カムシャフト用カムの製造方法

【課題】複数の冷間鍛造成形工程を連続して遂行することにより、最終の仕上げ加工（機械加工）を不要とし、高い寸法精度を得ることにある。
【解決手段】最終製品よりも所定量だけ大きな体積を有するビレットに対して輪郭予備据え込み成形、輪郭絞り成形、内径面及び外径面の同時打ち抜き成形、余剰分を内径面にバリとして形成する押圧成形、内径面のバリを打ち抜く内径面打ち抜き成形、内径面及び外径面の同時しごき成形からなる複数の冷間鍛造成形工程を連続して遂行することにより、カム（プロフィール）面の最終の仕上げ加工（機械加工）を不要とし、高い寸法精度を有するカムシャフト用カムの最終製品を得る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のバルブを開閉させるためのカムシャフト用カムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等の内燃機関において、クランクシャフトと連動して回転し、吸気及び排気バルブの開閉タイミングを制御する組立式のカムシャフトが知られている。
【０００３】
この組立式のカムシャフトは、例えば、シャフト本体を金属製のパイプで構成し、このパイプをカムピースのシャフト挿入孔に圧入等の方法によって固定している。
【０００４】
この種の従来技術に係るカムシャフトの製造方法として、例えば、特許文献１には、製品としてのカムに対応する容積を有する丸棒状延伸鋼材を１２５０〜１２８０℃まで加熱した後、型打ちによる熱間鍛造成形を行うことが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２及び３には、所謂ファインブランキング（精密打ち抜き）法を用いて型だれを抑制することにより、成形精度と製造コストを両立させる技術的思想が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−９０１３９号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５７０９号公報
【特許文献３】特開２００２−１４７５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された熱間鍛造成形方法を使用した場合、鍛造品の表層部に酸化物層が形成されると共に、型打ち鍛造によってバリのしわ傷や巻き込み傷が発生するために、仕上げ加工として機械加工が必要となる。
【０００８】
さらに、特許文献２及び３に開示されたファインブランキング法を使用した場合、前記ファインブランキング法が剪断加工であるため、その破断面又は型だれの発生を抑制して最小となることを目的としているが、加工品であるカムの表面に破断面あるいは型だれが発生すると、カム面でバルブを押圧する際に面圧が局部的に上昇するという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記の点を考慮してなされたものであり、複数の冷間鍛造成形工程を連続して遂行することにより、最終の仕上げ加工（機械加工）を不要とし、高い寸法精度を得ることが可能なカムシャフト用カムの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明によれば、先ず、最終製品よりも所定量だけ大きな体積を有する鍛造用素材に対して輪郭予備据え込み成形を行い、荒形状からなる第一次冷間鍛造成形体を得る。
【００１１】
続いて、前記第一次冷間鍛造成形体に対して輪郭絞り成形を行い、輪郭形状に沿って流動した余剰肉が外径面にバリとして形成された第二次冷間鍛造成形体を得る。
【００１２】
次に、前記第二次冷間鍛造成形体に対して内径面及び外径面の同時打ち抜き成形を行い、前記外径面に形成されたバリを除去すると共に、シャフト挿入孔よりも小径な逃がし孔が内径に形成された第三次冷間鍛造成形体を得る。
【００１３】
さらに、前記第三次冷間鍛造成形体を押圧する押圧成形を行い、所定の肉厚寸法に形成されると共に、余剰肉が内径面にバリとして形成された第四次冷間鍛造成形体を得る。
【００１４】
さらにまた、前記第四次冷間鍛造成形体に対して内径面打ち抜き成形を行い、前記内径面に形成されたバリを除去すると共に、シャフト挿入孔に対応する孔部が形成された第五次冷間鍛造成形体を得る。
【００１５】
最後に、前記第五次冷間鍛造成形体に対して内径面及び外径面の同時しごき成形を行うことにより、例えば、カム（プロフィール）面に対して切削研磨加工等の仕上げ加工を施すことがなく、寸法精度及び所定の面粗度が確保された最終製品が得られる。
【００１６】
なお、前記鍛造用素材に対して輪郭予備据え込み成形を行った際、第一次冷間鍛造成形体の周縁部に面取り部を形成し、輪郭絞り成形によって外径面に形成されるバリに近接する一方の面の周縁部に形成される第１面取り部の面積を、前記一方の面と反対側の他方の面の周縁部に形成される第２面取り部の面積よりも大きく設定ことにより、前記輪郭絞り成形が円滑になされる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００１８】
すなわち、輪郭予備据え込み成形、輪郭絞り成形、内径面及び外径面の同時打ち抜き成形、余剰分を内径面にバリとして形成する押圧成形、内径面のバリを打ち抜く内径面打ち抜き成形、内径面及び外径面の同時しごき成形からなる複数の冷間鍛造成形工程を連続して遂行することにより、カム（プロフィール）面の最終の仕上げ加工（機械加工）を不要とし、高い寸法精度を有する最終製品を得ることができる。
【００１９】
この結果、本発明では、最終製品の外径面に破断面や型だれ等が発生することがなく、カム面として所定の面粗度が確保されると共に、シャフトが圧入されるシャフト挿入孔として所定の嵌合寸法が確保された最終製品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係るカムシャフト用カムの製造方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係るカムシャフト用カムの製造方法により製造される組立式のカムシャフト１０が用いられるエンジン１２の概略構成図を示す。このカムシャフト１０は、例えば、単気筒のエンジン１２に用いられるものであって、クランクシャフト１４の回転に同期してプッシュロッド１６を押し上げることによりロッカーアーム１８を操作してバルブ２０を開閉させることができる。
【００２２】
なお、実際上、バルブ２０は給気用と排気用の２つが設けられており、それぞれ個別のロッカーアーム１８及びプッシュロッド１６が設けられている。カムシャフト１０には、２つのプッシュロッド１６をそれぞれ個別に押し上げるために、位相の異なる２つのカム２２及びカム２４が設けられている。
【００２３】
図２に示すように、カムシャフト１０は、冷間鍛造により成形されたシャフト２６と、該シャフト２６に圧入されたカム２２及びカム２４と、前記クランクシャフト１４の駆動ギヤ１４ａ（図１参照）に噛合してシャフト２６を回転させる合成樹脂製（例えば、ナイロン等）のギヤ２８とを有する。ギヤ２８の軸心部には金属ブッシュ２８ａ（例えば、Ｓ３５Ｃ等の炭素鋼）が設けられており、該金属ブッシュ２８ａがシャフト２６に圧入されている。
【００２４】
ギヤ２８は合成樹脂をインジェクション成型することにより形成され、その際、金属ブッシュ２８ａを予めインサートしておくとよい。ギヤ２８には金属ブッシュ２８ａが設けられることにより、シャフト２６を確実に圧入・締結することができる。ギヤ２８に、例えば、合成樹脂を用いることにより、インジェクション成型等の生産効率の高い生産方法を用いることができ、しかも金属のギヤに比べて軽量にすることができる。
【００２５】
なお、ギヤ２８は、エンジン１２の仕様等に応じて金属を用いたプレス加工品、機械加工品又は焼結成形品等であってもよい。
【００２６】
前記カム２２（２４）には、プッシュロッド１６の下端面に接触して該プッシュロッド１６を上方に向かって押圧するカム面（摺動面）３０と、シャフト２６が挿入される貫通したシャフト挿入孔３２とが設けられる（図２参照）。
【００２７】
次に、前記カム２２（２４）の製造工程について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
【００２８】
先ず、ステップＳ１では、図示しない棒状材料を所定長に切断することにより、鍛造用素材として円柱状のビレット３４を得る（図４Ａ〜図４Ｃ参照）。このビレット３４は、最終製品であるカム２２（２４）の体積に対応するものではなく、最終製品であるカム２２（２４）の体積とバリとして除去される体積とが加算された体積からなる。なお、前記ビレット３４は、図示しないコイル材を剪断して得てもよい。
【００２９】
ステップＳ２では、前記ステップＳ１で得られたビレット３４を図６に示される第１冷間鍛造用金型３６のキャビティ３８に装填し、パンチ４０によって前記ビレット３４を加圧することにより、輪郭予備据え込み成形を行う。
【００３０】
この輪郭予備据え込み成形では、パンチ４０を介してビレット３４を上方から押圧することにより、最終製品の厚さ寸法よりも厚肉からなり、外周の輪郭寸法（幅寸法）が大きく設定された荒形状からなる第一次冷間鍛造成形体４２が形成される（図５Ａ〜図５Ｃ参照）。
【００３１】
この第一次冷間鍛造成形体４２は、前記パンチ４０によって塑性変形された肉がカム面を形成する先端部４４の方向に対して十分に流動していないため、前記先端部４４は他の部位と比較して薄肉となっている（図５Ｃ参照）。
【００３２】
また、第一次冷間鍛造成形体４２では、上面（一方の面）の周縁部に環状傾斜面からなる第１面取り部４６ａが形成され、反対側の下面（他方の面）の周縁部に環状傾斜面からなる第２面取り部４６ｂが形成される。この場合、上面に形成された第１面取り部４６ａの面積は、下面に形成された第２面取り部４６ｂの面積よりも大きくなるように設定される（図７参照）。この場合、パンチ側を上方向とし、ダイス側を下方向としている。
【００３３】
第一次冷間鍛造成形体４２の上下面にそれぞれ第１及び第２面取り部４６ａ、４６ｂを形成することにより、後述するステップＳ４において、外径面のバリ５６を切断する際にその切断面に対してバリが発生することを阻止することができる。従って、ステップＳ４の後工程で特別にバリを除去する作業を設けることがなく、作業工程を簡素化することができる。
【００３４】
次に、ステップＳ３では、前記ステップＳ２で得られた第一次冷間鍛造成形体４２を図９に示される第２冷間鍛造用金型４８のキャビティ５０に装填し、パンチ５２によって前記第一次冷間鍛造成形体４２を加圧することにより、輪郭絞り成形を行う。
【００３５】
なお、第２冷間鍛造用金型４８の下型４８ａによって形成されるキャビティ５０の幅方向寸法Ａを、第１冷間鍛造用金型３６の下型３６ａによって形成されるキャビティ３８の幅方向寸法Ｂと比較して小さく設定することにより、輪郭絞り成形を円滑に遂行することができる（図６と図９とを比較参照）。
【００３６】
この輪郭絞り成形では、パンチ５２を介して第一次冷間鍛造成形体４２を上方から押圧することにより、最終製品の形状に対応する外周面の輪郭形状に沿って塑性変形した肉が流動し、前記輪郭予備据え込み工程で不十分であった先端部４４ａに塑性肉が十分に充填された第二次冷間鍛造成形体５４が形成される（図８Ａ〜図８Ｃ参照）。
【００３７】
なお、前記第二次冷間鍛造成形体５４の上面部近傍の外周面には、外周面の輪郭形状に沿って流動した余分な肉の体積分が環状のバリ５６として形成される（図８Ｂ参照）。また、前記輪郭絞り成形は、前工程で形成された第１及び第２面取り部４６ａ、４６ｂに何ら影響を与えることがなく、外周面の輪郭に沿ってなされる。
【００３８】
ステップＳ４では、前記ステップＳ３で得られた第二次冷間鍛造成形体５４を図１１に示される第３冷間鍛造用金型５８に装填し、ダイス６０の孔部６２内に挿入される中空のパンチ６４によって前記第二次冷間鍛造成形体５４を上方から押圧することにより、外周面から突出するバリ５６を打ち抜くと共に、シャフト２６の挿入位置に、次工程以降での流動肉の余剰分を流動させるために、最終製品のシャフト挿入孔３２の内径よりも小径な逃がし孔６６を下型５８ａに固定された固定パンチ６８によって打ち抜いた内径面及び外径面の同時打ち抜き成形を行う。
【００３９】
この内径面及び外径面の同時打ち抜き成形では、外周面から突出するバリ５６を打ち抜く際、前記外周面がしごかれてバリが発生することなく面精度が向上した破断面を有し、しかも、内径面にシャフト挿入孔３２よりも小径な逃がし孔６６が穿孔された第三次冷間鍛造成形体７０が形成される（図１０Ａ〜図１０Ｃ参照）。
【００４０】
前記逃がし孔６６は、次工程以降において、外周面を拘束した状態で内径側にのみ流動肉の余剰分を流動させるために形成されるものである。
【００４１】
ステップ５では、前記ステップＳ４で得られた第三次冷間鍛造成形体７０を図１３に示される第４冷間鍛造用金型７２のキャビティに装填し、前記第三次冷間鍛造成形体７０の外周面が金型面によって拘束された状態で、下型７２ａ側に向かって所定長だけ突出する環状段付き部７４を有するパンチ７６によって前記第三次冷間鍛造成形体７０を押圧することにより、所定の肉厚に形成すると共に、余剰分の流動肉を内径面にバリ７８として形成する押圧成形を行う。
【００４２】
前記押圧成形では、次工程で内径面の打ち抜き成形をするための予備成形として上面及び下面に近接する逃がし孔６６の部位にそれぞれガイド孔８０を有し、しかも、最終製品と略同一の厚さ寸法に設定された第四次冷間鍛造成形体８２が形成される（図１２Ａ〜図１２Ｃ参照）。
【００４３】
なお、前記一組のガイド孔８０の間には、厚さ方向に沿って貫通する貫通孔８４が形成され、次工程で内径面のバリ７８を除去する際、素材が流動しやすいように形成されている。
【００４４】
ステップＳ６では、前記ステップＳ５で得られた第四次冷間鍛造成形体８２を図１５に示される第５冷間鍛造用金型８６のキャビティに装填し、前記第四次冷間鍛造成形体８２の外径面を拘束した状態で、該第四次冷間鍛造成形体８２の上面を中空状のパンチ８８によって押圧することにより、該第四次冷間鍛造成形体８２の内径面に形成されたバリ７８を、下型８６ａに固定された固定パンチ９０で打ち抜く内径面打ち抜き成形を行う。
【００４５】
この内径面打ち抜き成形では、第四次冷間鍛造成形体８２の内径面に形成されたバリ７８を打ち抜くことにより、所定の内径からなるシャフト挿入孔３２を有する第五次冷間鍛造成形体９２が形成される（図１４Ａ〜図１４Ｃ参照）。
【００４６】
ステップＳ７では、前記ステップＳ６で得られた第五次冷間鍛造成形体９２を図１７に示される第６冷間鍛造用金型９４のキャビティに装填し、前記第五次冷間鍛造成形体９２の外径面を金型面で拘束した状態で、下型９４ａに固定された固定パンチ９６がシャフト挿入孔３２に沿って進入されるように、該第五次冷間鍛造成形体９２の上面を中空状のパンチ９８によって押圧する、内径面及び外径面のしごき成形を同時に行う。
【００４７】
内径面及び外径面の同時しごき成形を行うことにより、前記内径面及び外径面に所定の面粗度が確保された最終製品（図１６Ａ〜図１６Ｃ参照）を得ることができる（ステップＳ８）。なお、前記ステップＳ２からステップＳ８までの工程をヘッダーあるいは鍛造プレスによって連続成形してもよい。
【００４８】
本実施の形態では、第１〜第６冷間鍛造用金型３６、４８、５８、７２、８６、９４を用い、輪郭予備据え込み成形、輪郭絞り成形、内径面及び外径面の同時打ち抜き成形、余剰分を内径面にバリ７８として形成する押圧成形、内径面のバリ７８を打ち抜く内径面打ち抜き成形、内径面及び外径面の同時しごき成形からなる複数の冷間鍛造成形工程を連続して遂行することにより、カム（プロフィール）面の最終の仕上げ加工（機械加工）を不要とし、高い寸法精度を有する最終製品を得ることができる。
【００４９】
従って、本実施の形態では、最終製品の外周面に破断面や型だれ等が発生することがなく、カム面として所定の面粗度が確保されると共に、シャフトが圧入されるシャフト挿入孔として所定の嵌合寸法が確保された最終製品を得ることができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態では、最終製品よりも大なる体積を有するビレット３４を用い、輪郭絞り成形によって外径面に余剰分のバリ５６を形成し、押圧成形によって内径面に余剰分のバリ７８を形成し、前記外径面のバリ５６及び内径面のバリ７８をそれぞれ打ち抜き成形によって除去している。
【００５１】
この場合、最終製品に対応する体積を有するビレットを用いて複数の鍛造成形によって鍛造成形品を成形した場合と比較して、本実施の形態では、輪郭絞り成形において肉の流動方向が外径面側となる単一の方向からなり、また、押圧成形において外径面が拘束されているために肉の流動方向が内径面側となる単一の方向からなり、その剰余分をバリ５６、７８として除去しているために、例えば、切削研磨加工等によって最終の仕上げ加工が不要となり、高精度な面粗度と寸法精度を有する最終製品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施の形態に係るカムシャフト用カムの製造方法によって製造されるカムシャフトが用いられるエンジンの概略構成図である。
【図２】図１に示すカムシャフトの斜視図である。
【図３】本実施の形態に係るカムシャフト用カムの製造工程を示すフローチャートである。
【図４】図４Ａは、所定長に切断されたビレットの平面図、図４Ｂは、前記ビレットの縦断面図、図４Ｃは、前記ビレットの斜視図である。
【図５】図５Ａは、第１冷間鍛造用金型によって前記ビレットに輪郭予備据え込み成形が施された第一次冷間鍛造成形体の平面図、図５Ｂは、前記第一次冷間鍛造成形体の縦断面図、図５Ｃは、前記第一次冷間鍛造成形体の斜視図である。
【図６】前記第１冷間鍛造用金型の概略縦断面構造図である。
【図７】図５Ｂに示す第一次冷間鍛造成形体の部分拡大縦断面図である。
【図８】図８Ａは、第２冷間鍛造用金型によって前記第一次冷間鍛造成形体に輪郭絞り成形が施された第二次冷間鍛造成形体の平面図、図８Ｂは、前記第二次冷間鍛造成形体の縦断面図、図８Ｃは、前記第二次冷間鍛造成形体の斜視図である。
【図９】前記第２冷間鍛造用金型の概略縦断面構造図である。
【図１０】図１０Ａは、第３冷間鍛造用金型によって前記第二次冷間鍛造成形体に内径面及び外径面の同時打ち抜き成形が施された第三次冷間鍛造成形体の平面図、図１０Ｂは、前記第三次冷間鍛造成形体の縦断面図、図１０Ｃは、前記第三次冷間鍛造成形体の斜視図である。
【図１１】前記第３冷間鍛造用金型の概略縦断面構造図である。
【図１２】図１２Ａは、第４冷間鍛造用金型によって前記第三次冷間鍛造成形体にその余剰分をバリとして形成する押圧成形が施された第四次冷間鍛造成形体の平面図、図１２Ｂは、前記第四次冷間鍛造成形体の縦断面図、図１２Ｃは、前記第四次冷間鍛造成形体の斜視図である。
【図１３】前記第４冷間鍛造用金型の概略縦断面構造図である。
【図１４】図１４Ａは、第５冷間鍛造用金型によって前記第四次冷間鍛造成形体の内径面のバリを打ち抜く内径面打ち抜き成形が施された第五次冷間鍛造成形体の平面図、図１４Ｂは、前記第五次冷間鍛造成形体の縦断面図、図１４Ｃは、前記第五次冷間鍛造成形体の斜視図である。
【図１５】前記第５冷間鍛造用金型の概略縦断面構造図である。
【図１６】図１６Ａは、第６冷間鍛造用金型によって前記第五次冷間鍛造成形体の内径面及び外径面の同時しごき成形が施された最終製品の平面図、図１６Ｂは、前記最終製品の縦断面図、図１６Ｃは、前記最終製品の斜視図である。
【図１７】前記第６冷間鍛造用金型の概略縦断面構造図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…カムシャフト２２、２４…カム
２６…シャフト３０…カム面
３２…シャフト挿入孔３４…ビレット
３６、４８、５８、７２、８６、９４…冷間鍛造用金型
４２、５４、７０、８２、９２…冷間鍛造成形体
４４…先端部４６ａ、４６ｂ…面取り部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を構成するカムシャフト用カムの製造方法において、
最終製品よりも所定量だけ大きな体積を有する鍛造用素材に対して輪郭予備据え込み成形を行い、荒形状からなる第一次冷間鍛造成形体を得る工程と、
前記第一次冷間鍛造成形体に対して輪郭絞り成形を行い、輪郭形状に沿って流動した余剰肉が外径面にバリとして形成された第二次冷間鍛造成形体を得る工程と、
前記第二次冷間鍛造成形体に対して内径面及び外径面の同時打ち抜き成形を行い、前記外径面に形成されたバリを除去すると共に、シャフト挿入孔よりも小径な逃がし孔が内径に形成された第三次冷間鍛造成形体を得る工程と、
前記第三次冷間鍛造成形体を押圧する押圧成形を行い、所定の肉厚寸法に形成されると共に、余剰肉が内径面にバリとして形成された第四次冷間鍛造成形体を得る工程と、
前記第四次冷間鍛造成形体に対して内径面打ち抜き成形を行い、前記内径面に形成されたバリを除去すると共に、シャフト挿入孔に対応する孔部が形成された第五次冷間鍛造成形体を得る工程と、
前記第五次冷間鍛造成形体に対して内径面及び外径面の同時しごき成形を行い、最終製品を得る工程と、
を有することを特徴とするカムシャフト用カムの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、
鍛造用素材に対して輪郭予備据え込み成形を行った際、第一次冷間鍛造成形体の周縁部には、面取り部が形成されることを特徴とするカムシャフト用カムの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の製造方法において、
輪郭絞り成形によって外径面に形成されるバリに近接する一方の面の周縁部に形成される第１面取り部の面積は、前記一方の面と反対側の他方の面の周縁部に形成される第２面取り部の面積よりも大きく設定されることを特徴とするカムシャフト用カムの製造方法。

【図１】