JPS6233720A - 再溶融チルカムシヤフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、カムシャフト、より詳しくは、ＴＩＧアーク
、レーザ、電子ビームなどの高密度エネルギーによって
カム摺動部表面を溶融し、自己冷却で耐摩耗性に優れた
チル層を形成させる再溶融カムシャフトの製造方法に関
する。

〔従来の技術〕

自動車用エンジンなどに組込まれる複数カムを備えたカ
ムシャフトではカム摺動表面が優れた耐摩耗性を有する
必要があり、カム摺動部をＴＩＧア−り、レーザ、電子
ビームなどの高密度エネルギーによって溶融させ、カム
シャフトの自己冷却による急冷でチル硬化層を形成する
表面硬化熱処理が施こされる（例えば、本出願人による
特開昭５９−２３１５６号公報、昭和５９年５月７日出
願の特願昭５９−９１６５４号および５９−９１６５５
号参照）。このような表面硬化処理による再溶融チルカ
ムシャフトの製造においては、第５図に示すようにカム
シャフト１のカム２とＴＩＧ　）−チ３のタングステン
電極４との間にＴＴＧアーク５を発生させてカム２の摺
動表面を溶融させ、このときにカムシャフト１をその中
心軸６について回転させ（矢印７）同時にカムシャフト
１を中心軸６と平行に（矢印８）揺動（往復運動）され
ている。トーチ３はタングステン電極４とカム２の表面
との距離（ギャップ）が一定になるように鉛直方向（矢
印９）に動かされ、ＴＩＧアーク５が軌跡１０を描く。

なお、カムシャフト１の代わりにトーチ３を揺動しても
よい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

トーチ３の軸（Ｚ軸）１１がカムシャフト１の中心軸６
と交差するようになっている第６図に示すカム２の断面
において、ＴＩＧアークによる溶融ポイントＡではカム
２のカムプロフィルの接線１２と水平線１３との間に変
化する角度α（以下、垂れ角と呼ぶ）が形成される。こ
の垂れ角αが大きい場合には高密度エネルギーによって
形成された溶融プールが重力によって下方へ垂れる問題
が生じる。垂れ角αは、一般に、カムノーズ頂点１４と
カムシャフトの中心軸６とを結ぶ線とトーチ３の軸１１
との間に形成される角度が１５〜３０゜であるときに最
大となり、この最大角度はカムノーズ頂点の両側にある
。最大垂れ角となる２箇所のうち、カム２の基礎内部１
５からカムノーズ頂点１４へ向ってのＴＩＧアークによ
るカム表面の斜面部の溶解では、先に再溶融されそして
自己冷却で急冷されて形成されたチル層が下側にあって
チル層はある程度を熱を有しており、この熱が次に溶解
された溶融プールの、重力によってカム表面斜面を垂れ
る状態となり凝固を遅らせる。またアークは一度溶融さ
れた熱い地点に優先的に飛ぶため、アーク柱はカム表面
にそうような形で電極とカム軸芯を結ぶ線上の点より処
理始め側にずれる（カム軸回転が速いほどこの傾向は強
い）、これによりアークをとりま（Ａｒガス流がカム表
面を重力方向になぜる形となる。これらのために、垂れ
が大きくなる。一方、カムノーズ頂点１４から基礎内部
１５へ向ってのＴＩＧアークによる溶解では、前述の場
合とは違って溶融プールが垂れたとしてもその溶融箇所
の下側はまだ加熱されていない冷たいカム部分なので急
速に凝固するし、アーク柱は上述と逆になりほぼ最短距
離のカム面に向うためＡｒガス流の影響はなくなり垂れ
が大きくなることはなく、はとんど問題はない。

溶融プールの垂れが大きく発生すると、第７図のカム断
面（カムシャフトの中心軸６に沿った断面で）に示した
ようなカム表面（すなわち、チル層２１の表面）に凹凸
が生じる。なお、第３図において、チル層２１の下にマ
ルテンサイト層２２が形成されており、その下はカム基
地（鋳放し鋳造組＄＠）２３である。ＴＩＧアークを利
用した表面硬化後に、再溶融チルカムシャフトを研摩し
て所定カムプロフィルの研摩面とする際に、凹凸が大き
い場合には、研削取代よりも深い凹所２４に黒皮残りが
生じる０通例、研削取代ｔは処理時のカム表面２６と研
摩面２７との差であって、０．５　ｍｍ程度である。実
際には、研削取代がＴＩＧアーク処理前の機械加工での
機械能力によりばらつくために、このような黒皮残り不
良のないようにするにはＴＩＧアーク再溶融処理後のカ
ム表面での凹所深さを処理時のカム表面２６より０．２
５■１以内にする必要がある。溶融プールの垂れによる
凹所深さを０．２５鶴以内にするためには、後述する場
合でのように垂れ角αが３３°もあるときでは、溶融電
流を下げる（照射エネルギーを弱める）などして溶融プ
ール量を抑えることになり、このことによって最大チル
深さが０．８〜１．０ｆｌ程度になってしまう。この最
大チル深さの値では、エンジンの動弁系において再溶融
チル層の耐摩耗性が優れて各種耐久試験に合格している
とは言え不安要因となる恐れがあり、カム摺動部での最
大チル深さが１．０龍以上、好ましくは１．５ｆ１以上
とするのが望ましい。

このように深い最大チル深さくチル層厚さ）を確保する
には、溶融プールの重力による垂れを小さくコントロー
ルして所定エネルギーによるカム表面の再溶融を行なう
必要がある。

溶融プールの重力による垂れを小さくあるいは防止する
方法として、垂れ角αを常にゼロにする試みがある。例
えば、特開昭５７−１７７９２６号公報にて開示された
カム摺動面の白銑硬化方法においては、第１図、第２図
および第３図に示されたようにノーズ部を含むカム摺動
面のＢ−Ｅ間は常に水平位置く垂れ角α＃０）にある。

しかしながら、この開示された方法を実施する装置では
、小径の偏心内部（ノーズ部）の中心軸でカムシャフト
を回転させる機構およびトーチをカムシャフトの中心軸
とは直角方向に移動させる機構を特に必要としている。

またカムの基礎内部での異常摩耗対策などのために、最
近、カムの全周にわたって再溶融チル化処理する場合が
あり、このときには基礎内部についてもその中心軸で回
転させることになり、２つの回転軸を持たねばならず、
装置が非常に複雑になってしまう。

本発明の目的は、従来の高密度エネルギー照射を利用し
たカムシャフトの再溶融チル化処理装置の機構をほぼそ
のままで、操業（制御）方法を改善して溶融プールの重
力による垂れを小さくすることである。

本発明の別の目的は、溶融プールの垂れに起因した凹所
の深さを０．２５ｍｍ以内としかつカム幅方向での１．
０鶴以上の最大チル深さをカム全周にわたって確保する
再溶融チルカムシャフトの製造方法を提供することであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上述の目的が、カムシャフトのカムに高密度エネルギー
を照射してカム摺動部表面を溶融し、自己冷却によるチ
ル層を連続して形成させる再溶融チルカムシャフトの製
造において、溶融時に生じる溶融プールが重力によって
垂れやすい箇所にて、溶融作用を時間的に中断して溶融
プールを凝固させ、チル層が重畳するように溶融作用を
再開することを特徴とする再溶融チルカムシャフトの製
造方法によって達成される。

溶融作用の中断が、照射する高密度エネルギーを溶融を
起こさずに凝固が進行するレベルまで弱め（例えば、Ｔ
ＩＧアークの溶融電流を下げて非溶融電流とし）かつ同
時にカムシャフトのカム軸回転を一時停止又は一時逆転
することによって行なわれる。

〔実施例〕 以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例によって
本発明をより詳しく説明する。

本発明に係る再溶融カムシャフトの製造方法実施する再
溶融チル化処理装置の制御系統図を第２図に示し、機械
的装置本体を第３図および第４図に示す。この処理装置
全体は基本的に従来のちのと同じ構成である。

この再溶融チル化処理装置は制御ユニットおよび機械的
装置本体３１からなる。制御ユニットはコントローラ３
２、高密度エネルギー源（ＴＩＧアーク用電源）３３、
カムシャフトのオシレーテイング制御器３４、プログラ
ムユニット３５、ティーチングユニット３６およびオペ
レーティングボックス３７からなる。そして機械的装置
本体３１は、高エネルギー照射器（ＴＩＧトーチ）３８
、このトーチを移動させるＸ、Ｙ直交Ｚ軸ロボット部３
９およびカムシャフト担持して回転および揺動させるワ
ーク駆動部４０からなる。なお、この場合において、カ
ムシャフトが揺動するようになっているが、トーチを揺
動するようにしてもよい。

ＴＩＧアーク用電源３３は、直流ＴＩＧアークの電流値
を周期的に変化させた溶融電流を供給するものが好まし
く、いわゆるＴＩＧパルス溶接での電流波形と同様な波
形で電流を供給できるものである。

なお、このようなパルス電流であってもそのペース電流
（バックグラウト電流）はカム表面を溶解しうるＴＩＧ
アークを発生させる値を有して、形成する溶融プールは
連続している。本発明ではこのＴＩＧアーク用電源３３
に、溶融電流を非溶融電流（ＴＩＧアークは発生してい
るがカム表面を溶解しないで、溶融プールをゆっくり冷
却凝固させる電流）に切換えるユニットが取込まれてい
る。溶融電流としては最大チル深さを１．０鰭以上とす
るために、ベース電流値が６０Ａ〜１４０Ａであるのが
好ましく、１４０Ａ以上であると溶融量が大きく垂れの
問題が生じてしまう。パルス電流のピーク値およびパル
ス幅についてはそれぞれ７０Ａ〜１５０Ａおよび０．１
秒〜０．４秒、の範囲で適切に設定するのが望ましい。

第３図および第４図において、Ｘ、Ｚ直交２軸ロボット
部３９は、カムシャフト１の中心軸６と平行なＸ軸方向
にトーチ３８を移動させるためのスライドベース５１、
スライドコラム５２およびスライドコラム駆動機５３、
および中心軸６と直角なかつ鉛直なＸ軸方向にトーチ３
８を移動させるためのスライドコラム５２に取付けられ
るＸ軸方向に可動板５４、この可動板５４にトーチ３８
を固定する取付具５５および可動板駆動機５６からなる
。ワーク駆動部４０は、カムシャフト１を保持するセン
ター５７　、５８とカムシャフトを回転させる駆動機（
サーボモータ）５９とを有するワーク回転部６０、およ
びこのワーク回転部６０をＸ軸方向に揺動（往復運動）
させるためのスライドベース６１およびオシレーテイン
グ駆動機６２からなる。

コントローラ３２からの指令がスライドコラム駆動機５
３、可動板駆動機５６、カムシャフト回転駆動機５９お
よび電流切換えユニットを含むＴＩＧアーク用電源に伝
達され、オシレーテイング駆動機６２への指令がオシレ
ーテイング制御器３４を介して伝達される。カムシャフ
トの再溶融チル化処理が本発明に係る製造方法にしたが
って行なわれるように、最適条件をプログラムユニット
３５、ティーチングユニット３６、オペレーティングボ
ソクス３７によって設定し、コントローラ３２によって
処理装置が自動的に動かされる。

上述した再溶融チル化処理装置を下記実施例１〜５のよ
うに作動させてカムシャフトの製造を行なう。

実施例１ まず、再溶融チル化処理を施こすカムシャフト１をワー
ク回転部６０のセンター５７　、５８間に配置する（第
４図）。カムシャフト１は、例えば、複数のカム２、軸
受部６５および軸部６６からなり、下記寸法の特殊鋳鉄
鋳物製である。

カムシャフト全長：４００龍 カ　　ム　　幅：　１４．４龍 基礎内部直径＝３１龍 リフト高さ：８１真 トーチ３８をその軸（Ｚ軸部１）がカムシャフト１の中
心軸６と交差しかつ鉛直である位置（第６図および第３
図）に取付具５５によって調節して固定する。カム表面
とトーチのタングステン電極との最短距離を一定にして
ＴＩＧアークを発生させる必要があるので、球形センサ
ー（直径４鰭のボール使用）と電極マイクロメーターと
であらかじめ測定し、カムプロフィルとしてプログラム
ユニット３６に記憶させておく。スライドコラム５２を
その駆動機５３によってＸ軸方向に移動させて、所定カ
ム２の真上にトーチ３８を持ってくる。

次に、ＴＩＧアークをトーチ３８とカム表面との間に発
生させてカム２を溶解するわけであるが、最初は（スタ
ート時は）カムシャフトが予熱されずに冷たい状態であ
って直ちに溶融処理を行ないチル層と形成させていくと
再溶融部とそうでない部分との間に熱応力が強く発生し
てクラックが入り易いために、電流が本電流に切りかわ
った段階で４秒間はどカムシャフトを回転させずにカム
表面を加熱する。このときには、カムシャフトをその中
心軸（Ｘ軸）方向に９．５ｆｉの振幅で１．０秒／サイ
クルで揺動を行なっている。

この後に、カムシャフトの回転を開始（スタート）する
。カムシャフトの回転速度は３４０°／ｍｉｎに、溶融
電流は１１５Ａのベース電流値、１２５Ａのピーク電流
値、０．２秒のパルス幅に設定する。ア−ク長を２．０
±１ｍｍに設定する。なお、この溶融電流は従来の再熔
融チル化処理では溶融プールの重力による垂れが大きく
研摩後にカム表面に凹所黒皮残りが発生するものである
。このようにしてカムの基礎内部からＴＩＧアークによ
る溶解を始めて全周にわたって処理する。

このカムシャフト１のカム２では、カム基礎内部からノ
ーズ部への途中で最大垂れ角α＝３３゜のポイントがあ
り、このポイントでの垂れが問題になる箇所である。こ
のポイントはノーズ頂点とカムシャフト中心軸とを結ぶ
線とトーチの軸線との間の角度（以下、ノーズからの角
度と呼ぶ）が２０°の位置である。このノーズからの角
度が２０°の位置およびそれよりも前の４５゛の位置に
て、本発明にしたがって、第１図の実施例１に示するよ
うにカム軸回転および電流値の制御を行なう。すなわち
、ノーズからの角度４５゛の位置に対応するカム表面ポ
イントがトーチの直下に来たときに、カムシャフトの回
転を停止かつ同時に溶融電流から非溶融電流に切換えて
溶融プールを凝固させる。１秒後に溶融電流に復帰させ
て、１秒間その位置で再び溶解してチル層が連続するよ
うにし、その後にカムシャフトの回転を再開する。

ノーズからの角度が２０°の位置に対応する垂れ角最大
ポイントについても４５°位置と同じ処理を行なう。こ
の結果として、垂れ角最大ポイントでのチル層表面の垂
れに基因した凹凸での凹所深さを０．２５ｍｍ以内とす
ることができ、かつカム幅方向断面での最大チル深さを
１．０〜１．２ａｍとすることができた。従来よりもチ
ル深さくチル層厚さ）を約０．２　＊ｍ大きくすること
ができた。なお、ＴＩＧアークによる溶解を一時中断す
るときに、アークによる約４鶴径の溶融プールがカムシ
ャフトの回転および揺動のために少し垂れて、カム幅方
向で中央部分の５所の両側にある凹所の一方のほうが他
方よりも深くなりやすい。

実施例２ 実施例１と同じに準備して、溶融電流のＴＩＧアークを
発生させかつカムシャフトを回転させてカムの再溶融チ
ル化処理を行なう際に、第１図の実施例２に示すように
カムシャフトの回転をパルス送りとしてこの動きに同期
した溶融電流と非溶融電流との切換えを行なう。処理条
件は下記のとおりでカム全周にわたって処理する。

カムシャフトの回転速度：　　３００”　／ｍｉｎカム
シャフトのパルス送り：１秒回転、１秒停止カムシャフ
トの揺動くオシレーテイング）幅：９．５鰭）ヱ動すイ
クル：１．０秒／サイクル 溶融電流：　　１２５Ａのピーク電流（０，２秒）１１
５へのベース電流 非溶融電流：２０〜ＩＯＡ 電流切換え間隙：１秒 この結果として、垂れ角最大ポイントでの垂れは実施例
１よりも小さく、凹所深さは０．２５ｍｍ以内であり、
かつ最大チル深さを１．３〜１．６　＋ｕとすることが
できた。ただし、この場合には従来の場合よりも処理時
間が２倍以上となるために生産性は低下してしまう。

プυ虻倒」一 実施例２の場合には処理時間がかかるので、実施例２で
のカムシャフトのパルス回転および電流切換えをノーズ
からの角度が４０°から１０’までの間だけ行なうよう
にする。

実施例１と同じように下記条件で基礎内部からノーズか
らの角度４０°の所まで連９　ＴＩＧアーク溶融を行な
う。

カムシャフトの回転速度：３４０°／ｍｉｎカムシャフ
トの揺動幅　：　９．５　ａｍ揺動サイクル：１．０秒
／サイクル 溶融電流：　　１３ＯＡのピーク電流（０，２秒）１２
０Ａのベース電流 次に、ノーズからの角度４０°からｌＯｏまでを第１図
の実施例３に示すようにカムシャフトの回転をパルス送
りとしこの動きに同期した）容融電流と非溶融電流との
切換えを行ない、処理条件は下記のとおりである。

カムシャフトの回転速度：３００°／　ｍ　ｉ　ｎカム
シャフトの揺動幅、サイクルは同じ溶融電流：　　１２
５Ａのピーク電流（０，２秒）１１５Ａのベース電流 非溶融電流：２０〜ＩＯＡ 電流切換え間隙：１秒 そして、ノーズからの角度１０°以後、スタート地点ま
でのカム周囲を連ｉ　ＴＩＧアーク溶融を、カムシャフ
トの回転速度：３４０°／ｍｉｎ、カムシャフトの揺動
幅およびサイクルは同じ、溶融電流：　　１０５Ａのピ
ーク電流（０，２秒）、１２Ａのベース電流の条件で行
なう。

この結果として垂れ角最大ポイントでの垂れは実施例２
と同じであり、凹所深さおよび最大デル深さも実施例２
と同じに０．２５ｍｍ以内でありかつ１、３〜１．６　
ａｍであった。

大旌桝土 実施例１での再溶融チル化処理方法を発展させた方法で
あって、生じる凹所の一方が他方よりも深くなるのを防
止するために、第１図の実施例４に示すように、ノーズ
からの角度が４５°および２０°のところで非溶融電流
に切換えると同時にカムシャフトを一時逆回転させる。

これは、既に凝固した部分を再度溶解して深い凹所をも
っと平らに修正するためである。

実施例１と同じように、カムシャフトを揺動させた状態
で３４０”　／ｍｉｎの回転速度で、熔融電流を実施例
１よりも５Ａ高くして１３０Ａのピーク電流（パルス幅
１０．２秒）で１２ＯＡのベース電流としてＴＩＧアー
ク溶解を基礎内部からノーズからの角度４５°のところ
まで行なう、このところでカムシャフトを逆回転し、溶
融電流から２０〜ＩＯＡの非溶融電流に切換える。この
逆回転および電流切換え時間は１秒間であり、逆回転速
度を１６０°／ｓｉｎとするならば逆転骨は約２°であ
る。このときに溶融プールが凝固し、かつ逆回転によっ
てバスで一つ前の位置にトーチが戻ったことになる。

そして、カムシャフトの回転を元にもどして同時に溶融
電流に切換えて、凝固したチル層を再溶解し、続いてノ
ーズからの角度が２０°のところまでＴＩＧアーク溶融
処理する。垂れ角最大ポイント（ノーズからの角度が２
０°のところ）にても４５°位置と同じ逆回転・電流切
換え処理を行なう。そして、それ以後のカム表面をスタ
ート地点まで当初条件のＴＩＧアーク溶解処理を行なう
。

この結果として、垂れ角最大ポイントでの垂れによる凹
凸での２つの凹所の深さがほぼ同じになり、溶融電流を
５Ａ高くしても実施例１での凹所深さと同程度の深さの
凹所とすることができた。

そして、最大チル深さを１．２〜１．４龍とすることが
できた。

夫ｍ 実施例４の方法において、さらに最大チル深さを太き（
するために、溶融電流においてピーク電流のパルス幅０
．２秒の低周波パルスに１５ＫＨ２Ｏ高周波パルスを重
畳させおよびカムシャフトの回転速度を３００°／ｌｌ
１ｉｎに変更したことを除いて他の条件は実施例４と同
じにてＴＩＧアーク再溶融チル化処理を行なった。低周
波パルスに高周波パルスを重畳させることによって溶融
プールを深さ方向に大きくし、表面でのアークのひろが
りを小さくすることができる。その結果として、垂れ角
最大ポイントでのカム表面凹凸の凹所深さを実施例４と
同じ程度で０．２５ｍｍ以内とすることができ、かつ最
大チル深さを１．５〜１．７鶴とすることができた。

〔発明の効果〕

本発明に係るＴＩＧアークによる再溶融チルカムシャフ
トの製造方法によって、制御方法の改善で溶融プールの
重力による垂れを小さく抑えてかつ最大チル深さを大き
くすることができる。上述の実施例１〜５ではＴＩＧア
ークをエネルギー源としているが、レーザあるいは電子
ビームの場合でも本発明の方法を適用して再溶融チルカ
ムシャフトの製造が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る再溶融チルカムシャフトの製造
方法におけるカムシャフト回転およびアーク電流の時間
的変化を説明する図であり、第２図は、再溶融チル化処
理装置の制御系統図であり、 第３図は機械的装置本体の側面断面図であり、第４図は
機械的装置本体の正面図であり、第５図はカム表面をＴ
ＩＧアークによって溶融チル化処理を行なっている状態
を示すカムシャフトおよびＴＴＧ　　トーチの部分斜視
図であり、第６図はカムの断面図であり、 第７図は溶融プールの重力を垂れを説明するカムの部分
断面図である。 １・・・カムシャフト、　　　　２・・・カム、３・・
・トーチ、　　　　　　　α・・・垂れ角、２１チル層
、　　　　　　　２４・・・凹所、３１・・・機械的装
置本体、　　３２・・・コントローラ、３３・・・ＴＩ
Ｇアーク用電源、３８・・・ＴＩＧトーチ、５２・・・
スライドコラム、 ５３・・・スライドコラム駆動機 ５４・・・可動板、 ５６・・・可動板駆動機、 ５９・・・カムシャフト回転駆動機、 ６０・・・ワーク回転部、　　　６１・・・スライドベ
ース、６２・・・オシレーテイング駆動機。 第１図 第２図 ３１−　　機械的装置本体 ３２−・−コントローラ ３３−ＴＩＧアーク用電源 ３８・−ＴＩＧ　トーチ ３９・−Ｘ、Ｚ直交２軸ロボット部 如−・−ワーク１駆動部 第３図 第４図 １・　カムンヤフト 第５　図　　２−　　カム ３・−トーチ 第６図 第７図 ２１−・−チル層 ２２−　　マルテンサイト層 ２４−・−凹所 １−一一研削取代

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、カムシャフトのカムに高密度エネルギーを照射して
   カム摺動部表面を溶融し、自己冷却によるチル層を連続
   して形成させる再溶融チルカムシャフトの製造において
   、溶融時に生じる溶融プールが重力によって垂れやすい
   箇所にて、溶融作用を時間的に中断して溶融プールを凝
   固させ、チル層が重畳するように溶融作用を再開するこ
   とを特徴とする再溶融チルカムシャフトの製造方法。 ２、前記溶融作用の中断が、前記高密度エネルギーを溶
   融を起こさないレベルに下げかつ同時に前記カムシャフ
   トのカム軸回転を一時停止することによって行なわれる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の製造方法
   。 ３、溶融を起こさないレベルに前記高密度エネルギーを
   下げかつ同時に前記カムシャフトのカム軸回転を一時逆
   転することによって前記溶融作用の中断が行なわれるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の製造方法。 ４、前記溶融作用の中断が、前記カムシャフトのカム軸
   回転をパルス送りで行ないかつ回転時の溶融を起こす前
   記高密度エネルギーを停止時には溶融を起こさないレベ
   ルに下げることによって継続的に行なわれることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の製造方法。