提高機(jī)軸,特別是曲軸的強(qiáng)度的方法和工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高機(jī)軸，特別是曲軸的承載面的強(qiáng)度的方法和輥壓工具，通過(guò)切削預(yù)先制備該承載面，其中曲軸的主軸頸及連桿軸頸的圓柱形表面和軸頸的圓柱形表面具有附加的油道。根據(jù)該方法，用至少一個(gè)圓柱形輥壓體輥壓至少一個(gè)承載面，該輥壓體具有一種表面構(gòu)造，并在承載面的寬度上延伸。接著以微切削深度對(duì)經(jīng)過(guò)輥壓的承載面進(jìn)行切削加工。該輥壓工具由一個(gè)圓柱形輥壓體和一個(gè)相對(duì)的支撐體組成，其中該輥壓體在其圓柱形表面具有若干加厚部分，它們或沿圓周方向，或沿軸向，或相對(duì)于軸線方向呈對(duì)角線分布。
【專利說(shuō)明】提高機(jī)軸，特別是曲軸的強(qiáng)度的方法和工具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高機(jī)軸的承載面的強(qiáng)度，特別是提高曲軸的圓柱面的方法和輥壓工具，通過(guò)切削預(yù)先制備該承載面，其中曲軸的主軸頸及連桿軸頸的圓柱形表面和軸頸的圓柱形表面具有附加的油道。

【背景技術(shù)】
[0002]曲軸大規(guī)模應(yīng)用在轎車的內(nèi)燃機(jī)上，數(shù)量在百萬(wàn)規(guī)模。其中鋼制鍛造曲軸優(yōu)先作為高負(fù)荷曲軸(比如柴油發(fā)動(dòng)機(jī))使用。鑄鐵制曲軸的成本則明顯更低廉，優(yōu)先使用在普通負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)上。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的進(jìn)步導(dǎo)致更高的燃?xì)鈩?dòng)力，因此也導(dǎo)致更高負(fù)荷的曲軸，然而出于能源消耗的原因，軸承尺寸卻正在變小(關(guān)鍵詞“Downsizing”)。鋼制或鑄鐵制曲軸的軸承的承載能力因此消耗得更為劇烈。
[0003]此外高負(fù)荷軸承也部分運(yùn)用在混合摩擦領(lǐng)域，現(xiàn)代運(yùn)輸工具在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下通常關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，這種啟動(dòng)-停止-循環(huán)造成了軸承的額外磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承間隙小于I μ m。高負(fù)荷軸承模型精度很高，并且由于同軸承套的金屬的化學(xué)親和性，要求非常低的表面粗糙度。硬化軸承工作面在曲軸的運(yùn)輸和使用上，以及在軸承承載能力方面具有優(yōu)勢(shì)。為了利用這種優(yōu)勢(shì)，需要極低的，l/10mm范圍的硬化深度。
[0004]這種硬化同樣可使用在油道的保護(hù)上。
[0005]并不只有曲軸具有主軸承和連桿軸承以及軸頸的承載面。凸輪軸也具有類似的承載面在氣缸閥門的頂端滾動(dòng)。但不同于曲軸的承載面，凸輪軸承載面的橫截面是由一大一小兩個(gè)圓組成。對(duì)于兩種機(jī)軸同樣設(shè)置提高承載面的強(qiáng)度。
[0006]本領(lǐng)域技術(shù)人員已熟知承載面的硬化，比如借助感應(yīng)硬化或氮化硬化。軸承半徑輥壓設(shè)備也是同樣的情況，因此可不需描述本發(fā)明范圍內(nèi)的此類設(shè)備。相比硬化工藝，輥壓是一種低成本且非常環(huán)保的方法。在輥壓過(guò)程中，使工作表面在由工具鋼制或硬質(zhì)合金制的輥壓體造成的高壓力下成型并輥壓。經(jīng)過(guò)輥壓的表面的特征在于正的內(nèi)部應(yīng)壓力達(dá)到毫米范圍的深度。由此，通過(guò)輥壓，在后續(xù)精加工過(guò)程之后，也能保障強(qiáng)度，并使軸承工作面更能抵抗安裝運(yùn)輸或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的表面損傷。借此也可減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸承磨損。相對(duì)摩擦面的滑動(dòng)軸承套因此能有更長(zhǎng)的使用壽命。
[0007]因此本發(fā)明的目的在于，以輥壓取代硬化提高工作面的強(qiáng)度，工作面包括鋼制或鑄鐵制或其他合金制曲軸的主軸承和連桿軸承上的、以及軸頸和法蘭直徑上的工作面，以此提高內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。油道強(qiáng)度的提升同樣也可以通過(guò)以輥壓取代硬化實(shí)現(xiàn)。
[0008]相關(guān)技術(shù)狀況已為 申請(qǐng)人:所知，特別是通過(guò)JP 2006 34 6801 Al和WO 2006/135014 Al，下面將進(jìn)行說(shuō)明。
[0009]由JP 2006 34 6801 Al可知，無(wú)橫向溝槽的曲軸軸頸表面的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，同時(shí)使用特殊方式拋光軸頸，即使在有油道的情況下。為此設(shè)置了一對(duì)相同盤形構(gòu)造的拋光滾筒。在軸頸上滾動(dòng)的該拋光滾筒的圓周上具有四個(gè)突出部，以相同間隔按軸向分布。相鄰?fù)怀霾恐g的間隔大于油道的內(nèi)徑。以此方式拋光的表面明顯無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的微切削深度的切削加工，以致在軸頸內(nèi)輥壓形成波浪結(jié)構(gòu)。油道完全未得到處理。
[0010]由WO 2006/135 014 Al可知一種拋光曲軸的方法和工具。一對(duì)等高的盤形拋光滾筒相對(duì)布置在曲軸軸頸的兩側(cè)。曲軸由動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。該對(duì)拋光滾筒朝彼此遠(yuǎn)離的方向移動(dòng)，而該曲軸軸頸由實(shí)現(xiàn)曲軸拋光的拋光滾筒的外圓周表面固定。然而該公開(kāi)文獻(xiàn)并未說(shuō)明是否在拋光的同時(shí)使拋光后的軸頸的具有表面構(gòu)造。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的由此實(shí)現(xiàn)，使用至少一個(gè)圓柱形輥壓體輥壓至少一個(gè)承載面，該輥壓體具有一種表面構(gòu)造，并在承載面的寬度上延伸，最后以微切削深度對(duì)經(jīng)過(guò)輥壓的承載面進(jìn)行切削加工。
[0012]特別可使用3個(gè)圓柱形輥壓體同時(shí)進(jìn)行輥壓。
[0013]優(yōu)選對(duì)曲軸的主軸頸和連桿軸頸的圓柱形承載表面進(jìn)行輥壓。而曲軸法蘭也可如此處理，以提高其表面強(qiáng)度，并因此避免在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中形成的、可造成滲油的裂縫的產(chǎn)生。
[0014]如曲軸的軸頸具有油道，可用同樣方式對(duì)曲軸的軸頸進(jìn)行輥壓。
[0015]優(yōu)選使用圓柱形輥壓體對(duì)曲軸的主軸頸和連桿軸頸以及曲軸軸頸進(jìn)行輥壓，該輥壓體在油道區(qū)域具有一個(gè)點(diǎn)狀的加厚部分。
[0016]使用多個(gè)圓柱形輥壓體進(jìn)行輥壓，該輥壓體具有若干加厚部分在待輥壓的圓柱形表面的寬度上彼此相鄰。
[0017]使用具有表面構(gòu)造的輥壓體進(jìn)行輥壓之后，需要以微切削深度進(jìn)行切削再加工，以重建承載面的模型精度。這樣再加工后的承載面最后還要進(jìn)行打磨，比如通過(guò)拋光或使用激光射線進(jìn)行表面處理。
[0018]實(shí)行該方法的輥壓工具設(shè)置至少一個(gè)圓柱形輥壓體和至少一個(gè)支撐部件，該支撐部件關(guān)于待輥壓承載面的橫截面與輥壓體相對(duì)，其中輥壓體在其圓柱形表面具有若干加厚部分或凹口，它們或沿圓周方向，或沿軸向，或相對(duì)于軸線方向呈對(duì)角線分布。
[0019]經(jīng)證明這種在其圓柱形表面上具有類似菱形圖案凹口的輥壓體是合適的。在多個(gè)輥壓體的應(yīng)用上，設(shè)置輥壓體關(guān)于待輥壓承載面的橫截面相對(duì)。
[0020]在一個(gè)輥壓工具中設(shè)置三個(gè)輥壓體的應(yīng)用上，當(dāng)三個(gè)輥壓體關(guān)于待輥壓承載面的橫截面呈三角形設(shè)置時(shí)，經(jīng)證明是有益的。
[0021]至少兩個(gè)輥壓體的表面結(jié)構(gòu)相互跟隨是有益的。在三個(gè)輥壓體中一個(gè)可以作為支撐體，其具有平滑圓柱形表面。但應(yīng)有一個(gè)輥壓體在其圓柱形表面具有一個(gè)點(diǎn)狀加厚部分，其余部分則為光滑的表面，該加厚部分設(shè)置為，在輥壓體在承載面上的滾動(dòng)中，精確擊中已存的油道的位置。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]下面，憑借實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作出詳細(xì)說(shuō)明。以未按照比例的、示意性的圖示示出:
[0023]圖1示出了曲軸的縱向截面；
[0024]圖2示出了兩個(gè)相互對(duì)應(yīng)的輥壓體的端面及側(cè)面視圖；
[0025]圖3示出了另一輥壓體的端面及側(cè)面視圖；
[0026]圖4示出了另一具有點(diǎn)狀加厚部分的輥壓體的端面、側(cè)面及俯視圖；
[0027]圖5示出了輥壓體在輥壓工具內(nèi)的一種可能的設(shè)置；
[0028]以下圖示各自以縮小比例尺示出:
[0029]圖6示出了曲軸的主軸頸以及軸頸和法蘭；
[0030]圖7示出了連桿軸頸；
[0031]圖8示出了曲軸上的油道走向。
[0032]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0033]I曲軸
[0034]2承載面
[0035]3承載面
[0036]4曲拐臂
[0037]5曲拐臂截面
[0038]6曲拐臂截面
[0039]7油道
[0040]8油道孔
[0041]9油道孔
[0042]10輥壓工具
[0043]11輥壓體
[0044]12輥壓體
[0045]13輥壓體
[0046]14三角形
[0047]15外殼
[0048]16外殼
[0049]17圓柱形表面
[0050]18圓柱形表面
[0051]19加厚部分
[0052]20加厚部分
[0053]21間距
[0054]22間距
[0055]23轉(zhuǎn)軸
[0056]24轉(zhuǎn)軸
[0057]25輥壓體
[0058]26加厚部分
[0059]27轉(zhuǎn)軸
[0060]28間距
[0061]29圓柱形表面
[0062]30輥壓體
[0063]31透鏡形加厚部分
[0064]32圓柱形表面
[0065]33曲軸
[0066]34軸頸
[0067]35法蘭
[0068]36曲軸
[0069]37曲軸
[0070]38油道孔
[0071]39油道孔
[0072]40油道
[0073]Ji主軸頸
[0074]Pi連桿軸頸

【具體實(shí)施方式】
[0075]圖1示出了帶有主軸頸Ji和連桿軸頸Pi的曲軸I的縱向截面。承載的圓柱形表面由數(shù)字2和3表示。主軸頸Ji和連桿軸頸Pi之間是曲拐臂4的截面。另外的曲拐臂截面5和6連接在圖1外緣。虛線示出了承載的圓柱形表面2和3上的、具有油道孔8和9的油道7。
[0076]如圖5所示，使用輥壓工具10對(duì)承載的圓柱形表面2和3進(jìn)行輥壓。輥壓工具10以三個(gè)圓柱形輥壓體11、12和13設(shè)置在主軸頸Ji或連桿軸頸Pi周圍。由圖5不難看出，三個(gè)輥壓體11、12和13組成了三角形14。輥壓體11獨(dú)自位于輥壓外殼15內(nèi)，而輥壓體12和13共同位于外殼16內(nèi)。
[0077]舉例來(lái)說(shuō)，如圖2以側(cè)面及端面視角所示，輥壓體11和12的圓柱形表面17和18上具有若干加厚部分19和20。該加厚部分19和20為圓形凸起，分別沿圓柱形表面17和18的圓周延伸?？梢钥闯?，輥壓體11的各加厚部分19之間都存在空隙21。輥壓體12的圓柱形表面18上的加厚部分20也是同樣的情況。這里各加厚部分20之間也有空隙22。從圖2還可以看出，輥壓體12的加厚部分20正對(duì)輥壓體11的空隙21。這表示，在輥壓體11和12的轉(zhuǎn)軸23和24的方向，加厚部分19和20彼此相鄰。通過(guò)這種相鄰排序，在受到輥壓的承載面2和3形成了一種連續(xù)的圖案。加厚部分19和20并不高，比各自的圓柱形表面17和18高出0.1到0.5mm。它們的寬度同樣微小，處于0.1到0.5mm之間，優(yōu)選是0.2mm。間距21和22也是同樣的情況，間隔通常在0.1到1.0mm之間，優(yōu)選是0.5mm。通過(guò)對(duì)承載面2和3的輥壓，在該處仍能產(chǎn)生正的內(nèi)部壓應(yīng)力，并達(dá)到毫米范圍的深度。由此，通過(guò)輥壓，在后續(xù)精加工過(guò)程之后，也能保障強(qiáng)度，并使得軸承工作面2和3更能抵抗安裝運(yùn)輸或者發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)的表面損傷。
[0078]圖3示出了另一種輥壓體25的側(cè)面和端面視圖。該輥壓體25也具有多個(gè)與輥壓體11和12的加厚部分19和20類似的加厚部分26。與其不同的是，從圖3可以看出，加厚部分26沿著輥壓體25的轉(zhuǎn)軸27方向設(shè)置。各加厚部分26之間也存在間距28。
[0079]第二個(gè)輥壓體在圖3中不再示出，其設(shè)置與圖2相似。這里兩個(gè)輥壓體的加厚部分26也會(huì)彼此相鄰咬合。
[0080]除了加厚部分19、20和26這種徑向和軸向的設(shè)置之外，其他的設(shè)置也是可能的，比如在圓柱形表面17、18、29呈對(duì)角線分布。通過(guò)這種設(shè)置可在承載面2和3上形成其他圖案，比如矩形交織的或是波狀的或是任何其他紋樣的圖案。
[0081]油道7的油道孔8和9示出了一個(gè)特殊問(wèn)題。為預(yù)防可能從該處形成的裂縫，油道孔8和9也需要特別加強(qiáng)。針對(duì)此種加強(qiáng)可設(shè)置特別的輥壓體30，圖4示出了其側(cè)面、俯視及端面視圖。該輥壓體30在其圓柱形表面32具有一個(gè)透鏡形加厚部分31。該透鏡形加厚部分31設(shè)置如下，在輥壓體30在承載面2或3上的滾動(dòng)中，該加厚部分始終分別擊中油道7的油道孔8或9。該透鏡形加厚部分31高出圓柱形表面32大約0.1到1.5_。
[0082]圖4為了特別說(shuō)明而單獨(dú)示出的透鏡形加厚部分31，也可設(shè)置在輥壓體11、12或25上。
[0083]圖6以縮小比例尺示出了曲軸33的側(cè)面視圖。該曲軸33具有主軸頸IJ至5J。連桿軸頸IP至4P位于主軸頸Ji之間。軸頸34構(gòu)成該曲軸33的前端，末端則由法蘭35構(gòu)成。除根據(jù)本發(fā)明對(duì)主軸頸Ji進(jìn)行輥壓外，軸頸34以及法蘭35的圓柱形表面也可進(jìn)行輥壓。
[0084]圖7特別示出了連桿軸頸P。此處為了說(shuō)明處理方法的應(yīng)用，設(shè)置對(duì)連桿軸頸IP至4P根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行輥壓。
[0085]根據(jù)圖8，曲軸37中油道40的油道孔38和39為觀察重點(diǎn)。通過(guò)輥壓，油道40的油道孔38和39的邊緣得到了打磨。
【權(quán)利要求】
1.一種提高機(jī)軸的承載面，特別是曲軸(1、33、36、37)的圓柱形承載面(2、3)的強(qiáng)度的方法，通過(guò)切削預(yù)先制備所述承載面，其中曲軸(1、33、36、37)的主軸頸(Ji)及連桿軸頸(Pi)的圓柱形承載面和軸頸(34)的圓柱形承載面(2、3)具有附加的油道，其特征在于， -使用至少一個(gè)圓柱形輥壓體(11、12、25、30)對(duì)至少一個(gè)承載面進(jìn)行輥壓， -所述輥壓體具有表面構(gòu)造(19、20、26)，并且 -在承載面的寬度上延伸，最后 -以微切削深度對(duì)經(jīng)過(guò)輥壓的承載面進(jìn)行切削加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用三個(gè)所述圓柱形輥壓體(11、12、13)同時(shí)進(jìn)行輥壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)所述曲軸(1、33、36、37)的所述主軸頸(Ji)和所述連桿軸頸(Pi)進(jìn)行輥壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)所述曲軸(1、33、36、37)的法蘭(35)進(jìn)行輥壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)所述曲軸(1、33、36、37)的所述軸頸(34)進(jìn)行輥壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述圓柱形輥壓體(30)對(duì)所述曲軸(1、33、36、37)的主軸頸(Ji)和連桿軸頸(Pi)以及軸頸(34)進(jìn)行輥壓，所述輥壓體在油道(7,40)區(qū)域具有一個(gè)加厚部分(31)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，使用多個(gè)所述圓柱形輥壓體(11、12、13、25)進(jìn)行輥壓，所述輥壓體具有若干所述加厚部分(19、20、26)在待輥壓的所述圓柱形表面(2,3)的寬度上彼此相鄰排序。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)經(jīng)過(guò)輥壓及切削再加工的所述承載面(2、3)進(jìn)行打磨。
9.用以實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的輥壓工具，其特征在于，所述輥壓工具(15、16)具有至少一個(gè)輥壓體(12、13)，其關(guān)于待輥壓承載面(2、3)的橫截面與輥壓體(11)相對(duì)，其中所述輥壓體(11)在其圓柱形表面(17)具有若干加厚部分(19)或凹口，它們或沿圓周方向，或沿軸向(23)，或相對(duì)于軸線(23)方向呈對(duì)角線分布。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的輥壓工具，其特征在于，所述輥壓工具(11、12、13、25)的圓柱體表面(17、18、29)的所述加厚部分(19、20、26)具有菱形圖案。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的輥壓工具，其特征在于，所述輥壓工具具有兩個(gè)輥壓體(11、12)，所述兩個(gè)輥壓體關(guān)于待輥壓承載面的橫截面相對(duì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的輥壓工具，其特征在于，所述輥壓工具(10)具有三個(gè)輥壓體(11、12、13)，所述三個(gè)輥壓體關(guān)于待輥壓承載面(J1、Pi)的橫截面呈三角形(14)設(shè)置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的輥壓工具，其特征在于，所述至少兩個(gè)輥壓體(11、12)的表面構(gòu)造(19、20)彼此相鄰排序。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的輥壓工具，其特征在于，設(shè)置一個(gè)所述輥壓體形成為具有平滑圓柱形表面的支撐體(13)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的輥壓工具，其特征在于，所述輥壓體(30)在其所述圓柱形表面(32)具有一個(gè)透鏡形加厚部分(31)，所述加厚部分設(shè)置為，在所述輥壓體(30)在所述承載面(J1、Pi)上的滾動(dòng)中，精確擊中在此位置已存的油道(7、40)的油道口(8、9、38、39)。
【文檔編號(hào)】B24B39/04GK104302447SQ201380009673
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月16日
【發(fā)明者】丹尼爾·克尼平, 赫爾穆特·霍赫貝恩 申請(qǐng)人:黑根沙伊特-Mfd有限公司及兩合公司