CN1222379C - 制造凸轮轴的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于降低费用制造较长的空心件零件(5)、特别是凸轮轴，不仅在节省模具和工作步骤，而且在提高生产率情况下，采用内高压-变形方法这样使凸出部分或者凸轮(6)整件从一个空心轴(5)中成形，使凸出部分(6)可以根据其构造和/或者其位置在多步骤中成形。

Description

制造凸轮轴的方法和装置

本发明涉及一种制造较长的空心件、特别是凸轮轴的方法以及实施这种方法的装置。

已经知道了许多种制造凸轮轴的方法。在这里，基本上划分成两个组。

属于第一组的是采用传统方法制造的凸轮轴，凸轮轴或是锻造或是作为毛坯铸成，确切地说，不仅作为实心体而且也作为冷硬铸件，在这里，两个半成品还要进行其它加工步骤，即首先进行机械的、切削加工，然后紧接着采用热处理进行表面调质处理，最后研磨轴承支承部位和凸轮。这样制造的凸轮轴的缺点特别是其重量比较重，从而也产生了较高的惯性矩，这例如通过扭矩变化会对轴承造成损害，以及在毛坯加工步骤中会造成很高费用。

属于第二组的是接合的凸轮轴，在这种凸轮轴中，凸轮作为单个零件制造，然后采用各种不同方式同一个轴连接。比如说，凸轮可以焊接到一个空心轴上或者插入到一个管子上并热压配合到这个管子上面。对于后一种制造方式已知，放上凸轮的管子或者空心轴放入一个相应成形的模具中和按照内高压-变形方法(IHU-方法)把管子扩径，在这里，凸轮弹性扩张和管子塑性扩径，这样，通过压配合把凸轮固定地坐到管子或者空心轴上。

在采用IHU-方法时，待变形的管状空心件同时承受内压力和对其一端作用的轴向力。液体或者弹性体适合于作为压力介质。一般来说可以采用刚性工具传送轴向力，象活塞、冲头和可以对工件一端直接或者间接产生作用的相类似物品。

从DE3409541A1和DE3521206A1中知道了按照上述含义接合的或者组装的轴示例。两种公知的建议的共同点是，费用较高地单独制造要固定到轴上的功能件，特别是在单个制造凸轮情况下会造成很高的费用，并且与接合处理所需要的步骤有关的整个操作花费也比较高。

此外，从US-PS2222762中已知了一种方法，在这种方法中，管状毛坯首先加热，然后放入一个模型中。由于加热容易变形的毛坯借助于支承介质，气体或者液体，从里面稳定化。同时，或是通过移动设计的模具本身或者借助于与模具无关的冲头带来的轴向力把毛坯压入模具中，在这里，支承介质负责使加热的毛坯不塌落。这种方法的缺点是，为了使材料得到必要的塑性，毛坯事先必须加热，以便压入模具中。这种加热意味着，除了金相组织变化以外，还要多增加一道工序，这道工序使这种方法费用太高。此外，工作压力只通过轴向力获得，这导致了材料流不均匀并且从而导致了工件中的应力分布不均匀。

从JP 57206530A中已知了一种制造凸轮轴的方法，在这种方法中，一个事先加热的空心件借助于压力液体一步压入模具中。在这里也是事先加热；此外，没有轴向推动，这同样导致材料流不均匀；此外，不能连续进行变形步骤，而只能进行一步变形。

本发明是以这个问题为基础，即创造一种不仅可节省工具和工作步骤、而且可在提高效率的情况下降低制造较长空心件的费用以及避免壁厚减小的方法和一种实施这种方法的装置。

该问题可以采用本发明的内高压一变形方法解决，即凸轮单个地或者成对地在轴向推入材料的情况下从轴中间到轴端相继成形。也就是说，现在IHU-方法与现有技术有本质的区别，即不是用于为了创造压配合座、或者如在DE3521206A1情况中那样创造附加的轴向固定而扩大空心轴，而是用于凸出部分(凸轮)整件变形，尤其是本身由管子或型材制作的凸轮-下面简单地和非限制性地称作为“空心件”或者“空心轴”或者“轴”，由此在凸出部分(凸轮)连续变形时不仅成本特别低地而且可以在工艺过程中节省用于制造整体空心件的时间。

在这里，在本发明其它结构中的各种不同实施的共同点是，空心轴在多步骤中变形，其中根据其构造和/或者其在轴上的位置，凸轮连续成形。因此意味着，如下列实施例也详细示出的，一方面凸轮逐步地可以达到其最后形式，但是另一方面也可以以其安排所要求的顺序相继在轴上成形。当然，这两种可能性也可以重叠使用。

在本发明的有利实施形式中，凸轮从轴中间到轴端相继成形，这可以采用特别经济的方式成对进行。也可以这样设想，凸轮从轴的一端到轴的另一端成形。这个过程的显著优点是特别是不需单个制造凸轮因而成本比较低的制造，以及检定而提供的情况，即可使轴向物料流畅通无阻地进入各变形区。按照本发明，通过施加轴向力和进给运动管端供料不会由于前面存在的成对凸轮所阻挡，也就是说，管材料可以畅通无阻地送入各变形区。如果这一对已经成形，则下一对凸轮进行成形。其中的优点是，通过轴向产生的压缩应力可以达到较大的、超过材料断裂伸长率的管材料变形程度。此外，大大减小了在变形区(要成形的凸轮)内的壁厚变薄，也就是说，可以得到均匀的壁厚，也就是说，达到了较高的部件稳定性。可以有许多可能性适合于实际应用。

这样凸轮可以根据位置目标明确地抵抗多个在其返回方面可控制的滑板或者相类似物品的压力单个或者成组地相继成形。

对于这个和下面实施方式，结合以前说明的可能性，即凸轮从轴中间到轴端相继成形，特别的优点是，通过控制进入位于内部区域的材料流、也就是说，在轴中间不会出现较高的材料拉应力(变薄拉深)，因为在位于里面的凸轮成形期间，材料流在轴向推入材料时不会被在其前面存放的凸轮所阻挡。此外，通过此可以制造由延伸能力较小的材料制成的凸轮轴，它具有较高凸轮高度以及较多的凸轮对和轴承支承部分。象比如说12缸发动机所需要的凸轮轴。在部件端部有较小的材料镦粗(镦扁)以及均匀的壁厚分布，另一个有利的可能性是在必要情况下壁厚总体减小。

在本发明中，可以使用各种不同的冷成型材料，比如象“特制(tailored)毛坯”、“特制管”，以及除了单层材料外也可采用双层材料，例如象钢/钢或者钢/铝组合材料、夹层空心件或者涂覆的空心件；对于钢/铝组合材料来说，钢优先作为外层填料，铝作为内层填料。通过此可以达到工件特性大大改善；钢护套带来了更好的耐磨特性、热处理特性和扭矩特性，而里面的铝层是一种良好的支承材料并且在重量方面具有优点。热压配合(Schrumpfsitz)的组合材料可以用做按照本发明成形的多层原始半成品，然而，但也可以通过相互挤压或者采用连铸方法制造这种半成品。

在前面谈到的变型中，可以在所要求的时刻内对滑板施加压力，更确切地说根据使用情况单个或者成对地加压。在有利的实施可能性中，通过配置给每个滑板的液压缸，使它们可行程控制和力控制，其中，在从轴中心到轴端成形时，对于位于内部的凸轮或者与其相配的模具中的铣槽来说不需要滑板，因为在那里开始进行凸轮成形，而在这段时间期间，在剩余的铣槽中，滑板一直压向空心轴的外壁，使得在这些部位中没有轴变形；在那里，凸轮在后来的时刻才形成。

除了选择滑板或者其活塞或者冲头的液力加压外，也可以采用机械式行程控制，确切地说，通过一个基本上与空心轴纵向轴线平行移动的楔条，楔条装有对冲头直接作用的楔形凸块，这样，通过楔条的适当运动可以调节滑板的行程，也就是说，采用这种实施方式可以有目的地覆盖不需加压的铣槽或者打开那些不应或者正在凸轮成形的部位。

可以按照本发明特别有利的实施可能性这样从里向外相继进行凸轮成形，即在不同的模具区域进行各个制造步骤，也就是说，在各个工艺过程步骤之间虽然需要从模具中的一个接纳件到另一个接纳件更换工件，然而，通过此可以使模具的结构简单些并且成本比较低；此外，在这种情况下，不用设置活动元件如滑板或者类似物品，如果没有位置问题，这总体首先是用于支承，因为在比如说6个凸轮和成对地从里向外进行成形时需要三个模具内相应地配有铣槽的的工件接纳件。

作为一种选择方案，凸轮局部目标明确的成型也可以通过插入空心轴的内心轴进行，这可以采用象前面说明的滑板，那种相同的作用的方式、首先阻止一定部位的成形，当然这与空心轴里面的滑板有所不同。只有当时要成形的凸轮(从里向外)被施加压力(局部)，这样，只有在那里可以进行变形；其它的范围没有施加压力，因此在那里也没有产生变形力，也就是说，在这里不用保留滑板抵抗内压，而是通过内心轴来阻止对还不应进入变形铣槽区域内的空心轴内壁施加压力。因此，机械带来的轴向压力同内压力一起只在那里顶锻(镦粗)并且最后在没有心轴克服压力盖住的空心轴内壁并且有一个或者多个铣槽处产生所要求的变形。

在实际结构中，有利地采用了两个内心轴，它们在两侧插入空心轴并且具有能够使它们插入或者进入把机械轴向力传送到管端上的活塞内的直径。通过此，又可以从轴中间开始到轴端进行有利的、局部连续的凸轮成形。当然，内心轴必须配有同轴贯穿的通道，以便使压力介质可以到达轴里面。

本发明的这个构造允许，在花费比较低的模具费用下在模具内集中有数量比较多的铣槽。

要提及的是，在发明的范围内也能够从一个半成品开始加工，它通过传统的方法、比如说通过空心轴的顶锻(镦粗)和/或者横轧进行预成形。这提供了可能性，在凸轮应该成形的这个空心轴部位上设置材料堆积，以克服壁厚减小和可能不够的延伸能力。

下面借助于附在后面的、示出了本发明有利构造的附图介绍了其它细节和优点。附图中示出了：

图1：以剖面侧视图的形式示出的一个放入原始状态和最终状态下的工件而且不带附加工具的基本结构模具；

图2：同图1示出的模具相比比较详细的、具有在一些造型巢内单独通过液压油缸行程控制和力控制滑板的模具

图3：以示意图示出的用于控制图2滑板冲头的楔条；

图4：以俯视图剖面示出的、具有多个用于逐步制造工件的夹套的，里面有处于当时成形状态工件的模具半个部分；

图5：以俯视图剖面示出的、具有放入的、部分完成的工件(空心轴)和部分盖住空心轴内壁的内心轴的、在另一个使用方案中的模具半个部分；

图6：在例如按照图1的模具中做为原始半成品使用的一个预变形空心轴。

在详细探讨示意图之前，要先做一些基本说明。首先要注意，在图1和图2的上部分中示出了最终形状的工件，而在下部分却示出了原始状态或者在图6中示出了刚开始的中间状态。此外，图1至图5的共同点是，它们以示意图的形式示出了基本上适用于内高压一变形方法、所谓的IHU-方法的和最好是水平分成两部分的模具。它们具有一个或者多个其形状在下面还要详细说明的凹口(模具内模腔)，把待变形的工件、在现有情况下指的是空心轴放入开口内并且被安置在模具外侧面的、以公知的方式操作的冲头在端面施加轴向作用力，其中，压力介质同时压入空心轴里面，这样使工件受到高内压力和在管端作用的轴向力。由此在封闭的模具中形成所要求的凸出部分(凸轮)。侧向冲头这样确定其直径尺寸，使它们可以插入模具中并且顶锻(镦粗)空心轴，而且具有同轴伸展的通道，压力介质可以通过这些通道到达空心轴里面。冲头在其自由端装有密封头，这些密封头用作半成品(管子)在管端的密封和用于把轴向力导入工件中以及将压力输入工件内部。最好是，压力通过一个压力倍增器产生(结构象一个液压油缸)并且可以升高(在压力倍增器里面的液体被压缩)或者减小(液体被卸载)。

在图1中，为了从总体上说明很简单地示出了一个具有上半部分1和下半部分2的模具，这个模具在封闭状态构成了作为凸轮轴最终形状的空心腔3。对此要解释一下，在这里只是为了清楚说明将各个凸轮在一个平面内示出；这一点同样也适用于其它有利实施例描述。当然，一般来说它们是径向错开角度的。空心腔3在最后应具有凸轮的部位上有一些相应的铣槽4，在现有实施例情况下，由于是原理图只示出了3个，空心轴的相应壁区压入铣槽中。铣槽是其中放入有一个工件的整个模具内模腔(造型巢)的一部分。

在图1的下半部分中示出了空心轴5的原始状态，而在上半部分中却示出了已成形完毕的凸轮6的最终状态，也就是说，按照本发明一体制造的凸轮轴。具有压力冲头顶端8的侧压力冲头用7来表示，按照左剖面图这个侧压力冲头具有一个贯穿的同轴通道9，压力介质通过通道到达空心轴5里面。

在这种实施形式中，空心管5放入具有要成形凸轮轴几何形状的模具1/2内并通过内高压随着轴向推入材料变形。也就是说，通过压力冲头7靠近空心轴5端面产生轴向力，而且同时压力介质流过通道9送入并且在两个重叠力的影响下在压力冲头推入模具里面期间空心轴变形，一直到所示出的最终状态为止，这样空心轴5从其原始状态连续达到其最终状态。

下面示出的实施形式采用了用于图1相应部分的相关标号。

在按照图2的实施例中，如以前说明的那样，模具由上半部分1和下半部分2组成，其空腔3按照凸轮轴所要求的几何形状成形。在此，在这个实施例中，在模具内设有6个铣槽4用于当时6个要造型的凸轮。为了简便起见，通向冲头7/8的压力介质输入通道9没有示出。在这里，只以示意图形式示出的滑板11a或者11b设置在外面的、也就是说到轴端的铣槽4a和4b中，这些滑板在铣槽中根据示出的双箭头基本上可垂直于空心轴5的纵向轴线运动，确切地说，通过与液压油缸12a或者12b相连接的冲头13a或者13b来进行运动。由此，滑板11a和11b可行程控制和力控制；在原始位置中，它们的端面位于图内的上部位置，也就是说，挨着插入里面的空心轴5的外壁。两个里面的铣槽4没有滑板。

工艺过程如下：因为四个滑板11a和11b位于其在前面的原始位置中，所以在轴向推入轴材料下，首先位于里面的凸轮6成形，材料流不会由于在外面的、也就是说，更靠向轴端的凸轮成形而受到阻碍。在里面的两个凸轮6成形结束之后，向外最靠近已成形完毕凸轮的油缸12b退回从而使滑板11b也退回并且凸轮6b作为下一个被成形，在这里，轴向材料流也不会被阻挡，因为终端一侧的凸轮6a还没有进行成形。在IHU-变形的最后一段中，滑板11a退回并且使相应的凸轮6a成形。

代替滑板11a和11b的液压操作，其控制和运动也可以采用机械式进行。为此，在图3中示出了一个楔条14，它示出了在滑板冲头13a，13b相应位置中设有相当于滑板11a，11b数量的楔形凸块15a，15b数量的配置。在这种情况下，楔条14安置在液压油缸12a和12b范围内并可相对于空心轴5纵轴平行运动，在这里，楔形凸块15a和15b直接对相应的冲头13a或者13b起作用。在这种情况下，只需要一个唯一的、没有示出的液压油缸，这个液压油缸在图3中的水平双箭头方向中推动楔形条。在按照图3的位置中，楔形凸块15a或者15b直接对其作用的冲头13a和13b在其移入位置中，也就是说，在位于里面的凸轮6首先成形的位置。

通过楔条14向左移动(图3)，在空心轴5同时施加内压时，在图2中的滑板11a和11b向下压，因为其冲头13a或者13b沿着楔形凸块15a或者15b的斜面可以向下移动避让。

采用一个这样的楔条可以根据前面结合图2所说明的工艺过程直接控制，同样如图3所示出的，因为位于里面的楔条具有比较短的端面，也就是说，在向左移动时，冲头13b在冲头13a之前到达楔形凸轮块15b斜面范围内，这样，然后在凸轮6a成形之前首先进行凸轮6b成形，在冲头13a到达楔形凸块15a斜面范围内的时刻进行凸轮6a的成形。

为了在里面的凸轮6成形时还可改善材料流，也可以在铣槽4中安放滑板，这些滑板以相应的方式通过冲头被相应位于楔形凸块15a和15b之间的、在这里没有示出的凸轮控制。

在这里没有示出侧冲头7/8的图4示出了本发明的一个特别有利的实施形式，在这个实施形式中，在以俯视图示出的模具下半部分2中，示出了3个用于工件的、不同几何形状(即铣槽数量不同)的造型巢，在这里，一个在当时这个阶段中已完成的工件5位于每个造型巢中。在各个造型巢中的成形可以同时或者相继进行。

图4清楚地示出了，装有六个凸轮的凸轮轴5在三个步骤中完成，在这里，在第一工艺步骤中空心轴5在图4中的上造型巢里变形，直到两个位于里面的凸轮6成形为止。然后，这样成形的半成品放入在下面示出的造型巢中，造型巢具有两个附加铣槽4b，在这第二个阶段中凸轮6b在里面变形。最后，空心轴5送入图4下面的、配备有六个铣槽4、4a、4b的造型巢内，然后在这里进行变形达到最终状态。

图5-一个同样有利的实施形式-示出了模具下半部分2，在这里，制造具有6个凸轮的凸轮轴，其中两个里面的凸轮已经制成。用这个模具也可以连续从里向外制造凸轮6，为此使用了两个内心轴16，在所示出的中间制作状态中，这两个内心轴在端侧插入空心轴5这么远，使它们在空心轴里面保护在另一个工艺过程中才应变形进入外铣槽4a和4b的区域不遭受内压力。为此，内心轴的外径允许与内壁有一定间隙地伸缩式插入空心轴5里。在其自由的、位于里面的一端，内心轴1 6分别配有一个顶端密封件17或者楔形密封垫圈，只要在里面一产生压力，它们就可以使管子或者空心轴5密封。压力越高，楔形密封垫圈的密封力就越大；因此，密封力通过内压力产生。

在这种情况下，冲头7/8这样设计，一方面如在迄今为止所说明的实施例中那样，冲头有一个允许其插入模具开口里的外径，那就是说，有一个大约相当于空心轴5外径的这样外径，但与迄今的实施例不同的是它是一个扩大的套管，其直径这么大，可以使内心轴伸缩式地插入里面和从里面出来。因此，冲头7/8如前面一样将其轴向力施加给空心轴5的端侧，然而同时内心轴16又可以在里面移动。现在，用于压力介质的同轴通道9分别位于内心轴16里。这可以从左半图的剖面图中详细知道。

采用这种方案能够实现下列工艺过程：首先，内心轴16从在终端侧紧挨着空心轴的、进入图5中所示出的位置内的冲头7/8里出来并且进入空心轴5，这可以通过合适的、在这里没有示出的、位于空心冲头7/8外端的装置进行，为此内心轴可以穿过冲头7/8比如说到达其外端。在紧接着局部施加内压力时，两个里面的凸轮6以所示出的方式形成。

作为下一个步骤，内心轴16这么远地向外退回，使最接近的铣槽4b范围开放，这样，内压力现在可以对这个空心轴范围产生作用，然后，为了形成凸轮6b，这个区域进入这些铣槽变形，确切地说，是在从管端开始轴向推入的同时，在这里，内心轴16以物料向内推移的长度一起向里移动，以便避免在内心轴16上的楔形密封垫圈17和管子内壁之间摩擦。

每次在这第二对凸轮6b成形之后内压力降低，这样，楔形密封垫圈17的密封力下降到最低(楔形密封垫圈的自身弹性部分)。这之后内心轴16还继续向外移动并且下一对凸轮6a被成形。

即使在这种情况中，也可以达到最佳推入材料，因为在每个如已经多次在前面说明的实施例中提及的那样可以逐步地从轴中间到其终端进行凸轮成形的工艺阶段中，在没有施加压力的范围内还不能进行变形，因此材料可不受阻碍地被从端部推压。

只是为了补充按照本发明方法的多种多样使用可能性而在图6中示出了空心轴5的原始半成品，这个半成品是用于制作具有六个凸轮的凸轮轴的，并且通过传统方法、象空心轴顶锻、横轧等等预成形到图6所示出的状态，在这里，在凸轮应成形的部位产生材料堆积19，以便克服壁厚减小和材料可能不够的延伸能力。比如说，一个这样的半成品适用于象在图1和图2中示出的模具中加工，并且由于物料堆积也减小了轴向材料流。

本发明用于制造最好是比较长的、特别是在汽车工业中多方面被应用的空心件。

Claims (11)

1.采用内高压—变形方法制造凸轮轴的方法，其特征在于，

凸轮单个地或者成对地在轴向推入材料的情况下从轴中间到轴端相继成形。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，

在离至少一个轴端部设置的推动工具最远处开始凸轮成形和逐步地向着推动工具进行加工。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

凸轮抵抗多个可压力控制和/或行程控制的滑板的压力单个地或者成对地相继成形。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

制造步骤在不同的模具区域内进行。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

由至少一个进入轴内、在它里面纵向移动的、盖住正好没有成形凸轮位置的内心轴控制凸轮局部目标明确的成形。

6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

加工多壁空心状半成品。

7.用于采用内高压-变形方法制造凸轮轴的装置，具有

—一个多部分的、夹紧轴(5)的并设有用于要成形凸轮(6)的铣槽(4)的工具(1，2)；和

—两个同轴的、然而相对着分别对轴一端产生镦击作用的冲头(7，8)，

—用于向轴内部输入压力介质的同轴通道，以及

—至少有一个在轴(5)和冲头(7、8)中纵向移动的、分别插入轴一端的空心内心轴(16)，

—至少在其插入轴(5)的一端装有紧挨着轴内壁的密封件(17)。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，

分别有一个可垂直于轴纵向轴线运动的滑板(11a，11b)插入至少几个铣槽(4)内。

9.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，

有一个或者多个模具，它们具有多个分别有不同数量铣槽的造型巢。

10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，

一个两部分模具(1，2)具有多个从一个接纳处到另一个接纳处铣槽数量增加的造型槽。

11.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，

冲头(7、8)的同轴通道(9)的直径允许使内心轴(16)插入冲头(7、8)里。

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