DE102014210636A1

DE102014210636A1 - Schneidwerkzeug mit zylindrischem oberflächenprofil und verfahren

Info

Publication number: DE102014210636A1
Application number: DE102014210636.2A
Authority: DE
Inventors: Rodney G. Whitbeck; David Alan Stephenson; Keith Raymond Bartle; David Garrett Coffman
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: US20170045013A1; US9511467B2; SE539610C2; CN104227109B; US10221806B2; SE1450695A1; DE102014210636B4; CN104227109A; US20140360355A1

Abstract

Schneidwerkzeug. Das Schneidwerkzeug weist einen Zylinderkörper und eine oder mehrere axiale Reihen von Schneidelementen auf, die von dem Umfang des Zylinderkörpers nach außen hervorstehen und zu diesem radial liegen. Jedes Schneidelement jeder Reihe weist ein oder mehrere Taschenschneidelemente und ein oder mehrere Nutschneidelemente auf. Jedes Taschenschneidelement weist eine Schneidoberfläche auf. Jedes Nutschneidelement weist eine Schneidoberfläche mit Nutschneidzähnen auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug mit zylindrischer Oberfläche und ein Verfahren.
Automobilmotorblöcke weisen eine Anzahl von Motorzylinderbohrungen auf. Die innere Oberfläche jeder Motorbohrung wird derart maschinell bearbeitet, dass die Oberfläche zur Verwendung in Automobilanwendungen geeignet ist, z. B. eine geeignete Verschleißbeständigkeit und Festigkeit aufweist. Das maschinelle Bearbeitungsverfahren kann das Aufrauen der inneren Oberfläche und das anschließende Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die aufgeraute Oberfläche und das anschließende Honen der Metallbeschichtung zum Erhalt einer endbearbeiteten inneren Oberfläche beinhalten. Verschiedene Oberflächenaufrauungstechniken sind im Stand der Technik bekannt, aber sie haben alle ein oder mehrere Nachteile oder Kehrseiten.
Offenbart wird ein Schneidwerkzeug. Das Schneidwerkzeug weist einen Zylinderkörper und eine oder mehrere axiale Reihen von Schneidelementen auf, die von dem Umfang des Zylinderkörpers nach außen hervorstehen und zu diesem radial liegen. Jedes Schneidelement jeder Reihe weist ein oder mehrere Taschenschneidelemente und ein oder mehrere Nutschneidelemente auf. Jedes Taschenschneidelement weist eine Schneidoberfläche auf. Jedes Nutschneidelement weist eine Schneidoberfläche mit Nutschneidzähnen auf.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Höhe der Nutschneidzähne um einen Nichtnullversatz h größer als die Höhe der Taschenschneidzähne. Die axialen Schneidelemente können im Wesentlichen radial gleich voneinander beabstandet sein. Die eine oder mehreren axialen Reihen von Schneidelementen können zwei oder mehrere axiale Reihen von Schneidelementen aufweisen. Die Breite jeder der zwei oder mehreren axialen Reihen von Schneidelementen kann benachbarte axiale Reihen von Schneidelementen überlappen. In einer oder mehreren Ausführungsformen weisen die zwei oder mehreren axialen Reihen von Schneidelementen eine erste und eine zweite axiale Reihe von Schneidelementen auf, wobei jede die gleiche Abfolge von Nut- und Taschenschneidelementen aufweist, die um ein Schneidelement axial versetzt sind.
In einer oder mehreren Ausführungsformen können die axialen Reihen von Schneidelementen drei oder mehrere Schneidelemente aufweisen. Die drei oder mehreren Schneidelemente können ein Taschenschneidelement und zwei Nutschneidelemente aufweisen. Die zwei Nutschneidelemente können benachbart zueinander liegen. Die Nutschneidoberflächen können flache Vertiefungsabschnitte zwischen den Taschenschneidzähnen aufweisen. Die oberen Oberflächen der Nutschneidzähne können um einen Nichtnullwert h von der oberen Oberfläche des Taschenschneidelements radial versetzt sein. Die Nutschneidzähne können ein Paar Seitenwände aufweisen, die im Wesentlichen parallel zueinander sind, und eine obere Oberfläche, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Paar Seitenwänden ist. Die Schneidelemente können aus einem Material mit einer Steifigkeit gebildet sein, die größer als die einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung ist. Die Taschen- und Nutschneidoberflächen können zu der Oberfläche des Zylinderkörpers tangential sein. Der Durchmesser der inneren Oberfläche einer Zylinderbohrung, die mit dem Schneidwerkzeug geschnitten wird, kann erheblich größer als der Schneidwerkzeugdurchmesser sein.
Offenbart wird ein Schneidelement eines Schneidwerkzeugs. Das Schneidelement weist einen Körper mit einer Schneidoberfläche und einer verjüngten Oberfläche auf, die sich von der Schneidkante erstreckt. Die Schneidkante weist eine Reihe rechteckiger Schneidzähne auf. Der Körper ist aus einem Material mit einer Steifigkeit gebildet, die größer als die einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung ist. Die Reihe rechteckiger Schneidzähne schneidet Nuten in die Aluminium- oder Magnesiumlegierung.
Eine Zylinderbohrung ist ebenfalls offenbart. Die Zylinderbohrung weist eine innere Oberfläche, die einen axialen Hubbereich und einen axialen Nichthubbereich aufweist, und mehrere Nuten auf, die in dem axialen Nichthubbereich ausgebildet sind. Der Nenndurchmesser des axialen Hubbereichs kann größer als derjenige des axialen Nichthubbereichs sein. Der axiale Nichthubbereich kann zwei diskontinuierliche axiale Breiten der Zylinderbohrung aufweisen und der axiale Hubbereich kann sich dazwischen erstrecken. Das Seitenverhältnis der Tiefe der Ringnuten zu der Breite der Ringnuten kann 0,5 oder weniger betragen.
Es zeigen: 1A eine Draufsicht einer Verbindungs- oder Deckfläche eines beispielhaften Motorblocks eines Verbrennungsmotors;
1B eine isolierte Querschnittsansicht einer Zylinderbohrung entlang der Linie 1B-1B aus 1A;
2A einen Vorbohrungsschritt, in dem eine unbearbeitete innere Zylinderbohrungsoberfläche auf einen bestimmten Durchmesser gebohrt wird;
2B einen Interpolationsschritt, in dem unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs ein Hubbereich bearbeitet wird, um eine versenkte innere Oberfläche mit einer Tasche und Oberflächenringnuten zu erzeugen;
2C einen Verformungsschritt, in dem flache Spitzen zwischen benachbarten Nuten verformt werden, um verformte Spitzen zu erhalten;
2D einen Interpolationsschritt, in dem unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs ein oder mehrere Nichthubbereiche bearbeitet werden, um Ringnuten zu bilden;
2E eine vergrößerte schematische Ansicht von Ringnuten, die in den Nichthubbereichen einer Motorbohrung ausgebildet sind;
3A eine perspektivische Ansicht eines Schneidwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform;
3B eine Draufsicht eines Schneidwerkzeugs, die eine obere axiale Reihe von Schneidelementen darstellt;
3C, 3D und 3E schematische Querschnittsansichten erster und zweiter Nutschneidelemente und Taschenscheidelemente entlang der Linien 3C-3C, 3D-3D bzw. 3E-3E aus 3A;
3F einen Zylinderschaft zum Befestigen eines Schneidwerkzeugs in einem Werkzeughalter gemäß einer Ausführungsform;
4A eine schematische Draufsicht einer Zylinderbohrung gemäß einer Ausführungsform;
4B eine schematische Seitenansicht einer Zylinderbohrung aus 4B gemäß einer Ausführungsform;
5 eine auseinandergezogene fragmentierte Ansicht der inneren Oberfläche der Zylinderbohrung vor, während und nach einem Interpolationsschritt;
6A, 6B und 6C ein Schlagwerkzeug gemäß einer Ausführungsform; und
7 eine vergrößerte Querschnittsansicht der inneren Oberfläche einer Zylinderbohrung.
Nun wird ausführlich auf Ausführungsformen Bezug genommen, die den Erfindern bekannt sind. Man wird jedoch verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind spezifische hierin offenbarte Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Materialmengen angeben, als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen, um den weitesten Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
Automobilmotorblöcke weisen eine Anzahl von Motorzylinderbohrungen auf. Die innere Oberfläche jeder Motorbohrung wird derart maschinell bearbeitet, dass die Oberfläche zur Verwendung in Automobilanwendungen geeignet ist, z. B. eine geeignete Verschleißbeständigkeit und Festigkeit aufweist. Das maschinelle Bearbeitungsverfahren kann das Aufrauen der inneren Oberfläche und das anschließende Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die aufgeraute Oberfläche und das anschließende Honen der Metallbeschichtung zum Erhalt einer endbearbeiteten inneren Oberfläche mit der erforderlichen Festigkeit und Verschleißbeständigkeit beinhalten. Als Alternative kann ein Auskleidungsmaterial mit erforderlichen Festigkeits- und Verschleißbeständigkeitseigenschaften auf die nicht endbearbeitete innere Oberfläche der Motorbohrung aufgebracht werden.
Hierin offenbarte Ausführungsformen stellen Schneidwerkzeuge und Verfahren zum Aufrauen der inneren Oberfläche von Zylinderbohrungen, z. B. Motorbohrungen bereit, um die Adhäsion und Haftung einer anschließend aufgebrachten Metallbeschichtung, z. B. thermischer Spritzbeschichtungen auf die innere Oberfläche zu verbessern. Dementsprechend kann die endbearbeitete innere Oberfläche eine verbesserte Festigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweisen.
1A zeigt eine Draufsicht einer Verbindungsfläche eines beispielhaften Motorblocks 100 eines Verbrennungsmotors. Der Motorblock weist Zylinderbohrungen 102 auf. 1B stellt eine isolierte Querschnittsansicht einer Zylinderbohrung 102 entlang der Linie 1B-1B aus 1A dar. Die Zylinderbohrung 102 weist einen inneren Oberflächenabschnitt 104 auf, der aus einem Metallmaterial wie, jedoch ohne Einschränkung, Aluminium, Magnesium oder Eisen oder eine Legierung davon oder Stahl gebildet sein kann. In bestimmten Anwendungen kann aufgrund ihres im Vergleich zu Stahl oder Eisen relativ leichten Gewichts eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet werden. Die relativ leichten Aluminium- oder Magnesiumlegierungsmaterialien können eine Reduzierung der Motorgröße und des Motorgewichts ermöglichen, sodass die Motorleistung und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden können.
2A, 2B, 2C, 2D und 2E stellen Querschnittsansichten einer inneren Oberfläche einer Zylinderbohrung dar, die sich auf Schritte eines Verfahrens zum Aufbringen eines Profils auf die innere Oberfläche der Zylinderbohrung beziehen. 2A stellt einen Vorbohrungsschritt dar, in dem eine unbearbeitete innere Oberfläche 200 einer Zylinderbohrung auf einen Durchmesser gebohrt wird, der geringer als der Durchmesser des endbearbeiteten, z. B. gehonten Durchmessers der inneren Oberfläche ist. In einigen Variationen beträgt die Differenz im Hinblick auf den Durchmesser 150 bis 250 Mikrometer (µm). In anderen Variationen beträgt die Differenz im Hinblick auf den Durchmesser 175 bis 225 Mikrometer. In einer Variation beträgt die Differenz im Hinblick auf den Durchmesser 200 Mikrometer.
2B stellt einen Interpolationsschritt dar, in dem ein Hubbereich 202 in die vorgebohrte innere Oberfläche 200 unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs bearbeitet wird. Eine auf Interpolation basierende Aufrauung kann mit einem Schneidwerkzeug erzielt werden, das für Zylinderbohrung mit variierendem Durchmesser geeignet ist. Das Schneidwerkzeug kann zum Aufrauen nur eines ausgewählten Teils der Bohrung wie des Ringhubbereichs der Bohrung verwendet werden. Das Aufrauen nur des Ringhubbereichs der Bohrung kann die Beschichtungszykluszeit, den Materialverbrauch, die Honzeit und die Überspritzung des Kurbelgehäuses verringern.
Die Länge des Hubbereichs entspricht der Entfernung, die ein Kolben in der Motorbohrung zurücklegt. In einigen Variationen beträgt die Länge des Hubbereichs 202 90 bis 150 Millimeter. In einer Variation beträgt die Länge des Hubbereichs 202 117 Millimeter. Die Hubbereichsoberfläche ist derart hergestellt, dass sie durch Kolbenhub verursachtem Verschleiß standhält. Das Schneidwerkzeug bildet Ringnuten 204 (wie in dem vergrößerten Bereich 208 aus 2B dargestellt) und eine Tasche 206 in dem Hubbereich 202. Man wird verstehen, dass die Anzahl der in dem vergrößerten Bereich 208 dargestellten Nuten rein beispielhaft ist. Die Abmessung 210 stellt die Tiefe der Tasche 206 dar. Die Abmessung 212 stellt die Tiefe der Ringnuten 204 dar. In einigen Variationen beträgt die Nuttiefe 100 bis 140 Mikrometer. In einer anderen Variation beträgt die Nuttiefe 120 Mikrometer. In einigen Variationen beträgt die Taschentiefe 200 bis 300 Mikrometer. In einer anderen Variation beträgt die Taschentiefe 250 Mikrometer.
Die vorgebohrte innere Oberfläche 200 weist auch Nichthubabschnitte 214 und 216 auf. Diese Bereiche liegen außerhalb der axialen Hubstrecke des Kolbens. Die Abmessungen 218 und 220 zeigen die Länge von Nichthubabschnitten 214 und 216. In einigen Variationen beträgt die Länge des Nichthubbereichs 214 2 bis 7 Millimeter. In einer Variation beträgt die Länge des Nichthubbereichs 214 3,5 Millimeter. In einigen Variationen beträgt die Länge des Nichthubbereichs 216 5 bis 25 Millimeter. In einer Variation beträgt die Länge des Nichthubbereichs 216 17 Millimeter. Das Schneidwerkzeug und der Interpolationsschritt werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
2C stellt einen Verformungsschritt dar, in dem flache Spitzen zwischen benachbarten Nuten 204 verformt werden, um verformte Spitzen 222 zu erhalten, wobei jede Spitze 222 ein Paar Hinterschnitte 224 aufweist, wie in dem vergrößerten Bereich 226 aus 2C dargestellt. Man wird verstehen, dass die Anzahl der verformten Spitzen, die in dem vergrößerten Bereich 226 dargestellt sind, rein beispielhaft ist. Der Verformungsschritt kann mittels eines Schlagwerkzeugs ausgeführt werden. Das Schlagwerkzeug und der Verformungsschritt werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
2D stellt einen Interpolationsschritt dar, in dem ein oder mehrere Nichthubbereiche 214 und 216 mit einem Schneidwerkzeug bearbeitet werden, um Ringnuten 228 zu bilden, wie in dem vergrößerten Bereich 230 aus 2E dargestellt. Flache Spitzen 232 erstrecken sich zwischen den Ringnuten 228. Man wird verstehen, dass die Anzahl der in dem vergrößerten Bereich 230 dargestellten Nuten rein beispielhaft ist. In einer Ausführungsform bilden die Nuten eine quadratische Wellenform einer gleichförmigen Abmessung. In einigen Variationen beträgt die Abmessung 25 bis 100 Mikrometer. In einer Variation beträgt die Abmessung 50 Mikrometer. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, kann das Schneidwerkzeug ein Profil von Nuten in einem oder mehreren Nichthubbereichen 214 und 216 bilden.
3A stellt eine perspektivische Ansicht eines Schneidwerkzeugs 300 gemäß einer Ausführungsform dar. Das Schneidwerkzeug 300 weist einen Zylinderkörper 302 und eine erste, zweite, dritte und vierte axiale Reihe 304, 306, 308, 310 von Schneidelementen auf. Der Zylinderkörper 302 kann aus Stahl oder gesintertem Wolframcarbid gebildet sein. Die Schneidelemente können aus einem Schneidwerkzeugmaterial gebildet sein, das zur maschinellen Bearbeitung von Aluminium- oder Magnesiumlegierungen geeignet ist. Die Überlegungen zur Auswahl solcher Materialien schließen ohne Einschränkung die chemische Kompatibilität und/oder Härte ein. Zu nicht einschränkenden Beispielen solcher Materialien gehören ohne Einschränkung Schnellarbeitsstahl, gesintertes Wolframcarbid oder polykristalliner Diamant. Jede axiale Reihe 304, 306, 308 und 310 weist 6 Schneidelemente auf. Wie in 3A dargestellt, sind die 6 Schneidelemente von benachbarten Schneidelementen radial gleichmäßig beabstandet. Mit anderen Worten sind die sechs Schneidelemente bei 0, 60, 120, 180, 240 und 300 Grad um den Umfang des Zylinderkörpers 302 angeordnet. Wenngleich 6 Schneidelemente in 3A dargestellt sind, kann gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eine beliebige Anzahl von Schneidelementen verwendet werden. In bestimmten Variationen werden 2 bis 24 Schneidelemente benutzt.
3B stellt eine Draufsicht eines Schneidwerkzeugs 300 dar, welche die erste axiale Reihe 304 von Schneidelementen darstellt. Wie in 3B dargestellt, weist das Schneidelement von 0 Grad eine Schneidoberfläche 312 und eine Reliefoberfläche 314 auf. Die Schneidelemente mit anderen Gradzahlen weisen ähnliche Schneid- und Reliefoberflächen auf. In der dargestellten Ausführungsform ist jedes der Schneidelemente einer von drei Schneidelementtypen, d. h. ein erster Typ Nutschneidelement (G1), ein zweiter Typ Nutschneidelement (G2) und ein Taschenschneidelement (P). In der in 3B dargestellten Ausführungsform sind die Schneidelemente mit 60 und 240 Grad der erste Typ Nutscheidelement; die Schneidelemente mit 120 und 300 Grad sind vom zweiten Typ Nutschneidelement und die Schneidelemente mit 0 und 180 Grad sind das Taschenschneidelement. Dementsprechend lautet die Abfolge von Schneidelementen von 0 bis 300 Grad G1, G2, P, G1, G2 und P, wie in 3B dargestellt. Allerdings wird man verstehen, dass eine beliebige Abfolge von Schneidelementen in den Schutzbereich einer oder mehrerer Ausführungsformen fällt. In einigen Variationen lautet die Abfolge G1, P, G2, G1, P und G2 oder P, G1, G1, P, G2 und G2. In der dargestellten Ausführungsform sind aufgrund der Breite und Anzahl der Vertiefungen zwischen Spitzen, welche die Anzahl und Breiten überschreiten, die mit einem Element geschnitten werden können, zwei Nutschneidelemente notwendig. Für andere Nutgeometrien können ein oder drei Nutschneidelemente verwendet werden. Die Schneidabfolge ist nicht ausschlaggebend, solange sich alle verwendeten Elemente in der axialen Reihe befinden.
In einigen Variationen ist mindestens einer von G1 und G2 und mindestens einer von P vorhanden. Wie in 3A dargestellt, sind die Schneidelemente in jeder Reihe versetzt oder entlang des Umfangs voneinander zwischen jeder Reihe gestaffelt, z. B. ist jedes Schneidelement der Schneidelemente mit 0, 60, 120, 180, 240 und 300 Grad um 60 Grad in benachbarten Reihen gestaffelt. Die Staffelung verbessert die Lebenszeit des Schneidwerkzeugs durch Glätten des Anfangsschnitts des inneren Oberflächenprofils. Wenn die Schneidelemente zwischen benachbarten Reihen ausgerichtet sind, wäre mehr Kraft notwendig, um den Schneidvorgang zu initiieren, wobei dies mehr Verschleiß an den Schneidelementen oder die Abdrängung und Vibration des Werkzeugs verursachen kann.
3C, 3D und 3E stellen schematische Querschnittsansichten von Schneidelementen G1, G2 und P entlang der Linien 3C-3C, 3D-3D bzw. 3E-3E aus 3B dar. In Bezug auf 3C ist ein Schneidelement G1 318 mit einer Schneidoberfläche 320, Reliefoberfläche 322 und Fixieroberfläche 324 dargestellt. Die Schneidoberfläche 320 weist schematisch eine Anzahl von Zähnen 326 auf. Man wird verstehen, dass die dargestellte Anzahl der Zähne rein beispielhaft ist. In bestimmten Variationen beträgt die Anzahl der Zähne 1 bis 2 Zähne pro Millimeter Axiallänge. In einer Variation beträgt die Anzahl der Zähne 1,25 Zähne pro Millimeter Axiallänge. Jeder Zahn ist rechteckig, wenngleich in einer oder mehreren Ausführungsformen andere Formen, z. B. quadratische Formen in Betracht gezogen werden. Jeder Zahn weist eine obere Oberfläche 328 und Seitenoberflächen 330 auf. Wie in 3C dargestellt, beträgt die Länge der oberen Oberfläche 328 250 Mikrometer und die Länge der Seitenoberflächen 330 beträgt 300 Mikrometer. In anderen Variationen beträgt die Länge der oberen Oberfläche 200 bis 400 Mikrometer und die Länge der Seitenoberflächen beträgt 200 bis 500 Mikrometer. Flache Vertiefungen 358 erstrecken sich zwischen benachbarten Zähnen 326. Wie in 3C dargestellt, beträgt die Breite der Vertiefung 358 550 Mikrometer. In anderen Variationen beträgt die Breite der Vertiefung 450 bis 1.000 Mikrometer. Das Schneidelement 318 weist auch eine abgefaste Kante 334 auf. In der dargestellten Ausführungsform liegt die abgefaste Kante 334 bei einem Winkel von 15 Grad. Diese abgefaste Kante stellt Spannungsabbau und eine einfache Befestigung der Schneidelemente bereit. In der dargestellten Ausführungsform sind die Schneidelemente austauschbare angelötete polykristalline Diamantelemente. In anderen Ausführungsformen können austauschbare Wolframcarbidelemente verwendet werden, die in einstellbaren Kassetten befestigt sind.
In Bezug auf 3D ist ein Schneidelement G2 336 mit einer Schneidoberfläche 338, einer Reliefoberfläche 340 und einer Fixieroberfläche 342 dargestellt. Die Schneidoberfläche 338 weist schematisch eine Anzahl von Zähnen 344 auf. Man wird verstehen, dass die dargestellte Anzahl der Zähne rein beispielhaft ist. In bestimmten Variationen beträgt die Anzahl der Zähne 1 bis 2 Zähne pro Millimeter Axiallänge. In einer Variation beträgt die Anzahl der Zähne 1,25 Zähne pro Millimeter Axiallänge. Jeder Zahn ist rechteckig, wenngleich in einer oder mehreren Ausführungsformen andere Formen, z. B. quadratische Formen in Betracht gezogen werden. Jeder Zahn weist eine obere Oberfläche 346 und Seitenoberflächen 348 auf. Wie in 3D dargestellt, beträgt die Länge der oberen Oberfläche 346 250 Mikrometer und die Länge der Seitenoberflächen 348 beträgt 300 Mikrometer. In anderen Variationen beträgt die Länge der oberen Oberfläche 200 bis 400 Mikrometer und die Länge der Seitenoberflächen beträgt 200 bis 500 Mikrometer. Der Zahn 350, der am nächsten zu der Reliefoberfläche 340 liegt, weist eine äußerste Seitenwand auf, die von der Reliefoberfläche 340 versetzt ist. Wie in 3D dargestellt, beträgt der Versatz 400 Mikrometer. In anderen Variationen kann der Versatz 0 bis 500 Mikrometer betragen. Flache Vertiefungen 358 erstrecken sich zwischen benachbarten Zähnen 344. Wie in 3D dargestellt, beträgt die Breite der Vertiefung 360 550 Mikrometer. In anderen Variationen beträgt die Breite der Vertiefung 400 bis 1.000 Mikrometer. Das Schneidelement 336 weist auch eine abgefaste Kante 352 auf. In der dargestellten Ausführungsform liegt die abgefaste Kante 352 bei einem Winkel von 15 Grad. Diese abgefaste Kante stellt Spannungsabbau und eine einfache Befestigung der Schneidelemente bereit. In der dargestellten Ausführungsform sind die Schneidelemente austauschbare angelötete polykristalline Diamantelemente. In anderen Ausführungsformen können austauschbare Wolframcarbidelemente verwendet werden, die in einstellbaren Kassetten befestigt sind.
In der dargestellten Ausführungsform weist die Anordnung von Zähnen an den Schneidelementen G1 und G2 unterschiedliche Abmessungen auf. In Bezug auf G1 in 3C weist der Zahn 332, der sich am nächsten zur Vorderkante 322 befindet, eine äußerste Seitenwand auf, die mit der Reliefoberfläche 322 bündig liegt. In Bezug auf G2 in 3D weist der Zahn 350, der sich am nächsten zur Vorderkante 340 befindet, eine äußerste Seitenwand auf, die von der Reliefoberfläche 340 versetzt ist. Wie in 3D dargestellt, beträgt der Versatz 400 Mikrometer. In anderen Variationen kann der Versatz 0 bis 500 Mikrometer betragen. Dementsprechend ist zwischen dem Reliefkantenzahn von G1 und dem Reliefkantenzahn von G2 ein Versatz von 400 Mikrometern vorhanden. Die zur Reliefoberfläche zeigende Seite des sechsten Zahns 354 des Schneidelements G1 318 und die zur Reliefoberfläche zeigende Seite des fünften Werkzeugs 356 des Schneidelements G2 336 sind voneinander um 550 Mikrometer versetzt. Diese unterschiedlichen Abmessungen werden derart verwendet, dass in jeder Reihe von Schneidelementen die Schneidelemente G1 und G2 axial voneinander versetzt sein können. Zum Beispiel kann der axiale Versatz 550 Mikrometer betragen. In dieser Ausführungsform können die Kanten zwei separate Nutreihen, nämlich eine mit jedem versetztem Element, mit einer akzeptablen Spannung auf die Zähne schneiden.
In Bezug auf 3E ist ein Schneidelement P 362 mit einer Schneidoberfläche 364, Reliefoberfläche 366 und einer Fixieroberfläche 368 dargestellt. Die Schneidoberfläche 364 ist flach oder im Allgemeinen flach und weist keine Zähne auf, im Gegensatz zu den Schneidoberflächen der Schneidelemente G1 und G2, die durchsichtig dargestellt sind. Die in 3E in durchsichtiger Linie dargestellten Zähne geben die Zahngeometrie der Schneidelemente G1 und/oder G2 an und zeigt an, wie die Schneidoberfläche 364 von den oberen Zahnoberflächen 328 und 346 weg radial versetzt ist. Das Schneidelement P 362 entfernt einen Abschnitt der Spitzen zwischen den Nuten und schafft die Tasche. Die Menge des radialen Versatzes steuert die Tiefe der Nuten, die in die Unterseite der Tasche geschnitten werden, die in 2B dargestellt ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Abmessung von 120 Mikrometern in 3E die Tiefe der Nuten, die geschnitten werden, wenn die Elemente G1, G2 und P kombiniert benutzt werden. Die Abmessung von 50,06 Millimetern ist der Durchmesser des Schneidwerkzeugs, der zu den oberen Oberflächen (minimaler Durchmesser) der Zähne gemessen wird, die gebildet werden.
3F stellt einen Zylinderschaft 380 zur Befestigung des Schneidwerkzeugs 300 in einem Werkzeughalter zur Befestigung in einer Maschinenspindel dar. In anderen Ausführungsformen kann der Schaft durch eine direkte Spindelverbindung wie eine CAT-V- oder HSK-Konusverbindung ersetzt werden.
Nach Beschreibung der Struktur des Schneidwerkzeugs 300 gemäß einer Ausführungsform wird im Folgenden die Verwendung des Schneidwerkzeugs 300 zur maschinellen Bearbeitung eines Profils in eine innere Oberfläche einer Zylinderbohrung beschrieben. 4A ist eine schematische Draufsicht einer Zylinderbohrung 400 gemäß einer Ausführungsform. 4B ist eine schematische Seitenansicht einer Zylinderbohrung 400 gemäß einer Ausführungsform. Wie in 4A dargestellt, ist das Schneidwerkzeug 300 in einer Maschinenwerkzeugspindel mit einer Drehachse A_T befestigt, die zu der Zylinderbohrungsachse A_Bparallel ist. Die Werkzeugachse A_T ist von der Bohrungsachse A_Bversetzt. Die Spindel kann entweder ein Kasten oder eine motorisierte Spindel sein. Das Werkzeug dreht sich in der Spindel um seine eigene Achse A_T bei einer Winkelgeschwindigkeit Ω₁ und präzediert um die Bohrungsachse A_B bei einer Winkelgeschwindigkeit Ω₂. Diese Präzession wird als Kreisinterpolation bezeichnet. Die Interpolationsbewegung ermöglicht die Bildung einer Tasche und ringförmiger, paralleler Nuten in der inneren Oberfläche einer Zylinderbohrung.
In einer Ausführungsform wird das Seitenverhältnis des Durchmessers des Schneidwerkzeugs D_T zu dem Innendurchmesser der Bohrung D_B in Betracht gezogen. In bestimmten Variationen ist der Innendurchmesser im Wesentlichen größer als der Schneidwerkzeugdurchmesser. In bestimmten Variationen beträgt der Schneidwerkzeugdurchmesser 40 bis 60 Millimeter. In bestimmten Variationen beträgt der Innendurchmesser der Zylinderbohrung 70 bis 150 Millimeter. Aufgrund der dimensionalen Differenz kann dieses Schneidwerkzeug mit einer erheblichen Variation des Bohrungsdurchmessers benutzt werden. Mit anderen Worten erfordert die Verwendung der Schneidwerkzeuge einer oder mehrerer Ausführungsformen keine separate Werkzeugbereitstellung für jeden Bohrungsdurchmesser.
Bezüglich des oben erwähnten Vorbohrungsschrittes aus 2A kann eine Bohrstange (nicht dargestellt) an einer Maschinenspindel befestigt werden, um einen Durchmesser zu bohren, der geringer als der Durchmesser des endgültigen Durchmessers der inneren Oberfläche ist. In bestimmten Variationen beträgt die Zuführrate, d. h. die Rate, bei welcher die Bohrstange radial nach außen in die innere Oberfläche geführt wird, der Spindel 0,1 bis 0,3 mm/Umdrehung. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Spindel teleskopisch. In anderen Ausführungsformen kann die Spindel fest und die Bohrung kann beweglich sein. In einer anderen Variation beträgt die Zuführrate 0,2 mm/Umdrehung. In bestimmten Variationen beträgt die Drehzahl der Bohrstange 1.000 bis 3.000 U/Min. In einer anderen Variation beträgt die Drehzahl der Bohrstange 2.000 U/Min.
Bezüglich des oben erwähnten Interpolationsschrittes aus 2B wird das Schneidwerkzeug 300 verwendet, um ein Profil in die innere Oberfläche der Zylinderbohrung 400 zu bearbeiten. In bestimmten Variationen beträgt die Interpolationszuführrate (radial nach außen) der Spindel während dieses Schrittes 0,1 bis 0,3 mm/Umdrehung. In einer anderen Variation beträgt die Zuführrate 0,2 mm/Umdrehung. In bestimmten Variationen beträgt die Drehzahl des Schneidwerkzeugs 300 3.000 bis 10.000 U/Min. In einer anderen Variation beträgt die Drehzahl des Schneidwerkzeugs 300 6.000 U/Min.
Wie oben beschrieben, weist das Schneidwerkzeug 300 den Zylinderkörper 302 auf, der vier Reihen Schneidelemente aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform beträgt die Axiallänge des Schnitts 35 mm. Wenn also die Länge des Hubbereichs 105 mm beträgt, werden drei axiale Schritte verwendet, um die Interpolation des Hubbereichs zu vervollständigen. Mit anderen Worten wird die axiale Position der Spindel bei einer oberen, mittleren und unteren Position eingestellt, bevor das Schneidwerkzeug bei jeder der Positionen gedreht wird. Wenngleich 4 Schneidelementreihen in einer Ausführungsform dargestellt sind, wird man verstehen, dass zusätzliche Reihen verwendet werden können. Zum Beispiel können 6 Reihen verwendet werden, um einen ähnlichen Hubbereich in 2 anstatt 3 axialen Schritten zu schneiden. Ferner können 12 Reihen verwendet werden, um einen ähnlichen Hubbereich in 1 axialen Schritt zu schneiden.
In Bezug auf 4B sind schematisch ein fragmentierter Abschnitt des Zylinderkörpers 302 des Schneidwerkzeugs 300 und Schneidelemente aus axialen Reihen 304, 306, 308 und 310 in überlappender Beziehung dargestellt. Wie oben beschrieben und in dieser 4B dargestellt, sind Überlappungen 406, 408 und 410 zwischen benachbarten Schneidelementreihen vorhanden. Diese Überlappungen tragen zur Bereitstellung eines gleichförmigen und einheitlichen Profilschnitts in Grenzbereichen bei.
5 stellt eine auseinandergezogene fragmentierte Ansicht der inneren Oberfläche 500 der Zylinderbohrung vor, während und nach dem Interpolationsschritt dar. Das Schneidwerkzeug 300 wird bei einer Rate von 0,2 mm pro Umdrehung radial nach außen in die Oberfläche der Zylinderbohrung geführt. Während das Schneidwerkzeug 300 in die innere Oberfläche geführt wird, dreht es sich bei einer Drehzahl von 6.000 U/Min. Die Taschenschneidelemente P schneiden Taschen 502 in die innere Oberfläche 500. Die Höhe der Tasche ist H und die Breite ist w_v. Der Wert H entspricht dem axialen Versatz zwischen den Vertiefungen 358 der Schneidelemente G1 318 und G2 336 und der Schneidoberfläche 364 des Schneidelements P 362. In einem nicht einschränkenden spezifischen Beispiel beträgt der Versatz 250 Mikrometer. Daher beträgt H 250 Mikrometer. Der Wert w_v entspricht der Länge der oberen Zahnoberflächen 328 und 356 der Schneidelemente G1 318 und G2 336. In dem oben dargelegten nicht einschränkenden, spezifischen Beispiel weisen die oberen Zahnoberflächen eine Länge von 250 Mikrometer auf. Dementsprechend beträgt w_v 250 Mikrometer.
Die Nutschneidelemente G1 und G2 entfernen Material 504, um Spitzen 506 zu erzeugen. Die Höhe dieser Spitzen ist h und die Breite ist w_p. In dem dargestellten nicht einschränkenden spezifischen Beispiel beträgt w_p 150 Mikrometer. Der Wert h wird durch den radialen Versatz zwischen der Oberseite der Nutschneidelemente G1 und G2 und dem Taschenschneidelement P bestimmt. In dem oben dargestellten nicht einschränkenden spezifischen Beispiel beträgt dieser Versatz 120 Mikrometer. Daher beträgt h 120 Mikrometer. Der Wert w_v entspricht der Länge der flachen Vertiefungen zwischen oberen Oberflächen der Nutschneidzähne. In dem oben dargelegten nicht einschränkenden spezifischen Beispiel beträgt die Vertiefungslänge 250 Mikrometer. Dementsprechend beträgt w_v 250 Mikrometer. Aufgrund der Drehzahl des Schneidwerkzeugs 300 findet der oben beschriebene Schneidvorgang der Tasche und der Ringnuten gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig, z. B. für einen Zeitraum von 1/6 Umdrehung des Schneidwerkzeugs 300 statt, wenn das Schneidwerkzeug sechs Schneidelemente aufweist und benachbarte Elemente Nut- und Taschenschneidelemente sind.
Bezüglich des Verformungsschrittes aus 2C oben wird ein Schlagwerkzeug verwendet, um ausgewählte Bereiche von flachen Spitzen zwischen Nuten zu schlagen. Wie hier in bestimmten Ausführungsformen verwendet, ist „Schlagen“ eine Form der Verformung der ausgewählten Bereiche. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verformen nicht das Schneiden oder Schleifen des ausgewählten Bereichs. Diese Verfahrenstypen beinhalten typischerweise die vollständige oder mindestens teilweise Entfernung von Material. Man wird verstehen, dass andere Verformungsverfahren in diesem Schritt angewendet werden können. Zu nicht einschränkenden Beispielen anderer sekundärer Verfahren gehört das Rollieren, Rändeln oder ein Schmierverfahren, in dem die Flanke des Taschenschneidwerkzeugs als ein Schleifereinsatz verwendet wird. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Zuführrate der Spindel während dieses Schrittes 0,1 bis 0,3 mm/Umdrehung. In einer anderen Variation beträgt die Zuführrate 0,2 mm/Umdrehung. In bestimmten Variationen beträgt die Drehzahl des Schlagwerkzeugs 300 5.000 bis 7.000 U/Min. In einer anderen Variation beträgt die Drehzahl eines Schlagwerkzeugs 6.000 U/Min.
6A, 6B und 6C zeigen ein Schlagwerkzeug 600 gemäß einer Ausführungsform. 6A zeigt eine Draufsicht des Schlagwerkzeugs 600. 6B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 602 des Schlagwerkzeugs 600. 6C zeigt eine Seitenansicht des Schlagwerkzeugs 600, das den Zylinderschaft 604 aufweist. Das Schlagwerkzeug 600 weist 4 Schlagvorsprünge 606, 608, 610 und 612 auf. Jeder Schlagvorsprung 606, 608, 610 und 612 steht von dem Zentrum 614 des Schlagwerkzeugs 600 nach außen hervor. In einer Ausführungsform hat das Schlagwerkzeug den gleichen Durchmesser wie das Schneidwerkzeug und die Schlagwerkzeugelemente weisen die gleiche axiale Länge wie die Schneidelemente auf, sodass das Schlagwerkzeug und das Schneidwerkzeug über den gleichen Werkzeugweg geführt werden können, um die Programmierung zu vereinfachen und Bewegungsfehler zu verringern. Jeder Schlagvorsprung weist eine Reliefoberfläche 616, eine rückseitige Oberfläche 618 und eine Spanoberfläche 620 auf. Eine abgefaste Kante 622 erstreckt sich zwischen der Spanoberfläche 620 und der Reliefoberfläche 616. Die abgefaste Kante oder eine ähnliche Kantengestaltung wie ein Honstein wird verwendet, um sicherzustellen, dass das Werkzeug die Spitzen verformt anstatt sie zu schneiden. In einer Variation beträgt der Winkel der abgefasten Kante 622 in Bezug auf die Reliefoberfläche 616 15 Grad. In anderen Variationen beträgt der Winkel 10 bis 20 Grad oder ein Honstein mit einem Radius von 25 bis 100 Mikrometern wird verwendet. In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen der Spanoberfläche und der Reliefoberfläche von benachbarten Schlagvorsprüngen 110 Grad.
Das Schlagwerkzeug 602 ist stumpf genug, sodass es nicht in die innere Oberfläche der Zylinderbohrung schneidet. Stattdessen verformt das Schlagwerkzeug 602 mechanisch Nuten, die in der inneren Oberfläche der Zylinderbohrung ausgebildet sind. Mit erneutem Bezug auf 5 hat das Schlagwerkzeug 600, das gemäß den oben erwähnten Verfahren verwendet wird, Hinterschnitte 508 erzeugt und verlängert die obere Oberfläche 510. Wie in 5 dargestellt, ist die Differenz zwischen h (der Höhe der nicht verformten Spitze) und der Höhe der verformten Spitze ∆h. In einer Variation beträgt ∆h 10 Mikrometer, während in anderen Variationen ∆h 5 bis 60 Mikrometer betragen kann. Die Hinterschnitte erhöhen die Adhäsion einer anschließenden thermischen Spritzbeschichtung auf die aufgeraute innere Oberfläche der Zylinderbohrung.
Die maschinell bearbeitete Oberfläche nach dem Tascheneinstechdrehschritt und dem Schlagschritt hat gegenüber anderen Aufrauungsverfahren ein oder mehrere Vorteile. Erstens kann die Haftfestigkeit des Metallspritzverfahrens durch die Anwendung des Schlagschrittes anstatt anderer sekundärer Verfahren wie Rändeln, Rollieren verbessert werden. Die Haftfestigkeit wurde mithilfe einer Zugprüfung geprüft. Die Haftfestigkeit kann im Bereich von 40 bis 70 MPa liegen. In anderen Variationen kann die Haftfestigkeit 50 bis 60 MPa betragen. Im Vergleich zu der Haftfestigkeit eines Rändelverfahrens ist die Haftfestigkeit beim Schlagen mindestens 20 % höher. Ferner haben die Anmelder erkannt, dass die Haftung von der Profiltiefe der Nuten nach dem ersten Bearbeitungsschritt unabhängig ist. Dies kann aus mindestens zwei Gründen vorteilhaft sein. Das Schlagwerkzeug schneidet im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie Rändeln, Rollieren relativ geringere Profiltiefen. In bestimmten Variationen beträgt die Verringerung der Profiltiefe 30 bis 40 %. Dementsprechend ist weniger Metallspritzmaterial notwendig, um das Profil zu füllen, und gleichzeitig wird die Haftfestigkeit nicht beeinträchtigt. Ferner beeinflusst eine Variation der Tiefe der Nuten die Haftfestigkeit nicht, was den Schlagschritt robuster als herkömmliche Verfahren macht. Als weiterer Vorteil einer oder mehrerer Ausführungsformen kann das Schlagwerkzeug bei viel höheren Betriebsgeschwindigkeiten als andere Verfahren wie Rollieren betrieben werden.
In Bezug auf den Interpolationsschritt aus 2D oben wird das Schneidwerkzeug 300 zum Bearbeiten von Nichthubbereichen 214 und 216 zur Bildung von Ringnuten verwendet. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Zuführrate der Spindel während dieses Schrittes 0,1 bis 0,3 mm/Umdrehung. In einer anderen Variation beträgt die Zuführrate 0,2 mm/Umdrehung. In bestimmten Variationen beträgt die Drehzahl des Schneidwerkzeugs 300 3.000 bis 10.000 U/Min. In einer anderen Variation beträgt die Drehzahl eines Schneidwerkzeugs 6.000 U/Min.
Diese Nichthubbereiche erfordern kein anschließendes Metallspritzverfahren. Allerdings bleibt ein Brenner zum Metallspritzen typischerweise während des gesamten Spritzverfahrens eingeschaltet. Wenn diese Nichtringhubbereiche nicht aufgeraut sind, dann haftet Spritzmetall, das unbeabsichtigt auf diese Bereiche gespritzt wird, nicht und verursacht Schichtablösungen. Diese Schichtablösungen können während des Honens in die Bohrung fallen und zwischen den Honsteinen und Bohrungswänden eingeschlossen werden, was zur inakzeptablen Bildung von Kratzern führt. Die Schichtablösungen können auch in das Kurbelgehäuse fallen und müssten dann entfernt werden. Dementsprechend haftet durch Anwenden der hierin erwähnten Ringnuten auf die Nichtringhubbereiche thermisches Spritzmaterial während des Spritzverfahrens und vermindert Kontaminationen der beabsichtigten Spritzoberfläche und des Kurbelgehäuses. Die leicht gespritzten Nichtringhubbereiche können während des anschließenden Honvorgangs ohne Weiteres entfernt werden.
7 stellt eine vergrößerte Querschnittsansicht der inneren Oberfläche der Zylinderbohrung 200 dar. Die Nichthuboberfläche 214 weist ringförmige, quadratische Nuten 230 auf. Die Huboberfläche 202 weist Ringnuten 206 und Taschen 208 auf.
Wenngleich die beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben wurde, wird der Fachmann des Gebiets, zu dem diese Erfindung gehört, verschiedene alternative Gestaltungen und Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung gemäß den Definitionen in den folgenden Ansprüchen erkennen.

Claims

Schneidwerkzeug, umfassend: einen Zylinderkörper; und eine oder mehrere axiale Reihen von Schneidelementen, die von dem Umfang des Zylinderkörpers nach außen hervorstehen und radial zu diesem liegen, wobei jedes Schneidelement jeder Reihe eine oder mehrere Taschenschneidelemente und ein oder mehrere Nutschneidelemente aufweist, wobei jedes Taschenschneidelement eine Schneidoberfläche aufweist und jedes Nutschneidelement eine Schneidoberfläche mit Nutschneidzähnen aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Höhe der Nutschneidzähne um einen Nichtnullversatz h größer als die Höhe der Taschenschneidzähne ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die axialen Schneidelemente im Wesentlichen gleichmäßig radial voneinander beabstandet sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren axialen Reihen von Schneidelementen zwei oder mehrere axiale Reihen von Schneidelementen aufweisen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, wobei die Breite jeder der zwei oder mehreren axialen Reihen von Schneidelementen benachbarte axiale Reihen von Schneidelementen überlappt.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, wobei die zwei oder mehreren axialen Reihen von Schneidelementen eine erste und eine zweite axiale Reihe von Schneidelementen aufweisen, wobei jede die gleiche Abfolge von Nut- und Taschenschneidelementen aufweist, die um ein Schneidelement axial versetzt sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die axialen Reihen von Schneidelementen drei oder mehrere Schneidelemente aufweisen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 7, wobei die drei oder mehreren Schneidelemente ein Taschenschneidelement und zwei Nutschneidelemente aufweisen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 8, wobei die zwei Nutschneidelemente benachbart zueinander liegen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Nutschneidoberfläche flache Vertiefungsabschnitte zwischen den Taschenschneidzähnen aufweist.