアーム１３のクランクピン１２側の表面１３２及び角部は、案内面３２２に連続するコーナー面３２３に拘束される。これにより、クランクピン１２及びクランクアーム１３で余剰変形が生じるのを抑制することができる。

本実施形態において、治具３０は、押圧工具４０からの押圧荷重を受け止めるための荷重受け面３２１を有する。荷重受け面３２１がクランクアーム１３の表面１３２に接触する長手方向範囲は、押圧工具４０がクランクアーム１３の表面１３１に接触する長手方向範囲と一致するか、当該長手方向範囲を包含する。これにより、クランクアーム１３において、押圧工具４０で押圧された部分の周辺で余剰変形が発生するのを抑制することができる。

本実施形態では、クランクピン１２の中心軸Ｘ２に対する案内面３２２の角度θは、好ましくは４５°以上であり、より好ましくは５０°以上である。これにより、突出部１３６について、工程ｃ）で押圧するのに十分な高さを確保することができる。また、角度θは、好ましくは８０°以下である。これにより、工程ｃ）での押圧によって突出部１３６が座屈するのを防止することができる。

以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、図７に示すように、工程ａ）で準備される仕上げ鍛造品１０は、隆起部１３７を有していてもよい。隆起部１３７は、クランクアーム１３のうち次工程ｂ）で押圧される予定の端部１３４に設けられ、クランクジャーナル１１側に隆起する。クランクアーム１３の長手方向において、隆起部１３７の範囲は、工程ｂ）で押圧される端部１３４の範囲の１／２以下であることが好ましい。クランクアーム１３に隆起部１３７を予め設けておくことにより、工程ｂ）では、この隆起部１３７に押圧工具４０が優先的に接触し、端部１３４の材料を円滑に流動させることができる。図７では、工程ｂ）で押圧される予定の端部１３４及び成形される予定の突出部１３６を二点鎖線で表示する。

本実施形態の工程ｂ）において、クランクアーム１３の幅方向の両端部１３４は、１つの押圧工具４０によって同時に押圧される。しかしながら、工程ｂ）では、クランクアーム１３の端部１３４各々に個別の押圧工具を押し当てることにより、端部１３４ごとの押圧を行うこともできる。例えば、本実施形態の押圧工具４０を、クランクピン１２の中心軸Ｘ２を境界として幅方向で左右に分割し、分割された押圧工具４０でクランクアーム１３の端部１３４をそれぞれ押圧してもよい。

本実施形態の工程ｃ）では、工程ｂ）で薄肉化されたクランクアーム１３の両端部１３４を折り曲げる。しかしながら、工程ｃ）では、設計要件等に応じ、クランクアーム１３の両端部１３４のうち、いずれか一方のみを折り曲げることもできる。あるいはまた、工程ｂ）でクランクアーム１３の両端部１３４のうち、いずれか一方のみを薄肉化し、その薄肉化した端部１３４を工程ｃ）で折り曲げることもできる。

本実施形態の工程ｃ）では、金型５０のみが使用されている。しかしながら、工程ｃ）では、金型５０と、金型５０とは別の第２の金型とが併用されてもよい。例えば、金型５０によってクランクアーム１３の薄肉の端部１３４を折り曲げる間、クランクアーム１３の表面１３１のうち、折り曲げの起点である境界Ｂの近傍から厚肉の中央部１３５にかけた領域に、第２の金型を押し当てることができる。これにより、クランクアーム１３における余剰変形をさらに抑制することができる。

工程ｃ）は、一般的な鍛造クランク軸の製造プロセスにおける整形工程と同時に実施してもよい。その場合は、金型５０による折り曲げの終了時に、通常の整形工程と同様、クランクジャーナル１１等の必要箇所を金型５０と一体の金型で、又は金型５０と別体の金型で圧下し、最終製品の形状に整える。

本実施形態では、工程ｂ）及び工程ｃ）において、カウンターウエイト１４を一体で有するクランクアーム１３の加工を実施する。しかしながら、一部のクランクアーム１３がカウンターウエイト１４を有しない場合、カウンターウエイト１４を有しないクランクアーム１３についても、工程ｂ）及び工程ｃ）の加工を実施することができる。工程ｂ）及び工程ｃ）の加工は、クランク軸に含まれる全てのクランクアーム１３に対して施されてもよいが、一部のクランクアーム１３にのみ施されてもよい。

１０：仕上げ鍛造品
１１：クランクジャーナル
１２：クランクピン
１３：クランクアーム
１３４：端部
１３５：中央部
１３６：突出部
１３７：隆起部
３０：治具
３１：把持部
３２：支持部
３２１：荷重受け面
３２２：案内面
３２３：コーナー面
４０：押圧工具
４１：押圧面
４１１：逃げ部
４１２：接触部

Claims (5)

1. クランク軸の製造方法であって、
   ａ）型鍛造によって成形され、バリが除去された仕上げ鍛造品を準備する工程であって、前記仕上げ鍛造品は、クランクジャーナルと、前記クランクジャーナルに対して偏心するクランクピンと、前記クランク軸の回転軸方向において前記クランクジャーナルと前記クランクピンとの間に配置され前記クランクジャーナルと前記クランクピンとを連結するクランクアームと、を有する工程と、
   ｂ）前記クランクアームを前記クランクピン側から治具によって支持した状態で、前記クランクアームの幅方向の端部を前記クランクジャーナル側から押圧工具で押圧することにより、前記端部の材料を前記幅方向の外側に流動させて、前記端部を薄肉化するとともに前記クランクアームの本体から前記幅方向の外側に突出する突出部を成形する工程と、
   ｃ）前記突出部を前記幅方向の内側に向かって押圧することにより、前記クランクアームにおいて、前記幅方向で前記端部の内側に位置し前記端部よりも厚肉の中央部と、薄肉化された前記端部との境界を起点として、前記端部を前記クランクジャーナル側に折り曲げる工程と、
   を備える、製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、
   前記押圧工具は、前記クランクアームの前記クランクジャーナル側の表面に対向する押圧面を有し、
   前記押圧面は、
   前記中央部に対応して設けられる凹状の逃げ部と、
   前記幅方向で前記逃げ部の外側に配置され、前記逃げ部よりも前記クランクアーム側に張り出して前記端部に接触する接触部と、
   を含む、製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法であって、
   前記接触部は、前記クランクアームの長手方向に沿って凸状に湾曲する、製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法であって、
   前記治具は、
   前記クランクピンを外周側から把持する把持部と、
   前記クランクアームを前記クランクピン側から支持する支持部と、
   を有し、
   前記支持部は、
   前記クランクアームの前記クランクピン側の表面に対向して前記押圧工具からの押圧荷重を受け止める荷重受け面と、
   前記クランクアームの外周面から前記幅方向の外側且つ前記押圧工具側に傾斜して延び、前記押圧工具で押圧されて流動する前記材料を案内する案内面と、
   前記クランクアームの前記クランクピン側の前記表面と前記外周面との間の角部に沿って前記荷重受け面と前記案内面とを接続するコーナー面と、
   を含む、製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の製造方法であって、
   前記工程ａ）で準備される前記仕上げ鍛造品は、前記クランクアームのうち前記工程ｂ）で押圧される前記端部において、前記クランクジャーナル側に隆起する隆起部を有する、製造方法。
   

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