CN102458762A - 凸轮磨削设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于磨削凸轮轴的凸轮(2)的设备(1)，所述设备包括至少一个保持心轴(3)，所述凸轮(2)在磨削过程期间被以不可旋转的方式固定在所述至少一个保持心轴(3)上，其中，所述至少一个保持心轴(3)至少在一些区域由陶瓷材料制成。由于陶瓷保持心轴(3)的高弹性模数和高强度，磨削成本能够被充分降低。

Description

凸轮磨削设备
技术领域
本发明涉及用于磨削凸轮轴的凸轮的设备，并且也涉及用于使用这种磨削设备磨削凸轮轴的凸轮的方法。
背景技术
用于凸轮轴的凸轮，特别是用于内燃机凸轮轴的凸轮，通常必须被磨削，从而可以使关联的阀被尽可能精确地和准确地运转。到目前为止，这通过所谓的凸轮轴磨削设备实现，其中待磨削的凸轮被夹在金属保持心轴(例如液压膨胀心轴)上，并且因此可以磨削轴向彼此平行布置的多个凸轮。然而，在这点上不利的是，这种金属保持心轴在磨削凸轮期间会弹性弯曲，其导致单个凸轮的不准确的磨削。与此同时，这种金属保持心轴受到不能被低估的磨损，并且因此不得不定期更换，同样，这又增加每个待磨削凸轮的磨削成本。另外，由于每个保持心轴通常同时最多仅仅能够支撑四个凸轮，并且每个凸轮需要例如15秒的磨削时间，因此磨削四个凸轮总共需要60秒。由于金属保持心轴的弯曲以及相关或伴随的磨削不精确性，仅仅当采用相对低的磨削压力进行磨削时，可以同时磨削四个凸轮，其结果是增加磨削时间。
发明内容
本发明致力于解决的问题在于，给出用于磨削凸轮轴的凸轮的设备的改进实施例，特别地，使得可以更成本有效地磨削凸轮。
根据本发明，该问题通过独立权利要求的主题得以解决。从属权利要求涉及优选实施例。
本发明基于以下一般概念，在已知的本身用于磨削凸轮轴的凸轮的设备的情况下，特别是用于磨削内燃机的凸轮轴的凸轮的设备的情况下，利用至少在一些区域由陶瓷形成的保持心轴(优选完全由陶瓷形成的保持心轴)取代到目前为止的金属膨胀心轴形式的保持心轴。在这方面，特别地可以使用所谓的工业陶瓷。这种由陶瓷形成的保持心轴的主要优势在于，特别地，陶瓷的非常高的弹性模数，使得保持心轴非常刚硬以致可以同时磨削夹在陶瓷保持心轴上的至少四个凸轮，其结果是显著降低用于每个凸轮的磨削时间及磨削成本。由于高弹性模数和高刚度，根据本发明设计的这种保持心轴另外不需要什么支撑，并且仍然能够接纳尽可能多的进行磨削的凸轮或者比到目前为止已知的由金属(特别是钢)形成的保持心轴接纳更多的用于磨削的凸轮。作为陶瓷(特别是工业陶瓷)特征的高摩擦系数还导致凸轮在陶瓷保持心轴上的显著改进附着，其结果是可以在磨削凸轮期间将力矩有效地从陶瓷保持心轴传递到待磨削的凸轮。此外特别有利的是，陶瓷的热膨胀仅仅是钢的大约25％，这使得结合(例如通过热的方式结合)到相应保持心轴(特别是陶瓷保持心轴)的凸轮能够被相当更有效地支撑在其上，并且在磨削操作之后也能够相当更容易地从其移除。在磨削操作之后，通过加热(例如感应加热)相应的凸轮来移除凸轮，相应的凸轮因而膨胀并且因此能够被容易地从不能被感应加热的陶瓷保持心轴移除。通过感应加热凸轮，仅仅后者被加热，而陶瓷保持心轴不被加热，因此保持心轴仅能通过从凸轮到保持心轴的热传递的方式被加热，并且因此仅仅被加热至非常小的程度，加热不会对从保持心轴移除凸轮的过程产生不利影响。
由于陶瓷材料，特别是所谓的工业陶瓷，还具有与金属相比高很多的蠕变阻力，所以根据本发明的陶瓷保持心轴与可比较的金属保持心轴相比能够使用长得多的时间，并且因此还可以减少成本。这里当然也可以想到，根据本发明的保持心轴仅仅在一些区域而不是完全地由陶瓷形成。较长的使用寿命和高弹性模数特别可以明显减少单个凸轮的磨削成本。
在根据本发明的解决方案的优选改进中，至少一个保持心轴至少在一些区域由氮化物陶瓷形成，其另外包括硅，并且特别为Si3N4的形式。氮化硅(Si3N4)在氮化物陶瓷中具有目前明显地主导的作用并且具有出众的材料特性的结合，其到目前为止还没有通过其它的陶瓷获得此种出众的材料特性的结合，这些出众的材料特性特别包括：高韧性、即使在高温下的高强度、出众的抗热震性、出众的耐磨性、低热膨胀、仅仅平均水平的导热性及高耐化学性。特性的这种组合为经受最极端的使用条件的陶瓷，特别是预定用于机械零件的陶瓷，提供非常高的动力载荷和可靠性需求。较密实的氮化硅陶瓷的生产在亚微细粒的Si3N4粉末的基础上进行，其与烧结添加剂(Al2O3、Y2O3、MgO等)混合，并且在成形工艺之后，在1750摄氏度到1950摄氏度之间的温度烧结。由于Si3N4在烧结环境的正常压力下在高于大约1700摄氏度的温度下分解，在烧结期间能够增加N2压力并且因此能够阻碍所述分解。
本发明进一步的重要特征和优点根据各从属权利要求、根据附图并根据基于附图的图示的描述呈现。
应理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，上述各特征和待在下文中说明的各特征可不仅通过在所有情况下给出的组合方式使用，而且可通过其他组合或者单独使用。
附图说明
本发明的优选示例性实施例显示在图中并且将在以下描述中更详细地说明。
仅有的附图，图1，显示根据本发明的用于磨削凸轮轴的凸轮的磨削设备的非常概略的图示。
具体实施方式
如图1中所示，根据本发明的用于磨削凸轮2的设备1具有保持心轴3，凸轮2在磨削操作期间非旋转固定在该保持心轴3上。根据本发明，这种保持心轴3至少在一些区域中，优选主要地由陶瓷(特别是工业陶瓷)形成。在此情况下，保持心轴3以不可旋转的方式连接到驱动设备(未显示)的轴4。根据本发明，由于保持心轴3由陶瓷形成，所述心轴具有高的弹性模数以及与此相关的高强度。这使得通过将凸轮2压靠在设备1的磨削元件5上同时磨削多个凸轮2(优选地例如八个凸轮2)成为可能。磨削元件5自身通常具有快速旋转的磨削体部，所述磨削体部被压靠夹紧在保持心轴3上的凸轮2上。不言而喻，保持心轴3还能够被压靠在磨削元件5上。还可以想到的是，磨削元件自身是磨削盘的形式，其根据图1意在由旋转轴线7表示。
与先前由金属形成的保持心轴相反的是，利用根据本发明的由陶瓷形成的保持心轴3，可以同时磨削多个凸轮2，由于根据本发明的保持心轴3因其高强度在磨削操作期间实际上不经历弯曲，并且由此可以同时精确地磨削多个凸轮2成为可能。与此相反，利用根据现有技术的由金属形成的保持心轴，仅仅可以接续地磨削凸轮2或者同时磨削最多四个凸轮2(后者具有较低的磨削压力)，结果是磨削操作总体上被明显延长。由于高刚度、强度和高弹性模量，事实上，根据本发明的保持心轴3不需要任何另外支撑，并且即使不需要这种支撑，也不会出现不可接受的弯曲——这种弯曲将会对磨削结果产生不利影响。
与已知的金属保持心轴相反的是，根据本发明的陶瓷保持心轴3还具有相当低的热膨胀以及提高相当多的摩擦系数，二者有助于磨削操作的总体简化。凸轮2通常利用形状配合和/或压入配合被布置在保持心轴3上，为此目的，例如保持心轴3的外侧的至少一些区域有凸边，特别地被提供有多齿轮廓，或者具有舌/槽连接。这种可能的凸边改善与待磨削的凸轮2的互锁并且因此改善凸轮2和保持心轴3之间的力矩传递。作为另外一种选择，还可以想到的是，待磨削的凸轮2将被热结合到保持心轴3，为此目的，凸轮2首先被加热，并且在已被加热状态被推动或压到保持心轴3上。在冷却和伴随的收缩之后，凸轮2在无需形状配合的情况下被以不可旋转的方式固定到保持心轴3。
在这方面，特别地有利的是，凸轮2相对于其钻孔能够先被加工，然后能够被感应加热并且能够被螺纹拧在陶瓷保持心轴3上。由于具有“弯曲的”钻孔的凸轮2首先被热连接到保持心轴3然后磨削，所以即使钻孔未被正确地制造，这也不会对凸轮2的后续操作产生负面影响。通过重新的感应加热，凸轮2被从保持心轴3移除并且优选地在没有冷却和中间贮存的情况下螺纹拧在内燃机的凸轮轴上，所述凸轮然后经冷却在凸轮轴上“牢固地”收缩。由于没有对钻孔做改变，所以在收缩之后，凸轮2在凸轮轴上采用和在保持心轴3上相同的位置，即相同的滑动配合，并且因此同样地其磨削表面的取向与其在保持心轴3上的定向相同。
可替代地，当然还可以想到，待磨削的凸轮2被支撑在保持心轴3上，特别是经过间隔环6被支撑在保持心轴3上，间隔环6在轴向方向上位于各个凸轮2之间，并且仅有两个间隔环6在图1中作为实例被显示。清楚的是，只有在轴向方向中断的单个保持心轴3显示在图1中，当然清楚的是，根据本发明的用于磨削凸轮轴的凸轮2的设备1也能够具有多个保持心轴3。
根据本发明，根据解决方案的有利发展，至少一个保持心轴3至少在一些区域中由氮化物陶瓷形成。另外，该氮化物陶瓷能够包括硅，并且特别地能够为Si3N4的形式。在此情况下，参照氮化硅，其具有高韧性、即使在高温下的高强度、出众的抗热震性、出众的耐磨性、低热膨胀、普通导热性以及高耐化学性。
迄今为止，举例来说，这种保持心轴被设计成液压轴，其具有内腔，该内腔被布置在凸轮2的区域中，并且液压油被挤压到内腔中，从而通过轴的膨胀而以不可旋转的方式固定外部的凸轮2。然而，这种液压轴相对昂贵，不能容易地从磨削设备1移除并且又具有有限的使用寿命，导致每个凸轮2具有相当高的磨削成本。
举例来说，利用根据本发明的保持心轴3，还可以想到的是，在磨削操作已经被完成之后，后者立即被从设备1移除并且被定位成与内燃机的安装凸轮轴轴向对齐，然后各个凸轮2各自被感应钳夹持、感应加热并从陶瓷保持心轴3移除，并且被直接(即不冷却和中间贮存)定位在凸轮轴上。根据本发明，由于陶瓷保持心轴3不导电并且因此不能够被感应加热，对设备1而言，只有凸轮2而不是保持心轴3被感应加热。在此情况下，保持心轴3仅能通过从凸轮2到保持心轴3的热传递被加热。由于陶瓷与钢相比具有相当低的热膨胀，甚至加热保持心轴3几乎不会引起其热膨胀，然而，其结果是，与由钢形成的保持心轴的情况相比，凸轮2总是能够相当地更有效地从保持心轴3移除。然而，根据本发明的保持心轴3的高抗蠕变性结合伴随的长使用寿命是特别有利的。根据本发明的保持心轴3同样具有的积极特征在于其具有高摩擦系数，这在其表面上相对凸轮2有效，可能提高保持心轴3和凸轮2之间的附着并且在保持心轴3和凸轮2之间需要较小的重叠。由于高弹性模数，与根据现有技术已知的保持心轴相反，现在可以同时磨削多个凸轮2，而不必担心由于保持心轴3弯曲削弱磨削结果。在从目前根据现有技术已知的保持心轴的情况下，必须单个地磨削每个凸轮2，即接续地磨削所有凸轮2，这显著延长磨削时间并且从而也增加磨削成本。
即使待磨削的凸轮2被压到至少在一些区域由陶瓷形成的保持心轴3上，由于其强度和其弹性模数比钢的强度和弹性模数高得多，可以假定由陶瓷形成的保持心轴3的使用寿命将非常地长。大体上，使用根据本发明的设备1因此可以显著减少磨削成本和磨削时间，根据本发明的保持心轴3的成本至少在其整个使用寿命期间同样比可比较的由钢形成的保持心轴的成本低。

Claims (8)

1.一种用于磨削凸轮轴的凸轮(2)的设备(1)，所述凸轮轴特别地是用于内燃机的凸轮轴，所述设备(1)包括至少一个保持心轴(3)，所述凸轮(2)在磨削操作期间被以不可旋转的方式固定在所述至少一个保持心轴(3)上，其中，所述至少一个保持心轴(3)至少在一些区域由陶瓷形成。
2.如权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述至少一个保持心轴(3)至少在一些区域由氮化物陶瓷形成。
3.如权利要求2所述的设备，
其特征在于，
所述氮化物陶瓷包括硅，特别是Si3N4的形式。
4.如权利要求1至3中任一项所述的设备，
其特征在于，
待磨削的所述凸轮(2)以形状配合和/或压入配合的形式布置在所述保持心轴(3)上，或者，
待磨削的所述凸轮(2)被热结合到所述保持心轴(3)，或者，
待磨削的所述凸轮(2)被支撑在保持心轴(3)上，特别经过在轴向方向上位于所述凸轮(2)之间的间隔环(6)被支撑在保持心轴(3)上。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述至少一个保持心轴(3)的外侧的至少一些区域有凸边，或者具有多齿轮廓，或者为舌/槽连接的舌/槽。
6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述至少一个保持心轴(3)被设计成至少用于同时保持至少两个凸轮(2)，优选同时保持八个凸轮(2)。
7.一种用于磨削凸轮轴的凸轮(2)以及用于在所述凸轮轴上的随后装配的方法，所述凸轮特别是用于内燃机的凸轮轴的凸轮(2)，在所述方法中
所述凸轮(2)被以不可旋转的方式固定到磨削设备(1)的至少在一些区域由陶瓷形成的保持心轴(3)上，然后被磨削，所述凸轮通过压入配合和/或形状配合的方法或者通过热结合的方法被以不可旋转的方式固定，
所述保持心轴(3)从所述磨削设备(1)移除，
每个凸轮(2)被加热，例如通过感应加热，和/或通过施加力从所述保持心轴(3)移除，
每个凸轮(2)被安装到所述凸轮轴上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
在被从所述保持心轴(3)移除之后，每个凸轮(2)不经过中间贮存和冷却即被安装到所述凸轮轴上。
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