CN1470349A - 阀座切削加工刀具 - Google Patents

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迪特尔·克雷斯
��ϣ���ڱ���
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Abstract

本发明公开了一种切削加工工具及切削加工方法,特别是用于内燃机汽缸盖中的阀座的切削加工刀具及切削加工方法,包括至少一个定形刀刃的车刀,车刀7贴在两个互相交成α角度的两个支撑区域27、29上,夹角的角平分线33基本上垂直于从阀座11上铲去切屑的有效刀刃9;使用上述车刀,对阀座进行切削加工的方法,当刀刃磨损时,无须对刀具的车刀进行重新设定和/或调整;刀具在加工阀座时沿着环状阀座的中轴方向移动;车刀做成可转位刀片。使得在阀座加工过程中车刀实际上没有任何振动,有效刀刃的磨损明显减少,在刀刃磨损的情况下,可以不需要进行车刀的重新设定和/或调整,这样就导致工艺过程的大大简化,是很经济的解决方案。

Description

阀座切削加工刀具
技术领域
本发明涉及切削加工工具及切削加工方法,特别是用于内燃机汽缸盖中的阀座的切削加工刀具及切削加工方法。
背景技术
刀具和这里提到的工艺方法是已知的。刀具有一个车刀,这个车刀至少包括一个确定几何形状的刀刃,刀刃就是用来从阀座上铲去切屑的,不论是刀具相对于旋转中的固定的工件移动,还是工件相对于固定的刀具移动。一般讲,这两种情况中的第一种采用比较多。阀座有一个第一环形面,它与想象中的环形面的中轴夹成一个比如说约为45°的第一倾斜角。这个第一环形面基本上决定了阀门的密封性。一方面有一个第二环形面以15°的倾斜角,另一方面有一个第三环形面以75°的倾斜角连接到这个第一环形面上。在阀座加工时,刀具沿着环形面的共同中轴作轴向移动,直至车刀开始接触阀座,并且比如说对第一环形面进行加工。因此,加工是通过刀具在阀门轴方向的移动而实现的,这个阀门轴是与环形面的中轴一致的。这个加工称为阀门钻孔。最好把刀具设计成既可以加工阀座,又可以加工阀门导向装置,由此刀具包括加工阀座的车刀和加工阀门导向装置的绞刀。因此,阀座中轴和阀门导向装置中轴的排齐对准精度非常高,这有助于阀门的良好密封性。
内燃机汽缸盖中的阀座一般是通过阀座环来实现的。阀座环是由非常坚硬耐磨损的烧结材料组成的,因此,加工成本是很高的,一般都必须采用昂贵的氮化硼(CBN)立方体。此外,其质量要求也是很高的,这样才可以保证所谓的气体密封性。刀刃只要有一点小的磨损就会导致超出允许的配合公差。总起来说,阀座的加工费用是非常高的。
发明内容
本发明的任务在于,创造出一种没有这些缺点的,采用一开始提到的方法的刀具;本发明的任务也在于,创造出一种没有这些缺点的切削加工方法。
为了解决这个任务,本发明提供一种刀具:
具有至少一种定形刀刃的车刀的,可用于内燃机汽缸盖阀座的切削加工的刀具,车刀安置在呈角度α的两个支撑区域上,其角平分线基本上垂直于从阀座铲去切屑的有效刀刃。
进一步,支撑区域由支撑面形成;支撑区域由刀具的基体形成;支撑区域由插入部件形成;插入部件基本上由矩形元件形成;插入部件由圆柱形元件形成;插入部件由其硬度超过基体硬度的材料组成,最好由硬质合金和/或陶瓷和/或CBN组成;至少在支撑区域的范围内备有切削调整器;备有一个冷却/润滑剂供应;冷却/润滑剂供应是通过一个夹住车刀的夹紧爪来实现的;冷却/润滑剂供应是通过一个伸长的,最好基本上平行于有效刀刃的冷却剂排放口来实现的;车刀做成可转位刀片;车刀做成六角形;车刀用CBN材料制备;车刀含有CBN材料做的S层;车刀有一个切削面,它包括具有不同倾斜角的各个区域。
使用包括至少一个定形刀刃的车刀,特别是使用上述车刀,对内燃机汽缸盖中的阀座进行切削加工的方法,当刀刃磨损时,无须对刀具的车刀进行重新设定和/或调整。
进一步,刀具在加工阀座时沿着环状阀座的中轴方向移动;车刀做成可转位刀片。
它的特点是,车刀贴在两个呈α夹角的支撑区上,夹角的角平分线基本上垂直于从阀座铲去切屑的刀刃。  由于支撑区的这种安排,可以说达到了对车刀的倒V形导向,使得车刀非常稳定地安置在刀具的基体中。就是说,车刀被牢固地植入刀具,使得在阀座加工过程中车刀实际上没有任何振动。结果表明,在有振动的情况下,刀刃磨损比较严重,而反过来,在车刀植入牢固没有振动的情况下,从阀座铲去切屑的有效刀刃的磨损明显减少。
本发明提供切削加工方法。它的特点是,在刀刃磨损的情况下,可以不需要进行车刀的重新调整和/或调整。这样就导致工艺过程的大大简化,因此就是一个很经济的解决方案。
附图说明
图1是本发明刀具的一个侧视示意图;
图2是图1所示刀具所用的车刀的放大平面示意图;
图3是去掉夹紧爪的车刀平面示意图;
图4是去掉车刀的刀具的一个分区平面示意图;
图5是沿着图3中给出的V-V线的刀具横截面示意图;
图6是带有冷却/润滑剂供应的刀具的细节示意图;
图7是图5所示刀具的一个变形的截面示意图;
图8是带有一个阀门的阀座原理示意图。
具体实施方式
图1显示了一种阀座加工刀具,就是说,一种用来加工内燃机汽缸盖中的阀座的刀具1。在刀具的左侧可以看到一个被环状的平面5所包围的固定杆3。固定杆3用来使刀具1与一个机床相连接,从而可以通过平面5来保证刀具1的精确对正。还有其他方法可以使刀具1与一个机床相连接。
在刀具1的对着固定杆3的一侧,可以看到一个有定形刀刃9的车刀7。用这个刀刃从阀座11上铲去切屑,该阀座11是阀座环13的一部分,该阀座环13插入内燃机汽缸盖(此处未画出)。
车刀7用一个夹紧爪15固定在刀具1的基体17上。夹紧爪15用一个夹紧螺丝19紧固住,使得夹紧棱21靠在也被称为车刀工作面的车刀7的正面23上。
在刀具1的对着固定杆3的一端25的地方备有一个分离点,在这个分离点可以安装一个加工阀门导向装置的刀具,特别是一个绞刀。
图2是一个展示车刀7安置在刀具1的基体17上情况的,放大了的区域示意图。
同样的部分注上了同样的参考标号,以便也能够参考图1的说明。从显示车刀7平面图的图2放大部分明显看出一个第一支撑区27和一个第二支撑区29,车刀7不仅贴在它们上面。更确切地说,它是通过夹紧爪15压在支撑区27和29上的。
为了增强夹紧爪15的夹紧棱21的保持力,在车刀7的正面23设置了其横截面呈V形的夹紧凹槽31,这样一来,车刀7的夹紧棱21不仅将车刀7压在了支撑区27和29上,而且也压在了支撑面(此处未画出)上。
支撑区27和29呈α角布置,就是说形态的设计使得其角平分线33基本上垂直于从阀座11上铲去切屑的有效刀刃9。
在这里显示的实施例中,车刀7做成可转位刀片形式。它可以环绕一个想象中的,垂直于车刀7正面23的轴而转动,使得在有效刀刃9磨损的情况下,还有一个车刀7的刀刃9可供加工阀座11之用。车刀7在这里做成六角形的。因此它有六个刀刃9,每个刀刃是通过磨圆了的棱角35从它的一个邻接刀刃9互相分开的。各个刀刃9是通过处于两个相邻棱角35之间的车刀7的外边缘区域形成的。
刀具1的车刀7必须非常精确地加以研磨,使它具有绝对平整的刀刃9。在这里画出的实施例中,车刀7可以扭转6次,也就是说有6把刀刃可加工阀座之用。相应地备有3个安置在车刀7正面23的,呈星形布置的夹紧凹槽11。刀刃上总是连接着一个导屑面37,该导屑面37受到一个放置在离开刀刃一定距离的导屑台39的限定,被刀刃9铲下的切屑就流向导屑面,并被折断。车刀7的设计基本上是已知的思路,这在展示中可以看出。其不同之处在于,在对工件切削加工时,用作刀刃的正好不是棱角35,而是棱角之间的区域。相应地,在图2中也显示出,包含在两个棱角35之间的区域的刀刃9对阀座11进行加工。在这种情况下,有效刀刃9的长度不会超过两个棱角35之间的车刀7的外边缘的长度。
如同也在图1和2中所表明的那样,图3展示了处于装配位置的车刀7,只不过去除了夹紧爪。同样的部分注上了同样的参考标号,以便在这个问题上也能够参考前面的说明。
从图3可以看出,车刀7是这样植入刀具1的基体17的:使得它至少有两侧贴住支撑区27和29。于是就很清楚,在接纳车刀7和夹紧爪15的凹壁43的底面41范围内备有切削调整器45,它是安置在车刀7的棱角35区域内的。这种布置方式可以确保对着车刀7正面23的背面正好放在底面41上。从图3的展示可以明显看出,在基体17中,备有一个穿透底面41的钻孔47,这个钻孔内有一个这里没有画出来的夹紧螺丝19插入其中,并用夹紧爪15紧固在基体17上。
为了解释清楚,将在图3中展示过其详图的刀具1去除车刀7后,以图4展示,使得接触面27、29以及底面41明确地显示出来。
从图4可以看出,底面41还有一个台阶42,因此,放置夹紧爪15的区域稍微高于车刀7的直接支撑区A。
图5展示一个沿着在图3中标出的V-V线的横截面。可以清楚地看出车刀7安装在底面41上,也就是在刀具1的基体17中的凹壁43的支撑区A内。同样清楚地看出,夹紧爪15的夹紧棱21(此处未画出)嵌入了设置于车刀7正面23的夹紧凹槽31中。
截面展示图也展示了车刀7贴在其上的第二支撑区29。车刀在一定程度上可以说是梯形的:梯形的底面由车刀7的正面23构成,它的上面是由对着正面23的车刀7的背面49构成。背面49放在底面41上。车刀7侧面由车刀7的切削表面构成。
图5中的上部展示了一个刀刃9和它对面的一个刀刃9′。在它们上面连接一个第一切削表面区域51,这个区域对于前面23构成一个小于90°的倾斜角。这个第一切削表面区域51过渡到一个第二切削表面区域53,后者严格地平行于支撑区域,在这里也就是平行于第二支撑区域29。
第一切削表面区域51的倾斜角可以大于第二切削表面区域53的倾斜角,以致第一切削表面区域51不贴在支撑区域29上,使得贴在支撑区域上的刀刃,在这里是刀刃9′,不致于损坏。
为了确保车刀7在支撑区域29上的定型安装,在底面41的附近备有一个所谓的切削调整器55,也就是处于凹壁43的侧面57和车刀7的侧面59之间的一道狭缝。切削调整可以这样来实现,就是把凹壁43的侧面57从车刀7向底面41的方向移动,或者把车刀7在切削调整器55的范围内稍微移出一点。
关键的是,支撑区域29内的车刀7的侧面59要贴在刀具1的基体17上。
在图5展示的实施例中,第二支撑区域29直接由刀具1的基体17构成。
图6展示一个刀具1的实施例变型,以及还有它的沿着图3所示V-V线的截面。同样的部分注上了同样的参考标号,以便也能够参考针对前面的图所作的说明。它和图5所示刀具1之间唯一不同之处在于,在基体17中引入插入部件61,后者形成支撑区域27和29,至少这里是准备形成。在这种情况下就可能,准备好大体上矩形结构的部件,或者在基体17中插入一个栓钉,这个栓钉总是在支撑区域的范围内备用,需要时用来支撑车刀7。
部件的材料最好比基体17的材料更硬。如果用硬质合金和/或陶瓷和/或CBN做部件61的材料是最为理想的了。
如图5和6中通过一条虚线勾画出的那样,车刀7配备一层由氮化硼立方体(CBN)组成的S层,它的厚度最好这样选择:使得这层不接触到支撑区域27和29。车刀7的基体最好由硬质合金组成。
图7再一次展示用一个夹紧爪15固定的车刀7,不过它是采用夹紧棱21变型方案的。
这里所说的方法的刀具一般是配备冷却/润滑剂供应的,冷却/润滑剂从供应源加载到直接从阀座11铲去切屑的有效刀刃9,也就是刀刃中去,从而避免刀刃过热,特别是保证刀刃上温度尽可能地均匀分布。
在图7所示实施例中,夹紧爪15,更准确地讲是它的夹紧棱角21有一个冷却剂排出口63,冷却剂从这个出口流出到有效刀刃9。冷却剂排出口63在这里已经伸长了,特别是矩形,并且最好平行于有效刀刃9。冷却剂排出口63长度的选择应该使得有效刀刃9在它的整个宽度上都能加载到冷却/润滑剂。
在图7中要更详细地描述加工阀座时出现的力。在这里用第一箭头标记切向力FS,用标有F1和F2的箭头来表示从支撑区域27和29获得的两个支撑力。
图8是展示一个带阀门65的阀座11的原理图。阀座是在一个阀座环1 3的范围内实现的。阀座在其内侧有三个环区,它们集中趋向一个想象的中轴67,这个中轴也代表一个阀门导向装置69的中轴。阀门导向装置可以包括一个圆柱形部件71,这个部件是由淬火的,耐磨损的材料组成,并且如同阀座环一样,它是安装在内燃发动机的汽缸盖中的。阀门在阀座的范围内关闭包括汽缸盖73的内燃发动机的进气或排气口75。
通过在中轴67的左面和右面三条虚线,标示出阀座的三个环区。第一环区与中轴67以比如大约45°角度相交,这是通过第一根线L1标示出的。呈墙面形的第二环区处于第一环区的上方,这个墙面像圆锥一样从下向上逐渐缩减,并与中轴67以大约75°角度相交,这是通过线L2标示出的。第三环区处于第一环区的下方,它像圆锥一样从下向上逐渐缩减,并与中轴67以大约15°角度相交。这个用此角度标记的第三环区是通过线L3标示出的。
在这里所说的阀座的情况下,主要的事情是要确保处于阀门65下方的燃烧室的密封性。因为它大大地影响内燃机的功耗和输出功率。
如图8表明的那样,阀座11最好由一个阀座环13构成,阀座环是由非常坚硬的,耐磨损的材料组成的,被压缩在汽缸盖73中。
在图8中展示其剖面的阀座环有三个环绕放置的,相对于中轴67呈不同角度的环形面。与中轴67相交成45°角度的第一环形面基本上决定气体的密封性,因此在这种情况下,在下面与阀座共同作用区域内的相应的阀门轮廓,也就是阀盘的轮廓,当然也是很重要的。
在表面光洁度和平整性方面对阀座11的密封面的质量要求,这里基本上也就是第一环形面的质量要求,是非常高的。此外,用线L1标示出来的与中轴67的夹角的容许偏差必须做得非常小。由此得出结论,车刀7的刀刃9必须非常精确地研磨,使得刀刃绝对平整。此外,车刀必须植入在一个非常精确和平稳的平座内,以便确保车刀,因此也是确保有效刀刃相对于阀座的精确对正。这一点在必须加工很硬材料,因此要用比如多晶氮化硼立方体作为刀刃材料的情况下有决定性意义。特别是在使用脆性材料情况下,绝对不允许出现一点振动,否则将有损刀刃的使用寿命。
在加工阀座,也就是在阀座钻孔时,刀具(图8中没有画出来)沿着中轴67移动,直至车刀触及阀座11和阀座环13。为了制备具有不同倾斜角的环区,使用了具有不同倾斜角的刀刃的刀具。当然在加工阀座时,阀门65的构造要使得刀具能够伸入到阀座环13的内部。
如前所述,可以在图1所示的刀具的端部25插入一把绞刀,绞刀是用来加工阀门导向装置69的内表面和引导刀具的。当刀具为了对阀门导向装置69进行加工而沿着中轴67移动时,车刀7终触及阀座11,就对环形面中的一个进行加工。当阀座和阀门导向装置被刀具加工时,阀座的中轴和阀门导向装置的中轴之间的对准精度很容易做得高,这对于阀门的良好密封性大有裨益。
刀具的功能记录于下:
刀具1在加工阀座11(一般是一个阀座环13的部分)的过程中作旋转运动,并被导入阀座的开口处,也就是沿着环形阀座的中轴方向作轴向移动,直至车刀7把切屑从阀座11铲去。这个加工过程也称为阀座钻孔。这个要被加工的阀座,或者说得更确切一点,阀座环,是由很硬的烧结材料组成的,因此必须使用相应的硬车刀7,最好是包括由氮化硼(CBN)立方体组成的S层的那种车刀。这种材料的性质是对于振动非常敏感。加工阀座11时只要出现振动,就会导致很大损耗,从而使得加工过程中断,因为这时需要调换车刀,或者,如在这里所说的刀具那样,至少也必须旋转一下,才能使设计成可转位刀片的车刀的新刀刃重新触及需加工的物件。
在这里所说的刀具1的情况下,车刀7能够很稳妥地固定在刀具1的基体17中,因为车刀是支撑在互相交成α角度的两个支撑区域27和29上的,更确切地说,由于设计的原因,角平分线33实际上是垂直于要被加工的阀座11,或者说得更确切一点,有效刀刃9的。
车刀7一方面被夹紧爪15,另一方面被图7所示的切向力FS紧压到支撑区域27和29。互相交成α角度的两个支撑区域27和29提供支撑力F1和F2,使得几乎可以达到车刀7的倒V形导向。
车刀7对于支撑区域27和29的压力,特别在支撑区域中备有由硬度超过刀具1的基体17的材料组成的插入部件61的情况下,可以达到很高值。最好是,部件61由硬质合金和/或陶瓷和/或CBN组成,以便达到非常高的压力,而不致于产生支撑区域27和29的任何变形而导致车刀7的对准错误。通过倒V形导向,车刀以预定的角度非常精确地绷紧固定在刀具1的基体17中。
很明显,在这里所说的刀具1的情况下,也就是说,由于设计成可转位刀片的车刀7和由于借助于支撑区域27和29对车刀7的精确定位,不再需要会削弱刀具1的任何重新设定装置或调整装置。由此获得的空间可以放置较大的夹紧爪15和夹紧螺丝,从而可以提高夹紧力。
因为有效刀刃9磨损后,只需要旋转一下车刀7,所以,在磨损后省去车刀7的再调整根本不成问题。特别如图7表明的那样,车刀的棱镜导向是这样设计的,使得车刀通过切向力FS稳定在刀具1的基体17中,也就是说压在支撑区域27和29上。
如果支撑区域27和29装有插入部件61,插入部件基本上可以做成矩形的,这在图6中很清楚可以看出。也总是可以把一个栓钉植入刀具1的基体17中,让车刀7靠在它的上面。可是还要推出一个平面形的生成物,为的是能够轻易地获得一个较高的压力。
从图5和6清楚地看出,车刀7的一层由CBN组成,并且最好做这样选择,使得这个层仅仅伸到第一切削面区域51。由此可以避免非常脆性的材料承受侧向力,而这可能导致损坏。因为车刀7的基体最好由硬质合金组成,可以在支撑区域27和29生成非常强的支撑力,而不致于使得车刀7发生某种有害的变形。
从各个图例的说明中明显看出,在关键区域备有切削调整器,以免出现点状或线状负载。所以,切削调整器45一方面配备在车刀7的棱角35的区域,另一方面配备在车刀7的侧面59与其背面49之间的过渡区域。如上所述,最终所谓的切削调整器55是可以用不同的方式实现的,就是说,通过车刀7侧面59或者放置车刀7的凹壁43侧面57的回弹来实现的。
最后还表明,特别是在带有用CBN材料组成的S层的车刀情况下,一个目标明确的冷却/润滑剂供应是很有利的。切削材料CBN对于温度突变是敏感的,对于刀刃9的不同温度分布也是敏感的。由于有通过夹紧爪15过来的冷却/润滑剂供应,对于从阀座11铲去切屑的有效刀刃9的冷却是非常有效的,特别是在夹紧爪15中备有一个冷却剂排放口63时情况尤其如此,排放口要延长,并且要这样设计:使得在加工阀座11范围内的有效刀刃9都有冷却剂加载。这就有可能使得冷却剂流束适配于刀刃的宽度,并且由于冷却剂排放口63平行于有效刀刃9的布置,确保了刀刃的均匀冷却。
从刀具的描述可以知道,在用一个至少有一个定形刀刃的车刀刀具来加工内燃发动机汽缸盖的阀座的方法中,由于可以在有效刀刃磨损时无须调整刀具而工艺变得简单了。结果已经表明,车刀通过支撑区域能非常精确地对准,使得在调换车刀时能达到所需的阀座加工量,并且,方法的简化是由于下面的事实得以实现的,即使用了配有多把刀刃的车刀,这个车刀在一个刀刃磨损时,只要掉过头来,就是说转动一下,就可以有一把新的刀刃可供加工阀座之用。

Claims (20)

1、一种阀座切削加工刀具,具有至少一种定形刀刃的车刀,其特征在于:车刀(7)安置在相交呈角度α的两个支撑区域(27,29)上,其角平分线(33)基本上垂直于从阀座(11)铲去切屑的有效刀刃(9)。
2、根据权利要求1所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:该支撑区域(27,29)由支撑面形成。
3、根据权利要求1所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:支撑区域由刀具(1)的基体(17)形成。
4、根据权利要求2所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:支撑区域由刀具(1)的基体(17)形成。
5、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:支撑区域(27,29)由插入部件(61)形成。
6、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:插入部件(61)基本上由矩形元件形成。
7、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:插入部件(61)由圆柱形元件形成。
8、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:插入部件(61)由硬度超过基体(17)硬度的材料组成,最好由硬质合金和/或陶瓷和/或CBN组成。
9、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:至少在支撑区域(27,29)的范围内备有切削调整器(55)。
10、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:备有一个冷却/润滑剂供应。
11、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:冷却/润滑剂供应是通过一个夹住车刀(7)的夹紧爪(15)来实现的。
12、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:冷却/润滑剂供应是通过一个伸长的,最好基本上平行于有效刀刃(9)的冷却剂排放口(63)来实现的。
13、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:车刀(7)做成可转位刀片。
14、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:车刀(7)做成六角形。
15、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:车刀(7)用CBN材料制备。
16、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:车刀(7)含有CBN材料做的S层。
17、根据上述权利要求中任一所述的阀座切削加工刀具,其特征在于:车刀(7)有一个切削面,它包括具有不同倾斜角的各个区域。
18、使用包括至少一个定形刀刃的车刀,特别是使用权利1到17所述的车刀,对阀座进行切削加工的方法,其特征在于:当刀刃磨损时,无须对刀具的车刀进行重新设定和/或调整。
19、根据权利要求18所述的阀座切削加工的方法,其特征在于:刀具在加工阀座时沿着环状阀座的中轴方向移动。
20、根据权利要求18或19所述的阀座切削加工的方法,其特征在于:车刀做成可转位刀片。
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