CN1264649C - 珩磨方法和珩磨设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种珩磨方法和珩磨设备，在区域(101)中的粗珩磨步骤中，装有粗珩磨油石(17)的珩磨头(15)被插入到气缸柱(11)的气缸内径(13)中，旋转珩磨头(15)同时使之沿轴向移动，从而对气缸内径(13)的内圆周表面进行磨削。在接下来的区域(102)中的空转步骤中，将气缸柱(11)依原样放置60秒以产生回弹(S)。在随后的区域(103)中的精珩磨步骤中，装有精珩磨油石(19)的珩磨头(21)被插入到气缸内径(13)中，沿与粗珩磨步骤中旋转方向相反的方向旋转珩磨头(21)，同时使之沿轴向移动，从而对气缸内径(13)的内圆周表面进行磨削。此外，使用公共冷却剂供给源(29)分别从冷却剂喷管(23)、(25)和(27)中向粗珩磨步骤、空转步骤和精珩磨步骤的区域中供应冷却剂。

Description

珩磨方法和珩磨设备

技术领域

本发明涉及一种对机械加工线上所运载的工件内表面进行磨削的珩磨方法和珩磨设备，通过相对于工件旋转具有油石的珩磨头同时沿轴向移动所述珩磨头而执行所述珩磨。

背景技术

具有圆柱形内表面的工件，例如气缸柱的气缸内径是决定发动机性能的重要区域。为此，要求气缸内径具有高成型精度和良好的表面轮廓。作为成型精度来说，为了减少活塞的滑动阻力，要求气缸内径的圆度和圆柱度尽可能地高。至于表面轮廓，为了减少活塞的卡住(磨损)，希望确保足够的粗糙度以便于使有气缸内径表面尽可能多地有油和作为固定润滑剂的石墨。

为了满足这些条件，将具有油石3的珩磨头5插入到气缸内径1的内圆周表面中，使得具有油石3的珩磨头5旋转并轴向移动以便于进行磨削，从而如图8中所示的执行气缸内径1的珩磨(参照日本专利申请未审定公开号No.5-57597和No.5-57598)。珩磨头5沿圆周方向具有多个油石3，并且当以指定的膨胀压力径向向外，即，朝向气缸内径1的内圆周表面的方向挤压油石3时，珩磨头5研磨气缸内径1的内圆周表面。

在上述珩磨中，必须确保一定量的机械加工余量以便于去除钻孔所产生的粗糙度，所述钻孔是珩磨的预加工程序。因此，通常，为了使得珩磨时间最小化，进行具有高磨削效率的粗珩磨以珩磨大部分的机械加工余量，并且，在粗珩磨之后，进行具有低磨削效率的精珩磨以改进成型精度和表面轮廓。

在粗珩磨过程中，为了确保如上所述的机械加工余量，膨胀压力使得气缸内径1大大变形，所述膨胀压力即，将油石3压在气缸内径1上的压力。图9A示出了在粗珩磨过程中气缸内径1的变形状态。根据图9A，使得气缸内径1变形，以便于沿径向向外的方向大大加宽气缸内径1的上部开口侧并减小气缸内径1下部的内径。

如果解除了油石3的膨胀压力并任由工件按原样处于该变形状态下，会发生受压的气缸内径1的内圆周表面返回到中心侧的作用，也就是，由箭头S所指示的回弹。因此，气缸内径1的形状变成例如图9B中所示出的那样。

如果在粗珩磨之后，当气缸内径1如图9A中所示那样变形时，继续执行随后的精珩磨的话，由于回弹的影响，就会非常不利地难于高精度地确保气缸内径1的形状。

另外，为了确保成型精度，可考虑这样的措施，即，降低粗珩磨过程中油石的膨胀速度，从而减少工件的回弹或延长精珩磨时间。然而，这些措施会不利地延长机械加工时间并增加制造成本。

发明内容

因此，本发明的一个目的是，在不会导致机械加工时间延长的情况下，在精珩磨中高精度地确保工件的形状。

为了实现这个目的，本发明的第一方面提供了一种磨削机械加工线上所运载的工件的圆柱体内表面的珩磨方法，通过旋转具有油石的珩磨头、同时沿轴向移动所述珩磨头而执行所述珩磨，其特征在于，在粗珩磨步骤中，对圆柱体的内表面进行粗珩磨，在空转步骤中，将工件依原样放置预定时间，然后在随后的精珩磨步骤中，沿与粗珩磨步骤中旋转方向相反的方向使得珩磨头旋转，从而执行对于工件圆柱体内表面的珩磨，在空转步骤中为工件提供冷却剂，其方式是使珩磨头不插入圆柱体中。

本发明的第二方面提供了本发明第一方面所涉及的珩磨方法，其中将冷却剂设定为与粗珩磨步骤和精珩磨步骤中所使用的冷却剂相同的温度。

本发明的第三方面提供了本发明第一到第二方面任意一项中所涉及的珩磨方法，其中在空转步骤中任由工件依原样放置的时间至少为30秒。如果工件放置时间少于30秒，如图3中所示的，粗珩磨步骤之后的回弹作用所导致的回复变形量是不充分的，从而随后的精珩磨步骤会受到回弹的影响。

本发明的第四方面提供了一种磨削机械加工线上所运载的工件的圆柱体内表面的珩磨设备，通过旋转具有油石的珩磨头、同时沿轴向移动所述珩磨头而执行所述珩磨，所述珩磨设备包括：设在机械加工线上的粗珩磨步骤区域和精珩磨步骤区域；以及用于放置已经进行了粗珩磨步骤的工件的空转步骤区域，空转步骤区域被设在粗珩磨步骤区域和精珩磨步骤区域之间，精珩磨步骤中珩磨头的旋转方向与粗珩磨步骤中珩磨头的旋转方向相反，在空转步骤区域，在空转步骤区域上为工件提供冷却剂，其方式是使珩磨头不插入所述圆柱体中。

本发明的第五方面提供了一种磨削机械加工线上所运载的工件的圆柱体内表面的珩磨设备，通过旋转具有油石的珩磨头、同时沿轴向移动所述珩磨头而执行所述珩磨，所述珩磨设备包括：用于磨削机械加工线上的工件的圆柱体内表面的粗珩磨装置；用于磨削机械加工线上的工件的圆柱体内表面的精珩磨装置；以及机械加工线上的空转装置，用于将已经进行了粗珩磨步骤的工件放置预定时间，其中，空转步骤装置设在粗珩磨装置和精珩磨装置之间，精珩磨装置中珩磨头的旋转方向与粗珩磨装置中珩磨头的旋转方向相反；以及在空转装置处，在空转装置上为工件提供冷却剂，其方式是使珩磨头不插入所述圆柱体中。

依照本发明的第一或第四、第五方面，用于任由工件依原样放置预定时间的空转步骤被设置在同一加工线上的粗珩磨步骤与精珩磨步骤之间。因此，在空转步骤期间回弹使得工件变形，这可消除回弹在随后的精珩磨步骤上的影响，并且可高精度地确保工件的形状。另外，由于该空转步骤被设在与粗珩磨步骤和精珩磨步骤相同的加工线上并设置在粗珩磨步骤和精珩磨步骤之间，因此无需单独提供任由工件依原样放置的专用空间，从而不会产生过长时间的情况，从而避免了机械加工时间的延长。

此外，在精珩磨中，珩磨头沿与粗珩磨中旋转方向相反的方向旋转。因此，在精珩磨中所产生的工件的珩磨靶面的塑性流动是沿与粗珩磨中所产生的塑性流动方向相反的方向产生的，并且精珩磨中的塑性流动的作用在于抵消粗珩磨中的塑性流动。因此，可减少精珩磨中的塑性流动、抑制微小膛内毛刺的出现，从而获得高精确度的珩磨表面。

依照本发明的第一方面，通过在空转步骤中为工件提供冷却剂，总体上来说工件的温度变化变得均匀，并且总体上珩磨靶面上的回弹量变得均匀。因此，可防止在精珩磨中机械加工余量不必要地变大并且可缩短精珩磨时间。

依照本发明的第二方面，在空转步骤中所提供的冷却剂被设定为与粗珩磨步骤和精珩磨步骤中所使用的冷却剂相同的温度。通过如此设定，可在这些步骤中共享冷却剂源，不必为空转步骤单独地提供专用冷却剂源，因此可简化整个设备。

依照本发明的第三方面，通过将空转步骤中任由工件依原样放置的时间设定为至少30秒，在粗珩磨之后充分获得了回弹作用所导致的回复变形量，因此可消除随后的精珩磨中回弹的影响。

附图说明

图1是珩磨步骤图，示出了本发明所涉及的一个实施例中的珩磨方法；

图2示出了工件放置时间与粗珩磨后回弹量之间的相互关系；

图3是解释性视图，示出了其中精珩磨的油石抵靠在珩磨靶面上的一种状态；

图4是解释性视图，示出了油石的自生功能；

图5是解释性视图，示出了本发明所涉及的珩磨靶面的成型精度与传统技术中珩磨靶面的成型精度之间的对比；

图6是解释性视图，示出了本发明所涉及的暴露于珩磨靶面的石墨的释放程度与传统技术中暴露于珩磨靶面的石墨的释放程度之间的对比；

图7是解释性视图，示出了珩磨靶面的表面形状改进的原理；

图8是示出了珩磨的横截面图；以及

图9A和9B是气缸内径的横截面图，其中图9A是刚刚粗珩磨之后的气缸内径的横截面图，而图9B是在粗珩磨之后依原样放置预定时间的气缸内径的横截面图。

具体实施方式

在下文中将结合附图描述本发明的实施例。

图1示出了本发明所涉及的一个实施例中的珩磨方法。在图1中，附图标记101表示该珩磨方法的粗珩磨步骤区域，而103表示其精珩磨步骤区域。而且，在粗珩磨步骤区域101和精珩磨步骤区域103之间提供了空转步骤区域102，所述空转步骤区域102用于任由工件依原样放置预定时间(“独自搁置时间”或“离开时间”)。这些步骤区域被设置在同一条加工线(工作线)上。具有圆柱形内表面的发动机气缸柱11作为一个工件沿粗珩磨步骤区域101、空转步骤区域102和精珩磨步骤区域103的顺序在该加工线上被运载。

如图1的粗珩磨步骤中所示的，珩磨头15被插入到气缸柱11的气缸内径13中。以沿圆周方向等距离分布的方式将沿图1中的纵向方向的多个长方体粗珩磨油石17设置于珩磨头的外圆周部分上。

膨胀压力机构(未示出)的预定膨胀压力T1可将这些粗珩磨油石17压在气缸内径13的内圆周表面上。设有所述粗珩磨油石17的珩磨头15通过沿轴向(即，图1中的纵向)旋转同时移动而执行对于气缸内径13内圆周表面的粗珩磨。

在图1中所示的精珩磨步骤区域103中，使用设有精珩磨油石19的珩磨头21对气缸柱11的气缸内径13进行精加工。与粗珩磨油石17相似，以沿圆周方向等距离分布的方式设置沿图1中的纵向方向的多个长方体精珩磨油石19，并且膨胀压力机构(未示出)的预定膨胀压力T2可将这些精珩磨油石19压在气缸内径13的内圆周表面上。

与粗珩磨的珩磨头15相似，设有这些精珩磨油石19的珩磨头21旋转同时沿轴向移动。然而，珩磨头21的旋转方向与粗珩磨期间的旋转方向相反。

分别为区域101、102和103的步骤设有冷却剂喷管23、25和27，所述冷却剂喷管23、25和27用于向气缸内径13中提供作为冷却液体的冷却剂。从公共冷却剂供给源29通过管道31将冷却剂分别供应到各个冷却剂喷管23、25和27中。

在粗珩磨区域101的步骤中经受粗珩磨的具有气缸内径13的气缸柱11被运载到接下来的空转步骤区域102，在这里将气缸柱11依原样放置60秒的预定时间。在该气缸柱11依原样放置时，其它的气缸柱分别在设置于空转步骤区域102之前的粗珩磨步骤区域101中和设置于空转步骤区域102之后的精珩磨步骤区域中经受粗珩磨和精珩磨。气缸柱11留在空转步骤区域102中的时间可为至少30秒。

刚好在粗珩磨步骤区域101的粗珩磨之后，与图9A中相似，如图1中空转步骤区域102中双点划线所示的，由粗珩磨油石17施加的膨胀压力T1使得气缸内径13变形。在该变形状态中，如果在不将珩磨头插入到气缸内径13中的情况下将气缸柱11依原样放置的话，如图1中空转步骤区域102中实线所示的，回弹S的作用使得气缸内径13收缩性地变形。

如图2中所示的，如果将该收缩性变形的气缸内径13依原样放置60秒的话，回弹量(回弹程度)近似为最大值。与刚好在如图1中空转步骤区域102中双点划线所示的粗珩磨之后的具有较大直径上部、并且其直径朝向下部逐渐变小的气缸内径13不同，处于最大回弹量状态中的气缸内径13具有沿轴向的、内径几乎彼此相等的凹入部分13a、13b等，和邻近于各个凹入部分的、内径几乎彼此相等的凸出部分13c、13d、13e等。

如上所述的，在粗珩磨之后依原样放置60秒的气缸柱11被运载到接下来的精珩磨步骤区域103中，在所述精珩磨步骤区域103中，通过沿与粗珩磨步骤区域101的方向相反的方向旋转装有精珩磨油石19的珩磨头21，对气缸柱11进行精珩磨。

在粗珩磨步骤区域101中，膨胀压力T1是精珩磨期间的膨胀压力T2的几倍高，以便于在短时间内珩磨更多的机械加工余量(加工容许偏差)。为此，刚好在粗珩磨之后的气缸柱11的回弹量十分大并且在该回弹所引起的回复变形接近于最大时大约需要60秒。

该空转步骤区域102的设定具有以下两个优点。

首先，由于粗珩磨后的精珩磨期间回弹的影响相当小，因此几乎只通过精珩磨的性能就可确定珩磨精度。第二个优点如下所述。

在粗珩磨期间，如图1中空转步骤区域102中双点划线所示的，粗珩磨油石17迫使气缸内径13加宽。当粗珩磨完成以后将气缸内径13依原样放置60秒钟时，如图1中空转步骤区域102中实线所示的，产生了凹入部分13a、13b等和凸出部分13c、13d、13e等。如图3中所示的，这些凹入和凸出部分使得每个精珩磨油石19抵靠在珩磨靶面局部。

此时，以固定力F将每个精珩磨油石19都压在珩磨靶面上，以使得局部抵靠在珩磨靶面上的精珩磨油石19的区域的表面压力增加。珩磨的特征在于，当表面压力增加时，切入珩磨靶面中的油石的磨料颗粒的量就增加，从而使研磨效率增加。因此，用于珩磨具有不规则性的珩磨靶面的珩磨时间比用于珩磨具有规则性的珩磨靶面(油石完全抵靠在珩磨靶面上)的珩磨时间短。

每个凸出部分13c、13d、13e等相对于每个凹入部分13a、13b等在珩磨靶面上的凸出量h(见图3)大约为用于精珩磨的机械加工余量的30％到50％。在这种情况下，加工时间(工作时间)最好比精珩磨期间的传统加工时间短10％。

此外，如图4中所示的，当切入珩磨靶面35中的磨料颗粒33的量增加时，精珩磨油石19的磨料颗粒33上的载荷增加了，易于出现裂缝33a(当油石活跃时所谓的自生功能)，从而产生新的切削刃口33b以提高切割。应该注意的是，箭头X所指示的方向是精珩磨油石19的移动方向，附图标记37表示粗珩磨步骤区域101中所产生的塑性流动，附图标记39表示该塑性流动37所导致的阻力(载荷)。

因此，获得了以下一系列优点：磨削力的减少→内径变形和塑性流动的减少→珩磨精度的提高。

当随后执行精珩磨时，精珩磨油石19在珩磨靶面35上的局部抵靠逐渐减少并且变为完全抵靠。然而，由于依然保持磨料颗粒33的良好切割，因此还保持上述优点直到珩磨的完成(由于到珩磨结束时油石完全抵靠在珩磨靶面上，因此机械加工余量约为φ10到15μm)。

由于这些功能，与使用传统珩磨方法A相比，使用珩磨方法C(其中提供了空转步骤区域102)使得气缸内径13的成型精度(圆度、圆柱度)提高了约30％。另外，如图6中所示的，与使用传统珩磨方法A相比，使用珩磨方法C(其中提供了空转步骤区域102)使得石墨暴露于气缸内径13内圆周表面的程度提高了约40％。

如稍后将描述的，由于塑性流动的减少而导致石墨的暴露程度增加。

接下来，将描述将精珩磨步骤区域103中的珩磨头21的旋转方向设定得与粗珩磨步骤区域101中的珩磨头15的旋转方向相反的优点。

如上面所描述的，在粗珩磨步骤区域101中，粗珩磨油石17的膨胀压力T1是高的，因此使用颗粒尺寸大于精珩磨油石19的磨料颗粒的粗珩磨油石17的磨料颗粒，以便于提高磨削效率。为此，如图7中所示的，由于粗珩磨，产生了具有较大深度L的塑性流动37的珩磨表面35和微小膛内毛刺41。此外，由于珩磨表面35的影响，产生了未暴露于珩磨表面35的许多石墨43。

将精珩磨步骤区域103中的珩磨头21的旋转方向设定得与粗珩磨步骤区域101中的珩磨头旋转方向相反意味着，磨料颗粒33沿与粗珩磨步骤区域中塑性流动37的方向相反的方向移动。磨料颗粒33的这种移动产生了公知的材料剥离效应。此外，沿与粗珩磨步骤中塑性流动37的方向相反的方向产生了由精珩磨油石19的磨料颗粒33所形成的塑性流动37a。因此，塑性流动37a用于抵消粗珩磨中所产生的塑性流动37。

通过这些功能，在精珩磨中可获得具有小塑性流动37a的珩磨表面35a，并且难于产生微小膛内毛刺41。由于石墨43a较少受到小塑性流动37a的影响，因此石墨43a易于暴露于表面，并且如图6中所示的，与使用传统珩磨方法A相比，使用珩磨方法B(包括精珩磨中的反向旋转)使得石墨43a的暴露程度提高了20％，此外，如图5中所示的，与使用传统珩磨方法A相比，使用珩磨方法B(包括精珩磨中的反向旋转)使得成型精度提高了30％。

下面将描述与传统技术相似的、通过在精珩磨步骤中沿与粗珩磨步骤中珩磨头相同的方向旋转珩磨头的珩磨工件的示例。在该示例中，不能获得上述优点而只能获得源自于精珩磨的优点。为此，必须执行辅助的珩磨步骤(诸如使用软木材料取代油石的软木珩磨步骤和使用包含颗粒尺寸远小于精珩磨油石的磨料颗粒的油石的曲线的平稳段的珩磨(plateau honing)步骤，从而不利地提高了成本。

接下来，将描述将提供空转步骤区域102与精珩磨步骤区域103中珩磨头的反向旋转相组合的结构的优点。

如在关于提供空转步骤区域102的优点的描述中所述的，提高了油石的切削，从而降低了磨削阻力并且提高了珩磨表面的成型精度。如果将反向旋转的功能加到这些优点上的话，如图5中所示的珩磨方法D(B+C)所表示的，进一步降低了磨削阻力，并且珩磨表面的成型精度又提高了10％，与使用传统珩磨方法A相比，珩磨表面的成型精度最终提高了60％。

如图4中所示的，对于精珩磨步骤区域103中珩磨头的反向旋转的功能来说，由于精珩磨油石19的磨料颗粒33的移动以便于超越粗珩磨所产生的塑性流动37所导致的磨削阻力(载荷)39的增加几乎变得与材料剥离效应所导致的磨削阻力的减少相等，并且磨削效率整体是不足的。

然而，如果将上述反向旋转的功能加到空转步骤102所获得的功能上的话，塑性流动的阻力就作为磨料颗粒33的辅助载荷39。因此，甚至只通过提供空转步骤区域102而不受自生功能影响的磨料颗粒也变得自生了，从而进一步增加了良好切削的磨料颗粒。因此，与只提供空转步骤区域102的磨削阻力相比，磨削阻力降低了，并且珩磨表面的成型精度提高了。

在成型精度的这种提高中，既没有降低粗珩磨步骤区域101中粗珩磨油石17的膨胀速度，也没有增加精珩磨时间。因此，避免了珩磨时间的延长。

接下来，将描述在空转步骤区域102中提供冷却剂的优点。

如图1中所示的，在空转步骤区域102中，在粗珩磨步骤区域101、空转步骤区域102和精珩磨步骤区域103之间温度条件相同的冷却剂是从公共冷却剂供给源29中提供的。如果在粗珩磨步骤区域101的步骤之后只将工件依原样放置于空转步骤区域102中，在提供有冷却剂的粗珩磨步骤之后温度突然改变，由于温度改变导致气缸内径的内圆周表面的回弹量变得不均匀，因此在精珩磨步骤中需要更多的机械加工余量，因此也需要更长的精珩磨时间。

因此，通过在空转步骤区域102的步骤中提供冷却剂，可更均匀地产生回弹量，从而实现精珩磨时间的减少。

在空转步骤区域102的步骤中所提供冷却剂不总是必须从与粗珩磨步骤区域101和精珩磨步骤区域103所共用的公共冷却剂供给源29中供给，而是也可从独立的冷却剂供给源中供给。然而，通过使用公共冷却剂供给源29，各个步骤在冷却剂温度方面几乎相等，因此不必为空转步骤区域102提供专用的冷却剂供给源，从而可简化整个设备。

在这里合并参考(2002年8月30日所申请的)日本专利申请P2002-255887的全部内容。

尽管在上文中已参考本发明的某些实施例描述了本发明，然而本发明不局限于上述实施例。本领域熟练人员可根据上述技术对上述实施例进行各种修正和改变。根据以下权利要求限定了本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磨削加工线上所运载的工件的圆柱体内表面的珩磨方法，通过旋转具有油石的珩磨头、同时沿轴向移动所述珩磨头而执行所述珩磨，所述方法包括以下步骤：

在粗珩磨区域上磨削工件的圆柱体内表面；

将圆柱体在空转区域上放置预定时间；

在精珩磨区域上磨削工件的圆柱体的内表面；

其特征在于，在粗珩磨区域上珩磨头沿与精珩磨区域上的珩磨头的旋转方向相反的方向旋转，从而对工件的圆柱体内表面进行磨削；以及

当将圆柱体放置在空转区域上时，在空转区域上为工件提供冷却剂，其方式是使珩磨头不插入该圆柱体中。

2.依照权利要求1中所述的珩磨方法，其特征在于，将冷却剂设定为与在粗珩磨区域上和精珩磨区域上所使用的冷却剂相同的温度。

3.依照权利要求1中所述的珩磨方法，其特征在于，在空转区域上任由工件依原样放置的时间至少为30秒。

4.依照权利要求2中所述的珩磨方法，其特征在于，在空转区域上任由工件依原样放置的时间至少为30秒。

5.一种磨削机械加工线上所运载的工件的圆柱体内表面的珩磨设备，通过旋转具有油石的珩磨头、同时沿轴向移动所述珩磨头而执行所述珩磨，所述珩磨设备包括：

设在机械加工线上的粗珩磨步骤区域和精珩磨步骤区域；以及

用于放置已经进行了粗珩磨步骤的工件的空转步骤区域，

其中，空转步骤区域被设在粗珩磨步骤区域和精珩磨步骤区域之间，

其特征在于，精珩磨步骤中珩磨头的旋转方向与粗珩磨步骤中珩磨头的旋转方向相反；以及

在空转步骤区域，在空转步骤区域上为工件提供冷却剂，其方式是使珩磨头不插入所述圆柱体中。

6 一种磨削机械加工线上所运载的工件的圆柱体内表面的珩磨设备，通过旋转具有油石的珩磨头、同时沿轴向移动所述珩磨头而执行所述珩磨，所述珩磨设备包括：

用于磨削机械加工线上的工件的圆柱体内表面的粗珩磨装置；

用于磨削机械加工线上的工件的圆柱体内表面的精珩磨装置；以及

机械加工线上的空转装置，用于将已经进行了粗珩磨步骤的工件放置预定时间，

其中，空转步骤装置设在粗珩磨装置和精珩磨装置之间，

其特征在于，精珩磨装置中珩磨头的旋转方向与粗珩磨装置中珩磨头的旋转方向相反；以及

在空转装置处，在空转装置上为工件提供冷却剂，其方式是使珩磨头不插入所述圆柱体中。

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