JPH09505379A - 一体中空カムシャフトとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、中空カムシャフトにおいて、冷間成形および熱処理可能な金属または合金またはプラスチックからなり、カムシャフトの外側輪郭に対して平行な塑性フローを有する中空カムシャフトと、それを製造する方法であって、−パイプ材料部分を用意してそれに流体を満たす工程、−少なくとも拡幅すべきパイプ部分を密封する工程、−中間製品の予備成形材を形成するために、パイプ部分の拡幅に適した内部高圧をもたらし、その場合に中空パイプは内部高圧がもたらされる間その長手方向に可動の型に対して圧縮されて、材料集積をそのカムを形成すべき箇所に起こす工程、−中間製品の予備成形材を内部高圧成形方法を用いて最終的なカムシャフト形状に相当する型内で変形するので、カムが所望の箇所に形成する工程、−場合によっては熱処理などによってカムの再加工を行う工程、からなる方法。

Description

【発明の詳細な説明】 一体中空カムシャフトとその製造方法 本発明は中空カムシャフトと、中空パイプから内部高圧成形を用いて中空カム シャフトを製造する方法に関するものである。 特に本発明は、パイプ形鋼から完全な中空シャフトを製造するために、内部高 圧成形を行う際に予備成形を使用する方法に関するものであって、その場合にパ イプ形鋼と言うのは長く延びる任意の中空体であって、従って四角パイプ、六角 パイプまたは他の中空状のプロフィール材も含むものとする。 中実の中空シャフトに比べて第１図に示すような中空カムシャフトは、中実の 材料の軸に比べて７５％もの重量的利点を提供する。それに比較して、例えばＤ Ｅ−Ｃ−３７０４０９２、ＥＰ２７８２９２、ＥＰ２７８２９２、ＤＥ−Ｃ−３ ４２８３７２、あるいはまたＥ２９０７５８またはＥＰ３０３８４５で知られて いるような、組み立てカムシャフトは中実のシャフトに比べて４０％の重量的利 点しか提供しない。更に、組み立てカムシャフトは相変わらず製造が比較的高価 である。なぜなら、カムと中空パイプを別に前もって入手しておかねばならず、 その後適当な方法で一緒に型に挿入しなければならないからである。従って、手 間をかけて個別要素を保管しておいて組み立てなければならない。 この理由から従来は、中空カムシャフトはその組立て形状が理論的に、かつ特 許出願にも記述されてはいるが、自動車にはまだ使用されていない。 その原因は、このシャフトを製造するのに適するプロセス技術に見られる。組 み立て中空カムシャフトを製造する提案は、例えばＤ Ｅ−Ｃ−１９１０５１７に記載されている。しかし、これらのプロセス技術はパ イプ形鋼からカムシャフトを製造するのには必ずしも適していない。必要な成形 度は、電磁成形ないしは電気的油圧成形によっても経済的に達成できない。ＤＥ −Ｃ−３７３６４５３に記載されているようなスエージ加工ないし円形鍛接（Ｒ ｕｎｄｋｎｅｔｅｎ，ｒｏｕｎｄ ｋｎｅａｄｉｎｇ）もまだ目標には達してい ない。中空カムシャフトを製造するこの方法は特に、カム内で材料が一方側に分 配されてしまって失敗している。ＵＳ−Ｃ−２，８９２，２５４に記載の工具を 用いる１段階の内部高圧成形も目標には達していない。この方法においては工作 物が軸方向へ再移動されるが、カム先端においては型の充填がなされずに、同様 にカム上の壁が著しく延びてしまう。第１図は、公知の１段階の内部高圧成形方 法によって形成された、カムにおける望ましくない壁厚の延びを示している。 ここでは内部高圧方法またはＩＨＶ方法とは、例えば１９８４年３月９日のイ ンダストリーアンツァイガー（Industrieanzeiger）新聞に記載されているよう な、あるいはまた金属成形技術（Metallumformtechinik）１Ｄ／９１版、第１５ ページ以下の：エビングハウス（A.Ebbinghaus）：「内部高圧成形によって形成 された、軽量施工法における精密工作物」、あるいはまたヴェルクシュトッフ・ ウント・ベトリープ（Werkstoff und Betrieb）１２３（１９９０）、３、第２ ４１ページから第２４３ページの：エビングハウス（A.Ebbinghaus）：「内部高 圧成形された精密部材による経済的な組立（Wirtschaftliches Konstruieren mi t innenhochdruckumgeformten Praezisionswerkstuecken）」あるいはまたヴェ ルクシュトッフ・ウント・ベトリープ（Werkstoff und Betrieb）１２２、（１ ９９１）、１１、（１９８９）、第９３３ページから第９３８ペー ジに記載されているような方法のことである。以下においては繰り返しを避ける ために、その開示の全範囲を参照するものとする。 これらの方法は従来、例えばＥＰ−２３９５０５２に記載されているようなフ ランジを形成するため、ないしはパイプにカムを固定するための組立てカムシャ フトを形成して中空カムシャフトを製造するために使用されていた。 それに対して本発明の課題は、経済的に形成できる中空カムシャフトないしは それを製造する方法を提供することである。 この課題は、冷間成形および熱処理可能な金属またはプラスチックから一体成 形され、カムシャフトの外側輪郭に対して平行な塑性フローを有するカムシャフ トによって解決される。 好ましくはそのための材料として、十分に展性を有するが、硬化させるために 熱処理も可能な炭素含有鋼が使用される。 好適な材料は次のものとすることができる：１９ＭｎＢ４、１６ＭｎＣｒ５、 ＣＫ４５、１９ＣｒＭｏ４４、１５Ｃｒ３、Ｃ２５鋼、Ｘ３ＮｉＣｏＭｏＴｉ１ ８ ９ ５、β−Ｃチタン合金および同様な特性を有するもの。 さらに、本発明は中空パイプの内部高圧成形を用いて中空シャフトを製造する 方法に関するものであって、次の工程からなることを特徴とする： −パイプ材料部分を用意して、それに流体を充填する工程、 −少なくとも拡幅すべきパイプ部分を密閉する工程、 −中間製品の予備成形材を製造するために、パイプ形鋼の拡幅に適した内部高 圧をもたらし、その場合に中空パイプは内部高圧がもたらされる間その長手軸方 向において可動の型に対して圧縮されて、材料の集積をほぼカムを形成すべき箇 所に起こす工程、 −中間製品の予備成形材を最終的なカムシャフト形状に相当する型内で内部高 圧成形方法によって成形して、カムを所望の箇所に形成し、場合によっては熱処 理などによってカムを再加工する工程。 好ましい実施形態が従属する請求の範囲に記載されている。 従って本発明によれば、公知の内部高圧成形方法を越えて（１９９３年ハノー ヴァーの第１４回変形技術コロキウムの議事録を参照、その開示の全範囲を参照 することができる）カムシャフトのための特殊な２段階の成形方法が着想され、 その手段によって経済的に中空カムシャフトを製造しうる。その場合に、技術的 観点から形状精度並びにカム先端部での低い材料の延びが、適切な内部高圧成形 方法をなすに際しての主要な要求を構成する。 驚くべきことに、ほぼ一定の壁厚を有するカムシャフトを製造することが可能 になる。 以下、添付の図面と以下の説明を用いて本発明を詳細に説明する。図示したも のは、 第１図は、２つの成形工程で製造された本発明によるカムシャフトの概略を図 示するものであり、 第２図は、単一の成形工程で製造されたカムシャフトの概略を図示するもので あり、 第２ａ図は、第２図のＡ−Ａ線に沿った断面を示し、 第３図は、本発明によって作られた予備成形材のカムの断面を示し、 第３ａ図は、第３図の予備成形材に基づく、カムの最終形状の断面を示し、 第４図は、カムの第１の成形工程の予備成形材の縦断面と横断面を示し、 第５図は、カムの第１の成形工程の他の予備成形材の縦断面と横断面を示し、 第６図は、カムの第１の成形工程の他の予備成形材の縦断面と横断面を示し、 第７図は、第４図から第６図に示す予備成形材から製造されたカム終端形状を 示すものであり、 第８図は、本発明によるシャフトの長手方向における部分的断面における塑性 フローを示す代表的写真である。 本発明によるカムシャフトは、従来の組立て中空カムシャフトとは異なり、取 り付けのカムを持たず、単一の材料パイプから他の個別部材なしで複数の成形段 階で製造されていることを特徴としている。それによって、シャフトの外側輪郭 に対して平行な極めて好ましい塑性フローが得られ、それがシャフトの大きな強 度と軽減された重量をもたらす。同時に、必要な場合には、例えば２ｍｍから５ ｍｍのほぼ一定の壁厚に調節することができ、それは約０．５ｍｍの許容誤差し か持たない。本発明によるシャフトが第１図に概略的に図示されている。 パイプ中央からカムが脱落するのではないかという問題は生じない。重要なこ とは、摩耗に強いカムを形成するために、硬度または硬化性と同時に十分な冷間 加工特性を有する材料が使用されることである。 この材料は、例えば、熱処理可能な炭素含有鋼が好適であり、また、引裂きな しに複雑な成形を許容するために十分な展性を有している。もちろん、定置エン ジン、航空機エンジン、船舶エンジンまたは陸上車両においてそれぞれのシャフ トの使用目的に応じて、アルミニウム合金、チタン合金などの他の軽量および／ または固い材料および当業者が熟知しているような他の材料例えば１９ＭｎＢ４ 、１６ＭｎＣｒ５、ＣＫ４５、１９ＣｒＭｏ４４、１５Ｃｒ３、Ｃ２５鋼、Ｘ３ ＮｉＣｏＭｏＴｉ１８ ９ ５、β−Ｃチタン合金および同様な特性を有するも のを使用することができる。それぞれ使用目的に応じて高価な軽量材料を使用す ることができ、これらは例えば航空機エンジン用に供され、あるいはまた例えば 船舶エンジンなど重量が重要な要素にならない場合には、比較的重い材料も使用 することができる。 本発明による方法は好ましくは予備成形および仕上げ成形による少なくとも２ 段階の成形を実施し、その場合に第１の成形段階における成形が特に重要になる 。第２の成形段階における仕上げ成形における形状精度と僅かな壁の延びを保証 するために、予備成形においてカム壁内に好ましい材料配分が行われなければな らない。いずれにしても材料配分は、各カムにおいて材料が軸方向両側にさらに 移動される場合にしか達成されない。各カムにおける軸方向の再移動は、公知の 工具技術によって行われる。 第２図には単一の成形工程によって形成された中空カムシャフトの断面が図示 されており、その場合に特に第１ａ図のカムの断面から明らかなように、１段階 の方法の場合には材料の延びが極めて大きく、著しい壁厚の差が、すなわちカム の先端で約１．０ｍｍとカムの先端とは反対のパイプ壁で３．０ｍｍの壁厚差が 生じる。それによって強度は保証されなくなる。 それに対して第３図には、本発明による方法において予備形成の部品として製 造されたカムが図示されている。まず最終形状より広い、好ましくは約１０から ４０％広く、さらに好ましくは約２０から３０％広く、かつ終端形状よりも丸い カムを予備成形で製造することによって、最大の材料の延びが得られ、臨界的な カム位置での材料の十分な集約を提供することができる。この材料の集積がその 後第２の成形段階において、ないしは内部高圧成形方法によって（必要な場合に は、スエッジ加工などの他の成形方法も使用される）、最終形状に成形される。 ２つの成形段階によってカムの下方に所望の材料集積が得られることが明らかに されている。 第４図においては、例えばカム予備成形材は不要な材料の延びを防止するため に、丸いカム先端Ｒ１を有する。カム予備成形材幅Ｂ１は最終成形材幅Ｂ２より 約１０から４０％、好ましくは２０から３０％広い。最終成形材に成形する場合 に第２の成形段階において丸くて幅の広い予備成形材が軸方向に圧縮される。こ の圧縮プロセスによってパイプ壁の過度の延びが防止され、高い形状精度がもた らされて、それが後の再加工を不要なものとする。 第５図と第６図は、予備成形における所望に拡大されたカムの周面Ｕ１を有す る第１の成形段階に関する他の可能な予備成形材の変形例を示すものであって、 カムは最終形状よりも約５から２０％、好ましくは２０％大きい。この場合には 材料は最終形状を形成する際に周面方向Ｕ２においてカム先端へ流れる。その場 合に、部分的に重力崩壊されたカム予備成形材を示す第６図を参照することがで き、このカム前段成形材はその後後続の成形段階において最終的にカムに成形さ れる。 そして第７図には、第４図から第６図のそれぞれから製造することのできる完 成したカム最終形状が図示されている。ここではある実施例において（本発明は これに限定されるものではない）カム先端からカム基部までの外側のカム高さは 代表的なもので５０ｍｍである。パイプ部分は３０ｍｍの直径と約３ｍｍの壁厚 を有し、カム先端は２から３ｍｍの壁厚、カム基部は５ｍｍまでの壁厚を有する 。というのはそこではより大きい材料集積が生じるからである。もちろん、これ らの図に示すカムの前形状と最終形状はそれに制限す るものではなく、必要な場合には、この原理に従って軸受リングなどをカムシャ フト上に形成することも可能である。 第８図は本発明によるカムシャフトの一部の塑性フローを示す写真であって、 この写真から明らかなように、金属はカムシャフトの壁に対して平行に延びてい る。 最後にさらに、内部高圧成形と他の成形方法との組み合わせの可能性について 言及しておく。例えば適当な予備成形材が内部高圧成形によって形成され、次に スエッジ加工または当業者が熟知している他の方法によって仕上げられる。 シャフトはＩＨＶ処理の後に公知の方法でさらに処理され、ないしは硬化され る。そのために浸窒炭化、プラズマ窒化、ホウ化処理、レーザー焼入れ、炭化し ない焼入れ、誘導加熱焼き入れ、火炎焼入れ、電子ビーム焼入れ、表面焼入れか らなるグループから選択された１つまたは複数の再処理方法のような公知の方法 が供されている。 なお、様々なカム角度、壁厚、壁厚比を有する本発明によるシャフトはＩＨＶ 方法で形成することができ、かつ上述のどれかの実施形態に制限されるものでは ないことを述べておく。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，Ｂ Ｇ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＦＩ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＩ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．中空カムシャフトにおいて、冷間成形および熱処理可能な金属または合金 またはプラスチックからなり、カムシャフトの外側輪郭に対して平行な塑性フロ ーを有することを特徴とする中空カムシャフト。 ２．材料が炭素含有鋼であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の中空 カムシャフト。 ３．成形されたカムシャフトのカムの高さが約４０から６０ｍｍであって、そ の場合にカム先端の壁厚が約１．５から４ｍｍ、カム基部の壁厚が約４から６ｍ ｍであって、カム間のパイプ状の部分の壁厚が約２から４ｍｍであることを特徴 とする請求の範囲第１項または第２項に記載の中空カムシャフト。 ４．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の中空カムシャフ トを、中空パイプから内部高圧成形を使用して形成する方法において、次の工程 、すなわち、 −パイプ材料部分を用意してそれに流体を満たす工程、 −少なくとも拡幅すべきパイプ部分を密封する工程、 −中間製品の予備成形材を形成するために、パイプ部分の拡幅に適した内部高 圧をもたらし、その場合に中空パイプは内部高圧がもたらされる間その長手方向 に可動の型に対して圧縮されて、材料集積をそのカムを形成すべき箇所に起こす 工程、 −中間製品の予備成形材を内部高圧成形方法を用いて最終的なカムシャフト形 状に相当する型内で変形させ、カムを所望の箇所に形成する工程、 −場合によっては熱処理などによってカムの再加工を行う工程、 からなることを特徴とする中空シャフトを形成する方法。 ５．前記パイプ状の初期材料の壁厚が、約２から５ｍｍ、好ましくは２．５か ら４ｍｍであることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の方法。 ６．前記中間形状における前記カム予備成形材が、最終的なカムより幅が広い ことを特徴とする請求の範囲第４項または第５項に記載の方法。 ７．前記中間形状における前記カム予備成形材が、完成したカムより大きい周 面を有することを特徴とする請求の範囲第４項から第６項までのいずれか１項に 記載の方法。 ８．前記シャフトの再加工が、浸窒炭化、プラズマ窒化、ホウ化処理、レーザ ー焼入れ、炭化しない焼入れ、誘導加熱焼き入れ、火炎焼入れ、電子ビーム焼入 れ、表面焼入れからなるグループから選択された１つまたは複数の再処理方法に よって行われることを特徴とする請求の範囲第４項から第７項までのいずれか１ 項に記載の方法。