JPH03232984A - 窒化処理した被加工物の表面の加工法 - 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、窒化処理した被加工物、たとえば窒化処理を
施こした内燃機関用クランクシャフトの潤滑油が通る油
六等を、化学的に仕上げ加工するための方法に関する。

〔従来の技術〕

「電気製鋼」第４９巻第１号（１９７８年１月発行）の
第３５頁〜第４２頁には、「窒化白層のもろさと軟窒化
化合物層のねばさ」と題する論文が掲載されており、鉄
鋼材料を窒化処理した際、表層部に「白層」と呼ばれる
脆弱な化合物層が生成し、使用中に剥離したり欠けたり
することが多いので、窒化処理後に機械的研摩によって
化合物層の大半または全部が取り除かれること、化合物
層が表面に形成されている材料はねじり強さが低いこと
等を述べている。

ところで、たとえば、内燃機関のクランクシャ（２） フトは、使用される回転数か一般に高くなる一方で、軽
量化も要求されるという苛酷な条件に置かれており、そ
の強化法として窒化処理、軟窒化処理、高周波焼入等が
行なわれるが、高速化を図る上でクランクシャフトでは
、それに作用する捩り振動による捩り疲労破壊の問題が
あり、その破壊危険部位の一つとして、第５図に示した
ように、クランクシャツ１−１のクランクピン２に穿孔
される潤滑油の出口である浦安３の付近が挙げられる。

（図中、４はジャーナル部、５は潤滑油通路、６はクラ
ンクウェブを示す。） クランクピン２の浦安３の断面形は、第６図（ａ）に示
したように、ピン２の直径上を浦安３か貫通していて、
油水３の両端開口には面取り７が施こされており、これ
に捩り荷重が作用した場合、発生する応力は第６図（ｂ
）に示したように、油水３の両端開口付近で非常に大き
くなり、面取り７が開口のエツジ部に生じる応力集中を
避けるために有効であることがわかる。したがって、ク
ランクシャフト１の強度は、浦安３の両端開口付近の材
料強度や、面取り７の状態によって左右される。

クランクシャツＩ〜１に窒化処理を施こした場合、前述
の脆い化合物層は油水３の表面にも形成されるので、こ
れに第６図（ｂ）に示したような捩り荷重による応力が
作用すると、浦安３の両端開口付近から破断が生しやす
く、これが、クランクシャフト１を窒化処理しても十分
に高い強度が得られない理由の一つとなっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

この問題を解決するために、切削や研削等の機械加工に
よって化合物層を除去する方法が考えられるが、被加工
物の形状が複雑で対象部位が細部の時は非常に困難を伴
うし、一般にこのような用途に鉄鋼材料を窒化処理して
使用する際に生じる化合物層の硬さはｔ（ｖ　５００〜
８００とかなり硬く、厚さも５〜５０ＪＪ、ｍ程度ある
ので、切削性や加工精度管理上の問題も生じ、研削の場
合は加工時の発熱に起因する窒化層の圧縮残留応力の低
下により、強度低下を招くという問題がある。

しかしながら、窒化処理時に油水３を密封したり、窒化
防止剤を塗布したりして、油水３内か窒化されないよう
にすると、化合物層が生成しない代りに油水３内には窒
素の拡散層が形成されないから、窒化による所望の強度
向上は得られない。

また、前述の理由から、浦安３の両端開口には面取り７
が行なわれるが、鈍角ではあってもエツジ部の残るＣ面
取りよりも滑らかな曲面となるＲ面取りの方が、応力集
中を避ける意味で望ましいことは明らかである。しかし
、油水３の開口は、円柱面であるクランクピン２の表面
にあり、そのエツジ部は三次元の立体曲線となるから、
これにＲ面取りを行なうには加工法が繁雑となり、クラ
ンクウェブ６との干渉から工具を配置することができる
スペースも限られるので、実用的に加工を行なうことは
困難である。

そこで本発明は、クランクシャフトの浦安、あるいはそ
れと同等のものにおいて、穴の内部にも窒化処理を行な
って強度を高める一方、その表面の化合物層による強度
低下を防止し、また、穴の（５） 開口のエツジ部に、機械加工によらないで滑らかなＲ面
取りを施こすことができる手段を提供することを、発明
の解決すべき課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記の課題を解決するための手段として、窒
化処理した被加工物の表面の各部位毎に所定の量の材料
を除去するために、前記被加工物の前記表面に添って連
続する流路を形成し、前記各部位に対応する流路の開口
面積は、その部位において除去すべき前記材料の量に反
比例するように、即ち、多量の除去を要する部位では開
口面積を狭めて流速が高くなるように、また、少量の除
去を要する部位では開口の面積を広げて流速が低くなる
ように、前記流路の形状と幅を定めると共に、加工を要
しない部位にはシールを施して前記流路との連通を遮断
した上で、前記流路の一端に接続した供給手段から加圧
された化学研摩液を注入すると共に、前記流路の他端に
接続した回収手段から前記流路を通過した前記化学研摩
液を流出（６） させることによって、前記被加工物に所定の加工を行う
ことを特徴とする窒化処理した被加工物の表面の加工法
を提供する。

〔作　用〕

被加工物の表面に形成された流路に化学研摩液を流すに
当り、被加工物の表面の各部位毎に流路の開口面積すな
わち横断面積を所定値に定めるので、それらが連続した
流路としである以上、流路の一端から他端へ加圧された
化学研摩液を流すと、各部位毎に異なった流速の流れが
形成される。すなわち、開口面積の大なる部位では流速
が小となり、開口面積の小なる部位では流速が大となる
。

一方、被加工物の表面にある化合物層などが化学研摩液
によって除去される量は、その部位の単位面積が単位時
間に接触する化学研摩液の量に依存するから、流速か大
なる部位はど、除去される材料の量も多くなる。

そこで被加工物の表面の各部位毎に流路の開口面積を調
整し、流速を変えて、除去される材料の（７） 単位時間当りの量を変化させると、所望の形に成形され
た被加工物が得られる。

〔実施例〕

第１図は本発明を実施する場合に使用する装置と被加工
物の一例を示したもので、２は４気筒機関に使用される
クランクシャフトの一部に設けられたクランクピン、３
はそれに穿孔された油水、８は油水３の両端開口にあら
かじめ（穿孔の際に）機械加工によって形成されたＣ面
取り７によって生じるエツジ部を示す。

クランクピン２の材質は５５０Ｃ、ピン径は４０ｎ＋ｎ
＋、図示されていないがジャーナル径は５２ｍｍ　（第
５図の４を参照）、油水３の径は６．５ｍｍ、面取り７
の量は軸方向断面で０１として、機械加工により成形し
たのち、５２０℃のアンモニア雰囲気中で１２時間窒化
処理を行なった。この時に生成した化合物層の厚さは９
〜１２μ伯であった。

次に、本発明の手段に従い、油水３の開口がら所定の深
さの穴内面までの化合物層を除去すると（８） 共に、開口のＣ面取り７に丸味をつけるために、第１図
に１０として示すノズルを油水３内に所定の位置まで挿
入する。この際、六３の中にはゴム製の油水シール１１
を挿入しておき、またノズル１０の大径の基部１２の外
周とクランクピン２の表面との間にもゴム製のシールリ
ング１３を設けて液封を行なう。

ノズル１０は研摩液によって浸蝕されない材料を用いて
製作され、基部１２の先に所定の形状をもって縮径する
段部１４と、更にその先に一定の直径をもって所定の長
さだけ油水３の中に伸び、油水シール１１と先端が接触
する小径部１５とを有する。ノズル１０の中心には研摩
液供給孔１６が先端近くまで通っており、先端近くで数
個の半径方向の分岐孔１７につながって、ノズル小径部
１５の外面に開口している。また、段部１４には数個所
に基部１２を貫通する排出孔１８が設けである。小径部
１５の外径と油水３の内径との差、すなわち間隙ｅ２は
、この実施例の場合は一様に１．２ｍｍであり、段部１
４とＣ面取りのエツジ部８との間隙ｅ１は０．２ｍｍと
してい（９） る。つまり、エツジ部８に対する間隙ｅ１は特に狭くし
てあり、ここを通過する研摩液は他よりも著しく加速さ
れることになる。

間隙ｅ１の大きさ、したがって被加工物がら除去される
材料の量は、ノズル１０を油水３の中に挿入する深さに
よって決まるので、被加工物であるクランクピン２に対
するノズル１０の位置決めは重要であり、所定の位置に
正確に保持しなければならない。シール１１及び１３は
、ノズル１ｏの位置決めと保持のための補助手段として
有用である。ただし、油水シール１１をノズル１０の小
径部１５の先端に固定する場合は、ストッパとしての効
果はない。

クランクピン２の油水３にノズル１ｏを挿入して、第１
図に示すような状態に保持したのち、研摩液供給孔１６
からフッ酸を主成分とする化学研摩液を加圧して供給し
、第１図中の矢印のように排出孔１８まで流すことによ
り、第２図に示す油水３内の窒化層の表面を覆っている
化合物層１９を研摩して除去すると共に、面取り７のエ
ツジ部８を高速の流れによって研摩して、角に丸味をも
たせ、Ｒ面（１０） 取り２０を形成する。その結果、第２図に断面形を示す
ような油水３を有するクランクピン２が得られる。この
場合、化学的研摩による浦安深さ方向の化合物層の除去
範囲βは、クランクピン径をＤとして１／Ｄの値が０．
１〜０．４となる範囲で値を変えて数本のクランクシャ
フト１を製作し、油圧式捩り疲労試験機により両振の捩
り疲労試験を行った。その結果、１／Ｄが０，１５以上
であれば約１５％高い疲れ限度トルクが得られ、且つ安
定した強度が得られることを確認した。これを図表に示
したものが第３図である。油水３内の化合物層１９を全
く除去しないものと、除去したものとの強度の相違が明
瞭に見られる。

次に、前述の実施例よりも生産性を高め得る他の実施例
を第４図によって説明する。この例では、クランクピン
２の油水３の中に油水シール１１を押し込む必要はなく
、潤滑油通路全体について簡単に研摩作業を行なうこと
ができる。第４図において、ノズル２１は化学研摩液を
回収するために用いられ、クランクピン２の油水３の開
口の数だけ用（１１） 意する。ノズル２１は先端に円錐形などの、所定の外形
状を有する突起２２を有し、その周囲にいくつかの研摩
液回収孔２３を備えていて、それらの回収孔２３が合流
して研摩液回収通路２４とフィルタ２５等を介して研摩
液タンク２６に通じている。研摩液はタンク２６からポ
ンプ２７によって汲み上げられ、加圧されて研摩液供給
通路２８を通り、クランクシャフト１のジャーナル部４
の潤滑油通ｆ？Ｉ５へ供給される。２９は接続部の洩れ
を防ぐシール、３０は潤滑油通路５の研摩の際に不要な
開口を塞ぐシール、３１はシール保持具である。

研摩工程を実施する際には、窒化処理済のクランクシャ
フト１は適当な保持装置によって固定的に支持され、潤
滑油通路５には研摩液供給通路２８が接続される。そし
て、クランクピン２のＲ面取りを行なうべき油水３の開
口には、ノズル２１の先端の突起２２を接近させ、所定
の間隙を残してノズル２１を位置決めする。ノズル２１
とクランクピン２との間には筒状のシール３２を嵌めて
液が洩れないようにする。

（１２） そこでポンプ２７を駆動するとタンク２６の研摩液はク
ランクシャフト１の潤滑油通路５を通り、クランクピン
２の油水３からノズル２１の回収孔２３に入り、フィル
タ２５を経てタンク２６へ戻る。化学研摩液の作用によ
り、潤滑油通路５や油水３内の表面に窒化処理の際に形
成された化合物層が研摩されて除去されるが、被加工物
の特定の部位から除去される材料の量は、その特定の部
位に対して接触する化学研摩液の量、従って流速によっ
て決まり、流速は流路の断面積によって決まる。ノズル
２１の先端の突起２２は油水３の開口に接近しており、
その間隙は所定の僅かな間隔となっているから、この部
分では研摩液が加速されて、化合物層のみならず、油水
開口のエツジ部８く第１図参照）までも浸蝕し、角に丸
味をつけてＲ面取り２０（第２図参照）となす。

なお、第４図中に示すバルブ３３は、それが開いた時に
は圧縮空気や水等の洗浄剤や中和剤を加圧して研摩液供
給通路２８へ送り込み、流路を洗浄して研摩液を追い出
し、油水等に残留しないように（１３） するためのもので、この工程においては、他のノ（ルブ
３４が閉じられる。またその際にはバルブ３５は開き、
バルブ３６が閉じられて、洗浄剤等を外部へ導出する。

本発明は窒化処理されたクランクシャフトに限らず、同
様な手段の適用可能なものであれば、均等な他の被加工
物に対しても実施し得る。たとえば、油水３に相当する
他のものの穴を加工する場合に、ノズル１０又は２１を
電極となし、被加工物との間に電圧を印加すると共に、
化学研摩液に代えて電解研摩液を流して電解加工を行な
うような場合が含まれる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、化学研摩液を加工部位へ流すだけで窒
化処理によって生じた表面の化合物層を除去することが
できるし、除去量を局部的に調整する場合には、その部
位に化学研摩液が流れる流路の開口面積を変更調節して
、化学研摩液の流速を変えてやればよいので、機械的な
研摩にくらべ（１４） て加工が容易てあり、形状の複雑な被加工物や、細部の
加工にも適している。

そして本発明により、窒化処理した被加工物の材質や硬
度、表面処理等による制約を受けることなく、容易に仕
上げ加工をして、強度や信頼性を向」ニさせることかで
゛きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における被加工物と加工用の
装置を示す断面図、第２図は本発明の加工法により処理
した後の被加工物の例を示す断面図、第３図は本発明の
実施効果を示す線図、第４図は本発明の別の実施例にお
ける被加工物と加工用の装置を示す一部断面図、第５図
は一般的なりランクシャフトの形状、構造を示す正面図
、第６図（ａ）は第５図のＶｌ−Ｖｌ断面においてクラ
ンクピンの油水を拡大して示す断面図、第６図（ｂ）は
同図（ａ）に対応して捩り応力の分布を示した線図であ
る。 １・・・クランクシャフト、 ２・・・クランクピン、　３・・・油水、（１５） ４・・・ジャーナル部、 ６・・・クランクウェブ、 ８・・・エツジ部、 １１・・・油水シール、 １３・・・シールリング、 １５・・・小径部、 １７・・・分岐孔、 １９・・・化合物層、 ２１・・・ノズル、 ２３・・・回収孔、 ２５・・・フィルタ、 ２７・・・ポンプ、 ２９　、３０・・・シール、 ３２・・・筒状シール、 ５・・・潤滑油通路、 ７・・・Ｃ面取り、 １０・・・ノズル、 １２・・・基部、 １４・・・段部、 １６・・・研摩液供給孔、 １８・・・排出孔、 ２０・・・Ｒ面取り、 ２２・・・突起、 ２４・・・研摩液回収通路、 ２６・・・研摩液タンク、 ２８・・・研摩液供給通路、 ３１・・・シール保持具、 ３３　、３４　、３５　、３６・・・バルブ。 （１６） 第１図 ２・・・クランクピン ３・・・油水 ７・・Ｃ面取り ８・・エツジ部 １０・・　ノ　ズル １４・・・段部 ０ 第２図 ２・・・クランクピン　１９・・化合物層３・・・油水
　　　　２０・・・Ｒ面取り（に９ｆ−１ 研摩範囲 Ｄ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 窒化処理した被加工物の表面の各部位毎に所定の量の材
   料を除去するために、前記被加工物の前記表面に添って
   連続する流路を形成し、前記各部位に対応する流路の開
   口面積は、その部位において除去すべき前記材料の量に
   反比例するように、即ち、多量の除去を要する部位では
   開口面積を狭めて流速が高くなるように、また、少量の
   除去を要する部位では開口の面積を広げて流速が低くな
   るように、前記流路の形状と幅を定めると共に、加工を
   要しない部位にはシールを施して前記流路との連通を遮
   断した上で、前記流路の一端に接続した供給手段から加
   圧された化学研摩液を注入すると共に、前記流路の他端
   に接続した回収手段から前記流路を通過した前記化学研
   摩液を流出させることによって、前記被加工物に所定の
   加工を行うことを特徴とする窒化処理した被加工物の表
   面の加工法。