CN101229628B - 孔的圆柱形内表面精加工方法及其精加工装置 - Google Patents

孔的圆柱形内表面精加工方法及其精加工装置 Download PDF

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Abstract

在对工件中孔或膛孔的圆柱形内表面的精密加工方法中,精加工孔被生产,其具有所期望的尺寸和表面结构。首先在粗加工阶段对孔进行粗加工从而得到粗加工孔,其相对于精加工孔并且以孔直径为基准至少具有70μm的尺寸不足。紧接着粗加工之后,在单独的高性能平整珩磨加工阶段对该粗加工孔进行高性能平整珩磨加工,该阶段使用可扩张的珩磨头来加工高性能平整珩磨孔。高性能平整珩磨加工结果是,通过珩磨至少去除粗加工阶段产生的尺寸不足的90%。在高性能平整珩磨加工中,使用带细磨粒切削体的珩磨头,该切削体设计为使得经过高性能平整珩磨加工的高性能平整珩磨孔的表面结构几乎或完全达到所期望的表面结构。通过本方法,多级加工的加工链可大大地缩短。

Description

孔的圆柱形内表面精加工方法及其精加工装置技术领域
[0001] 本发明涉及一种エ件上孔或膛孔的圆柱形内表面的精加工方法,以及适合于执行这种方法的精加工装置。优选应用领域是发动机制造中部件上的大体圆柱形平整支承表面的精加工,特别是发动机缸体的汽缸工作面的机加工。
背景技术
[0002] 传统的珩磨加工是ー种使用不确定几何形状切削刃的加工方法,其中多刃珩磨エ具执行ー种由两个分运动组成的切削运动,从而形成了具有交叉的加工轨迹或痕迹的机械加工内表面的典型表面结构。珩磨加工可以制造出在尺寸、形状公差和表面结构等方面都能满足极高要求的精加工表面。相应地,例如,发动机制造中汽缸工作面,也就是说发动机缸体或安装在发动机缸体的汽缸衬套内的汽缸孔的内表面,轴的轴承表面以及和端孔内的圆柱形内表面进行珩磨加工。
[0003] 精加工通常含有若干连续的加工阶段。
[0004] 在粗加工阶段,孔的粗加工实质上是用来确定孔期望的位置与角度位置。因为这个目的,在粗加工阶段中,粗加工孔被生产出来,该孔相比所期望的精加工孔来说尺寸要小,然后该孔在下ー个加工阶段被清除,在此阶段形成所期望的孔的宏观形式和所期望的孔的内表面的表面结构。在精密钻孔的帮助下可以进行粗加工,该过程有时也被称为精密车削或精加工。举例来说,精细钻加工中典型的材料去除率在0.5〜Imm范围内(基于直径)。已经提出,用“粗珩磨”エ艺来代替精细钻加工(如由J.Sohmid在konstruieren+giessen 22、1997, n0.4422 到 38 页收录的文章"Spanende Bearbeitungvon Gusseisen mit Vermikulargraphit"所述或者由 U.Klink 和 G.flores in 在 VD1-Z143,2001, n0.6,49 到 56 页收录的文章"Honen-Fortschritte durch optimierteWerkzeuge and Prozesse"所述)。粗;E行磨是衝磨加工的一种变形方式,其切削能力与传统的精密钻加工相当,但是由于切削体的不断自磨可以获得毎次研磨更高的部分。通常情况下使用带有粗磨粒的衝磨条 。在粗衝磨中典型的材料去除率为0.3到0.5mm范围,基于孔或膛孔的直径。
[0005] 在粗加工阶段,当孔所期望的位置和角度位置基本确定之后,执行随后的加工,该过程加工量小于粗加工时的加工量,并达到所期望的圆柱形状、直径和表面结构。
[0006] 在随后的加工中,通常执行若干不同的连续珩磨加工。通常称为“预珩磨”的珩磨加工使用相对较粗磨粒的切削体(平均粒度,例如在91〜251 ii m之间)并且具有高金属去除率,该加工基本上确定了所期望的孔的宏观尺寸并且能够减小粗加工带来的形状缺陷以及直径偏差。在预珩磨时典型的去除率例如在40〜70 之间(基于孔直径)(參见由G, Haasis 和 U.P.Weiginann 在:WB Werkatattand Betrieb vol.132.1999,3,29 到 35 页中收求的文韋"Neues Honverfahren fiiruniwelfcfreundliche Verbrennungsmotoren "或专利文献 DE 19627926A1 或前面提到的文章"Honen-Fortschritte durch optimierteWerkzeuge und Prozesse")。预衝磨后,一般的粗糙度Rz在如9〜26 ii m的范围。[0007] 预衝磨后,还有ー步或多步加工操作,其使用更细粒度的切削体和相应减小的金属去除量,由此可加工出精加工エ件上所需并且期望的表面结构,其具有大体上相对较低的材料去除。如果这样的加工在单次珩磨加工中实现,通常被称为"精整珩磨"。如果该加工过程被分成两次或更多次的加工エ序,那在预珩磨之后直接进行的エ序通常被称作"中间珩磨",在这之后还跟随着最后一道加工エ序,这道エ序几乎不发生金属去除(如小于8 y m的去除量),只是对中间珩磨エ序所加工的表面结构进行进ー步优化。这个最后的加工エ序可以被当作"平整珩磨"或"滑动珩磨"。为获得最大限度的表面质量,下一歩加工エ序可以由精磨或修光珩磨组成,通常可以达到的粗糙度Rz <2 Pm。当加工包含有一体化硬质材料相的轻质合金时,最后的加工エ序可为"暴露珩磨",用于暴露硬质材料相(參见,如专利文献DE 19627926A1)。
[0008] 对于不同的加工阶段应使用不同的加工工具,一方面根据它们的材料去除能力来选择,另一方面根据加工孔的可达到特性来选择,特别是表面粗糙度、孔的圆柱形状和孔的尺寸偏差。因此,多种工具变化和/或双头扩张珩磨工具的使用和/或不同加工站之间的多种变化是必要的,由此导致了相对较长的加工链。
发明内容
[0009] 本发明的问题将缩短加工链,同时保留传统精加工方法能够获得的精加工孔或膛孔的质量。
[0010] 为了解决这些问题以及其它问题,本发明提供一种用于对エ件中孔的圆柱形内表面进行精密加工以生成精加工孔的方法。为了明确地參考,所有权利要求的措词都被结合到说明书的部分内容当中。
[0011] エ件上孔的大体圆柱形内表面的精加工方法用于生成精加工孔,该孔具有所期望的尺寸和表面结构。所期望的尺寸或大小能够被孔径和圆柱形状误差所详细限定,并且可选择地被与理想圆柱形状的变形所清楚地限定。所述期望的表面结构通常被适当的表面特性所详细地限定,如具体粗糙度数值。
[0012] 在粗加工阶段中,在エ件上,如铸造发动机缸体上,加工生成粗加工孔,其与所期望的精加工孔相比并且基于孔的直径,具有至少70 的尺寸不足。粗加工首要任务是用来确定该孔的所期望位置和角度位置。与该孔径相关的一定偏差与形状误差是被允许的。该孔的粗加工可以通过精密钻加工或粗珩磨或这些方法的结合来实现。优选地使用単一的粗加工方法,如精密钻加工。
[0013] 紧接着粗加工,即此外没有中间加工步骤,借助于可扩张的珩磨工具对粗加工孔进行高性能平整珩磨,以获得高性能平整珩磨孔。这个高性能平整珩磨加工在单个高性能工作阶段实施,即其可在不改变工具的单个加工站内完成。在高性能平整珩磨加工情况下,可通过珩磨至少去除粗加工阶段的尺寸不足的90%。高性能平整珩磨加工因此在单个高性能平整珩磨加工阶段中得到一高性能平整珩磨孔,该孔尺寸可选地在较小变化范围内已达到所期望的尺寸。高性能平整珩磨加工使用具有细磨粒切削体的珩磨工具,以这样ー种方式设计该工具,由高性能平整珩磨加工所形成的高性能平整珩磨孔的表面结构几乎或完全地达到所期望的精加工孔的表面结构。
[0014] 关于可达到的材料的去除,该高性能平整珩磨加工阶段被设计成这样ー种方式,即获得的材料的去除在使用传统方法的情况下通过至少两个连续的加工阶段,即预珩磨和中间珩磨(或精整珩磨)产生。同时通过使用较细磨粒切削体,可以保证在高性能平整珩磨加工末期,通过高性能平整珩磨来精加工该孔的内表面,所述表面的表面结构基本上或完全达到所期望的表面结构。
[0015] 当设计这种加工过程的时候,人们一直都认为,为了能获得高去除能力,会使用相对较粗磨粒的切削体,这种切削体对应生产出来的是粗糙表面。因此,之后的加工阶段使用细磨粒切削体,从而将相对粗糙的表面转变成精细的表面结构,但只有相对较小的加工余量,在通常的"中间珩磨"方法中,该加工余量最大为30 ym。本发明方法中的高性能平整珩磨加工步骤因此就兼备了两个在精密机械加工中一直都被认为是不能结合的需求,即ー方面是短期加工时间内获得较闻材料去除率的需求,而另一方面是在闻性能平整衝磨加工结束时能获得清晰限定并且相对精细的表面结构的需求。借助于单个可扩张的珩磨工具,上述两个需求在单次高性能平整珩磨加工过程中就可以得到满足,从而使得加工链也被大大缩短。
[0016] 在某些实施例中,孔径为D的孔的高性能平整珩磨加工就可以在珩磨时间H内完成,满足条件H < 35s 4/75。因而,对于直径最高为80mm的孔来说,珩磨时间可以为40秒或更少。就直径在80到130mm间的孔来说,通常的珩磨时间小于50秒。通常地,在加工大直径并且通常较长的孔的时候,所用的加工时间比小孔径的孔的加工时间要长。因此,与传统的两级方法相比,本发明的方法在总体加エ时间上有相当大的优势。
[0017] 在一个实施例中,高性能平整珩磨加工全部使用相对较细磨粒度磨粒制成的切削体,所述磨粒的平均粒度在大约30至35 ii m与大约90 u m之间,平均粒度优选为小于80iim,更优选为小于70iim,最优选是在35到65iim之间。例如,可使用类型为D35、D46、D54、D64或D76或适合中间级的磨粒。使用金刚石磨粒的切削体被证明是特别有利的,然而切削剂也可与立方氮化硼(CBN)磨粒或陶质磨粒一起使用。
[0018] 在某些实施例中,高性能平整珩磨加工以这样ー种方式实施,即再加工的孔基本上达到所期望的尺寸和表面结构。因而在该高性能平整珩磨加工之后不必再有最后的加工阶段,由此实现了可快速完成的两级精密机械加工过程。
[0019] 在其他的实施例中,高性能平整珩磨加工的表面结构在后面的最后一道加工阶段发生转变,并且基本上没有改变所期望表面结构上孔的尺寸。因此,高性能平整珩磨加工获得的表面结构可通过平顶珩磨和/或电刷珩磨而转变为所期望的表面结构。通过随后的机械加工,可以去除由高性能平整珩磨加工所帯来的基本粗糙度的顶端区域,以至于可以减少Rpk-和Rk-值。最后的机械加工エ序基本上没有发生材料去除,切削量小于8 ii m和/或小于5 ii m(基于直径)。
[0020] 最后一道加工エ序的典型特点为不会以事先计划的方式来调整或者加工出新的直径。因此,加工中通常不需要任何进行的直径装置。作为替代的方式,通过珩磨时间和/或通过行程的数目来控制表面改变的強度。
[0021] 对于某些变形方法,ー个带有单头扩张的珩磨头被用于所有的高性能平整珩磨加エエ序,因此与带有双头扩张的珩磨头的可行使用相比,控制更简单,珩磨单元设计更简单。
[0022] 在一种变形方法中,孔的粗加工以及高性能平整珩磨加工都借助双头扩张珩磨头而被实施,所述孔的粗加工用于生成粗糙的加工孔。珩磨头具有两个可独立地横向进给的切削组,其具有对应设计的切削体,第一切削组具有相对较粗粒度的磨粒以用于孔的粗加工,第二切削组具有相对较细磨粒的切削体以用于该粗加工孔的高性能平整珩磨加工。首先,用第一切削组进行粗加工。当粗加工结束时,因为达到了预定的尺寸不足,如至少70 ym,第一切削组则退回,第二切削组进给以执行高性能平整珩磨加工,从而由粗加工引起的尺寸不足的至少90%将被去除。在这个变形方法中,如果高性能平整珩磨加工之后没有其它的最后加工阶段,那么在ー个加工站或使用単一珩磨轴就可以完成孔的精加工。
[0023] 在某些实施例中,在高性能平整珩磨加工情况下,至少60 iim的加工余量(基于直径)被去除,以至于高性能平整珩磨加工中去除的加工余量最好超过70 y m或超过80 y m或超过90 u m。在这些高性能平整珩磨加工的改进方法中,材料的去除会因此大大超过传统的中间珩磨エ序。
[0024] 在一些改进方法中,在高性能平整珩磨加工期间,至少在ー个加工时间间隔内,珩磨头可以以这样的方式被驱动,即切削体相对于该孔内表面的切削速度大于90m/分。在某些情况下,该加工时间间隔内的切削速度甚至可以超过120m/分。随着工艺的发展已经发现,在高性能平整珩磨中使用细磨粒切削体,当切削速度为通常传统珩磨的最大80m/分时,仅仅具有中等的去除能力,从而延长了加工时间。然而,令人惊讶地发现,通过显著提高切削速度,使其达到或超过90m/分,金属去除率也能大大增加,因此尽管是细小粒度,仍可以获得高性能平整珩磨加工所期望的去除能力。至今一直认为,在珩磨中不同切削剂的最佳切削速度应为低得多的值,并且对于每种类型的切削剂来说,具体的金属去除量在某一切削速度时达到最大值,并且去除量随着切削速度的进ー步增加而再次减小(參JAL " Handbuch der FertigungetechniK;/ , publisnerG.Spur, T.StA ferle, Carl HanserVerlag,1980, vol,3/2 cutting, chapter,14.6.4)。
[0025] 在高性能平整珩磨加工中,如果珩磨工具的切削体不在整个加工时期以对于去除来说最优化的切削速度移动,那么会是非常有好处的。在某个方法变形当中,在高性能平整珩磨加工期间,珩磨工具的切削体在第一加工阶段和随后的第二加工阶段发生移动,所述第一加工阶段中的第一切削速度超过90m/分,所述第二加工阶段的第二切削速度比第一切削速度要低得多。第二切削速度可以为,例如小于80m/分或小于60m/分,第一切削速度可以大于120m/分。
[0026] 可选择地或附加地,在高性能平整珩磨加工中,珩磨工具的切削体在第一加工阶段期间可以横向进给,从而以第一横向进给率产生第一金属去除,并且在紧接着第一加工阶段的第二加工阶段期间,以第二横向进给率横向进给,该第二横向进给率低于所述第一横向进给率。在第一加工阶段中,可以完成至少50 y m的第一去除量,结果致使在高性能平整珩磨加工阶段应去除材料的多数部分被去除。第二去除量可最大为15到20 u m,因此接近高性能平整珩磨加工阶段末期的时候,只需要相对有限的去除能力,并且有利于获得精细表面结构和低形状误差。
[0027] 在一个去除量经过优化的改进方法中,第一加工阶段和随后的第二加工阶段根据可获得的表面结构而进行优化,在第一加工阶段末期,切削体可以在返程阶段返回,并且在返程阶段之后,该切削体又可被再次横向进给从而开始第二加工阶段。在这个改进方法中,第二加工阶段可以以这样ー种方式设计,即借助第一加工阶段末期切削体的整个装备,在第二加工阶段中基本上仅对孔所期望达到珩磨角度和表面粗糙度进行设置或调整,该孔由高性能平整珩磨加工所完成。由于在第二加工阶段中只需要极少的材料去除量,因此能够在切削体接触压カ较低的情况下进行,从而相对于可获得的孔来说,能获得形状改善。
[0028] 在一个优选的改进方法中,珩磨工具的切削体在高性能平整珩磨加工中以ー种路径可控的方式横向进给。由此导致了磨粒基本上恒定的接触深度。一种功率可控的横向进给也是可行的。在这种情况下,有利干与去除能力相关地调节横向进给功率或力。
[0029] 对于该方法的实施,可以使用合适且常规的珩磨设备。然而,在一个优选改进方法中所采用的、相对于珩磨轴高转速来优化这些珩磨设备是有利的,从而能保证工具完全令人满意的、平滑的正确运行。为此传统珩磨轴通常装备有两个接头(上部工具远端接头和下部工具近端接头)用于补偿在珩磨轴和孔之间的轴向位移,为此最好设计不同的珩磨轴。例如:代替传统的连接,可以使用一刚性杆,一浮动头,一挠曲杆或单独带有下部连接的挠曲杆。在这种连接关系中,术语"挠曲杆"被理解为将旋转运动从珩磨轴传递到珩磨头的连接元件,并且被设计成允许微小的变化以便于在珩磨轴和珩磨头之间对齐,而不会使珩磨过程因为由此产生的カ而受到损害。挠曲杆包含一管状部分,其具有多个规则或不规则设置的开ロ,所述开ロ在管的部分长度上以及管的部分圆周上延伸。这样ー种具有开孔的管,在重量有限的情况下,具有高刚性并且允许所期望的轴向位移。它们可以是圆形、菱形或其它形状的开ロ,如在申请人的专利文献DE 3219629C2或DE 3336627C2中所述的那样。还可以使用一种薄壁管和/或由弯曲強度比钢低的材料制成的管。将接头装配到珩磨头附近的挠曲杆上,如挠曲杆和珩磨头(下部接头)之间,是有利的,这是因为由轴向位移所引起的工具上的挠曲カ矩被減少。
附图说明
[0030] 这些特征和进一歩的特征可从权利要求书、说明书和附图中获得,并且对于个别特征,不管是单独还是以结合的形式,都可在本发明的实施例和其它领域中实施,并且表现出有利的、可独立保护的结构。本发明的实施例结合附图描述,其中:
[0031] 图1为加工装置实施例的示意图,该加工装置用于エ件中孔或膛孔圆柱形内表面的组合精密钻孔与珩磨加工;
[0032] 图2为依照本发明的方法的实施例的部分时间图表;
[0033] 图3为珩磨単元的示意图,其具有挠曲杆、下部接头和双头扩张珩磨头。
具体实施方式
[0034] 图1示意性地说明了加工装置100的实施例,该装置通过精加工及后续的珩磨加エ从而完成エ件上的孔或膛孔的圆柱形内表面的精加工。该加工装置包括精加工装置200和珩磨装置300,在示例性情况下,精加工装置200和珩磨装置300被安装在同一个机床上(图中未示出),但在其他的实施例中,它们还可以具有相互分离的机床。
[0035] 加工装置200包括加工轴210,其刚性主轴线处在大体竖直的方向,并且在主轴驱动机构220的带动下竖直地移动,并且还可以绕主轴线旋转。精加工轴的下部自由端刚性地连接有精加工刀具230,该刀具的圆周上固定有硬质金属或硬质合金尖端,以作为钻头235。借助于图中未示出的调整装置,该钻头的径向位置可以调整,并且因此被精加工的孔的直径可以被确定。精加工轴的轴向移动与旋转运动以及钻头的横向进给由精加工控制单元240控制。对于一般的精加工操作,转速在大约1,000到3,OOOrpm之间,并且进给速度在大约200到大约1,OOOm/分之间。一般的切削深度(材料去除量)以直径为基础,通常在0.1和Imm之间。特殊情况下,可能会偏离这个一般的參数范围。
[0036] 双轴珩磨装置300包括两个珩磨単元400和500。每ー个珩磨单元都具有垂直的珩磨轴410或510,所述珩磨轴分别由主轴驱动机构420或520驱动,这样在珩磨加工中珩磨轴执行竖直往复的加工运动,并且该运动上叠加有绕着竖直旋转轴的旋转运动。第一珩磨控制单元430或第二珩磨控制单元530控制珩磨轴的加工运动。
[0037] 第一珩磨单元的主轴驱动机构420被设计成可用于相对较高的速度,该速度高达800rpm或更高达到1500rpm。
[0038] 第一珩磨轴410的下部自由端被连接从而允许第一珩磨头450的有限运动。紧接着孔的粗加工,对于粗加工(精密钻孔)孔的高性能平整珩磨将在単独的高性能平整珩磨阶段被执行,所述孔的粗加工是借助第一珩磨工具而被粗加工生成。术语“高性能平整珩磨”或“HPS”(简称)将在本发明中一直使用。
[0039] 第一珩磨头为单头扩张珩磨头,其圆周上固定有多个以珩磨条451形式的切削体。珩磨条由类型为D54的金刚石珩磨条组成,即具有金刚石磨粒的珩磨条,该磨粒的平均粒度在大约35到大约76 ii m范围中。最好为I到3mm宽的衝磨条借助位于衝磨头450内部的机构而共同并且径向向外地移动(横向进给)或回退。为了操作所述机构,横向进给装置470被设置并且通过压杆480与珩磨头内部的键元件相连接。压杆的移动,通过珩磨条径向向外的移动而引起了珩磨头有效直径的増加,所述压杆的移动在整个珩磨杆410的长度上延伸。这个过程也被称为横向进给。返回位置,即珩磨条径向向内的移动,由系统中的弹簧实现,弹簧径向向内地作用于珩磨条,并且一旦压杆的回退允许这种向内指引的径向移动,弹簧就使珩磨条向内移动。
[0040] 该压杆的横向进给运动或它的回程运动由步进电机485带动。该步进电机被控制装置486控制,该控制装置向步进电机发送带有特定频率的脉冲序列。频率越高,则步进电机旋转越快,压杆的进给率越高,由此I行磨条的横向进给率也越高。用于步进电机的控制装置可以是加工设备中央控制装置380的一部分,并且该控制装置可以由操作者通过输入指令或命令而进行编程。控制装置486以特定方式横向进给珩磨头,下面将參照图2进行描述。
[0041] 第二衝磨头550设计成用于平顶衝磨加工,借助该平顶衝磨加工,就能获得所期望的精加工孔的表面结构,而基本不产生材料的去除。在其他实施例中,平顶珩磨头可以由刷状珩磨头替代。第二珩磨单元和第一珩磨单元在其他方面可以基本上具有相同的结构。
[0042] 珩磨装置300具有若干控制和測量系统用于在珩磨加工前,加工时和加工后对所加工エ件进行控制或測量。在精密钻孔装置200与第一珩磨单元400之间设置有孔控制装置350,该装置用于确定精密钻孔装置的刀具实际上是否已经被后者形成了所期望的形式,该形式允许珩磨単元400与500进行下一步的珩磨。借助孔控制装置350,可以实现“钻孔控制”,例如,从而确定精密钻孔装置的钻头235是否仍然全部完整还是已经磨损、折断和超过公差极限。
[0043] 孔控制装置还可以设计成直径測量系统。在这种情况下,測量系统还可以用于测量精密钻孔后的直径和精密钻孔工具上用于磨损补偿的对应测量值。
[0044] 此外,珩磨装置具有測量装置460,该测量装置与第一珩磨单元400成为一体并且被用于在第一珩磨加工期间监视加工进行步骤。測量装置460被设计成ー种由气动作用的"空气测定仪"。它包括ー对测量喷头461,所述测量喷头以ー种在直径上相向的方式设置在珩磨头450上的珩磨条451之间。气流供应到该測量喷头,如通过环形分配器。主要在系统中的大气压力在測量装置中分析并且能够测量出空气测量喷头与该孔的壁间的距离。一般空气测量系统的测量范围通常达到大约150 y m(特殊情况达到大约300 u m),并且动态系统可达到大约2〜5 y m的測量精度。
[0045] 第二珩磨单元500也具有以相应的方式构造而成的測量装置或者根据不同測量原理运行的測量装置,測量装置的測量传感器与珩磨头550 —体形成,然而并非一体化形成的測量装置结构也是可行的。
[0046] 在珩磨单元后面的材料流向中,设置有检验装置370,检验头371属于该检验装置,该检验头借助测量轴372引入到精加工-珩磨孔中,并在所述孔内部可选地移动,然后可以从中退出。检验装置370以信号传导的方式与附加的珩磨装置控制器380连接,这样包含在检验装置的检验信号中的与孔直径、尺寸和表面特性相关的信息可以通过珩磨控制器380进行处理,并且利用珩磨单元对珩磨加工进行控制。
[0047] 加工设备100按照以下描述的方式操作。加工设备的操作基于内燃机缸体150的加工进行描述,其中内燃机缸体包括若干汽缸孔151,汽缸孔的内表面152由精密钻孔和随后的珩磨加工而成,因此在珩磨加工结束时它们可以直接用于与发动机活塞环滑动配合。エ件150被夹持在夹板上(未示出),并且借助合适的传送设备在材料流向155上移动往返于加工设备的各个加工站之间。
[0048] 首先,要进行精密钻孔操作的エ件150被带入到加工位置,如此可通过精密钻孔轴的竖直向下运动将精密钻孔工具230引入孔151中。然后孔151借助于精密钻孔工具200而被精钻以生成精钻孔,该孔与珩磨结束时所期望的形状相比,其直径具有有限的尺寸不足,如80〜90iim。有时还可达到更小的尺寸不足,例如70iim及以上。为了达到期望的直径,钻头的径向位置由精密钻孔控制装置240横向进给到所期望的终值。在精密钻孔的末期,钻头回退,精密钻孔工具从精钻孔中向上移出。
[0049] 然后工作件150被移动到孔控制装置350的附近。后者通过控制传感器检查精钻孔的直径是否大于预设极限,这样才可能安全地将珩磨头引入下ー个珩磨阶段。如果在精密钻孔期间,钻头折断或者精密钻孔工具由于磨损而不能在一定位置上加工出足够的内径,那该未充分钻削的工作件将被从材料流程中去除。
[0050] 具有由精密钻孔加工而成并且内径足够的粗加工孔的エ件被移动至加工位置,如虚线所示的,在第一珩磨单元400下面,珩磨工具450通过降低珩磨轴而被引入精钻孔中。
[0051] 然后通过降低第一珩磨轴410而将第一珩磨头450引入精钻孔中。借助測量装置460,可以对精钻孔进行定量的尺寸測量。在珩磨加工的初始控制之后,借助第一珩磨单元400的高性能平整珩磨加工阶段开始进行,从而使得孔151的内表面152获得了相比精钻孔(带有交叉的加工轨迹)改进的表面结构,并且宏观形状更接近所期望的具有较大内径的形式或者形状。就所述的利用同一个或相同珩磨头450的高性能平整珩磨来说,一方面大部分由粗加工引起的尺寸不足被除去,因此该孔基本上达到了它所要求的直径,而另ー方面由于在高性能平整珩磨阶段末期使用了带有相对较小磨粒尺寸的切削体,因此,可以获得表面结构,在接下来的精加工并且基本上孔的尺寸没有变化,该表面结构可以达到精加工孔所期望的表面结构。
[0052] 精加工设备具有控制装置380,其内部以可编程的方式来控制切削体的横向进给运动、相关的材料去除量以及珩磨轴速度或者速度的时间模式,以及该切削体相对于孔内表面的切削速度。该控制装置的一个特别特征是:该控制装置可以配置成或者以这样ー种方式配置,即珩磨头至少在加工时间间隔内以这样ー种方式被驱动:即切削体相对孔内表面的切削速度超过90m/分并且在加工时间间隔内该切削速度优选大于120m/分。在本实施例中,控制装置按照上述方式进行配置,从而使得在第一加工阶段珩磨头切削体可以超过90m/分的切削速度移动,并且在随后的第二加工阶段内,切削体具有比第一切削速度低的第二切削速度。
[0053] 图2显示了包括两个加工阶段的可行的横向进给运动的路径-时间图,所述两个加工阶段具有不同的去除特性。图表的横坐标表示时间,而纵坐标表示在珩磨条的外表面在材料去除期间距离參考点(如珩磨头旋转轴)的距离。纵座标值可以对应径向横向进给运动的横向进给路径。利用向内缩进衝磨条(对应相对较小的起始外部直径も)的衝磨头450被引入到エ件孔内,然后在时间b处,珩磨条在步进电机的控制下开始横向进给,该横向进给以相对较高的速度快速横向进行(由曲线E表示)。由于梯度较大,可以得到高横向进给速度,如其可以达到约2_/分。当达到工具的特定位置h吋,即处在ー个特定的扩张位置,在时间も时,控制装置改变横向进给机构使其以ー较低的横向进给速度进给。在所述时间h吋,珩磨头的切削体已经与エ件的内壁接触,使得在珩磨头和エ件之间存在一定预应力,这种预应カ保证了在随后的加工过程ー开始就能立即获得高金属去除率。
[0054] 在时间h,第一加工阶段开始并且由曲线BPl代表。通过测量距起始位置的距离来确定点Cl1,该点处发生反转。同样还可以以这样ー种方式来确定点も,即装置以适当的方式确定,其中珩磨头的珩磨条与孔内壁之间发生接触。在电机作用在主轴驱动机构420上的功率消耗増加的基础上或者通过测カ计,使得控制由此产生。
[0055] 为了在第一加工阶段BPl中珩磨ー开始时就实现较高的材料去除,直径Cl1可以通过这样ー种方式选择出来,即在エ件与工具之间存在相对较强的预应カ或支撑力。切削体(珩磨杆)与材料之间较强的接触压カ导致了在第一加工阶段BPl起始处的较高去除以及可能导致较差的圆柱形形状。在第一加工阶段3P1期间,珩磨头的横向进给要比材料去除慢。因此,在第一加工阶段BP1,接触压カ是持续地減少,以至于孔的形状得到改善,同时减小表面粗糙度。在另ー实施例中,第一加工阶段BPl可以进一歩的再分成带有高横向进给速度的较早时间部分以及带有低横向进给速度的随后部分。
[0056] 为了在使用了相对较细的磨料颗粒的第一加工阶段BPl期间并且在一段较短的加工时间内去除粗加工后留下的尺寸不足的相当大一部分,高速驱动第一珩磨轴,使得至少在随后的加速阶段内,切削体相对于孔内表面的切削率Vc在至少90m/分的范围内,甚至高达120m/分。周向相对较窄的珩磨条通过借助电动机械步进式横向进给从而以路径可控的方式进行横向进给,从而使得在大约10到20秒的第一机加工时间间隔内,以该孔的直径为基础,去除超过第一加工阶段开始前留下的尺寸不足的60%,如去除50到90 u m,所述珩磨条的周向宽度小于3mm,例如大约2mm。[0057] 第一加工阶段BPl在时间t2处终止,横向进给达到点d2。设定加工装置的该点以这样ー种方式确定:即正好处在与所期望的孔尺寸相对应的横向进给路径之前。在该点处,控制装置切断步进电机,由此使得在相对较短的时间内不可能有进ー步的进给。随后,该步进电机倒转,由此使得珩磨头通过短程回程阶段(曲线RP)返回到返回点d3,该点也是通过编程的方式预先设定的。在该点处,横向进给装置的整个驱动线路直到珩磨头都是无压力或低压力,由此使得在加工进给期间产生的全部或几乎全部压カ被去除。该回程运动可以通过这样ー种方式被控制,即珩磨条的磨料外表面与该孔的内表面仍然处于接合式的接触然而同时大部分弾性应カ将从系统中去除。
[0058]在达到该返回点d3后,控制又再次反向并且在第二加工进给中再次横向进给珩磨头的珩磨条,从而开始第二加工阶段BP2。为了生成所期望的表面结构,珩磨轴在第二加工阶段BP2的速度与第一加工阶段BPl的速度相比大大减小,因此该切削速度Vc小于90m/分。当第二加工阶段BP2开始时,珩磨头的珩磨条已经完全与孔的内壁接合,用于获得所期望表面结构所需的加工余量是很少的。在第二加工阶段中,仅设定所期望的珩磨角度以及生成所期望的表面粗糙度,所述珩磨角度处在加工槽之间并且通过对旋转速度和轴向振荡速度之间比率的合适调整而设定。在第二加工阶段BP2进行的第二次材料去除约为20 y m或更低。一般的加工时间间隔为8到15秒。第二加工阶段中,横向进给以路径可控的方式恒速进行,直到达到所期望的位置d4,该位置对应エ件所期望的尺寸。
[0059] 如图2所示,第二加工阶段BP2的进给率要比第一加工阶段的进给率小得多。在セ4时,达到了所期望的尺寸,这时进给或前进都被停止并且工具继续在最初没有改变的位置上进行操作,以至于产生所谓的无火花磨削阶段AP。珩磨条随后沿着曲线Z返回到起始位置d0o
[0060] 表格I给出了一种经过优化的灰ロ铸铁发动机缸体加工方法的加工余量、直径偏差(所有情况下均基于孔直径)、气缸形状、粗加工和珩磨时间的实验数据。这些数据值描述了在给定的加工操作后的孔的状态。
[0061]表 I
[0062]
Figure CN101229628BD00121
[0063] 在高性能珩磨期间和/或高性能珩磨阶段结束时,可以使用测量装置460检验高性能珩磨的加工結果。基于该对应的测量信号,如果珩磨后已经达到所需孔径则高性能加エ阶段即被终止。[0064] 第一珩磨头460随即移出该孔并且该エ件被移入到与第二珩磨单元500相关联的加工位置,这样允许将第二珩磨头550引入孔内。在把第二珩磨头降入孔内后,进行平顶珩磨操作,从而孔可以达到其最終的表面结构,而基本上不会改变宏观形式及形状,该平顶珩磨操作去除非常少的材料。该平顶珩磨操作可借助測量装置进行监视并且可以作为相应测量信号的函数被选择性地控制。
[0065] 在该方法的其他实施例中,如果随着高性能平整珩磨,所期望的宏观形状和表面结构已经达到,则最后的加工阶段(这里指平顶珩磨)可被省去。
[0066] 随着平顶珩磨操作的结束以及第ニ珩磨轴从エ件中退出,后者在检验装置370的方向上移动,该检验装置设置用来測量精加工孔151以及检验孔151的直径、宏观形状和/或内表面152的表面结构是否满足加工处理规格。通过使相应的检验信号返回至珩磨机床的控制单元380,可以改善该加工方法的恒定性,以至于与传统加工设备相比,可以减少加エ孔质量的偏差和变化。
[0067] 在使用相对较细磨粒切削体的高性能平整珩磨加工中,主轴可以进行高速旋转,这在传统珩磨加工中是不能遇到的。虽然ー些没有进行任何结构改变的传统珩磨设备也能够执行该方法,但通过一系列可选择使用或累积使用的优化措施,能够进行进ー步的优化。尽管エ件在高性能平整珩磨阶段是以浮动的方式安装,但已被证明使用刚性驱动杆连接第ー珩磨头是有利的。因此,由速度引起的珩磨轴的振动能够减到最小,其对表面质量具有积极影响。通过将冷却剂供给通过珩磨头可确保持别有效的冷却剂供给。因此,可避免或减少传统冷却剂供给从外部所帯来的阴影效应。如果使用相对较窄的,如周向宽度为3mm或更小的珩磨条,则可以通过细磨粒珩磨条获得特别高的材料去除能力。这种与机械式加宽相结合的窄珩磨条已经证明具有特别強大的去除能力。当然也可采用液压加宽方法。
[0068] 图3所示为精密加工过程以及用于执行该方法的精密加工设备的另ー个实施例。精密加工设备被设计成纯粹地用作珩磨设备并且仅仅具有一个珩磨単元600,该珩磨単元既用于粗加工阶段通过粗珩磨对孔进行粗加工,还可用于粗加工孔的高性能平整珩磨。珩磨単元包括传动杆610,其被设计作为挠曲杆并且其驱动端以无接头的方式与主轴传动机构620相连接。挠曲杆610的下端连接有多轴接头615,该接头将挠曲杆610的有限运动与珩磨头650相连接。
[0069] 珩磨头650是双头扩张的珩磨头并且包括两个可独立横向进给的不同粒度珩磨条的切削组,两个切削组在珩磨头圆周方向上交替排列。第一切削组包括相对较粗磨粒的珩磨条652,其切削体具有91到251 u m的平均粒度,以通过粗珩磨而预加工该孔。第二切削组中位于圆周中间的珩磨条654用于高性能平整珩磨并且具有相应地显著減少的平均粒度,所述粒度在大约35到91 y m之间。珩磨设备驱动単元实际当中被设计成用于独立地横向进给和不同珩磨条组的返回。
[0070] 对于精密加工,最初珩磨头被引入待加工的孔中,并且第一切削组的粗磨粒珩磨条652横向进给,然而第二切削组的珩磨条654回退。使用粗磨粒珩磨条的粗珩磨以一般为200m/分或更高的切削速度进行,直到根据精加工孔所期望的直径,直径不足尺寸为70到90 u m0在这个加工阶段,可选择地对孔的位置进行修正。在粗加工结束时,第一切削组的粗磨粒珩磨条652回退而在适当位置,用于高性能平整珩磨加工的第二切削组的细磨粒珩磨条654横向进给。高性能平整珩磨加工随后以已经描述的方式在包括若干加工阶段(參见图2和相关的描述)的过程中进行。

Claims (19)

1.一种用于对エ件中孔的圆柱形内表面进行精密加工以生成精加工孔的方法,该精加エ孔具有所期望的尺寸和表面结构,该方法包括以下步骤: 在粗加工阶段粗加工该孔以生成粗加工孔,该粗加工孔与精加工孔相比并且以后者直径为基础具有至少70 ii m的尺寸不足; 高性能平整珩磨粗加工孔,该操作直接在粗加工后的単一高性能平整珩磨加工阶段中使用直径可扩展的珩磨头进行,以制造高性能平整珩磨孔,该珩磨头包括位于其圆周上的多个珩磨条形式的切削体,所述多个切削体能够借助位于该珩磨头内部的机构而共同地横向进给或返回,该高性能平整珩磨去除粗加工后产生的尺寸不足的至少90% ; 并且,在该阶段中使用具有细磨粒度为35到91 m的切削体的珩磨头,该珩磨头被设计成使得由高性能平整珩磨加工制成的高性能平整珩磨孔的表面结构几乎或完全对应于所期望的表面结构。
2.根据权利要求1所述的方法,其中由该高性能平整珩磨加工所形成的表面结构被转变成所期望的表面结构而基本上没有改变孔的尺寸,并且其中由该高性能平整珩磨加工形成的表面结构通过使用平顶珩磨和/或刷珩磨的精加工而转变成所期望的表面结构。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述高性能平整珩磨加工之后的精加工按下述方式进行,即以孔直径为基准的材料去除量小于8 u m。
4.根据权利要求1所述的方法,其中该高性能平整珩磨加工按下述方式进行,即该高性能平整珩磨孔具有所期望的尺寸和所期望的表面结构。
5.根据权利要求1所述的方法,其中在该高性能平整珩磨加工期间,至少在ー个加工时间间隔内,该珩磨头以下述方式被驱动,即切削体相对于孔的内表面的切削速度大于90米/分。
6.根据权利要求1所述的方法,其中在该高性能平整珩磨加工期间,该珩磨头的切削体在第一加工阶段以大于90米/分的第一切削速度移动并且在随后的第二加工阶段中以低于第一切削速度的第二切削速度移动。
7.根据权利要求6所述的方法,其中第一切削速度大于120米/分,而第二切削速度小于90米/分。
8.根据权利要求1所述的方法,其中在该高性能平整珩磨加工期间,该珩磨头的切削体在第一加工阶段中被横向进给从而以第一横向进给率产生第一材料去除,并且在第一加エ阶段之后的第二加工阶段中被横向进给,以低于第一进给率的第二进给率产生第二材料去除。
9.根据权利要求8的方法,其中该珩磨头的切削体在第一加工阶段中至少周期性地以大于90米/分的切削速度移动和/或在第二加工阶段中该切削体以小于90米/分的切削速度移动。
10.根据权利要求7到9之一的方法,其中第一加工阶段最长为20秒,第二加工阶段最长为15秒。
11.根据权利要求7到9之一的方法,其中,在第一加工阶段结束时,该切削体在回程阶段返回,随后该切削体被横向进给,从而开始第二加工阶段,回程运动在回程阶段被控制以使得切削体的研磨外表面在回程阶段结束时仍然与孔的内表面以接合的方式接触。
12.根据权利要求1所述的方法,其中该珩磨头的切削体在高性能平整珩磨加工期间以路径受控的方式被横向进给。
13.根据权利要求1所述的方法,其中具有单头扩张的珩磨头在整个该高性能平整珩磨加工中使用。
14.根据权利要求1所述的方法,其中所述孔的粗加工和粗加工孔的高性能平整珩磨加工通过使用双头扩张珩磨头而被执行,该珩磨头具有两个可独立地横向进给的切削组,第一切削组具有相对较粗磨粒的切削体,用于孔的粗加工,第二切削组带有相对较细磨粒的切削体,用于粗加工孔的高性能珩磨加工。
15.根据权利要求1所述的方法,其中为了连接所述高性能平整珩磨加工的所述珩磨头,使用了刚性驱动杆并且エ件以浮动方式安装用于高性能平整珩磨加工。
16.根据权利要求1所述的方法,其中为了连接所述高性能平整珩磨加工的所述珩磨头,使用挠曲杆,并且在所述挠曲杆与所述珩磨头之间放置有单个接头。
17.根据权利要求1所述的方法,其中在该高性能平整珩磨加工中,冷却剂被供给通过该珩磨头。
18.根据权利要求1所述的方法,其中用于该高性能平整珩磨加工的珩磨头具有相对窄的切削体,该切削体的周向宽度为3mm或更小。
19. 根据权利要求8所述的方法,其中在第一加工阶段中第一材料去除至少为50 和/或在第二加工阶段中第二材料去除最大为20 u m。
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