TAPAS DE COJINETES, PULVIMET&Í.ICAS , DOBLES Y MÉTODO PARA FABRICARLAS
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
F CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere artículos pulvimetálicos y su fabricación, y en particular a una tapa de cojinete principal en donde el cuerpo se fabrica de un material pulvimetálico de alta resistencia y otras partes se fabrican con un
10 material pulvimetálico más trabajable a máquina y diferente que es unido o aglutinado metalúrgicamente al cuerpo . DISCUSIÓN DEL ARTE PREVIO La Figura 1 ilustra una forma básica de una
15 tapa de cojinete convencional (MBC) . Es esencialmente un cuerpo sólido con una cavidad semí- cilindrica y huecos de pernos para el montaje. Los MBCs se usan para retener los cojinetes de la coraza y el cigüeñal de los motores de combustión interna. 20 Esto se lleva a cabo al empernar el MBC A (Figura 2) al extremo inferior del bloque del motor B (Figura 2) . La cavidad se i-ci 1 indr ica C en el MBC corresponde a una cavidad D semi-cilíndrica similar Ref . 131998
en el bloque del motor para formar un hueco cilindrico cuando se empernan juntas como se muestra en la Figura 3. En los motores cilindricos múltiples, existen 5 MBC múltiples/ huecos de bloque cilindricos los cuales se taladran a un diámetro preciso E (Figura 4) para recibir los casquillos de los cojinetes F (Figura 5), los cuales a su vez ubican y retienen el cigüeñal G (Figura 5) en su lugar. Esta operación de
10 taladrar es critica debido a que la precisión de la redondez y el diámetro tiene un efecto significante con respecto al ruido del motor. Un diámetro ligeramente mayor permite que el cigüeñal vibre durante la operación. Esto se oye como un "retumbar"
15 que no es aceptable en los vehiculos de pasajeros modernos. Un tamaño ligeramente menor o fuera del diámetro redondo puede causar que se trabe el cigüeñal, previniendo una operación de ba a fricción, suave. 20 Tradicionalmente, el bloque del cilindro se ha fabricado ya sea de hierro fundido gris o una aleación de aluminio, y los MBCs se fabrican ya sea de hierro fundido gris o de hierro fundido dúctil
(también llamado hierro fundido esferoidal o nodular). En años recientes, una combinación del proceso de materiales nuevos se está aplicando comercialmente, nombrada un acero pulvimetál ico 5 smtepzado (P/M) . Una ventaja principal en lo que se refiere a los costos del acero P/M es la forma neta real que se puede lograr, la cual minimiza los costos de trabaj abilidad a máquina y los costos asociados del producto. f 10 Sin embargo, debido a que el MBC se ha taladrado al mismo tiempo que el bloque del cilindro, existe un problema en relación a la diferencia en la trabaj abil idad del acero P/M y el material del bloque (hierro fundido o una aleación
15 de aluminio) . Esto ha llevado a mejoras en la trabaj abilidad del material de acero P/M por medio de métodos muy bien conocidos y medios publicados que incluyen adiciones de auxiliares en la trabaj abilidad a máquina del material P/M. Esto ha
20 sido benéfico, pero no umversalmente exitoso en la adaptación de la trabaj abilidad del MBC y la del material del bloque. Otro asunto es el incremento continuo en el desarrollo de la tecnología de los
- - motores que continúa para tratar de obtener más energía de motores más pequeños (de un peso más ba o) y de una rotación más rápida para extender la economía del combustible y el funcionamiento 5 respectivamente. Una extensión natural de la tecnología del MBC para manejar estas altas cargas y esta potencia por unidad volumétrica añadidas son para elevar la fuerza del acero P/M. Esto requiere que el acero P/M
10 sea reforzado por varios medios, tal como el
• tratamiento por calor, como se practica en la tecnología de acero convencional. El tratamiento por calor involucra la producción de un acero más fuerte pero también más duro, el cual es difícil de
15 taladrar, y resulta en una vida muy corta y el herramental de corte muy costoso. La duración corta de vida de la herramienta corta significa que la
F producción de motores sea interrumpida en las líneas de maquinado automatizadas muy costosas. 20 De esta manera, existe una necesidad para adaptar la traba abi 1 idad a máquina de las cavidades C y D mientras se mantiene una tapa de cojinete de
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bajo peso. De alta resistencia, de forma y dimensión de pre- aquinado neta real. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención proporciona una tapa de cojinete 5 de dos materiales, fabricados por pulvimetalurgia . En un aspecto, existe una capa delgada de un material mas trabajable que reviste la mitad del diámetro del orificio circular de la tapa de cojinete, con un material más duro y más fuerte que
10 forma la mayoría y el resto del cuerpo de la tapa del co j ine te . En este aspecto, una composición de aleación del cojinete puede ser usada para el material más suave en la región del arco del diámetro del
15 orificio, la cual puede ser taladrada en linea para producir una superficie de cojinete integral, con lo que se eliminan los cojinetes de casquillos que se
^H ^ usan de otra manera. El diámetro del agujero del cojinete es solo posible en las tapas de cojinetes
20 usadas en los bloques de motor de aluminio. Ya sea que el pulvimetal o material en polvo más trabajable que reviste la mitad del diámetro del agujero de la tapa de cojinete sea una aleación del
cojinete o no, la acción de taladrar en línea se facilita y la duración o vida de la herramienta se prolonga por medio de la invención.
• También en este aspecto el material que reviste
5 la mitad del diámetro circular de la tapa de cojinete, preferiblemente se selecciona para adaptar la trabaj abilidad a máquina de la mitad del diámetro circular del bloque del motor. En otro aspecto, se puede proporcionar una tapa
10 de cojinete de dos materiales fabricados por medio de la pulvimetalurgia en donde existe una capa delgada de un material más suave en cada superficie de la junta de la base de la tapa de cojinete, que incluye donde esté presente, los pasadores
15 integrales, con un material más duro y fuerte que el que forma la mayoría y el resto del cuerpo de la tapa de cojinete. Al formar los pasadores de un material más suave, son mas conformables al contradiámetro en el bloque del motor en donde están
20 prensados, y donde están mejor reprensados dentro de ellos durante el ajuste y la instalación del cigüeñal .
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En otro aspecto, la tapa del cojinete puede ser fabricada con alas de costados exteriores para formar un empernado cruzado. Estas alas pueden ser fabricadas de un material más trabajable, suave, con 5 un material más duro y mas fuerte que forma la mayoría y el resto del cuerpo de la tapa de coj mete . Cada uno de estos aspectos pueden ser usados solos, o en cualquier combinación con uno o más de 10 otros aspectos. Estos y otros aspectos y ventajas de la invención serán aparentes a partir de la descripción detallada y los dibujos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS. 15 La Figura 1 es una vista en perspectiva de una tapa de cojinete principal de la técnica previa; La Figura 2 es una vista de planta que ilustra como una tapa de cojinete principal se monta en un bloque de motor; 20 La figura 3 es una vista similar a la figura 2, con la tapa empernada al bloque;
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La Figura 4, es una vista similar a la Figura 3, pero después de que el diámetro del cojinete haya sido taladrado; F La Figura 5 es una vista similar a la Figura 4, 5 pero con los cojinetes de casquillo F y el cigüeñal G instalados; La Figura 6 es una vista similar a la Figura 1, pero de una tapa de cojinete principal incorporando la invención; 10 La Figura 7 es una vista similar a la Figura 2, pero que ilustra una tapa de cojinete principal que incorpora la invención antes de taladrar en línea; La Figura 8 es una vista similar a la figura 6 pero antes de taladrar y empernar; 15 La Figura 9A es una vista seccional de un troquel instalado, similar a la Figura 12, con un polvo de revestimiento del diámetro interno del agujero dispersado dentro de la cavidad del t oquel ; 20 La Figura 9B es una vista detallada de la porción de la Figura 9A; La Figura 10 ilustra la siguiente etapa del rellenado del troquel en donde el polvo del cuerpo
de la capa esta siendo dispersado dentro del troquel ; La Figura 11 ilustra la continuación de la etapa de rellenado de la Figura 10, con el diámetro 5 interno y el cuño de soporte bajado en relación al alojamiento del troquel; La Figura 12 es una vista seccional de un modelo de troquel del plano de la linea 12-12 de la Figura 13; 10 La Figura 13 es una vista superior del modelo del troquel de la Figura 12; La Figura 14 es una vista seccional de un modelo del troquel del plano de la linea 14-14 de la Fig. 13; 15 La Figura 15 A-H son vistas similares a las Figuras 9-11 que ilustran una secuencia de rellenado del troquel para formar los costados más suaves en una tapa del cojinete; y La Figura 16 es una fotomicrografía de los 20 limites de los dos materiales fabricados usando la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA
La invención ofrece una solución técnica efectiva en el costo que puede solo ser llevada a cabo por medio de la pulvimetalurgia. La invención proporciona un área H (Figuras 6 y 7) localizada de un material trabajable a máquina en el diámetro interno del agujero del MBC de acero P/M que es más trabajable para dejar una capa delgada I (Figura 8) . , En un aspecto de la invención, este material se introduce como un polvo P separado (Figura 9), que se vierte en una cavidad del troquel de compactación del polvo mas allá del polvo Q de acero P/M regular que forma el volumen (o cuerpo) de la MBC. Una tarea técnica es la de localizar el polvo P trabajable en el área deseada. Un espesor insuficiente del material en polvo P en cualquier punto llevaría a que la herramienta de taladrar choque con el material Q de acero P/M más duro resultando en una falla de la herramienta de corte prematura. Un exceso del espesor del material de polvo P resulta en la disminución de la resistencia total del MBC debido a que el área del material P residual no es tan fuerte como el material Q de polvo endurecido. Sin embargo, esta ultima condición
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se prefiere debido a que el efecto de debilitamiento no será significante siempre que el espesor residual relativo del material P más débil y suave sea superficial comparado con el espesor Q del material 5 de volumen. Sería imposible igualar exactamente el espesor del material P a la profundidad del material taladrado debido a que existen variaciones inherentes en la posición y dimensión en el proceso
10 de taladrado que resulta en diferentes espesores que son removidos de un MBC a otro MBC. Un espesor común del material taladrado de un diámetro interno de un MBC es de 1 mm (0.040 pulgadas) con una variación de una tapa a otra tapa de cerca de 0.5 mm
15 (0.020 pulgadas) . En tal caso, por lo tanto, hasta 1.25 mm pueden ser removidos al taladrar. El espesor del material P antes de taladrar, es decir, el espesor de la capa H en la Figura 7, puede después ser considerado como objetivo que sea de un mínimo
20 de 2 mm y un máximo de 4 m . Esto deja hasta 2 mm de espesor del material P después de taladrar, es decir, el espesor de la capa I, que se compara con tipicamente un espesor minimo de 50 mm del material
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Q. De esta manera, el espesor relativo del material P suave al material Q fuerte, duro, es solo del 4%. La reducción de la resistencia seria por lo tanto f?' del 4% de la diferencia en la resistencia entre los 5 dos materiales. Esta no es una reducción funcionalmente significante en la resistencia. Para ubicar el polvo P en un sitio correcto, se usa una prensa en la cual los miembros herramentales de compactación individual tienen un control de
10 movimiento independiente, y se prefiere una prensa de compactación controlada totalmente por una computadora. También, se necesita un sistema de manejo del polvo dual para mantener los dos polvos separados hasta que estén en la cavidad del troquel
15 de compactación, y también para liberar el polvo P en el sitio correcto y a la profundidad correcta, rodeado por el polvo Q. ^^ 7 El diseño de la herramienta de compactación y el rellenado del polvo doble inicialmente se
20 investigaron mediante el uso de un modelo de troquel de plástico claro el cual simulaba la herramienta de compactación de producción, y donde se usaron dos polvos coloreados diferentes para rastrear los
sitios inicial, transitorio y final de los dos polvos durante las etapas de relleno de polvo y la subsecuente pre-colocación de los elementos herramentales para la compactación. Las Figuras 12- 5 14 muestran el plástico claro que simula la herramienta 10 de compactación. La Figura 13 muestra en líneas continuas la caja 12 de rellenado de polvo P y la caja 14 de rellenado de polvo Q en lineas punteadas. Las cajas 12,14 en su forma más simple
10 son cajas de fondo abierto que contienen el polvo P para ser cargado dentro de la cavidad en el troquel 11. Las cajas 12,14 se mueven hacia atrás y hacia delante sobre la cavidad del troquel en la dirección axial indicada por la flecha 16. Esta es
15 la dirección axial en relación al diámetro interno C de la tapa de cojinete. En la cavidad del troquel se colocan dos cuños 20 de soporte y un cuño de arco 22 entre ellos. Los cuños 20 de soporte se mueven juntos hacia arriba y hacia abajo. El cuño de arco
20 22 también se mueve hacia arriba y hacia abajo, pero independientemente de los cuños 20 de soporte. En las Figuras 9 A- 14 hay barras centrales no ilustradas las cuales se usan para formar los
" üte 7- * diámetros u orificios del perno a través de los soportes de la tapa de cojinete, aunque en la producción de la tapa del cojinete aquellos taladros
• pueden ser formados por las barras centrales. 5 Las Figuras 9A y 9B muestran el rellenado del primer polvo P, el cual es un polvo relativamente trabajable, dentro de un conjunto de troquel como el mostrado en las figuras 12-14. Las Figuras 10 y 11 muestran las distribuciones de los polvos P y Q
F 10 durante la carga del polvo y después de que el polvo Q ha sido cargado dentro de la cavidad del troquel y los elementos herramentales trasladados a su posición final, antes de la etapa de compactación del polvo . 15 Se puede observar que el polvo P forma una capa uniforme claramente alrededor del área del diámetro interno del agujero. Esto es del resultado de
^ encontrar el patrón y mecanismo de rellenado de polvo inicial óptimo que resulta en el patrón de
20 pre-compactacion deseado que se muestra en la figura 11. Esto se lleva a cabo al colocar los elementos herramentales como se muestra en la Figura 9 y al usar una caja 12 de rellenado de polvo P de una
--. - 1 - anchura especifica. Esto se muestra en la Figura 9 donde el polvo P forma un perfil formado en la sección transversal, observado en la dirección
W axial, que es una forma triangular con cubierta 5 plana. Esta forma se dicta por medio del "ángulo de reposo" del polvo P. este es el ángulo natural formado cuando el polvo se vierte en una corriente estrecha para formar una pila en forma de cono. Usando este enfoque, la anchura de la caja 12
10 de alimentación para el polvo P se ajusta para formar el patrón inicial ideal. Después una caja de alimentación de anchura completa que contiene el polvo Q se pasa sobre la cavidad del troquel tal que el polvo Q caiga sobre la parte superior del polvo
15 P, rellenando los espacios dejados por los declives de polvo P. Después, los elementos herramentales (los 3 cuños 20 y 22) se mueven a su posición de pre-compactación . Es durante este movimiento que la forma del polvo P cambia a la forma ideal para la
20 subsecuente compactación. Desafortunadamente, los dos polvos coloreados no pueden ser compactados en las herramientas de plástico debido a que el plástico puede romperse
- - bajo la presión que se necesita. Por lo tanto, las lecciones aprendidas de esta etapa de desarrollo se toman y aplican a las herramientas de producción real las cuales se fabrican de aceros para 5 herramientas de alta resistencia (los cuños 20, 22) y de carburo de tungsteno (el troquel 11) . Usando las posiciones pre-es tablecidas del elemento herramental, las muestras se fabrican de los dos polvos P y Q como se describió al principio. 10 Después de compactar y sinterizar, la forma
•' final de los dos polvos compactados P y Q se examina al seccionar el material compacto y observar los límites como se muestra en la fotomicrografía de la Figura 16 (ampliación x 100 Nital Etch) . El
15 resultado es que una capa de aproximadamente 2 mm a 4 mm se forma alrededor de la sección del diámetro interno del orificio, que es el objetivo de la
^F*~ invención. Pruebas repetidas resultan en muestras compactas de MBCs las cuales se sinterizan (el
20 proceso térmico que une o aglutina metalúrgicamente las particulas de polvo juntas) y los MBCs resultantes se examinan para su integridad
- microestructural en la zona de enlace entre los polvos P y Q. Esto se encontró que es excelente. En una variación de la invención, el material P también se coloca en las superficies de la junta de las columnas de la MBC. Esto se ilustra en las Figuras 15 A-H, en donde los huecos R se rellenan con el pulvimetal P mas suave, para formar las salientes S trapeciales o ahusadas (Figura 15 H, también referidas como lengüeta hueca integral) . Las salientes S trapeciales o ahusadas se moldean sobre la superficie de cada base de la tapa como se describe en la Publicación de la Patente Internacional de propiedad común No. WO 97/42424, que es por lo tanto incorporada por referencia, para localizar en un contra-diámetro del orificio T (Figura 2) en la mampara o pieza obturadora de acoplamiento. Donde el cuerpo Y principal (Figura 15 H) del MBC necesita ser de una resistencia alta / dureza alta, una etapa de reprensado para calibrar el tamaño diametral y el ángulo de la lengüeta o espiga integral puede ser impráctica si la lengüeta es del mismo material que el del cuerpo. Esto es debido a que el acero P/M duro no se alargara
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plásticamente para formar la geometría ideal, pero ya sea que salte hacia atrás a su forma original, se rompa debido a la fragilidad, o rompa la herramienta de reprensado. Por lo tanto, una capa de material 5 P/M más suave que incluye las lengüetas o espigas integrales, formadas de acuerdo a la presente invención, permite el proceso de reprensado a ser realizado. Desde que esta región de la MBc esta en compresión en servicio debido a la carga del perno, f- 10 no existe perjuicio a la resistencia funcional del MBC. En un tercer ejemplo de la invención, el diseño del MBC incluye costados W extendidos (Figura 2) que son empernados por pernos X (Figura 3)
15 horizontalmente al bloque del cilindro para proporcionar rigidez y quietud. Este diseño es también llamado "empernado entrecruzado" y esta
^fß ganando popularidad. Desafortunadamente, el diseño demanda que el material de los costados sea
20 trabajado a máquina para aceptar un hueco bifurcado el cual recibe la rosca del perno. El acero P/M duro con una estructura de bainita o de martensita es extremadamente difícil de taladrar y rectificar o
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roscar La vida de la barrena y la vida de la rosca u horadación serian no económicas. Para superar este problema, la invención propone fabricar los costados W a partir de un material P de polvo trabajable a máquina más suave. La Figura 15 A muestra la posición establecida de la herramienta inicial lista para recibir el polvo P suave. El establecimiento de la herramienta incluye cuños 22 de diámetro interno de orificio, cuños 20' de soporte, barras 21 centrales dentro de los cuños 20' de soporte, y los cuños 23 de lengüeta, todo dentro del troquel 11' . La Figura 15 B muestra el dispositivo 12' de rellenado P de polvo, que es esencialmente una caja de fondo abierto invertida que contiene el polvo P sobre el conjunto de herramienta. La Figura 15 C muestra la condición después de que la caja llena de polvo es aislada, con lo que se aterraja la superficie (limpiando el exceso de polvo) . La figura 15 D muestra la segunda caja 14' llena de polvo que contiene polvo Q sobre la herramienta establecida. La Figura 15 E muestra la herramienta que se mueve a la posición de rellenado final, que atrae el polvo Q dentro de la
- - herramienta establecida. La Figura 15 F muestra la condición donde la segunda caja 14' llenada de polvo se ha aislado y aterrajado de la superficie. El cuño superior también se muestra en la Figura 15 G, 5 listo para avanzar y compactar los polvos. La Figura 15 G muestra la terminación de la compactación, con el cuño 29 superior que compacta el polvo en el troquel 11', y la Figura 15 H muestra el material compacto A' doble después de la expulsión de la
F 10 herramienta, con la mitad del diámetro del orificio H más suave, las salientes S más suaves y los costados W más suaves. En una cuarta aplicación de la invención, el material P trabajable a máquina se puede fabricar de
15 un material de cojinete pul vime tal ico . En este caso, puede ser posible distribuir con los cojinetes de
F casquillo pulvime tal icos tradicionales, y el uso del material de la capa del diámetro interno del orificio de la tapa del cojinete como la superficie
20 del cojinete para el cigüeñal. En este caso, la superficie de acoplamiento del bloque del cilindro puede ser la otra mitad del cojinete. Puesto que la mitad del bloque del cilindro del cojinete tiene
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mucho menos cargas para soportar (el ataque de combustión se dirige lejos de esta superficie), después el material del bloque principal sería
• adecuado para al menos los motores de carga ba a a 5 media. Existe un ahorro en el costo significante al eliminar estos cojinetes de media coraza. El compacto A' de tapa de cojinete principal es, por supuesto, sinterizado para aglutinar juntas las partículas de polvo. Cualquier proceso de
10 sinterización adecuado puede ser usado. El resultado
# es la tapa del cojinete A' principal acabada o cerca de ser acabada, con las distribuciones pulvimetálicas como se ilustra en la Figura 15 H. La tapa de cojinete A' es terminada en este punto a
15 menos que algún redimens ionamiento subsecuente, una operación de tratamiento por calor o de acabado de la superficie se necesiten para acabarla. ^Bp En cualquiera de estas construcciones, el material Q del cuerpo Y puede ser parcial o
20 totalmente endurecido durante o después de sinterizar una microestructura bainitica y/o martens It ica , pero el material más suave P se escoge
- - tal que no responde al proceso de endurecimiento, quedando suave y trabajable a máquina. Para los materiales particulares para fabricar
• una tapa del cojinete de la invención, el material 5 pulvimetálico P más suave y más trabajable a máquina puede ser un acero pulvimetálico con contenido de carbono de medio a bajo (por ejemplo carbono 0-0.7%) que contiene un auxiliar trabajable a máquina que incluye pero no esta restringido a uno o más de
F 10 cobre arriba de 3%, sulfuro de magnesio hasta 1%, nitruro de boro (no cúbico) hasta 0.2%, silicato de magnesio hasta 1%, y fluoruro de calcio hasta 1%. El material Q de cuerpo más duro puede ser un acero pulvime tá 1 ico con contenido de carbono del 0.45- 15 0.65%, fósforo de 0.45-0.65%, cobre del 2-4%, o un acero con contenido de carbono de 0.3-0.7%, cobre de 0.3%. Muchas modificaciones y variaciones de las modalidades preferidas descritas serán aparentes
20 para aquéllos con experiencia en la técnica. Por lo tanto, la invención no deberá ser limitada a las modalidades descritas, pero deberán estar definidas por las reivindicaciones las cuales siguen.
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Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que
0' resulta claro de la presente descripción de la invención .
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