JPH06155287A

JPH06155287A - 高疲労強度アルミニウム合金コンロッドの製造方法

Info

Publication number: JPH06155287A
Application number: JP31205392A
Authority: JP
Inventors: Chikatoshi Maeda; 千芳利前田; Kunihiko Imahashi; ▲邦▼彦今橋; Koji Nishida; 幸司西田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-11-20
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1994-06-03

Abstract

(57)【要約】【目的】小端孔の内周面の直下から深部に至るまでの高
い残留圧縮応力分布が得られ、小端孔の内周面の疲労強
度を高め得るアルミニウム合金コンロッドの製造方法を
提供すること。【構成】急冷凝固アルミニウム合金粉末の成形体を温間
域で鍛造し、溶体化熱処理（Ｔ６処理）する。この組成
は、Ａｌ−１７％Ｓｉ−６％Ｆｅ系である。第１のロー
ラ加工工程では、コンロッド１の小端孔１０内にバニシ
ュ装置３の第１強圧ローラ３２を押込みつつ、第１マン
ドレル３４を回転駆動させ、各第１強圧ローラ３２を従
動回転させ、ローラ面３２ａの径大部３２ｘにより小端
孔１０の内周面１０ａを強圧する。その後、第１のロー
ラ加工工程では、断面多角形状の第２マンドレルを回転
し、第２強圧ローラで断続的に小端孔１０の内周面１０
ａを叩き、断続的なピーニング作用及びローリング作用
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高疲労強度アルミニウム
合金コンロッドの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関では、ピストンピンとクランク
シャフトとを連結するコネクティングロッドとも呼ばれ
るコンロッドが用いられている。コンロッドは圧縮力、
引張力、曲げ等の荷重を繰り返して受けるので、これら
に充分耐え得る様に一般的に合金鋼で形成されている。
しかし、近年、内燃機関の低燃費化に伴う軽量化の要請
から、アルミニウム合金からなるコンロッドが検討され
ている。

【０００３】アルミニウム合金では、コンロッドの使用
温度域である高温域（一般的に１４０〜１９０°Ｃ程
度）での強度特性が合金鋼に比較して劣る。特に、アル
ミニウム合金からなるコンロッドの小端孔には、熱膨張
差に起因する打音防止の関係で、小端孔とピストンピン
との間に介装されるブッシュが使用されないことが一般
的であり、この場合には、コンロッドの小端孔の内周面
とピストンピンとが直接接触するため、ピストンからの
爆発力が小端孔に直接伝わって小端孔に疲労破壊が生じ
ることがある。図１０に示す様に、コンロッド１００の
ステム１０１側の小端孔１０２の内周面を疲労起点とし
て疲労破壊が生じることが一般的である。

【０００４】ところで、実開平１−１０９３３５号公報
には、コンロッドの大端孔の形状を整える目的で、大端
孔の内周面にローラ加工を施す技術が開示されている。
また、実開昭５８−１４３１５８号公報には、横断面多
角形状のマンドレルを用い、マンドレルを回転させるこ
とにより強圧ローラを回転させつつワークの孔の内周面
に押し付け、バニシュ加工するローラバニシュ装置が開
示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記した各公報
ともに、アルミニウム合金コンロッドの小端孔の疲労強
度向上のための適切な残留圧縮応力領域、即ち小端孔の
内周面においてその直下から深部に至るまでの高い残留
圧縮応力分布が得られない。本発明は上記した実情に鑑
みなされたものであり、その目的は、小端孔の内周面の
疲労強度を高め得る高疲労強度アルミニウム合金コンロ
ッドの製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の高疲労強度アル
ミニウム合金コンロッドの製造方法は、ピストンピンが
通る小端孔をもつアルミニウム合金からなるコンロッド
を用い、コンロッドの小端孔の内周面に強圧ローラを押
し当てて残留圧縮応力を付与するローラ加工を施す第１
のローラ加工工程と、コンロッドの小端孔の内周面に、
ピーニングを伴うローラ加工を施す第２のローラ加工工
程とを順に実施することを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】第１のローラ加工工程及び第２のローラ加工工
程により、コンロッドの小端孔の内周面には、内周面直
下から深部に至るまでの残留圧縮応力分布が付与され
る。更に、小端孔の内周面の面粗さが小さくなる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の製造方法の実施例を説明す
る。この方法では、アルミニウム合金からなるコンロッ
ドを用いる。このコンロッドは車両に装備される内燃機
関に組み込まれるものである。コンロッドは次の様にし
て製造する。即ち、急冷凝固粉末を熱間プレスして高密
度のビレットとし、次いで、異形押出して押出材を得
た。この異形押出材を所定の厚さに切断して鍛造後の完
成部品と同じ重量になるようにし、完成品としてのコン
ロッドにほぼ似た形状の荒地成形体（図９に破線で示
す）を得る。次いでこの荒地成形体を４００〜４５０℃
に加熱し、型温１５０℃の鍛造型でバリを出さず、密閉
鍛造して仕上鍛造品（図９に実線で示す）とする。小端
孔１０の軸方向における小端部の厚さは、荒地成形体の
段階の厚みＴ１で２１．５〜２３．２ｍｍ、鍛造後の厚
みＴ２で２４ｍｍとなる。ピストン孔部分の押残し量Ｔ
３は６〜１４ｍｍである。プレス機械は機械的にダイス
の上下を行なうメカプレスを使用しており、歪速度１０
Ｓ^-1である。鍛造の際の強圧方向は、荒地成形体の厚み
方向（図９の矢印Ｙ方向）、つまり、図１０に示すコン
ロッドにおいて紙面垂直方向（小端孔の軸方向と平行な
方向）である。この仕上鍛造品を溶体化熱処理と時効処
理（Ｔ６処理）した後、小端孔及び大端孔該当部分など
を形成すべく、旋削加工を施する。なお小端孔は、図９
に示すくぼみの施削で形成される。

【０００９】用いた急冷凝固アルミニウム合金粉末の組
成は、重量％でＡｌ−１７％Ｓｉ−６％Ｆｅ−４．５％
Ｃｕ−０．５％Ｍｎ−０．５％Ｍｇである。小端孔の内
径は２０ｍｍ程度であるが、これに限定されるものでは
ない。第１のローラ加工工程では、図１及び図２に示す
バニシュ装置３（スギノマシン（株）スパローラ）を
用いる。図１及び図２から理解できる様に、バニシュ装
置３は、本体３０と、本体３０に内側及び外側が突出し
て転動可能に保持された多数個の第１強圧ローラ３２
（材質：ハイス）と、第１強圧ローラ３２を回転させる
第１マンドレル３４（材質：ハイス）とを備えている。
第１強圧ローラ３２は円錐面状のローラ面３２ａ（直径
は小径側で４．３５ｍｍ程度、大径側で４．９５ｍｍ程
度、テーパ度１／３０）を備えている。第１マンドレル
３４はローラ面３２ａに対面する円錐面３４ｃを備えて
いる。バニシュ装置３の加工外径（第１強圧ローラ３２
のローラ面３２ａの径大部３２ｘ間の径）をＤ１とし、
第１のローラ加工実施前の小端孔１０の内径をＤ０（Ｄ
０＜Ｄ１）とすると、Ｄ１からＤ０を減算した差（Ｄ１
−Ｄ０）、即ち、第１のローラ加工におけるバニシュ量
Δｄ₁₁は、２０〜６０μｍ程度に設定されている。

【００１０】上記した第１のローラ加工工程では、常温
域において、図２から理解できる様に、コンロッド１の
小端孔１０内に第１強圧ローラ３２を矢印Ａ１方向から
押込みつつ、第１マンドレル３４を矢印Ｂ１方向に回転
駆動させると、各第１強圧ローラ３２が従動回転し、こ
れにより小端孔１０の内周面１０ａは強圧される。特
に、第１強圧ローラ３２のローラ面３２ａの径大部３２
ｘにより小端孔１０の内周面１０ａは強圧される。かか
る加工は、小端孔１０の全周、軸方向の全域において行
われる。これにより小端孔１０の内周面１０ａに所定深
さの残留圧縮応力領域が形成される。

【００１１】第１のローラ加工は、供給管３９から冷却
液をかけつつ行う。なお第１マンドレル３４の回転速度
は３００〜１５００ｒｐｍ、第１マンドレル３４の矢印
Ａ１方向への押込速度は０．０５〜１．５ｍｍ／ｒｅｖ
程度とするが、これに限定されるものではない。第２の
ローラ加工工程で用いるローラ装置５（スギノマシン
（株）ベアリンガイザ）の要部を図３に示す。ローラ
装置５はピーニングを伴うローラ加工を行なうものであ
る。ローラ装置５は、係合溝５０ａをもつ円筒形状のホ
ルダー５０と、ホルダー５０の係合溝５０ａに転動可能
に保持された円柱状の多数個の第２強圧ローラ５２（直
径３ｍｍ、材質：ハイス）と、ホルダー５０の内部に回
転可能に保持された第２マンドレル５４（直径１２ｍ
ｍ、材質：ハイス）とを備えている。第２強圧ローラ５
２は係合溝５０ａに保持されつつつも、遠心方向に変位
可能とされている。第２マンドレル５４の外周面は、ロ
ーラ個数に応じた横断面多角形状であり、その軸芯Ｐ４
を中心とする所定の曲率半径で形成された円弧部５４ｔ
と（領域α）、円弧部５４ｔ間に形成された平坦部５４
ｉ（領域β）とを備えている。第２マンドレル５４の軸
芯Ｐ４から平坦部５４ｉの中央までの距離をＬ１とし、
軸芯Ｐ４から円弧部５４ｔの中央までの距離をＬ２とす
ると、Ｌ２はＬ１よりも大きく設定されている（Ｌ２＞
Ｌ１）。従って、第２マンドレル５４がその周方向に回
転すると、円弧部３４ｔで押圧された各第２強圧ローラ
５２が遠心方向に飛び出し、これによりピーニング作用
とローリング作用の双方が得られる。なお、ローラ装置
５の加工外径をＤ４とし、第２のローラ加工を実施する
前（即ち、第１のローラ加工を実施した後）の小端孔１
０の内径をＤ３（Ｄ３＜Ｄ４）としたとき、Ｄ４からＤ
３を減算した差（Ｄ４−Ｄ３）、即ち、第２のローラ加
工におけるバニシュ量Δｄ₁₂は、１〜４０μｍ程度に設
定されている。なお、一般的には、第２のローラ加工に
おけるバニシュ量Δｄ₁₂は、第１のローラ加工における
バニシュ量Δｄ₁₁よりも小さくて済む。

【００１２】上記した第２のローラ加工工程では、常温
域において、コンロッド１の小端孔１０内に第２強圧ロ
ーラ５２を押し込んだ状態で、第２マンドレル５４をそ
の周方向に回転駆動させると、第２強圧ローラ５２が遠
心方向に断続的に飛び出し、これによりローリング加工
の他に、断続的なピーニング作用が得られる。かかる加
工は小端孔１０の全周及び軸方向の全域で行われる。こ
の結果、小端孔１０の内周面１０ａの表面直下にピーク
をもつ残留圧縮応力分布が得られる。

【００１３】第２のローラ加工工程では、第２マンドレ
ル５４の回転速度は５００〜２０００ｒｐｍ、第２マン
ドレル５４の押込速度は０．３〜３ｍｍ／ｒｅｖ程度と
したが、これに限定されるものではない。なお、第２の
ローラ加工は冷却液をかけつつ行う。（試験例）ところで、第１のローラ加工工程を実施した
小端孔１０の内周面１０ａの軸方向におけるプロフィー
ルを測定し、これを図４（Ａ）に示す。また、旋削工程
を実施し、第１のローラ加工工程を実施していない状態
の小端孔１０の内周面１０ａの軸方向におけるプロフィ
ールを図４（Ｂ）に示す。図４において横軸の１目盛は
４ｍｍ、縦軸の１目盛は５μｍを示す。プロフィールは
触針式測定装置で測定した。図４（Ａ）と（Ｂ）との比
較から理解できる様に、第１のローラ加工工程を実施し
た小端孔１０の内周面１０ａにおいては、その軸方向の
両端にダレ部１８が形成される。殊に、バニシュ装置３
を押込む側のダレ部１８ａが大きい。このダレ部１８は
後述する第２のローラ加工を実施しても、実質的に大差
ない大きさ、形状である。

【００１４】ここで、コンロッドの使用時には、小端孔
１０の内周面１０ａにおける軸方向の両端は、爆発圧力
によるピストンピンの変形により最大応力が作用し、ま
た、温度が高く疲労強度が低下しているため、疲労破壊
により亀裂が生じやすい部位であるが、小端孔１０の内
周面１０ａの両端にダレ部１８が生じることにより、小
端孔１０に負荷される最大応力が低減される効果が期待
でき、従って、コンロッド作動の際にピストンピンから
負荷される応力が小さくなり、亀裂防止性が高まる。

【００１５】ここで、図５はダレ部１８の大きさによる
負荷応力の低減効果をＦＥＭ法で求めたものである。図
５は、横軸に軸方向の端面からの距離、縦軸に最大主応
力を取って、内周面１０ａの直下（内周面から深さ約１
ｍｍ）における最大主応力の分布を示している。図５に
示す様に、ダレ部１８の深さＨ寸法が０のときには、内
周面１０ａに作用する最大主応力は高いが、ダレ部１８
の深さＨ寸法が４μ、８μ、１２μと大きくなるにつれ
て、最大主応力は低減される傾向にあることがわかる。

【００１６】また、第１のローラ加工におけるバニシュ
量と小端孔１０の内周面１０ａの面粗さとの関係を測定
した。測定結果を図６に示す。図６の特性線Ｎに示す様
に、バニシュ量が０のときには小端孔１０の面粗さが旋
削加工の影響で１．０μｍに近い値であるが、バニシュ
量が増す程、小端孔１０の面粗さは次第に低下し、バニ
シュ量２５μｍ〜３０μｍ程度で面粗さは０．３μｍで
ほほほ飽和することがわかる。なお、第２のローラ加工
を実施しても、小端孔１０の面粗さはあまり変化しな
い。

【００１７】更に、深さ方向における残留圧縮応力分布
を測定した。即ち、旋削加工を施した場合（ＮＯ．
１）、旋削加工後に第１のローラ加工を施した場合（Ｎ
Ｏ．２）、旋削加工後に第１のローラ加工及び第２のロ
ーラ加工を施した場合（ＮＯ．３）、旋削加工後に第２
のローラ加工のみを施した場合（ＮＯ．４）について、
小端孔１０の内周面１０ａの深さ方向における残留圧縮
応力分布を測定した。測定はＸ線残留応力測定装置によ
り行った。

【００１８】測定結果を図７に示す。図７において特性
線Ｋ１はＮＯ．１における分布を示し、特性線Ｋ２はＮ
Ｏ．２における分布を示し、特性線Ｋ３はＮＯ．３にお
ける分布を示し、特性線Ｋ４はＮＯ．４における分布を
示す。旋削加工を施した場合においては、図７の特性線
Ｋ１から理解できる様に、内周面１０ａ表面付近を除い
て、残留圧縮応力は小さい。旋削加工後に第１のローラ
加工工程を実施した場合には、特性線Ｋ２から理解でき
る様に、表面から１００μｍを越えた深さでは残留圧縮
応力は大きいが、表面よりも１００μｍ未満の表面直下
では、残留圧縮応力は小さい。この様に表面直下の残留
圧縮応力が小さくなる理由は、オーバーピーニングによ
る影響と考えられる。また、旋削加工後に第１のローラ
加工工程及び第２のローラ加工工程を実施した場合に
は、特性線Ｋ３から理解できる様に、表面よりも１００
μｍ未満の深さでは、残留圧縮応力が大きくなり、特に
表面よりも深さ２０〜３０μｍ付近の表面直下におい
て、残留圧縮応力が２００ＭＰａと大きくなり、更に、
それよりも深い１５０〜２００μｍの深さ位置において
も残留圧縮応力が１５０〜１００ＭＰａと大きくなる。
また、旋削加工後に第２のローラ加工工程のみを実施し
た場合には、特性線Ｋ４から理解できる様に、表面から
５０μｍ未満の深さで残留圧縮応力が大きいものの、そ
れよりも深部では残留圧縮応力が小さい。

【００１９】即ち、第１のローラ加工工程及び第２のロ
ーラ加工工程の双方を実施する本実施例によれば、第１
のローラ加工工程による効果、第２のローラ加工工程に
よる効果が相乗し、表面直下から深部まで高い残留圧縮
応力の分布が得られる。そのため、高温域においても高
い疲労強度が得られる。これを確認するため、上記した
コンロッド（ＮＯ．１〜ＮＯ．４）を用い、コンロッド
の小端孔１０にピストンピンを嵌めると共に、大端孔に
クランクシャフト（駆動側）を装備した状態で、ピスト
ンピンとクランクシャフトの距離を相対的に変動するよ
う往復動させることにより、コンロッドに単純引張圧縮
荷重を負荷させ、疲労強度試験を行った。試験温度は１
５０°Ｃである。測定結果を図８に示す。図８におい
て、縦軸はピストンピンにかかる圧縮荷重、横軸は繰返
し数を示し、特性線Ｍ１はＮＯ．１の試験結果を示し、
特性線Ｍ２はＮＯ．２の試験結果を示し、特性線Ｍ３は
ＮＯ．３の試験結果を示し、特性線Ｍ４はＮＯ．４の試
験結果を示す。第１のローラ加工工程及び第２のローラ
加工工程の双方を実施した本実施例（ＮＯ．３）では、
図８の特性線Ｍ３から理解できる様に、繰返し数１０⁸
回でも圧縮荷重は５５ＫＮ程度以上の値が得られ、高温
域においても高い疲労強度が得られることがわかる。一
方、他のコンロッド（ＮＯ．１、ＮＯ．２、ＮＯ．４）
では、充分満足できる疲労強度が得られない。尚、繰返
し数Ｎ＝１とは、引張・圧縮が１サイクル行なわれたこ
とを意味する。

【００２０】本実施例において高い疲労強度が得られる
要因としては、小端孔１０の内周面１０ａの表面直下か
ら深部まで高い残留圧縮応力の分布が得られること、小
端孔１０の内周面１０ａの軸方向の両端のダレ部１８が
適性化すること、また、小端孔１０の内周面１０ａの表
面欠陥（加工時のムシレ等）が低減され、小端孔１０の
内周面１０ａの面粗さも適性化されることと、推察され
る。

【００２１】更に本実施例では、仕上鍛造品を得る際に
おける強圧方向は、前述した様に小端孔１０の軸方向と
ほぼ平行な方向であり、これ対して、第１のローラ加
工、第２のローラ加工における強圧方向は、いわば、鍛
造時の強圧方向と直交する方向、即ち、小端孔１０の軸
直角方向である。そのため、鍛造工程とローラ工程とで
それぞれ異なる方向から強圧され、小端孔１０の内周面
１０ａはより効果的に強化される。殊に粉末鍛造品から
なるコンロッドの小端孔１０付近の粒子の完全固結化に
有効である。

【００２２】ところで、合金元素が過飽和の急冷凝固粉
末で形成された本実施例のコンロッドは、使用時の荷重
に耐え得る様にアルミニウム合金としては高強度、高剛
性である。この場合、小端孔１０の内周面１０ａを加工
する単位時間当たりの加工量が過大であれば、加工に起
因する亀裂が生じるおそれもある。この点本実施例で
は、第１のローラ加工ではバニシュ装置３の第１強圧ロ
ーラ３２により、小端孔１０の内周面１０ａが一部づつ
連続的に加工される局部的連続加工方式が採用されてい
る。同様に、第２のローラ加工でも、ローラ装置５の第
２強圧ローラ５２により内周面１０ａが一部づつ連続的
に加工される局部的連続加工方式が採用されている。そ
のため、コンロッドの材質が高剛性であっても、小端孔
１０の内周面１０ａの加工が無理なく行い得、過大加工
に起因する亀裂の回避に貢献できる。この意味でも、疲
労強度特性の向上に貢献できる。

【００２３】（他の例）上記した例では、コンロッドと
しての優れた強度特性が得られる様に、急冷凝固アルミ
ニウム合金粉末を用いて形成した粉末鍛造品からコンロ
ッドを形成したが、これに限らず、アルミニウム合金系
の鋳造品で形成することもでき、更に、アルミニウム合
金系の組成も上記した値に限定されるものではなく、適
宜変更し得る。また上記した例で使用したバニシュ装置
３、ローラ装置５の構造、形状等は、上記したものに限
定されるものでなく、適宜変更できることは勿論であ
る。また上記した例におけるバニシュ量Δｄ₁₁、Δｄ₁₂
は上記した値に限定されるものでなく、コンロッドの種
類に応じて適宜変更できるものである。

【００２４】その他、本発明は上記し且つ図面に示した
実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しな
い範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

【００２５】

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、小端孔の内
周面の表面直下から深部まで高い残留圧縮応力の分布が
得られる。そのため、高疲労強度のアルミニウム合金コ
ンロッドが得られる。更に、本発明の製造方法によれ
ば、小端孔の内周面の軸方向の両端のダレ部が適性化す
る。また、小端孔の内周面の表面欠陥（加工時のムシレ
等）が低減され、小端孔の内周面の面粗さも適性化され
る。これにより従来のアルミニウム合金コンロッドに比
較して、疲労強度が一層優れたアルミニウム合金コンロ
ッドが得られる。

【００２６】更に本発明の製造方法によれば、小端孔の
内周面を旋削加工した場合、旋削加工後の面粗さが悪く
ても、第１のローラ加工、第２のローラ加工により面粗
さが向上するので、旋削加工のみで小端孔の加工精度及
び面粗さを確保する場合に比較して、旋削加工を容易化
でき、加工時間、加工工程の短縮化が可能となる。かか
る効果は高合金系の難削材に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１のローラ加工工程で用いるバニシュ装置を
模式的に示す構成図である。

【図２】バニシュ装置の主要部を模式的に示す縦断面図
である。

【図３】第２のローラ加工工程で用いるローラ装置の横
断面図である。

【図４】小端孔の内周面のプロフィールを示す図であ
る。

【図５】ダレ部と最大応力との関係を示すグラフであ
る。

【図６】バニシュ量と面粗さとの関係を示すグラフであ
る。

【図７】深さ方向における残留圧縮応力の分布を示すグ
ラフである。

【図８】疲労試験の結果を示すグラフである。

【図９】仕上鍛造品の小端部付近の断面図である。

【図１０】疲労破壊が生じた従来のコンロッドの正面図
である。

【符号の説明】

図中、１はコンロッド、１０は小端孔、１０ａは内周
面、３はバニシュ装置、５はローラ装置を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンピンが通る小端孔をもつアルミ
ニウム合金からなるコンロッドを用い、該コンロッドの小端孔の内周面に強圧ローラを押し当て
て残留圧縮応力を付与するローラ加工を施す第１のロー
ラ加工工程と、該コンロッドの小端孔の内周面に、ピーニングを伴うロ
ーラ加工を施す第２のローラ加工工程とを順に実施する
ことを特徴とする高疲労強度アルミニウム合金コンロッ
ドの製造方法。