CN110753598B - 刀盘、用于加工气缸内表面的方法、刀盘的应用 - Google Patents

刀盘、用于加工气缸内表面的方法、刀盘的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有旋转轴线(R)的刀盘(10)，在该刀盘上沿环周设置有至少一个第一刀具(20)和至少一个第二刀具(22)，所述至少一个第一刀具(20)是调节刀具，其可径向运动地设置，由此可改变相对于所述至少一个第二刀具(22)的径向位置。

Description

刀盘、用于加工气缸内表面的方法、刀盘的应用
技术领域
本发明涉及一种刀盘、一种用于加工气缸内表面的方法以及一种刀盘的应用。
背景技术
所讨论的气缸尤其是内燃机的气缸。在现有技术中例如通过热喷涂法为气缸内表面、尤其是铝制曲轴箱的气缸内表面设置涂层，在该涂层过程之前激活气缸内表面以确保涂层的附着。就此而言，已知在涂层之前通过高压水喷射技术使气缸工作面粗化。但该方法高度依赖于铸造质量。此外，与过程相关地所需的投资、能源和资源使用也是成问题的。一种较新的方法在于在涂层之前对气缸壁进行机械加工、尤其是例如引入凹槽，这些凹槽必要时还将在随后的成形或变形步骤中变形，以形成侧凹，这些侧凹应允许与涂层接合。因此，虽然可能消除一些前述缺点。但困难在于确保涂层在整个使用寿命中都能可靠地保持。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种刀盘、一种用于加工气缸内表面的方法以及一种刀盘的应用，其消除了上述缺点并在此可简单且低成本地实现。
所述任务通过具有旋转轴线的刀盘来解决，在该刀盘上沿环周设置有至少一个第一刀具和至少一个第二刀具，所述至少一个第一刀具是调节刀具，该调节刀具可径向运动地设置，由此能改变相对于所述至少一个第二刀具的径向位置，其中，所述调节刀具朝向旋转轴线支撑在锥体上并且可轴向移动地设置，使得能根据刀盘的进给方向调节径向位置。
所述任务通过用于利用本发明的刀盘加工气缸的内表面的方法来解决，包括下述步骤：
提供刀盘，该刀盘具有旋转轴线和多个沿环周设置的第一和第二刀具；
移入气缸中以加工气缸的内壁；
改变至少一个第一刀具相对于一个或多个另外的第二刀具的径向位置以调节加工顺序。
所述任务通过根据本发明的刀盘用于制造内燃机的应用来解决。
根据本发明，在具有旋转轴线的刀盘上沿环周设置有至少一个第一刀具和至少一个第二刀具，所述至少一个第一刀具是调节刀具，其可径向运动地设置，由此可改变或调节相对于所述至少一个第二刀具的径向位置。尤其是可相对于待加工表面来调节调节刀具的接触或加工顺序或加工深度或作用力、如成形力或压入力。这在加工内燃机气缸时尤为有利，因为因此可在考虑进给方向或所使用刀具的情况下控制气缸壁/气缸表面的加工。因此例如可在移入汽缸时这样调节调节刀具，使得其加工气缸表面，而在从气缸中移出时这样调节调节刀具，使得其不加工或深度或强度减少地加工气缸表面，反之亦然等。在移出时主要是例如所述至少一个第二刀具起作用。以此可仅借助一个刀盘实现至少两阶段的加工。
有利的是，所述第一刀具和第二刀具可旋转地设置在刀盘中。刀具可通过滚动轴承支承。根据一种优选实施方式，刀具仅滑动支承地设置。
根据一种实施方式，第一刀具设有调节单元，该调节单元设计用于使所述至少一个调节刀具在径向方向上主动运动，该调节单元可构造成电动、液压和/或气动的。
根据一种优选实施方式，调节刀具朝向旋转轴线支撑在锥体上并且有利的是可轴向运动地设置，使得可根据刀盘的进给方向来调节(彼此间的)径向定向。调节刀具沿径向方向、更确切地说朝向旋转轴线(可以说沿旋转轴线方向向内看)支撑在锥体上，所述至少一个调节刀具可沿轴向方向运动地设置。由此，调节单元可在结构上非常简单地构造，因为最终通过轴向可运动性并且通过能使所述至少一个调节刀具支撑在锥体上而间接实现了径向调节。根据一种优选实施方式，所述至少一个调节刀具沿轴向方向具有间隙地例如设置在相应构造的(轴承)保持架中或概括来说具有调节行程，由此可根据刀盘的进给方向来调节径向位置。调节行程的大小取决于刀盘的尺寸并且根据一些实施方式在几毫米的范围内。因此，适宜的是，所述至少一个调节刀具沿轴向方向具有间隙地支承在锥体上，由此可调节、尤其是根据刀具的进给方向基本自动地改变(例如参照待加工气缸壁)相对于所述至少一个第二刀具的接触深度。
为了加工气缸，将刀盘根据一种实施方式(适宜地通过机床或加工中心等连接或驱动地)进行旋转并移入相应气缸中。优选的转速在500至1500 1/min的范围内。有利的是，由于刀具可旋转地设置或支承在刀盘中，因此刀具通过与气缸壁的接触而自动进行旋转运动。因此可有利地省却自身的驱动装置。现在一个重要优点在于，基于所述至少一个调节刀具的具有间隙的支承，调节刀具在刀盘中也根据刀盘的进给方向自动重新定向。通过使调节刀具支撑在锥体上，不仅实现了轴向的重新定位，而且也实现了径向的重新定位，这意味着，调节刀具根据锥体的设计或定向而自动地移入或移出，而为此不再需要另一驱动装置或类似物。该方法可实现极其稳固且结构简单的刀盘。
根据一种实施方式，所述至少一个第二刀具的径向位置或定位是固定的。优选，轴向和径向位置都是固定的。尤其是所述至少一个粗化刀具是固定支承的，术语“固定”并不意味着没有间隙。可以存在间隙，但其例如主要用于尤其是可旋转的设置，而不用于轴向或径向调节。作为替代方案，可设置径向以及轴向的可运动性，由此可实现所述至少一个第二刀具的径向调节。
根据一种实施方式，刀盘包括上基板和下基板，在它们之间设置有锥形基体，在该基体中或上可设置和支承刀具。作为替代方案，上述基体可被附加的轴承环或保持架包围，该轴承环或保持架附加或替代地用于刀具的设置和/或支承。又或者刀具的支承也可至少部分地通过上基板和下基板进行，有利的是，上基板具有适合的连接区域，用于将刀具设置到例如刀具主轴上。刀具的基本结构不限于上述变型，而是尤其是基于有效的基本设计方案可以以许多方式实现。
根据一种优选实施方式，调节刀具是成形刀具，第二刀具是粗化刀具。特别优选多个、如5-10个成形刀具以及多个相同数量的粗化刀具沿环周且交替地设置在刀盘上。根据一种实施方式，刀具具有大致锥形的基体或刀体，其与刀盘的上述锥体一致地构造。根据一种实施方式，尤其是所述至少一个第二刀具(优选粗化刀具)的基体也构造成柱形的，由此可降低制造成本。必要时可非常简单地通过刀具的锥形或柱形刀体的长度来调节上述间隙，从而不需要在设有刀具的刀盘上或刀盘的相应轴承区段、轴承环或(轴承)保持架上进行进一步的调整。在优选实施方式中，刀体的长度为约5至30mm、特别优选为约10至20mm。通常的直径为约5至20mm、优选为约8至15mm。
这种刀盘的优点在与例如通过热喷涂方法激活气缸工作面/内表面以进行随后的涂层结合时特别明显。如上所述，已知的是，为了在后来的(热)涂层之前激活气缸内表面，则通过机械加工来形成诸如凹槽或肋条形式的结构。现在优选可借助刀盘或其成形刀具使肋条变形，以产生侧凹。换句话说，凹槽在成形之后的横截面具有近似燕尾形状。为了进一步改善后来的涂层的固定或接合，设置粗化刀具，其使肋条结构化或粗化，并且可以说除了由侧凹形成的宏观形锁合之外，还能附加地形成微观形锁合。通过使所述成形刀具可径向调节，例如可在移入时使肋条成形，而在从气缸移出时(通过改变进给方向使成形刀具移回)借助粗化刀具对表面进行结构化。可简单地通过刀具锥形基体的定向等来调节加工顺序(例如向上或向下变细等)。
根据一种实施方式，第一刀具和第二刀具具有接触区域，所述接触区域优选构造成柱形的。接触区域尤其是刀具的进行实际加工的区域，这些区域因此例如设置用于贴靠在待加工表面上。柱形状尤其是能实现接触区域彼此间的精确定位和定向。
根据一种实施方式，接触区域分别形成有效直径，第一刀具的有效直径通过径向可定位性、尤其是通过设置适合的尺寸不足或过量而既可大于也可小于第二刀具的有效直径。该值根据实施方式在约0.01至1mm的范围内、优选在约0.02至0.5mm的范围内。根据一种实施方式，成形刀具接触区域的直径比粗化刀具的直径例如小0.1至0.3mm。
根据各种实施方式，尤其是为了加工轿车发动机的曲轴箱/气缸，有效直径为约70至100mm。在摩托车发动机中，直径可显著更小或者在载货车技术领域中或在大型发动机中直径也可显著更大。但基本结构不变。
根据一种实施方式，所述至少一个第二刀具、尤其是粗化刀具的接触区域具有涂层或通过涂层形成或具有凸起、突起、凹槽、沟纹和/或类似物。优选，粗化刀具的接触区域至少部分地具有金刚石或颗粒涂层。在金刚石涂层中，优选的平均粒度在D91至D301的范围内。
第一刀具或成形刀具的接触区域具有大致光滑或平坦的表面。优选，成形刀具的接触区域如上所述也构造成柱形的。
在优选实施方式中，接触区域的直径在约5至25mm的范围内。
作为替代方案，接触区域直接成形在基体上或由其成形。如果基体构造成锥形的，则基体有利地这样朝向刀盘的旋转轴线倾斜，使得形成接触区域的周向表面大致平行于待加工表面。
优选第一和/或第二刀具由硬质金属制成。由此可有利地实现极高的刀具寿命。
根据一种实施方式，刀盘包括用于驱动一个或多个刀具的驱动单元。
根据一种实施方式，刀盘包括冷却装置。尤其是冷却装置设计用于冷却沿环周设置的刀具。在使用具有涂层的粗化刀具、如具有金刚石涂层的粗化刀具时这种冷却装置尤为有利，因为由此可确保例如金刚石形式的涂层保持在相应刀具上。常见的冷却剂流在此在直至80bar的压力下工作。根据一种实施方式，冷却剂流可用于驱动刀具。如开头提到的，根据一种实施方式，可以说，可旋转地设置或支承的刀具间接通过刀盘相对于静止气缸壁的旋转被驱动。这导致在移入气缸中时非常强的转速梯度。就此而言，使刀具至少进行一定旋转运动的驱动或一定的预驱动在磨损特性方面是极其有利的。
本发明还涉及一种用于加工气缸、尤其是内燃机气缸的内表面的方法，其包括下述步骤：
提供刀盘，其具有旋转轴线和多个沿环周设置的刀具；
优选使刀盘旋转并且移入气缸中以加工气缸的内壁；
改变至少一个刀具相对于另外的刀具的径向位置以调节加工顺序。
径向位置改变的所述至少一个上述刀具优选是调节刀具、尤其是根据本发明的调节刀具。
优选至少一个刀具是粗化刀具并且至少一个刀具是成形刀具，该方法包括下述步骤：在从气缸移出时减小所述成形刀具的有效直径。
有利地由此可在刀盘从气缸移出时使气缸的表面结构化或粗化。相应地优选这样执行该方法，使得在移入时仅或者至少主要地进行成形。有利的是，如上面已经描述的，调节刀具在具有轴向间隙的情况下设置在刀盘中并且支撑在内锥体上。有利的是，在该实施方式中锥体这样定向，使得其相对于竖直轴线或圆柱轴线向下减小。
替代和/或附加地，所述方法包括下述步骤：在移出时增加所述粗化刀具的有效直径。
这与先前所描述的具有相同效果，即在刀盘从气缸移出时可有利地进行粗化。
根据一种实施方式，所述方法包括下述步骤：
加工气缸的内壁以引入表面结构；
在用刀盘加工之后在气缸的内壁上进行涂层。
如已经指出的，表面结构例如包括优选机械引入的多个凹槽或沟纹。替代或附加地，结构化也可借助适合的激光技术来完成。优选将热喷涂用于涂层，在此例如可使用所谓的火焰喷涂或等离子喷涂或电弧丝喷涂。在此，将具有高热能和动能的粉末颗粒和/或金属丝颗粒喷射或喷涂到待涂层基材的表面上。在用刀盘加工气缸壁之后进行涂层。
本发明还涉及根据本发明的刀盘用于制造内燃机或曲轴箱的应用。
结合刀盘所提及的优点和特征类似并且相应地也适用于方法和应用，反之亦然。
附图说明
由下述参考附图对刀盘优选实施方式的说明给出其它优点和特征。附图如下：
图1示出刀盘的沿旋转轴线看的局部俯视图以及用于示出刀具的不同有效直径的细节图；
图2示出刀盘的示意性剖视图，以用于说明调节刀具的功能。
具体实施方式
图1在其左半部中示出沿旋转轴线R看具有多个沿环周设置的第一和第二刀具20或22的刀盘10，在此可以看到交替设置的粗化刀具22和成形刀具24。虚线示出通过刀盘10加工的气缸壁50。在图的右半部中粗略示出粗化刀具22和成形刀具24连同它们相应的接触区域23或25，在此清楚的是，粗化刀具22的接触区域23以径向偏差d突出于成形刀具24的接触区域25。换句话说，粗化刀具22的有效直径D22大于成形刀具24的有效直径D24。为了更好地定向，以附图标记R表示旋转轴线的走向。尺寸过量或偏差d例如在约0.01至1mm的范围内。这例如通过成形刀具24朝向旋转轴线R的径向移动而产生。
图2在其左半部中示出一半刀盘10，其包括上基板和下基板13，在它们之间设有基体12，该基体12具有锥形形状。以附图标记14表示轴承区段或轴承环14，其尤其是用于支承第一刀具20和第二刀具22。原则上，包括基体12和基板13以及轴承区段14的结构仅应理解为示例性的。刀具22和20或24的设置或支承可以以许多方式进行。尤其是可以以各种方式在结构上实现沿旋转轴线R的轴向可运动性或轴向间隙。图2尤其是用于在图的右半部中示出第一刀具或调节刀具20、在此为成形刀具24的作用方式。粗化刀具22在此构造成沿旋转轴线R固定。当刀盘10沿进给方向V1(在中间图区域中)向下指向时，例如当刀盘10移入气缸时，这导致调节刀具20、尤其是成形刀具24如箭头P所示被径向向外压，因为它实际上沿旋转轴线R在锥形基体12上向上移动并因此被向外压。为此，调节刀具20本身具有锥形的基本形状。在从气缸中移出时(在图的右半部中示出(参见附图标记V2))，调节刀具20或成形刀具24自动(或通过设置调节装置)重新定向，使得现在粗化刀具22的接触区域23可起作用。自动定向尤其是可通过相应刀具基体26的带有间隙的支承实现。优选按照图1的右半部中所示来设定尺寸过量。通过这种结构至少可在该实施方式中确保在从气缸中移出时作为最后的加工步骤使气缸内表面或肋条粗化。
附图标记列表
10 刀盘
12 基体、锥体
14 轴承区段、轴承环
20 第一刀具、调节刀具
22 第二刀具、粗化刀具
23 粗化刀具的接触区域
24 成形刀具
25 成形刀具的接触区域
26 刀体
D22 粗化刀具(第二刀具)的有效直径
D24 成形刀具(第一刀具)的有效直径
50 气缸壁
d 径向偏差
V、V1、V2 进给方向
R 旋转轴线
P 箭头

Claims (15)

1.具有旋转轴线(R)的刀盘(10)，在该刀盘(10)上沿环周设置有至少一个第一刀具(20)和至少一个第二刀具(22)，所述至少一个第一刀具(20)是调节刀具，该调节刀具可径向运动地设置，由此能改变相对于所述至少一个第二刀具(22)的径向位置，其中，所述调节刀具朝向旋转轴线(R)支撑在锥体(12)上并且可轴向移动地设置，使得能根据刀盘(10)的进给方向(V)调节径向位置，其中，所述调节刀具沿轴向方向具有间隙地支承在锥体(12)上，并且基于所述调节刀具的具有间隙的支承，调节刀具在刀盘(10)中根据刀盘(10)的进给方向自动重新定向。
2.根据权利要求1所述的刀盘(10)，其中，所述至少一个第二刀具(22)的径向位置是固定的。
3.根据权利要求1或2所述的刀盘(10)，其中，所述调节刀具是成形刀具(24)，并且所述至少一个第二刀具(22)是粗化刀具。
4.根据权利要求1或2所述的刀盘(10)，其中，所述第一刀具(20)和第二刀具(22)具有接触区域，并且所述接触区域构造成柱形的。
5.根据权利要求1或2所述的刀盘，其中，所述至少一个第二刀具(22)具有柱形基体。
6.根据权利要求4所述的刀盘(10)，其中，所述至少一个第二刀具(22)的接触区域(23)具有涂层。
7.根据权利要求4所述的刀盘(10)，其中，所述至少一个第二刀具(22)的接触区域(23)具有金刚石涂层。
8.根据权利要求4所述的刀盘(10)，其中，所述至少一个第一刀具(20)的接触区域(25)具有光滑或平坦的表面。
9.用于利用根据权利要求1至8之一所述的刀盘(10)加工气缸的内表面的方法，包括下述步骤：
提供刀盘(10)，该刀盘具有旋转轴线(R)和多个沿环周设置的第一刀具(20)和第二刀具(22)；
移入气缸中以加工气缸的内壁(50)；
改变至少一个第一刀具(20)相对于一个或多个另外的第二刀具(22)的径向位置以调节加工顺序。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，至少一个第二刀具(22)是粗化刀具并且至少一个第一刀具是成形刀具(24)，该方法包括下述步骤：在移出时减小所述成形刀具(24)的有效直径(D24)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，至少一个第二刀具(22)是粗化刀具并且至少一个第一刀具是成形刀具(24)，该方法包括下述步骤：在移出时增加所述粗化刀具的有效直径(D22)。
12.根据权利要求9或10所述的方法，包括下述步骤：
加工气缸的内壁(50)以引入表面结构；
在用刀盘(10)加工之后在气缸的内壁(50)上进行涂层。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述气缸是内燃机气缸。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述表面结构是凹槽。
15.根据权利要求1至8中任一项所述的刀盘(10)用于制造内燃机的应用。
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