JP4063703B2

JP4063703B2 - クランク軸の製造方法

Info

Publication number: JP4063703B2
Application number: JP2003101953A
Authority: JP
Inventors: 一郎松田
Original assignee: Maruyama Manufacturing Co Inc
Current assignee: Maruyama Manufacturing Co Inc
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: JP2004308751A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動ポンプ等で用いられるクランク軸に関し、特にその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンないしはプランジャ（以下「ピストン」と総称する）の往復動により液体を輸送するための従来一般の往復動ポンプは、シリンダと、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンを駆動する駆動部とを備えている。シリンダの、駆動部とは反対側の端部には、いわゆるポンプ室が形成されている。また、駆動部は、電動モータや内燃エンジン等の原動機からの動力を受けて回転し、ピストンの往復直線運動に変換するためのクランク軸を備えている。
【０００３】
上述したような往復動ポンプにおけるクランク軸は、原動機の出力回転軸に接続される中空軸状の接続部と、接続部の中心軸線から偏心しているクランクピンを有するクランク部とから構成されている。
【０００４】
クランク軸の従来の製造方法としては、次の３つの方法が知られている。
【０００５】
第１の方法は、焼入れや焼戻しを施して調質した合金鋼の丸棒を素材として、クランク部及び接続部を機械加工して、所定の形状を得るというものである。
【０００６】
第２の方法は、非調質の合金鋼の丸棒に対して、クランク部に相当する部分を鍛造して近似形状とした後、これを素材として調質後、クランク部及び接続部を機械加工して所定の形状を得るというものである。
【０００７】
第３の方法は、以下の特許文献１に開示されている方法であり、接続部に相当する素材と、クランク部に相当する素材とを溶接により互いに結合した後、機械加工により所定の形状を得るというものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５０−１３３３６４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のクランク軸製造方法には種々の問題点がある。
【００１０】
すなわち、上記の第１及び第２の方法にあっては、接続部の機械加工が、原動機の出力回転軸に合わせた穴とキー溝部とで形成される一定の深さのある有底穴の加工となるので、キー溝部の加工に時間がかかり、コストがかかるという問題がある。
【００１１】
また、第３の方法では、溶接部分にスラグ巻込みや他の溶接欠陥が起きやすいという問題もある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、かかる従来における技術的課題を解決し、安価に且つ容易に所望形状のクランク軸を製造することのできる製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、回転軸（２４）が嵌合接続される穴（３８）を有し且つ回転軸（２４）との締結用キー（４０）が挿入されるキー溝部（４２）が形成された接続部（３４）と、接続部（３４）に一体的に設けられ、接続部（３４）の中心軸線（Ｃ）から偏心したクランクピン（４４）を有するクランク部（３６）とを備えるクランク軸（２６）を製造する方法において、接続部（３４）となる中空軸状の接続部素材（１３４）を用意し、クランク部（３６）となる丸棒状のクランク部素材（１３６）を用意し、接続部素材（１３４）に対して、一端側の部分（４６）に穴（３８）とキー溝部（４２）を加工すると共に、他端側に内径が穴（３８）の内径よりも大きな拡径部分（４８）を形成し、接続部素材（１３４）における前記他端側の端面（５０）とクランク部素材（１３６）の一方の端面とを突き合わせて摩擦圧接し、摩擦圧接後、クランクピン（４４）を形成すべくクランク部素材（１３６）の外形を加工すると共に、接続部素材（１３４）の外径を調整すべく接続部素材（１３４）の外形を加工することを特徴としている。
【００１４】
この方法においては、接続部素材（１３４）及びクランク部素材（１３６）として非調質の鋼材を用いることができる。両素材（１３４，１３６）を接合する手段が摩擦圧接によるため、接合部（５２）の信頼性は高いものとなる。
【００１５】
また、摩擦接合の開始都時に面圧を高めるて確実に摩擦接合を可能とするために、接続部素材（１３４）における前記端面（５０）をテーパ面とすることが有効である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態に係るピストンの往復動により液体を輸送するための往復動ポンプ１０を示す断面図である。図示の往復動ポンプ１０は、基本的には従来から知られている一般的な３連式のものであり、３本のシリンダ１２が互いに平行に配置されており、各シリンダ１２内にピストン（プランジャ）１４が往復動可能に設けられている。また、シリンダ１２の一端側には、ピストン１４を往復動させるための駆動部１６が設けられており、他端側にはポンプ室（図示しない）が配設されている。ポンプ室は、ピストン１４がシリンダ１２内で往復動された場合に、液体をポンプ室内に吸引し、そしてポンプ室から外部に吐出するための弁装置を備えている。
【００１８】
駆動部１６は、ポンプケーシング１８の一部を構成するクランクケース２０と、クランクケース２０の外部に配置される例えば電動モータや内燃エンジン等の原動機２２とを備えている。また、クランクケース２０内には、原動機２２の出力回転軸２４に接続されて回転駆動されるクランク軸２６と、ピストン１４にピストンロッド２８を介して一体的に固定されるピストン元３０と、ピストン元３０とクランク軸２６とを連結するコネクションロッド３２とが配設されている。原動機２２を駆動させ、クランク軸２６を所定の方向に回転させると、その回転力がコネクションロッド３２、ピストン元３０及びピストンロッド２８を経て伝えられ、ピストン１４がシリンダ１２内を往復動するよう構成されている。
【００１９】
図２及び図３は、本発明の製造方法に従って製造されたクランク軸２６を示している。図１〜図３から理解される通り、クランク軸２６は、中空軸状の接続部３４と、接続部３４と一体化されたクランク部３６とから構成されている。接続部３４は、原動機２４の出力回転軸２４が嵌合接続される穴３８を有し、その穴３８の内周面には、出力回転軸２４とクランク軸２６とを締結するためのキー４０が挿入されるキー溝部４２が形成されている。クランク部３６は、それぞれが各コネクションロッド３２と回転可能に係合される３つのクランクピン４４を有している。３つのクランクピン４４は、接続部３６の中心軸線Ｃから同一の偏心量で偏心されている。また、これらのクランクピン４４は、３つのピストン１４が一定周期でずれて往復動されるよう、角度的に等間隔（１２０度間隔）に形成されている。
【００２０】
次に、このようなクランク軸２６を製造する手順について図４及び図５に沿って説明する。
【００２１】
まず、接続部３４となる接続部素材１３４として、非調質鋼からなる中空軸状部材を用意する。また、クランク部３６となるクランク部素材１３６として、同じく非調質鋼からなる中実の丸棒を用意する。クランク部素材１３６の外径は接続部素材１３４の外径とほぼ同一とすることが好ましい。これらの接続部素材１３４とクランク部素材１３６とは、以下で述べるが、互いに摩擦圧接により互いに接合される。
【００２２】
ここで、非調質鋼とは、調質（焼入れ・焼戻し）を行っていない鋼であり、熱間鍛造後の放冷操作中にバナジウム等の微細炭窒化添加物の析出によって強化された鋼をいう。非調質鋼は、調質に伴うコストを低減でき、また、硬さ等の機械的性質の均一性に優れているという特質がある。
【００２３】
次いで、図４に示すように、接続部素材１３４に対し、原動機２２の出力回転軸２４の外径とほぼ同一の内径の穴３８が形成されるよう、機械加工を行う。この加工は、クランク部３６とは反対側となる端部から一定長さの範囲の部分４６に対して行う。また、この部分４６の内周面に、原動機２２の出力回転軸２４とクランク軸２６とを締結するためのキー４０を受けるキー溝部４２を加工する。この穴３８とキー溝部４０の機械加工は、全長にわたり中空となっている接続部素材１３４に対して行うため、有底穴に対して行う場合に比して、格段に手間がかからない。従って、加工時間も短くて済み、よって加工コストも安価なものとなる。更に、容易に加工できることから、加工精度の向上にも寄与する。
【００２４】
また、接続部素材１３４に対しては、クランク部素材１３６が摩擦圧接される側の端部から所定長さの範囲内の部分４８に、内径を部分４６よりも大きくする加工を行う。この部分４８を内径が拡径されることから拡径部分と称すると、拡径部分４８の長さは、摩擦圧接を行うに十分な長さであって、摩擦圧接に伴って生ずるバリの格納部位となるべき大きさとされている。拡径部分４８の内径は、接続部素材１３４の中心軸線Ｃからキー溝部４２の外端までの最大長さよりも大きくされている。これにより、拡径部分４８の断面形状の内周と外周は、当該拡径部分４８の全長にわたり、常に円形となり、キー溝部４２による窪み等は形成されない。
【００２５】
更に、拡径部分４８側の端面５０を接続部素材１３４の中心軸線Ｃに対して傾斜するよう、すなわちテーパ面となるよう機械加工を行う。このテーパ面５０は内周縁側が外周縁側よりも突出させることが好ましい。
【００２６】
以上の接続部素材１３４に対する機械加工が完了したならば、周知の摩擦圧接装置（図示しない）に接続部素材１３４とクランク部材１３６をセットし、摩擦圧接を行う。ここで、摩擦圧接とは、２つの部材を回転させつつ突き合わせ、その突合せ面に摩擦発熱を起こさせて強加圧力をかけて両部材を接合させる手法をいう。
【００２７】
このような摩擦圧接による接合であるため、接合部５２に高い信頼性が得られる。また、接続部素材１３４の端面５０がテーパ面となっているため、摩擦圧接開始時においては接触面積が小さく、面圧を上げることができ、摩擦圧接を確実に行うことができる。加えて、本実施形態では、クランク部素材１３６が接続部素材１３４に最初に接する部位が接続部素材１３４の端面５０の内周縁であり、しかも接続部素材１３４の拡径部分４８の内径が他の部分よりも大きくされているため、摩擦圧接が進行するにつれて、図５に示すようにバリ５４が拡径部分４８内に格納されることとなり、接続部素材１３４の部分４６にバリ５４が入り込んで原動機２２の出力回転軸２４の挿入を妨げる等の不具合が防止される。更に、この拡径部分４８で摩擦圧接時の熱の影響を吸収するため、部分４６の穴加工寸法が変化することを防止し、精度を高く維持することができる。
【００２８】
摩擦圧接が完了したならば、接続部素材１３４の中心軸線Ｃを基準として、接続部素材１３４の外径を調整する機械加工や、クランク部素材１３６に対してクランクピン４４を形成する機械加工等の外形加工を行う。斯くして、図２及び図３に示す形状のクランク軸２６が製造される。
【００２９】
このように、非調質鋼からなる２つの素材１３４，１３６を摩擦圧接により接合してクランク軸２６を製造するため、クランク軸２６全体、特にクランク部３６の強度が均一となり、調質した合金鋼を素材として用いたときのように切削加工により硬化層がなくなる心配はない。なお、図２において符号５６は、キー４０をキー溝部４２に固定するためのねじ５８（図１参照）が螺合されるねじ穴を示している。
【００３０】
以上述べた本実施形態にかかる製造方法によれば、容易に高精度のクランク軸を容易に製造することが可能であるが、本発明は上記実施形態に限られないことは言うまでもない。
【００３１】
例えば、上記実施形態では、接続部素材とクランク部素材とを同じ合金鋼としているが、摩擦圧接法を利用していることから、異なる材質の素材同士を接合させることができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、テーパ端面５０は内周縁が外周縁よりも突出している形態を採っているが、逆に外周縁が内周縁よりも突出している形態であってもよい。
【００３３】
更に、本発明の方法により製造されるクランク軸は、３連式往復動ポンプ用に限られず、その他の多連式や単式の往復動ポンプ用や、その他の機構用であってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の製造方法によれば、所定形状のクラング軸を容易に且つ高精度に製造することができる。製造が容易であることから、製造に要するコストも低くて済む。また、２つの素材を摩擦圧接により接合するため、接合部の信頼性が高く、高精度であることも相俟って、当該方法により製造されたクランク軸を用いた往復動ポンプの性能や信頼性の向上にも寄与することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により製造されたクランク軸が適用可能な３連式往復動ポンプを示す断面図である。
【図２】本発明の方法により製造されたクランク軸の一実施形態を示す部分断面側面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿っての矢視図である。
【図４】図２及び図３に示すクランク軸を製造する場合に用いられる接続部素材とクランク部素材とを示す部分断面側面図である。
【図５】図４の接続部素材とクランク部素材とを摩擦圧接した状態を示す部分断面側面図である。
【符号の説明】
１０…往復動ポンプ、１２…シリンダ、１４…ピストン、１６…駆動部、２２…原動機、２４…出力回転軸、２６…クランク軸、３４…接続部、３６…クランク部、３８…穴、４０…キー、４２…キー溝部、４４…クランクピン、４８…拡径部分、５０…端面（テーパ面）、５２…接合部、５４…バリ。

Claims

回転軸（２４）が嵌合接続される穴（３８）を有し且つ前記回転軸（２４）との締結用キー（４０）が挿入されるキー溝部（４２）が形成された接続部（３４）と、前記接続部（３４）に一体的に設けられ、前記接続部（３４）の中心軸線（Ｃ）から偏心したクランクピン（４４）を有するクランク部（３６）とを備えるクランク軸（２６）を製造する方法において、
前記接続部（３４）となる中空軸状の接続部素材（１３４）を用意し、
前記クランク部（３６）となる丸棒状のクランク部素材（１３６）を用意し、
前記接続部素材（１３４）に対して、一端側の部分（４６）に前記穴（３８）と前記キー溝部（４２）を加工すると共に、他端側に内径が前記穴（３８）の内径よりも大きな拡径部分（４８）を形成し、
前記接続部素材（１３４）における前記他端側の端面（５０）と前記クランク部素材（１３６）の一方の端面とを突き合わせて摩擦圧接し、
摩擦圧接後、前記クランクピン（４４）を形成すべく前記クランク部素材（１３６）の外形を加工すると共に、前記接続部素材（１３４）の外径を調整すべく前記接続部素材（１３４）の外形を加工することを特徴とするクランク軸の製造方法。
前記接続部素材（１３４）における前記端面（５０）をテーパ面とすることを特徴とする請求項１に記載のクランク軸の製造方法。