JPH1029033A - クランク軸鍛造荒地形状 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クランク軸ピン部への中心偏析の露出を防止
して品質の向上を図る。 【解決手段】 カウンタウェイト間のピン２を形成する
部位に、鍛造により形成されるカウンタウェイトからピ
ン側に向かう局所的凹み４を有する鍛造荒地５。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車エンジン
等の内燃機関に用いるクランク軸を鍛造法で製造する場
合の鍛造荒地形状に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジン等に用いられるクランク
軸は、鍛造プレス等により製造され、回転基準位置から
所定角度位置となるように回転中心軸に沿って設けられ
たコネクティングロッドを取付けるための複数のピンお
よび回転バランスを取るためのカウンタウエイトと、両
端に設けられたジャーナルとから構成されている。ジャ
ーナルの断面形状は、クランク軸の中心線を中心とする
同心円であり、ピンの断面形状は、クランク軸の中心線
から離間した中心位置を有する円であり、カウンタウエ
イトの断面形状は、クランク軸の中心線から離間した中
心位置を有するほぼ扇形である。

【０００３】上記クランク軸の製造工程は、図５に示す
とおり、断面が丸形あるいは四角形の鋼片５１を素材と
して用い、製品形状に応じた長手方向の体積配分と断面
形状を整え段付き軸５２に成形するためのロール加工、
歩留り向上のためにピンと反対側のカウンタウェイト側
に材料を移動偏心させることにより幅方向への体積配分
を行い曲げ軸５３とするための曲げ加工、製品形状に近
い形状にまで成形する荒打工程、製品形状のクランク軸
５４に仕上げる仕上打加工などからなる。

【０００４】上記クランク軸の製造における曲げ加工さ
れた素材は、荒打工程においてピン形成用凹部およびバ
ランスウエイト形成用凹部への素材の位置決めならびに
ジャーナル形成用凹部への素材の位置決めが不確実であ
るという問題点を有していた。

【０００５】上記問題点を解消する方法としては、ピン
およびその両側のバランスウエイト部に対応するクラン
クスロー部外周の軸線方向中央に前記軸線および一直径
線と直交する方向に延びる一対の嵌合溝を形成し、前記
クランクスロー部の嵌合溝およびジャーナル部で前記素
材を位置決めし得る凹所をそれぞれ有する上下の型から
なる荒鍛造用金型で、前記クランクスロー部をピン側に
肉寄せしながら、ばりの流出をその流出方向に対する傾
斜段差面で規制して荒鍛造を行い、仕上鍛造用金型で、
ばりの流出をその流出方向に対する傾斜段差面で規制し
ながら仕上鍛造する方法（特開昭６０−２７４４０号公
報）が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記クランク軸の製造
における荒地形状は、製品形状に応じた体積配分を効率
良く成形し、歩留り向上、鍛造圧の低減等を目的に成形
されている。しかしながら、例えば前記図５（ｃ）に示
す荒地形状の場合は、素材中心部の不純物が曲げ軸５３
の中心に偏析部５５として残留しているため、型打ち実
施後、内部のメタルフローを詳細に調査した結果、クラ
ンク軸ピン部５６表面に素材の偏析部５５が露出してい
ることがある。このような現象は、最も負荷（応力）の
かかるピン部５６付根に対する疲労強度ならびに品質の
低下につながる。また、他の荒地形状の場合にもいえる
（鋳片、ロール荒地を直接型打ちする場合等）。

【０００７】この発明の目的は、上記従来技術の欠点を
解消し、材料の歩留りをダウンさせずにクランク軸ピン
部への中心偏析の露出を防止して品質の向上を図ること
ができるクランク軸鍛造荒地形状を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく予備検討としてクランク軸の部分モデル、
すなわち２枚のカウンタウェイトとその間のピン部位を
対象にプラスチシンを用いて基礎実験を行った。素材と
しては、単純な角柱を用意した。この発明の荒地形状
は、素材のカウンタウェイト間、すなわちピンを形成す
る部位に、板状の突起を打ち込む等の方法で鋳造により
形成されるカウンタウェイトからピン側に向かう局所的
に凹みを与えることによって、素材中心部の偏析部をピ
ン方向に移動させたのち、荒型、仕上型で型打ちテスト
を行った。

【０００９】得られた２枚のカウンタウェイトとその間
のピン部位は、内部のメタルフローを詳細に観察調査し
た結果、従来法の荒地形状のモデル実験では、ピンの表
面近くに素材中心部の偏析部が露出する偏析表出が現れ
たが、素材高さの１／３程度まで局所的に突起を打込ん
で局所的凹みを与えた荒地形状の場合には、素材中心部
の偏析部は完全に製品内、すなわちピン内に押し込まれ
ることを究明し、この発明に到達した。

【００１０】すなわち、この発明の鍛造荒地は、カウン
タウェイト間のピンを形成する部位に、鋳造により形成
されるカウンタウェイトからピン側に向かう局所的凹み
を有する。このように、カウンタウェイト間のピンを形
成する部位に、鋳造により形成されるカウンタウェイト
からピン側に向かう局所的凹みを与えることによって、
素材中心部の偏析部位がピンを形成する部位方向に移動
し、仕上加工において素材中心部の偏析がピン内に封入
され、クランク軸ピン部への中心偏析の露出を防止する
ことができ、ピン部疲労強度の低下防止ならびに品質の
向上を図ることができる。

【００１１】また、この発明の鍛造荒地は、カウンタウ
ェイト間のピンを形成する部位に、鋳造により形成され
るカウンタウェイトからピン側に向かう下記（１）〜
（２）式により求めた凹み高さ率（ｈ）が０．２〜０．
５、凹み幅率（ｔ）が０．５〜１．３の局所的凹みを有
する。 凹み高さ率（ｈ）＝（ＨＳ−ＨＥ）／ＨＳ……（１）式 凹み幅率（ｔ）＝ＭＷ／ＣＷ……（２）式 ただし、ＨＳ： 従来荒地高さ、ＨＥ： 本発明荒地高
さ、ＭＷ： 凹み幅、ＣＷ：カウンタウェイト間隔であ
る。

【００１２】このように、カウンタウェイト間のピンを
形成する部位に、鋳造により形成されるカウンタウェイ
トからピン側に向かう凹み高さ率（ｈ）が０．２〜０．
５、凹み幅率（ｔ）が０．５〜１．３の局所的凹みを与
えることによって、素材中心部の偏析部位がピンを形成
する部位方向に移動し、仕上加工において素材中心部の
偏析がピン内に封入され、クランク軸ピン部への中心偏
析の露出による表出を防止することができ、ピン部疲労
強度の低下防止ならびに品質の向上を図ることができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】この発明の鍛造荒地は、クランク
軸ピン部への素材中心部の不純物偏析部の露出を防止す
るため、従来の鍛造荒地ではピン部表面に偏析部が露出
するので、クランク軸のピン部を形成する部位に、板状
の突起を打ち込む等の方法で鋳造により形成されるカウ
ンタウェイトからピン側に向かう局所的凹みを与えるの
である。本発明の鍛造荒地の局所的凹みは、図１に示す
とおり、従来の荒地高さをＨＳ、本発明の荒地高さをＨ
Ｅとした場合、前記（１）式によって求めた凹み高さ率
（ｈ）を０．２〜０．５の範囲とする。また、図１に示
すとおり、本発明荒地の凹み幅をＭＷ、クランク軸のカ
ウンタウェイト間隔をＣＷとした場合、前記（２）式に
よって求めた凹み幅率（ｔ）を０．５〜１．３の範囲と
する。

【００１４】また、荒地に凹みを与える方法としては、
凸型の板状の突起を有した曲型を用いたり、他の荒地成
形段階の工程における金型を利用しても良い。例えば、
曲型に板状の突起を設けて曲げ加工と同時に局所的に凹
みを与えたりすることが考えられる。

【００１５】この発明において前記（１）式によって求
めた凹み高さ率（ｈ）を０．２〜０．５としたのは、
０．２未満では疵や欠肉等の発生は見られないが、素材
中心部の偏析部がピン部表面に露出する偏析表出が発生
し、０．５を超えると素材中心部の偏析部がピン部表面
に露出する偏析表出は見られないが、疵やカウンタウェ
イト部への欠肉等が発生するからである。

【００１６】この発明において前記（２）式によって求
めた凹み幅率（ｔ）を０．５〜１．３としたのは、０．
５未満では疵や欠肉等の発生は見られないが、素材中心
部の偏析部がピン部表面に露出する偏析表出が発生し、
１．３を超えると素材中心部の偏析部がピン部表面に露
出する偏析表出は見られないが、疵やカウンタウェイト
部への欠肉等が発生するからである。

【００１７】

【実施例】

実施例１ 以下にこの発明の詳細を実施の一例を示す図１に基づい
て説明する。図１は４気筒８枚カウンタウェイトのクラ
ンク軸鍛造荒地形状の説明図で、（ａ）図はこの発明の
荒地形状の側面図、（ｂ）図は（ａ）図の鍛造荒地を荒
型、仕上型で型打ちして得た４気筒８枚カウンタウェイ
トのクランク軸、（ｃ）図は従来の荒地形状の側面図で
ある。図１（ｂ）において、クランク軸１は、気筒数に
応じた４つのピン２ａ〜２ｄがあり、各々のピン２ａ〜
２ｄを挟む２枚１組のカウンタウェイトを有するアーム
３ａ〜３ｄが計８枚存在する。この場合、クランク軸１
の長手方向外側に位置する２つのピン２ａ、２ｄを挟む
４枚のアーム３ａ、３ａ、３ｄ、３ｄと、内側に位置す
る２つのピン２ｂ、２ｃを挟む４枚のアーム３ｂ、３
ｂ、３ｃ、３ｃは、カウンタウェイトの位置する側がク
ランク軸１中心軸に対して互いに逆になる。

【００１８】１２００℃に加熱された１１０ｍｍ角、長
さ４２０ｍｍのビレットを素材として用い、ロール加工
により軸方向に体積配分を持つ段付き軸に成形する。ロ
ール加工された段付き軸は、直ちに幅方向に体積配分を
行うための曲型で型打ちして曲げ加工した。曲型による
型打ちによる曲げ加工では、図１（ｃ）に示すとおり、
カウンタウェイトを充満させるために与える体積偏心
は、長手方向両端のピン２ａ、２ｄ相当部と内側のピン
２ｂ、２ｃ相当部で逆方向となる。この図１（ｃ）に示
すものが従来の鍛造荒地１１である。

【００１９】次にこの偏心に対向する向きに曲型に板状
の突起を設けて曲げ加工と同時に、図１（ａ）に示すと
おり、局所的に凹み幅率（ｔ）：０〜１．３、凹み高さ
率（ｈ）：０〜０．６の凹み４ａ〜４ｄを与えた鍛造荒
地５とし、荒型、仕上型で型打ちしてクランク軸１とな
し、得られた各クランク軸のメタルフローを調査して凹
み幅率（ｔ）および凹み高さ率（ｈ）と型打後の偏析位
置を調査した。その結果を図３、図４に示す。

【００２０】図３に示すとおり、凹み幅率（ｔ）が零の
従来荒地形状および凹み幅率（ｔ）が０．４２の荒地形
状では、素材中心部の偏析がピン部表面に露出する偏析
表出が見られ、凹み幅率ｔが１．３の荒地形状では、ピ
ン部表面への偏析表出が見られなかったが、製品形状に
疵が残り、カウンタウェイト部に欠肉が発生した。この
ことから、凹み幅率（ｔ）が０．５〜１．３の範囲で
は、素材中心部の偏析がピン内部に封入され、また、カ
ウンタウェイト部に欠肉も生じないものと推定される。
一方、図４に示すとおり、凹み高さ率（ｈ）が零の従来
荒地形状では、素材中心部の偏析がピン部表面に露出す
る偏析表出が見られ、凹み高さ率（ｈ）が０．６の荒地
形状では、ピン部表面への偏析表出が見られなかった
が、製品形状に疵が残り、カウンタウェイト部に欠肉が
発生した。このことから、凹み高さ率（ｈ）が０．２〜
０．５の範囲では、素材中心部の偏析がピン内部に封入
され、また、カウンタウェイト部に欠肉も生じないもの
と推定される。

【００２１】実施例２ １１０ｍｍ角、長さ４２０ｍｍの鋼片を素材とし、４気
筒８枚カウンタウェイトのクランク軸を製造するに際
し、まず１２００℃に加熱された素材をロール工程で長
手方向に体積配分し、曲げ加工で幅方向に体積配分し
た。次に板状の突起を有する金型を用い、４つの全ての
ピン部分に表１に示す凹み高さ率、凹み幅率の凹み形状
Ａ〜Ｈの局所偏心を与えたのち、荒打ち、仕上打ちを行
った。また、比較の対象として従来の鍛造荒地形状にて
も同じ条件で鍛造した。凹み形状を有する荒地を鍛造し
た場合と従来の荒池を鍛造した場合の１ピン部の断面の
偏析の位置のメタルフローの観察結果を図２に示す。さ
らに、８つの凹み形状Ａ〜Ｈと偏析封入の可否、鍛造疵
と欠肉の発生有無を調査した。その結果を表２に示す。
なお、表２中の総合評価欄の○は良好、×は不良を示
す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】図２（ｂ）に示すとおり、従来の荒地で
は、ピン部２１表面に鋼片中心部の偏析２２の露出によ
る表出部２３が見られたが、図２（ａ）に示すとおり、
本発明による荒地を用いた場合には、ピン部２１表面に
鋼片中心部の偏析２２は露出せずに内部に封入されて鍛
造できていた。なお、２４はカウンタウェイト部を示
す。また、表２に示すとおり、凹み幅率（ｔ）が１．３
５と本発明の範囲を外れている凹み形状Ａの荒地を用い
た場合には、ピン部分表面への鋼片中心部の偏析の封入
は可能であるが、疵ならびに欠肉の発生が見られた。凹
み幅率（ｔ）が０．４５と本発明の範囲を外れている凹
み形状Ｄの荒地を用いた場合は、疵ならびに欠肉の発生
が見られないが、ピン部分表面への鋼片中心部の偏析の
封入は不可能で、ピン部分表面に鋼片中心部の偏析の露
出による表出が見られた。凹み高さ率（ｈ）が０．５５
と本発明の範囲を外れている凹み形状Ｅの荒地を用いた
場合には、ピン部分表面への鋼片中心部の偏析の封入は
可能であるが、疵ならびに欠肉の発生が見られた。凹み
高さ率（ｈ）が０．１５と本発明の範囲を外れている凹
み形状Ｈの荒地を用いた場合には、疵ならびに欠肉の発
生が見られないが、ピン部分表面への鋼片中心部の偏析
の封入は不可能で、ピン部分表面に鋼片中心部の偏析の
露出による表出が見られた。凹み幅率（ｔ）、凹み高さ
率（ｈ）が共に本発明の範囲内である凹み形状Ｂ、Ｃ、
ＦおよびＧの荒地を用いた場合は、ピン部分表面への鋼
片中心部の偏析の封入は可能で、しかも、疵ならびに欠
肉の発生が見られず、観察結果は良好であった。さら
に、２〜４ピンについても同様の結果が得られた。

【００２５】

【発明の効果】この発明の請求項１のクランク軸鍛造荒
地は、局所的凹みを設けたことによって、クランク軸ピ
ン部表面への素材中心部の不純物偏析部の露出による表
出を抑制でき、ピン部の疲労強度の低下を抑制できると
共に、クランク軸の品質を向上させることができる。

【００２６】この発明の請求項２のクランク軸鍛造荒地
は、凹み幅率ｔ：０．５〜１．３、凹み高さ率Ｈ：０．
２〜０．５の局所的凹みを設けたことによって、クラン
ク軸ピン部表面への素材中心部の不純物偏析部の露出に
よる表出を防止でき、ピン部の疲労強度の低下を防止で
きると共に、クランク軸の品質を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のクランク軸鍛造荒地の形状説明図
で、（ａ）図はこの発明の荒地形状の側面図、（ｂ）図
は（ａ）図の鍛造荒地を荒型、仕上型で型打ちして得た
４気筒８枚カウンタウェイトのクランク軸、（ｃ）図は
従来の荒地形状の１例の側面図である。

【図２】素材中心部の不純物偏析部のピン部への偏析位
置の断面を示すもので、（ａ）図は従来の鍛造荒地を用
いた場合、（ｂ）図はこの発明の鍛造荒地を用いた場合
を示す。

【図３】凹み幅率と型打後の偏析位置と製品性状との関
係を示すグラフである。

【図４】凹み高さ率と型打後の偏析位置と製品性状との
関係を示すグラフである。

【図５】一般的なクランク軸鍛造の順序を示すもので、
（ａ）図は素材、（ｂ）図はロール加工後の段付き軸、
（ｃ）図は曲げ加工後の鍛造荒地、（ｄ）図は型打後の
クランク軸の説明図である。

【符号の説明】

１、５４ クランク軸 ２ａ〜２ｄ ピン ３ａ〜３ｄ アーム ４ａ〜４ｄ 凹み ５、１１ 鍛造荒地 ２１、５６ ピン部 ２２ 偏析 ２３ 表出部 ２４ カウンタウェイト部 ５１ 鋼片 ５２ 段付き軸 ５３ 曲げ軸 ５５ 偏析部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランク軸製造のための鍛造荒地におい
   て、カウンタウェイト間のピンを形成する部位に、鍛造
   により形成されるカウンタウェイトからピン側に向かう
   局所的凹みを有することを特徴とする鍛造荒地形状。
2. 【請求項２】 クランク軸製造のための鍛造荒地におい
   て、カウンタウェイト間のピンを形成する部位に、鍛造
   により形成されるカウンタウェイトからピン側に向かう
   下記（１）〜（２）式により求めた凹み高さ率（ｈ）が
   ０．２〜０．５、凹み幅率（ｔ）が０．５〜１．３の局
   所的凹みを有することを特徴とする鍛造荒地形状。 凹み高さ率（ｈ）＝（ＨＳ−ＨＥ）／ＨＳ……（１）式 凹み幅率（ｔ）＝ＭＷ／ＣＷ……（２）式 ただし、ＨＳ： 従来荒地高さ、ＨＥ： 本発明荒地高
   さ、ＭＷ： 凹み幅、ＣＷ：カウンタウェイト間隔であ
   る。