CN110312586B - 带有可平移的模锻叶片的表面粗糙化刀具 - Google Patents

Abstract

一种表面粗糙化刀具，其包括圆柱形主体和至少一个开槽叶片，所述开槽叶片从所述主体径向向外突出并且被配置成在表面上形成凹槽和峰部。所述表面粗糙化刀具还包括至少一个模锻叶片，所述模锻叶片从所述主体径向向外突出并且被配置成使所述峰部变形。所述至少一个模锻叶片沿着所述主体的圆周与所述至少一个开槽叶片对齐。

Description

带有可平移的模锻叶片的表面粗糙化刀具

技术领域

本公开涉及用于对气缸孔进行选择性表面粗糙化的刀具。

背景技术

发动机活塞运动处的铝发动机缸体的气缸孔，可以用一层薄的热喷涂钢进行处理，以提高耐磨性。气缸孔表面通常通过机械粗糙化加工，以提供表面粗糙度以促进钢涂层的粘合。可以使用开槽刀具通过将一系列凹槽切割到基板中来使表面粗糙化。然后旋转模锻-刮刃(模锻)刀具可以使凹槽顶部变形以产生底切。由于中间刀具更换、较大的公称变形、刀具跑脱和/或刮擦深度变化导致热喷涂涂层中的空隙和不均匀，使用开槽和刮擦器/模锻器刀具会导致位置和方向误差。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种表面粗糙化刀具。所述表面粗糙化刀具包括圆柱形主体和至少一个开槽叶片，所述开槽叶片从所述主体径向向外突出并且被配置成在表面上形成凹槽和峰部。所述表面粗糙化刀具还包括至少一个模锻叶片，所述模锻叶片从所述主体径向向外突出并且被配置成使所述峰部变形。所述至少一个模锻叶片沿着所述主体的圆周与所述至少一个开槽叶片对齐。

在一个或多个实施例中，所述至少一个模锻叶片可以在缩回位置和伸出位置之间平移。所述表面粗糙化刀具还可以包括致动器，所述致动器被配置成将所述至少一个模锻叶片从所述缩回位置平移到所述伸出位置。所述至少一个开槽和模锻叶片中的每一个可以包括远端。当所述至少一个模锻叶片处于所述伸出位置时，所述至少一个模锻叶片中的每一个的所述远端可以在所述圆柱形主体的径向方向上延伸超出所述至少一个开槽叶片中的每一个的所述远端。

在一个或多个实施例中，所述至少一个开槽叶片可以在缩回位置和伸出位置之间平移。所述表面粗糙化刀具还可以包括致动器，所述致动器被配置成将所述至少一个开槽叶片从伸出位置平移到缩回位置。所述至少一个开槽和模锻叶片中的每一个可以包括远端。当所述至少一个开槽叶片处于所述伸出位置时，所述至少一个开槽叶片中的每一个的所述远端可以在所述圆柱形主体的径向方向上延伸超出所述至少一个模锻叶片中的每一个的所述远端。

在一个或多个实施例中，所述至少一个开槽叶片可以包括一个或多个开槽叶片，并且所述至少一个模锻叶片可以包括一个或多个模锻叶片。所述一个或多个模锻叶片中的每一个可以与一个或多个开槽叶片相邻并且可以与所述一个或多个开槽叶片对应，以形成围绕所述圆柱形主体的圆周和高度分布的多个开槽/模锻叶片组，以形成行。

根据一个实施例，公开了一种表面粗糙化刀具。所述表面粗糙化刀具包括圆柱形主体和从所述主体径向向外突出的开槽叶片。所述开槽叶片可以被配置成在表面上形成凹槽和峰部。所述表面粗糙化刀具还包括从所述主体径向向外突出的模锻叶片。所述模锻叶片沿着所述主体的圆周与所述开槽叶片对齐，并且被配置成使所述峰部变形。所述模锻叶片中的一个相邻于所述开槽叶片中的一个定位。

在一个或多个实施例中，每个模锻叶片可以从缩回位置平移到伸出位置。所述圆柱形主体可以限定凹陷。每个凹陷可以存储所述模锻叶片中的一个的至少一部分。所述主体上的致动器可以被配置成将每个模锻叶片从所述缩回位置平移到所述伸出位置。所述主体可以容纳至少一个细长构件。所述至少一个细长构件中的每一个可以连接到所述模锻叶片中的一个，并且可以被配置成在所述缩回位置和所述伸出位置之间平移所述对应的模锻叶片。所述圆柱形主体可以围绕其纵向轴线旋转。

根据一个实施例，公开了一种表面粗糙化刀具。所述表面粗糙化刀具包括圆柱形主体，以及从所述主体径向向外突出的一个或多个轴向行的开槽元件。每行开槽元件沿着所述主体的圆周定位。所述表面粗糙化刀具还包括从所述主体径向向外突出的一个或多个轴向行的模锻元件。每行模锻元件沿着所述圆周对应于所述一个或多个轴向行的开槽元件的每行定位。每个模锻元件都具有缩回位置和伸出位置。

在一个或多个实施例中，所述表面粗糙化刀具还可以包括致动器，所述致动器被配置成将每个模锻元件从所述缩回位置平移到所述伸出位置。所述模锻元件和开槽元件中的每一个可以包括远端。当每个模锻元件处于所述伸出位置时，所述模锻元件中的每一个的所述远端可以在所述圆柱形主体的径向方向上延伸超出所述开槽元件中的每一个的所述远端。每个轴向行的模锻元件的所述模锻元件可以散布在一个轴向行的开槽元件的所述开槽元件之间。当所述模锻元件处于所述缩回位置时，所述开槽元件可以被配置成在表面上形成凹槽和峰部。所述模锻元件可以被配置成当所述模锻元件处于所述伸出位置时使所述峰部变形。

附图说明

图1描绘了表面粗糙化刀具的透视图，其示出了开槽叶片和模锻叶片，其中模锻叶片伸出。

图2A描绘了沿着2A、2B线截取的图1的模锻叶片和开槽叶片的局部截面，其中模锻叶片缩回。

图2B描绘了沿着2A、2B线截取的图1的模锻叶片和开槽叶片的局部截面，其中模锻叶片伸出。

图3A描绘了表面粗糙化刀具的局部且隔离的示意图，其中模锻叶片缩回。

图3B描绘了表面粗糙化刀具的局部且隔离的示意图，其中模锻叶片伸出。

图4A是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图，其描绘了一个模锻叶片缩回。

图4B是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的俯视图，其描绘了一个模锻叶片缩回。

图5A是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图，其描绘了一个模锻叶片伸出。

图5B是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的俯视图，其描绘了一个模锻叶片伸出。

图6是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图。

图7是根据一个或多个实施例的表面粗糙化刀具的侧视图。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是可以体现为各种和替代形式的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域的技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。

汽车发动机缸体包括许多圆柱形发动机孔。气缸孔可以由金属材料(包括钢铁和铝)的圆柱形壁形成和限定。在某些情况下，可以使用由相对轻质金属(例如铝或镁)形成并限定的气缸孔来代替钢或铁气缸孔，以减小发动机大小和/或重量并改善发动机功率输出和燃料经济性。当铝用于构造这种缸体时，已知某些工艺可提高铝发动机气缸孔的强度和耐磨性。

每个发动机孔的内表面经过机械加工，使得所述表面适用于汽车应用，例如，呈现出合适的耐磨性和强度。可以处理发动机活塞活动的内部圆柱形表面，以提供表面粗糙度，以便于粘合到后来施加的金属涂层上。加工工艺可以包括使内表面粗糙化，随后将金属涂层施加到粗糙表面上，并珩磨金属涂层以获得具有所需强度和耐磨性的精加工内表面。可以使用热喷涂来施加金属涂层。可替代地，可以将具有所需的强度和耐磨特性的衬里材料施加到发动机孔的未完成的内表面上。

图1描绘了表面粗糙化刀具100，其用于使气缸孔的表面粗糙化以改善热喷涂涂层的粘合。通常，刀具100被固持在固定在刀具主轴(未示出)上的固持件中。主轴可以是箱或电动主轴。当刀具100下降到气缸孔中时，刀具100用于在气缸孔的表面中产生凹槽，所述凹槽沿气缸孔的圆周方向延伸。在表面上产生的轮廓具有凹槽，其间具有中间脊或峰部。刀具主轴具有平行于气缸孔轴线的旋转轴线。刀具的纵向轴线(沿着长度)从气缸孔轴线偏离。刀具在主轴中以角速度围绕刀具轴线旋转，并以单独的角速度围绕孔轴线进动。围绕轴线的进动称为环形插补。刀具100插补使得刀具叶片在围绕气缸孔表面的环形路径中同时旋转和移动，沿气缸孔的长度向下移动。这允许在直径大于刀具100的任何孔中加工凹槽，使得可以用相同的刀具切割不同直径的孔。插补运动允许在气缸孔的内表面内形成凹穴和环形平行凹槽。所述刀具的插补在2013年6月10日提交的第13/913,865号美国专利申请和2012年5月1日提交的第13/461,160号美国专利申请中进行了讨论，其全部内容通过引用方式并入本文。

开槽叶片110或开槽元件从在刀具主体130上的刀具100径向向外突出，并且被配置成切入表面以形成凹槽和峰部。圆柱形刀具主体130可以由钢或烧结碳化钨形成。开槽元件110可以沿着刀具100的长度分散在一个或多个轴向行中，以提供切削刃。开槽叶片110具有远端160并且可以围绕刀具主体130的圆周以及沿着刀具100的纵向轴线分散，以在气缸孔内形成所期望的凹槽和峰部的轮廓。在非限制性示例中，开槽叶片110与相邻的开槽叶片110径向等距间隔开。可以使用任何数量的开槽叶片110。开槽叶片110可以由多行开槽元件形成，这些开槽元件端对端地钎焊以形成长切削刃。开槽叶片110可以由适于加工铝或镁合金的切削材料形成。选择这些材料的考虑因素包括但不限于化学相容性和/或硬度。这种材料的非限制性示例包括但不限于高速钢、烧结碳化钨或多晶金刚石。开槽叶片和开槽叶片元件还可以包括凹穴切割元件。

表面粗糙化刀具100还包括模锻叶片120，或模锻元件，其使由开槽叶片110形成的峰部变形以在峰部上产生底切。模锻元件也可以称为刮擦元件，因为用于变形的刀具可以是刮擦器(模锻/刮刃)。所形成的轮廓可以是燕尾型形状的峰部。模锻叶片对应于开槽叶片110分散，使得模锻叶片120可以使由开槽叶片110形成的峰部变形。模锻元件110可以沿着刀具100的长度分散在一个或多个轴向行中，以提供切削刃。模锻叶片120可以由端对端钎焊的模锻元件形成，以形成长切削刃。模锻叶片可以围绕刀具主体130的圆周以及沿着刀具100的纵向轴线分散，以在气缸孔内形成所期望的凹槽和底切峰部的轮廓。模锻叶片120能够从刀具100径向向外突出，超出开槽叶片110，并且还可以存储在刀具主体130的凹陷中。模锻叶片110可以由适于加工铝或镁合金的切削材料形成。选择这些材料的考虑因素包括但不限于化学相容性和/或硬度。模锻叶片120的非限制性示例包括多晶金刚石。

图2A和图2B示出了沿2A、2B线截取的刀具的截面。模锻叶片120可在缩回位置和伸出位置之间平移，分别如图2A和图2B所示。当模锻叶片120处于缩回位置时，叶片120全部或部分地存储在刀具主体130的凹陷中，使得模锻叶片120的切削刃不与气缸孔表面接触。每个开槽叶片110切削刃的远端160延伸超出模锻叶片120的远端170，使得当模锻叶片120处于缩回位置时，开槽叶片110可以将凹槽和峰部切割进气缸孔中。在切割凹槽和峰部之后，模锻叶片120在旋转150期间平移到伸出位置，使得模锻叶片120的远端170径向向外延伸超出开槽叶片110的远端160。开槽叶片110的远端160设定圆周140，使得当处于伸出位置时，模锻叶片120的远端170延伸超出该圆周140。

尽管图2A和图2B示出了模锻叶片120可在缩回位置和伸出位置之间平移，但是在某些其他情况下，开槽元件110可以是可平移的，或者两组叶片可以是可平移的，以通过产生凹槽和峰部来使表面粗糙化，并且使峰部变形。类似地，开槽叶片110和模锻叶片120相对于刀具旋转150的取向可以颠倒，并且刀具旋转本身也可以颠倒。

图3A和图3B描绘了表面粗糙化刀具100的局部放大图。距离D示出了模锻叶片120平移的距离，以使模锻叶片120的远端170延伸超出开槽叶片110的远端160。模锻叶片120由致动器200平移。致动器200可以利用偏心凸轮、锥形物和楔形物、螺旋机构或任何类似的机构。在一些情况下，致动器200包括连接到凸轮210的细长构件220，用于平移模锻叶片120。细长构件220连接到管壳230，所述管壳230将模锻叶片120存储在刀具主体的凹陷中。当刀具100沿方向150以固定角度旋转时，凸轮210移动细长构件220以推动管壳230以将模锻叶片120从刀具主体130平移到伸出位置。

图4A至图4B、图5A至图5B和图6至图7示出了利用各种致动器200(诸如凸轮、螺钉或锥形物和楔形物)的刀具100的示意图。如图4A至图4B、图5A至图5B和图6至图7所示，示出了一个致动器机构，用于平移一个模锻叶片以用于说明目的。在一个实施例中，所有轴向分散的模锻叶片可以类似地平移。例如，六个轴向定位的模锻叶片可以通过用于每个模锻叶片的机构同时类似地平移。图4A至图4B示出了连接到细长构件220的凸轮210，用于推动管壳230的端部，所述管壳230具有枢轴310，用于将一个模锻叶片120平移到伸出位置。致动器200可以通过刀具100上的旋钮320来激活，所述旋钮320在围绕轴330的方向上旋转。图5A至图5B示出了在凸轮210接合细长构件220以将管壳230推动围绕枢轴310之后，处于伸出位置的一个模锻叶片120。图5B示出了在一个模锻叶片120延伸之后使得模锻叶片120先前对准的基部枢轴310是静止的俯视图。图6描绘了用于致动器200的凸轮机构210。图7描绘了用于致动器200的楔形机构210。

已经描述了根据一个或多个实施例的刀具100的结构，下面描述了使用刀具100的实施例将轮廓加工成气缸孔的内表面的方法。刀具100通常安装在机床主轴中，其具有平行于气缸孔轴线的旋转轴线，其从孔轴线偏离。所述刀具定位在圆柱形孔内，具有固定的开槽叶片和可平移的模锻叶片。所述刀具围绕刀具轴线和孔轴线以的不同角速度在气缸孔周围进行插补。当模锻叶片处于缩回位置时，插补运动允许在气缸孔的内表面内形成凹穴和环形平行凹槽。在气缸孔表面中形成凹槽和峰部的环形轮廓之后，模锻叶片120平移到伸出位置，使得模锻叶片120在与开槽叶片110相同的刀具路径上进行插补，以减小位置和方向误差。在成形和变形步骤期间，刀具100沿着气缸孔的长度保持在轴向位置。致动器200被接合以在缩回位置和伸出位置之间平移模锻叶片。模锻叶片120在它们平移到伸出位置之后使峰部变形。在伸出位置，模锻叶片120具有用于变形的远端，其径向延伸超出开槽叶片110的远端，并且在峰部上产生底切。此外，在使峰部变形之后，模锻叶片120平移回到缩回位置。然后可以将刀具100返回到刀具库。可以从气缸孔移除刀具100，以使模锻叶片120伸出和缩回。

在一个或多个实施例中，开槽元件110和模锻元件120中的一个是可平移的。例如，开槽叶片110可以是可缩回的，并且模锻叶片120是固定的，使得开槽叶片在产生表面中的凹槽和峰部之后平移到缩回位置。开槽叶片120的缩回位置在模锻叶片120的径向内侧，使得此后模锻叶片可以使峰部变形。类似地，在其他实施例中，开槽叶片和模锻叶片都可以在伸出位置和缩回位置之间平移以形成凹槽和峰部，并且此后使峰部变形。

在开槽步骤和模锻步骤之后的机加工表面具有优于其他粗糙化工艺的一个或多个优点。首先，通过使用模锻步骤代替其他二次加工(诸如金刚石滚花，辊子抛光，钢丝刷清理或液压膨胀)，可以改善金属喷涂的粘合强度。使用拉伸试验来测试粘合强度。粘合强度可以在40至70MPa的范围内。在其他变型中，粘合强度可以为50至60MPa。与金刚石滚花工艺的粘合强度相比，刮擦的粘合强度至少高20％。此外，申请人已经认识到，在第一工艺步骤之后，粘合与凹槽的轮廓深度无关。由于至少两个原因，这可能是有利的。与传统工艺(诸如金刚石滚花、辊子抛光和刷涂)相比，模锻叶片切割相对较低的轮廓深度。在某些变型中，轮廓深度减小30％至40％。因此，需要较少的金属喷涂材料来填充轮廓，同时不会影响粘合强度。此外，凹槽深度的任何变型都不会影响粘合强度，这使得模锻步骤比传统工艺更稳健。作为一个或多个实施例的另一个益处，模锻步骤可以在比其他工艺(诸如辊子抛光或金刚石滚花)高得多的操作速度下操作。另外，将模锻叶片平移到用于模锻步骤的伸出位置消除了由于在使气缸孔表面粗糙化的开槽和模锻步骤之间的刀具更换而引起的位置误差和跑脱。

虽然以上描述了示例性实施例，但是并不旨在这些实施例描述了本发明的所有可能形式。而是，本说明书中所使用的词语为描述性而非限制性词语，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可以组合各种实施的实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

Claims (16)

1.一种表面粗糙化刀具，其包括：

圆柱形主体；

至少一个开槽叶片，所述至少一个开槽叶片从所述主体径向向外突出并且被配置成在表面上形成凹槽和峰部；和

至少一个模锻叶片，所述至少一个模锻叶片从所述主体径向向外突出，沿着所述主体的圆周与所述至少一个开槽叶片对齐，被配置成使所述峰部变形，

其中所述至少一个模锻叶片可在缩回位置和伸出位置之间平移，

其中所述至少一个开槽叶片和模锻叶片中的每一个包括远端，并且当所述至少一个模锻叶片处于所述伸出位置时，所述至少一个模锻叶片中的每一个的所述远端在所述圆柱形主体的径向方向上延伸超出所述至少一个开槽叶片中的每一个的所述远端。

2.如权利要求1所述的刀具，其还包括致动器，所述致动器被配置成将所述至少一个模锻叶片从所述缩回位置平移到所述伸出位置。

3.如权利要求1所述的刀具，其中在所述缩回位置时，所述模锻叶片中的每一个的所述远端全部或部分地存储在所述圆柱形主体中。

4.如权利要求1所述的刀具，其中在所述缩回位置时，所述至少一个开槽叶片中的每一个的所述远端在所述圆柱形主体的径向方向上延伸超出所述至少一个模锻叶片中的每一个的所述远端。

5.如权利要求1所述的刀具，其中所述至少一个开槽叶片包括一个或多个开槽叶片，并且所述至少一个模锻叶片包括一个或多个模锻叶片，其中所述一个或多个模锻叶片中的每一个相邻于一个或多个开槽叶片定位并且对应于所述一个或多个开槽叶片以形成多个开槽/模锻叶片组，所述多个开槽/模锻叶片组围绕所述圆柱形主体的所述圆周和高度分布以形成行。

6.一种表面粗糙化刀具，其包括：

圆柱形主体；

开槽叶片，所述开槽叶片从所述主体径向向外突出并且被配置成在表面上形成凹槽和峰部；和

模锻叶片，所述模锻叶片从所述主体径向向外突出，沿着所述主体的圆周与所述开槽叶片对齐，并且被配置成使所述峰部变形，

其中所述模锻叶片中的一个相邻于所述开槽叶片中的一个定位，

其中每个模锻叶片可从缩回位置平移到伸出位置，

其中每个所述开槽叶片和每个所述模锻叶片包括远端，并且当每个所述模锻叶片处于所述伸出位置时，每个所述模锻叶片的所述远端在所述圆柱形主体的径向方向上延伸超出每个所述开槽叶片的所述远端。

7.如权利要求6所述的刀具，其中所述圆柱形主体限定凹陷，每个凹陷存储所述模锻叶片中的一个的至少一部分。

8.如权利要求6所述的刀具，其还包括在所述主体上的致动器，所述致动器被配置成将每个模锻叶片从所述缩回位置平移到所述伸出位置。

9.如权利要求8所述的刀具，其中所述主体容纳至少一个细长构件，所述至少一个细长构件中的每一个连接到所述模锻叶片中的一个并且被配置成在所述缩回位置和所述伸出位置之间平移所述模锻叶片。

10.如权利要求6所述的刀具，其中所述圆柱形主体可围绕其纵向轴线旋转。

11.一种表面粗糙化刀具，其包括：

圆柱形主体；

一个或多个轴向行的开槽元件，所述一个或多个轴向行的开槽元件从所述主体径向向外突出，每行沿着所述主体的圆周定位，每个开槽元件具有缩回位置和伸出位置；和

一个或多个轴向行的模锻元件，所述一个或多个轴向行的模锻元件从所述主体径向向外突出，每行沿着所述圆周对应于所述一个或多个轴向行的开槽元件的每行定位，

所述模锻元件和开槽元件中的每一个包括远端，并且当所述开槽元件处于所述伸出位置时，所述开槽元件中的每一个的所述远端沿所述圆柱形主体的径向方向延伸超出所述模锻元件中的每一个的所述远端。

12.如权利要求11所述的刀具，其还包括致动器，所述致动器被配置成将每个开槽元件从所述缩回位置平移到所述伸出位置。

13.如权利要求11所述的刀具，其中在所述缩回位置时，所述开槽元件中的每一个的所述远端存储在所述圆柱形主体中。

14.如权利要求11所述的刀具，其中一个轴向行的模锻元件中的模锻元件散布在一个轴向行的开槽元件中的开槽元件之间。

15.如权利要求11所述的刀具，其中所述开槽元件被配置成当所述开槽元件处于所述缩回位置时在表面上形成凹槽和峰部。

16.如权利要求15所述的刀具，其中所述模锻元件被配置成当所述开槽元件处于所述伸出位置时使所述峰部变形。

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