(57)【要約】      （修正有）【課題】クランクシャフトが必要とする強度によって、焼入れ硬化層の深さを決めることができ、かつ、軸心曲がりを防止できるクランクシャフトの製造方法を提供すること。【解決手段】クランクジャーナル２とクランクアーム４との境界点に位置するクランクフィレット６部の焼入れを、クランクピン３とクランクアーム４との境界点に位置するピンフィレット７部の焼入れよりも先に行う。【選択図】図３
2017053441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクピンとクランクジャーナルとが、クランクアームを介して接続されたクランクシャフトの製造方法であって、
上記クランクシャフトが、上記クランクジャーナルと上記クランクアームとの境界点に位置するジャーナルフィレット部と、上記クランクピンと上記クランクアームとの境界点に位置するピンフィレット部を有するものであり、
上記ジャーナルフィレット部を焼入れした後に、上記ピンフィレット部を焼入れすることを特徴とするクランクシャフトの製造方法。
【請求項２】
上記ジャーナルフィレット部の焼入れを上記クランクジャーナルの焼入れと同時に行い、上記ピンフィレット部の焼入れを上記クランクピンの焼入れと同時に行うことを特徴とする請求項１に記載のクランクシャフトの製造方法。
【請求項３】
上記焼入れが高周波焼入れであることを特徴とする請求項１又は２に記載のクランクシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトの製造方法に係り、更に詳細には、強度及び耐摩耗性の向上と軸心曲がりの防止とを両立できるクランクシャフトの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関（以下、エンジンということがある）には、ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが用いられる。上記クランクシャフトは、大きな力を受けながら回転するものであり、強度や剛性に優れると共に、バランスよくスムーズに回転するものであることが必要とされる。
【０００３】
上記クランクシャフトは、クランクピンとクランクジャーナルとがクランクアームを介して接続されたものである。クランクシャフトのクランクピン及びクランクジャーナルは、回転運動で発生する曲げ応力やネジリ応力の他、摺動面が摩耗に耐えられる必要があり、強度及び耐摩耗性を向上させるため、焼入れ等の熱処理が行われる。
【０００４】
例えば、フェライト・パーライト組織を主体とした鋼材は、オーステナイト化温度以上に加熱し、冷却することにより、硬質かつ耐摩耗性を備えたマルテンサイト組織に変化させ、硬化させることができる。
【０００５】
しかし、焼入れを行ったクランクシャフトの焼入れ硬化部位は、相変態による膨張によって体積変化が生じる。そして、クランクジャーナル又はクランクピンと、クランクアームとの境界点に位置するフィレット部を焼入れすると、体積変化の不釣り合いが生じ易く、クランクシャフトの軸心に曲がりが生じてしまう。
【０００６】
したがって、焼入れを行った後に、曲がりを矯正する工程が必要になるだけでなく、矯正によって、残留応力分布が変化して上記フィレット部の表面近傍における圧縮残留応力が低下し、疲労強度が低下することがある。逆に、矯正を可能にするために、予め、塑性変形が可能な程度の焼入れを行う場合は、充分に硬化させることができない。
【０００７】
特に、クランクピンは、コンロッドを介してピストンに連結され、直接ピストンから大きな応力を受けるものであり、クランクピンとクランクアームとの境界点に位置するピンフィレット部が、疲労強度のネックとなる。
【０００８】
したがって、ピンフィレット部を充分硬化させる必要があり、クランクピンとクランクアームとの境界点に位置するピンフィレット部を充分硬化させた後、クランクジャーナルとクランクアームとの境界点に位置するジャーナルフィレット側で曲がりの矯正が行われる。
【０００９】
特許文献１の特開２００３−２８６５２０号公報には、クランクピンとクランクアームとの境界点に位置するピンフィレット部の焼入れ硬化層深さに基づいて、クランクジャーナルとクランクアームとの境界点に位置するジャーナルフィレットの焼入れ硬化層の深さを調節することで、クランクシャフトの曲がりを少なくすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−２１４６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載のものにあっては、ピンフィレット部の焼入れ硬化層深さに基づいて、ジャーナルフィレットの焼入れ硬化層の深さを調節するものであるため、クランクシャフトの曲がり矯正のために、ジャーナルフィレット部等の焼入れ硬化層の深さが制約される。
したがって、クランクシャフトの強度及び耐摩耗性の向上と、軸心曲がりの発生防止とを両立させることが困難である。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、クランクシャフトが必要とする強度によって、焼入れ硬化層の深さを決めることができ、かつ、軸心曲がりの発生防止できるクランクシャフトの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ピンフィレット部の硬化の際に生じた曲がりを、ジャーナルフィレット部で調整する従来の方法とは逆に、ジャーナルフィレット部をピンフィレット部よりも先に硬化することで、ピンフィレット部の硬化によって生じるクランクピン近傍の変形を押さえつけることができ、ピンフィレット部を硬化する際の曲がりが抑えられ、軸心曲がりを防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明のクランクシャフトの製造方法は、上記クランクジャーナルと上記クランクアームとの境界点に位置するジャーナルフィレット部を焼入れした後に、上記クランクピンと上記クランクアームとの境界点に位置するピンフィレット部を焼入れすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ジャーナルフィレット部をピンフィレット部よりも先に硬化し、ピンフィレット部の硬化時に生じるクランクピン近傍の変形を押さえつけることとしたため、ジャーナルフィレット部等の焼入れ硬化層の深さが制約を受けることがなく、強度及び耐摩耗性の向上と軸心曲がりの防止とを両立させることができるクランクシャフトの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のクランクシャフトの一例を示す外観図である。
【図２】図１のクランクシャフトを軸方向から見たときの各クランクピン（Ｐ１〜Ｐ６）の位置を示す図である。
【図３】クランクシャフトの焼入れ硬化層を示す断面図である。
【図４】クランクジャーナル及びクランクフィレットを高周波焼入れする際の加熱コイルの配置状態を示す概略図である。
【図５】クランクシャフトの軸方向から見たときの加熱コイルの配置状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のクランクシャフトの製造方法について詳細に説明する。
本発明のクランクシャフトの製造方法は、クランクピン、クランクジャーナル及びこれらの近傍の表面に焼入れを行い、クランクシャフトの強度及び耐摩耗性を向上させるものである。
【００１８】
まず、クランクシャフトについて説明する。
クランクシャフトは、機械構造用炭素鋼（例えば、Ｓ５３Ｃ、Ｓ４８Ｃ等）を鍛造加工し、一体的に形成したものである。クランクシャフト１は、図１に示すように、クランクジャーナル２（Ｊ１〜Ｊ４）とクランクピン３（Ｐ１〜Ｐ６）とがバランスウェイト５を有するクランクアーム４を介して接続される。図２に軸方向から見たときの各クランクピン３（Ｐ１〜Ｐ６）の位置を示す。
【００１９】
上記クランクジャーナル２と上記クランクピン３とを連結するクランクアーム４は、バランスウエイト５がクランクピン３の対向側に延出形成されている。
【００２０】
そして、 図３に示すように、クランクジャーナル２の端部には、クランクジャーナル２の周面とクランクアーム４との隅、すなわち、クランクジャーナル２の周面のクランクアーム４との境界点にクランクフィレット６が形成される。
また、クランクピン３の端部には、クランクピン３の周面とクランクアーム４との隅、すなわち、クランクピン３の周面とクランクアーム４との境界点にピンフィレット７が形成される。
【００２１】
また クランクシャフト１は高速で回転するため、長時間運転による焼付けの防止のため、クランクジャーナル２とクランクピン３にオイルが循環するように、クランクジャーナル２の径方向にオイル穴８が形成される。
上記オイル穴８は、クランクピン３に向けて連通して形成され、クランクジャーナル２の表面とクランクピン３の表面をオイルで潤滑して摩擦係数を小さくすると共に、発生した熱をクランクシャフト１の外に放出する。
【００２２】
上記クランクジャーナル２は、図示しないメインベアリングによってシリンダブロックに回転自在に支持される。また、上記クランクピン３は、図示しないコンロッドベアリングによって、コンロッドの一端に回転自在に連結される。
【００２３】
エンジン内のクランクシャフト１は、図示しないシリンダー内で燃料を爆発させて得た直線的な推力をコンロッド（図示せず）によってクランクピン３の回転運動に変換する。
【００２４】
この直線運動を回転運動に変換するとき、クランクシャフト１、特にクランクピン３には強い曲げ負荷が加わる。この曲げ負荷による応力は、最もピンフィレットに作用する。
【００２５】
また、クランクピン３やクランクジャーナル２は、回転運動による摩耗にも耐えねばならならず、上記クランクジャーナル２及びジャーナルフィレット部６、並びにクランクピン３及びピンフィレット部７の表面には、焼入れにより硬化層が形成される。
【００２６】
本発明は、上記クランクシャフト１のジャーナルフィレット部６を焼入れした後に、上記ピンフィレット部７の焼入れを行う。
【００２７】
上記クランクピン３は、クランクシャフト１の中心軸に対してオフセットして設けられ、クランクシャフトの中心軸側（ボトム側）と、中心軸から遠い側（トップ側）とでは、図３からわかるように、隣接するクランクアームの付き方が異なる。したがって、ピンフィレット部７を焼入れすると曲がりが生じる。
【００２８】
つまり、上記炭素鋼は、一般的に質量効果が大きく、鋼材の大きさや厚みによって硬化の差が大きいものであるため、マルテンサイト化に伴う膨張量がボトム側とトップ側とで異なる。したがって、ピンフィレット部７を焼入れすることで、上記クランクシャフト１の形状に起因して大きな曲がりが生じてしまう。
【００２９】
一方、クランクジャーナル２の中心は、クランクシャフト１の中心軸と同じであり、隣接するクランクアームの付き方が略均等であるため、ジャーナルフィレット部６を焼入れしても、ピンフィレット部７を焼入れしたときのような大きな曲がりは生じ難い。
【００３０】
そして、焼入れによりマルテンサイト化された硬化層の降伏応力は、硬化前のフェライト・パーライト組織の降伏応力のおよそ４倍である。
【００３１】
したがって、ジャーナルフィレット部６を先に焼入れることで、クランクピン及びピンフィレット部７の焼入れに伴う体積膨張による応力を受けてもジャーナルフィレット部６に曲がりが生じることがない。加えて、ピンフィレット部７が、上記硬化層によって押さえつけられるためピンフィレット部７の曲がりが抑制される。
【００３２】
本発明においては、上記クランクシャフト１のジャーナルフィレット部６を焼入れした後、ピンフィレット部７の焼入れ前に、曲がりを矯正してもよい。ジャーナルフィレット部６の焼入れにより生じた曲がりをピンフィレット部７で矯正し、ピンフィレット部７の焼入れを行うことで、さらに曲がりの発生を防止できる。
【００３３】
上記、ジャーナルフレット部の硬化層深さは、必要とされる強度やクランクシャフトの形状にもよるが、１ｍｍ以上であることが好ましく、２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。ジャーナルフレット部の硬化層深さが１ｍｍ以上であれば、ピンフィレット部７の焼入れに伴う曲がりの発生を防止できる。
【００３４】
上記焼入れは、高周波焼入れ、レーザー焼入れ等、従来公知の焼入れ方法を採用することができるが、高周波焼入れであることが好ましい。レーザー焼入れは加熱される範囲が狭くて浅いため焼入れ時間が非常に長くなってしまうのに対し、高周波焼入れは加熱される範囲が広くて深いため、効率よく焼入れを行うことができる。
【００３５】
本発明においては、ジャーナルフィレット部とクランクジャーナルとの焼入れを同時に行い、また、ピンフィレット部とクランクピンとの焼きいれを同時に行うことが好ましい。焼きいれを同時に行うことで、生産効率が向上するだけでなく、クランクジャーナルとジャーナルフィレット部、又はクランクピンとピンフィレット部の硬化層の組織が連続し、強度を向上させることができる。
【００３６】
上記高周波焼入れは、高周波焼入れ装置によって行うことができる。高周波焼入れ装置は、例えば交流電源に加熱コイルを繋いで、加熱コイルに周波数の高い交流電流を流して生じる磁界により金属内に渦電流を発生させてジュール熱により熱処理を施し、冷却することにより、硬質且つ耐摩耗性を備えたマルテンサイト組織へ相変化させることで行う。
【００３７】
上記高周波焼入れ装置１０は、回転装置１１、加熱コイル１２、冷却装置１３を備える。
図４は、クランクジャーナル及びクランクフィレット部を高周波焼入れするときの加熱コイルの配置を示す図であり、図５は、クランクシャフトの軸方向から見たときの加熱コイルの配置を示す図である。なお、図５中、クランクピンの部分を点線で示す。
【００３８】
上記回転装置１１は、モータ等の回転駆動装置、クランクシャフト１を把持するチャック１４を有し、クランクシャフト１を把持した状態で回転可能に構成される。上記チャックは、図３に示すように、クランクシャフト１を回転軸心が水平状態になるようにクランクシャフト１の左右両端部を把持して固定する。
【００３９】
上記加熱コイル１２は、半円環状のコイル本体と、コイル本体の湾曲部分下端面に設けられた複数の略球状の絶縁チップ１５を有する。
【００４０】
上記コイル本体の湾曲部分下端面は、図５に示すように、クランクジャーナル  又はクランクピンの外周面の一部領域に対応して形成され、高周波電流を供給することで、クランクジャーナル及びジャーナルフレット部、又は、クランクピン及びピンフィレット部を加熱可能に構成される。
【００４１】
上記絶縁チップ１５は、クランクジャーナルの周面、又はクランクピンの周面に当接し、高周波電流を印加するとき、コイル本体の湾曲部分下端面とクランクジャーナルの表面、又はクランクピンの表面との間を一定間隔に維持する。
【００４２】
また、上記加熱コイル１２は、チェーン等の張力部材１６によって、焼入れ硬化層を形成するクランクジャーナル、又はクランクピンの位置に対応して上下左右に移動が可能なように保持される。
【００４３】
上記冷却装置１３は、冷却液を供給可能な冷却液ノズル等を備え、全体的に略均一な温度に加熱されたクランクジャーナル及びジャーナルフレット部、又はクランクピン及びピンフィレット部の表面に冷却液を供給可能に構成される。上記冷却装置１３は、加熱通電終了後、クランクシャフト１を回転させた状態で冷却液を供給する。
【００４４】
上記高周波焼入れ装置１０のコイル本体に高周波電流を供給すると、電磁誘導によりコイル本体によって生成される磁界によってクランクジャーナル及びジャーナルフレット部  又はクランクピン及びピンフィレット部に渦電流が発生する。そのジュール熱によりクランクジャーナル及びジャーナルフレット部  又はクランクピン及びピンフィレット部の表面が加熱される。
【００４５】
上記加熱温度は、オーステナイト化温度以上であり、例えば、９３０〜９５０℃まで加熱を行う。そして、通電加熱後、冷却液ノズルからの冷却水を噴射して冷却することで高周波焼入れ前のフェライト・パーライト組織がマルテンサイト組織に変化し、硬化層が形成される。
【００４６】
このような本発明によれば、クランクジャーナル２の周面及びジャーナルフィレット部に高周波焼入れを施した後に、クランクピン３の周面及びピンフィレット部に高周波焼入れを施すことで、ジャーナルフィレット部に形成された硬化層によって、ピンフィレット部の硬化によって生じる変形が抑えられる。
したがって、クランクシャフトの軸心曲がり防止のために、硬化層深さ等、硬化層形成の制限がなく、強度及び耐摩耗性を向上させることができる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００４８】
［実施例１］
図１に示すＶ６エンジン用クランクシャフトに対して高周波焼入れを行った。
焼入れは、表１に示す順序、すなわち、ジャーナル部をＪ４→Ｊ２の順に１箇所ずつ焼入れした後、ピン部Ｐ６→Ｐ３の順に１箇所ずつ焼入れを行い、１箇所の焼入れ終了毎に軸心の曲がりを測定した。
【００４９】
軸心曲がりの測定は、クランクシャフトの両端の軸中心センター穴をチャックして回転させ、各ジャーナル（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４）の溝底にダイヤルゲージをあてて行った。
軸中心を原点としたときのＸ成分、Ｙ成分と、各工程での曲がり変化量を表１に示す。
【００５０】
【表１】
2017053441.tif 000003
【００５１】
［比較例１］
焼入れの順序を表２に示す順序、すなわち、ピン部Ｐ１→Ｐ４の順に１箇所ずつ焼入れを行った後、ジャーナル部をＪ４→Ｊ３の順に１箇所ずつ焼入れを行い、１箇所の焼入れ終了毎に軸心の曲がりを測定した。測定結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
2017053441.tif 000004
【００５３】
表１と表２の結果から、ジャーナル部を先に焼入れを行った実施例１は、変化量が最大でも０．３３６（Ｐ２、Ｐ４）あるのに対し、ピン部を先に焼入れた比較例１は、最大の変化量が０．５２８（Ｐ５）と大きい。
また、実施例１は、比較例１よりも最終曲がりが小さかった。
上記の結果から、ジャーナル部から焼入れを行うことで、
ピン部を焼入れする際の曲がりの発生が抑えられ、クランクシャフト全体の曲がり量を少なくできることがわかる。
【符号の説明】
【００５４】
１  クランクシャフト
２  クランクジャーナル
３  クランクピン
４  クランクアーム
５  バランスウェイト
６  クランクフィレット
７  ピンフィレット
８  オイル穴
９  硬化層
１０  高周波焼入れ装置
１１  回転装置
１２  加熱コイル
１３  冷却装置
１４  チャック
１５  絶縁チップ
１６  張力部材
１７  交流電源
【図１】
2017053441.tif 000005
【図２】
2017053441.tif 000006
【図３】
2017053441.tif 000007
【図４】
2017053441.tif 000008
【図５】
2017053441.tif 000009