JP4356644B2 - 中空カム軸の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、肉厚中空素材を用いて塑性形成によりカム部を成形するようにした中空カム軸の製造方法に関するものである。

この種のカム軸の従来の製造方法としては、素材鋼管に塑性加工を施して最終仕上げ形状に近似した形状を有するカム軸素材を成形し、その後このカム軸素材のカム摺動面にレーザ肉盛を施すようにした製造方法（例えば、特許文献１参照）や、中子を用いての中空鋳物による製造方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開２０００−１９２８０５号公報 特開平５−２００７１１号公報

上記特許文献１に示された製造方法にあっては、素材鋼管には電縫管のような肉薄の鋼管が用いられ、この素材鋼管のジャーナル相当部位に成形型を押し当てながら素材鋼管を回転させてジャーナル部を縮径加工し、その後この素材鋼管を膨出加工用の成形型内にセットし、軸方向に圧縮力を作用させながら中空内部に液圧をかけて所望の部分（カム部分）を膨出成形するようにしている。

上記特許文献１による製造方法によれば、大径部であるカムの成形にバルジ加工法が用いられていることにより、大きく膨出変形されるカムの頂部の肉厚が他の部分より薄くなってしまい、強度的に問題があった。そのため、このカムの頂部に後加工でレーザ肉盛を施さなければならず、それでも熱処理時にこの部分に割れが生じる等の問題があった。

また、特許文献２に示された製造方法にあっては、全体が鋳物成形されるため軸方向の凹凸成形が容易であるが、外周面が冷却によりチル化しており、カム部等の仕上げ加工時において、このチル部の切削あるいは研磨の後加工がやっかいであった。
また、カムの頂部等の摺動部は所定の硬度を必要とするが、鋳物材であることによりこの必要硬度を得るのが難しかった。

本発明は上記のことに鑑みなされたもので、肉厚中空の鋼材を用いて中空カム軸を塑性成形により製造することにより、焼き入れ加工が容易で、かつカムの頂部の肉厚を十分厚くできるようにした中空カム軸の製造方法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に係る中空カム軸の製造方法は、肉厚中空の第１素材の軸方向複数個所を、この第１素材を回転させた状態で、これの軸直角方向から自由回転する段状部用ローラを押し付けて縮径変形し、この縮径部に隣接する部分を縮径による肉移動にて素材径より大径にし、ついで、この縮径部に隣接する部分を所定径の大径部になるよう加工して第２素材とし、この第２素材の大径部で、かつこの大径部に成形しようとするカムの頂点側とは反対側の表面に、自由回転するカム用ローラを、大径部表面が塑性変形する力で押し付け、この状態から第２素材を略１８０°にわたって両方向に交互に回動し、この間において大径部とカム用ローラとの接触部が、上記カムの形状に沿う軌跡を通るようにカム用ローラを進退させ、カム用ローラによる押圧変形によりカムを塑性成形する。

本発明によれば、肉厚中空の鋼材を用いて、塑性成形によりカムを成形することにより、カム部の肉厚が薄くなることがなく成形でき、また通常の鋼材を用いることにより、浸炭処理を含むカム表面の焼き入れ加工も容易に行うことができる。

図１は、本発明方法にて製造される中空カム軸を示す。
この中空カム軸１は、例えば４サイクル２気筒エンジン用のものであって、軸方向の２個所に吸気用と排気用で一対となるカム２ａ，２ｂ，２ａ′，２ｂ′が設けられている。そして各対のカム２ａ，２ｂ，２ａ′，２ｂ′の間には中間部ジャーナル３ａ，３ｂを、また軸方向両端部には中間部ジャーナル３ａ，３ｂより大径にした軸端部ジャーナル４ａ，４ｂを有している。そして軸心部には長手方向に貫通する孔５を有している。

この中空カム軸１は、図２に示した第２素材６より塑性加工にて成形される。
この第２素材６は、中空カム軸１のカム２ａ，２ｂ，２ａ′，２ｂ′を設ける部分に第１〜第４の大径部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが、また対となる各組のカム２ａ，２ｂ，２ａ′，２ｂ′の間に位置する中間部ジャーナル３ａ，３ｂを設ける部分に第１・第２の小径部８ａ，８ｂが、また両カム対相互の間の部分及び軸端部ジャーナル４ａ，４ｂとカム対の間の部分にも第３・第４・第５の小径部８ｃ，８ｄ，８ｅが設けてある。
さらに上記軸端部ジャーナル４ａ，４ｂを設ける部分は、大径部７ａ〜７ｄより小径で、小径部８ａ〜８ｅより大径にした中径部９ａ，９ｂとなっている。

この第２素材６は、図３に示す肉厚中空材からなる第１素材１０から塑性加工にて成形する。この第１素材１０は、既製の肉厚管を用いてもよいが、中実材に孔加工を施したものを用いてもよい。

図４、図５は上記第１素材１０から第２素材６を、及びこの第２素材６から中空カム軸１の仕上げ加工前の素材である第３素材を塑性形成するための転造装置を示す。

この転造装置１１はベース１２と、このベース１２上に設置したベッド１３と、このベッド１３に同一軸方向（左右方向）に移動可能に、かつ前端を対向させて設けた左右一対の主軸台１４ａ，１４ｂと、この両主軸台１４ａ，１４ｂの軸心方向と直角方向（前後方向）両側に配置され、かつ前端側を対向させて設けた前後一対の加工ヘッド装置１５ａ，１５ｂとからなっている。

左右方向に対向する一対の主軸台１４ａ，１４ｂのそれぞれは、上記第１素材１０の端部を把持するチャック１６と、このチャック１６を回転自在に支持するフレーム１７と、チャック１６に連結されてフレーム１７に支持される減速機１８と、この減速機１８を介してチャック１６を回転する素材回転用のサーボモータ１９からなっている。
そして上記フレーム１７がベッド１３に移動自在に支持されており、かつベッド１３に設けた図示しない移動装置を介して素材移動用のサーボモータ２０にて両主軸台１４ａ，１４ｂが一体状に、及び対向方向に移動されるようになっている。

前後方向に対向配置される前後の加工ヘッド装置１５ａ，１５ｂのそれぞれは、ベース１２に固定されたフレーム２１ａ，２１ｂと、このフレーム２１ａ，２１ｂに設けられ、減速機２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを介して各加工ヘッド２２ａ，２２ｂ，２３ａ，，２３ｂと、フレーム２１ａ，２１ｂに設けられ、減速機２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを介して各加工ヘッド２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを対向方向に移動する成形ローラ移動用御サーボモータ２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂとからなっている。

前後の加工ヘッド装置１５ａ，１５ｂのそれぞれの第１の加工ヘッド２２ａ，２３ａは、上記主軸台１４ａ，１４ｂの軸心と直交する軸線上でもって対向されており、それぞれの対向先端部には同一径の段状部用ローラ２８ａ，２８ｂが支持部材２９ａ，２９ｂに支持されて、上記主軸台１４ａ，１４ｂの軸心と平行な軸心を中心にして自由回転可能に設けられている。
そして上記支持部材２９ａ，２９ｂは、第１の加工ヘッド２２ａ，２３ａに対して交換可能になっていて、これを交換するにことにより段状部用ローラ２８ａ，２８ｂを、これの幅や周面形状が異なる他のローラ部材と交換できるようになっている。

また、前後の加工ヘッド装置１５ａ，１５ｂのそれぞれの第２の加工ヘッド２２ｂ，２３ｂは上記第１のものと同様に、主軸台１４ａ，１４ｂの軸心と直交する軸線上でもって対向されており、それぞれの対向先端部には同一径のカム用ローラ３０ａ，３０ｂが支持部材３１ａ，３１ｂに支持されて、上記主軸台１４ａ，１４ｂの軸心と平行な軸心を中心にして自由回転可能に設けられている。
そして上記支持部材３１ａ，３１ｂは、第２の加工ヘッド２２ｂ，２３ｂに対して交換可能になっていて、これを交換することによりカム用ローラ３０ａ，３０ｂを、これの幅や周面形状が異なる他のローラ部材と交換できるようになっている。

上記加工ヘッド装置１５ａ，１５ｂは、段状部用ローラ２８ａ，２８ｂ及びカム用ローラ３０ａ，３０ｂが各サーボモータ２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂを電子制御することにより０．１〜５．０ｍｍの範囲内で軸方向（進退方向）に反復移動を繰り返すことができる転造盤が用いられる。特にカム用ローラ３０ａ，３０ｂを動作する加工ヘッド２２ａ，２２ｂには、カム成形用ＣＮＣ転造盤が用いられている。

次に図４に示した転造装置１１を用いて、第１素材１０から第２素材６を形成する工程を図６を用いて説明する。

軸方向に対向する一対の主軸台１４ａ，１４ｂの対向間に、孔５内にマンドレル３２を挿入した第１素材１０を、それぞれのチャック１６，１６にて把持してセットする。
そしてこの第１素材１０をセットした状態で両主軸台１４ａ，１４ｂを軸方向に一体状に移動して、第１素材１０の軸方向の所定の位置、例えば図２に示される第２素材６の第１の台形部７ａと第２の台形部７ｂとの間の小径部８ａとなる位置に前後の加工ヘッド１５ａ，１５ｂの第１の加工ヘッド２２ａ、２３ａを対向させる。

この状態で両主軸台１４ａ，１４ｂを同期回転させる。ついで前後の第１の加工ヘッド２２ａ、２３ａを対向方向へ前進させて、それぞれの段状部用ローラ２８ａ，２８ｂを素材１０に所定の加圧力にて押し付ける。このとき各ローラ２８ａ，２８ｂは素材１０の回転に従って従動回転される。

上記動作により段状部用ローラ２８ａ，２８ｂの押し付けにより第１素材１０は所定の径に絞られる。そしてこの部分で絞られた肉は、ローラ２８ａ、２８ｂの両側の第１・第２の大径部７ａ，７ｂに盛り上げられる。このとき加工ヘッド２２ａ，２３ａは、電子制御で０．１から５．０ｍｍの範囲で徐々に押し込んで所定の小径部を成形する。

このようにして各小径部８ａ〜８ｄを段状部用ローラ２８ａ，２８ｂにて小径に絞り成形することにより、これの両側に位置される大径部７ａ〜７ｄ及び９ａ，９ｂの部分が盛り上がり大径になる。

この時において小径部８ａ〜８ｄの幅は、段状部成形用ローラ２８ａ，２８ｂの幅によって決められる。したがって、幅が異なる小径部を成形するには、その幅に合わせた幅の異なるローラを用いる。このローラの交換は、これを支持する支持部材２９ａ，２９ｂごと加工ヘッド２２ａ，２３ａに対して交換する。

ついで、このように小径部を絞り成形した素材１０を転造装置１１より取り外して、旋盤等にて大径部７ａ〜７ｄ，９ａ，９ｂを所定の径に切削して、図２に示す第２素材６を得る。また、このとき必要に応じてジャーナル部等の小径部をも所定の径に切削加工する。なお、上記各切削加工に代えてスピニング加工等にて所定の寸法に塑性加工するようにしても良い。

次に、上記のようにして得られた第２素材６から図１に示す中空カム軸１に近似する第３素材を塑性加工する方法を以下に示す。

第２素材６を再び転造装置１１の両主軸台１４ａ，１４ｂに把持する。そしてこれの１つの、例えば第４の大径部７ｄに、第２素材６の軸直角方向に対向するその一方の加工ヘッド装置１５ａの第２の加工ヘッド２２ｂのカム用ローラ３０ａを対向させ、これの外周面を第４の大径部７ｄの周面に所定の押圧力で押し付け接触させる（図７、図８）。

このときの第２素材６は、図８に示すように、この第４の大径部７ｄに形成されるカム２ｂ′のカム頂点ａと軸心を結ぶ線が、加工ヘッド２２ａの出没作用線と同一となるようにすると共に、カムの頂点側とは反対側にカム用ローラ３０ａを対向させる。なお、このときの第２素材６の回転方向の姿勢を原点姿勢とする。

ついで図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、第２素材６をこの原点姿勢から１８０°を僅かに越える角度にわたって回動する。そしてこのときのカム用ローラ３０ａは、上記原点姿勢において、図９（ａ）に示すようにカム用ローラ３０ａにて大径部７ｄの周面が凹み変形する大きさの荷重を加える。この状態でカム用ローラ３０ａの回動に従って、カム用ローラ３０ａが従動回転される。そしてこのときのカム用ローラ３０ａを、このカム用ローラ３０ａと大径部７ｄの外周面との接触点の軌跡が鎖線で示したカム形状を描くようにカム用ローラ３０ａを進退させる。

この動作により、大径部７ｄにおいて、図９（ａ）に示した状態のカム用ローラ３０ａによる凹み変形の回動方向下流側の肉が、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように大径部７ｄの回動角θに従って、回動方向下流側へ押されて回転方向下流側の外周部に増肉されていく。そしてこのときのカム用ローラ３０ａを、これの周面が図１１に示すように、大径部７ｄに成形しようとするカムの形状に沿うように進退動作することにより、上記増肉部分がカム形状に成形される。

このときの第２素材６の回動角に対するカム用ローラ３０ａの進退動作について図１０、図１１及び表１に基づいて説明する。

図１０は成形しようとするカム２ｂ′の大きさ及び形状の一例を示しもので、カム２ｂ′の小径部の半径Ｒが２５ｍｍ、軸心からカム頂点までの寸法Ｔが２５．６ｍｍ、及びカム側面の半径Ｒ１が９０．９ｍｍ、頂面の半径Ｒ２が７．６ｍｍの場合について説明する。なお、このような形状のカム２ｂ′の厚さが１０ｍｍの場合の体積Ｖは２１６７９．４ｍｍ３となる。そしてこのような体積のカム２ｂ′を得るための素材径Ｄは略５２．６ｍｍとなる。

表１は、第２素材６の大径部７ｄに図１０に示したカム２ｂ′が成形されているものとし、このカム２ｂ′が上記原点姿勢から１８０°にわたって回動したときに、このカム２ｂ′に摺接するカム用ローラ３０ａの進退方向の移動寸法を示す。

すなわち図１１において、カム２ｂ′が原点姿勢から９０°の回転範囲及び９０°〜１１０°の回転範囲では、カム用ローラ３０ａは移動せず、原点位置にて従動回転される。そして、１１０°〜１２０°の回転範囲では０．２２６ｍｍだけ素材側へ移動し、その後の１２０°〜１８０°の回転範囲にわたっては、表１に示す寸法だけ順次素材から離れる方向（−）に移動し、１８０°の回転姿勢での素材から離れる方向への累積移動寸法は１０．６０６ｍｍとなり、カム２ｂ′のカム頂点までの寸法Ｔとなる。

このことを利用して図９（ａ）〜（ｄ）に示した成形を行う。まず外径が５２．６ｍｍの大径部７ｄの半径と小径部の半径の差に相当する変形代ｙだけ、この場合は１．３ｍｍ凹む押圧力で、例えば第１の加工ヘッド２２ａのカム用ローラ３０ａを押し付けて原点位置とする。

ついで大径部７ｄを時計回りに１８０°回動し、この間にカム用ローラ３０ａを上記原点位置から表１に示す動作を行う。

これによりカム用ローラ３０ａの周面は、大径部７ｄの半径Ｒが２５ｍｍの軌跡からカム２ｂ′の頂面に至る軌跡を移動し、この間に大径部７ｄの素材径から押し出された肉がカム頂部に移動して、図９（ｄ）に示すようにカム２ｂ′の軸心と頂部を結ぶ線の片側の形状が塑性形成される。

その後、第１の加工ヘッド２２ａを後退させると共に、第２素材６の姿勢を図８に示すのと逆にして、大径部７ｄの最小径側を第２の加工ヘッド２２ｂのカム用ローラ３０ｂ側へ向ける。ついで第２素材６の大径部７ｄにカム用ローラ３０ｂを押し付けて第２素材６を逆方向へ１８０°回転して、上記した片面と同様に反対側の片面を成形する。このようにカムの両側面を交互に成形加工する。

上記した説明においては、大径部７ｄからのカム２ｂ′の成形を大径部７ｄの１回の１８０度回動により行うようにした例を示したが、これを変形代を何回かに分けて少しずつ行うようにしてもよい。

そしてこのときにおいて、大径部７ｄを交互に逆方向に１８０°ずつ回動し、各回動ごとにカム用ローラ３０ａ，３０ｂを大径部に押し付け、この各回動により少しずつカム面を成形するようにする。

また上記実施の形態では、カム２ｂ′の両面を対向する２組の加工ヘッド装置２２ａ，２２ｂのそれぞれのカム用ローラ３０ａ，３０ｂにて行うようにしたが、一方の加工ヘッド装置による一方のカム用ローラにて成形加工を行ってもよい。

上記した実施の形態では、カムの小径部の半径が２５ｍｍのカム形状の周面に沿う軌跡に従ってカム用ローラを進退するようにした例を示したが、小径部の半径が異なるカムの場合も、この場合のカム形状の周面に沿う軌跡を割り出し演算して上記カム用ローラを進退制御する。この場合に、加工ヘッド装置１５ａ，１５ｂにカム成形用ＣＮＣ転送盤を用い、成形しようとするカム形状及び素材となる大径部の径に応じた動きでカム用ローラを動作するようにする。

上記カム部の転造成形時には第２素材６の孔５内にマンドレルを挿入しておき、成形後にこれを引き抜く。その後、必要に応じてこの孔５の端部に栓を圧入して、これの一方あるいは両方を閉じる。

中空カム軸の１例を示す斜視図である。 第２素材を示す断面図である。 第１素材を示す一部破断面図である。 転造装置を概略的に示す平面図である。 一方の主軸台を省略して示す側面図である。 第１素材から第２素材を成形する作用を示す説明図である。 第２素材から第３素材を成形する作用を示す説明図である。 第２素材の大径部とカム用ローラの原点姿勢を示す説明図である。 （ａ），（８ｂ)，（ｃ），（ｄ）はカム用ローラによる塑性成形の作用順序を示す説明図である。 カム形状とこのカムを成形する大径部との寸法関係を示す説明図である。 カム表面とカム用ローラ４の接触部の軌跡を示す説明図である。

符号の説明

１…中空カム軸、２ａ，２ｂ，２ａ′，２ｂ′…カム、３ａ，３ｂ…中間部ジャーナル、４ａ，４ｂ…軸端部ジャーナル、５…孔、６…第２素材、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…大径部、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ…小径部、９ａ，９ｂ…中径部、１０…第１素材、１１…転造装置、１２…ベース、１３…ベッド、１４ａ，１４ｂ…主軸台、１５ａ，１５ｂ…加工ヘッド装置、１６…チャック、１７…フレーム、１８…減速機、１９，２０…サーボモータ、２１ａ，２１ｂ…フレーム、２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ…加工ヘッド、２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ…減速機、２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ…サーボモータ、２８ａ，２８ｂ…段状部用ローラ、２９ａ，２９ｂ…支持部材、３０ａ，３０ｂ…カム用ローラ。

Claims (1)

1. 肉厚中空の第１素材の軸方向複数個所を、この第１素材を回転させた状態で、これの軸直角方向から自由回転する段状部用ローラを押し付けて縮径変形し、この縮径部に隣接する部分を縮径による肉移動にて素材径より大径にし、
   ついで、この縮径部に隣接する部分を所定径の大径部になるよう加工して第２素材とし、
   この第２素材の大径部で、かつこの大径部に成形しようとするカムの頂点側とは反対側の表面に、自由回転するカム用ローラを、大径部表面が塑性変形する力で押し付け、この状態から第２素材を略１８０°にわたって両方向に交互に回動し、この間において大径部とカム用ローラとの接触部が、上記カムの形状に沿う軌跡を通るようにカム用ローラを進退させ、カム用ローラによる押圧変形によりカムを塑性成形することを特徴とする中空カム軸の製造方法。
   
   

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