CN110382144A - 形成具有水平通孔的粉末金属插入件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于铸造到发动机组件中的粉末金属轴承支承插入件，包括在粉末金属压实工艺期间由相互交叉的槽形成的成对孔。由于它们由相互交叉的槽形成，因此在铸造步骤期间这对孔可以接纳其中的铸造材料。除此之外，可以使用分级成加工铸造的材料而不是插入件中的材料的工具钻或机加工这些孔中的铸造材料。

Description

形成具有水平通孔的粉末金属插入件的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月9日提交的美国临时专利申请第62/469,370号、名称为“形成具有水平通孔的粉末金属插入件的方法”的申请日的权益，该临时申请为了全部目的以参见的方式纳入本文，如同其全文在本文中阐述的一样。

联邦赞助研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本公开涉及使用粉末冶金制作的部件，并且具体地涉及用作浇铸插入件的粉末金属部件。

背景技术

在某些应用中，粉末金属插入件在较大的非粉末金属本体内铸造就位。作为一个示例，可以将含铁粉末金属插入件铸造到发动机的结构部件中，其中结构部件是铸铝。这些粉末金属插入件可以限定用于接纳轴承的开口的部分，该轴承诸如连同轴承盖的曲轴轴承。这种铸入式粉末金属插入件的一个示例可以在美国专利第5,501,529号中找到。

粉末金属插入件所铸造入的具体结构和部件可取决于发动机的整体结构布置。在一些形式中，粉末金属轴承支承插入件可以铸造到机座中，机座又被螺栓连接到发动机壳体的一部分。然而，在其它形式中，粉末金属轴承支承插入件可以直接铸造到发动机缸体中。这些布置本质上是示例性的，并且部件的具体结构布置和术语可以基于发动机设计而变化。

发明内容

本文公开了用于铸造到发动机组件中的粉末金属轴承支承插入件的改进。粉末金属轴承支承件可以形成为具有在压实工艺期间形成的独特孔，其中孔由彼此邻接的相互交叉的槽形成。这些孔在结构上形成和限定的方式允许铸造材料在铸造工艺期间流入孔中并填充孔。由于铸造材料可以比粉末金属轴承支承件的材料更容易机加工或钻孔，这允许更容易地穿过孔的空间钻穿螺栓孔，并且允许使用类似于可以用于机加工铸造发动机组件的其余部分(与设计用于机加工穿过可能更费力并且难以机加工的插入件的材料的钻头相比)的工具的机加工工具执行钻孔。

此外，从生产粉末金属部件的观点来看，所公开的粉末金属轴承支承插入件的孔可以在压实期间形成，其中插入件通常平放在工具和模具组中。平坦或水平取向通常是压实的较佳取向，因为组件的大部分厚度均匀，这使得压块和最终烧结产品中的密度变化最小化。因为该工具通常以单轴方式压实粉末金属，当部件是水平的并且当孔在水平方向上延伸时，传统的垂直芯棒不能用于生产孔，因此需要在压实后形成孔(或者在将插入件铸造到发动机组件中之前的压块和烧结部件的后续处理期间，或者在铸造之后的钻孔步骤处，在该点处，最后的螺栓孔而不是开口被钻孔以适应在其中钻出螺栓孔)。

根据一方面，公开了一种用于铸造到发动机组件中的粉末金属轴承支承插入件。粉末金属轴承支承插入件包括本体、轴承接纳表面和成对孔，本体在本体的横向侧部上具有成对相对的端部，轴承接纳表面定位在本体的成对相对的端部之间的侧部上(其中轴承接纳表面适于在轴承接纳表面中容纳轴承)，成对孔延伸穿过本体，其中每对孔由成组相邻的相互交叉的槽形成，所述成组相邻的相互交叉的槽具有彼此邻接的区域，以形成穿过限定相应孔的相邻的相互交叉的槽的连接的通道。粉末金属轴承支承插入件由烧结粉末金属材料形成，使得粉末金属轴承支承插入件具有孔隙以适应将粉末金属轴承支承插入件铸造到发动机组件中。

在一些形式中，该成对孔可各自具有相应的中心轴线，并且该成对孔的中心轴线可彼此平行。轴承接纳表面在形状上可以是半圆筒形的并且可以具有中心轴线。轴承接纳表面的中心轴线可以是垂直于该成对孔的相应中心轴线。

在一些形式中，相应的成组相邻的相互交叉的槽可以从成对相对的端部中的每一个横向向内偏移。相应的成组相邻的相互交叉的槽中的每个可在本体的成对相对的端部中的相应一个与本体的中心部段之间产生成组交替的材料桥接部，其中本体的中心部段设置在成对相对的端部之间。该成组交替材料桥接部中的每个可包括通道限定表面，该通道限定表面面对通道的中心轴线并且还与该成组交替材料桥接部中的相邻一个上的相邻的通道限定表面相对地面对。

在一些形式中，本体可以是含铁的(由铁或铁合金制成)。

根据另一方面，发动机组件包括铸造到铸造本体中的、如上所述的粉末金属轴承插入件(包括其所述的特征和质量的各种变换)。

在一些形式中，该发动机组件可以是发动机壳体、支架和机座(尽管当然不限于这些组件)中的一个。

在一些形式中，发动机组件可以由铝或铝合金铸造而粉末金属轴承支承插入件可以是含铁的。

在一些形式中，铸造本体的材料可以填充延伸穿过粉末金属轴承支承插入件的本体的成对孔。此外，可以在铸造本体中钻出孔，该孔延伸穿过粉末金属轴承支承插入件的本体的成对孔。

根据另一方面，公开了一种制作粉末金属轴承支承插入件的方法。工具和模具组填充有粉末金属。使用工具和模具组将粉末金属压实以形成压块，其中压块包括本体、轴承接纳表面和成对孔，本体在本体的横向侧部上具有成对相对的端部，轴承接纳表面定位在本体的成对相对的端部之间的侧部上，其中轴承接纳表面用于在其中容纳轴承，成对孔延伸穿过本体，其中每对孔由成组相邻的相互交叉的槽形成，其具有彼此邻接的区域，以形成穿过限定相应孔的连接的通道。将压块烧结以形成粉末金属轴承支承插入件。

在一些形式中，粉末金属轴承支承插入件由烧结粉末金属材料形成，使得粉末金属轴承支承插入件可具有孔隙以适应将粉末金属轴承支承插入件铸造到发动机组件中。

在一些形式中，该成对孔可各自具有相应的中心轴线，其中该成对孔的中心轴线可彼此平行。另外，轴承接纳表面在形状上可以是半圆筒形的并且具有中心轴线，其中轴承接纳表面的中心轴线垂直于该成对孔的相应中心轴线。可以设想，在一些形式中，压实压块的步骤可以在垂直于成对孔的中心轴线的方向上或平行于轴承接纳表面的中心轴线的方向上发生。

在一些形式中，压实步骤可以包括使用相互交叉的工具构件形成相应的成组相邻的相互交叉的槽，并且相应的成组相邻的相互交叉的槽可以从成对相对的端部中的每一个横向向内偏移。在这些形式中的一些形式中，相互交叉的工具构件的每个工具构件的远侧粉末接触端可以压实粉末金属，以在本体的成对相对的端部中的相应一个与本体的中心部段之间形成成组交替的材料桥接部，其中本体的中心部段设置在成对相对的端部之间。该成组交替材料桥接部中的每个可包括通道限定表面，该通道限定表面面对通道的中心轴线并且与该成组交替材料桥接部中的相邻一个上的相邻的通道限定表面相对地面对。

根据又一方面，公开了一种将至少一个粉末金属轴承支承插入件(如以上和本文所述)铸造到发动机组件中的方法。该方法包括将至少一个粉末金属轴承支承插入件铸造到发动机组件中。如上所述，它是可以设想，发动机组件可以是例如发动机壳体、支架和机座，尽管并不局限于此。

在一些形式中，该方法还可包括在发动机组件的铸造本体中钻孔的步骤，其中钻出的孔延伸到粉末金属轴承支承插入件的本体的成对孔中。

本发明的这些和其它优点将会从以下具体实施方式和附图中显现出来。以下仅是对本发明的一些较佳实施例的描述。为了评估本发明的完全范围，应参看权利要求书，因为这些较佳实施例不旨在是权利要求书范围内的仅有的实施例。

附图说明

图1是粉末金属轴承支承插入件的立体图。

图2是图1的粉末金属轴承支承插入件的一部分的另一个立体图，示出了一个横向端而未示出另一个。

图3是图1的粉末金属轴承支承插入件的一部分的、从由一组相邻的相互交叉的槽形成的通道轴向向下观察的又一立体图。

图4是概述制作粉末金属轴承支承插入件并将粉末金属轴承支承插入件铸造到发动机组件的示例性方法的框图。

具体实施方式

首先参见图1至图3，示出了示例性粉末金属轴承支承插入件100，其可以铸造在例如发动机组件中，诸如发动机壳体、支架和机座之类。

粉末金属轴承支承插入件100包括本体102，本体102使用将在下面更详细地描述的粉末冶金工艺形成。简而言之，将粉末金属压制成具有该本体102的接近净形状的压块，然后烧结粉末金属压块以形成所示的插入件100。在所示的形式中，粉末金属组件是含铁的，意味着它是铁或铁合金的，并且其最终被铸造在铝或铝合金的发动机组件中。因为粉末金属轴承支承插入件100的本体102由烧结粉末金属材料形成，所以粉末金属轴承支承插入件100可具有孔隙以适应将粉末金属轴承支承插入件100铸造到发动机组件中(即，除了插入件100的一些宏观特征之外，铸造材料在本体102的极小孔中填充和互锁一定程度)。

如图所示，本体102在本体102的相应横向侧部108和110上的成对相对的端部104和106之间延伸。本体102还具有定位在成对相对的端部104和106之间、在本体102的近侧114上的轴承接纳表面112(在该上下文中“近”用于描述与轴承的接近度)。该轴承接纳表面112适于接纳轴承接纳表面112中的轴承(未示出)，并且如图所示，是具有中心轴线A-A的半圆筒形。在使用中，轴承盖可以联接到近侧114，以与轴承接纳表面112一起进一步限定轴承接收开口(形状通常为圆筒形)。本体还具有远侧116和成对轴向面对的侧部118和120，该远侧116将嵌入铸件中，成对轴向面对的侧部118和120由横向侧部108和110、近侧114以及远侧116界定(在此上下文中术语“轴向”指的是轴承接纳表面116的轴线)。

注意到，成对孔122和124延伸穿过本体102。每个孔122和124分别具有中心轴线B-B和C-C，它们彼此平行并且垂直于轴承接纳表面112的中心轴线A-A。其中一个孔122定位在横向侧部108附近，而另一个孔124定位在另一个横向侧部110附近，使得孔122和124定位在轴承接纳表面112的相对侧部上。

成对孔122和124中的每一个由多组相邻的相互交叉的槽(用于孔122的槽126和128的组以及用于孔124的槽130和132的组)形成。槽各自具有彼此邻接的区域，以形成穿过槽126和128或者槽130和132的连接的通道，其限定相应的孔122或124。

相邻的相互交叉的槽126和128或者130和132的相应组中的每一个从成对相对的端部104或106中的相应一个横向向内偏移。如可从图1至3看出的，这意味着相邻的相互交叉的槽126和128或130和132的相应组中的每一个在本体102的成对相对的端部104或106中的相应一个和本体102的中心部段138之间产生相应组的交替材料桥接部134或136，其中本体102的中心部段138设置在成对相对的端部104和106之间。

该组交替材料桥接部134和136中的每个桥接部包括通道限定表面(总地由附图标记140表示)，其面对相应通道的相应中心轴线B-B或C-C并且还相对地面对在该组交替材料桥接部的相邻材料桥接部上的相邻的通道限定表面。在该组桥接部的端部上的桥接部的情况下，将仅存在单个相邻的通道限定表面，因为仅存在单个相邻的桥接部。然而，对于所有其它非端部桥接部，将存在两个相邻的桥接部。

可以根据图4中概述的方法200生产这种类型的粉末金属轴承支承插入件100并将其铸造到发动机组件中。

根据方法200，根据步骤202，首先用粉末金属填充压机中的工具和模具组。通常，将一个或多个工具构件插入模具腔体的下侧中以形成底部并且馈送滑座(feed shoe)在腔体上方移动以用粉末金属填充腔体。术语“粉末金属”用于描述金属粉末以及可与金属粉末混合的任何添加剂，诸如润滑剂、粘合剂和蜡之类。对于粉末金属轴承支承插入件，通常情况是粉末金属的金属粉末组分将是含铁的，含有铁和/或合金组分。

在工具和模具组装满粉末的情况下，一个或多个上部工具下降并进入模具腔体的上侧。根据步骤204，随着上部和下部工具构件一起移动并且在来自压机的持续施加压力下，工具和模具组中的粉末金属被压实以形成粉末金属压块。

在粉末金属部件的大规模生产中，通常使用工具和模具组在压机中形成压块，其中上部和下部工具构件以单轴方式彼此靠近(即，两个工具构件沿相同的轴线在相反的垂直方向上朝向彼此行进)，使得粉末金属在上部和下部工具构件之间被压实。注意到，对于插入件100，成对轴向面对的侧部118和120在大致垂直于工具构件的行进轴线的平面中延伸，平行于轴承接纳表面112的轴线A-A或垂直于孔122和124的轴线B-B和C-C。

注意到，给定该取向并且工具构件的方向垂直于孔122和124的轴线B-B和C-C的延伸方向，需要进行特殊的调节以允许压实具有这种类型的水平开口的插入件。这种用于形成垂直于压实轴线的一个或多个孔的方法在2009年12月1日授予GKN烧结金属有限公司(GKN Sinter Metals，LLC)的美国专利号7,625,522(“′522专利”)中进行了说明，该专利出于所有目的以参见的方式纳入本文，如同其全文在本文中完整阐述一样。在′522专利中，并且具体在图3d中，示出了一种工具布置，其中两个工具构件351和221具有沿大致垂直延伸的方向邻接工具表面的区域，其中当工具351和221被抽出时，在留下的负空间之间粉末金属的缺失形成开口。如′522专利的图4可以看出的，当多个交替的槽彼此相邻形成时，这些槽可以形成限定穿过其中的开口的连接的通道。

在插入件100中，使用类似于′522专利中所教导的工具布置和方法形成开口122和124。在所示的插入件100中，成对孔122和124由成组相邻的相互交叉的槽126和128或者130和132形成，该槽126和128或者130和132具有彼此邻接的区域，以形成穿过其中的连接的通道，该通道限定相应的孔122和124。

在所示的实施例中，这些组的槽126和128或者130和132在压实步骤204期间由相互交叉的工具构件形成，其中相应组的相邻的相互交叉的槽126和128或者130和132从相应的相对的端部104和106横向向内偏移。在这种布置中，相互交叉的工具构件的每个工具构件的远侧粉末接触端将压实粉末金属，以在本体102的成对相对的端部104和106的相应一个以及本体102的中心部段138之间形成相应组的交替材料桥接部134和136，其中本体102的中心部段138。如上所述，成组交替材料桥接部134和136中的每一个包括通道限定表面140，其面对通道的中心轴线(任一轴线B-B或C-C)并且与成组交替材料桥接部134或136的相邻一个上的相邻的通道限定表面140相对地面对。

在形成压块之后，根据步骤206将压块从工具和模具组排出。通常，上部工具构件从模具抽出，而下部工具构件将压块抬升出模具腔体，使得压块可以从工具和模具组完全移除以进一步处理。

随着部件排出，然后根据步骤208烧结压块以形成粉末金属轴承支承插入件。在烧结期间，将部件升高至接近粉末金属的熔化温度，使得通常通过其中颗粒颈缩(neck)到彼此中的固态扩散将个体颗粒熔合在一起。通常，烧结粉末金属部件中存在一定量的残留孔隙。在烧结之后，烧结部件的机械性能比压制压块大大增强，压制压块仅通过润滑剂、粘合剂和蜡以及一些潜在的机械颗粒互锁松散地保持在一起。

根据步骤210，在插入件被烧结之后，烧结的轴承支承插入件然后可以以放置在铸造模子中，围绕插入件铸造的材料放入该模子中，以形成发动机组件。因为烧结的粉末金属轴承支承插入件具有一定量的孔隙并且因为存在槽126和128或者130和132，当材料围绕插入件铸造时，材料可以填充一些孔隙和槽以将插入件牢固地锁定到铸件。

在一些常见的使用情况中，粉末金属插入件可以是含铁的(铁或铁合金)，而铸造材料是铝(铝或铝合金)。这种材料的选择提供了用于捕获轴承的坚固区域(使用铁质插入件)并且允许减小整个发动机组件(这是相对较轻重量的铝)的重量。注意到，在铸造步骤期间的这种布置中，铸造材料可以填充孔122或124。这与形成为没有孔122或124的插入件形成潜在对比。

根据步骤212，在铸造之后，在发动机组件的铸造本体中钻孔(诸如孔122和124之类)。钻出的孔可以延伸到成对孔(例如，粉末金属轴承支承插入件100的本体102的孔122和124)中，但主要涉及去除孔122和124中的铸造材料而不是烧结的粉末金属材料。这提供了潜在的益处，因为与烧结粉末材料相比更容易钻铸造材料，此外，可以使用用于加工或钻入铸造本体的其它部分的工具来执行该钻孔步骤。实际上，这可以消除对除了可能已经用于加工铸造部件的工具之外的、专门在插入件中钻出螺栓孔的其它工具或钻头的需要。

在对包括铸造插入件的发动机组件钻孔之后，可以组装发动机的其余部分。除此之外，这可以涉及将轴承插入轴承接纳表面中并用轴承盖将其固定就位以将轴承捕获在发动机组件和轴承盖之间。当然，附加组装步骤的具体细节将取决于具体发动机的结构。

虽然以上描述了示例性和代表性的插入件和方法，但是本领域普通技术人员将理解，这些仅作为示例提供。当然可以设想对这些描述的插入件和方法的修改以及替代设计。例如，可以修改该方法以包括额外的步骤，比如压制后、烧结前烧尽步骤，或者可以涉及插入件的额外的铸造前机加工步骤。

应当理解，可以在本发明的精神和范围内对较佳实施例进行各种其它修改和变型。因此，本发明不应限于所述实施例。为了确定本发明的完整范围，应参照以下权利要求书。

Claims (20)

1.一种用于铸造到发动机组件中的粉末金属轴承支承插入件，所述粉末金属轴承支承插入件包括：

本体，所述本体在它的横向侧部上具有成对相对的端部；

轴承接纳表面，所述轴承接纳表面定位在所述本体的所述成对相对的端部之间的侧部上，所述轴承接纳表面适于在所述轴承接纳表面中容纳轴承；

成对孔，所述成对孔延伸穿过所述本体，其中所述成对孔中的每个由成组相邻的相互交叉的槽形成，所述成组相邻的相互交叉的槽具有彼此邻接的区域，以形成穿过限定所述相应孔的连接的通道；

其中，所述粉末金属轴承支承插入件由烧结粉末金属材料形成，使得所述粉末金属轴承支承插入件具有孔隙以适应将所述粉末金属轴承支承插入件铸造到所述发动机组件中。

2.如权利要求1所述的粉末金属轴承支承插入件，其特征在于，所述成对孔各自具有相应的中心轴线，并且所述成对孔的所述中心轴线彼此平行。

3.如权利要求2所述的粉末金属轴承支承插入件，其特征在于，所述轴承接纳表面在形状上是半圆筒形的并且具有中心轴线，其中所述轴承接纳表面的所述中心轴线垂直于所述成对孔的所述相应中心轴线。

4.如权利要求1所述的粉末金属轴承支承插入件，其特征在于，所述相应的成组相邻的相互交叉的槽从所述成对相对的端部中的每一个横向向内偏移。

5.如权利要求4所述的粉末金属轴承支承插入件，其特征在于，所述相应的成组相邻的相互交叉的槽中的每个在所述本体的所述成对相对的端部中的相应一个与所述本体的中心部段之间产生成组交替的材料桥接部，其中所述本体的所述中心部段设置在所述成对相对的端部之间。

6.如权利要求5所述的粉末金属轴承支承插入件，其特征在于，所述成组交替材料桥接部中的每个包括通道限定表面，所述通道限定表面面对所述通道的中心轴线并且还与所述成组交替材料桥接部中的相邻一个上的相邻的通道限定表面相对地面对。

7.如权利要求1所述的粉末金属轴承支承插入件，其特征在于，所述本体是含铁的。

8.一种包括被铸造到铸造本体中的如权利要求1所述的粉末金属轴承插入件的发动机组件。

9.如权利要求8所述的发动机组件，其特征在于，所述发动机组件是发动机壳体、支架和机座中的一个。

10.如权利要求8所述的发动机组件，其特征在于，所述发动机组件由铝或铝合金铸造，而所述粉末金属轴承支承插入件是含铁的。

11.如权利要求8所述的发动机组件，其特征在于，所述铸造本体的材料填充延伸穿过所述粉末金属轴承支承插入件的所述本体的所述成对孔。

12.如权利要求11所述的发动机组件，其特征在于，还包括在所述铸造本体中钻出的孔，所述孔延伸穿过所述粉末金属轴承支承插入件的所述本体的所述成对孔。

13.一种制作粉末金属轴承支承插入件的方法，所述方法包括：

用粉末金属填充工具和模具组；

使用所述工具和模具组从所述粉末金属压实压块，所述压块包括本体、轴承接纳表面和成对孔，所述本体在它的横向侧部上具有成对相对的端部，所述轴承接纳表面定位在所述本体的所述成对相对的端部之间的侧部上，其中所述轴承接纳表面用于在其中容纳轴承，所述成对孔延伸穿过所述本体，其中所述成对孔中的每个由成组相邻的相互交叉的槽形成，所述成组相邻的相互交叉的槽具有彼此邻接的区域，以形成穿过限定所述相应孔的连接的通道；以及

将所述压块烧结以形成所述粉末金属轴承支承插入件。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述粉末金属轴承支承插入件由烧结粉末金属材料形成，使得所述粉末金属轴承支承插入件具有孔隙以适应将所述粉末金属轴承支承插入件铸造到发动机组件中。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述成对孔各自具有相应的中心轴线，并且所述成对孔的所述中心轴线彼此平行，并且所述轴承接纳表面在形状上是半圆筒形的并且具有中心轴线，其中所述轴承接纳表面的所述中心轴线垂直于所述成对孔的所述相应中心轴线，并且此外其中，压实所述压块的步骤在垂直于所述成对孔的所述中心轴线的方向上发生。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述压实步骤包括使用相互交叉的工具构件形成所述相应的成组相邻的相互交叉的槽，并且其中，所述相应的成组相邻的相互交叉的槽可以从所述成对相对的端部中的每一个横向向内偏移。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述相互交叉的工具构件的每个工具构件的远侧粉末接触端压实所述粉末金属，以在所述本体的所述成对相对的端部中的相应一个与所述本体的中心部段之间形成成组交替的材料桥接部，其中所述本体的所述中心部段设置在所述成对相对的端部之间。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述成组交替材料桥接部中的每个包括通道限定表面，所述通道限定表面面对所述通道的中心轴线并且与所述成组交替材料桥接部中的相邻一个上的相邻的通道限定表面相对地面对。

19.一种将至少一个如权利要求1所述的粉末金属轴承支承插入件铸造到发动机组件中的方法，所述方法包括：

将至少一个粉末金属轴承支承插入件铸造到所述发动机组件中。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在所述发动机组件的铸造本体中钻孔的步骤，所述钻出的孔延伸到所述粉末金属轴承支承插入件的所述本体的所述成对孔中。