CN110168202A - 转子和带有被磨削的均等表面积的转子的制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于可变气门正时发动机的转子，其中转子的相对的平面表面具有形成在其中的一个或多个凹陷部，以便平衡、均衡或等同化相对的表面上的平面表面积。除此之外，这可以提高在制造转子的相关方法期间，磨削转子的精度和效率。

Description

转子和带有被磨削的均等表面积的转子的制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月3日提交的美国临时专利申请第62/441，827号、名称为“转子和利用用于磨削的均衡的表面区域制造转子的方法”的提交日期的权益，该临时申请为了全部目的以参见的方式纳入本文，如同其全文在本文中阐述的那样。
联邦赞助研究或开发的声明
不适用。
本公开涉及用于可变气门正时(VVT)发动机的转子和用于制造这种类型的转子的相关方法，其中待磨削的成对平行平面表面的表面区域被修改以便提供改进的磨削。
背景技术
在内燃机中，可变气门正时(VVT)描述了可用于改变内燃机内的气门升程事件的形状或正时的机构和相关方法。VVT发动机允许在发动机运行期间改变进气门和/或排气门的升程或正时。
在VVT发动机中，转子和定子通常具有复杂的形状。具体地，转子本体通常包括具有叶片的主体、用于油或空气输送的通道以及用于组装到凸轮轴的中心钻孔。叶片与定子壳体结合，在定子壳体内限定可变的油或空气压力室。通道允许油或空气从一个压力室输送到其它压力室。
发明内容
考虑到转子的复杂和不对称形状，有效制造转子可能是困难的。由于粉末冶金是生产大批量零件的有效方式，因此目前许多转子通过将粉末金属压实成类似转子的预制件并在升高的温度下烧结来形成烧结的转子本体来制作。然而，由于考虑到转子在发动机中的最终用途的转子的非常精确的几何要求，烧结粉末金属转子仍然需要最后的精加工步骤以制备转子的轴向面以实现精确的尺寸和平整度。
然而，出现的一个具体问题是，由于转子的不同轴向面具有不同几何形状和图案，可能难以均匀地磨削轴向面。通常，未精加工的转子放置磨床中，在两个轴向面都在其中同时磨削。在许多情况下，由于轴向面是不均匀的，因为相反的轴向面的要求，一个轴向面需要磨削比该面单独所需的时间更长的时间。除此之外，这可能导致：磨削时间延长到磨削占用最长时间磨削的侧部所需的时间，一个侧部将比另一个侧部被移除更多的原料或材料，并且零件之间的尺寸稳定性可能更难以控制。
本文公开了一种通过平衡被磨削的表面积来改进VVT转子的生产过程的方式。从概念上讲，通过选择性地凹陷可能以其它方式形成待磨削的轴向侧部的一部分的区域，将具有接触砂轮的较大表面积的表面有意地形成为具有接触砂轮的减小的表面积，从而使被磨削的相反的表面区域均衡(或者至少使两个轴向侧部的表面区域彼此接近)。
根据一个方面，公开了一种制造用于可变气门正时发动机的转子的方法。该方法包括以下步骤：在工具和模具组中压实粉末金属材料以形成粉末金属压坯，烧结粉末金属压坯以形成烧结的粉末金属零件，并且磨削烧结的粉末金属零件。烧结的粉末金属零件压坯具有成对轴向侧部，其各自具有相应的平面表面，以在烧结的粉末金属零件上提供彼此平行并且相反地彼此背离的成对平面表面。成对轴向侧部中的至少一个具有一个或多个凹陷的表面，这些凹陷的表面从相应的平面表面轴向偏移，以均衡相应的平面表面的表面区域和另一个平面表面的表面区域。在研磨步骤期间，同时研磨这对平面表面以在烧结的粉末金属零件上生产成对精加工的平面表面以生产转子。
在该方法的一些形式中，该对平面表面中的每一个的表面区域可以在彼此的15％、10％或5％之内。除此之外，这可有助于使被磨削的表面区域均衡。虽然可以设想表面可以在相比较的表面区域中简单地被带到彼此接近，以便经受该过程的许多益处，但是在一些形式中，表面区域可以制成彼此相等。
转子可包括中心本体，该中心本体具有从中心本体径向向外延伸的多个叶片。为了在一些形式中帮助使表面积均衡，在成对平面表面中的一个或两个上，多个叶片中的每个叶片可以具有形成在其中的凹陷的表面。在一些形式中，烧结的粉末金属本体可以具有轴向延伸的通孔，并且在烧结的粉末金属本体的一个轴向侧部上，中心本体可以具有延伸到轴向延伸的通孔的沉孔表面，并且在中心本体的另一个轴向侧部上，中心本体可以具有凹陷的表面。中心本体上的凹陷的表面可以与它所位于的相应的平面表面的外周向边缘和内周向边缘向内间隔开，使得内周向边缘与轴向延伸的通孔共享。
在一些形式中，成对平面表面中的两个各自可具有分别从其轴向偏移的一个或多个凹陷的表面。
在一些形式中，凹陷的表面可以与成对平面表面中的相应一个的周向边缘向内间隔开。例如，凹陷的表面可以与周向边缘间隔至少2mm。
在该方法的一些形式中，同时磨削成对平面表面的步骤可以包括相对于彼此以相反方向旋转的平行的成对磨盘。然而，在其它形式中，同时磨削成对平面表面的步骤可以包括相对于彼此以相同方向旋转的平行的成对磨盘。
可以设想，在一些形式中，凹陷的表面(一个或多个)相对于磨削后的相应的平面表面的深度可以在0.1mm至0.2mm之间。
根据另一个方面，公开了一种用于可变气门正时发动机的转子。转子包括中心本体，该中心本体具有从中心本体径向向外延伸的多个叶片，其中中心本体和多个叶片是由烧结的粉末金属制成或包括烧结的粉末金属的一体部件。转子具有各自具有相应的平面表面的成对轴向侧部，以在转子上提供彼此平行并且相反地彼此背离的成对平面表面(在最后的零件中，这些平面表面将被“精加工”或磨削)。成对轴向侧部中的一个或两个具有至少一个凹陷的表面，其从相应的平面表面轴向偏移，以使相应的平面表面的表面积和另一个平面表面的表面积相等。
在一些形式中，该对平面表面中的每一个的表面积可以在彼此的15％、10％或5％之内。
在一些形式中，烧结的粉末金属本体可具有轴向延伸的通孔。在烧结的粉末金属本体的一个轴向侧部上，中心本体可以具有延伸到轴向延伸的通孔的沉孔表面，并且在烧结的粉末金属本体的另一个轴向侧部上，中心本体可以具有凹陷的表面。在成对平面表面中的两个中，多个叶片中的每个叶片可以具有形成在其中的凹陷的表面。
在一些形式中，成对平面表面中的两个各自可具有分别从其轴向偏移的至少一个凹陷的表面。
在一些形式中，至少一个凹陷的表面可以与成对平面表面中的相应一个的周向边缘向内间隔开，可以与周向边缘间隔开至少2mm，并且可以相对于相应的平面表面具有在0.1mm之间0.2mm之间的深度。
本发明的这些和其它优点将从具体实施方式和附图中变得明显。以下仅是对本发明的一些较佳实施例的描述。由于这些较佳实施例不旨在成为在权利要求书的范围内的仅有的实施例，因而为评估本发明的完整范围，应参见权利要求书。
附图说明
图1A是用于可变气门正时发动机的传统转子的一侧的立体图。
图1B是图1A的转子的另一侧的立体图。
图2A是用于可变气门正时发动机的改进转子的一侧的立体图，其中转子具有基于图1A和1B的转子的改进结构。
图2B是图2A的转子的另一侧的立体图。
图3是概述用于制造改进的转子的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
首先参照图1A和1B，示出了传统的转子100。这种类型的转子可以是可变气门正时(VVT)发动机的一个部件，并且从现有技术中已知转子如何与VVT发动机中的其它部件相互作用的细节，并且在此不再详细描述。知道VVT转子具有异常小的尺寸公差和与许多相反的平面表面的平整度和平行度有关的精确要求就够了，因为当转子用于组装的发动机中，其中即使小偏差(在人类头发厚度的数量级上)也可能是不可接受的。
转子100具有本体102，本体102从第一平面表面104(显示为斑点或点状表面以指示平面并且仅出于说明的目的)延伸到第二平面表面106(也显示为斑点或点状表面以指示平面)，其中第二平面表面106与第一平面表面104相对并平行于第一平面表面104。在第一平面表面104和第二平面表面106之间存在中心通孔108，其为所示形式的圆形并且还包括以具体形式示出的来自第一平面表面104的沉孔109。该中心通孔108限定转子100的中心轴线A-A。本体102还具有外周边110，该外周边110从第一平面表面104垂直延伸到第二平面表面106，并且当从任一轴向端观察转子时，外周边110限定转子100的大致形状。如图所示，转子100成形为具有中心芯部112(中心孔108延伸穿过该中心芯部112)，当从轴向侧观察时，该中心芯部112是大致圆形的，并且多个叶片114a-114e从中心芯部112大致轴向延伸。在所示的具体形式中，存在五个叶片，包括四个相同的叶片114a-114d和一个不同的叶片114e，叶片114a-114d具有成形的角形侧部，叶片114e具有大致径向延伸的平坦的角形侧部。在第二平面表面106上，存在凹陷的T形槽116，其从芯部112延伸到叶片114e中。应当理解，虽然在所示的示例中示出了五个叶片，但是该设计仅是示例性的，并且其它中心芯部的轮廓以及叶片的数量和形状可以用在其它转子设计中。
诸如所示的转子100的转子通常使用例如粉末冶金来制造。在一种形式中，松散的粉末金属和润滑剂和/或粘合剂可以在工具和模具组中在压力下压实以形成粉末金属压坯。然后可以在接近粉末金属熔点的温度下(并且甚至在可能超过粉末金属的一些但不是所有组分的熔点的温度下)烧结该压坯。该烧结永久地将粉末金属颗粒连结在一起并增加部件的密度。
如上所述，这种类型的转子需要极其平坦且平行的平面表面(诸如所示转子100中的相对表面104和106)具有非常紧密的公差。虽然使用粉末冶金技术制造的零件在如烧结的状态下确实具有非常好的尺寸精度，但必须进行烧结后磨削步骤以使这些相反的表面在平整度、距离和平行度要求之内。这通常使用诸如例如沃尔特斯(Wolters)AC1200双侧批量加工机的磨床来实现。在这种类型的机器中，平行磨盘同时磨削转子上的相反的平面表面以使这些表面变平并将它们分隔成适当的规格。通常但不总是，随着磨盘从转子的相反的平面表面移除材料，磨盘以彼此相反的方向旋转并以不同的旋转速率旋转。
然而，为了保持过程控制，这些相对面的传统精磨通常是缓慢的过程。除此之外，砂轮旋转得越快，磨削的精度就越低。而且，比较图1A和1B，可以看出，第一和第二平面表面104和106具有不同的区域，这使得难以均匀地磨削两个表面，因为从每一侧移除的材料的量不同。在所示的转子100中，第一平面表面104的表面积为12.06cm2，第二平面表面106的表面积为19.79cm2。表面积中的这些差异意味着可以有效地将一侧磨削至适当的平整度，同时仍然必须向前继续磨削以使将另一侧精加工至适当的平整度。替代地，表面积中的这些差异也可能意味着，如果砂轮以不同的速率旋转以使得两侧在大致相同的时间完成，则两侧中的一侧会延长用于磨削的总时间。
现在转向图2A和2B，示出了改进的转子200，转子200是传统转子100的改进形式。改进的转子200中体现的结构变化允许改进的、更快的和更精确的相反的表面的磨削。除了下面的图示和文本中的差异之外，图2A和2B中的转子200与图1A和1B中的转子100相同。为了避免赘述，来自100系列附图标记的其它类似特征由相应的200系列附图标记表示。例如，图2A和2B中的外周边210对应于图1A和1B中的外周边110。
图1A和1B中的转子100与图2A和2B中的转子200之间的主要区别在于：转子200的轴向侧部具有多个凹陷的表面，这些凹陷的表面从它们各自的平面表面204和206(其再次是斑点或点状的以突出平面表面并使它们相对表面区域的比较更清晰)轴向偏移。参见图2A，在每个叶片214a-214e中的第一平面表面204上，存在相应的凹陷的表面218a-218e，其中凹陷的表面218a-218d都是大致三角形的形状，而凹陷的表面218e是具有局部弧形部的四边形。参见图2B，在第二平面表面206上，类似于凹陷的表面218a-218e，在每个叶片214a-214e中也存在凹陷部220a-220e，并且在第二平面206上的外周边220的圆形部段和中心通孔208的圆形部之间还有大致圆环形的凹陷部220。各种凹陷部的形状仅是示例性的，并且取决于本体202的区域和形状，可以使用其它类型的凹陷的形状。
在转子200的所示版本中，各种添加的凹陷的表面从本体202的平面表面204和206的周向边缘(即，外周边210和中心通孔208的内周向边缘或内直径倒角)都偏移至少2.0mm，并且从T形槽216的凸部偏移至少1.5mm。在一些形式中，可以设想该边缘偏移减小到1.2mm。这有助于确保在每个边缘处具有足够的材料以在磨削期间移除并保持零件等级。而且，它允许转子在VVT发动机中使用期间采用的那些位置处维持结构边缘。然而，可以设想，边缘的该偏移厚度可以根据具体零件和所采用的磨削速度或速率而变化。在所示实施例中，凹陷的区域的目标是在磨削后具有0.127mm的深度，尽管该凹陷的深度值本质上是示例性的。作为示例性范围，可以设想凹陷的表面(一个或多个)相对于磨削后的相应的平面表面的深度可以在0.1mm至0.2mm之间。
如修改的那样，改进的转子200的第一平面表面204和第二平面表面206的表面区域与传统转子100的第一平面表面104和第二平面表面106的表面区域相比较均衡。在所示的转子200中，第一平面表面204的表面积为10.11cm2，第二平面表面206的表面积为9.29cm2。还应当注意，两个表面区域都小于其可比较的凹陷前的设计状态，意味着在磨削期间每侧上移除的材料较少。
还应当注意，这些是在这些平面表面上被移除的区域和特征，其已经被移除，主要是为了使表面积接近。这些新添加的凹陷部除了使相反的表面积均衡之外不执行任何功能，因此在某些情况下可以将它们称为“非功能性表面减少凹陷部”以将它们与诸如T形槽或沉孔209之类的其它特征区分开，这些其它特征具有与表面积减小无关的主要功能，因为这些结构在运行期间与VVT发动机中的其它结构互补或相互作用。
尽管不完全相同，但是两个表面区域的这种均衡拉平侧部之间的磨削性能。可以设想在一些形式中，表面积可以彼此相差在5％内、彼此相差在10％内或彼此相差在15％内。表面积之间的更接近的值在大多数情况下通常是较佳的，但是为获得本文所述的许多益处可能不需要精确相等。
通过平衡、均衡或制衡表面积，可以在随后的磨削过程期间实现许多益处。作为一个示例，平衡、均衡或制衡表面积可以减少精磨设备上的设置和磨削时间。磨削时间的减少可以导致转子的生产量增加和更紧密的长度或厚度控制以及横跨零件群的更均匀的零件间差异。
应当理解，虽然转子200在转子200的每个轴向侧部上具有多个凹陷的表面，但是可以设想，在其它形式中，在一个或两个轴向侧部上可以存在一个或多个凹陷的表面。因此，可以设想，在一些形式中，一个侧部可以没有凹陷的表面，而另一个侧部可以具有一个或多个。还可以设想，在一些形式中，一个侧部可以具有一个或多个凹陷的表面，而另一个侧部可以具有一个或多个凹陷的表面。在这些形式中，相反的侧部可以具有相同数量或不同数量的凹陷的表面。
又或者，应当理解，通过不仅通过添加这些凹陷部来减小表面积，而且还通过改变剩余表面区域位于相应表面上的位置(例如，相对于中心轴线)，可以实现进一步的平衡或均衡。
现在参见图3，概述了用于生产改进的诸如例如图2A和2B所示的改进的转子200的改进的转子的方法或过程300。
方法300包括根据步骤302首先在工具和模具组中压实粉末金属材料以形成粉末金属压坯。应当理解，通常，这种用于大量生产粉末金属零件的工具和模具组单轴地压实粉末金属。在这种单轴压实期间，上部工具和下部工具将分别形成和限定转子的相反的轴向面，模具将形成外周边210，并且芯棒将形成中心通孔208。因此，形成的粉末金属压坯具有接近最终零件形状的近净(near net)形状，尽管烧结前的压坯尺寸相对于最终烧结的零件可略微尺寸偏大。
本领域技术人员将理解，如本文所用，术语“粉末金属”用于指金属组分以及可与金属组分共混的潜在润滑剂、粘合剂和/或蜡，以将松散的颗粒以紧密的形式保持在一起，并有助于从工具和模具组脱模压坯。在绝大多数情况下，这些润滑剂、粘合剂和/或蜡在随后的烧结期间会被消耗或烧掉。
应当注意，相对于轴向平面表面的凹陷的部分可以容易地在粉末冶金中形成，因为工具可以成形为与这些凹陷部匹配，并且可以在压实期间小心地控制凹陷的尺寸。
接下来，根据步骤304烧结粉末金属压坯以形成烧结的粉末金属零件。在烧结期间，将粉末金属压坯加热到恰好低于粉末金属的金属组分的熔化温度的温度。在一些情况下，一小部分粉末金属可以产生液相用于液相烧结；然而，在许多情况下，固态扩散将是粉末金属颗粒烧结在一起的主要和唯一机制。
在烧结之后，然后根据步骤306，使用例如沃尔特斯AC 1200双侧批量加工机，如上所述同时在粉末金属零件的相对表面上磨削。由于在零件两侧上的平面轴向表面通过在轴向平面表面上包含凹陷的表面来均衡、使之相等或平衡，这意味着零件的精加工步骤可以比具有未平衡的轴向侧部的传统零件更快、更有效并且更精确地执行。如以上提到的，相对的砂轮可以以彼此不同的速度或以相同的速度操作，并且可以具有相似的或不同的旋转方向。又或者，可以改变由砂轮施加的压力的速率以改变移除速率。尽管可以改变所有这些磨削参数的变化，但是应当理解，在转子200具有相等的、平衡或均衡的平面表面区域的情况下，磨削可以更准确和快速地发生。
应当理解，方法300可以用于制作具有改进的转子200的形式或具有其特征的零件，并且在存在与后形成磨削步骤结合的添加的凹陷的表面的情况下，可以为传统的制造技术提供一些益处。因此，虽然本文示出并描述了用于VVT发动机的粉末金属转子，并且该方法对制作这种类型的零件特别适用和有益，但是还可以设想这种改进的结构(即，在磨削表面上添加凹陷部)和这种改进的方法也适用于非转子零件或非粉末金属零件(例如，通过铸造制作的零件)。
应当理解，可以在本发明的精神和范围内对较佳实施例作出各种其它修改和变型。因此，本发明不应限于所述实施例。为了确定本发明的完整范围，应参照以下权利要求书。

Claims (20)

1.一种制造用于可变气门正时发动机的转子的方法，所述方法包括以下步骤：
将粉末金属材料压实在工具和模具组中以形成粉末金属压坯；
烧结所述粉末金属压坯以形成烧结的粉末金属零件，所述烧结的粉末金属零件压坯具有成对轴向侧部，所述成对轴向侧部各自具有相应的平面表面，以在所述烧结的粉末金属零件上提供彼此平行并且反向地彼此背对的成对平面表面，其中，所述成对轴向侧部中的至少一个具有从所述相应的平面表面轴向偏移的至少一个凹陷的表面，以使所述相应的平面表面的表面积和另一个平面表面的表面积相等；以及
同时研磨所述成对平面表面，以在所述烧结的粉末金属零件上生产成对精加工的平面表面以生产所述转子。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成对平面表面中的每一个的所述表面积在彼此的15％之内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成对平面表面中的每一个的所述表面积在彼此的10％之内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成对平面表面中的每一个的所述表面积在彼此的5％之内。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转子包括中心本体，所述中心本体具有从所述中心本体径向向外延伸的多个叶片。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述成对平面表面中的至少一个上，所述多个叶片中的每个叶片具有形成在所述每个叶片之中的凹陷的表面。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述成对平面表面中的两个上，所述多个叶片中的每个叶片具有形成在其中的凹陷的表面。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述烧结的粉末金属本体具有轴向延伸的通孔，并且在所述烧结的粉末金属本体的一个轴向侧部上，所述中心本体具有延伸到所述轴向延伸的通孔的沉孔表面，并且在所述中心本体的另一个轴向侧部上，所述中心本体具有凹陷的表面。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述中心本体上的所述凹陷的表面与它所位于的相应的平面表面的外周向边缘和内周向边缘向内间隔开，使得所述内周向边缘与所述轴向延伸的通孔共享。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成对平面表面中的两个各自具有分别从其轴向偏移的至少一个凹陷的表面。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹陷的表面与所述成对平面表面中的相应一个的周向边缘向内间隔开。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述凹陷的表面与所述周向边缘间隔开至少2mm。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，同时磨削所述成对平面表面的步骤利用相对于彼此以相反方向旋转的平行的成对磨盘。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，同时磨削所述成对平面表面的步骤利用相对于彼此以相同方向旋转的平行的成对磨盘。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个凹陷的表面相对于磨削后的所述相应的平面表面的深度在0.1mm至0.2mm之间。
16.一种用于可变气门正时发动机的转子，所述转子包括：
中心本体；
多个叶片，所述多个叶片从所述中心本体径向向外延伸；
其中，所述中心本体和所述多个叶片是包括烧结的粉末金属的一体部件；
其中，所述转子具有成对轴向侧部，所述成对轴向侧部各自具有相应的平面表面，以在所述转子上提供彼此平行并且相反地彼此背远离的成对平面表面；以及
其中，所述成对轴向侧部中的至少一个具有从所述相应的平面表面轴向偏移的至少一个凹陷的表面，以使所述相应的平面表面的表面积和另一个平面表面的表面积相等。
17.如权利要求16所述的转子，其特征在于，所述成对平面表面中的每一个的所述表面积在彼此的15％之内。
18.如权利要求16所述的转子，其特征在于，所述烧结的粉末金属本体具有轴向延伸的通孔，并且在所述烧结的粉末金属本体的一个轴向侧部上，所述中心本体具有延伸到所述轴向延伸的通孔的沉孔表面，并且在所述烧结的粉末金属本体的另一个轴向侧部上，所述中心本体具有凹陷的表面，并且其中，在所述成对平面表面中的两个上，所述多个叶片中的每个具有形成在它之中的凹陷的表面。
19.如权利要求16所述的转子，其特征在于，所述成对平面表面中的两个各自可具有分别从其轴向偏移的至少一个凹陷的表面。
20.如权利要求16所述的转子，其特征在于，所述至少一个凹陷的表面与所述成对平面表面中的相应一个的周向边缘向内间隔开，其中，所述至少一个凹陷的表面与所述周向边缘间隔开至少2mm，并且其中，所述至少一个凹陷的表面相对于所述相应的平面表面的深度在0.1mm至0.2mm之间。
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