JP3554273B2 - 一本の管から軸を製造する方法、一本の管から軸を製造する装置及び一本の管から製造されるカムシャフト - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、一本の管から軸を製造する方法に係わり、軸は吊り上げ用ベアリング、カム又はベアリングステップ（階段）等の少なくとも１つの膨らんだ部分を有する。本発明はまた、その様な軸を製造する装置に関する。最後に、本発明はまた、一般的に一本の管から製造されるカムシャフトに関する。軸、より特別には特定の種類のカムシャフトは金属、より特別には鋼から一般的に製作される。それらは、例えばエンジンの重量を軽減するために使用され、自動車向けの鍛造又は鋳造部品に代用する。
【０００２】
多数の段階を有するカムシャフトの製造方法、特定の種類のカムシャフト及び該方法の実施のための装置は、米国特許第２ ８９２ ２５４号により知られている。既知のカムシャフトの製造に関するその明細書に従い、２基のブロックの様なツールの半分から形成される型成形ツールが使用される。閉じた状態でもう一方の上に一方を置くツールの半分の表面は、膨らんだカム部分が軸上に製造されるための中空の型を共同して形成する空洞により形成される。既知の装置により軸を製造するために、最初に軸の第１のカムが製造されるべき管部分がツール内に配置されており、一本の管には流体が充填される。その後、一本の管は、シールされ、適当な圧力発生装置により、問題の管の部分の材料をツールの中空の型に押しつけるために十分高い内圧が形成される。同時に、管材料の空洞内への流動を促進する軸方向の圧力が掛けられる。成形の第１段階の終了において、ツールは解放され、一本の管は、前に製造された膨らんだカム部がツール内の別の空洞に設置されるまで、軸方向に前に移動する。その後、内部圧力が再度形成され、別の膨らんだカム部が製造され、軸の全てのカムが完成するまで、該オペレーションは、手順に従い繰り返される。
【０００３】
既知の装置により、軽重量のカムシャフトが製造可能であることは真実である。しかし、この方法でカムシャフトの製造を実施する実用上の試みは、それらが、運転上の特性の要求に適合しないことを示している。更に、従来技術の方法によるその様なカムシャフトの製造は、骨の折れる仕事であり、時間の無駄が多い。異なる形状のカムを、従来技術の方法により軸上に製造することは可能ではない。
【０００４】
米国特許第２ ８９２ ２５４号、ドイツ特許明細書第４４ ２７ ２０１号（ＤＥ４４ ２７ ２０１ Ｃ２）で開示される方法の欠点を取り除くことは、カムシャフトの製造のための同様な多段の冷間押し出し成形方法で製造されるカムのための予備的な型の製造を示唆する。その様な予備の型の構造は、前述で説明した既知の方法により可能なものより、カムチップの区域により多くの材料の蓄積を可能にする。該一本の管への軸方向の圧縮力の適用により、補充の材料が、予備の型成形において常に両側に用意されており、特定のカムの区域に多量の材料のより有利な分配を結果として形成することを確保する。ＤＥ４４ ２７ ２０１ Ｃ２号により知られる方法において、予備の型成形に続いて、カムの最終の形状が、少なくとも１つの別の加工段階において製作される。
【０００５】
ＤＥ４４ ２７ ２０１ Ｃ２号により知られる方法が、改善された特性を有するカムシャフトの製造を可能にすることは真実であるが、しかし実用において、この方法で製造されたカムシャフトでさえも連続的な製造のために十分に開発された構成要素に必要な要求に合致しないことが分かった。更に、装置の多数のツール及び交換が、その方法の実行のために必要であるので、ＤＥ４４ ２７ ２０１ Ｃ２号に開示される方法では、多数の適切な品質のカムシャフトの製造が困難であることが証明されている。
【０００６】
軸、より特別にはカムシャフトに、安価で実用的な状態で製造される膨らんだ部分を形成することを可能にする特定の種類の装置及び方法を提供することが、本発明の目的である。これとは別の目的は、管から製造される従来技術のカムシャフトとの比較において、改善された運転上の特性を有していて一本の管から製造されるカムシャフトを提供することである。
【０００７】
述べられた問題は、吊り上げ用ベアリング、カム又はベアリングステップ等の少なくとも１つの膨らんだ部分を有する軸を、一本の管から製造する方法により解決されており、その方法では、一本の管が、製造された膨らんだ部分の区域に繋がる部分を半径方向に保持しており、一本の管に内圧が作用しており、その内圧が、一本の管に適用される軸方向に作用する圧縮力と協働して、半径方向に保持される部分に繋がる管の部分をアプセット（太く短い）するので、管の該アプセット部分の外径が、管のアプセットしていない部分の外径より大きくなり、その後に、製造される膨らんだ部分の最終の形状に対応する空洞を形成する中空な部分を有する型成形ツールが、管のアプセット部分に適用されており、膨らんだ部分は、型成形ツールにより半径方向に作用する圧縮力の適用により管のアプセット部分から形成されており、一本の管は全ての型成形のオペレーションを通して内部圧力を受け続ける。
【０００８】
本発明による方法において、まず最初に、型成形ツールにより妨害されないで、内部圧力と軸方向の圧力の協働により、特別な膨らんだ部分が製造されるべき区域に該一本の管のアプセットを形成する。アプセットすることにより引き起こされる材料の集中が、問題の部分における該一本の管の径を拡張することが、内圧により確保される。問題の該一本の管において、このことが、カムの引き続いて生じる完全な成形に必要な材料の蓄積を結果として形成する。その後に、型成形ツールは閉じられる。ツールがアプセット部分に接触すると直ぐに、圧力が半径方向から該一本の管に作用する。この圧力は、まだ内圧が作用していて、好適には金属でより特別には鋼である該一本の管の材料に作用しており、流動の特定の方向は、ツールの空洞の形状による結果として形成される。
【０００９】
本発明による冷間の押し出し成型方法の特別な形態は、既に述べたように、膨らんだ部分の製造が開始する前に、管の材料が、何らかの特別な形状に強制されることはないが、先ず最初に、管の材料のアプセットが製造され、その形状が決定されない材料の蓄積が付随する、という形態において構成される。アプセットする間において、材料は自由に流動することが出来るので、膨らんだ部分の最終的な形状の製造において、十分な材料が膨らんだ部分の壁が薄くなることを防止するために適用できるという単純な状態をこれは確保する。この方法において、本発明による方法は、多量の材料が制御された状態で、使用において増大した荷重が作用し易い様な膨らんだ部分のその様な場所に集中することを可能にしており、この可能性は、ツールが適用されるその時間の適切な選択、及び型成形ツールの空洞の対応する形状の形成により実現される。
【００１０】
本発明による加工段階の連続性のこれとは別の利点は、膨らんだ部分を具備する軸の製造が、単一の機械により実施できることである。ツール又は装置の費用が必要であり時間を浪費する交換は、実施してはならない。本発明による方法は、従って特に軸、より特別には自動車の構造のための膨らんだ部分を具備するカムシャフトの連続的な製造に適する。
【００１１】
膨らんだ部分の壁の区域における材料の特に有利な分布は、型成形ツールにより実施される成形において、軸方向の圧縮力により荷重が該一本の管に作用し続ける形態により、実現可能である。十分に補充される材料が、膨らんだ部分の区域における材料の分布と必要な壁の厚みを形成するために供給されることを、型成形ツールによる形状の形成における軸方向の圧力の保持により確保する。
【００１２】
形状の再形成の精巧さの更なる改善が、やはり適用される型成形ツールによる形状形成の工程の終わりに向かって管の内圧を増加することにより達成できる。形状形成の最終の段階において、管の内圧の増加により、管の材料はまた、一定の圧力で保持される場合には達しないと考えられるツールの空洞のそれらの区域に確実に流動する結果が得られる。
【００１３】
もし多数の軸方向に間隔が開けられた膨らんだ部分が、連続する手順で該一本の管に製造されるならば、その方法を実施する装置に必要な費用は、直前に製造された膨らんだ部分の製造のために使用されたその型成形ツールによりラジアルベアリングが形成される形態により、出来る限り少なくできる。
【００１４】
装置のために費用をやはりほとんど必要としない該一本の管に、多数の膨らんだ部分を製造するための本発明による方法の実用的な実施の形態は、該一本の管の前端部に関係していて軸方向の圧縮力の作用する方向において見られる、その膨らんだ部分により開始するという手順で、膨らんだ部分が成形されることに特徴を有する。その様な方法により、１基だけの圧力発生装置が、軸方向の内圧の適用のために必要である。
【００１５】
もし多数の膨らんだ部分が、該一本の管で製造されるならば、処理時間は短縮でき、その一方で更に、軸方向に作用する圧縮力が、該一本の管に両端部で作用しており、膨らんだ部分は対で成形されており、中央の対の膨らんだ部分から開始するという形態により、装置のための費用は低く維持される。
【００１６】
装置に関して、前述の問題は、吊り上げ用ベアリング、カム又はベアリングステップ等の少なくとも１つの膨らんだ部分を有する軸を一本の管から製造するための装置により解決されており、その装置は、該一本の管の周りで半径方向に係合してそれを挟むように適合するベアリング装置と、該一本の管に軸方向の圧縮力を作用することが可能な第１の圧力発生装置と、該一本の管の内部空間に導入される圧力媒体に圧力を作用することが可能な第２の圧力発生装置と、該一本の管に対して半径方向に適用可能であって、製造される膨らんだ部分の最終形状に対応する中空の型を形成する中空部分を有する少なくとも単独で分割された型成形ツールと、を具備する形態を有している。本発明による装置は、本発明による方法の実施に特に適している。
【００１７】
本発明による装置は、一つ以上の膨らんだ部分を具備する軸の自動化された製造方法により、管からの連続的な製造を可能にする。第１の手順において該特定の一本の管が、問題がない状態で自由にアプセットできるという単純な状態で、ベアリング装置により、該一本の管を保持できる。この成形段階において、型成形ツール部分が、半径方向に適用されており、該一本の管から離れて位置するので、アプセットのために必要な空間はこの運転段階において適用できる。結果として、本発明による方法により、軸が本発明による装置で製造される場合に、装置又はツールの交換は必要ない。
【００１８】
必要な空間及び型成形ツールの横方向の保持に関して、好都合にも型成形ツールは、平円盤形状で形成される。これは特に、多数の膨らんだ部分を有する軸の製造に関して、多数の型成形ツールが、装置の軸方向に一つずつ隣り合う平円盤形状で配置されるような場合である。その場合に、軸の個別の膨らんだ部分の製造は、一般的に連続的な手順で実施される。前の運転手順において製作される膨らんだ部分の製造に使用される型成形ツールは、製造されるべき次の膨らんだ部分のためのベアリング装置として使用できる。
【００１９】
本発明による装置は、型成形ツールが中央で分割される場合には、簡単に製造できる。
お互いの関係において、分割された型成形ツールの部分の動きの高度な正確性は、型成形ツールの部分が、お互いに確実に接続されるという形態により簡単に実現できる。
【００２０】
特定の種類の冷間の押し出し成形方法で製造されるカムシャフトに関して、前述の問題は、カムの壁の厚みがカムシャフトが製造される基本の材料の壁の厚みと少なくとも同等の大きさであるか、又はカムの間に位置する壁の部分の壁の厚みと少なくとも同等の大きさであるという形態により、第１の実施の形態において解決される。
【００２１】
これとは別か又は本発明の前述の実施の形態に追加で使用できるカムシャフトの設計には、カムチップの区域において、カムが、カムチップに向き合って位置する特定の壁の部分の区域にあるものと少なくとも同等の大きさである壁の厚みを有するという特徴がある。カムチップの区域における壁の厚みは、カムチップに向き合う壁の部分の壁の厚みより約２０％大きいことが好ましい。
【００２２】
本発明によるカムシャフトに具備される材料の分布は、カム、より特別にはそれらのチップがまた、例えばそれらが個人用の自動車で使用される場合に発生するような繰り返しの高度の磨耗荷重でさえも十分長いサービス寿命にわたり、且つ適切に耐えることを確保する。これは、本発明によるカムシャフトの加工後の費用を最少に減じることを可能にする。
【００２３】
説明したように、該方法は、製造されるカムの区域、更により特別にはそれらのチップの区域において、材料の制御された集中に特に適しているので、本発明によるカムシャフトは、本発明による方法により、特に有利に製造することが出来る。
本発明による実施の形態は、図解的な図面の参照により、より十分詳細に説明される。
【００２４】
図面を参照すると、一本の管ＲからカムシャフトＷを製造するための装置１が、鋼合金からなる該一本の管Ｒに設置されるレセプタクル（受け部）２を有する。レセプタクル２は、該一本の管Ｒの長手方向の軸Ｌを有する軸に平行な装置１の構造（図示されていない）に滑動可能に設置される。第１の油圧シリンダー３が、一本の管Ｒの同軸上に配置されており、第２の油圧シリンダー４が、正反対に向き合って配置されており、それらのピストン５、６が圧力伝達部材７、８を支持している。
【００２５】
該一本の管Ｒ（図２−４）まで動く圧力伝達部材７、８により、該一本の管Ｒは圧力伝達部材７、８間に軸方向に挟まれるので、油圧シリンダー３、４により形成される軸方向の圧縮力Ｄａは、圧力伝達部材７、８により、該一本の管Ｒのそれらの両端部から作用する。この運転状態において同時に、圧力伝達部材７、８は、該一本の管Ｒの端部面開口を塞ぐ。
【００２６】
それにより支持される圧力伝達部材８及び油圧シリンダー４のピストン６はまた、圧力伝達部材８の端面で吐出していて、ピストン６の形成する面に配置される圧力ライン１１のための接続部１０に接続する接続ライン９を有する。接続ライン９は、圧力ライン１１を経由して流体が該一本の管Ｒの内部Ｒｉに、圧力媒体として導入できる油圧ポンプ１２に接続する。内圧Ｐｉは、該一本の管Ｒの内部Ｒｉ内に導入される流体圧力の作用により該一本の管Ｒの内に形成できる。
【００２７】
該一本の管Ｒの長手方向の軸Ｌに直角で設置されていて、多数の平円盤（ディスク）形状の中央を分割された型成形ツールの上部の型の２基の半分１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａは、隣に合わせに一つずつ装置１の上部調整装置１５に配置される。調整要素（図示されていない）により、型の２基の半分１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａは、該一本の管Ｒに対して半径方向に使用できる（図３）。各型ツールの半分１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａは、その形が該一本の管Ｒに製造される各カムＮ１；Ｎ２の半分の形に対応する空洞１６ｃを有する。該一本の管Ｒの長手方向の軸Ｌに対して移動可能に軸が平行であって、図１に示される工程において調整装置１５の止め２３に対して型ツールの半分１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａにより形成されるパックを押しつけるプッシャー２２が、調整装置１５によりまた保持される。
【００２８】
対応する状態で、図１に示す運転状態において、型ツールの半分１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂは、装置１の底部の調整装置２４内で調整装置２４の止め２６に対してプッシャー２５により押しつけられる。型ツールの半分１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂは、型ツールの半分１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａに対応するように形成されており、型ツールの半分１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａの特定の空洞１６ｃと協働して、製造されるべきカムシャフトのカムＮ１又はＮ２のための型の空洞を各ケースにおいて形成する空洞１６ｄを有する。型ツールの半分１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａと丁度同様に、型ツールの半分１６ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂは、調整要素（図示されていない）により、該一本の管Ｒに対して半径方向に使用される。
【００２９】
図１に示される運転状態において、該一本の管Ｒの第１の半径方向のベアリングは、油圧シリンダー３に関係する該一本の管Ｒの端部Ｒｅの周りに半径方向に係合するベアリング装置３０により形成される。図１に示されるような運転状態において、型ツールの半分１６ａ、１６ｂの幅Ｂに対応する幅を有する自由空間３１が、ベアリング装置３０及びレセプタクル２の端面間に形成される。
【００３０】
第１のカムの製造に関して、内部圧力Ｐｉが作用する該一本の管Ｒには、油圧シリンダー３、４の軸方向に作用する圧縮力Ｄａが作用する。これは、レセプタクル２の端面とベアリング装置３０間の自由空間３１内にアプセット（太く短い）の形状を形成する。同時に、アプセットＡの径は、アプセットされない一本の管Ｒのそれより大きくなるように（図２）、該一本の管Ｒの内部圧力Ｐｉは管材料の流動を管理する。
【００３１】
その後、型ツールの半分１６ａ、１６ｂは、それらがアプセット部Ａ（図３）に着座するまで、調整要素（図示されていない）により、該一本の管Ｒに対して半径方向に適用される。型ツールの半分１６ａ、１６ｂを適用する動きが、その後継続する場合に、型ツールの半分１６ａ、１６ｂは、管の部分Ｒｓの区域内のアプセットしている材料上にそれらの空洞１６ｃ、１６ｄを押しつけて、アプセットＡに向かう流動の方向が、空洞１６ｃ、１６ｄ（図４）により形成される中空を充填する。
【００３２】
最終的に、型ツールの半分１６ａ、１６ｂは、軸方向へのプッシャー２２、２５の移動により、それらの端部位置で固定される。その後、レセプタクル２は、軸方向に引き抜かれて、型ツールの半分１６ａ、１６ｂ間に新しい自由空間３２を形成する。同時に、型ツールの半分１６ａ、１６ｂは、次のカムが製造されるべき部分に繋がる部分に該一本の管のための半径方向のベアリングを形成する。
【００３３】
別のアプセットＢ（図５）は、軸方向の圧縮力が該一本の管Ｒ上に対応するように作用することにより、空間３２に形成されており、内部圧力Ｐｉは変更されずに保持される。その後、型ツールの半分１７ａ、１７ｂが適用され、別のカムが、カムＮ１に関する前の記述と同じ状態で製造される。
【００３４】
その後対応するように、製造される特定のカムシャフトの残りのカムが製作される。全ての型ツールの半分１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが、該一本の管を保持した後で、内圧Ｐｉは短時間だけ増大する。結果として、該一本の管Ｒの材料はまた、それがこれまでまだ到達していない型ツールの半分１６ａ−２０ｂの空洞１６ｃ、１６ｄのこれらの区域に流動する。
【００３５】
それらのカムチップＮｘの区域において、説明した状態で製造された第１のカムシャフトのカムＮ１は、カムチップｎｘ（図６）と向き合う壁部Ｎｙの壁の厚みｄｙと少なくとも正確に同じ大きさである壁の厚みｄｘを有する。これは、型ツールの半分１６ａ−２０ｂの空洞１６ｃ、１６ｄの形状の適切な選択、アプセットな特定の部分の区域に集合する管材料の量の選択、及び特定の型ツールの半分１６ａ−２０ｂが該一本の管Ｒに適用される時間の選択により実現される。
【００３６】
図７に示される本発明による第２のカムシャフトＷの場合において、カムＮ２の区域における壁の厚みｄｚは、カムＮ２の間に位置するそれらの部分Ｗａの区域の壁の厚みｄｗと少なくとも厳密に同じ厚みを有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の運転位置において、一本の管からのカムシャフトの製造のための装置を通る長手方向の断面である。
【図２】図２は、第２の運転位置において、図１に示す装置の一部分を通る拡大された長手方向の断面である。
【図３】図３は、第３の運転位置において、図１に示す装置を通る長手方向の断面である。
【図４】図４は、第４の運転位置において、図１に示す装置を通る長手方向の断面である。
【図５】図５は、第５の運転位置において、図１に示す装置を通る長手方向の断面である。
【図６】図６は、カムシャフトを通る横断面である。
【図７】図７は、第２のカムシャフトの一部分を通る長手方向の断面である。

Claims (6)

1. 吊り上げ用ベアリング、カム（Ｎ１、Ｎ２）又はベアリングステップ（階段）等の少なくとも１つの膨らんだ部分を有する軸を、一本の管（Ｒ）から製造するための製造方法において、
   一本の管（Ｒ）が、製造される膨らんだ部分の区域に繋がる部分（Ｒｅ）において半径方向に保持され、
   一本の管（Ｒ）に、全体の型成形オペレーションを通して保持される内圧（Ｐｉ）が作用し、
   内圧（Ｐｉ）と協働していて軸方向に作用する圧縮力（Ｄａ）が、一本の管に作用するので、半径方向に保持される部分（Ｒｅ）に繋がる管の部分（Ｒｓ）がアプセット（短く太い）されて、管の該アプセット部分（Ｒｓ）の外径が、管（Ｒ）のアプセットされていない部分の外径より大きい寸法とされ、
   その後、製造されるべき膨らんだ部分の最終形状に対応する空洞を形成する中空部分（１６ｃ、１６ｄ）を有する型成形ツール（１６ａ−２０ｂ）が、管のアプセット部分（Ｒｓ）に適用され、
   膨らんだ部分が、型成形ツール（１６ａ−２０ｂ）を使用して、半径方向に作用する圧縮力の適用により管のアプセット部分（Ｒｓ）から形成される
   吊り上げ用ベアリング、カム（Ｎ１、Ｎ２）又はベアリングステップ等の少なくとも１つの膨らんだ部分を有する軸を、一本の管（Ｒ）から製造するための製造方法。
2. 型成形ツール（１６ａ−２０ｂ）により実施される成形において、一本の管（Ｒ）が、軸方向の圧縮力（Ｄａ）により継続して荷重をかけられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 型成形ツール（１６ａ−２０ｂ）が一本の管（Ｒ）を保持した状態で、一本の管（Ｒ）の内圧（Ｐｉ）が、成形オペレーションの最後で増大することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 多数の膨らんだ部分が、連続する手順で一本の管（Ｒ）上に製造されており、半径方向の支持が、直前に製造される膨らんだ部分の製造のために使用されてきたその型成形ツール（１６ａ−２０ｂ）により、各ケースにおいて実施されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 多くの膨らんだ部分が、一本の管（Ｒ）上に製造されており、軸方向の圧縮力（Ｄａ）の作用方向から見て、一本の管（Ｒ）の前端部に関係する、その膨らんだ部分より開始する連続的な手順で、膨らんだ部分が成形されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 多くの膨らんだ部分が、一本の管（Ｒ）上に製造されており、一本の管（Ｒ）には軸方向に作用する圧縮力（Ｄａ）が両端で作用しており、膨らんだ部分が対で成形されており、中央の対の膨らんだ部分から開始することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

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