專利名稱：生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)對稱的下切輪廓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對工件上大致旋轉(zhuǎn)對稱的下切輪廓(undercutcontour)進(jìn)行無屑非切削生產(chǎn)的方法，以及涉及通過該方法制造的工件。這種下切輪廓尤其可形成在通過鍛造、鑄造或切削生產(chǎn)制造的工件的分段上。
背景技術(shù)：
目前為止現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，都是通過切削方式來制造旋轉(zhuǎn)對稱的下切輪廓，比如商用車輛柴油發(fā)動機(jī)活塞上的冷卻通道。也就是說，通過諸如車削、研磨或切削之類的材料去除方法來機(jī)加工例如通過鍛造或鑄造制造而成的初始工件，以產(chǎn)生下切輪廓。
這些已知方法的缺點(diǎn)一方面是高碎屑程度，尤其是在例如活塞這樣需要進(jìn)行整體機(jī)加工的大量生產(chǎn)物品的內(nèi)部輪廓的情況下，其缺點(diǎn)另一方面是在常規(guī)制造的產(chǎn)品中伴隨出現(xiàn)的顆粒中斷。這種中斷導(dǎo)致工件結(jié)構(gòu)上不牢固，從而不利地影響最終產(chǎn)品的耐磨性、使用壽命以及成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)大致旋轉(zhuǎn)對稱的下切輪廓的方法，該方法能夠簡單從而快速且更少花費(fèi)地進(jìn)行加工。
該目的可通過具有權(quán)利要求1的特征的方法來實(shí)現(xiàn)。較佳實(shí)施例限定在從屬權(quán)利要求中。
要利用所述方法進(jìn)行加工的工件包括至少一個待加工分段，所述分段具有大致對稱，優(yōu)選旋轉(zhuǎn)對稱的初始輪廓，比如多邊形的、圓柱形的或直圓錐形狀的軸，以及在加工過程中所述工件可繞其旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸線。該工件的待加工分段可被設(shè)計(jì)成實(shí)心、部分實(shí)心或者空心的形式。根據(jù)本發(fā)明的方法，首先通過例如正鎖定和/或摩擦鎖定將該工件不被加工的第一端部夾入一夾套中。然后該工件可隨該夾套一起相對于一工具而移向該工具。隨后，所述以恒定或可變速度繞相對于該工件的中心軸線旋轉(zhuǎn)的工具與該工件的待加工的大致對稱(優(yōu)選旋轉(zhuǎn)對稱)的第二端部相靠接。由此，可以在加工步驟中在所述工具向所述第二端部施加軸向壓力的同時，在活塞上無屑地生產(chǎn)例如冷卻通道這樣的下切輪廓。
此外，利用根據(jù)本發(fā)明的方法，可容易地設(shè)定下切輪廓的機(jī)加工尺寸，以便僅需要最終的機(jī)械精加工過程即可獲得最終產(chǎn)品。結(jié)果，制造過程變得更快，因而花費(fèi)更少。
優(yōu)選地，與所述加工步驟相關(guān)的所述工件和工具朝向彼此的移動是一種提供加工所需軸向壓力的進(jìn)給運(yùn)動。這種進(jìn)給運(yùn)動可通過所述工具或通過平行進(jìn)給運(yùn)動由所述工件和夾套來實(shí)現(xiàn)。
與上述常規(guī)方法相比的優(yōu)點(diǎn)來自這樣的事實(shí)，即在根據(jù)本發(fā)明的加工步驟中，材料沒有被研磨或切除或以任何其他方式去除，從而在所述材料中形成連續(xù)且不間斷的顆粒，所述顆粒大致平行于所述形成的下切輪廓延伸。這顯著地增加了成品的材料強(qiáng)度和使用壽命。同樣，通過對所處理的工件段進(jìn)行全部加工，最終產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的裂紋被進(jìn)一步減少。
根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例，在該加工步驟中將形成的下切輪廓可相對于該工件的待加工分段的初始輪廓以旋轉(zhuǎn)對稱的方式向內(nèi)或向外定向。之前必須通過切屑研磨生產(chǎn)的柴油發(fā)動機(jī)活塞的內(nèi)冷卻通道和/或外冷卻通道，可在此引用作為向內(nèi)或向外定向輪廓的具體實(shí)例。例如，向外定向的下切輪廓也可位于之前同樣必須通過切屑機(jī)加工生產(chǎn)的前軸殼體上。根據(jù)本發(fā)明的方法可以以結(jié)構(gòu)上更穩(wěn)定的方式生產(chǎn)這兩種類型的輪廓。
用于根據(jù)本發(fā)明方法中的所述工具根據(jù)待加工的工件可具有對稱或非對稱的工具輪廓。而且，已經(jīng)證實(shí)，所述工具以第一速度旋轉(zhuǎn)而所述工件以可被選擇為不同于該第一速度的第二速度旋轉(zhuǎn)是有利的。所述工具的速度與該工件的速度差異可達(dá)到30％。如果所述工具和/或所述夾套的驅(qū)動系統(tǒng)另外還具有一飛輪，則可改變所述第一速度和/或第二速度。這將導(dǎo)致非常規(guī)則的材料流，并且因此改善了最終產(chǎn)品的性能。
對于需要使位于該工件的待加工的大致對稱的分段和所述工具之間的摩擦表面保持較大的應(yīng)用，可使該待加工分段的旋轉(zhuǎn)軸線和所述工具的中心軸線成一條直線。然而，如果需要更低的摩擦，即更小的摩擦表面，比如在工件的所述待加工分段是實(shí)心的情況下，所述待加工分段的旋轉(zhuǎn)軸線與所述工具的中心軸線根據(jù)一進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例，可偏離一偏心量e。所述偏心量可被調(diào)整為，所述旋轉(zhuǎn)工具以軸向振蕩的方式圍繞該待加工工件段的中心軸線旋轉(zhuǎn)。這種軸向振蕩例如可通過所述工具的徑向進(jìn)給運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。而且，摩擦表面的減少由于僅存在局部接觸，所以可提供需要更少的力因而需要更少的能量進(jìn)行加工的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)另一較佳實(shí)施例，整個工件在根據(jù)初級工序確定的溫度分布下經(jīng)歷該方法，或者在該方法之前的步驟中被加熱到例如適于所述材料的鍛造溫度。結(jié)果，所述材料的流動應(yīng)力(屈服強(qiáng)度)降低，并有利于加工所述旋轉(zhuǎn)對稱的工件分段。
特別優(yōu)選的是，可將所述下切的幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整為使得所述待加工分段具有由于例如在前一步驟中有目的地加熱而獲得的確定溫度分布。由此所述幾何結(jié)構(gòu)尤其包括所形成的下切的長度以及其間隙。由于此方法特征，一方面簡化了加工(更低的流動應(yīng)力)，另一方面使加工更精確且更具重現(xiàn)性。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法可以確定所述下切外輪廓的精確形狀。為此，在加工步驟中要生產(chǎn)的所述下切外輪廓通過壓緊一個或更多的自由的或被驅(qū)動的工具來限定。這種壓緊可通過沿大致徑向方向頂靠正在形成的所述下切來實(shí)現(xiàn)。同樣可應(yīng)用例如可樞轉(zhuǎn)工具這樣的附加工具來限定由要形成的下切輪廓形成的間隙。由此，該附加工具可被設(shè)計(jì)為，使其可用于以確定方式，在一次操作中，不僅調(diào)整所述外輪廓，而且調(diào)整前表面、從所述前表面到側(cè)表面的銳緣過渡以及間隙。以這種方式，復(fù)雜的下切輪廓可準(zhǔn)確定制形成。
因此，利用根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)的工件的特征在于連續(xù)且不間斷的顆粒流，所述顆粒流大致平行于所述形成的下切輪廓。這種顆粒流增加所述材料的負(fù)荷能力、使用壽命和無裂紋性，從而總體上提高工件質(zhì)量。另外，生產(chǎn)成品的時間被大大縮短，這必定會影響成本效益比率。
可通過本發(fā)明方法處理的工件可以由各種材料組成。例如，對于柴油發(fā)動機(jī)活塞，使用鋼來獲得高性能商用車輛的發(fā)動機(jī)，而使用鋁硅合金來獲得低壓縮比的客車發(fā)動機(jī)。


現(xiàn)在將參照根據(jù)圖1至圖7的示例性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。
圖1示意性表示該方法所需部件的布置，其中選擇鋼活塞作為工件。
圖2表示以鍛造的鋼活塞作為初始工件為例的根據(jù)權(quán)利要求1的工序。
圖3表示利用被驅(qū)動的或被自由支撐的工具來選擇定制形成該外輪廓，以及利用可樞轉(zhuǎn)工具形成間隙。
圖4表示作為另一實(shí)例的前軸殼體的一截面，其中待加工的外輪廓在加工過程之前和之后均被圖示。
圖5表示形成氣密冷卻通道的加工順序，其中材料流被向內(nèi)引導(dǎo)。
圖6和圖7表示另外的形成氣密冷卻通道的加工順序，但其中材料流被向外引導(dǎo)。
具體實(shí)施例方式
利用圖1-圖3所示的方法，在用于高性能柴油發(fā)動機(jī)的鍛造的鋼制活塞上可形成旋轉(zhuǎn)對稱的下切外輪廓。根據(jù)本發(fā)明的方法利用圖1中所圖示的裝置來實(shí)現(xiàn)，該裝置包括用于夾持工件13的夾套11，用于加工該工件的工具12，以及用于將所述夾套與工件13一起向工具12進(jìn)給的裝置(未示出)。這里，所述工具12包括一圓周輪緣，該圓周輪緣用于徑向限制在加工過程中產(chǎn)生的材料流。所述用于本示例性實(shí)施例中作為工件13的鋼制活塞包括一空心的旋轉(zhuǎn)對稱的分段14，該分段14構(gòu)成所述鋼制活塞的待加工端部。在通過進(jìn)給運(yùn)動來施加加工所需的軸向壓力的作用下，所述加工工具12靠接此分段。
所述夾套11可與其中夾持的工件13一起圍繞旋轉(zhuǎn)軸線15旋轉(zhuǎn)，而所述工具12可圍繞其中心軸線16旋轉(zhuǎn)。所述夾套和工具都包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置(未示出)，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置可各自具有一飛輪并且它們的速度可分別通過速度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)整。
所述工具的中心軸線16一方面可以與所述夾套的旋轉(zhuǎn)軸線15重合，或者也可以與該旋轉(zhuǎn)軸線平行偏置(偏心量e＞0)。
在第一種情況下，所述工具12和工件待加工分段14之間出現(xiàn)的摩擦僅由于工具12和夾套11圓周速度之間的差而產(chǎn)生，因此該摩擦可通過速度調(diào)節(jié)裝置來確定。因此，尤其是對于象鋁這樣的非常軟的工件材料而言，可將此摩擦限制到最小值，以便避免可能由于過度摩擦而導(dǎo)致的可能的材料損失。然而，如果使用象鋼這樣的較硬材料，則常常需要減少工具12和工件待加工分段14之間的摩擦，以便實(shí)現(xiàn)對所引起的力和力矩的限制。為此，可以調(diào)整工件和工具旋轉(zhuǎn)軸線之間的偏置，即所述偏心量。
圖2表示在鍛造的鋼制活塞21上形成冷卻通道22來作為下切外輪廓的加工順序?qū)嵗?。為此，夾持在所述夾套中的活塞具有由鍛造過程確定的溫度分布，即大致具有其鍛造溫度，并且該活塞以例如n1＝1000/分鐘的速度被驅(qū)動。所述工具同樣被旋轉(zhuǎn)，但以n2(0)＜n，例如n2(0)＝750/分鐘的更低初始速度旋轉(zhuǎn)。為了進(jìn)行加工，該活塞在軸向壓力的作用下被進(jìn)給到該工具。在此示例性實(shí)施例中，使用所述旋轉(zhuǎn)工具驅(qū)動裝置的飛輪，以便使該工具的速度nu自動適應(yīng)于形成在工具和工件接觸面上的成形部分的旋轉(zhuǎn)速度。由于所得到的均勻材料流，因而首先形成該活塞待加工分段的類似法蘭的擴(kuò)展部分23。隨著進(jìn)一步的軸向進(jìn)給壓力，漸進(jìn)的材料流導(dǎo)致該輪廓彎曲/翻邊，接著該材料流可由工具12的凸緣17在徑向上限制，從而形成要實(shí)現(xiàn)的下切外活塞輪廓。
圖3表示用于更好地限定要形成的下切輪廓的兩個另外的加工方法。為了獲得尺寸盡可能準(zhǔn)確的外活塞壁輪廓，一個在此為具有圓柱形設(shè)計(jì)的附加工具31，在徑向壓力作用下通過進(jìn)給機(jī)構(gòu)32被進(jìn)給到新形成的外輪廓的側(cè)表面，并由此限制在加工過程中產(chǎn)生的徑向向外導(dǎo)向的材料流。結(jié)果，該新形成的外輪廓的外直徑33達(dá)到所需數(shù)值。為了控制所述工具和外活塞輪廓之間的摩擦，所述附加工具可被自由支撐，或者也可以以例如750/分鐘的速度n3被驅(qū)動。
此外，所述冷卻通道的間隙34可利用可樞轉(zhuǎn)工具35定制形成。此工具被設(shè)計(jì)成L形，其長臂36靠接于軸向上與彎曲的下切輪廓的進(jìn)給方向相反的表面上。另一方面，短臂37從外側(cè)接合所述間隙，并且位于該彎曲的下切輪廓的徑向向內(nèi)朝向的表面上。以這種方式，如果必要的話，該可樞轉(zhuǎn)工具35在徑向向內(nèi)方向上和與該活塞夾套的進(jìn)給方向相對的軸向上均可限制所述材料流。通過結(jié)合使用工具31和35，因此可以在活塞上以尺寸準(zhǔn)確的方式形成冷卻通道，而機(jī)械加工余量可有可無。
作為另一實(shí)例，圖4表示穿過前軸殼體38的一截面，在該截面上，所述待加工分段在加工步驟之前被圖示為39，而在加工步驟之后被圖示為40。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，在加工之前為圓柱形的所述外輪廓被成形為所需的向外定向的具有下切部分41的外輪廓。
圖5圖示一鋼制活塞的加工順序?qū)嵗?，其中所述材料流被向?nèi)定向。在這種情況下，所述活塞的待加工的旋轉(zhuǎn)對稱的分段50通過所述方法被逐漸向內(nèi)彎曲，直到該分段50接觸燃燒碗52的邊緣51，從而形成一封閉的、氣密的冷卻通道53。
此外，氣密的冷卻通道還可利用為了加工而向外引導(dǎo)的材料流而形成于活塞上，如圖6中加工順序所示。在這種情況下，一單獨(dú)的環(huán)形支架62被安裝在所述活塞的外輪廓中，該環(huán)形支架徑向向外終止該冷卻通道。由于根據(jù)本發(fā)明的方法，該活塞的起初為圓柱形的分段60被重新成形為類似法蘭的擴(kuò)展部分61。最后，分段60在軸向方向上就會停止，并且其側(cè)面朝向該環(huán)形支架62上的活塞，擴(kuò)展部分61和環(huán)形支架62通過這種方式形成所述氣密的冷卻通道63。
而且，利用最后如圖7所示的向外引導(dǎo)的材料流，還可以形成不帶有環(huán)形支架的氣密的冷卻通道。這里，待加工分段70的材料流同樣首先被擴(kuò)展(擴(kuò)展部分71)，然后靠在所述活塞的預(yù)成型的外輪廓72上被碾壓，從而形成氣密的冷卻通道73。
以下專利權(quán)利要求書中公開的方法，可以通過無屑加工在鍛造、鑄造或者以其他方式制造的活塞上生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)對稱的下切輪廓。毫無疑問，根據(jù)此處給出的實(shí)例，同樣落入本發(fā)明范圍內(nèi)的其他較佳實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯然的。
權(quán)利要求
1.一種用于在內(nèi)燃機(jī)活塞上生產(chǎn)大致旋轉(zhuǎn)對稱的下切冷卻通道的方法，該活塞具有至少一個待加工分段，所述分段具有大致對稱的初始輪廓和一旋轉(zhuǎn)軸線，其中所述分段可被設(shè)計(jì)為實(shí)心的、部分實(shí)心的或者空心的，所述方法包括如下步驟(A)將所述活塞不被加工的第一端部夾入一夾套中；(B)將所述活塞與該夾套一起相對于一工具移向彼此；(C)將以恒定或可變速度相對于該活塞旋轉(zhuǎn)的所述工具與所述活塞的大致對稱的第二端部相靠接；以及(D)通過加工所述第二端部來無屑生產(chǎn)下切冷卻通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟B中所述移向彼此是進(jìn)給運(yùn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟D中要形成的所述下切冷卻通道，可相對于所述待加工的活塞分段的初始輪廓以大致旋轉(zhuǎn)對稱的方式向內(nèi)或向外定向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于步驟C和D中的所述工具具有對稱或非對稱的工具輪廓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟D中，所述工具以第一速度旋轉(zhuǎn)，所述活塞以第二速度旋轉(zhuǎn)，該第二速度可選擇為與所述第一速度不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第一速度和/或第二速度是可變的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟C和D中，所述待加工的大致對稱的活塞段的旋轉(zhuǎn)軸線與所述工具的中心軸線成一條直線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟C和D中，所述待加工的大致對稱的活塞段的旋轉(zhuǎn)軸線與所述工具的中心軸線偏離一偏心量e。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述偏心量可被調(diào)整為，所述旋轉(zhuǎn)工具以軸向振蕩的方式圍繞所述待加工活塞段的中心軸線旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中整個所述活塞在基于初級工序確定的溫度分布下經(jīng)歷所述方法的步驟A，或者在步驟A之前的步驟中對所述待加工活塞段進(jìn)行全部或部分加熱。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述下切的幾何結(jié)構(gòu)，尤其是所形成的下切的長度以及間隙可調(diào)整為，使得所述待加工分段具有確定的溫度分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟(E)將一個或更多自由的或被驅(qū)動的工具沿徑向方向壓靠在正在形成的冷卻通道上，以便限定其外輪廓。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟(F)應(yīng)用一附加工具來限定由待形成的冷卻通道形成的間隙，其中該附加工具被設(shè)計(jì)為，使其可用于以確定方式且在一次操作中，不僅調(diào)整所述外輪廓，還調(diào)整前表面、從所述前表面到側(cè)表面的銳緣過渡，以及間隙。
14.一種利用根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法生產(chǎn)的活塞，其特征在于，所述活塞包括連續(xù)且不間斷的顆粒，所述顆粒大致平行于所述形成的冷卻通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在工件(13)上生產(chǎn)大致旋轉(zhuǎn)對稱的下切輪廓的方法，該工件可通過例如鍛造或鑄造來生產(chǎn)，所述工件具有至少一個待機(jī)加工出大致對稱的初始輪廓的分段(14)。該工件(13)的不被機(jī)加工的端部被夾緊在一凹槽(11)中，所述工件的待機(jī)加工的分段(14)在所述凹槽(11)中被移向一工具(12)。該工具(12)以恒定或可變的速度相對于所述工件(13)的待機(jī)加工分段(14)旋轉(zhuǎn)。就這樣在軸向壓力作用下通過機(jī)加工在該工件(13)的分段(14)上生產(chǎn)一下切輪廓。
文檔編號B21K21/12GK101072650SQ200580042268
公開日2007年11月14日 申請日期2005年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者拉爾夫·伯恩哈德, 馬蒂亞斯·普魯薩克 申請人:Cdp印地冶煉廠有限責(zé)任公司