CN108291642B

CN108291642B - 静垫片及其构造方法

Info

Publication number: CN108291642B
Application number: CN201680068678.0A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·威廉·斯韦齐; 爱德华·斯托尔斯·威德; 迈克尔·詹姆斯·戴维森; 布伦特·塞德拉; 杰里·林恩·科克伦
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: KR20180059766A; WO2017053981A1; JP2018529903A; EP3353454A1; US20190017601A1; JP6828026B2; US10830356B2; KR102643768B1; CN108291642A; US10077840B2; US20170089463A1

Abstract

提供一种金属静垫片(10)及其构造方法。垫片包括至少一个金属层(12,14,16)。该至少一个金属层具有相对两侧(18,20)，其中延伸穿过相对两侧的至少一个贯通开口(22,24)构造成与待密封的开口对齐，并且至少一个环形密封凸珠(28)至少部分地围绕该至少一个贯通开口延伸。至少一个突起(32)从所述相对两侧中的至少一侧向外延伸，其中至少一个突起(32)防止至少一个密封凸珠(28)完全变平。至少一个突起(32)具有通过增材制造工艺沉积在彼此之上的多个分立的金属层，其中，突起(32)形成为具有在其中延伸的中空区域(42,44,46)。

Description

静垫片及其构造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2015年9月25日提交的美国临时申请(序列号)62/232,997以及于2016年9月23日提交的美国实用专利申请No.15/274,783的权益，这两项专利申请的全部内容通过引用完全地结合于本申请中。

发明背景

1.技术领域

本发明一般涉及用于在待夹紧在一起的两个构件之间建立气密/液密式密封的类型的静垫片及其构造方法。

2.相关技术

在要被夹紧在一起的两个构件(例如，气缸盖和发动机缸体，或者发动机缸体和排气歧管)之间建立气密/液密式密封时，通常使用具有一个或多个层的静垫片。通常，该多层垫片的其中至少一个层(有时称为活性层或功能层)具有一个或多个密封凸珠(beads)，以围绕开口，例如气缸孔，冷却剂开口和/或螺栓开口，建立气密/液密式密封。其中另一个层(有时称为距离层)可以被配置为邻接功能层，以便于设定在柴油机中实现理想压缩比所需的间隙厚度，同时还有助于通过限制功能层的密封凸珠的压缩来围绕开口建立气密/液密式密封。

为了便于将功能层的密封凸珠压缩至期望的高度，而不过度压缩密封面包，功能层或距离层(如果提供的话)通常形成为具有在其材料内形成的一个或多个凸起的突起。该凸起的突起通常通过高吨位成形压机在模压过程中形成。这样，压机使相应层的材料塑性变形以形成凸起的突起。遗憾的是，用于形成凸起的突起的高吨位压力机非常昂贵，占据大量空间，并且在建造时专用于凸起的突起的特定尺寸和图案，因此需要大量时间和努力从凸起的突起的一种图案转变为另一种图案。此外，作为使活性层或距离层的材料发生塑性变形的结果，材料特性以不可预知的方式变化，由此在距离层的材料内产生不可预知的材料特性，这最终可导致距离层的按预期发挥作用的能力过早失效。此外，必须机械地镦锻(upset)活性层或距离层的材料通常导致凸起的突起具有这样的形状和尺寸，它们彼此偏离且偏离实际上期望的形状和尺寸，这主要归因于层材料内的公差以及用于形成凸起的突起的压机和工具的公差。另外，如果突起形成于活性层中，则由于材料通常为一般难于以可预测的方式塑性变形的高强度弹簧钢，例如FH301SS，而通常会出现进一步的问题。

发明内容

提供金属静垫片。该垫片包括至少一个金属层。该至少一个金属层具有相对两侧，其中，延伸穿过所述相对两侧的至少一个贯通开口设置成与一开口对齐，和围绕所述至少一个贯通开口延伸的至少一个凸起的环形密封凸珠。至少一个突起从所述相对两侧中的至少一侧向外延伸，其中，所述至少一个突起防止所述至少一个密封凸珠的完全变平。所述至少一个突起具有通过增材制造工艺而沉积在彼此之上的多个分立的金属层，其中，所述突起形成为具有在其中延伸的中空区域。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起可以形成在功能层上。

根据本发明的另一方面，所述至少一个金属层可以包括具有所述至少一个凸起的环形密封凸珠的至少一个金属功能层，以及包括具有相对两侧的金属片的单独的金属距离层，其中，所述至少一个突起可以结合到所述功能层或所述距离层的至少一侧上，以防止所述至少一个密封凸珠的过度压缩。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起可以形成为彼此间隔开的多个突起。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起可以被提供为多个突起，其中至少一些突起的高度彼此不同。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起可以被提供为多个突起，其中至少一些突起彼此的周边形状不同。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起可以被提供为多个突起，其中至少一些突起的密度彼此不同。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起可以被提供为多个突起，其中至少一些凸起的突起的材料彼此不同。

根据本发明的另一方面，可提供具有彼此不同密度的至少一些分立的层。

根据本发明的另一方面，至少一些分立的层可以由彼此不同的材料形成。

根据本发明的另一方面，至少一个中空区域可以被分立的层完全包封。

根据本发明的另一方面，至少一个突起可以具有一个或多个凹陷，这取决于其上表面。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起可以被提供为在侧剖面中观察时具有不对称的形状。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起在侧剖面中可以具有变化的截面形状。

根据本发明的另一方面，所述至少一个突起在侧剖面中可以具有不断变化的截面形状。

根据本发明的另一方面，所述功能层和距离层具有多个彼此对齐的开口，并且所述功能层和/或距离层被设置为使所述至少一个突起围绕每个所述对齐的开口的至少一部分延伸。

根据本发明的另一方面，所述垫片可以被构造为气缸盖衬垫。

根据本发明的另一方面，垫片可构造成排气歧管密封垫。

根据本发明的另一方面，提供了一种构造垫片的方法。所述方法包括，提供至少一个金属层，所述金属层具有至少一个凸起的环形密封凸珠，所述至少一个凸起的环形密封凸珠至少部分地围绕将要与具有相对两侧的所述至少一个金属层密封在一起的开口而延伸。该方法还包括，通过在增材制造工艺中施加在彼此之上的分立的金属层来形成至少一个金属突起，以及将所述至少一个金属突起固定在所述至少一个金属层的至少一侧上，而在形成所述至少一个突起的同时在所述至少一个金属突起中形成中空区域。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，通过焊接，压铆(clinching)，铆接，粘合剂或孔眼将所述至少一个突起直接固定到金属层上。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，由单个金属层形成垫片，并在该垫片中形成环形密封凸珠以及将该至少一个突起固定到该垫片上。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，形成垫片的功能层，该垫片具有在其中形成的至少一个环形密封凸珠并且具有单独的距离层，以及将多个金属突起固定到功能层和距离层中的至少一者上。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将所述至少一个突起形成为多个突起，并且形成具有彼此不同高度的至少一些突起。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将所述至少一个突起形成为多个突起，并且形成具有彼此不同类型的材料的至少一些突起。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将所述至少一个突起形成为多个突起，并且形成彼此周边形状不同的至少一些突起。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将所述至少一个突起形成为多个突起，并且形成彼此密度不同的至少一些突起。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，由彼此不同的材料形成至少一些分立的层。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，在所述至少一个突起中形成外部凹陷。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将中空区域形成为被分立的层完全包封。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将中空区域作为贯通通道形成为延伸穿过分立的层。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，形成具有在侧剖面中观察为不对称形状的至少一个突起中的至少一个。

根据本发明的另一方面，所述方法可以包括，形成所述至少一个突起中的至少一个，其具有在侧剖面中观察为变化的截面形状。

根据本发明的另一方面，所述方法可以包括，形成所述至少一个突起中的至少一个，所述至少一个突起具有在侧剖面中观察为恒定地变化的截面形状。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，形成具有彼此对齐的多个开口的功能层和距离层，并且使所述功能层和/或距离层形成为具有围绕每个对齐的开口的至少一部分延伸的多个突起。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将垫片形成为气缸盖衬垫。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括，将垫片形成为排气歧管密封垫。

通过能够在增材制造工艺中将金属垫片层的突起形成为多个层叠的分立的层，就可以形成突起的任何数量的复杂构造或阵列，并且可预期增材制造工艺的发展，与试图镦锻加工金属垫片层的材料以形成止挡体相比，该工艺允许快速且便宜地形成突起。此外，用于构造具有突起的金属垫片层的建造工艺是快速的并且可以根据需要容易地改变以形成不同的突起图案，而不会产生过度的工具花费和时间花费。

附图的简要说明

当结合下面对当前优选实施例和最佳模式、所附权利要求和附图的详细描述进行考虑时，根据本发明构造的垫片的这些和其他方面、特征和优点将变得更容易理解，在附图中：

图1是根据本发明的多个方面构造的多层垫片的局部剖开的平面图；

图2是大致沿线2-2截取的图1的垫片的局部剖视图；

图3是根据本发明的一个方面构造的距离层的局部透视图；

图3A是图3的层的截面侧视图；

图4是根据本发明另一方面构造的距离层之一的局部透视图；

图4A是图4的层的截面侧视图；

图5A-5D示出了根据本发明的另外的方面构造的距离层的一部分的平面图；

图6A-6R示出了根据本发明的另外的方面构造的功能层或距离层之一的一部分的平面图和相应的放大视图；

图7示出了根据本发明的另一方面的其上固定有突起的功能层或距离层之一所剖取的截面图；

图8示出了根据本发明的另一方面的其上固定有突起的功能层或距离层之一所剖取的截面图；

图8A示出了对图9的突起剖取的截面图；

图9示出了根据本发明的另一方面的具有固定到其上的突起的功能层或隔离层之一所剖取的截面图；

图10示出了根据本发明的另一方面的具有固定到其上的突起的功能层或距离层之一所剖取的截面图；

图11是根据本发明的另一方面构造的垫片的功能层的与图2类似的视图；和

图12是根据本发明又一方面构造的垫片的功能层的类似于图2的视图。

当前优选的实施例的详细描述

更详细地参考附图，图1示出了根据本发明的多个方面(以单个视图表示的多个实施例)构造而成的垫片10的示意性平面图，其作为示例而非限制性地示出为多层垫片，以下简称为垫片。垫片10可以构造成为用于容纳在气体发动机或柴油发动机的发动机缸体与气缸盖(未示出)之间的气缸盖密封垫，但是，可以考虑其它密封应用，举例来说并且没有限制的是，比如排气歧管密封垫。垫片10具有至少一个功能层，其以示例方式而非限制性地表示为具有一对功能层12,14(图2)，并且这里也通过示例而非限制的方式示出为具有距离层16。应该认识到，这里可考虑没有距离层的垫片，如下面进一步详细讨论。功能层12,14布置成抵靠距离层16的相对两侧18,20，使得距离层16夹在功能层12,14之间。各个层12,14,16可以保持彼此分离，或者例如在垫片10的最外周处彼此固定，例如通过焊接接头、压铆或铆接(未示出)。功能层12,14各自具有开口22，开口22在尺寸和位置上设置成与距离层16中的开口24对齐，其中相应的开口22,24各自彼此对齐并且与通孔例如气缸孔(或称“缸径”)25对齐。另外，功能层12,14和距离层16具有彼此对齐的多个附加开口，例如但不限于，比如在垫片10的具有螺栓开口26和冷却剂或油路27的腹地区域(从孔25径向向外并且在外周附近)处。功能层12,14各自具有一个或多个压缩凸珠，例如半压缩密封凸珠28和/或全压缩密封凸珠28，其从层12,14的平坦或基本平坦的平面向外延伸，以便于围绕气缸孔25和其他开口26,27建立气密式密封。为了进一步便于围绕气缸孔25和其余的对齐的开口26,27形成良好且可靠的气密/液密式密封，距离层16和/或其中至少一个功能层12,14，如图2所示具有由具有相对两侧18,20的平面金属片构成的平面体30的距离层16，包括至少一个、且显示为多个独立的凸起的止挡体，也被称为突起32，其从其两侧18,20中的至少一侧向上并向外延伸，以防止密封凸珠28的过度压缩、完全变平。突起32可以形成于增材制造工艺(分立的材料层构建在彼此之上，如本文进一步讨论)中，作为示例而非限制，例如在热喷涂，冷喷涂，金属喷涂，丝网打印，送丝，微粒喷涂，或3D打印工艺(例如在下文中称为3D打印)中，其中这里充分考虑所提及的其他添加(或称“增材”)工艺，作为所附着的相应层(无论是功能层12,14和/或距离层16中的一者还是这两者)的单独的刚硬金属材料。例如但不限于，图2中示出的突起32被固定到距离层16的金属片主体30上，并且可以通过压铆，焊接，铆钉，孔眼或粘合剂而固定到金属片30上，其有效地形成突起32和金属片主体30之间的结合接头34。除了首先将突起32形成为单独的3D打印材料片以及然后将突起32固定到相应的层12,14,16上之外，突起32还可以被直接打印到相应的层12,14,16上，并且示出为形成在金属片主体30上，由此不需要后续的二次固定过程。在将气缸盖(未示出)紧固到发动机缸体(未示出)上时，突起32防止围绕气缸孔25和在腹地区域中延伸的密封凸珠28完全变平。这样，相对于功能层12,14的其余部分，密封凸珠28确保对距离层16保持大致恒定的高密封压力，由此提供并保持围绕气缸孔25和其他对齐的开口26,26的气密/液密式密封。

作为示例而非限制的是，功能层12,14例如由弹性金属例如弹簧钢构成，并且可以设置为具有约0.1至0.3mm的厚度。功能层12,14可以构造成具有在距离层16的两对面的镜像外形，其中每个功能层具有前述的密封凸珠，例如与气缸孔26相邻的全密封凸珠28和在腹地区域中延伸到外周的半密封凸珠28，例如可以提供比如邻近油或冷却剂通道27的液密式密封。当然，如上所述并在下面进一步讨论，如果是预期应用所需要，特别是在不具有距离层的那些发动机/排气应用中，突起32可以直接3D打印在功能层12,14上。

为示例而非限制的是，金属主体30和突起32可以分别由相似或不相似的金属材料构成，例如冷轧钢或不锈钢。距离层16可以根据需要被构造成具有任何期望的外周形状，以符合匹配的气缸盖和发动机缸体。类似地，突起可以被3D打印以具有任何期望的高度(H)和外周形状，这取决于所寻求的精确的载荷特性，其由于借助于增材制造工艺形成突起32而得以大大地便利化。

在确定垫片10所需的结构特征时，具有期望高度(H)和外周形状的3D打印的突起32可定位在它们预期附着的相应层(例如但不限于示出为距离层片30)上的精确期望位置中，并且经由结合接头34固定就位至主体30。可以想到的是，最佳结合工艺包括，使用包括电流计激光(振镜激光)焊接工艺和烧结工艺的表面安装技术来形成焊接结合接头34，以将突起32固定在它们的精确位置，尽管其他合适的结合工艺被考虑为处于本公开的范围内，例如任何适当强度的金属粘合剂。焊接过程不仅精确地定位突起32，而且还确保突起32保持其精确的高度(H)和外周形状而不会变形或以其他方式改变，从而保持其刚性和外形以在使用中提供加在垫片层12,14,16上的预期压缩载荷。因此，可以精确地控制和分配加在垫片10上的压缩载荷以考虑使用中预期的任何挠曲，而不管由于紧固件还是由于热影响引起的膨胀/收缩。除了提供生产具有精确加载特性的垫片的能力之外，振镜激光焊接工艺可以容易地适应从一个垫片平台到另一个垫片平台的快速变化，因此是经济的。通过高速振镜激光焊接工艺可以执行的速度，可以认识到进一步的经济性，其中，可以预期在单个高速振镜激光焊接设备上每小时可以焊接高达约125,000个或更多的突起32。这样，固定到每个距离层片30的各个3D打印的突起32就被基本上同时地彼此固定。当然，应该认识到，3D打印的突起32可以借助于选定的增材制造工艺直接地形成在期望表面上的期望位置，由此不需要任何后续的二次固定工艺。

如图3和3A所示，可以打印具有被构建在彼此之上的多个分立层的突起32，使得这些突起在功能层12,14和/或距离层16(如图所示)的特定区域内、或者在整个全部的功能层12,14和/或距离层16上，具有相同的高度(H)；或者如图4和4A所示，突起32可以被打印成具有被构建在彼此之上的多个分立的层，使得其中至少一些突起32在功能层12,14和/或距离层16的所需区域内(如图所示)具有彼此不同的高度(H1，H2，H3)。此外，如图5A-5D所示，作为示例而非限制的是，突起32可被打印成具有任何期望的外周形状，其被示出为圆形，三角形，正方形和椭圆形。当然，应该认识到，可以在功能层12,14和/或距离层主体30上的任何期望位置处打印突起32的高度(H)和外周形状的任何组合。这样，在给定的应用中已知预期的性能特性，例如夹紧力、热影响和发动机变形的情形下，就可以在垫片10上形成突起32的精确图案和构造，以在整个垫片10上提供期望的载荷分布。

在图6A-6R中，示出了围绕气缸孔25固定的各种另外的形状的突起32。这样，可以看出，根据需要，任何所需构造的突起32实际上可以被打印到金属层上，特别是在能够通过单独的结合接头34将每个突起32彼此分开地打印和固定在主体30上的情形下。此外，如图7所示，打印的突起32可以形成为具有建立在彼此之上并且彼此结合的独立的分立的打印层40，其中至少一个层40可以形成为具有与其它层40不同的密度，并且进一步地，选定的单个的层40可以由彼此不同的材料打印而成。另外，如图8和8A所示，根据需要，其中一个或多个突起32可被打印成具有中空区域，其被示出为包封的内部通道或空洞42，其中中空区域可以形成为提供具有期望的刚性的突起42，同时使形成突起32所需的材料的量最小化。此外，如图9所示，可以形成带有多个层的一个或多个突起32，其中这些层形成中空区域，其示出为内部凹穴、贯通的通路或通道44，或者如图10所示，这些层可被打印以形成外部暴露的凹穴或环形通道46。作为借助于增材制造工艺(例如3D打印工艺)构建单独的分立的层40的结果，每个上述构造都是可能的，其中每一个随后形成的层40有助于突起32的所需的形状和构造。

在图11中，示出了根据本发明另一方面构造而成的垫片110，其中使用与上述相同的附图标记加上偏差因子100，以标识相似的特征。

垫片110形成为单个金属层，其用作具有一个或多个压缩凸珠的功能层112，例如半压缩密封凸珠128和/或全压缩密封凸珠128，以便于围绕待密封开口建立液密/气密式密封，如上所述，并且还包括至少一个或多个单独的凸起的止挡体，也被称为突起132，其从其至少一侧向上并向外延伸，以防止密封凸珠128的过度压缩、变平。如上面关于突起32所讨论的那样，突起132通过增材制造工艺如3D打印而形成，或者直接地打印到功能层112上，或者突起132被3D打印成单独的部件，并且随后通过结合接头134固定到功能层112，如上所述。因此，根据需要，突起132由彼此层叠构建的独立的分立的层140形成，以如上所述起作用，而防止密封凸珠128在部件以彼此夹紧的关系紧固时被完全压平。应当认识到，功能层112可以单独使用，或与其他功能层和/或距离层一起使用，无论是平坦的还是具有如上所述的突起32,132，比如如图12所示，其中示出了根据本发明另一方面构造的垫片210，其中使用与上述相同的附图标记加上偏差因子200，以标识相似的特征。垫片210在结构上类似于垫片10，包括由多个层240构成的突起232；然而，不是将3D打印的突起232结合到距离层216上，而是将突起232结合到功能层212,214中的至少一者上，并且显示为经由结合接头234而结合到功能层212上，以防止密封凸珠228的过度压缩。

显然，鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，应该理解的是，在所附权利要求和最终授权的任何权利要求的范围内，本发明可以以与这里所具体描述不同的方式来实施。

Claims

1.一种垫片，包括：

至少一个金属层，其具有相对两侧和延伸穿过所述相对两侧的至少一个贯通开口，和至少一个凸起的环形密封凸珠，并且具有至少一个从所述相对两侧的至少一侧向外延伸的突起；

所述至少一个突起具有借助于增材制造工艺而沉积在彼此之上的金属的分立的层；并且

其中，所述至少一个突起具有被所述分立的层的金属包封的中空的内部空洞。

2.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述至少一个突起被设置为多个突起，其中，所述突起中的至少一些突起的高度彼此不同。

3.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述至少一个突起被设置为多个突起，其中，所述突起中的至少一些突起的周边形状彼此不同。

4.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述至少一个突起被设置为多个突起，其中，所述突起中的至少一些突起的密度彼此不同。

5.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述至少一个突起被设置为多个突起，其中，所述突起中的至少一些突起的材料彼此不同。

6.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述分立的层中的至少一些层具有彼此不同的密度。

7.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述分立的层中的至少一些层由彼此不同的材料形成。

8.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述至少一个突起具有外部凹陷。

9.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述中空的内部空洞被所述分立的层的所述金属完全包封。

10.根据权利要求1所述的垫片，其中，所述中空的内部空洞延伸穿过所述分立的层的所述金属，以形成贯通通道。