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OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

11 Número de publicación: 2 233 357

51 Int. Cl. : B21D 53/84

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ESPAÑA

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TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA

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86 Número de solicitud europea: 00918679 .2

86 Fecha de presentación: 23.02.2000

87 Número de publicación de la solicitud: 1107839

87 Fecha de publicación de la solicitud: 20.06.2001

54 Título: Procedimiento para fabricar un árbol de levas y árbol de levas fabricado posteriormente.

30 Prioridad: 03.03.1999 DE 199 09 184

09.07.1999 DE 199 32 810 09.02.2000 DE 100 05 690

45 Fecha de publicación de la mención BOPI:

16.06.2005

73 Titular/es: SE Sächsische Elektronenstrahl GmbH

Otto-Schmerbach-Strasse, 21A 09117 Chemnitz, DE

72 Inventor/es: Furchheim, Bodo y

Le Thien, Hoang

45 Fecha de la publicación del folleto de la patente:

74 Agente: Carvajal y Urquijo, Isabel

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16.06.2005

Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art. 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCIÓN Procedimiento para fabricar un árbol de levas y árbol de levas fabricado posteriormente. La invención se refiere a un procedimiento para fabricar árboles de levas y a un árbol de levas fabricado según este procedimiento. Preferiblemente, se trata de árboles de levas para motores para automóviles, no obstante, el procedimiento también es apropiado para fabricar productos similares, tal como, por ejemplo, discos de levas dispuestos en un árbol. Son elementos que transforman un movimiento de rotación en un movimiento de elevación, ya que los elementos elevadores discurren en discos rotatorios con distinta curvatura y se desplazan en contra de la dirección de giro. Se conocen árboles de levas que están fabricados de una pieza, es decir, forjados o fundidos. Las superficies de deslizamiento de las levas que sufren el desgaste están refundidas mediante haces de láser, haces electrónicos o TIG (tungsteno bajo gas inerte) según un tratamiento mecánico por arranque de virutas o, por ejemplo, endurecidas inductivamente o según un proceso térmico / químico. A continuación, se realiza el tratamiento mecánico adicional, por ejemplo, el rectificado del soporte y de las formas de las levas. Estos árboles de levas tienen la desventaja de que su peso y la masa que va a moverse con ello es muy grande. La gran masa del árbol de levas repercute desventajosamente en el consumo de combustible. Otra desventaja es el gran esfuerzo mecánico al procesar la pieza en bruto. Además, se conoce el fabricar árboles de levas a partir de piezas individuales. Las levas individuales se llevan al árbol y, preferiblemente, se unen con éste mediante soldadura, se montan a presión o en caliente. Con ello, se elimina de una vez el defecto del gran peso de los discos de levas macizos, dado que el árbol puede ser un árbol hueco, sin embargo, el esfuerzo de fabricación es aún muy alto. En otra forma de realización del procedimiento, también se conoce el sujetar las levas individuales en el árbol de levas de tal manera que el árbol hueco se ensancha mediante la acción de la presión después de deslizar las levas. Como medios de presión se emplean preferiblemente fluidos. La presión se genera mediante émbolos o pistones (DE 34 09 541; 35 21 206; US 4 660 269; 5 259 268). Sin embargo, este procedimiento tiene la desventaja de que la fabricación de las piezas individuales, especialmente el ensamblaje, es tecnológicamente complicado y limita el contorno interior de las levas. Además, se conoce el fabricar árboles de levas de manera que un cuerpo hueco oblongo, es decir, un árbol hueco, genera de forma individual, una tras otra o simultáneamente conformaciones que actúan como levas (DE-A-196 17 593) mediante un procedimiento de remodelado de alta presión interna (denominado procedimiento RAPI). De forma correspondiente, las herramientas de dos piezas o de cuatro piezas garantizan, mediante el enganche del árbol hueco en la dirección axial, que las levas se originen de forma definida en su posición y se realice una conformación de una pieza (WO 97/46341). Sin embargo, el árbol de levas fabricado según este procedimiento adolece del defecto de que los costes de fabricación son más reducidos en comparación con 2

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los árboles de levas forjados o ensamblados, pero la resistencia al desgaste de la superficie de las levas es insuficiente. No es posible practicar el procedimiento de remodelación de alta presión interna con un material que garantiza la resistencia al desgaste. Además, no es posible generar una superficie de deslizamiento plana de las levas con una separación reducida de las levas en el árbol, tal como se requiere generalmente en motores de automóviles, dado que, en los puntos de mayor grado de remodelado, el material se debilita forzosamente, lo que influye negativamente en la resistencia. Si para el árbol hueco se utiliza un material que contribuye a reducir estos defectos, entonces éste permite una buena remodelación, pero la dureza o la resistencia al desgaste no pueden conseguirse propiamente mediante un proceso de endurecimiento posterior. Sin embargo, la dureza y la resistencia al desgaste de las levas son un requisito básico para una vida útil larga de los árboles de levas en el motor de automóviles. También es muy difícil, en caso de que sea posible, conseguir el grosor de material necesario en todo el área del árbol de levas, es decir, el propio árbol y, especialmente, los flancos y puntas de la leva. Además, se conoce el fabricar secciones de tubo que forman la vía de levas con un perfilado excéntrico y reforzarlos utilizando una unión por ajuste prensado. La fabricación de la leva se realiza mediante un remodelado explosivo de un tubo. Las levas individuales se sujetan en el árbol de levas desplazadas entre sí de forma correspondiente (DD 243 223). Estos árboles de levas fabricados actualmente requieren un gran esfuerzo de fabricación y tienen un gran peso. El proceso de remodelado plástico no puede controlarse en función del tiempo. La invención se basa en el objetivo de crear un procedimiento para fabricar árboles de levas con el cual, utilizando el procedimiento conocido de remodelación de alta presión interna, pueden fabricarse árboles de levas que son resistentes, presentan una reducida deformación permanente, poseen una alta resistencia a la torsión y poseen una gran rigidez a la flexión en las superficies de carga en los flancos y puntas de las levas. El procedimiento de fabricación debe ser sencillo. Debe suprimirse una aplicación de una capa adicional, es decir, una capa protectora contra el desgaste, en una etapa adicional del proceso, así como los costosos tratamientos mecánicos posteriores. El empleo de materiales debe ser reducido. Debe reducirse el número de piezas individuales necesarias para todo el árbol de levas en comparación con los procedimientos de fabricación conocidos para los árboles de levas. Según la invención, el objetivo se consigue según las características de las reivindicaciones 1 y 8. Las configuraciones ventajosas están descritas en las reivindicaciones 2 a 7 y 9 a 17. La esencia de la invención consiste en que en un procedimiento separado se fabrican anillos de soporte correspondientemente duros y resistentes al desgaste con grosores de pared reducidos y la forma definitiva de la leva, estos anillos de soporte se colocan mediante remodelación de alta presión interna (denominada RAPI) en una herramienta RAPI y, mediante la herramienta RAPI y las fuerzas axiales introducidas en el tubo en conexión con las fuerzas internas generadas mediante un medio de presión, se realiza una remo-

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delación del tubo en una o dos etapas para formar el árbol de levas. Al finalizar el proceso de remodelación, se efectúa la unión de la leva en arrastre de fuerza y forma con el anillo de soporte. En los extremos del árbol de levas están dispuestos elementos de apoyo, conocidos en sí mismos, que se sujetan de forma conocida. En otra configuración ventajosa del procedimiento, en una etapa del procedimiento que se antepone al procedimiento mencionado anteriormente, se deforma un tubo, hecho de un material que cumple los requisitos mecánicos y las propiedades necesarias para la deformación, mediante el modelado conocido, también denominado “reducción rotatoria”, o el recalcado, de manera que se remodela de forma dúctil todo o parte del tubo, o sólo los extremos del árbol de levas, es decir, por ejemplo, se estiran y / o se engrosar. En los extremos se crean elementos de moldeo para los elementos de accionamiento y control, por ejemplo, el asiento para las ruedas dentadas. En las siguientes etapas del procedimiento mencionadas anteriormente, mediante el procedimiento RAPI se ensancha el tubo en el área en el que están dispuestas las levas, de modo que anteriormente se introducen en la herramienta RAPI los anillos de soporte de forma correspondiente a las posiciones de las levas. En las levas que se desarrollan de forma muy puntiaguda, cuando los anillos de soporte tienen un mismo grosor de pared, aparece la desventaja de que el tubo está sujeto a un alto grado de remodelación y, en determinadas circunstancias, es necesario un proceso de remodelación de varias etapas. Con ello, aumentan los costes de fabricación al tiempo que desciende la productividad. Además, fuera del árbol de levas, en la culata, existen contornos perturbadores entre o junto a las levas. Éstas limitan el espacio estructural disponible y se dificulta el proceso RAPI. Esta limitación se elimina, en caso de que sea posible, sólo mediante un complicado proceso RAPI de varias etapas. Esto requiere a su vez altos costes de fabricación. Por tanto, una configuración ventajosa del procedimiento o del árbol fabricado acorde con él consiste en que los anillos de soporte, que se fabrican en un procedimiento separado, se corresponden por fuera con el contorno limitado funcionalmente y, en el interior, presentan un diámetro algo mayor que el del tubo. El espesor de pared del anillo de soporte no es uniformemente grueso, sino que en el área de la punta de las levas presenta un grosor mayor. Esto significa que el anillo de soporte tiene un grosor variable como las levas y el contorno interior no es ningún círculo. El procedimiento según la invención consiste fundamentalmente en que dos o varios modernos procedimientos de fabricación conocidos se combinan entre sí. Es ventajoso aplicar como mínimo una acanaladura de forma radial en el anillo de soporte para evitar el desplazamiento lateral del anillo de soporte, rellenándose esta acanaladura con material del árbol bajo la acción de la presión. Otra configuración ventajosa del procedimiento consiste en que se sujetan elementos de accionamiento y / o control en el árbol también mediante el procedimiento RAPI. Asimismo, pueden generarse superficies de apoyo mediante el ensanchamiento del tubo mediante el procedimiento RAPI. Es ventajoso en especial el endurecimiento por deformación en frío del material del tubo que se origina a consecuencia del

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proceso de deformación dúctil. El árbol de levas fabricado de acuerdo con el procedimiento según la invención tiene un peso muy ligero debido a las levas huecas y a los anillos de soporte de pared muy fina y tiene una gran rigidez. Existe la ventaja de que los anillos de soporte no deben ser mecanizados posteriormente o sólo un poco. Su dureza ya viene dada de forma correspondiente a los requisitos, lo que ahorra temples posteriores de lo contrario habituales, por ejemplo, el temple por inducción o temple por refundición en un proceso de vacío. Gracias a la configuración adicional del procedimiento, aparece otra ventaja adicional, ya que, a diferencia de todos los procesos de fabricación conocidos, la reducción rotatoria o el recalcado, junto con el procedimiento RAPI, requiere un esfuerzo de fabricación muy pequeño y, por tanto, también costes reducidos. Estos disminuyen sobre todo porque el número de piezas individuales independientes a fabricar y, a continuación, a ensamblar es muy reducido. Gracias a la fabricación según la invención se suprimen fuentes de errores que podría aparecer mediante el ensamblado de piezas finales que se realizaba hasta el momento. Una ventaja fundamental del procedimiento consiste también en que, gracias al proceso de modelación, pueden fabricarse elementos funcionales que requieren un mecanizado posterior muy reducido en su geometría, precisión dimensional y calidad superficial. A menudo, sólo es necesario un proceso abrasivo para alcanzar el estado acabado. El árbol de levas fabricado de acuerdo con el procedimiento según la invención se compone de un número reducido de piezas individuales. Al finalizar el proceso de remodelación, los anillos de soporte están unidos con el árbol en arrastre de fuerza y de forma. También es ventajoso dotar de biseles al anillo de soporte por uno o por los dos lados en el lado dirigido al tubo. De esta forma, también se evita el desplazamiento lateral en el árbol. Una realización ventajosa de los anillos de soporte consiste en que el anillo de soporte, en contraposición al estado de la técnica, está hecho de materiales sintéticos o de materiales sinterizados. Estos materiales ofrecen la ventaja de una fabricación sencilla con bajos costes de fabricación. Pueden utilizarse además materiales cerámicos. Estos tienen la ventaja de producir, con las máximas resistencias al desgaste y el peso mínimo, los árboles de levas más ligeros. Otra configuración ventajosa del árbol de levas consiste en que el tubo está hecho de aluminio o titanio. De esta forma, el árbol de levas es muy ligero. La invención se describe en dos ejemplos de realización. Los dibujos correspondientes muestran en la figura 1: un corte longitudinal a través de un árbol de levas acabado, la figura 2: un corte transversal a través de una leva en el árbol, la figura 3: un detalle en corte transversal a través de una leva en el árbol, la figura 4: un árbol de levas con extremos deformados mediante reducción rotatoria / recalcado, la figura 5: un árbol de levas con anillos de soporte de grosor variable en corte. Las figuras 1 a 3 muestran la fabricación de un árbol de levas según el procedimiento RAPI. En un tubo 1 de pared fina hecho de un material que puede deformarse fácilmente se fabrica el árbol 3

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de levas de forma aproximada al contorno en un molde para el prensado; es decir, los puntos en los que se asienta una leva 2 se conforman de modo correspondiente a las dimensiones de la leva 2 y su posición. El árbol con sus levas es un único cuerpo hueco. En un proceso conocido se fabrican de forma independiente anillos 3 de soporte, tal como puede observarse en las figuras 2 y 3. Para ello, por ejemplo, se perfila un tubo hecho de material resistente al desgaste, de manera que viene dada la forma definitiva del anillo 3 de soporte (leva), y se endurece. El tubo 1 prefabricado, que se remodela para formar el árbol de levas, se desplaza a través de los anillos 3 de soporte y, junto con ellos, se introduce en la herramienta de remodelado abierta. De esta forma, todas las piezas individuales están fijadas en su posición. La herramienta de remodelado se cierra de forma axial y la entrada de fuerzas para el remodelado puede realizarse de forma radial. La entrada de fuerzas comienza con una fuerza axial definida en el tubo 1 y / o la herramienta, soportada por una presión interna definida en el tubo 1. Tras el cierre total de la herramienta de forma axial y radial, con un proceso RAPI puro, se lleva a cabo la unión en arrastre de forma y fuerza del tubo 1 y el anillo 3 de soporte. Al final del tubo 1 se montan elementos 5 de accionamiento o soporte de forma conocida. También es posible sujetarlos en el tubo 1 mediante el proceso RAPI. También es posible realizar una acanaladura 4 de forma radial en el interior del anillo 3 de soporte, con lo que se mejora la sujeción en las levas 2, ya que esta acanaladura 4 se rellena con el material del tubo 1. También es posible dotar de fases al anillo 3 de soporte en el diámetro interno, las cuales se llenan con material en el proceso RAPI que cierra herméticamente. En otro ejemplo, la fabricación de un árbol de levas mediante el procedimiento RAPI se describe en combinación con los procesos de modelado según la figura 4. El tubo 1, hecho de un material que puede deformarse fácilmente, se deforma engrosándose en sus extremos mediante reducción rotatoria o recalcado. De

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esta forma, en un lado se reduce su diámetro DI interno y se fabrica su diámetro DA externo, de manera que se origina una zona 6 que refuerza el árbol de levas. En el extremo más exterior se origina un elemento 7 funcional cuyo asiento se lleva a su medida final mediante rectificado. También se reduce el diámetro DI interno en el otro extremo, igualmente mediante el modelado o recalcado, al mismo tiempo que el modelado del extremo ya descrito, y se crea otro elemento 7 funcional (asiento del soporte, levas de control, etc.). En la siguiente etapa del procedimiento también se recalca conjuntamente el collar 8, que es necesario para sujetar mediante bridas otras agrupaciones. Tras la primera etapa del procedimiento se sujetan los anillos 3 de soporte, fabricados en un procedimiento independiente, que corresponden a la forma de las levas, y la rueda de cadena (no mostrada) en arrastre de fuerza y forma mediante el procedimiento RAPI. Para ello, los anillos 3 de soporte y la rueda de cadena se introducen en la herramienta RAPI. En la figura 5 se muestra una forma de realización del árbol de levas en la que el anillo 3 de soporte posee un grosor diferente. El tubo 1, hecho de un material que puede deformarse fácilmente, tiene un diámetro da externo. El anillo 3 de soporte, hecho de metal sinterizado, tiene por fuera la forma condicionada funcionalmente y en el interior no es un círculo. Su diámetro DI interno es algo mayor que el diámetro da externo del tubo 1. El grosor del anillo 3 de soporte no es constante. La altura A, que se origina cuando se parte de un grosor constante del anillo de soporte, es mayor que la altura A’ de la deformación máxima del tubo 1 y, con ello, el radio Ri ’ en la zona de la deformación del tubo 1 es mayor en comparación con Ri en el caso del mismo grosor c supuesto del anillo 3 de soporte. En esta zona, el grosor c’ del anillo 3 de soporte es mayor y se desarrolla al grosor c constante. Si también el anillo 3 de soporte en esta forma es ligeramente más caro en su fabricación, entonces prevalecen los costes reducidos para el procedimiento RAPI, que es posible en una sola etapa.

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REIVINDICACIONES 1. Procedimiento para fabricar un árbol de levas a partir de un tubo (1), el cual se deforma mediante la acción de fuerzas axiales y un medio con alta presión interna, caracterizado porque el anillo (3) de soporte, fabricado en un procedimiento separado, que corresponde con el contorno de las levas, la dureza, solidez y resistencia al desgaste necesarias, junto con el tubo (1) a remodelar se introducen en una herramienta de remodelado de alta presión interna, y porque, mediante la acción de fuerzas axiales y de un medio con una alta presión interna, se configuran levas (2) mediante ensanchamiento del tubo (1), y los anillos (3) de soporte se sujetan en las levas (2) en arrastre de fuerza y de forma. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque, en una primera etapa del procedimiento anterior a la remodelación de alta presión interna, las áreas, preferiblemente los extremos del tubo (1) que están fuera del área, en las que se asientan las levas (2) se modelan y / o recalcan de manera que éstas se ensanchan y / o estiran y, con ello, se forman otros elementos funcionales. 3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque entre los extremos de los árboles de levas, en la primera etapa del procedimiento anterior a la remodelación de alta presión interna, las superficies de apoyo y las áreas posteriores en las que se asientan las levas (2) se generan mediante reducción rotatoria, reduciendo el diámetro en esta área a una medida deseada. 4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque entre las levas (2) se generan superficies de apoyo mediante remodelación de alta presión interna, por medio del ensanchamiento del tubo (1). 5. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los anillos (3) de soporte se endurecen de forma conocida antes de introducirlos en la herramienta de remodelado de alta presión interna. 6. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque una rueda dentada o de cadena fabricada en una etapa independiente se introduce en la herramienta de remodelado de alta presión interna y se une en arrastre de fuerza y / o forma mediante la remodelación de alta presión interna. 7. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque, tras fabricar los extremos engrosados o estrechados del árbol de levas mediante reducción rotatoria, en una etapa adicional del procedimiento integrada en esta etapa del procedimiento, se fabrica un dentado interno y / o una rosca.

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8. Árbol de levas, fabricado según la reivindicación 1, que presenta un tubo (1) y elementos funcionales unidos con el tubo (1), especialmente levas (2), caracterizado porque las levas (2) están configuradas de forma aproximada al contorno respecto a la forma y posición, mediante un procedimiento de remodelación de alta presión interna, por medio de la deformación del tubo (1), porque un anillo (3) de soporte formado según el contorno de las levas, hecho de un material duro resistente al desgaste, está montado en las levas (2) en arrastre de fuerza y de forma, y porque en los extremos del tubo (1) están montados elementos de soporte y / o accionamiento y / o control. 9. Árbol de levas según la reivindicación 8, caracterizado porque los anillos (3) de soporte poseen el mismo grosor de pared. 10. Árbol de levas según la reivindicación 8, caracterizado porque el grosor de los anillos (3) de soporte es variable, de modo que el grosor es mayor en el área de la punta de las levas. 11. Árbol de levas según la reivindicación 8, caracterizado porque el anillo (3) de soporte está compuesto de metal sinterizado, material sintético o cerámica. 12. Árbol de levas según la reivindicación 8, caracterizado porque el tubo (1) está hecho de aluminio, magnesio o titanio, o sus aleaciones. 13. Árbol de levas según la reivindicación 8, caracterizado porque los extremos del tubo (1) están deformados mediante modelado de tal manera que, mediante el ensanchamiento o estrechamiento del diámetro (Di ; da ) original del tubo (1), se generan superficies de apoyo, elementos de accionamiento y / o control y roscas interiores y / o exteriores. 14. Árbol de levas según la reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de accionamiento y control, preferiblemente ruedas dentadas o de cadena, se montan mediante el procedimiento de remodelación de alta presión interna. 15. Árbol de levas según la reivindicación 14, caracterizado porque en el anillo (3) de soporte y en los elementos de accionamiento y control está realizada al menos una acanaladura (4) que discurre de forma radial. 16. Árbol de levas según la reivindicación 14, caracterizado porque el lado dirigido al tubo (1) del anillo (3) de soporte y los elementos de accionamiento presenta biseles por uno o por los dos lados del lado dirigido al tubo (1). 17. Árbol de levas según la reivindicación 8, caracterizado porque el anillo (3) de soporte se endurece antes de montarlo en las levas modeladas.

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