(57)【要約】【課題】本発明の目的は、カム面を再溶融表面硬化処理したカムシャフトにおいて、カム面における異常摩耗が発生しないカムシャフトとその製造方法とを提供することである。【解決手段】本発明のカムシャフトは、カムシャフトのカム面を、その両側端部を除いて高エネルギビームにより再溶融表面硬化処理し、その後この硬化部の形状に沿って研磨して、カム面の硬化部と両側端部の未硬化部との間に未硬化部の方が低い段差を設けたことを特徴とする。ここで、段差を形成する研磨はショットブラストによる研磨であり、ショットブラストのショット粒径は、０．１〜３ｍｍであることが望ましい。また、ショットブラストなどの研磨により形成される段差は、２０μｍ以上であることが適当である。本発明のカムシャフトの製造方法は、カムシャフトを形成する鋳造工程と、高エネルギビームによりカム表面を再溶融チル化する表面硬化工程と、未硬化表面を研磨して硬化部との段差を形成する研磨工程と、を有することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カムシャフトのカム面を、その両側端部を除いて高エネルギビームにより再溶融表面硬化処理し、その後該硬化部の形状に沿って研磨して該硬化部と前記両側端部の未硬化部との間に該未硬化部の方が低い段差を設けたことを特徴とするカムシャフト。
【請求項２】
前記研磨はショットブラストによる研磨である請求項１に記載のカムシャフト。
【請求項３】
前記ショットブラストのショット粒径は、０．１〜３ｍｍである請求項２に記載のカムシャフト。
【請求項４】
前記段差は、２０μｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載のカムシャフト。
【請求項５】
カムシャフトを形成する鋳造工程と、
高エネルギビームによりカム表面を再溶融チル化する表面硬化工程と、
未硬化表面を研磨して硬化部との段差を形成する研磨工程と、
を有することを特徴とするカムシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカム表面が耐摩耗性を有するカムシャフトおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンなどに組み込まれるカムシャフトやガソリン直噴エンジンのポンプカムなどにおいては、長期間にわたってその機能を十分に発揮し、またそれが組み込まれるエンジンの適正な作動を確保するためには、そのカム面が耐摩耗性に優れていなければならない。
【０００３】
このようなカムシャフトのカム面の耐摩耗性を向上させる手段として、従来よりカム面の中央部をＴＩＧアーク、レーザ、電子ビームなどの高エネルギビームにより再溶融させ、カムシャフトの自己冷却能による急冷によって表面硬化させる、いわゆる再溶融表面硬化処理が試みられている。この場合上述のごとき高密度エネルギによりカム面をその全幅にわたって再溶融表面硬化処理することが技術的に非常に困難であるために、一般にカム面の最も耐摩耗性が要求される部位、例えばカム面の中央部を中心にカム幅の１／２以上の幅部分が、再溶融表面硬化処理されている。
【０００４】
しかし、これらのカムシャフトにはカム面の周縁部に未硬化部が存在するために、例えばロッカーアームなどの相手部材がカム面に対して片当たり状態になり、この状態のままカムシャフトの使用が継続されると、ピッチングやスカッフィングといった異常摩耗が発生することがある。
【０００５】
そこで、予め両端部を面取りしたカムの面取り後の全幅にわたって再溶融表面硬化処理を施す方法（特許文献１参照）や、また、未硬化部にショットピーニングを施して未硬化部の疲労強度を向上させ、耐ピッチング性を向上させようとする提案がなされている（特許文献２参照）。
【０００６】
しかし、特許文献１の方法では、全幅にわたって再溶融しようとすると、両端面が溶けてだれる、といった問題があり、また、特許文献２の方法では、Ｈｖ２００程度の硬さでグラファイトが存在するために凹凸が生じたり、あるいはグラファイトに沿ってクラックが入る、といった問題が生じ、いずれの方法も必ずしも満足できる方法とはいえない。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５８−１９６３６２号公報
【特許文献２】
特開平２−１８５９２６号公報
【０００８】
【発明の解決しようとする課題】
本発明の目的は、カム面を再溶融表面硬化処理したカムシャフトにおいて、カム面における異常摩耗が発生しないカムシャフトとその製造方法とを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のカムシャフトは、カムシャフトのカム面を、その両側端部を除いて高エネルギビームにより再溶融表面硬化処理し、その後この硬化部の形状に沿って研磨して、カム面の硬化部と両側端部の未硬化部との間に未硬化部の方が低い段差を設けたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、段差を形成する研磨はショットブラストによる研磨であり、ショットブラストのショット粒径は、０．１〜３ｍｍであることが望ましい。
【００１１】
また、ショットブラストなどの研磨により形成される段差は、２０μｍ以上であることが適当である。
【００１２】
本発明のカムシャフトの製造方法は、カムシャフトを形成する鋳造工程と、高エネルギビームによりカム表面を再溶融チル化する表面硬化工程と、未硬化表面を研磨して硬化部との段差を形成する研磨工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のカムシャフトは、カムシャフトのカム面を、その両側端部を除いて高エネルギビームにより再溶融表面硬化処理し、その後この硬化部の形状に沿って研磨して、カム面の硬化部と両側端部の未硬化部との間に未硬化部の方が低い段差を設けたことを特徴とする。
【００１４】
カムの耐摩耗性確保のため、例えば、ＴＩＧアークによる再溶融表面硬化処理が行われる。しかし、このようにして得られるカムは、その全幅にわたって再溶融表面硬化処理を施すことは困難であるために、再溶融表面硬化部から外れた部分は未硬化部となる。再溶融表面硬化処理したカムのノーズ部を含む断面の模式図を図１に示す。１はカムノーズ部であり、幅Ｗの中央部に再溶融表面硬化処理が施され硬化部２を形成している。硬化部２の両側端部は、不完全な焼き入れ部と熱影響を受けていない未硬化部（以降、合わせて未硬化部３と略記する）である。図１のように硬化部２と未硬化部３とが同一表面高さとなっていると、未硬化部３と例えばバルブリフタやロッカアームなどの相手部材とが摺動して、未硬化部３からピッチング、あるいはスカッフィングなどの損傷を発生し、その部分が起点となって損傷が拡大することがある。カム面に損傷が発生して拡大すると、再溶融された硬化部が異常摩耗を起こして、甚だしい場合にはエンジントラブルを招くおそれがある。
【００１５】
ところで、この損傷を防止するためには、未硬化部３に相手部材が接触しないようにすればよいわけである。本発明は、このような観点から、再溶融表面硬化処理部と未硬化部との間に段差を設けて、ロッカアームやバルブリフタなどのカムの相手部材とカム表面の未硬化部が接触しないようにしたことを特徴とする。
【００１６】
ここで、未硬化部の研磨は、ショットブラスト処理やＷＰＣ処理（Ｗｉｄｅ  Ｐｅａｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｌｅａｎｉｎｇ処理）などのようなカム面にショットを投射する方法が好ましい。
【００１７】
再溶融硬化処理を施したカム面の幅方向の硬さ変化の一例を図２に示す。縦軸はビッカース硬度ＨＶ（１０ｋｇｆ）を示し、横軸はカムの幅Ｗの中心部からの距離ｄ（ｍｍ）を示した。なお、このカムの幅Ｗは１３ｍｍであった。図２から、表面硬化処理はカム面の中央部約６ｍｍに施されているので、中央部は、約ＨＶ８５０と硬化が進んでいることが分かる。また、その外側では再溶融表面硬化処理による熱の影響によって徐々に硬度が低下し、幅の中央部から６ｍｍ離れたところでは約ＨＶ２５０と鋳造のままの硬さであった。
【００１８】
このように、未硬化部は徐々に硬度が低下するので、ショットブラスト処理を施すことにより、図３のように硬さの変化に相似した勾配で未硬化部３が研磨され、硬化部２との間に段差ｇを形成することができる。
【００１９】
このとき、耐摩耗性の低い部分ほど研磨される量が多いため、未硬化部３はカム側端部に向かってなだらかな傾斜を持って研磨される。従って、硬化部２と未硬化部３との境界部分が明確なエッジを形成することが無いので、相手部材と強く当接することも防止でき、損傷の発生をより抑制することができる。
【００２０】
また、ショットブラスト処理では、再溶融表面硬化処理部の形状に沿って研磨できるので、硬化部の最大幅を相手部材との摺動面として使用することができる。
【００２１】
ショットブラスト処理のショットは、特に限定はないが、硬さがＨＶ５００〜９００で、粒径が０．１〜３ｍｍの鋼球が望ましい。ショット粒径が０．１ｍｍ未満では、研磨効果が小さく、一方、３ｍｍを越えると硬化部に損傷を与えることがあり好ましくない。より好ましくは、０．５〜１．５ｍｍである。
【００２２】
研磨により得られる段差は、２０〜１０００μｍが適当である。段差が２０μｍ未満では、摩耗が進むと未硬化部に接触する可能性があり、一方、１０００μｍを越えると研磨時間に見合う効果が得られないので好ましくない。より好ましくは、２０〜１００μｍである。
【００２３】
なお、再溶融表面硬化処理はカムの全周にわたって施されるが、ショットブラストなどによる研磨は、カムノーズ部を中心に±３０゜程度の範囲に施すことが望ましい。この範囲では相手部材との摺動により面圧が高くなり、損傷の発生する傾向が大きいためである。
【００２４】
通常のショットブラストの代わりにＷＰＣ処理によって同様な研磨を行うこともできる。ＷＰＣ処理は、４０〜２００μｍの合金鋼などの特殊なショットを高速で投射して、金属表面に高硬度で靭性に富んだ微細な組織を形成し、さらに、内部圧縮残留応力を高める処理である。従って、このＷＰＣ処理を施すことにより、表面研磨とともに圧縮残留応力をも未硬化部表面に付与することができるために耐ピッチング性をより高めることができる。
【００２５】
本発明のカムシャフトの製造方法は、カムシャフトを形成する鋳造工程と、高エネルギビームによりカム表面を再溶融チル化する表面硬化工程と、未硬化表面を研磨して硬化部との段差を形成する研磨工程と、を有することを特徴とする。
【００２６】
カムシャフトの素材は特に限定しないが、ネズミ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、あるいは、ＣｒやＭｏなどを０．０５〜１０重量％程度含む合金鋳鉄などを例示することができる。また、カムシャフトの鋳造方法は、砂型鋳造、金型鋳造など通常用いられる方法を採用することができる。鋳造して得られたカムシャフト粗材は、必要に応じて切削加工を施こす。
【００２７】
次に、各カム表面にその両側端部を除いて高密度エネルギビームによる再溶融表面硬化処理を施す。高密度エネルギビームとしては、ＴＩＧアーク、レーザ、電子ビームなどを例示することができる。なかでもＴＩＧアークは取り扱いが容易であるので好適に使用することができる。このとき、カム面の幅の５０〜９５％を表面硬化するのが好ましい。再溶融表面硬化処理したカム面は凹凸が激しいのでプロファイルの調整と同時に、表面粗さを２μｍＲｚ程度になるように研磨する。
【００２８】
続いてカムノーズを中心にして±３０゜程度の範囲に前記のショットを投射し、未硬化部を研磨する。研磨の程度はノギスなどで段差を測定することにより確認することができる。
【００２９】
ショットブラストされたカム表面は粗面となっているので、ペーパラップなどで１μｍＲｚ程度に表面粗さを整えて所望のカムシャフトを得る。
【００３０】
以上のようにして得られたカムシャフトは、再溶融表面硬化部と未硬化部との間に段差が形成されているので、未硬化部とバルブリフタやロッカアームなどの相手部材が接触することがなく、未硬化部からのピッチングやスカッフィングなどの異常摩耗の発生を防止することができる。
【００３１】
【実施例】
以下実施例によりさらに詳しく説明する。
（製造方法）
Ｃ：３．３重量％（以降％は重量％である）、Ｓｉ：２％、Ｍｎ：０．５％、Ｃｒ：０．６％、Ｍｏ：０．３％、残部がＦｅおよび不可避元素からなる組成の鋳鉄製のカムシャフトを準備し、これを粗加工してカムシャフト粗材とした。次にこのカムシャフト粗材の各カム面に、その両側端部を除いてＴＩＧアークにより再溶融表面硬化処理を施した。この再溶融表面硬化処理は、ワーク回転数：０．５ｒｐｍ、オシレート幅：８ｍｍ、出力：３００Ａ、オシレート回数：２０回／分の条件とした。
【００３２】
次に、再溶融表面硬化処理を施したカム面をボラゾン砥石で研削加工して、１〜３μｍＲｚの表面とした。
【００３３】
以上のようにして得られた、カムシャフトのカムノーズ部をショットブラストにより研磨して、カム面の硬化部と未硬化部とに段差を形成したカムシャフトを製作した。
【００３４】
ショットブラスト粒子は、０．５〜１．５ｍｍの粒径で、硬さが約ＨＶ８００の鋼球のショットを用い、投射速度：約５０ｍ／ｍｉｎでカムノーズ部をねらい各カム毎にショットを行った。表面硬化処理部と未硬化部との段差は２０μｍ以上となるようにノギスで測定しながら研磨して約５０μｍとした。さらに、カム表面をペーパラップで２μｍＲｚ程度に仕上げて実施例のカムシャフトを得た。
【００３５】
一方、実施例と同様に鋳造し、ＴＩＧアークにより再溶融表面硬化処理を施してさらにカム面を研削加工した、ショトブラスト研磨を施さないカムシャフトを比較例として準備した。
（評価方法）
得られた実施例および比較例のカムシャフトを、それぞれ排気量１５００ｃｃで直列４気筒−４バルブ（１６カムあり）エンジンのヘッド単体試験機を用いて評価した。なお、ヘッド単体試験機は、シリンダヘッドを台に取り付けて油圧配管を接続して別途ポンプから供給できるようにした試験機であって、ベルトを介してカムシャフトをモータで駆動するものである。
【００３６】
また、エンジンオイルは、約１万ｋｍ一般走行した車両から劣化油を回収して試験に供した。シリンダヘッドの油圧は、通常の油圧より低い０．２ｋｇｆ／ｃｍ２とした。バルブリフタは、浸炭焼き入れしたリフタ（表面粗さ４μｍＲｚ）を試作して供試した。エンジン回転数は５０００ｒｐｍ相当であり、カム回転数は２５００ｒｐｍであった。
【００３７】
以上の試験条件で１００時間連続運転して試験した後の各カムの表面を目視観察した。目視観察は、各カム面のスカッフィング発生の有無を確認するものである。ここで、スカッフィングが発生していれば、そのカムは損傷カムとカウントする。実施例および比較例共に１６個のカムを有するカムシャフトであるが、この１６個のカムに占める損傷カムの割合をスカッフィング発生率と定義して評価した。
【００３８】
比較例のカムシャフトのスカッフィング発生率を１００％として、本実施例のカムシャフトではスカッフィング発生率は約４５％であった。すなわち、本発明によるカムシャフトは、従来のカムシャフトと比較して、スカッフィング発生率が半減することが確認できた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によるカムシャフトおよびその製造方法によれば、カム面の再溶融表面硬化部と未硬化部との間に段差が形成されるので、カム面の未硬化部とバルブリフタやロッカアームなどの相手部材とが接触することがない。従って、カム面におけるピッチングやスカッフィングなどの異常摩耗の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カムノーズ部のショットブラスト処理前の形状を示す断面模式図で
ある。
【図２】カムノーズ部の幅方向の硬さの変化を示す図である。
【図３】カムノーズ部のショットブラスト処理後の形状を示す断面模式図で
ある。
【符号の説明】
１：カムノーズ部  ２：硬化部  ３：未硬化部  ｇ：段差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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