(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続した冷間鍛造によってビレットからクランクを成形する方法であって、以下の第１乃至第４工程を含むことを特徴とするクランクの冷間鍛造方法。
第１工程：ビレットから２段以上の軸部を成形する押出し成形工程
第２工程：第１工程にて得た成形体の軸部以外の部分をウェイト部とするととも
にウェイト部の直下となる軸部を拡径する据込み成形工程
第３工程：第２工程で得た成形体のウェイト部の直下となる軸部の径及び長さをそのままにウェイト部の荒仕上げ加工を行う工程
第４工程：第３工程で得た成形体のウェイト部の直下となる軸部の径及び長さをそのままにウェイト部の仕上げ加工を行う工程
【請求項２】
請求項１に記載のクランクの冷間鍛造方法において、前記第２工程でウェイト部の直下となる軸部とこの軸部の直下となる軸部を据込み成形で拡径することを特徴とするクランクの冷間鍛造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のクランクの冷間鍛造方法において、前記２段以上の軸部間の傾斜面を軸方向に対して５５〜９０°としたことを特徴とするクランクの冷間鍛造方法。
【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分割型クランクを冷間鍛造にて製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動二輪車等のエンジンに組み込むクランクシャフトは、左右の軸付き円盤状の分割型クランクを成形した後、それぞれの円盤状のウェイト部に形成したピン穴にピンを嵌合させて左右の分割型クランクを連結するようにしている。
【０００３】
このような素材からの変形率の大きな分割型クランクは従来から熱間鍛造成形にて製造していた。しかしながら熱間鍛造成形は、金型表面が摩耗しやすく、その結果鍛造品の精度が悪くなり、鍛造後の機械加工による取代が大きくなって加工効率が低下し、また、レース加工代が大きい為に機械台数も多くなり初期投資が膨大になり、更に、加熱後に鍛造するためにスケールが発生し、離型剤等の塗布も必須になるので作業環境を最適に保つことが困難であるという問題があるため、本発明者らは特開２０００−３２６０４３号公報に示すように、冷間鍛造にてクランクを製造する方法を提案した。
【０００４】
特開２０００−３２６０４３号公報に示す冷間鍛造法は、図３に示すように、第１工程で、素材であるビレット（炭素鋼）を押出し成形して２段以上の多段軸部を成形し、この後第２工程で、前記多段軸部以外の部分を据込み成形してウェイト部形状に近づけるとともに多段軸部については絞り成形し、更に第３工程で、ウェイト部を据込み絞り成形して非対称形状に荒仕上げすると同時に多段軸部については更に一部を絞り成形し、第４工程で、ウェイト部を仕上げ加工するとともにセンタ穴を形成し、第５工程でピン穴とウェイト部の外周を打ち抜くようにしている。
【０００５】
尚、冷間鍛造法に関して本発明者らは、特開２００１−１０３１号公報、特開２００１−３１１７号公報、特開２００１−３１３５号公報および特開２００１−８９８１０号公報に、冷間鍛造用のビレット、その製造方法或いは処理方法提案している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
先に本発明者らが先に提案した冷間鍛造法にてクランクを製造すれば、冷間鍛造の最大の問題である変形能が小さく割れが発生しやすいという問題を解消しつつ、成形精度や作業環境更には初期投資の問題を解消することができる。
【０００７】
しかしながら、第２工程においてカブリの問題が発生し易い。即ち、多段軸部については絞り成形を行うため、軸部の肉に余りが生じ、この余り部分が上方つまりウェイト部下面に流れ、図４に示すようにカブリが生じてしまう。このカブリはウェイト部直下の軸部にオイル溝を第２工程で形成する場合には余肉が多くなるため更に発生しやすくなる。
【０００８】
また、多段軸部を絞り成形によって成形する場合には、軸部と軸部の間の角度を軸心に対してせいぜい３０〜３５°にしかすることができず、後加工によって軸部間の角度を調整しなければならない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本発明に係るクランクの冷間鍛造方法は、以下の第１乃至第４工程を含む構成とした。
第１工程：ビレットから２段以上の軸部を成形する押出し成形工程
第２工程：第１工程にて得た成形体の軸部以外の部分をウェイト部とするとともにウェイト部の直下となる軸部を拡径する据込み成形工程
第３工程：第２工程で得た成形体のウェイト部の直下となる軸部の径及び長さをそのままにウェイト部の荒仕上げ加工を行う工程
第４工程：第３工程で得た成形体のウェイト部の直下となる軸部の径及び長さをそのままにウェイト部の仕上げ加工を行う工程
尚、上記の各工程の間には型換えが行われ、また第４工程の後にウェイト部にピン穴を形成したり、外周の整形を行う工程を付加するのは任意である。
【００１０】
また、出発素材としてのビレットの成分比としては以下の範囲が好ましい。
Ｃ（炭素）が０．４６〜０．４８wt％、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０．２０wt％以下、Ｃｒ（クロム）が０．３５wt％以下含まれ、残部がＦｅ（鉄）と不純物。
上記成分比はクランク軸用の熱間鍛造の素材としては、一般的なＪＩＳ  Ｓ４８Ｃ（以下、単にＳ４８Ｃと記す）炭素鋼を基に改良したものであり、各成分比は以下の基準で定めた。
先ず、Ｃは単位％当り最も冷間鍛造性に大きな効果をもつ元素であり、機械的性質、特に材料強度、焼入れ性の面から重要である。即ち、クランク軸にあっては全体的に所定の機械的強度を必要とするとともに、ウォーム及びテーパ部など局部的に高硬度が要求される。このように局部的に高硬度が要求される部分を機械加工後に高周波焼入れで硬度を上げるために、Ｃの割合を０．４６〜０．４８wt％とした。
またＳｉは原料の銑鉄中に存在し、製鋼の過程で殆ど除去されるが、製鋼過程の最後に脱酸剤として添加されることがあり、Ｓ４８Ｃでは０．１５〜０．３５wt％含まれ、一部は鋼中に入りフェライトに固溶するが、鍛造性を阻害するので冷間鍛造素材としては除去することが好ましく、０．１４wt％以下とした。
またＭnは製鋼の過程でも多少残るが、脱酸剤として添加されるため、Ｓ４８Ｃには０．６０〜０．９０wt％含まれている。このＭｎはＳと結合して硫化マンガンとして鋼中に分散し、一部はフェライト中に固溶するが、Ｓに結合しやすいＭｎはＭｎＳとなり、このＭｎＳは鍛造成形時の割れの起点となりやすい為、低減させることが望ましいが、フェライト中に固溶するＭｎは焼きを入りやすくし、結晶粒の成長を抑える。このため、０．５５〜０．６５wt％にした。
またＰはフェライト中に固溶し、多量に含まれる場合は鉄の一部と化合してリン化鉄になるが、Ｐがフェライト中に固溶するとフェライトは伸びが減じられるようになり、常温における衝撃値も減じられて加工時に割れが生じやすくなる。
そしてこのＰはＳ４８Ｃでは０．０３wt％まで許容されており、冷間鍛造素材としては、この許容値が高すぎる。そこで０．０１５wt％以下とした。
またＳはＭｎの一部と化合してＭｎＳになり、このＭｎＳは冷間鍛造時に生じる表面割れの起点となり、Ｓ４８Ｃでは０．０３５wt％まで許容されているが、冷間鍛造素材としては、許容値が高すぎる。そこで０．０１５wt％以下とした。
またＣuは高温加熱ではＦeより酸化が少ないため、表面に富化して赤熱脆性を起こすので、概ね当量のＮiを添加して赤熱脆性を防止する。一方ＣuはＰと同様に微量の含有によりフェライト硬さを増加させ、冷間鍛造性を損うことが考えられる為、０．１５wt％以下とした。
またＮiは前記した効果の他に、焼入れ性を増し、低温脆性を防止し、耐食性を改善するため、Ｓ４８Ｃと同量添加する。更にＣrは焼入性、焼戻し抵抗を大にし、耐食性を高め安定した炭化物を作りやすいため、Ｓ４８Ｃと同量程度含有せしめた。
【００１１】
またビレット中の炭化物は球状化が進んでいるほど成形性が高くなる。この球状化のレベルはアスペクト比（炭化物の縦横比）で表すことができ、アスペクト比は３００％以下であることが好ましい。アスペクト比が３００％以下であれば、限界据込み率を９０％以上にすることが可能になる。この球状化は例えば、第１の球状化処理を行った後、引き抜きを行い、この後更に第２の球状化処理を行う方法が考えられる。
【００１２】
また他の球状化処理としては、ビレットを加熱炉から導出して圧延した後に急冷することで表層を微細なマルテンサイト組織とし、次いで焼鈍して前記表層のマルテンサイトをフェライトとセメンタイトからなる微細な球状化組織としてもよい。前記焼鈍の条件としては、例えば、素材を約７４０℃で６時間保持した後、約６８０℃まで２０℃／hrの冷却速度で、降温後炉冷するか、或いは、素材を約７５０℃で４時間保持した後、約７３５℃で３．５時間保持し、この後、約６８０℃まで１５℃／hrの冷却速度で、降温炉冷する等が考えられる。
上記の焼鈍によってビレット内部は、フェライトとパーライトの混合相であったのが、パーライトが分断して球状化が進行する。したがって、内部も表層も球状化し、冷間鍛造の際の変形能が極めて大きくなる。
【００１３】
また、前記第２工程において鋳込み成形で拡径する軸部としては、ウェイト部の直下となる軸部に限らず、ウェイト部の直下の軸部と更にその直下の軸部としてもよい。
【００１４】
このように、ウェイト部の直下の軸部以外の軸部も据込み成形で拡径することで軸部間の傾斜面を軸方向に対して５５〜９０°とし、後加工を簡単に若しくは省略することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るクランクの冷間鍛造工程を説明した図、図２は第２工程で用いる軸部の据え込み成形用金型の拡大断面図である。
【００１６】
先ず、第１工程では用意したビレット（φＡ0）の約下半分を押出し成形して多段軸部とする。実施例では多段軸部は３段状とし、ウェイト部直下となる軸部の径はφＡ1、軸芯に沿った長さはＬ1、ウェイト部下面との境界部の傾斜角は４０°であり、ウェイト部直下となる軸部の更に下の軸部の径はφＡ2、軸芯に沿ったウェイト部下面からの長さはＬ2、ウェイト部直下となる軸部との境界部の傾斜角は３０°、最下段の軸部との境界部の傾斜角は４０°となるように押出し成形した。
【００１７】
次いで、第２工程では、ビレットの上半分をウェイト部に近い形状に据込み成形すると同時に多段軸部のうち上２段については据込み成形、最下段の軸部については絞り成形した。
【００１８】
実施例では、ウェイト部直下となる軸部の径はφＡ11、軸芯に沿った長さはＬ11、ウェイト部直下となる軸部の更に下の軸部の径はφＡ22、軸芯に沿ったウェイト部下面からの長さはＬ22、ウェイト部直下となる軸部との境界部の傾斜角は５５°、最下段の軸部との境界部の傾斜角は９０°になるようにした。
尚、φＡ1、φＡ11、φＡ2、φＡ22、Ｌ1、Ｌ11、Ｌ2、Ｌ22の関係は以下の通りである。
面積比については、
（φＡ11）2／（φＡ1）2＝１．２
（φＡ22）2／（φＡ2）2＝１．０７
長さ（高さ）比については、
Ｌ1／Ｌ11＝１．３３
Ｌ2／Ｌ22＝１．７
【００１９】
次いで、第３工程では、ウェイト部となる部分を非対称形状に据込み成形するとともに、多段軸部のうち最下段の軸部先端を絞り成形する。尚、第３工程では、多段軸部の他の軸部については径寸法、長さ寸法とも変更を加えない。
【００２０】
次いで、第４工程では、ウェイト部となる部分を更に据込み成形するとともにセンタ穴を形成し、また多段軸部については絞り成形した最下段の軸部先端の直上にスプライン溝を形成する。この第４工程でも多段軸部の他の軸部については径寸法、長さ寸法とも変更を加えない。
【００２１】
そして、第５工程では、ウェイト部となる部分にピン穴を打ち抜きによって形成するとともに、ウェイト部となる部分の外周を整形のために打ち抜く。この後更に必要に応じて修正加工などを施して目的とするクランクが得られる。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、第２工程において多段軸部を成形する際に、絞り成形ではなく据込み成形としたので、余肉がウェイト部下面に流れることがなくなり、従来の連続した冷間鍛造で問題となっていたウェイト部下面にカブリが生じることを防止できる。
【００２３】
また、ウェイト部の直下の軸部以外の軸部も据え込み成形で拡径することで、軸部間の傾斜面を軸方向に対して５５〜９０°とすることができ、後加工を簡単に若しくは省略することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るクランクの冷間鍛造工程を説明した図
【図２】第２工程で用いる軸部の据え込み成形用金型の拡大断面図
【図３】従来のクランクの冷間鍛造工程を説明した図
【図４】従来の問題点を説明した図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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