CN101417335B

CN101417335B - 曲轴衬套的制造方法

Info

Publication number: CN101417335B
Application number: CN2008102102907A
Authority: CN
Inventors: J·恩奎斯特; B·E·维安特; M·D·鲍曼; K·J·斯基宾斯基; M·R·哈斯; K·库亚夫斯基
Original assignee: Burgess Norton Manufacturing Co Inc
Current assignee: Burgess Norton Manufacturing Co Inc
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2028-08-11
Also published as: CN101417335A; US20090060771A1; CA2638554A1; EP2033723B1; TWI361732B; KR20090024634A; JP2009062614A; EP2033723A1; US7931856B2; TW200911418A; RU2008135768A

Abstract

提供了一种形成曲轴衬套或类似产品的方法。压制模具具有轴向的大体圆柱形的内部开口。上冲模和下冲模配有与压制模具的内部开口相对应的外表面。上芯棒穿过上冲模中的轴向开口。下芯棒穿过下冲模中的轴向开口。上芯棒和下芯棒各自可以具有大体平坦的外表面部分。通过上冲模、下冲模和上芯棒、下芯棒的组合动作在压制模具中压制金属粉末。

Description

曲轴衬套的制造方法

技术领域

本发明涉及形成曲轴衬套的方法，更具体地涉及使用采用结合冲模和芯棒的压制模具的粉末金属工艺来形成曲轴衬套的方法。

背景技术

用于形成具有大致圆柱形的内部轴向开口的曲轴衬套和类似零件的普通粉末金属工序和方法是有效的。然而，如果需要对衬套内的内部轴向开口进行改进，诸如形成略微凸起的表面的话，这种常规的粉末金属方法需要进一步的精加工。这种进一步的精加工形式一般是机械加工，其中对外径的外部圆柱形几何结构进行磨削以使得略微凸起的表面精确地适应外部几何结构。就成本以及生产率方面而言，这种额外的机械加工步骤是不受欢迎的。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种改进的利用粉末金属方法来形成曲轴衬套或类似零件的方法。

本发明的另一个目标是提供一种使用金属粉末工序来形成曲轴衬套或类似零件的方法，其中衬套的内表面包括大体平坦或略微凸起的表面。

提供了一种采用粉末冶金技术来形成曲轴衬套或类似产品的方法。

典型地，提供了一种具有大体圆柱形的轴向内部开口的压制模具。提供了一种下冲模，其外表面对应于压制模具的内部开口。提供了一种上冲模，其外表面也对应于压制模具的内部开口。

下冲模本身还包括大体圆柱形并且是轴向的内部开口。下芯棒具有与下冲模的内部开口相对应的外表面。

上冲模还包括大体圆柱形的轴向内部开口。上芯棒设置成具有与上冲模中的内部开口相对应的外表面。

金属粉末被引入压制模具的内部开口中。通过让下冲模和上冲模进入压制模具的内部开口来压制金属粉末以形成粉末金属毛坯。另外，下芯棒穿过下冲模中的轴向开口，并且上芯棒穿过上冲模中的开口，以便按照使得下芯棒的顶部表面与上芯棒的底部彼此接近的方式进入压制模具。从而，形成大体为衬套或类似产品形式的粉末金属毛坯。

另外，下芯棒在其外表面上包括大体平坦或略微凸起的部分，所述部分从下芯棒的顶部表面向下渐缩到与下芯棒的外壁部分的相交处。类似地，上芯棒在其外表面上包括大体平坦或略微凸起的部分，所述部分从上芯棒的底部表面向上渐缩到与上芯棒的外壁部分的相交处，以便在粉末金属毛坯上形成大体平坦或略微凸起的部分。

另外，下芯棒自身包括大体圆柱形的轴向内部开口。当在压制模具的内部开口中压制金属粉末时，多余的金属粉末能够通过下芯棒中的内部开口离开压制模具的内部开口。

附图说明

在这些附图中，图1是用于实施本发明的方法的装置的侧向截面图；

图2是用于实施本发明的方法的装置的、相对于图1的视图成90度角的侧向截面图；

图3是作为用于实施根据本发明的方法的装置的一部分的上冲模和上芯棒的透视图；

图4是用于实施根据本发明的方法的装置的下冲模和下芯棒、以及压制模具的仰视图；

图5是根据本发明的方法制成的衬套的透视图；以及

图6是根据本发明的方法制成的衬套的截面的侧视图。

具体实施方式

参见图1和2，看到压制模具12为具有圆柱形内表面13的大体圆柱形结构。压制模具12通常由工具钢构成，并且通常直径在5至10英寸(12.7至25.4cm)之间，高度在约5至10英寸(12.7至25.4cm)之间。内部开口13显然被束缚成将要形成的衬套或其它产品所需要的形状，但是此内径通常为1至2英寸而高度为2至4英寸(2.54至5.08cm和5.08至10.16cm)。

同样地，看到下冲模14为其外径对应于压制模具12的内部开口13的大体圆柱形结构。下冲模14具有一般为圆柱形的外表面16以及同样具有一般为圆柱形的轴向内部开口18。同样地，下冲模14通常由工具钢构成，并且长度通常为约4至6英寸(10.16至15.24cm)。

下芯棒20被看出包含具有外表面22的大体圆柱形结构，所述外表面22对应于下冲模14的内部开口18。下芯棒20还包括轴向的、一般为圆柱形的内部开口24，所述内部开口24从下芯棒20的顶部表面26延伸至下芯棒20的底部25。同样地，下芯棒20通常由工具钢构成，并且长度通常为6至8英寸(15.24至20.32cm)。

看到上冲模30为大体圆柱形的结构，其具有大体圆柱形的外表面32和大体圆柱形的轴向内部开口34。同样地，上冲模30的尺寸将与下冲模14的尺寸相似，因为上冲模30的外表面32将从顶部进入压制模具12中的内部开口13；而下冲模14从底部进入压制模具12的开口13。还看到上冲模30具有大体圆柱形的轴向内部开口34，所述内部开口34的尺寸与下冲模14的内部开口18相似。上冲模30通常由工具钢构成，并且长度通常为2至3英寸(5.08至7.62cm)。

看到上芯棒36为具有外表面38的大体圆柱形结构，所述外表面38为大体圆柱形并且其尺寸设置成装配在上冲模30的内部开口34中。还看到上芯棒36具有底部表面40，底部表面40被看到靠近并且对准下芯棒20的顶部表面26。还看到上芯棒36的底部表面40包括突出部42，所述突出部42通常为圆锥式或棱锥式结构。此突出部42被看到对准并且进入下芯棒20的顶部表面26中的对应凹部44。

此外，看到下芯棒20具有平坦的或略微凹陷的表面48，所述表面48从下芯棒20的外表面22延伸至下芯棒20的顶部表面26。类似地，上芯棒36被看到具有平坦的表面46，所述表面46从上芯棒36的外表面38延伸至上芯棒36的底部表面40。

现在参见图3，示出了上冲模30的细节视图，其中上冲模30的外表面32清楚地被示出为圆柱形表面。另外，上芯棒36还被示出具有底部表面40和突出部42。突出部42在此被示出为圆锥形表面，但是也可以是棱锥形表面。还看到上芯棒36包含平坦的或略微凹陷的表面46，所述表面46以渐缩的方式从上芯棒36的底部40向上延伸至与上芯棒36的外表面38的相交处。

现在参见图4，示出了压制模具12的底部，其中清楚地看到压制模具12为大体圆柱形的结构。还清楚地示出了压制模具12中的内部开口13。清楚地看到下芯棒20为从上冲模30中的内部开口突出的大体圆柱形的结构，还清楚地示出下芯棒20的顶部表面26具有内部开口24，其中内部开口24的顶部为凹部44。凹部44通向下芯棒20中的内部开口24。最后，看到下芯棒20具有平坦的表面48，所述表面48接近并且对准上芯棒36的平坦表面46。

现在参见图5和6，根据本发明的方法制成的曲轴衬套总体上用50来表示。看到衬套50具有大体圆柱形的外表面52，并且具有第一平坦内表面54和第二平坦内表面56。衬套50可以由任何所需要的金属粉末成分构成，这将在下文中以举例的方式进一步描述。衬套50的第一平坦内表面54将通过与上芯棒的平坦表面46接触来形成，衬套的第二平坦内表面56通过与下芯棒的平坦表面48接触来形成。

如上所述，衬套50的材料可以是会产生强抗磨性金属结构的任何低合金材料。

通常，根据本发明的一个方面的衬套制造方法包括以下步骤：提供原始金属合金粉末，所述粉末包含所需要的元素成分，其余的基本为铁。根据粉末金属操作添加合适的润滑剂以形成得到润滑的金属粉末。然后将得到润滑的金属粉末注入压制模具12的内部开口。然后典型地在每平方英寸40至65吨的压力下压制金属粉末，以形成模具压制的金属毛坯。通过在合适的压力下让上冲模30和下冲模14进入压制模具12中的开口、同时下芯棒20和上芯棒36通过下冲模14和上冲模30中的各自开口进入压制模具12的内部开口来完成压制。通过将下芯棒20和上芯棒36对准、下芯棒20的顶部表面26与上芯棒36的底部表面40彼此接近并且最终彼此接触、以及上芯棒的突出部42进入下芯棒的顶部表面26中的凹部44，来形成在衬套50上的局部的平坦表面。

实施本发明的方法的实例如下：

实例1

在曲轴衬套的制造方法中，提供颗粒尺寸在45至250微米之间的金属粉末，其按照重量包括：0.5％的C组分和0.85％的Mo组分，其余的基本为铁。0.75％的EBS作为润滑剂被添加以形成得到润滑的金属粉末。在压制模具中，采用具有下芯棒的下冲模和具有上芯棒的上冲模，以每平方英寸45吨的压力来压制得到润滑的金属粉末。所产生的模具压制的金属毛坯然后在2080°F的温度下烧结15分钟，烧结过的金属毛坯然后从1650°F的初始温度淬火至150°F的温度。淬火过的金属毛坯然后在380°F的温度下回火120分钟。最后的回火过的金属毛坯然后被精磨成最终的衬套的尺寸和结构。

实例2

在曲轴衬套的制造方法中，提供颗粒尺寸在45至250微米之间的金属粉末，其按照重量包括：0.5％的C成分和1.5％的Mo成分，其余的基本为铁。0.75％的EBS作为润滑剂被添加以形成得到润滑的金属粉末。在压制模具中，采用具有下芯棒的下冲模和具有上芯棒的上冲模，以每平方英寸45吨的压力来压制得到润滑的金属粉末。所产生的模具压制的金属毛坯然后在2080°F的温度下烧结15分钟，烧结过的金属毛坯然后从1650°F的初始温度淬火至150°F的温度。淬火过的金属毛坯然后在380°F的温度下回火120分钟。最后的回火过的金属毛坯然后被精磨成最终的衬套的尺寸和结构。

Claims

1.一种形成衬套的方法，其包括以下步骤：

提供压制模具，其具有形成内部开口的内壁，所述内部开口具有底部和顶部；

提供下冲模，其具有形成外表面的外壁，所述下冲模的外表面大体对应于压制模具的内部开口，下冲模进入压制模具中的内部开口的底部，下冲模具有形成内部开口的内壁；

提供上冲模，其具有形成外表面的外壁，所述上冲模的外表面大体对应于压制模具的内部开口，上冲模进入压制模具中的内部开口的顶部，上冲模具有形成内部开口的内壁；

提供下芯棒，其具有形成外表面的外壁，所述下芯棒的外表面大体对应于下冲模中的内部开口，下芯棒包括形成内部开口的内壁，下芯棒具有顶部表面；

提供上芯棒，其具有形成外表面的外壁，所述上芯棒的外表面大体对应于上冲模中的内部开口，上芯棒具有底部表面；

将金属粉末引入压制模具的内部开口，并且通过让下冲模和上冲模进入压制模具中的内部开口、以及按照使得下芯棒的顶部表面与上芯棒的底部表面彼此接近的方式让下芯棒和上芯棒进入压制模具，来压制金属粉末以形成粉末金属毛坯，从而在粉末金属毛坯中形成轴向开口。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

下芯棒在其外表面上包括大体平坦的部分，所述大体平坦的部分从与外壁部分的相交处向上渐缩到下芯棒的顶部表面，以形成所述大体平坦的部分。

3.如权利要求2所述的方法，其中：

下芯棒的所述大体平坦的部分具有从顶部表面到与外壁部分相交处的略微凹陷的表面几何结构。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

上芯棒在其外表面上包括大体平坦的部分，所述大体平坦的部分从与外壁部分的相交处向下渐缩到上芯棒的底部表面，以形成所述大体平坦的部分。

5.如权利要求4所述的方法，其中：

上芯棒的所述大体平坦的部分具有从底部表面到与外壁部分的相交处的略微凹陷的表面几何结构。

6.如权利要求1所述的方法，其中：

下芯棒在其外表面上具有略微凹陷的锥形表面，所述锥形表面从下芯棒的顶部表面向下延伸至与外壁部分的相交处，以形成下芯棒的略微凹陷的锥形表面。

7.如权利要求1所述的方法，其中：

上芯棒在其外表面上具有略微凹陷的锥形表面，所述锥形表面从上芯棒的底部表面向上延伸至与外壁部分的相交处，以形成上芯棒的略微凹陷的锥形表面。

8.如权利要求1所述的方法，其中：

下芯棒的顶部表面包括凹部，

上芯棒的底部表面包括突出部，

其中在压制时，上芯棒的底部表面上的突出部至少部分地进入下芯棒的顶部表面中的凹部。

9.如权利要求8所述的方法，其中：

下芯棒的顶部表面中的凹部由锥形壁形成，

并且上芯棒的底部表面上的突出部由与下芯棒的锥形壁互补的锥形壁形成。

10.如权利要求8所述的方法，其中：

在压制时，多余的金属粉末通过下芯棒上的内部开口离开压制模具的内部开口。

11.一种形成衬套的方法，其包括以下步骤：

提供压制模具，其具有形成内部开口的内壁，压制模具中的内部开口具有大体竖直的轴向并且具有底部和顶部；

提供下冲模，其具有通常与压制模具的内部开口相对应的外表面，下冲模还具有大体竖直轴向的内部开口；

提供上冲模，其具有大体与压制模具的内部开口相对应的外表面，上冲模还具有大体竖直轴向的内部开口；

提供下芯棒，其具有大体与下冲模中的大体竖直轴向的内部开口相对应的外表面，下芯棒包括大体竖直轴向的内部开口，下芯棒具有顶部表面；

提供上芯棒，其具有大体与上冲模中的大体竖直轴向的内部开口相对应的外表面，上芯棒具有底部表面；

将金属粉末引入压制模具的内部开口中，并且通过让下冲模和上冲模进入压制模具中的内部开口，以及按照使得下芯棒的顶部表面与上芯棒的底部表面彼此接近的方式，通过让下芯棒穿过下冲模中的内部开口进入压制模具中的内部开口，和通过让上芯棒穿过上冲模中的内部开口进入压制模具中的内部开口，来压制金属粉末以形成金属毛坯。

12.如权利要求11所述的方法，其中：

在压制时，下冲模通过压制模具中的内部开口的底部进入压制模具的内部开口，并且上冲模通过压制模具中的内部开口的顶部进入压制模具的内部开口。

13.如权利要求11所述的方法，其中：

下芯棒在其外表面上包括大体平坦的部分，所述大体平坦的部分从与下芯棒的外表面的相交处向上渐缩到下芯棒的顶部表面，以形成所述大体平坦的部分。

14.如权利要求11所述的方法，其中：

上芯棒在其外表面上包括大体平坦的部分，所述大体平坦的部分从与上芯棒的外表面的相交处向下渐缩到上芯棒的底部表面，以形成所述大体平坦的部分。

15.如权利要求11所述的方法，其中：

下芯棒的顶部表面包括凹部，

上芯棒的底部表面包括突出部，

16.如权利要求11所述的方法，其中：

下芯棒的顶部表面中的凹部由锥形壁形成，

17.如权利要求11所述的方法，其中：

在压制时，多余的金属粉末通过下芯棒中的内部开口离开压制模具的内部开口。

18.一种制造衬套的方法，其包括以下步骤：

提供压制模具，其具有形成大体圆柱形的竖直轴向的内部开口的内壁，所述内部开口具有底部和顶部；

提供下冲模，其具有与压制模具中的内部开口相对应的大体圆柱形的外表面，下冲模还具有大体圆柱形的竖直轴向的内部开口；

提供上冲模，其具有与压制模具中的内部开口相对应的大体圆柱形的外表面，上冲模还具有大体圆柱形的竖直轴向的内部开口；

提供下芯棒，其具有与下冲模中的内部开口相对应的大体圆柱形的外表面，下芯棒还具有大体圆柱形的竖直轴向的内部开口，下芯棒还具有顶部表面；

提供上芯棒，其具有与上冲模中的内部开口相对应的大体圆柱形的外表面，上芯棒还具有底部表面；

将金属粉末引入压制模具的内部开口中，并且通过让下冲模进入压制模具中的内部开口的底部和让上冲模进入压制模具中的内部开口的顶部，以及按照使得下芯棒的顶部表面与上芯棒的底部表面彼此接近的方式，通过让下芯棒穿过下冲模中的内部开口进入压制模具中的内部开口，和通过让上芯棒穿过上冲模中的内部开口进入压制模具中的内部开口，来压制金属粉末以形成金属毛坯。

19.如权利要求18所述的方法，其中：

20.如权利要求18所述的方法，其中：

21.如权利要求18所述的方法，其中：

下芯棒的顶部表面包括凹部，上芯棒的底部表面包括突出部，

22.如权利要求18所述的方法，其中：

下芯棒的顶部表面中的凹部由锥形壁形成，并且上芯棒的底部表面上的突出部由与下芯棒的锥形壁互补的锥形壁形成。

23.如权利要求18所述的方法，其中：

24.如权利要求18所述的方法，其中：

在每平方英寸40至65吨的压力下进行模具压制以形成金属毛坯。

25.如权利要求24所述的方法，其中：

压制而成的金属毛坯在2000℉至2350℉之间的温度下烧结至少10分钟，以形成烧结过的金属毛坯。

26.如权利要求18所述的方法，其中：

金属粉末按照重量百分比包括：

0.4-0.7％的C，0.4-1.5％的Mo，0.05-0.30％的Mn，

以及不超过2％的其它元素，

其余的为铁。

27.如权利要求25所述的方法，其中：

烧结过的金属毛坯从在1550℉至1700℉之间的温度淬火到在125℉至175℉之间的温度，以形成淬火过的金属毛坯。

28.如权利要求27所述的方法，其中：

淬火过的金属毛坯在350℉至450℉之间进行回火，以形成回火过的金属毛坯。

29.如权利要求28所述的方法，其中：

将回火过的金属毛坯冷却至室温，然后对回火过的金属毛坯的外表面和内表面进行精磨。