(57)【要約】【課題】寸法ばらつきが小さく，かつ冷間コイニングにより高強度を確保することのできるコンロッドの製造方法を提供すること。【解決手段】大端部１１と小端部１２とこれらをつなぐコラム部１３とを有し，冷間コイニングを施すことによってコラム部１３を強化してなる寸法ばらつきの小さい強化コンロッド１を製造する方法である。素材に熱間鍛造を施して大端部１１，小端部１２，及びコラム部１３を形成する熱間鍛造工程と，コラム部１３に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含む。冷間コイニング工程では，コラム部１３に付与するプレス荷重が所定の規定荷重になった時点でプレス荷重の付与を解除するプレス荷重制御によって行う。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間コイニングを施すことによって上記コラム部を強化してなる寸法ばらつきの小さい強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成する熱間鍛造工程と，
上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含み，
該冷間コイニング工程では，上記コラム部に付与するプレス荷重が所定の規定荷重になった時点でプレス荷重の付与を解除するプレス荷重制御によって行うことを特徴とする寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法。
【請求項２】
請求項１において，上記冷間コイニング工程は，上記大端部及び上記小端部の長手方向を金型により拘束した状態で実施することを特徴とする寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法。
【請求項３】
大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間コイニングを施すことによって上記コラム部を強化してなる寸法ばらつきの小さい強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成する熱間鍛造工程と，
上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含み，
該冷間コイニング工程では，上記大端部及び上記小端部の長手方向端部の間隔である長手方向寸法が所定量に達した際に，上記コラム部へのプレス荷重の付与を解除することを特徴とする寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法。
【請求項４】
請求項３において，上記冷間コイニング工程では，上記大端部又は上記小端部の長手方向端部の一方を拘束金型により拘束し，他方の長手方向端部との間に所定間隔を空けて寸法検知金型を配置し，かつ，該寸法検知金型には上記長手方向端部が接触したことを感知する接触感知センサを設けておき，該接触感知センサが上記長手方向端部との接触を感知した際に，上記コラム部へのプレス荷重の付与を解除することを特徴とする寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車のエンジン等に用いられるコンロッドを対象とし，特に冷間コイニングによる加工硬化を利用して高強度なコンロッドを製造する上での冷間加工方法に関するものであり，冷間コイニング後の寸法ばらつきを抑え，冷間コイニングにより高強度を確保するとともに，寸法ばらつきの小さいコンロッドの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や建設機械等に用いられる機械構造部品は，従来，炭素鋼や合金鋼を素材とし，熱間鍛造後，焼入焼もどし処理により必要な強度を確保してきた。しかし，エネルギー消費の効率化から，最近では，焼入焼もどし処理することなく必要な強度が確保できる非調質鋼が多量に使用されるようになってきている。この非調質鋼については，多数の特許が出願されており，フェライトパーライト型，ベイナイト型等様々な組織からなる鋼が提案されているが，その主となる考え方は，ＶやＮｂ等の炭窒化物を熱間加工後の冷却途中に析出させることによって，析出強化により強度を確保しようとするものである。
【０００３】
しかし，自動車等に対する軽量化への要求は，ますます強くなってきており，コンロッドも例外ではない。軽量化を可能とするためには，材料面での改良によるものと，加工方法の改良によるものの２通りの方策が考えられるが，材料面での改良は，従来から盛んに行われてきたため，最近では，加工方法の面からの改良方法が注目されるようになってきている。
【０００４】
加工方法の改良によるコンロッドの高強度方策としては，従来からコンロッドはコラム部が最も高強度が要求されることがわかっており，この部分に冷間加工を加えて（コイニング）加工強化により高強度化しようとする試みが行われるようになってきている。
【０００５】
例えば特許文献１では，ウエブ面のみに冷間コイニングを施すことによって，冷間コイニング後にリブ面に引張の残留応力を発生させないことにより，疲労強度が向上させることのできる冷間コイニング方法について開示されている。
【０００６】
また，特許文献２〜４には，鋼材として低炭素鋼，低炭素ボロン鋼，マルテンサイト変態開始温度が６００℃以上の鋼等を使用してコンロッド形状の熱間鍛造品を製造後焼入後，焼もどしすることなくコイニング，ショットピーニングすることによって，疲労強度の優れたコンロッドを得ることを特徴とする製造方法について記載されている。
【０００７】
さらに，特許文献５には，７００℃以上の温度で熱間コイニングし，冷間コイニングを省略することによって，座屈強度を低下させることのないコンロッドの製造方法について記載されている。
【０００８】
また，特許文献６，７には，冷間コイニングと熱処理（時効処理）を組合せることによって高強度化を図るという製造方法について記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平３−２２１２３２号公報
【特許文献２】
特開平５−７０８２８号公報
【特許文献３】
特開平７−６２４４４号公報
【特許文献４】
特開平９−１９６０４４号公報
【特許文献５】
特開平１０−２５８３３５号公報
【特許文献６】
特開平１０−１６８５４０号公報
【特許文献７】
特開平１１−１３１１３４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した熱間鍛造後に行うコイニング方法には，次の問題がある。
即ち，前記した特許文献に記載の方法はいずれも強度を改善することを目的としたコイニング方法について記載されているが，寸法ばらつきを小さくすることを目的とした改善方策については全く記載されていない。すなわち，寸法ばらつきの生じる原因は，コイニング前の粗形状の熱間鍛造品の寸法，特にコラム部の高さがばらつくことが最大の原因であるが，寸法がばらついた場合に対する対策について全く検討されていないためである。
【００１１】
コンロッドのコイニングを含め，プレスでの加工はストローク制御で行うのが普通である。ストローク制御で加工が行われるプレスを使って寸法がばらついた鍛造粗形材を冷間コイニングすれば，コイニング時の荷重が大きくばらついてしまうため，結果として得られた製品に生じる寸法ばらつきを小さく抑えることはできない。
【００１２】
本発明は，以上記載した問題点を解決するために成されたものであり，熱間鍛造粗形材の寸法がばらついた場合でも，寸法（コンロッドの全長）ばらつきの小さいコンロッドを製造することができ，かつ冷間コイニングにより高強度を確保することのできる寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は，大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間コイニングを施すことによって上記コラム部を強化してなる寸法ばらつきの小さい強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成する熱間鍛造工程と，
上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含み，
該冷間コイニング工程では，上記コラム部に付与するプレス荷重が所定の規定荷重になった時点でプレス荷重の付与を解除するプレス荷重制御によって行うことを特徴とする寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法にある（請求項１）。
【００１４】
本発明において注目すべき点は，上記冷間コイニング工程において，通常のプレス加工時に実施されるストローク制御の加工ではなく，荷重制御でコイニングを実施することによって，寸法ばらつきを小さく抑えることを可能にした点にある。
【００１５】
本発明では，まず上記熱間鍛造工程を施し，上記大端部，小端部及びコラム部を有する粗形材を製造する。そして，熱間鍛造工程後，粗形材を冷却し，その後，必要に応じてショットブラスト等で酸化スケールを除去した後，強度改善のための上記冷間コイニング工程を実施する。そして，この冷間コイニング工程において，上記のごとく，プレス荷重制御により，付与するプレス荷重を所定の規定荷重に制限する。これにより，たとえ，冷間コイニング工程前の状態でコラム部のリブ高さ等に寸法ばらつきがあったとしても，付与するプレス荷重が略一定であるので長手方向への伸び量があまりばらつかない。それ故，得られるコンロッドの寸法ばらつきを小さくすることができる。そしてまた，上記冷間コイニング工程によるコラム部の強化効果も，上記略一定のプレス荷重によって安定して得ることができる。
【００１６】
ここで，所定の規定荷重は，予め実際のコイニングに使用する金型を準備し，詳細な荷重データを測定しておき，このデータから狙いとする全長を得るのに適切となる荷重値を求めることにより決定することができる。このように決定した後，数回の試作実験を実施して，設定した荷重値が適当かどうかをプレスで実測して判断し，より最適な規定荷重を求めることができる。
【００１７】
また，上記第１の発明においては，上記冷間コイニング工程は，上記大端部及び上記小端部の長手方向を金型により拘束した状態で実施することが好ましい（請求項２）。
この場合には，この発明は，上記金型によってコンロッドの長手方向を拘束することにより，冷間コイニング後の寸法ばらつきを小さく抑えることがより確実となる。
【００１８】
また，上記冷間コイニング工程は，コラム部の強度を改善することが目的で実施されるものであり，そのための適切な範囲とする必要があり，コイニング前のリブ高さに対して１０〜２５％（狙い値での範囲であり，実質の加工率とは異なる。）とするのが好ましい。好ましい範囲の下限を１０％とするのは，ある程度ひずみを加えないと，強度向上効果が小さいためと，歪みが小さいと強度ばらつきが大きくなってしまうためであり，好ましい範囲の上限を２５％としたのは，歪みが大きいと身切り線部において窪み割れ発生が起きる可能性が生じるためである。
【００１９】
第２の発明は，大端部と小端部とこれらをつなぐコラム部とを有し，冷間コイニングを施すことによって上記コラム部を強化してなる寸法ばらつきの小さい強化コンロッドを製造する方法であって，
素材に熱間鍛造を施して上記大端部，上記小端部，及び上記コラム部を形成する熱間鍛造工程と，
上記コラム部に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程とを含み，
該冷間コイニング工程では，上記大端部及び上記小端部の長手方向端部の間隔である長手方向寸法が所定量に達した際に，上記コラム部へのプレス荷重の付与を解除することを特徴とする寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法にある（請求項３）。
【００２０】
本発明では，上記冷間コイニング工程において，上記コンロッドの長手方向寸法が所定量に達した時点で，コラム部へのプレス荷重の付与を解除する。これにより，冷間コイニング工程前のコラム部のリブ高さ等にばらつきがあったとしても，コンロッドの長手方向の寸法を最優先の管理対象として冷間コイニング工程を行うことができる。そのため，寸法ばらつきを直接的に抑制することができ，寸法ばらつきを小さくした上で上記コラム部を冷間コイニングにより強化することができる。
【００２１】
ここで，所定の長手方向寸法の値は，熱間鍛造工程にて製造される粗形状の鍛造品寸法の狙い値に，冷間コイニング工程を施すことによって予測される全長の伸びを加えることによって決定することができる。なお，実プレス工程では，所定の長手方向寸法を後述するように決定する。
【００２２】
また，上記第２の発明において，上記冷間コイニング工程では，上記大端部又は上記小端部の長手方向端部の一方を拘束金型により拘束し，他方の長手方向端部との間に所定間隔を空けて寸法検知金型を配置し，かつ，該寸法検知金型には上記長手方向端部が接触したことを感知する接触感知センサを設けておき，該接触感知センサが上記長手方向端部との接触を感知した際に，上記コラム部へのプレス荷重の付与を解除することが好ましい（請求項４）。
【００２３】
この場合には，上記コンロッドの長手方向寸法が所定量に達したことを，上記寸法検知金型の上記接触感知センサによって正確に知ることができる。それ故，より精度よくコンロッドの寸法を管理することができる。
【００２４】
また，上記コンロッドの長手方向寸法が所定量に達したことを検知する方法としては，上記の接触感知センサを用いる方法の他にも様々な方法を適用することができる。例えば，レーザ計測器によって，コンロッドの全長寸法を計測しながら冷間コイニングを行い，計測値が所定値に達しているかどうかを継続してチェックすることにより把握する方法がある。
【００２５】
以上説明した方法により，寸法ばらつきが小さく，強度を冷間コイニングにより改善したコンロッドを製造することができる。但し，以上説明した方法にて冷間コイニングを実施すると，コイニングしない大端部及び小端部とコラム部との境界部分で，引張残留応力が発生する場合がある。その場合には，コイニング後にショットブラストを実施すると，引張残留応力を小さく抑えることができるので，より好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施例１
本発明の実施例に係る寸法ばらつきの小さい強化コンロッドの製造方法につき，図１〜図７を用いて説明する。
本例では，素材として，Ｓ５５Ｃ（０．５５％Ｃ−０．２５％Ｓｉ−０．８５％Ｍｎ−０．１５％Ｃｒ）鋼を用い，後述するごとく，４種類の製造方法においてそれぞれ３種類の試験，合計１２の試験を行った。そして，各試験ごとにそれぞれ５０個ずつのコンロッドを作製し，冷間コイニング後のコンロッド全長のばらつき，座屈強度のばらつき等を求めた。
【００２７】
本例で作製するコンロッド１は，図１に示すごとく，大端部１１と小端部１２とこれらをつなぐコラム部１３とを有するものである。コラム部１３は，帯状の幹部１３０とその両面において幅方向両端近傍から立ち上がったリブ１３１とを有している。本例におけるリブ高さとは，同図に示すｈの寸法をいう。
【００２８】
本例で行った第１〜第４の製造方法は，図２に示すごとく，いずれも，上記素材に熱間鍛造を施して大端部１１，小端部１２，及びコラム部１３を形成する熱間鍛造工程Ｓ１と，酸化スケールを除去するショットブラスト工程Ｓ２と，上記コラム部１３に冷間コイニングを施す冷間コイニング工程Ｓ３とを行うものである。
【００２９】
そして，第１の製造方法は，冷間コイニング工程Ｓ３を，コラム部１３に付与するプレス荷重が所定の規定荷重になった時点でプレス荷重の付与を解除するプレス荷重制御によって行う。
より具体的には，図３に示すごとく，下型５１と上型５２とを有するコイニング装置５を用い，上型５２をプレス荷重制御機構５２１により駆動して冷間コイニングを行った。また，このとき，冷間コイニングを施すコンロッド１の長手方向は拘束せずにフリーの状態に保った。これにより，図３に示すごとく，冷間コイニング完了時には，長手方向の基の基準長さＬにたいし，α分長くなる。
【００３０】
試験１は，冷間コイニング前のコンロッドにおけるコラム部１３のリブ高さｈのばらつきが小さいもの，即ちリブ高さｈが狙い値に対して−０．０８〜０．０９ｍｍの範囲のもの（狙い値との差異が０．０９ｍｍ以下）について，プレス荷重が規定荷重である３０Ｔｏｎ／ｃｍ２に達するまでコイニングを行うものである。なお，ばらつきは，上記Ｓ１，Ｓ２工程終了後Ｓ３工程前に予め実測することにより測定したものである（以下，同様）。
【００３１】
試験２は，試験１と基本的に同じであるが，冷間コイニング前のリブ高さｈのばらつきが中間のもの，即ち，リブ高さｈが狙い値に対して−０．２９〜０．２５ｍｍの範囲のもの（狙い値との差異が０．１０〜０．２９ｍｍ）に対して行うものである。
試験３も，試験１と基本的に同じであるが，冷間コイニング前のリブ高さｈのばらつきが大きいもの，即ち，リブ高さｈが狙い値に対して−０．４５〜０．４８ｍｍの範囲のもの（狙い値との差異が０．３０〜０．４８ｍｍ）に対して行うものである。
【００３２】
次に，第２の製造方法は，第１の製造方法と同様にプレス荷重制御を行うものであるが，図４に示すごとく，予めコンロッド１の大端部１１及び小端部１２の長手方向を拘束金型６１，６２により拘束した状態としたものである。そして，図５に示すごとく，上記と同様のコイニング装置５を用いて冷間コイニングを施すことにより，コンロッド１の全長を殆ど変化させることなく加工を施すことができる。
なお，コイニング前のリブ高さｈのばらつきの大きさを３種類に予め分別して試験を行うという点（試験４，５，６）と，プレス荷重の規定荷重については第１の製造方法と全く同様である。
【００３３】
次に，第３の製造方法は，上記冷間コイニング工程Ｓ３を，大端部１１及び小端部１２の長手方向端部１１０，１２０の間隔である長手方向寸法が所定量に達した際に，コラム部１３へのプレス荷重の付与を解除するように行ったものである。
【００３４】
より具体的には，図６に示すごとく，冷間コイニングを施す前に，コンロッド１の長手方向の両端部を挟むように，一対のレーザ計測器７１，７２を予め設置した。そして，レーザ計測器７１，７２からレーザ７１０，７２０を照射して，コンロッド１の長手方向の寸法（全長）を常時計測しながら，上記第１の製造方法と同様に，コイニング装置５を用い，上型５２をプレス荷重制御機構５２１により駆動して冷間コイニングを行った。そして，レーザによるコンロッド１の全長の計測値がＬ＋β（Ｌはコイニング前における狙いの寸法，βはコイニングによる伸びの狙い値）に達するまでコイニングを行った。なお，βは０．８ｍｍに設定した。コイニング前のリブ高さｈのばらつきの大きさを３種類に予め分別して試験を行う点については（試験７，８，９），第１，第２の製造方法の場合と同じである。
【００３５】
第４の製造方法は，比較のためのものであって，第１の製造方法におけるコイニング装置５をストローク制御を行うコイニング装置９に変更して冷間コイニング工程Ｓ３を行うものである。
より具体的には，この場合のコイニング装置９は，図７に示すごとく，下型９１と上型９２とを有するが，上型９２をストローク制御機構９２１により駆動して，荷重に殆ど関係なく常に略一定のストローク分だけ上型９２を前進させるよう構成されたものである。この場合にも，冷間コイニング完了後には，コンロッド１の基準長さＬはγ分だけ長くなる。
この試験も，第１〜第３の製造方法と同様に，コイニング前のリブ高さｈのばらつきの大きさを３種類に予め分別して試験を行った（試験１０，１１，１２）。
【００３６】
すべての試験について，コイニング後のコンロッドの座屈強度を測定した。座屈強度は，０．２％の塑性変形が確認できた時点での値で評価した。そして，そのばらつきは，最大値と最小値との差異を用い，これを後述する表１に示した。また，冷間コイニング前後のリブ高さを実測して，加工率を算出した。具体的には，冷間コイニング前のリブ高さをｈ１，冷間コイニング後のリブ高さをｈ２とした場合，（ｈ１−ｈ２）／ｈ１×１００（％）により算出した。そして，その最小値と最大値を加工率の範囲として求め，表１に示した。
さらに，冷間コイニング後のコンロッド全長を実測し，その最大値と最小値の差をばらつきとして求め，表１に示した。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１より知られるごとく，本発明の実施例である第１〜第３の製造方法によって作製したコンロッドは，冷間コイニング工程前のコラム部のリブ高さのばらつき度合いが変化しても，冷間コイニングの加工率がほぼ一定となり，また，冷間コイニング後のコンロッド全長ばらつきや座屈強度のばらつきも小さく抑えることができた。
【００３９】
これに対し，比較例である第４の製造方法の場合には，冷間コイニング工程前のコラム部のリブ高さのばらつき度合いが大きくなれば，これと連動するようにコイニング前のリブ高さのばらつきがそのまま反映されて，冷間コイニング後のコンロッド全長ばらつき，冷間コイニングの加工率のばらつき，及び座屈強度のばらつきが大きくなった。
【００４０】
実施例２
本例は，図８に示すごとく，実施例１における上記第３の製造方法と同様に，冷間コイニング工程Ｓ３を，大端部１１及び小端部１２の長手方向端部１１０，１２０の間隔である長手方向寸法が所定量に達した際に，コラム部１３へのプレス荷重の付与を解除するように行ったものであるが，具体的な装置を変更して行った例である。
【００４１】
図８に示すごとく，本例では，コンロッド１の大端部１１の長手方向端部１１０の拘束金型８１により拘束し，小端部１２の長手方向端部１２０との間に所定間隔を空けて寸法検知金型８２を配置した。寸法検知金型８２には小端部１２の長手方向端部１２０が接触したことを感知する接触感知センサ８２５を設けた。この接触感知センサ８２５は，小端部１２の長手方向端部１２０との接触を感知した際にプレス荷重制御機構部５２１にその検知信号を送るように構成されている。プレス荷重制御機構部５２１は，接触感知センサ８２５からの信号を受けた際に，コラム部１３へのプレス荷重の付与を解除するように構成されている。
【００４２】
上記拘束金型８１及び寸法検知金型８２を用いて冷間コイニング工程を行った場合にも，コンロッド１の長手方向寸法が所定量に達した際に，コラム部１３へのプレス荷重の付与を解除することができる。したがって，上述した実施例１の第３の製造方法（試験７〜９）とほぼ同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，コンロッドの（ａ）平面図，（ｂ）側面図，（ｃ）Ａ−Ａ線矢視断面拡大図。
【図２】実施例１における，製造工程を示す説明図。
【図３】実施例１における，第１の製造方法の場合の，冷間コイニング工程における加工前と加工完了直後の状態を示す説明図。
【図４】実施例１における，第２の製造方法の場合の，コンロッドの長手方向を金型により拘束した状態を示す説明図。
【図５】実施例１における，第２の製造方法の場合の，冷間コイニング工程における加工前と加工完了直後の状態を示す説明図。
【図６】実施例１における，第３の製造方法の場合の，冷間コイニング工程における加工前と加工完了直後の状態を示す説明図。
【図７】実施例１における，比較例としての第４の製造方法の場合の，冷間コイニング工程における加工前と加工完了直後の状態を示す説明図。
【図８】実施例２における，冷間コイニング工程における加工前と加工完了直後の状態を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．コンロッド，
１１．．．大端部，
１２．．．小端部，
１３．．．コラム部，
１３０．．．幹部，
１３１．．．リブ，
５．．．コイニング装置，
５１．．．下型，
５２．．．上型，
５２１．．．プレス荷重制御機構，
６１，６２．．．拘束金型，
７１，７２．．．レーザ計測器，
８１．．．拘束金型，
８２．．．寸法検知金型，
８２５．．．接触感知センサ，
【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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