CN107160599B - 用于在复合材料中形成内螺纹的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于在复合材料部件中限定内螺纹孔的系统包括一个或多个螺纹成形工具和定位夹具，每一个螺纹成形工具限定螺纹成形部分，定位夹具被构造成将一个或多个螺纹成形工具保持为限定要在复合材料部件中设置的内螺纹孔的图案的预定构造。螺纹成形部分包括多个螺纹成形表面，每一个螺纹成形表面限定螺距、齿顶圆角半径和齿根圆角半径，并且限定具有限定多个全齿顶半径和多个全齿根半径的内螺旋螺纹的内螺纹孔。设置用于邻接定位夹具的部件成形夹具，由此一个或多个螺纹成形工具被保持在成形夹具的内部中。描述了用于使用所描述的系统来形成具有内螺纹孔的复合材料部件的方法。

Description

用于在复合材料中形成内螺纹的系统和方法

技术领域

本公开总体上涉及由复合材料制成的机动车辆部件。更具体地，本公开涉及一种用于在由这样的复合材料形成的部件中设置内螺纹孔以允许将部件彼此固定或固定到其他相邻部件的系统和方法。

背景技术

提供复合车辆部件是已知的，其中部件的一部分是由金属制成的并且部件的另一部分是由非金属材料制成的。作为非限制性示例，凸轮托架(cam carrier)可以由用于附接到金属车辆气缸盖(例如由铝或其他加工或铸造金属制成)的非金属材料制成。这样的复合材料的示例包括由例如热塑性塑料和热塑性树脂、纤维增强热塑性塑料和热塑性树脂、碳纤维增强材料、凯夫拉尔(Kevlar)增强材料、其它合成纤维增强材料以及诸如此类的材料制成的部件，该部件旨在被附接到由复合或非复合材料(例如铝或其它金属或合金)制成的其它配合部件。

在由复合(或非复合)材料制造车辆部件期间，通常需要设置内螺纹孔以允许将这样的部件固定到其它配合部件。作为示例，制造热塑性树脂的凸轮托架并且包括多个内螺纹孔以允许将复合材料凸轮托架固定到由复合材料或其它材料制成的另一车辆部件是已知的。在车辆制造期间，凸轮托架与金属气缸盖对齐并且被固定到金属气缸盖，并且凸轮轴通过多个轴承被固定到凸轮托架。通常，这样的内螺纹孔在铸造、成型或以其它方式成形的复合材料中通过使用同时在其中形成所需内螺纹的钻头切割适当尺寸的孔来设置。

这样的复合材料对于通过多种成型和铸造工艺来制造车辆部件是适当地耐用的，并且提供更轻的重量的附加优点，更轻的重量进而实现更轻重量的车辆、改进燃料效率等优点。进而，因为复合材料可以通过更方便且更通用的铸造或成型方法形成部件而不是仅通过将金属加工成所需形状而形成部件，所以制造更快且成本更低的更复杂的部件设计是可能的。然而，复合材料可能比常规金属材料更不耐用，特别是当形成较薄元件(例如薄侧壁、螺纹以及诸如此类)时。

由于与传统金属和合金相比复合材料的耐久性较差，所以制造商提供补充措施来解决与将复合部件彼此紧固或与相邻的潜在非复合部件紧固相关的挑战，也就是说，提供所需的夹紧力(clamp load)同时降低复合材料螺纹(例如在复合材料中限定的孔)断裂的可能性。这样的措施包括使用粘合剂和/或具有和不具有挤压限制器的金属插入件，以在彼此紧固的相邻部件之间提供所需的夹紧力并且增强复合材料螺纹可能的夹紧力。虽然对于它们的预期目的是有效的，但是这样的措施增加了成本和制造过程的复杂性。

为了解决前述以及其它问题，本公开描述了用于在车辆和其他部件中设置内螺纹孔的系统和方法。有利的是，所描述的系统和方法提供具有在部件的预定部分中限定的螺纹孔的复合材料部件，以允许容易地将复合部件与邻接的车辆部件对齐并将复合部件固定到邻接的车辆部件。

发明内容

根据本文所描述的目的和益处，在一个方面，描述了一种用于在成形部件中限定内螺纹孔的系统，该系统包含一个或多个螺纹成形工具，每一个螺纹成形工具限定螺纹成形部分。该系统进一步包括定位夹具，该定位夹具被构造成将一个或多个螺纹成形工具保持为限定要在成形部件中设置的内螺纹孔的图案的预定构造。在实施例中，一个或多个螺纹成形工具各自进一步限定定位夹具跨接柄和移除工具接合头。设置用于邻接定位夹具的部件成形夹具，由此一个或多个螺纹成形工具保持在成形夹具的内部中。

在实施例中，螺纹成形部分包含多个螺纹成形表面，每一个螺纹成形表面限定螺距(pitch)、齿顶圆角半径和齿根圆角半径。因此，在使用中，螺纹成形工具的螺纹成形表面各自限定具有限定多个全齿顶半径和多个全齿根半径的内螺旋螺纹的孔。

在另一方面，提供了一种用于在成形部件中限定螺纹孔的方法，该方法包含提供一个或多个螺纹成形工具，每一个螺纹成形工具限定如上所述的螺纹成形部分，并且通过定位夹具将一个或多个螺纹成形工具保持为限定要限定的内螺纹孔的所需图案的预定构造。接下来，定位夹具被设置成邻近被构造成限定成形部件的成形夹具，由此一个或多个螺纹成形工具被保持在成形夹具的内部中。将部件成形材料分配到成形夹具中以围绕一个或多个螺纹成形工具限定部件。该材料可以是复合材料。

然后移除定位夹具以露出具有由其保持的一个或多个螺纹成形工具的部件。根据本发明的一个实施例，本发明的方法进一步包括移除保持的一个或多个螺纹成形工具。一旦移除保持的一个或多个螺纹成形工具，就露出具有内螺纹孔的部件。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法包括提供螺纹成形工具，每一个螺纹成形工具限定螺纹成形部分，该螺纹成形部分包含多个螺纹成形表面，每一个螺纹成形表面限定螺距、齿顶圆角半径和齿根圆角半径。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法可选地包括将部件加工成最终所需的外部构造。

根据本发明的一个实施例，成形部件通过铸造或成型工艺来提供。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在复合材料中限定内螺纹孔的螺纹成形工具，该螺纹成形工具包含螺纹成形部分，该螺纹成形部分包含多个螺纹成形表面，每一个螺纹成形表面限定螺距、齿顶圆角半径和齿根圆角半径。

根据本发明的一个实施例，本发明的螺纹成形工具进一步包括定位夹具跨接柄。

根据本发明的一个实施例，本发明的螺纹成形工具进一步包括移除工具接合头。

在下面的描述中，示出和描述了所公开的用于在车辆和其他部件中设置内螺纹孔的系统和方法的实施例。如应当认识到的是，该系统和方法能够具有其他不同的实施例，并且其若干细节能够在各种显而易见的方面进行修改，而不脱离在以下权利要求中所阐述和描述的装置和方法。因此，附图和说明书应当被认为本质上是说明性的而不是限制性的。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图示出了所公开的系统和方法的若干方面，并且与说明书一起用于说明其某些原理。在附图中：

图1示出了根据本公开的用于提供具有内螺纹孔的部件的系统；

图2示出了根据本公开的定位夹具和相关的螺纹成形工具；

图3示出了根据本公开的螺纹成形工具；

图4示出了图3的螺纹成形工具的螺纹成形部分；

图5示出了包括设置在其中的多个螺纹成形工具的成形部件；

图6示出了包括在其中形成的多个内螺纹孔的成形部件；以及

图7示出了装配到其他部件的图6的成形部件。

现在将详细参考所公开的用于在车辆和其他部件中设置内螺纹孔的系统和方法的实施例，其示例在附图中示出。

具体实施方式

初步地，本公开描述了主要在机动车辆复合材料部件的背景下用于在成形部件中形成内螺纹孔的系统和方法。然而，技术人员将容易领会的是，该系统和方法同样适用于需要成形部件具有内螺纹孔的任何制造情况。

参考图1，提供了用于在成形部件中形成内螺纹孔的系统100。系统100包括被构造用于限定复合材料部件的成形夹具102。这样的成形夹具102在本领域中是公知的，并且不需要在此进行广泛的讨论。然而，如已知的，成形夹具102内部限定要通过成型提供的成形部件的实质镜像。因此，通过将合适的组合物分配到成形夹具102的内部，允许其干燥或以其他方式固化，并且从成形夹具102中移除成形部件(在该视图中未示出)，来提供所需成形部件。

系统100进一步包括定位夹具104，该定位夹具104被构造用于将一个或多个螺纹成形工具106保持为与要在由成形夹具102限定的复合材料部件中限定的孔的所需图案对应的所需图案。在图1所示的实施例中，定位夹具104和成形夹具102各自限定大体上矩形的外部几何形状。然而，应当领会的是，用于定位夹具104和成形夹具102的任何合适的外部几何形状是可预期的，需要注意的是，夹具必须被构造成当邻接时螺纹成形工具106被保持在成形夹具的内部以提供具有所需深度的孔。

如图2所示，螺纹成形工具106被保持在定位夹具104中限定的孔中以提供所需的孔图案，由此螺纹成形工具横穿定位夹具的厚度，而工具的一部分被保持在定位夹具的第一表面处并且螺纹成形部分(下面详细描述)被保持在定位夹具的第二相对表面处。在所示的实施例中，螺纹成形工具106被示为被保持在相对于由定位夹具104限定的平面大体上垂直的取向中。然而，根据要形成的所需孔的取向，螺纹成形工具106可以被保持在相对于由定位夹具104形成的平面成角度的取向中。

图3描绘了与本公开的定位夹具104(在该视图中未示出)一起使用的代表性的螺纹成形工具106。每一个螺纹成形工具106包括移除工具接合头108、定位夹具跨接柄110和螺纹成形部分112。移除工具接合头108被构造用于通过合适的移除工具(例如扳手、插头、螺丝刀头以及其他)接合。柄110可以包含根据预期的特定用途的各种长度和直径/周长，例如以适应定位夹具104的特定厚度，以允许调节螺纹成形部分112相对于成形夹具102(未示出)的内部被保持的深度，以克服在极为接近的情况下的负主轴间隙，以及以支撑限定具有所需内直径的孔的螺纹成形部分112。

螺纹成形部分112的一部分在图4中示出。螺纹成形部分包含以螺旋的形式设置在圆柱体116上的多个脊(ridge)114。根据由此形成的螺纹的所需构造，脊114的任何合适的构造是可以预期的，例如以提供右旋螺纹或左旋螺纹、各种螺纹形式和螺径(pitchdiameter)以及其它物理构造。在所示的实施例中，每个脊114限定全齿根半径(full rootradius)118和全齿顶半径(full crest radius)120。也就是说，脊114被构造成在成形螺纹的根部和顶部中的每一个上提供圆角或倒角半径。如应当领会的是，所描述的限定全齿根半径118和全齿顶半径120的脊114然后用作通过在螺纹成形工具106周围分配合适的组合物而形成的孔内螺纹的镜像。因此，使用所描述的螺纹成形工具106形成的孔将包含内螺旋形螺纹，该内螺旋形螺纹同样包含具有全齿顶半径和全齿根半径的多个脊。如已知的，这样的圆角或倒角将应力分布在更广的表面区域上，并且因此具有这样的结构的螺纹更耐用并且可以承受更大的载荷。这样的脊构造还消除了容易损坏的尖锐螺纹边缘。

在使用中(参见图1)，包括一个或多个螺纹成形工具106的定位夹具104被定位成邻近成形夹具102，由此螺纹成形工具被保持在成形夹具的内部中。应当领会的是，根据要在成形部件中的特定位置处形成的所需孔内直径，可以设置具有相同或不同直径的螺纹成形部分112的一个或多个螺纹成形工具106。例如，更大直径的螺纹成形部分112可以被用于提供较大内直径的孔，从而允许在成形部件的一部分中使用更大直径且因此更牢固的紧固件，与成形部件的其它部分相比，该部分需要与另一部件更牢固的连接。

如图所示，定位夹具104和成形夹具102被构造成并且尺寸适于使得定位夹具基本上限定用于成形夹具的盖子。然而，替代构造是可预期的。例如，定位夹具104和成形夹具102可以并排设置，或者定位夹具可以限定用于成形夹具的底板。可选地，为了易于移除，螺纹成形工具106的至少一部分可以涂覆有脱模剂或隔离剂或其它合适的润滑剂。

接下来，用于限定要形成的成形部件的合适的组合物被分配到成形夹具102的内部中。用于形成例如机动车辆和其它部件的多种可成型的组合物是已知的，包括但不限于热塑性塑料和热塑性树脂、纤维增强热塑性塑料和热塑性树脂、碳纤维增强材料、Kevlar增强材料、其它合成纤维增强材料以及诸如此类。同样地，在机动车辆和其它工业中，许多铸造和/或成型技术是已知的并且可预期用于当前所描述的方法，包括但不限于注射成型、吹塑成型、基体成型(matrix molding)、旋转铸造(spin casting)、反应注射成型(RIM)、结构RIM以及其他。

允许组合物干燥、凝固和/或以其他方式固化，从而限定所需的成形部件122。一旦组合物已干燥/固化，定位夹具104和成形夹具102被移除(参见图5)，留下以由定位夹具限定的图案设置在成形部件122内的螺纹成形工具106。如应当领会的是，由螺纹成形工具106形成的孔同样将被设置成由定位夹具限定的图案。为了方便起见，成形部件122被描绘为具有大体上矩形的外部构造。然而，技术人员将理解的是，成形部件122将以所需的大体上所需的最终构造离开成形夹具102，可能可选地加入最终加工和/或清除步骤以提供成形部件的最终完成的外部构造和/或以去除由于成型或铸造过程留下的多余材料。

接下来，通过简单的拧松过程将螺纹成形工具106从形成的孔中移除，留下具有设置在成形部件中所需位置处的内螺纹孔124(见图6)的成形部件122。如上所述，这通过使用被构造为接合螺纹成形工具的移除工具接合头108的合适的工具(例如扳手、插头或螺丝刀)来实现。在图6所示的实施例中，成形部件122是由复合材料通过上述成型工艺制成的凸轮托架，以提供大体上常规的设计并且限定用于凸轮轴(未示出)的接收器126。

如图7所示，复合部件122然后可以通过紧固件128(例如螺栓或尺寸适于接合限定的内螺纹孔124的其它合适的螺纹紧固件)被装配到其它部件。在所示的实施例中，紧固件128将凸轮轴130固定到接收器126，并且进而复合凸轮托架122被固定到铝或其他金属气缸盖132。

因此，通过前述描述，提供了用于在复合部件122中设置内螺纹孔的系统和方法。有利的是，所述系统和方法提供在形成复合部件122的过程期间提供这样的内螺纹孔的简单、有效且稳健的方式。此外，所述螺纹成形工具提供具有增加的耐久性并且支持增加的夹紧力的内螺纹孔，以允许复合部件122与邻接部件之间的更牢固的连接，而不依靠用于提高孔内部强度耐久性的补充措施，例如金属插入件、挤压限制器或粘合剂。

鉴于上述教导，显而易见的修改和变化是可能的。当根据权利要求公平、合法且公平地享有的广度解释时，所有这些修改和变化都在所附权利要求的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于在成形部件中限定内螺纹孔的系统，所述系统包含：

一个或多个螺纹成形工具，每一个所述螺纹成形工具限定螺纹成形部分；

定位夹具，所述定位夹具被构造成将所述一个或多个螺纹成形工具保持为限定要在所述成形部件中设置的所述内螺纹孔的图案的预定构造；

部件成形夹具，所述部件成形夹具用于邻接所述定位夹具，由此所述一个或多个螺纹成形工具被保持在所述部件成形夹具的内部中。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个螺纹成形工具各自进一步限定定位夹具跨接柄。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个螺纹成形工具各自进一步包括移除工具接合头。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述螺纹成形部分包含多个螺纹成形表面，每一个所述螺纹成形表面限定螺距、齿顶圆角半径和齿根圆角半径。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个螺纹成形表面被构造成限定具有内螺旋螺纹的孔，所述内螺旋螺纹限定多个全齿顶半径和多个全齿根半径。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述成形部件是由材料通过成型工艺形成的。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述成形部件是由材料通过铸造工艺形成的。

8.一种用于在成形部件中限定内螺纹孔的方法，所述方法包含：

提供一个或多个螺纹成形工具，每一个所述螺纹成形工具限定螺纹成形部分；

通过定位夹具，将所述一个或多个螺纹成形工具保持为限定待限定的所述内螺纹孔的所需图案的预定构造；

将所述定位夹具设置成邻近成形夹具，所述成形夹具被构造成限定所述成形部件，由此所述一个或多个螺纹成形工具被保持在所述成形夹具的内部中；以及

将材料分配到所述成形夹具中以围绕所述一个或多个螺纹成形工具限定所述成形部件。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括移除所述定位夹具以露出具有由其保持的所述一个或多个螺纹成形工具的所述成形部件。

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