JPS6237564A

JPS6237564A - 再溶融チルカムシヤフトの製造方法

Info

Publication number: JPS6237564A
Application number: JP60174333A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nonoyama; 野々山　秀夫; Toshiharu Fukumizu; 敏治福泉; Akiyoshi Morita; 章義森田; Seiichi Uruno; 清一宇留野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1987-02-18
Also published as: JPH0220694B2; US4787944A; DE3626808A1; DE3626808C2

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、
レーザー、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アーク、レーザー。

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５９−９１６５
５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、トーチ３のタングステン電極
４との間にＴＩＧ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について回転させて（矢印７）同時に中心軸６と平行
に（矢印８）揺動している（往復運動させている）。ト
ーチ３はタングステン電極４とカム２の表面との距離が
一定になるように鉛直方向（矢印９）に動かされ、ＴＩ
Ｇ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
大となる。垂れ角は水平線に対して左下り（第６図）の
場合と右下り（図示せず）の場合とがある。最大垂れ角
となる２箇所のうち、左下り垂れ角となるカム２の基礎
内部１５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方に
あってこの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
、一度溶融されてまだ熱い地点に優先的に飛ぶため、ア
ーク柱はカム表面をそうような形で、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
巻＜Ａｒガス流が、カム表面を重力方向になぜて溶融プ
ールをおし下げる形となる。このために、垂れが大きく
なる。一方、右下り垂れ角となるカムノーズ頂点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た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
、はぼ最短距離にあるカム面に向うため、Ａｒガス量の
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７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（鋳放し鋳造組織）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
じることがある。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　ｍ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
．２５ｍｍ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０．２５ｍｍ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０．８〜１．０　ｍ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．Ｏｕ以上、好ましくは１．５ｆ
１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を殆んど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（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となっており、カムの基礎内部
での異常摩耗対策などのためにカム全周にわたって再溶
融チル化処理することができない。

溶融プールの重力による垂れを小さくする別の方法とし
て、第６図での左下り垂れ角αを右下り垂れ角となるよ
うにトーチを図面上で右側へ（カムシャフト中心軸６を
通る鉛直線上から回転方向と反対方向へ）ずらすことが
考えられ、このトーチをずらすことが特開昭筒５３−９
４２０９号公報に開示されている。この公報の第１図に
示されたように、トーチはカムシャフト回転方向とは反
対方向にカムシャフト中心軸を通る鉛直線から約４５゜
の角度に設置されている。この場合での、カムの基礎内
部からノーズ頂点へ向ってのアーク再溶融における垂れ
角は水平線から右下りの角度（水平線からカム回転方向
とは反対方向へ下がる角度）となっており、添付の第８
図および第９図に示したとおりである。第８図では、ト
ーチ３をその軸線がカムシャフト中心線６を通るように
かつ鉛直線１１　（Ｚ軸方向）に対して４５°傾いてい
るように設置しており、第８図（（転）〜（ｆ）に示し
たようにアークによる再溶融が行なわれ、垂れ角は常に
水平線から右下り状態にある。さらに、第９図では、４
５°傾けられているトーチ３の軸線がカムシャフト中心
線６から上方へ変移するようにトーチを設置しており、
第９図（ａｌ〜（ｆｌに示したようにアークによる再溶
融が行なわれ、垂れ角は常に水平線から右下り状態にあ
って第８図の場合よりも小さい。しかしながら、この方
法でも、カムノーズ前後で垂れ角が大きく変化するため
、アークの飛ぶ位置がワークに対して極端に変化するこ
とによりＡｒガスのシールドが乱れ、電極が酸化されて
損耗は激しく、使っているうちにアークの飛ぶ位置が変
化し、カムの端面型れあるいは黒皮残り不良が頻発する
ようになる。この為、電極の交換頻度を早くしなければ
ならず、電極費用、電極研摩。

交換工数が多くなる。

本発明の目的は、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において溶融プールの重力
による垂れを小さくする上述した従来方法とは異なる自
由度の高い処理方法を提供することがである。

本発明の目的は、溶融プールの垂れに起因した凹所の深
さを０．２５ｕ＋以内としかつカム幅方向での１、　Ｏ
ｔｍ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
ル層を形成させる再溶融カムシャフトの製造方法におい
て、前記カムをそのカムシャフト中心軸を中心に回転さ
せ、溶融地点における前記カムの表面接線と水平線との
角度をゼロ度にするか又はカムシャフトの回転方向と反
対方向に水平線より下側に形成するように高密度エネル
ギー照射トーチを前記カム摺動部表面に対して位置制御
して溶融プールの重力にらる垂れを小さくすることを特
徴とする再溶融チルカムシャフトの製造方法。

トーチの位置制御がカムシャフトの中心軸に対して垂直
でかつ水平なＹ軸方向およびこの中心軸に対して垂直で
かつ鉛直なＺ軸方向の少なくとも２軸制御としてカムの
回転に応じて行なわれる。

〔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を実施する
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（Ｔ　Ｉ　Ｇアーク用ｔｍ）３
３、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（Ｔ　Ｉ　Ｇ　ト
ーチ）３８、このトーチを移動させる直交３軸ロボソド
部３９およびカムシャフトを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ＴＴＧ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パルス熔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ベース電流（バックグラウド電
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７て、形成する溶融プールは連続している。溶
融電流としては最大チル深さをｌ、　Ｑ　＋ｎ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、パルス幅
、およびパルス周波数については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、直交３軸ロボット部３９
は、（１）　　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５
１、Ｘ軸スライダー５２、およびＸ軸方向駆動機５３、
（２）カムシャフト中心軸に対して垂直でかつ水平なＹ
軸方向にトーチ３８を移動させるためのスライドベース
であるＸ軸スライダー５２、Ｙ軸スライダー５５および
Ｙ軸方向駆動機５６、および　（３）カムシャフト中心
軸に対して垂直でかつ鉛直なＸ軸方向にトーチを移動さ
せるためのＹ軸スライダー５５に取付けられるＸ軸方向
可動板５７およびＸ軸方向駆動機５８、からなる。第３
図および第４図においては、トーチ３８は取付具５９に
よって可動板５７に固定されている。ワーク回転部４０
は、（１）カムシャフト１を保持するセンター６Ｌ　６
２　（第４図）とカムシャフトを回転させる駆動機（サ
ーボモータ）６３とを有するワーク回転部６４、および
　（２）　　このワーク回転部６４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６５およびオシ
レーテイング駆動機６６からなる。

コントローラ３２からの指令が各駆動機５３゜５６．５
８．６３および６６およびＴＩＧアーク用電源３３へ伝
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ックス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。

去隻±上上述した再溶融チル化処理装置を使用して、第１図（ａ
ｌ〜ｔｅｌに示したようにカムシャフト１　（カム２）
を回転させかつトーチ３８を移動させてカムシャフトの
カム表面をＴＩＧアークによって溶解し、自己冷却によ
ってチル層を形成することでカムシャフトを製造する。

まず、カムシャフト１をワーク回転部６４のセンター６
１．６２間に配置する（第４図）。カムシャフト１は、
複数のカム２、軸受部６８および軸部６９からなり、機
械加された特殊鋳鉄鋳物である。例えば、カムシャフト
は次のような寸法である。

カムシャフト全長：４００鶴カ　　ム　　幅　　：　　１４．４　　酊すフト高さ　
＝８１１′ｍ基礎内部直径：　３１１朧第１図でのカム２のプロフィルは、Ｅ点からＦ点および
Ａ点を経由してＢ点までの基礎内部、０点からＤ点まで
のカムノーズ部（小径の偏心内部）、およびこれらを滑
らかに接続するＢ点から０点までとＤ点からＥ点までの
２つのほぼ直線形状部からなる。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、マスターカムを使用して
球形センサー（直径４ｆｌのボール使用）と電磁マイク
ロメータとであらかじめカムプロフィルの変化を調べか
つトーチの位置変動をカムシャフトの回転との関係で適
切にティーチングユニット３５で設定し、プログラムユ
ニット３６に記憶させておく。

ひとつのカムについての処理が終了したら次のカム処理
を行なうようにＸ軸方向の３軸ロボット部３９の動きも
プログラムしておく。

第１図（ａｌに示したように、トーチ３８をカム２の中
心軸６の鉛直線上に持ってくる。このトーチの対応ポイ
ントであるＡ点（スタート点）はカム基礎内部の任意の
地点であり、中心軸６とノーズ頂点とを結ぶ線に対して
±９０°以上のところであるのが望ましい。この状態で
ＴＩＧアークをトーチ３８とカム表面との間に発生させ
、かつカムシャフトの中心軸６方向に９．５龍の振幅で
、１．１秒／サイクルの揺動を開始する。アーク発生後
、３秒間はカムシャフトを回転させずにおき、それから
カムシャフトを３００°／ｍｉｎの回転速度にて回転さ
せる。この回転停止期間は、カムシャフトが予熱されず
に冷たい状態であるとＴＩＣ，アークによる溶融深さが
浅く、チル層が薄くなる傾向があるので、予熱期間であ
る。カムシャフトを通電による加熱などであらかじめ予
熱するならば、直ちにカムシャフトを回転させることが
できる。

ＴＩＧアーク溶融電流は１１５Ａのベース電流値、１２
５Ａ（７）！＝’−り電流値、０．２秒のパルス幅のパ
ルス周波数に設定する。この状態で、アーク溶融地点で
のカム表面接線は水平線と一致しており、Ｂ点に到るま
で処理する。

第１図（ｂｌに示したように、Ｂ点がトーチの真下に来
たときにカムシャフトの回転を止める。そして、２．０
龍のアーク長を保持してトーチ３８をほぼ水平位置にあ
る直線形状に沿って０点まで移動させる。このときには
、直線形状部のＢ点から０点までその表面接線が水平線
より右下に（図面上で）あるようにし、その角度βがゼ
ロに近いほうが好ましい。トーチ３８の移動は、Ｙ軸方
向駆動機５６によってＹ軸スライダー５５　（第３図）
をカムシャフト１から離れるように動かしかつ可動板駆
動機５８によってトーチのある可動板５７を上下方向（
Ｚ軸方向）に直線形状部に対応して動かすことで行なわ
れる。なお、トーチ３８のＹ軸方向の移動速度は１００
１ｍ／ｍｉｎであり、溶融電流を強めて１２０Ａのベー
ス電流で１３ＯＡのピーク電流（パルス幅、周波数は同
じ）とする。ここで溶融電流を強めたのは、チル深さく
チル層厚さ）を大きくして前工程の機械加工によるカム
プロフィル粗加工でのバラツキがあっても十分なチル層
を確保するためである。

次に、トーチ３８が０点真上（多少Ｃ点上より進んでよ
い）に到達したときに、第１図（Ｃ）に示すように、カ
ムシャフト１の回転を再開しく回転速度：３００°／ｍ
ｉｎ　）　、同時にトーチ３８をＹ軸方向で図面上で左
側へ移動させ（Ｙ軸方向移動速度：　　１４０ｗｍ／ｍ
ｉｎ　）かつアーク長が２．　ＯｔｍであるようにＺ軸
方向で適切に移動させる。この０点からＤ点までのカム
ノーズ部の処理中でも溶融地点での表面接線が水平線よ
り゛右下にあるようにする。

また、溶融電流を、ノーズ部に熱が集中して自己冷却の
急冷に影響がでるので、ベース電流１００Ａのピーク電
流１１０Ａ　（パルス幅、周波数は同じ）に弱める。０
点に溶融地点が来たときには、第１図（ｄ）に示した状
態となる。

第１図（ｄｌの状態になったときに、カムシャフトの回
転を止める。そして、２．０鶴のアーク長を保持してト
ーチ３８をほぼ水平位置にある直線形状部に沿ってＥ点
まで（カムシャフト中心線の真上まで）移動させる。こ
のときの状況は第１図山）での場合と同様であり、ただ
、溶融電流をベース電流１１０Ａのピーク電流１２ＯＡ
　（パルス幅、周波数は同じ）としている。

そして、トーチ３８がＥ点真上に到達したときに、第１
図（ｅ）に示すように、カムシャフトを回転させる（回
転速度＝３００°／ｍｉｎ　）　ｅ　Ｅ点からＡ点まで
は基礎内部なので、トーチ３８を移動させる必要もなく
、溶融地点での表面接線と水平線とは一致する。基礎内
部の全てを再溶融チル化しなくてもよい場合には任意の
Ｆ点までとすることができる。

このようなＴＩＧアークによる再溶融チル化処理では溶
融プールの垂れが生じるほどの斜面が現われることがな
く、深さが０．１５ｍｍ以上の凹所はなく研摩後の黒皮
残り不良はない。また、カムを切断してチル層厚さを調
べたところ最大チル深さは１．５〜１．７　ｎ＋であっ
た。問題としていたカム摺動面の強い圧力のかかるとこ
ろ（Ｂ点から０点）でも同じように１．５〜１．７　＋
ｕである。

上述の実施例では、カム表面の０点からＥ点までの処理
においてトーチがカムシャフト中心線を通る鉛直線を越
えて第１図（ｄｌの位置まで移動しているが、後述する
第６図（ｅｌおよびｆｆｌに示し状態を経由して鉛直線
を越えることな（Ｅ点を溶融する状態にすることも可能
である。この場合には、溶融地点でのカム表面接線が水
平線に対して右下り（回転方向と反対方向）となり、そ
の角度が約３０°にもなることがある。それでも溶融プ
ールの重力による垂れは問題になる程大きくはなかった
。

〔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、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。自由度の大きな自動制御システムとすることができ
、設計変更などによるバリエーションに容易に対応した
処理が行なえる。上述の実施例１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に採用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係る再溶融チルカム
シャフトの製造方法にしたがって、カム表面を処理して
いる過程を説明する工程図であり、　　。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、機械的装置の側面断面図であり、第４図は、
機械的装置の概略正面図であり、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ＴＩＧ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
断面図であり、第８図（ａｌ〜（ｆ）は、従来のトーチ固定傾けてのカ
ム表面処理過程を説明する工程図であり、第９図（ａ）
〜（ｆ）は、従来の変移トーチ固定傾けてのカム表面処
理過程を説明する工程図である。 ■・・・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・・・ＴＩＧ用電源、３８・・・ＴＩＣＩ−−チ、３９・・・直交３軸ロボット部、４０・・・ワーク駆動部、５２・・・Ｘ軸スライダー、５５・・・Ｙ軸スライダー、５７・・・可動板、６４・・・ワーク回転部、６６・・・オシレーテイング駆動機。

Claims

【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形成
させる再溶融カムシャフトの製造方法において、前記カ
ムをそのカムシャフト中心軸を中心に回転させ、溶融地
点における前記カムの表面接線と水平線との角度をゼロ
度にするか又はカムシャフトの回転方向と反対方向に水
平線より下側に形成するように高密度エネルギー照射ト
ーチを前記カム摺動部表面に対して位置制御して、溶融
プールの重力による垂れを小さく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。