CN1136339A - 单体空心凸轮轴及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空心凸轮轴，它由一可冷成型，可热处理的金属或金属合金或塑料制成，并且具有与其外轮廓平行的纤维走向；本发明亦涉及一种该轴的制造方法，它具有以下步骤：置上一管出口部分并充灌液体；至少将待扩径管段密封，在待扩径管段中施以一合适的内高压用于制成一个中间产品——预成型件，其中在施加内高压的同时将空心管径纵向向一模具中进行镦锻，使得在应形成凸轮处产生材料堆积；用内高压成型方法在一相应于最终凸轮轴形状的模具中进行中间产品——预成型件的成型。因而可在所要求的地方形成凸轮；必要时可通过热处理或类似方法对凸轮进行后续加工。

Description

单体空心凸轮轴及其制造方法
本发明涉及一种空心凸轮轴及使用内高压成型法生产这种空心轴的方法。
本发明特别涉及那些方法，即在用内高压成型法由管段形成完全的空心轴时使用预成型法。其中管段可为任意纵向延伸的空心体，也可为矩形管，六边形管或其它截形的空心管。
与实心凸轮轴不同，如图1示意示出的空心凸轮轴相对要轻75％。而相比之下已知的凸轮轴，如从DE-C-3704092，EP278292，EP278292，DE-C-3428372或EP290758或EP303845所公开的凸轮轴只比实心轴轻40％。另外，已知的凸轮轴制造成本较高，因为要将分开的凸轮和空心管预先夹持在一起并且随后以一合适的方式一起置入一个模具中，必须将昂贵的单个零件贮存在仓库并将其装在一起。
基于该原因，迄今已知的空心凸轮轴尽管在理论上并且在保护权利的专利申请中对其制成后的形状作了描述，但仍没在车辆中得到应用。
对此，可在一个生产此类轴的合适的方法技术中找出该原因。例如在DE-C-1910517中给出了制造该空心凸轮轴的建议。但是，这种方法完全不适用于由空心管制造凸轮轴。所要求的变形  既不能用电磁变形，也不能用电液成形来经济地实现，如在DE-C-3736453中所描述的旋转锻迄今也仍不能达到预定目标。这种空心凸轮轴的生产方法特别会由于凸轮单边质量分配(不均)而导致失败。相应于US-C-2,892,254的第一工具的单工序内高压成型法也不能达到预定目标。尽管该先进方式中具有材料的轴向推移，在凸轮尖端的形状仍不能充实，同样在凸轮上会产生一个较大的壁的延伸。图2示出了由已知的单工序的内高压成型法生产的凸轮中不希望的壁的延伸。
对于内高压成型法或者IHV-方法，例如1984年3月9日的《工业期刊》第20页对其进行了描述，或在1D/91版的《金属成型技术》第15页以后，即A.Ebbinghaus的“内高压成型法制的轻型精密工件”中，或在《材料和企业》123(1990)，3，第241到243页中，即A.Ebbinghaus的“以内高压成形法经济地构造精密工件”中，或在《材料和企业》122，(1991)，11，(1989)，第933到938页中都对其作了描述。以下不再重复对所有的公开资料进行描述。
这些方法迄今被用于例如生产法兰，如在EP-2395052所述。或者也可用来将凸轮紧固在管上以制造空心凸轮轴。
相比起来本发明的目的在于：提供一个可经济地生产的空心凸轮轴及其制造方法。
由这样的凸轮轴可实现上述目的，即它为由可冷成型和热处理的金属或塑料一体组成，并且具有一个与凸轮轴的外轮廓平行的纤维走向。
最好使用碳素钢，它具有足够的延伸率并且也可进行热处理从而产生硬化。
合适的材料可为：19MnB4，16MnCr5，CK45，19CrMo44，15Cr3，C25钢，X3NiCoMoTi1895，B-C-Ti合金和一些具有类似性能的材料。
另外本发明还涉及一种使用内高压成型法生产空心轴的方法，其特征在于下列步骤：
-置上一管出口部分并充灌液体；
-至少将待扩径管段密封；
-在待扩径管段中施以一合适的内高压用于制成一个中间产品-预成型件，其中在施加内高压的同时将空心管沿纵向向一可移动的模具中进行镦锻，使得在应形成凸轮处产生材料堆积；
-用内高压成型方法在一相应于最终凸轮轴形状的模具中进行中间产品-预成型件的成形，因而可在所要求的部位形成凸轮，必要时可通过热处理对凸轮进行后续加工。
由从属权利要求可得出本发明有益的其它进一步的结构。
按本发明亦能通过已知的内高压成型方法(1993年在Hannover召开的第14届成形技术学术会报告，引用了它的广泛的公开资料，构思出一个两道工序的凸轮轴的成型方法，它可用于经济地制造凸轮轴。其中，从工艺角度来看，凸轮尖端的形状精度和壁的低延伸率为相应的内高压成型方法的主要要求。
该方法令人惊异之处在于，它可生产带基本恒定壁厚的凸轮轴。
以下借助附图和其说明对本发明作进一步阐述，附图中：
图1为一按本发明的在两成型工序中制造的凸轮轴的示意图；
图2为一在一道单一工序中制成的凸轮轴示意图；
图2a为沿图2中A-A线的剖面图；
图3为一按本发明制造的凸轮预成型件的剖面图；
图3a为凸轮最终成型件的剖面图，它由图3中的预成型件制成；
图4为凸轮第一成型工步的一预成型件横向和纵向剖面图；
图5为凸轮第一成型工步另一预成型件横向和纵向剖面图；
图6为凸轮第一成型工步又一预成型件横向和纵向剖面图；
图7为由图4-6所述的预成型件制成的凸轮最终形状；
图8为按本发明轴表示其纤维走向的照片的局部，它沿纵向剖切。
按本发明的凸轮轴特征为相对于现有技术生产的空心凸轮轴来说不再具有套装的凸轮，而是由一个单个的无其它零件的粗制管材在多道成型工序中加工而成。因而可得到一个非常有利的与轴的外轮廓平行的纤维走向，而这又可使轴得到一个高的强度并且其重量较小。同时，如果需要，可保持一在2-5mm之间基本恒定的壁厚，其误差只为约0.5mm。图1中以简图示出了一按本发明的轴。
从一中心管制成凸轮不会有什么困难。重要的是，使用具有一定硬度并且有足够可冷成型能力的材料，以便形成一个耐磨损的凸轮。
为了完成这种无裂纹的花费高的成型(加工)。可例如使用可热处理、而且延伸率大的合适的碳素钢。当然，按使用目的不同如用在固定电机、飞机马达、船用电机或农用车辆等不同物体中可使用如铝合金、钛合金和其它为专业技术人员所熟悉的轻的且高强度的材料，如19MnB4，16MnCr5，CK45，19CrMo44，15Cr3，C25号钢，X3NiCoMoTi1895，β-C-Ti合金和那些具有相似性能的材料。按使用目的的不同可使用贵的轻质材料(用于飞机马达上)，或当重量(例如在船用马达)不是重要因素时，使用较重的材料。
按本发明方法最好为具有带预成型和最终成型至少两道工序的成型法。其中第一道工序中的预成型具有特别重要的意义。为了在第二道成型工序的最终成型中保证得到一个形状精度和小的壁的延伸，应在预成型时在凸轮壁中进行一个有利的质量预分配。在任何情况下，该质量分配只有在当物料从两侧轴向向内凸轮推移时才能达到。通过一已知的工具技术可实现在每个凸轮上的轴向推移。
图2示出了一个由单一成型工序所制成的空心凸轮轴的剖面，其中特别可由图2a即凸轮的横截面得出：在单工序的方法中金属的延伸太大，并且出现较大的壁厚差别，即在凸轮尖端厚为约1.0mm，在其相对侧管壁厚为3.0mm。从而就不能保证其强度。
与此相反图3中示出了一个凸轮和它在按本发明方法中作为预成型件被制造。通过首先在预成中形成一较宽的凸轮，它最好比最终形状宽约10到40％。最佳是20到30％，并且比最终形状要圆，从而可在会产生最大的材料延伸的关键凸轮部位形成足够的材料积累。这些材料积累可在一第二成型工序中，例如通过一内高压成型法，也能按要求使用其它方法，如旋转锻造或其它类似方法成型为最终形状。已表明，通过两道成型工序可使所要求的材料堆积形成凸轮。
例如在图4中预成型凸轮具有圆的凸轮顶端R1，以避免不必要的材料延伸，预成型凸轮宽度B1比最终凸轮宽度B2大10％至40％，最好为20到30％。形成最终形状时在第二成型工序中对该圆和宽的预成型凸轮进行轴向顶镦。顶镦过程可阻止管壁过量的拉伸并且获得一高的形状精度，从而可省去以后的后续加工工序。
图5和6示出了另一可能的第一成型工序中的预成型凸轮，它具有一要求的放大的外围U1，它比最终成型件大5％至20％，优先在10％左右。这种情况下生产最终成型件时材料从周围方向U2流向凸轮尖端。在此，应该指出图6的形状，表示一个局部塌陷的预成型凸轮，随后在后续成形工序中将其最终成型为一个凸轮。
图7示出了已加工完成的凸轮的最终形状，它可由图4到6中每一个预成型凸轮制得。在一个实施例中(本发明决不仅局限于此)从凸轮尖端到基体典型的凸轮高度为50mm，管段直径为30mm，壁厚为3mm，凸轮尖端壁厚2-3mm且其基体壁厚5mm，因为在该处有一较大的材料堆积。自然在图中所示的凸轮预成型和最终成型件不受限制，因而必要时，也可按此原理制造一个在凸轮轴上的支承环或类似物。
图8为按本发明凸轮轴局部段中纤维走向的照片，从中可看出，纤维与凸轮轴的壁平行。
最后，还应提及将内高压成型法和其它成型方法结合的可能性，例如通过内高压成型法产生一个合适的预成型件并随后通过旋转锻造或其它普通专业技术人员所熟知的合适的方法进行最终精加工。
所述的轴可依据IHV-方法的已知方式进行进一步处理，例如进行淬火。对此已知的通过一个或多个后处理方法对轴进行后续加工可为：碳氮共渗(Nitrocarburieren)等离子渗氮，硼化处理，激光淬火，无渗C淬火，感应淬火，火焰淬火，电子束淬火，和渗碳淬火。
还应指出，按本发明带有不同凸轮工作角、壁厚、壁厚比的轴可通过IHV-方法制造，决不局限于上述任何一个实施例。

Claims (8)

1.空心凸轮轴，其特征在于：它由一可冷成型、可热处理的金属或金属合金或塑料制成，并且具有一个与凸轮轴外轮廓平行的纤维走向。
2.按权利要求1所述的凸轮轴，其特征在于，所述材料为碳素钢。
3.按权利要求1或2所述的空心凸轮轴，其特征在于：在已制成的凸轮轴中凸轮作用高度约为40到60mm，其中凸轮尖端壁厚为约1.5到4mm，凸轮基体壁厚约为4到6mm并且凸轮之间管状段的壁厚约为2-4mm。
4.按上述权利要求之任一项所述的使用内高压成型法由空心管生产空心轴的方法，其特征在于以下步骤：
-置上一管出口部分并充灌液体；
-至少将待扩径管段密封；
-在待扩径管段中施以一合适的内高压用于制成一个中间产品预成型件，其中在施加内高压的同时将空心管沿纵向向一可移动的模具中进行镦锻，使得在应形成凸轮处产生材料堆积；
-用内高压成型方法在一相应于最终凸轮轴形状的的模具中进行中间产品预成型件的成形，因而可在所要求的地方形成凸轮；
必要时可通过热处理或类似方法对凸轮进行后续加工。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于：管状原材料壁厚约为2至5mm，最好约在2.5到4mm之间。
6.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在中间形态时凸轮预成型件比已加工完的成品凸轮宽。
7.按权利要求4到6中任一项所述的方法，其特征在于，在中间形态时凸轮预成型件比已加工完的成品凸轮的外围尺寸大。
8.按权利要求4到7中任一项所述的方法，其特征在于，可通过以下一个或多个后处理方法对轴进行后续加工，如可为碳氮共渗、等离子渗氮、硼化处理，激光淬火，无渗C淬火，感应淬火，火焰淬火，电子束淬火和渗碳。
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