专利名称：摩擦搅动表面处理方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于例如铝合金铸造材料的表面处理方法、表面处理设备、经受该表面处理的元件以及将要经受该表面处理的中间元件。
背景技术：
日本专利未审定公开号No.10-183316披露了一种表面处理方法，在施加压力的铸造材料(诸如相对于汽缸盖的汽缸体的啮合表面)的表面处理中，在旋转时，旋转工具具有形成于其远端肩部处的突出部分，从而在具有热能的非熔化状态下进行搅动。
汽缸盖的端口开口之间的部分(阀对阀的部分)重复由于发动机燃烧所导致的体积膨胀和由于冷却所导致的体积收缩，并且在那里易于出现由于热疲劳所造成的裂缝。因此，通过摩擦搅动而对阀对阀的部分进行表面处理，以便于形成具有精细结构的金属并降低浇道的面积比率，这样就增强了对于热疲劳所导致的裂缝的产生和裂缝扩展的抵抗力，从而提高了热疲劳强度。
由于端口开口的存在，在阀对阀的部分中材料的刚度是低的。旋转工具的推力和旋转运动使得开口的侧表面的基质结构沿竖直方向和水平方向塑性变形，因此端口开口的形状会不合需要地改变。
当端口开口的形状改变时，已通过摩擦搅动而塑性流化的材料移动到端口开口侧面。因此，在表面改变区域中易于出现孔隙。
发明内容
在考虑了上述问题的基础上提出了本发明，本发明的目的是，提供一种可防止材料变形以及由于变形所导致的孔隙的表面处理方法和设备、经受该表面处理的元件以及将要经受该表面处理的中间元件。
为了解决上述问题并且实现上述目的，依照本发明的表面处理方法，当将要根据摩擦搅动通过将旋转工具插入开口之间的工件表面中而对具有多个开口的工件进行表面处理时，在工件的开口上形成了用于干涉由于材料变软所导致的开口变形的边缘余量，开口之间的工件表面被旋转工具搅动，并且执行移除包含余量的工件表面的后加工。这样，可避免材料变形以及由于变形所导致的孔隙。
旋转工具最好具有带有平坦远端的杆状轴向部分，以及从轴向部分的远端突出的突出部分。从而，可提高热疲劳强度，同时避免材料变形以及由于变形所导致的孔隙。
工件最好为铸造材料，并且在上部布置有用于在工件铸造期间形成边缘余量的模型。因此，可在没有增加制造步骤数量的情况下形成边缘余量。
工件最好为汽缸盖。这样，可提高热疲劳强度，同时避免汽缸盖的端口开口变形以及由于变形所导致的孔隙。
最好，当将要根据摩擦搅动、通过将由机械工具的工具支撑装置以可拆卸的方式支撑的旋转工具插入工件表面中而执行表面处理时，旋转工具搅动工件的表面处理区域，旋转工具变为用于去除工件毛边的修边工具，并且用该修边工具加工所述表面处理区域。使用一个机械工具可执行摩擦搅动程序和修边程序。因此，可抑制由于旋转工具的热膨胀所导致的加工深度的变化，从而避免出现孔隙。
旋转工具最好具有多个旋转工具，并且在使用修边工具的程序之后，选择此前刚刚使用的旋转工具以外的旋转工具。这样，可给予此前刚刚使用的旋转工具足够长的冷却时间。
最好，当将要对经受通过将旋转工具插入到工件表面中的摩擦搅动的表面处理的元件进行检查时，测量表面处理区域的预处理温度、测量在加工期间旋转工具对于表面处理区域的载荷，以及从预处理温度和旋转工具的载荷的预定关系图与所测量的预处理温度和载荷的对比中检查表面处理元件是否有缺陷。因此，可删去通过目测法所执行的步骤，并且可在程序期间以在线的方式检查工件是否有缺陷。
最好，通过预处理温度和施加到旋转工具上的电能而限定所述关系图，并且可通过电能改变旋转工具的旋转速度。这样，可从施加到旋转工具上的电能变化中检查工件是否有缺陷。
依照本发明的处理方法，当将要根据摩擦搅动(通过将旋转工具插入工件表面中)而对具有不同刚度部分的工件进行表面处理时，高刚度部分和低刚度部分在工件的表面处理区域中被分开，使得旋转工具沿着低刚度部分在向前路径中相对于工件移动，在向前路径之后，使得旋转工具沿着高刚度部分在返回路径中相对于工件移动。这样，可避免由于摩擦热的传导所导致的材料变形以及所述变形所造成的孔隙，同时通过往复移动处理广阔的区域。
在高刚度部分和低刚度部分中表面处理区域最好具有不同的厚度。使得旋转工具沿着具有厚表面处理区域的高刚度部分在返回路径中相对于工件移动。这样，可避免由于摩擦热的传导所导致的材料变形以及所述变形所造成的孔隙，同时通过往复移动处理广阔的区域。
经受本发明表面处理的元件具有多个开口。在元件的开口上形成有用于干涉由于材料变软所导致的开口变形的边缘余量，所述元件是根据摩擦搅动(通过将旋转工具插入开口之间的元件表面中)而经受表面处理的。开口之间的工件表面被旋转工具搅动，并且执行移除包含余量的工件表面的后加工。这样，可提高热疲劳强度同时避免表面处理期间材料变形以及由于变形所导致的孔隙。本发明最好适用于用铝合金铸造材料制成的汽缸盖作为元件。
本发明所涉及的中间元件具有多个开口。在元件的开口上形成有用于干涉由于材料变软所导致的开口变形以及将通过后加工去除的边缘余量，所述元件是根据摩擦搅动(通过将旋转工具插入开口之间的元件表面中)而经受表面处理的。这样，可提高产品热疲劳强度同时避免表面处理期间材料变形以及由于变形所导致的孔隙。
在本发明所涉及的经受表面处理的元件中，当将要根据摩擦搅动(通过将旋转工具插入工件表面中)而对具有不同刚度部分的工件进行表面处理时，高刚度部分和低刚度部分在工件的表面处理区域中被分开，使得旋转工具沿着低刚度部分在向前路径中相对于工件移动，在向前路径之后，使得旋转工具沿着高刚度部分在返回路径中相对于工件移动。这样，可避免由于摩擦热的传导所导致的材料变形以及所述变形所造成的孔隙，同时通过往复移动处理广阔的区域。
最好，所述元件是具有多个开口的元件，其中开口之间的一部分被连续地改变。本发明最好适用于用铝合金铸造材料制成的汽缸盖作为元件。
用本发明所涉及的表面处理设备，当根据摩擦搅动(通过将旋转工具插入工件表面中)而对具有不同刚度部分的工件进行表面处理时，高刚度部分和低刚度部分在工件的表面处理区域中被分开，使得旋转工具沿着低刚度部分在向前路径中相对于工件移动，在向前路径之后，使得旋转工具沿着高刚度部分在返回路径中相对于工件移动。这样，可避免由于摩擦热的传导所导致的材料变形以及所述变形所造成的孔隙，同时通过往复移动处理广阔的区域。
最好，当将要根据摩擦搅动(通过将由机械工具的工具支撑装置以可拆卸的方式支撑的旋转工具插入工件表面中)而执行表面处理时，旋转工具搅动工件的表面处理区域，旋转工具变为用于去除工件毛边的修边工具，并且用该修边工具加工所述表面处理区域。使用一个机械工具可执行摩擦搅动程序和修边程序。因此，可抑制由于旋转工具的热膨胀所导致的加工深度的变化，从而避免出现孔隙。
最好，当将要对经受通过将旋转工具插入到工件表面中的摩擦搅动的表面处理的元件进行检查时，测量表面处理区域的预处理温度、测量在加工期间旋转工具对于表面处理区域的载荷，以及从预处理温度和旋转工具的载荷的预定关系图与所测量的预处理温度和载荷的对比中检查表面处理元件是否有缺陷。因此，可删去通过目测法所执行的步骤，并且可在加工期间以在线的方式检查工件是否有缺陷。
从以下对于本发明优选实施例的详细描述中，本领域熟练人员将明白除以上所披露的以外的其他目的和优点。在描述中，对附图进行参照，其中附图构成所述描述的一部分，并且附图示出了本发明的一个示例。然而，所述示例并非涵盖本发明各种实施例，因此要参照所述详细描述之后的确定本发明保护范围的权利要求。
图1是本发明一个实施例所涉及的用于实施表面处理方法的摩擦搅动设备的示意图；图2是图1旋转工具附近的一部分的放大图；图3是旋转工具的远端部分的详图；图4是示出了本实施例所涉及的铝合金的成分比例的表格；图5A是图表，示出了作为远端销长度的函数的加工深度；图5B是示出了远端销长度PL的视图；图5C是示出了最大加工深度Dmax的视图；图6是图表，示出了作为销类型工具的旋转速度和进给速度的功能的加工深度；图7是视图，示出了在依照本实施例通过摩擦搅动执行表面处理的修整之前靠近柴油机的汽缸盖材料的孔的部分的基本形状；图8是沿图7的线I-I所截的截面图；图9是视图，示出了在依照本实施例通过摩擦搅动执行表面处理的修整之前靠近柴油机的汽缸盖材料的孔的部分的特征形状；图10是沿图9的线II-II所截的截面图；图11是流程图，用于解释该实施例所涉及的柴油机汽缸盖的生产过程；图12A和12B是阀对阀的部分的截面图，示出了该实施例的表面处理的一个示例；图13A和13B是阀对阀的部分的截面图，示出了与该实施例的表面处理相比较的一个比较示例；图14是视图，用于解释使用本实施例所涉及的摩擦搅动程序的成直线的多缸式柴油机的汽缸盖的表面处理；图15是用作工具驱动装置的机械工具的示意性正视图；图16是视图，用于解释使用工具变换器的表面处理的第一加工示例；
图17是视图，用于解释使用工具变换器的表面处理的第二加工示例；图18是表格，用于比较随着时间过去第一和第二加工示例的工具温度和加工深度；图19是视图，示出了旋转工具的温度测量部分和位置测量部分；图20是表格，示出了当由一个旋转工具连续加工十个工件时所获得的根据热膨胀的工具的表面温度和工具位置测量数据；图21是表格，示出了通过摩擦搅动的表面处理的状态；图22是图表，示出了当通过摩擦搅动执行表面处理时主轴的功率的波形；图23是表格，示出了在摩擦搅动处理之后通过目测法所进行的缺陷检查的结果；以及图24是图表，示出了刚好在摩擦搅动处理之前的工件温度与主轴功率的波形的整数值之间的相互关系。
具体实施例方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例。
下文中将要描述的实施例是作为用于实现本发明的示例。本发明可适用于通过在不脱离本发明精神的范围内修正或改变以下实施例所获得的那些情况。
图1是本发明一个实施例所涉及的用于实施表面处理方法的摩擦搅动设备的示意图。图2是图1旋转工具附近的一部分的放大图。图3是旋转工具的远端部分的详图。
依照本发明通过摩擦搅动的表面处理是针对作为目标表面处理元件(在下文中称作工件)的示例的铝合金铸造材料的，并且出于提高形成于例如汽车的汽缸盖、或汽车的活塞、闸盘等等中的相邻孔之间的部分(阀对阀的部分)的热疲劳强度的目的，尤其是用于表面修正加工。当铝合金铸造材料的表面修正区域在没有被摩擦热量熔化的情况下在大气下被搅动时，金属结构变得更精细，易熔硅(Si)的颗粒被均匀分散，从而减少了铸造损失。可获得在材料特性方面比根据传统再熔化处理而获得的表面更好的修正的表面，所述材料特性例如热疲劳(低循环疲劳)寿命、伸长率以及耐震强度。
在不熔化情况下的搅动状态是指在低于各种成分或包含在基质中的低熔点化合物的最低熔点的温度下，金属被摩擦热量所软化之后金属被搅动。
如图1到图3中所示的，摩擦搅动设备1具有旋转工具4，所述旋转工具4具有整体形成或安装于圆柱形轴一端的平坦肩部3上的非耐磨型突出部分2；用于使得旋转工具4旋转以便于将突出部分2插入到工件的表面修正区域中的工具驱动装置5，同时旋转地驱动它，从而相对移动突出部分2同时推动具有肩部3的工件表面；以及用于对齐和固定工件的夹具(未示出)。非耐磨型突出部分2具有小于肩部3的直径，并且在其外表面上具有螺纹。
作为工具驱动装置5，一种可使用马达等等使得旋转工具4旋转的工具驱动装置可在竖直方向和水平方向上通过进给螺杆机构、机械手等等移动旋转工具4，并且能够可变地控制旋转速度、进给速度，并且使用旋转工具4的推力(加工深度)。依照工具驱动装置5的另一个示例，旋转工具4以可旋转的方式被机械工具的主轴(诸如加工中心，稍后将进行描述)沿轴向支撑，并且可在竖直或水平方向上以二维或三维的方式使得工件相对于旋转工具4移动。
旋转工具4的突出部分2和肩部3是用钢质原料制成的，所述钢质原料例如，其硬度高于铝合金的工具钢或不锈钢。将突出部分2构成得在指定间距处具有螺纹。
依照该实施例，如图4中所示的，作为由日本工业标准(JIS)标定的一种铝合金的AC4D作为目标表面处理元件是一个示例。铝合金的镁(Mg)含量可在0.2wt％到1.5wt％的范围内变化。铝合金的硅(Si)含量可在1wt％到24wt％的范围内变化，最好在4wt％到13wt％的范围内变化。另外，可使用用于活塞的AC4B、AC2B、AC8A等等。将硅(Si)含量的上限设定为24wt％是因为，如果硅(Si)含量增加得超过了该上限的话，材料特性和铸造性能就饱和了，这会使得搅动性能退化。
当对包含镁的铝合金铸造材料进行热处理时，Mg2Si分离并且材料强度增强了。当包含镁的铝合金铸造材料被熔化时，金属具有精细结构，如在再熔化处理中一样，有时低熔点(650℃)镁被蒸发从而降低其含量。当镁含量降低时，甚至当执行热处理时，硬度和强度都会降低，因此无法获得期望的材料特性。
通过摩擦搅动进行的表面处理，未使用金属结构，因此镁未被蒸发。这样，通过热处理Mg2Si从铝合金铸造材料中分离，因此强度增强了。
当在铝合金中加入硅时，铸造性能(流动性、凹痕特性以及熔融金属的抗热裂性)提高了，但是易熔硅成为一种降低机械特性(伸长率)的缺陷。
易熔硅是坚硬并且易碎的，裂缝在易熔硅中开始出现并通过其传播，从而降低了伸长率。在一部分处，例如，在经受重复性的热应力的阀对阀的部分处，疲劳寿命降低了。在金属结构中，易熔硅沿树枝状结晶延伸。当使得易熔硅具有精细结构并使其均匀分布时，可抑制由于应力集中所导致的裂缝出现以及已出现的裂缝的传播。
图5A是图表，示出了与突出部分长度相关的加工深度；图5B是示出了突出部分长度PL的视图；而图5C是示出了最大加工深度Dmax的视图。图6是图表，示出了作为旋转工具的旋转速度和进给速度的函数的加工深度。
依照该实施例，将突出部分长度PL设定为需要深度的80％到90％。需要深度是突出部分长度的1.1到1.2倍，并且可将其设定在(0)到10mm范围内。如图5A中所示，最大加工深度Dmax以与突出部分长度PL成比例(突出部分长度的1.1到1.2倍)的方式增加，并且最大加工宽度也以与突出部分直径成比例的方式增加。如图5B中所示的，最大加工深度Dmax由突出部分长度PL确定并且不会太大地受到旋转速度和进给速度的不利影响。此外，最大加工深度Dmax中的变化小于图6中所示的再熔化处理中所获得的最大加工深度的变化，因此可增强可靠性。
图7是视图，示出了在依照本实施例通过摩擦搅动执行表面处理的修整之前靠近柴油机的汽缸盖材料的端口的部分的基本形状。图8是沿图7的线I-I所截的截面图。图9是视图，示出了在依照本实施例通过摩擦搅动执行表面处理的修整之前靠近柴油机的汽缸盖材料的端口的部分的特征形状。图10是沿图9的线II-II所截的截面图。
在其两侧表面上具有端口开口的阀对阀的部分16重复由于发动机燃烧所导致的体积膨胀和由于冷却所导致的体积收缩，并且在那里易于出现由于热疲劳所造成的裂缝。因此，通过摩擦搅动而对阀对阀的部分16进行表面处理，以便于形成具有精细结构的金属并降低浇道的面积比率，这样就增强了对于热疲劳所导致的裂缝的产生和裂缝扩展的抵抗力，从而提高了热疲劳强度。
然而，由于端口开口14和15的存在，在阀对阀的部分16中工件的刚度是低的。旋转工具4的推力和旋转运动使得开口14和15的侧表面的基质结构沿竖直方向和水平方向塑性变形，因此端口开口14和15的形状会不合需要地改变。
当端口开口14和15的形状改变时，已通过摩擦搅动而塑性流化的材料移动到端口开口侧，并且被加载到突出部分2的排出端口开口15侧部上的材料减少了。因此，在表面改变区域中沿移动轨迹Q易于出现隧道状孔隙。
如图7和图8中所示的，如由旋转工具4肩部3的外形和移动轨迹Q所指示的，将表面改变区域设定得在吸入端口开口1 4之间的一部分与排出端口开口15之间的一部分、以及在吸入端口开口14与排出端口开口15之间延伸。另外，邻近于表面改变区域的端口开口14和15的那些边缘14a、14b、15a和15b的形状是沿着旋转工具4的移动轨迹以线形方式构成的，因此在表面处理加工的全部范围内旋转工具4的肩部3与工件表面相接触。
在这种方式下，端口开口14和15的边缘14a、14b、15a和15b是以线形方式构成的，因此阀对阀的部分16的表面宽度在表面处理区域的全部范围内是恒定的。如图8中所示的，关于阀对阀的部分16的断面形状(厚度)，由于未被加工的端口形状部分的局限性，吸入端口开口14的厚度小于排出端口开口15的厚度。由于伴随断面形状方面的该差异的工件刚度上的差异，在吸入端口开口14中比在排出端口开口15中更易于出现旋转工具4的施压所导致的在竖直方向上的基质结构的塑性变形，以及旋转运动所导致的在水平方向上的其塑性变形。
因此，已根据摩擦搅动通过表面处理塑性流化的材料易于容易地充满在基质已变形的吸入端口开口14侧上，并且充满在突出部分2的排出端口开口15侧的材料减少了，因此在表面改变区域中沿移动轨迹Q易于出现隧道状孔隙。
孔隙通常如沿着旋转工具4的移动轨迹Q的隧道那样出现，并且其面积(体积)变得大于基质孔隙度。因此，热疲劳导致裂缝并且增强了裂缝传播，不能获得期望的热疲劳强度。
考虑到以上问题，依照本实施例，图7和图8中所示的孔采用那些具有基本形状的、并且如图9和10中所示的、宽度为4mm、高度为5mm并且垂直于移动轨迹Q的两个梁17和18形成于每个吸入端口开口14中，作为用于干涉由于材料变软所导致的端口开口14变形的边缘余量。
梁17和18是以如下方式形成的。在工件铸模中形成用于构成梁的转换部分。所述铸模被布置于上部处。在工件铸造期间，同时形成梁17和18。因此，可在不增加制造步骤数量的情况下形成梁17和18。
由于梁17和18的存在，使得每个吸入端口开口14侧表面沿水平方向的变形阻力大大增强。当悬梁结构变为中心梁结构时，沿竖直方向的变形阻力也增强了。因此可抑制端口开口的变形和伴随该变形的孔隙的出现。
在修整中将梁17和18随着线形形状部分一起去除，因此它们不会不利地影响进口效率。
在上述实施例中，只为具有较低工件刚度的吸入端口开口14设置梁，但是也可依照孔形状为排出端口开口15设置梁。关于梁17和18的宽度和高度，当需要考虑端口开口厚度时梁17和18的尺寸可以改变，或者梁17和18可为不垂直的而是可形成为T字形状。
假如在修整中端口开口不会在生产率方面较大地不利地降低的话，在工件铸造中将端口开口完全封闭。或者，图7中所示的端口开口φ1可降低以便于满足φ1≤φ2/2，其中φ2为修整后的孔内径。在这种情况下，端口开口具有圆形形状并且不具有直线部分，因此可减少其变形。或者，圆形端口开口可为椭圆形的。
下面将描述本实施例所涉及的柴油机汽缸盖的制造过程。
图11是流程图，用于解释该实施例所涉及的柴油机汽缸盖的制造过程。
如图11中所示的，在步骤S1中，作为中间体的汽缸盖是用铝合金铸造的。在步骤S2中，从铸模中取出铸造材料，并且去除它的浇口。在步骤S3中，使得从铸模中取出的铸造材料经受T6热处理，主要用于去除型芯砂。在步骤S4中，铸造材料的阀对阀的部分要经受通过摩擦搅动的表面处理。在步骤S5中，铸造材料再次经受T6热处理以增强其硬度和强度。在步骤S6中，执行修整。
下面将描述图11的步骤S4中的摩擦搅动过程。
利用摩擦搅动的表面处理在处理端部留下了一个终端孔，所述终端孔转为突出部分形状。如果在后面的步骤中将要经受钻孔的部分是终端孔位置，那么可避免留下终端孔。突出部分直径必须等于或小于后加工孔直径。取决于工件加工形状的技术要求或表面处理的技术要求，必须通过以使其移动轨迹Q相互偏移的方式使得旋转工具4往复移动而执行两次以上的处理。
此时，如参照图7到图10中所描述的，关于阀对阀的部分16的断面形状(厚度)，由于未被加工的孔形状部分的局限性，吸入端口开口14的厚度小于排出端口开口15的厚度。由于伴随断面形状方面的该差异的工件刚度上的差异，在吸入端口开口14中比在排出端口开口15中更易于出现旋转工具4的施压所导致的在竖直方向上的基质结构的塑性变形以及旋转移动所导致的其在水平方向上的塑性变形。
第一向前路径处理所产生的摩擦热量被传导到第二返回路径处理区域。在温度增加时，杨氏弹性模数降低导致容易变形。从而，增加了后面步骤中的加工余量。当变形量过多时，材料的流动沿变形的方向增进。因此，充满在与变形方向相对侧部上的材料减少了，并且在表面改变区域中沿移动轨迹Q易于出现隧道状孔隙。
考虑到上述问题，依照本实施例，从阀对阀的部分的形状中产生出来的高刚度部分(排出端口开口侧部)被设置在第二返回路径的处理区域，因此减少了由于温度升高所导致的杨氏弹性模数降低的问题，从而防止变形量的降低和孔隙的出现。
如图13A和13B中所示的，当第二返回路径的生产线P2被设置在具有低工件刚度的部分(吸入端口开口14侧)时，具有低工件刚度的部分极大地变形，而具有高工件刚度的部分的排出端口开口15保持其原始形状。这种变形导致材料的流化，因此由于该变形所导致的材料流动致使在表面改变区域中出现孔隙。
如图12A和12B中所示的，当第二返回路径的生产线P2被设置在具有高工件刚度的部分(排出端口开口15侧部)时，具有高工件刚度的部分和具有低工件刚度的部分几乎都保持其原始形状，从而可抑制表面改变区域中孔隙的出现。
使用本实施例所涉及的具有突出部分2的旋转工具4进行的表面处理的缺点在于，突出部分2的终端孔被留在生产线的终点处。此外，在工艺起始点中也易于出现缺陷。为了解决这个问题，将生产线设置得穿过起始点。当打算加工在后面的加工中将要经受螺栓钻孔的铸造材料的表面(例如汽缸盖)时，生产线的终点被设置于这样一个位置处，所述位置将经受使用其直径小于钻孔孔径的突出部分进行钻孔。因此在产品上不会遗留终端孔。
图14是视图，用于解释使用本实施例所涉及的摩擦搅动加工的成直线的多缸式柴油机的汽缸盖的表面处理。
如图14中所示的，汽缸盖材料H具有一对吸入端口开口14、一对排出口开口15，以及与多个汽缸相对应的多个用于紧固于汽缸体(未示出)上的拉紧螺栓孔21。为了获得大吸入量，要求吸入端口开口14尽可能地大。因此，相邻吸入端口之间的部分变得又窄又薄。
考虑到上述问题，在本实施例中，依照一个示例，生产线沿第一向前路径Q1、第一返回路径Q2以及第二环形路径Q3到Q6的路线运行，因此汽缸盖材料H的表面在没有被旋转工具的热量熔化的状态下被搅动和修正。在汽缸盖材料H的纵向方向上沿第一向前路径Q1从一端朝向另一端执行连续的程序，以使得工具在这对排出端口开口15和吸入端口开口14之间穿过，所述排出端口开口15和吸入端口开口14相对应汽缸彼此相对。第一向前路径Q1终止于对应的拉紧螺栓孔21处。第一返回路径Q2在汽缸盖材料H的另一端处弯曲并在第一向前路径Q1的相反方向上偏移。在汽缸盖材料H的纵向方向上沿第一返回路径Q2从一端朝向另一端执行连续的程序，以使得工具在这对排出端口开口15和吸入端口开口14之间以平行的方式穿过。第一返回路径Q2终止于对应的拉紧螺栓孔21处。在第一返回路径Q2的程序之后，沿第二环形路径Q3到Q6从邻近于弯曲位置的汽缸到第一返回路径Q2继续进行程序，同时在彼此相对的一对排出端口开口15和一对吸入端口开口14之间往复移动。第二环形路径Q3到Q6终止于对应的拉紧螺栓孔21处。
在每个第二环形路径Q3到Q6中，偏移到具有低工件刚度部分的吸入端口开口14侧部的生产线形成了向前路径，并且偏移到具有高工件刚度部分的排出端口开口15侧部的生产线形成了返回路径，从而它们构成了连续的环形路径。因此，向前路径和返回路径的各个加工区域重叠。
当第二返回路径的生产线被设置在具有高工件刚度部分的排出端口开口15侧部上时，如同第二环形路径Q3到Q6一样，那么在具有高工件刚度的部分中和在具有低工件刚度的吸入端口开口14中都不会出现变形，而且也可抑制在表面修正区域中出现孔隙。
在上述汽缸盖的表面处理中，最好进行如下设定旋转工具的旋转速度设定为700到1,100rpm，进给速度设定为400-550mm/min，突出部分长度设定为5到6mm，突出部分直径设定为7±1mm，以及肩部直径设定为15±1mm，因此第一和第二路径的加工宽度总量等于或小于(材料的阀对阀的部分的宽度)2mm。将突出部分直径和肩部直径设定得满足2≤肩部/突出部分＜4。将肩部进入到材料处理表面中的压入量设定为0.3mm或更高。
当使用一个旋转工具根据摩擦搅动连续地执行表面处理时，表面处理工具的实际操作效率越高，由工件和旋转工具的摩擦所产生的热量就更易于积聚在旋转工具中。工具本身的热膨胀量或者工具附属于其上的主轴的热膨胀量增加了，因此突出部分相对于工件表面的位置改变了。
由于该变化的影响，尽管NC控制数据还是相同的，但是热加工中旋转工具进入到工件表面中的压入量大于冷加工中旋转工具进入到材料处理表面中的压入量。这导致表面修正区域深度方面的改变，以及出现内部孔隙的不利影响。
在根据摩擦搅动的表面处理情况下，当以其肩部推在工件表面上的方式使得旋转工具移动时，在工件表面上形成与肩部的外缘相对应的毛边。因此用于去除该毛边的去毛边程序也是必要的。
考虑到上述问题，依照本实施例，使用具有工具变换器的加工工具，或者为加工工具装配工具变换器。至少两个具有相同形状的旋转工具和至少一个去毛边工具都由工具变换器固定。在使用去毛边工具的程序之后，选择除此前刚刚使用过的旋转工具之外的旋转工具。因此，交替地执行根据摩擦搅动的表面处理的程序和去除表面处理程序所产生的毛边的程序。
依照该方法，每个旋转工具的等待时间可从去毛边时间持续为相当于(表面处理时间)×(固定旋转工具的数量)的时间。在等待时间期间，旋转工具的温度可被降低。因此，伴随着工具本身的热膨胀或者主轴的热膨胀的表面修正区域深度方面的变化可被抑制。
图15是用作工具驱动装置的加工工具的示意性正视图。
如图15中所示的，加工工具100具有用于以可拆卸的方式支撑旋转工具4和一个去毛边工具T的工具变换器101；主轴102，所述主轴102根据NC控制程序选择旋转工具4或去毛边工具T，绕着工具中心轴旋转，并且可沿着竖直方向移动；以及X-Y台103，所述X-Y台103将工件固定到相对的工具上并且相对于工具二维地移动工件。根据储存在控制器(未示出)中的NC控制程序用数字的方式控制加工工具100。通过加工参照孔22(见图14)将工件对齐并固定在X-Y台103上。
依照本实施例的第一程序示例，五个具有相同形状的旋转工具4A到4E和用作去毛边工具的铣刀T1被工具变换器101所固定。每个工件的加工时间约为6分钟，分解为工件转换用1分钟20秒、表面处理用4分钟，以及去毛边用1分钟20秒。在使用了第一旋转工具4A之后，依照图16中所示的程序顺序地转换工具，这样连续地加工31个工件。
最好如此设定附属于工具变换器101上的工具数量，即，在使用了某个旋转工具之后，能够再次使用该旋转工具的时间为至少20分钟以使得该旋转工具可被充分地冷却。
刚好在使用第一旋转工具4A加工第一、第十一、第二十一和第三十一工件开始加工之前，由温度计直接测量旋转工具的表面温度。
依照本实施例的第二加工示例，每个旋转工具4和铣刀T1都被工具变换器101所固定。在与第一加工示例相同的条件下设定每个工件的加工时间以及其等待时间。依照图17中所示的程序顺序地转换工具，这样连续地加工31个工件。
同样地，刚好在使用第一旋转工具4A开始加工第一、第十一、第二十一和第三十一工件之前，由温度计直接测量旋转工具的表面温度。
图18示出了依照第一和第二加工示例在第三十一工件的连续加工完成之后所测得的第一、第十一、第二十一和第三十一工件的温度和加工深度。依照第一加工示例，任何工件的加工深度基本上是恒定的。不会出现内部孔隙，旋转工具的表面温度也不会大大地改变。因此，可以获得良好的结果。
依照第二加工示例，旋转工具的表面温度从第一到第十一个工件，以及从第十一到第二十一个工件急剧地增加。因此，加工深度逐渐增加，并且在第二十一和第三十一个工件中出现内部孔隙。
在第一加工示例中，将每个旋转工具的加工时间设定为(每个工件加工时间)×(旋转工具的数量)(约30分钟)，并且将旋转工具的实际等待时间确定为约6分钟。在这种情况下，积聚在旋转工具中的摩擦热量在等待时间中被消散，因此从第十一个工件开始都具有基本恒定的温度，加工深度中的宽度变化为0.15mm。在加工深度和工具温度或累积的加工数量之间没有观察到相关性。
与此相反，在第二加工示例中，旋转工具的等待时间只为约2分钟。在积聚在旋转工具中的摩擦热量被消散之前，开始了下一次的加工。直到累积的加工数量达到了21个，随着时间过去，工具的表面温度和加工深度易于增加。随着时间过去，由于热膨胀所致的工具压入量的增加，加工深度也增加。只在第二十一和第三十一个工件中出现孔隙，这是由于在这些工件中热膨胀所致的工具压入量的增加所导致的。
在第二加工示例中，如果条件与第一加工示例中的条件相同，就不能获得良好的结果。然而，如果旋转工具的移动轨迹是长的(加工时间是长的)，所要求的加工深度是大的，并且表面修正区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艺程序。旋转工具可通过例如吹入空气强制地冷却。
依照除使用工具变换器的表面处理之外的加工示例，刚好在根据摩擦搅动的表面处理开始之前，可通过使用例如温度传感器测量旋转工具的表面温度，或者可通过使用例如触觉传感器测量旋转工具的热膨胀量。可根据这些测量值校正旋转工具的压入量。或者，可预先准备多个NC控制程序。可通过选择与工件的单元中的测量值相对应的合适的NC控制程序执行表面处理。
依照该方法，即使在摩擦热量使得旋转工具热膨胀时，工具压入量也可被控制为基本恒定的。因此，可抑制表面修正范围深度方面的变化或内部孔隙的出现。
依照一个实际加工示例，每个工件的加工时间约为7分钟，分解为(i)工件转换用1分钟20秒、(ii)旋转工具的表面温度测量用1分钟10秒、(iii)旋转工具的热膨胀量的测量用30秒、(iv)表面处理用4分钟。依照(i)→(iv)的程序执行加工。
使用接触式温度计等等为图19中所示的旋转工具4的肩部3的外侧表面中的轴向中心3a执行上述第(ii)项表面温度的测量，所述轴向中心3a作为测量部分。使用度盘式量具等执行上述第(iii)项的旋转工具4的热膨胀量的测量，其中形成于图19中所示的旋转工具4的肩部3的外侧表面上的阶3b的位移量作为测量部分。阶3b是通过切掉旋转工具4的尽可能靠近于远端并且没有被插入到工件中的部分而形成的。对突出部分2的远端或旋转工具4的肩部3的端面不执行测量，这是由于通过表面处理所搅动的材料附属于这些部分上。因此，材料的厚度会不合期望地包含于作为热膨胀量所测量的数值中。
图20示出了当由一个旋转工具根据上述程序连续加工十个工件时所获得的根据热膨胀的工具的表面温度和工具位置测量数据。当积聚的加工数量增加时，旋转工具的表面温度增加了，并且由于温度增加而导致的工具受热膨胀并沿轴向延伸。因此，如果使用相同的NC控制程序，工具的压入量会由于旋转工具的热膨胀而改变。因此，加工深度变化并且出现内部孔隙。
基于上述结果，(1)旋转工具被固定在加工工具的主轴。刚好在根据摩擦搅动的表面处理开始之前，使用触觉传感器等等测量用于热膨胀量的测量的部分的竖直位置。校正工具的压入量或者根据测量值选择或改变合适的NC控制程序。这样，将工具的压入量控制为恒值。
(2)在图20中所示的工具表面温度和热膨胀量之间发现由以下函数方程所表示的关系。作为表面处理开始之前的工具热膨胀量的另一特征测量工具的表面温度。校正工具的压入量或者根据测量值选择或改变合适的NC控制程序，从而将工具的压入量控制为恒值。
(ΔT-T)×α×L＝ΔL其中T为旋转工具的初始表面温度，ΔT为温度增加后旋转工具的表面温度，L为旋转工具的初始长度，ΔL为温度增加ΔT(热膨胀之后)后旋转工具的长度，以及α为旋转工具的线性膨胀系数。
在图20中所示的工具表面温度和热膨胀量之间发现具有相关系数R0.975的关系。因此，可作为表面处理开始之前的工具热膨胀量的另一特征测量工具的表面温度。校正工具的压入量或者根据测量值和相关系数选择或改变合适的NC控制程序，从而将工具的压入量控制为恒值。
当使用上述(1)和(2)中任意一项或两项时，即使由于旋转工具温度增加而导致工具或者加工工具的主轴受热膨胀，加工深度也可为稳定的。
表面修正区域中出现的缺陷通常靠人工通过目测法来检查。当缺陷的尺寸降低时，通过目测法进行检查就比较困难了。在这种情况下，如本实施例中结合摩擦搅动的表面处理，当毛边形成于工件表面上时，通过目测法进行检查毛边覆盖下部分的缺陷就更加困难了。
考虑到上述问题，依照本实施例，在结合摩擦搅动的表面处理过程中，使用功率表或频率计监控加工工具主轴的功率波形。从旋转工具进入工件表面中直到将其从工件表面中抽出而耗费的电能是由运算装置(诸如个人电脑)计算的。或者，通过温度传感器等等预先测量表面处理开始之前的工件表面温度。
刚好在程序之后，通过使用个人电脑等等对工件温度与电能耗费之间的关系进行分析。当电能耗费反常地高时，可以确定已出现了缺陷，并且产生警报。
更具体地，具有指定尺寸(例如，150mm长×35mm宽×20mm厚)的铝合金铸造材料用作是工件。旋转工具被固定到于NC加工工具的主轴上。结合图21中所示的工艺操作条件执行通过摩擦搅动的表面处理，因此旋转工具在工件表面上形成100mm的移动轨迹。
当在上述条件下连续地执行加工时，所产生的摩擦热量被传导到固定工件的夹具处，而且夹具的热量被不合希望地传导到下一个工件上。因此，用接触式温度计等测量表面处理刚刚开始之前的工件的表面温度。
功率表被固定于主轴马达的供电线路上。功率表的测量值被传输到个人电脑中，从而获得了图22中所示的主轴功率的波形。此外，预先计算主轴空转(无载荷模式下)时的电能耗费。通过使用所计算的电能耗费作为参考值而集成主轴功率的波形，从而计算表面处理所需要的主轴的电能耗费。
图23示出了工件的单元中表面处理开始之前工件表面温度的测量值与主轴的电能耗费之间的关系。当通过目测法独立地检查表面修正区域的缺陷时，在对应于62.2℃-113.18kWs的位置处的工件中观察到缺陷。
检查目测法所获得的检查结果和图24中所示出的结果之间是否存在关系。如图24中所示的，观察到显示工件表面温度的更高电能耗费的工件的测量结果的紧密的关系。
因此，使用图24中所示的工件温度和主轴电能耗费之间的基本为线形的关系，当工件温度与电能耗费的测量值超出指定阈值时，可以确定在用相应的程序加工的工件中出现了缺陷，并且产生警报。因此可删去目测法所需的步骤数量，并且可通过在线遥控方法在装配线上检查工件是否有缺陷。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明的精神和保护范围内可对其作出各种改变和修正。因此，为了告知公众本发明的保护范围而作出了以下的权利要求。
工业实用性本实施例所涉及的表面处理是针对铝合金制成的铸造材料的，并且通常适用于形成于例如汽车的汽缸盖或汽车的活塞、闸盘等等中的相邻孔之间的部分(阀对阀的部分)的表面修正加工。铝合金制成的铸造材料的表面修正区域在没有被摩擦热量熔化的情况下被搅动，从而金属结构变得更精细，易熔硅(Si)的颗粒被均匀分散，从而减少了铸造损失。可获得在材料特性方面比根据传统再熔化程序而获得的表面更好的修正的表面，所述材料特性例如热疲劳(低循环疲劳)寿命、伸长率以及耐震强度。
将用于执行本实施例表面处理方法的加工工具的记忆媒介储存控制数据或控制程序、用于执行表面处理元件的检查方法的电脑程序或者电脑程序代码供应给电脑。该电脑可读出储存在其记忆媒介中的程序代码并且执行上述实施例的程序。
权利要求
1.一种用于具有多个开口的工件的表面处理方法，将旋转工具插入到开口之间的工件表面中，并且在没有被旋转工具的摩擦热量熔化的情况下搅动和修正工件表面，其特征在于，在工件的开口上形成了用于干涉由于材料变软所导致的开口变形的边缘余量，开口之间的工件表面被旋转工具搅动，并且执行移除包含余量的工件表面的后加工。
2.依照权利要求1中所述的表面处理方法，其特征在于，旋转工具具有带有平坦远端的杆状轴向部分，以及从轴向部分的远端突出的突出部分。
3.依照权利要求1或2中所述的表面处理方法，其特征在于，工件为铸造材料，并且在上部布置有用于在工件铸造期间形成边缘余量的模型。
4.依照权利要求1到3中任意一项所述的表面处理方法，其特征在于，工件为汽缸盖。
5.依照权利要求1中所述的表面处理方法，其特征在于，由加工工具的工具支撑装置以可拆卸的方式支撑旋转工具，在旋转工具搅动工件的表面处理区域之后，旋转工具变为用于去除工件毛边的修边工具，并且用该修边工具加工所述表面处理区域。
6.依照权利要求5中所述的表面处理方法，其特征在于，旋转工具具有多个旋转工具，并且在使用修边工具的加工之后，选择此前刚刚使用的旋转工具以外的旋转工具。
7.依照权利要求1中所述的表面处理方法，其特征在于，测量表面处理区域的预处理温度，测量在加工期间旋转工具对于表面处理区域的载荷，以及从预处理温度和旋转工具的载荷的预定关系图与所测量的预处理温度和载荷的对比中检查表面处理元件是否有缺陷。
8.依照权利要求7中所述的表面处理方法，其特征在于，通过预处理温度和施加到旋转工具上的电能而限定所述关系图，并且可通过电能改变旋转工具的旋转速度。
9.一种用于具有不同刚度的部分的工件的表面处理方法，将旋转工具插入到工件表面中，并且在没有被旋转工具的旋转和往复移动所产生的摩擦热量熔化的情况下搅动和修正工件表面，其特征在于，高刚度部分和低刚度部分在工件的表面处理区域中被分别设置，使得旋转工具沿着低刚度部分在向前路径中相对于工件移动，以及在向前路径之后，使得旋转工具沿着高刚度部分在返回路径中相对于工件移动。
10.依照权利要求9中所述的表面处理方法，其特征在于，在高刚度部分和低刚度部分中表面处理区域具有不同的厚度。
11.一种元件，所述元件具有多个开口并经受这样的表面处理，所述表面处理即，将旋转工具插入到开口之间的元件表面中，并且在没有被旋转工具的摩擦热量熔化的情况下搅动和修正工件表面，其特征在于，在元件的开口上形成了用于干涉由于材料变软所导致的开口变形的边缘余量，开口之间的工件表面被旋转工具搅动，并且执行移除包含余量的工件表面的后加工。
12.依照权利要求11中所述的元件，其特征在于，所述元件为铝合金铸造材料制成的汽缸盖。
13.一种中间元件，所述元件具有多个开口并经受这样的表面处理，所述表面处理，即，将旋转工具插入到开口之间的元件表面中，并且在没有被旋转工具的摩擦热量熔化的情况下搅动和修正工件表面，其特征在于，在元件的开口上形成了用于干涉由于材料变软所导致的开口变形并且通过后加工而去除的边缘余量。
14.一种元件，所述元件具有不同刚度的部分并且经受这样的表面处理，所述表面处理即，将旋转工具插入到工件表面中，并且在没有被旋转工具的旋转和往复移动所产生的摩擦热量熔化的情况下搅动和修正工件表面，其特征在于，高刚度部分和低刚度部分被分别设置于工件的表面处理区域中，使得旋转工具沿着低刚度部分在向前路径中相对于工件移动，在向前路径之后，使得旋转工具沿着高刚度部分在返回路径中相对于工件移动，从而修正元件表面。
15.依照权利要求14中所述的元件，其特征在于，所述元件为具有多个开口的元件，其中开口之间的部分被连续地修正。
16.依照权利要求15中所述的元件，其特征在于，所述元件为铝合金铸造材料制成的汽缸盖。
17.用于具有不同刚度部分的工件的表面处理设备，将旋转工具插入到工件表面中，并且在没有被旋转工具的旋转和往复移动所产生的摩擦热量熔化的情况下搅动和修正工件表面，其特征在于，所述设备包括设定装置，用于将高刚度部分和低刚度部分分别设置于工件的表面处理区域中，向前路径移动装置，所述装置用于，使得旋转工具沿着低刚度部分在向前路径中相对于工件移动，以及返回路径移动装置，所述装置用于，在向前路径之后，使得旋转工具沿着高刚度部分在返回路径中相对于工件移动。
18.依照权利要求17中所述的表面处理设备，其特征在于，所述设备还包括工具支撑装置，所述装置用于以可拆卸的方式将旋转工具支撑于加工工具上，旋转工具驱动装置，所述装置用于使用旋转工具搅动工件的表面处理区域，以及工具改变装置，所述装置用于将旋转工具改变为用于去除工件毛边的去毛边工具，工具驱动装置包括去毛边工具驱动装置，所述去毛边工具驱动装置用于使用去毛边工具加工表面处理区域。
19.依照权利要求17中所述的表面处理设备，其特征在于，所述设备还包括温度测量装置，所述装置用于测量表面处理区域的预处理温度，载荷测量装置，所述装置用于测量在加工期间旋转工具对于表面处理区域的载荷，以及检查装置，所述检查装置用于从预处理温度和旋转工具的载荷的预定关系图与所测量的预处理温度和载荷的对比中检查表面处理元件是否有缺陷。
全文摘要
垂直于移动轨迹Q的两个粱17和18形成于汽缸盖材料的吸入端口开口14中，作为用于干涉由于材料变软所导致的端口开口14变形的边缘余量，从而在旋转工具的摩擦搅动防止材料的变形和变形所形成的孔隙。
文档编号B23K20/12GK1582211SQ0280680
公开日2005年2月16日 申请日期2002年7月26日 优先权日2001年8月1日
发明者楠木弘明, 益田勉, 富谷孝二 申请人:马自达汽车株式会社