CN107107301B

CN107107301B - 机械化学修整工具

Info

Publication number: CN107107301B
Application number: CN201580068234.2A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·格兰隆德; 乔纳斯·伦德玛克; 鲍里斯·朱莫得
Original assignee: Applied Nano Surfaces Sweden AB
Current assignee: Applied Nano Surfaces Sweden AB
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: US10105810B2; SE538554C2; WO2016089289A1; JP6580139B2; CN107107301A; SE1451491A1; KR20170091651A; US20170326704A1; JP2018501969A; EP3227050B1; EP3227050A4; EP3227050A1

Abstract

一种用于机械化学处理的工具(1)包括轴(10)、n≥1的n个数量的工作凸耳(20)以及施力布置(2)。所述施力布置(2)被构造用于在所述工作凸耳(20)上施加工作力(F)。所述工作凸耳(20)包含具有高于800HV的维氏值和高于200GPa的杨氏模量的耐磨材料。每个工作凸耳(20)具有背向主轴线(11)并且具有低于1μm的表面粗糙度Ra的接触表面(22)。所述接触表面(22)具有凸状弯曲，所述凸状弯曲具有至多等于所述点至所述主轴线的最近距离的曲率半径。所述接触表面(22)的宽度小于r/2n。在每个工作凸耳(20)上施加的所述工作力为至少P·L·r/2n，其中P＝10⁷Pa并且L为所述接触表面长度。

Description

机械化学修整工具

技术领域

本发明整体涉及用于增强汽缸膛的摩擦学特性的装置和方法，并且具体地涉及用于机械化学表面整饰的装置和方法。

背景

移动活塞组装件与汽缸膛之间的摩擦占内燃机中的机械能损失的最大部分。摩擦还导致活塞环磨损，这影响压缩密封和耗油量。因此，一般需要提供具有尽可能低的摩擦并且经受尽可能小的磨损的汽缸膛表面，同时自使用的第一天起并且在整个发动机寿命内保持其最佳的摩擦学特性。

提供低摩擦表面的现有技术的方法包括使用PVD和CVD涂层、等离子体溅射、固体润滑剂膜和聚合物粘结的固体润滑剂涂层。因此，公布的美国专利申请2005/0214540描述了用于活塞的PVD和CVD涂层，并且美国专利4,629,547描述了通过等离子体溅射获得的低摩擦的含硼膜。某些固体膜润滑剂的实用性为人所知较长时间。下文仅呈现出几个例子。美国专利1,654,509描述了将石墨嵌入到金属粘结剂中用来制备用于轴承的抗磨涂层。公布的英国专利申请GB 776502 A描述了通过用含磷、硫、硒或卤素原子的汽化的反应性物质处理形成的保护性膜。GB782263显示通过在含有碱金属氰化物、碱金属氰酸酯和活性硫的熔融盐浴中将黑金属部件加热至高于500℃的温度进行对黑金属部件的硫化改善了耐磨性和咬粘。公布的国际专利申请WO03/091479A描述了通过在含有适当添加剂的油中加热而对活塞环和活塞的化学处理。美国专利5,363,821公开了将石墨、MoS₂、BN固体润滑剂掺入到聚合物载体/粘结剂中用来通过使用后续热固着的喷涂施加在汽缸膛壁处制备减摩涂层。日本专利申请2004-76914公开了用于通过将钼和硫包覆到聚酰胺酰亚胺树脂基质中产生低摩擦涂层的方法。

大多数固体润滑剂系统的共同点在于润滑剂以纯的润滑剂物质形式或以在承载物质中的润滑剂形式沉积到表面上。沉积之后可接着不同种类的后处理，通常为热处理。因此润滑剂将被提供为在待润滑表面的顶部上的层。

通过使用机械化学过程、借助于摩擦化学反应的修整来产生低摩擦表面的制造方法已描述于公布的美国专利申请2013/0104357 A1或公布的美国专利申请2010/0272931A1中。方法涉及在含有耐火金属二硫属化物固体润滑剂前体的过程流体存在下、在施加足够高的负载的同时使硬工具摩擦部件表面。已显示借助于摩擦化学反应的修整产生关于表面粗糙度、耐磨性和减摩性的显著改善。与其他先前的固体润滑剂系统相比，如此制备的表面组合物作为原始表面的修饰而产生并且由此成为与原始提供的表面成一体的部分。

借助于摩擦化学反应的修整处理可视为制造中的磨合(running-in)过程。发动机的磨合或走合(breaking-in)使表面不规则部分变平滑并且降低各种摩擦部件；环/膛系统与气阀机构之间的局部压力，特别是对于平推杆凸轮式发动机，这是所关注的主要点。然而，虽然发动机磨合为传动新的或改造的发动机的公认程序以便最大化其功率输出和耐久性，但是从未尝试在部件水平下进行发动机磨合-作为部件制造过程中的专用整饰操作。此举使得允许针对每个部件单独地最佳化加工条件，从而最大化处理效果。

这种新类型的表面处理最初使用配备有具有非常硬的表面的工作石的标准珩磨工具来进行。标准珩磨工具的实例可见于例如美国专利1,955,362和2,004,949中。然而，与传统的珩磨相比，因为借助于摩擦化学反应的修整为非研磨方法，所以发现基于用硬表面工作石代替珩磨石的现有技术珩磨设备的操作远远达不到理想条件。例如发现工具制备不合理地花费较长时间；工具使用寿命太短；过程稳定性差并且处理结果在不同设置之间可有所变化。

概述

本发明技术呈现的总体目的为提供具有改进的处理效率和再现性的方法和装置。

这些目的通过根据所附独立专利权利要求的装置和方法来实现。优选实施方案在从属权利要求中限定。一般来说，在第一方面，用于机械化学处理汽缸膛的工具包括具有主轴线的轴、n个数量的工作凸耳(其中n等于或大于1)以及施力布置。施力布置被构造用于在工作凸耳上施加背离主轴线指向的工作力。工作凸耳包含具有高于800HV的维氏(Vickers)值和高于200GPa的杨氏模量的耐磨材料。每个工作凸耳具有平行于主轴线的基本上细长的接触表面。接触表面背对主轴线并且接触表面被精细地抛光并且基本上为非研磨性的，具有低于1μm的表面粗糙度Ra。接触表面在垂直于主轴线的横截面中具有凸状弯曲。在所述接触表面的每个点中，凸状弯曲具有等于或小于所述点至主轴线的最近距离的曲率半径。工作凸耳在以主轴线为中心的周向上的宽度小于r/2n，其中r为接触表面与主轴线之间的最大距离。在每个工作凸耳上施加的工作力为至少P·L·r/2n，其中P＝10⁷Pa并且L为工作凸耳的接触表面的平行于主轴线的长度。

呈现的技术的一个优点在于借助于摩擦化学反应的修整可使用均一和可再现的接触压力进行。其他优点结合下文描述的示例性实施方案描述。

附图简述

可以通过参考以下结合附图的描述来最佳地理解本发明以及它的其他目的和优点，在附图中：

图1为用于机械化学处理汽缸膛的工具的一个实施方案的部分横截面图解；

图2为工作凸耳的一个实施方案的图解；

图3为说明工作凸耳上的摩擦力的图解；

图4A-D为用于机械化学处理汽缸膛的工具的不同实施方案的轴向横截面视图；

图5为用于机械化学处理汽缸膛的工具的另一个实施方案的部分横截面图解；

图6为用于机械化学处理汽缸膛的工具的又另一个实施方案的部分横截面图解；

图7为用于机械化学处理汽缸膛的工具的又另一个实施方案的部分横截面图解；

图8为用于机械化学处理汽缸膛的工具的又另一个实施方案的部分横截面图解；

图9示出工作凸耳的一个实施方案的形状和特性；

图10为用于机械化学处理汽缸膛的方法的一个实施方案的步骤的流程图；

图11A-D为示出借助于摩擦化学反应处理的修整中的不同阶段的图；

图12A-B为示出借助于摩擦化学反应处理的修整的优点的图；并且

图13为将常规衬垫与通过借助于摩擦化学反应的修整处理的衬垫的表面粗糙度进行比较的图。

详述

在整个附图中，相同参考号用于类似或对应元件。

在提供用于通过借助于摩擦化学反应的修整对汽缸膛进行制造中磨合的工具的一种方法基于使用具有与现有技术珩磨机相同的一些特征的机器。很久以前，本发明人构思出了使用珩磨样机器用于对汽缸膛进行制造中磨合的想法。具体地，先前已提到处理优选通过用一组硬表面工作凸耳代替原始细磨石(也称为珩磨石)并且用含有钨源和硫源的专用过程流体取代珩磨油进行。然而，提供工业上可适用的过程必需的实际技术设计要素先前从未公开过。

当关于汽缸膛的制造中磨合进行实验性测试运行时，发现处理的结果在不同设置之间相差很多，并且发现过程的总体稳定性总体上不令人满意。在详细分析后，发现传统珩磨与借助于摩擦化学反应的修整处理之间的操作差异对工具的设计提出新需求。

一个重要差异为工作石的磨损特性。常规的珩磨石(也称为细磨石)基本上为易损件。这意指即使原始安装提供稍微错位的珩磨石，工作表面无论如何也会由于珩磨石的磨损而相当快地与汽缸膛共形。另外，如果一个珩磨石以比另一个珩磨石稍微大的半径安装，得到仅一个珩磨石与汽缸膛接触的原始情况，则所述珩磨石的磨损将很快补偿这种半径偏差并且另一个珩磨石将很快与汽缸膛接触。

对于旨在用于借助于摩擦化学反应的修整的工作石，情况为完全不同的。摩擦化学反应由摩擦能驱动，所述摩擦能通常通过在高压力下使工作表面摩擦待处理的表面而产生。为了提供合适的条件，工作表面必须非常硬。这通常还暗指工作表面为高度耐磨的。因为对工作表面的磨损极其缓慢，所以工作石在径向上以及相对于汽缸膛的相对位置以非常准确的方式得以控制以便实现高效的修整操作。另外，因为磨损通常可忽略，所以工作表面的表面结构必须从开始就已经非常平滑。

因此，在用于借助于摩擦化学反应的修整的工具的一个实施方案中，每个工作凸耳具有接触表面。接触表面沿平行于工具轴的主轴线的方向基本上为细长的。换句话讲，细长的接触表面与主轴线对齐。接触表面背向主轴线以便实现与待处理的表面(例如汽缸膛的内表面)的接触。接触表面被精细地抛光并且基本上为非研磨性的。这与常规的细磨石形成对比，因为借助于摩擦化学反应的修整得益于最小化材料去除。工作凸耳的接触表面具有低于1μm，优选低于0.1μm，并且甚至更优选低于0.05μm的表面粗糙度R_a(ISO 4287，ASMEB46.1)。接触表面在垂直于主轴线的横截面中具有凸状弯曲。在接触表面的每个点中，凸状弯曲具有等于或小于所述点至主轴线的最近距离的曲率半径。换句话讲，弯曲不应比汽缸膛的内表面更平坦，具有等于所述距离的以主轴线为中心的半径。这允许沿待处理的凹表面紧密定位，而没有使待处理表面暴露于工作工具上的边缘的风险。

优选要求用于借助于摩擦化学反应的修整的工具允许与膛材料的典型屈服应力值相同的数量级的最大接触压力。这通过使用具有由具有高于800HV的维氏值(ISO 6507，ASTM E384)和高于200GPa的杨氏模量的材料制成的接触表面的凸耳来实现。优选地，接触表面具有高于1600HV的维氏值。优选地，接触表面具有高于400GPa的杨氏模量。合适的材料为例如烧结金属碳化物、反应粘结氮化硅、热压氮化硅、烧结氮化硅、气压烧结氮化硅、热压碳化硼、高速钢和类似的材料。

为了进行借助于摩擦化学反应的修整过程，接触压力必须为高的。据信典型的实际下限为大约10MPa。对于较小压力，在某些系统中仍可能存在借助于摩擦化学反应的修整过程，然而，认为所述过程通常变得太慢以至于不能用于商业系统中。例如，对于由离心式浇铸延性铁制备的汽缸衬垫(ASTM 536-84，DIN 1693GGG70)，优选的接触压力应为50MPa以上，甚至更优选100MPa以上，并且最优选200MPa以上，只要未超过材料的极限强度。

在进行借助于摩擦化学反应的修整的目的下，如果使用传统的珩磨设备并且用等同形状的硬表面工作石代替珩磨石，则将产生一些问题。珩磨石适于最大化待处理表面上的研磨作用。因此，珩磨石通常呈现宽的接触表面。为了达到用于实现摩擦化学反应所需的接触压力范围，实际上将工作石压在待处理表面上所需要的总力变得非常高。工具必须以非常严格的方式设计，这增加了复杂性、成本和重量。对于许多现有技术珩磨工具，不可能在无需大量的设计改变的情况下实现此类所需的力。

此外，如所提出的，使用具有与珩磨石类似的几何形状的工作石将需要高压力。这种高压力将被施加至待处理表面。在一些应用中，支撑待处理表面的结构不是非常坚硬，并且在许多应用中，这种总力可增加待处理物体变形的风险。因此，在许多应用中，要求所实现的施加总力具有上限。同时，为了进行借助于摩擦化学反应的修整，必须提供高压力。

为了解决这些矛盾的要求，优选凸耳的尺寸选择为使得保持在以优选接触压力表示的借助于摩擦化学反应的修整过程的运行性能窗口内，同时还保持在机器夹持石头的操作负载范围内和待处理物体上的最大允许力。一般来说，工作凸耳被制成窄的。

珩磨石通常尽可能宽以便最大化工具与待处理表面之间的接触表面的研磨区域。窄珩磨石因此为非优选的。例如，在美国专利2,004,949中，珩磨石占总圆周区域的大约25％-30％。使珩磨石相对较宽的另一原因为避免切向力打碎石材。

然而，旨在用于借助于摩擦化学反应的修整的工作凸耳的条件为完全不同的。在本文中，局部压力具有主要的重要性，并且然后可有利地使用窄接触表面。因为旨在用于借助于摩擦化学反应的修整的工作凸耳中的材料为极其坚韧的，所以切向力使工作凸耳裂开的风险也较低。

在优选的实施方案中，工作石优选成形为凸耳，以便在轴向上具有相对较大的延伸，同时在切线方向上保持较小延伸以增加接触压力。本公开的工作石将因此指代为工作凸耳，并且当适于在借助于摩擦化学反应的修整过程中使用时，它们偶尔指代用于机械化学处理的工作凸耳。

已发现，当在每个工作凸耳上施加一定的最小力时，引发摩擦化学反应。这对凸耳宽度提出某些限制，因为要求合理地窄凸耳以便在不使汽缸变形的情况下同时实现足够的接触压力。实际上，所有凸耳的接触面积总共占待处理汽缸的圆周的至多约8％。换句话讲，8％的圆形圆周为约0.5r，其中r为半径。然后，n个窄凸耳中的每个具有0.5r/n或r/2n的最大宽度。这与在珩磨操作过程中通常使用的相比为显著较小的部分。优选地，宽度小于r/4n，并且最优选小于r/8n。然后，在每个工作凸耳上施加的工作力应为至少P·L·r/2n，其中P＝10⁷Pa并且L为工作凸耳的接触表面的平行于主轴线的长度。这对应于在优选宽度的工作凸耳上提供的10MPa数量级的压力。

对于极其窄的工作凸耳，使得产生到待处理表面中的切割操作，引起破碎的风险增加。为了避免此类损害，工作凸耳的顶端必须仔细地修圆或设置有任何其他非切割性几何形状。

常规珩磨石与用于借助于摩擦化学反应的修整的工作石之间不同的另一方面为在径向上补偿工作石磨损。如所提到的，珩磨石磨损相对较快，并且为了继续达到汽缸膛表面，优选地必须补偿半径的变化。利用弹簧的不同现有技术珩磨方法见于例如专利US 1,484,353或公布的德国专利申请DE102009030451A1、DE102010032453A1和DE102011118588A1中。在它们的大多数中，弹簧安装在轴与珩磨石之间并且在珩磨石磨损后，弹簧将伸展并且补偿磨损。这在常规珩磨中使用的接触压力和磨损速率下为完全可行的。在也在背景中提到的专利US 1,955,362和US 2,004,949中，珩磨石提供在可以在径向上控制的夹持件上，从而允许补偿例如磨损。然而，这种补偿必须手动进行。

然而，在借助于摩擦化学反应的修整中，接触力实际上非常高，但是相反，需要补偿的距离非常小。在此类情况中，其中弹簧提供距离补偿和负载均衡的解决方案不太合适。因此，优选的实施方案基于下述解决方案，在所述解决方案中，通过除弹簧之外的其他装置进行初始距离补偿的至少一部分，但是弹簧有助于补偿精细调整和/或任何较小磨损。

根据这些考虑，现还应当理解借助于摩擦化学反应工具的修整的接触表面优选地相对于主轴围绕垂直于主轴和垂直于径向指向的倾斜轴线附接。如上文所提到，接触表面还应当优选为可在径向上移动。此外，将工作力施加到接触表面上应当优选为基本上独立于接触表面的径向位置。

凸耳优选组装成多凸耳阵列，所述多凸耳阵列在每个单独凸耳上提供相等负载，并且提供每个凸耳的动态自动对齐以用于实现与膛表面的共形接触。这在下文将进一步更详细论述。

凸耳几何结构优选选择为使得补偿小但不可避免的凸耳磨损并且在工具使用寿命内保证稳定的过程参数。

凸耳安装机构优选地设计为使得在维修过程中容易更换凸耳。

图1示出用于机械化学处理汽缸膛的工具1的一个实施方案。工具1包括轴10，轴10具有主轴线11。工具1具有至少一个工作凸耳20。在本实施方案中，四个工作凸耳20围绕主轴线11均匀散布。在这个实施方案中，每个工作凸耳20为用于机械化学处理的工作凸耳21。

可能用于图1的实施方案中的工作凸耳20的一个实施方案更详细地在图2中示出。在这个实施方案中，工作凸耳20包括接触部分25和基体部分26。基体部分26在本文中用于附接工作凸耳20并且用于使工作凸耳20变得更硬。

在替代实施方案中，整个工作凸耳可提供为一个单件。

工作凸耳20具有基本上细长的接触表面22。在垂直于接触表面22的伸长方向E(即垂直于主轴线)的横截面中，接触表面22具有凸状弯曲23。在接触表面22的每个点中，凸状弯曲23具有等于或小于所述点至主轴线的最近距离r(在图1中)的曲率半径。换句话讲，接触表面22的凸状弯曲23应当至少与圆形汽缸表面一样凸，具有等于主轴线至接触表面22的距离r(图1)的半径。这种凸状弯曲23优选具有等于待处理汽缸膛内径的半径。以此方式，接触表面与汽缸膛之间的接触将基本上为线接触，其中预定的宽度基本上等于接触表面22的宽度。凸状弯曲23沿接触表面22的基本上整个伸长为恒定的。这使得可能具有长度与工作凸耳20基本上相同的线接触。

工作凸耳20的接触表面22在垂直于主延伸E的方向上为窄的。如上文论述并且将在下文进一步论述，接触表面22的宽度87应当仅占工具圆周的一小部分。

返回至图1，工作凸耳20中的每一个通过附接点32附接至相应的凸耳支撑布置30。形成这种附接使得相对于主轴线11并且相对于平行于主轴线11的伸长方向E，接触表面22径向向外指向。凸耳支撑布置30可在相对于主轴线11径向指向的相应支撑位移方向D上移动。凸耳支撑布置30可作为主工具的一体式部分或作为单独部分提供。

工作凸耳20与相应凸耳支撑布置30的附接点32被构造用于使得工作凸耳20围绕相应的倾斜轴线24倾斜。倾斜轴线24垂直于主轴线11并且垂直于相应支撑位移方向D指向。在本实施方案中，允许大约±1.5°的枢转。

施力布置2包括执行机构40，执行机构40由轴10支撑并且被布置用于在相应凸耳支撑布置30上施加相应的工作力F。凸耳支撑布置30从而可被认为是施力布置2的一部分。工作力F相对于主轴线11沿径向向外指向。在具有多于一个工作凸耳20的这个实施方案中，执行机构40被布置用于在相应凸耳支撑布置30上施加具有相同量级的相应工作力F。

在本实施例中，执行机构40基于轴向力通过锥体作用机械传递为径向力。在其他实施方案中，可使用用于提供工作力F的其他解决方案。可能的其他实施方案可以基于磁性和/或电相互作用和/或现有技术中已知的像这样的其他机械设计。提供力的实际详细方式不是为本发明思想的基本部分必需的。本公开中示出的实施方案仅作为其可如何实现的一个具体实例给出。然而，在本实施方案中，执行机构40包括设置穿过轴10的中心孔12的杆42。具有螺纹孔的两个锥体44围绕在杆42的螺纹部分设置。当杆42围绕其轴线旋转时，杆螺纹与锥体孔螺纹之间的相互作用致使锥体44向上或向下移动。端板46附接到杆42的端部上。在附图中，当杆42在第一方向上转动时，用特定的力迫使锥体44朝下。这种力通过与凸耳支撑布置30上的倾斜表面34相互作用传递为充当工作力F的径向力。倾斜表面34优选为与锥体44共形的圆锥形表面的部分。倾角决定锥体44的轴向力与凸耳支撑布置30上的所得工作力F之间的相关性。凸耳支撑布置30可在径向上移动并且向外推送，直到工作凸耳20与汽缸膛接触。同样地，这种施力布置2在现有技术中是已知的并且在本文中仅作为执行机构设计的可能实例给出。

在图1的实施方案中，如上文所提到，凸耳支撑布置30可在径向上移动。然而，如果工作凸耳20在凸耳支撑布置30上的安装对于所有工作凸耳20不完全同等，或者工作凸耳20或凸耳支撑布置30的几何尺寸不完全相同，则同时执行机构的作用将不致使所有工作凸耳20与汽缸膛同时接触。一组工作凸耳20和凸耳支撑布置30可比另一组稍长。在这个实施方案中，这情况可通过使用在支撑位移方向D上有弹性的施力布置2调整。在这个实施方案中，施力布置2包括布置在执行机构40与工作凸耳20之间的弹性构件36。在这个具体实施方案中，弹性构件36由在支撑位移方向D上操作的弹簧构成。弹簧设置在凸耳支撑布置30的凹陷部38中以实现更大的紧凑性，然而，弹性构件36的顶部稍微突出到凸耳支撑布置30的主外表面37的外部。在这个实施方案中，附接点32设置在弹性构件36的外端，而弹性构件36的内端由凹陷部38的底部支撑。

当工具1引入到待处理的汽缸膛中并且执行机构被激活以提供工作力F时，凸耳支撑布置30向外推送，直到第一工作凸耳20与汽缸膛的内表面接触。对应的弹簧开始压缩并且产生使工具在相反方向上移动的力。所有工作凸耳20迟早都会与汽缸膛接触并且然后弹簧将调整工具1的位置，直到在所有工作凸耳20上施加基本上相同的力。在通常情况下，然后工具的轴线11将与汽缸膛的轴线不完全重合，但是偏差通常很小以至于可忽略位移。然而，所有工作凸耳20暴露于相同的接触力。

因为调整量通常非常小，所以弹性构件36可具有相对较高的弹簧常数。测试已显示可需要大约2MN/m的弹簧常数，这取决于工作凸耳的实际设计。一般来讲，优选的是具有弹簧常数为至少K·L·r/2n的弹性构件，其中r为接触表面与主轴线之间的最大距离，L为工作凸耳的接触表面的平行于主轴线的长度，并且K为至少K＝10¹⁰N/m³、更优选至少K＝5·10¹⁰N/m³并且最优选至少K＝10¹¹N/m³的常数。这可解释为似乎弹簧的1mm压缩的张紧应当给出足以用于实现发生摩擦化学反应所需的力。优选的合适弹簧类型为片状弹簧和波形弹簧。

典型的弹性移动为非常小的，通常小于1mm。这些移动通常仅用于补偿不同工作凸耳之间的差异和/或任何不可避免的磨损。工作凸耳20现在以基本上相同的力与汽缸膛接触。弹性构件因此优选具有至少1mm并且优选至少5mm的自由长度。

另外，在轴向上的对齐是重要的。如果工作凸耳20与汽缸膛不绝对地平行，则实际上工作凸耳20接触表面22的仅一小部分与汽缸膛接触。这是允许围绕倾斜轴线24倾斜的主要原因。因此，优选地，每个工作凸耳可在相对于主轴线径向指向的相应凸耳位移方向上移动。此外，施力布置机械地附接到每个工作凸耳，从而允许相应工作凸耳围绕相应倾斜轴线倾斜。这种相应倾斜轴线垂直于主轴线指向并且垂直于相应凸耳位移方向。此外，在本实施方案中，倾斜轴线24在主轴线11方向上以与接触表面22的中点相同的水平定位。这意味着工作凸耳20的枢转特性变得似乎与瞬时操作移动是向上还是向下无关。在本实施方案中，工作凸耳20通过单一附接点32附接到相应凸耳支撑布置30。这意味着从凸耳支撑布置30施加在工作凸耳20上的所有力均施加在一个点上。在本实施方案中，单一附接点32与倾斜轴线24重合。这导致下述事实：凸耳支撑布置30被布置成在相应工作凸耳20上施加力，而不产生围绕倾斜轴线24的任何转矩。当工作凸耳20通过凸耳支撑布置30施加的工作力的作用与汽缸膛接触时，真正的第一接触常常为一个端部。然后工作凸耳20与汽缸膛之间的接触力将形成围绕倾斜轴线24的转矩，从而致力于使工作凸耳20与汽缸膛对齐。这种转矩将继续起作用，直到整个工作凸耳20与汽缸膛接触，在所述情况中，转矩由于接触力而彼此抵消。换句话讲，这种布置使得工作凸耳20产生自对齐，所述自对齐与施加的工作力大小无关。

与现有技术珩磨设备的基于弹簧的解决方案相比，这种现有技术弹簧加载对于工作负载以及高度补偿和可能的对齐机构使用同一弹簧。这意味着每次高度调整或倾斜动作将影响工作负载，并且反之亦然。此类彼此相关性在珩磨应用中是可接受的，其中相对较短时间段中的工具磨损将拉平负载差异。然而，对于借助于摩擦化学反应的修整，其中磨损几乎为可忽略的，工作负载和高度调整以及倾斜对齐的来源优选为独立的。优选地，主要高度调整基本上由执行机构提供，而工作负载的主要来源基本上由弹性构件提供。

在图1的实施方案中，工作凸耳直接安装到工具上，与放置珩磨头的传统细磨石类似，但是添加了使用特征在于弹簧悬挂装置的夹具，所述弹簧悬挂装置在所有凸耳上提供相等的负载分布。

这种概念允许增加相对凸耳之间的不希望的高度差异的公差。此外，这使得良好对齐的凸耳在轴向上与汽缸膛接触。这种方法还去除了研磨程序中常见的磨合珩磨石的步骤。工具的接触表面因此还可设计成与汽缸膛形状相关以获得所需的接触特性。

在操作过程中，将附加力作用在工作凸耳上。在优选的实施方案中，为了稳定操作，摩擦力不应当太影响对齐。在图3中，示出当移动与汽缸膛壁50接触时的工作凸耳20。在这个实施方案中，显示枢转点或倾斜轴线24至工作表面(即工作凸耳的接触表面22)的距离h比工作凸耳长度L小很多。另外，由于摩擦力F_fr产生的转矩将致使在冲程方向S上的每次冲程上的工作凸耳20的前进边缘A和后退边缘B上的负载不均匀，从而产生刮划汽缸膛表面和微振(fretting)损伤工具的风险。前进边缘A与后退边缘B之间的负载差异(归一化为施加至工作凸耳20的法向力F_N)与接触时间中的表面摩擦系数μ(倾斜轴线24与汽缸膛表面52之间的距离h除以工作凸耳长度L)成比例。假设在边界润滑状态中，摩擦系统为大约0.1，希望保持h/L比小于0.1，在这种情况下，前进边缘A和后退边缘B上的负载差异将不超过1％。换句话讲，在优选的实施方案中，倾斜轴线24与接触表面22之间的最近距离h与接触表面22在伸长方向上的长度L之间的比率小于0.1。凸耳夹持件的基部处的枢转系统从而也在上冲程和下冲程过程中提供凸耳自对齐。

在图1的实施方案中，四个工作凸耳围绕主轴线均匀散布。插入在汽缸膛中的这种布置在图4A中示意性地示出。工作凸耳20的接触表面22仅为工具1与汽缸膛之间的接触点。

然而，还存在替代性设计。图4B示出工具1的实施方案，其仅具有一个工作凸耳20。为了具有反作用力，将反支撑布置54连接至轴10。反支撑布置54具有径向向外指向的接触区域56，接触区域56比工作凸耳20的接触表面22的接触区域大，优选大很多。在这个实施方案中，接触区域56比接触区域22大至少一个数量级。然后，与实现真正的借助于摩擦化学反应的修整所需的压力相比，反支撑布置54在汽缸膛上的压力较小。反支撑布置54在那点上不有助于实际处理，而是仅提供反作用力。如果工作凸耳20例如为极其昂贵或难以制造，这种布置可更有利。

在图4C中，示出另一个替代性实施方案。在本文中，使用两个工作凸耳20并且反支撑布置54包括两个接触区域56。在这个实施方案中，反支撑布置54仅提供侧面支撑，从而减少了施加至工作凸耳20的工作力的任何弯曲作用。另外，在本文中，接触区域56的面积优选比工作凸耳20的接触表面22大很多。

为了去除反支撑布置54的需要，提供了围绕轴10散布的至少三个工作凸耳20，如图4D中所示。

在本文中，在图4A至图4D中容易注意到，与待处理的汽缸的圆周C(其与工具的圆周相同)相比，接触表面22的宽度87非常小。这种小部分的接触区域为珩磨与借助于摩擦化学反应的修整之间的根本差异。

图5示出用于机械化学处理汽缸膛的工具1的另一个实施方案。在这个实施方案中，凸耳支撑布置30在支撑位移方向D上也是有弹性的。在这个实施方案中，凸耳支撑布置30的弹性构件36包括在凸耳支撑布置30的主体中的轴向指向的狭缝33。整个主体将因此充当提供径向可调整性以及允许工作凸耳20的倾斜动作的弹簧。在这个实施方案中，工作凸耳20沿其整个长度连接至凸耳支撑布置30，这意味着工作力传递至工作凸耳20的所有部分。然而，因为工作凸耳20的安装相对于狭缝33的图案居中，所以凸耳支撑布置30在本文中还被布置成在相应工作凸耳20上施加力，而不产生围绕倾斜轴线24的任何转矩。这种方法允许容易地安装工作凸耳20并且禁止当施加工作负载时在工作凸耳20上的任何弯曲作用。还据信，常规珩磨设备可容易地被改造成提供这种实施方案。

在本实施方案中，执行机构40具有被提供成与锥体44在同一件中的杆42。当在凸耳支撑布置30上施加力时，杆42沿轴向下推，由此这种推力在凸耳支撑布置30上被传递为径向指向的力F。执行机构40的这个实施方案可应用于本公开中示出的所有其他实施方案。同样地，作为替代性方案，图1中示出的执行机构实施方案可与图5的基础实施方案一起使用。

图6示出用于机械化学处理汽缸膛的工具1的又另一个实施方案。在这个实施方案中，弹性构件36包括片状弹簧60，其通过调整螺钉62被预张紧。在这个方式中，任何高度补偿距离可通过对调整螺钉62进行预先调整而最小化。包括弹性构件36所需的空间可因此非常小。

图7示出用于机械化学处理汽缸膛的工具1的又另一个实施方案。在这个实施方案中，弹性构件36包括波形弹簧64。工作凸耳20连接在相对于波形弹簧64居中心点上，并且围绕这个附接点32发生枢转。从而固定波形弹簧64的位置。在本文中包括弹簧布置所需的空间也非常小。

图8示出用于机械化学处理汽缸膛的工具1的又另一个实施方案。在这个实施方案中，弹性构件36包括弹性材料层66作为工作凸耳20与主凸耳支撑结构之间的连接材料。这种方法的一个优点在于工作凸耳20与主凸耳支撑结构之间的空间被填充，这禁止了任何颗粒进入到这个体积中并且干扰操作。弹簧作用通常不理想，因为压缩弹性材料体积的一部分可影响其他部分的特性。

然而，这种实施方案可替代地优选与任何其他方案一起使用。例如，在弱弹性材料的中心的空隙中具有中心弹簧和中心主连接点将提供优异的弹簧作用和针对例如研磨颗粒进入弹簧机构中的保护。

因为借助于摩擦化学反应处理的修整的工作凸耳由非常硬的材料制成，所以工作凸耳的磨损实际上非常小。因此在大部分的凸耳使用寿命期间在很大程度上保持了凸耳的形状。因此，关于凸耳的实际设计的考虑如关注的上文进一步讨论的。用于机械化学处理的工作凸耳21的一个实施方案示出在图9中。用于机械化学处理的工作凸耳21包括基体部分80和较窄的顶部部分81。如上文进一步提到的，在以主轴线为中心的周向或切线方向T上，工作凸耳的宽度87优选小于r/2n，其中r为接触表面与主轴线之间的最大距离。顶部部分81的最外部分构成接触表面22。接触表面具有弯曲，如通过工具顶部半径84所示，工具顶部半径84优选精确地等于待处理的汽缸膛的半径，从而提供汽缸膛表面与工作凸耳之间的共形摩擦接触。这降低了工具磨损的风险。接触表面22在切线方向T上的边缘82为修圆的。由于两种原因，这将是有利的。第一，接触表面22与汽缸衬套之间的滑动变得更平滑，而没有由锋利边缘抓持住衬套上不规则部分的风险。第二，在处理过程中存在的过程液体被推到接触区域中。在图9中容易地看出，接触表面22在垂直于主轴线的横截面中具有凸状弯曲。在接触表面的每个点中，凸状弯曲具有等于或小于所述点至主轴线的最近距离的曲率半径。

窄的接触表面也有利于工具制备。几何形状和尺寸与现有技术珩磨石相同的工作石的工具制备不合理地花费较长时间。

如上所述，接触表面22优选具有非常光滑的表面整饰，这降低了工具刮划的风险。接触表面的宽度87优选为小的，从而得到能够以高工具压力操作的窄工作凸耳20。如上文进一步提到的，在以主轴线为中心的周向或切线方向T上，工作凸耳20的宽度87优选小于r/2n，其中r为接触表面22与主轴线之间的最大距离。在许多实际应用中，优选的工具宽度87为大约1至5mm。顶部部分81的高度83相对较大，从而得到相对较长的磨损区。如果不可避免的磨损改变了理想的接触表面22和边缘82的形状，则这能够例如再成形接触表面22和边缘82。用于机械化学处理的工作凸耳21从而可反复不断地使用。工作凸耳高度83为1至10mm，并且更优选2至5mm。因为顶部部分81的侧边是垂直的，所以在这种再成形和/或重新抛光之后接触表面22的宽度不变化。通过使总高度85保持较小，用于机械化学处理的工作凸耳21还可用于小的汽缸，其中接触表面的弯曲的半径较小。用于机械化学处理的工作凸耳21的宽86的基体部分80是有利的，因为其减小振动并且工具基体还有助于使接触表面与汽缸膛径向对齐。

图10为用于机械化学处理汽缸膛，并且更具体地用于制造中磨合汽缸膛的方法的一个实例的步骤的流程图。方法以步骤200开始。提供了待处理的汽缸体或汽缸衬垫。在步骤210中，将用于机械化学处理的工具插入到汽缸体或汽缸衬垫的汽缸膛中。用于机械化学处理的工具包括具有基本上细长的接触表面的至少一个工作凸耳。相对于汽缸膛的主轴线并且相对于平行于主轴线的伸长方向，工作凸耳径向向外指向。接触表面在垂直于接触表面的伸长方向的横截面中具有凸状弯曲。凸状弯曲沿接触表面的基本上整个伸长为恒定的。在步骤220中，通过相应凸耳支撑布置将相应工作力施加到工作凸耳上，所述相应凸耳支撑布置可在相对于主轴线径向指向的相应支撑位移方向上移动。在步骤222中，将工作凸耳的位置调整成使接触表面沿接触表面的整个长度与汽缸膛的内表面接触。通过让施加的力使工作凸耳在位移方向上移动并且使工作凸耳围绕相应倾斜轴线倾斜来完成此举。倾斜轴线垂直于主轴线并且垂直于支撑位移方向指向。在步骤230中，借助于摩擦化学反应修整汽缸膛的内表面通过在汽缸膛内使工具围绕主轴线旋转并且沿主轴线平移工具来完成。工具凸耳与膛表面之间的接触压力优选维持在制备汽缸膛衬套的材料的极限强度的1％与100％之间。优选地，方法还包括步骤232，其中在借助于摩擦化学反应进行修整的步骤过程中向汽缸膛的内表面提供过程流体。

过程流体优选包含摩擦膜生成所需的基础油和一组添加剂。作为基础油，可使用适当粘度等级的矿物油、聚α-烯烃、脂肪酸酯和聚亚烷基二醇。使用的基础油的优选粘度范围为在100℃下在1与20cSt之间。作为添加剂，可优选使用多种金属配合物，包括但不限于耐火金属的硫代氨基甲酸盐、硫代磷酸盐、硫代黄原酸盐。其他适当的添加剂包括硼酸、硼酸酯、磷酸酯、二硫代磷酸锌、无灰二硫代磷酸盐、无灰二硫代氨基甲酸酯、耐火金属二硫属化物、由耐火金属二硫属化物制备的无机富勒烯样纳米颗粒、碳纳米颗粒和类似化学物质。过程流体也可含有抗氧化剂、阻蚀剂和去垢剂。其他合适种类的过程流体为可乳化和水溶性的产品，诸如ISO 6743/7 M-族金属加工流体。使用此类乳液的优点是其优异的冷却能力，从而允许较高的处理速度。在可溶性油中，某些EP官能团可直接包含在水相中，例如通过在水相中使用钨酸铵并且在油相中使用活性硫源诸如有机聚硫化物、硫化烯烃或硫化脂肪。合适的过程流体配方的实例在表1中给出。

表1：用于制造中磨合汽缸膛的过程流体配方

方法以步骤299结束，优选当达到最佳处理程度时。

优选地，至少一个工作凸耳为至少三个工作凸耳，由此将相应的工作力施加至围绕主轴线散布的至少三个工作凸耳。相应的工作力具有相同量值。

如上文所述，借助于摩擦化学反应的修整应当继续直到达到最佳表面状况。在图11A-11D中，图示示意性地示出借助于摩擦化学反应的修整过程。在图11A的图示中，示出未处理的汽缸膛表面的一部分。表面通常包括材料的粗糙高台90，粗糙高台90由具有珩磨图案91的凹谷间隔开。然后施加借助于摩擦化学反应的修整。不久，表面状况可看起来如图11B中的图示。粗糙高台开始因磨光而变平。然而，高台90仍具有显著的粗糙部分。在变平的部分上，已开始形成固体润滑剂摩擦膜92。如可通过高度示意性附图推断出的，固体润滑剂摩擦膜不是附加的材料层，而是持续改变组成的基体材料。此阶段对应于处理下的表面。

在图11C的图示中，示出了使用借助于摩擦化学反应的最佳修整处理的汽缸膛表面。大多数高台被磨光成平坦高台93，所述平坦高台93由固体润滑剂摩擦膜92覆盖。固体润滑剂摩擦膜92粘在相对大的区域上。然而，保存了珩磨图案91的主要部分。这使得可能在表面处于使用中时驻留磨损颗粒和液体润滑剂。

借助于摩擦化学反应的修整也可为过度处理的。在图11D的图示中，示出了这种过度处理的表面。珩磨图案完全消失，并且产生了完全覆盖的固体润滑剂摩擦膜92。可能地，已开始裂纹开裂94。这种表面不太适于使用。

本公开的思想已用于借助于摩擦化学反应处理修整汽缸衬套，以便说明优点。使用包含WC-Co烧结碳化物的凸耳来在机动车内燃机的汽缸衬垫的表面上产生二硫化钨摩擦涂层。使用具有如本文所述改造的珩磨头的改造Nagel珩磨机根据本文公开的方法处理用于生产13L重型柴油机的汽缸衬垫。凸耳与衬垫之间的接触压力在100至500MPa的范围内，或甚至稍微较低。过程流体含有载在烃溶剂中的2重量％钨和2重量％活性硫，在100℃下具有2cSt的运动粘度。

将经处理的衬垫的摩擦特性与原始衬垫的摩擦特性进行比较。为了评价借助于摩擦化学反应的修整对活塞环/汽缸衬垫摩擦和磨损的影响，使用了往复式摩擦计。用应变仪测量正常负载和摩擦力。活塞环为来自相同发动机的压缩环。

用50N负载、25mm冲程长度以及25至375rpm的速度进行摩擦测量。环/衬垫摩擦接触部通过新鲜SAE 30发动机油润滑。每种速度状态维持20秒。使用较苛刻条件进行磨损测试：通过“老化”SAE30油润滑、360N负载、900rpm的速度。测试持续时间为4小时。两种测试均在室温下进行。

这些实验展示出经修整的衬垫的摩擦和环磨损显著减少，参见图12A-12B。在图12A中，图示示出了对于常规衬垫(曲线300)并且对于根据本发明思想的衬垫(曲线301)在不同速度下的周期平均摩擦常数。改善是明显的。在图12B中，常规衬垫的环磨损302和衬垫磨损303与根据本发明经处理的衬垫的环磨损304和衬垫磨损305并排示出。

图13呈现在借助于摩擦化学反应的修整之后的汽缸衬垫的表面粗糙度曲线的变化。曲线306对应于常规衬垫并且曲线307对应于经处理的衬垫。可以注意到以下特征变化：基于ISO 13565和ISO 25178，随着高度分布的负偏态S_sk增加，(i)平均粗糙度深度R_z、算术平均值R_a、峰值R_pk和核心粗糙度R_k减小，(ii)峰高度减少量与凹谷深度减小量比S_pk/S_vk减小。

作为结论，用于借助改造的珩磨机制造中磨合施加至汽缸体和/或汽缸衬垫的汽缸膛的方法产生具有减小的R_z、R_a、R_pk、R_k和S_pk/S_vk的修正的表面粗糙度曲线的膛并且在膛表面上形成固体润滑剂摩擦膜，所述方法使用具有R_a<0.1μm、>800HV的维氏值和高于200GPa的杨氏模量的硬、平滑、非研磨性工作凸耳，其中固定机构为凸耳提供相等的负载、自对齐、磨损和可用性的补偿，并且依赖于机械化学表面整饰概念，即摩擦膜形成通过工作凸耳与膛表面之间的高接触压力引发，并且部署含有用作摩擦膜形成的原料的一种或多种活性成分的过程流体。

以上所述的实施方案应被理解为是本发明的几个说明性实例。本领域的技术人员应当理解，可对实施方案做出各种修改、组合和变化，而不背离本发明的范围。具体地，在技术上可能的情况下，不同实施方案中的不同部分解决方案可组合为其他配置。然而，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种用于机械化学处理汽缸膛的工具(1)，所述工具(1)包括：

轴(10)，其具有主轴线(11)；

n个数量的工作凸耳(20)，其中n≥1；以及

施力布置(2)，其被构造用于在所述工作凸耳(20)上施加从所述主轴线(11)径向向外指向的工作力(F)；

所述工作凸耳(20)包含具有高于800HV的维氏值和高于200GPa的杨氏模量的耐磨材料；

其中每个工作凸耳(20)具有平行于所述主轴线(11)的基本上细长的接触表面(22)，所述接触表面(22)背向所述主轴线(11)，所述接触表面(22)被抛光并且基本上为非研磨性的，具有低于1μm的表面粗糙度R_a；

所述接触表面(22)在垂直于所述主轴线(11)的横截面中具有凸状弯曲，在所述接触表面(22)的每个点中，所述凸状弯曲具有等于或小于所述点至所述主轴线(11)的最近距离的曲率半径；

其中所述接触表面(22)在以所述主轴线(11)为中心的周向上的宽度(87)小于r/2n，其中r为所述接触表面(22)与所述主轴线(11)之间的最大距离；

在每个工作凸耳(20)上施加的所述工作力(F)为至少P·L·r/2n，其中P＝10⁷Pa并且L为所述工作凸耳(20)的所述接触表面(22)的平行于所述主轴线(11)的长度。

2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于所述施力布置(2)包括执行机构(40)和弹性构件(36)，所述执行机构(40)由所述轴(10)支撑并且能够提供所述工作力(F)，所述弹性构件(36)被布置在所述执行机构(40)与所述工作凸耳(20)之间。

3.根据权利要求2所述的工具，其特征在于所述弹性构件(36)具有至少K·L·r/2n的弹簧常数，其中K＝10¹⁰N/m³。

4.根据权利要求2所述的工具，其特征在于所述弹性构件(36)具有至少1mm的自由长度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的工具，其特征在于每个所述工作凸耳(20)可在相对于所述主轴线(11)径向指向的相应凸耳位移方向上移动，并且所述施力布置(2)被机械附接到每个所述工作凸耳(20)，从而允许相应所述工作凸耳(20)围绕相应倾斜轴线(24)倾斜，所述倾斜轴线(24)垂直于所述主轴线(11)并且垂直于所述相应凸耳位移方向指向。

6.根据权利要求5所述的工具，其特征在于所述施力布置(2)被布置成在每个所述工作凸耳(20)上施加所述工作力(F)，而不产生围绕所述倾斜轴线(24)的任何转矩。