ОБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, В ЧАСТНОСТИ НАКАТНОЙ ИНСТРУМЕНТ, И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ
MACHINING TOOL, IN PARTICULAR KNURLING TOOL, AND METHOD FOR MACHINING CYLINDRICAL ROUND SURFACE

Изобретение относится к обрабатывающему инструменту, в частности к профилирующему накатному инструменту для обработки поверхности заготовки, в особенности криволинейной внутренней поверхности отверстия, выполненного в заготовке, причем указанный инструмент содержит корпус, задающий ось инструмента, и по меньшей мере один первый накатной элемент, удерживаемый корпусом, выполненный с возможностью вращения вокруг оси первого накатного элемента и имеющий первую наружную поверхность, которая имеет шероховатую структуру по меньшей мере на одном рабочем участке, предназначенном для вхождения в контакт качения с поверхностью заготовки.
Изобретение также относится к соответствующему применению такого обрабатывающего инструмента.
Кроме того, изобретение относится к способу обработки поверхности скольжения цилиндра двигателя внутреннего сгорания с помощью соответствующего обрабатывающего инструмента, который вращают вокруг оси инструмента и поступательно перемещают вдоль указанной оси инструмента, причем обрабатывающий инструмент располагают в отверстии цилиндра, на цилиндрической поверхности скольжения которого выполнены канавки.
В международной публикации WO 2012/084612 А1 раскрыт способ обработки криволинейной поверхности заготовки, согласно которому осуществляют операцию накатного надавливания. Этот способ включает прокатывание накатного элемента обрабатывающего инструмента под давлением надавливания в области криволинейной поверхности заготовки, подлежащей обработке. Наружная поверхность накатного элемента имеет шероховатую структуру по меньшей мере на одном рабочем участке, предназначенном для вхождения в контакт качения с поверхностью заготовки. Давление надавливания регулируют таким образом, чтобы в процессе накатки в результате локальной деформации материала заготовки образовывалась шероховатая структура без отделения материала в обрабатываемой области поверхности заготовки.
Данный способ обработки может быть использован, например, для обработки внутренней поверхности отверстия, выполненного в обрабатываемой детали, в частности для повышения шероховатости поверхности обрабатываемой детали перед нанесением на нее покрытия. Кроме того, в настоящей патентной заявке предложен соответствующий обрабатывающий инструмент. Примером обработки заготовки служит подготовка внутренней поверхности скольжения цилиндра двигателя внутреннего сгорания перед нанесением на нее покрытия, имеющего низкое фрикционное сопротивление.
Обработку посредством обрабатывающего инструмента осуществляют для создания такой структуры внутренней поверхности цилиндра, которая может надежно удерживать покрытие. Обычно перед применением такого обрабатывающего инструмента на внутренней поверхности цилиндра выполняют канавки. Эти канавки могут быть выполнены путем механической обработки или вырезания, как описано в WO 2015/003790 А1, или путем обработки поверхности лазерными лучами.
Рабочие участки, имеющие шероховатую структуру поверхности, описанные в WO 2012/084612 А1, обычно содержат гранулы твердого материала, расположенные в матрице более мягкого материала. При использовании высокого давления надавливания могут возникать избыточные усилия, в результате которых гранулы твердого материала высвобождаются из матричной структуры.
Задача настоящего изобретения заключается в создании обрабатывающего инструмента, создании применения обрабатывающего инструмента и создании способа обработки цилиндрической скользящей поверхности двигателя внутреннего сгорания, при которых сведены к минимуму риск отделения гранул твердого материала и риск пластической деформации шероховатой структуры поверхности рабочего участка накатного элемента соответствующего обрабатывающего инструмента.
Вышеописанная задача решена за счет создания обрабатывающего инструмента, в частности накатного инструмента для обработки поверхности заготовки, в особенности криволинейной внутренней поверхности отверстия, выполненного в заготовке, причем указанный инструмент содержит корпус, задающий ось инструмента, и по меньшей мере один первый накатной элемент, удерживаемый корпусом, выполненный с возможностью вращения вокруг оси первого накатного элемента и имеющий первую наружную поверхность, которая имеет шероховатую структуру по меньшей мере на одном рабочем участке, предназначенном для вхождения в контакт качения с поверхностью заготовки, при этом указанный инструмент дополнительно содержит по меньшей мере один второй накатной элемент, удерживаемый корпусом, выполненный с возможностью вращения вокруг оси второго накатного элемента и имеющий вторую наружную поверхность, расстояние от которой до оси инструмента по меньшей мере на одном рабочем участке, предназначенном для вхождения в контакт качения с поверхностью заготовки, меньше расстояния от рабочего участка первого накатного элемента до оси инструмента.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения шероховатая структура поверхности на рабочем участке первой наружной поверхности первого накатного элемента образована гранулами твердого материала, выступающими в радиальном направлении. Предпочтительные гранулы твердого материала имеют средний размер частиц более 15 микрометров, предпочтительно от 30 до 200 микрометров. Под радиальным расстоянием или соответственно расстоянием от первой наружной поверхности первого накатного элемента до оси инструмента понимают, в частности, среднее расстояние от наружных поверхностей гранул твердого материала до оси инструмента. В частности, имеется ввиду среднее расстояние от рабочего участка первого накатного элемента или соответственно среднее расстояние от гранул твердого материала, выступающих от поверхности заготовки, до оси инструмента или среднее расстояние от гранул твердого материала, выступающих от рабочей области первого накатного элемента.
С помощью обрабатывающего инструмента согласно настоящему изобретению может быть осуществлено разделение работ таким образом, что при помощи рабочего участка второй наружной поверхности второго накатного элемента осуществляют предварительное надавливание на заготовку или соответственно на поверхность заготовки и затем при помощи рабочего участка первого накатного элемента образуют шероховатую структуру поверхности на заготовке посредством шероховатой структуры поверхности накатного элемента или соответственно посредством гранул твердого материала, задающих шероховатую структуру поверхности. В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый накатной элемент и второй накатной элемент прижимают к поверхности заготовки за счет предварительно задаваемого давления надавливания.
Рабочий участок второго накатного элемента предпочтительно является гладким. В частности, в предпочтительном варианте рабочий участок второго накатного элемента выполнен из стали, а предпочтительно из упрочненной стали.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения рабочий участок первого накатного элемента содержит выдающиеся наружу выступы, образованные из твердого материала, такого как твердый металл, алмаз, корунд или кубический нитрид бора. В предпочтительном варианте гранулы твердого материала имеют вышеописанный тип и вышеописанный средний размер частиц. Эти гранулы твердого материала предпочтительно расположены в спаивающей матрице, образованной, например, из меди и олова. При такой конструкции гранулы твердого материала выступают радиально наружу из спаивающей матрицы.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения рабочий участок первого накатного элемента расположен в осевом направлении позади рабочего участка второго накатного элемента относительно направления рабочего хода обрабатывающего инструмента вдоль оси инструмента. При таком расположении поверхность заготовки сперва подвержена предварительному надавливанию или соответственно пластической деформации, за которой следует придание шероховатости поверхности заготовки.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения рабочий участок первого накатного элемента расположен в осевом направлении позади рабочего участка второго накатного элемента относительно направления рабочего хода обрабатывающего инструмента вдоль оси инструмента, которое противоположно вышеописанному направлению рабочего хода обрабатывающего инструмента. При такой конструкции поверхность после придания ей шероховатости не выглаживается последующим рабочим участком второго накатного элемента. Данный предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения обеспечен, в частности, за счет того, что первый накатной элемент установлен таким образом, что он выполнен с возможностью смещения в осевом направлении.
Предпочтительно оси вращения накатных элементов ориентированы параллельно оси инструмента.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере для одного первого накатного элемента имеется клетевое гнездо, а по меньшей мере для одного второго накатного элемента имеется клетевое гнездо, причем протяженность клетевого гнезда или клетевых гнезд для указанного по меньшей мере одного первого накатного элемента в осевом направлении больше протяженности в продольном направлении указанного по меньшей мере одного первого накатного элемента для обеспечения предварительно задаваемого осевого смещения первого накатного элемента.
В предпочтительном варианте клетевое гнездо по меньшей мере для одного первого накатного элемента выполнено таким образом, что в ходе выполнения операции обработки при перемещении обрабатывающего инструмента в осевом направлении рабочего хода обеспечена возможность упора по меньшей мере одного первого накатного элемента в задний конец.
Для этой цели клетевое гнездо по меньшей мере для одного первого накатного элемента содержит задний стопор. В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанный задний стопор расположен позади заднего стопора для по меньшей мере одного второго накатного элемента в осевом направлении рабочего хода.
В предпочтительном варианте клетевое гнездо по меньшей мере для одного второго накатного элемента имеет осевую длину, обеспечивающую фиксацию второго накатного элемента в осевом направлении. Таким образом, второй накатной элемент не выполнен с возможностью смещения или по существу не выполнен с возможностью смещения в осевом направлении, а имеет фиксированное осевое местоположение.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения месторасположения центров осей клетевых гнезд находятся на одинаковой высоте относительно оси инструмента. Таким образом, предусмотрено, что высота в радиальном направлении или соответственно высота в плоскости, перпендикулярной оси инструмента, имеют одинаковое значение.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения клетевые гнезда изготовлены из материала, отличного от материала накатных элементов.
В предпочтительном варианте имеется множество первых накатных элементов и множество вторых накатных элементов. Предпочтительно первые накатные элементы чередуются со вторыми накатными элементами в окружном направлении обрабатывающего инструмента.
Кроме того, задача настоящего изобретения решена за счет применения разработанного обрабатывающего инструмента для накатывания или хонингования поверхности скольжения цилиндра двигателя внутреннего сгорания, снабженной канавками.
Кроме того, задача настоящего изобретения решена посредством способа обработки поверхности скольжения цилиндра двигателя внутреннего сгорания посредством разработанного обрабатывающего инструмента, согласно которому обрабатывающий инструмент с вращением вокруг оси инструмента вводят в направлении рабочего хода, которое лежит вдоль оси инструмента, в отверстие цилиндра, на цилиндрической поверхности скольжения которого выполнены канавки, дополнительно отличающегося тем, что указанный по меньшей мере один первый накатной элемент и указанный по меньшей мере один второй накатной элемент приводят во вращение за счет контакта с цилиндрической поверхностью скольжения, при этом рабочий участок по меньшей мере одного второго накатного элемента служит для сжатия материала цилиндрической поверхности скольжения с обеспечением образования поднутрения на гребнях, окружающих канавки, а рабочий участок по меньшей мере одного первого накатного элемента служит для придания шероховатости внутренней поверхности сжатых гребней.
Разработанный способ обеспечивает возможность очень надежной обработки поверхности заготовки. В частности, не высвобождается материал, отвечающий за шероховатую структуру поверхности рабочего участка первого накатного элемента. В частности, шероховатая структура поверхности образована гранулами твердого материала, которые выступают в радиальном направлении от первого накатного элемента, в частности в радиальном направлении от рабочего участка первого накатного элемента.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения рабочий участок по меньшей мере одного первого накатного элемента расположен позади рабочего участка по меньшей мере одного второго накатного элемента в направлении рабочего хода.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения в случае реверсирования направления рабочего хода рабочий участок по меньшей мере одного первого накатного элемента также расположен позади рабочего участка по меньшей мере одного второго накатного элемента. Это обеспечивает очень чистую и точную обработку поверхности заготовки.
Дополнительные характеристики изобретения станут очевидными из описания разработанных вариантов осуществления изобретения вместе с формулой изобретения и сопроводительными чертежами. Разработанные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на основании отдельных характеристик или сочетаний отдельных характеристик.
Ниже приведено описание изобретения без ограничения объема общей идеи изобретения со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления изобретения и сопроводительные чертежи, в связи с которыми сделано прямое указание на чертежи касательно любых компонентов, не описанных в явной форме в тексте. На чертежах:
на фиг. 1 схематически показан вид в частичном разрезе разработанного обрабатывающего инструмента,
на фиг. 2 схематически показан вид разработанного обрабатывающего инструмента в первом направлении рабочего хода, а
на фиг. 3 схематически показан вид разработанного обрабатывающего инструмента, показанного на фиг. 2, в обратном направлении рабочего хода.
На чертежах одинаковые или сходные элементы и/или детали имеют одинаковые ссылочные номера, при этом указанные элементы и детали повторно не описаны в каждом случае.
На фиг. 1 схематически изображен обрабатывающий инструмент 10, который также может быть описан как "накатной инструмент". Обрабатывающий инструмент 10 содержит корпус 12 инструмента, имеющий ось 13 инструмента. Обрабатывающий инструмент приводят во вращение вокруг оси 13 инструмента и, кроме того, перемещают в осевом направлении, например, в направлении рабочего хода.
На наружной окружности обрабатывающего инструмента 10 расположены накатные элементы 21 и 31, которые также называются "накатными роликами". На фиг. 1 изображены два различных накатных элемента одновременно, а именно: первый накатной элемент 21 и второй накатной элемент 31, чередующиеся в окружном направлении обрабатывающего инструмента. Это изображено схематически волнистыми линиями между двумя накатными элементами 21 и 31.
Обрабатывающий инструмент 10 служит для механической обработки цилиндрической поверхности 11, имеющей канавки 50 и гребни 51. Канавки 50 образованы, например, вследствие резки поверхности с помощью режущих дисков. Альтернативными средствами для создания канавок могут являться, например, лазерная обработка или фрезерование.
Обрабатывающий инструмент воздействует на внутреннюю поверхность 53 цилиндрической поверхности 11 скольжения таким образом, что, с одной стороны, имеется давление, обеспечивающее образование поднутрений 52, а также, с другой стороны, внутренняя поверхность 53 становится шероховатой. В известном уровне техники, например, в соответствии с международной публикацией WO 2012/084612 А1 или патентом ЕР 2871022 А1, этот результат достигнут при помощи накатного инструмента, имеющего рабочий участок, содержащий накатные элементы, в которые включены гранулы твердого материала, что, с одной стороны, обеспечивает сжатие поверхности, а также, с другой стороны, обеспечивает придание поверхности шероховатости.
В соответствии с настоящим изобретением имеются два различных накатных элемента, а именно следующие накатные элементы: первый накатной элемент 21 и второй накатной элемент 31, которые могут быть приведены в движение с обеспечением вращения вокруг оси 22 или соответственно оси 32 накатных элементов. Второй накатной элемент, расположенный впереди первого накатного элемента в направлении 40 рабочего хода, служит для сжатия гребней 51 с обеспечением образования поднутрений 52. Для этого предусмотрен рабочий участок 34, поверхность которого находится от оси 13 инструмента на расстоянии r2, которое несколько меньше, чем расстояние r1 от поверхности гранул 26 твердого материала, расположенных на рабочем участке 24 первого накатного элемента 21. С этой целью гранулы 26 твердого материала, например алмазные гранулы, заделаны в спаивающую матрицу 27, образованную, например, из меди и олова. Это приводит к образованию выступов 26, выдающихся над спаивающей матрицей 27, посредством которых поверхность 53 подвергается обработке после сдавливания рабочим участком 34 второго накатного элемента 31. В результате этого сила, прикладываемая к гранулам 26 твердого материала первого накатного элемента, меньше, чем сила в известном уровне техники, в результате чего предотвращено высвобождение этих гранул твердого материала.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения предполагается, что точно то же самое происходит в обратном направлении, когда приданию шероховатости посредством первого накатного элемента 21 предшествует сдавливание вторым накатным элементом 31. Как схематически показано на видах разработанного обрабатывающего инструмента 10 на фиг. 2 и 3, это осуществлено за счет того, что для первых накатных элементов 21 выполнены клетевые гнезда 41, имеющие продольную протяженность, превышающую продольную длину первых накатных элементов 21. В результате этого первые накатные элементы могут быть смещены в продольном осевом направлении. Клетевые гнезда 41' вторых накатных элементов 31 точно выполнены по длине указанных вторых накатных элементов 31 таким образом, что последние не могут быть смещены в продольном осевом направлении.
На фиг. 2 изображен этап обработки, выполняемый в направлении 40 рабочего хода. На чертеже видно, что первые накатные элементы 21 упираются в задний конец 42 клетевых гнезд 41. Как показано на чертеже, при перемещении в направлении рабочего хода в передней части клетевых гнезд 41 имеется свободное пространство. Кроме того, на фиг.2 показано, что имеется множество накатных элементов, причем первые накатные элементы 21 и вторые накатные элементы 31 чередуются в окружном направлении обрабатывающего инструмента. Кроме того, показан рабочий участок 24 первого накатного элемента 21 и рабочий участок второго накатного элемента 31. Заготовка 15, имеющая внутреннюю поверхность 53, подлежащую обработке, показана схематически.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения заготовка, обрабатываемая разработанным обрабатывающим инструментом 10, представляет собой цилиндрическую поверхность скольжения цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
В обратном направлении 40' рабочего хода, изображенном на фиг. 3, каждый из первых накатных элементов 21 упирается в другой задний конец 42' соответствующего клетевого гнезда 41 или соответственно относительно направления 40 рабочего хода в передний конец соответствующего клетевого гнезда 41.
Клетевые гнезда 41 и 41' выполнены, например, в виде латунных клеток таким образом, чтобы накатные элементы, которые предпочтительно выполнены из стали, не застревали в клетевых гнездах.
В иллюстративных вариантах осуществления изобретения, описанных в настоящей заявке, накатные элементы имеют цилиндрическую форму. Однако, накатные элементы могут также быть коническими, как показано в ЕР 2871022 А1.
Все описанные характеристики, включая, помимо прочего, характеристики, раскрытые только на чертежах, и характеристики, раскрытые в сочетании с другими характеристиками, следует рассматривать как имеющие существенное значение для реализации изобретения отдельно или в сочетаниях. Предложенные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы через отдельные характеристики или сочетание множества характеристик. В пределах объема изобретения характеристики, описанные терминами "в частности" или "в предпочтительном варианте", следует понимать как дополнительные характеристики.
Перечень ссылочных номеров
10
Обрабатывающий инструмент.
11
Цилиндрическая поверхность скольжения.
12
Корпус инструмента.
13
Ось инструмента.
15
Заготовка.
21
Первый накатной элемент.
22
Ось первого накатного элемента.
23
Первая наружная поверхность.
24
Рабочий участок.
25
Выступ.
26
Гранула твердого материала.
27
Спаивающая матрица.
31
Второй накатной элемент.
32
Ось второго накатного элемента.
33
Вторая наружная поверхность.
34
Рабочий участок.
40
Направление рабочего хода.
40'
Обратное направление рабочего хода.
41
клетевое гнездо.
41'
клетевое гнездо.
42
Задний конец.
42'
Задний конец.
50
Канавка.
51
Гребень.
52
Поднутрение.
53
Внутренняя поверхность.
r1
(Расстояние)
r2
(Расстояние)