CN109195736A - 气缸、用于对气缸进行最后加工的方法、往复式活塞系统和往复式活塞系统的使用 - Google Patents

气缸、用于对气缸进行最后加工的方法、往复式活塞系统和往复式活塞系统的使用 Download PDF

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Abstract

本发明的主题是一种用于往复式活塞系统(300)的气缸(100)，该气缸带有气缸工作面(10)，该气缸工作面通过借助于带有几何结构上确定的刀刃(11)的刀具所实现的切削来最后加工，其中，经最后加工的气缸工作面(10)具有大量孔隙(13)和/或缩孔(15)并且由带有2至10%的孔隙面积份额的灰铸铁原料或由带有5至25%的孔隙面积份额的经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造。此外，本发明的主题是一种用于对用于往复式活塞系统的气缸(100)进行最后加工的方法，在该方法中，气缸(100)的气缸工作面(10)通过借助于带有几何结构上确定的刀刃(11)的刀具所实现的切削来如此被最后加工，使得气缸工作面(10)在最后加工之后具有大量孔隙(13)和/或缩孔(15)，其中，经最后加工的气缸工作面(10)由带有2至10%的孔隙面积份额的灰铸铁原料或由带有5至25%的孔隙面积份额的经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造。

Description

气缸、用于对气缸进行最后加工的方法、往复式活塞系统和往 复式活塞系统的使用
技术领域
本发明涉及一种用于往复式活塞系统的气缸。此外，本发明涉及一种用于对用于往复式活塞系统的气缸进行最后加工的方法。此外，本发明涉及一种往复式活塞系统和一种往复式活塞系统的使用。
背景技术
往复式活塞系统的气缸的气缸工作面通常通过珩磨来最后加工。例如在EP 1 321229 A1中描述一种珩磨工艺。
该珩磨工艺取决于所使用的材料在不同的方法实施方案中执行。在轻金属合金(铝硅合金)的情况下例如使用露出式珩磨或流体露出式珩磨，以便使铝基体以少量微米后移，从而使得与气缸的气缸工作面进入滑动接触中的活塞环可以在轻金属合金的硅颗粒上滑动。在灰铸铁原料的情况下应用螺旋滑动珩磨或平顶珩磨（Plateauhonen）。借助于带有几何结构上不确定的刀刃的刀具以到表面中的微通道设计的在珩磨的情况下带入的结构尤其用于在运行中在气缸壁与活塞环之间的润滑剂供给。研究已得出，该珩磨结构由磨损决定地在一定运行时间之后不再存在于气缸工作面中，这可以在往复式活塞系统的运行中引起损伤，因为此时几乎没有油保持容积还存在于气缸工作面处。由此使气缸工作面的表面品质和还有其摩擦学的特性强烈降低。此外，珩磨工艺需要复杂的工艺和设备技术，并且该珩磨工艺是费时的并需要大量冷却润滑材料。
发明内容
因此，本发明基于如下任务，提供一种气缸、一种用于对气缸进行最后加工的方法以及一种往复式活塞系统和一种往复式活塞系统的使用，其中，在同时简化气缸工作面的最后加工的工艺的情况下可以实现气缸的气缸工作面的改善的表面品质。
该任务的解决藉由独立权利要求的特征来实现。优选的设计方案和改进方案在从属权利要求中给出。
根据本发明的用于往复式活塞系统的气缸具有气缸工作面，该气缸工作面通过借助于带有一个或多个几何结构上确定的刀刃的刀具所实现的切削、尤其是开孔来最后加工，其中，经最后加工的气缸工作面具有大量孔隙和/或缩孔并且由带有2至10%的孔隙面积份额的灰铸铁原料或由带有5至25%的孔隙面积份额的经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造。
按照根据本发明的用于对用于往复式活塞系统的气缸进行最后加工的方法，通过借助于带有几何结构上确定的刀刃的刀具所实现的切削、尤其是开孔来对气缸的气缸工作面如此进行最后加工，使得气缸工作面在最后加工之后具有大量孔隙和/或缩孔，其中，经最后加工的气缸工作面由带有2至10%的孔隙面积份额的灰铸铁原料或由带有5至25%的孔隙面积份额的经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造。
根据本发明现在设置成，气缸工作面不再通过珩磨工艺来最后加工，而是该气缸工作面的最后加工现在通过切削工艺、尤其是开孔工艺来实现，该切削工艺、尤其是开孔工艺借助于带有几何结构上确定的刀刃的刀具来执行。通过切削、尤其是开孔来最后加工的气缸工作面不再具有十字刻痕结构（如在通过珩磨实现的最后加工的情况下是这种情况那样），而具有带有大量孔隙和/或缩孔的表面。研究已显示出，与带有十字刻痕结构的气缸工作面相比，具有大量孔隙和/或缩孔的气缸工作面具有显著更好的摩擦学特性并由此也具有更高的表面品质。通过切削产生的孔隙和/或缩孔例如可以用作为油袋并由此获得油保持容积，活塞环可以在运动时可以说在该油保持容积上“悬浮”。在经最后加工的气缸工作面由带有2至10%的孔隙面积份额的灰铸铁原料构成的情况下或在经最后加工的气缸工作面由带有5至25%的孔隙面积份额的经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构成的情况下可以实现特别有利的油保持容积。该孔隙面积份额给出对于每气缸工作面的孔隙的面积的比例。此外，通过借助于以确定的刀刃所实现的切削、尤其是开孔对气缸工作面的最后加工，可以简化最后加工的工艺。一方面工艺和设备技术的构造更不复杂，并且另一方面该方法也更简单并可以以较短的工艺时间来执行。借助于带有几何结构上确定的刀刃的刀具实现两个工作步骤，也就是说起切削作用的表面加工(分离)还有小的平整加工(改形)，该平整加工引起气缸工作面的表面的低粗糙度的非常高的表面品质。通过刀具的一个或多个刀刃的有针对性的设计和位置可以结合切屑形成对分离和改形这样的工作步骤产生影响。优选使用一个或多个刀刃，所述刀刃具有<10μm的切割棱边半径并且在此具有锋利的刀刃，以便可以在气缸工作面与切屑之间实现特别正确的分离切割。锋利的刀刃的突出之处在于，在正确的分离切割的情况下产生小的被动力，并由此决定地在刀刃处产生小的改形工作。这引起良好的、低的基础粗糙度，并且可以在带有硬的、脆的相的不均匀原料的情况下引起颗粒的剥离。与此相对，倒圆的刀刃引起较高的被动力和较高的改形工作，由此使得气缸工作面将被部分地平整、颗粒将被埋入到表面中，并且由于被弄倒的粗糙度顶部可以出现刮鳞部(或称为挤渣，即Verschuppung)（板材护套形成）。在最差的情况下孔隙被抹上以材料并由此使气缸工作面的润滑剂容纳能力降低。平整加工的工作步骤通过在刀具处的副刀刃的小的调整角度的有针对性的校准来影响，该调整角度通过以刀刃所进行的多次上方移动来实现运动学的粗糙度的减少以及剩余的粗糙度顶部的平整。
优选地设置成，由灰铸铁原料构造的、经最后加工的气缸工作面具有4至25ml/m2的孔隙容积份额。该孔隙容积份额被界定为孔隙在确定的面积上可以容纳的油的量。通过4至25ml/m2的孔隙容积份额可以实现在由灰铸铁原料构造的气缸工作面处的特别良好的油保持容积，由此可以降低在气缸工作面出现的摩擦，并由此可以降低气缸工作面的磨损。
如果经最后加工的气缸工作面由经热喷射的铁涂层或由经热喷射的陶瓷涂层构造，则优选设置成，经最后加工的气缸工作面具有20至60ml/m2的孔隙容积份额。通过20至60ml/m2的孔隙容积份额可以实现在由经热喷射的铁涂层或由经热喷射的陶瓷涂层构造的气缸工作面处的特别良好的油保持容积，由此可以降低在气缸工作面出现的摩擦，并由此可以降低气缸工作面的磨损。
经最后加工的气缸工作面的突出之处优选在于在表面上带有许多孔隙和/或缩孔的特别平滑的表面。因此，优选地设置成，经最后加工的气缸工作面具有带有芯粗糙深度(或称为核心粗糙深度，即Kernrautiefe)Rk<1.0μm、带有减小的顶部高度Rpk<0.5μm和减小的刻痕深度Rvk=0.5至8μm的粗糙度。特别优选地，经最后加工的气缸工作面具有带有芯粗糙深度Rk<0.6μm的粗糙度。该芯粗糙深度Rk给出粗糙度芯轮廓的深度。进一步优选地，经最后加工的气缸工作面关于粗糙度具有减小的顶部高度Rpk<0.5μm、特别优选Rpk<0.3μm。此外，经最后加工的工作面涂层进一步优选地关于粗糙度具有0.5μm至8μm的减小的刻痕深度Rvk。
如果气缸工作面由灰铸铁原料构造，则由灰铸铁原料构造的气缸工作面优选如此被最后加工，使得在灰铸铁原料中含有的硬质材料颗粒被剥离。在铸造时在灰铸铁原料中形成硬质材料相、所谓的斯氏体晶格（Steaditnetz）或磷共晶(或称为亚磷酸盐共晶体，即Phosphiteutektikum)，该斯氏体晶格或磷共晶均匀地分布在灰铸铁原料中。此外，经由在灰铸铁原料中添加合金元素钛而形成所谓的碳化钛和氮化钛。在灰铸铁原料的通过切削、尤其是开孔进行的最后加工中，在表面附近的、碳化钛和氮化钛这样的硬质材料颗粒被剥离，并由此构造气缸工作面的表面处的孔隙和/或缩孔的一部分。气缸工作面的表面处的孔隙和/或缩孔的其余部分通过脆的斯氏体晶格或磷共晶来形成。在切削、尤其是开孔的情况下，斯氏体晶格或磷共晶的部分当其处于石墨薄片处时被折断。石墨薄片然后构造一类理论断裂部位。由此在由灰铸铁原料构造的气缸工作面的情况下可以实现特别良好的摩擦学特性并由此实现高的表面品质。
如果气缸工作面由经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造，则由经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造的气缸工作面优选如此被最后加工，使得在气缸工作面中构造的孔隙和/或缩孔露出。在热喷射的情况下，粉末或线材被熔化、被施覆到气缸的表面上并且凝固在该表面上，由此构造气缸工作面。因为在该工艺中经熔化的材料以许多单个的滴的形式被施覆到气缸的表面上以用于构造气缸工作面，所以在这些滴之间可以包围气体。由此在涂层的层（Lage）之间形成孔隙。在切削、尤其是开孔的情况下，在表面附近的孔隙可以打开并且构造凹槽，所述凹槽实现改善的油保持容积。由此可以在由经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造的气缸工作面的情况下实现特别良好的摩擦学特性并由此实现高的表面品质。
此外，根据本发明的方法的突出之处优选在于，该最后加工可以在没有冷却润滑材料的情况下实现。该方法由此可以特别环境友好地执行，因为可以取消否则需要的冷却润滑材料准备和还有冷却润滑材料的清除。此外，由此取消有害的油蒸汽和刺激皮肤的介质，从而可以提供干净的工作环境。替代冷却润滑材料可以例如使用空气-乳化液-混合物或空气-油-混合物来用于冷却。
为了可以实现气缸工作面的特别良好的和干净的切削，刀具的刀刃优选具有<10μm的切割棱边半径。通过切割棱边半径<10μm可以防止，刀刃在气缸工作面的表面之上滑动并由此将气缸工作面压实，而不是对其进行切削。
为了可以在最后加工的情况下实现成本适宜的预防性的非圆加工以用于补偿由装配和运行决定的形变(或称为扭曲，即Verzügen)，优选设置成，将刀具与自适应、可径向偏移的主轴一起用来进行用于形变补偿的形状加工。由此可以产生带有非常准确的轮廓的气缸工作面的特别界定的表面。自适应的主轴可以通过压电致动器实现径向最大直到120μm的高动态的偏移。与切削组合地通过刀具的几何结构上确定的刀刃可以实现三维的形状加工。
此外，根据本发明任务的解决借助于一种往复式活塞系统来实现，该往复式活塞系统具有气缸和可运动地支承在气缸中的活塞(如有可能带有集成的活塞环)，其中，气缸如前面所描述的那样构造和改进。
根据本发明可以在内燃机、增压机(或称为压气机，即Verdichter)、压缩机或泵的情况下使用如前面所描述的那样构造和改进的往复式活塞系统。此外，在另外的设备、装置等中可以考虑根据本发明的往复式活塞系统的使用。
附图说明
下面按照对本发明的优选的设计方案的描绘按照图来详细示出改善本发明的措施。
其中：
图1示出带有气缸和可运动地支承在气缸中的活塞的往复式活塞系统的示意性图示，其中，示意性地示出气缸的气缸工作面的根据本发明的最后加工，
图2示出在珩磨工艺中加工的气缸工作面的基于REM照片的图示，
图3示出根据本发明的通过切削、尤其是开孔而加工的气缸工作面的基于REM照片的图示，
图4示出带有根据本发明的往复式活塞系统的压缩机的示意性图示，以及
图5示出带有根据本发明的往复式活塞系统的内燃机的示意性图示。
具体实施方式
图1示出带有气缸100和可运动地支承在气缸100中的活塞200的往复式活塞系统300。活塞200在气缸100内的运动方向以箭头来表明。活塞200可以例如借助于连杆来驱动。
气缸100具有在其内周缘面处构造的气缸工作面10。气缸工作面10可以由灰铸铁原料或经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造。
为了实现带有良好的摩擦学的特性的高表面品质，通过以确定的刀刃实现的切削、尤其是开孔来实现气缸工作面10的最后加工。借助于带有几何结构上确定的刀刃11的刀具来实现切削，通过该刀具将大量孔隙13和/或缩孔带入到气缸工作面10中，所述孔隙和/或缩孔可以产生微压力腔室-系统，由此例如可以减少往复式活塞系统300的油消耗。
切削可以替代通常应用的珩磨工艺来用于气缸工作面10的最后加工。通常包括预珩磨、中间珩磨、流体喷射和完成珩磨的珩磨工艺可以由此完全被取消。
除了用于实施切削、尤其是开孔的带有几何结构上确定的刀刃11的刀具以外，可以使用自适应的主轴12，由此可以与刀刃11组合地实现用于形变补偿的优化的形状加工，由此又可以取消珩磨护罩（Honbrille）。
切削与自适应的主轴组合地实现三维的形状加工作为气缸工作面10的最后加工，用于优化的形变补偿。
为了说明在通过珩磨工艺来最后加工的气缸工作面10与通过根据本发明的切削、尤其是开孔来最后加工的气缸工作面10之间的区别，在图2中示出在珩磨工艺中最后加工的气缸工作面10的REM照片，并且在图3中示出借助于切削、尤其是开孔来最后加工的气缸工作面10的REM照片。
图2中示出的、在珩磨工艺中构造的气缸工作面10具有十字刻痕结构14，其中，几乎没有或完全没有孔隙和/或缩孔构造在气缸工作面10的表面中。
与此相对，图3示出气缸工作面10，该气缸工作面根据本发明通过以带有几何结构上确定的刀刃11的刀具所实现的切削、尤其是开孔来最后加工。该气缸工作面10不具有十字刻痕结构。代替这个，在气缸工作面10上构造有大量孔隙13和/或缩孔15，所述孔隙和/或缩孔实现高的油保持容积，因为这些孔隙13和/或缩孔15构造凹槽形的空隙，往复式活塞系统300的油可以积聚在所述空隙中并由此可以保持在气缸工作面10处。
在图4和5中示出针对根据图1的往复式活塞系统300的使用的两个示例。在此，图4示出带有如图1中示出的往复式活塞系统300的压缩机400。此外，图5示出带有如图1中示出的往复式活塞系统300的内燃机500。
本发明在其实施方面不局限于前面所给出的优选的设计方案。更确切地说，可以考虑许多变型方案，所述变型方案即使在原则上类型不同的实施方案中也利用所示出的解决方案。所有由说明书的权利要求或附图所得知的特征和/或优点包括空间布置和方法步骤的结构上的细节可以不仅对于本身而且以最不同的组合对本发明是重要的。
附图标记列表
100 气缸
10 气缸工作面
11 刀刃
12 自适应的主轴
13 孔隙
14 十字刻痕结构
15 缩孔
200 活塞
250 活塞环
300 往复式活塞系统
400 压缩机
500 内燃机

Claims (14)

1.一种用于往复式活塞系统(300)的气缸(100)，所述气缸带有气缸工作面(10)，所述气缸工作面通过借助于带有一个或多个几何结构上确定的刀刃(11)的刀具所实现的切削来最后加工，其中，经最后加工的气缸工作面(10)具有大量孔隙(13)和/或缩孔(15)并且由带有2至10%的孔隙面积份额的灰铸铁原料或由带有5至25%的孔隙面积份额的经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造。
2.根据权利要求1所述的气缸(100)，其特征在于，由灰铸铁原料构造的、经最后加工的气缸工作面(10)具有4至25ml/m2的孔隙容积份额。
3.根据权利要求1所述的气缸(100)，其特征在于，由经热喷射的铁涂层或由经热喷射的陶瓷涂层构造的、经最后加工的气缸工作面(10)具有20至60ml/m2的孔隙容积份额。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的气缸(100)，其特征在于，经最后加工的气缸工作面(10)具有带有芯粗糙深度Rk<1.0μm和减小的顶部高度Rpk<0.5μm和减小的刻痕深度Rvk=0.5至8μm的粗糙度。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的气缸(100)，其特征在于，所述由灰铸铁原料构造的气缸工作面(10)如此被最后加工，使得在所述灰铸铁原料中含有的硬质材料颗粒被剥离。
6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的气缸(100)，其特征在于，由经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造的气缸工作面(10)如此被最后加工，使得在所述气缸工作面(10)中构造的孔隙(13)和/或缩孔(15)露出。
7.一种用于对用于往复式活塞系统(300)的气缸(100)进行最后加工的方法，在所述方法中，所述气缸(100)的气缸工作面(10)通过借助于带有几何结构上确定的刀刃(11)的刀具所实现的切削来如此被最后加工，使得所述气缸工作面(10)在所述最后加工之后具有大量孔隙(13)和/或缩孔(15)，其中，经最后加工的气缸工作面(10)由带有2至10%的孔隙面积份额的灰铸铁原料或由带有5至25%的孔隙面积份额的经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由灰铸铁原料构造的气缸工作面(10)如此被最后加工，使得在所述灰铸铁原料中含有的硬质材料颗粒被剥离。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由经热喷射的铁涂层或经热喷射的陶瓷涂层构造的气缸工作面(10)如此被最后加工，使得在所述气缸工作面(10)中构造的孔隙(13)和/或缩孔(15)露出。
10.根据前述权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述最后加工能够在没有冷却润滑材料的情况下实现。
11.根据前述权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述刀刃(11)具有切割棱边半径<10μm。
12.根据前述权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于，将所述刀具与自适应的、能径向偏移的主轴(12)一起被用于形状加工以用来形变补偿。
13.一种带有气缸(100)和可运动地支承在所述气缸(100)中的活塞(200)的往复式活塞系统(300)，其特征在于，所述气缸(100)根据前述权利要求1至6中任一项来构造。
14.一种根据权利要求13构造的往复式活塞系统在内燃机(500)、增压机、压缩机(400)或泵中的使用。
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