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クランクシャフトは自動車エンジンの重要な部品であり、エンジン全体の性能に大きな影響を与えます。その性能の良し悪しは、自動車の寿命に直接関わってきます。鍛造工程と鋳造工程を用いるだけでは、自動車が求める高精度で高性能かつ低コストなダブルクランクシャフトの要求を満たすことはできなくなっている。内部高圧成形による膨張成形法を用いて二重クランクシャフトを製造することには、一体成形が可能であること、流線が連続して配置されていること、組織が密であること、強度が高いこと、質量が軽いこと、総合的な力学的性能が優れていること、コストが低いこと、そして自動化生産が容易であることといった利点がある。 エンジニアリング分野では、自動車の軽量化を主に2つの側面から実現している。材料としては、アルミニウムマグネシウム合金や複合材料といった軽量材料、および比強度が高い高強度鋼が多く使用される。しかし、これらの軽量材料や高強度鋼は冷間成形時の塑性が低いため、構造が単純な部品のみを製造でき、曲がった軸線や変化する断面を持つ複雑な部品には適していない。構造面では、元々の溶接や鋳造による部品の代わりに一体成型された中空部品を使用することができ、部品の精度や耐荷重性、安全性を確保しつつ、車体自体の軽量化を効果的に実現できる。したがって、部品の構造最適化や成形工程の改善は、自動車の軽量化を実現するための重要な手段となっている。 内部高圧による一体成形工程の実施は困難であり、工程パラメータのマッチングに高い要求がある。二重曲軸の内圧成形プロセスにおいて、影響要因としては主に負荷経路があり、これには管内圧力と時間の関係、左右両端の軸方向送りと時間の関係、および管材の潤滑条件などが含まれる。 二重湾曲軸の内圧成形膨張工程を有限要素シミュレーションによって解析し、異なる負荷経路が二重湾曲軸の膨張効果に与える影響の規則性を明らかにすることで、二重湾曲軸の膨張に適した最適な工程パラメータを得ることができる。次に、数値シミュレーションの結果に基づき、二重カーブクランクの実際の成形試験を行うと、良好な試験結果が得られる。 部品寸法および工程分析 ダブルクランクシャフトは変断面の中空構造を持ち、その断面形状は円形である。ダブルクランクシャフトの総合的な寸法は下図の通りである： ダブルクランクシャフトの総合的な寸法と典型的な断面位置 ダブルクランクシャフトの初期の管径は38mm、壁厚は1mm、長さは140mmであり、断面A-Aにおける管径は38mmから50.5mmまで変化し、最大の膨張率は33％である。ダブルクランクシャフトはトルクや力を伝達する部品であるため、高い強度と優れた靭性を持つSS304オーステナイトステンレス鋼を材料として採用することが最適である。ダブルクランクシャフトの幾何学的モデルの典型的な断面周長については、下表の通りである。 典型的な断面周長および管材の直径 ダブルクランクシャフトの重要な工程パラメータには、内部圧力の大きさや左右のパンチの送り量が含まれる。内部高圧成形とは、内部圧力と軸方向への給材が組み合わさって作用する複雑な成形プロセスであるため、これらの間のマッチング関係は管継手の成形性能に非常に大きな影響を与えます。内圧が低く、軸方向の送り量が過大だと、軸方向に送られてきた材料が曲がり部へタイムリーに流れず、曲がり部の丸み部分や管の端に堆積してしわができます。一方、内圧が高く、軸方向の送り量が過小だと、材料が曲がり部にタイムリーに供給されないため、曲がり部はどんどん薄くなり、最終的には破断してしまいます。 有限要素モデルの構築 二重クランクシャフトの高圧膨張成形に関する有限要素モデルは、下図の通りである。このモデルは金型、管の原料、左側のパンチ、右側のパンチといった4つの部分で構成されており、金型とパンチは剛性要素として扱われる。数値シミュレーションでは板材の異方性が考慮され、材料ライブラリにある36番の材料モデルが使用される。管の素材はステンレス鋼SS304で、摩擦係数は0.1、ポアソン比は0.28、降伏強度は245 MPa、引張強度は408 MPa、材料密度は7850 kg/m3、硬化指数nは0.32、強化係数Kは537 MPaであり、材料の構成則は次の通りである。 SS304ステンレス鋼のダブルクランクシャフトの内部高圧成形に関する有限要素モデル 負荷経路がダブルクランクシャフトの壁厚分布および膨張高さに与える影響 ダブルクランクシャフトの成形過程において、内部圧力と軸方向への送り速度の関係は、成形が可能かどうかを決定する重要な要素である。したがって、数値シミュレーションや実際の成形試験においては、内部高圧の負荷には以下の基準を守る必要がある。負荷のピーク値は材料の最大成形圧力を超えてはならず、一般的には材料の降伏強度の1/3～1/10程度である。成形初期には、できるだけ早く材料の降伏強度に達させ、しわが発生するのを防ぐ必要がある。成形後期には、一定時間圧力を保持し、高い内部圧力のもとで管材が型にしっかりと密着するようにする。 上記の設計原則に基づき、ダブルクランクシャフトの高圧成形プロセスでは5つの荷重経路が設定されており、これら5つの荷重経路はそれぞれ経路1～5と定義されている。5つの荷重経路の油圧と鍛造工程は異なるが、最終的な成形圧力は同じである。 負荷経路1の液圧膨張圧力は20MPaで、その後の鍛造段階でもこの値が維持される。負荷経路2の液圧膨張力は40MPaで、その後の鍛造段階でも変わらない。負荷経路3の液圧膨張力は30MPaで、その後の鍛造段階でも変わらない。負荷経路4の液圧膨張力は35MPaで、その後の鍛造段階でも変わらない。負荷経路5の液圧膨張力は35MPaで、その後の鍛造段階では圧力が線形的に40MPaまで上昇する。負荷経路1～5の軸方向送り量は同じく17mmです。 シミュレーション時の5つの負荷パス 負荷パス1では、液圧による膨張段階および鍛造段階での圧力が低いため、管の原材料は周方向に拡張することができず、軸方向に引き続き送り込まれることで壁厚が徐々に増加し、内部にしわが生じて折り重なりが発生する。状況が深刻な場合、後の整形のプレッシャーが非常に高くてもしわを消すことはできない。下図では、曲がり部の底部にある変形領域の折り重なりがはっきりと見て取れます。 負荷経路1のシミュレーション結果およびFLD 負荷経路2では、液圧膨張段階での圧力が過度に高く、この時の軸方向送り量が小さいため、軸方向送り量では周方向の変形量を補うことができず、曲がり部の先端の壁厚がますます薄くなり、金型に密着する前に曲がり部の先端が破壊してしまう。 負荷経路2のシミュレーション結果およびFLD 負荷経路1と負荷経路2のシミュレーション結果から、液圧による膨張段階の圧力は高すぎても低すぎてもいけないことがわかる。適切な膨張圧力は30～35MPaの範囲であり、この圧力範囲を設定して3つの負荷経路を設定した。パス5のシミュレーション結果から、クランクの曲がり部の先端が最も薄く、曲がり部の根元および主管の端部が最も厚いことがわかり、減肉率は許容範囲内に抑えられている。また、曲がり部の先端は金型に密着しており、成形品は合格である。 負荷経路5のシミュレーション結果 異なる負荷経路による成形では、膨張高さと壁厚の最大減肉率が異なる。負荷経路3を選択した場合、膨張高さは31.1mmで最小値となる。一方、負荷経路4および5の場合、膨張高さはいずれも31.5mmで最大値となる。下の表からわかるように、軸方向への送り量が一定の場合、膨形圧力が高くなるにつれて膨形高さは増加する。しかし、圧力がある一定値に達すると膨形高さは変わらず、一方で減肉率は膨形圧力の上昇に伴ってさらに増大し続ける。負荷経路3では、より低い成形圧力に対応して壁厚の減少率も小さくなるが、膨張高さが要求を満たせないため、最終的に負荷経路5を負荷方法として選択した。 異なる荷重経路における膨形高さと壁厚の最大減肉率 二重カーブシリンダーヘッド用クランクシャフトの内圧成形試験研究 二重カーブシリンダーヘッド用クランクシャフトの実際の成形工程は、まず304ステンレス鋼管をのこぎりで切断し、200mmの管材を作成する。次に、専用の表面コーティングを潤滑剤として管材の外表面に塗布し、その後管材を金型の型腔に入れて金型を閉じる。有限要素解析によって得られた工程パラメータに従って条件を設定し、管材内に高圧油を送り込みながら、パンチによって管材を圧縮する。試験プログラムが完了したら、成形されたダブルクランクシャフト部品を取り出します。 クランクシャフトの内圧膨張成形試験用金型 4柱式内圧成形装置 負荷パス1、2、5を適用した試験結果は下図の通りです。膨形圧力と軸方向送りが適切にマッチしている場合の膨形結果は図a（パス5）に示されている。図aからわかるように、二重曲げクランクシャフトにはしわも割れも生じていない。図bからわかるように、膨張高さが非常に低い場合、ダブルクランクシャフトは既に破壊している。破壊の主な原因は、初期の圧力が過大であり、軸方向の送り量が少なすぎて周方向への拡大に必要な十分な材料が供給されず、過度な薄肉化が進んで破壊に至ったためである。図cからわかるように、しわが発生するのはクランクシャフトのラウンドオフ部であり、しわが生じる主な原因は、初期の圧力が低いために金属の流動が遅くなり、軸方向の変形が周方向の変形に変換される間に、材料が根元部分に集まってしまい、しわが形成されるからである。 異なる負荷経路におけるダブルクランクシャフトの試験結果 次に部品aの壁厚について分析する。部品の表面の油汚れを洗浄した後、表面は滑らかでくぼみやキズがなく、表面の成形品質は良好であった。軸方向に沿ってダブルクランクシャフトをワイヤーカットで切断し、厚さを測定した。断面上の12箇所の点で厚さを測定し、シミュレーション結果と比較した。 比較の結果、壁厚の分布に大きな差が見られ、クランクシャフトの曲がり部分の先端（5点）で壁厚が最も薄く、軸方向に両側に進むにつれて壁厚は徐々に増加し、クランクシャフトの曲がり部分の根元（1点）で壁厚が最も厚くなっている。厚さの分布については、実験値とシミュレーション値はほぼ一致している。 クランクシャフトの軸方向断面における壁厚分布の比較 シミュレーション結果と実験結果を比較すると、実際に製造されたダブルクランクシャフトのクランク部の膨張高さおよび長さは、いずれも設計寸法の要求を満たしている。 シミュレーションと実験結果の比較 シミュレーションおよび実験結果 数値シミュレーションにより二重湾曲クランクシャフトの高圧成形工程パラメータを最適化し、負荷経路5を最適な工程として選定した。その際の内部圧力は50 MPa、左右のパンチの進行距離は17 mm、摩擦係数は0.1である。この最適化された負荷経路を用いることで、二重湾曲クランクシャフト部品にしわや破損といった欠陥が生じるのを防ぎ、膨張高さが31.5 mmで壁厚分布が均一な二重湾曲クランクシャフト部品を得ることができる。実験結果はシミュレーション結果とほぼ一致している。