CN102413975A - 用于曲轴及凸轮轴的精密机加工的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将曲轴或凸轮轴精密机加工为最终尺寸公差Rz＜10μm、优选是小于或等于5μm、并且径向跳动公差小于或等30μm、优选是小于或等6μm的一种方法和一种装置。对这些曲轴或凸轮轴进行机加并且至少部分地硬化。根据本发明，在首次机加工以及随后硬化至45至60HRC、优选为50至53HRC之后，通过使用CBN或PCD镶入件切削镶片来执行一个最终的机加工。为此使用的装置具有多个切削镶片(12，13，14)，这些切削镶片有多个CBN或PCD镶入件，其中在横向、径向以及切向上定向的多个切削镶片交替地彼此跟随。

Description

用于曲轴及凸轮轴的精密机加工的方法和装置

技术领域

本发明涉及将曲轴或凸轮轴精密机加工为最终尺寸公差Rz＜10μm、优选≤5μm、以及同心度偏差≤30μm、优选≤6μm的一种方法和一种装置。这些曲轴或凸轮轴已经通过切削操作进行机加工并且至少部分地经受了硬化。

背景技术

在根据现有技术已知的多种机加工方法中，曲轴通常要经过多个机加工步骤。首先，铸造或锻造的轴要经受一次切削操作(如车拉削、车-车拉削、内旋铣削及外部铣削、尤其是在高铣削速度下)，其中由铸造或锻造的观点所提供的容差被消除到低至毫米范围内的一个剩余值。

为了增加曲轴的耐磨性，这种轴根据另一个步骤至少部分地被硬化(例如，通过感应性硬化)，以便实现所希望的材料结构或微观结构。在硬化过程中，不能排除这种曲轴或凸轮轴的畸变以及轻微的尺寸变化，而在随后的机加工步骤中必须对这种变化予以补偿。

在第三个机加工步骤中通常对这些曲轴进行研磨，例如，使用一种研磨砂轮，其转动轴线平行于旋转曲轴或凸轮轴的转动轴线而移动。这种研磨在多数情况下是通过增加冷却润滑剂来进行的，以便避免在随后的研磨操作过程中曲轴过度加热。除了移除所产生的研磨浆料(它包含研磨掉的轴颗粒以及研磨砂轮的这些磨损出的研磨颗粒)代价高昂这一事实外，因为研磨浆料必须作为特殊的废物来处理，不能够完全排除工件的可观加热、也不能完全排除在工件表面上的不利影响，而这些不利影响作为在研磨过程中高机加工压力的结果在微观范围内产生了一种人们不希望的表面结构。

由此开始，本发明的目的是提供在开篇时所提及类型的一种方法和一种装置，借助该方法和装置避免了所述缺点。

根据本发明，这种曲轴或凸轮轴首先要经受一个初始切削操作以及后续的硬化，例如至45至60洛氏硬度(HRC)之间、优选为50至53HRC之间的值。此后跟随着使用多个切削镶片的一次最终切削操作，这些切削镶片装配有CBN或PCD镶入件并且通过这些切削镶片使形状被加工成正确的最终尺寸。就设备而言，用于此目的一种装置包括一个内铣刀或外铣刀，在该铣刀的周边上紧固有多个径向和/或轴向可调节的切削镶片，这些镶片被各自装配有多个CBN或PCD镶入件，其中多个切削镶片按照彼此交替的方式在横向、径向和切向上被夹紧在位。然而，在切向上夹紧的切削镶片(它们用于使大端轴承或主要轴承平滑)的数目可以是远小于被横向夹紧的切削镶片的数目，这些横向夹紧的切削镶片是对应地用于机加工这些侧面并且用于产生这些凹切所要求的。

用一种切削操作替代跟随在硬化之后的研磨不仅具有使得整个生产线能够以干燥模式来运行(即不使用冷却润滑剂)的优点，由此特别地使得清除满载着切屑和研磨浆料的润滑剂、或者重新处理润滑剂不再必要，而且还提高了生产的精密度。然而，这假设了该切削加工是通过CBN或PCD切削刃来完成的，这首先使之有可能充分正确地将该曲轴或凸轮轴加工成精密的最终尺寸而同时保持了低的公差。仅仅将硬化之后的研磨方法替代为一次使用常规的碳化物切削镶片的切削操作并不会在任何情况下都产生所希望的最终尺寸，为此原因，这类切削操作之后还必须跟随精密研磨，例如通过研磨带。使用CBN或PCD切削刃提供了一种表面结构，该表面结构允许维持在Rz＜10μm范围内的一个公差以及在30μm以下(优选的是有待保持在约6μm或更小)的一个同心度偏差。

如果加工在硬化之前以及其之后都是通过一个限定的切削刃(即通过一次切削操作)来执行的，则在第一次机加工步骤中的一种较大的不圆度可以在最终切削操作中被移除，因为研磨位置上的被动的力明显地小于研磨过程中的力。在一次最终切削操作过程中，一次或两次铣削旋转即足以消除不圆度，而在研磨过程中具有上述这些缺点的多次重复旋转则是必要的。

作为另一个积极的作用，使用PCD或CBN切削刃(除了工件的高表面质量外)还导致长的使用寿命，由此增加了处理方法的经济有效性。PCD或CBN切削刃的高耐磨性还允许实现一种高度的加工可靠性以及高设置准确性。作为每个切削刃的更长的工具寿命量值的结果，在一个较短的周期时间内所得到的补偿就超过所造成的这些切削镶片价格上增长(与单件式碳化物切削镶片相比)，这样使得曲轴或凸轮轴的生产变得整体上降低了昂贵程度。

峰到谷的高度Rz代表在一个限定的测试区段中微观表面结构的最高的突出部与最低的凹陷之间的距离，如此确定的5个测试区段的值被确定为用于确定Rz。以此方式，来自表面轮廓的畸变值(即非常高的峰和非常深的谷)就未被过度估值。

同心度是通过多个圆来确定的，这些圆在内部和外部被放置在工件的实际轮廓上。这两个圆被彼此同心地安排，这样使得一个工件的实际截面轮廓处于这两个圆之间的位置中。本发明具体地是基于以下知识，即借助外铣刀或内铣刀的切削过程确保了同心度的准确性高于过度研磨的情况，其中不管怎样材料的移除是相对较少的。如果在长的工具寿命上准确的切削镶片的确切定位是通过选择切削工具以及在外铣刀或内铣刀上的可调节性来确保的，那么尽管缺乏研磨但仍可以实现良好的结果，并且就最终尺寸公差及同心度偏差而言这些结果满足了根据权利要求1的这些要求。

在从属权利要求中描述了装配有CBN或PCD镶入件的这些切削镶片的优选构形。因此，具体而言用于机加工曲轴或凸轮轴的大端轴承或中心轴承的对应的切削镶片配备有一种屋顶形设计的切削刃，该切削刃具有两个切削刃区段，这两个区段彼此围成一个173°至178°、优选为175°的角度。通过以此方式形成的这两个有用的切削刃使得使用范围增加，即该切削镶片既可以用于右手又用于左手的切削加工。这些对应的切削刃可以被再次研磨以便增加该切削镶片的使用寿命。

所述切削刃区段末端经由一个R＝0.4mm至1.5mm(取决于大小)的边缘半径而汇入多个副切削刃中，这些副切削刃相对于切削镶片的定位表面的一条法线倾斜了2°至3°、优选为2.5°。

根据本发明的另一个构形，用于机加工这些侧面的横向夹紧的切削镶片具有一个CBN或PCD镶入件，每个镶入件各自具有两个有用的切削刃，这两个切削刃围成了一个80°±5°的角，这两个切削刃经由R＝1至1.5mm的切削拐角半径而连接到彼此上。这些切削刃还可以被再次研磨。

安排于内铣刀或外铣刀上的所有这些切削镶片优选地被一个设置装置紧固在卡座中，该设置装置允许相对于刀夹具对这些切削镶片位置的一种精密调节。

在机加工轴承的过程中，轴承的隆起应该优选地在0与4μm之间。

附图说明

本发明的多个示例性实施方案在附图中示出，在附图中：

图1示出了具有三种不同卡座的工具区段的一个透视图，

图2a、图2b示出了具有一个横向安排的切削镶片的卡座的细节视图，

图3a、图3b示出了根据图2a、图2b的本实施方案的一个分解图，

图4a至图4c示出了可以被横向夹紧的切削镶片的三个视图，并且

图5示出了可以被切向夹紧的切削镶片的侧视图。

具体实施方式

例如，在DE 10 2007 013 153A1中描述了多种外铣刀，这些外铣刀在切削过程中围绕其纵向轴线转动并且具有一个盘形的刀夹具，该盘形的刀夹具具有多个在周边上安排的卡座，这些卡座各自装配有一个切削镶片并且这些卡座被固定在一个环形的或者部分环形的或者区段支架上，该区段支架或者被可拆卸地直接紧固到一个机器转轴上或者经由一个适配器被可拆卸地间接地紧固到一个机器转轴上。

图1示出了这种外铣刀的一个区段支架11。在底部区域中，这个支架11具有一个开放的槽形凹陷29，这个凹陷一端终止并且在其末端具有一个用于螺杆的停止点。这个区段支架11经由多个夹紧楔形件被轴向地夹紧到一个转轴(未示出)上。经由适合的夹紧件被彼此依靠紧固的多个区段11形成一个完整的环，该环被固定到一个现有的转轴上。与一个完全单件式环形体相比，多个单独区段具有的优点是部分的交换是可能的以便更换切削镶片。在图1中，在周边15上紧固了在左侧被横向夹紧的一个切削镶片12、在右侧被横向地夹紧的一个切削镶片13以及一个中心紧固的切削镶片14。这些切削镶片12和13在径向和轴向上均是可调节的并且关于其切削刃倾斜度而言是用于设置这种“倾斜度”，而在切削镶片14处这种轴向调节性是不必要的。

从图2a和图2b并且从图3a和图3b中可以详细看到，切削镶片13是通过一个夹紧螺钉紧固在卡座20的镶片座之中，该卡座具有一个镶片座，该镶片座具有一个定位表面21以及两个侧表面22和23。切削镶片13是通过一个夹紧螺钉16固定的，该夹紧螺钉具有一个埋头孔头。该夹紧螺钉使其杆经过切削镶片13的中心孔并且在一个攻丝孔24(见图3a、图3b)中被螺钉拧紧在位。该切削镶片具有一个切削刃17，这个切削刃是一个将随后涉及的CBN镶入件的一部分。切削刃17通过一种凸出弯曲的方式朝向外部伸出。与切削镶片13相似，切削镶片12被安排在一个卡座中，用于切削镶片12和13的这些卡座是以镜像对称但在其他方面都相同的方式构造的。切削镶片14在卡座中以同样方式被螺钉拧紧在位，其宽度被选择为更大从而使得支撑表面23可以被安排成进一步靠左(见图1)。所有这些卡座都是通过一个夹紧体18被均匀地固定，这个夹紧体经由一个双螺纹螺钉19是可以致动的。这个夹紧体18在其底部末端是有角度的，所选的钝角被选择为与卡座的对应角度轮廓完全相同。

一个调节体25用来轴向地调节这个卡座20，这个调节体可以通过双螺纹螺钉26而被移位。这个调节体具有一个楔形表面251，通过这个楔形表面的纵向位移可以使该卡座在轴向上发生移动并且因此使切削镶片13移动。具有一个楔形表面271的调节体27用于径向调节并且通过双螺纹螺钉28可以发生移位。卡座20具有基本上平行六面体形的构造并且具有一个槽形的凹槽30，该凹槽(如具体从图3b中可以看到)经过夹紧体20相对远地延伸直到接近其后壁31。通过扩张该凹槽30使得位于凹槽30上方的部分201在箭头32的方向上近似地发生移动，这导致切削刃17对应倾翻一个角度α(非常夸大地示出)。以此方式，可以产生出切削镶片或切削刃倾斜度的精细设置。一个双螺纹螺钉用来调节该空隙宽度，这个螺钉接合在这些部分201和202的现有的孔中，并且该螺钉是作为一个绞盘螺钉33来设计的，在组装状态下其头部停靠在一个定位螺钉34上。图3a中示出了套筒扳手35和36，通过该图演示了这些扳手是如何被插入和致动的。经由卡座中的这个横向可进入的凹陷37，该绞盘螺钉在卡座中致动是可能的(见图3a)。

对于切削镶片12或13的轴向、径向及角度调节而言，首先通过装配的工具，螺钉19必须被致动以便释放这个夹紧体18。在这之后，这些调节螺钉26和28经由六边形套筒扳手而被致动，经由这些套筒扳手该切削镶片可以在轴向和径向上发生移位。另外，切削刃的倾斜(即，其角度位置)可以通过转动这个绞盘螺钉33而被设置为一个自由可选的角度。这种设置的可能性当然受到所选槽安排的限制，这是由于以下事实，即根据该卡座的可变形性，凹槽的距离仅可以在一个有限的程度上被改变。在选择设置这些切削镶片之后，每个镶片是经由夹紧体28通过紧固该螺钉19来固定的。这个切削镶片14仅可以径向地并且相对于该切削刃的角位置来进行调节。

从图4a至图4c以及图5中可以看到使用的这些切削镶片13和14的细节。切削镶片13具有一个CBN镶入件131，该镶入件在一个支撑体132中被钎焊在位，该支撑体例如可以由钢或碳化物制成。

这个CBN镶入件131具有一个顶部切削刃133以及一个较短的切削刃134，这个较短的切削刃相对于该切削刃133的垂线被倾斜一个10°的角度β。这些切削刃133、134经由一个例如1mm的半径而彼此汇合。CBN镶片131的被确定为角度α(见图4a)的倾斜度优选为6°。该切削镶片具有一个孔，该孔具有一个适合于M4螺钉的埋头孔135。

图5示出了一个切削镶片14的侧视图，它的CBN镶入件由141特指。这个镶入件具有一个切削刃，该切削刃被分成两部分，即切削刃区段142和143，它们围成一个175°的角γ。这些切削刃142和143在末端经由一个例如0.4mm的半径而汇入倾斜刃中，所述倾斜刃被倾斜一个2.5°的角度δ(在图中被夸大示出)。如从图5可以看到，该CBN镶入件141不必在切削镶片的整个高度上延伸。

被装配有CBN镶入件的外铣刀被具体用于一个曲轴或凸轮轴的随后的机加工。

被铸造或锻造的曲轴或凸轮轴通过外铣刀而首先经受一个初始的切削操作，这些外铣刀被定位在曲轴或凸轮轴的多个位置处以便形成多个主轴承和多个大端轴承并且用于机加工这些侧面。已经成为这个初始切削操作的目的是实现可能最佳的表面品质(具有Rz＜50μm以及同心度偏差＜100μm)。该曲轴或凸轮轴然后经受感应性硬化，其中如果需要的话，这种硬化可以局限于随后经受大负荷的这些轴承。在最终的切削操作中，所要求的具有最终尺寸公差Rz＜10μm以及同心度偏差≤30μm的最终尺寸质量是使用一个装配有多个CBN镶入件的外铣刀或内铣刀来设置的。全部的切削工作都是干燥地进行的，即无需使用冷却润滑剂。

附图标记清单

11  区段支架

12，13，14  切削镶片

131  CBN镶入件

132  支撑体

133、134切  削刃

135  埋头孔

141  CBN镶入件

142、143  切削刃区段

15  支架11的周边

16  夹紧螺钉

17  切削刃

18  夹紧体

19  双螺纹螺钉

20  卡座

201、202卡座的顶部及底部的部分

21  镶片座的定位表面

22，23  镶片座的侧表面

24  攻丝孔

25  用于轴向设置的调节体

251 楔形表面

26  双螺纹螺钉

27  用于径向设置的调节体

271 楔形表面

28  双螺纹螺钉

29  槽形凹陷

30  卡座20的槽形凹槽

31  卡座后壁

32  箭头

33  绞盘螺钉

34  定位螺钉

35，36  套筒扳手

37  横向凹陷

Claims (8)

1.一种用于将曲轴或凸轮轴精密机加工为最终尺寸公差Rz＜10μm、优选是≤5μm、并且同心度偏差≤30μm、优选是≤6μm的方法，这些曲轴或凸轮轴已经通过一种切削操作进行机加工并且至少部分地经受了硬化，其特征在于，在一个初始的切削操作以及随后硬化至45至60洛氏硬度(HRC)、优选为50至53HRC之后，使用装有多个CBN或PCD镶入件的多个切削镶片来执行一个最终的切削操作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所有这些切削操作都是干燥执行的，即无需使用冷却润滑剂。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该切削操作是通过一个外铣刀或内铣刀来执行的，该外铣刀或内铣刀具有装配有多个CBN或PCD镶入件的多个可调节的切削镶片。

4.一种将曲轴或凸轮轴精密机加工为最终尺寸公差Rz＜10μm、优选是≤5μm、并且同心度偏差≤30μm、优选是≤6μm的装置，这些曲轴或凸轮轴已经通过一种切削操作进行机加工并且至少部分地经受了硬化，该装置包括安排在一个内铣刀或外铣刀上、在径向和轴向上可调节的多个切削镶片，其特征在于，这些切削镶片装配有CBN或PCD镶入件，其中在横向上、径向上以及切向上被夹紧在位的多个切削镶片交替地彼此跟随。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，用于机加工一根曲轴或凸轮轴的大端轴承或中心轴承的切向夹紧的切削镶片具有一个屋顶形状设计的切削刃，该切削刃有两个切削刃区段，这两个区段围成一个173°至178°、优选175°的彼此间的角度。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，该切削刃区段末端通过一个R＝0.4mm至R＝1.5mm的边缘半径而汇入多个副切削刃中，这些副切削刃相对于该定位表面的一条法线被倾斜2°至3°、优选为2.5°。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，用于机加工这些侧壁的横向夹紧的切削镶片具有一个CBN或PCD镶入件，每个镶入件各自具有两个有用的切削刃，这两个切削刃围成一个80°±5°的角度并且通过一个R＝1至1.5mm切削拐角半径而彼此连接。

8.如权利要求4至7中之一所述的装置，其特征在于，所有这些切削镶片都被一个设置装置紧固在该卡座中。

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