JP2003014085A

JP2003014085A - 組立式カムシャフト

Info

Publication number: JP2003014085A
Application number: JP2001201610A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Sugaya; 好美菅谷; Makoto Iwakiri; 誠岩切; Takao Kono; 貴雄光野; Takayuki Hirao; 隆行平尾; Kimio Nishimura; 公男西村; Koji Itakura; 浩二板倉
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】【課題】シャフト拡径処理時のカムピースの割れを未
然に防止することができる組立式カムシャフトを提供す
る。【解決手段】中空状のシャフト２をカムピース１内に
挿入した上でシャフト２を拡径処理することにより両者
を不離一体に固定してなる組立式カムシャフトにおい
て、カムピース１は、その密度が７．１〜７．４ｇ／ｃ
ｍ³の範囲となるように温間成形した鉄系焼結成形体に
焼入れおよび焼戻しの熱処理を施したものをもって形成
されている。鉄系焼結成形体の組成としては、Ｃｕ：
１．５〜４重量％、Ｃ：０．７〜１．０重量％をそれぞ
れ含有し、残部をＦｅおよび不可避不純物とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の動弁系
の主要素として機能することになるカムシャフトに関
し、特に別々に形成した中空状のシャフトと焼結金属製
のカムピースとをシャフトの拡径（拡管）処理により相
互に一体化した組立式カムシャフトの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の組立式カムシャフトとして、例
えば特開平８−３３３６５９号公報、特開平９−３１６
１２号公報、特開平１１−５０２１０号公報に記載のも
ののほか、特開平１０−３３９１１０号公報等に記載の
ものが提案されている。

【０００３】上記特開平８−３３３６５９号公報、特開
平９−３１６１２号公報および特開平１１−５０２１０
号公報に記載の技術では、鉄（Ｆｅ）を主成分とする焼
結合金製のカムピース（カムロブ）の耐摩耗性向上を目
的としてモリブデンを含有させることを基本としてお
り、他方、特開平１０−３３９１１０号公報に記載の技
術では、シャフト拡径時のカムピースの割れ対策とし
て、その内周側が外周側よりも硬さが低くなるように熱
処理時の条件を調整するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平８−３３３６５
９号公報、特開平９−３１６１２号公報および特開平１
１−５０２１０号公報に記載のように焼結合金の組成改
良に着目したものでは、それだけではシャフト拡径処理
時のカムピース側の割れ対策とはならず、なおも改善の
余地を残している。

【０００５】また、特開平１０−３３９１１０号公報に
記載のものでは、シャフト拡径時のカムピースの割れを
考慮したものではあるが、そのカムピースは熱間多段フ
ォーマーによって鍛造成形したものを使用することを前
提としているため、必ずしも焼結金属製のカムピースの
割れ対策となならず、上記と同様になおも改善の余地を
残している。

【０００６】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、焼結金属製のカムピースを使用することを
前提として、特にシャフト拡径処理時のカムピースの割
れを未然に防止することができるようにした組立式カム
シャフトを提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、中空状のシャフトをカムピース内に挿入した上でシ
ャフトを拡径処理することにより両者を不離一体に固定
してなる組立式カムシャフトにおいて、上記カムピース
は、その密度が７．１〜７．４ｇ／ｃｍ³の範囲となる
ように温間成形した鉄系焼結成形体をもって形成されて
いることを特徴としている。

【０００８】この場合、請求項２に記載の発明のよう
に、上記カムピースは、その密度が７．１〜７．４ｇ／
ｃｍ³の範囲となるように温間成形した鉄系焼結成形体
（圧粉体）に焼入れおよび焼戻しの熱処理を施したもの
をもって形成されていることが望ましい。

【０００９】さらに望ましくは、請求項３に記載の発明
のように、上記カムピースを形成することになる鉄系焼
結成形体は、その組成としてＣｕ：１．５〜４重量％、
Ｃ：０．７〜１．０重量％をそれぞれ含有し、残部がＦ
ｅおよび不可避不純物であることとする。

【００１０】したがって、この請求項１，２に記載の発
明では、鉄系焼結成形体の密度を７．１ｇ／ｃｍ³以上
とすることで熱処理後の引張強度等の機械的特性が向上
し、例えば所定のマンドレルを用いて行うシャフトの拡
径時にカムピース側に発生する応力に十分に耐え得るよ
うになり、割れ発生防止の上で有効に作用する。しか
も、上記密度向上のための手段として、材料粉末および
金型を１３０℃程度に加熱して圧縮成形を行なう温間成
形法を採用したことから、経済的不利益を伴うことなく
鉄系焼結成形体の密度を７．１〜７．４ｇ／ｃｍ³の範
囲内まで向上させることができる。

【００１１】特に、請求項３に記載の発明のように、鉄
系焼結成形体の組成としてＣｕ：１．５〜４重量％、
Ｃ：０．７〜１．０重量％をそれぞれ含有し、残部がＦ
ｅおよび不可避不純物であると、カムピースに要求され
る耐摩耗性をも十分に充足することができるようにな
る。

【００１２】ここで、焼結工法により製造されるカムピ
ースはその寸法精度に優れていることから、組立式カム
シャフトへの積極的採用が提案されていることは先に述
べたとおりである。その一方、マンドレルによりパイプ
状のシャフトを拡径処理してカムピースをそのシャフト
に固定する場合に、カムピースに発生する内部応力が大
きいために通常の焼結材料では割れが発生し、実用化が
困難となっている。拡径処理時の内部応力に耐え得るよ
うに、成形、仮焼結、再成形、本焼結の順に成形と焼結
とを繰り返す工法や焼結鍛造等によってカムピース自体
の密度を高める方法もあるが、いずれの工法も大幅な工
程増加によるコストアップが余儀なくされる。

【００１３】その一方、近年に至り、焼結材料となる粉
末および成形金型を１３０℃程度に加熱して圧縮成形す
る温間成形と称される工法が試みられており、上記のよ
うな工程増加を伴うことなくより高密度の成形体が得ら
れるとされている。すなわち、図２にも示すように、従
来より広く用いられてきた常温成形法では焼結後の成形
体密度が７．１ｇ／ｃｍ³程度が限界であるとされてい
るのに対して、上記温間成形法では焼結前の圧粉体の密
度を７．４ｇ／ｃｍ³程度まで高密度化することがで
き、本発明ではこの温間成形法を使用することを前提と
している。なお、７．４ｇ／ｃｍ³を大きく上回るよう
な高密度化は工業的生産条件下では困難であるため、そ
の焼結成形体の密度の範囲を７．１〜７．４ｇ／ｃｍ³
と規定した。

【００１４】焼結成形体の機械的特性、特に引張強度は
密度との相関が高く、その高密度化にほぼ比例して引張
強度が向上し、例えば焼結成形体の密度が７．１ｇ／ｃ
ｍ³の場合には引張強度は１０００ＭＰａ以上に達す
る。その結果として、上記鉄系焼結成形体にて形成した
カムピースを相手側となるシャフトに固定するにあた
り、例えばマンドレルにてそのシャフトを拡径処理した
際にカムピース側に発生する応力は上記の引張強度を下
回り、カムピースの割れ発生を招くことなく、シャフト
の拡径処理をもって両者を確実に固定できることを確認
できた。

【００１５】上記カムピースは、所定形状に温間成形し
た圧粉体を１０８０℃以上の焼結温度で焼結した後に、
さらに浸炭焼入れと焼戻し処理もしくは高周波焼入れと
焼戻し処理等の熱処理を施すことにより製造される。高
密度化による強度向上は他の材料にも共通する性質であ
るが、所要の機械的強度を得ると同時により経済的な製
法で製造するためには、材料中の含有成分も選択する必
要がある。

【００１６】例えば、Ｃｒを含有する鉄系焼結材料はカ
ムピース用として広く用いられているが、粒界酸化を防
止する上で焼結および熱処理の雰囲気が限定されてしま
い、生産性の高い連続炉での処理が不可能となるため
に、含有しない方が好ましい。また、Ｎｉについては２
％以上含有すると残留オーステナイトが多く析出される
ことから、耐摩耗性向上の観点からはその含有は好まし
くない。

【００１７】また、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系の焼結材料は、高
価な合金元素を含まず最も一般的な材料である。Ｃｕは
素地を強化して強度を向上させるには有効であるが、
１．５％以下では所望の効果を得ることができず、他
方、その含有量が４％を越えると脆化するとともに焼結
時の寸法膨張が大きくなるために過剰な含有は好ましく
ない。よって、Ｃｕの含有量は請求項３に記載のように
１．５〜４重量％とし、より望ましくは２〜３重量％と
する。

【００１８】Ｃは素地に固溶して強度を向上させる作用
があり、焼結成形体に焼入れ処理を施すことを前提とし
た場合には必要不可欠な元素である。焼入れ後の材料組
織はマルテンサイトおよび微細なパーライトにより構成
されるが、カムピースのような耐摩耗性が要求される部
品には十分なマルテンサイト組織を得るために０．７％
以上の含有が必要である。その一方、Ｃの含有量が１．
０％を越えると脆化するとともに圧縮成形時の圧縮性を
阻害して密度向上が困難となることから、そのＣの含有
量は請求項３に記載のように０．７〜１．０％とした。

【００１９】請求項４に記載の発明は、上記請求項２ま
たは３に記載の発明を前提として、カムピースの軸心方
向での厚み寸法が５ｍｍ以上であることを特徴としてい
る。

【００２０】さらに、請求項５に記載の発明は、上記請
求項２〜４のいずれかに記載の発明を前提として、カム
ピースの少なくとも一方の側面においてベースサークル
の内側に相当する位置に一段高い環状凸部が温間成形を
もって形成されていることを特徴としている。

【００２１】したがって、請求項４に記載の発明では、
カムピースの最小厚み寸法が５ｍｍあれば足りることを
意味し、結果としてエンジンの軽量化およびフリクショ
ンの低減化ならびにエンジン設計の際の設計自由度向上
の上で有利に作用するとともに、カムピースそのものの
製造コストの低減にも寄与できるようになる。すなわ
ち、自動車用エンジンに用いられるカムピースは、エン
ジン自体の軽量化およびフリクションの低減に対応する
ために、可能な限りその厚み寸法（カムピース自体の軸
心方向での厚み寸法）を小さくすることが求められてい
る。一方、カムピースの厚み寸法を小さくするほどシャ
フト拡径時に発生する内部応力が増大して強度的に不利
になるが、上記のような引張強度の向上効果のために、
カムピースの厚み寸法として最低で５ｍｍ確保できれば
材料自体の引張強度がシャフト拡径時の内部応力を上回
り、拡径時の割れを防止できることが確認できた。

【００２２】また、請求項５に記載の発明では、カムピ
ースの重量増加と相手側バルブリフタとの摺動面積の増
加を抑制しつつ、そのカムピースの内周側面積の増加に
より、相対的に拡径処理時における発生応力低減の上で
有効に作用するようになる。すなわち、局部的な環状凸
部を形成したことにより、カムピース全体の厚み寸法を
大きくした場合と比べてカムピースの重量増加を抑制で
きることはもちろん、相手側となるバルブリフタの摺動
面との間のフリクションを増加させることもない。ま
た、上記環状凸部は温間成形の際に同時成形されるもの
であるから、機械加工等による削り出しが不要となり、
例えばカムピースの厚み寸法が１２．５ｍｍの場合に
０．５ｍｍ程度の高さの環状凸部を形成するだけで拡径
時の発生応力をおよそ５％低減できることが確認でき
た。

【００２３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、温間成
形したカムピースに熱処理を施すことによって引張強度
等の機械的強度が向上し、シャフト拡径処理時における
カムピースの割れを確実に防止できるようになり、特に
請求項２に記載の発明のように熱処理として焼入れ，焼
戻し処理を施すとそのカムピースの割れ発生防止効果が
一段と顕著となる利点がある。

【００２４】また、請求項３に記載の発明によれば、Ｆ
ｅを主成分とする焼結材料のＣｕおよびＣの含有量を特
定の値に規定したものであるから、請求項２に記載の発
明と同様の効果に加えて、カムピースに要求される耐摩
耗性性能をも十分に満たすことができる効果がある。

【００２５】請求項４に記載の発明によれば、カムピー
スの最小厚み寸法を特定の値に規定したものであるか
ら、請求項２または３に記載の発明と同様の効果に加え
て、エンジンの軽量化、フリクションの低減化ならびに
エンジン設計の際の設計自由度の拡大化に寄与できる利
点がある。

【００２６】さらに請求項５に記載の発明によれば、カ
ムピースの側面に環状凸部を温間成形の際に形成したも
のであるから、カムピースの重量増加と相手側バルブリ
フタとの摺動面積の増加を抑制しつつ、拡径処理時にお
けるカムピース側の発生応力を低減できる利点がある。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１には本発明に係るカムシャフ
トの好ましい実施の形態として焼結成形体からなるカム
ピースの詳細を示す。

【００２８】このカムピース１は、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系の
焼結用金属粉末を用いて温間成形法により所定のカムプ
ロフィールを含む形状に圧縮成形し、この圧粉体を焼結
した後に、さらに浸炭焼入れおよび焼戻しの熱処理を施
すことにより形成したものである。なお、圧縮成形の際
には、相手側となる中空状のシャフト２を挿入するため
凹溝３ａ付きのシャフト穴３が同時に形成されるととも
に、カムピース１の両側面にはベースサークルの内側に
相当する位置に微小高さの環状凸部４が同時成形され
る。

【００２９】上記温間成形法とは、焼結用金属粉末およ
び金型をともに１３０℃程度に加熱した状態で圧縮成形
して圧粉体を成形する方法であり、図２から明らかなよ
うに従来の常温での圧縮成形法と比べて圧粉体の密度を
一段と高密度化できる点に特徴がある。ここでは、圧縮
成形後の圧粉体の密度が７．１〜７．４ｇ／ｃｍ³とな
るように成形する。

【００３０】また、上記の温間成形法に用いるＦｅ−Ｃ
ｕ−Ｃ系の焼結用金属粉末は、その組成としてＣｕを
１．５〜４重量％、Ｃを０．７〜１．０重量％それぞれ
含有し、且つ残部がＦｅおよび不可避不純物であるもの
を用いる。Ｃｕの含有量としては少なすぎても多すぎて
も好ましくないことは先に述べたとおりであり、より望
ましくは２．０〜３．０重量％とする。

【００３１】上記圧縮成形に続く焼結処理は、ブタン変
成ガス雰囲気中にて１１２０℃の温度条件で行うものと
し、また焼結後の熱処理は、浸炭温度９００℃にて浸炭
処理を施した後に６０℃にて油焼入れ処理を行い、さら
に１８０℃にて焼戻し処理を行うものとする。

【００３２】熱処理後のカムピース１の引張強度はその
密度に比例して向上し、図３から明らかなように例えば
密度７．１ｇ／ｃｍ³の場合に１０３０ＭＰａ以上に達
するようになる。

【００３３】上記の熱処理をもって完成したカムピース
ピース１は、相手側となる中空状のシャフト（例えば鋼
管製のもの）２に外挿されて相対位置決めがなされた後
に、シャフト２の内部に所定のマンドレルを圧入して例
えば拡径率３．３％程度のもとで拡径もしくは拡管処理
することにより両者は不離一体に固定される。なお、こ
こにいう拡径率とは、拡径後のシャフト２の直径をＡ、
拡径前のシャフト２の直径をＢとしたときに、（Ａ−
Ｂ）／Ｂで表される。

【００３４】実施例１として、Ｃｕを３．０重量％、Ｃ
を０．８重量％それぞれ含有し且つ残部がＦｅおよび不
可避不純物としたＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系の焼結用金属粉末を
用いて密度が７．１ｇ／ｃｍ³となるように温間成形し
た圧粉体を、ブタン変成ガス雰囲気中で温度１１２０℃
にて焼結し、さらに焼結後の熱処理として、浸炭温度９
００℃にて浸炭処理を施した後に６０℃にて油焼入れ処
理を行い、さらに１８０℃にて焼戻し処理を行ってカム
ピースを製作した。

【００３５】実施例２として、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系の焼結
用金属粉末の組成をＣｕ：３．０重量％、Ｃ：０．８重
量％、Ｆｅおよび不可避不純物：残部、とした上で、密
度が７．２ｇ／ｃｍ³となるように温間成形し、それ以
外は実施例１と同じ条件でカムピースを製作した。

【００３６】比較例１として、温間成形時の密度が６．
７ｇ／ｃｍ³となるように圧粉体を圧縮成形し、それ以
外は全て実施例１と同じ条件でカムピースを製作した。

【００３７】比較例２として、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系の焼結
用金属粉末の組成をＣｕ：３．０重量％、Ｃ：０．５重
量％、Ｆｅおよび不可避不純物：残部、とした上で、そ
れ以外は実施例１と同じ条件でカムピースを製作した。

【００３８】これら実施例１，２および比較例１，２の
諸条件等をまとめたものを表１に示す。なお、製作した
カムピース１のサイズは、図１に示すようにカムピース
１の厚み寸法（軸心方向での厚み寸法）Ｗ＝１２．５ｍ
ｍ、シャフト穴３の直径Ｄ＝１８．２ｍｍ、環状凸部４
の最大直径Ｍ＝３４ｍｍ、環状凸部４の高さＣ＝０．５
ｍｍ、ベースサークル部の肉厚ｔ＝５．６５ｍｍとし
た。また、比摩耗量はピンオンディスク試験機により評
価し、実施例１における摩耗量を１としたときの割合で
表している。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】表１から明らかなように、実施例１，２は
ともに比摩耗量が小さく且つ引張強度に優れており、所
期の要求性能を充足していることがわかる。これに対し
て、比較例１は圧縮成形時の密度が低いために焼結およ
び熱処理後において十分な引張強度が得られない。ま
た、比較例２ではＣの含有量が小さいために比摩耗量が
１．７と大きく、耐摩耗性に問題がある。

【００４２】表２は実施例１に相当するカムピース１を
マンドレルにてシャフト２を拡径させて結合するにあた
り、そのカムピース１に発生する内部応力を示してお
り、実施例３〜５ではカムピース２の厚み寸法Ｗのみを
変化させた場合の内部応力を示している。実施例１から
明らかなように、内部発生応力が引張強度よりも小さけ
ればシャフト拡径時にカムピース１には割れが発生しな
いことになる。また、実施例３〜５のようにカムピース
１の厚み寸法Ｗを実施例１よりも小さくした場合にも材
料自体の引張強度が内部発生応力を上回っており、たと
えカムピース１の厚み寸法Ｗが５ｍｍであってもシャフ
ト拡径時に割れが発生しないことがわかる。

【００４３】また、図１に示したように厚み寸法Ｗ＝１
２．５ｍｍのカムピース１の両側面に高さが０．５ｍｍ
の環状凸部４を形成したことから、その受圧面積の拡大
化によって拡径時における内部発生応力の低減化が図ら
れ、上記のように高さが０．５ｍｍの環状凸部４をもっ
ておよそ５％の応力低減効果が確認できた。ただし、環
状凸部４の高さ寸法Ｃを必要以上に大きくすると、環状
凸部４の段差が大きくなることにより、温間成形（圧縮
成形）時に他の部位との密度の不均一が生じないよう、
金型のパンチ等を分割させて、それぞれの加圧力を等し
く制御する等、装置の複雑化や生産性の低下を招くおそ
れがあるので、最大でも厚み寸法Ｗのおよそ２０％程度
にとどめるのが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る組立式カムシャフト実施の形態を
示す図で、（Ａ）はその正面図、（Ｂ）はその全断面
図。

【図２】焼結成形体の圧縮成形時における成形荷重と密
度との関係を示す説明図。

【図３】焼結成形体の焼結後における密度と引張強度と
の関係を示す説明図。

【符号の説明】

１…カムピース２…シャフト４…環状凸部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｌ 1/04 Ｆ０１Ｌ 1/04 Ｈ (72)発明者岩切誠千葉県松戸市稔台520番地日立粉末冶金株式会社内 (72)発明者光野貴雄千葉県松戸市稔台520番地日立粉末冶金株式会社内 (72)発明者平尾隆行神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者西村公男神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者板倉浩二神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G016 AA19 BA34 CA04 EA03 EA09 EA10 EA24 FA08 GA05 3J030 EA01 EB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空状のシャフトをカムピース内に挿入
した上でシャフトを拡径処理することにより両者を不離
一体に固定してなる組立式カムシャフトにおいて、上記カムピースは、その密度が７．１〜７．４ｇ／ｃｍ
³の範囲となるように温間成形した鉄系焼結成形体をも
って形成されていることを特徴とする組立式カムシャフ
ト。
【請求項２】上記カムピースは、その密度が７．１〜
７．４ｇ／ｃｍ³の範囲となるように温間成形した鉄系
焼結成形体に焼入れおよび焼戻しの熱処理を施したもの
をもって形成されていることを特徴とする請求項１に記
載の組立式カムシャフト。
【請求項３】上記カムピースを形成することになる鉄
系焼結成形体は、その組成としてＣｕ：１．５〜４重量
％、Ｃ：０．７〜１．０重量％をそれぞれ含有し、残部
がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする請求
項２に記載の組立式カムシャフト。
【請求項４】上記カムピースの軸心方向での厚み寸法
が５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２または３
に記載の組立式カムシャフト。
【請求項５】上記カムピースの少なくとも一方の側面
においてベースサークルの内側に相当する位置に一段高
い環状凸部が温間成形をもって形成されていることを特
徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の組立式カムシ
ャフト。