BR112015010267B1

BR112015010267B1 - método para produzir um eixo de cames para um motor de combustão interna

Info

Publication number: BR112015010267B1
Application number: BR112015010267-0A
Authority: BR
Inventors: Marco Colosseo; Daniele Bassan
Original assignee: C.R.F. Società Consortile Per Azioni
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2020-11-10
Also published as: EP2745951B1; BR112015010267A2; EP2745951A1; CN104853862B; CN104853862A; WO2014096988A1; US10124397B2; US20150343519A1

Abstract

MÉTODO PARA PRODUZIR UM EIXO DE CAMES PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA É descrito aqui um método para obter-se um eixo de cames para um motor de combustão interna tendo uma estrutura feita de uma única parte. O eixo de cames é obtido partindo-se de um elemento tubular metálico (1). Os cames (1a) do eixo de cames são obtidos expandindo-se o elemento tubular (1) dentro de uma matriz (S1, S2) empregando-se fluido de alta pressão. O elemento tubular (1) pode ter uma espessura ampliada nas partes (1a) que são para formar os cames. A formação com fluido de alta pressão pode ser obtida usando-se gás ou líquido (por exemplo, água ou óleo) em alta pressão, em temperatura ambiente ou em uma temperatura mais elevada. A parte obtida é submetida a tratamento térmico e a uma operação de moagem. No caso de formação quente, a parte pode já ser cementada em seguida à operação de formação empregando-se fluido de alta pressão. Pode ser considerado que a matriz de formação compreenda meios de aquecimento localizados para obter-se cementação das partes da peça que são para constituir os cames em seguida à operação de formação.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a métodos usados para produzir eixos de carnes para motores de combustão interna, do tipo em que um elemento tubular metálico é expandido introduzindo-se um fluido de alta pressão nele. Um método deste tipo é, por exemplo, descrito e ilustrado no documento No. WO 2003/033189. De acordo com a técnica conhecida acima, o eixo de carnes é obtido fixando-se uma série de elementos anulares, que são para definir os carnes em um elemento tubular, e expandindo-se o elemento tubular com uma operação de hidroformação, a fim de fixar os elementos anulares supracitados ao elemento tubular. Há, por outro lado, conhecidos métodos de produção alternativos, em que os elementos anulares definindo os carnes são fixados ao elemento tubular, expandindo-se o último por meio de uma ação mecânica com a ajuda de um mandril de expansão. Os métodos conhecidos, descritos acima, foram propostos e usados como uma alternativa para métodos mais convencionais, que tencionam obter um eixo de carnes em uma única parte, por meio de uma operação de forjamento convencional.

[0002] O método de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 é conhecido pelo WO 99/20414 A1. Métodos similares são conhecidos pelos JP 2000 192805 A, EP 0 906 800 A1, US 2003/221514 A1, JP S59 113944 A.

[0003] O objetivo da presente invenção é prover um eixo de carnes para um motor de combustão interna por meio de uma operação de formação empregando-se um fluido de alta pressão, em particular, por hidroformação ou formação com gás em alta pressão, para obter-se ao mesmo tempo uma estrutura de eixo de carnes em uma única parte.

[0004] Com vistas a alcançar os fins acima, o assunto da invenção é um método tendo os aspectos da reivindicação 1.

[0005] A operação de formação empregando-se um fluido de alta pressão pode ser realizada fria ou quente, com líquido (p. ex., água ou óleo) ou com gás. Por exemplo, a operação de formação utilizando o mandril de expansão de fluido de alta pressão é realizada por meio de gás, tal como, por exemplo, nitrogênio, em uma pressão entre 400 e 800 bar e pelo menos uma temperatura entre 800 °C e 950 °C.

[0006] Como uma alternativa, a operação de formação empregando-se fluido de alta pressão pode ser uma operação de hidroformação realizada por meio de água ou óleo em uma pressão entre 2000 e 3000 bar, em temperatura ambiente ou mais elevada.

[0007] Em uma primeira forma de realização, as partes de espessura ampliada do elemento tubular que é instalado na matriz são obtidas submetendo-se um elemento tubular, inicialmente de espessura uniforme, a uma operação preliminar de deformação permanente por meio de formação de fluxo, que é realizada colocando- se o elemento tubular em rotação e aplicando-se em torno dele rolos de formação rotativos, que são deslocados ao longo do elemento tubular, mantendo-os pressionados contra o elemento tubular.

[0008] Em uma variante, no caso em que o elemento tubular é feito de alumínio ou suas ligas, é obtido com partes contíguas de diferentes espessuras por meio de um processo de extrusão.

[0009] Em outra forma de realização, dito elemento tubular é obtido com partes contíguas de diferentes espessuras por meio de curvatura e solda de uma lâmina metálica tendo partes de diferentes espessuras.

[0010] O elemento tubular pode, por exemplo, ser feito de aço de cementação, tal como aço de boro 22Mn B5.

[0011] Preferivelmente, cada uma das partes ampliadas da cavidade da matriz tem extremidades opostas tendo um diâmetro que varia progressivamente entre um valor mínimo e um valor máximo, de modo que os carnes do eixo de carnes sejam obtidos com uma correspondente conformação, incluindo extremidades opostas tendo um diâmetro que varia progressivamente entre um valor mínimo e um valor máximo.

[0012] Pode ser considerado o uso de uma matriz oposta, com partes radialmente móveis em regiões correspondendo a partes do elemento tubular que são para formar os carnes. Neste caso, pode ser considerado que, durante a operação de formação usando-se fluido de alta pressão, as partes móveis supracitadas sejam deslocadas radialmente para fora em etapas sucessivas, uma após outra, a fim de formar ditos carnes um de cada vez.

[0013] Pode também ser considerado que a matriz seja provida com meios de aquecimento em posições correspondendo a partes da cavidade da matriz que são para formar os carnes do eixo de carnes, a fim de obter-se uma cementação localizada dos carnes em seguida à operação de formação por meio de fluido pressurizado.

[0014] Em geral, se a operação de formação usando fluido de alta pressão for realizada quente, a parte obtida pode já ser endurecida. De outro modo, em seguida à operação de formação usando-se fluido de alta pressão, é realizada uma operação de tratamento térmico.

[0015] De acordo com uma outra característica, a parte obtida com o método descrito acima é finalmente submetida a uma operação de moagem.

[0016] Além disso, características e vantagens da invenção emergirão da seguinte descrição com referência aos desenhos anexos, que são providos simplesmente por meio de exemplo nâo-limitante, e em que: - a Figura 1 é uma vista em seção transversal de um elemento tubular que deve ser submetido ao método de acordo com a invenção, de acordo com um exemplo da forma de realização; - a Figura 2 é uma ilustração esquemática do dispositivo usado para a operação preliminar de formação de fluxo do elemento tubular; - a Figura 3 é uma vista em seção transversal do elemento tubular, após a operação de formação de fluxo preliminar; - a Figura 4 é uma vista em perspectiva do elemento tubular ilustrado na Figura 3; - as Figuras 5A-5F são ilustrações esquemáticas das várias etapas da operação de formação empregando-se fluido de alta pressão; e - as Figuras 6 e 7 são vistas em perspectivas que mostram, respectivamente, um eixo de carnes de acordo com a técnica convencional e um eixo de carnes obtido com o método de acordo com a invenção.

[0017] Na Figura 1, o número de referência 1 designa, como um todo, um elemento tubular feito, por exemplo, de aço de boro 22MnB5. Em um exemplo real da forma de realização, o elemento tubular 1 tinha um comprimento L = 500 mm e diâmetros internos e externos d = 27 mm e D = 30 mm.

[0018] Na forma de realização ilustrada, o produto semifinalizado 1 é, antes de tudo, submetido a uma operação de formação de fluxo por meio de um aparelho, tal como o ilustrado esquematicamente na Figura 2. O elemento tubular 1 é montado em um mandril 2, que é colocado em rotação em torno de seu eixo geométrico 2a por meio de motor (não visível no desenho). Enquanto o elemento tubular 1 é colocado em rotação, uma pluralidade de rolos de formação 3 é deslocada axialmente em torno dele. Cada rolo de formação 3, assim, apresenta tanto um movimento de rotação em torno de seu eixo geométrico como um movimento de translação em uma direção paralela ao eixo geométrico 2a. Além disso, cada suporte 3a de cada rolo de formação 3 é pressionado radialmente, de tal modo que cada rolo 3 exerça uma alta pressão contra a parede do elemento tubular 1. A Figura 2 não ilustra o meio motorizado associado ao eixo 3b de cada rolo formador 3.

[0019] Como resultado da operação de formação de fluxo preliminar supracitada, o elemento tubular 1 admite o formato ilustrado nas Figuras 3 e 4, incluindo uma pluralidade de partes 1a de espessura ampliada que são para definir os carnes do eixo de carnes. As partes 1a são colocadas em uma distância axial entre si por partes 1b tendo um diâmetro externo menor. O diâmetro interno do elemento tubular 1 é, em vez disso, constante por todo seu comprimento, como pode ser visto na Figura 3.

[0020] No exemplo real supracitado da forma de realização, o diâmetro interno do elemento tubular 1, obtido após a operação de formação de fluxo preliminar, era d = 22 mm, enquanto o diâmetro externo das partes 1a e 1b era D1 = 30 mm e D2 = 25 mm.

[0021] Como pode ser visto na Figura 4, as partes 1a do elemento tubular 1, obtido após a operação de formação de fluxo preliminar, pode ter comprimentos axiais diferentes entre si, de acordo com a conformação desejada do eixo de carnes.

[0022] As Figuras 5A-5F são ilustrações esquemáticas das várias etapas da operação de formação empregando-se fluido de alta pressão, na qual o elemento tubular 1, obtido em seguida à operação de formação de fluxo preliminar, é submetido. As Figuras mostram esquematicamente o método com referência a uma parte teórica de pequeno comprimento, incluindo uma única parte que é para definir um único came. É evidente que na forma de realização real, tanto a parte como, consequentemente, a matriz têm uma dimensão axial maior. Da mesma maneira, a matriz é ilustrada nos desenhos anexados como incluindo uma cavidade principal com uma única parte ampliada, que é para definir um único carne do eixo de carnes. É evidente que na forma de realização real a cavidade da matriz tem uma dimensão axial mais extensa, e sua cavidade tem uma pluralidade de partes ampliadas colocadas axialmente entre si que são para definir os vários carnes do eixo de carnes.

[0023] A Figura 5A mostra a etapa preliminar, em que o elemento tubular 1, obtido em seguida à operação de formação de fluxo preliminar, é posicionado na matriz. A matriz para hidroformação é ilustrada nos desenhos anexados em forma simplificada como incluindo um elemento de matriz de topo S1 e um elemento de matriz de base S2, que podem se deslocar verticalmente com respeito entre si entre uma condição aberta, em que são colocados entre si, que possibilita a introdução da parte a ser formada ou extração da parte que foi formada (vide Figuras 5A e 5F), e uma condição fechada, em que são colocados próximos entre si para realizar a operação de formação (vide Figuras 5B-5E).

[0024] Os desenhos anexados não mostram a máquina de hidroformação dentro da qual cada matriz é posicionada. Dita máquina pode ser obtida em qualquer forma conhecida. Em particular, é possível fazer uso de uma máquina de hidroformação, tal como a formando o assunto do documento No. EP 1 992 427 A1 depositado no nome do presente requerente.

[0025] Na etapa inicial ilustrada na Figura 5A, os dois elementos de matriz S1, S2 estão na condição aberta, para possibilitar o posicionamento do elemento tubular 1 dentro da matriz. Nos desenhos das Figuras 5A-5F, o elemento tubular é ilustrado como elemento tubular teórico, com diâmetro externo constante e diâmetro interno constante. Entretanto, como já foi mencionado, de acordo com a invenção, o elemento tubular é inserido na matriz de formação após ser previamente submetido à operação de formação de fluxo descrita acima, em seguida ao que tem as partes 1A de espessura ampliada que são para constituir os carnes do eixo de carnes.

[0026] A Figura 5B mostra a etapa em que os elementos de matriz S1, S2 são fechados após introdução do elemento 1 entre eles. Nesta condição, os dois elementos S1, S2 definem uma cavidade axial substancialmente cilíndrica, que distribui suas duas extremidades opostas sobre as extremidades opostas dos elementos de matriz S1, S2. Em áreas correspondendo a cada parte 1a do elemento tubular 1 que é para formar um came, a cavidade da matriz tem uma parte aumentada C1. Na forma de realização real, a cavidade da matriz tem uma pluralidade de partes aumentadas C1 colocadas axialmente entre si por partes cilíndricas C2.

[0027] As extremidades opostas da cavidade da matriz são fechadas por dois elementos de fechamento cilíndricos T, cada um tendo um canal axial T1 conectado a um circuito para suprimento de fluido de alta pressão.

[0028] Como já foi mencionado acima, o método, de acordo com a invenção, considera tanto o uso de um líquido em alta pressão em um processo de hidroformação (por exemplo, água ou óleo quente) como, como uma alternativa, o uso de um gás (gás inerte) em uma alta pressão (por exemplo, nitrogênio).

[0029] A Figura 5C mostra a etapa subsequente em que a cavidade interna da matriz é carregada com fluido (água W no exemplo típico da forma de realização), captando-o para fluir através dos canais W1, W2 produzidos através dos elementos de matriz S1, S2.

[0030] A Figura 5D mostra uma subsequente etapa em que os elementos de formação T são produzidos para avançar axialmente até entrarem em contato com a extremidade do elemento tubular 1, a fim de isolar a câmara dentro do elemento tubular 1 dos canais W1, W2.

[0031] A Figura 5E mostra a subsequente etapa, em que a cavidade dentro do elemento tubular 1 é conectada ao circuito de alta pressão P de tal forma que o elemento tubular 1 é forçado a expandir-se dentro da cavidade ampliada C1 pela água em alta pressão contida nele.

[0032] Como pode ser visto no exemplo da forma de realização ilustrada, cada parte ampliada C1 da cavidade da matriz tem extremidades opostas tendo um diâmetro que varia progressivamente entre um valor mínimo e um valor máximo, de modo que também a parte deformada do elemento tubular 1, que define cada carne, admite uma correspondente configuração, com extremidades axialmente opostas tendo um diâmetro que varia progressivamente entre um valor mínimo e um valor máximo.

[0033] A Figura 5F mostra a etapa em que, após o fim da formação do elemento tubular, a matriz é aberta, e o elemento tubular é extraído para ser submetido a uma operação de tratamento térmico (cementação) e a uma subsequente operação de moagem.

[0034] A Figura 7 mostra um exemplo de eixo de carnes, obtido com o método de acordo com a invenção, em comparação com um eixo convencional de funcionalidade equivalente. No eixo de carnes da invenção, as partes do elemento tubular funcionando como carne são designadas pela referência 1a, enquanto as designadas por 1b são as partes colocadas entre elas, pelo menos algumas delas são usadas para suporte em rotação do eixo de carnes por meio de mancais de rolamento.

[0035] Como já mencionado acima, o processo de formação usando fluido de alta pressão pode ser realizado frio ou então quente. No caso do processo quente, gás ou óleo é, preferivelmente, usado. A temperatura de aquecimento é preferivelmente compreendida entre 850 °C e 950 °C, e é preferivelmente em torno de 900 °C. Com o processo quente acima, é possível conseguir que a parte esteja já completamente cementada em seguida à operação de formação.

[0036] Como uma alternativa, o processo pode ser realizado frio. Pode também ser considerado que a matriz seja provida com meios de aquecimento (por exemplo, meio de aquecimento por indução) em posições correspondendo às partes da cavidade da matriz que são para formar os carnes, a fim de obter-se uma cementação de indução dos carnes durante a operação de formação.

[0037] Por outro lado, a parte obtida é submetida a uma operação de tratamento térmico após a operação de formação.

[0038] Finalmente, como foi dito, a parte é submetida a uma operação de moagem.

[0039] Também pode ser considerada uma matriz composta com partes que podem deslocar radialmente em posições correspondendo às partes da cavidade da matriz que são para formar os carnes. As matrizes deste tipo são conhecidas e foram propostas, por exemplo, no documento No. EP 1 579 931 A1, depositado no nome do presente requerente para formar elementos tubulares com ramificações. Neste caso, é preferivelmente considerado que durante a operação de formação usando-se fluido de alta pressão as partes móveis supracitadas são deslocadas radialmente para fora em etapas sucessivas, uma após a outra, a fim de formar ditos carnes um de cada vez.

[0040] Graças às características referidas acima, o método, de acordo com a invenção, possibilita que um eixo de carnes seja obtido em uma única parte, com operações relativamente simples e rápidas. O eixo de carnes obtido com o método de acordo com a invenção apresenta vantagens de maior leveza e maior rigidez quando comparado com eixos de carnes de um tipo convencional. Além disso, o eixo de carnes assim obtido é mais seguro do que os eixos de carnes em que os carnes são constituídos por elementos anulares separados associados com um eixo tubular que é expandido por meio de hidroformação.

[0041] Naturalmente, sem prejudicar os princípios da invenção, os detalhes de construção e as formas de realização podem variar amplamente com respeito ao que foi descrito e ilustrado aqui simplesmente por meio de exemplo, sem desse modo desviar-se do escopo da presente invenção.

[0042] Em particular, como já mencionado acima, como uma alternativa para a etapa preliminar da formação de fluxo, um elemento tubular pode ser provido com partes contíguas de diferentes espessuras, obtidas, por exemplo, por extrusão (no caso de alumínio) ou por curvatura e soldagem de uma lâmina metálica composta de partes de diferentes espessuras. Nem é descartado o uso de um elemento tubular de espessura uniforme para realizar a operação de formação empregando-se fluido de alta-pressão.

Claims

1. Método para produzir um eixo de carnes para um motor de combustão interna, em que um elemento tubular metálico (1) é expandido introduzindo-se um fluido de alta pressão no mesmo, o eixo de carnes é obtido em uma única parte, formando os carnes (1a) por meio de expansão do elemento tubular (1) dentro de uma matriz (S1, S2), em que a operação de formação empregando-se fluido de alta pressão é realizada em uma matriz (S1 ,S2) tendo uma cavidade cilíndrica principal para receber dito elemento tubular (1), dita cavidade principal tendo partes ampliadas (C1) colocadas axialmente entre si, para formar os carnes do eixo de carnes, caracterizado pelo fato de que cada uma das ditas partes ampliadas (C1) da cavidade da matriz tem extremidades axialmente opostas tendo um diâmetro que varia progressivamente entre um valor mínimo e um valor máximo tal que os carnes do eixo de carnes são obtidos com uma conformação correspondente, incluindo extremidades opostas tendo um diâmetro que varia progressivamente entre um valor mínimo e um valor máximo.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento tubular (1), que é colocado dentro da dita matriz tem uma espessura ampliada nas suas partes (1a) que são para formar os carnes.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que ditas partes (1a) de espessura ampliada do elemento tubular, que é colocado na matriz, são obtidas por sujeitar um elemento tubular (1) incialmente de espessura uniforme a uma operação preliminar de deformação permanente por meio de formação de fluido, que é realizado colocando o elemento tubular (1) em rotação e aplicando ao redor do mesmo rolos de formação rotativos (3), que são deslocados ao longo do elemento tubular (1), mantendo-os pressionados contra o elemento tubular(1).

4. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que dito elemento tubular (1) é obtido com partes contíguas de diferentes espessuras, usando um processo de extrusão.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito elemento tubular (1) é obtido com partes contiguas de diferentes espessuras por meio de curvatura e solda de uma lâmina metálica tendo partes de diferentes espessuras.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a operação de formação empregando-se fluido de alta pressão é uma operação de hidroformação realizada usando liquido, por exemplo água ou óleo, a uma pressão entre 2000 e 3000 bar e a temperatura ambiente ou maior.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a operação de formação empregando-se fluido de alta pressão é realizada por meio de um gás, por exemplo, nitrogênio, em uma pressão entre 400 e 800 bar, e em uma temperatura entre 850 °C e 950 °C

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que, após a operação de formação empregando-se fluido de alta pressão, é realizada uma operação de tratamento térmico.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que para a operação de formação empregando-se fluido de alta pressão é usada uma matriz composta, com partes radialmente móveis em posições correspondendo às partes do elemento tubular que são para formar os carnes.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que durante a operação de formação empregando-se fluido de alta pressão, as partes móveis supracitadas são deslocadas radialmente para fora em etapas sucessivas, uma após a outra, a fim de formar ditos carnes um de cada vez.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento tubular (1) é feito de um material escolhido entre aço, alumínio, ou suas ligas.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz usada na operação de formação empregando-se fluido de alta pressão é provida com meios de aquecimento em posições correspondendo às partes (C1) da cavidade da matriz (S1, S2) que são para formar os carnes do eixo de carnes, a fim de obter-se cementação localizada dos cames em seguida à operação de formação empregando-se fluido de alta pressão.