專利名稱：單體空心凸輪軸及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空心凸輪軸及使用內高壓成型法生產(chǎn)這種空心軸的方法。
本發(fā)明特別涉及那些方法，即在用內高壓成型法由管段形成完全的空心軸時使用預成型法。其中管段可為任意縱向延伸的空心體，也可為矩形管，六邊形管或其它截形的空心管。
與實心凸輪軸不同，如

圖1示意示出的空心凸輪軸相對要輕75％。而相比之下已知的凸輪軸，如從DE-C-3704092，EP278292，EP278292，DE-C-3428372或EP290758或EP303845所公開的凸輪軸只比實心軸輕40％。另外，已知的凸輪軸制造成本較高，因為要將分開的凸輪和空心管預先夾持在一起并且隨后以一合適的方式一起置入一個模具中，必須將昂貴的單個零件貯存在倉庫并將其裝在一起。
基于該原因，迄今已知的空心凸輪軸盡管在理論上并且在保護權利的專利申請中對其制成后的形狀作了描述，但仍沒在車輛中得到應用。
對此，可在一個生產(chǎn)此類軸的合適的方法技術中找出該原因。例如在DE-C-1910517中給出了制造該空心凸輪軸的建議。但是，這種方法完全不適用于由空心管制造凸輪軸。所要求的變形 既不能用電磁變形，也不能用電液成形來經(jīng)濟地實現(xiàn)，如在DE-C-3736453中所描述的旋轉鍛迄今也仍不能達到預定目標。這種空心凸輪軸的生產(chǎn)方法特別會由于凸輪單邊質量分配(不均)而導致失敗。相應于US-C-2,892,254的第一工具的單工序內高壓成型法也不能達到預定目標。盡管該先進方式中具有材料的軸向推移，在凸輪尖端的形狀仍不能充實，同樣在凸輪上會產(chǎn)生一個較大的壁的延伸。圖2示出了由已知的單工序的內高壓成型法生產(chǎn)的凸輪中不希望的壁的延伸。
對于內高壓成型法或者IHV-方法，例如1984年3月9日的《工業(yè)期刊》第20頁對其進行了描述，或在1D/91版的《金屬成型技術》第15頁以后，即A.Ebbinghaus的“內高壓成型法制的輕型精密工件”中，或在《材料和企業(yè)》123(1990)，3，第241到243頁中，即A.Ebbinghaus的“以內高壓成形法經(jīng)濟地構造精密工件”中，或在《材料和企業(yè)》122，(1991)，11，(1989)，第933到938頁中都對其作了描述。以下不再重復對所有的公開資料進行描述。
這些方法迄今被用于例如生產(chǎn)法蘭，如在EP-2395052所述?；蛘咭部捎脕韺⑼馆喚o固在管上以制造空心凸輪軸。
相比起來本發(fā)明的目的在于提供一個可經(jīng)濟地生產(chǎn)的空心凸輪軸及其制造方法。
由這樣的凸輪軸可實現(xiàn)上述目的，即它為由可冷成型和熱處理的金屬或塑料一體組成，并且具有一個與凸輪軸的外輪廓平行的纖維走向。
最好使用碳素鋼，它具有足夠的延伸率并且也可進行熱處理從而產(chǎn)生硬化。
合適的材料可為19MnB4，16MnCr5，CK45，19CrMo44，15Cr3，C25鋼，X3NiCoMoTi1895，B-C-Ti合金和一些具有類似性能的材料。
另外本發(fā)明還涉及一種使用內高壓成型法生產(chǎn)空心軸的方法，其特征在于下列步驟-置上一管出口部分并充灌液體；-至少將待擴徑管段密封；-在待擴徑管段中施以一合適的內高壓用于制成一個中間產(chǎn)品-預成型件，其中在施加內高壓的同時將空心管沿縱向向一可移動的模具中進行鐓鍛，使得在應形成凸輪處產(chǎn)生材料堆積；-用內高壓成型方法在一相應于最終凸輪軸形狀的模具中進行中間產(chǎn)品-預成型件的成形，因而可在所要求的部位形成凸輪，必要時可通過熱處理對凸輪進行后續(xù)加工。
由從屬權利要求可得出本發(fā)明有益的其它進一步的結構。
按本發(fā)明亦能通過已知的內高壓成型方法(1993年在Hannover召開的第14屆成形技術學術會報告，引用了它的廣泛的公開資料，構思出一個兩道工序的凸輪軸的成型方法，它可用于經(jīng)濟地制造凸輪軸。其中，從工藝角度來看，凸輪尖端的形狀精度和壁的低延伸率為相應的內高壓成型方法的主要要求。
該方法令人驚異之處在于，它可生產(chǎn)帶基本恒定壁厚的凸輪軸。
以下借助附圖和其說明對本發(fā)明作進一步闡述，附圖中圖1為一按本發(fā)明的在兩成型工序中制造的凸輪軸的示意圖2為一在一道單一工序中制成的凸輪軸示意圖；圖2a為沿圖2中A-A線的剖面圖；圖3為一按本發(fā)明制造的凸輪預成型件的剖面圖；圖3a為凸輪最終成型件的剖面圖，它由圖3中的預成型件制成；圖4為凸輪第一成型工步的一預成型件橫向和縱向剖面圖；圖5為凸輪第一成型工步另一預成型件橫向和縱向剖面圖；圖6為凸輪第一成型工步又一預成型件橫向和縱向剖面圖；圖7為由圖4-6所述的預成型件制成的凸輪最終形狀；圖8為按本發(fā)明軸表示其纖維走向的照片的局部，它沿縱向剖切。
按本發(fā)明的凸輪軸特征為相對于現(xiàn)有技術生產(chǎn)的空心凸輪軸來說不再具有套裝的凸輪，而是由一個單個的無其它零件的粗制管材在多道成型工序中加工而成。因而可得到一個非常有利的與軸的外輪廓平行的纖維走向，而這又可使軸得到一個高的強度并且其重量較小。同時，如果需要，可保持一在2-5mm之間基本恒定的壁厚，其誤差只為約0.5mm。圖1中以簡圖示出了一按本發(fā)明的軸。
從一中心管制成凸輪不會有什么困難。重要的是，使用具有一定硬度并且有足夠可冷成型能力的材料，以便形成一個耐磨損的凸輪。
為了完成這種無裂紋的花費高的成型(加工)。可例如使用可熱處理、而且延伸率大的合適的碳素鋼。當然，按使用目的不同如用在固定電機、飛機馬達、船用電機或農(nóng)用車輛等不同物體中可使用如鋁合金、鈦合金和其它為專業(yè)技術人員所熟悉的輕的且高強度的材料，如19MnB4，16MnCr5，CK45，19CrMo44，15Cr3，C25號鋼，X3NiCoMoTi1895，β-C-Ti合金和那些具有相似性能的材料。按使用目的的不同可使用貴的輕質材料(用于飛機馬達上)，或當重量(例如在船用馬達)不是重要因素時，使用較重的材料。
按本發(fā)明方法最好為具有帶預成型和最終成型至少兩道工序的成型法。其中第一道工序中的預成型具有特別重要的意義。為了在第二道成型工序的最終成型中保證得到一個形狀精度和小的壁的延伸，應在預成型時在凸輪壁中進行一個有利的質量預分配。在任何情況下，該質量分配只有在當物料從兩側軸向向內凸輪推移時才能達到。通過一已知的工具技術可實現(xiàn)在每個凸輪上的軸向推移。
圖2示出了一個由單一成型工序所制成的空心凸輪軸的剖面，其中特別可由圖2a即凸輪的橫截面得出在單工序的方法中金屬的延伸太大，并且出現(xiàn)較大的壁厚差別，即在凸輪尖端厚為約1.0mm，在其相對側管壁厚為3.0mm。從而就不能保證其強度。
與此相反圖3中示出了一個凸輪和它在按本發(fā)明方法中作為預成型件被制造。通過首先在預成中形成一較寬的凸輪，它最好比最終形狀寬約10到40％。最佳是20到30％，并且比最終形狀要圓，從而可在會產(chǎn)生最大的材料延伸的關鍵凸輪部位形成足夠的材料積累。這些材料積累可在一第二成型工序中，例如通過一內高壓成型法，也能按要求使用其它方法，如旋轉鍛造或其它類似方法成型為最終形狀。已表明，通過兩道成型工序可使所要求的材料堆積形成凸輪。
例如在圖4中預成型凸輪具有圓的凸輪頂端R1，以避免不必要的材料延伸，預成型凸輪寬度B1比最終凸輪寬度B2大10％至40％，最好為20到30％。形成最終形狀時在第二成型工序中對該圓和寬的預成型凸輪進行軸向頂鐓。頂鐓過程可阻止管壁過量的拉伸并且獲得一高的形狀精度，從而可省去以后的后續(xù)加工工序。
圖5和6示出了另一可能的第一成型工序中的預成型凸輪，它具有一要求的放大的外圍U1，它比最終成型件大5％至20％，優(yōu)先在10％左右。這種情況下生產(chǎn)最終成型件時材料從周圍方向U2流向凸輪尖端。在此，應該指出圖6的形狀，表示一個局部塌陷的預成型凸輪，隨后在后續(xù)成形工序中將其最終成型為一個凸輪。
圖7示出了已加工完成的凸輪的最終形狀，它可由圖4到6中每一個預成型凸輪制得。在一個實施例中(本發(fā)明決不僅局限于此)從凸輪尖端到基體典型的凸輪高度為50mm，管段直徑為30mm，壁厚為3mm，凸輪尖端壁厚2-3mm且其基體壁厚5mm，因為在該處有一較大的材料堆積。自然在圖中所示的凸輪預成型和最終成型件不受限制，因而必要時，也可按此原理制造一個在凸輪軸上的支承環(huán)或類似物。
圖8為按本發(fā)明凸輪軸局部段中纖維走向的照片，從中可看出，纖維與凸輪軸的壁平行。
最后，還應提及將內高壓成型法和其它成型方法結合的可能性，例如通過內高壓成型法產(chǎn)生一個合適的預成型件并隨后通過旋轉鍛造或其它普通專業(yè)技術人員所熟知的合適的方法進行最終精加工。
所述的軸可依據(jù)IHV-方法的已知方式進行進一步處理，例如進行淬火。對此已知的通過一個或多個后處理方法對軸進行后續(xù)加工可為碳氮共滲(Nitrocarburieren)等離子滲氮，硼化處理，激光淬火，無滲C淬火，感應淬火，火焰淬火，電子束淬火，和滲碳淬火。
還應指出，按本發(fā)明帶有不同凸輪工作角、壁厚、壁厚比的軸可通過IHV-方法制造，決不局限于上述任何一個實施例。
權利要求
1.空心凸輪軸，其特征在于它由一可冷成型、可熱處理的金屬或金屬合金或塑料制成，并且具有一個與凸輪軸外輪廓平行的纖維走向。
2.按權利要求1所述的凸輪軸，其特征在于，所述材料為碳素鋼。
3.按權利要求1或2所述的空心凸輪軸，其特征在于在已制成的凸輪軸中凸輪作用高度約為40到60mm，其中凸輪尖端壁厚為約1.5到4mm，凸輪基體壁厚約為4到6mm并且凸輪之間管狀段的壁厚約為2-4mm。
4.按上述權利要求之任一項所述的使用內高壓成型法由空心管生產(chǎn)空心軸的方法，其特征在于以下步驟-置上一管出口部分并充灌液體；-至少將待擴徑管段密封；-在待擴徑管段中施以一合適的內高壓用于制成一個中間產(chǎn)品預成型件，其中在施加內高壓的同時將空心管沿縱向向一可移動的模具中進行鐓鍛，使得在應形成凸輪處產(chǎn)生材料堆積；-用內高壓成型方法在一相應于最終凸輪軸形狀的的模具中進行中間產(chǎn)品預成型件的成形，因而可在所要求的地方形成凸輪；必要時可通過熱處理或類似方法對凸輪進行后續(xù)加工。
5.按權利要求4所述的方法，其特征在于管狀原材料壁厚約為2至5mm，最好約在2.5到4mm之間。
6.按權利要求4或5所述的方法，其特征在于，在中間形態(tài)時凸輪預成型件比已加工完的成品凸輪寬。
7.按權利要求4到6中任一項所述的方法，其特征在于，在中間形態(tài)時凸輪預成型件比已加工完的成品凸輪的外圍尺寸大。
8.按權利要求4到7中任一項所述的方法，其特征在于，可通過以下一個或多個后處理方法對軸進行后續(xù)加工，如可為碳氮共滲、等離子滲氮、硼化處理，激光淬火，無滲C淬火，感應淬火，火焰淬火，電子束淬火和滲碳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空心凸輪軸，它由一可冷成型，可熱處理的金屬或金屬合金或塑料制成，并且具有與其外輪廓平行的纖維走向；本發(fā)明亦涉及一種該軸的制造方法，它具有以下步驟置上一管出口部分并充灌液體；至少將待擴徑管段密封，在待擴徑管段中施以一合適的內高壓用于制成一個中間產(chǎn)品——預成型件，其中在施加內高壓的同時將空心管徑縱向向一模具中進行鐓鍛，使得在應形成凸輪處產(chǎn)生材料堆積；用內高壓成型方法在一相應于最終凸輪軸形狀的模具中進行中間產(chǎn)品——預成型件的成型。因而可在所要求的地方形成凸輪；必要時可通過熱處理或類似方法對凸輪進行后續(xù)加工。
文檔編號B21D26/00GK1136339SQ94194271
公開日1996年11月20日 申請日期1994年10月14日 優(yōu)先權日1993年11月26日
發(fā)明者弗里德里希·克拉斯, 海爾穆特·博赫爾 申請人:內高壓成型法有限及兩合公司