(57)【要約】【課題】鋳鋼製クランクスローの重要部位であるピン部やピンフィレット部の表層に存在する、ミクロシュリンケージなどの欠陥を、効率よく連続的に消滅させる鋳鋼製クランクスローの欠陥改善方法を提供することである。【解決手段】クランクスローの素形材１ａを、両側のウェブ４、４ａをピン部３の軸心回りに所要の角度θａだけ相対的に回転させた状態に鋳造し、この素形材１ａを熱間加工温度域に加熱後、ピン部３の軸心回りに、両側のウエブ４、４ａを前記相対的に回転させた所要の角度θａだけ、この相対的回転角度が小さくなる方向に回転させてピン部３を捩る捩り加工を付与することにより、クランクスローのピン部３およびフィレット部の表層欠陥を効率よく連続的に消滅させるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側のウエブとピン部と、ジャーナル部を嵌め合わせる軸穴を設けている組立型クランク軸のクランクスローの欠陥改善方法であって、鋳造された前記クランクスローの素形材を所要の温度域に加熱後、ピン部およびピンフィレット部にせん断ひずみを与える熱間加工を行なうことを特徴とするクランクスローの欠陥改善方法。
【請求項２】
前記クランクスローの素形材が、両側のウェブをピン部の軸心回りに所要の角度だけ相対的に回転させた状態に鋳造され、前記熱間加工が、ピン部の軸心回りに、両側のウエブを前記相対的に回転させた所要の角度を、この相対的回転角度が小さくなる方向に回転させることにより、ピン部を捩る捩り加工であることを特徴とする請求項１に記載のクランクスローの欠陥改善方法。
【請求項３】
前記熱間加工における所要の回転角度範囲が、２０°〜１００°であることを特徴とする請求項２に記載のクランクスローの欠陥改善方法。    
【請求項４】
前記クランクスローの素形材全体を９００℃以上に加熱した後、前記熱間加工を行なうことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクランクスローの欠陥改善方法。
【請求項５】
前記クランクスローのピン部およびピンフィレット部のみを６００℃以上に部分的に加熱した後、前記熱間加工を行なうことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクランクスローの欠陥改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、組立て型クランク軸の構成部品である鋳鋼製クランクスロー表層部の欠陥を効率的に消滅させる鋳鋼製クランクスローの欠陥改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
舶用や発電機用などに使われているディーゼル機関用クランク軸には、組立型クランク軸と一体型クランク軸がある。前記組立型クランク軸は、構成部品であるクランクスローとジャーナルを焼きばめすることによって組立・製造され、ジャーナルはすべて鍛鋼製である。クランクスローについては、鍛鋼製のものと鋳鋼製のものがある。鍛鋼製のクランクスローについては、まず、鋼塊素材を鍛伸した丸棒素材に、型入れ成形時にポンチで押し込むための凹部などの所要の加工を施したのち、ガス切断等により、中央部分に前記凹部が形成された円柱状素材を作製した後、下部にアンビルを嵌合したダイスと前記ポンチによって形成される成形用型装置を用いて、ポンチで前記凹部を押圧して円柱状素材をダイスに型入れ圧入成形することにより、余肉が少ない高い歩留の鍛鋼製クランクスローが得られることが記載されている（特許文献１参照）。この鍛鋼製クランクスローでは、鍛錬効果により、疲労強度に優れた信頼性が高いクランク軸の提供が可能である反面、製造工程が煩雑であるため、生産性が低いという問題点がある。一方、鋳鋼製クランクスローは、鍛鋼製クランクスローに対して生産性が優れている利点があるものの、鍛鋼製クランクスローに比べて疲労強度が同等と見なされておらず、一部のディ−ゼル機関には適用できないなど信頼性に欠ける面があった。このため、鋳鋼製クランクスローなどの円筒状外周面を有する鋳鋼材に対して、この円筒状部をワークロールとバックアップロールとで加圧挟持すると共に、鋳鋼材をその円筒状部の軸心回りに回転させて、ワークロールにより前記円筒状部に塑性変形を与える熱間ロール加工により、表面近傍の微少鋳造欠陥を圧着・縮小させて疲労強度を向上させるとともに、製品仕上げ表面性状を向上させるための、生産性の高い鋳鋼材の性状改善方法が開示されている（特許文献２参照）・
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５２−１１１８６３号公報
【特許文献２】特開２０００−２１３５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献２に記載された熱間ロール加工による鋳鋼材の性状改善方法では、欠陥を圧着する効果はあるものの、熱間ロール加工後に機械加工を行うため、歩留がわるいという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明の課題は、鋳鋼製クランクスローの重要部位であるピン部やピンフィレット部の、鋳造によって、とくに表層部に不可避的に存在するミクロシュリンケージなどの欠陥に対して、これらの部位の表層部の全域にわたってせん断ひずみを与えることによって、表層部に存在する欠陥を、効率よく連続的に消滅させる鋳鋼製クランクスローの欠陥改善方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【０００７】
即ち、請求項１に係るクランクスローの欠陥改善方法は、両側のウエブとピン部と、ジャーナル部を嵌め合わせる軸穴を設けている組立型クランク軸のクランクスローの欠陥改善方法であって、鋳造された前記クランクスローの素形材を所要の温度域に加熱後、ピン部およびピンフィレット部にせん断ひずみを与える熱間加工を行なうことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係るクランクスローの欠陥改善方法は、前記クランクスローの素形材が、両側のウェブをピン部の軸心回りに所要の角度だけ相対的に回転させた状態に鋳造され、前記熱間加工が、ピン部の軸心回りに、両側のウエブを前記相対的に回転させた所要の角度を、この相対的回転角度が小さくなる方向に回転させることにより、ピン部を捩る捩り加工であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係るクランクスローの欠陥改善方法は、前記熱間加工における所要の回転角度範囲が、２０°〜１００°であることを特徴とする。    
【００１０】
請求項４に係るクランクスローの欠陥改善方法は、前記クランクスローの素形材全体を９００℃以上に加熱した後、前記熱間加工を行なうことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係るクランクスローの欠陥改善方法は、前記クランクスローのピン部およびピンフィレット部のみを６００℃以上に部分的に加熱した後、前記熱間加工を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明では、鋳造された前記クランクスローの素形材を所要の温度域に加熱後、ピン部を捩る捩り加工により、ピン部およびピンフィレット部にせん断ひずみを与えるようにしたので、クランクスローにおけるこれらの部位の表層近傍に存在する空隙欠陥を、捩りに伴って連続的かつ効率的に消滅させることができる。それによって、高疲労強度で信頼性が向上したクランク軸を、従来よりも短期間で製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）組立型クランク軸の構成を示す説明図である。（ｂ）（ａ）のピン部周りを模式的に示した説明図（縦断側面図）である。
【図２】（ａ）クランクスローの素形材の形状および捩り加工の実施形態を模式的に示す説明図（側面図）である。（ｂ）（ａ）の素形材のピン部にねじり加工を施した後の形状を模式的に示す説明図（側面図）である。
【図３】（ａ）捩り加工の他の実施形態を模式的に示す説明図である（加工前）（ｂ）同上（加工後）
【図４】ピン部に捩り加工を施したのちのピン部の端部およびピンフィレット部に導入されたせん断ひずみの分布を模式的に示す説明図である。
【図５】捩り加工により、ピン部断面内の空隙欠陥が消滅する程度を解析により把握した説明図である。
【図６】（ａ）円柱試験片を示す説明図である（正面図）。（ｂ）同上（側面図）
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図６に基づいて説明する。
【００１５】
図１（ａ）は、組立型クランク軸の１シリンダ分のクランクスローおよびジャーナルの構成部品を示したものである。クランクスロー１は、クランク軸の回転中心にある鍛鋼製のジャ−ナル軸２ａ、２ｂが嵌合するジャーナル軸孔２と、このジャーナル軸孔２と偏心した位置にあるピン軸３と、それらを繋ぐウェブ４、４ａとからなり、ピン部（ピン軸）３の両端下部とウェブ４、４ａとの境界の部位には、応力集中を緩和するために、図１（ｂ）に要部を示すように、ピンフィレット部（以下フィレット部と記載する）５、５ａが形成されている。組立型クランク軸は、前記ジャーナル軸孔２にジャーナル２ａ、２ｂを焼ばめすることによって、組立・製造される。図２（ａ）は、実施形態のクランクスローの素形材１ａを示したもので、ウェブ４、４ａがピン部３の軸心Ｃの回りに回転角度（捩り角度）θがθａだけ相対的に変位した形状に鋳造成形されている。この素形材１ａを、加熱炉に装入して、９００℃〜１３００℃の温度範囲内の所要の温度に加熱した後、プレスの下部ダイプレート上に載置し、冶具でダイプレート上に固定した後、上部ダイプレートに取り付けた金型（図示省略）で圧下することにより、図２（ｂ）に示すように、ウェブ４をピン部軸心Ｃの回りの角度θがゼロになるまで、すなわち前記角度θａだけ、前記相対的に変位した角度が小さくなる方向に回転させてピン部３に、捩り角度θａの捩り加工を施すことができる。また、図３に示すように、素形材１ａを下金型６に装入して、プレスの上金型６ａの、先端部にピン部３に適合するような凹部を形成した円柱部６ｂで圧下することによっても、ピン部３に捩り角度θａの捩り加工を施してクランクスロー１に成形することができる。なお、素形材１ａを９００℃以上の温度に加熱するのは、上記捩り加工により、大きさを減少させた空隙欠陥を部分的に接着して消滅を促進するためである。また、加熱温度の上限を１３００℃とするのは、素形材１ａの表層部の部分的溶融を防止するためである。
【００１６】
前記捩り角度θは、２０°〜１００°の範囲で選択することが望ましい。後述するように、捩り角度θが２０°未満であると、ピン部表層における欠陥の断面積を１０％以上減少させることはできなく、また、捩り角度θが１００°に到達すると、ピン部表層における欠陥をほぼ完全に消滅させることが可能となる。なお、捩り角度θを９０°以上に設定する場合には、縦型プレスでウェブを圧下してピン部に捩りを与えることができる位置まで、捩り加工の初期に、例えば、横型プレスによってウェブを、ピン部の軸心回りに回転変位させる必要がある。
【００１７】
図４は、表１に示す加工条件で、図２（ａ）、（ｂ）に示したようにしてピン部に捩り加工を施した場合の、Ａ−Ａ断面（図２（ｂ）参照）におけるピン部３の軸方向端部およびピンフィレット部５に導入されるせん断ひずみの分布（斜線で表示）を、汎用変形解析手段（剛塑性有限要素法）を用いて求めた結果を模式的に示したものである。なお、表１で、解析モデル１と２では、図４に示したように、実線で示した素形材におけるフィレット部５、５ａ間の形状が異なり、解析モデル１では半円状に、解析モデル２では、フィレット部５、５ａ側にそれぞれ小さな半円状の窪みが形成されている。また、破線で表示した形状は、機械加工後のクランクスローの形状を模式的に示すものである。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
図４から、解析モデル１、２ともに、ピン部３に捩り加工を施すことによってピン部３のみならずフィレット部５、５ａにもせん断ひずみが導入されており、これらのせん断ひずみは、捩り角度θａが大きい方が、また、素材温度（ピン部温度）が高い方が大きくなっている。捩り角度θａが４５°の場合には、解析モデル１、２ともに、せん断ひずみは、破線で表示した機械加工後のフィレット部５、５ａにまで導入されていることがわかる。
【００２０】
図５は、前記変形解析手段（剛塑性有限要素法）を用いて、ピン部に見立てた直径４５ｍｍ、長さ７０ｍｍの円柱試験片（図６）の一端を固定し、他端を回転させて、捩り加工を施したときに、円柱試験片の軸方向中央部における断面内の半径方向のそれぞれの位置（図５中に、半径ｒ＝２２．５ｍｍに対する中心からの半径方向の距離で表示）で、空隙欠陥（Φ２ｍｍ）の消滅の程度を示したものである。縦軸の断面積比Ｓ／Ｓ０は、初期の欠陥の断面積Ｓ０に対する、各捩り角度における欠陥の断面積Ｓ０の比率を表す。同図から、前記ピン部の軸心Ｃに対応する円柱試験片の中心からの距離が大きい位置ほど、同一捩り角度に対して、断面積比Ｓ／Ｓ０が小さいこと、すなわち欠陥の消滅の程度が大きくなっていることがわかる。また、円柱試験片の表面から半径方向に２．５ｍｍの深さの表層部（△：２０／ｒ２２．５）では、捩り角度が４５°のときは、欠陥は３０％程度消滅し（Ｓ／Ｓ０＝０．７）、同９０°のときは、８５％程度（Ｓ／Ｓ０＝０．１５）と殆ど消滅することがわかる。この解析結果から、円柱試験片の軸心（中心）、すなわちクランクスローのピン部の軸心（中心）から表面に向かうほど、捩り加工に伴うせん断ひずみの導入によって、収縮孔などの空隙欠陥の大きさが減少する割合が高くなり、捩り加工が、ピン部表層部の欠陥を効率的に減少させる有効な手段であることがわかる。
【実施例】
【００２１】
鋳鋼製（Ｓ４５Ｃ相当）クランクスローのピン部直径が２００ｍｍの場合について、直径２００ｍｍの円柱試験片の表層部（表面から半径方向に１２ｍｍの深さの位置）に、直径０．５６ｍｍの欠陥（収縮孔）を配置して、変形解析手段（剛塑性有限要素法）を用いて、表２に示す加熱条件および捩り角度で、円柱試験片にねじりを与え、試験片断面内（表層）にせん断ひずみを導入した後の欠陥断面積の減少の程度を調査した。そして、せん断ひずみ導入後の欠陥断面積と等しい断面積の円の直径、すなわち等価直径を算出し、欠陥断面積が、この等価直径が０．３ｍｍ以下に減少した場合を欠陥なしと判定した。この等価直径０．３ｍｍを境界値とする欠陥判定基準は、実機データに基づいたものであり、等価直径が０．３ｍｍ以下の欠陥であれば、疲労強度特性に影響を及ぼさないことが判明している。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
表２に示したように、本願発明の素材加熱条件および熱間加工条件（ねじり角度）を満たす場合は（No.1,No.4,No.5）、いずれも初期欠陥は、断面積が等価直径０．３ｍｍ以下にまで減少して欠陥なしと判定された。これに対して、本願発明の素材加熱条件および熱間加工条件（ねじり角度）を満たさない場合は（No.2,No.3,No.6）、いずれも初期欠陥は、断面積が等価直径０．３ｍｍ以下にまでは減少せず、欠陥ありと判定された。表２に示した解析結果により、クランクスローのピン部およびフィレット部の表層部に存在する欠陥を、効率よく連続的に消滅させることに対する本願発明の有効性が確認された。
【符号の説明】
【００２４】
１：クランクスロー    ２：ジャーナル軸孔  ２ａ、２ｂ：ジャーナル軸
３；ピン部（ピン軸）  ４、４ａ：ウェブ  ５、５ａ：ピンフィレット部
６：下金型        ６ａ：上金型  ６ｂ：金型円柱部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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