JP3585208B2

JP3585208B2 - Manufacturing method of hollow integrated camshaft

Info

Publication number: JP3585208B2
Application number: JP27160797A
Authority: JP
Inventors: 村正信中; 山秀夫南; 元宏規坂; 納眞加; 木健司鈴
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2017-10-03
Also published as: JPH11107711A

Description

【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の製造技術に係わり、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１０２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１０２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】
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もしくはカム部とジャーナル部を形成する膨出成形工程と、膨出成形されたカム部の表面にパワー密度が２８０〜８５０Ｗ／ｍｍ^２のレーザを照射して肉盛り処理を施す工程からな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】
また、本発明の請求項２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もしくはカム部とジャーナル部を形成す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パワー密度が２８０〜８５０Ｗ／ｍｍ^２のレーザを照射して肉盛り処理を施す工程からなる構成としたことを特徴とし、上記製造方法の実施態様として請求項３に係わる製造方法においては、炭素含有量が１〜４重量％の鉄系材料粉末を肉盛り材料として用いることを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の請求項４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とジャーナル部を形成する膨出成形工程と、膨出成形されたジャーナル部の表面にパワー密度が５〜５０Ｗ／ｍｍ^２、移動速度が０．３〜５．０ｍ／ｍｉｎのレーザを照射して焼入れ処理を施す工程からなる構成としたことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の請求項５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とジャーナル部を形成す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、膨出成形されたジャーナル部の表面にパワー密度が５〜５０Ｗ／ｍｍ^２、移動速度が０．３〜５．０ｍ／ｍｉｎのレーザを照射して焼入れ処理を施す工程からな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の製造方法においては、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るようにしており、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、８０ＭＰａ〜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、本発明において、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２ｔ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ＨＲＣ４０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ＨＲＣ４０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／ｍｍ^２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／ｍｍ^２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、８５０Ｗ／ｍｍ^２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】
上記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／ｍｍ^２、レーザビームの移動速度が０．３〜５．０ｍ／ｍｉｎの範囲とすることが望ましい。これは、パワー密度が５Ｗ／ｍｍ^２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／ｍｍ^２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の製造方法は、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パワー密度が２８０〜８５０Ｗ／ｍｍ^２のレーザを照射して肉盛り処理を施す工程から成るものであるから、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招くことなく、カム部の強度および耐摩耗性を付与することができると共に、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、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いことから、部品点数も少なく、生産性を大幅に向上させることができ、軽量かつ高性能の中空一体型カムシャフトを安価に製造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。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係わるカムシャフトの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と共に、膨出成形されたカム部の表面に、上記同様のパワー密度のレーザを照射して、同様の肉盛り処理を施すようにしているので、上記効果に加えて、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。
そして、上記製造方法の実施形態として請求項３に係わる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る。
【００２１】
本発明の請求項４に係わる中空一体型カムシャフトの製造方法は、管体の外周部を部分的に膨出させてカム部と共にジャーナル部を成形する膨出成形工程と、膨出成形されたジャーナル部の表面にパワー密度が５〜５０Ｗ／ｍｍ^２、移動速度が０．３〜５．０ｍ／ｍｉｎのレーザを照射して焼入れ処理を施す工程から成るものであるから、上記した軽量化及びコスト面の効果に加えて、ジャーナル部の耐スカッフィング摩耗を向上させることができると共に、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いう極めて優れた効果がもたらされる。
【００２２】
そして、本発明の請求項５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と共に、膨出成形されたジャーナル部の表面に、上記同様のパワー密度及び移動速度のレーザを照射して、同様の焼入れ処理を施すようにしているので、上記効果に加えて、カム部の急激な肉厚変化を抑制す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３ｋＷの炭酸ガスレーザを用いて、パワー密度２８０〜８５０Ｗ／ｍｍ^２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０．６ｍｍ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Ｃｒ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８５０Ｗ／ｍｍ^２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／ｍｍ^２、ビームの移動速度が０．３から５．０ｍ／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ＳＴＫＭ１３Ｃ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（ＳＴＫＭ１３Ｃ）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Ｈｖ８０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（ＳＴＫＭ１７Ｃ）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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, a manufacturing technique of a camshaft for driving an intake / exhaust valve of an automobile engine, and more particularly, to an excellent production of a hollow integrated camshaft having a hollow integrated structure and capable of reducing the weight of the engine. The present invention relates to a manufacturing method that can be manufactured based on properties.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, engine camshafts such as those described above have been manufactured by casting, forging, or welding a cam piece or a journal piece to a shaft made of round bar steel. Hollow camshafts using steel tubes have been put to practical use and widely used in gasoline engines and diesel engines.
[0003]
With such a hollow camshaft, a steel pipe is passed through a wear-resistant cam piece or a journal piece, and a hydraulic pressure is applied to the inside of the steel pipe to expand the pipe. Was fixed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional hollow camshaft, for example, as shown in FIG. 5, a cam piece 101 and a journal piece 102, which are formed by sintering or forging and then carburizing and quenching, are set in a mold 100. Then, since the hydraulic pressure expansion is performed through the steel pipe 103 through the through holes formed in the cam piece 101 and the journal piece 102 in advance, the number of parts is large, and the productivity is low due to the multi-step manufacturing process. In addition to the problem described above, since the cam piece 101 and the journal piece 102 need to be firmly fixed to the outer peripheral surface of the steel pipe 103, it is difficult to hollow the cam piece 101 and the journal piece 102. There are problems, there are these problems Resolve it, to reduce the manufacturing cost of the hollow cam shaft, it has been a problem to further push the weight of the hollow camshaft.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the conventional hollow camshaft, and is excellent in productivity, strength, durability, and a hollow integrated camshaft that can be reduced in weight. It is intended to provide a manufacturing method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the method for manufacturing a hollow integral camshaft according to claim 1 of the present invention, a bulging molding step of partially bulging an outer peripheral portion of a tubular body to form a cam portion or a cam portion and a journal portion; The surface of the formed cam portion is irradiated with a laser having a power density of 280 to 850 W / mm ² to perform a build-up process. This is a means for solving the conventional problem described above.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a hollow integral camshaft, wherein the outer peripheral portion of the tube is partially expanded to form a cam portion or a cam portion and a journal portion. A molding step in which a reduction molding for partially reducing the diameter of the body is combined, and a step of irradiating a laser having a power density of 280 to 850 W / mm ² to the surface of the bulged cam section to perform a build-up process. According to a third aspect of the present invention, an iron-based material powder having a carbon content of 1 to 4% by weight is used as a build-up material. And
[0008]
Further, in the method of manufacturing a hollow integral camshaft according to claim 4 of the present invention, a bulging forming step of forming a cam portion and a journal portion by partially bulging an outer peripheral portion of a tubular body; The surface of the formed journal is irradiated with a laser having a power density of 5 to 50 W / mm ² and a moving speed of 0.3 to 5.0 m / min to perform a quenching process. I have.
[0009]
In the method of manufacturing a hollow integrated camshaft according to claim 5 of the present invention, the outer peripheral portion of the tube is partially expanded to form a cam portion and a journal portion, and the diameter of the tube is increased. And a laser having a power density of 5 to 50 W / mm ² and a moving speed of 0.3 to 5.0 m / min on the surface of the bulged journal portion. And a quenching process by irradiating the hollow integrated camshaft. The method of manufacturing such a hollow integrated camshaft is a means for solving the above-mentioned conventional problems.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the manufacturing method of the hollow integral camshaft according to the present invention, the cam portion and the journal portion (in some cases, only the cam portion may be formed) by partially projecting the outer peripheral portion of one pipe, for example, a steel pipe. And a hardened layer is formed on the surface of the thus formed cam portion. For example, the tube W is set in a mold M as shown in FIG. After that, as shown in FIG. 2 (b), a desired portion of the tube W is bulged by applying a hydraulic pressure P to the hollow portion of the tube W, that is, as shown in FIGS. A hollow integral camshaft 1 having a cam portion 2 and a journal portion 3 as shown in b) can be formed.
[0011]
It is desirable that the hydraulic pressure P in this bulging is in the range of 80 MPa to 200 MPa. Further, in such bulging, as shown in FIG. The portion, that is, the portion corresponding to the stem portion 4 is subjected to reduction molding for compressing the tube diameter of the portion by using, for example, a roll R, thereby making the portion close to the cam portion 2 and the journal portion 3, or as shown in FIG. As described above, applying a compressive force Pc of, for example, about 10 tons in the axial direction of the pipe W by a hydraulic cylinder (not shown) at the same time as the bulging-out prevents the cam section 2 from being reduced in thickness. From the viewpoint of ensuring the strength and rigidity as described above and preventing the occurrence of molding cracks and the like, it is particularly preferable in molding the camshaft 1 having a large cam lift. At this time, depending on the thickness and length of the tube W, it is possible to apply a compressive force from both the left and right directions of the tube W. Regarding the above-mentioned hydraulic pressure range at the time of the bulging molding, if the hydraulic pressure P is smaller than 80 MPa, it tends to be difficult to form the cam portion 2 and the journal portion 3 into a desired shape. This is because there is a tendency that the strength is insufficient due to the change or that a molding crack is easily generated.
[0012]
Further, in the present invention, the tube W as a material of the hollow integrated camshaft 1 has an elongation of 10% or more because it withstands the severe plastic working as described above and easily obtains sufficient shape accuracy. It is desirable to use one provided.
[0013]
The shape of the hollow integrated camshaft 1 formed as described above is changed from the cam nose top portion 2t of the cam portion 2 to the cam ramp portion 2r in consideration of the balance between the lightness of the camshaft and the strength of the cam portion. When the minimum thickness at the leading portion is tf and the thickness of the cam base portion 2b is tb (see FIG. 1 (c)), the ratio (tf / tb) between the two ranges from 0.3 to 1.0. Further, it is desirable that the thickness tc of the cam nose top 2t be in the range of 0.9 to 4.0 mm. That is, when the tf / tb ratio is smaller than 0.3, or when the thickness tc of the cam nose top 2t is smaller than 0.9 mm, the strength of the cam tends to be hardly obtained, and the tf / tb ratio becomes 1. If it is larger than 0, or if the thickness tc of the cam nose top 2t is larger than 4.0 mm, the molding requires a high pressure, which not only deteriorates the productivity but also increases the weight and reduces the weight of the camshaft 1. This tends to be insufficient.
[0014]
The hardened layer 5 on the surface of the cam portion 2 can be formed by, for example, performing a laser hardening process, and has a range of at least a central angle θ = ± 30 ° around the cam nose top T, that is, FIG. It is desirable to form a material having a hardness of HRC40 or more in the range from H1 shown in FIG. 1 (c) to H2 via the cam nose top T, and when the hardness is lower than HRC40, or even when it is HRC40 or more, If the formation range does not cover the above range of the central angle ± 30 °, it tends to be difficult to obtain the strength and wear resistance of the cam portion. The thickness of the hardened layer 5 is set to 0.1 mm or more from the viewpoint of the durability of the cam portion, and is set to 0.6 mm or less from the viewpoint of productivity of the build-up process and prevention of thermal deformation during the build-up. It is desirable.
[0015]
For forming such a hardened layer 5, it is possible to increase the hardness and to further improve the wear resistance by performing a laser overlay process, for example, as compared with a laser hardening process using no overlay material. It is desirable because the thickness of the cam portion 2 reduced by molding can be increased, and an iron-based material powder having a carbon content of 1 to 4% by weight is used as a build-up material at this time. It is preferable to employ a laser in the range of 280 to 850 W / mm ² . That is, when the carbon content of the cladding material is less than 1% by weight, it is difficult to sufficiently improve hardness, and when the carbon content exceeds 4% by weight, a large amount of soft graphite is precipitated in the cladding layer. The tendency is that hardness tends to decrease instead. Further, there is a tendency that the power density of the laser tends unwelded portion occurs since 280 W / mm ² low, a sufficient heat than is not applied, melt anyone becomes higher than 850W / mm ² as heat input is excessive Is likely to occur.
[0016]
As for the journal portion 3 of the hollow integral camshaft 1, when the thickness of the stem portion 4 is ts and the thickness of the journal portion 3 is tj (see FIG. 1A), the ratio of the two (tj / ts) ) Is desirably in the range of 0.5 to 1.0. That is, if the tj / ts ratio is smaller than 0.5, the strength of the journal tends to be difficult to obtain, and if the tj / ts ratio is larger than 1.0, the weight of the camshaft as a whole tends to increase.
[0017]
Further, the surface of such a journal portion 3 is subjected to, for example, a laser quenching process to improve scuffing wear resistance as required, such as a lubricating environment and load conditions, so that the surface of the journal portion 3 has a Vickers hardness Hv of 100 or more. Hardness can be imparted. The laser quenching conditions at this time are preferably a power density of 5 to 50 W / mm ² and a moving speed of the laser beam in the range of 0.3 to 5.0 m / min. This is because when the power density is less than 5 W / mm ² and when the moving speed of the beam is faster than 5.0 m / min, the heating of the journal 3 tends to be insufficient, and conversely, when the power density is 50 W / mm 2 ^{When it is} larger than ² , or when the moving speed of the beam is slower than 0.3 m / min, there is a tendency that melting and dripping occur, or a sufficient cooling rate as quenching cannot be obtained, resulting in softening. by.
[0018]
In the manufacturing method of the hollow integral camshaft according to the present invention, the laser hardening treatment, that is, laser hardening or laser hardening is employed to form the

hardened layers

5 and 6 because the laser beam This is because the energy concentration is high and the heat influence such as deformation due to processing is small.
[0019]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a hollow integral camshaft according to claim 1 of the present invention, a bulge forming step of forming a cam portion or a journal portion by partially bulging an outer peripheral portion of a tube body, Since the surface of the cam portion is irradiated with a laser having a power density of 280 to 850 W / mm ² to perform the build-up process, the build-up layer is not welded, the build-up layer is melted, and the base material is melted. The strength and wear resistance of the cam portion can be imparted without causing softening, and the cam portion and the journal portion in addition to the shaft portion can be further reduced in weight by forming a hollow structure. Because there is no need to create a journal piece in advance, the number of parts is small, productivity can be greatly improved, and a lightweight, high-performance hollow integrated camshaft can be manufactured at low cost. This is a very excellent effect of being able to perform.
[0020]
The method of manufacturing a camshaft according to claim 2 of the present invention employs a molding step in which reduction molding for partially reducing the diameter of the tube is combined with the bulging molding, and the bulging molding is performed. The surface of the cam portion is irradiated with a laser having the same power density as described above to perform the same build-up process. In addition to the above-described effects, it is possible to suppress a sudden change in the thickness of the cam portion. In particular, even in the formation of a camshaft having a cam profile having a large lift amount, an extremely excellent effect that defects such as insufficient strength and molding cracks can be prevented can be obtained.
In the manufacturing method according to claim 3 as an embodiment of the above-mentioned manufacturing method, an iron-based material powder having a carbon content of 1 to 4% by weight is used as a cladding material in the laser cladding. High strength and wear resistance can be ensured.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a hollow integral camshaft, comprising: a bulging step of partially bulging an outer peripheral portion of a tube to form a journal together with a cam; Since the surface of the journal is irradiated with a laser having a power density of 5 to 50 W / mm ² and a moving speed of 0.3 to 5.0 m / min to perform a quenching process, the above-described weight reduction and In addition to the cost effect, it is possible to improve the scuffing wear resistance of the journal part, obtain the required heating temperature and cooling rate for quenching, and harden the surface of the journal part to the required hardness. An extremely excellent effect of being able to perform is obtained.
[0022]
The method of manufacturing a hollow integral camshaft according to claim 5 of the present invention employs a molding step in which reduction molding for partially reducing the diameter of a tube is combined with the above-mentioned bulging molding. The surface of the journal formed is irradiated with a laser having the same power density and moving speed as described above, and is subjected to the same quenching treatment. A more excellent effect that the change can be suppressed is obtained.
[0023]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
[0024]
Example 1
An ERW tube having an outer diameter of 30 mm and a wall thickness of 3 mm corresponding to JIS Z3445 STKM13A is prepared as the tube W, and expanded under various molding conditions using a mold M as shown in FIG. The hollow camshaft material as shown in FIG. 1 was manufactured by carrying out the extrusion molding. In this case, the cam lift amount was set to include a cam profile of three specifications of 4 mm, 6 mm, and 8 mm.
[0025]
Next, using a carbon dioxide gas laser having a beam width of 12 mm and a maximum output of 3 kW, a laser cladding process was performed on the surface of the formed cam portion 2 within a power density range of 280 to 850 W / mm ² . In this laser cladding, an argon gas is used as a shielding gas, a powder having a composition of Fe-3.5% C-2.5% Si-0.08% P is used, and a powder supply amount of 3 to 35 g / min. The conditions of a processing speed of 0.8 m / min were adopted.
[0026]
Table 1 shows the results.
[0027]
[Table 1]

[0028]
That is, as shown in Inventive Example 1, if the lift amount is a relatively small camshaft of 4 mm, the hydraulic pressure P as low as 80 MPa can be attained without performing reduction molding to the stem equivalent portion or compression in the axial direction. The cam portion 2 can be bulged and formed, and in the case of a camshaft with a lift amount of 6 mm, as shown in Inventive Example 2, a relatively high hydraulic pressure P of 170 MPa is applied, so that reduction molding and axial compression can be performed. The shape of the cam portion 2 can be obtained without applying a force, but since the thickness of the cam nose portion side becomes thin, it is necessary to form a thick overlay layer (hardened layer 5) by laser overlaying. Even if the lift amount is 6, it is confirmed that the reduction in thickness on the cam nose side is alleviated by previously performing the reduction molding as shown in FIG. It was.
[0029]
Further, as in Invention Example 4, the lift amount is increased by applying a high hydraulic pressure P of 190 MPa while applying a compressive force as shown in FIG. An 8 mm cam portion 2 can be formed, and by adopting such forming conditions, a decrease in the thickness on the cam nose side can be suppressed. It has been found that the wall thickness can be ensured even with this. In Inventive Example 5, the laser cladding of 0.6 mm was further applied. Naturally, the thickness of the cam portion 2 was sufficiently increased, and the strength and abrasion resistance could be further improved. . In the compression in the axial direction in these examples, a compression force of 10 tons was applied by a hydraulic cylinder in synchronization with bulging.
[0030]
In contrast to these invention examples, in Comparative Example 1 in which the hydraulic pressure P at the time of bulging was low, the overhang of the material was insufficient, and even a cam portion having a lift amount of 4 mm could not be formed into a predetermined shape. In Comparative Example 2 in which the hydraulic pressure P was too high, not only the thickness reduction on the cam nose side was significantly reduced, but also molding cracks occurred partially. Further, even when the reduction molding is performed and the axial compression force is applied during the bulging molding, if the hydraulic pressure P during the bulging molding is low, the cam portion is molded into a predetermined shape as in Comparative Example 3. In contrast, in the case of Comparative Example 4 in which the hydraulic pressure P was too high, the decrease in wall thickness was somewhat alleviated as compared with Comparative Example 2 in which reduction molding and axial compression were not performed. It was confirmed that the result was partially generated.
[0031]
Example 2
The surface of the cam portion 2 bulged under the same molding conditions as in Invention Example 1 in Example 1 was subjected to laser build-up processing under various conditions, and the shape and surface hardness of the hardened layer 5 were investigated. Table 2 shows the results.
[0032]
[Table 2]

[0033]
As shown in Table 2, Inventive Example 6 using cast iron powder as a build-up material, Inventive Examples 7 and 8 using alloy cast iron powder containing Cr or Mo to increase the hardness of the hardened layer, tool steel In Invention Example 9 using the powder of the base material and Invention Example 10 using the powder of the die steel-based material, the power density of the laser was increased in the range of 280 to 850 W / mm ² according to the melting point of each powder. By doing so, it was confirmed that a cured layer 5 having a good shape and a hardness corresponding to the powder component was obtained.
[0034]
On the other hand, in the case of Comparative Example 5 in which the laser power density is too low, the build-up metal cannot be sufficiently welded to the cam portion, and in the case of Comparative Example 6 in which the power density is too high, The base metal portion of the cam portion was melted together with the build-up metal, and a cured layer having the desired shape could not be formed in any case. In the case of Comparative Example 7 using a powder having a low carbon content as a buildup material and in Comparative Example 8 using a powder having a high carbon content of 4.7%, a laser having an appropriate power density is applied. By doing so, it was confirmed that a cured layer having a good shape was obtained, but in each case, the surface hardness was insufficient.
[0035]
Example 3
The surface of the journal portion 3 bulged under the same molding conditions as in Invention Example 1 in Example 1 was subjected to laser curing under various conditions, and the state of the cured layer 6 was investigated. Table 3 shows the results.
[0036]
[Table 3]

[0037]
As shown in Table 3, the power density is 5 to 50 W / mm ² and the beam moving speed is not in the range of 0.3 to 5.0 m / min, as compared with the case of Inventive Example 11 in which the laser curing treatment is not performed. In the case of Invention Examples 12 to 15 in which laser irradiation was performed and the laser quenching was performed, the hardness of the journal portion surface increased with the increase in the power density and the beam moving speed. In the case of Comparative Example 9 which is low and the beam moving speed is too fast, the cooling speed of the surface of the journal portion is insufficient and the journal portion is softened, and conversely, in the case of Comparative Example 10 where the power density is high and the beam moving speed is too slow It was confirmed that the heat input was excessive and the base material of the journal portion was melted, and the shape of the journal portion was damaged.
[0038]
Example 4
An electric resistance welded steel pipe specified as STKM13C in JIS G 3445 is prepared as the material pipe W, and the steel pipe is subjected to bulging under various molding conditions using the mold M shown in FIG. By performing this, the hollow camshaft material (cam part maximum outer diameter: 42 mm, journal part outer diameter: 28 mm, stem part outer diameter: 26 mm) as shown in FIG. 1 is integrally formed, and then the cam part 2 and the journal are formed. A hardening treatment was applied to the surface of the part 3 to form

hardened layers

5 and 6, whereby a hollow integrated camshaft 1 having a thick dimension as shown in Table 4 was manufactured.
[0039]
Then, the rigidity, wear resistance, durability and the like of these camshafts were investigated. The results are shown in Table 4.
[0040]
[Table 4]

[0041]
As shown in Table 4, using a material steel pipe W (STKM13C) having a predetermined elongation, that is, an elongation of 10% or more, a cam portion 2 and a journal portion 3 having a predetermined thickness range are provided. In the camshafts according to Invention Examples 16 to 20 in which the portion 2 and the journal portion 3 are each provided with a hardened layer 5 having a predetermined hardness and a predetermined thickness in a predetermined range and a hardened layer 6 having a predetermined hardness, all of which are favorable. The cam portion 2 and the journal portion 3 having shapes and excellent rigidity, wear resistance, and durability were formed, and it was confirmed that the cam portion 2 had sufficient performance as a camshaft.
[0042]
In contrast, the minimum thickness tf from the cam nose top 2t to the cam ramp 2r is 0.6 mm (tf / tb = 0.2), and the thickness tj of the journal is 0.6 mm (tj / ts = 0. In Comparative Example 11 which was thinner as in 2), the amount of deformation of the cam nose top portion and the journal portion was large, and the desired dimensional accuracy could not be obtained. In Comparative Example 12, the hardened layer of the cam portion Since the hardness of the hardened layer 5 and the hardened layer 6 of the journal portion was as low as HRC30 and Hv80, the wear amount of the cam portion and the journal portion was excessive, and it was found that the performance as a camshaft could not be satisfied.
[0043]
Further, even in the case where the hardened layer 5 of the cam portion has a predetermined hardness, in the case of Comparative Example 13 where the thickness is small, peeling occurs in the cam portion, so the durability is inferior. In the case of Comparative Example 14 having a narrow formation range, the amount of wear on the cam portion surface was excessive, and it was confirmed that the desired performance could not be satisfied in any case.
[0044]
Further, in Comparative Example 15 using the material steel pipe W (STKM17C) having a low elongation, the moldability was poor, cracks were generated in the cam portion by bulging, and PPW was used as a hardening method for the cam portion. In Comparative Example 16 employing the plasma powder overlay method, the amount of heat input to the base material increases, so that the thermal deformation due to the overlay increases, and the desired dimensional accuracy can be obtained. It was confirmed that it disappeared.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing the shape of a hollow integral camshaft according to an embodiment of the present invention.
(B) It is a perspective view which shows the external appearance shape of the hollow integral camshaft shown to Fig.1 (a).
(C) It is sectional drawing in the cutting-plane line CC shown in FIG.1 (a).
2 (a) and 2 (b) are schematic process diagrams showing a forming process of the hollow integral camshaft shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a schematic process diagram for explaining a procedure of performing reduction molding on a portion corresponding to a stem portion of a tubular body as a pre-process of the molding process shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a schematic process diagram showing a procedure for applying a compressive force in the axial direction of the tube during the forming process shown in FIG. 2;
FIG. 5 is an explanatory view showing a molding procedure of a conventional hollow camshaft.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hollow integral camshaft 2 Cam part 3

Journal part

5, 6 Hardened layer 2b Base part 2t Cam nose top part 2r Cam ramp part T Cam nose top W Tube

Claims

A bulging process of forming a cam portion or a cam portion and a journal portion by partially bulging an outer peripheral portion of the tube; and a power density of 280 to 850 W / mm ^{2 on} the surface of the bulged cam portion. A method of manufacturing a hollow integral camshaft, comprising a step of irradiating a laser to perform a build-up process.

A molding process combining a bulging process of forming a cam portion or a cam portion and a journal portion by partially bulging an outer peripheral portion of a tube, and a reducing process of partially reducing a diameter of the tube body; A method for manufacturing a hollow integral camshaft, comprising a step of irradiating a laser having a power density of 280 to 850 W / mm ² to a surface of a formed cam portion to perform a build-up process.

3. The method according to claim 1, wherein an iron-based material powder having a carbon content of 1 to 4% by weight is used as the overlay material.

A bulging step of forming a cam portion and a journal portion by partially bulging the outer peripheral portion of the tubular body; and a power density of 5 to 50 W / mm ² and a moving speed on the surface of the bulged journal portion. A method for manufacturing a hollow integrated camshaft, comprising a step of irradiating a laser at a rate of 0.3 to 5.0 m / min to perform quenching.

A molding process in which a bulging process for forming a cam portion and a journal portion by partially bulging the outer peripheral portion of the tube and a reducing process for partially reducing the diameter of the tube are combined; A step of irradiating the surface of the journal with a laser having a power density of 5 to 50 W / mm ² and a moving speed of 0.3 to 5.0 m / min to perform a quenching treatment, wherein the hollow integral camshaft is characterized in that Manufacturing method.