專利名稱：零件表面的加工工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于零件表面加工的工具。表面機(jī)械加工迄今一直是利用鏜磨工具或研磨工具進(jìn)行鏜磨(拉磨)或研磨。半自動(dòng)或全自動(dòng)工作的鏜磨機(jī)用于大量生產(chǎn)。表面通過多道工序加工，但是這不能滿足表面超精加工的要求。由于留下過多的裂紋和劃痕，使被加工表面容易產(chǎn)生故障。
與上述相反，具有主權(quán)利要求特征的本發(fā)明工具的優(yōu)點(diǎn)是，被加工表面可不通過切削進(jìn)行加工，而是通過一種對(duì)材料的壓實(shí)和致密。由于進(jìn)行了表面的硬化、光滑和壓實(shí)工藝，在被加工零件中達(dá)到的尺寸精度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過采用以往的工藝方法所能達(dá)到的。由于被加工表面幾乎沒有任何溝紋，所以該表面實(shí)際上對(duì)腐蝕不敏感。因此，被加工的零件有較長(zhǎng)的壽命。
對(duì)于所指出的工具具體的進(jìn)一步發(fā)展以及相應(yīng)措施和特征是通過下面的說明來表現(xiàn)的。
本發(fā)明提供一種用于零件表面尤其是孔、軸等加工的工具，主要用于使表面光滑和硬化，其具有一個(gè)導(dǎo)引段、一個(gè)帶斜度的入口區(qū)、一個(gè)實(shí)際上無過渡地匯入一第一個(gè)圓柱形加工區(qū)的切向段，加工區(qū)的直徑比被加工零件的直徑大、至少一個(gè)曲線狀恢復(fù)區(qū)、至少一個(gè)槽、至少一個(gè)第二恢復(fù)區(qū)、以及至少一個(gè)第二加工區(qū)，第二加工區(qū)的長(zhǎng)度約占第一加工區(qū)長(zhǎng)度的60%，有一個(gè)出口區(qū)，它的斜度大于入口區(qū)，有一個(gè)出口圓柱和一個(gè)圓頂;導(dǎo)引段和入口區(qū)之間，有一個(gè)圓柱形定心區(qū)，此定心區(qū)的軸線與被加工零件的軸線重合;定心區(qū)大約占零件長(zhǎng)度的30%至40%;引導(dǎo)段用一個(gè)高壓支座替代，支座的斜度大于或小于零件支座所要求的斜度;在第二加工區(qū)后面的是高壓支座，它替代出口區(qū)，所以此高壓密封支座匯入出口圓柱中;圓頂設(shè)計(jì)成三心曲線的形式。
本發(fā)明還提供一種上述工具加工零件表面的方法，在加工中，使工具的軸線和被加工零件的軸線在夾具中互相同心地定位，工具在夾具中以一個(gè)最小速度相對(duì)于被加工零件運(yùn)動(dòng)，以便使零件表面發(fā)熱，所以，可用所提供的外部金屬離子來使被加工零件表面加進(jìn)合金元素;在工具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)前，將包含外部金屬離子的潤(rùn)滑液至少要涂在工具的入口區(qū)上;在工具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，工具達(dá)到零件支座邊緣，工具在零件中繞軸線以定壓和等速至少旋轉(zhuǎn)360°。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例表示在下列附圖中，下文將通過附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及有關(guān)目的予以詳細(xì)說明。


圖1表示本發(fā)明工具沿縱向斷開的輪廓圖，為表示清楚起見，各部分沒有按真實(shí)的尺寸表示;
圖2和3表示圖1所示最佳實(shí)施例的改進(jìn)型;和圖4表示工具母材上硬質(zhì)層的分層結(jié)構(gòu)。
圖1中，標(biāo)號(hào)10表示用于同時(shí)使表面光滑和硬化的工具。按圖1中箭頭11表示的加工方向看，工具10的開頭是一個(gè)定心區(qū)12。此定心區(qū)12具有一個(gè)錐形導(dǎo)引段13，它例如有斜度約7°。導(dǎo)引段13用于將工具無損傷地引入到例如一個(gè)孔中。所以，在下面的敘述中將總是針對(duì)孔。從導(dǎo)引段13到定心區(qū)12的過渡有一個(gè)很小的圓弧。這樣做是必要的，是為了防止損傷被加工表面。定心區(qū)12本身為圓柱形。但重要之點(diǎn)在于，工具10的軸線和孔的軸線應(yīng)當(dāng)重合，從而使工具10在孔中不會(huì)傾斜。
具有斜度的入口區(qū)15與定心區(qū)12相連，其斜度在0.7°至2.3°之間，這取決于工具的材料，還取決于被加工零件的材料。在這里的被加工零件例如是指一個(gè)制有孔的閥。斜度值目前仍通過實(shí)驗(yàn)確定。入口區(qū)15是為了防止孔的入口被與之相鄰的工作區(qū)17不小心刮傷。切向段18從入口區(qū)15導(dǎo)引至加工區(qū)17。切向段18的輪廓形狀實(shí)際上是一個(gè)大的圓弧，所以相當(dāng)于一條切線。該切向段18是必須的，以避免從入口區(qū)15到加工區(qū)17成棱角狀過渡。切向段18圓弧狀的設(shè)計(jì)就已經(jīng)使被加工零件的材料受壓。與不合要求的棱角狀過渡相反，如上所述，采用切向段18為圓弧的做法，其結(jié)果是使沿工具10運(yùn)動(dòng)方向11材料的物質(zhì)在小區(qū)內(nèi)沒有位錯(cuò)，但是材料沿徑向向外，亦即垂直于或與運(yùn)動(dòng)方向11成小于90°的方向，有巨大的位移。切向段18的圓弧半徑取決于零件材料和工具10的長(zhǎng)度與直徑之比。
毗鄰的實(shí)際有效的加工區(qū)17由圓柱段構(gòu)成。其直徑可大于被加工孔所要求直徑最多約0.2%。這一余量取決于零件材料和孔的長(zhǎng)度。工具10上的加工區(qū)的寬度約等于孔加工直徑的0.4%。制成曲線狀的恢復(fù)區(qū)20與加工區(qū)17相連。它用于恢復(fù)被加工區(qū)17加工后的零件材料?；謴?fù)過程發(fā)生在零件孔表面的小范圍內(nèi)。零件材料可以少量地再次分布在恢復(fù)區(qū)20內(nèi)。
在恢復(fù)區(qū)20之后，有一個(gè)異物收集槽22，這些異物是在這之前的粗加工工序中留在孔中的。這些例如可能是磨料顆?；蚱渌s質(zhì)或廢液成分，下面還要談到，這種液體用于在工具10加工孔時(shí)提高孔的表面光度。收集槽22制成圓弧狀，圓弧半徑取決于工具的直徑和長(zhǎng)度。從恢復(fù)區(qū)20到收集槽22的連續(xù)過渡，對(duì)于無損傷地從孔中取出工具的逆向運(yùn)動(dòng)是重要的，從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看，這是一條復(fù)合曲線。連接段24在形狀、作用和功能等方面，與恢復(fù)區(qū)20是一致的。若有一面想象的鏡子，其軸線則通過最低點(diǎn)，亦即通過收集槽22的最低點(diǎn)，從收集槽22到連接段24的過渡，以及連接段24本身，構(gòu)成了恢復(fù)區(qū)20和從恢復(fù)區(qū)20到收集槽22過渡的鏡面對(duì)稱的重復(fù)。這也這意味著，收集槽22連續(xù)地匯合并入第二個(gè)加工區(qū)26中是按如加工區(qū)17匯入恢復(fù)區(qū)20中同樣的形式。加工區(qū)26大約只有加工區(qū)17長(zhǎng)度的60%，但其直徑與加工區(qū)17的直徑完全一樣。除了加工區(qū)26和17的長(zhǎng)度互不相同之外，從收集槽22到連接段24的過渡、連接段24本身以及加工區(qū)26，構(gòu)成了區(qū)段17、20和22的鏡面對(duì)稱的重復(fù)。在加工區(qū)17和26之間有一個(gè)或多個(gè)加工區(qū)26，按必須達(dá)到的被加工零件的長(zhǎng)度同樣地重復(fù)。所有重復(fù)的加工區(qū)26，其長(zhǎng)度也都是第一個(gè)加工區(qū)17長(zhǎng)度的60%。出口區(qū)30與最后一個(gè)加工區(qū)26相連，它的斜度略大于入口區(qū)15的斜度。其斜角在3°至7°之間。它還是作為剛被加工的零件材料的膨脹區(qū)。
從出口區(qū)30到出口圓柱32的過渡是圓弧狀的，以避免工具出現(xiàn)斷裂的危險(xiǎn)。
出口圓柱32的長(zhǎng)度大約等于定心區(qū)12的60%。出口圓柱32的直徑大約比加工區(qū)17或26的直徑小0.5%至1%。這也意味著出口圓柱32的直徑小于定心區(qū)12的直徑。但在特殊情況下它們也可以是相等的。
工具10的末端制成圓頂34，它用于迫使工具10沿箭頭11的方向輸入運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)迫引入和強(qiáng)迫傳遞。圓頂34設(shè)計(jì)成例如借助于自動(dòng)壓力機(jī)使強(qiáng)制引入可以在一個(gè)特定點(diǎn)。圓弧半徑按實(shí)驗(yàn)確定，它取決于工具10的長(zhǎng)度和直徑。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看，若工具10直徑較小，則圓頂34具有三心曲線的形狀，這意味著，與假設(shè)它被設(shè)計(jì)成圓弧狀的形式相比，圓頂34的側(cè)面較為陡峭。這樣做尤其在工具具有較大長(zhǎng)度和較小直徑的情況下是必要的。此外，圓頂34制成相對(duì)于通過圓頂34頂端想象的鏡面軸線是成鏡面對(duì)稱的。
工具的上述這些區(qū)段構(gòu)成了與工具的使用無關(guān)的總是存在的基本部分。一旦工具用于加工一個(gè)連續(xù)孔，如上文所述的那樣，定心區(qū)12直接在工具上形成。或者，一個(gè)定心區(qū)可附屬于被加工的零件。工具的一個(gè)或多個(gè)加工部分仍與定心區(qū)12連接。加工部分由加工區(qū)17至加工區(qū)26組成，這一加工部分重復(fù)若干次。如上述已闡明的，第一次重復(fù)后，加工區(qū)26的長(zhǎng)度始終是相同的，但在各種情況下，只有與入口區(qū)15相連的第一個(gè)加工區(qū)17長(zhǎng)度的60%。加工部分由多個(gè)臺(tái)階組成，各臺(tái)階的加工區(qū)17和26，它們每一個(gè)均具有較大的直徑。該直徑不是從一個(gè)臺(tái)階到另一個(gè)臺(tái)階成線性增加的，加工區(qū)17、26或17a、26a直徑的增加沿工具全長(zhǎng)成曲線狀，例如，具有對(duì)數(shù)曲線或位函數(shù)曲線的形狀。工具的精確形狀由實(shí)驗(yàn)確定。最后一個(gè)臺(tái)階，亦即指加工區(qū)26，它與被加工孔的直徑再加上必要的總余量(余量同樣也應(yīng)逐個(gè)臺(tái)階增加)相匹配。在這個(gè)加工區(qū)26后面接著的是出口區(qū)30、出口圓柱32和圓頂34。
該工具的一種改型還可用于加工盲孔。在這種情況下，必須將工具再次從盲孔拉出，因此需要一個(gè)區(qū)段能適合于夾住此專用工具。為此目的，在出口圓柱32和圓頂34之間設(shè)置一提升段36。此提升段36設(shè)計(jì)成例如兩面體或四面體。為了完全可靠地拉出工具10，提升段36的表面設(shè)計(jì)成具有特定的粗糙度。
在另一種改型中，利用工具還可在孔中制出閥座和凸肩。為此目的，此工具在加工區(qū)26之后設(shè)置支座38，它的尺寸與孔中所要求的閥座尺寸相對(duì)應(yīng)。支座38的斜度取決于零件材料，約大于所加工閥座斜度的0.5%。這是必須的，因?yàn)榱慵筒牧嫌谢貜?。出口圓柱32與支座38相連。
當(dāng)然，還可以將支座設(shè)置在導(dǎo)引段13的前面以及定心區(qū)12的前面，以便制造注射閥的閥座。在支座40前置的情況下，兩個(gè)區(qū)段12和13在長(zhǎng)度上很短，所以如圖3所示可以將它們略去。加工區(qū)17和如上所述的后續(xù)的區(qū)段接在它后面。此外，還可以采用用于制造閥座的帶支座階梯形加工區(qū)。上述加工區(qū)以及必要時(shí)還有支座可以任何方式互相結(jié)合在一個(gè)工具中。
用以上所介紹的工具要能硬化和光滑孔的表面，所以此工具10必須用特殊材料制造，并要有通過特殊方法施加上的邊緣層。工具10的母體50必須由金屬制成，這種金屬是均質(zhì)細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)。如果要制造細(xì)的工具，例如直徑2至12毫米，可采用高壓燒結(jié)的半成品，也就是說，是一種用高壓燒結(jié)方法制成的載體。優(yōu)選高速鋼(HSS)可用于制造粗的工具。但在所有的情況下，工具的直徑都大約要大于以后將制成的加工區(qū)17、26所要求直徑的40%。在這些區(qū)段中超過所要求直徑的部分，往往在處于制造粗或細(xì)的工具半成品過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)和脫碳的留量區(qū)內(nèi)。這一超過直徑40%的部分用機(jī)械加工除去，亦即例如通過磨削。那么，所得到的表面應(yīng)盡可能光滑。磨削以后所獲得的在中心部分的載體材料或母材50比較均勻。此外，這一機(jī)械加工的結(jié)果是使留下來成為工具的材料是致密的。這意味著，顆粒互相熔合得更好，其結(jié)果是結(jié)構(gòu)更致密。以此方法生產(chǎn)的工具半成品用作制造成外加一個(gè)非金屬硬質(zhì)層51的原始材料。主要通過這一硬質(zhì)層，并與上述工具10的幾何形狀一起，保證加工表面的硬度和光度的質(zhì)量。
在加工過程末尾，在外壁上設(shè)有非金屬硬質(zhì)層的目的是，在壁上構(gòu)成所謂的工具加工面。如上所述，此非金屬硬質(zhì)層51是應(yīng)用在金屬的載體材料50上的。工具10相應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。在圖中，標(biāo)號(hào)50表示載體材料，它是按上文所介紹方法制成的，具有均質(zhì)細(xì)顆粒的結(jié)構(gòu)。重要的是，載體材料的表面50要沿全長(zhǎng)盡可能光滑和具有精確的尺寸。將一層厚度大約0.2-0.3微米的薄活化層52施加在載體材料50上。這一活化層52例如為鉑(Pt)、鈀(Pd)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銀(Ag)或金(Au)構(gòu)成。當(dāng)然，也可能是這些物質(zhì)的互相組合。此活化層52以網(wǎng)狀的形式設(shè)置在載體材料50的全部外表面上，這意味著此活化層不可能是致密的，亦即它并不企圖在載體材料50上構(gòu)成完全致密的表面。此活化層52是通過電解作用，用化學(xué)方法鍍上去的。與電解法(物理方法)相比，此電解液附加地起凈化作用。
活化層52是有結(jié)合力的，并由一種軟的材料構(gòu)成。它有結(jié)合力地粘結(jié)到載體材料50上，并同樣也有結(jié)合力地粘結(jié)在后來的純金屬層53上?；罨瘜?2的離子擴(kuò)散到載體材料50中。其結(jié)果是形成一個(gè)彈性的中間層，它以網(wǎng)狀將活化層52粘結(jié)在載體材料50上。純金屬層53，例如鈦、鉻、硼或鎢，在這之后鍍?cè)诨罨瘜?2上。此純金屬層通過離子交換和陰極濺鍍(PVD方法，亦即物理汽相蒸鍍)鍍上。最后所得到的這一層是通過電弧熔合并同時(shí)被粘結(jié)而成。實(shí)施這一工序，直至在活化層52上呈現(xiàn)有0.3至0.5微米的最小層。此純金屬層53因而通過活化層52有結(jié)合力地粘結(jié)在載體材料50上，并也部分地有結(jié)合力地粘結(jié)在下文將說明的所構(gòu)成的非金屬硬質(zhì)層51上。
當(dāng)此純金屬層53達(dá)到它的最小層厚時(shí)，用特殊方法將碳和/或氮離子加在它上面，所以可通過一個(gè)過渡層54，構(gòu)成非金屬硬質(zhì)層51。碳或氮離子在真空狀態(tài)下，通過PVD法(物理汽相蒸鍍)鍍上，例如至少為10-3bar(巴)或高真空度情況下。氮和碳成分的比例徑向地向外，亦即朝非金屬硬質(zhì)層51的方向，越來越大。于是，過渡層54的末端是均質(zhì)的非金屬硬質(zhì)層51，它具有大約95%至98%的不滲透性。因此，此非金屬硬質(zhì)層51由金屬/碳/氮或金屬/碳或金屬/氮(氮化物合金)化合物組成。以鈦為例，此硬質(zhì)層51由TiN或Ti(CN)組成。
要能用上述工具10加工表面，還必須使用下面所介紹的一種離子潤(rùn)滑液。此液體具有潤(rùn)滑、冷卻和為加工表面加合金元素的功能。迄今針對(duì)這三種效果的每一種，采用不同的具有特定功能的專用的液體?，F(xiàn)在，這三種功能只要用一種液體便能完成?？紤]到它們的組成和功能，這種液體稱之為離子潤(rùn)滑液。這種離子潤(rùn)滑液有一個(gè)母液，它主要由有機(jī)的低酸度油組成，例如菜子油。其余的組成部分是合成礦物油，例如低酸度不含氯的油。由于是上述兩種成分的組合，此離子潤(rùn)滑液的粘度降低，亦即在9至12厘沲(centistokes)范圍內(nèi)。精確的成分取決于要加工工件的材料，亦即，也可以用無機(jī)油來代替有機(jī)油。將至少體積15%的細(xì)碳黑和至少體積17%的細(xì)石墨，摻入按此方法制備的離子潤(rùn)滑液中。接著過濾此混合物(顆粒最大尺寸為0.3微米)，以獲得一種具有盡可能低的粘度的離子潤(rùn)滑液。此外，必須保證上述兩種成分細(xì)的和均勻地分布，亦即細(xì)的碳黑和細(xì)的石墨。
離子潤(rùn)滑液隨后用于工件的加工中，并具有為工件加合金元素的作用。這意味著，容易成合金的各種金屬離子，如錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pl)和鎳(Ni)，被加在要加工的工件上。如此生產(chǎn)的液體被攪拌，然后將小量涂復(fù)在工具10上。對(duì)此，一滴離子潤(rùn)滑液已經(jīng)足夠。借助于具有上述幾何形狀和成分的工具10以及離子潤(rùn)滑液，現(xiàn)在可通過下列方法加工表面。將小量離子潤(rùn)滑液涂在工具10上。接著，將工具10的導(dǎo)引段13和定心區(qū)12插入孔中。借助于一臺(tái)自動(dòng)壓力機(jī)，在非常良好地定心的情況下，將工具10推入孔中，并穿過此孔。有必要規(guī)定一個(gè)特定的最低速度，以便達(dá)到在孔的表面結(jié)構(gòu)中發(fā)熱。這種發(fā)熱對(duì)硬質(zhì)層51是必要的。在冷態(tài)下，當(dāng)工具推過時(shí)，硬質(zhì)材料會(huì)斷裂。相反，在發(fā)熱時(shí)，當(dāng)工具推過時(shí)材料得到補(bǔ)償，也就是說，填充了加工溝紋。由于采用離子潤(rùn)滑液，當(dāng)工具10的硬質(zhì)層51通過孔中不規(guī)則地區(qū)時(shí)，只產(chǎn)生小的摩擦。所釋放的離子粘結(jié)在工件材料上。借助于離子潤(rùn)滑液，可達(dá)到有結(jié)合力的粘結(jié)，所以工件表面的結(jié)構(gòu)可以“不再脫落”。
在制有支座的另一種型式中，工具10插入孔中，直至工具10的支座壓靠在被加工的凸肩上為止。旋轉(zhuǎn)工具10若干次，然后再次將工具10從孔中拔出。
上述具有多個(gè)臺(tái)階的工具特別適用于不圓的孔或工件孔表面過分粗糙的情況。不同的臺(tái)階必須按與孔直徑有關(guān)的各段被加工孔的長(zhǎng)度來設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種用于零件表面尤其是孔、軸等加工的工具，主要用于使表面光滑和硬化，其特征在于，其具有一個(gè)導(dǎo)引段(13)、一個(gè)帶斜度的入口區(qū)(12)、一個(gè)實(shí)際上無過渡地匯入一第一個(gè)圓柱形加工區(qū)(17)的切向段(18)，加工區(qū)(17)的直徑比被加工零件的直徑大、至少一個(gè)曲線狀恢復(fù)區(qū)(20)、至少一個(gè)槽(22)、至少一個(gè)第二恢復(fù)區(qū)(24)、以及至少一個(gè)第二加工區(qū)(26)，第二加工區(qū)(26)的長(zhǎng)度約占第一加工區(qū)(17)長(zhǎng)度的60%，有一個(gè)出口區(qū)(30)，它的斜度大于入口區(qū)(15)，有一個(gè)出口圓柱(32)和一個(gè)圓頂(34)。
2.按照權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，導(dǎo)引段(13)和入口區(qū)(15)之間，有一個(gè)圓柱形定心區(qū)(12)，此定心區(qū)(12)的軸線與被加工零件的軸線重合。
3.按照權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于，定心區(qū)(12)大約占零件長(zhǎng)度的30%至40%。
4.按照權(quán)利要求1至3之一所述的工具，其特征在于，引導(dǎo)段(13)用一個(gè)高壓支座替代，支座的斜度大于或小于零件支座所要求的斜度。
5.按照權(quán)利要求1至3之一所述的工具，其特征在于，在第二加工區(qū)(26)后面的是高壓支座，它替代出口區(qū)(30)，所以此高壓密封支座匯入出口圓柱(32)中;
6.按照權(quán)利要求1至5之一所述的工具，其特征在于，圓頂(34)設(shè)計(jì)成三心曲線的形式。
7.利用按權(quán)利要求1至6之一所述的工具加工零件表面的方法，其特征在于，工具的軸線和被加工零件的軸線在夾具中互相同心地定位，工具在夾具中以一個(gè)最小速度相對(duì)于被加工零件運(yùn)動(dòng)，以便使零件表面發(fā)熱，所以，可用所提供的外部金屬離子來使被加工零件表面加進(jìn)合金元素。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在工具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)前，將包含外部金屬離子的潤(rùn)滑液至少要涂在工具的入口區(qū)(15)上。
9.按照權(quán)利要求7和/或8所述的方法，其特征在于，在工具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，工具達(dá)到零件支座邊緣，工具在零件中繞軸線以定壓和等速至少旋轉(zhuǎn)360°。
全文摘要
一種零件表面的加工工具，它有多個(gè)不同的區(qū)段，所以用一個(gè)工具可同時(shí)使零件表面硬化、光滑，且特別是進(jìn)行尺寸精確的加工。只要簡(jiǎn)單地將工具推過例如一個(gè)孔中，便能加工此孔的表面。
文檔編號(hào)B24B39/02GK1088504SQ93118629
公開日1994年6月29日 申請(qǐng)日期1993年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月28日
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