專利名稱：摩擦攪動表面處理方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于例如鋁合金鑄造材料的表面處理方法、表面處理設備、經受該表面處理的元件以及將要經受該表面處理的中間元件。
背景技術：
日本專利未審定公開號No.10-183316披露了一種表面處理方法，在施加壓力的鑄造材料(諸如相對于汽缸蓋的汽缸體的嚙合表面)的表面處理中，在旋轉時，旋轉工具具有形成于其遠端肩部處的突出部分，從而在具有熱能的非熔化狀態下進行攪動。
汽缸蓋的端口開口之間的部分(閥對閥的部分)重復由于發動機燃燒所導致的體積膨脹和由于冷卻所導致的體積收縮，并且在那里易于出現由于熱疲勞所造成的裂縫。因此，通過摩擦攪動而對閥對閥的部分進行表面處理，以便于形成具有精細結構的金屬并降低澆道的面積比率，這樣就增強了對于熱疲勞所導致的裂縫的產生和裂縫擴展的抵抗力，從而提高了熱疲勞強度。
由于端口開口的存在，在閥對閥的部分中材料的剛度是低的。旋轉工具的推力和旋轉運動使得開口的側表面的基質結構沿豎直方向和水平方向塑性變形，因此端口開口的形狀會不合需要地改變。
當端口開口的形狀改變時，已通過摩擦攪動而塑性流化的材料移動到端口開口側面。因此，在表面改變區域中易于出現孔隙。
發明內容
在考慮了上述問題的基礎上提出了本發明，本發明的目的是，提供一種可防止材料變形以及由于變形所導致的孔隙的表面處理方法和設備、經受該表面處理的元件以及將要經受該表面處理的中間元件。
為了解決上述問題并且實現上述目的，依照本發明的表面處理方法，當將要根據摩擦攪動通過將旋轉工具插入開口之間的工件表面中而對具有多個開口的工件進行表面處理時，在工件的開口上形成了用于干涉由于材料變軟所導致的開口變形的邊緣余量，開口之間的工件表面被旋轉工具攪動，并且執行移除包含余量的工件表面的后加工。這樣，可避免材料變形以及由于變形所導致的孔隙。
旋轉工具最好具有帶有平坦遠端的桿狀軸向部分，以及從軸向部分的遠端突出的突出部分。從而，可提高熱疲勞強度，同時避免材料變形以及由于變形所導致的孔隙。
工件最好為鑄造材料，并且在上部布置有用于在工件鑄造期間形成邊緣余量的模型。因此，可在沒有增加制造步驟數量的情況下形成邊緣余量。
工件最好為汽缸蓋。這樣，可提高熱疲勞強度，同時避免汽缸蓋的端口開口變形以及由于變形所導致的孔隙。
最好，當將要根據摩擦攪動、通過將由機械工具的工具支撐裝置以可拆卸的方式支撐的旋轉工具插入工件表面中而執行表面處理時，旋轉工具攪動工件的表面處理區域，旋轉工具變為用于去除工件毛邊的修邊工具，并且用該修邊工具加工所述表面處理區域。使用一個機械工具可執行摩擦攪動程序和修邊程序。因此，可抑制由于旋轉工具的熱膨脹所導致的加工深度的變化，從而避免出現孔隙。
旋轉工具最好具有多個旋轉工具，并且在使用修邊工具的程序之后，選擇此前剛剛使用的旋轉工具以外的旋轉工具。這樣，可給予此前剛剛使用的旋轉工具足夠長的冷卻時間。
最好，當將要對經受通過將旋轉工具插入到工件表面中的摩擦攪動的表面處理的元件進行檢查時，測量表面處理區域的預處理溫度、測量在加工期間旋轉工具對于表面處理區域的載荷，以及從預處理溫度和旋轉工具的載荷的預定關系圖與所測量的預處理溫度和載荷的對比中檢查表面處理元件是否有缺陷。因此，可刪去通過目測法所執行的步驟，并且可在程序期間以在線的方式檢查工件是否有缺陷。
最好，通過預處理溫度和施加到旋轉工具上的電能而限定所述關系圖，并且可通過電能改變旋轉工具的旋轉速度。這樣，可從施加到旋轉工具上的電能變化中檢查工件是否有缺陷。
依照本發明的處理方法，當將要根據摩擦攪動(通過將旋轉工具插入工件表面中)而對具有不同剛度部分的工件進行表面處理時，高剛度部分和低剛度部分在工件的表面處理區域中被分開，使得旋轉工具沿著低剛度部分在向前路徑中相對于工件移動，在向前路徑之后，使得旋轉工具沿著高剛度部分在返回路徑中相對于工件移動。這樣，可避免由于摩擦熱的傳導所導致的材料變形以及所述變形所造成的孔隙，同時通過往復移動處理廣闊的區域。
在高剛度部分和低剛度部分中表面處理區域最好具有不同的厚度。使得旋轉工具沿著具有厚表面處理區域的高剛度部分在返回路徑中相對于工件移動。這樣，可避免由于摩擦熱的傳導所導致的材料變形以及所述變形所造成的孔隙，同時通過往復移動處理廣闊的區域。
經受本發明表面處理的元件具有多個開口。在元件的開口上形成有用于干涉由于材料變軟所導致的開口變形的邊緣余量，所述元件是根據摩擦攪動(通過將旋轉工具插入開口之間的元件表面中)而經受表面處理的。開口之間的工件表面被旋轉工具攪動，并且執行移除包含余量的工件表面的后加工。這樣，可提高熱疲勞強度同時避免表面處理期間材料變形以及由于變形所導致的孔隙。本發明最好適用于用鋁合金鑄造材料制成的汽缸蓋作為元件。
本發明所涉及的中間元件具有多個開口。在元件的開口上形成有用于干涉由于材料變軟所導致的開口變形以及將通過后加工去除的邊緣余量，所述元件是根據摩擦攪動(通過將旋轉工具插入開口之間的元件表面中)而經受表面處理的。這樣，可提高產品熱疲勞強度同時避免表面處理期間材料變形以及由于變形所導致的孔隙。
在本發明所涉及的經受表面處理的元件中，當將要根據摩擦攪動(通過將旋轉工具插入工件表面中)而對具有不同剛度部分的工件進行表面處理時，高剛度部分和低剛度部分在工件的表面處理區域中被分開，使得旋轉工具沿著低剛度部分在向前路徑中相對于工件移動，在向前路徑之后，使得旋轉工具沿著高剛度部分在返回路徑中相對于工件移動。這樣，可避免由于摩擦熱的傳導所導致的材料變形以及所述變形所造成的孔隙，同時通過往復移動處理廣闊的區域。
最好，所述元件是具有多個開口的元件，其中開口之間的一部分被連續地改變。本發明最好適用于用鋁合金鑄造材料制成的汽缸蓋作為元件。
用本發明所涉及的表面處理設備，當根據摩擦攪動(通過將旋轉工具插入工件表面中)而對具有不同剛度部分的工件進行表面處理時，高剛度部分和低剛度部分在工件的表面處理區域中被分開，使得旋轉工具沿著低剛度部分在向前路徑中相對于工件移動，在向前路徑之后，使得旋轉工具沿著高剛度部分在返回路徑中相對于工件移動。這樣，可避免由于摩擦熱的傳導所導致的材料變形以及所述變形所造成的孔隙，同時通過往復移動處理廣闊的區域。
最好，當將要根據摩擦攪動(通過將由機械工具的工具支撐裝置以可拆卸的方式支撐的旋轉工具插入工件表面中)而執行表面處理時，旋轉工具攪動工件的表面處理區域，旋轉工具變為用于去除工件毛邊的修邊工具，并且用該修邊工具加工所述表面處理區域。使用一個機械工具可執行摩擦攪動程序和修邊程序。因此，可抑制由于旋轉工具的熱膨脹所導致的加工深度的變化，從而避免出現孔隙。
最好，當將要對經受通過將旋轉工具插入到工件表面中的摩擦攪動的表面處理的元件進行檢查時，測量表面處理區域的預處理溫度、測量在加工期間旋轉工具對于表面處理區域的載荷，以及從預處理溫度和旋轉工具的載荷的預定關系圖與所測量的預處理溫度和載荷的對比中檢查表面處理元件是否有缺陷。因此，可刪去通過目測法所執行的步驟，并且可在加工期間以在線的方式檢查工件是否有缺陷。
從以下對于本發明優選實施例的詳細描述中，本領域熟練人員將明白除以上所披露的以外的其他目的和優點。在描述中，對附圖進行參照，其中附圖構成所述描述的一部分，并且附圖示出了本發明的一個示例。然而，所述示例并非涵蓋本發明各種實施例，因此要參照所述詳細描述之后的確定本發明保護范圍的權利要求。
圖1是本發明一個實施例所涉及的用于實施表面處理方法的摩擦攪動設備的示意圖；圖2是圖1旋轉工具附近的一部分的放大圖；圖3是旋轉工具的遠端部分的詳圖；圖4是示出了本實施例所涉及的鋁合金的成分比例的表格；圖5A是圖表，示出了作為遠端銷長度的函數的加工深度；圖5B是示出了遠端銷長度PL的視圖；圖5C是示出了最大加工深度Dmax的視圖；圖6是圖表，示出了作為銷類型工具的旋轉速度和進給速度的功能的加工深度；圖7是視圖，示出了在依照本實施例通過摩擦攪動執行表面處理的修整之前靠近柴油機的汽缸蓋材料的孔的部分的基本形狀；圖8是沿圖7的線I-I所截的截面圖；圖9是視圖，示出了在依照本實施例通過摩擦攪動執行表面處理的修整之前靠近柴油機的汽缸蓋材料的孔的部分的特征形狀；圖10是沿圖9的線II-II所截的截面圖；圖11是流程圖，用于解釋該實施例所涉及的柴油機汽缸蓋的生產過程；圖12A和12B是閥對閥的部分的截面圖，示出了該實施例的表面處理的一個示例；圖13A和13B是閥對閥的部分的截面圖，示出了與該實施例的表面處理相比較的一個比較示例；圖14是視圖，用于解釋使用本實施例所涉及的摩擦攪動程序的成直線的多缸式柴油機的汽缸蓋的表面處理；圖15是用作工具驅動裝置的機械工具的示意性正視圖；圖16是視圖，用于解釋使用工具變換器的表面處理的第一加工示例；
圖17是視圖，用于解釋使用工具變換器的表面處理的第二加工示例；圖18是表格，用于比較隨著時間過去第一和第二加工示例的工具溫度和加工深度；圖19是視圖，示出了旋轉工具的溫度測量部分和位置測量部分；圖20是表格，示出了當由一個旋轉工具連續加工十個工件時所獲得的根據熱膨脹的工具的表面溫度和工具位置測量數據；圖21是表格，示出了通過摩擦攪動的表面處理的狀態；圖22是圖表，示出了當通過摩擦攪動執行表面處理時主軸的功率的波形；圖23是表格，示出了在摩擦攪動處理之后通過目測法所進行的缺陷檢查的結果；以及圖24是圖表，示出了剛好在摩擦攪動處理之前的工件溫度與主軸功率的波形的整數值之間的相互關系。
具體實施例方式
下面將參照附圖詳細描述本發明的實施例。
下文中將要描述的實施例是作為用于實現本發明的示例。本發明可適用于通過在不脫離本發明精神的范圍內修正或改變以下實施例所獲得的那些情況。
圖1是本發明一個實施例所涉及的用于實施表面處理方法的摩擦攪動設備的示意圖。圖2是圖1旋轉工具附近的一部分的放大圖。圖3是旋轉工具的遠端部分的詳圖。
依照本發明通過摩擦攪動的表面處理是針對作為目標表面處理元件(在下文中稱作工件)的示例的鋁合金鑄造材料的，并且出于提高形成于例如汽車的汽缸蓋、或汽車的活塞、閘盤等等中的相鄰孔之間的部分(閥對閥的部分)的熱疲勞強度的目的，尤其是用于表面修正加工。當鋁合金鑄造材料的表面修正區域在沒有被摩擦熱量熔化的情況下在大氣下被攪動時，金屬結構變得更精細，易熔硅(Si)的顆粒被均勻分散，從而減少了鑄造損失。可獲得在材料特性方面比根據傳統再熔化處理而獲得的表面更好的修正的表面，所述材料特性例如熱疲勞(低循環疲勞)壽命、伸長率以及耐震強度。
在不熔化情況下的攪動狀態是指在低于各種成分或包含在基質中的低熔點化合物的最低熔點的溫度下，金屬被摩擦熱量所軟化之后金屬被攪動。
如圖1到圖3中所示的，摩擦攪動設備1具有旋轉工具4，所述旋轉工具4具有整體形成或安裝于圓柱形軸一端的平坦肩部3上的非耐磨型突出部分2；用于使得旋轉工具4旋轉以便于將突出部分2插入到工件的表面修正區域中的工具驅動裝置5，同時旋轉地驅動它，從而相對移動突出部分2同時推動具有肩部3的工件表面；以及用于對齊和固定工件的夾具(未示出)。非耐磨型突出部分2具有小于肩部3的直徑，并且在其外表面上具有螺紋。
作為工具驅動裝置5，一種可使用馬達等等使得旋轉工具4旋轉的工具驅動裝置可在豎直方向和水平方向上通過進給螺桿機構、機械手等等移動旋轉工具4，并且能夠可變地控制旋轉速度、進給速度，并且使用旋轉工具4的推力(加工深度)。依照工具驅動裝置5的另一個示例，旋轉工具4以可旋轉的方式被機械工具的主軸(諸如加工中心，稍后將進行描述)沿軸向支撐，并且可在豎直或水平方向上以二維或三維的方式使得工件相對于旋轉工具4移動。
旋轉工具4的突出部分2和肩部3是用鋼質原料制成的，所述鋼質原料例如，其硬度高于鋁合金的工具鋼或不銹鋼。將突出部分2構成得在指定間距處具有螺紋。
依照該實施例，如圖4中所示的，作為由日本工業標準(JIS)標定的一種鋁合金的AC4D作為目標表面處理元件是一個示例。鋁合金的鎂(Mg)含量可在0.2wt％到1.5wt％的范圍內變化。鋁合金的硅(Si)含量可在1wt％到24wt％的范圍內變化，最好在4wt％到13wt％的范圍內變化。另外，可使用用于活塞的AC4B、AC2B、AC8A等等。將硅(Si)含量的上限設定為24wt％是因為，如果硅(Si)含量增加得超過了該上限的話，材料特性和鑄造性能就飽和了，這會使得攪動性能退化。
當對包含鎂的鋁合金鑄造材料進行熱處理時，Mg2Si分離并且材料強度增強了。當包含鎂的鋁合金鑄造材料被熔化時，金屬具有精細結構，如在再熔化處理中一樣，有時低熔點(650℃)鎂被蒸發從而降低其含量。當鎂含量降低時，甚至當執行熱處理時，硬度和強度都會降低，因此無法獲得期望的材料特性。
通過摩擦攪動進行的表面處理，未使用金屬結構，因此鎂未被蒸發。這樣，通過熱處理Mg2Si從鋁合金鑄造材料中分離，因此強度增強了。
當在鋁合金中加入硅時，鑄造性能(流動性、凹痕特性以及熔融金屬的抗熱裂性)提高了，但是易熔硅成為一種降低機械特性(伸長率)的缺陷。
易熔硅是堅硬并且易碎的，裂縫在易熔硅中開始出現并通過其傳播，從而降低了伸長率。在一部分處，例如，在經受重復性的熱應力的閥對閥的部分處，疲勞壽命降低了。在金屬結構中，易熔硅沿樹枝狀結晶延伸。當使得易熔硅具有精細結構并使其均勻分布時，可抑制由于應力集中所導致的裂縫出現以及已出現的裂縫的傳播。
圖5A是圖表，示出了與突出部分長度相關的加工深度；圖5B是示出了突出部分長度PL的視圖；而圖5C是示出了最大加工深度Dmax的視圖。圖6是圖表，示出了作為旋轉工具的旋轉速度和進給速度的函數的加工深度。
依照該實施例，將突出部分長度PL設定為需要深度的80％到90％。需要深度是突出部分長度的1.1到1.2倍，并且可將其設定在(0)到10mm范圍內。如圖5A中所示，最大加工深度Dmax以與突出部分長度PL成比例(突出部分長度的1.1到1.2倍)的方式增加，并且最大加工寬度也以與突出部分直徑成比例的方式增加。如圖5B中所示的，最大加工深度Dmax由突出部分長度PL確定并且不會太大地受到旋轉速度和進給速度的不利影響。此外，最大加工深度Dmax中的變化小于圖6中所示的再熔化處理中所獲得的最大加工深度的變化，因此可增強可靠性。
圖7是視圖，示出了在依照本實施例通過摩擦攪動執行表面處理的修整之前靠近柴油機的汽缸蓋材料的端口的部分的基本形狀。圖8是沿圖7的線I-I所截的截面圖。圖9是視圖，示出了在依照本實施例通過摩擦攪動執行表面處理的修整之前靠近柴油機的汽缸蓋材料的端口的部分的特征形狀。圖10是沿圖9的線II-II所截的截面圖。
在其兩側表面上具有端口開口的閥對閥的部分16重復由于發動機燃燒所導致的體積膨脹和由于冷卻所導致的體積收縮，并且在那里易于出現由于熱疲勞所造成的裂縫。因此，通過摩擦攪動而對閥對閥的部分16進行表面處理，以便于形成具有精細結構的金屬并降低澆道的面積比率，這樣就增強了對于熱疲勞所導致的裂縫的產生和裂縫擴展的抵抗力，從而提高了熱疲勞強度。
然而，由于端口開口14和15的存在，在閥對閥的部分16中工件的剛度是低的。旋轉工具4的推力和旋轉運動使得開口14和15的側表面的基質結構沿豎直方向和水平方向塑性變形，因此端口開口14和15的形狀會不合需要地改變。
當端口開口14和15的形狀改變時，已通過摩擦攪動而塑性流化的材料移動到端口開口側，并且被加載到突出部分2的排出端口開口15側部上的材料減少了。因此，在表面改變區域中沿移動軌跡Q易于出現隧道狀孔隙。
如圖7和圖8中所示的，如由旋轉工具4肩部3的外形和移動軌跡Q所指示的，將表面改變區域設定得在吸入端口開口1 4之間的一部分與排出端口開口15之間的一部分、以及在吸入端口開口14與排出端口開口15之間延伸。另外，鄰近于表面改變區域的端口開口14和15的那些邊緣14a、14b、15a和15b的形狀是沿著旋轉工具4的移動軌跡以線形方式構成的，因此在表面處理加工的全部范圍內旋轉工具4的肩部3與工件表面相接觸。
在這種方式下，端口開口14和15的邊緣14a、14b、15a和15b是以線形方式構成的，因此閥對閥的部分16的表面寬度在表面處理區域的全部范圍內是恒定的。如圖8中所示的，關于閥對閥的部分16的斷面形狀(厚度)，由于未被加工的端口形狀部分的局限性，吸入端口開口14的厚度小于排出端口開口15的厚度。由于伴隨斷面形狀方面的該差異的工件剛度上的差異，在吸入端口開口14中比在排出端口開口15中更易于出現旋轉工具4的施壓所導致的在豎直方向上的基質結構的塑性變形，以及旋轉運動所導致的在水平方向上的其塑性變形。
因此，已根據摩擦攪動通過表面處理塑性流化的材料易于容易地充滿在基質已變形的吸入端口開口14側上，并且充滿在突出部分2的排出端口開口15側的材料減少了，因此在表面改變區域中沿移動軌跡Q易于出現隧道狀孔隙。
孔隙通常如沿著旋轉工具4的移動軌跡Q的隧道那樣出現，并且其面積(體積)變得大于基質孔隙度。因此，熱疲勞導致裂縫并且增強了裂縫傳播，不能獲得期望的熱疲勞強度。
考慮到以上問題，依照本實施例，圖7和圖8中所示的孔采用那些具有基本形狀的、并且如圖9和10中所示的、寬度為4mm、高度為5mm并且垂直于移動軌跡Q的兩個梁17和18形成于每個吸入端口開口14中，作為用于干涉由于材料變軟所導致的端口開口14變形的邊緣余量。
梁17和18是以如下方式形成的。在工件鑄模中形成用于構成梁的轉換部分。所述鑄模被布置于上部處。在工件鑄造期間，同時形成梁17和18。因此，可在不增加制造步驟數量的情況下形成梁17和18。
由于梁17和18的存在，使得每個吸入端口開口14側表面沿水平方向的變形阻力大大增強。當懸梁結構變為中心梁結構時，沿豎直方向的變形阻力也增強了。因此可抑制端口開口的變形和伴隨該變形的孔隙的出現。
在修整中將梁17和18隨著線形形狀部分一起去除，因此它們不會不利地影響進口效率。
在上述實施例中，只為具有較低工件剛度的吸入端口開口14設置梁，但是也可依照孔形狀為排出端口開口15設置梁。關于梁17和18的寬度和高度，當需要考慮端口開口厚度時梁17和18的尺寸可以改變，或者梁17和18可為不垂直的而是可形成為T字形狀。
假如在修整中端口開口不會在生產率方面較大地不利地降低的話，在工件鑄造中將端口開口完全封閉。或者，圖7中所示的端口開口φ1可降低以便于滿足φ1≤φ2/2，其中φ2為修整后的孔內徑。在這種情況下，端口開口具有圓形形狀并且不具有直線部分，因此可減少其變形。或者，圓形端口開口可為橢圓形的。
下面將描述本實施例所涉及的柴油機汽缸蓋的制造過程。
圖11是流程圖，用于解釋該實施例所涉及的柴油機汽缸蓋的制造過程。
如圖11中所示的，在步驟S1中，作為中間體的汽缸蓋是用鋁合金鑄造的。在步驟S2中，從鑄模中取出鑄造材料，并且去除它的澆口。在步驟S3中，使得從鑄模中取出的鑄造材料經受T6熱處理，主要用于去除型芯砂。在步驟S4中，鑄造材料的閥對閥的部分要經受通過摩擦攪動的表面處理。在步驟S5中，鑄造材料再次經受T6熱處理以增強其硬度和強度。在步驟S6中，執行修整。
下面將描述圖11的步驟S4中的摩擦攪動過程。
利用摩擦攪動的表面處理在處理端部留下了一個終端孔，所述終端孔轉為突出部分形狀。如果在后面的步驟中將要經受鉆孔的部分是終端孔位置，那么可避免留下終端孔。突出部分直徑必須等于或小于后加工孔直徑。取決于工件加工形狀的技術要求或表面處理的技術要求，必須通過以使其移動軌跡Q相互偏移的方式使得旋轉工具4往復移動而執行兩次以上的處理。
此時，如參照圖7到圖10中所描述的，關于閥對閥的部分16的斷面形狀(厚度)，由于未被加工的孔形狀部分的局限性，吸入端口開口14的厚度小于排出端口開口15的厚度。由于伴隨斷面形狀方面的該差異的工件剛度上的差異，在吸入端口開口14中比在排出端口開口15中更易于出現旋轉工具4的施壓所導致的在豎直方向上的基質結構的塑性變形以及旋轉移動所導致的其在水平方向上的塑性變形。
第一向前路徑處理所產生的摩擦熱量被傳導到第二返回路徑處理區域。在溫度增加時，楊氏彈性模數降低導致容易變形。從而，增加了后面步驟中的加工余量。當變形量過多時，材料的流動沿變形的方向增進。因此，充滿在與變形方向相對側部上的材料減少了，并且在表面改變區域中沿移動軌跡Q易于出現隧道狀孔隙。
考慮到上述問題，依照本實施例，從閥對閥的部分的形狀中產生出來的高剛度部分(排出端口開口側部)被設置在第二返回路徑的處理區域，因此減少了由于溫度升高所導致的楊氏彈性模數降低的問題，從而防止變形量的降低和孔隙的出現。
如圖13A和13B中所示的，當第二返回路徑的生產線P2被設置在具有低工件剛度的部分(吸入端口開口14側)時，具有低工件剛度的部分極大地變形，而具有高工件剛度的部分的排出端口開口15保持其原始形狀。這種變形導致材料的流化，因此由于該變形所導致的材料流動致使在表面改變區域中出現孔隙。
如圖12A和12B中所示的，當第二返回路徑的生產線P2被設置在具有高工件剛度的部分(排出端口開口15側部)時，具有高工件剛度的部分和具有低工件剛度的部分幾乎都保持其原始形狀，從而可抑制表面改變區域中孔隙的出現。
使用本實施例所涉及的具有突出部分2的旋轉工具4進行的表面處理的缺點在于，突出部分2的終端孔被留在生產線的終點處。此外，在工藝起始點中也易于出現缺陷。為了解決這個問題，將生產線設置得穿過起始點。當打算加工在后面的加工中將要經受螺栓鉆孔的鑄造材料的表面(例如汽缸蓋)時，生產線的終點被設置于這樣一個位置處，所述位置將經受使用其直徑小于鉆孔孔徑的突出部分進行鉆孔。因此在產品上不會遺留終端孔。
圖14是視圖，用于解釋使用本實施例所涉及的摩擦攪動加工的成直線的多缸式柴油機的汽缸蓋的表面處理。
如圖14中所示的，汽缸蓋材料H具有一對吸入端口開口14、一對排出口開口15，以及與多個汽缸相對應的多個用于緊固于汽缸體(未示出)上的拉緊螺栓孔21。為了獲得大吸入量，要求吸入端口開口14盡可能地大。因此，相鄰吸入端口之間的部分變得又窄又薄。
考慮到上述問題，在本實施例中，依照一個示例，生產線沿第一向前路徑Q1、第一返回路徑Q2以及第二環形路徑Q3到Q6的路線運行，因此汽缸蓋材料H的表面在沒有被旋轉工具的熱量熔化的狀態下被攪動和修正。在汽缸蓋材料H的縱向方向上沿第一向前路徑Q1從一端朝向另一端執行連續的程序，以使得工具在這對排出端口開口15和吸入端口開口14之間穿過，所述排出端口開口15和吸入端口開口14相對應汽缸彼此相對。第一向前路徑Q1終止于對應的拉緊螺栓孔21處。第一返回路徑Q2在汽缸蓋材料H的另一端處彎曲并在第一向前路徑Q1的相反方向上偏移。在汽缸蓋材料H的縱向方向上沿第一返回路徑Q2從一端朝向另一端執行連續的程序，以使得工具在這對排出端口開口15和吸入端口開口14之間以平行的方式穿過。第一返回路徑Q2終止于對應的拉緊螺栓孔21處。在第一返回路徑Q2的程序之后，沿第二環形路徑Q3到Q6從鄰近于彎曲位置的汽缸到第一返回路徑Q2繼續進行程序，同時在彼此相對的一對排出端口開口15和一對吸入端口開口14之間往復移動。第二環形路徑Q3到Q6終止于對應的拉緊螺栓孔21處。
在每個第二環形路徑Q3到Q6中，偏移到具有低工件剛度部分的吸入端口開口14側部的生產線形成了向前路徑，并且偏移到具有高工件剛度部分的排出端口開口15側部的生產線形成了返回路徑，從而它們構成了連續的環形路徑。因此，向前路徑和返回路徑的各個加工區域重疊。
當第二返回路徑的生產線被設置在具有高工件剛度部分的排出端口開口15側部上時，如同第二環形路徑Q3到Q6一樣，那么在具有高工件剛度的部分中和在具有低工件剛度的吸入端口開口14中都不會出現變形，而且也可抑制在表面修正區域中出現孔隙。
在上述汽缸蓋的表面處理中，最好進行如下設定旋轉工具的旋轉速度設定為700到1,100rpm，進給速度設定為400-550mm/min，突出部分長度設定為5到6mm，突出部分直徑設定為7±1mm，以及肩部直徑設定為15±1mm，因此第一和第二路徑的加工寬度總量等于或小于(材料的閥對閥的部分的寬度)2mm。將突出部分直徑和肩部直徑設定得滿足2≤肩部/突出部分＜4。將肩部進入到材料處理表面中的壓入量設定為0.3mm或更高。
當使用一個旋轉工具根據摩擦攪動連續地執行表面處理時，表面處理工具的實際操作效率越高，由工件和旋轉工具的摩擦所產生的熱量就更易于積聚在旋轉工具中。工具本身的熱膨脹量或者工具附屬于其上的主軸的熱膨脹量增加了，因此突出部分相對于工件表面的位置改變了。
由于該變化的影響，盡管NC控制數據還是相同的，但是熱加工中旋轉工具進入到工件表面中的壓入量大于冷加工中旋轉工具進入到材料處理表面中的壓入量。這導致表面修正區域深度方面的改變，以及出現內部孔隙的不利影響。
在根據摩擦攪動的表面處理情況下，當以其肩部推在工件表面上的方式使得旋轉工具移動時，在工件表面上形成與肩部的外緣相對應的毛邊。因此用于去除該毛邊的去毛邊程序也是必要的。
考慮到上述問題，依照本實施例，使用具有工具變換器的加工工具，或者為加工工具裝配工具變換器。至少兩個具有相同形狀的旋轉工具和至少一個去毛邊工具都由工具變換器固定。在使用去毛邊工具的程序之后，選擇除此前剛剛使用過的旋轉工具之外的旋轉工具。因此，交替地執行根據摩擦攪動的表面處理的程序和去除表面處理程序所產生的毛邊的程序。
依照該方法，每個旋轉工具的等待時間可從去毛邊時間持續為相當于(表面處理時間)×(固定旋轉工具的數量)的時間。在等待時間期間，旋轉工具的溫度可被降低。因此，伴隨著工具本身的熱膨脹或者主軸的熱膨脹的表面修正區域深度方面的變化可被抑制。
圖15是用作工具驅動裝置的加工工具的示意性正視圖。
如圖15中所示的，加工工具100具有用于以可拆卸的方式支撐旋轉工具4和一個去毛邊工具T的工具變換器101；主軸102，所述主軸102根據NC控制程序選擇旋轉工具4或去毛邊工具T，繞著工具中心軸旋轉，并且可沿著豎直方向移動；以及X-Y臺103，所述X-Y臺103將工件固定到相對的工具上并且相對于工具二維地移動工件。根據儲存在控制器(未示出)中的NC控制程序用數字的方式控制加工工具100。通過加工參照孔22(見圖14)將工件對齊并固定在X-Y臺103上。
依照本實施例的第一程序示例，五個具有相同形狀的旋轉工具4A到4E和用作去毛邊工具的銑刀T1被工具變換器101所固定。每個工件的加工時間約為6分鐘，分解為工件轉換用1分鐘20秒、表面處理用4分鐘，以及去毛邊用1分鐘20秒。在使用了第一旋轉工具4A之后，依照圖16中所示的程序順序地轉換工具，這樣連續地加工31個工件。
最好如此設定附屬于工具變換器101上的工具數量，即，在使用了某個旋轉工具之后，能夠再次使用該旋轉工具的時間為至少20分鐘以使得該旋轉工具可被充分地冷卻。
剛好在使用第一旋轉工具4A加工第一、第十一、第二十一和第三十一工件開始加工之前，由溫度計直接測量旋轉工具的表面溫度。
依照本實施例的第二加工示例，每個旋轉工具4和銑刀T1都被工具變換器101所固定。在與第一加工示例相同的條件下設定每個工件的加工時間以及其等待時間。依照圖17中所示的程序順序地轉換工具，這樣連續地加工31個工件。
同樣地，剛好在使用第一旋轉工具4A開始加工第一、第十一、第二十一和第三十一工件之前，由溫度計直接測量旋轉工具的表面溫度。
圖18示出了依照第一和第二加工示例在第三十一工件的連續加工完成之后所測得的第一、第十一、第二十一和第三十一工件的溫度和加工深度。依照第一加工示例，任何工件的加工深度基本上是恒定的。不會出現內部孔隙，旋轉工具的表面溫度也不會大大地改變。因此，可以獲得良好的結果。
依照第二加工示例，旋轉工具的表面溫度從第一到第十一個工件，以及從第十一到第二十一個工件急劇地增加。因此，加工深度逐漸增加，并且在第二十一和第三十一個工件中出現內部孔隙。
在第一加工示例中，將每個旋轉工具的加工時間設定為(每個工件加工時間)×(旋轉工具的數量)(約30分鐘)，并且將旋轉工具的實際等待時間確定為約6分鐘。在這種情況下，積聚在旋轉工具中的摩擦熱量在等待時間中被消散，因此從第十一個工件開始都具有基本恒定的溫度，加工深度中的寬度變化為0.15mm。在加工深度和工具溫度或累積的加工數量之間沒有觀察到相關性。
與此相反，在第二加工示例中，旋轉工具的等待時間只為約2分鐘。在積聚在旋轉工具中的摩擦熱量被消散之前，開始了下一次的加工。直到累積的加工數量達到了21個，隨著時間過去，工具的表面溫度和加工深度易于增加。隨著時間過去，由于熱膨脹所致的工具壓入量的增加，加工深度也增加。只在第二十一和第三十一個工件中出現孔隙，這是由于在這些工件中熱膨脹所致的工具壓入量的增加所導致的。
在第二加工示例中，如果條件與第一加工示例中的條件相同，就不能獲得良好的結果。然而，如果旋轉工具的移動軌跡是長的(加工時間是長的)，所要求的加工深度是大的，并且表面修正區域中的工件厚度是大的，那么第二加工示例可提供有效的工藝程序。旋轉工具可通過例如吹入空氣強制地冷卻。
依照除使用工具變換器的表面處理之外的加工示例，剛好在根據摩擦攪動的表面處理開始之前，可通過使用例如溫度傳感器測量旋轉工具的表面溫度，或者可通過使用例如觸覺傳感器測量旋轉工具的熱膨脹量。可根據這些測量值校正旋轉工具的壓入量。或者，可預先準備多個NC控制程序。可通過選擇與工件的單元中的測量值相對應的合適的NC控制程序執行表面處理。
依照該方法，即使在摩擦熱量使得旋轉工具熱膨脹時，工具壓入量也可被控制為基本恒定的。因此，可抑制表面修正范圍深度方面的變化或內部孔隙的出現。
依照一個實際加工示例，每個工件的加工時間約為7分鐘，分解為(i)工件轉換用1分鐘20秒、(ii)旋轉工具的表面溫度測量用1分鐘10秒、(iii)旋轉工具的熱膨脹量的測量用30秒、(iv)表面處理用4分鐘。依照(i)→(iv)的程序執行加工。
使用接觸式溫度計等等為圖19中所示的旋轉工具4的肩部3的外側表面中的軸向中心3a執行上述第(ii)項表面溫度的測量，所述軸向中心3a作為測量部分。使用度盤式量具等執行上述第(iii)項的旋轉工具4的熱膨脹量的測量，其中形成于圖19中所示的旋轉工具4的肩部3的外側表面上的階3b的位移量作為測量部分。階3b是通過切掉旋轉工具4的盡可能靠近于遠端并且沒有被插入到工件中的部分而形成的。對突出部分2的遠端或旋轉工具4的肩部3的端面不執行測量，這是由于通過表面處理所攪動的材料附屬于這些部分上。因此，材料的厚度會不合期望地包含于作為熱膨脹量所測量的數值中。
圖20示出了當由一個旋轉工具根據上述程序連續加工十個工件時所獲得的根據熱膨脹的工具的表面溫度和工具位置測量數據。當積聚的加工數量增加時，旋轉工具的表面溫度增加了，并且由于溫度增加而導致的工具受熱膨脹并沿軸向延伸。因此，如果使用相同的NC控制程序，工具的壓入量會由于旋轉工具的熱膨脹而改變。因此，加工深度變化并且出現內部孔隙。
基于上述結果，(1)旋轉工具被固定在加工工具的主軸。剛好在根據摩擦攪動的表面處理開始之前，使用觸覺傳感器等等測量用于熱膨脹量的測量的部分的豎直位置。校正工具的壓入量或者根據測量值選擇或改變合適的NC控制程序。這樣，將工具的壓入量控制為恒值。
(2)在圖20中所示的工具表面溫度和熱膨脹量之間發現由以下函數方程所表示的關系。作為表面處理開始之前的工具熱膨脹量的另一特征測量工具的表面溫度。校正工具的壓入量或者根據測量值選擇或改變合適的NC控制程序，從而將工具的壓入量控制為恒值。
(ΔT-T)×α×L＝ΔL其中T為旋轉工具的初始表面溫度，ΔT為溫度增加后旋轉工具的表面溫度，L為旋轉工具的初始長度，ΔL為溫度增加ΔT(熱膨脹之后)后旋轉工具的長度，以及α為旋轉工具的線性膨脹系數。
在圖20中所示的工具表面溫度和熱膨脹量之間發現具有相關系數R0.975的關系。因此，可作為表面處理開始之前的工具熱膨脹量的另一特征測量工具的表面溫度。校正工具的壓入量或者根據測量值和相關系數選擇或改變合適的NC控制程序，從而將工具的壓入量控制為恒值。
當使用上述(1)和(2)中任意一項或兩項時，即使由于旋轉工具溫度增加而導致工具或者加工工具的主軸受熱膨脹，加工深度也可為穩定的。
表面修正區域中出現的缺陷通常靠人工通過目測法來檢查。當缺陷的尺寸降低時，通過目測法進行檢查就比較困難了。在這種情況下，如本實施例中結合摩擦攪動的表面處理，當毛邊形成于工件表面上時，通過目測法進行檢查毛邊覆蓋下部分的缺陷就更加困難了。
考慮到上述問題，依照本實施例，在結合摩擦攪動的表面處理過程中，使用功率表或頻率計監控加工工具主軸的功率波形。從旋轉工具進入工件表面中直到將其從工件表面中抽出而耗費的電能是由運算裝置(諸如個人電腦)計算的。或者，通過溫度傳感器等等預先測量表面處理開始之前的工件表面溫度。
剛好在程序之后，通過使用個人電腦等等對工件溫度與電能耗費之間的關系進行分析。當電能耗費反常地高時，可以確定已出現了缺陷，并且產生警報。
更具體地，具有指定尺寸(例如，150mm長×35mm寬×20mm厚)的鋁合金鑄造材料用作是工件。旋轉工具被固定到于NC加工工具的主軸上。結合圖21中所示的工藝操作條件執行通過摩擦攪動的表面處理，因此旋轉工具在工件表面上形成100mm的移動軌跡。
當在上述條件下連續地執行加工時，所產生的摩擦熱量被傳導到固定工件的夾具處，而且夾具的熱量被不合希望地傳導到下一個工件上。因此，用接觸式溫度計等測量表面處理剛剛開始之前的工件的表面溫度。
功率表被固定于主軸馬達的供電線路上。功率表的測量值被傳輸到個人電腦中，從而獲得了圖22中所示的主軸功率的波形。此外，預先計算主軸空轉(無載荷模式下)時的電能耗費。通過使用所計算的電能耗費作為參考值而集成主軸功率的波形，從而計算表面處理所需要的主軸的電能耗費。
圖23示出了工件的單元中表面處理開始之前工件表面溫度的測量值與主軸的電能耗費之間的關系。當通過目測法獨立地檢查表面修正區域的缺陷時，在對應于62.2℃-113.18kWs的位置處的工件中觀察到缺陷。
檢查目測法所獲得的檢查結果和圖24中所示出的結果之間是否存在關系。如圖24中所示的，觀察到顯示工件表面溫度的更高電能耗費的工件的測量結果的緊密的關系。
因此，使用圖24中所示的工件溫度和主軸電能耗費之間的基本為線形的關系，當工件溫度與電能耗費的測量值超出指定閾值時，可以確定在用相應的程序加工的工件中出現了缺陷，并且產生警報。因此可刪去目測法所需的步驟數量，并且可通過在線遙控方法在裝配線上檢查工件是否有缺陷。
本發明并不局限于上述實施例，在本發明的精神和保護范圍內可對其作出各種改變和修正。因此，為了告知公眾本發明的保護范圍而作出了以下的權利要求。
工業實用性本實施例所涉及的表面處理是針對鋁合金制成的鑄造材料的，并且通常適用于形成于例如汽車的汽缸蓋或汽車的活塞、閘盤等等中的相鄰孔之間的部分(閥對閥的部分)的表面修正加工。鋁合金制成的鑄造材料的表面修正區域在沒有被摩擦熱量熔化的情況下被攪動，從而金屬結構變得更精細，易熔硅(Si)的顆粒被均勻分散，從而減少了鑄造損失。可獲得在材料特性方面比根據傳統再熔化程序而獲得的表面更好的修正的表面，所述材料特性例如熱疲勞(低循環疲勞)壽命、伸長率以及耐震強度。
將用于執行本實施例表面處理方法的加工工具的記憶媒介儲存控制數據或控制程序、用于執行表面處理元件的檢查方法的電腦程序或者電腦程序代碼供應給電腦。該電腦可讀出儲存在其記憶媒介中的程序代碼并且執行上述實施例的程序。
權利要求
1.一種用于具有多個開口的工件的表面處理方法，將旋轉工具插入到開口之間的工件表面中，并且在沒有被旋轉工具的摩擦熱量熔化的情況下攪動和修正工件表面，其特征在于，在工件的開口上形成了用于干涉由于材料變軟所導致的開口變形的邊緣余量，開口之間的工件表面被旋轉工具攪動，并且執行移除包含余量的工件表面的后加工。
2.依照權利要求1中所述的表面處理方法，其特征在于，旋轉工具具有帶有平坦遠端的桿狀軸向部分，以及從軸向部分的遠端突出的突出部分。
3.依照權利要求1或2中所述的表面處理方法，其特征在于，工件為鑄造材料，并且在上部布置有用于在工件鑄造期間形成邊緣余量的模型。
4.依照權利要求1到3中任意一項所述的表面處理方法，其特征在于，工件為汽缸蓋。
5.依照權利要求1中所述的表面處理方法，其特征在于，由加工工具的工具支撐裝置以可拆卸的方式支撐旋轉工具，在旋轉工具攪動工件的表面處理區域之后，旋轉工具變為用于去除工件毛邊的修邊工具，并且用該修邊工具加工所述表面處理區域。
6.依照權利要求5中所述的表面處理方法，其特征在于，旋轉工具具有多個旋轉工具，并且在使用修邊工具的加工之后，選擇此前剛剛使用的旋轉工具以外的旋轉工具。
7.依照權利要求1中所述的表面處理方法，其特征在于，測量表面處理區域的預處理溫度，測量在加工期間旋轉工具對于表面處理區域的載荷，以及從預處理溫度和旋轉工具的載荷的預定關系圖與所測量的預處理溫度和載荷的對比中檢查表面處理元件是否有缺陷。
8.依照權利要求7中所述的表面處理方法，其特征在于，通過預處理溫度和施加到旋轉工具上的電能而限定所述關系圖，并且可通過電能改變旋轉工具的旋轉速度。
9.一種用于具有不同剛度的部分的工件的表面處理方法，將旋轉工具插入到工件表面中，并且在沒有被旋轉工具的旋轉和往復移動所產生的摩擦熱量熔化的情況下攪動和修正工件表面，其特征在于，高剛度部分和低剛度部分在工件的表面處理區域中被分別設置，使得旋轉工具沿著低剛度部分在向前路徑中相對于工件移動，以及在向前路徑之后，使得旋轉工具沿著高剛度部分在返回路徑中相對于工件移動。
10.依照權利要求9中所述的表面處理方法，其特征在于，在高剛度部分和低剛度部分中表面處理區域具有不同的厚度。
11.一種元件，所述元件具有多個開口并經受這樣的表面處理，所述表面處理即，將旋轉工具插入到開口之間的元件表面中，并且在沒有被旋轉工具的摩擦熱量熔化的情況下攪動和修正工件表面，其特征在于，在元件的開口上形成了用于干涉由于材料變軟所導致的開口變形的邊緣余量，開口之間的工件表面被旋轉工具攪動，并且執行移除包含余量的工件表面的后加工。
12.依照權利要求11中所述的元件，其特征在于，所述元件為鋁合金鑄造材料制成的汽缸蓋。
13.一種中間元件，所述元件具有多個開口并經受這樣的表面處理，所述表面處理，即，將旋轉工具插入到開口之間的元件表面中，并且在沒有被旋轉工具的摩擦熱量熔化的情況下攪動和修正工件表面，其特征在于，在元件的開口上形成了用于干涉由于材料變軟所導致的開口變形并且通過后加工而去除的邊緣余量。
14.一種元件，所述元件具有不同剛度的部分并且經受這樣的表面處理，所述表面處理即，將旋轉工具插入到工件表面中，并且在沒有被旋轉工具的旋轉和往復移動所產生的摩擦熱量熔化的情況下攪動和修正工件表面，其特征在于，高剛度部分和低剛度部分被分別設置于工件的表面處理區域中，使得旋轉工具沿著低剛度部分在向前路徑中相對于工件移動，在向前路徑之后，使得旋轉工具沿著高剛度部分在返回路徑中相對于工件移動，從而修正元件表面。
15.依照權利要求14中所述的元件，其特征在于，所述元件為具有多個開口的元件，其中開口之間的部分被連續地修正。
16.依照權利要求15中所述的元件，其特征在于，所述元件為鋁合金鑄造材料制成的汽缸蓋。
17.用于具有不同剛度部分的工件的表面處理設備，將旋轉工具插入到工件表面中，并且在沒有被旋轉工具的旋轉和往復移動所產生的摩擦熱量熔化的情況下攪動和修正工件表面，其特征在于，所述設備包括設定裝置，用于將高剛度部分和低剛度部分分別設置于工件的表面處理區域中，向前路徑移動裝置，所述裝置用于，使得旋轉工具沿著低剛度部分在向前路徑中相對于工件移動，以及返回路徑移動裝置，所述裝置用于，在向前路徑之后，使得旋轉工具沿著高剛度部分在返回路徑中相對于工件移動。
18.依照權利要求17中所述的表面處理設備，其特征在于，所述設備還包括工具支撐裝置，所述裝置用于以可拆卸的方式將旋轉工具支撐于加工工具上，旋轉工具驅動裝置，所述裝置用于使用旋轉工具攪動工件的表面處理區域，以及工具改變裝置，所述裝置用于將旋轉工具改變為用于去除工件毛邊的去毛邊工具，工具驅動裝置包括去毛邊工具驅動裝置，所述去毛邊工具驅動裝置用于使用去毛邊工具加工表面處理區域。
19.依照權利要求17中所述的表面處理設備，其特征在于，所述設備還包括溫度測量裝置，所述裝置用于測量表面處理區域的預處理溫度，載荷測量裝置，所述裝置用于測量在加工期間旋轉工具對于表面處理區域的載荷，以及檢查裝置，所述檢查裝置用于從預處理溫度和旋轉工具的載荷的預定關系圖與所測量的預處理溫度和載荷的對比中檢查表面處理元件是否有缺陷。
全文摘要
垂直于移動軌跡Q的兩個粱17和18形成于汽缸蓋材料的吸入端口開口14中，作為用于干涉由于材料變軟所導致的端口開口14變形的邊緣余量，從而在旋轉工具的摩擦攪動防止材料的變形和變形所形成的孔隙。
文檔編號B23K20/12GK1582211SQ0280680
公開日2005年2月16日 申請日期2002年7月26日 優先權日2001年8月1日
發明者楠木弘明, 益田勉, 富谷孝二 申請人:馬自達汽車株式會社