JP2008068279A

JP2008068279A - 中空異形段付軸の成形方法及びその成形装置

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Publication number: JP2008068279A
Application number: JP2006247672A
Authority: JP
Inventors: Nariaki Yamanaka; 成昭山中; Takeshi Kazama; 健風間
Original assignee: Kubota Iron and Machinery Works Ltd
Current assignee: Kubota Iron and Machinery Works Ltd
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: JP4812570B2; EP1900451A1; US20080060406A1

Abstract

【課題】整形のための後加工をほとんど必要とせず、安価に高精度の生産性に優れたカム軸等の異形段付軸を成形しようとするものである。
【解決手段】中空で、かつ軸方向中間部に大径部を有する中空段付軸８の大径部９ａ〜１２ｂを、軸心に対して４方向から成形型３２ａ〜３２ｄで略同時に押圧し、この大径部を成形型の先端に設けたキャビティ３８ａ〜３８ｄに沿う形状に成形する。
【選択図】図５

Description

本発明は、主として自動車用エンジンに用いられる中空カム軸で、中空軸の軸方向中間にカムのように、円形状に対して異形状の段状部を有する中空異形段付軸の成形方法及びその成形装置に関するものである。

例えば、自動車用エンジンの吸排気弁を駆動するカム軸の場合、これの軽量化の見地から中空の素材が用いられ、異形段部であるカム部を内側からバルジ加工により膨出成形するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また中空のカム軸は、カム軸形状に成形され、かつ棒状の中子を配置したキャビティ内に溶融金属を鋳込むことにより成形される鋳鉄（鋼）製のものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００−１９２８０５号公報特開平５−２６００７号公報

上記した中空の素材の内側から、これのカム部を膨出成形するようにした成形方法にあっては、カム面成形部を含む部分とそれ以外の部分とを分割した構造の成形型を使用し、この各成形型を移動しながら上記中空の素材の内側に液圧を作用するようにしていて、成形型を移動しながら中空素材内に高圧の液圧を作用しなければならないと共に、カム面部が局部的に薄肉化してしまうことにより、この部分に後加工により肉盛りして整形加工しなければならないため生産性が悪く、現状では量産に向かなかった。

また、鋳造するものにあっては、中空カム軸のカム面がチル化されているため、この部分の後加工による形状整形が大変であり、この従来の成形方法も生産性が悪かった。

本発明は上記のことに鑑みなされたもので、形状整形のための後加工をほとんど必要とせず、安価で高精度の生産性に優れたカム軸等の異形段付軸の成形方法及びその成形装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の中空異形段付軸の成形方法は、中空で、かつ軸方向中間部に大径部を有する中空段付軸の大径部を、軸心に対して４方向から成形型で略同時に押圧し、この大径部を成形型の先端に設けたキャビティに沿う形状に成形するようにしている。

また、本発明の請求項２に記載の中空異形段付軸の成形方法は、軸心に対して４方向から進退し、かつ先端にキャビティを設けた成形型を有する成形型装置の軸心部に、中空で、かつ軸方向の複数個所に大径部を設けた中空段付軸を、軸方向に移動可能に配置し、中空段付軸を軸方向に移動して各大径部を成形型装置の成形型に順次対向させ、この対向部において大径部を軸心に対して４方向から成形型で略同時に押圧して、この大径部を成形型の先端に設けたキャビティに沿う形状に成形するようにしている。

そしてこれら請求項１，２の記載に係る中空異形段付軸の成形方法において、中空段付軸の大径部の外径より小さな形に成形する部分を成形する成形型を、大径部の外径より大きな形に成形する成形型より先行して作動するようにした。

また、上記請求項２に記載の中空異形段付軸の成形方法において、各個所の大径部の成形の際に、中空段付軸を軸心廻りに所定角度にわたって回転し、軸方向に隣接する大径部での成形姿勢を軸心廻りに変えるようにした。

さらに、上記各請求項１〜４に記載の中空異形段付軸の成形方法において、大径部の成形時に、中空段付軸の中空孔内にマンドレルを挿入した。

そして上記中空異形段付軸を成形するための本発明の請求項６に記載の中空異形段付軸の成形装置は、プレス機械のボルスタ上に設置されて軸方向中間部に大径部を有する中空段付軸の下端部を支持する中空段付軸支持部材と、スライドに取り付けられて上記中空段付軸の上端部をくわえるくわえ手段と、ボルスタ上に設置されて、軸心に対して４方向から進退可能にし、かつ先端にキャビティを設けた成形型及びこの成形型を作動するシリンダ装置とから構成されている。

また、上記中空異形段付軸を成形するための本発明の請求項７に記載の中空異形段付軸の成形装置は、プレス機械のボルスタ上に固定される基台内に、ボルスタ内に設けたノックアウトシリンダにて昇降可能に、かつプレス機械のスライドの昇降と同期して昇降位置制御可能にしたノックアウトを設け、また基台の上部に、軸心に対して４方向から進退可能にし、かつ先端にキャビティを設けた成形型及びこの成形型を作動するシリンダ装置とからなる成形型装置を上記ノックアウトと同心状に設けた段部成形装置と、スライドに取り付けられ、上記ノックアウト上に支持される中空段付軸の上端をくわえるくわえ手段とから構成されている。

そして上記請求項７に記載の成形装置において、くわえ手段を割出装置に結合し、くわえ手段を軸心廻りに割り出し回転可能にした。

そしてさらに本発明の請求項７，８に記載の成形装置において、ノックアウトに中空段付軸の中空孔に挿入するマンドレルが貫通する孔を設けると共に、段部成形装置内に上記マンドレルを支持するマンドレル支持台を設けた。

本発明の請求項１に記載の中空異形段付軸の成形方法によれば、軸方向中間部に大径部を設けた中空段付軸の大径部に、成形型の先端を設けたキャビティに沿った形状の段状部が、この成形型の１回の押圧作動で成形することができ、中空段付軸においての所定の外周形状であるカム面の成形を短時間に行うことができ、かつほとんど後加工を必要としないほどの形状に成形することができる。

そして本願の請求項２に記載の中空異形段付軸の成形方法によれば、段付部を軸方向に移動することにより、この中空段付軸の中間部の複数個所に設けた大径部を順次成形装置に対向することにより、この各大径部の上記成形型装置による成形を順次効率よく行うことができる。

また、請求項３に記載の成形方法によれば、大径部に自動車用エンジンのカム軸のカムを形成する際に、大径部の径より小さな径となる基円部が先に成形され、大径部の径より大きな径となるカム面部が上記基円部より後に成形されることにより、上記基円部にて押し出された肉がカム面部側に移動した状態でこの部分が成形されることになり、大径部の肉は各成形型にて形成されるキャビティ内に密閉鍛造成形されて、上記キャビティの形状に沿う形状のカムを成形することができる。

また、請求項４に記載の成形方法によれば、軸方向の複数個所に設けられた各大径部を成形型装置にて成形するつど中空段付軸を、これの軸心廻りに所定角度にわたって回転することにより、各段部ごとにこの各段部の形状の軸心廻りの位相を変えることができ、各段部ごとに位相が異なる複数気筒の自動車用カム用エンジンの中空カム軸を能率よく成形することができる。

また、請求項５に記載の成形方法によれば、上記各成形方法における成形時に、中空段付軸の中空孔内にマンドレルを挿入することにより、中空段付軸の素材形状が変形することなく各大径部での段状部の成形を行うことができる。

さらに、本願の請求項６から９に記載の中空異形段付軸の成形装置によれば、上記請求項１から５に記載の成形方法による中空異形段付軸の各段状部の成形を短時間に効率よく行うことができる。そして特に本発明の請求項８に記載の成型装置によれば、くわえ手段にくわえられた中空異形段付軸を、これの各大径部での段状部の成形のつど、これの軸心廻りに正確な角度ずつ割り出し回転することができ、軸方向各位置における軸心廻りの角度が異なるカムを有する自動車用中空カム軸の各カムを、これの相互の姿勢角を正確に割り出して形成することができる。

図１は本発明方法にて成形する中空異形段付軸の一例である中空カム軸１を示す。この中空カム軸１は、複数の気筒を有する自動車用エンジンの給排気弁を作動するための部品であり、例えば軸方向の４個所に、それぞれ一対ずつの第１・第２・第３・第４のカム２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂが、それぞれの対ごとに軸心廻りに角度を異ならせて設けられている。各対のカムの間は軸受部６となっている。各対のカムの形状は同一形状になっていて、それぞれのカム面部をａ、基円部をｂとする。そしてカム面部ａと基円部ｂの両頂点を結ぶ線に対して対称形状になっている。なお、この中空カム軸１の両端には軸端部７が設けられている。

上記中空カム軸１は、図２に示した中空段付軸８から後述する本発明に係る成形方法にて成形される。
この中空段付軸８は中空になっていると共に、各対のカム２ａ〜５ｂを設ける部分に第１・第２・第３・第４の一対ずつの大径部９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂが成形されている。この中空段付軸８は所定の径の中空材から機械加工により成形してもよいが、本発明方法に用いる上記中空段付軸８は、図３に示した肉厚の中空材１３から塑性加工にて成形した。

すなわち図２に示すように、中空孔内にマンドレル１４ａを挿入した状態で回転する中空材１３の軸直角方向両側から、各大径部間及び軸方向両側の大径部９ａ，１２ａの外側の小径部に対応する成形ロール１５ａ，１５ｂ，…を押圧して所定の径の小径部となるよう塑性成形する。このときの各小径部の塑性変形による両側が盛り上がりにより各対の大径部９ａ〜１２ｂが成形される。このとき、各大径部の外周面は不定形となるので、この部分に他の成形ロールを押圧して整形する。

このときにおいて、各大径部の径は、この大径部から成形される段状部の大きさ及び形状によって設定される。この実施の形態では、この大径部の径はカムの基円部ｂの径より大きく、カム面部ａの径より小さくなっていて、これの基円部ｂの成形により余った部分がカム面ａ側に移動するようになっている。

次にこの中空段付軸８から図１に示したカム軸１のカム部を成形する方法及びその装置について図４から図６に基づいて説明する。

図中２１は、プレス装置のボルスタ２２上に設置されるカム成形装置である。このカム成形装置２１は、軸心部に円筒穴２３を有する基台２４を有しており、この基台２４の円筒穴２３内に、軸心部に素材挿入穴２５を有する内側台２６が嵌合されている。素材挿入穴２５には、ノックアウト２７が摺動可能に嵌合されている。このノックアウト２７は、ノックアウトピン２８を介してボルスタ２２内に設けられたノックアウトシリンダ２９に支持されていて、このノックアウトシリンダ２９の伸縮動作により上下動するようになっている。上記素材挿入穴２５は、上記中空段付軸８が遊嵌状態で嵌合する径になっている。

上記ノックアウトシリンダ２９の作動は、通常のノックアウト作動のほかに、ノックアウト２７の上端の位置を複数の所定の位置に設定できるように制御装置（ＣＮＣ等）にて制御が可能になっている。なお、この実施の形態にて用いられる成形装置でのノックアウトシリンダ２９は、ノックアウト２７により、あるいはこのノックアウト２７に代わる下型により成形装置内に位置する素材を下側から押圧成形可能になっている。

上記ノックアウト２７には、中空段付軸８の中空孔と同径の孔が設けてあり、この孔に上記中空段付軸８の中空孔に嵌挿されるマンドレル１４ｂが貫通するようになっている。そしてこのマンドレル１４ｂは、上記内側台２６の下部に設けたマンドレル台３０に支持されている。なお、上記ノックアウトピン２８はこのマンドレル台３０を貫通している。

基台２４の上端部にカム成形型装置３１が設けられている。このカム成形型装置３１は、基台２４の軸心に対して水平４方向から進退するようにした第１・第２・第３・第４の成形型３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、これらのそれぞれを進退作動するカム成形シリンダ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄとからなっている。

カム成形装置２１のカム成形型装置３１の上方に、カム成形装置２１にセットされる中空段付軸８の上端をくわえるチャック３４がプレス機械のスライド３５に取り付けて設けられている。このチャック３４は割出装置３６を介してスライド３５に取付けられていて、割出装置３６を作動することにより、チャック３４の軸心廻りの角度が任意に設定できるようになっている。３７はプレス機械のガイドポストである。

上記第１〜第４の成形型３２ａ〜３２ｄは、図５に示すようにカムのカム面部ａと基円部ｂの各頂点を結ぶ線ｃと、この線ｃと直角で、軸心を通る線ｄで仕切られる各領域に対向する配置となっていて、第１の成形型３２ａの先端には上記頂点を結ぶ線ｃに対して基円部ｂの右側で、かつ線ｄまでの形状を成形する第１キャビティ３８ａが、同様に第２の成形型３２ｂの先端には基円部ｂの左側で、かつ線ｄまでの形状を成形する第２キャビティ３８ｂが形成されている。また、第３の成形型３２ｃの先端には、上記頂点を結ぶ線ｃに対してカム面ａの左側で、かつ線ｄまでの形状を成形する第３のキャビティ３８ｃが、同様に第４の成形型３２ｄの先端にはカム面ａの右側で、かつ線ｄまでの形状を成形する第４のキャビティ３８ｄが形成されている。

上記各成形型３２ａ〜３２ｄにおけるキャビティは、図１に示した中空カム軸１のように、各カムが軸受部分の間隔をあけて１対ずつある場合には、図４に示すように上記間隔をあけて上下方向に２個所設けてあり、この各キャビティの両側部がカムの両側の小径部に対応するようになっている。

上記構成のカム成形装置２１による中空カム軸１の成形方法を以下に説明する。

カム成形型装置３１の各成形型３２ａ〜３２ｄを開状態にしたカム成形装置２１内に中空段付軸８を挿入して、これの下端をノックアウト２７上に当接すると共に、この中空段付軸８の上端をチャック３４にてくわえる。ついで、ノックアウトシリンダ２９とスライド３５とを同期作動によりノックアウト２７とチャック３４とを一体状に昇降させて成形型装置３１に対する素材軸８の位置決めを行う。このとき、例えば図４に示すように、第２の大径部１０ａ，１０ｂがカム成形型装置３１の各成形型３２ａ〜３２ｄのキャビティ３８ａ〜３８ｄに対向する位置にする。

この状態でカム成形シリンダ３３ａ〜３３ｄが作動されて、上記各成形型３２ａ〜３２ｄが図５に示した型開き状態から図６に示した押圧した状態になることにより、第２のカム３ａ，３ｂが成形される。このとき、各成形型３２ａ〜３２ｄの各１回のストロークにて上記カムが形成されるが、カムの基円部ｂ側を成形する第１・第２の成形型３２ａ，３２ｂは、カム面部ａ側を成形する第３・第４の成形型３２ｃ，３２ｄより数秒（例えば４秒程度）先行させて作動させる。

これにより基円部ｂは、中空段付軸８の大径部９ａ〜１１ｂの径より小径になるように変形され、これの変形分の、すなわち余った肉がカム面部ａ側へ移動し、このときのこの部分の増肉により、第１・第２の成形型３２ａ，３２ｂより遅れて作動する第３・第４の成形型３２ｃ、３２ｄにてカム面部ａが成形される。

ついでカム成形型装置３１の型開き後、ノックアウト２７とチャック３４とを一体状に昇降動作して中空段付軸８を昇降し、例えばこれの第４の大径部１２ａ，１２ｂをカム成形型装置３１のカム成形型３２ａ〜３２ｄの各キャビティ３８ａ〜３８ｄに対向させる。そしてこれと共に、割出装置３６を作動して、上記第１回目に成形した第２のカム３ａ，３ｂに対する軸心廻りの角度差だけ中空段付軸８を回転してカム角度を設定する。その後、カム成形型装置３１を作動することにより、上記第１回目の成形と同様に第４のカム１２ａ，１２ｂが成形される。

上記作動を順次繰り返して第１・第３のカム２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂを成形する。この各カム２ａ〜５ｂの成形において、中空段付軸８は軸方向に移動するが、マンドレル１４ｂは移動せず常にカム成形型装置３１に対向する位置となっていて、各カムの成形の際のバックアップの作用が行われる。

このときの成形は、各成形型３２ａ〜３２ｄのキャビティ３８ａ〜３８ｄ内に密閉された状態で、すなわち密閉成形される。そのため上記したように、大径部９ａ〜１２ｂの大きさは、キャビティ３８ａ〜３８ｄによる塑性変形体積と同一になっていて、各カム２ａ〜５ｂはキャビティ内に肉が余ることなく充填された状態で成形される。なお、この各カムの成形において上記各成形型３２ａ〜３２ｄの成形のためのストロークは、上記したように１ストロークで可能であるが、成形しようとする段状部の大きさ及び形状によっては、複数ストロークにて成形するようにしてもよい。

上記各カム２ａ〜５ｂのカム成形型装置３１による鍛造成形は、冷間状態で行われる。そしてカム成形型装置３１の各カム成形型３２ａ〜３２ｄを作動するカム成形シリンダ３３ａ〜３３ｄの作動は、ＣＮＣ制御により制御されて、各成形型３２ａ〜３２ｄの停止位置、移動速度、押圧力が任意に制御できるようになっている。また、ノックアウト２７を作動するノックアウトシリンダ２９及びスライドの作動も同様にＣＮＣ制御されて中空段付軸８は、各段のカムの成形はカム成形型装置３１に対して軸方向に正確に位置決めされるようになっている。

また割出装置３６は、各段のカムを成形するつど基準の角度に対して所定の角度に亘って中空段付軸８を割出回転するが、これもＣＮＣ制御にて高精度に作動させる。

なお上記実施の形態において、中空カム軸１の各カムの軸心廻りの角度が同一である場合には、割出装置３６は用いず、チャック３４は直接スライド３５に固着する。上記チャック３４は、一般的には複数の爪を用いて素材の軸端部を機械的にくわえるようにしたものであるが、これには電磁力を利用した吸着装置を用いてもよく、要は素材の端部を着脱可能にくわえることができるくわえ手段であればよい。

また、中空カム軸１の各カムが軸心廻りにそれぞれ角度がずれていても、この角度差が単純な値であれば割出装置を用いずに、スライド３５に直接固着される上記くわえ手段を所定の角度ずつ変更して固着するようにしてもよい。また、各カムの成型時において、この実施の形態では中空段付軸８の中空孔内にマンドレル１４ｂを挿入した例を示したが、このマンドレル１４ｂを用いない場合もある。

さらに、カム成形型装置３１においての成形型３２ａ〜３２ｄは、軸心に対して横４方向、すなわち４個用いた例を示したが、成形しようとする段状部の形状及び大きさに応じて３個あるいは５個以上の成形型を用いる場合もある。

そしてこの実施の形態では、段状部にカムを成形した中空カム軸１を成形する例を示したが、この段状部の形状は自動車用カムに限るものではなく、種々の異形形状を成形することができる。

上記実施の形態のほかに、ディーゼルエンジンの直噴エンジン用の一体型コモンレールの成形に利用できる。

本発明方法にて成形する中空異形段付軸の一例である中空カム軸を示す斜視図である。中空カム軸のための中空段付軸及びその成形方法を示す断面図である。中空段付軸の素材である中空軸の一部破断面図である。本発明方法を実施する装置を概略的に示す断面図である。カム成形装置の型開き状態を示す断面図である。カム成形装置のカム成形状態を示す断面図である。

符号の説明

１…中空カム軸、２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ…カム、６…軸受部、７…軸端部、８…中空段付軸、９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ…大径部、１３…中空軸、１４ａ，１４ｂ…マンドレル、２１…カム成形装置、２２…ボルスタ、２３…円筒穴、２４…基台、２５…素材挿入穴、２６…内側台、２７…ノックアウト、２８…ノックアウトピン、２９…ノックアウトシリンダ、３０…マンドレル台、３１…カム成形型装置、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…成形型、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ…カム成形シリンダ、３４…チャック、３５…スライド、３６…割出装置、３７…ガイドポスト、３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ…キャビティ。

Claims

中空で、かつ軸方向中間部に大径部を有する中空段付軸の大径部を、軸心に対して４方向から成形型で略同時に押圧し、
この大径部を成形型の先端に設けたキャビティに沿う形状に成形する
ことを特徴とする中空異形段付軸の成形方法。
軸心に対して４方向から進退し、かつ先端にキャビティを設けた成形型を有する成形型装置の軸心部に、中空で、かつ軸方向の複数個所に大径部を設けた中空段付軸を、軸方向に移動可能に配置し、
中空段付軸を軸方向に移動して各大径部を成形型装置の成形型に順次対向させ、
この対向部において大径部を軸心に対して４方向から成形型で略同時に押圧して、この大径部を成形型の先端に設けたキャビティに沿う形状に成形する
ことを特徴とする中空異形段付軸の成形方法。
中空段付軸の大径部の外径より小さな形に成形する部分を成形する成形型を、大径部の外径より大きな形に成形する成形型より先行して作動するようにしたことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項記載の中空異形段付軸の成形方法。
各個所の大径部の成形の際に、中空段付軸を軸心廻りに所定角度にわたって回転し、軸方向に隣接する大径部での成形姿勢を軸心廻りに変えるようにしたことを特徴とする請求項２記載の中空異形段付軸の成形方法。
大径部の成形時に、中空段付軸の中空孔内にマンドレルを挿入したことを特徴とする請求項１，２，３，４のいずれか１項記載の中空異形段付軸の成形方法。
プレス機械のボルスタ上に設置されて軸方向中間部に大径部を有する中空段付軸の下端部を支持する中空段付軸支持部材と、
スライドに取り付けられて上記中空段付軸の上端部をくわえるくわえ手段と、
ボルスタ上に設置されて、軸心に対して４方向から進退可能にし、かつ先端にキャビティを設けた成形型及びこの成形型を作動するシリンダ装置とからなる成形型装置と、
からなることを特徴とする中空異形段付軸の成形装置。
プレス機械のボルスタ上に固定される基台内に、ボルスタ内に設けたノックアウトシリンダにて昇降可能に、かつプレス機械のスライドの昇降と同期して昇降位置制御可能にしたノックアウトを設け、また基台の上部に、軸心に対して４方向から進退可能にし、かつ先端にキャビティを設けた成形型及びこの成形型を作動するシリンダ装置とからなる成形型装置を上記ノックアウトと同心状に設けた段部成形装置と、
スライドに取り付けられ、上記ノックアウト上に支持される中空段付軸の上端をくわえるくわえ手段とからなる
ことを特徴とする中空異形段付軸の成形装置。
くわえ手段を割出装置に結合し、くわえ手段を軸心廻りに割り出し回転可能にしたことを特徴とする請求項７記載の中空異形段付軸の成形装置。
ノックアウトに中空段付軸の中空孔に挿入するマンドレルが貫通する孔を設けると共に、段部成形装置内に上記マンドレルを支持するマンドレル支持台を設けたことを特徴とする請求項７，８のいずれか１項記載の中空異形段付軸の成形装置。