JP3974116B2

JP3974116B2 - カム製造方法

Info

Publication number: JP3974116B2
Application number: JP2004074719A
Authority: JP
Inventors: 俊輔竹口; 浩行高村
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: US20050207932A1; JP2005264183A; KR20060043614A; US7166255B2

Description

本発明は、いわゆる組立カムシャフトに用いられるカムの製造方法に関する。さらに具体的には、熱処理をした後にカムの外周形状を加工する必要がなく、熱処理を終了した時点で最終目的形状を呈しているカムの製造方法に関する。

例えば、自動車のエンジン等の内燃機関において用いられるカムシャフトは、その軽量化を目的として、従来の鋳鉄カムシャフトに変えて、組立カムシャフトが多く使用されるようになっている。さらに、この組立カムシャフトの製造コストを削減するために、カムとシャフトとを組み立てた後にカム外周面（カムプロフィール）の後加工（研削等）が不要となるような焼結によるニアネットシェイプのカムの製造方法も提案されている。

具体的には、例えば、特許文献１では、焼結用粉末を圧縮成形、焼結し、その後に調質するカムの製造方法において、前記焼結後に、調質の際に生じる歪みとは逆向きの修正を行うことで、調質の際に歪みを利用してカムの目標輪郭形状に変化させることが提案されている。

また、特許文献２では、内燃機関用の接合カムシャフトにおけるカムを焼結と焼結鍛造によって製造するに際し、カムを形状誤差および寸法誤差を考慮して暫定的に製造、および修正し、焼結等の際に生じるプロセス熱変形によって変形させることでカムを目標輪郭形状とし、後加工を不要とするカムの製造方法が提案されている。
特開平８−２９５９０４号公報ヨーロッパ特許公報ＥＰ０７１８４７３

しかしながら、前記特許文献１に記載のカムの製造方法においては、「圧縮成形」「焼結」「修正」「調質」という最低でも４つの工程を行う必要があり、工程の数を考えると、「圧縮成形」「焼結」「調質」「後加工（研削）」を行っていた従来からの方法と変わらず、大幅なコストの削減を図ることはできない。

また、前記特許文献２に記載のカムの製造方法においても、「焼結」や「調質」等の様々なプロセス熱変形の全てを考慮し、この熱変形と逆方向にカムの全体形状を暫定的に補正しているが、この方法では、形成用の金型や修正用の金型の設計や製造が非常に困難となり、コントロールも難しいという欠点がある。

本発明はこの様な問題点を解決するためになされたものであり、熱処理後にカムの外周を修正する必要がなく、しかも従来の方法に比べ格段に簡便な方法を提供することを主たる課題とする。

本願の発明者は、上記課題を解決するために、まず以下の事実を認識し、この事実に着目することにより本発明を完成した。

つまり、焼結によってカムを製造する場合に最も問題となるのが、焼結や調質等によってカムの形状が変形してしまう事であるが、この変形が最も生じやすい部分は、カムのベース部分であることを認識した。このカムベース部分には、カムとシャフトを組み立てる際にシャフトを通すための孔が設けられているため、カムベース部分の半径方向の肉厚が薄くなってしまい、その結果、カムのノーズ部分に比べ、熱による変形が生じやすくなっているのである。

そして、この事実に着目した結果完成した本発明は、焼結用粉末を仮圧縮成形し、仮焼結し、本圧縮成形し、本焼結し、次いで熱処理をするカム製造方法であって、前記熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以上とすることに特徴を有している。

また、上記発明においては、前記本圧縮成形をする際に用いられる金型を用い、カムのノーズ部分のみに対し、最終目的形状とは異なる形状に修正を加えても良い。

本発明によれば、焼結用粉末を仮圧縮成形し、仮焼結し、本圧縮成形し、本焼結し、（いわゆる２Ｐ２Ｓ（２回圧縮、二回焼結））次いで熱処理（調質）をする、焼結カムの製造方法を採用し、熱処理前、つまり２Ｐ２Ｓ終了後のカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以上としているので、最も変形しやすいカムのベース部分の変形を抑制することができ（または、変形を均一化することができ）、その結果、カムのベース部分に対し熱処理前に特別な修正を加える必要がなく、また熱処理後に研削等の後加工をする必要もなく、単純に２Ｐ２Ｓ（２回圧縮、二回焼結）と熱処理（調質）のみの工程でカムを製造することができる。

また、前記本圧縮成形をする際に用いられる精度の高い成形金型を用いて、密度アップと、カムのノーズ部分のみに対し最終目的形状とは異なる形状となるように修正を加えることにより、前述した特許文献１に記載の方法のように、本焼結後にわざわざ修正工程を設ける必要がなくなる。

そもそも、カムのノーズ部分は、カム形状の中でも最も重要な部分であり（当該ノーズ部分が弁を開口する部分となるから）、従ってこの部分の形状はカムのベース部分に比べて正確に形成する必要がある。また、カムのノーズ部分はカムの形状の中で最も負荷がかかる部分であるため、密度アップをして強固に形成する必要がある。一方、ノーズ部分はプロセス熱変形によりノーズ形状が伸びる（大きくなる）傾向があることが分かっている。この状況において、本発明によれば、カム形状の中で最も重要な部分であるノーズ部分のみを、最終目的形状とは異なる形状、つまり、ノーズ部分を潰す方向に修正しするので、この修正によりノーズ部分の密度をさらに向上することができ、その結果、当該部分の強度を向上することができるとともに、プロセス熱変形が生じることによりカム形状を最終目的形状とすることができる。

以下に、本発明のカム製造方法について、図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明のカム製造方法の工程を示すフロー図である。

また、図２は、本発明のカム製造方法において製造されるカムの正面図である。

先ず、図２を用いて、本発明のカム製造方法において製造されるカムの各部分について説明をする。図２に示すように、カム２０は、ベース部分２１と、ノーズ部分２２とにより構成されている。ここで、ベース部分２１とは、外周形状が略真円の部分、つまりカムのリフトが０の部分のことである。一方、ノーズ部分２２は、前記ベース部分以外の部分、つまり、外周形状が真円ではなく、カムのリフトが０を超える部分のことである。また、シャフトと組み合わせて用いられるカムには、シャフトを通すための孔２３が設けられている。以下の説明においては、この孔の半径方向における、カムの肉厚、つまり孔２３の外周からカムベース部分２１の外周までの距離（図２に示す符号ｄ参照）を、「ベース部分の半径方向の肉厚」とする。

このようなカム２０を製造するための本発明のカム製造方法は、図１に示すように、焼結用粉末１０を仮圧縮成形し（Ｓ２）、仮焼結し（Ｓ４）、本圧縮成形し（Ｓ６）、本焼結し（Ｓ８）、次いで熱処理（Ｓ１０）をするカム製造方法であって、前記熱処理（Ｓ１０）前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以上とする、換言すれば、前記熱処理（Ｓ１０）前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以上に保った状態で熱処理（Ｓ１０）を行うことを特徴としている。

カムのベース部分の半径方向の肉厚が３．０ｍｍ未満であると、熱処理の際の歪みが大きく、具体的には、カムのベース部分における水平方向（カムのノーズ部分の先端のシャフト用の孔の中心とを結んだ線と直交する方向；図１参照）に位置する部分は内方に変形し、一方、カムのベース部分における垂直方向（カムのノーズ部分の先端のシャフト用の孔の中心とを結んだ線の方向；図１参照）は外方に変形して、全体として楕円となってしまうが、本発明は、カムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以上としているため、このような歪みが生じることがない。また、本発明の方法においては、熱処理（Ｓ１０）を行った後、シャフト用の孔２３の内径加工をすることによって、最終的なカムのベース部分の半径方向の肉厚を調整することができる（つまり、最終的に製造されるカムの半径方向の肉厚は３．０ｍｍ未満とすることも可能である）。

以下に本発明の各工程について詳細に説明する。

・焼結用粉末について
本発明の方法においてカムを製造するために用いられる焼結用粉末については、本発明は特に限定することはなく、従来公知のいかなる焼結用粉末を用いることができる。

・仮圧縮成形について
本発明の方法における仮圧縮成形（Ｓ２）は、前記で説明した焼結用粉末１０を、仮圧縮成形用金型を用いて、圧縮し、カムの大まかな形状を形成する工程をいう。

この仮圧縮成形においては、６．５〜７．０ｔｏｎ／ｃｍ²程度の圧力をかけることが好ましい。

なお、この仮圧縮成形において形成されるカムのベース部分の半径方向の肉厚については、特に限定しないが、この後に行われる仮焼結（Ｓ４）や本焼結（Ｓ８）によるプロセス熱変形を考慮し、この変形が生じてもなお、最後に行われる熱処理（Ｓ１０）の前の段階でのカムのベース部分の半径方向の肉厚が３．０ｍｍ以上となるように、逆算をしておくことが必要である。

・仮焼結について
本発明の方法における仮焼結（Ｓ４）は、前記仮圧縮成形（Ｓ２）後のカムを予備的に焼結する工程をいう。

この仮焼結においては、７００〜９００℃で焼結することが好ましく、その時間は、製造しようとするカムの大きさにより異なるが、おおよそ０．５〜２時間が好ましい。

・本圧縮成形について
本発明の方法における本圧縮成形（Ｓ６）は、前記仮焼結（Ｓ２）後のカムを、前記仮圧縮成形用金型とは異なる、本圧縮成形用金型を用いて再度圧縮する工程をいう。

この本圧縮成形においては、カムのノーズ部分はカムの形状の中でも最も負荷がかかる部分であるため、密度を向上せしめ強固に形成する必要があるため、９．０〜１２．０ｔｏｎ／ｃｍ²程度の圧力をかけることが好ましい。

また、本発明においては、当該本圧縮成形（Ｓ６）において用いられる本圧縮成形用金型によって、カムのノーズ部分２２のみに対し、最終目的形状とは異なる形状に修正することが好ましい。具体的には、カムのノーズ部分２２は当該本圧縮成形（Ｓ６）後に行われる、本焼結（Ｓ８）および熱処理（Ｓ１０）によってノーズ形状が伸びる（大きくなる）傾向があることが分かっているので、この変形の逆の方向、つまりノーズ部分２１を目的形状よりも潰す方向に修正することが好ましい。

・本焼結について
本発明の方法における本焼結（Ｓ８）は、前記本圧縮成形（Ｓ６）後のカムを、再度焼結する工程をいう。

この本焼結においては、１１００〜１２００℃で焼結することが好ましく、その時間は、製造しようとするカムの大きさにより異なるが、おおよそ０．５〜２時間が好ましい。また、この本焼結において、１２００℃以上で焼結すると、変形が大きすぎたり、微小な「ふくれ」が発生してしまう場合があり好ましくない。

また、本発明の方法においては、本焼結後のカムのベース部分の半径方向の肉厚が３．０ｍｍ以上であることに特徴を有しており、これにより、後述する熱処理（Ｓ１０）を行ってもカムのベース部分が大きく変形することがなく、その結果、研削等の後処理をする必要がなく、また本焼結後に修正を加える必要もない。

・熱処理について
本発明の方法における熱処理（Ｓ１０）は、前記本焼結（Ｓ８）後のカム（このカムのベース部分の半径方向の肉厚は３．０ｍｍ以上となっている。）の焼入焼戻しをする（調質する）ための工程をいう。具体的には、例えば、８５０〜９５０℃で加熱した後、５０〜１２０℃で油焼入をし、さらに１００〜２５０℃で加熱後に空冷することを挙げられる。

本発明の方法においては、このような熱処理を行った後のカムについて、カムの外周（いわゆるカムプロフィール）について研削等の後処理をすることがなく、熱処理後のカムをそのままシャフトと組み合わせてカムシャフトを製造することができる。

このような各工程から本発明の方法を図３、図４を用いてさらに具体的に説明する。

図３、図４は、本発明の方法を構成する前記各工程後のカム形状を示す図であり、図３は、加熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍとした場合を示し、図４は、加熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．５ｍｍとした場合を示す。

図３、図４のグラフの横軸の値が０．００のラインＬ₀が、カムの最終目的形状である。そして、ラインＬ₁が仮圧縮成形後のカムの形状を示し、ラインＬ₂が仮焼結後のカムの形状を示し、ラインＬ₃が本圧縮成形後のカムの形状を示し、ラインＬ₄が本焼結後のカムの形状を示し、ラインＬ₅が熱処理後のカムのカムの形状を示している。また、この図において、０〜１１５°および２６０〜３６０°の範囲がカムのベース部分であり、１１５〜２６０°までがカムのノーズ部分である。

これらの図からも分かるように、本発明の方法で最初に行われる仮圧縮成形の後のカムは、そのベース部分については、目的形状と同一の形状を呈しており（最終目的形状Ｌ₀もラインＬ₁も何れも直線である。）、一方、ノーズ部分については、目的形状とは異なる形状となるように仮圧縮成形されている。そして、次に行われる仮焼結の後のカムは、ラインＬ₂を見ればわかるように、ベース部分、ノーズ部分ともに変形が生じている。そして、次に行われる本圧縮成形の後のカムは、そのベース部分については、目的形状と同一の形状を呈しており、一方、ノーズ部分については、目的形状とは異なる形状に修正が加えられた形で圧縮成形されていることが分かる。つまり、本発明の方法においては、ベース部分については、その半径方向の肉厚が３．０ｍｍ以上なので、特別な修正をすることがなく、また変形量も十分に把握できるので、目的形状と同一の形状にするのみで良く、ノーズ部分にのみ、目的形状とは異なる形状に修正を加えている。さらに説明すれば、ノーズ部分においては、仮焼結によってベース部分に比べて「上に凸」となるように形状が変形しているのに対し（ラインＬ₂参照）、本圧縮成形によって、ベース部分に比べて「下に凸」となるように修正が加えられている（ラインＬ₃参照）。これは、ノーズ部分を縮める方向に修正を加えることで、当該部分の密度を向上せしめている結果である。その後、本焼結が行われることにより、本圧縮成形後のカム形状は変形し（ラインＬ₄参照）、さらに、熱処理が行われることにより、最終的なカムの形状も変形しているが（ラインＬ₅参照）、目的形状を示すラインＬ₀と、本発明の方法により製造されたカムの形状を示すラインＬ₅を対比すると、何れの角度においても０．０１〜０．０２ｍｍ程度の寸法誤差であり、最大寸法誤差の０．０５ｍｍよりかなり低めの寸法誤差であり、この程度の誤差であれば、十分に実施に耐え得る。

また、最終的なカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以下としたい場合には、まずは本発明の方法によってカムを製造し（つまり、当該肉厚が３．０ｍｍ以上のカムを製造し）、その後、シャフト用の孔を拡径する加工を施すことで最終的なカムのベース部分の半径方向の肉厚を所望の値に調整すればよい。

本発明の方法と比較するために、熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を２．５ｍｍとした場合を図５に示し、熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を２．０ｍｍとした場合を図６に示す。なお、この図の見方は、上記本発明の方法の図３、４と同じである。

これらの図からも明らかなように、カムのベース部分の半径方向の肉厚が３．０ｍｍ以下（具体的には２．５ｍｍや２．０ｍｍ）の場合には、それぞれ、最終的な寸法誤差が０．０３〜０．０５ｍｍであり、最大寸法誤差に接近している。また、熱処理の際の歪みが大きく、カムのベース部分が垂直方向に延びた楕円形状となってしまい、その結果、カムシャフトと組み立てた後においてもカムのベース部分は楕円形状のままとなってしまう。

このように、本発明に方法によれば、熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以上とするので、寸法誤差を０．０１〜０．０２ｍｍ程度に低くでき、従来に比較して圧縮成形用、および修正用の金型の設計・製造が簡便となり、寸法誤差のコントロールが容易である。

本発明のカム製造方法の工程を示すフロー図である。本発明のカム製造方法において製造されるカムの正面図である。本発明の方法を構成する前記各工程後のカム形状を示す図である（加熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚が３．０ｍｍの場合）。本発明の方法を構成する前記各工程後のカム形状を示す図である（加熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚が３．５ｍｍの場合）。本発明の方法と比較するための方法を構成する各工程後のカム形状を示す図である（加熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚が２．５ｍｍの場合）。本発明の方法と比較するための方法を構成する各工程後のカム形状を示す図である（加熱処理前のカムのベース部分の半径方向の肉厚が２．０ｍｍの場合）。

符号の説明

２０…カム
２１…ベース部分
２２…ノーズ部分
２３…孔

Claims

焼結用粉末を仮圧縮成形し、
その後、仮焼結し、
その後、本圧縮成形し、
その後、本焼結し、
その後、熱処理をするカム製造方法であって、
前記仮圧縮成形の終了後から、前記熱処理を行う前の間、カムのベース部分の半径方向の肉厚を３．０ｍｍ以上に保持しつつ、
前記仮圧縮成形、および前記本圧縮成形の際には、カムのベース部分については、カムの最終目的形状と同一形状に成形するのに対し、カムのノーズ部分については、カムの最終目的形状とは異なり、最終目的形状よりも潰れた形状に成形する、
ことを特徴とするカム製造方法。