(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型クランク軸の製品形状の各部位に機械加工代を付与する第１のステップと、この機械加工代を付与した製品形状の体積を計算する第２のステップと、ピン軸とジャーナル軸に対してそれぞれ所要の寸法だけ大きくした径を決定する第３のステップと、径と体積から解析素材の長さを決定する第４のステップと、金型形状を決定する第５のステップと、前記第１から第４のステップにより決定した素材形状と第５ステップで決定した金型形状から変形解析を行う第６のステップと、変形解析結果から得られた形状と製品形状を比較し、欠肉発生有無を確認する第７のステップと、欠肉発生の場合には欠肉が発生しないまで素材形状を変更する第８のステップと、解析結果から得られた荷重と実プレス許容荷重とを比較する第９のステップと、機械加工代を変更する第１０ステップを有する鍛造工程設計手法を用いたクランク軸の成形方法。
【請求項２】
素材形状と金型形状から解析を行う第６のステップが、一体型クランク軸の素材および金型をモデル化し、素材に温度分布を与えた後、変形解析手段を用いて鍛造仕上がり形状を求め、この鍛造仕上がり形状と素材との体積差Δαを算出し、この体積差Δαが許容値に収まるまで、前記ステップ1〜６により素材体積を変更して変形解析を繰り返すステップである請求項１に記載の一体型クランク軸の鍛造工程設計方法。
【請求項３】
前記第６ステップでの前記変形解析を、素材をその軸方向に所要量圧縮してアーム部を予備成形するアプセット工程と、前記横圧縮をしながらピン軸を押圧して偏心させる第１のオフセット工程と、ピン軸を押圧しながらアーム部を成形型内に完全充満させる第２のオフセット工程の３つの成形工程に分けて行なう請求項２に記載の一体型クランク軸の成形方法。
【請求項４】
前記第６ステップでの変形解析で、前記３つの成形工程での、素材の直径Ｄおよび長さＬと、金型拘束係数Ｑと、横圧縮量ΔＬと、横圧縮速度Ｆを与えて、以下の（１）式、（１ａ）式および（１ｂ）式を用いて、それぞれの工程での変形抵抗σを算出し、以下の（２）式、（２ａ）〜（２ｃ）式を用いて、それぞれの工程でのプレスの横荷重ＰＬ求めることを特徴とする請求項３に記載の一体型クランク軸の成形方法。
σ＝Ｆ×εｎ×(ε(rate))ｍ×ｅｘｐ（Ｅ／（Ｔ＋２７３））＝Ｋ×(ε(rate))ｍ----（１）
ここで、ひずみεは平均ひずみで（１ａ）式で、ひずみ速度ε(rate)は平均ひずみ速度で（１ｂ）式で求めることができ、Ｔは鍛造温度、指数ｎ、ｍ、およびＦ、Ｅは素材材質への依存定数であり、Ｋ＝Ｆ×εｎ×ｅｘｐ（Ｅ／（Ｔ＋２７３））である。
ε＝ｌｎ（ΔＬ／Ｌ）----------（１ａ）
ε(rate)＝ε／（ΔＬ／Ｆ）----------（１ｂ）
ＰＬ＝Ｑ×σ×ＦＳａ----------------------------------------（２）
ここで、金型拘束係数Ｑは、アプセット工程および第１のオフセット工程では、（２ａ）式により、第２のオフセット工程では、（２ａ）式と（２ｃ）式から、ＱｄおよびＱｋを算出して（２ｂ）式により求めることができ、ＦＳａは、金型とアーム部の接触面積である。
Ｑ＝Ｑｄ＝１＋μＤ／３Ｌ  -----（２ａ）
Ｑ＝Ｑｄ×Ｑｋ-----------------（２ｂ）
Ｑｋ＝Ｃ×（ＦＤＳ／ＦＳ−１）２＋１----（２ｃ）
上式で、μは摩擦係数、ＦＤＳは金型拘束なしの場合のアーム部の鍛造投影面積、ＦＳは金型拘束ありの場合のアーム部の鍛造投影面積、Ｃは定数である。
【請求項５】
前記鍛造温度Ｔとして、鍛造開始時の素材温度分布から算出した、素材半径の３／４Ｒから表面までの平均温度を用い、前記素材温度分布を、加熱炉での素材加熱温度と加熱炉抽出後、鍛造開始時までの冷却条件から求める請求項４に記載の一体型クランク軸の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大型・中速ディーゼル機関に使用される一体型クランク軸を、変形解析技術を用いた工程設計により成形する方法に関する。
【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，一体型クランク軸と組立型クランク軸がある。その中でも中小型のディーゼル機関には一体型クランク軸が用いられており，その製造方法としてはRR鍛造法，TR鍛造法，多軸プレスによる方法などが知られている。このうち、クランク軸をＣＧＦ(Continuous Grain Flow) 鍛造する方法として、広く知られているＲＲ鍛造方法は、１回の鍛造で1気筒分のジャーナル軸、ピン軸、アーム部を作る鍛造方法であり、このＲＲ鍛造法に用いられるＲＲ鍛造装置の概要を図６（ａ）〜（ｃ）に示す。図６（ａ）は素材を把持した成形開始時点の状態を、図６（ｂ）はアーム部を予備圧縮するアプセット成形工程を、図６（ｃ）はピン部の成形とアーム部の横圧縮を同時に行なうオフセット工程を示している。このＲＲ鍛造装置は、主プレス（図示省略）の圧下に伴うクロスヘッド１の圧下力Ｐを、傾斜摺動板２を介して、把持ダイス４を備えた一対の摺動台３に伝達させ、この圧下力Ｐの水平方向の分力Ｆの作用により、部分加熱された丸棒状素材（以下素材と記す）５のアーム部６を軸方向に圧縮すると共に、クロスヘッド１に連結された上ポンチ７にて素材５のピン部８をその軸に直角方向に押し下げて、素材５の単位クランクスロー部を成形する装置構成となっている。
【０００３】
また、把持ダイス４は、クロスヘッド１の両側に設けたダイス押えシリンダ９により一定の把持圧力を付与される。そして、上ポンチ７は、ポンチシリンダ（図示省略）を介してクロスヘッド１に連結され、その下方には、アンビルシリンダ（図示省略）を介して台盤（図示省略）に連結された下ポンチ１０が設けられている。成形過程における素材５のピン部８は、これらの上下ポンチ７、１０により上下から一定圧力で把持されている。
【０００４】
また、上ポンチ７の上端および下ポンチ１０の下端には、クロスヘッド１の下面１ａおよび台盤の上面に当接して退没程度を規定する拡径ストッパ７ａ、１０ａが設けられ、この拡径ストッパ７ａ、１０ａにより上下ポンチ７、１０はクランク素材５のピン部８を把持して限定された範囲で昇降するようになっている。
【０００５】
上記従来のＲＲ鍛造装置によるクランク軸の成形方法を、さらに図７から図９を参照して概略説明する。まず、図６（ａ）に示したように、素材５のジャーナル部１１を一対の把持ダイス４、４にて把持し、ピン部８を上下ポンチ７、１０にて把持する。次に、クロスヘッド１の圧下により、傾斜傾動板２を介して一対の摺動台３を内側に駆動し、図７に模式的に示すように、アーム部６の予備圧縮を行なう（アプセット工程）。アプセット工程で、所定量の予備圧縮を行った後に、上ポンチ７をクロスヘッド１の圧下動に直動して圧下させ、図８に模式的に示すように、横圧縮を行ないながらピン部８の押し下げを行う（第１のオフセット工程）。
【０００６】
クロスヘッド１の圧下が進み、下ポンチ１０が下死点に達したとき、上ポンチ７の圧下が停止すると共に、ポンチシリンダが上方に押し戻され、図６（ｃ）に示したように、上ポンチ７のストッパ７ａの上面とクロスヘッド１の下面１ａとが当接して、クロスヘッド１の圧下が停止する。また、このクロスヘッド１の圧下が停止するまでの間に、軸方向の圧縮が進み、図９に模式的に示すように、アーム部６の最終圧縮が行われる（第２のオフセット工程）。
【０００７】
このように、ＲＲ鍛造装置によるクランク軸の成形方法では、アーム部６の予備圧縮を行なうアプセット工程と、横圧縮を行ないながらピン部８の押し下げを行なう第1のオフセット工程と、図６（ｃ）に示したように、ピン部８を押圧しながらアーム部６を金型内に充満させる最終圧縮を行なう第２のオフセット工程の三工程からなる成形を実施することができる。なお、アーム部６が充満する前記金型は、上ポンチ７の先端側に取り付けられ、上ポンチ７と連動する上部ダイス１２ａおよび側部ダイス１２ｂと、下ポンチ１０の先端側に取り付けられ、下ポンチ１０と連動する下部ダイス１３と、前記把持ダイス４、４とにより形成される（図６（ｂ）および図６（ｃ）参照）。    
【０００８】
このＲＲ鍛造方法では、上述のように、変形挙動は横圧縮(アーム部の成形（アプセット成形）)とポンチによる偏芯(ピン軸の成形（オフセット成形）)の２種類があり、プレス挙動や、バリの発生や金型充満状態など素材の変形挙動が複雑であり、鍛造工程設計を行うためには豊富な経験や知識を必要とする。一方、工程設計者の個人差をなくし、系統的な歩留まり向上を行うためには定量的な指標に基づく工程設計を行っていくことが必要である。
【０００９】
このような定量的な指標に基づいた工程設計方法として、特許文献１では、アーム部を軸方向に圧縮する第１工程と、ピン部を軸直角方向に変位させると共にアーム部を軸方向に圧縮する第２工程と、アーム部を軸方向に圧縮して成形型内で型形状に成形する第３工程からなるクランク軸の成形方法で、前記工程内でのアーム部の直径や体積などの被成形材、および成形型内のピン軸部およびアーム部に関連した体積等の設計データと実験式とから、前記第１から第３工程におけるそれぞれの軸方向の圧縮量を求めるクランク軸の成形方法が開示されている。  
【特許文献１】特開平３−７７７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に開示されたクランク軸の成形方法では、被成形材や成形型内の各部位での体積計算を行って設計する必要があり、この設計データは、初期形状の算出であり、この設計データに基づいた軸方向の圧縮量を確保しても、適正形状の鍛造仕上がり形状が得られるとは限らない．また、特許文献１に開示された成形方法では、クランク軸の試作を行って前記各工程での軸方向の圧縮量が適正かどうかを確認することが必要であるため、適正形状のクランク軸を製造するために試作を繰り返すなどの手間と時間を要し、また、開発費用も莫大なものとなる。
【００１１】
そこで、この発明の課題は、変形解析技術を用いることにより、工程設計者間の差をなくして、短期間に目標形状を実現できる汎用的な鍛造工程設計手法を用いた一体型クランク軸の成形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
請求項１に係る一体型クランク軸の成形方法は、一体型クランク軸の製品形状の各部位に機械加工代を付与する第１のステップと、この機械加工代を付与した製品形状の体積を計算する第２のステップと、ピン軸とジャーナル軸に対してそれぞれ所要の寸法だけ大きくした径を決定する第３のステップと、径と体積から解析素材の長さを決定する第４のステップと、金型形状を決定する第５のステップと、前記第１から第４のステップにより決定した素材形状と第５ステップで決定した金型形状から変形解析を行う第６のステップと、変形解析結果から得られた形状と製品形状を比較し、欠肉発生有無を確認する第７のステップと、欠肉発生の場合には欠肉が発生しないまで素材形状を変更する第８のステップと、解析結果から得られた荷重と実プレス許容荷重とを比較する第９のステップと、機械加工代を変更する第１０ステップを有する鍛造工程設計手法を用いた成形方法である。
【００１４】
請求項２に係る一体型クランク軸の成形は、素材形状と金型形状から解析を行う第６のステップが、一体型クランク軸の素材および金型をモデル化し、素材に温度分布を与えた後、変形解析手段を用いて鍛造仕上がり形状を求め、この鍛造仕上がり形状と素材との体積差Δαを算出し、この体積差Δαが許容値に収まるまで、前記ステップ1〜６により素材体積を変更して変形解析を繰り返すステップである工程設計手法を用いた成形方法である。
【００１５】
請求項３に係る一体型クランク軸の成形方法は、前記第６ステップでの前記変形解析を、素材をその軸方向に所要量圧縮してアーム部を予備成形するアプセット工程と、前記横圧縮をしながらピン軸を押圧して偏心させる第１のオフセット工程と、ピン軸を押圧しながらアーム部を成形型内に完全充満させる第２のオフセット工程の３つの成形工程に分けて行なう工程設計手法を用いた成形方法である。
【００１６】
請求項４に係る一体型クランク軸の成形方法は、前記第６ステップでの変形解析で、前記３つの成形工程での、素材の直径Ｄおよび長さＬと、金型拘束係数Ｑと、横圧縮量ΔＬと、横圧縮速度Ｆを与えて、以下の（１）式、（１ａ）式および（１ｂ）式を用いて、それぞれの工程での変形抵抗σを算出し、以下の（２）式、（２ａ）〜（２ｃ）式を用いて、それぞれの工程でのプレスの横荷重ＰＬ求めることを特徴とする請求項３に記載の一体型クランク軸の成形方法。
σ＝Ｆ×εｎ×(ε(rate))ｍ×ｅｘｐ（Ｅ／（Ｔ＋２７３））＝Ｋ×(ε(rate))ｍ----（１）
ここで、ひずみεは平均ひずみで（１ａ）式により、ひずみ速度ε(rate)は平均ひずみ速度で（１ｂ）式により求めることができ、Ｔは鍛造温度、指数ｎ、ｍ、およびＦ、Ｅは素材材質への依存定数であり、Ｋ＝Ｆ×εｎ×ｅｘｐ（Ｅ／（Ｔ＋２７３））で、あるひずみεおよび温度Ｔにおける材質に依存する係数である。
ε＝ｌｎ（ΔＬ／Ｌ）----------（１ａ）
ε(rate)＝ε／（ΔＬ／Ｆ）----------（１ｂ）
ＰＬ＝Ｑ×σ×ＦＳａ----------------------------------------（２）
ここで、金型拘束係数Ｑは、アプセット工程および第１のオフセット工程では（１）式により、第２のオフセット工程では、（２ａ）式と（２ｃ）式から、ＱｄおよびＱｋを算出して（２ｂ）式により求めることができる。ＦＳａは、金型とアーム部の接触面積である。
Ｑ＝Ｑｄ＝１＋μＤ／３Ｌ  -----（２ａ）
Ｑ＝Ｑｄ×Ｑｋ-----------------（２ｂ）
Ｑｋ＝Ｃ×（ＦＤＳ／ＦＳ−１）２＋１----（２ｃ）
上式で、μは摩擦係数、ＦＤＳは金型拘束なしの場合のアーム部の鍛造投影面積、ＦＳは金型拘束ありの場合のアーム部の鍛造投影面積、Ｃは定数である。
【００１７】
請求項５に係る一体型クランク軸の成形方法は、前記鍛造温度Ｔとして、鍛造開始時の素材温度分布から算出した、素材半径の３／４Ｒから表面までの平均温度を用い、前記素材温度分布を、加熱炉での素材加熱温度と加熱炉抽出後、鍛造開始時までの冷却条件から求める工程設計手法を用いた一体型クランク軸の成形方法である。
【発明の効果】
【００１８】
この発明では、一体型クランク軸の成形工程を複数のステップに分け、荷重予測式を組み入れた変形解析手段を用いて、目標とする製品形状を得るための鍛造工程設計を行なうようにしたので、従来の成形方法に比べて、著しく少ない試作鍛造回数で、素材形状、成形速度、金型形状などの、欠肉等の欠陥発生を防止できる鍛造条件を選定することができる。それにより、機械加工代が少なくなって製品歩留が向上し、一体型クランク軸の最適工程設計に基づいた成形方法を、工程設計者の個人差をなくして短期間で開発することが可能となる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図５に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、実施形態の一体型クランク軸を成形するための鍛造工程設計手法の流れを示したものである。前記ディ−ゼル機関に用いられるクランク軸のアーム形状は、一般にエンジン型式ごとに異なるため、第１のステップでは、まず、一体型クランク軸の目標とする製品形状の各部位（長手方向・側面・上下面など）に必要最小限の機械加工代を付与する（Ｓ１０）。次に、第２ステップでは、この機械加工代を付与した製品形状の体積Ｖｓを計算する（Ｓ２０）。第３ステップでは、ピン軸とジャーナル軸の素材径（直径）Ｄｓ（Ｄｓ１（ピン軸）、Ｄｓ２（ジャーナル軸））を決定する（Ｓ３０）。この素材径Ｄｓ１およびＤｓ２は、ピン軸とジャーナル軸の製品直径よりもそれぞれ所要の寸法Δｄｓだけ大きく設定し、このΔｄｓ（機械加工代）は、通常、１０〜２００ｍｍの範囲の値から選択する。第４ステップでは、第２ステップで求めた体積Ｖｓと第３ステップで決定した素材径Ｄｓとから、素材長さＬｓを決定する（Ｓ４０）。第５ステップでは、アーム部の金型形状を決定する（Ｓ５０）。このアーム部の金型形状は、図２にモデル形状を示すように、アーム部の両側面のみを拘束する半密閉鍛造型モード（Ｍ１）、両側面および上下面の四面を拘束する半密閉鍛造型モード（Ｍ２）、両側面および上下面の四面を完全に拘束し、アーム部の厚さをストレートにした密閉鍛造型モード（Ｍ３）、両側面および上下面の四面を完全に拘束し、アーム部の厚さをジャーナル軸側の厚さに傾斜を付した密閉鍛造型モード（Ｍ４）を基準として、その詳細（具体的寸法）を決定する。第６ステップでは、第１ステップから第４ステップで決定した素材形状と、第５ステップで決定した金型形状とを用いて、変形解析手段を用いて変形解析を行う（Ｓ６０）。この第６ステップの変形解析手段としては、例えば、ＤＥＦＯＲＭ３Ｄ、ＦＯＲＧＥ３Ｄなどの有限要素法を用いた汎用解析ソフトを使用することができる。
【００２１】
図３は、前記第６ステップ以降の工程設計の流れを具体的に示したものである。まず、素材の設定加熱時間から酸化スケール厚みｔｓを計算して、このスケール厚みｔｓ分の体積減少量Δβを算出する（Ｓ６０−１）。前記ステップ２で求めた素材体積Ｖｓからこの体積減少量Δβを加えて、第３および第４ステップで決定した素材形状（直径Ｄｓおよび長さＬｓ）を補正し、また、使用する金型形状を、前記第１〜第４の金型モード（Ｍ１〜Ｍ４）のいずれかのモードにモデル化する（Ｓ６０−２）。そして、加熱炉での素材加熱温度と加熱炉抽出後、鍛造開始時までの冷却条件または実測温度に基づいて求めた鍛造開始時の素材温度分布から、素材半径Ｒ（＝Ｄｓ／２）の３／４Ｒの位置から表面までの平均温度を算出して、変形解析に用いる鍛造温度Ｔとする（Ｓ６０−３）。
【００２２】
次に、汎用解析ソフトを用いて、変形解析を行う（Ｓ６０−４）。まず、アップセット工程では、アーム部の予備圧縮を行ない、素材の長さＬ（＝Ｌｓ）と、横圧縮量（予備圧縮量）ΔＬ（＝ΔＬ１）と、横圧縮速度Ｆ（＝Ｆ１）を与えて、前記（１ａ）式および（１ｂ）式から、ひずみεおよびひずみ速度ε(rate)を求めて前記（１）式で変形抵抗σを算出する。（１）式における材質依存係数Ｋおよび定数ｍを、一体型クランク軸に用いる低合金鋼について加工条件を変化させて圧縮試験を実施した結果から求めた値を表１に示す。ＲＲ鍛造は大変形鍛造であるため、クランクシャフトの型式は異なっても平均ひずみは大きな差がないことが解析の結果得られている（平均ひずみε＝１．０）。したがって、（１）式で示した変形抵抗σは、ひずみεへの依存性は考慮せず、ひずみ速度ε(rate)と温度Ｔの関数とし、係数Ｋおよび指数ｍは、平均ひずみε＝１．０の場合の値である。表１に示した温度間の温度Ｔに対する係数Ｋおよび指数ｍは、内挿により算出することができる。
【００２３】
【表１】
0004571577.tif 000002
【００２４】
そして、素材の直径Ｄ（＝Ｄｓ）および長さＬ（＝Ｌｓ）、およびクーロン則に基づく摩擦係数μを、潤滑油を使用する場合にはμ＝０．１とし，使用しない場合には摩擦係数μ＝０．３として、（２ａ）式から金型拘束係数Ｑ（＝Ｑｄ）を求める。アプセット後の素材（被加工材）の直径Ｄ１は、Ｄ１＝（Ｄ２×Ｌ／（Ｌ−ΔＬ１））１／２であるので、金型との接触面積ＦＳａを、ＦＳａ＝π×（Ｄ１）２／４で算出すれば、（２）式を用いて、プレスの横荷重ＰＬを求めることができる。なお、前記横圧縮量（予備圧縮量）ΔＬ１は、ポンチ７によりピン部８の押下げ（偏芯加工）を開始するまでの圧縮量であり（図６（ｂ）、図７参照）、図４に、押下げ開始位置Ｕ１を示すように、アームの厚さをｔａ、ピン部８の押し下げストロークをＳとすると、ΔＬ１＝Ｌ−ｔａ−Ｓ×tanθで求めることができる。この押し下げストロークＳは、ピン部８とジャーナル部１１とのそれぞれの中心軸間の距離であり、予め与えられる設計値である。また角度θは、傾斜摺動板２（図６（ａ）参照）の垂直方向からの傾斜角度であり、通常、３０°〜６０°の範囲で適正値（例えば、３７．５°）が選択される。アプセット工程終了後の被加工材の直径Ｄ１および長さＬ１（＝Ｌ−ΔＬ１）が、第１のオフセット工程での素材直径および長さとなる。  
【００２５】
次に、第１のオフセット工程では、図４に示したように、下ポンチ１０が下死点の微小距離ΔＳ（例えば５ｍｍ）手前に達するまで、上ポンチ７の押し下げを行なうと同時に横圧縮を行なう（図８参照）。このとき、押し下げ開始位置Ｕ１から前記下死点の微小距離ΔＳ手前（Ｕ２）に達するまでの上ポンチ７のストロークがＳ−ΔＳとなる。したがって、第１のオフセット工程での横圧縮量ΔＬ２は、ΔＬ２＝（Ｓ１−ΔＳ）×tanθとなる。第１のオフセット工程終了後の被加工材の長さＬ２は、Ｌ２＝Ｌ１−ΔＬ２となり、その直径Ｄ２は、Ｄ２＝（Ｄ１２×Ｌ１／（Ｌ１−ΔＬ２））１／２となる。金型との接触面積ＦＳａは、横圧縮によるバルジ形状を考慮した楕円形状とすると、その投影面積ＦＤＳから求めることができる。前記楕円形状の長径Ｄａ、短径Ｄｂが、直径Ｄおよび長さＬの丸棒を単純圧縮した、長さがｈになった場合の変形後の平均直径Ｄｆに比例するとし、金型非拘束での横圧縮のストロークをＳＬとすると、投影面積ＦＤＳ（＝ＦＳａ）は下記の（３）式〜(６)式で予測することができる。なお、このストロークＳＬは、前記３つの成形工程での横圧縮量の合計（ＳＬ＝Ｌ−ｔａ）となる。また、変形後の平均直径Ｄｆには上記Ｄ２を、長さＬには前記Ｌ１（＝Ｌ−ΔＬ１）、長さｈには前記Ｌ２（＝Ｌ１−ΔＬ２）を代入する。
Ｄａ＝ａ×Ｄｆ＋ｂ×ＳＬ----------------------------（３）
Ｄｂ＝ａ×Ｄｆ------------------------------------（４）
Ｄｆ＝（Ｄ２×Ｌ／ｈ）１／２ ------------------------（５）
ＦＤＳ＝π×Ｄａ×Ｄｂ／４ -----------------------（６）
上記（３）式および（４）式の定数ａおよびｂは、金型拘束なしの場合の変形解析結果から求めることができる。前記ディーゼル機関に使用される一体型クランク軸についての変形解析の結果では、ａ＝０．９６、ｂ＝１．１０である。
【００２６】
そして、第１のオフセット工程での横圧縮速度Ｆ２を与えると、アプセット工程の場合と同様に、ひずみε、ひずみ速度ε(rate)および金型拘束係数Ｑｄが求まり、（２）式から横圧縮荷重ＰＬを算出することができる。第１のオフセット工程終了後の被加工材の直径Ｄ２および長さＬ２（＝Ｌ−ΔＬ２）が、第２のオフセット工程での素材直径および長さとなる。
【００２７】
次に、第２のオフセット工程では、図４に示したＵ２の位置から、上ポンチ７の押し下げを、下ポンチ８が下死点に達するまで行なうとともに、アーム部６の最終横圧縮を行なう（図６（ｃ）、図９参照）。第２のオフセット工程での横圧縮量ΔＬ３は、ΔＬ３＝ΔＳ×tanθとなる。第２のオフセット工程終了後の被加工材の長さＬ３は、Ｌ３＝Ｌ２−ΔＬ３となり、その直径Ｄ３は、Ｄ３＝（Ｄ２２×Ｌ２／（Ｌ２−ΔＬ３））１／２となる。金型との接触面積ＦＳａは、金型拘束ありの場合の鍛造投影面積ＦＳである。そして、この第２のオフセット工程での横圧縮速度Ｆ３を与えると、第１のオフセット工程の場合と同様に、ひずみε、ひずみ速度ε(rate)および金型拘束係数Ｑｄが求まる。この第２のオフセット工程では、アーム部の最終横圧縮を行なうため、最終圧縮時の金型拘束係数Ｑｋも考慮する必要がある。
【００２８】
前記最終横圧縮時の金型拘束係数Ｑｋは，金型拘束がない場合のアーム部の投影面積ＦＤＳと金型によって拘束した時の投影面積ＦＳとの比が大きくなるほど増加すると考えられ、このことから金型拘束係数Ｑｋは前記非拘束投影面積ＦＤＳと拘束投影面積ＦＳとの面積比、ＦＤＳ／ＦＳによる整理が可能である。図５は、前記第１〜第４の金型モードＭ１〜Ｍ４を用いて鍛造実験を行なった結果に基づき、金型拘束係数Ｑｋを、（６）式で求めた非拘束鍛造投影面積ＦＤＳを、拘束鍛造投影面積ＦＳで割った値、すなわち金型拘束有無の面積比ＦＤＳ／ＦＳに対してをプロットしたものである。金型拘束係数Ｑｋは、拘束係数Ｑを（２）式のＰＬに前記鍛造実験により測定した実測荷重を代入して求めて、（２ｃ）式を用いて、Ｑｋ＝Ｑ／Ｑｄで算出することができる。
【００２９】
図５から、いずれの金型モードの場合でも、ＱｋとＦＤＳ／ＦＳとの関係は２次曲線で表すことができる。そして、拘束有無の面積比Ｆｄｓ／Ｆｓ＝１．０の場合は，拘束なしの楕円形状と拘束する形状が一致し荷重も一致するため，金型による拘束係数Ｑｋ＝１．０となる。したがって、金型拘束係数Ｑｋは、前記のように、（２ｃ）式で表すことができる。
Ｑｋ＝Ｃ×（ＦＤＳ／ＦＳ−１）２＋１-------------------------（２ｃ）
ここで、係数Ｃは各金型モードについて求めることができ、その値を表２に示す。上記（２ｃ）式で求めた金型拘束係数Ｑｋを用いて、（２ａ）式および(２ｂ)式から拘束係数Ｑを求めることができ、この拘束係数Ｑを前記（２）式に代入すると、横圧縮荷重ＰＬが求まり、最終横圧縮時の横圧縮荷重を予測することが可能となる。前記３つの成形工程では、最終横圧縮時の横圧縮荷重ＰＬが最も大きくなるため、この横圧縮荷重ＰＬが予め定めたプレスの許容荷重を超えないように工程設計することが重要となる。
【００３０】
【表２】
0004571577.tif 000003
【００３１】
なお、前記アプセット工程、第１および第２のオフセット工程でそれぞれ与える横圧縮速度Ｆ１、Ｆ２およびＦ３は、前記クランク軸の鍛造時の計測値に基づいて決めることができる。通常の成形工程では、横圧縮速度Ｆ１は１５ｍｍ／ｓ以下、同Ｆ２は８ｍｍ／ｓ以下、同Ｆ３は１ｍｍ／ｓ以下であるため、これらの範囲で、変形解析時の横圧縮速度Ｆ１〜Ｆ３を与える。この横圧縮速度は、横圧縮荷重の実績値を用いてひずみ速度を算して算出することも可能である。また、第１および第２のオフセット工程での偏芯速度Ｖ１およびＶ２は、それぞれの横圧縮速度Ｆ１、Ｆ２をtanθで除して、Ｖ１＝Ｆ１／tanθ、Ｖ２＝Ｆ２／tanθで求めることができる。この偏芯速度でのピン軸の偏芯（オフセット）加工に要する荷重ＰＶは、前記横圧縮荷重ＰＬに対して小さいため、通常は、前記の横圧縮荷重のような解析は行わずに、鍛造実績値に基づいて、偏芯速度に対応させて予め算出しておくことができる。
【００３２】
上記変形解析の結果を用いて、素材体積Ｖｓと成形後のクランク軸の体積Ｖｃを比較し、変形前後の体積差Δα（＝Ｖｃ−Ｖｓ）を計算する（Ｓ６０−５）。この体積差Δαが所要の範囲（前記スケール厚さによる体積減少量Δβ±０．５％）にあるかどうかを判定する（Ｓ６０−６）。体積差ΔαがΔβ＋０．５％以上では、鍛造荷重やバリ形状へ大きく影響するため、また、ΔαがΔβ−０．５％以下では欠肉のおそれがあるため、ΔαをΔβ±０．５％以内に収める必要がある。Δαがこの範囲内にない場合、Δα−Δβ相当分だけ、前記素材径Ｄｓ１およびＤｓ２を減少または増加させる（Ｓ６０−７）。そして、素材径Ｄｓ１、Ｄｓ２を修正した素材形状モデルを作成し（Ｓ６０−８）、体積差Δαが許容範囲Δβ±０．５％以内に収まるまで変形解析を繰り返す（Ｓ６０−３、Ｓ６０−４）。このように変形解析を用いて、体積差Δαが許容範囲に収まったときの鍛造荷重Ｐおよび製品形状を求めることができる（Ｓ６０−９）。この鍛造荷重Ｐは、前記横圧縮荷重ＰＬと偏芯荷重Ｐｖの和として求めることができる。
【００３３】
図１の鍛造工程設計の流れで、上記の変形解析を実施した後（Ｓ６０）、第７ステップでは、この変形解析により算出した製品形状と目標製品形状とを比較し、欠肉の有無を調査する（Ｓ７０）。第８ステップでは、欠肉が発生した場合には、欠肉部体積を算出し、素材長さまたは素材長さと金型形状を修正し（Ｓ８０）、変形解析（Ｓ６０）を再度行う。次に第９ステップでは、解析結果から得られた鍛造荷重Ｐとプレスの許容荷重とを比較する（Ｓ９０）。鍛造荷重Ｐがプレスの許容荷重を超える場合には機械加工代δを調節する（Ｓ１００）。このようにして、前記変形解析を用いて、金型形状および素材形状が最終決定される。
【００３４】
この発明の実施形態は以上のような構成である。本発明の一体型クランク軸の成形方法に用いる鍛造工程設計手法では、素材形状および金型形状をモデル化して鍛造荷重を予測し、この鍛造荷重に基づいて横圧縮速度および偏芯速度を決定して変形解析を行い、金型形状および素材形状を決定するようにしたので、鍛造工程設計者の経験と知見および試作により金型形状と素材形状を決定していた従来の方法に比べて、表３に示すように、機械加工代δを少なくでき、試作回数も著しく低減し、金型形状および素材形状等の開発期間が著しく短縮された。しかも、この鍛造工程設計方法は、変形解析手段として汎用の解析ソフトを利用できるため、工程設計者間の個人差も解消でき、安定した鍛造成形が可能となる。
【００３５】
【表３】
0004571577.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施形態の鍛造工程設計の流れを示す説明図である。
【図２】アーム部の金型モードを示す説明図である。
【図３】実施形態の鍛造工程設計に用いる変形解析の流れを示す説明図である。
【図４】素材（被加工材）の長さと偏芯ストロークとの関係を示す説明図である。
【図５】金型拘束係数（Ｑｋ）とアーム部の投影面積比（ＦＤＳ／ＦＳ）との関係を示す説明図である。
【図６】（ａ）ＲＲ鍛造装置の説明図（成形開始状態）である。（ｂ）ＲＲ鍛造装置による成形工程（アプセット工程）の説明図である。（ｃ）ＲＲ鍛造装置による成形工程（オフセット工程）の説明図である。
【図７】ＲＲ鍛造装置による成形工程の説明図である。
【図８】ＲＲ鍛造装置による成形工程説明図である。
【図９】ＲＲ鍛造装置による成形工程説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：クロスヘッド      １ａ：クロスヘッド下面    ２：傾斜傾動板
３：摺動台              ４：把持ダイス          ５：素材
６：アーム部            ７：上ポンチ          ７ａ：拡径ストッパ
８：ピン部          ９：ダイス押えシリンダ    １０：下ポンチ
１０ａ：拡径ストッパ  １１：ジャーナル部    １２ａ：上部ダイス
１２ｂ：側部ダイス      １３：下部ダイス    Ｍ１〜Ｍ４：金型モード          
【図１】
0004571577.tif 000005
【図２】
0004571577.tif 000006
【図３】
0004571577.tif 000007
【図４】
0004571577.tif 000008
【図５】
0004571577.tif 000009
【図６】
0004571577.tif 000010
【図７】
0004571577.tif 000011
【図８】
0004571577.tif 000012
【図９】
0004571577.tif 000013