JPH04191327A - 鋳造クランクシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関のクランクシャフトの製造方法に関し
、特に鋳造クランクシャフトの鋳造後において実行され
る仕上げ方法に関する。

〔従来の技術〕

周知のように、内燃機関に使用されるクランクシャフト
は高い燃焼ガス圧力を機関の回転力に変換するものであ
るが、同時に高重量の車両本体からの反力をも受けるこ
とにもなり、特に最近の内燃機関では高速回転のものが
多く、大きな慣性力や曲げ応力、或はねじり振動等が課
せられる傾向にある。従って、近年製造されるクランク
シャフトはこのような慣性力、曲げ応力、ねじり振動に
耐え得る強度と剛性を有さなければならず、一般には機
械構造用炭素鋼の鍛造品や高力球状黒鉛鋳鉄がクランク
シャフト用として使用されており、ごく希に合金鋼が用
いられている。またこのような材料を以て製造されたク
ランクシャフトの表面仕上げ方法としては、例えば特開
昭６０−６２４６１号公報に示されたようなローラ仕上
げ法をジャーナル部等の重要部分に施し、その表面を平
滑化すると共に、局部の加工硬化と圧縮残留応力付与に
よってこの部分の疲労強度を向上させようとしたクラン
クシャフト仕上げ方法がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで上述したようなりランクシャフトの材料に関し
、鍛造クランクシャフトは鋳造クランクシャフトに比べ
製造コストが高い等の理由により、現在ではクランクシ
ャフトの大部分が球状黒鉛鋳鉄より製造されている。

しかしながらこの鋳造クランクシャフトは、鍛造クラン
クシャフトよりも、クランクシャフトのジャーナル部を
支持する軸受メタルの摩耗量を著しく増大させる傾向に
あり、又対軸受メタル焼付性も鍛造クランクシャフトの
それと比較して低く、品質面及びメンテナンス面におい
て問題点がある。

これは鋳鉄と鋼との根本的な金属組織の違いに起因する
ものであって、具体的には鋳造組織において球状黒鉛の
周囲に析出するフェライトに原因がある。即ち、このフ
ェライトは鉄の他の組織よりも軟らかい性質を有するた
め、クランクシャフトの軸部の研削仕上げの時、砥石に
引きずられて変形し黒鉛の周りで微小なエツジとなり、
これが機関運転の際に軸受メタルを削り、その摩耗量を
増加させるのである。又、このように黒鉛の周りに必ず
フェライトが存在するような組織では、機関運転に伴っ
てフェライトが展延したり塑性移動するために表面の凹
凸が激しくなり、この結果、ジャーナル部、軸受メタル
間の油膜厚さバラツキの増加に伴って、この間に全熱油
膜が介在しない部分、即ちメタルコンタクト部分が生じ
、軸受メタルに焼き付きが発生し易くなる。

本発明はこのような鋳造クランクシャフトの問題点に対
処するために提供されるものである。

〔課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため本発明によれば、鋳造クランク
シャフトのメインジャーナル部及びピンジャーナル部を
高周波加熱した後冷却し、組織中に点在する球状黒鉛周
りに析出するフェライト量を減じて、この部分の硬さを
ピンカース硬度３００から４５０までの範囲にし、次い
でこの部分にローラハニシング加工を施す、鋳造クラン
クシャフトの製造方法が提供される。

〔作　用〕

高周波加熱によって黒鉛からフェライトに炭素が拡散し
、その後の冷却によってこのフェライト組織は、その一
部が炭化物化した、いわゆるセメンタイトと残留フェラ
イトとの混在したパーライト組織になる。また加熱後の
冷却速度によってはマルテンサイトやベーナイト組織も
出現する。このパーライトやマルテンサイト、ベーナイ
トはフェライトよりも硬くて脆いため、研削時パリは発
生しにくい。又、このフェライトの消失によって基地硬
さは増加し、かつ機関運転に伴うフェライトの塑性流動
度合いは低減されるため、表面の凹凸は少なくなり、従
って焼き付きにくくなる。更に高周波熱処理後のクラン
クシャフトのジャーナル部分に対しローラバニシング加
工を施すことによって、黒鉛周辺のエツジ効果が低減さ
れるため機関運転に伴う軸受メタルの摩耗量も減少する
。

加えてこのローラバニシング加工によって処理面の表面
粗さは同上し、表面が加工硬化するため一層焼き付きに
くくなる。尚、クランクシャフトは加熱冷却後の基地硬
さが硬すぎるとローラハニシング加工が不可能となるた
め、ビッカース硬度がＨｖ３００〜４５０になるように
熱処理して、ローラハニシング加工の効果が充分発揮さ
れるようにする。

（実施例〕 本発明によるクランクシャフト製造方法を図面を参照し
ながら以下説明する。

第１図は本発明の適用対象となる鋳造クランクシャフト
１の外観を示しており、図で１ａ及びｌｂは本発明によ
る製造方法（仕上げ方法）が施されるメインジャーナル
部、ピンジャーナル部を夫々示している。

又、第２図に示す写真は、第１図に示す鋳造クランクシ
ャフトの鋳造終了段階（アズキャスト）での組織であっ
て、球状黒鉛２の周囲にはフェライト３が析出しており
、いわゆるブルースアイ組織になっている。このような
組織を有する球状黒鉛鋳鉄は、鋳造時においてその成分
にＣ（炭素）やＳｉ（ケイ素）をパーライト型球状黒鉛
鋳鉄よりも多くした場合や、或は鋳造時の冷却速度が遅
い場合などに得ることができ、その性質としては組織中
のフェライト３の存在によって、パーライト型球状黒鉛
鋳鉄に比べて硬度が低く切削性が良好であり、従って鋳
造後、切削加工を要するクランクシャフトにあっては適
切な鋳造組織である。

以上のような組織を有するクランクシャフト１において
本発明によれば、図示しない軸受メタルなどに接触する
ことになるメインジャーナル部１ａ、及びビンジャーナ
ル部１ｂには、局部的な熱処理が可能となる高周波加熱
装置（図示せず）によって加熱処理後、空冷或は水冷さ
れ、いわゆる焼きならし処理、もしくは焼入処理される
。この熱処理は、後述するロールバニシング加工のため
にそのジャーナル部の硬さが所定範囲内（ビッカース硬
度がＨｖ３００〜４５０内）に含まれるように、加熱温
度、加熱時間及び冷却速度が、夫々所定値或は所定範囲
内に制御されるものである。

第３図に示す写真は、以上のような熱処理を経て得られ
る組織である。ここでは加熱後、水冷している。

この写真から明らかなように、第２図において析出して
いた球状黒鉛２周りのフェライト３はここでは消失・減
少している。これは前述した表面加熱に伴う高温化によ
って、球状黒鉛２から炭素がフェライト３へと拡散し、
水冷により、一部マルチンサイト変態したものである。

このように高周波熱処理によって球状黒鉛周りの軟らか
いフェライト域を消失させ、全体的にはフェライト量を
減少させることにより、その後のクランクシャフト１の
メイン・ビンジャーナル部１ａ、ｌｂの研削加工の際、
フェライト自体がその粘性によりめくれあがるような研
削パリの発生傾向を弱め、又機関運転に伴ってフェライ
トが全体的に塑性流動するような現象を回避している。

加えて、このフェライトのパーライト化によって、基地
硬さは増加するため、耐焼付は性が向上することになる
。

以上にようにしてフェライト量減少のための高周波熱処
理が終了したクラ・ンクシャフトｌの各ジャーナル部に
は、次に本発明のもう１つの特徴であるローラバニシン
グ加工が施される。このローラバニシング加工は、一般
に高精度に仕上げたローラを加工物、即ち本例の場合、
クランクシャフト１に接触回転させ、金属表面を僅かに
塑性変形させて精密に仕上げる加工法である。

第４図はクランクシャフト軸方向より見た上記ローラバ
ニシング加工の一加工例を示しており、クランクシャフ
ト１のメインジャーナル部１ａやピンジャーナルｌｂ部
は、クランクシャフト１を三方より取り囲むように配置
された３つのローラ６．７及び８によって加工される。

これらのローラの内、ローラ６及び７は定置型の治具９
に回転可能に支持されており、治具９にはクランクシャ
フト１をローラ６及び７で安定して支承するため略■形
のリセス１０が形成される。これに対してローラ８はこ
の治具９に対して移動可能な治具１１に回転可能に支持
されており、加工に際しては図示するように所定荷重Ｐ
を以てクランクシャフト１を圧接するようになっている
。又、ローラバニシング加工時、各ローラ６．７及び８
と、クランクシャフト１は図中、矢印で示したように回
転駆動されるが、この駆動手段（図示せず）はローラ８
に直結されるものでも良く、或はクランクシャフト１に
直結されるものでも良い。

このローラハニシング加工を上述したような高周波熱処
理後のクランクシャフト１のメイン・ビンジャーナル部
１ａ、ｌｂに施すと、第５図左側に示すように、ジャー
ナル部の表面に露出する球状黒鉛２の周りのエツジ１２
は、第５図右側に示すようにキャビティ１３の底部側に
押し込められ、この結果、キャビティ周りは滑らかとな
り、機関運転時において軸受メタルを損傷したり、その
摩耗量を増大せしめるようなエツジ効果は低減される。

加えてその表面はローラバニシング加工本来の作用であ
る、表面の加工硬化により硬さを増すばかりか、更にロ
ーラによる圧縮によってその表面には残留応力が生じる
ため、従って耐久性の優れたクランクシャフトジャーナ
ル面を提供することができる。尚、当然ながらローラの
転圧作用によってその表面の粗さは少ない値へと改善さ
れ（プラトー率の向上）、前述した高周波熱処理による
耐焼き付は性が更に向上することになる。

尚、前述したようにこのローラバニシング加工をするに
あたって、クランクシャフトジャーナル部の基地硬さは
ピンカース硬度Ｈνで３００以上４５０以下であること
が好ましい。これは高周波熱処理によって達成された基
地硬さがＨｖ４５０よりも大きくなるような場合には、
硬すぎて上述したようなローラハニシング加工の効果が
充分出す、他方Ｈｖ３００より小さくなるような場合に
は高周波熱処理のフェライト減少作用が不充分であるた
めに組織中には大量のフェライトが残留し、従って機関
運転時における耐焼き付は性が極端に低下するためであ
る。

（実　験） 以上述べた本発明によるクランクシャフト製造方法の効
果を確認するため、本発明のクランクシャフト（ｄ）を
（ａ）鋳造後のクランクシャフト、（ｂ）高周波熱処理
のみのクランクシャフト、及び（Ｃ）ローラハニシング
加工処理のみのクランクシャフトと夫々比較し、その焼
き付は面圧（焼き付けを発生する面圧）と軸受材摩耗量
に関し実験を行った。結果を第６図に示す。

この図から明らかなように、鋳造後無処理のクランクシ
ャフト（ａ）に比較して、高周波熱処理のみのクランク
シャフト（ｂ）やローラハニシング加工のみのクランク
シャフト（Ｃ）は、耐焼き付は性が若干向上し、又耐摩
耗性も（ｂ）において若干の向上、（Ｃ）において顕著
な向上が認められた。しかしながらこれら単一処理のク
ランクシャフトを組み合わせた本発明のクランクシャフ
ト（ｄ）においては、（Ｃ）のクランクシャフトよりも
格段に耐焼き付は性が向上しており、又摩耗性において
も（Ｃ）のクランクシャフトとほぼ同程度（若干、向上
している）のレベルが確保されている。これは高周波熱
処理によるフェライト減少作用とローラバニシング加工
による表面平滑作用（加工硬化作用も含む）との相乗効
果によるものであり、ある程度の基地硬さを確保した上
でローラハニシング加工をすることで、その表面硬さを
単独の場合よりも更に高め、又後工程としてのローラハ
ニシング加工を考慮し、熱処理後の硬さを若干軟らかく
なるようにしてローラによる表面平滑化を促進させ凹凸
を少なくした、異なる方向からのアプローチによるもの
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、鋳造後のクランク
シャフトに高周波熱処理を施すことによって、研削時の
フェライトハリ発生量が減少するために機関運転時の軸
受メタル摩耗量を低減することができる。又、この熱処
理によって基地硬さも増加すると共にその後のローラバ
ニシング加工によって表面の硬さが更に増しかつ面も平
滑化するために、軸受メタル、ジャーナル部間の油膜厚
さが均一化し、耐焼き付は性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用対象となる鋳造クランクシャフト
の全体図；第２図は鋳造後のクランクシャフトの組織写
真；第３図は高周波熱処理後のクランクシャフトの組織
写真；第４図はローラハニシング加工されるクランクシ
ャフトをその軸方向から見た図ｉ第５図はローラハニシ
ング加工の前後のクランクシャフト表面状態を示した図
；第６図は本発明によるクランクシャフトの焼き付は面
圧と軸受材摩耗量を鋳造後のクランクシャフト等と比較
した図。 ｌ・・・クランクシャフト、 １ａ・・・メインジャーナル部、 １ｂ・・・ピンジャーナル部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、鋳造クランクシャフトのメインジャーナル部及びピ
   ンジャーナル部を高周波加熱した後冷却し、組織中に点
   在する球状黒鉛周りに析出するフェライト量を減じて、
   この部分の硬さをビッカース硬度３００から４５０まで
   の範囲にし、次いでこの部分にローラバニシング加工を
   施す、鋳造クランクシャフトの製造方法。