JPWO2016166932A1 - コンロッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

コストの上昇を招くことなく製造でき、桿部を効果的に高強度化したコンロッドを提供する。桿部４は、断面において、一対のリブ部２１、２１と、一対のリブ部２１、２１の高さ方向の略中央に両端が接続するウェブ部２２とを有し、リブ部２１は、断面において、高さ方向の中央に位置するリブ根元部２３と、高さ方向の両端に位置する一対のリブ先端部２４、２４とからなり、リブ先端部２４の硬さがウェブ部２２に対して４０ＨＶ以上高く、リブ根元部２３の硬さがウェブ部２２に対して３０ＨＶ以上高い構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフトとピストンとを連結するコンロッド、特に大端部と小端部とを繋ぐ桿部を局所的に高強度化したコンロッド及びその製造方法に関する。

コンロッドの桿部を効果的に高強度化できる製造方法として、桿部を、帯状のウェブ部とその両面の幅方向両端から立設させた４つのリブ部とからなる断面略Ｈ形状に熱間鍛造する熱間鍛造工程と、ウェブ部の幅方向両端の外側面のみを開放する開放部を有すると共にリブ部及びウェブ部の他の部分の全表面を覆うよう構成された開放鍛造型を用いて開放部からバリをはみ出させながら開放鍛造を行い、桿部の断面積の減面率が１０〜３０％となるように冷間加工する冷間加工工程と、バリを除去する工程とを含む方法が知られている（特許文献１）。

また、バリを生じさせずに桿部の冷間鍛造を行い、リブ先端部を肉厚にすることでその加工硬化によって桿部の断面二次モーメントを増大させ、座屈強度を高強度化する方法が知られている（特許文献２参照）。この方法では、上保持型には桿部成形用の上成形型が設けられ、下保持型には桿部成形用の下成形型に加え、左右一対の側方成形型、大端部用及び小端部用の端部成形型が設けられ、側方成形型及び端部成形型の外面に形成された雄テーパ面と、上保持に形成された雌テーパ面とによる案内作用によって上保持型の下降運動に連動して側方成形型及び端部成形型が内方に移動する型により、桿部が上下及び左右の４面から同時に加圧されて冷間鍛造される。

他方、座屈強度及び疲労強度に優れたコンロッドの製造方法として、低炭素ボロン鋼を熱間鍛造によりコンロッド形状に成形した後に焼入れし、得られた鍛造粗材のリブ部を、長手方向に沿って挟み込むように配置した平坦な鍛造型を用いて冷間鍛造を行うことで、リブを厚さ方向（リブの高さ方向）に０．２ｍｍ以上塑性変形させて加工硬化させ、更にショットピーニングを施すことで疲労強度を向上させるようにした方法が知られている（特許文献３）。

特開２００５−１４０７９号公報 特許第５２６８７１５号公報 特開平９−１９６０４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のコンロッドの製造方法では、桿部の全体の強度を高めるために、開放部を除く桿部の全表面に圧縮荷重を加えており、大きな鍛造荷重が必要となる。そのため、設備が大型化し、製造コストが高くなる。また、特許文献２に記載の方法においても、桿部全体の強度を高めるために大きな鍛造荷重が必要になる上、金型構造が複雑になる。そのため、製造コストが高くなる。

また、特許文献３に記載のコンロッドの製造方法では、リブの先端部のみが加工硬化し、リブの根元部の硬度が低いために桿部に十分な座屈強度が得られない。

本発明は、このような背景に鑑み、コストの上昇を招くことなく製造でき、桿部が効果的に高強度化されたコンロッド及びその製造方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明の一態様は、大端部（２）と小端部（３）とこれらを繋ぐ断面略Ｈ形の桿部（４）とを有するコンロッド（１）であって、前記桿部は、断面において、互いに平行に延在する一対のリブ部（２１、２１）と、当該一対のリブ部の高さ方向の略中央に両端が接続するウェブ部（２２）とを有し、前記リブ部は、前記桿部の断面において、高さ方向の中央に位置するリブ根元部（２３）と、高さ方向の両端に位置する一対のリブ先端部（２４）とからなり、前記リブ先端部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して４０ＨＶ以上高く、前記リブ根元部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して３０ＨＶ以上高い。

ここで、リブ先端部とは、リブ部の両端においてそれぞれリブ部の高さの４分の１を占める部分を指し、リブ根元部とは、リブ先端部を含まず、リブ部の高さ方向の中央においてリブ部の高さの２分の１を占める部分を指す。また、ウェブ部、リブ先端部及びリブ根元部のそれぞれのビッカース硬さ（ＨＶ）は、それぞれの表面で測定した値ではなく、桿部の軸線に直交する方向に切断された桿部の切断面で測定した値である。

この態様によれば、座屈強度の増大に対する寄与度が最も大きいリブ先端部がウェブ部の硬さよりも４０ＨＶ以上高い硬さとされ、座屈強度の増大に対する寄与度が次に大きいリブ根元部がウェブ部の硬さよりも３０ＨＶ以上高い硬さとされるため、桿部が効果的に高強度化される。また、リブ先端部の硬度を重点的に高くするように加工すればよいため、大きな鍛造荷重を必要とすることなく、かつ特殊な金型を用いることなくコンロッドを製造することができる。

また、上記の態様において、リブ先端部の硬さがリブ根元部の硬さよりも高くするとよい。

この態様によれば、座屈強度の増大に対する寄与度が最も大きいリブ先端部の硬さが最も高いため、桿部が効果的に高強度化される。また、最も突出するリブ先端部の硬度を最も高くするように加工すればよいため、大きな鍛造荷重や特殊な金型を必要とすることなくコンロッドを製造することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様は、大端部と、小端部と、断面において互いに平行に延在する一対のリブ部及び当該一対のリブ部の高さ方向の略中央に両端が接続するウェブ部を有し、断面略Ｈ形を呈して前記大端部及び前記小端部を繋ぐ桿部とを有するコンロッドの製造方法であって、素材鋼を熱間鍛造し、前記コンロッドの粗形材を成形した後、当該粗形材を空冷する第１工程と、空冷された前記粗形材を下成形型と上成形型とにより上下から挟み込み、断面において前記リブ部の高さ方向の両端に位置する一対のリブ先端部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して４０ＨＶ以上高く、断面において前記リブ部の高さ方向の中央に位置するリブ根元部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して３０ＨＶ以上高くなるように鍛造する第２工程とを含む。

この態様によれば、下成形型及び上成形型のみを用いて粗形材を鍛造することにより、金型を複雑にすることなく、桿部が効果的に高強度化されたコンロッドを製造できる。また、リブ先端部の硬度を重点的に高くするように粗形材を鍛造すればよいため、大きな鍛造荷重を必要とすることなくコンロッドを製造することができる。

また、上記の態様において、前記第２工程では、前記粗形材を冷間鍛造するとよい。

この態様によれば、桿部の組織中に多くの転位を導入し、転位強化によって桿部の強度を向上させることができる。

また、上記の態様において、前記第２工程では、前記粗形材のリブ高さに比べて鍛造後の前記コンロッドのリブ高さが小さく、前記粗形材のリブ厚さに比べて鍛造後の前記コンロッドのリブ厚さが大きく、前記粗形材のリブ間隔に比べて鍛造後の前記コンロッドのリブ間隔が大きく、前記粗形材の桿部の幅に比べて鍛造後の前記コンロッドの桿部の幅が大きくなるような形状の前記下成形型及び前記上成形型を用いて、前記粗形材を冷間鍛造するとよい。

この態様によれば、上記のようにウェブ部に比べて硬さが高いリブ先端部及びリブ根元部を、比較的小さな鍛造荷重の鍛造により形成することができる。

また、上記の態様において、前記第２工程では、鍛造後に前記一対のリブ部の高さ方向の中央よりも上方へ延出する側壁を有する前記下成形型を用い、鍛造荷重を加えた時に前記粗形材の前記一対のリブ部の中央部を前記下成形型により外方から拘束すると共に、鍛造荷重を加えた時に、前記粗形材の前記一対のリブ部の下側部分の外面と前記下成形型の内面との間に間隙が残り、かつ前記粗形材の前記一対のリブ部の上側部分の外面と前記上成形型の内面との間に間隙が残るような前記下成形型及び前記上成形型を用いて、前記粗形材を冷間鍛造するとよい。

この態様によれば、バリを発生させずに鍛造できると共に、鍛造荷重が比較的小さい半密閉据込で鍛造を行うことができる。これにより、製造工数を削減すると共に設備を小型化し、上記構成のコンロッドの製造コストを低減できる。

また、上記の態様において、前記第２工程の後、前記コンロッドを加熱した後に空冷する焼鈍しを行う第３工程を更に含むとよい。

この態様によれば、鍛造によって導入した転位を固着させ、桿部に安定敵に加工硬化を発現させることができる。

このように本発明によれば、製造コストの上昇を抑制でき、桿部が効果的に高強度化されたコンロッド及びその製造方法を提供することができる。

本発明に係るコンロッドの正面図 図１中のII−II断面図 図１に示すコンロッドの製造方法の説明図 （Ａ）冷間鍛造前、（Ｂ）冷間鍛造後における桿部の断面図 桿部の寸法の定義を示す説明図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に示されるように、コンロッド１は、図示しないクランクシャフトに連結される大端部２と、図示しないピストンに連結される小端部３と、大端部２及び小端部３を繋ぐ桿部４とを有している。大端部２は、クランクシャフトのクランクピンを囲繞する環状の軸受をなし、円形断面のクランクピン孔２ａを画成している。小端部３は、ピストンピンを囲繞する環状の軸受をなし、円形断面のピストンピン孔３ａを画成している。大端部２の軸線２Ｘと小端部３の軸線３Ｘとは互いに平行である。コンロッド１は、小端部３、桿部４及び大端部２の桿部４側の半割部をなすコンロッド本体５と、コンロッド本体５の半割部に一対のボルト６により締結され、大端部２の残りの半割部をなすキャップ７とにより構成されている。

図２は、桿部４の長手方向の中間部の断面を示している。図２に併せて示されるように、桿部４は、大端部２の中心（軸線２Ｘの中点）及び小端部３の中心（軸線３Ｘの中点）を通り、それぞれの軸線２Ｘ、３Ｘと直交する第１仮想平面１１上に延びる柱状部分である。桿部４は、燃焼行程の圧縮荷重を受けても座屈しないように、当該第１仮想平面１１に沿う方向に所定の幅Ｗを有すると共に、大端部２及び小端部３の軸線２Ｘ、３Ｘを通る第２仮想平面１２に沿う方向に所定の厚さ (即ち、後述するリブ部２１の高さＨ)を有する。桿部４の幅Ｗは、桿部４の長手方向の中間部において概ね一定とされ、大端部２及び小端部３近傍においては、大端部２及び小端部３に近づくにつれて徐々に大きくなっている。一方、桿部４の厚さ（Ｈ）は、大端部２及び小端部３の厚さと概ね同一とされ、桿部４の長手方向の全長にわたって略一定とされている。また、桿部４は、軽量化のために幅方向中央部の厚さが小さくされており、断面略Ｈ形を呈している。

以下、方向を示す場合には、図２の紙面上の方向を基準にする。桿部４は、第１仮想平面１１を中心として概ね上下対称の形状とされている。また、桿部４は、第２仮想平面１２を中心として概ね左右対称の形状とされている。桿部４は、左右の両端部に第２仮想平面１２と平行に延在する互いに平行な一対のリブ部２１、２１と、第１仮想平面１１上に延在し、一対のリブ部２１、２１の高さ方向の中央に両端が接続するウェブ部２２とから構成されている。これにより桿部４の断面は略Ｈ形となる。

リブ部２１は、高さ方向の中間部において最も厚く（左右方向寸法が大きく）、上端及び下端に近づくにつれて徐々に薄くなっている。リブ部２１の先端（上端及び下端）の両隅部は曲面とされている。一対のリブ部２１、２１の内面２１ｉ、２１ｉは、高さ方向の中央に近づくにつれて互いに近づく傾斜面となっている。一対のリブ部２１の外面２１ｏには、高さ方向の中央部に第１仮想平面１１と概ね直交する垂直面２１ｖが形成されている。リブ部２１は桿部４の全長にわたって略同一の厚さに形成されている（図１参照）。上記の通り桿部４が略一定厚とされていることから、リブ部２１の高さＨは桿部４の全長にわたって略同一である。

ウェブ部２２の上面及び下面は、幅方向の中間部において平行な平面２２ｆとされ、左右端においてリブ部２１の内面２１ｉに緩やかに接続する湾曲面２２ｃとなっている。即ち、ウェブ部２２は、幅方向の中間部において一定の厚さＴを有し、左右のリブ部２１に近づくにつれて徐々に厚くなっている。ウェブ部２２とリブ部２１とは湾曲面２２ｃを介して互いに接続されており、両者の境界は一義的に定まらないが、本明細書においては、リブ部２１の内面２１ｉをなす傾斜面を第１仮想平面１１まで延ばした延長線を両者の境界と定義する。

また、それぞれのリブ部２１のうち、ウェブ部２２が接続する高さ方向の中央に位置する部分をリブ根元部２３と呼び、高さ方向の両端（上端及び下端）に位置する部分をリブ先端部２４と呼ぶ。本明細書においては、リブ先端部２４とは、リブ部２１の両端においてそれぞれリブ部２１の高さＨの４分の１を占める部分を指し、リブ根元部２３とは、リブ先端部２４を含まず、リブ部２１の高さ方向の中央においてリブ部２１の高さＨの２分の１を占める部分を指すものと定義する。

このような形状を有する桿部４は、部位ごとに異なる硬さ（ビッカース硬さ（ＨＶ）、以下同様。）とされている。具体的には、リブ先端部２４の硬さは、ウェブ部２２の硬さに対して４０ＨＶ以上高い。また、リブ根元部２３の硬さは、ウェブ部２２の硬さに対して３０ＨＶ以上高い。更に、リブ先端部２４の硬さは、リブ根元部２３の硬さよりも高い。

ここで、ウェブ部２２、リブ先端部２４及びリブ根元部２３のそれぞれの硬さは、それぞれの表面で測定する値ではなく、桿部４の軸線に直交する方向に切断された桿部４の切断面（図２に示される面）で測定する値である。また、より詳しくは、図２に黒点で示すように、ウェブ部２２の硬さは、ウェブ部２２の中心、即ち第１仮想平面１１と第２仮想平面１２との交点で測定する値である。リブ先端部２４の硬さは、リブ先端部２４の先端面から第１仮想平面１１側に１．５ｍｍの位置における幅方向の中央で測定する値である。リブ根元部２３の硬さは、第１仮想平面１１からリブ部２１の高さＨの６分の１離れた位置におけるリブ根元部２３の幅方向の中央で測定する値である。硬さの測定は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に規定されたビッカース硬さ試験方法に従って行う。

なお、リブ先端部２４の硬さを測定する点、及びリブ根元部２３の硬さを測定する点は、それぞれ４つ存在するが、通常はそれぞれ４つずつの測定値は概ね同じ値になるため、本明細書ではそれらのうちの１点を代表点としている。但し、部位ごとの硬さの違いは、それらの点のうちの１点でも満たしていればよく、例えば、リブ先端部２４の硬さは、４つの測定点のうち最も高い値が、ウェブ部２２の硬さに対して４０ＨＶ以上高く、かつリブ根元部２３の４つの測定点のうち最も値が低い測定点の硬さよりも高ければよい。

座屈強度（座屈応力）は、ランキンの式やテトマイヤーの式より、材料の耐力（降伏応力）に比例することが知られている。また、材料の降伏応力と硬さとは略比例関係にあることを、本願発明者らは実験により確認している。即ち、座屈強度は材料の硬さに略比例し、桿部４の硬さが高くなるほど座屈強度も高くなる。また、本願発明者らが上記形状の桿部４の断面の応力分布を解析したところ、リブ先端部２４の発生応力はウェブ部２２の発生応力に対して１．６倍程度高く、リブ根元部２３の発生応力はウェブ部２２の発生応力に対して１．３倍程度高いことが確認された。これは、桿部４の座屈強度を高めるためには、発生応力が高いリブ先端部２４を強化することが有効であることを意味する。

上記のように、本実施形態のコンロッド１では、座屈強度の増大に対する寄与度が最も大きいリブ先端部２４の硬さがウェブ部２２の硬さに対して４０ＨＶ以上高く、座屈強度の増大に対する寄与度が次に大きいリブ根元部２３の硬さがウェブ部２２の硬さに対して３０ＨＶ以上高いことにより、桿部４が座屈に対して効果的に高強度化される。また、リブ先端部２４の硬さがリブ根元部２３の硬さよりも高いことにより、桿部４がより効果的に高強度化される。

次に、このような構成を有するコンロッド１の製造方法について説明する。

図３は、横軸に時間を、縦軸に温度をとり、コンロッド１の製造条件を示したグラフである。本実施形態では、量産のコンロッド１用素材として用いられているＶ非調質鋼（０．３５Ｃ−０．７Ｓｉ−０．７Ｍｎ−０．０８Ｖ）を使用してコンロッド１を製造した。但し、コンロッド１の素材はこれに限られず、炭素鋼に代表される加工硬化が現れる金属であればよい。

コンロッド１を製造するに当たり、初めに上記素材を溶体化温度１２３０℃に加熱し、熱間鍛造を行い、コンロッド１の粗形材５１（プリフォーム或いは中間製品）を成形した後、粗形材５１を空冷（自然放冷）して常温までその温度を低下させる。この工程は、本発明が転位強化による強度向上を狙い、フェライト・パーライト混合組織に調整した後に後述する冷間鍛造を施すことで、フェライト組織中に多くの転位を導入するために行われる。

その後、常温にてコンロッド１の粗形材５１に対して後述する金型３０を用いて冷間鍛造による加工を施す。フェライト・パーライト組織に鍛造による加工を施すと、加工率の上昇に伴いフェライト中の転位密度が上昇するように材料の降伏強度が上昇する加工硬化現象が発現する。

続いて、上記の形状に冷間鍛造されたコンロッド１を大気炉中にて４００℃に加熱し、１５分間保持した後に空冷する焼鈍しを行う。この工程は、冷間鍛造によって導入された転位は可動転位が多く存在して不安定なため、冷間鍛造状態のままでは転位強化が不十分であることから、冷間鍛造によって導入した転位を固着することを目的として行われる。即ち、加熱処理によって転位に鋼中の侵入型固溶元素であるＣを拡散させ、転位を固着させる。これにより、桿部４に安定的に加工硬化が発現する。焼鈍しの温度は、４００℃に限られないが、２００℃〜６００℃が好ましく、２５０℃〜５００℃がより好ましく、４００℃が最も好ましい。

次に、コンロッド１の粗形材５１と金型３０とについて図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、鍛造荷重を加える前（冷間鍛造前）のコンロッド１、即ちコンロッド１の粗形材５１及び金型３０の状態を示しており、図４（Ｂ）は、鍛造荷重を加えた後（冷間鍛造後）のコンロッド１及び金型３０の状態を示している。なお、コンロッド１の粗形材５１は、冷間鍛造後のコンロッド１に近い形状を有しており、各部についてはコンロッド１と共通の名称及び符号を用いて説明する。

図４（Ａ）に示されるように、金型３０は、下成形型３１と上成形型３２とにより構成される。なお、金型３０は、コンロッド１の粗形材５１の桿部４のみを冷間鍛造するためのものである。大端部２及び小端部３に冷間鍛造を施すと、後の加工工程での加工性が低下するため、大端部２及び小端部３に冷間鍛造は施されない。下成形型３１の上面及び上成形型３２の下面には、冷間鍛造後のコンロッド１の桿部４の形状に対応した凹面が形成されている。下成形型３１及び上成形型３２は、概ね上下対称の形状を呈しているが、桿部４を左右から挟み込む、リブ部２１の垂直面２１ｖに対向する側壁部は下成形型３１に形成されている。つまり、下成形型３１の側壁３１ｓの上方への突出量は、上成形型３２の側壁３２ｓの下方への突出量に比べて大きくなっている。垂直面２１ｖ及び下成形型３１の側壁３１ｓは型抜きを考慮して若干傾斜していてよい。

この金型３０を用い、下成形型３１上にコンロッド１の粗形材５１をセットし、下成形型３１と上成形型３２とでコンロッド１の粗形材５１を上下から挟み込み、上成形型３２に所定の下方向荷重を加えてコンロッド１の粗形材５１を塑性変形させることで、図４（Ｂ）に示す状態となる。図４（Ｂ）に示される冷間鍛造が完了した状態では、下成形型３１の側壁３１ｓの上端はリブ部２１の垂直面２１ｖの上端よりも上方に位置し、かつ下成形型３１の左右の側壁３１ｓ、３１ｓと、左右の対応する側の上成形型３２の側壁３２ｓ、３２ｓとが互いに当接している。また、リブ部２１の外面２１ｏのうち中央部の垂直面２１ｖは下成形型３１の側壁３１ｓに接触しているが、他の部分は下成形型３１及び上成形型３２の側壁３１ｓ、３２ｓに接触していない。つまり、鍛造荷重が加えられた時に、リブ部２１の中央部（垂直面２１ｖを形成する部分）は下成形型３１により外方から拘束され、側方への塑性変形を制限されるが、リブ部２１の下側部分及び上側部分は外方から拘束されることなく塑性変形する。

下成形型３１及び上成形型３２は、図４（Ａ）のコンロッド１の粗形材５１のリブ高さｈ_１に比べて図４（Ｂ）の冷間鍛造後のコンロッド１のリブ高さｈ_２が小さく、図４（Ａ）のコンロッド１の粗形材５１のリブ厚さｔ_１に比べて図４（Ｂ）の冷間鍛造後のコンロッド１のリブ厚さｔ_２が大きく、図４（Ａ）のコンロッド１の粗形材５１のリブ間隔ｄ_１に比べて図４（Ｂ）の冷間鍛造後のコンロッド１のリブ間隔ｄ_２が大きく、図４（Ａ）のコンロッド１の粗形材５１の桿部４の幅Ｗ_１に比べて図４（Ｂ）の冷間鍛造後のコンロッド１の桿部４の幅Ｗ_２が大きくなるような形状とされている。また、図４（Ａ）のコンロッド１の粗形材５１のウェブ部２２の厚さＴ_１に比べ、図４（Ｂ）の冷間鍛造後のコンロッド１のウェブ部２２の厚さＴ_２は若干小さくなるが、殆ど変わりない。又は、下成形型３１及び上成形型３２が、図４（Ａ）のウェブ部２２の厚さＴ_１に比べて図４（Ｂ）のウェブ部２２の厚さＴ_２が若干大きくなるような形状とされてもよい。

ここで、図５を参照して、上記用語の定義を説明する。上記用語は、コンロッド１の粗形材５１に対しても冷間鍛造後のコンロッド１に対しても適用されるものであるため、図５では、コンロッド１の桿部４を模式的に示している。リブ高さｈとは、ウェブ部２２の一定厚である中間部分に対するリブ部２１の上方及び下方への突出量（図２の平面２２ｆの延長線に対する高さ）である。リブ厚さｔとは、リブ高さｈの１／２の位置におけるリブ部２１の幅寸法である。リブ間隔ｄとは、リブ高さｈの１／２の位置における一対のリブ部２１、２１の内面離間距離である。桿部４の幅Ｗとは、桿部４の最大幅（図２に示される幅Ｗと同一）である。ウェブ部２２の厚さＴとは、ウェブ部２２の最小厚さ（図２に示される、幅方向の中間部に形成された一定厚さ部分の厚さＴと同一）である。

このような形状の金型３０及びコンロッド１の粗形材５１を用いて冷間鍛造を行うことにより、比較的小さな鍛造荷重で上記分布の硬さを発現する桿部４、即ちリブ先端部２４の硬度（加工率）が重点的に高くされた桿部４を成形することができる。また、金型３０が下成形型３１と上成形型３２とからなる簡単な構成であるため、金型製造コストが廉価に済む。

図４（Ｂ）の冷間鍛造後のコンロッド１のウェブ部２２の厚さＴ_２が図４（Ａ）の粗形材５１のウェブ部２２の厚さＴ_１よりも若干小さくなる場合、このようになるのは、冷間鍛造時の圧縮荷重によることよりも、リブ部２１の内面２１ｉが傾斜していることによって鍛造荷重が加えられた時にリブ間隔ｄが大きくなることでウェブ部２２が伸び変形することによる影響が大きい。一方、図４（Ａ）のウェブ部２２の厚さＴ_１に比べ、図４（Ｂ）のウェブ部２２の厚さＴ_２が若干大きくなる場合、このようになるのは、鍛造によりウェブ部以外の部分から素材が集まってくるためである。つまり、どちらの場合においてもウェブ部２２に対する圧縮鍛造荷重は必要なく、これによって鍛造荷重の低減が図られる。

また、図４（Ｂ）に示される冷間鍛造後の状態で、側壁３１ｓがリブ部２１の高さ方向の中央よりも上方へ延出する下成形型３１を用いることにより、鍛造荷重が加えられた時にリブ部２１の中央部が下成形型３１により外方から拘束される。そして、鍛造荷重が加えられた時に、リブ部２１の下側部分の外面２１ｏと下成形型３１の内面との間に間隙が残り、かつリブ部２１の上側部分の外面２１ｏと上成形型３２の内面との間に間隙が残っている。そのため、バリを発生させずに冷間鍛造できると共に、鍛造荷重が比較的小さい半密閉据込で冷間鍛造を行い、リブ先端部２４、リブ根元部２３の順に重点的に塑性変形させることができる。これにより、製造工数を削減すると共に設備の大型化を防止し、上記構成のコンロッド１の製造コストを低減できる。

次に、上記のようにした製造して本発明に係るコンロッド１の効果について、いくつかの実施例を挙げて、比較例と対比して説明する。

下の表１は、実施例１〜４及び比較例１〜３について、桿部４の各部位の硬さ、部位間の硬さの差、鍛造荷重、座屈強度、強度比を示している。実施例１〜４及び比較例１〜３の全てにおいて、上記実施形態と同一の素材を用いて同一の手順で熱間鍛造を行ったコンロッド１の粗形材５１を用いている。実施例１〜４は、上記と同様の金型３０を用いて上記手順で鍛造荷重を異ならせてコンロッド１を製造したものである。一方、比較例１は、特許文献１記載の方法に対応するものであり、桿部４を全断面にわたって高強度化するように冷間鍛造が行われている。比較例２は、特許文献３記載の方法に対応するものであり、リブ先端面のみに荷重を加えて冷間鍛造が行われている。比較例３は、冷間鍛造を行わず、熱間鍛造のみで成形したものである。

表１に示されるように、比較例３では、冷間鍛造による加工硬化が現れていないため、部位間に硬さの差はなく、座屈強度は６５０ＭＰａである。

一方、実施例１〜４では、リブ先端部２４の硬さがウェブ部２２の硬さよりも４０〜７０ＨＶ高く、リブ根元部２３の硬さがウェブ部２２の硬さよりも３０〜４０ＨＶ高くなっている。実施例１〜４の鍛造荷重は１８０ｔ〜２４０ｔであり、座屈強度は８００〜９００ＭＰａである。実施例１〜４の比較例３に対する座屈強度比は、１．２３〜１．４２である。

これに対し、比較例２では、鍛造荷重が実施例１〜４よりも小さい１５０ｔで済み、リブ先端部２４の硬さはウェブ部２２の硬さよりも７０ＨＶ高くなっているが、リブ根元部２３の硬さがウェブ部２２の硬さよりも２０ＨＶだけしか高くなっていない。そして、比較例２では、座屈強度が実施例１〜４よりも低い７５０ＭＰａであり、比較例３に対する強度比は１．１５である。表には現れていないが、鍛造荷重の１ｔ当たりの座屈強度増加率は、実施例１〜４の中で最も低い実施例４で０．８３ＭＰａ／ｔ（＝（８００−６５０）／１８０）であるのに対し、比較例２ではそれよりも低い０．６７ＭＰａ／ｔ（＝（７５０−６５０）／１５０）である。つまり、実施例１〜４では、比較例２に比べて桿部４が効果的に高強度化されている。

比較例１では、桿部４の全体が高強度化されているため、部位間の硬さに差はない。また、比較例１では、座屈強度が最も高い（実施例２と同じ）９２０ＭＰａであり、比較例３に対する強度比が１．４２となっているが、実施例１〜４に比べて遥かに大きい６５０ｔの鍛造荷重が必要になる。その一方で、比較例１の座屈強度は、鍛造荷重が２４０ｔで済む実施例２と変わりない。つまり、実施例１〜４では、比較例１に比べて小さい鍛造荷重で桿部４が効果的に高強度化されている。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、図３を参照して説明したように、熱間鍛造にてコンロッド１の粗形材５１を形成した後、空冷で常温まで温度を低下させ、常温で冷間鍛造を行っているが、空冷で温度を４００℃程度まで低下させた後に続けて温間鍛造を行ってもよい。或いは、熱間鍛造にてコンロッド１の粗形材５１を形成した後、空冷で常温まで温度を低下させた後にコンロッド１の粗形材５１を４００℃程度まで再度加熱して温間鍛造を行ってもよい。この他、コンロッド１の部位の具体的構成や配置、寸法、角度、素材、製造手順、温度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ コンロッド
２ 大端部
３ 小端部
４ 桿部
２１ リブ部
２２ ウェブ部
２３ リブ根元部
２４ リブ先端部
３０ 金型
３１ 下成形型
３２ 上成形型
３２ｓ 側壁
５１ コンロッド１の粗形材
Ｗ 桿部４の幅
ｄ リブ間隔
ｈ リブ高さ
ｔ リブ厚さ

Claims (7)

1. 大端部と小端部とこれらを繋ぐ断面略Ｈ形の桿部とを有するコンロッドであって、
   前記桿部は、断面において、互いに平行に延在する一対のリブ部と、当該一対のリブ部の高さ方向の略中央に両端が接続するウェブ部とを有し、
   前記リブ部は、前記桿部の断面において、高さ方向の中央に位置するリブ根元部と、高さ方向の両端に位置する一対のリブ先端部とからなり、
   前記リブ先端部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して４０ＨＶ以上高く、前記リブ根元部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して３０ＨＶ以上高いことを特徴とするコンロッド。
2. 前記リブ先端部の硬さが前記リブ根元部の硬さよりも高いことを特徴とする請求項１に記載のコンロッド。
3. 大端部と、小端部と、断面において互いに平行に延在する一対のリブ部及び当該一対のリブ部の高さ方向の略中央に両端が接続するウェブ部を有し、断面略Ｈ形を呈して前記大端部及び前記小端部を繋ぐ桿部とを有するコンロッドの製造方法であって、
   素材鋼を熱間鍛造し、前記コンロッドの粗形材を成形した後、当該粗形材を空冷する第１工程と、
   前記粗形材を下成形型と上成形型とにより上下から挟み込み、断面において前記リブ部の高さ方向の両端に位置する一対のリブ先端部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して４０ＨＶ以上高く、断面において前記リブ部の高さ方向の中央に位置するリブ根元部の硬さが前記ウェブ部の硬さに対して３０ＨＶ以上高くなるように鍛造する第２工程と
   を含むことを特徴とするコンロッドの製造方法。
4. 前記第２工程では、前記粗形材を冷間鍛造することを特徴とする請求項３に記載のコンロッドの製造方法。
5. 前記第２工程では、前記粗形材のリブ高さに比べて鍛造後の前記コンロッドのリブ高さが小さく、前記粗形材のリブ厚さに比べて鍛造後の前記コンロッドのリブ厚さが大きく、前記粗形材のリブ間隔に比べて鍛造後の前記コンロッドのリブ間隔が大きく、前記粗形材の桿部の幅に比べて鍛造後の前記コンロッドの桿部の幅が大きくなるような形状の前記下成形型及び前記上成形型を用いて、前記粗形材を冷間鍛造することを特徴とする請求項４に記載のコンロッドの製造方法。
6. 前記第２工程では、鍛造後に前記一対のリブ部の高さ方向の中央よりも上方へ延出する側壁を有する前記下成形型を用い、鍛造荷重を加えた時に前記粗形材の前記一対のリブ部の中央部を前記下成形型により外方から拘束すると共に、鍛造荷重を加えた時に、前記粗形材の前記一対のリブ部の下側部分の外面と前記下成形型の内面との間に間隙が残り、かつ前記粗形材の前記一対のリブ部の上側部分の外面と前記上成形型の内面との間に間隙が残るような前記下成形型及び前記上成形型を用いて、前記粗形材を冷間鍛造することを特徴とする請求項５に記載のコンロッドの製造方法。
7. 前記第２工程の後、前記コンロッドを加熱した後に空冷する焼鈍しを行う第３工程を更に含むことを特徴とする請求項３〜請求項６のいずれかに記載のコンロッドの製造方法。

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