JPH0220694B2

JPH0220694B2 -

Info

Publication number: JPH0220694B2
Application number: JP60174333A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nonoyama; Toshiharu Fukumizu; Akyoshi Morita; Seiichi Uruno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1990-05-10
Also published as: US4787944A; JPS6237564A; DE3626808C2; DE3626808A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、カムシヤフト、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
ギーによつ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
ムシヤ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ヤフ
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つて溶融
させ、カムシヤ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59−91655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ヤフトの製造においては、
第５図に示すようにカムシヤフト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、
このときにカムシヤフト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、TIGアーク５が軌跡１０を描く。な
お、カムシヤフト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がカムシヤフト１の
中心軸６と交差するようになつている第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のカムプロフイルの接線１
２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つて形成され
た溶融プールが重力によつ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１
４とカムシヤフトの中心軸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の基礎円部１５からカ
ムノーズ頂点１４へ向つての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
にあつてこのチル層はある程度を熱を有してお
り、この熱が次に溶解で形成される溶融プールの
凝固を遅らせ、重力による溶融金属のカム表面斜
面上の垂れを招く。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
ークをとり巻く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から基礎円部１５へ
向つてのTIGアークによる溶解では、前述の場合
とは違つ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、ほ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、ほとんど問題はない。

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（カムシヤフトの中心軸６に沿つた断
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、再溶融チルカムシヤフトを研摩して所
定カムプロフイ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との差であつ
て0.5mm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
によつて最大チル深さが0.8〜1.0mm程度になつて
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
1.0mm以上、好ましくは1.5mm以上とするのが望ま
しい。

このように深い最大チル深さ（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、
ノーズ部（Ｃ−Ｄの間）を再溶融チル化処理する
ために、小径の偏心円部の中心軸O₂でカムシヤ
フトを回転させる機構となつており、Ｂ−Ｅ間の
処理はできるが、基礎円部（Ｆ−Ａの間）につい
ては再溶融チル化処理できない。そのためカムの
基礎円部での異常摩耗対策などのためにカム全周
にわたつて再溶融チル化処理することができな
い。もし、カム基礎円部をも再溶融チル化処理す
るようにするならば、カムシヤフト回転軸が２つ
となり、処理装置はかなり複雑なものになつてし
まう。

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
ムシヤフト中心軸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第53−94209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、トーチはカムシヤフト回転方向とは反対方向
にカムシヤ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
礎円部からノーズ頂点へ向つ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
なつており、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
がカムシヤフト中心線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ａ〜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、
45゜傾けられているトーチ３の軸線がカムシヤフ
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ａ〜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
ら右下り状態にあつて第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、使つているうちにアークの飛ぶ位置
が変化し、カムの端面垂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
したカムシヤ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0.25mm以内としかつカム幅方向での
1.0mm以上の最大チル深さをカム全周にわたつて
確保する再溶融チルカムシヤ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、カムシヤフトのカムに高密度エ
ネルギーをトーチから照射することによつてカム
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ヤフトの製造方法におい
て、前記カムをそのカムシヤフト中心軸のみを中
心に一方向に回転させ、前記カム摺動部表面の少
なくともカムノーズ部を処理する際には、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
をカムシヤフト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、前記高密度エネルギー照
射トーチを前記カムシヤフト中心軸と垂直でかつ
水平なＹ軸方向と、前記カムシヤフト中心軸と垂
直でかつ鉛直なＺ軸方向との２軸方向で位置制御
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カムシヤフトの製造方法
によつて達成される。

本発明の製造方法では、カム摺動部表面全体に
わたつてカムシヤ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
によつ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ヤフトの製造方法を
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ツトおよ
び機械的装置本体３１からなる。制御ユニツトは
コントローラ３２、高密度エネルギー源（TIGア
ーク用電源）３３、カムシヤフトのオシレーテイ
ング制御器３４、プログラムユニツト３５、テイ
ーチングユニツト３６およびオペレーテイングボ
ツクス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（TIGトーチ）３８、こ
のトーチを移動させる直交３軸ロボツド部３９お
よびカムシヤ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、カムシヤフトが揺動するようになつてい
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TIG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パルス溶接での電流
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つてもその
ベース電流（バツクグラウド電流）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1.0mm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軸ロボツ
ト部３９は、(1)カムシヤフト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５１、Ｘ軸スライダー５２、およびＸ
軸方向駆動機５３、(2)カムシヤフト中心軸に対し
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)カムシヤフト中心軸に対し
て垂直でかつ鉛直なＺ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Ｚ軸
方向可動板５７およびＺ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３
８は取付具５９によつて可動板５７に固定されて
いる。ワーク回転部４０は、(1)カムシヤフト１を
保持するセンター６１，６２（第４図）とカムシ
ヤ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，
５６，５８，６３および６６およびTIGアーク用
電源３３へ伝達される。カムシヤフトの再溶融チ
ル化処理が本発明に係る製造方法にしたがつて行
なわれるように、最適条件をプログラムユニツト
３５、テイーチングユニツト３６、オペレーテイ
ングボツクス３７によつて設定し、コントローラ
３２によつて処理装置が自動的に動かされる。

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

まず、カムシヤフト１をワーク回転部６４のセ
ンター６１，６２間に配置する（第４図）。カム
シヤフト１は、複数のカム２、軸受部６８および
軸部６９からなり、機械加工された特殊鋳鉄鋳物
である。例えば、カムシヤフトは次のような寸法
である。

カムシヤフト全長：400mm カム幅：14.4mm リフト高さ：８mm 基礎円部直径：31mm 第１図でのカム２のプロフイルは、Ｅ点からＦ
点およびＡ点を経由してＢ点までの基礎円部、Ｃ
点からＤ点までのカムノーズ部（小径の偏心円
部）、およびこれらを滑らかに接続するＢ点から
Ｃ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４mm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イルの変
化を調べかつトーチの位置変動をカムシヤフトの
回転との関係で適切にテイーチングユニツト３５
で設定し、プログラムユニツト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
ツト部３９の動きもプログラムしておく。

第１図ａに示したように、トーチ３８をカム２
の中心軸６の鉛直線上に持つてくる。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
基礎円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、かつカムシヤ
フトの中心軸６方向に9.5mm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
はカムシヤフトを回転させずにおき、それからカ
ムシヤフトを300゜／minの回転速度にて回転させ
る。この回転停止期間は、カムシヤフトが予熱さ
れずに冷たい状態であるとTIG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。カムシヤ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
ヤ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、125Aのピーク電
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ｂ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ヤフトの回転を止める。そし
て、2.0mm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つてＣ点まで移動
させる。このときには、直線形状部のＢ点からＣ
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によつてＹ軸スライダー５５（第３図）を
カムシヤフト１から離れるように動かしかつ可動
板駆動機５８によつ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100mm／minであり、溶融電流
を強めて120Aのベース電流で130A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（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イル
粗加工でのバラツキがあつ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Ｃ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、カムシヤフト１の回転を再開し（回転速
度：300゜／min）、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：
140mm／min）かつアーク長が2.0mmであるように
Ｚ軸方向で適切に移動させる。このＣ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。溶融
地点は右下り傾斜面にあるので、溶融プールは若
干未処理部へ垂れることになるわけであるが、こ
の未処理部は未だ加熱されていない冷たい部分な
ので急速に凝固されることと、カムシヤフトの回
転によつて凝固までの溶融プールがすぐに水平状
態になることとによつて垂れはほとんど生じな
い。もし、溶融地点を特開昭58−224118号公報で
のように垂れ角ゼロ（水平線上）の位置にする
と、カムシヤフト回転によつて溶融プールが、凝
固までの短時間であるが、左下り傾斜面上にある
ようになつて、ノーズトツプ部に近いほどその傾
斜が大きくなり、垂れが少し生じてしまう可能性
がある。

Ｃ−Ｄ点間においては、カムシヤフト回転に応
じてトーチを２軸（Ｙ軸およびＺ軸）制御で移動
させるわけで、右下の垂れ角を適切に設定して変
動させることができ、ノーズトツプ部付近にて最
大約30゜まで大きくなることがある。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。Ｄ
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ｄの状態になつたときに、カムシヤフト
の回転を止める。そして、2.0mm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
部に沿つてＥ点まで（カムシヤフト中心線の真上
まで）移動させる。このときの状況は第１図ｂ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120A（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、カムシヤフトを回転
させる（回転速度：300゜／min）。Ｅ点からＡ点
までは基礎円部なので、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。基礎円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
1.5〜1.7mmであつた。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Ｃ点）でも
同じように1.5〜1.7mmである。

〔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
シヤフトの製造方法によつて、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
バリエーシヨ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
シヤフトの製造方法にしたがつて、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TIGアークによつて溶融チル化処理を
行なつている状態を示すカムシヤフトおよび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ａ〜ｆ
は、従来のトーチ固定傾けで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でのカム表面処理過程を説
明する工程図である。１……カムシヤフト、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……TIGトー
チ、３９……直交３軸ロボツト部、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カムシヤフトのカムに高密度エネルギーをト
ーチから照射することによつ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
融カムシヤフトの製造方法において、前記カムを
そのカムシヤフト中心軸のみを中心に一方向に回
転させ、前記カム摺動部表面の少なくともカムノ
ーズ部を処理する際には、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カムシヤフト
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、前記高密度エネルギー照射トーチを前記
カムシヤフト中心軸と垂直でかつ水平なＹ軸方向
と、前記カムシヤフト中心軸と垂直でかつ鉛直な
Ｚ軸方向との２軸方向で位置制御して、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
る再溶融カムシヤフトの製造方法。