CN100475383C - 生产旋转对称的下切轮廓的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在工件(13)上生产大致旋转对称的下切轮廓的方法，该工件可通过例如锻造或铸造来生产，所述工件具有至少一个待机加工出大致对称的初始轮廓的分段(14)。该工件(13)的不被机加工的端部被夹紧在一凹槽(11)中，所述工件的待机加工的分段(14)在所述凹槽(11)中被移向一工具(12)。该工具(12)以恒定或可变的速度相对于所述工件(13)的待机加工分段(14)旋转。就这样在轴向压力作用下通过机加工在该工件(13)的分段(14)上生产一下切轮廓。

Description

生产旋转对称的下切轮廓的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对工件上大致旋转对称的下切轮廓(undercutcontour)进行无屑非切削生产的方法，以及涉及通过该方法制造的工件。这种下切轮廓尤其可形成在通过锻造、铸造或切削生产制造的工件的分段上。

背景技术

目前为止现有技术中已知的方法，都是通过切削方式来制造旋转对称的下切轮廓，比如商用车辆柴油发动机活塞上的冷却通道。也就是说，通过诸如车削、研磨或切削之类的材料去除方法来机加工例如通过锻造或铸造制造而成的初始工件，以产生下切轮廓。

这些已知方法的缺点一方面是高碎屑程度，尤其是在例如活塞这样需要进行整体机加工的大量生产物品的内部轮廓的情况下，其缺点另一方面是在常规制造的产品中伴随出现的颗粒中断。这种中断导致工件结构上不牢固，从而不利地影响最终产品的耐磨性、使用寿命以及成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产大致旋转对称的下切轮廓的方法，该方法能够简单从而快速且更少花费地进行加工。

该目的可通过具有以下特征的方法来实现。较佳实施例限定在从属权利要求中。

要利用所述方法进行加工的工件包括至少一个待加工分段，所述分段具有大致对称，优选旋转对称的初始轮廓，比如多边形的、圆柱形的或直圆锥形状的轴，以及在加工过程中所述工件可绕其旋转的旋转轴线。该工件的待加工分段可被设计成实心、部分实心或者空心的形式。根据本发明的方法，首先通过例如正锁定和/或摩擦锁定将该工件不被加工的第一端部夹入一夹套中。然后该工件可随该夹套一起相对于一工具而移向该工具。随后，所述以恒定或可变速度绕相对于该工件的中心轴线旋转的工具与该工件的待加工的大致对称(优选旋转对称)的第二端部相靠接。由此，可以在加工步骤中在所述工具向所述第二端部施加轴向压力的同时，在活塞上无屑地生产例如冷却通道这样的下切轮廓。

此外，利用根据本发明的方法，可容易地设定下切轮廓的机加工尺寸，以便仅需要最终的机械精加工过程即可获得最终产品。结果，制造过程变得更快，因而花费更少。

优选地，与所述加工步骤相关的所述工件和工具朝向彼此的移动是一种提供加工所需轴向压力的进给运动。这种进给运动可通过所述工具或通过平行进给运动由所述工件和夹套来实现。

与上述常规方法相比的优点来自这样的事实，即在根据本发明的加工步骤中，材料没有被研磨或切除或以任何其他方式去除，从而在所述材料中形成连续且不间断的颗粒，所述颗粒大致平行于所述形成的下切轮廓延伸。这显著地增加了成品的材料强度和使用寿命。同样，通过对所处理的工件段进行全部加工，最终产品中可能出现的裂纹被进一步减少。

根据一优选实施例，在该加工步骤中将形成的下切轮廓可相对于该工件的待加工分段的初始轮廓以旋转对称的方式向内或向外定向。之前必须通过切屑研磨生产的柴油发动机活塞的内冷却通道和/或外冷却通道，可在此引用作为向内或向外定向轮廓的具体实例。例如，向外定向的下切轮廓也可位于之前同样必须通过切屑机加工生产的前轴壳体上。根据本发明的方法可以以结构上更稳定的方式生产这两种类型的轮廓。

用于根据本发明方法中的所述工具根据待加工的工件可具有对称或非对称的工具轮廓。而且，已经证实，所述工具以第一速度旋转而所述工件以可被选择为不同于该第一速度的第二速度旋转是有利的。所述工具的速度与该工件的速度差异可达到30％。如果所述工具和/或所述夹套的驱动系统另外还具有一飞轮，则可改变所述第一速度和/或第二速度。这将导致非常规则的材料流，并且因此改善了最终产品的性能。

对于需要使位于该工件的待加工的大致对称的分段和所述工具之间的摩擦表面保持较大的应用，可使该待加工分段的旋转轴线和所述工具的中心轴线成一条直线。然而，如果需要更低的摩擦，即更小的摩擦表面，比如在工件的所述待加工分段是实心的情况下，所述待加工分段的旋转轴线与所述工具的中心轴线根据一进一步的优选实施例，可偏离一偏心量e。所述偏心量可被调整为，所述旋转工具以轴向振荡的方式围绕该待加工工件段的中心轴线旋转。这种轴向振荡例如可通过所述工具的径向进给运动来实现。而且，摩擦表面的减少由于仅存在局部接触，所以可提供需要更少的力因而需要更少的能量进行加工的优点。

根据另一较佳实施例，整个工件在根据在先加工工序确定的温度分布下经历该方法，或者在该方法之前的步骤中被加热到例如适于所述材料的锻造温度。结果，所述材料的流动应力(屈服强度)降低，并有利于加工所述旋转对称的工件分段。

特别优选的是，可将所述下切的几何结构调整为使得所述待加工分段具有由于例如在前一步骤中有目的地加热而获得的确定温度分布。由此所述几何结构尤其包括所形成的下切的长度以及其间隙。由于此方法特征，一方面简化了加工(更低的流动应力)，另一方面使加工更精确且更具重现性。

此外，根据本发明的方法可以确定所述下切外轮廓的精确形状。为此，在加工步骤中要生产的所述下切外轮廓通过压紧一个或更多的自由支撑的或被驱动的工具来限定。这种压紧可通过沿大致径向方向顶靠正在形成的所述下切来实现。同样可应用例如可枢转工具这样的附加工具来限定由要形成的下切轮廓形成的间隙。由此，该附加工具可被设计为，使其可用于以限定方式，在一次操作中，不仅调整所述外轮廓，而且调整前表面、从所述前表面到侧表面的锐缘过渡以及间隙。以这种方式，复杂的下切轮廓可准确定制形成。

因此，利用根据本发明方法生产的工件的特征在于连续且不间断的颗粒流，所述颗粒流大致平行于所述形成的下切轮廓。这种颗粒流增加所述材料的负荷能力、使用寿命和无裂纹性，从而总体上提高工件质量。另外，生产成品的时间被大大缩短，这必定会影响成本效益比率。

可通过本发明方法处理的工件可以由各种材料组成。例如，对于柴油发动机活塞，使用钢来获得高性能商用车辆的发动机，而使用铝硅合金来获得低压缩比的客车发动机。

附图说明

现在将参照根据图1至图7的示例性实施例对本发明进行说明。

图1示意性表示该方法所需部件的布置，其中选择钢活塞作为工件。

图2表示以锻造的钢活塞作为初始工件为例的根据本发明方法的工序。

图3表示利用被驱动的或被自由支撑的工具来选择定制形成该外轮廓，以及利用可枢转工具形成间隙。

图4表示作为另一实例的前轴壳体的一截面，其中待加工的外轮廓在加工过程之前和之后均被图示。

图5表示形成气密冷却通道的加工顺序，其中材料流被向内引导。

图6和图7表示另外的形成气密冷却通道的加工顺序，但其中材料流被向外引导。

具体实施方式

利用图1-图3所示的方法，在用于高性能柴油发动机的锻造的钢制活塞上可形成旋转对称的下切外轮廓。根据本发明的方法利用图1中所图示的装置来实现，该装置包括：用于夹持工件13的夹套11，用于加工该工件的工具12，以及用于将所述夹套与工件13一起向工具12进给的装置(未示出)。这里，所述工具12包括一圆周轮缘，该圆周轮缘用于径向限制在加工过程中产生的材料流。所述用于本示例性实施例中作为工件13的钢制活塞包括一空心的旋转对称的分段14，该分段14构成所述钢制活塞的待加工端部。在通过进给运动来施加加工所需的轴向压力的作用下，所述加工工具12靠接此分段。

所述夹套11可与其中夹持的工件13一起围绕旋转轴线15旋转，而所述工具12可围绕其中心轴线16旋转。所述夹套和工具都包括旋转驱动装置(未示出)，所述旋转驱动装置可各自具有一飞轮并且它们的速度可分别通过速度调节装置进行调整。

所述工具的中心轴线16一方面可以与所述夹套的旋转轴线15重合，或者也可以与该旋转轴线平行偏置(偏心量e＞0)。

在第一种情况下，所述工具12和工件待加工分段14之间出现的摩擦仅由于工具12和夹套11圆周速度之间的差而产生，因此该摩擦可通过速度调节装置来确定。因此，尤其是对于象铝这样的非常软的工件材料而言，可将此摩擦限制到最小值，以便避免可能由于过度摩擦而导致的可能的材料损失。然而，如果使用象钢这样的较硬材料，则常常需要减少工具12和工件待加工分段14之间的摩擦，以便实现对所引起的力和力矩的限制。为此，可以调整工件和工具旋转轴线之间的偏置，即所述偏心量。

图2表示在锻造的钢制活塞21上形成冷却通道22来作为下切外轮廓的加工顺序实例。为此，夹持在所述夹套中的活塞具有由锻造过程确定的温度分布，即大致具有其锻造温度，并且该活塞以例如n₁＝1000/分钟的速度被驱动。所述工具同样被旋转，但以n₂(0)＜n，例如n₂(0)＝750/分钟的更低初始速度旋转。为了进行加工，该活塞在轴向压力的作用下被进给到该工具。在此示例性实施例中，使用所述旋转工具驱动装置的飞轮，以便使该工具的速度n_u自动适应于形成在工具和工件接触面上的成形部分的旋转速度。由于所得到的均匀材料流，因而首先形成该活塞待加工分段的类似法兰的扩展部分23。随着进一步的轴向进给压力，渐进的材料流导致该轮廓弯曲/翻边，接着该材料流可由工具12的凸缘17在径向上限制，从而形成要实现的下切外活塞轮廓。

图3表示用于更好地限定要形成的下切轮廓的两个另外的加工方法。为了获得尺寸尽可能准确的外活塞壁轮廓，一个在此为具有圆柱形设计的附加工具31，在径向压力作用下通过进给机构32被进给到新形成的外轮廓的侧表面，并由此限制在加工过程中产生的径向向外导向的材料流。结果，该新形成的外轮廓的外直径33达到所需数值。为了控制所述工具和外活塞轮廓之间的摩擦，所述附加工具可被自由支撑，或者也可以以例如750/分钟的速度n3被驱动。

此外，所述冷却通道的间隙34可利用可枢转工具35定制形成。此工具被设计成L形，其长臂36靠接于轴向上与弯曲的下切轮廓的进给方向相反的表面上。另一方面，短臂37从外侧接合所述间隙，并且位于该弯曲的下切轮廓的径向向内朝向的表面上。以这种方式，如果必要的话，该可枢转工具35在径向向内方向上和与该活塞夹套的进给方向相对的轴向上均可限制所述材料流。通过结合使用工具31和35，因此可以在活塞上以尺寸准确的方式形成冷却通道，而机械加工余量可有可无。

作为另一实例，图4表示穿过前轴壳体38的一截面，在该截面上，所述待加工分段在加工步骤之前被图示为39，而在加工步骤之后被图示为40。利用根据本发明的方法，在加工之前为圆柱形的所述外轮廓被成形为所需的向外定向的具有下切部分41的外轮廓。

图5图示一钢制活塞的加工顺序实例，其中所述材料流被向内定向。在这种情况下，所述活塞的待加工的旋转对称的分段50通过所述方法被逐渐向内弯曲，直到该分段50接触燃烧碗52的边缘51，从而形成一封闭的、气密的冷却通道53。

此外，气密的冷却通道还可利用为了加工而向外引导的材料流而形成于活塞上，如图6中加工顺序所示。在这种情况下，一单独的环形支架62被安装在所述活塞的外轮廓中，该环形支架径向向外终止该冷却通道。由于根据本发明的方法，该活塞的起初为圆柱形的分段60被重新成形为类似法兰的扩展部分61。最后，分段60在轴向方向上就会停止，并且其侧面朝向该环形支架62上的活塞，扩展部分61和环形支架62通过这种方式形成所述气密的冷却通道63。

而且，利用最后如图7所示的向外引导的材料流，还可以形成不带有环形支架的气密的冷却通道。这里，待加工分段70的材料流同样首先被扩展(扩展部分71)，然后靠在所述活塞的预成型的外轮廓72上被碾压，从而形成气密的冷却通道73。

以下专利权利要求书中公开的方法，可以通过无屑加工在锻造、铸造或者以其他方式制造的活塞上生产旋转对称的下切轮廓。毫无疑问，根据此处给出的实例，同样落入本发明范围内的其他较佳实施例对于本领域技术人员而言是显然的。

Claims (15)

1、一种用于生产在内燃机活塞上的大致旋转对称的下切冷却通道的方法，该活塞具有至少一个待加工分段，所述分段具有大致对称的初始轮廓和一旋转轴线，其中所述分段可被设计为实心的、部分实心的或者空心的，所述方法包括如下步骤：

(A)将所述活塞不被加工的第一端部夹入一夹套中；

(B)将所述活塞与该夹套一起相对于一工具朝向彼此移动；

(C)将以恒定或可变速度相对于该活塞旋转的所述工具与所述活塞的大致对称的第二端部相靠接；以及

(D)通过加工所述第二端部来无屑生产下切冷却通道。

2、根据权利要求1所述的方法，其中步骤B中所述朝向彼此移动是进给运动。

3、根据权利要求1所述的方法，其中在步骤D中要形成的所述下切冷却通道，可相对于所述待加工的活塞分段的初始轮廓以大致旋转对称的方式向内或向外定向。

4、根据权利要求1所述的方法，其中用于步骤C和D中的所述工具具有对称或非对称的工具轮廓。

5、根据权利要求1所述的方法，其中在步骤D中，所述工具以第一速度旋转，所述活塞以第二速度旋转，该第二速度可选择为与所述第一速度不同。

6、根据权利要求5所述的方法，其中所述第一速度和/或第二速度是可变的。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在步骤C和D中，所述待加工的大致对称的活塞段的旋转轴线与所述工具的中心轴线成一条直线。

8、根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在步骤C和D中，所述待加工的大致对称的活塞段的旋转轴线与所述工具的中心轴线偏离一偏心量e。

9、根据权利要求8所述的方法，其中所述偏心量可被调整为，所述旋转工具以轴向振荡的方式围绕所述待加工活塞段的中心轴线旋转。

10、根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中整个所述活塞在基于在步骤A之前的在先加工工序确定的温度分布下经历所述方法的步骤A，或者在步骤A之前的步骤中对所述待加工活塞段进行全部或部分加热。

11、根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述下切的几何结构可调整为，使得所述待加工分段具有确定的温度分布。

12、根据权利要求11所述的方法，其中所述下切的几何结构是所形成的下切的长度以及间隙。

13、根据权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：

(E)将一个或更多自由支撑的或被驱动的工具沿径向方向压靠在正在形成的冷却通道上，以便限定其外轮廓。

14、根据权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：

(F)应用一附加工具来限定由待形成的冷却通道形成的间隙，其中该附加工具被设计为，使其可用于以限定方式且在一次操作中，不仅调整所述外轮廓，还调整前表面、从所述前表面到侧表面的锐缘过渡，以及间隙。

15、一种利用根据权利要求1至14中任一项所述的方法生产的活塞，其特征在于，所述活塞包括连续且不间断的颗粒，所述颗粒大致平行于所述形成的冷却通道。

Images