JP3709786B2 - 突起付き中空軸の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、突起付き中空軸の製造方法に関し、例えば、４サイクルレシプロエンジンの吸気弁および排気弁を開閉するためのカム部材が取り付けられたカムシャフトのような突起付き中空軸の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、４サイクルレシプロエンジンの吸気弁および排気弁を駆動させるためのカムを有する回転軸であるカムシャフトは、中実材料を鋳造や鍛造で粗形状に加工した後、機械加工により最終形状に仕上げられていた。しかし、上記の方法では、カムと回転軸とが一体に形成されるため、機械加工を行う部分が増加する。また、カムの硬度を高めて耐摩耗性を向上させるには、機械加工後に浸炭や熱処理等を行う必要が生じる他、材料費が嵩み、製造コストが高くなるという問題があった。さらに、この方法では、耐摩耗性が要求されるカムと強度が要求される回転軸とを、それぞれ最適な材料で製造できないだけでなく、重さが重いという問題があった。
【０００３】
このため、耐摩耗性が要求されるカムを焼結合金により中空のカム部材として製造するとともに、軽量化を図るために回転軸を中空軸として製造し、これらを溶接、ろう付けまたは機械的固定によって一体化して組み立ててカムシャフトを製造する技術が開発された。しかし、溶接またはろう付けを行うには、カム部材および回転軸それぞれの材質が制限され最適な材料を用いることができない。また、機械的固定は、その固定操作をカム部材の設置数だけ繰り返し行う必要があり、生産性が低いという問題があった。
【０００４】
このため、生産性の向上を図る方法として、上記焼結合金からなるカム部材の中空部に中空の回転軸を遊嵌合してバルジ加工型に収容し、中空の回転軸にバルジ加工を行うことによってカム部材を回転軸に嵌着させる方法が提案された（特公昭４９−２８２９８号公報）。しかし、この方法では、カム部材の内面形状が連続的に緩やかに変化する形状であるため、カム部材と回転軸の固定強度が充分ではなかった。
【０００５】
そこで、カム部材と回転軸の固定強度を向上させる方法として、次のような方法が提案されている。焼結合金からなるカム部材の内面に固定用突起を設け、この固定用突起をバルジ加工される中空の回転軸の外面に噛み込ませる方法（特開昭５９−１４４５３２号公報）。焼結合金からなるカム部材の内面に固定用溝を設け、この固定用溝内にバルジ加工される中空の回転軸の一部を膨出充満させる方法（特開昭６０−２５７９３３号公報）。
【０００６】
また、カム部材の固定位置精度を向上させる方法として、カムの位置決め機構を備えたバルジ加工型を用いる方法も提案されている（特開昭６２−９７７２２号公報）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の方法では、いずれも、カム部材は、次の理由から焼結合金である。すなわち、耐摩耗性に優れること。偏心したプロフィルを有するカム部材の外形を比較的低コストで大量生産できることである。しかし、焼結合金からなるカム部材は、塑性変形せずに割れてしまうので、バルジ加工による塑性変形を与えることができない。このため、上記従来の方法では、カム部材の最終的な寸法精度は焼結時の寸法精度により決定されるが、焼結時の寸法精度では所望の寸法精度が得られない。したがって、バルジ加工後に、焼結合金からなる高硬度のカム部材に切削加工等の機械加工を行わざるを得なくなる。また、カム部材に用いる焼結合金自体もコストが高い。このため、上記従来の方法では、カムシャフトを高い生産性で製造できるものの、製造コストが大幅に高くなる。
【０００８】
また、上記従来の方法では、回転軸が中空であるので、軽量化の効果は得られるものの、カム部材は焼結合金からなる重量物であるので、高速回転時におけるカムシャフトのダイナミックバランスが悪かった。このため、カム部材の重さに起因したカムシャフトの高速回転性能の低下も否めなかった。
【０００９】
本発明の目的は、バルジ加工後に寸法精度を確保するための機械加工を必要としないことから低コストでの製造が可能であり、高速回転時のダイナミックバランスに優れた、例えば、上記カムシャフト等の突起付き中空軸の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するため、鋼管のバルジ加工について鋭意検討を重ねた結果、以下に列記する知見(a) 〜(d) を得た。
(a) バルジ加工は、加工後の形状を決定するバルジ加工型の中に鋼管を収容し、鋼管の内部に高圧流体を導入して張出し成形を行うことにより、鋼管を型に張り付かせて所定の形状に成形するものである。このため、塑性加工を行うことができる鋼管であれば、単管に限らず二重管以上の複層管や複合部材であっても、バルジ加工を行うことができる。したがって、部分的に二重管以上の複層管または複合部材からなる鋼管にバルジ加工を行えば、突起付き中空軸を容易に成形することができる。
(b) 二重管以上の複層管部または複合部材部を部分的に有する鋼管にバルジ加工を行うことにより、外径が大きく変化する突起付き中空軸を、低い拡管率および高精度で成形することができる。
(c) バルジ加工は、鋼管の内面側には工具を用いずに張出し成形を行うため、鋼管の内面形状を自由に変化させることが可能であり、また、バルジ加工型の型形状を適宜設定することにより、鋼管の張出し方向を自在に設定することができる。このため、内側の鋼管と外側の鋼管とが偏心して配置された二重管であっても、充分に成形できる。
(d) ただし、突起部の偏心量が極端に大きい場合には、内側の鋼管に破断が発生しやすくなって成形が困難になる。その対策として、バルジ加工型として、突起部となる外側の鋼管を所定の形状に成形する型部分と、この型部分の両側に位置する型部分のうちの一方の型部分を、それぞれ別々に、収容される鋼管の長手方向に位置移動可能なように分割したバルジ加工型を用いる。そして、突起部に対応する内側の鋼管部分を、得るべき突起部の幅よりも広く予め予備成形し、しかる後に所定の幅に拡管膨出成形する。それによって、内側の鋼管に破断が生じなくなり、突起部の偏心量が大きな突起付き中空軸でも成形することができる。
【００１１】
上記の知見に基づく本発明の要旨は、次の突起付き中空軸の製造方法にある。
【００１２】
塑性変形可能な材料からなる中空体の内側に挿入された中空素管をバルジ加工型内に収容し、この中空素管にバルジ加工を行うことによって、中空体の外形をバルジ加工型の内面形状に成形するとともに、中空素管と中空体とを嵌着させるに当たり、下記(1) 〜(4) の工程を経る突起付き中空軸の製造方法。
【００１３】
(1) バルジ加工型として、中空体の外形を所定の形状に成形する突起部成形用可動型と、この突起部成形用可動型の一方側に位置する軸部成形用可動型と他方側に位置する軸部成形用固定型に分割されており、突起部成形用可動型と軸部成形用可動型とが軸部成形用固定型に対して別々に接近離反可能なバルジ加工型を準備する工程、
(2) 準備したバルジ加工型の軸部成形用固定型、突起部成形用可動型および軸部成形用可動型の各型に所定の間隔が在するように突起部成形用可動型と軸部成形用可動型をセットし、このセット後のバルジ加工型内に、塑性変形可能な材料からなる中空体の内側に隙間を設けて挿入された中空素管を収容する工程、
(3) バルジ加工型内に収容された中空素管をバルジ加工し、中空体の内面と中空素管の外面とを接触させる工程、
(4) 軸部成形用固定型の方向に軸部成形用可動型を押圧してバルジ加工を継続し、中空体を３つの型で画成される中空体成形バルジ加工型部の内面に張り付かせて中空体の外形を所定の形状に成形するとともに、中空素管と中空体とを嵌着させる工程。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の突起付き中空軸の製造方法の実施の形態を、添付図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以降の実施の形態の説明では、突起付き中空軸が、４サイクルレシプロエンジン用のカムシャフトである場合を例にとる。
【００１５】
図１は、本発明の方法に用いるバルジ加工型１と、このバルジ加工型に収容されたバルジ加工の前の中空素管を示す模式的縦断面図である。また、図２は、第１のバルジ加工後の状態を示す模式的縦断面図であり、図３は第２のバルジ加工後の状態を示す模式的縦断面図である。さらに、図４は、図１におけるイ−イ矢視横断面図であり、図５は、図３におけるロ−ロ矢視横断面図である。
【００１６】
図１〜図３に示すように、本実施形態では、上型２と下型３とに分割されたバルジ加工型１を用いる。このバルジ加工型１を構成する上型２と下型３の内面には、それぞれ、製造すべきカムシャフト９の最終仕上げ形状と同じ形状の孔型が刻設されている。
【００１７】
そして、上型２と下型３は、いずれも、中空軸となる内側の中空素管４の長手方向の中央部を成形する軸部成形用固定型２ａ、３ａと、外側の中空素管のうちのカム部材１０ａ、１０ｂとなる中空体５ａ、５ｂを所定の外形形状に成形する突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃと、中空素管４の両端端部を所定の形状に成形する軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅとに分割されている。
【００１８】
また、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃと、軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅは、それぞれ、軸部成形用固定型２ａ、３ａに対して、例えば、蟻溝機構等の適宜な手段により、図中の左右方向に摺動可能ように装着されている。
【００１９】
上記のように構成された上型２と下型３は、いずれも、バルジ加工時の内圧による分割力に耐えるために、上下から図示を省略したプレス機構により押さえられており、このプレス機構の上下動によって上型１と下型２も上下動し、これにより、カム部材１０ａ、１０ｂとなる中空体５ａ、５ｂ、およびジャーナル部１１ａ、１１ｂとなる中空体６ａ、６ｂが外嵌挿入された中空素管４の型内への搬入と、加工終了後のカムシャフト９の型外への搬出とが行われる。
【００２０】
さらに、上型２と下型３の間には、中空素管４の両端部を気密保持し、バルジ加工時の中空素管４またはカムシャフト９を、上型２と下型３の内部の所定の位置に支持する管端拘束治具７ａ、７ｂが配置されている。
【００２１】
また更に、上型２と下型３の間には、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃと、軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅとを、それぞれ、同時に、軸部成形用固定型２ａ、３ａ側に向けて移動させるとともに、必要に応じて所定の位置に固定支持する、例えば、油圧シリンダ等の適宜な押圧機構からなる型移動用治具８ａ、８ｂが配置されている。
【００２２】
本発明の方法においては、上記のように構成された上型２と下型３とを、プレス機構を作動させて開き、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃと、中空軸の両端端部を所定の形状に成形する軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅとは、図１に示すように、それぞれ、軸部成形用固定型２ａ、３ａに対して所定の間隔を隔てて初期セットされる。
【００２３】
次いで、外嵌挿入されたカム部材１０ａ、１０ｂとなる中空体５ａ、５ｂが、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃの中央部に位置し、ジャーナル部１１ａ、１１ｂとなる中空体６ａ、６ｂが、軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅに刻設されたジャーナル型部の中央部に位置するように中空素管４をバルジ加工型１内に装入し、上型２と下型３とを閉じる。
【００２４】
上記の操作により、中空素管４は、図１に示すように、中空孔を有するカム部材１０ａ、１０ｂとなる中空体５ａ、５ｂ、およびジャーナル部１１ａ、１１ｂとなる中空体６ａ、６ｂの内側に、それぞれ隙間を設けた状態で、バルジ加工型１の内部に収容される。
【００２５】
中空素管４は、製品であるカムシャフト９の回転軸をなすため、充分な強度が要求される。本実施形態では、中空素管４には、一般的なＪＩＳ規格に規定されるＳＴＫＭ１３Ａの鋼管を用いた。
【００２６】
さらに、本実施形態では、中空体５ａ、５ｂは、いずれも、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃの部分に配置するために、図４に示すように、最終形状であるカム部材１０ａ、１０ｂに類似した形状に、予め偏心してプレス成形される。なお、この中空体５ａ、５ｂの外周面と突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃの内周面との間、およびジャーナル部１１ａ、１１ｂとなる中空体６ａ、６ｂの外周面と軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅに刻設されたジャーナル成形孔型部の内周面との間には、それぞれ、図１に示すように、バルジ加工時の張出し量に応じた隙間が存在する。
【００２７】
また、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂには、塑性加工可能な材料として、軸受用鋼管を用いた。すなわち、前述した従来方法では、耐摩耗性に優れるためだけでなく、偏心したプロフィルを有するカム部材の外形を比較的低コストで大量生産できることから、カム部材に焼結合金を用いる。これに対し、本実施形態では、耐摩耗性の要求性能を満たすことができ、かつ所定の外形を有するカム部材１０ａ、１０ｂを、後述するバルジ加工により容易に成形することができる塑性加工可能な材料を用いる。このため、本実施形態では、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂには、軸受用鋼管を用いた。
【００２８】
次に、本発明では、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂの内側にそれぞれ隙間を設けて内嵌挿入された中空素管４に、以下に述べる第１工程のバルジ加工と第２工程のバルジ加工を行う。
【００２９】
すなわち、第１工程のバルジ加工では、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃと、軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅの位置を、型移動用治具８ａ、８ｂによって図１に示す状態に固定保持する。そして、中空素管４の内部に、管端拘束治具７ａ、７ｂの軸心に設けられた管路７ｃ、７ｄから高圧のバルジ加工用液体を注入して中空素管４を拡管膨出変形させ、図２に示すように、カム部材１０ａ、１０ｂとなる中空体５ａ、５ｂの内周面に中空素管４の外周面の軸方向の一部を接触させる。
【００３０】
次いで、第２工程のバルジ加工では、型移動用治具８ａ、８ｂを作動させ、軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅを、それぞれ、軸部成形用固定型２ａ、３ａに向けて移動させながら、管端拘束治具７ａ、７ｂの軸心に設けられた管路７ｃ、７ｄからの高圧バルジ加工用液体の注入を継続して中空素管４をさらに拡管膨出変形させ、図３に示す状態になった時点で、バルジ加工を終了する。
【００３１】
具体的には、軸部成形用固定型２ａ、３ａに対して突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃが当接し、かつこの突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃに対して軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅが当接して一体となったバルジ加工型１の孔型内面に、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、ｂの外面全周が接触するとともに、これら中空体の内面全周に中空素管４の外面全周が接触した時点でバルジ加工を終了する。
【００３２】
上記のように、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂが外嵌された中空素管４に対するバルジ加工を２段階に分けて行う場合には、第１のバルジ加工工程において、カム部材１０ａ、１０ｂとなる中空体５ａ、５ｂに対応する部分の中空素管４の管軸方向の拡管膨出領域が、上下に分割されただけの従来のバルジ加工型を用いる場合に比べて長くなる。また、中空素管４に付与する内圧が同じ場合、その膨出量と材料体積も大きくなる。
【００３３】
そして、この管軸方向に長く、かつ膨出量と材料体積が大きくなった中空素管４の拡管膨出領域は、第２のバルジ加工工程における軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅの移動に伴い、その両側部分に管軸方向の曲げ加工を受けながら拡管膨出変形し、型相互が接触して一体となったバルジ加工型１の突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃの内周面に中空体５ａ、５ｂの外周面が全面接触するとともに、中空体６ａ、６ｂについてもその外周面が軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅに刻設されたジャーナル成形孔型部の内周面に全面接触し、バルジ加工を終了する。この時、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂの内周面は、当然のことながら、中空素管４の外周面と全面接触する。
【００３４】
このように、中空素管４のバルジ加工時に、管軸方向の曲げ加工を付与しなが中空素管４を拡管膨出変形させる場合には、拡管膨出変形が円滑に進行し、中空素管４に破断が生じることがない。このため、偏心量が大きいカム部材１０ａ、１０ｂを有するカムシャフト９でも成形可能となる。
【００３５】
ここで、第１のバルジ加工時における軸部成形用固定型２ａ、３ａと突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃとの間、並びに突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃと軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅとの間の初期セット間隔と中空素管４の内部に付与する内圧は、要求されるカム部材１０ａ、１０ｂの偏心量に応じて決定され、このうち、初期セット間隔は、通常、偏心量が大きいほど大きくされる。
【００３６】
また、第２のバルジ加工時に中空素管４の内部に付与する内圧は、カム部材１０ａ、１０ｂの外形形状や第１のバルジ加工後の中空素管４の拡管膨出部の張出部の形状等により決定されるが、第２のバルジ加工においては付与する内圧が高ければ高いほど成形後の形状は良好になる。このため、第２のバルジ加工において中空素管４の内部に付与する内圧はできるだけ高くするのがよい。
【００３７】
なお、第２のバルジ加工時、拡管膨出領域の両側部分に管軸方向の曲げ加工が付与されるのは、次の理由による。すなわち、この第２のバルジ加工時、突起部成形用可動型２ｂ、２ｃおよび３ｂ、３ｃは、中空素管４と中空体５ａ、５ｂが、中空素管４の内部に注入された高圧バルジ加工用液体の圧力により高い面圧で押し付けられていて管軸方向にずれることがなく、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃに対する軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅの接近量と同じ量だけ、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃが軸部成形用固定型２ａ、３ａに接近するからである。
【００３８】
本実施形態では、上記のようにして、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂの外面を、バルジ加工型１に刻設された孔型に張り付かせることにより、中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂの外形が、それぞれ、製造すべきカムシャフト９のカム部材１０ａ、１０ｂおよびジャーナル部１１ａ、１１ｂの最終仕上げ形状通りに成形される。
【００３９】
また、本実施形態では、上記２段階のバルジ加工によって中空素管４を拡管膨出変形させることにより、中空素管４を中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂの内面に高い面圧で接触させて密着させることができる。これにより、中空素管４と中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂとは、実用上充分な固定強度（静許容トルク）で嵌着される。
【００４０】
このようにして、図３に示すように、中空の回転軸１２と、この回転軸１２の外周面にバルジ加工により嵌着されたカム部材１０ａ、１０ｂと、カムシャフト９を、搭載されるエンジンのシリンダヘッドに設けられたベアリングにより軸支するためのジャーナル部１１ａ、１１ｂとを有し、カム部材１０ａ、１０ｂの外形がバルジ加工により成形されたカムシャフト９が提供される。つまり、本実施形態では、カム部材１０ａ、１０ｂとジャーナル部１１ａ、１１ｂとが、いずれも、本発明における突起に相当する。
【００４１】
そして、第２のバルジ加工終了後、プレスを作動させて上型２と下型３を開き、バルジ加工されたカムシャフト９をバルジ加工型１外に搬出する。
【００４２】
なお、バルジ加工型１外に搬出したカムシャフト９に対して、カム部材１０ａ、１０ｂおよびジャーナル部１１ａ、１１ｂそれぞれの表面を、高周波で焼入れすることが望ましい。これにより、所望の硬度が与えられるとともに、バルジ加工による嵌着部であるカム部材１０ａ、１０ｂおよびジャーナル部１１ａ、１１ｂが熱膨張で緩むことが、いずれも防止される。
【００４３】
また、ジャーナル部１１ａ、１１ｂには、カム部材１０ａ、１０ｂに比べ、大きなトルクが作用せず、また、大きな拡管率も要求されない。このため、ジャーナル部１１ａ、１１ｂに対するバルジ加工は、カム部材１０ａ、１０ｂに対するバルジ加工よりも容易である。
【００４４】
さらに、本実施形態では、ジャーナル部１１ａ、１１ｂもバルジ加工により成形したが、前述したように、ジャーナル部１１ａ、１１ｂには大きなトルクが作用しないため、バルジ加工により成形するのではなく、カム部材１０ａ、１０ｂのみのバルジ加工後に、ジャーナル部１１ａ、１１ｂをなす別部品を、例えば、溶接、ろう付けまたは機械的固定等の適宜な手段により、固定してもよい。
【００４５】
この本実施形態では、カム部材１０ａ、１０ｂおよびジャーナル部１１ａ、１１ｂは、いずれも、充分な寸法精度を有するため、バルジ加工後に切削加工する必要がない。また、カム部材１０ａ、１０ｂおよびジャーナル部１１ａ、１１ｂに用いる軸受用鋼管は、焼結合金よりも安価である。このため、本実施形態によれば、カムシャフト９が、偏心量の大きなカム部材１０ａ、１０ｂを有するものでも、高い生産効率で、かつ低コストで製造することができる。
【００４６】
また、本実施形態では、カム部材１０ａ、１０ｂは、軸受用鋼管である中空体５ａ、５ｂを膨出させて塑性変形させることにより製造されるため、従来の焼結合金からなる事実上中実のカム部材に比べ、軽量である。このため、高速回転時のカムシャフトのダイナミックバランスが良好となり、カムシャフトの最大許容回転数を従来よりも多くすることもできる。これにより、４サイクルレシプロエンジンの回転数を引き上げることもできる。
【００４７】
図６〜図１０は、他の実施形態を示す模式的横断面図であり、図６と図７に示す実施形態による場合には、偏心量のより大きなカム部材１０ａ、１０ｂを有するカムシャフト９が製造でき、図８〜図１０に示す実施形態による場合には、中空素管４と中空体５ａ、５ｂおよび６ａ、６ｂとの嵌着強度がより強固で、静許容トルクのより高いカムシャフト９を製造することができる。以下、これらについて詳細に説明する。
【００４８】
図６に示すように、本実施形態では、中空素管４には、横断面がほぼ円形のものを用いるとともに、第１のバルジ加工を行う前に、この横断面がほぼ円形の中空素管４と中空体５ａ、５ｂとの間の隙間に、偏心部成形部材１３を配置しておく。偏心部成形部材１３は、中空素管４の膨出変形量を低く抑えた状態で中空体５ａ、５ｂの膨出変形量を充分に確保するために配置される。
【００４９】
偏心部成形部材１３は、中空素管４と中空体５ａ、５ｂとの間の隙間を埋めるために、中空素管４の膨出変形により容易に変形するものが望ましく、また、軽量化を図るために軽量のものが望ましい。
【００５０】
偏心部成形部材１３の材質は、これらの要求、加工工程での扱いやすさ、さらにはコスト等を勘案して適宜設定すればよく、例えば、純アルミニウムやその合金等を用いるのが望ましい。
【００５１】
また、偏心部成形部材１３の形状や寸法等は、中空素管４と中空体５ａ、５ｂとの間の隙間に挿入可能であってカム部材１０ａ、１０ｂを成形可能な体積を有していればよく、何ら限定を要さない。すなわち、偏心部成形部材１３は、中空素管４と中空体５ａ、５ｂとの間の少なくとも一部に配置されていればよく、その形状は、図に示す中実体に限らず、中空体であってもよい。
【００５２】
図６に示すように、中空素管４と中空体５ａ、５ｂとの間の隙間に、偏心部成形部材１３を配置してバルジ加工を行うと、図７に示すように、中空素管４および偏心部成形部材１３がともに、中空体５ａ、５ｂの内周面に当接して、中空体５ａ、５ｂを膨出変形させる。この時、偏心部成形部材１３は、前述したように、純アルミニウムやその合金からなるため、中空素管４と中空体５ａ、５ｂとの間の隙間を埋めるように変形し、中空素管４の局部的な膨出変形を抑制する。このため、中空素管４の拡管率が小さくても、大きな偏心量を得ることができ、かつ、中空素管４が破断するのを防止できる。
【００５３】
また、図８に示すように、本実施形態では、中空素管４に第１のバルジ加工を行う前に、中空素管４と中空体５ａ、５ｂとを固定するための固定部材１４が配置される。この固定部材１４は、後述するように、中空素管４および中空体５ａ、５ｂの双方にめり込ませる必要があるため、高硬度の部材を用いるのが好ましく、例えば、横断面が円形や多角形のＣｒＭｏ鋼線材等を用いるのが望ましい。
【００５４】
すなわち、予成形として、図９に示すように、中子１６と中空体５ａ、５ｂとの間に固定部材１４を配置して、上型１５ａと下型１５ｂからなるプレス型１５により、中空体５ａ、５ｂを縮径させる方向にプレスする。これにより、固定部材１４は、中空体５ａ、５ｂの当接部近傍を塑性変形させ、中空体５ａ、５ｂにめり込む。なお、固定部材１４は、後続して行われる第１のバルジ加工および第２のバルジ加工により中空素管４にもめり込ませる必要があるため、このプレスでは、固定部材１４の直径の半分程度の深さだけ、中空体５ａ、５ｂにめり込ませることが望ましい。
【００５５】
そして、この予成形を行った後、図１に示す状態に初期セットされたバルジ加工型１内に中空素管４を収容し、第１のバルジ加工と第２のバルジ加工を行う。この実施形態によれば、図１０に示すように、中空体５ａ、５ｂにめり込まされた固定部材１４が、中空素管４の膨出変形に伴って中空素管４の当接部近傍を塑性変形させ、中空素管４にめり込む。
【００５６】
このため、固定部材１４は、中空素管４と中空体５ａ、５ｂとの間でキーと同様の固定作用を奏し、バルジ加工による中空素管４および中空体５ａ、５ｂの間における高い面圧での接触と相まって、極めて高い静許容トルクを確保することができる。
【００５７】
なお、固定部材１４は、ジャーナル部１１ａ、１１ｂに対して配置してもよいことは勿論である。
【００５８】
【実施例】
図１〜図５に示す実施形態により４サイクルレシプロエンジン用のカムシャフトを製造した場合を実施例とし、前述した特開昭６０−２５７９３３号公報により提案された方法により４サイクルレシプロエンジン用のカムシャフトを製造した場合を比較例として、それぞれにより得られたカムシャフトの静許容トルク、カム形状の自由度および製造コストを評価した。
【００５９】
なお、実施例では、中空体５ａ、５ｂには球状化焼鈍を行った高炭素Ｃｒ軸受鋼からなる短尺鋼管を用い、この短尺鋼管の軸方向長さは必要カム幅に一致させた。また、中空素管４には、一般的なＳＴＫＭ１３Ａの鋼管を用いた。
【００６０】
さらに、実施例の第１のバルジ加工は、軸部成形用固定型２ａ、３ａと突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃとの間の初期セット間隔を６ｍｍ、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃと軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅとの間の初期セット間隔を４ｍｍに設定して行った。
【００６１】
これは、第２のバルジ加工における可動型の移動が外側から行われるために、第１のバルジ加工で成形された膨出部分の曲げ加工を伴う膨出変形量が、軸部成形用固定型２ａ、３ａ側に比べて軸部成形用可動型２ｄ、３ｄおよび２ｅ、３ｅ側の方が多いためであり、この設定により、カム部材１０ａ、１０ｂ部分の中空素管４の拡管膨出変形は、突起部成形用可動型２ｂ、３ｂおよび２ｃ、３ｃの幅方向の中心を対称軸としてほぼ軸対称に変形した。
【００６２】
また更に、実施例の中空素管４に対する第１のバルジ加工と第２のバルジ加工は、いずれも、中空素管４に２５０ＭＰａの内圧を付与して行った。
【００６３】
実施例のバルジ加工後のカムシャフトには、カム部材１０ａ、１０ｂの表面に高周波焼入れを行って表面硬度を所望の値に調整した。
【００６４】
製造条件および評価結果を、総合評価とともに、表１にまとめて示す。
【００６５】
【表１】

表１に示すように、実施例では、中空素管４に第１のバルジ加工と第２のバルジ加工を行うことにより、必要な寸法精度と実用上問題のない固定強度を有するカム部材１０ａ、１０ｂを設けることができた。
【００６６】
なお、通常、カムシャフトに要求される静許容トルクは９８Ｎ・ｍと言われているが、実施例はこの値を超えた良好な値を示しており、充分に実用化可能である。
【００６７】
実施形態およびその他の実施形態の説明では、突起付き中空軸が４サイクルレシプロエンジン用のカムシャフトである場合を例にとった。しかし、本発明はカムシャフトには限定されず、中空の回転軸と、この回転軸の外周面にバルジ加工により嵌着された突起を有する突起付き中空軸であれば、等しく適用される。このような突起付き中空軸としては、４サイクルレシプロエンジン用のカムシャフト以外に、レシプロタイプのコンプレッサのカムシャフトやカム機構を有する機械部品のカムシャフト等が例示される。
【００６８】
また、実施形態およびその他の実施形態の説明では、中空体が軸受用鋼からなる場合を例にとった。しかし、本発明における中空体は、軸受用鋼に限定されず、要求される硬度を満足するとともに塑性加工可能な材料であれば、等しく適用される。塑性加工可能な材料としては、軸受用鋼以外に、機械構造用炭素鋼や機械構造用合金鋼、さらにはチタン合金等も、同様に用いることができる。
【００６９】
さらに、実施形態およびその他の実施形態の説明では、カムシャフトが２つのカム部材を有する場合を例にとった。しかし、本発明は、カム部材の数には何ら制限されず、カム部材の数が１つまたは３つ以上であっても、同様に適用される。
【００７０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明により、バルジ加工後の機械加工を必要としないことから低コストに製造することができ、しかもカム部材の重量を低減できることから高速回転時のダイナミックバランスにも優れた、偏心量の大きなカム部材を有する、例えばカムシャフト等の突起付き中空軸を高い生産効率で製造することが可能な製造方法を提供することができた。
【００７１】
また、本発明では、カム部材を、焼結合金ではなく、塑性加工可能な材料により製造するため、この材料を適宜選定することにより、部品コストを低減でき、突起付き中空軸をさらに低コストで製造することができる。かかる効果を奏する本発明の意義は、極めて著しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の第１のバルジ加工前におけるバルジ加工型の初期セット状態と中空素管を示す模式的縦断面図である。
【図２】実施形態の第１のバルジ加工後における中空素管の状態を示す模式的縦断面図である。
【図３】実施形態の第２のバルジ加工後におけるバルジ加工型の状態とバルジ加工されたカムシャフトを示す模式的縦断面図である。
【図４】図１のイ−イ矢視によるバルジ加工型を省略した模式的横断面図である。
【図５】図３のロ−ロ矢視によるバルジ加工型を省略した模式的横断面図である。
【図６】他の実施形態の偏心部成形部材の配置態様を示す模式的横断面図である。
【図７】他の実施形態の偏心成形部材配置部分のバルジ加工後の形状を示す模式的横断面図である。
【図８】他の実施形態の固定部材の配置態様を示す模式的横断面図である。
【図９】他の実施形態の固定部材の配置部分の予成形状態を示す模式的横断面図である。
【図１０】他の実施形態の固定部材の配置部分のバルジ加工後の形状を示す模式的横断面図である。
【符号の説明】
１：バルジ加工型、
２：上型、
３：下型、
２ａ、３ａ：軸部成形用固定型、
２ｂ、２ｃ、３ｂ、３ｃ：突起部成形用可動型、
２ｄ、２ｅ、３ｄ、３ｅ：軸部成形用可動型、
４：中空素管、
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ：中空体、
７ａ、７ｂ：管端拘束治具、
７ｃ、７ｄ：管路、
８ａ、８ｂ：型移動用治具、
９：カムシャフト、
１０ａ、１０ｂ：カム部材、
１１ａ、１１ｂ：ジャーナル部、
１２：回転軸、
１３：偏心部成形部材、
１４：固定部材、
１５：予成形用のプレス型、
１５ａ：予成形用のプレス型を構成する上型、
１５ｂ：予成形用のプレス型を構成する下型、
１６：中子。

Claims (1)

1. 塑性変形可能な材料からなる中空体の内側に挿入された中空素管をバルジ加工型内に収容し、この中空素管にバルジ加工を行うことによって、中空体の外形をバルジ加工型の内面形状に成形するとともに、中空素管と中空体とを嵌着させるに当たり、下記(1) 〜(4) の工程を経る突起付き中空軸の製造方法。
   (1) バルジ加工型として、中空体の外形を所定の形状に成形する突起部成形用可動型と、この突起部成形用可動型の一方側に位置する軸部成形用可動型と他方側に位置する軸部成形用固定型に分割されており、突起部成形用可動型と軸部成形用可動型とが軸部成形用固定型に対して別々に接近離反可能なバルジ加工型を準備する工程、
   (2) 準備したバルジ加工型の軸部成形用固定型、突起部成形用可動型および軸部成形用可動型の各型に所定の間隔が在するように突起部成形用可動型と軸部成形用可動型をセットし、このセット後のバルジ加工型内に、塑性変形可能な材料からなる中空体の内側に隙間を設けて挿入された中空素管を収容する工程、
   (3) バルジ加工型内に収容された中空素管をバルジ加工し、中空体の内面と中空素管の外面とを接触させる工程、
   (4) 軸部成形用固定型の方向に軸部成形用可動型を押圧してバルジ加工を継続し、中空体を３つの型で画成される中空体成形バルジ加工型部の内面に張り付かせて中空体の外形を所定の形状に成形するとともに、中空素管と中空体とを嵌着させる工程。

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