(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の鍛造工程を経て、多段形状の中間素材から、所定の角度から見て軸芯に対して左右の体積が異なる非対称形状の軸付き円盤部品を冷間鍛造する方法であって、前記中間素材の軸芯に対して、前記円盤部品の体積の多い側と体積の少ない側とに応じて体積を配分するため、成形過程の途中で、前記体積を多くする側の素材の軸部から円盤部に連なる外周方向への傾斜角を浅くし、前記体積を少なくする側の素材の軸部から円盤部に連なる外周方向への傾斜角を深くすることを特徴とする軸付き円盤部品の冷間鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動二輪車等のエンジンのクランク軸の冷間鍛造において、ウェイト部の体積配分を最適にする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば自動二輪車等のエンジンのクランクシャフトの製造において、左右の軸付き円盤状の分割型クランク軸を成形し、これをピンで連結するような方法が採用されることがあり、このような分割型クランク軸の成形方法として、例えば特開昭５８―２１５２３７号のような技術が知られている。
この技術では、丸棒素材を鍛造して軸付き円盤状のクランク本体部を成形するとともに、バランサウェイト部を別体に成形し、このバランサウェイト部をクランク本体部の円盤部に結合して一体化するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のようにクランク本体部とバランサウェイト部を別体に成形し、これを結合する方法は、加工工数が増加するという不具合がある。
また結合工程は、それぞれの成形工程とは工程系列が異なるため、それに伴う段取り換えが発生するという問題もある。
一方、熱間鍛造で成形すると、後工程でスケール等を除去するための切削加工や、精度保証のための機械加工を必要とし、加工効率が必ずしも良くなく、歩留りが悪いという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、体積の異なる円盤部を有する軸付き円盤部品を製造するにあたり、体積差の部分を別体に成形して結合するという異系列の工程を廃止し、段取り換え等の手間を無くすとともに、歩留りを向上させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、複数の鍛造工程を経て、多段形状の中間素材から、所定の角度から見て軸芯に対して左右の体積が異なる非対称形状の軸付き円盤部品を冷間鍛造する方法であって、前記中間素材の軸芯対して、前記円盤部品の体積の多い側と体積の少ない側とに応じて体積を配分するため、成形過程の途中で、前記体積を多くする側の素材の軸部から円盤部に連なる外周方向への傾斜角を浅くし、前記体積を少なくする側の素材の軸部から円盤部に連なる外周方向への傾斜角を深くするようにした。
【０００６】
このように冷間鍛造により体積が異なる非対称形状の円盤部を成形すれば、段取り換え等の手間が省け、工程系列が簡素となり、また熱間鍛造に比べて後加工のスケール除去等の機械加工が不要となって歩留りの向上が図れるが、例えばこのような冷間鍛造用ビレットとして、例えばＪＩＳ  Ｓ４８Ｃの成分組成を基本にして、これから材料割れの原因になりやすい元素であるＳｉ（珪素）やＰ（リン）やＳ（硫黄）の含有量を減らした成分組成の炭素鋼等が好適であり、また、このような材料に対して球状化焼鈍しを行った後引抜き加工し、更に球状化焼鈍しすれば、冷間鍛造性が良くなって一層好適である。
【０００７】
また本発明では、円盤部の左右の体積比を、概略１：２の配分とした。
このような配分にすれば、例えばクランク軸のバランスウェイト部に最適である。
【０００８】
また本発明では、体積を配分するため、成形過程の途中で、素材の軸部から円盤部に連なる左右の連接部に傾斜角の異なる傾斜面を形成するようにし、またその際、体積の多い側の傾斜角を体積の少ない側の傾斜角より浅くするようにした。
【０００９】
このように軸部から円盤部に連なる左右の連接部に傾斜角の異なる傾斜面を形成すれば、例えば軸方向に据え込んで鍛造する際の左右の摩擦角が異なり、材料の流れを左右で異ならせることが出来る。
そして、体積の多い側の傾斜角を浅く、体積の少ない側の傾斜角を深くすれば、傾斜角の深い方向には材料が流れにくく、傾斜角の浅い方向に材料が流れやすくすることが出来、材料割れを生じないで、また過大な荷重をかけなくても成形することが出来る。
このため、所望の体積比に応じて左右の傾斜角を適切に設定し、据込み等によって所望の体積差が生じるようにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について添付した図面に基づき説明する。
ここで図１は自動二輪車等の分割型クランクシャフトの組立図、図２はクランクシャフトの左側のクランク軸の斜視図、図３乃至図７は本発明に係るクランク軸の冷間鍛造方法の工程図、図８は体積配分が不充分でバリが大きく発生する不具合を説明する説明図である。
【００１１】
本発明は、例えば自動二輪車等のエンジンの分割型クランク軸のような軸付き円盤状の部材で、且つ円盤部の体積配分が、軸中心を基準にして非対称形状とされるものの製造に適した製造方法に関し、連続した冷間鍛造で成形することで、工程系列を簡素化して段取り換えのような手間を省くとともに、歩留りの向上を図り、更に材料割れ等が生じないで成形出来るようにされており、実施形態では、図１に示すようなクランクシャフト１のうち、一方側（左側）の軸付き円盤状のクランク軸１ａの製造に適用されている。
【００１２】
すなわち、クランクシャフト１は、軸付き円盤状の左右の分割型クランク軸１ａ、１ｂと、これらクランク軸１ａ、１ｂのウェイト部のピン穴ｐに結合される結合ピン１ｃを備えており、本発明に係る軸付き円盤部品の冷間鍛造方法は、左右のクランク軸１ａ、１ｂのいずれでも可能であるが、説明上、軸部にスプラインが形成される左のクランク軸１ａを代表例として説明する。
【００１３】
左側のクランク軸１ａは、図２に示すように、肉厚が非対称で表面側に複雑な凹凸面が形成されるウェイト部ｗと、径が異なる２段以上の異径部を有する多段軸部ｊを備えており、この多段軸部ｊの一部にはスプラインｓが形成されており、このクランク軸１ａは、図３の左方に示す円柱状のビレットＢから連続冷間鍛造法により成形されているが、まずこのビレットＢの組成成分とビレットＢの製造方法について簡単に説明する。
【００１４】
まず、ビレットＢの組成成分は、Ｃ（炭素）が０．４６〜０．４９WT％、Ｓｉ（珪素）が０．１４WT％以下、Ｍｎ（マンガン）が０．５５〜０．６５WT％、Ｐ（リン）が０．０１５WT％以下、Ｓ（硫黄）が０．０１５WT％以下、Ｃｕ（銅）が０．１５WT％以下、Ｎｉ（ニッケル）が０．１５WT％以下、Ｃｒ（クロム）が０．１０〜０．２０WT％含まれる鋼材（以下、Ｓ４８ＢＣという。）としている。
これは熱間鍛造素材であるＪＩＳ  Ｓ４８Ｃ（以下、Ｓ４８Ｃという。）の成分組成を基本にし、焼入れ性確保のためＣとＭｎ量を同等にするとともに、材料割れの要因になりやすいＳｉとＰとＳの量を削減した成分組成にしたものである。
【００１５】
そしてこのような成分組成の鋼材からなる棒材からビレットＢを製造する方法は、酸洗を行った後、第１回目の球状化焼鈍しを行い、セメンタイトを球状化して素材全体の加工性を向上させ、内部まで歪みを与えることが出来るようにするとともに、パーライトの微細化を図り、次に、酸洗、ボンデ処理を行って引抜き加工を行い、限界据込み率の向上を図り、次いで、この棒材を所望の寸法に切断し、これを酸洗した後、２回目の球状化焼鈍しを行い、炭化物の分散を図るとともに球状化率を高めるようにしている。そして２回目の球状化焼鈍しが終えると、ショットブラスト、ボンデ処理を行って表面調整を行い、冷間鍛造用ビレットを得るようにしている。
【００１６】
それでは、クランク軸１ａの冷間鍛造方法について説明する。
図３に示すように、前記要領で製造したビレットＢを準備すると、第１工程として、下方に押圧して、ビレットＢの径と略同径の本体部ｈと、この本体部ｈに連なる異径の多段軸部ｊを備えた多段形状の中間素材Ｔを成形する。
【００１７】
この際、多段軸部ｊは、実施形態では断面積Ａ1の中径部と断面積Ａ2の小径部からなる２段とし、本体部ｈの断面積（ビレットＢの元の断面積とほぼ一緒）をＡ0とした場合に、自由端部側の絞り率（Ａ0−Ａ2）／Ａ0×１００＝７５〜８５％程度になるようにし、後工程で自由端部側の一部の径を絞るため据え込む際に座屈や破損等が生じないようにしている。
【００１８】
次に、第２工程では、図４に示すように、据込み絞りによって本体部ｈの径を広げるとともに、多段軸部ｊの自由端部側の径を絞る。
ここで、本体部ｈは最終的に左右の厚みを異ならせた非対称体積（例えば１：２）に仕上なければならないため、この段階では、体積の配分に応じて厚みを若干変化させて据え込むとともに、厚みが変化する方向に対して図４（ｃ）に示すように、本体部ｈと多段軸部ｊが連接する下面の傾斜角を異ならせるようにしており、厚みを薄くする方の下面ｅの傾斜角を、厚くする方の下面ｆの傾斜角より深くしている。
そしてこの傾斜角によって、後工程の据込み時に材料の流れを調整するようにし、薄肉部側に向けて材料が流れるのを阻止し、厚肉部側に向けて材料が流れやすくなるようにしている。
【００１９】
そして実施形態では、角度が浅い側の下面ｆの傾斜角は、図４（ａ）に示すように、傾斜面とフラット面の接合ライン（破線で示す）を多段軸部ｊの中心から右側の約半周に亘ってほぼ同距離にして、この範囲を例えば１０〜１２度程度の略同一の傾斜角とし、角度が深い左側の下面ｅの傾斜角を、両側から中央部に向けて徐々に角度が深くなるようにして、中央部の最大傾斜角を２０〜２３度程度としている。
また、この角度が深い側の傾斜面ｅの外側には、余肉部ｙが設けられるとともに、この余肉部ｙから９０度位相が異なる両側下面にも余肉部ｘが設けられている。
因みに、これら余肉部ｙ、ｘは、後工程で表面側の非対称境界部の段差部等に欠肉部が生じるのを防止するためであり、下面側でなく表面側に設けるようにしても良い。
【００２０】
また、図３に示す第１工程後の本体部ｈの高さをＢ0とし、図４に示す第２工程後の本体部ｈの薄肉側の厚みをＢ1とした場合、（Ｂ0−Ｂ1）／Ｂ0×１００＝７５〜８５％程度になるようにし、また第２工程後の多段軸部ｊの自由端部側の断面積をＡ3とした場合、（Ａ0−Ａ3）／Ａ0×１００＝８２〜８８％程度になるようにしている。
【００２１】
次に、第３工程では、図５に示すように、本体部ｈを据え込んでウェイト部ｗの形状に近づけるような荒地成形を行うとともに、多段軸部ｊの段差コーナ部を鋭角に絞り、また自由端部の径を絞る。
この際、本体部ｈを据込むと、下面の傾斜角の違いにより、傾斜角が深い方向へは材料が流れにくく、逆に傾斜角が浅い方向に材料が流れやすくなって、傾斜角の深い方向が薄肉にされ、傾斜角の浅い方向が厚肉にされる。
そして実施形態では、厚肉側の体積と薄肉側の体積比が概ね２／３：１／３になるようにしている。
【００２２】
ここで、下面の傾斜角に差を設けないで厚肉側の体積と薄肉側の体積比を２／３：１／３にしようとすると、図８に示すように、本体部ｈの体積をＶとした場合に、１／２Ｖ−１／３Ｖ＝１／６Ｖがバリｂとして発生することになり、加圧面積の増大により過大荷重を要求されるようになって金型の破損を招きやすくなり、また薄肉部の材料割れや精度悪化を招くようになる。
【００２３】
また、鍛造時に体積差を形成する方法として、最初に本体部ｈと多段軸部ｊの軸芯をずらして偏芯軸とし、その後、軸方向に圧縮荷重を加えて鍛造するような方法も一般的に考えられるが、この方法では、体積比を２／３：１／３程度の大きなものにしようとすると、材料割れが生じやすくなり、採用するのが難しい。
【００２４】
そこで、上記のように下面の傾斜角に差を設け、鍛造時の材料の流れを調整して体積差を設けるようにすれば、材料割れが生じるような不具合がなく、また過大荷重をかけなくても成形することが出来る。
【００２５】
また、第３工程後の本体部ｈの薄肉部の厚みをＢ2とした場合に、（Ｂ0−Ｂ2）／Ｂ0×１００＝９０〜９２％程度にし、また第３工程後の多段軸部ｊの自由端部の断面積をＡ4とした場合に、（Ａ0−Ａ4）／Ａ0×１００＝８８〜９２％程度になるようにしている。
【００２６】
次に第４工程では、図６に示すように、本体部ｈの非対称境界部を加圧して段差部のアールを減らし、ウェイト部ｗの形状に仕上成形する。また、本体部ｈの表面側中心部と多段軸部ｊの自由端面側中心部にセンタ穴ｃを成形すると同時に、多段軸部ｊの一部にスプラインｓを成形する。
【００２７】
そして最後の第５工程では、図７に示すように、本体部ｈにピン穴ｐを打抜くと同時に、本体部ｈの周縁に発生するバリ等（不図示）を打抜く。
そしてこのピン穴ｐを打抜いた際、上下面のピン穴ｐ周縁のコーナ部が面取り形状になるようにしている。
図２に示すような形状のクランク軸１ａは以上のような成形方法により成形されるが、図１に示す他方側のクランク軸１ｂもほぼ同様な要領で成形され、両方のピン穴ｐに結合ピン１ｃが嵌入されて一体化される。
【００２８】
因みに、以上のような一連の冷間鍛造は、工程間の時間間隔が６分程度以内なら、割れの起点になる炭化物がフェライト中に多く固溶し、また加工時の発熱によって伸び率も向上するため、中間焼鈍しを行うことなく、連続して成形することが出来る。
以上のような冷間鍛造方法により、従来のようにウェイト部とクランク本体を別体に作製して結合するような工程系列の複雑化や、段取り換えのような手間が省かれ、また熱間鍛造に比べて歩留りの向上を図ることが出来る。
【００２９】
尚、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではない。本発明の特許請求の範囲に記載した事項と実質的に同一の構成を有し、同一の作用効果を奏するものは本発明の技術的範囲に属する。
例えば、本発明に係る軸付き円盤部品はクランク軸以外の部品等にも適用出来、また体積配分比や、傾斜角の具体的数値等は例示である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る軸付き円盤部品の冷間鍛造方法は、複数の鍛造工程を経て、軸中心に対して、左右の体積が異なる非対称形状の円盤部を有する軸付き円盤部品を成形するようにしたため、工程系列が簡素となり、例えば熱間鍛造等の比べて歩留りの向上を図ることが出来る。
特に、円盤部の体積比が、概略１：２になるようにすれば、例えばクランク軸のバランスウェイト部に好適である。
また体積を配分するため、成形過程の途中で、素材の軸部から円盤部に連なる左右の連接部に傾斜角の異なる傾斜面を形成するようにし、またその際、体積の多い側の傾斜角を体積の少ない側の傾斜角より浅くするようにすれば、材料割れを生じないで成形することが出来、また鍛造荷重を減らすことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動二輪車等のクランクシャフトの組立図
【図２】クランクシャフトの左側のクランク軸の斜視図
【図３】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第１の工程の説明図で（ａ）はビレット、（ｂ）は第１工程終了後の形状
【図４】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第２の工程の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図
【図５】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第３の工程の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図６】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第４の工程の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図７】クランク軸の冷間鍛造工程のうち第５の工程の説明図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図８】体積配分が不充分でバリが大きく発生する不具合を説明する説明図
【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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【図７】
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【図８】
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