專利名稱：凸輪軸、制造用于凸輪軸的凸輪的方法以及制造用于凸輪軸的軸的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于打開和閉合發動機閥的凸輪軸、制造用于凸輪軸的凸輪的方法以及制造用于凸輪軸的軸的方法。
背景技術：
已知一種組裝式凸輪軸，它可以與汽油機等的曲柄軸成共軸關系轉動，以便控制打開和閉合汽油機的進氣閥和排氣閥的時間選擇。
組裝式凸輪軸具有金屬管形式的軸，該金屬管形式的軸通過壓配等手段固定地安裝在形成在凸輪件中的軸插入孔中。
在日本公開特許公報日本公開特許公報No.8-90139中披露了用于制造上述類型凸輪軸的一種傳統方法。根據所披露的方法，將其體積與所要生產的凸輪對應的細長鋼圓桿加熱到1250-1280℃，然后通過打擊進行熱鍛工藝。
日本公開特許公報No.2001-355709和日本公開特許公報No.2002-147572披露了采用精密沖裁來減小模具引起的變形的技術原理，以便實現所期望的成型精度并且降低制造成本。
根據在日本公開特許公報No.8-90139中披露的熱鍛工藝，在鍛壓產品的表面上形成氧化物層，并且另外通過打擊在鍛壓產品的表面上產生出皺紋和夾雜物。因此，必須對鍛壓產品進行精加工。
根據在日本公開特許公報No.2001-355709和日本公開特許公報No.2002-147572中披露的精密沖裁工藝，由于精密沖裁基本上是一種剪切工藝，所以它必須按照使破裂表面或模具引起的變形最小的方式進行。如果在所生產出的凸輪表面上形成破裂表面和模具引起的變形，則在凸輪表面擠壓閥時在凸輪上的表面壓力容易局部增大。
該組裝式凸輪軸包括一凸輪和一軸，它們相互一體地組合在一起。如果凸輪在軸上滑動，則操作凸輪軸的曲柄軸和由凸輪軸操作的閥相互不同步。鑒于這種問題，日本公開特許公報No.7-293666提出了一種在凸輪的裝配孔中提供防轉機構的技術。
日本公開特許公報No.11-107712披露了一種將凸輪裝配在中空軸上同時通過塑性變形接合該軸以使凸輪固定在適當位置的技術。
在日本公開特許公報No.7-29366和日本公開特許公報No.11-107712中所披露的這些技術都需要用于提供防轉機構的機加工過程。另外，該防轉機構使得軸和凸輪形狀復雜。
日本公開特許公報No.52-50963披露了一種通過冷鍛來以低成本形成凸輪軸的技術。
在日本公開特許公報No.52-50963中所披露的技術涉及用于制動鼓的凸輪軸的生產，其中凸輪軸與平板形式的凸輪組合在一起。但是，所披露的技術不適用于生產發動機凸輪軸，因為采用了不同類型的凸輪來打開和閉合發動機中的閥。
在單獨生產軸和凸輪然后組裝成凸輪軸的情況下，必須對軸和凸輪進行機加工以形成防轉機構，以便防止凸輪相對于凸輪軸轉動。因此，需要額外的機加工過程以形成這種防轉機構。另外，因為防轉機構結合在其中，所以軸和凸輪往往形狀復雜。
發明內容
本發明的一個目的在于提供這樣一種凸輪軸，它能夠以更少的制造步驟制造出，從而能夠實現更高的生產率。
本發明的另一個目的在于提供一種通過進行連續冷鍛步驟制造用于凸輪軸的凸輪的方法，由此省去了最終精加工(機加工)過程，并且實現了高尺寸精度。
本發明的又一個目的在于提供一種用更少的制造步驟數來制造用于凸輪軸的軸的方法，其中壓配在軸上的凸輪更不容易周向地滑動。
根據本發明，凸輪軸包括由冷鍛形成的軸，其中將粉末潤滑劑施加在凸輪軸的表面上，并且通過將凸輪壓配在軸上來將凸輪安裝在軸上。
通過這樣將凸輪壓配在軸上，從而使凸輪牢固地固定在軸上，并且無需額外的工藝步驟來固定凸輪。由于通過壓配使凸輪固定在適當位置，所以無需防轉機構或無需任何形成防轉機構的過程。因此，可以采用更少的步驟數制造出該凸輪軸，由此能夠實現更高的生產率。由于軸自身通過冷鍛成型，所以進一步提高了生產率。
粉末潤滑劑可以為石灰或硼砂。
如果軸具有通過剪切形成的平面，則該軸能夠避免與另一個構件(例如連桿)等干涉。用于形成平面的剪切過程保持了已經通過冷鍛形成的軸的尺寸精度。
如果軸具有通過剪切在其側面形成的切割面，則該軸可以避免與另一個構件(例如連桿)等干涉。用于形成切割面的剪切過程保持了已經由冷鍛形成的軸的尺寸精度。
凸輪可以具有形成在其中的軸插入孔。該軸插入孔能夠很容易通過沖孔在凸輪中形成。
凸輪軸還可以包括安裝在軸上的齒輪，其中該齒輪壓配在軸上。該齒輪可以由合成樹脂制成，并且可以具有在沿中心設置在其中的金屬襯套，其中該金屬襯套壓配在軸上。
軸可以具有在其兩側上形成不同直徑的臺階。在通過抵靠在該臺階上來使凸輪定位時，能夠很容易精確地使凸輪定位。
根據本發明，還提供了一種制造用于發動機凸輪軸的凸輪的方法。根據該方法，在其體積比最終產品大預定量的鍛壓坯料上進行預成型鐓鍛，由此形成具有初步形狀的第一冷鍛體。
在第一冷鍛體上進行成型壓延以形成第二冷鍛體，其中第二冷鍛體具有多余的材料，該材料沿著其外形流動，并且在其外表面上形成為毛邊。
對第二冷鍛體進行沖壓以在其上同時形成內外表面，由此形成第三冷鍛體，其中從外表面去除了毛邊并且在其中形成了其直徑小于用于凸輪軸的軸插入孔的排料孔(relief hole)。
將第三冷鍛體壓制成具有預定厚度的第四冷鍛體，其中多余材料在其內表面上形成為毛邊。
沖壓該第四冷鍛體以從內表面去除毛邊，由此形成具有與軸插入孔對應的孔的第五冷鍛體。
最后，在其內外表面上同時壓平該第五冷鍛體，由此形成最終產品。這樣生產出的最終產品無需精加工過程，例如在凸輪(輪廓)面上進行切割或拋光過程，并且具有所期望的尺寸精度和表面粗糙度。
當在鍛坯上進行預成型鐓鍛時，在第一冷鍛體的周邊部分上可以形成第一和第二斜面。第一斜面形成在第一冷鍛體的位于通過在外表面上進行成型壓延形成的毛邊附近的表面的周邊部分上，第二斜面形成在第一冷鍛體的與其上述表面相對的表面的周邊部分上，其中第一斜面其面積大于第二斜面。由于第一斜面的面積大于第二斜面的面積，所以可以順利地進行成型壓延過程。
根據本發明，還提供了一種制造用于發動機凸輪軸的軸的方法，該方法包括以下步驟用粉末潤滑劑涂覆圓柱形坯料的外圓周表面；軸向擠壓坯料的端部以將該坯料壓延成具有多種直徑的工件；軸向擠壓工件的端部并且固定其相對端部，以便使工件的一部分徑向向外擴展成環形擴展部分；以及將環形擴展部分軸向擠壓成凸緣，同時將工件壓延成具有多種直徑的工件，其中通過冷鍛進行軸向擠壓坯料的端部和工件的端部的步驟。
通過在用粉末潤滑劑涂覆之后冷鍛坯料，從而壓配在軸上的凸輪更不容易沿著圓周方向滑動，并且能夠用更少的步驟數制造出精制的最終產品。
圖1為結合有通過根據本發明一實施方案的制造用于凸輪軸的凸輪的方法制造出的凸輪軸的發動機的示意圖；圖2為圖1所示的凸輪軸的透視圖；圖3為用于制造用于根據本發明一實施方案的凸輪軸的凸輪的制造過程的流程圖；圖4為切割成預定長度的坯料的平面圖；圖5為該坯料的軸向剖視圖；圖6為該坯料的透視圖；圖7為在通過第一冷鍛模具組件對坯料進行預成型鐓鍛時所生產出的第一冷鍛體的平面圖；圖8為第一冷鍛體的軸向剖視圖；圖9為第一冷鍛體的透視圖；圖10為第一冷鍛模具組件的軸向剖視圖；圖11為在圖8中所示的第一冷鍛體的局部放大軸向剖視圖；圖12為在通過第二冷鍛模具組件對第一冷鍛體進行成型壓延時生產出的第二冷鍛體的平面圖；圖13為第二冷鍛體的軸向剖視圖；圖14為第二冷鍛體的透視圖；圖15為第二冷鍛模具組件的軸向剖視圖；圖16為在通過第三冷鍛模具組件沖壓第二冷鍛體以同時形成內外表面時所產生出的第三冷鍛體的平面圖；圖17為第三冷鍛體的軸向剖視圖；圖18為第三冷鍛體的透視圖；圖19為第三冷鍛模具組件的軸向剖視圖；圖20為在通過第四冷鍛模具組件壓制第三冷鍛體以形成作為毛邊的多余材料時所產生出的第四冷鍛體的平面圖；圖21為第四冷鍛體的軸向剖視圖；圖22為第四冷鍛體的透視圖；圖23為第四冷鍛模具組件的軸向剖視圖；圖24為在通過第五冷鍛模具組件沖壓第四冷鍛體以從其內表面去除毛邊時所生產出的第五冷鍛體的平面圖；圖25為第五冷鍛體的軸向剖視圖；圖26為第五冷鍛體的透視圖；圖27為第五冷鍛模具組件的軸向剖視圖；圖28為在通過第六冷鍛模具組件同時在第五冷鍛體內外表面上壓平時所產生出的最終產品的平面圖；圖29為最終產品的軸向剖視圖；圖30為最終產品的透視圖；圖31為第六冷鍛模具組件的軸向剖視圖；圖32為軸的側視圖；圖33為用于在軸上形成平面的切割夾具的分解透視圖；圖34為形成凸輪軸的工藝的流程圖；圖35顯示出其中在涂覆潤滑劑的同時壓延坯料的方式；圖36顯示出其中壓延從坯料切出的工件的方式；圖37顯示出其中對工件進行機加工以形成凸緣的方式；圖38顯示出其中精加工工件的方式；以及圖39為模具的臺階的放大剖視圖。
具體實施例方式
下面將參照這些附圖對根據本發明一實施方案的凸輪軸、制造用于凸輪軸的凸輪的方法以及制造用于凸輪軸的軸的方法進行詳細說明。
圖1示意性地顯示出結合有通過根據本發明一實施方案的制造用于凸輪軸的凸輪的方法制造出的組裝式凸輪軸10的發動機12。該凸輪軸10用在發動機12中，該發動機例如可以為單缸發動機。凸輪軸10與曲柄軸14的轉動同步地向上推壓推桿16(顯示出一個)，以便操作搖臂18(顯示出一個)，以打開和閉合閥20。
閥20包括兩個閥，即進氣閥和排氣閥，它們與相應的搖臂18和相應的推桿16相連。凸輪軸10具有兩個凸輪22、24，它們在角度上相互保持異相，即在角度上相互間隔開，以便單獨向上推壓相應的推桿16。
如圖2所示，凸輪軸10具有通過冷鍛形成的軸26、壓配在軸26上的凸輪22、24以及由合成樹脂(例如尼龍)制成的安裝在軸26的一個端部上的齒輪28，該齒輪28與在曲柄軸14上的驅動齒輪14a(參見圖1)保持嚙合，以使軸26繞著其自身軸線轉動。齒輪28具有設置在其中央的金屬襯套28a，它根據例如JIS G4051由碳鋼例如S35C(含碳量在0.32至0.38重量％的用在機器和結構中的碳鋼)制成。金屬襯套28a壓配在軸26上。
優選在將金屬襯套28a插入在適當位置中的情況下，通過注塑成型合成樹脂來形成齒輪28。由于金屬襯套28a安裝在齒輪28中，所以齒輪28能夠可靠地壓配并且緊固在軸26上。合成樹脂齒輪28可以采用例如注塑成型工藝以高生產效率制造出，并且比金屬齒輪更輕。
但是，該齒輪28也可以根據發動機12的技術要求通過壓制、機加工或燒結用金屬制成。
凸輪22、24的每一個具有保持與推桿16的下端面接觸以便向上擠壓推桿16的一凸輪(輪廓)面30以及貫穿形成以便在其中插入軸26(參見圖2)的軸插入孔32。
下面將參照圖3-31對制造凸輪22、24的過程進行說明。
如圖3所示，在步驟S1中，將棒材(未示出)切割成預定長度，以便生產出用作鍛坯的圓柱形坯料34(參見圖4至6)。該坯料34其體積不與最終生產出的凸輪22或24的體積對應，而是與最終生產出的凸輪22或24和要從中去除的毛邊體積的總和對應。該坯料34可以通過剪切卷材構件(未示出)來生產出。
在步驟S2中，將在步驟S1中生產出的坯料34裝進第一冷鍛模具組件36的型腔38中，如圖10所示，并且通過沖頭40壓制以進行預成型鐓鍛。
在預成型鐓鍛過程期間，通過沖頭40將坯料34向下壓制成具有一初步形狀的第一冷鍛體42(參見圖7至9)，它比最終產品更厚并且具有大于最終產品的外形(寬度)。
第一冷鍛體42包括已經由沖頭40塑性變形但是還沒有充分流向用來形成凸輪面的頂端44的部分。因此，如圖9所示，頂端44比第一冷鍛體42的其它部分更薄。
第一冷鍛體42具有形成在其上表面(一個表面)的周邊部分上的第一環形斜面46a和形成在其下表面(另一個表面)的周邊部分上的第二環形斜面46b。在上表面上的第一環形斜面46a其面積大于在下表面上的第二環形斜面46b(參見圖11)。在第一冷鍛模具組件36中，沖頭40向上設置，從而下模36a向下設置。
當如下面所述一樣在步驟S4中將在第一冷鍛體42的外表面上的毛邊56切掉時，在第一冷鍛體42的上下表面上的第一和第二斜面46a、46b用來防止破裂表面形成毛邊。因此，在步驟S4中不需要任何去毛邊過程，并且因此能夠簡化步驟S4。
在步驟S3中，將在步驟S2中生產出的第一冷鍛體42裝進第二冷鍛模具組件48的型腔50中，如圖15所示，并且通過沖頭52進行沖壓以進行成型壓延。
第二冷鍛模具組件48的沖頭52和下模48a之間形成的型腔50其寬度A小于在第一冷鍛模具組件36中的型腔38的寬度B(為了比較參見圖10和15)，因此可以平穩地進行成型壓延。
在成型壓延過程期間，第一冷鍛體42由沖頭52向下壓制以使得塑性變形金屬材料沿著與最終產品的形狀對應的外圓周表面的輪廓流動，由此形成第二冷鍛體54(參見圖11至14)，其中在預成型鐓鍛過程中沒有完全填充的頂端44a被塑性變形材料完全填充。
第二冷鍛體54在靠近其上表面的其外圓周表面上具有毛邊56，該毛邊56由已經沿著外圓周表面的輪廓流動的多余材料形成(參見圖13)。該成型壓延過程沿著外圓周表面的輪廓進行，從而不會影響在前面過程中形成的第一和第二斜面46a、46b。
在步驟S4中，將在步驟S3中生產出的第二冷鍛體54裝進第三冷鍛模具組件58，如圖19所示，并且通過插入在形成在模具60中的孔62中的中空沖頭64向下沖壓，由此去除在第二冷鍛體54的外圓周表面上伸出的毛邊56。同時，為了讓多余材料能夠在下面隨后的步驟中流動，通過固定在第三冷鍛模具組件58的下模58a上的固定沖頭68在將要插入軸26的位置中沖壓第二冷鍛體54，由此在其中形成排料孔66，其中排料孔66的直徑小于在最終產品中的軸插入孔32的內徑。這樣，通過第三冷鍛模具組件58沖壓第二冷鍛體54以同時形成內外表面。
在通過第三冷鍛模具組件58沖壓第二冷鍛體54以同時生產出內外表面之后，形成第三冷鍛體70(參見圖16至18)，它具有沒有毛邊的破裂面并且具有高表面精度，因為在將毛邊56沖切掉時壓平了外圓周表面。另外，形成在內表面中的排料孔66其直徑小于軸插入孔32。
該排料孔66形成為讓多余材料在下面的隨后步驟中在約束外圓周表面的同時只能在內表面上流動。
在步驟S5中，將在步驟S4中生產出的第三冷鍛體70裝進第四冷鍛模具組件72的型腔中，如圖23所示。在通過第四冷鍛模具組件72的模具表面來約束第三冷鍛體70的外圓周表面的同時，通過具有朝著下模具72a伸出一定長度的環形臺階74的沖頭76向下沖壓第三冷鍛體70，由此提供具有預定厚度的冷鍛體并且將多余流動材料形成為在其內表面上的毛邊78。
在這樣沖壓第三冷鍛體70時，形成第四冷鍛體82(參見圖20至22)，它在上下表面附近具有在排料孔66中的導向孔80，以準備在下一個步驟中沖壓內表面，并且其厚度基本上與最終產品的厚度相同。
第四冷鍛體82具有在導向孔80之間橫向延伸的通孔84，用來當在下一個步驟中從內表面去除毛邊78時讓材料能夠很容易流動。
在步驟S6中，將在步驟S5中生產出的第四冷鍛體82裝進第五冷鍛模具組件86的型腔中，如圖27所示。在通過第五冷鍛模具組件86的模具表面約束第四冷鍛模具82的外圓周表面的同時，通過中空模具88向下沖壓第四冷鍛體82的上表面。因此，固定在第五冷鍛模具組件86的下模86a上的固定沖頭90在內表面沖壓過程中從第四冷鍛體82的內表面去除了毛邊78。
在內表面沖壓過程期間，從第四冷鍛體82的內表面中將毛邊78沖切掉，由此形成第五冷鍛體92(參見圖24至26)，它具有形成在其中并且具有預定內徑的軸插入孔32。
在步驟S7中，如圖31所示，將在步驟S6中生產出的第五冷鍛體92裝進第六冷鍛模具組件94的型腔中。在通過第六冷鍛模具組件94的模具表面約束第五冷鍛模具92的外圓周表面的同時，通過中空沖頭98來向下沖壓第五冷鍛體92的上表面。因此，固定在第六冷鍛模具組件94的下模94a上的固定沖頭96進入到軸插入孔32中，同時壓平了第五冷鍛體92的內外表面。
在同時壓平第五冷鍛體92的內外表面之后，使第五冷鍛體92形成為最終產品(參見圖28至30)。更具體地說，在步驟S8中，生產出凸輪22、24，該凸輪在其內外表面上具有預定的表面粗糙度。從步驟S2到步驟S8的這些過程可以通過鐓鍛機或鍛壓機連續地進行。
凸輪22和24的軸插入孔32根據在軸26的將要壓配這些凸輪22、24的那些部分處的直徑可以具有不同的直徑。為了形成具有不同直徑的軸插入孔32，可以采用具有相應不同直徑的固定沖頭96。
在當前實施方案中，第一至第六冷鍛模具組件36、48、58、72、86、94用來連續進行多個相應的冷鍛過程，包括預成型鐓鍛過程、成型壓延過程、同時形成內外表面的過程、使多余材料作為毛邊78形成在內表面上的擠壓過程、從內表面將毛邊78沖切掉的過程以及同時壓平內外表面的過程，由此生產出最終產品，其中該最終產品不需要在凸輪(輪廓)表面上進行最終精加工(機加工)并且實現了高尺寸精度。
因此，根據當前實施方案，最終產品在其外圓周表面上沒有任何破裂表面或模具引起的變形，同時在凸輪表面上具有預定的表面粗糙度，并且為讓軸插入到其中的軸插入孔提供了預定的裝配尺寸。
根據當前實施方案，采用了其體積大于最終產品的體積的坯料34。多余材料通過成型壓延過程作為毛邊56形成在冷鍛體的外圓周表面上，并且其它多余材料作為毛邊78通過擠壓過程形成在冷鍛體的內表面上，其中將在外圓周表面上的毛邊56和在內表面上的毛邊78沖切掉。
與通過多個鍛壓過程用其體積與最終產品的體積對應的坯料形成的鍛壓體不同，在本發明中，坯料材料在成型壓延過程期間沿著單個方向朝著外圓周方向流動，并且由于外圓周表面在擠壓過程期間受到約束，所以坯料材料在擠壓過程期間沿著單一方向朝著內表面流動，其中在相應的成型壓延和擠壓過程之后去除多余的毛邊56、78。因此，該最終產品不需要例如通過切割或磨削進行精加工，但是盡管這樣也保持了高度精確的表面粗糙度和高尺寸精度。
下面將參照圖32對軸26的形狀進行說明。
如圖32所示，軸26在安裝有齒輪28的端部處具有第一直徑部分26a，它具有最小的直徑。軸26還具有朝向另一端26e沿著箭頭C所示方向與第一直徑部分26a相鄰的第二直徑部分26b。第二直徑部分26b的直徑略大于第一直徑部分26a。齒輪28在壓配合到第一直徑部分26a上時，由一個位于第一直徑部分26a和第二直徑部分26b之間的小臺階來定位。軸26還具有沿著箭頭C所示方向與第二直徑部分26b相鄰的第三直徑部分26c，它的直徑略大于第二直徑部分26b。凸輪22在壓配在第二直徑部分26b上時，由位于第二直徑部分26b和第三直徑部分26c之間的小臺階27b來定位。
軸26還具有沿著箭頭C所示方向與第三直徑部分26c相鄰的第四直徑部分26d，它的直徑略大于第三直徑部分26c。第四直徑部分26d具有與其軸平行的兩個平的(切割)表面130，用于防止軸26與連接桿33的端部相干擾(參見圖1)，并因此允許凸輪軸10的位置靠近連接桿33。
軸26具有設置在第四直徑部分26d和另一端26e之間的凸緣26f，用于在凸輪軸10組裝在發動機12中時定位軸26。凸輪24在壓配在第四直徑部分26d上時，由凸緣26f定位。在圖32中，以夸大差異的方式顯示出第一至第四直徑部分26a至26d，以表明它們具有不同的直徑，便于理解本發明。但是，實際上，各直徑之間的差別如此小，以至于第一至第四直徑部分26a至26d看起來具有基本相同的直徑。
以下參考圖33描述用于在軸26上形成平面的切割夾具100。
如圖33所示，切割夾具100包括工件保持器102，具有用于在其中插入第一至第四直徑部分26a至26d的孔102a；切割器104，用于形成平的表面130；保持器引導件106，其中可滑動地插入工件保持器102；可運動的模具108，用于保持軸26的另一端26e并將工件保持器102推入到保持器引導件106中；以及支撐板110，具有氣體彈簧110a，也就是用于強制工件保持器102返回的彈簧或者其它機構，該機構還用于在已經在軸26上形成平的表面130之后將工件保持器102推出保持器引導件106。按照所述的順序相繼設置可運動的模具108、工件保持器102、保持器引導件106以及支撐板110。
工件保持器102中的孔102a具有其中插入軸26的第四直徑部分26d的部分，該部分保持與形成在工件保持器102中用于在其中插入切割器104的孔102b相通。孔102b基本是細長的矩形，用于插入切割器104，并與孔102垂直連通。
切割器104具有用于切去部分軸26以形成平的表面130的兩個平行的刀片104a，以及斜面104b，該斜面傾斜從而朝向保持器引導件106沿著箭頭D所示方向逐漸接近工件保持器102的軸線。保持器引導件106具有用于抵靠在切割器104的斜面104b上的引導表面106b，引導表面106b傾斜從而沿著箭頭D所示方向逐漸接近保持器引導件106的軸線。
以下參考圖34-39描述制造軸26的過程和組裝凸輪軸10的過程。
在圖34所示的步驟S11中，利用草酸來蝕刻棒狀(圓柱狀)的碳鋼坯料，以使其表面多孔(porous)。或者，可以向坯料上的磷酸鹽涂層施加石灰，以使其表面多孔。但是，利用草酸蝕刻坯料能更有效地使表面多孔，并因此優選使用磷酸鹽涂層。
如上所述，制造坯料的碳鋼材料可以是S35C。如果在坯料上進行液體滲氮，則可以由較低含碳量的碳鋼制造坯料。
在步驟S12，用模具200將坯料壓延成預定的外徑(參見圖35)。在將坯料導入到模具200中之前，通過在坯料表面上涂布或者噴射潤滑劑202來潤滑坯料。由于已經在步驟S11中使坯料的表面多孔，因此潤滑劑202填充了孔，使坯料相對于模具200可滑動。因此，坯料可以平滑地穿過模具200。也防止了被潤滑的坯料卡住，因此延長其使用壽命。
潤滑劑202可以包括粉末狀潤滑劑，例如石灰或者硼砂，它們可以溶解在水等中或者加工為糊狀物。粉末狀潤滑劑202使凸輪22、24能抵抗沿著軸26的圓周方向的滑動，從而在凸輪軸10組裝到發動機12中時使得凸輪軸10能夠與曲柄14的旋轉同步地旋轉。
在步驟S12中，軸26在受到壓延時直徑減小，從而將直徑設定為一個小數值，以在坯料中填充潤滑劑202。
在步驟13中，例如通過剪切將坯料切成預定長度，因此形成用來制作軸26的工件204。
在步驟S14中，通過采用模具206和沖頭208進行冷鍛(參見圖36)來壓延工件204。該模具206在其中具有由向上打開的第一孔210a和與第一孔210a連通并且其直徑稍小于第一孔210a的第二孔210b形成的孔210。第一孔210a用來壓延工件204的在那里形成外端26e和凸緣26f的部分，并且第二孔210b用來壓延工件204的在那里將形成第一至第四直徑部分26a至26d的部分。
該工件204在由沖頭208向下軸向推壓的同時被插入到孔210中，并且通過第一孔210a和第二孔210b壓延成預定直徑。
在壓延工件204之后，將沖頭208向上回拉，并且提升設置在孔210的下部中的頂出銷212，以將工件204從孔210中頂出。
在步驟S14以及隨后的步驟S15和S16中，將工件204插入到模具206、214和230中，并且將其變為第一直徑部分26a的那部分向下定位并且將變為另一個端部26e的那部分向上定位。
在步驟S15中，使用模具214(參見圖37)對工件204進行冷鍛以在其上形成凸緣，該模具214在其中具有其直徑稍小于模具206的第一孔210a的孔214a并且還具有其中包括其直徑與孔214a基本上相同的有底孔216a的沖頭216。
具體地說，如圖37所示，在將工件204插入到孔214a中之后，在沖頭216中的孔216a與工件204的上端對準，并且向下軸向擠壓沖頭216直到工件204的上端表面抵靠在孔216a的底部上。然后通過孔216a壓延工件204的上部，并且使一部分工件204徑向向外塑性擴張，以在沖頭216的下表面和模具214的上表面之間形成環形擴展部分218。環形擴展部分218用作凸緣26f的基礎。
孔216a的底部具有穿過其中央延伸的單個脊部217。在將脊部217壓在工件204的上表面上時，它在工件214的上表面上形成中央溝槽221，它用作用來防止工件204轉動的止動件。
工件204的下表面保持壓靠在頂出銷222的上表面上。頂出銷222的上表面具有設置在其中央部分上的突出部224。在突出部224插入到形成在工件204的下表面中的中央孔中時，突出部224用來防止工件204擺動。由于頂出銷222由枕226支撐，所以頂出銷222可靠地擠壓工件204的下表面，以防止工件204移動，從而可靠地形成擴展部分218。
由沖頭216的脊部217形成的溝槽221也可以用來觀察工件204的移位精確度，從而必要時可以根據觀察結果校正工件204的移位狀態。
在已經按照上面的方式形成工件204之后，向上回拉沖頭216，并且提升頂出銷222，以從孔214a中將工件204頂出。
然后，在步驟S16中，采用模具230和沖頭232通過冷鍛對該工件204進行精加工(參見圖38)。
模具230具有形成在其中的孔230a，該孔230a依次向上連續地包括第一直徑部分234a、第二直徑部分234b、第三直徑部分234c和第四直徑部分234d。第一至第四直徑部分234a至234d壓延工件204，以分別形成第一直徑部分26a、第二直徑部分26b、第三直徑部分26c和第四直徑部分26d。在步驟S16之后，現在形成了軸26的基本結構。
如在圖39中放大地顯示出的一樣，在模具230的第一直徑部分234a和第二直徑部分234b之間的臺階向下傾斜以便平滑地壓延工件204。在第二至第四直徑部分234b至234d之間的臺階同樣地傾斜。
沖頭232具有形成在其中的有底孔232a。將工件204插入到該孔230a中，并且使該孔232a與工件204的上表面對準。在向下擠壓沖頭232時，孔232a的底部擠壓工件204的上表面，并且通過該孔230a來壓延并且精加工該工件204。這時，擴展部分218夾在沖頭232的下表面和模具230的上表面之間，并且軸向壓縮。擴展部分218的材料徑向向外塑性流動成平坦形狀，因此形成凸緣26f。所形成的工件204用作軸26。
在步驟S16中進行精加工之后，向上回拉沖頭232，并且提升設置在孔230a的下部中的頂出銷235，以從孔230a中將軸26頂出。
由此通過連續冷鍛過程形成軸26。由于工件204在步驟S12中涂覆有潤滑劑202，所以能夠平滑地進行連續冷鍛過程，而不會出現使工件204破裂或者在工件204中產生出裂紋的危險。潤滑劑202還用來防止模具200、206、214、230和沖頭208、216、232卡住。這些冷鍛過程不需要加熱，因此不需要用于進行加熱的工藝或設備。
因為潤滑劑202填充在形成在工件204的表面中的孔隙中，所以在步驟S12之后，潤滑劑202能夠在步驟S13至S16中有效地執行潤滑功能。但是必要時，工件204和模具以及沖頭可以涂覆有工作油(例如鐓鍛機油等)，用來在這些步驟期間提供輔助潤滑和冷卻。
然后，在步驟S17中，通過切割夾具100(參見圖33)在軸26的第四直徑部分26d上形成兩個平坦(切割)表面130。
具體地說，將軸26的第一至第四直徑部分26a至26d插入到工件保持器102的孔102a中。
然后，將切割器104設置在工件保持器102的孔102b中。這時，兩個刀片104a抵靠在與軸26平行的第四直徑部分26d上。
然后，在可動模具108保持著軸26的另一個端部26e的同時，將工件保持器102和切割器104壓入到保持器引導件106的孔中。可動模具108施加比氣體彈簧110a的彈簧力大得多的驅動力，因此使工件保持器102和切割器104可靠地沿著由箭頭D所示的方向運動。
在工件保持器102沿著由箭頭D所示的方向運動時，切割器104的傾斜表面104b由引導表面106a引導并且在與由箭頭D所示的方向垂直的徑向方向上沿著孔102b逐漸移動。在工件保持器102和切割器104沿著由箭頭D所示的方向充分移動時，刀片104a切掉第四直徑部分26d的相對側邊，因此形成平坦表面130。
之后，將可動模具108回拉以讓工件保持器102能在氣體彈簧110a的偏壓作用下返回。在從工件保持器102將切割器104去除之后，將軸26從孔102a中拉出。
采用切割夾具100，通過將軸26和切割器104設置在工件保持器102中然后使工件保持器102沿著由箭頭D所示的方向運動，從而可以在簡單的工藝中在軸26上形成平坦表面130。
由于平坦表面130是在通過切割器104的刀片104a將軸26的側部切掉時形成的，所以該軸26沒有塑性變形(例如膨脹)等。因此，可以保持已經在直到步驟S17的過程中所形成的軸26的尺寸精度。
切掉部分沿著形成在模具中的預定通道排出。
在步驟S18中，將凸輪22、24連續地壓配在軸26上。
凸輪22被壓配到在第四直徑部分26d的位置處并且通過凸緣26f定位。凸輪24被壓配到在第二直徑部分26b的位置處，并且通過形成在第二直徑部分26b和第三直徑部分26c之間的臺階定位。
然后，在步驟S19中，將齒輪28壓配在軸26上。齒輪28的金屬襯套28a壓配在第一直徑部分26a上，并且通過形成在第一直徑部分26a和第二直徑部分26b之間的臺階定位。在步驟S18和S19中，凸輪22、24和齒輪28圍繞著軸26的軸線各自以適當的角度或相位壓配在軸26上。這時，軸26的平面130可以用作用來建立凸輪22、24和齒輪28的角度的參考面。
如果凸輪22、24和齒輪28由于在步驟S12中施加在軸26上的潤滑劑202的潤滑作用而滑動了，則凸輪軸10和曲柄軸14將不會相互同步。鑒于這個問題，本發明的發明人進行了其中將各種潤滑劑施加在軸26上的試驗，其中確定出使得凸輪軸10的凸輪22、24和齒輪28沿著圓周方向滑動的轉矩。
試驗結果表明，在通過將金屬皂作為潤滑劑施加在一般磷酸鹽涂層上來進行磷化處理時，沒有獲得沿著圓周方向的足夠滑動轉矩，這使凸輪22、24和齒輪28能夠滑動。相反，在采用以粉末潤滑劑形式的潤滑劑202(例如溶解在水中的石灰或硼砂等)時，獲得了沿著圓周方向的足夠滑動轉矩，從而確認滿足了用于將凸輪軸10組裝在發動機12(參見圖1)中所需的參考滑動轉矩。
具體地說，在采用粉末潤滑劑時，該粉末潤滑劑只是物理地附著在坯料的表面上，并且在對坯料進行冷鍛時易于從坯料表面掉落。因此，在隨后將凸輪和齒輪壓配在工件上時，它們由于較大的緊固力而更不容易滑動。如果采用化學地粘附的潤滑劑(例如硬脂酸金屬皂)(磷酸鹽處理)，則由于它在對坯料進行冷鍛時保持沒有被去除，所以隨后壓配在工件上的凸輪和齒輪更容易滑動。
由于磷酸鹽涂層施加以便于粘附在金屬皂上，所以優選采用草酸來蝕刻坯料。
根據試驗，如果潤滑劑202其摩擦系數與由磷酸鹽處理所提供的摩擦系數相同為0.03至0.07，則該潤滑劑在冷鍛時為工件204提供了足夠的潤滑。
如上所述，凸輪22、24和齒輪28在步驟S18和S19中壓配在軸26上，并且不必單獨固定在適當位置處。因此，能夠以高生產率制造凸輪軸10。另外，凸輪22、24和齒輪28不需要單獨的防轉機構，例如鍵、螺釘或者不需要基于塑性機加工、焊接等的固定，因此可以省去形成這種防轉機構的過程。因此，能夠簡化凸輪22、24和齒輪28的形狀。
因為軸基本上是單獨通過冷鍛形成并且不需要其它機加工步驟(例如切割等)，所以能夠以高生產率制造該軸26。因為形成軸26的坯料涂覆有潤滑劑202，所以能夠很容易并且平滑地對它進行冷鍛。
潤滑劑202以溶解在水中的粉末潤滑劑等形式并且為壓配在軸26上的凸輪22、24和齒輪28提供了足夠的滑動轉矩。因此，凸輪軸10的操作與曲柄軸14保持同步。
在形成軸26中所涉及的過程可以通過單個機器連續地進行。例如，在步驟13中從坯料切下具有預定長度的工件204之后，在步驟S14至S17中的過程可以通過單個機器(包括切割夾具100)來進行，以在將工件204連續地進給經過由該機器執行行的過程的同時加工該工件204。
該凸輪軸10被舉例說明為用在單缸發動機12中。如果凸輪軸10用在具有兩個或多個缸的發動機中，則可以根據發動機氣缸的數量增加凸輪軸10的凸輪數。
權利要求
1.一種凸輪軸(10)，它包括軸(26)，它通過在將粉末潤滑劑(202)施加在其表面上的情況下進行冷鍛形成；以及凸輪(22，24)，它安裝在所述軸(26)上；所述凸輪(22，24)壓配在所述軸(26)上。
2.如權利要求1所述的凸輪軸(10)，其中，所述粉末潤滑劑(202)包括石灰或硼砂。
3.如權利要求1所述的凸輪軸(10)，其中，所述軸(26)具有通過剪切形成在其側面上的切割表面(130)。
4.如權利要求1所述的凸輪軸(10)，其中，所述凸輪(22，24)具有通過沖孔形成在其中的軸插入孔(32)。
5.如權利要求1所述的凸輪軸(10)，進一步包括安裝在所述軸(26)上的齒輪(28)，所述齒輪(28)壓配在所述軸(26)上。
6.如權利要求5所述的凸輪軸(10)，其中所述齒輪(28)由合成樹脂制成，并且具有沿中心設置在其中的金屬襯套(28a)，所述金屬襯套(28a)壓配在所述軸(26)上。
7.如權利要求1所述的凸輪軸(10)，其中所述軸(26)具有在其兩側上提供不同直徑的臺階，所述凸輪(22，24)通過抵靠在所述臺階上定位。
8.一種制造用于發動機的凸輪軸(10)的凸輪(22，24)的方法，該方法包括以下步驟在其體積比最終產品大預定量的鍛坯上進行預成型鐓鍛，由此形成具有初步形狀的第一冷鍛體(42)；在所述第一冷鍛體(42)上進行成型壓延，以形成第二冷鍛體(54)，所述第二冷鍛體(54)具有已經沿著其輪廓流動并且在其外表面上形成為毛邊(56)的多余材料；沖壓所述第二冷鍛體(54)，以在其上同時形成內外表面，由此形成從外表面去除了所述毛邊(56)的第三冷鍛體(70)，所述第三冷鍛體(70)還具有其直徑小于用于凸輪軸(10)的軸插入孔(32)的排料孔(66)；擠壓所述第三冷鍛體(70)，以形成具有預定厚度并且包括作為毛邊(78)形成在其內表面上的多余材料的第四冷鍛體(82)；沖壓所述第四冷鍛體(82)，以從所述內表面將所述毛邊(78)去除，由此形成具有與所述軸插入孔(32)對應的孔的第五冷鍛體(92)；以及在所述第五冷鍛體(92)的內外表面上同時進行壓平，由此形成最終產品。
9.如權利要求8所述的方法，其中，當在鍛坯上進行預成型鐓鍛時，在所述第一冷鍛體(42)的周邊部分上形成第一和第二斜面(46a，46b)。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述第一斜面(46a)形成在第一冷鍛體(42)的位于通過在外表面上進行成型壓延形成的毛邊(56)附近的第一表面的周邊部分上，并且所述第二斜面(46b)形成在第一冷鍛體(42)的與所述第一表面相對的第二表面的周圍部分上，所述第一斜面(46a)其面積大于所述第二斜面(46b)。
11.一種制造用于發動機的凸輪軸(10)的軸(26)的方法，該方法包括以下步驟用粉末潤滑劑(202)涂覆圓柱形坯料的外圓周表面；軸向擠壓所述坯料的端部，以將所述坯料壓延成具有多種直徑的工件；軸向擠壓工件的所述端部，并且固定工件的相對端部，以使其一部分徑向向外擴展成環形擴展部分；以及在將工件壓延成具有多個直徑的工件的同時，將所述環形擴展部分軸向擠壓成凸緣(26f)；其中，軸向擠壓所述坯料的端部和軸向擠壓所述工件的端部的所述步驟通過冷鍛進行。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述粉末潤滑劑(202)包括石灰或硼砂。
13.如權利要求11所述的方法，還包括以下步驟通過剪切在所述工件的一側上形成切割表面(130)。
全文摘要
一種制造用于凸輪軸的凸輪的方法，該方法包括以下步驟向其體積比最終產品大預定量的坯料連續施加多個冷鍛步驟，包括預成型鐓鍛、成型壓延、對內外直徑表面同時穿孔、在內徑表面上將多余量壓制成型為毛邊、沖壓內徑表面以從內徑表面中去除毛邊以及同時壓平內外徑表面。可以消除凸輪(輪廓)表面的最終精加工(機加工)，并且可以提供具有高尺寸精度的用于凸輪軸的凸輪的最終產品。
文檔編號F01L1/04GK1894486SQ200480037118
公開日2007年1月10日 申請日期2004年12月10日 優先權日2003年12月12日
發明者竹島史生, 佐竹浩二, 倉澤秀男, 大野幸三 申請人:本田技研工業株式會社