CN104853862A - 用于制造用于内燃发动机的凸轮轴的方法 - Google Patents

Abstract

这里描述了一种用于获得用于内燃发动机的凸轮轴的方法，该凸轮轴具有由单件制成的结构。所述凸轮轴从金属管状元件(1)开始获得。通过使用高压流体使管状元件(1)在模(S1、S2)内膨胀来获得所述凸轮轴的凸轮(1a)。所述管状元件(1)可以在将形成凸轮的部分(1a)中具有增大的厚度。可以使用处在高压下、在室温下或在较高温度下的气体或液体（例如，水或油）来获得利用高压流体的成形。所获得的件经受热处理并经受研磨操作。在热成形的情况下，所述件在使用高压流体的所述成形操作之后会已经被表面硬化。可以预想到，成形模包括局部化的加热装置，从而在所述成形操作之后获得所述件的将要构成所述凸轮的部分的表面硬化。

Description

用于制造用于内燃发动机的凸轮轴的方法

本发明涉及用于制造内燃发动机的凸轮轴的方法，在此类型的方法中，通过在其中引入高压流体来膨胀金属管状元件。例如在文献号WO 2003/033189中描述并示出了这种类型的方法。根据上面已知的技术，通过在管状元件上安装用于限定凸轮的一系列环状元件并通过利用液压成形操作使管状元件膨胀以使上述环状元件稳固到管状元件来获得凸轮轴。另一方面，存在已知的替代的制造方法，其中，借助于胀开心轴，通过机械作用使管状元件膨胀来使限定凸轮的环状元件稳固到管状元件。上面描述的已知方法已经被提出并用作更传统方法的替代方案，其预想通过传统的锻造操作来获得单件形式的凸轮轴。

如在权利要求1的前序部分中阐述的方法从WO 99/20414 A1是已知的。类似的方法从JP 2000 192805 A、EP 0 906 800 A1、US 2003/221514 A1、JP S59 113944 A是已知的。

本发明的目的是通过使用高压流体的成形操作、尤其地通过液压成形或通过利用高压气体的成形以同时获得单件形式的凸轮轴结构的用于内燃发动机的凸轮轴。

为了实现以上目的，本发明的主题是具有权利要求1的特征的方法。

使用高压流体的成形操作可以利用液体（例如，水或油）或利用气体冷执行或热执行。例如，通过处在400巴和800巴之间的压力下并在800℃和950℃之间的温度下的气体诸如以氮为例来执行使用高压流体胀开心轴的成形操作。

作为替代方案，使用高压流体的成形操作可以是通过处在2000巴和3000巴之间的压力下、在室温或更高温度下的水或油来执行的液压成形操作。

在第一实施例中，通过借助于流成形（flow-forming）使最初为均匀厚度的管状元件经历永久变形的最初操作来获得管状元件的被设定在模中的增大厚度的部分，通过将管状元件设定为旋转并围绕其施加沿着管状元件移位的旋转成形辊以保持它们对着管状元件进行按压来执行所述流成形。

在一种变型中，在管状元件由铝或其合金制成的情况下，通过挤压工艺来获得具有不同厚度的连续部分的管状元件。

在另一实施例中，通过弯曲并焊接具有不同厚度的部分的金属片来获得具有不同厚度的连续部分的所述管状元件。

管状元件可以例如由表面硬化钢例如22MnB5硼钢制成。

优选地，模的腔的每个加宽部分具有直径在最小值和最大值之间逐步地改变的相反端部，从而凸轮轴的凸轮被获得具有对应的构形，包括直径在最小值和最大值之间逐步地改变的相反端部。

可预想到的是使用在与管状元件的将要形成凸轮的部分对应的区域中具有径向移动部件的复合模。在这种情况下，可以预想到的是，在使用高压流体的成形操作期间，前述移动部件以连续的步骤相继地径向向外移位，从而一次性地形成所述凸轮。

还可以预想到的是，模在与模的腔的将要形成凸轮轴的凸轮的部分对应的位置中设置有加热装置，从而在借助于加压流体的成形操作之后获得凸轮的局部表面硬化。

通常，如果使用高压流体的成形操作被热执行，则获得的工件能够已经是表面硬化的。否则，在使用高压流体的成形操作之后，执行热处理的操作。

根据其他特征，利用上面描述的方法获得的工件最终经历研磨操作。

根据随后参照附图的描述，本发明的其他特征和优点将呈现，附图仅是通过非限制性示例提供，并且其中：

- 图1是根据实施例的示例的必须经历根据本发明的方法的管状元件的剖视图；

- 图2是用于管状元件的流成形的初步操作的装置的示意性图示；

- 图3是在初步流成形操作之后的管状元件的剖视图；

- 图4是在图3中示出的管状元件的透视图；

- 图5A-5F是使用高压流体的成形操作的各个步骤的示意性图示；以及

- 图6和图7是分别示出根据传统技术的凸轮轴和利用根据本发明的方法获得的凸轮轴的透视图。

在图1中，附图标记1总体上指示例如由22MnB5硼钢制成的管状元件。在实施例的具体示例中，管状元件1具有长度L=500mm以及内径d=27mm和外径D=30mm。

在示出的实施例中，半成品1首先借助于装置例如在图2中示意性地示出的装置经历流成形操作。管状元件1安装在心轴2上，心轴2通过马达装置（在图中看不到）设定为围绕其轴线2a处于旋转。尽管管状元件1被设定处于旋转，但多个成形辊3轴向地围绕其移位。因此，每个成形辊3呈现绕着其轴线的旋转移动和沿与轴线2a平行的方向的平移移动二者。此外，每个成形辊3的每个支撑件3a被径向地推动使得每个辊3抵着管状元件1的壁施加高压力。图2未示出与每个成形辊3的轴3b相关联的马达装置。

由于前述的初步流成形操作，管状元件1呈现在图3和图4中示出的形状，包括将要限定凸轮轴的凸轮的增大厚度的多个部分1a。部分1a通过具有较小外径的部分1b设定为彼此隔开轴向距离。相反，如在图3中可看到的，管状元件1的内径贯穿其长度是恒定的。

在实施例的前述具体示例中，在初步流成形操作之后获得的管状元件1的内径为d=22mm，而部分1a和1b的外径为D₁=30mm和D₂=25mm。

如在图4中可看到的，根据凸轮轴的期望构形，在初步流成形操作之后获得的管状元件1的部分1a可以具有彼此不同的轴向长度。

图5A-5F是在初步流成形操作之后获得的管状元件1所经受的使用高压流体的成形操作的各个步骤的示意性图示。这些图示意性地示出了关于包括将要限定单个凸轮的单个部分的小长度的理论件的方法。明显的是，在具体实施例中，件以及由此的模二者具有较大的轴向尺寸。同样，模在附图中示为包括具有将要限定凸轮轴的单个凸轮的单个加宽部分的主腔。明显的是，在具体实施例中，模的腔具有更广延的轴向尺寸，其腔具有彼此轴向隔开设定的将要限定凸轮轴的各种凸轮的多个加宽部分。

图5A示出了初步步骤，其中，在初步流成形操作之后获得的管状元件1设置在模中。用于液压成形的模在简化形式的附图中示出为包括能够在打开状态和闭合状态之间相对于彼此垂直移位的顶模元件S1和底模元件S2，在打开状态下，顶模元件S1和底模元件S2被设为分离，这能够引入待成形的件或取出已经成形的件（见图5A和图5F），在闭合状态下，顶模元件S1和底模元件S2被设为彼此闭合以执行成形操作（见图5B-5E）。

附图也未示出将模设置在其内的液压成形机器。所述机器可以以任何已知的方式获得。具体地，可以使用液压成形机器，例如在成形以本申请人的名义下提交的文献号EP 1 992 427 A1的主题的液压成形机器。

在图5A中示出的最初步骤中，两个模元件S1、S2处于打开状态，从而能够将管状元件1设置在模内。在图5A-5F的图中，管状元件被示为具有恒定外径和恒定内径的理论管状元件。然而，如已经讨论的，根据本发明，管状元件在先前经历上述的流成形操作之后被***到成形模中，之后其具有将要构成凸轮轴的凸轮的增大厚度的部分1A。

图5B示出了在将元件1引入在模元件S1、S2之间之后模元件S1、S2闭合的步骤。在此状态下，这两个元件S1、S2限定基本上筒形的轴向腔，其在其两个相反端部提供到模元件S1、S2的相反端部上。在与管状元件1的将要成形凸轮的每个部分1a对应的区域中，模的腔具有加宽部分C1。在具体的实施例中，模的腔具有在轴向上通过筒形部分C2彼此分开设定的多个加宽部分C1。

模的腔的相反端部通过两个圆筒闭合元件T闭合，每个圆筒闭合元件T具有连接到用于供给高压力流体的回路的轴向通道T1。

如上面已经讨论的，根据本发明的方法预想到在液压成形工艺中使用处于高压的液体（例如，水或热油）以及作为替代方案，使用处于高压下的气体（惰性气体）（例如，氮）。

图5C示出了随后的步骤，其中，用流体（在实施例的典型示例中为水W）填充模的内部腔，从而使其流经通过模元件S1、S2制成的通道W1、W2。

图5D示出了随后的步骤，其中，使闭合元件T轴向地前进，直到它们与管状元件1的端部接触为止，从而将管状元件1内部的室与通道W1、W2隔离。

图5E示出了随后的步骤，其中，管状元件1内部的腔连接到高压电路P使得管状元件1由于其中包含的处于高压下的水而被迫在加宽腔C1内膨胀。

如在示出的实施例的示例中可看到的，模的腔的每个加宽部分C1具有直径在最小值和最大值之间逐步地改变的相反端部，从而管状元件1的限定每个凸轮的变形部分也呈现相应的构造，其中轴向相反的端部具有在最小值和最大值之间逐步地改变的直径。

图5F示出了这样的步骤，即，在成形管状元件的结束之后，将模打开，取出管状元件以经历热处理（表面硬化）的操作并经历随后的研磨操作。

图7示出了与在功能上等价的传统轴进行比较的利用根据本发明的方法获得的凸轮轴的示例。在本发明的凸轮轴中，管状元件的用作凸轮的部分用标号1a指示，而用1b指示的是设定在它们之间的部分，其中的至少一些通过滚动轴承用于支撑凸轮轴的旋转。

如上面已经讨论的，使用高压流体的成形工艺可以冷执行或热执行。在热工艺的情况下，优选地使用气体或油。加热温度优选地被包括在850℃和950℃之间，并且优选地为大约900℃。利用上面的热工艺，可以获得：件在成形操作之后已经完全被表面硬化。

作为替代方案，可以执行冷工艺。还可以预想到，模在与模的腔的将要形成凸轮的部分对应的位置中设置有加热装置（例如，感应加热装置），从而在成形操作期间获得凸轮的感应表面硬化。

否则，获得的件在成形操作之后经历热处理的操作。

最后，如已经述及的，件经历研磨操作。

还可以预想到复合模，其在与模的腔的将要形成凸轮的部分对应的位置中具有可以轴向地移位的部分。这种类型的模是已知的，并且已经被提出，例如在用于成形具有分支的管状元件的以本申请人的名义所提交的文献号EP 1 579 931 A1中。在这种情况下，优选地预想到，在使用高压流体的成形操作中，前述移动部件以连续步骤相继地向外径向地移动，从而一次性地形成所述凸轮。

由于上面提及的特征，根据本发明的方法能够利用相对简单的和快捷的操作以单件形式获得凸轮轴。利用根据本发明的方法获得的凸轮轴与传统类型的凸轮轴相比呈现出更轻且更坚固的优点。此外，与通过与借助于液压成形膨胀的管状轴相关联的分开的环状元件构成凸轮的凸轮轴相比，如此获得的凸轮轴更可靠。

当然，在不偏离本发明的原理的情况下，构造和实施例的细节可以相对于这里仅通过示例已经描述并示出的内容宽泛地改变，从而未脱离本发明的范围。

具体地，如上面已经讨论的，作为对流成形的最初步骤的替代方案，管状元件可以设置有例如通过挤压（在铝的情况下）或通过弯曲并焊接由不同厚度的部分制成的金属片所获得的不同厚度的连续部分。不排除使用均匀厚度的管状元件来执行使用高压流体的成形操作。

Claims (12)

1. 一种用于制造用于内燃发动机的凸轮轴的方法，

其中，金属管状元件(1)通过在其中引入高压流体来膨胀，

其中，所述凸轮轴以单件形式获得，通过所述管状元件(1)在模(S1、S2)内的膨胀来形成凸轮(1a)，

其中，执行使用高压流体的成形操作的所述模(S1、S2)具有用于接纳所述管状元件(1)的主圆筒腔，所述主腔具有在轴向上彼此隔开设定的加宽部分(C1)，以形成所述凸轮轴的所述凸轮，

所述方法的特征在于，在所述成形操作之前设定在所述模内的所述管状元件(1)在其将要形成所述凸轮的部分(1a)中具有增大厚度。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置在所述模中的所述管状元件的增大厚度的所述部分(1a)通过借助于流成形使最初为均匀厚度的管状元件(1)经历永久变形的初步操作来获得，所述流成形通过将所述管状元件(1)设定为旋转并通过围绕其施加沿所述管状元件(1)移位的旋转成形辊(3)以使它们在压力下保持抵靠所述管状元件(1)来执行。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用挤压工艺来获得具有不同厚度的连续部分的所述管状元件(1)。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过弯曲并焊接具有不同厚度的部分的金属片来获得具有不同厚度的连续部分的所述管状元件(1)。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用高压流体的所述成形操作是使用处在2000巴和3000巴之间的压力下并在室温或更高温度下的液体例如水或油执行的液压成形操作。

6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用高压流体的所述成形操作通过处在400巴和800巴之间的压力下并在850℃和950℃之间的温度下的气体例如氮来执行。

7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模的所述腔的所述加宽部分(C1)中的每个具有直径在最小值和最大值之间逐步地改变的轴向相反的端部，从而所述凸轮轴的所述凸轮被获得为具有相应的构形，包括直径在最小值和最大值之间逐步地改变的相反端部。

8. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在使用高压流体的所述成形操作之后，执行热处理的操作。

9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于使用高压流体的所述成形操作，使用在与所述管状元件的将要形成所述凸轮的部分对应的位置中具有径向移动部件的复合模。

10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在使用高压流体的所述成形操作期间，前述移动部件以连续的步骤相继地径向向外移位，从而一次性地形成所述凸轮。

11. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管状元件(1)由从钢、铝或它们的合金中选择的材料制成。

12. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用高压流体的所述成形操作中使用的所述模，在与所述模(S1、S2)的所述腔的将要形成所述凸轮轴的所述凸轮的部分(C1)对应的位置中设置有加热装置，从而在使用高压流体的所述成形操作之后获得所述凸轮的局部化的表面硬化。