CN109562444B - 凸轮轴的制造过程和使用它获得的凸轮轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有作为组装插件的功能部件的凸轮轴和制造所述凸轮轴的过程，其中所述凸轮轴具有集成在凸轮轴主体中的至少一个功能部件，考虑到功能部件和轴体由不同材料制成；并且其中一个或多个功能部件包括A型材料主体，该主体具有适当几何形状的内孔，以使B型熔体在铸造过程中穿过它；夹持装置，其在A型材料和B型熔融材料这两种材料之间实现机械夹持，以在纵向和圆周方向上相对于凸轮轴体提供机械夹持。

Description

凸轮轴的制造过程和使用它获得的凸轮轴
技术领域
本发明涉及一种凸轮轴，该凸轮轴具有在铸造和制造过程中作为整体插件的功能部件。
更具体地，本发明涉及一种用于制造凸轮轴的过程以及通过该过程产生的用于内燃机的凸轮轴，该凸轮轴具有集成在轴体中的至少一个功能部件，考虑到功能部件和主体的材料都是不同的材料。
背景技术
在现有技术中，已知许多用于制造凸轮轴的方法，在它们最常见的形式中，凸轮轴由单件铸铁制造；通过在管中组装凸轮轴的不同功能部件，也可以知道其制造过程，以获得最终部件。
按照制造凸轮轴的年表，第一批由铸铁制成，因为这种材料的特性足以满足那些时代的内燃机的功能要求；这项技术仍在使用中。制造这些凸轮轴的过程包括产生砂模，该砂模形成待制造的轴的负设计，即，它形成轴的轮廓并且又具有进料通道，熔融材料将通过该进料通道进入。一旦产生砂模，熔铁就通过进料通道被排空，熔铁将采取模具的形状，并且一旦冷却，它将产生所需的轴。
在同一生产线中，后来出现的这种类型凸轮轴的一些变型在主体上带有一个孔，目的是减轻其重量以改善内燃机的性能。这个过程与前一个过程不同，在砂模内部放置玻璃或砂子元件，称为芯，这将避免熔融材料进入这样的区域，从而在所产生的轴的所需位置留下空洞。
当内燃机的需求开始发生变化时，需要更大的耐磨性和/或其部件的压缩强度超过目前通过诸如火焰、感应、TIG(钨惰性气体)和等温淬火等硬化过程所达到的程度；结合重量较轻的要求，工业界开发了组装的凸轮轴，即凸轮轴的所有部件一个接一个地组装在管中(或同时-液压成型)，所有这些部件通常由钢制成。
在组装轴的现有技术中，出现了若干组装过程，在它们之间改变了实现部件和管之间的机械夹持的方式，该过程从涉及管的滚花和功能部件的开槽的过程到另一个过程，其中功能部件被加热以使它们膨胀并且将它们滑过管，然后零件收缩。
以最后一道工序为例，这是通过分别制造轴的每个部件来实现的，诸如凸轮、支撑件、尾部、机头、牵引装置和所有先前组装好的管；这些制造过程根据其复杂程度而变化，能够被加工、烧结、锻造或印刷。一旦具有上述部件，所有部件都被转移到组装单元，其中用作所有其他部件的定位和组装的参考的部件通过机械压力(压配合)组装，通常它是机头，并且由于两个零件之间的机械干涉而产生调整。
在通过参考部件组装管之后，将管垂直放置并且逐个放置缺失的部件，将缺失的部件预先加热并且逐个组装；通过每个部件的内孔通过感应线圈(磁场)完成加热。
一旦加热，就将部件取出并且放置在管体中，在根据最终设计所需的纵向和角度位置。一旦到位，该零件就会冷却。加热部件的过程是扩大内径以避免设计干扰并且可以穿过管，并且当冷却时，直径将恢复到其原始尺寸。应该注意的是，在管道直径和部件孔之间还存在设计的机械干涉，以确保机械夹持。
已经完成了附接到轴上的所有部件的组装后，通常进行组装尾部，该尾部受到机械压力以及机头的压力。完成此操作后，已组装的轴完成并准备好按照最终设计的要求继续其加工过程。
在用于组装的凸轮轴的批量生产中，这些过程需要大量技术投资并且需要特定的机械和设备。作为上述过程的参考，该技术包括将组装零件的机械臂，因为组件的极端加热和放置需要极高的精度，并且操作人员无法实现这一点。它也指组件的内部钻孔加热机。所有这些技术和机械的投资在零件的最终成本和制造速度方面都是不利的。
这种组装的凸轮轴工艺的另一个缺点是，在所需的较大轴直径中，例如，对于商用车辆发动机，组装所需的力不成比例地增加，以及组装机器人和加热机的尺寸所需的时间增加，因此，由于实现这一目标所需的机器，制造成本也在增加。
考虑到上述背景，本发明通过提供一种用于获得凸轮轴的制造工艺提出了解决本技术问题的方案，该凸轮轴结合了通过铸造厂制造的凸轮轴和通过组装制造的那些凸轮轴的优点，即，具有更高的制造速度，不受凸轮轴尺寸的限制，从一开始就获得一个完整的零件，增加了功能部件的需要它通过的阻力，该同一部件由另一种材料制成并且在铸造之前直接从模制过程插入，进而获得在内燃机中非常需要的所需的轻盈。
发明内容
本发明的目的是提供经济的并且能够以工业规模连续使用以用于制造凸轮轴，凸轮轴具有用于制造凸轮轴的插入的功能部件，诸如凸轮、支撑件、驱动轮、控制盘。功能部件必须能够用与其他材料相关的不同特性和特征的材料制造，并且功能部件和承载轴之间的连接必须在轴架的圆周方向(扭矩传递)和纵向方向上表现出很大的机械阻力。
附图说明
图1是本发明的凸轮轴的功能部件的前视图。
图2是本发明的凸轮轴的功能部件的上部透视图。
图3是本发明的凸轮轴的功能部件的上部透视图的剖视图。
图4a示出了用于制造本发明的凸轮轴的模具部件的横截面及其制造步骤之一。
图4b示出了用于制造本发明的凸轮轴的模具部件的透视横截面及其制造步骤之一。
图5a示出了用于制造本发明的凸轮轴的模具部件的横截面及其制造步骤之一。
图5b和图5c示出了用于制造本发明的凸轮轴的模具零件的透视横截面及其制造步骤之一。
图6示出了模具的封闭件，其中具有功能部件并且在铸造铸造材料之前。
图7a示出了模具的封闭件，其中具有功能部件和铸造材料。
图7b是模具的封闭件的透视图，其中具有功能部件和铸造材料。
图8a是通过本发明的方法获得的凸轮轴的前透视图。
图8b是通过本发明的方法获得的凸轮轴的后透视图。
具体实施方式
本发明涉及一种凸轮轴(30)和制造过程，凸轮轴具有作为组装插件的功能部件。
更具体地，本发明涉及一种用于工业规模生产通过铸造过程制造的凸轮轴的过程，其中至少一个功能部件(1)作为能够承受承载轴的圆周方向和纵向方向上的机械力(扭矩传递)的组装插件，利用铸铁工艺的快速制造和使优选由钢制成的元件承受较高应力的优点，如在组装轴的过程中那样。
诸如凸轮、支架、驱动轮、控制盘等功能部件通过一些制造过程单独生产，所述制造过程诸如加工、锻造、烧结或印刷A型材料，优选为钢材，它们具有内部腔体(10)，该内部腔体(10)具有合适的几何形状，B型铸造材料(优选铁)穿过该腔体以便在凝固过程中与通过铸造制成的轴连接，从而允许正确紧固扭矩传递和纵向夹持。
如图1-3所示，功能部件(1)包括夹持装置，该夹持装置包括用于所述功能部件(1)的上述内部中空几何形状(10)，并且包括穿过所述部件(1)的孔，两个台阶(2a、2b)从轨道的中心并且朝向轨道的外侧产生，每侧上一个台阶，并且具有较大直径的一个台阶用于在纵向方向上提供机械夹持。然后，沿着由钻孔和台阶(2a、2b)产生的圆周(2c)，产生至少一个较小直径的钻孔(3)，其中其水平中心轴线(3a)与由台阶(2a、2b)产生的圆周(2c)相切，这个孔(3)将用于在圆周方向上提供机械夹持。
继而，一些称为加热器(11a、11b)的预制件由泡沫材料(由省略的泡沫过程制成)或类似的有用的材料(像塑料或其它材料)单独生产，这将允许铁水通过并用于加热每个功能部件(1)。这些加热器(11a、11b)取决于每个功能部件(1)的几何形状的尺寸和形状，但始终牢记它们必须覆盖部件(1)的上表面和下表面的至少80％并且必须覆盖在功能部件的几何形状中存在的截面变化的边缘，即，在上表面或下表面与其最近侧之间发生的变化。
这些加热器(11a、11b)的功能是从功能部件(1)的几何形状的外部加热功能部件(1)，因为内部将被穿过孔(3)并且填充内孔(10)的熔化材料加热。由于边缘或截面变化是通过热力学定律更容易失去热量的点，因此它们必须被加热器(11a、11b)覆盖。以这种方式加热功能部件(1)的优点在于，熔融材料与功能部件(1)的材料的热冲击不会如此具有侵蚀性，并且将避免熔化材料中碳化物的形成。
如图4a、图4b、图5a-5c、图6、图7a和图7b所示，本发明的制造过程包括以下顺序步骤：
a)制备包括下模具部分(21)和上模具部分(22)的最终模具(23)，其将用于铸造过程，所述模具将以传统方式加工到所述过程，定位(11a、11b)功能部件所需的，从制造模具开始对所述加热器(11a、11b)定位；
b)将A型材料的一个或多个功能部件(1)放置在用于铸造过程的下模具(21)中的轴的每个必要腔体(12)中，这些腔体(12)是功能部件(1)将进入的位置并且是在模具中预成型的形状，因此，用于一个或多个功能部件(1)的壳体设置在模具部件(21)中和模具的部件(22)中的期望的最终位置，然后封闭形成最终模具(23)的下模具部分(21)和上模具部分(22)，并且通过模具将功能部件(1)封闭在指定位置中；
c)将B型熔化材料(M2)浇注到封闭模具(23)中，通过填充通道将B型熔化材料引导到腔体(12)中；在与加热器(11a、11b)接触时，它们通过热解从模具中脱出，从而允许B型熔化材料(M2)与功能部件(1)接触，允许外部加热功能部件(1)，同时填充腔体，考虑到B型熔化材料穿过A型材料的功能部件(1)的内孔(10)，腔体将形成B型材料的熔化凸轮轴；
d)期望B型材料凝固的时间，B型材料具有如图8a和图8b所示的凸轮轴(30)的形状，其通过预先加热A型材料的功能部件(1)在A型和B型材料的这些界面区域中产生缓慢且定向的凝固，这确保了材料A的功能部件(1)通过机械干涉组件与B型材料结合，并且与功能部件(1)的内部几何形状相耦合，使得功能部件支持在内燃机中执行它们的功能所需的扭矩。
应该注意的是，与A型熔融材料接触的功能部件(1)没有达到其熔点所需的温度，从而避免了内部和外部几何形状的变形以及两种材料的化学键合。
功能部件要考虑的重要特征(1)：
i.在某种意义上，对于最终件(熔化材料)的基础材料或主体材料，它必须是具有优异特性的材料。这些特性可以是韧性、硬度、延展性、耐摩擦性、更高熔点等。
ii.需要注意的一个重要特征是功能部件的材料的熔点必须大于将通过它的熔化材料的熔点，以避免材料的降解。
iii.功能部件的制造不限于特定的工艺，可以通过机械加工、烧结、印刷、塑料、铸造和锻造来实现它。
iv.功能部件的外部形状将取决于请求最终部件的客户提供的设计。
v.该部件必须具有凹槽，优选地在其自身的中心并且与基体同心；所述间隙将用于允许熔化材料流过。
vi.部件的腔体的形状必须包含至少一个形状，其用作防止径向移动的锚和防止纵向移动的另一个锚，诸如分别为孔或台阶，但不仅限于这些。锚的数量和形状将取决于功能部件的最终几何形状。
vii.取决于熔化材料，尽管应该是这种情况，但是在制造孔和功能部件的锚时应尽可能避免边缘，通过倒圆或圆角减少边缘，以允许熔化材料完全填补它们。
viii.应该理解，术语“圆”、“圆形”以及“光滑”不应该在严格的数学意义上理解，而是由于制造公差和不可避免的技术不准确性，间隙的形状可能与纯圆形形状不同。
凸轮轴制造过程中需要考虑的重要特征：
i.这是一种工业规模系列生产铸造凸轮轴的方法，其具有至少一个另一种材料的功能部件，经济且能够承受轴承载体的圆周方向(扭矩传递)和纵向方向上的机械力。
ii.其中一个或多个功能部件定位在凸轮轴的每个腔体处，所述一个或多个功能部件在下部模具中形成部件组，这些腔体布置有用于插件的壳体，所述壳体在包括泡沫加热器的模具的基部和盖子中的期望的尺寸位置中，形成模具的两个半部被关闭，并且插件通过模具被固定在指定位置。
iii.其中将二次灌输的B型熔融材料倒入模具中，该B型熔融材料通过填充通道被送入腔体中，这使得外部部件能够在内部被加热，因为同时它们在穿过熔融轴的空心或熔融轴时填充熔融轴的腔体。B型熔融材料由至少两个进料口供应，以确保部件内的均匀温度。从此刻开始，B型材料的熔融轴开始凝固，B型材料通过先前的加热或A型材料的功能部件，在材料A和B的这些界面区域中产生缓慢且定向的凝固。这确保了A型材料的功能部件通过机械干涉组件与B型铸造材料结合，并且与功能部件的内部几何结构一起，可以承受内燃机所需的扭矩。
iv.其特征在于通过使用化学元素实现的二次灌输，所述化学元素是稀土族的一部分，其量足以与在填充模具期间加热而没有达到熔点的功能部件的高实际温度相结合实现主要目的，以在B型熔体中形成核，核允许在B型熔体结构的晶体的数量和尺寸的受控生长中受控制的固化。该二次灌输靠近模腔进行，以便在功能部件和铸造轴的界面处除去铁碳化物。
在本发明的方法中，优选铸铁的铸造材料具有在1390℃和1450℃之间浇注的使用范围。对于变质剂，使用的材料是富含元素锶的硅铁。

Claims (14)

1.一种凸轮轴制造过程，包括以下步骤：
a)通过预先将一个或多个功能部件(1)所需的加热器(11a、11b)定位，形成包括下模具部分(21)和上模具部分(22)的最终模具(23)，所述最终模具将用于铸造过程；
b)将A型材料的一个或多个功能部件(1)放在所述铸造过程中使用的所述下模具部分(21)的底部处的至少一个腔体(12)中，其中所述一个或多个功能部件(1)具有作为组装插件的功能；其中所述一个或多个功能部件(1)包括：主体，所述主体具有内部间隙，用于使B型熔融材料在铸造过程中通过；夹持装置，所述夹持装置在A型材料和B型材料这两种材料之间实现机械夹持，以在关于轴体的纵向和圆周方向上进行机械夹持；
c)将所述B型熔融材料(M2)浇注到封闭的所述模具(23)中，通过填充通道将所述B型熔融材料(M2)送入所述腔体(12)中；在与所述加热器(11a、11b)接触时，其通过热解从所述模具中脱出，从而允许所述B型熔融材料(M2)与所述功能部件(1)接触，允许在外部加热所述功能部件(1)并且同时填充所述腔体，考虑到所述B型熔融材料(M2)穿过所述A型材料的所述功能部件(1)的内孔(10)，所述腔体将形成所述B型材料的熔融凸轮轴；
d)等待所述B型材料的凝固时间，所述B型材料具有所述凸轮轴(30)的形状。
2.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中在步骤a)中，在所述过程中传统地处理所述模具。
3.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中在步骤a)中，从制造模具开始对所述加热器(11a、11b)定位。
4.根据权利要求3所述的凸轮轴制造过程，其中所述加热器(11a、11b)是泡沫材料或塑料。
5.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中在步骤d)中，对所述A型材料的功能部件(1)的预先加热在A型材料和B型材料的这些界面区域中产生缓慢且定向的凝固，这确保所述A型材料的功能部件(1)通过机械干涉组件结合到所述B型材料，并且与所述功能部件(1)的内部几何形状相耦合，使得所述功能部件支持在内燃机中执行其功能所需的扭矩。
6.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中步骤b)中的功能部件由A型熔融材料，以附接到在所述凝固过程中通过铸造制成的轴，并且因此允许正确的扭矩传递和纵向夹持。
7.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中步骤b)中的功能部件的夹持装置是内孔(10)，其几何形状由穿过所述部件(1)的钻孔组成，其中，从所述钻孔开始产生两个台阶(2a、2b)，从轨道的中心开始并且朝向所述轨道的外侧，每侧上一个台阶，并且具有较大直径的一个台阶将用于在所述纵向方向上提供相对于凸轮轴主体的机械夹持。
8.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中步骤b)中的所述功能部件的所述夹持装置沿着由钻孔和台阶(2a、2b)产生的圆周(2c)，产生至少一个较小直径的钻孔(3)，所述较小直径的钻孔(3)的水平中心轴线(3a)与由所述台阶(2a、2b)产生的圆周(2c)相切，其中所述钻孔(3)用于相对于所述凸轮轴的主体在所述圆周方向上提供机械夹持。
9.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中，存在通过使用化学元素实现的二次灌输，所述化学元素形成稀土族的一部分，其量足以结合在填充所述模具期间被加热而未达到熔点的功能部件所实现的高温、来实现在所述B型熔融材料中形成核的主要目的，所述核允许在所述B型熔融材料的结构的固态晶体特征的数量和尺寸的定向控制生长中进行受控固化，其中所述二次灌输靠近模腔进行，以导致在所述功能部件和铸造轴的界面处除去铁碳化物。
10.根据权利要求1所述的凸轮轴制造过程，其中所述B型熔融材料为铸铁，其具有在1390℃和1450℃之间浇注的使用范围，其中用作变质剂的材料为富含锶元素的硅铁。
11.一种具有作为组装插件的功能部件的凸轮轴(30)，包括：
二次灌输的B型熔融材料(M2)的主体(30a)；至少一个A型材料的功能部件(1)，其插入所述主体(30a)中，所述功能部件(1)包括钢体，所述钢体具有内孔(10)，用于使B型熔融材料在铸造过程中穿过所述内孔；夹持装置，所述夹持装置在所述功能部件(1)和所述熔融材料(M2)两个部件之间产生机械连接，以在纵向和圆周方向上相对于所述凸轮轴(30)的主体(30a)提供机械夹持，其中，提供加热器(11a、11b)以从所述功能部件的几何形状的外部加热所述功能部件。
12.根据权利要求11所述的具有作为组装插件的功能部件的凸轮轴(30)，其中所述B型熔融材料为铁，以在凝固过程中附接到通过铸造制成的所述轴上，从而使得实现正确的扭矩传递和纵向夹持。
13.根据权利要求11所述的具有作为组装插件的功能部件的凸轮轴(30)，其中所述夹持装置是内孔(10)，其几何形状包括穿过所述部件(1)的钻孔，其中，从所述钻孔产生两个台阶(2a、2b)，从轨道的中心开始并且朝向所述轨道的外侧，每侧上一个台阶，并且具有较大的直径的一个台阶将在纵向方向上相对于所述凸轮轴的主体提供机械夹持。
14.根据权利要求13所述的具有作为组装插件的功能部件的凸轮轴(30)，其中在由所述钻孔和所述台阶(2a、2b)产生的圆周(2c)的至少一个处产生至少较小直径的钻孔(3)，所述较小直径的钻孔的水平中心轴线(3a)与由所述台阶(2a、2b)产生的圆周(2c)相切，其中所述钻孔(3)用于使其在所述圆周方向上相对于所述凸轮轴的主体提供机械夹持。
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