CN101375069A - 通过粉末冶金形成的非均质发动机部件 - Google Patents

Abstract

一种由一粉末冶金工艺整体地形成的连杆(300)提供一非均质结构。该连杆具有一活塞端(304)、一曲轴端(302)和一互连柄(306)。活塞端(304)、曲轴端(302)和互连柄(306)由一结构材料形成。

Description

通过粉末冶金形成的非均质发动机部件

技术领域

本发明涉及通过粉末冶金形成的部件，尤其涉及用于通过粉末冶金形成部件的一种方法和装置。

背景技术

粉末冶金是一种用于生产应用于诸如发动机的高质量部件的常用制造方法。在发动机部件的制造中经常使用粉末冶金，因为它经济、灵活、且可用比形成部件的其它方法较少的机加工或二次处理来生产一最终零件。粉末冶金允许一部件由多种合金、复合材料和其它材料形成，以给最终的部件提供所需的特征。粉末冶金适合于制造广泛范围的尺寸和形状的零件。同样，粉末冶金还能可靠地生产具有一致的尺寸和有利的物理性能的零件。

参见图1，显示了用于传统粉末冶金部件形成工艺30的一工艺流程图。首先，提供构成部件的金属粉末32。通常，将润滑剂添加至金属粉末，以减少压制机械的磨损。其次，混合基底粉末34，以形成一均质混合物。最终完工的零件是金属粉末组分的一均质合金。

然后用混合的粉末填满一模子或模具36。模具闭合时具有与最终零件的形状有点近似的一内部空穴。在模具内压实粉末38，以形成一所谓的“生件”。压实38通常在室温和例如30—50吨每平方英寸的压力下完成。生件也被称为一“生压制件”，当它从模具中脱出时，具有用于下一步操作的所需尺寸和形状。在压实38之后，生件具有足够的强度以用于进一步处理。

生件经受一烧结工艺40。在烧结40之后，取决于零件的预期用途，可在零件上完成多种二次操作42，该工艺产生一最终零件44。

通常，烧结40涉及使生件经受一温度，例如是构成生件的金属或合金的金属熔点的70—90％的温度。在一炉子内控制温度、时间和气氛的变量，以生产由于金属颗粒的结合或合金而具有改进的强度的一烧结零件。烧结工艺40通常包括在一烧结炉中实施的三个基本步骤：熔化46、烧结48和冷却50。通常使用连续型烧结炉来完成这些步骤。熔化室用于使形成生件中所使用的润滑剂挥发46。高温室实施实际烧结48。冷却室在处理之前冷却烧结零件50。

可认为冷却50之后从烧结炉40中出来的零件是完工的。可选择地，它们可经受一个或多个二次操作42。二次操作包括例如再压制(锻造)部件52、机加工54、滚磨56和将部件与作为整个组件的部分的附加部件结合58。二次操作42还可包括将油或润滑剂渗入零件60，以传递自润滑性能。烧结部件还可经受热处理62，以给部件提供诸如强度之类的某些特征和性能。本领域普通技术人员会意识到，可实施其它二次操作。二次操作42可独立实施或与其它二次操作共同实施。一旦实施了所有的二次操作，就完成了部件或零件44。

美国专利第6055884号、第5551782号和第5353500号都公开了用于一内燃机中的连杆。

图2显示了一传统内燃机的内部细节，以说明一连杆64的使用。连杆64枢转地连接至一活塞66和曲轴74。连杆64在一大或曲柄端76连接至曲轴74。连杆64的大端76处接纳曲轴74的一轴部分(“曲柄销”)78。连杆64还在连杆64的一小或活塞端70处连接至一活塞66。一销(“活塞销”)68用于允许连杆64的小端70和活塞66之间的转动。

参见图3—5，显示了根据传统方法制造的一传统连杆64。连杆64包括一活塞端70、一曲轴端76和一柄80。柄80通常提供有一个或多个用于减轻重量的凹处82。曲轴端76包括一大眼77，用于接纳曲柄销78。曲轴端76包括一曲柄轴承84，用于将由于轴78在大眼77内的转动而产生的磨损和摩擦最小化。轴承84包括轴承材料88、一外部材料支持面89和一内部轴承面86。本领域普通技术人员会意识到，当在曲柄销78和内部轴承面86之间提供润滑油时，曲柄轴承84形成一流体动力轴承。

连杆64的活塞端70包括一小眼81，用于接纳肘节销68。小眼81提供有一轴衬90，用于减小操作期间由于转动而产生的摩擦和磨损。轴衬90包括离散的或分离的轴承材料92、一内部轴承接触面94和一外部轴承支持面96。

一连杆64通常由一钢或铝合金构成。现在钛合金也用于连杆64。轴衬90通常由青铜构成。

曲柄轴承84和轴衬90通常提供至连杆64，作为二次制造和组装工艺的部分。每个轴承84和轴衬90都通常形成为其单独制造工艺的部分，然后与作为一单独制造或组装步骤的连杆64结合。附加的步骤使制造工艺增加了时间、加工和劳动力成本。所有制造的一持续的目标是减少成本。

因此，仍然需要提供具有一减少数量的制造步骤、加工工具、零件和劳动力的、用于发动机的连杆。

发明内容

本发明提供一种连杆，它包括以一粉末冶金工艺整体地形成的非均质结构，且具有至少两种不同金属组分，以便在该结构的离散位置提供不同特征。

附图说明

图1是根据现有技术的一粉末冶金制造工艺的一工艺流程图；

图2是根据现有技术的一车辆发动机的一局剖的立体图；

图3是根据现有技术的一连杆的一平面图；

图4是沿线a—a所取的图3的连杆的一剖视图；

图5是根据现有技术的一连杆的一立体图；

图6是根据本发明的用于使用粉末冶金制造工艺制造一非均质部件的一工艺流程图；

图7是根据本发明的生件形成装置的一侧剖图；

图8是根据本发明的一生件形成装置的一前视图；

图9是根据本发明的一生件形成装置的一俯视图；

图10是用于根据本发明的一生件形成装置的进给阀的一局剖俯视详图；

图11是根据本发明的处于打开位置的一粉末出口的一局剖侧视详图；

图12是根据本发明的处于闭合位置的一粉末出口的一局剖侧视详图；

图13是根据本发明的生件形成装置的一侧剖图；

图14是根据本发明的生件形成装置的一侧剖图；

图15是根据本发明的一非均质连杆的一侧剖图；以及

图16是图15的连杆的一前视图。

具体实施方式

图6显示了一种用于制造包括一连杆的一非均质粉末冶金制件的工艺。在步骤106，将一种或多种金属粉末引入一模子。两种、三种或多种金属粉末可同时(并行地)、在不同时间(串行地)或以其某种组合而引入。每种金属粉末可以是一种组分混合物。金属粉末可在引入之前混合，除非需要一非均质生成物。在步骤108，压制模子中的粉末，以形成一生件。该生件在步骤110烧结。可选择地，可在步骤112实施一个或多个诸如锻造、机加工、热处理、精加工等的二次操作。本领域普通技术人员会意识到，可实施粉末金属的附加层和/或工艺步骤，而不脱离本发明的精神和范围。

在图7中显示了一生件形成装置120的一实施例。该生件形成装置120可通称为一给料板装置120。给料板装置120通常包括可由一致动缸134致动的一粉末充填容器122、一上冲头140、一下冲头142和一粉末料斗148。尤其，一第一容器122通过一个或多个连接件138刚性地连接至一第二容器126。第二容器126通过一活塞136连接至一致动缸134。致动缸134可以是用于推动活塞136进或出的一液压或气压缸，从而引导第一容器122和第二容器126可控制地移动。每个容器122、126包括限定一内部空穴于其中的侧壁125。侧壁125具有倾斜部分129，用于将粉末引向一粉末出口阀146。容器122、126中顶部开口的尺寸定为可接纳连接至料斗148、150的一滑槽152、154。料斗148、150分别接纳分别提供至第一内部空穴124和第二内部空穴128的第一和第二种粉末金属。第一滑槽152和第二滑槽154包括一柔性管，该柔性管构造成允许第一容器122和第二容器126的直线移动。第一容器和第二容器122、126都通过在桥接件132上滑动而直线移动。桥接件132和致动缸134中的每一个都安装在一模具台130上。

在图8中显示了给料板装置120的一侧视图。给模具台130提供一个或多个锁定机构160。锁定机构160允许容器122、126在一模具空穴144填充操作期间对准。锁定机构160可以是一磁铁或其它诸如一凹—凸插座或其等同物的锁定装置。

桥接件132可滑动地设置于导轨166上。每个导轨166进一步设置于一轨道168上。一提升汽缸162设置于每个桥接件132上，并构造成通过一提升活塞154的延伸而举起导轨166上的桥接件132。在第一容器122和模具空穴144之间的图2所示的间隔允许致动缸162将容器122横向移动至空穴144。容器122、126有利地移动离开冲头140、142，从而容器122、126不干涉压制工艺。

参见图9，显示了给料板装置120的一俯视图。每个容器122、126以局剖图示而显示内部细节。为作参考，显示了一模具空穴直径172的一虚线轮廓。一个或多个粉末出口170设置于每个容器122、126的底面中。粉末出口170包括阀148，用于控制粉末金属通入模具空穴144。出口170的尺寸定为可控制在一填充操作期间流动通过一特定出口170的相对数量。第一容器122显示成具有一单独出口170。第二容器126显示成具有三个不同尺寸的出口170。可使用多种多边形、偏心的形状或变化的尺寸来代替圆形出口，这并不脱离本发明的范围。

有利地选择粉末出口170的尺寸和位置，以适合于给最终零件提供预定特征。例如，在一内燃机中用于一活塞的一连杆利用一轴承作为肘节销(wrist pin)组件的部分。用于制造一连杆的传统方法是提供一单独形成的轴承至预成形的连杆，作为二次操作的部分。在此公开的装置和方法提供了一粉末出口，该粉末出口有利地定位于精确位置，以形成与连杆成为整体的一整体轴承。

图9中显示的给料板装置附加地包括一液体注射装置174。该液体注射装置174在一形成工艺期间将液体注射至第一内部空穴124。通至注射装置的一入口176连接与供给一溶液的一液体导管178相连接。该装置可包括一电磁阀，诸如一零单流管容量(zero dead leg volume)电磁阀。可使用多种合适的阀，而不脱离本发明的范围。本领域普通技术人员会意识到，本发明还可实施提供至第二容器的一第二液体注射装置，或者可选择地，一个液体注射装置与第一和第二容器都连通。

溶液可包括水溶液、润滑剂、表面活性剂或活化溶液，用于清洁冷焊的金属颗粒。溶液还可包括趋向于与材料结合的溶液，诸如一硬化剂或溶剂。可采用注射润滑剂来减少装置的模具空穴的磨损。

图10显示了一阀组件149，该阀组件149包括容器122、126的粉末出口170。连同滑动孔184的一外壳表面182限定了用于粉末出口的一打开位置P1和一闭合位置P2。当致动器134直线平移容器122、126时，滑动孔184在位置P1和P2之间移动。打开状态允许金属粉末自由地排出容器并进入模具空穴。闭合位置阻止粉末传输至空穴。可使用用于切断粉末从给料板流动至模具空穴的其它方法或装置，而不脱离本发明的范围。

图11和12描绘了用于控制金属粉末流入模具空穴144的一装置和方法的另一实施例。一进料管186在容器122、126的内部空穴124、128和模具空穴144之间连通。进料管186由诸如橡胶之类的一柔性材料构成。容器122、126的底侧壁限定一槽188于其中，如图所示。一折叠或弯折装置190设置于槽188内。进料管186在打开位置，如图11所示，同时弯折装置190撤出或未压在管子186上。

图12显示了在一闭合位置上的管子186，其中，弯折装置190压在管子侧壁上，直到两侧壁接触为止，从而阻止粉末流动。通过气动控制将弯折机190推向进料管186。高压引入槽188，它将弯折机190推向管子186。高压去除状态引起管子186的自然弹回以再打开，从而允许粉末流动。可使用诸如一联动装置的机械装置来替代气动驱动装置，而不脱离本发明的范围。

在图6—8和相关文字中描述了一种用于用粉末冶金制造一非均质物体的方法和装置。下面的描述尤其涉及制造一种用于一内燃机的连杆，其中，连杆具有整体地形成为一单一成形过程的部件的整体轴承。将诸如钢的一第一金属粉末放置于第一料斗148中，将诸如青铜的一第二金属粉末放置于一第二料斗150中。通过根据需要伸进或缩回致动缸134的活塞136，第一容器122也定中心于模具空穴144上方。

将第一金属粉末引入第一内部空穴124。第一粉末通过粉末出口170以一预定数量的粉末填充模子或模具空穴144。通过在粉末出口170的阀149停止第一粉末的流动。伸进活塞136，直到第二容器126定中心于模具空穴144上方为止。应该注意，粉末出口170有利地并不定中心于模具空穴144上方，以允许第二粉末在整体轴承形成之处的离散位置处沉积。重复第一和第二粉末的充填操作，直到空穴144填满一足够数量的金属粉末为止，以形成一完工的零件。

活塞136缩回，直到第一容器122离开上冲头140和下冲头142为止。有利地，一旦建立间隙，就压制模具空穴144中的粉末以形成一生件。生件置于一烧结炉中并被冷却。将冷却的烧结连杆机加工至最终公差。可实施其它二次操作，诸如锻造、渗碳、渗氮或将轴承帽从帽的其余部分裂开，而不脱离本发明的精神。不必在活塞(小)端或曲柄(大)端处给连杆提供一单独的或分离的轴承而作为二次操作，因为在成形操作期间提供了整体轴承。一完工的连杆可由任何其它二次操作的完成来制成。

在图15和16中显示了一连杆。整体杆300通常包括通过一柄306连接至一小(活塞)端304的一大(曲柄)端302。活塞端304包括一小开口或眼308，构造成接纳一肘节销。曲柄端302包括一大开口或眼310，构造成接纳一曲轴的轴部分。柄306、曲柄端302和活塞端304有利地由诸如钢或铝合金之类的一第一合金构成。

一曲柄支持面316形成于曲柄端302。曲柄支持面316与柄306和端302、304统一地或整体地形成为一单独成形操作的部分。曲柄支持面316接合一曲柄销(未显示)。一肘节销支持面318形成于活塞端304。肘节销支持面318也与柄306和端302、304统一地或整体地形成。肘节销支持面318接合一肘节销(未显示)。支持面316、318可由与柄306和端302、304的其余部分不同的合金形成，诸如青铜。曲柄销支持面316有利地形成于一内层312的边缘，该内层312形成大眼310的开口。肘节销支持面318有利地形成于一内层314的边缘处，该内层314形成小眼308的开口。有利地，曲柄支持面316可由一种合金形成，而肘节销支持面318由另一种合金形成，以给诸表面提供不同的特征，诸如强度、摩擦力等。这两种合金有利地与构成柄306、曲柄端302和活塞端304的大部分的材料不同。本领域普通技术人员会意识到，可使用其它合金，而不脱离本发明的范围。

图13描绘了用于根据图6的方法形成一生件的另一装置。根据本实施例的给料板装置包括一单独的容器222。容器222包括诸侧壁223和一中心隔板224。诸侧壁223和中心隔板224限定了一第一部分或室226和一第二部分或室228。第一部分226从一第一料斗230接纳一第一金属粉末，而第二部分228从一第二料斗232接纳一第二金属粉末。一第一粉末出口234提供至第一室226，而一第二粉末出口提供至第二室228。

在操作中，可将第一和第二粉末同时提供至模具空穴。设置各自的粉末出口234、236并将之尺寸定为可有利于充填空穴238，且第一和第二粉末在压制前它们所需的位置。可选择地，活塞240可沿一直线方向移动容器222，以在充填一各自的金属粉末之前，将一各自的第一出口234或第二出口236设置在模具空穴238的一部分上方。作为另一种选择，可有选择地可打开和闭合粉末出口234、236，以产生零件中的密度梯度，或者进一步在第一材料内放置一第二材料。可选择地，可采用以上选择的一组合，以作为相同的成形操作的部分。

图14描绘了形成(给料板)装置250的生件的另一实施例。此实施例再次包括一单独的容器252。该容器包括第一隔板256和第二隔板254，用于限定一第一室或部分258、一第二室260和一第三室262。每个室258、260和262接纳一各自的第一粉末出口264、第二粉末出口266或第三粉末出口268，并与一各自的第一料斗270、第二料斗272或第三料斗274连通。本领域普通技术人员会意识到，本发明可实施有多于三个室，而不脱离本发明的范围。而且，一单独的料斗可与两个或多个室连通。

使用三个室258、260和262允许将一两种不同粉末中的一第一粉末在两个位置同时引入模具空穴276。可选择地，三个室258、260和262允许将三种不同密度的粉末引入模具空穴276，作为一单独的成形操作的部分。图14的实施例以与上述两室实施例基本相同的方式运作。

实施以上过程，以提供在零件中的离散位置具有不同特征的一部件。例如，通过一单独的成形操作，可给内燃机用连杆提供一内轴承，即一支持面。这种制造一连杆的方法免除了单独成形并给连杆提供一分离的轴承和轴衬的附加步骤，从而减少了成本、时间、零件和复杂性。

尽管参照以上的实施例描述了本发明，本领域普通技术人员会意识到，可在形式上和细节上作出改变，而不脱离本发明的精神和范围。认为所述实施例在所有方面仅仅是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围应通过所附的权利要求书而不是前面的描述来表明。

Claims (14)

1.一种连杆，它包括由一粉末冶金工艺整体地形成的一非均质结构，所述结构具有一活塞端、一曲轴端和一互连柄，其中，所述活塞端、所述曲轴端和所述互连柄由一结构材料形成，且所述活塞端具有用于接纳一肘节销的一小眼，并且，所述小眼包括与所述结构材料整体地形成的一第二材料。

2.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述曲轴端具有用于接纳一曲柄销的一大眼，并且，所述大眼包括与所述结构材料的成形整体地形成的一第三材料。

3.如权利要求2所述的连杆，其特征在于，所述第二材料和所述第三材料是不同的粉末材料。

4.一种连杆，它包括由一粉末冶金工艺整体地形成的非均质结构，且具有至少两种不同的金属组分，以便在所述结构的离散位置提供不同的特征。

5.如权利要求4所述的连杆，其特征在于，所述至少两种不同的金属组分中的一第一种至少部分地形成用于在所述连杆的一端形成的一小眼的一支持面的至少部分，该支持面能接合一肘节销。

6.如权利要求4所述的连杆，其特征在于，所述至少两种不同的金属组分中的一第二种至少部分地形成用于在所述连杆的一端形成的一大眼的一支持面的至少部分，该支持面能接合一曲柄销。

7.如权利要求4所述的连杆，其特征在于，一活塞端、一曲轴端和一互连柄由所述至少两种不同的金属组分中的一种形成。

8.一种形成一连杆的方法，它包括在至少两种不同的金属组分上实施一粉末冶金工艺，以形成一非均质连杆。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过可选择地相对沉积所述至少两种不同的金属组分，在所述的杆的离散位置提供不同特征。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过所述至少两种不同的金属组分中的一第一种，整体地形成用于一小眼的一支持面的至少部分，该支持面能接合一肘节销。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过所述至少两种不同的金属组分中的一第二种，整体地形成用于一大眼的一支持面的至少部分，该支持面能接合一曲柄销。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

通过所述至少两种不同的金属组分中的一第一种，整体地形成用于一小眼的一支持面的至少部分，该支持面能接合一肘节销；以及

通过所述至少两种不同的金属组分中的一第二种，整体地形成用于一大眼的一支持面的至少部分，该支持面能接合一曲柄销；

其中，所述至少两种不同的金属组分中的所述第一种以及所述至少两种不同的金属组分中的所述第二种不是相同的金属组分。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过所述至少两种不同的金属组分中的至少一种，整体地形成一活塞端、一曲轴端和一互连柄。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

用一第一金属粉末充填一模子的一第一部分；

用一第二金属粉末充填所述模子的一第二部分；

将压力施加至所述模子中的所述金属粉末；以及

在所述模子中烧结所述金属粉末。

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