CN110325307A - 由具有可平移模锻刀片的刀具进行机械粗糙化 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括：将具有一排或多排刀片的圆柱形刀具定位在具有表面的圆柱形孔内；当模锻刀片处于缩回位置时，利用开槽刀片在所述表面中形成环形凹槽和峰部；以及将所述模锻刀片从所述缩回位置平移到伸展位置以使所述峰部变形。所述一排或多排刀片包括固定的开槽刀片和具有缩回和伸展位置的可平移模锻刀片。

Description

由具有可平移模锻刀片的刀具进行机械粗糙化

技术领域

本公开涉及一种用于粗糙化气缸孔表面的方法。

背景技术

发动机活塞在其中行进的铝发动机缸体的气缸孔可以用薄的热喷涂钢层处理以获得耐磨性。气缸孔表面通常通过机械粗糙化进行机械加工以提供表面粗糙度以促进钢涂层的粘合。可以使用开槽刀具以通过将一系列凹槽切割到基板中来使表面粗糙化。然后旋转式模锻-擦拭器(模锻)刀具可以使凹槽顶部变形以产生底切。由于中间刀具更换、较大程度的标称变形、刀具径向跳动和/或刮擦深度变化导致热喷涂涂层中的空隙和不均匀性，使用开槽和刮擦器/模锻器刀具导致位置和定向误差。

发明内容

根据一个实施例，一种方法包括将具有一排或多排刀片的圆柱形刀具定位在具有表面的圆柱形孔内，所述刀片包括固定的开槽刀片和具有缩回和伸展位置的可平移模锻刀片。所述方法还包括当模锻刀片处于缩回位置时，利用开槽刀片在所述表面中形成环形凹槽和峰部，以及将所述模锻刀片从所述缩回位置平移到伸展位置以使所述峰部变形。

在一个或多个实施例中，所述方法还可以包括在所述峰部变形之后将所述模锻刀片从所述伸展位置平移到所述缩回位置。每个变形峰部可以包括底切。所述方法还可以包括致动致动器，所述致动器被配置为将所述模锻刀片在所述缩回位置与所述伸展位置之间平移。所述方法还可以包括将所述模锻刀片平移到所述伸展位置，使得每个所述模锻刀片的远端伸展超过每个所述开槽刀片的远端。

根据一个实施例，一种方法包括将具有可平移模锻刀片和开槽刀片的圆柱形刀具沿着具有表面的气缸孔的长度定位在轴向位置处；当所述模锻刀片在所述轴向位置处处于缩回位置时，利用所述开槽刀片在所述表面中形成凹槽和峰部；以及当所述模锻刀片在所述轴向位置处处于伸展位置时，利用所述模锻刀片使所述峰部变形。

在一个或多个实施例中，所述方法还可以包括在所述形成步骤之后使所述模锻刀片在所述缩回位置与所述伸展位置之间平移。所述方法还可以包括致动致动器，所述致动器被配置为将所述模锻刀片在所述缩回位置与所述伸展位置之间平移。所述方法可以包括将所述模锻刀片平移到所述伸展位置，使得每个所述模锻刀片的远端伸展超过每个所述开槽刀片的远端。所述方法还可以包括在所述变形步骤之后从所述气缸孔中移除所述刀具。

根据一个实施例，一种方法包括定位具有包括开槽元件和模锻元件的一排或多排元件的圆柱形刀具，所述开槽元件和模锻元件中的一者可在缩回位置与伸展位置之间平移；利用所述开槽元件将凹槽形成到圆柱形表面中以在其间形成峰部；以及利用所述模锻元件使所述峰部变形。

在一个或多个实施例中，所述模锻元件可以是可平移的。当所述模锻元件处于所述缩回位置时，可以形成所述凹槽。所述方法还可以包括在所述变形步骤之后将所述模锻元件平移到所述缩回位置。在另一个实施例中，所述开槽元件可以是可平移的。当所述开槽元件处于所述缩回位置时，所述峰部可以变形。所述方法还可以包括在所述变形步骤之后将所述开槽元件平移到所述伸展位置。在一个或多个实施例中，所述方法还可以包括在所述形成和变形步骤期间将所述刀具沿着气缸孔的长度保持在轴向位置处。所述方法还可以包括通过致动位于所述刀具上的致动器来平移所述开槽元件和具有所述缩回和伸展位置的模锻元件中的一者。每一排中的所述开槽元件和模锻元件可以沿着所述刀具的圆周定位。

附图说明

图1描绘了表面粗糙化刀具的透视图，示出了开槽刀片和模锻刀片，其中模锻刀片伸展。

图2A描绘了沿着线2A、2B截取的图1的模锻刀片和开槽刀片的局部横截面，其中模锻刀片缩回。

图2B描绘了沿着线2A、2B截取的图1的模锻刀片和开槽刀片的局部横截面，其中模锻刀片伸展。

图3A描绘了表面粗糙化刀具的局部且孤立的示意图，其中模锻刀片缩回。

图3B描绘了表面粗糙化刀具的局部且孤立的示意图，其中模锻刀片伸展。

图4A是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图，描绘了缩回的一个模锻刀片。

图4B是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的俯视图，描绘了缩回的一个模锻刀片。

图5A是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图，描绘了伸展的一个模锻刀片。

图5B是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的俯视图，描绘了伸展的一个模锻刀片。

图6是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图。

图7是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图。

具体实施方式

根据要求，本文中公开了本发明的详细实施例；但是应理解，所公开的实施例仅示例性说明本发明，本发明可以体现为不同和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应当被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导所属领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。

汽车发动机缸体包括许多圆柱形发动机孔。气缸孔可以由金属材料(包括钢铁和铝)的圆柱形壁形成和限定。在某些情况下，可以使用由相对轻质金属(诸如铝或镁)形成并限定的汽缸孔来代替钢或铁气缸孔，以减小发动机尺寸和/或重量并改善发动机功率输出和燃料经济性。当铝用于构造此类缸体时，已知某些方法可以提高铝发动机孔的强度和耐磨性。

每个发动机孔的内表面经过机械加工，使得所述表面适用于汽车应用，例如表现出合适的耐磨性和强度。可以处理发动机活塞在其中行进的内部圆柱形表面以提供表面粗糙度，以促进粘合到后来施加的金属涂层。机械加工过程可以包括使内表面粗糙化，随后将金属涂层施加到粗糙表面，并珩磨金属涂层以获得具有所需强度和耐磨性的精加工内表面。可以使用热喷涂施加金属涂层。可选地，可以将具有必要强度和耐磨特性的衬里材料施加到发动机孔的未经精加工内表面。

图1描绘了表面粗糙化刀具100，所述表面粗糙化刀具100用于粗糙化气缸孔的表面以改善热喷涂涂层的粘合。通常，刀具100保持在紧固到刀具主轴(未示出)的支架中。主轴可以是箱式或电动主轴。当刀具100下降到气缸孔中时，刀具100用于在气缸孔的表面中产生凹槽，所述凹槽沿气缸孔的圆周方向延伸。在表面上产生的轮廓具有凹槽，所述凹槽之间具有中间脊部或峰部。刀具主轴具有平行于气缸孔轴线的旋转轴线。刀具的纵向轴线(沿着长度)偏离气缸孔轴线。刀具在主轴中以角速度围绕刀具轴线旋转，并以独立的角速度围绕孔轴线旋进。围绕轴线旋进被称为圆弧插补(circular interpolation)。刀具100插补使得刀具刀片在围绕气缸孔表面的圆形路径中旋转和移动，从而沿气缸孔的长度向下移动。这允许在直径大于刀具100的任何孔中机械加工凹槽，使得可以用相同刀具切割不同直径的孔。插补移动允许在气缸孔的内表面内形成凹穴和环形平行凹槽。刀具的插补在于2013年6月10日提交的第13/913,865号和于2012年5月1日提交的第13/461,160号美国专利申请中进行讨论，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文。

开槽刀片110或开槽元件从刀具100在刀具主体130上径向向外突出，并且被配置为切入表面以形成凹槽和峰部。圆柱形刀具主体130可以由钢或烧结碳化钨形成。开槽元件110可以沿着刀具100的长度分散在一个或多个轴向排中以提供切削刃。开槽刀片110具有远端160并且可以围绕刀具主体130的圆周并沿着刀具100的纵向轴线分散，以在气缸孔内形成所需轮廓的凹槽和峰部。在非限制性示例中，开槽刀片110与相邻的开槽刀片110径向间隔开。可以使用任何数量的开槽刀片110。开槽刀片110可以由多排开槽元件形成，所述多排开槽元件端对端钎焊以形成长切削刃。开槽刀片110可以由适于机械加工铝或镁合金的切割材料形成。用于选择此类材料的考虑因素包括但不限于化学相容性和/或硬度。此类材料的非限制性示例包括但不限于高速钢、烧结碳化钨或多晶金刚石。开槽刀片和元件还可以包括凹穴切割元件。

表面粗糙化刀具100还包括模锻刀片120或模锻元件，所述模锻刀片或模锻元件使由开槽刀片110形成的峰部变形以在峰部上产生底切。模锻元件也可以被称为刮擦元件，因为用于变形的刀具可以是刮擦器(模锻/擦拭器)。所得轮廓可以是燕尾式形状的峰部。模锻刀片对应于开槽刀片110分散，使得模锻刀片120可以使由开槽刀片110形成的峰部变形。模锻元件110可以沿着刀具100的长度分散在一个或多个轴向排中，以提供切削刃。模锻刀片120可以由模锻元件形成，所述模锻元件端对端钎焊以形成长切削刃。模锻刀片可以围绕刀具主体130的圆周以及沿着刀具100的纵向轴线分散，以在气缸孔内形成所需轮廓的凹槽和底切峰部。模锻刀片120能够从刀具100径向向外突出，超过开槽刀片110，并且还可以存放在刀具主体130的凹部中。模锻刀片110可以由适于机械加工铝或镁合金的切割材料形成。用于选择此类材料的考虑因素包括但不限于化学相容性和/或硬度。模锻刀片120的非限制性示例包括多晶金刚石。

图2A和图2B示出了沿着线2A、2B截取的刀具的横截面。模锻刀片120可以在分别如图2A和图2B所示的缩回位置与伸展位置之间平移。当模锻刀片120处于缩回位置时，刀片120全部或部分地存放在刀具主体130的凹部中，使得模锻刀片120的切削刃不与气缸孔表面接触。每个开槽刀片110的切削刃的远端160伸展超过模锻刀片120的远端170，使得当模锻刀片120处于缩回位置时，开槽刀片110可以将凹槽和峰部切割到气缸孔中。在切割凹槽和峰部之后，模锻刀片120在旋转150期间平移到伸展位置，使得模锻刀片120的远端170径向向外伸展超过开槽刀片110的远端160。开槽刀片110的远端160设定圆周140，使得当处于伸展位置时，模锻刀片120的远端170伸展超过该圆周140。

尽管图2A和图2B示出了模锻刀片120可在缩回位置与伸展位置之间平移，但是在某些其他情况下，开槽元件110可以是可平移的，或者两组刀片可以是可平移的，以通过产生凹槽和峰部然后使峰部变形来使表面粗糙化。类似地，开槽刀片110和模锻刀片120相对于刀具旋转150的定向以及刀具旋转本身可以颠倒。

图3A和图3B描绘了表面粗糙化刀具100的局部放大视图。距离D示出了模锻刀片120平移以使模锻刀片120的远端170伸展超过开槽刀片110的远端160的距离。模锻刀片120被致动器200平移。致动器200可以利用偏心凸轮、锥体和楔形部、螺旋机构或任何类似的机构。在一些情况下，致动器200包括连接到凸轮210的纵长构件220以用于平移模锻刀片120。纵长构件220连接到盒体230，所述盒体将模锻刀片120存放在刀具主体的凹部中。当刀具100沿方向150旋转固定角度时，凸轮210移动纵长构件220以推动盒体230以使模锻刀片120离开刀具主体130平移到伸展位置。

图4A至图4B、图5A至图5B和图6至图7示出了利用各种致动器200(诸如凸轮、螺钉或锥体和楔形部)的刀具100的示意图。如图4A至图4B、图5A至图5B和图6至图7所示，出于说明性目的示出了用于平移一个模锻刀片的一个致动器机构。在一个实施例中，所有轴向分散的模锻刀片可以类似地平移。例如，六个轴向定位的模锻刀片可以通过用于每个模锻刀片的机构同时类似地平移。图4A至图4B示出了凸轮210，所述凸轮210连接到纵长构件220以用于推动盒体230的端部，所述端部具有枢轴310，以用于将一个模锻刀片120平移到伸展位置。可以通过刀具100上的旋钮320沿围绕轴线330的方向旋转来激活致动器200。图5A至图5B示出了在凸轮210接合纵长构件220以将盒体230围绕枢轴310推动之后处于伸展位置的一个模锻刀片120。图5B示出了在一个模锻刀片120伸展之后使得模锻刀片120在其中先前对准的基部枢轴310静止的俯视图。图6描绘了用于致动器200的凸轮机构210。图7描绘了用于致动器200的楔形机构210。

在描述了根据一个或多个实施例的刀具100的结构之后，下面描述使用刀具100的实施例将轮廓机械加工到气缸孔的内表面中的方法。刀具100通常安装在机床主轴中，所述机床主轴具有平行于气缸孔轴线、偏离孔轴线的旋转轴线。刀具位于圆柱形孔内，所述刀具具有固定的开槽刀片和可平移模锻刀片。刀具在气缸孔周围以围绕刀具轴线和孔轴线的不同角速度进行插补。插补移动允许在模锻刀片处于缩回位置时在气缸孔的内表面内形成凹穴和环形平行凹槽。在气缸孔表面中形成环形轮廓的凹槽和峰部之后，模锻刀片120平移到伸展位置，使得模锻刀片120与开槽刀片110在相同刀具路径上进行插补，以减小位置和定向误差。在形成和变形步骤期间，刀具100沿着气缸孔的长度保持在轴向位置。致动器200被接合以将模锻刀片在缩回位置与伸展位置之间平移。模锻刀片120在它们平移到伸展位置之后使峰部变形。在伸展位置中，模锻刀片120具有用于变形的远端，所述远端径向伸展超过开槽刀片110的远端，并在峰部上产生底切。此外，在使峰部变形之后，模锻刀片120平移回到缩回位置。然后可以将刀具100返回到刀具库。可以从气缸孔中移除刀具100以使模锻刀片120伸展和缩回。

在一个或多个实施例中，开槽元件110和模锻元件120中的一者是可平移的。例如，开槽刀片110可以是可缩回的，并且模锻刀片120是固定的，使得在表面中产生凹槽和峰部之后开槽刀片平移到缩回位置。开槽刀片120的缩回位置在模锻刀片120的径向内侧，使得模锻刀片可以使峰部变形。类似地，在其他实施例中，开槽刀片和模锻刀片都可以在伸展位置与缩回位置之间平移以形成凹槽和峰部，此后使峰部变形。

在开槽步骤和模锻步骤之后的机械加工表面具有优于其他粗糙化工艺的一个或多个优点。首先，通过使用模锻步骤代替其他二次工艺(诸如金刚石滚花、滚光、钢丝刷刷洗或液压胀接)，可以改善金属喷涂的粘合强度。使用拉伸试验测试粘合强度。粘合强度可以在40MPa至70MPa的范围内。在其他变型中，粘合强度可以为50MPa至60MPa。与金刚石滚花工艺的粘合强度相比，刮擦的粘合强度至少高20％。此外，申请人已经认识到，在第一处理步骤之后，粘合与凹槽的轮廓深度无关。由于至少两个原因，这可能是有利的。与常规工艺(诸如金刚石滚花、滚光、涂刷)相比，模锻刀片切割相对较低的轮廓深度。在某些变型中，轮廓深度的减小为30％至40％。因此，需要较少的金属喷涂材料来填充轮廓，同时不损害粘合强度。而且，凹槽深度的任何变化都不会影响粘合强度，这使得模锻步骤比常规工艺更坚固。作为一个或多个实施例的另一个益处，模锻步骤可以在比其他工艺(诸如滚光或金刚石滚花)高得多的操作速度下操作。另外，将模锻刀片平移到伸展位置以用于模锻步骤消除了由于在使气缸孔表面粗糙化的开槽步骤与模锻步骤之间的刀具更换而引起的位置误差和偏转。

尽管上文描述了示例性实施例，但是并不意图这些实施例描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中所使用的字词为描述性而非限制性的字词，并且应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可以组合各种实施的实施例的特征以形成本发明的另外实施例。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：

将具有一排或多排刀片的圆柱形刀具定位在具有表面的圆柱形孔内，所述刀片包括固定的开槽刀片和具有缩回和伸展位置的可平移模锻刀片；

当所述模锻刀片处于所述缩回位置时，利用所述开槽刀片在所述表面中形成环形凹槽和峰部；以及

将所述模锻刀片从所述缩回位置平移到所述伸展位置以使所述峰部变形。

2.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述峰部变形之后将所述模锻刀片从所述伸展位置平移到所述缩回位置。

3.如权利要求1所述的方法，其中每个变形峰部包括底切。

4.如权利要求1所述的方法，其还包括致动致动器，所述致动器被配置为将所述模锻刀片在所述缩回位置与所述伸展位置之间平移。

5.如权利要求1所述的方法，其还包括将所述模锻刀片平移到所述伸展位置，使得每个所述模锻刀片的远端伸展超过每个所述开槽刀片的远端。

6.一种方法，其包括：

将具有可平移模锻刀片和开槽刀片的圆柱形刀具沿着具有表面的气缸孔的长度定位在轴向位置处；

当所述模锻刀片在所述轴向位置处处于缩回位置时，利用所述开槽刀片在所述表面中形成凹槽和峰部；以及

当所述模锻刀片在所述轴向位置处处于伸展位置时，利用所述模锻刀片使所述峰部变形。

7.如权利要求6所述的方法，其还包括在所述形成步骤之后使所述模锻刀片在所述缩回位置与所述伸展位置之间平移。

8.如权利要求7所述的方法，其还包括致动致动器，所述致动器被配置为将所述模锻刀片在所述缩回位置与所述伸展位置之间平移。

9.如权利要求6所述的方法，其还包括将所述模锻刀片平移到所述伸展位置，使得每个所述模锻刀片的远端伸展超过每个所述开槽刀片的远端。

10.如权利要求6所述的方法，其还包括在所述变形步骤之后从所述气缸孔中移除所述刀具。

11.一种方法，其包括：

定位具有包括开槽元件和模锻元件的一排或多排元件的圆柱形刀具，所述开槽元件和模锻元件中的一者能够在缩回位置与伸展位置之间平移；

利用所述开槽元件将凹槽形成到圆柱形表面中以在其间形成峰部；以及

利用所述模锻元件使所述峰部变形。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述模锻元件是可平移的。

13.如权利要求12所述的方法，其中当所述模锻元件处于所述缩回位置时，形成所述凹槽。

14.如权利要求13所述的方法，其还包括在所述变形步骤之后将所述模锻元件平移到所述缩回位置。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述开槽元件是可平移的。

16.如权利要求15所述的方法，其中当所述开槽元件处于所述缩回位置时，所述峰部变形。

17.如权利要求16所述的方法，其还包括在所述变形步骤之后将所述开槽元件平移到所述伸展位置。

18.如权利要求11所述的方法，其还包括在所述形成和变形步骤期间将所述刀具沿着气缸孔的长度保持在轴向位置处。

19.如权利要求11所述的方法，其还包括通过致动位于所述刀具上的致动器来平移所述开槽元件和具有所述缩回和伸展位置的模锻元件中的一者。

20.如权利要求11所述的方法，其中每一排中的所述开槽元件和模锻元件沿着所述刀具的圆周定位。