JPH11107711A

JPH11107711A - 中空一体型カムシャフトおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH11107711A
Application number: JP27160797A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Nakamura; 村正信中; Hideo Minamiyama; 山秀夫南; Hironori Sakamoto; 元宏規坂; Makoto Kano; 納眞加; Kenji Suzuki; 木健司鈴
Original assignee: TUBE FOMING CO Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: TUBE FOMING CO Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 1999-04-20
Anticipated expiration: 2017-10-03
Also published as: JP3585208B2

Abstract

(57)【要約】【課題】生産性に優れ、強度、耐久性が良好であると
共に、より軽量化が可能な中空一体型カムシャフト、お
よびこのようなカムシャフトの製造方法を提供する。【解決手段】管体Ｗの外周部を部分的に膨出させてカ
ム部２およびジャーナル部３を成形し、膨出成形された
カム部２の表面にレーザ効果処理による硬化層５を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用エ
ンジンの吸排気弁を駆動するカムシャフトに係わり、さ
らに詳しくは、中空の一体構造をなし、エンジンの軽量
化が可能なカムシャフトと、このような中空一体型カム
シャフトを優れた生産性のもとに製造することができる
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記したようなエンジン用カムシャフト
は、従来、鋳造や鍛造、あるいは丸棒鋼からなるシャフ
トにカムピースやジャーナルピースを溶接することによ
って製造されていたが、最近ではエンジンの軽量化を目
的として、シャフトに鋼管を用いた中空カムシャフトが
実用化され、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに
広く採用されている。

【０００３】このような中空カムシャフトは、耐摩耗性
を備えたカムピースやジャーナルピースに鋼管を通した
状態で、この鋼管の内部に液圧をかけて拡管させること
によって、鋼管の外周部にカムピースやジャーナルピー
スを固定するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の中空カムシャフトにおいては、例えば、図５に
示すように、焼結、あるいは鍛造したのち浸炭焼入れを
施すことによってそれぞれ作成したカムピース１０１や
ジャーナルピース１０２を金型１００内にセットしたの
ち、これらカムピース１０１およびジャーナルピース１
０２にあらかじめ形成した挿通孔に鋼管１０３を通して
液圧拡管を行う工程となっていることから、部品点数が
多く、製造工程が多段階にわたるために生産性が低いと
いう問題と共に、カムピース１０１およびジャーナルピ
ース１０２を鋼管１０３の外周面に強固に固定する必要
があるため、カムピース１０１やジャーナルピース１０
２を中空化することが困難であることから、軽量化にも
限界があるという問題点があって、これらの問題点を解
決することが、中空カムシャフトの製造コストを低減
し、中空カムシャフトの軽量化をさらに押し進めるため
の課題となっていた。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、従来の中空カムシャフトにお
ける上記課題に着目してなされたものであって、生産性
に優れ、強度、耐久性が良好であると共に、より軽量化
が可能な中空一体型カムシャフト、およびこのようなカ
ムシャフトの製造方法を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係わ
る中空一体型カムシャフトは、１本の管体からなり、管
体の外周部から膨出するカム部もしくはカム部とジャー
ナル部を一体的に備えると共に、カム部の表面に硬化層
を備えている構成としたことを特徴としており、このよ
うなカムシャフトの構成を前述した従来の課題を解決す
るための手段としている。

【０００７】本発明に係わる中空一体型カムシャフトの
実施態様として請求項２に係わるカムシャフトにおいて
は、カムノーズトップ部からカムランプ部に至る部分に
おける最小肉厚ｔf のカムベース部の肉厚ｔb に対する
比（ｔf ／ｔb ）が０．３〜１．０の範囲にある構成と
し、同じく実施態様として請求項３に係わる中空一体型
カムシャフトにおいては、カムノーズトップ部の肉厚が
０．９〜４．０ｍｍの範囲にある構成とし、請求項４に
係わる中空一体型カムシャフトにおいては、硬化層がＨ
ＲＣ４０以上の硬さを有し、少なくともカムノーズトッ
プを中心とする中心角±３０°の範囲に形成してある構
成とし、請求項５に係わる中空一体型カムシャフトにお
いては、硬化層の厚さが０．１〜０．６ｍｍの範囲にあ
る構成とし、請求項６に係わる中空一体型カムシャフト
においては、ステム部の肉厚ｔsに対するジャーナル部
の肉厚ｔj の比（ｔj ／ｔs ）が０．５〜１．０の範囲
にある構成としたことを特徴とし、さらに実施態様とし
て請求項７に係わる中空一体型カムシャフトにおいて
は、ジャーナル部の表面がＨｖ１００以上の硬度を備え
ている構成としたことを特徴としており、カムシャフト
におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決す
るための手段としている。

【０００８】そして、本発明に係わる中空一体型カムシ
ャフトの製造方法として、本発明の請求項８に係わる製
造方法においては、管体の外周部を部分的に膨出させる
膨出成形工程と、膨出成形されたカム部の表面にレーザ
硬化処理を施す工程からなる構成とし、本発明の請求項
９に係わる製造方法においては、管体の外周部を部分的
に膨出させる膨出成形と管体の径を部分的に縮小する縮
小成形を組合わせた成形工程と、膨出成形されたカム部
の表面にレーザ硬化処理を施す工程からなる構成とし、
このようなカムシャフトの製造方法の構成を前述した従
来の課題を解決するための手段としたことを特徴として
いる。

【０００９】また、本発明に係わる中空一体型カムシャ
フトの製造方法の実施態様として請求項１０に係わる製
造方法においては、膨出成形に際して、管体の中空部に
８０〜２００ＭＰａの範囲の液圧をかける構成とし、同
じく実施態様として請求項１１に係わる中空一体型カム
シャフトの製造方法においては、膨出成形に際して、管
体の軸方向に圧縮力を加える構成とし、請求項１２に係
わる中空一体型カムシャフトの製造方法においては、伸
び率が１０％以上の管体を使用する構成とし、請求項１
３に係わる中空一体型カムシャフトの製造方法において
は、レーザ硬化処理としてカム部にレーザ肉盛りを施す
構成とし、請求項１４に係わる中空一体型カムシャフト
の製造方法においては、レーザ肉盛りにおける肉盛り材
料として炭素含有量が１〜４重量％の鉄系材料粉末を用
いる構成とし、請求項１５に係わる中空一体型カムシャ
フトの製造方法においては、レーザ肉盛りにおけるレー
ザのパワー密度が２８０〜８５０Ｗ／ｍｍ²の範囲であ
る構成としたことを特徴としている。さらに実施態様と
して請求項１６に係わる中空一体型カムシャフトの製造
方法においては、膨出成形されたジャーナル部の表面に
レーザ焼入れ処理を施す構成とし、請求項１７に係わる
中空一体型カムシャフトの製造方法においては、レーザ
焼入れ処理におけるレーザのパワー密度が５〜５０Ｗ／
ｍｍ²、レーザビームの移動速度が０．３〜５．０ｍ／
ｍｉｎの範囲である構成としたことを特徴としており、
このような中空一体型カムシャフトの製造方法の構成を
前述した従来の課題を解決するための手段としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係わる中空一体型カムシ
ャフトは、一本の管体、例えば鋼管の外周部を部分的に
張り出させることによって、カム部およびジャーナル部
（場合によってはカム部のみのこともある）を一体成形
すると共に、このように成形したカム部の表面に硬化層
を形成させたものであり、例えば、図２（ａ）に示すよ
うな金型Ｍ内に管体Ｗをセットしたのち、図２（ｂ）に
示すように、管体Ｗの中空部に液圧Ｐをかけることによ
って管体Ｗの所望部分を膨出させる、いわゆるバルジ加
工によって、図１（ａ）および（ｂ）に示すようなカム
部２およびジャーナル部３を備えた中空一体型カムシャ
フト１を成形することができる。

【００１１】この膨出成形における液圧Ｐとしては、８
０ＭＰａ〜２００ＭＰａの範囲とすることが望ましく、
さらにこのような膨出成形には、図３に示すように、カ
ム部２あるいはジャーナル部３として膨出させない部
分、すなわちステム部４に相当する部分に、例えばロー
ルＲを用いて当該部分の管径を圧縮する縮小成形を施す
ことによりカム部２およびジャーナル部３に肉寄せする
こと、あるいは図３に示すように、図示しない油圧シリ
ンダなどにより管体Ｗの軸方向に、例えば１０トン程度
の圧縮力Ｐc を膨出成形と同時に負荷することが、カム
部２における肉厚減少を防止してカム部２としての強
度，剛性を確保し、成形割れなどの発生を防止する観点
から、とくにカムリフト量の大きなカムシャフト１の成
形において好ましい。このとき、管体Ｗの肉厚や長さに
よっては、管体Ｗの左右両方向から圧縮力を加えること
も可能である。なお、膨出成形時の上記液圧範囲につい
ては、液圧Ｐが８０ＭＰａより小さいとカム部２やジャ
ーナル部３を所望の形状に成形しにくくなる傾向があ
り、２００ＭＰａより大きいと急激な肉厚変化による強
度不足や成形割れが生じ易くなる傾向があることによ
る。

【００１２】また、本発明に係わる中空一体型カムシャ
フト１の素材としての管体Ｗには、上記のような過酷な
塑性加工に耐え、十分な形状精度が得やすいことから、
１０％以上の伸び率を備えたものを用いることが望まし
い。

【００１３】上記のように成形された中空一体型カムシ
ャフト１の形状としては、カムシャフトの軽量性とカム
部の強度とのバランスを考慮して、カム部２のカムノー
ズトップ部２ｔからカムランプ部２ｒに至る部分におけ
る最小肉厚をｔf 、カムベース部２ｂの肉厚をｔb とす
るとき（図１（ｃ）参照）、両者の比（ｔf ／ｔb ）を
０．３〜１．０の範囲とすること、さらにはカムノーズ
トップ部２ｔにおける肉厚ｔc を０．９〜４．０ｍｍの
範囲とすることが望ましい。すなわち、ｔf ／ｔb 比が
０．３より小さい場合、あるいはカムノーズトップ部２
ｔの肉厚ｔc が０．９ｍｍより小さい場合にはカム部と
しての強度が得難い傾向となり、ｔf ／ｔb 比が１．０
より大きい場合、あるいはカムノーズトップ部２ｔの肉
厚ｔc が４．０ｍｍより大きい場合には、成形に高圧を
要するため生産性が劣化するばかりでなく、重量増加を
招き、カムシャフト１の軽量化が不十分となる傾向とな
る。

【００１４】また、カム部２の表面の硬化層５について
は、例えばレーザ硬化処理を施すことによって形成する
ことができ、カムノーズトップＴを中心とする少くとも
中心角θ＝±３０°の範囲、すなわち図１（ｃ）に示す
Ｈ1 からカムノーズトップＴを経てＨ2 に至る範囲にＨ
ＲＣ４０以上の硬さのものを形成することが望ましく、
その硬さがＨＲＣ４０より低い場合、あるいはＨＲＣ４
０以上であってもその形成範囲が上記した中心角±３０
°の範囲をカバーしていない場合には、カム部としての
強度および耐摩耗性が得難い傾向となる。なお、この硬
化層５の厚さについては、カム部としての耐久性の観点
から０．１ｍｍ以上とし、肉盛り処理の生産性および肉
盛り時の熱変形防止の観点から０．６ｍｍ以下とするこ
とが望ましい。

【００１５】このような硬化層５の形成には、レーザ肉
盛り処理を施すことが、例えば肉盛り材料を使用しない
レーザ焼き入れ処理に較べて、さらに硬度が上昇し、耐
摩耗性をさらに向上させることができると共に、成形に
よって減少したカム部２の肉厚を増すことができること
から望ましく、このときの肉盛り材料としては炭素含有
量が１〜４重量パーセントの鉄系材料粉末を使用するこ
と、パワー密度としては２８０〜８５０Ｗ／ｍｍ²の範
囲のレーザを採用することがそれぞれ好ましい。すなわ
ち、肉盛り材料の炭素含有量が１重量パーセント未満の
ときには十分に硬さを向上させることが難しく、炭素含
有量が４重量パーセントを超えたときには肉盛り層中に
軟らかい黒鉛が多く析出することによって硬さがかえっ
て低下する傾向が認められることによる。また、レーザ
のパワー密度が２８０Ｗ／ｍｍ²より低いと十分な熱が
加わらないので未溶着部が生じ易くなる傾向があり、８
５０Ｗ／ｍｍ²より高いと入熱が過剰なものとなって溶
融だれが生じる傾向があることによる。

【００１６】本発明に係わる中空一体型カムシャフト１
のジャーナル部３については、ステム部４の肉厚をｔs
、ジャーナル部３の肉厚をｔj とするとき（図１
（ａ）参照）、両者の比（ｔj ／ｔs ）を０．５〜１．
０の範囲とすることが望ましい。すなわちｔj ／ｔs 比
が０．５より小さいとジャーナル部の強度が得難い傾向
となり、ｔj ／ｔs 比が１．０より大きいとカムシャフ
ト全体としての重量が増し易い傾向となる。

【００１７】また、このようなジャーナル部３の表面に
は、潤滑環境や負荷条件など、必要に応じて耐スカッフ
ィング摩耗性を向上させるために、例えばレーザ焼き入
れ処理を施すことによって、ビッカース硬さＨｖ１００
以上の硬度を付与することができる。このときのレーザ
焼き入れ処理条件としてはパワー密度が５〜５０Ｗ／ｍ
ｍ²、レーザビームの移動速度が０．３〜５．０ｍ／ｍ
ｉｎの範囲とすることが望ましい。これは、パワー密度
が５Ｗ／ｍｍ²より小さい場合、およびビームの移動速
度が５．０ｍ／ｍｉｎより速い場合には、ジャーナル部
３の加熱が不十分となり易く、逆にパワー密度が５０Ｗ
／ｍｍ²より大きい場合、およびビームの移動速度が
０．３ｍ／ｍｉｎより遅い場合には、溶融だれが生じた
り、焼き入れとしての十分な冷却速度が得られず逆に軟
化してしまう傾向があることによる。

【００１８】なお、本発明に係わる中空一体型カムシャ
フトの製造方法において、硬化層５，６を形成するのに
レーザ硬化処理、すなわちレーザ肉盛り、あるいはレー
ザ焼き入れを採用しているのは、レーザビームのエネル
ギ集中性が高く、処理に伴う変形などの熱影響が少ない
ことによる。

【００１９】

【発明の効果】本発明の請求項１に係わる中空一体型カ
ムシャフトは、１本の管体から形成され、管体の外周部
から膨出するカム部もしくはカム部とジャーナル部を一
体的に備え、さらにカム部の表面に硬化層を備えたもの
であるから、シャフト部分のみならずカム部およびジャ
ーナル部をも中空構造であることから、より一層の軽量
化が可能になると共に、部品点数が少なく、中空カムシ
ャフトのコストの大幅な削減が可能になるという極めて
優れた効果をもたらすものである。

【００２０】本発明に係わる中空一体型カムシャフトの
実施態様として請求項２に係わるカムシャフトにおいて
は、カムベース部の肉厚ｔb に対する、カムノーズトッ
プ部からカムランプ部に至る部分における最小肉厚ｔf
の比（ｔf ／ｔb ）が０．３〜１．０の範囲となってい
るので、カム部の強度と軽量性とのバランスに優れ、軽
量かつ十分な強度を備えた中空カムシャフトとすること
ができ、同じく実施態様として請求項３に係わる中空一
体型カムシャフトにおいては、カムノーズトップ部の肉
厚が０．９〜４．０ｍｍの範囲となっているので、軽量
にも拘らずカム部として必要な強度・剛性を確保するこ
とができ、請求項４に係わる中空一体型カムシャフトに
おいては、、少なくともカムノーズトップを中心とする
中心角±３０°の範囲にＨＲＣ４０以上の硬さを備えた
硬化層が形成してあるので、カム部として必要な強度お
よび耐摩耗性を確実に得ることができ、請求項５に係わ
る中空一体型カムシャフトにおいては、０．１〜０．６
ｍｍの厚さの硬化層を備えていることから、カム部の耐
久性を向上させることができる。さらに実施態様として
請求項６に係わる中空一体型カムシャフトにおいては、
ジャーナル部の肉厚ｔj をステム部の肉厚ｔs の０．５
〜１．０倍の厚さにしたものであるから、ジャーナル部
の強度を確保しつつ、カムシャフト全体の軽量化を図る
ことができ、請求項７に係わる中空一体型カムシャフト
においては、ジャーナル部の表面の硬さをＨｖ１００以
上としたものであるから、耐スカッフィング摩耗性を確
保してカムシャフトの耐久性を確実に向上させることが
できるという優れた効果がもたらされる。

【００２１】そして、本発明の請求項８に係わる中空一
体型カムシャフトの製造方法においては、管体の外周部
を部分的に膨出させてカム部やジャーナル部を成形する
膨出成形工程と、膨出成形されたカム部の表面にレーザ
硬化処理を施してカム部の強度および耐摩耗性を付与す
る工程からなるものであるから、シャフト部に加えてカ
ム部やジャーナル部をも中空構造としてより一層の軽量
化を達成することができると共に、カムピースやジャー
ナルピースをあらかじめ作成しておく必要がなく、生産
性を大幅に向上させることができ、本発明に係わる中空
一体型カムシャフトを安価に製造することができ、本発
明の請求項９に係わる製造方法においては、管体の径を
部分的に縮小する縮小成形を上記膨出成形に組合わせた
成形工程を採用するようにしているので、カム部の急激
な肉厚変化を抑制することができ、とくにリフト量が大
きいカムプロフィールを備えたカムシャフトの成形にお
いても強度不足や成形割れなどの不具合を防止すること
ができるという極めて優れた効果がもたらされる。

【００２２】また、本発明に係わる中空一体型カムシャ
フトの製造方法の実施態様として請求項１０に係わる製
造方法においては、膨出成形に際して管体の中空部に８
０〜２００ＭＰａの範囲の液圧をかけるようにしている
ので、素材に加わる成形応力が適正なものとなってカム
部の急激な肉厚変化が抑制され、成形不良や成形割れ等
を防止することができ、同じく実施態様として請求項１
１に係わる中空一体型カムシャフトの製造方法において
は、膨出成形に際して管体の軸方向に圧縮力を加えるよ
うにしているので、カム部、とくにカムノーズ部の肉厚
減少を抑制することができ、強度不足や成形割れなどの
防止が可能となり、請求項１２に係わる中空一体型カム
シャフトの製造方法においては、伸び率が１０％以上の
管体を使用するようにしていることから、過酷な塑性加
工に耐え、製品の寸法制度を向上させることができる。
さらに請求項１３に係わる中空一体型カムシャフトの製
造方法においては、レーザ硬化処理としてカム部にレー
ザ肉盛りを施すようにしているので、膨出成形によって
肉厚が減少したカム部の肉厚を上乗せすることができ、
しかもレーザビームの高いエネルギ集中性によって母材
部への過大入熱が抑制されることから肉盛り層直下部の
軟化を防止することができ、強度を耐摩耗性を向上させ
ることができ、請求項１４に係わる中空一体型カムシャ
フトの製造方法においては、レーザ肉盛りにおける肉盛
り材料として炭素含有量が１〜４重量％の鉄系材料粉末
を用いるようにしているので、必要な強度および耐摩耗
性を確保することができ、請求項１５に係わる中空一体
型カムシャフトの製造方法においては、パワー密度が２
８０〜８５０Ｗ／ｍｍ²の範囲のレーザによりレーザ肉
盛りを行うようにしていることから、肉盛り層の未溶着
および肉盛り層の溶融だれや母材の軟化を抑制すること
ができる。さらに実施態様として請求項１６に係わる中
空一体型カムシャフトの製造方法においては、膨出成形
されたジャーナル部の表面にレーザ焼入れ処理を施すよ
うにしているので、ジャーナル部の耐スカッフィング摩
耗性を向上させることができ、請求項１７に係わる中空
一体型カムシャフトの製造方法においては、パワー密度
が５〜５０Ｗ／ｍｍ²、移動速度が０．３〜５．０ｍ／
ｍｉｎの範囲のレーザビームにより上記レーザ焼入れ処
理を行うようにしていることから、焼入れ処理として必
要な加熱温度と冷却速度を得ることができ、ジャーナル
部表面を必要な硬さに硬化させることができるというさ
らに優れた効果が得られる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００２４】実施例１管体Ｗとして、ＪＩＳＺ３４４５ＳＴＫＭ１３Ａに
該当する外径３０ｍｍ，肉厚３ｍｍの電縫管を用意し、
図２に示したような金型Ｍを使用して、種々の成形条件
のもとに膨出成形を施すことによって、図１に示したよ
うな中空カムシャフト素材を製造した。なお、このとき
のカムリフト量については、４ｍｍ，６ｍｍ，８ｍｍの
３仕様のカムプロフィールを備えたものとした。

【００２５】次いで、ビーム幅１２ｍｍ、最大出力３ｋ
Ｗの炭酸ガスレーザを用いて、パワー密度２８０〜８５
０Ｗ／ｍｍ²の範囲内で、成形されたカム部２の表面に
レーザ肉盛り処理を行った。このレーザ肉盛りに際して
は、シールドガスとしてアルゴンガスを使用し、Ｆｅ−
３．５％Ｃ−２．５％Ｓｉ−０．０８％Ｐの組成の粉末
を用い、粉末供給量３〜３５ｇ／ｍｉｎ，加工速度０．
８ｍ／ｍｉｎの条件を採用した。

【００２６】これらの結果を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】すなわち、発明例１に示すように、リフト
量が４ｍｍと比較的小さいカムシャフトであれば、ステ
ム相当部への縮小成形や、軸方向への圧縮を行わなくて
も、８０ＭＰａという低い液圧Ｐによってカム部２を膨
出成形することができ、リフト量６ｍｍのカムシャフト
においては、発明例２に示すように、１７０ＭＰａとい
う比較的高い液圧Ｐをかけることのより、縮小成形や軸
方向圧縮力の負荷なしにカム部２の形状を出すことがで
きるが、カムノーズ部側の肉厚が薄くなるのでレーザー
肉盛りによって厚い肉盛り層（硬化層５）を形成させる
必要があり、同じ６ｍｍのリフト量６であっても、発明
例３のようにステム相当部に、図３に示したような縮小
成形をあらかじめ施すことによって、カムノーズ側の肉
厚減少が緩和されることが確認された。

【００２９】また、発明例４のように、ステム相当部に
あらかじめ縮小成形を施すと共に、膨出成形時に図４に
示したような圧縮力を負荷しながら、１９０ＭＰａとい
う高い液圧Ｐをかけることによってリフト量８ｍｍのカ
ム部２を成形することができ、このような成形条件を採
用することによってカムノーズ側の肉厚減少を抑制でき
るので、レーザによる合金化のみ、すなわち肉盛りによ
る肉厚の増加を行わなくても肉厚を確保することができ
ることが判明した。発明例５においては、さらに０．６
ｍｍのレーザー肉盛りを施したものであって、当然のこ
とながらカム部２に十分な肉厚増加がなされ、強度およ
び耐摩耗性をより向上させることができる。なお、これ
ら実施例における軸方向圧縮については、１０トンの圧
縮力を油圧シリンダにより膨出成形に同期させて付加さ
せるようにした。

【００３０】これら発明例に対し、膨出成形時の液圧Ｐ
が低い比較例１においては、素材の張り出しが不足し、
リフト量４ｍｍのカム部ですら所定の形状に成形するこ
とができず、逆に液圧Ｐが高すぎる比較例２において
は、カムノーズ側の肉厚減少が大幅に減少するばかりで
なく、一部に成形割れが発生した。また、縮小成形を施
すと共に、膨出成形時に軸方向圧縮力を負荷したとして
も、膨出成形時の液圧Ｐが低い場合には、比較例３のよ
うにカム部を所定形状に成形することができず、逆に液
圧Ｐが高すぎる比較例４の場合には、縮小成形および軸
方向圧縮を行わない比較例２に較べて肉厚減少が多少緩
和されるものの、微小な割れが部分的に発生する結果と
なることが確認された。

【００３１】実施例２上記実施例１における発明例１と同様の成形条件によっ
て膨出成形されたカム部２の表面に、種々の条件によっ
てレーザ肉盛り処理を施し、硬化層５の形状および表面
硬さを調査した。これらの結果を表２に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２に示すように、肉盛り材料として、鋳
鉄粉末を用いた発明例６、硬化層の硬さを増すためにＣ
ｒやＭｏを含有した合金鋳鉄粉末を用いた発明例７およ
び８、工具鋼系材料の粉末を用いた発明例９、さらにダ
イス鋼系材料の粉末を用いた発明例１０においては、各
粉末の融点に応じてレーザのパワー密度を２８０から８
５０Ｗ／ｍｍ²の範囲でそれぞれ増加させることによ
り、いずれも良好な形状と粉末成分に応じた硬さを備え
た硬化層５が得られることが確認された。

【００３４】これらに対し、レーザのパワー密度が低す
ぎる比較例５の場合には、肉盛り金属を十分にカム部に
溶着させることができず、逆にパワー密度が高すぎる比
較例６の場合には、肉盛り金属と共にカム部の母材部分
まで溶融してしまい、いずれも所期の形状の硬化層を形
成することができなかった。また、肉盛り材料として炭
素含有量の低い粉末を用いた比較例７、および炭素含有
量が４．７％と高い粉末を用いた比較例８の場合には、
適正なパワー密度のレーザを適用することにより良好な
形状の硬化層が得られるものの、いずれも表面硬さが不
足する結果となることが確認された。

【００３５】実施例３上記実施例１における発明例１と同様の成形条件によっ
て膨出成形されたジャーナル部３の表面に、種々の条件
によってレーザ硬化処理を施し、硬化層６の状態につい
て調査した。これらの結果を表３に示す。

【００３６】

【表３】

【００３７】表３に示すように、レーザ硬化処理を実施
しない発明例１１の場合に較べて、パワー密度が５から
５０Ｗ／ｍｍ²、ビームの移動速度が０．３から５．０
ｍ／ｍｉｎの範囲ないのレーザを照射してレーザ焼き入
れを施した発明例１２ないし１５の場合には、パワー密
度およびビーム移動速度の上昇に伴ってジャーナル部表
面の硬さが増加しているのに対し、パワー密度が低く、
ビーム移動速度が速すぎる比較例９の場合には、ジャー
ナル部の表面の冷却速度が不十分で軟化してしまい、逆
にパワー密度が高く、ビーム移動速度が遅すぎる比較例
１０の場合には、入熱が過剰となってジャーナル部の母
材部分まで溶融してい、ジャーナル部の形状が損なわれ
ることが確認された。

【００３８】実施例４素材管体Ｗとして、ＪＩＳＧ３４４５にＳＴＫＭ１
３Ｃとして規定される電縫鋼管を用意し、当該鋼管に、
図２に示した金型Ｍを用いて、種々の成形条件のもとに
膨出成形を施すことによって、図１に示したような中空
カムシャフト素材（カム部最大外径：４２ｍｍ，ジャー
ナル部外径：２８ｍｍ，ステム部外径：２６ｍｍ）を一
体成形し、次いで、カム部２およびジャーナル部３の表
面に硬化処理を施し、硬化層５および６を形成すること
により、表４に示すような肉厚寸法の中空一体型カムシ
ャフト１を製造した。

【００３９】そして、これらカムシャフトの剛性，耐摩
耗性，耐久性などについて調査した。これらの結果は表
４に併せて示すとおりである。

【００４０】

【表４】

【００４１】表４に示すように、所定の伸び率、すなわ
ち１０％以上の伸び率を有する素材鋼管Ｗ（ＳＴＫＭ１
３Ｃ）を使用して、所定の肉厚範囲のカム部２およびジ
ャーナル部３を備え、これらカム部２およびジャーナル
部３に、所定の範囲に所定硬さ、所定厚さの硬化層５お
よび所定硬さの硬化層６を備えた発明例１６ないし２０
に係わるカムシャフトにおいては、いずれも良好な形状
を備え、剛性，耐摩耗性，耐久性に優れたカム部２およ
びジャーナル部３が形成されており、カムシャフトとし
ての十分な性能を備えていることが確認された。

【００４２】これに対し、カムノーズトップ部２ｔから
カムランプ部２ｒにかけての最小肉厚ｔf が０．６ｍｍ
（ｔf ／ｔb ＝０．２）、ジャーナル部の肉厚ｔj が
０．６ｍｍ（ｔj ／ｔs ＝０．２）と薄くなった比較例
１１においては、カムノーズトップ部およびジャーナル
部の変形量が大きく、所期の寸法精度を得ることができ
ず、比較例１２の場合には、カム部の硬化層５およびジ
ャーナル部の硬化層６の硬さがＨＲＣ３０およびＨｖ８
０と低いために、カム部およびジャーナル部の摩耗量が
過大となり、カムシャフトとしての性能を満足すること
ができないことが判明した。

【００４３】さらに、カム部の硬化層５が所定硬さを備
えていても、その厚さが薄い比較例１３の場合には、カ
ム部に剥離が発生することから耐久性の点で劣り、硬化
層５の形成範囲が狭い比較例１４の場合には、カム部表
面の摩耗量が過大となって、いずれも所期の性能を満た
すことができないことが確認された。

【００４４】また、伸び率の低い素材鋼管Ｗ（ＳＴＫＭ
１７Ｃ）を使用した比較例１５においては、成形性が悪
く、膨出成形によってカム部に割れが発生すること、加
えて、カム部の硬化処理方法としてＰＰＷ法（プラズマ
粉体肉盛り法）を採用した比較例１６においては、母材
部への入熱量が大きくなることから肉盛りによる熱変形
が大きくなって、所期の寸法精度を得ることができなく
なることが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の一実施例に係わる中空一体型
カムシャフトの形状を示す縦断面図である。（ｂ）図１（ａ）に示した中空一体型カムシャフトの
外観形状を示す斜視図である。（ｃ）図１（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃにおける断面図
である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は図１に示した中空一体型
カムシャフトの成形過程を示す概略工程図である。

【図３】図２に示した成形工程の前工程として管体のス
テム部相当部に縮小成形を施す要領を説明する概略工程
図である。

【図４】図２に示した成形工程に際して管体の軸方向に
圧縮力を加える要領を示す概略工程図である。

【図５】従来の中空カムシャフトの成形要領を示す説明
図である。

【符号の説明】

１中空一体型カムシャフト２カム部３ジャーナル部５，６硬化層２ｂベース部２ｔカムノーズトップ部２ｒカムランプ部ＴカムノーズトップＷ管体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南山秀夫神奈川県横浜市金沢区福浦２丁目15番地の 12 株式会社チューブフォーミング内 (72)発明者坂元宏規神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者加納眞神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者鈴木健司神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１本の管体からなり、管体の外周部から
膨出するカム部もしくはカム部とジャーナル部を一体的
に備えると共に、カム部の表面に硬化層を備えているこ
とを特徴とする中空一体型カムシャフト。
【請求項２】カムノーズトップ部からカムランプ部に
至る部分における最小肉厚ｔf のカムベース部の肉厚ｔ
b に対する比（ｔf ／ｔb ）が０．３〜１．０の範囲に
あることを特徴とする請求項１記載の中空一体型カムシ
ャフト。
【請求項３】カムノーズトップ部の肉厚が０．９〜
４．０ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１また
は請求項２記載の中空一体型カムシャフト。
【請求項４】硬化層がＨＲＣ４０以上の硬さを有し、
少なくともカムノーズトップを中心とする中心角±３０
°の範囲に形成してあることを特徴とする請求項１ない
し請求項３のいずれかに記載の中空一体型カムシャフ
ト。
【請求項５】硬化層の厚さが０．１〜０．６ｍｍの範
囲にあることを特徴とする請求項１ないし請求項４のい
ずれかに記載の中空一体型カムシャフト。
【請求項６】ステム部の肉厚ｔs に対するジャーナル
部の肉厚ｔj の比（ｔj ／ｔs ）が０．５〜１．０の範
囲にあることを特徴とする請求項１ないし請求項５のい
ずれかに記載の中空一体型カムシャフト。
【請求項７】ジャーナル部の表面にＨｖ１００以上の
硬度を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６
のいずれかに記載の中空一体型カムシャフト。
【請求項８】管体の外周部を部分的に膨出させる膨出
成形工程と、膨出成形されたカム部の表面にレーザ硬化
処理を施す工程からなることを特徴とする請求項１ない
し請求項７のいずれかに記載の中空一体型カムシャフト
の製造方法。
【請求項９】管体の外周部を部分的に膨出させる膨出
成形と管体の径を部分的に縮小する縮小成形を組合わせ
た成形工程と、膨出成形されたカム部の表面にレーザ硬
化処理を施す工程からなることを特徴とする請求項１な
いし請求項７のいずれかに記載の中空一体型カムシャフ
トの製造方法。
【請求項１０】膨出成形に際して、管体の中空部に８
０〜２００ＭＰａの範囲の液圧をかけることを特徴とす
る請求項８または請求項９記載の中空一体型カムシャフ
トの製造方法。
【請求項１１】膨出成形に際して、管体の軸方向に圧
縮力を加えることを特徴とする請求項９ないし請求項１
０のいずれかに記載の中空一体型カムシャフトの製造方
法。
【請求項１２】伸び率が１０％以上の管体を使用する
ことを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか
に記載の中空一体型カムシャフトの製造方法。
【請求項１３】レーザ硬化処理としてカム部にレーザ
肉盛りを施すことを特徴とする請求項９ないし請求項１
２のいずれかに記載の中空一体型カムシャフトの製造方
法。
【請求項１４】肉盛り材料として炭素含有量が１〜４
重量％の鉄系材料粉末を用いることを特徴とする請求項
１３記載の中空一体型カムシャフトの製造方法。
【請求項１５】レーザのパワー密度が２８０〜８５０
Ｗ／ｍｍ²の範囲であることを特徴とする請求項１３ま
たは請求項１４記載の中空一体型カムシャフトの製造方
法。
【請求項１６】膨出成形されたジャーナル部の表面に
レーザ焼入れ処理を施すことを特徴とする請求項９ない
し請求項１５のいずれかに記載の中空一体型カムシャフ
トの製造方法。
【請求項１７】レーザのパワー密度が５〜５０Ｗ／ｍ
ｍ²、レーザビームの移動速度が０．３〜５．０ｍ／ｍ
ｉｎの範囲であることを特徴とする請求項１６記載の中
空一体型カムシャフトの製造方法。