DE102017127347A1

DE102017127347A1 - Nuthobelmaschine mit kalthämmerflanken

Info

Publication number: DE102017127347A1
Application number: DE102017127347.6A
Authority: DE
Inventors: David Alan Stephenson; David Garrett Coffman
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2018-06-07
Also published as: CN108080884A; US10603725B2; CN108080884B; US20180141135A1

Abstract

Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung wird ein Nuthobelwerkzeug bereitgestellt. Das Nuthobelwerkzeug weist einen Körper mit einer Vielzahl von Vertiefungen auf. Mehrere Einsätze sind in die einzelnen Vertiefungen eingebaut. Die Vertiefungen beinhalten eine Schneidkante zum Bilden von Nuten in einer Motorzylinderwand bei Drehung in einer Drehrichtung. Der Einsatz beinhaltet auch eine Kalthämmerungsfläche, die sich in die entgegengesetzte Drehrichtung von der Schneidkante erstreckt, um beim Drehen in entgegengesetzter Drehrichtung die Oberkanten der Nuten zu verformen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft ein Werkzeug und einen Prozess zum Bilden eines Zylinders in einem Motorblock.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Motorblöcke von Automobilmotoren beinhalten eine Anzahl zylindrischer Motorbohrungen. Die Innenfläche jeder Motorbohrung ist so bearbeitet, dass die Fläche zur Verwendung in Automobilanwendungen geeignet ist, z. B. geeignete Verschleißfestigkeit und Festigkeit aufweist. Der Bearbeitungsprozess kann das Aufrauen der Innenfläche, Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die aufgeraute Fläche und anschließendes Honen der Metallbeschichtung beinhalten, um eine fertig bearbeitete Fläche zu erlangen. Flächenaufrautechniken sind im Stand der Technik bekannt, leiden jedoch unter einer oder mehreren Beeinträchtigungen oder einem oder mehreren Nachteilen. Ein bisheriges Verfahren verlangte die Verwendung eines Schneidwerkzeugs und eines Wischwerkzeugs, die zusätzliche Werkzeugkosten, Verarbeitungskostenaufwand und Prozessschritte erforderlich machten. Die Offenbarung soll die oben genannten Probleme lösen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung wird ein Nuthobelwerkzeug bereitgestellt. Das Nuthobelwerkzeug weist einen Körper mit einer Vielzahl von Vertiefungen auf, und eine Anzahl von Einsätzen ist jeweils in eine der Vertiefungen eingebaut. Die Vertiefungen beinhalten eine Schneidkante zum Bilden von Nuten in einer Motorzylinderwand bei Drehung in einer Drehrichtung. Der Einsatz beinhaltet auch eine Kalthämmerungsfläche, die sich in die entgegengesetzte Drehrichtung von der Schneidkante erstreckt, um beim Drehen in entgegengesetzter Drehrichtung die Oberkanten der Nuten zu verformen.
Die Kalthämmerungsfläche weist einen ersten geradlinigen Abschnitt mit einer ersten Länge auf, der sich von der Schneidkante und benachbart zu dieser erstreckt. Die Kalthämmerungsfläche weist einen zweiten geradlinigen Abschnitt auf, der sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem Körper nach unten erstreckt.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung ist die Kalthämmerungsfläche eine Anfasung, die aus drei Abschnitten gebildet ist. Der erste Abschnitt ist senkrecht zur Schneidkante, der zweite Abschnitt ist von der Schneidkante und einem dritten Abschnitt, der den ersten und zweiten Abschnitt verbindet, beabstandet.
Die Anfasungen der Kalthämmerungsflächen entlang dem Nuthobelwerkzeug können eine axiale Spirale von nicht null aufweisen, um die Werkzeugablenkung zu reduzieren.
Die Kalthämmerungsfläche kann eine Beschichtung mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten als der Reibungskoeffizient der Schneidkante aufweisen.
Die Einsätze können durch ein Befestigungsmittel am Körper angebracht sein.
Das Befestigungsmittel kann einen Gewindebefestiger beinhalten.
Die Kalthämmerungsfläche kann eine Beschichtung aufweisen, die einen niedrigeren Reibungskoeffizienten als der Reibungskoeffizient der Schneidkante aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung wird ein Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderwand offenbart. Das Verfahren beinhaltet Schneiden einer Vielzahl von Nuten in einem Zylinder mit einer Schneidkante auf einen vorgegebenen Durchmesser durch Drehen des Nuthobelwerkzeugs in einer ersten Drehrichtung und Interpolieren des Nuthobelwerkzeugs an einem programmierten Weg. Das Verfahren beinhaltet auch Verformen der Nuten mit einer Kalthämmerungsfläche des Nuthobelwerkzeugs durch Drehen in einer entgegengesetzten Richtung und Interpolieren des Werkzeugs an einem programmierten Weg.
Das Verformen der Nuten kann mithilfe von mehreren Kalthämmerungsflächen des Nuthobelwerkzeugs durchgeführt werden.
Das Verfahren kann das Bilden flacher Spitzen zwischen benachbarten Nuten beinhalten. Das Verformen der Nuten bildet einen Unterschneidungsbereich. Das Interpolieren des Werkzeugs im Zylinder bildet die Nuten bei einem ersten Durchmesser.
Die Vorschubrate zum Verformen der Nuten kann wenigstens 0,15 Millimeter pro Umdrehung betragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung wird ein Nuthobelwerkzeug offenbart. Das Werkzeug beinhaltet einen Körper und eine oder mehrere axiale Reihen von Schneidelementen, die vom Körper nach außen vorspringen. Die Schneidelemente sind radial zum Umfang des Körpers angeordnet. Jedes Schneidelement beinhaltet ein Nutschneidelement, ein Aussparungsschneidelement und eine Kalthämmerungsfläche. Die Kalthämmerungsfläche weist eine in Umfangsrichtung konvexe Fläche auf, die zwischen einer Schneidkante eines Schneidelements und dem Körper angeordnet ist.
Die Schneidelemente können durch eine Hartlötverbindung am Körper angebracht sein.
Die Kalthämmerungsfläche und die Schneidkante können jeweils eine axiale Länge aufweisen, die ungefähr gleich ist.
Die in Umfangsrichtung konvexe Fläche der Kalthämmerungsfläche kann von dem Körper versetzt sein.
Die Aussparungsschneidelemente, Nutschneidelemente und Kalthämmerungsflächen können tangential zum Umfang des Körpers sein.
Figurenliste

1A ist eine Draufsicht von oben auf ein Beispiel eines Motorblocks eines Verbrennungsmotors.
1B ist eine isolierte Querschnittansicht einer Zylinderbohrung entlang der Linie 1B-1B aus 1A.
2A stellt einen Vorbohrschritt dar, wobei eine Zylinderbohrungsinnenfläche auf einen Durchmesser gebohrt wird.
2B stellt einen Interpolationsschritt dar, in dem ein Bewegungsbereich mithilfe eines Nuthobelwerkzeugs bearbeitet wird, um eine vertiefte Innenfläche mit einer Aussparung und ringförmigen Flächennuten zu erzeugen.
2C stellt einen Verformungsschritt dar, in dem flache Spitzen zwischen benachbarten Nuten verformt werden, um verformte Spitzen zu erlangen.
2D stellt einen Interpolationsschritt dar, in dem eine oder mehrere der Nichtbewegungsbereiche mithilfe eines Nuthobelwerkzeugs zum Bilden ringförmiger Nuten bearbeitet werden.
2E ist eine vergrößerte schematische Ansicht von ringförmigen Nuten, die in den Nichtbewegungsbereichen einer Motorbohrung gebildet sind.
3A ist eine perspektivische Ansicht eines Nuthobelwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform.
3B ist eine Draufsicht auf ein Nuthobelwerkzeug mit einer oberen axialen Reihe von Schneidelementen.
3C, 3D und 3E sind Detailansichten von Schneidelementen, die jeweils eine unterschiedliche Kalthämmerungsfläche aufweisen.
3F ist eine Draufsicht auf einen zylindrischen Schaft zum Anbringen eines Nuthobelwerkzeugs in einem Werkzeughalter gemäß einer Ausführungsform.
4A ist eine schematische Ansicht einer Zylinderbohrung gemäß einer Ausführungsform von oben.
4B ist eine schematische Seitenansicht der Zylinderbohrung aus 4A gemäß einer Ausführungsform.
5 ist eine diagrammhafte Darstellung der Innenfläche der Zylinderbohrung, die den Fortschritt des beanspruchten Verfahrens zeigt.
6A-C sind Detailansichten der Schneidelemente, die jeweils eine unterschiedliche Kalthämmerungsfläche aufweisen, gemäß einer der Ausführungsformen.
6D ist eine perspektivische Ansicht eines Körpers des Nuthobelwerkzeugs.
6E ist eine Ansicht des Nuthobelwerkzeugs gemäß einer der Ausführungsformen von oben.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; allerdings versteht es sich, dass die offenbarten Ausführungsformen nur beispielhaft für die Erfindung sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, die Fachleute hinsichtlich der unterschiedlichen Anwendungsweisen der vorliegenden Erfindung lehren soll.
Soweit nicht ausdrücklich angegeben, sind alle Zahlengrößen in dieser Beschreibung, die Materialmengen angeben, als durch das Wort „etwa“ zur Beschreibung des breitestmöglichen Umfangs der vorliegenden Erfindung modifiziert zu verstehen. Der Bearbeitungsprozess kann das Aufrauen der Innenfläche und anschließende Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die aufgeraute Fläche und anschließendes Honen der Metallbeschichtung beinhalten, um eine fertig bearbeitete Fläche zu erlangen. Verschiedene Flächenaufrautechniken sind im Stand der Technik bekannt, leiden jedoch oder einem oder mehreren Beeinträchtigungen oder Nachteilen. Zum Beispiel verlangt das Verfahren und verwendete Werkzeug, beschrieben in der Anmeldung Nr. 13/913,865 ( US 2014/036055 A1 ) und 13/913,871 ( US 2014/0364042 A1 ) die Verwendung von zwei oder mehr Werkzeugen, einem Schneidwerkzeug und einem Wischwerkzeug. Alternativ kann ein Auskleidungsmaterial mit erforderlichen Festigkeits- und Verschleißfestigkeitscharakteristiken auf die nicht fertig bearbeitete Innenfläche der Motorbohrung aufgebracht werden.
Hier offenbarte Ausführungsformen stellen ein Nuthobelwerkzeug und Prozesse zum Aufrauen der Innenfläche zylindrischer Bohrungen, z. B. Motorbohrungen, bereit, um die Anhaftung und Bindung einer anschließend aufgebrachten Metallbeschichtung, z. B. Wärmesprühbeschichtung, auf die Innenfläche zu verstärken. Entsprechend kann die fertig bearbeitete Innenfläche eine erhöhte Festigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen.
Bezug nehmend auf 1A ist eine Ansicht eines Motorblocks 100 eines Verbrennungsmotors von oben dargestellt. Der Motorblock 100 beinhaltet Zylinderbohrungen 102.
Bezug nehmend auf 1B ist eine isolierte Querschnittansicht der Zylinderbohrung 102 entlang der Linie 1B-1B aus 1A dargestellt. Die Zylinderbohrung 102 beinhaltet einen Innenflächenteil 104. Die Zylinderbohrung 102 kann aus Metallmaterial hergestellt sein, wie etwa Aluminium, Magnesium, Eisen, eine Legierung, Stahl oder dergleichen relativ leichte Aluminium- oder Magnesiumlegierungsmaterialien ermöglichen eine Reduzierung von Größe und Gewicht des Motors und stellen eine verbesserte Motorausgangsleistung und Kraftstoffeinsparungen bereit.
Bezug nehmend auf 2A-2E sind Querschnittansichten der Innenfläche in der Zylinderbohrung dargestellt. Die Figuren betreffen Schritte eines Prozesses zum Aufbringen eines Profils auf die Innenfläche der Zylinderbohrung. 2A stellt einen Vorbohrschritt dar, in dem eine unverarbeitete Zylinderbohrungsinnenfläche 200 auf einen Durchmesser gebohrt wird, der kleiner als der Durchmesser des fertig bearbeiteten, z. B. gehonten, Durchmessers der Innenfläche ist. In einigen Abwandlungen beträgt die Durchmesserdifferenz 150 bis 250 Mikrometer (µm). In anderen Abwandlungen beträgt die Durchmesserdifferenz 175 bis 225 Mikrometer. In einer Abwandlung beträgt die Durchmesserdifferenz 200 Mikrometer.
Bezug nehmend auf 2B wird ein Interpolationsschritt dargestellt, in dem mithilfe eines Nuthobelwerkzeugs ein Bewegungsbereich 202 in die vorgebohrte Innenfläche 200 gearbeitet wird. Interpolationsbasiertes Aufrauen kann mit einem Nuthobelwerkzeug erreicht werden, das für Zylinderbohrungen von variierendem Durchmesser geeignet ist. Das Nuthobelwerkzeug kann zum Aufrauen nur eines ausgewählten Bereichs der Bohrung verwendet werden, etwa dem Ringbewegungsbereich der Bohrung. Das Aufrauen nur des Ringbewegungsteils der Bohrung kann Beschichtungszykluszeit, Materialverbrauch, Honungsdauer und Übersprühung des Kurbelkastens reduzieren.
Die Länge des Bewegungsbereichs entspricht der Strecke, die ein Kolben in der Motorbohrung zurücklegt. In einigen Abwandlungen beträgt die Länge des Bewegungsbereichs 202 90 bis 150 Millimeter. In einer Abwandlung beträgt die Länge des Bewegungsbereichs 202 117 Millimeter. Die Bewegungsbereichsfläche wird dazu hergestellt, Verschleiß aufgrund der Kolbenbewegung standzuhalten. Das Nuthobelwerkzeug bildet ringförmige Nuten 204 (wie im vergrößerten Bereich 208 von 2B gezeigt) und eine Aussparung 206 im Bewegungsbereich 202. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der im vergrößerten Bereich 230 gezeigten Nuten nur beispielhaft ist. Abmessung 210 zeigt die Tiefe der Aussparung 206. Abmessung 212 zeigt die Tiefe der ringförmigen Nuten 204. In einigen Abwandlungen beträgt die Nuttiefe 100 bis 140 Mikrometer. In einer anderen Abwandlung beträgt die Nuttiefe 120 Mikrometer. In einigen Abwandlungen beträgt die Aussparungstiefe 200 bis 300 Mikrometer. In einer anderen Abwandlung beträgt die Aussparungstiefe 250 Mikrometer.
Die vorgebohrte Innenfläche 200 beinhaltet auch Nichtbewegungsteile 214 und 216. Diese Bereiche liegen außerhalb der axialen Bewegungsstrecke des Kolbens. Die Abmessungen 218 und 220 zeigen die Länge der Nichtbewegungsteile 214 und 216. In einigen Abwandlungen beträgt die Länge des Nichtbewegungsbereichs 214 2 bis 7 Millimeter. In einer Abwandlung beträgt die Länge des Nichtbewegungsbereichs 214 3,5 Millimeter. In einigen Abwandlungen beträgt die Länge des Nichtbewegungsbereichs 216 5 bis 25 Millimeter. In einer Abwandlung beträgt die Länge des Nichtbewegungsbereichs 216 17 Millimeter. Das Nuthobelwerkzeug und der Interpolationsschritt werden im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Bezug nehmend auf 2C ist die Zylinderauskleidung nach dem Abschließen eines Verformungs- oder Kalthämmerungschritts dargestellt. Die flache Spitzen zwischen benachbarten Nuten 204 werden verformt, um verformte Spitzen 222 zu erlangen, wobei jede Spitze 222 ein Paar Unterschneidungen 224 beinhaltet, wie in dem vergrößerten Bereich 226 von 2C gezeigt. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der im vergrößerten Bereich 226 gezeigten verformten Spitzen nur beispielhaft ist. Der Kalthämmerungsschritt kann durch Drehen des Nuthobelwerkzeugs 300 in einer Drehrichtung entgegengesetzt zur Drehrichtung ausgeführt werden, die verwendet wird, wenn die Aussparung und die Nutteile der Zylinderwand geschnitten werden. Die Kalthämmerungsfläche 312 (3A-3E & 6A-6E) übt Kraft aus, während sich das Nuthobelwerkzeug 300 in der entgegengesetzten Richtung dreht.
Bezug nehmend auf 2D ist ein Interpolationsschritt gezeigt, in dem ein oder mehrere der Nicht-Bewegungsbereiche 214 und 216 bearbeitet werden. Der Interpolationsschritt beinhaltet das Verwenden eines Nuthobelwerkzeugs zum Bilden ringförmiger Nuten 228, wie im vergrößerten Bereich 230 von 2E gezeigt. Flache Spitzen 232 erstrecken sich zwischen ringförmigen Nuten 228. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der im vergrößerten Bereich 230 gezeigten Nuten nur beispielhaft ist. In einer Ausführungsform bilden die Nuten eine Quadratwellenform mit gleichmäßiger Abmessung. In einigen Abwandlungen beträgt die Abmessung 25 bis 100 Mikrometer. In einer Abwandlung beträgt die Abmessung 50 Mikrometer. Wie unten ausführlicher beschrieben, kann das Nuthobelwerkzeug ein Profil von Nuten in einem oder mehreren der Nicht-Bewegungsbereiche 214 und 216 bilden.
Bezug nehmend auf 3A ist eine perspektivische Ansicht eines Nuthobelwerkzeugs 300 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Das Nuthobelwerkzeug 300 beinhaltet einen zylindrischen Körper 302 und eine erste, zweite, dritte und vierte axiale Reihe 304, 306, 308 und 310 von Schneidelementen. Der zylindrische Körper 302 kann aus Stahl oder zementiertem Wolframcarbid gebildet sein. Die Schneidelemente können aus einem Nuthobelwerkzeugmaterial gebildet sein, das zum Bearbeiten einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung gebildet ist. Bei der Materialauswahl sind ohne Beschränkung chemische Verträglichkeit und/oder Härte zu berücksichtigen. Zu nicht einschränkenden Beispielen dieser Materialien gehören ohne Beschränkung Schnellarbeitsstahl, gesintertes Wolframcarbid oder polykristalliner Diamant. Aus wirtschaftlichen Gründen kann Wolframcarbid gegenüber polykristallinem Diamant bevorzugt werden. Jede axiale Reihe 304, 306, 308 und 310 beinhaltet 6 Schneidelemente. Die Schneidelemente sind vorzugsweise lösbare Einsätze, die mit einem Befestigungsmittel angebracht sind. Das Befestigungsmittel kann eine Gewindeschraube, einen Bolzen, einen Stehbolzen, einen starken Klebstoff oder Hartlöten beinhalten. Wie in 3A gezeigt, sind die sechs Schneidelemente gleichmäßig radial von benachbarten Schneidelementen beabstandet. Mit anderen Worten, die sechs Schneidelemente sind bei 0, 60, 120, 180, 240 und 300 Grad am Umfang des zylindrischen Körpers 302 angeordnet. Obwohl sechs Schneidelemente in 3A gezeigt sind, kann gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eine beliebige Anzahl Schneidelemente verwendet werden In bestimmten Abwandlungen werden 2 bis 24 Schneidelemente benutzt.
Bezug nehmend auf 3B ist eine Ansicht des Nuthobelwerkzeugs 300 von oben dargestellt. Die erste axiale Reihe 304 von Schneidelementen ist um den Umfang des zylindrischen Körper 302 angeordnet gezeigt (3A). Wie in 3B gezeigt, beinhalten die 0-Grad-Schneidelemente eine Schneidfläche 314 und eine Kalthämmerungsfläche oder Verformungsfläche 312. Die Schneidelemente der anderen Grade beinhalten ähnliche Schneid- und Kalthämmerungsflächen. In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei jedem Schneidelement um eine von drei Arten von Schneidelementen, d. h. einer ersten Art von Nutschneidelement (G1), einer zweiten Art von Nutschneidelement (G2) und einem Aussparungsschneidelement (P). In der Ausführungsform aus 3B sind die Schneidelemente der Grade 60 und 240 ein Nutschneidelement der ersten Art; die Schneidelemente der Grade 120 und 300 ein Nutschneidelement der zweiten Art; und die Schneidelemente der Grade 0 und 180 das Aussparungsschneidelement. Entsprechend ist die Abfolge der Schneidelemente von 0 bis 300 Grad G1, G2, P, G1, G2 und P, wie in 3B gezeigt. Allerdings liegt jede beliebige Abfolge von Schneidelementen innerhalb des Umfangs von einer oder mehreren Ausführungsformen. In einigen Abwandlungen ist die Abfolge G1, P, G2, G1, P und G2 oder P, G1, G1, P, G2 und G2. In der gezeigten Ausführungsform sind aufgrund der Breite und Anzahl von Tälern zwischen Spitzen, die die Breite und Anzahl übersteigen, die mit einem Element geschnitten werden kann, zwei Nutschneidelemente nötig. Für andere Nutgeometrien können ein oder drei Nutschneidelemente verwendet werden.
3C-3E stellen eine Detailansicht von einem der Schneidelemente in der ersten axialen Reihe 304 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar. In 3C ist gezeigt, dass die Kalthämmerungsfläche 312 eine in Umfangsrichtung konvexe Form mit einem im Wesentlichen glatten Übergang zwischen der Schneidkante 314 und dem Körper 302 aufweist. Eine Kalthämmerungsfläche, die eine Anfasung mit drei Abschnitten 320, 322 und 324 definiert, ist in 3D dargestellt. Eine Kalthämmerungsfläche, die aus zwei geradlinigen Abschnitten 326 und 328 gebildet ist, ist in 3E dargestellt. Der erste Abschnitt 326 der Kalthämmerungsfläche kann eine Länge zwischen 0,5 mm und 15 mm aufweisen und kann sich von der Schneidkante 14zum zweiten Abschnitt 328 erstrecken. Der zweite Abschnitt 328 der Kalthämmerungsfläche weist eine Länge zwischen 0,5 mm und 25 mm auf, die kleiner als der erste Abschnitt ist und sich vom ersten Abschnitt 326 nach unten erstreckt.
In einigen Abwandlungen liegt wenigstens eins von G1 und G2 und wenigstens eins von P vor. Wie in 3A gezeigt, sind die Schneidelemente in jeder Reihe zwischen den einzelnen Reihen in Umfangsrichtung zueinander versetzt oder gestaffelt, z. B. ist jedes Schneidelement der Schneidelemente der Grade 0, 60, 120, 180, 240 und 300 in benachbarten Reihen um 60 Grad gestaffelt. Die Staffelung erhöht die Lebensdauer des Nuthobelwerkzeugs durch Glätten des anfänglichen Schneidens des Innenflächenprofils. Wenn die Schneidelemente zwischen benachbarten Reihen miteinander übereinstimmen, ist mehr Kraft nötig, um den Schneidvorgang einzuleiten, und kann mehr Verschleiß an den Schneidelementen oder Ablenkung und Vibration des Werkzeugs verursachen.
Die bearbeitete Fläche nach dem Aussparungsnuthobelschritt und dem Kalthämmerungsschritt weist einen oder mehrere Vorteile gegenüber anderen Aufrauprozessen auf. Erstens kann die Haftfestigkeit des gesprühten Metalls mithilfe des Kalthämmerungsschritts anstelle anderer Sekundärprozesse wie etwa Diamanträndelung, Glattwalzen verbessert werden. Die Haftfestigkeit wurde mithilfe einer Zugprüfung getestet. Die Haftfestigkeit kann im Bereich von 40 bis 70 MPa liegen. In anderen Abwandlungen kann d ie Haftfestigkeit 50 bis 60 MPa betragen. Im Vergleich zur Haftfestigkeit eines Diamanträndelungsprozesses ist die Haftfestigkeit beim Kalthämmern um wenigstens 20 % höher. Die Haftung ist unabhängig von der Profiltiefe der Nuten nach dem ersten Verarbeitungsschritt. Dies kann aus wenigstens zwei Gründen vorteilhaft sein. Die Kalthämmerungsfläche schneidet vergleichsweise geringere Profiltiefen als übliche Prozesse wie etwa Diamanträndelung, Glattwalzen. In bestimmten Abwandlungen beträgt die Reduzierung der Profiltiefe 20 bis 40 %. Diese Reduzierung der Profiltiefe reduziert die Menge an Metallsprühmaterial, das zum Füllen des Profils benötigt wird, ohne dass die Haftfestigkeit beeinträchtigt wird. Auch beeinflusst eine etwaige Variation der Tiefe der Nuten nicht die Haftfestigkeit, was den Kalthämmerungsschritt robuster als übliche Prozesse macht. Der Verformungsprozess kann bei wesentlich höheren Betriebsgeschwindigkeiten stattfinden als andere Prozesse wie etwa Glattwalzen.
Bezug nehmend auf 3F ist ein zylindrischer Schaft 380 zum Anbringen des Nuthobelwerkzeugs 300 dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann der Schaft durch eine direkte Spindelverbindung wie etwa eine CAT-V- oder HSK-Konusverbindung ersetzt werden.
Bezug nehmend auf 4A ist die Bewegung des Nuthobelwerkzeugs 300 in der Zylinderbohrung 400 dargestellt. Das Nuthobelwerkzeug 300 in einer Maschinenwerkzeugspindel mit einer Drehachse A_T parallel zur Zylinderbohrungsachse A_B angebracht. Die Werkzeugachse A_T ist gegenüber der Bohrungsachse A_B versetzt. Die Spindel ist vorzugsweise eine motorbetriebene Spindel. Das Werkzeug dreht sich in der Spindel mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω₁ um seine eigene Achse A_T und präzediert mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω₂ um die Bohrungsachse A_B. Diese Präzession wird als kreisförmige Interpolation bezeichnet. Die Interpolationsbewegung gestattet das Bilden einer Aussparung und ringförmiger, paralleler Nuten und verformt Material zwischen den Nuten und an deren Boden in der Innenfläche einer Zylinderbohrung. Interpolation ist ein Begriff aus der Bearbeitungsindustrie, um die Bewegung an zwei oder mehr Achsen oder Ebenen zwischen zwei Punkten zu definieren. Hier bewegt sich die Maschine in kreisförmiger Interpolation (X-Ebene und Y-Ebene) und in einem axialen Schritt in der vertikalen Richtung (Z-Ebene).
In einer Ausführungsform wird das Seitenverhältnis des Durchmessers des Nuthobelwerkzeugs D_T zum Innendurchmesser der Bohrung D_B berücksichtigt. In bestimmten Abwandlungen ist der Innendurchmesser wesentlich größer als der Nuthobelwerkzeugdurchmesser. In bestimmten Abwandlungen beträgt der Nuthobelwerkzeugdurchmesser 40 bis 60 Millimeter. In bestimmten Abwandlungen beträgt der Innendurchmesser der Zylinderbohrung 70 bis 150 Millimeter. Angesichts der Abmessungsdifferenz kann dieses Nuthobelwerkzeug bei einer wesentlichen Variation des Bohrungsdurchmessers benutzt werden. Mit anderen Worten, die Verwendung der Nuthobelwerkzeuge einer oder mehrerer Ausführungsformen erfordert keine separate Werkzeugbereitstellung für jeden Bohrungsdurchmesser.
Hinsichtlich des Interpolationsschritts aus 2D oben wird das Nuthobelwerkzeug 300 zum Bearbeiten des Nicht-Bewegungsbereichs 214 und 216 zum Bilden der ringförmigen Nuten verwendet. In bestimmten Abwandlungen beträgt die Vorschubrate der Spindel während dieses Schritts 0,1 bis 0,3 mm/U. In einer anderen Abwandlung beträgt die Vorschubrate 0,2 mm/U. In bestimmten Abwandlungen beträgt die Drehzahl des Nuthobelwerkzeugs 300 3.000 bis 10.000 U/min. In einer anderen Abwandlung beträgt die Drehzahl eines Nuthobelwerkzeugs 6.000 U/min.
Diese Nichtbewegungsbereiche benötigen kein anschließendes Besprühen mit Metall. Allerdings bleibt eine Pistole zum Metallbesprühen in der Regel während des gesamten Sprühprozesses eingeschaltet. Wenn diese Nicht-Ringbewegungsbereiche nicht aufgeraut werden, haftet Sprühmetall, das versehentlich auf diese Bereiche gesprüht wird, nicht an und führt zu Abblätterung. Diese Abblätterung kann während des Honens in die Bohrung fallen und zwischen den Honungssteinen und Bohrungswänden eingeschlossen werden und inakzeptables Kratzen verursachen. Die Abblätterung kann auch in den Kurbelkasten fallen und müsste entfernt werden. Durch Anwenden der hier identifizierten ringförmigen Nuten auf die Nicht-Ringbewegungsbereiche haftet Wärmesprühmaterial während des Sprühprozesses an und mildert eine Verunreinigung der vorgesehenen Sprühfläche und des Kurbelkastens. Die leicht besprühten Nicht-Ringbewegungsbereiche lassen sich in einem anschließenden Honungsprozess leicht entfernen.
Bezug nehmend auf 4B sind ein fragmentierter Teil des zylindrischen Körpers 302 des Nuthobelwerkzeugs 300 und Schneidelementen aus den axialen Reihen 304, 306, 308 und 310 schematisch in überlagernder Beziehung gezeigt. Wie oben beschrieben und in dieser 4B gezeigt, liegen Überlagerungen 406, 408 und 410 zwischen benachbarten Schneidelementreihen vor. Diese Überlagerung sorgt für ein gleichförmiges und gleichmäßiges Profilschneiden und -hämmern in Grenzbereichen.
Bezug nehmend auf 5 ist eine diagrammartige Ansicht der Innenfläche 500 der Zylinderbohrung vor, während und nach dem Interpolationsschritt dargestellt. Das Nuthobelwerkzeug 300 bewegt sich mit einer Rate von 0,2 mm pro Umdrehung radial nach außen in die Fläche der Zylinderbohrung. Während sich das Nuthobelwerkzeug 300 in die Innenfläche bewegt, dreht es sich mit einer Drehzahl von 6.000 U/min. Die Aussparungsschneidelemente P schneiden die Aussparung 502 in die Innenfläche 500. Die Höhe der Aussparung ist H. Der H-Wert entspricht dem axialen Versatz zwischen Tälern der Schneidelemente G1 und G2 und der Schneidfläche des Schneidelements P. In einem Beispiel beträgt der Versatz 250 Mikrometer. Der Wert Wv entspricht der Länge der Zahnoberseiten der Schneidelemente G1 und G2. Im selben Beispiel weisen die Zahnoberseiten eine Länge von 250 Mikrometern auf. Daher beträgt Wv 250 Mikrometer.
Die Nutschneidelemente G1 und G2 entfernen Material 504 zum Erzeugen von Spitzen 506. Die Höhe der Spitzen ist h und die Breite ist W_P. In den gezeigten spezifischen Beispielen beträgt W_P 150 Mikrometer. Der Wert h wird durch den radialen Versatz zwischen den oberen Nutschneidelementen G1 und G2 und dem Aussparungsschneidelement P bestimmt.
Hinsichtlich des Verformungsschritts aus 2C oben wird ein Nuthobelwerkzeug in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung gedreht, die zum Schneiden von Nuten verwendet wird. Die Kalthämmerungsfläche 312 dient zum selektiven Verformen von Spitzen mit flachem Bereich zwischen Nuten. „Kalthämmern“ im hier verwendeten Sinne ist eine Form des Verformens eines selektiven Bereichs und kann auch als „Hämmern“ bezeichnet werden.
6A-6C stellen Schneideinsätze 600 mit verschiedenen Kalthämmerungsflächen 312 dar. 6A stellt eine Kalthämmerungsfläche 312 mit einer in Umfangsrichtung konvexen Form dar, die einen im Wesentlichen glatten Übergang zwischen der Schneidkante 314 und dem Körper 604 des Schneideinsatzes 600 aufweist. 6B stellt einen Schneideinsatz 600 mit einer Kalthämmerungsfläche dar, die eine Anfasung mit drei Abschnitten 320, 322, und 324 ist. 6C stellt einen Schneideinsatz 600 mit einer Kalthämmerungsfläche dar, die aus zwei geradlinigen Abschnitten 326 und 328 gebildet ist. Der erste Abschnitt 326 der Kalthämmerungsfläche weist eine Länge zwischen 0,5 mm und 15 mm auf. Der erste Abschnitt 326 erstreckt sich von der Schneidkante 314. Der zweite Abschnitt 328 der Kalthämmerungsfläche weist eine Länge zwischen 0,5 mm und 25 mm auf, die kleiner als der erste Abschnitt ist und sich vom ersten Abschnitt 326 nach unten erstreckt.
Bezug nehmend auf 6A ist eine Detailansicht des 0-GradSchneidelements und der Kalthämmerungsfläche dargestellt. Die Kalthämmerungsfläche 312 ist von dem zylindrischen Körper 302 in Umfangsrichtung konvex. Die Kalthämmerungsfläche erstreckt sich vom oberen Teil der Schneidkante und erstreckt sich zum zylindrischen Körper 302. Die Kalthämmerungsfläche kann den gleichen Durchmesser wie das Nuthobelwerkzeug aufweisen, und die Kalthämmerungsfläche kann die gleiche axiale Länge wie die Schneidelemente aufweisen, so dass der gleiche Werkzeugweg verwendet werden kann, um die Nuten zu schneiden und zu verformen, um so die Programmierung zu vereinfachen und Bewegungsfehler zu reduzieren. Zuvor wurde das Verformen der Nuten oder Kalthämmern der Nuten mithilfe eines separaten Wischerwerkzeugs erreicht. Die Verwendung von zwei Werkzeugen erfordert zusätzliche Produktionszeit, um das Nuthobelwerkzeug zu entfernen und das Wischerwerkzeug zu installieren. Ein Integrieren der Merkmale des Wischerwerkzeugs in das Nuthobelwerkzeug eliminiert den zusätzlichen Wechsel.
Die Kalthämmerungsfläche kann verschiedene Formen annehmen, wie oben beschrieben. Allerdings definiert die Kalthämmerungsfläche stets eine Fläche, die sich von der Oberseite der Schneidkante 314 nach unten zum zylindrischen Körper 302 oder dem Schneideinsatz 600 erstreckt. Die Kalthämmerungsfläche ist eine Entlastungfläche, die ein Krängen oder Reiben bei Schneid- oder Nuthobelvorgängen verhindert. Die Entlastungfläche ermöglicht die Bewegung von während der Schneid- oder Nuthobelvorgänge entferntem Material weg von der Schneidkante 314.
Die Kalthämmerungsfläche 312 schneidet nicht in die Innenfläche der Zylinderbohrung. Stattdessen verformt das Kalthämmerungswerkzeug 602 die in der Innenfläche der Zylinderbohrung gebildeten Nuten mechanisch. Die Kalthämmerungsfläche beinhaltet vorzugsweise eine Beschichtung mit niedriger Reibung, die durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD - physical vapor deposition) aufgebracht wird. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) beschreibt verschiedene Vakuumabscheidungsverfahren, die zum Erzeugen dünner Schichten verwendet werden können. PVD nutzt einen physikalischen Prozess (etwa Erwärmen oder Sputtern), um einen Dampf aus Material zu erzeugen, der dann auf dem Objekt abgeschieden wird, das beschichtet werden muss. Vorzugsweise ist die Beschichtung mit niedriger Reibung Titannitrid, kann jedoch auch Titandiborid beinhalten. Bezug nehmend auf 5 erzeugt die Kalthämmerungsfläche Unterschneidungen 508 und verlängert die Oberfläche 510. Wie in 5 gezeigt, ist die Differenz zwischen h (der Höhe der nicht verformten Spitze) und der Höhe der verformten Spitze Δh. In einer Abwandlung beträgt Δh 10 Mikrometer, obwohl es zwischen 5 und 60 Mikrometern betragen kann. Die Unterschneidungen erhöhen die Anhaftung der Wärmesprühbeschichtung an der aufgerauten Innenfläche der Zylinderbohrung. Für den Werkzeugweg der Kalthämmerungsfläche ist das Werkzeug axial um eine halbe Wellenlänge des Aufrauungsprofils versetzt und verläuft mit umgekehrter Spindeldrehung über einen kreisförmigen Werkzeugweg mit einem Durchmesser 2Δh, der größer ist als der Durchmesser, der für den Nuthobelschritt verwendet wird.
Obwohl vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Begriffe beschreibende, aber keine einschränkenden Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Funktionen von verschiedenen implementierenden Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/036055 A1 [0021]
US 2014/0364042 A1 [0021]

Claims

Nuthobelwerkzeug, umfassend: einen Körper, der eine Vielzahl von Vertiefungen definiert; und eine Vielzahl von Einsätzen, die jeweils in die Vertiefungen eingebaut sind, wobei die Einsätze eine Schneidkante zum Bilden von Nuten in einer Motorzylinderwand bei Drehung in einer Drehrichtung und eine Kalthämmerungsfläche beinhalten, die sich in der entgegengesetzten Drehrichtung von der Schneidkante erstreckt, um bei Drehung in der entgegengesetzten Drehrichtung eine Oberkante der Nuten zu verformen.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Kalthämmerungsfläche aus einem ersten geradlinigen Abschnitt mit einer ersten Länge, der sich von der Schneidkante und benachbart zu dieser erstreckt, und einem zweiten geradlinigen Abschnitt gebildet ist, der sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem Körper nach unten erstreckt und eine zweite Länge aufweist, die größer als die erste ist.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Kalthämmerungsfläche eine Anfasung ist, die aus drei Abschnitten gebildet ist, einem ersten Abschnitt senkrecht zur Schneidkante, einem zweiten Abschnitt beabstandet von der Schneidkante und senkrecht zum Körper und einem dritten Abschnitt, der dazwischen angeordnet ist.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 3, wobei die Anfasung der Kalthämmerungsfläche eine axiale Spirale aufweist, die nicht null ist, um die Werkzeugablenkung zu reduzieren.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Kalthämmerungsfläche eine Beschichtung mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten als ein Reibungskoeffizient der Schneidkante aufweist.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Kalthämmerungsfläche einen ersten Reibungskoeffizienten aufweist und die Schneidkante einen zweiten Reibungskoeffizienten aufweist, der höher als der Koeffizient der Kalthämmerungsfläche ist.
Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderwand, umfassend: Schneiden einer Vielzahl von Nuten in einem Zylinder mit einer Schneidkante auf einen vorgegebenen Durchmesser durch Drehen eines Nuthobelwerkzeugs in einer ersten Drehrichtung und Präzedieren des Nuthobelwerkzeugs an einem ersten programmierten Weg; und Verformen der Zylinderwand zwischen den Nuten mit einer Kalthämmerungsfläche des Nuthobelwerkzeugs durch Drehen des Nuthobelwerkzeugs in einer Drehrichtung entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung und Präzedieren des Werkzeugs an einem zweiten programmierten Weg.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Verformens der Zylinderwand zwischen den Nuten durch das Nuthobelwerkzeug durchgeführt wird, das mehrere Kalthämmerungsflächen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei flache Spitzen zwischen benachbarten Nuten gebildet werden, und wobei der Schritt des Verformens ferner Verformen jeder flachen Spitze zum Bilden eines Unterschneidungsbereichs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Interpolieren des Werkzeugs im Zylinder die Nuten bei einem ersten Durchmesser bildet.
Nuthobelwerkzeug, umfassend: einen Körper; und eine oder mehrere axiale Reihen von Schneidelementen, die von einem Umfang des Körpers nach außen vorspringen und radial zu diesem angeordnet sind, wobei jedes Schneidelement jeder Reihe ein Nutschneidelement, ein Aussparungsschneidelement und eine Kalthämmerungsfläche beinhaltet, wobei die Kalthämmerungsfläche eine in Umfangsrichtung konvexe Fläche aufweist, die zwischen einer Schneidkante eines Schneidelements und dem Körper angeordnet ist.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die Kalthämmerungsfläche eine Anfasung ist, die aus drei Abschnitten gebildet ist, einem ersten Abschnitt senkrecht zur Schneidkante, einem zweiten Abschnitt beabstandet von der Schneidkante und senkrecht zum Körper und einem dritten Abschnitt, der dazwischen angeordnet ist.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die Kalthämmerungsfläche eine Beschichtung mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten als ein Reibungskoeffizient der Schneidkante aufweist.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die Kalthämmerungsfläche und die Schneidkante jeweils eine axiale Länge aufweisen, wobei die axiale Länge der Schneidkante und die axiale Länge der Kalthämmerungsfläche ungefähr gleich sind.
Nuthobelwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die Aussparungsschneidelemente, Nutschneidelemente und Kalthämmerungsflächen tangential zum Umfang des Körpers sind.