通过粉末冶金形成的非均质发动机部件的制作方法

专利名称：通过粉末冶金形成的非均质发动机部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过粉末冶金形成的部件，尤其涉及用于通过粉末冶金形成部件的 一种方法和装置。
背景技术：
粉末冶金是一种用于生产应用于诸如发动机的高质量部件的常用制造方法。在 发动机部件的制造中经常使用粉末冶金，因为它经济、灵活、且可用比形成部件的 其它方法较少的机加工或二次处理来生产一最终零件。粉末冶金允许一部件由多种 合金、复合材料和其它材料形成，以给最终的部件提供所需的特征。粉末冶金适合 于制造广泛范围的尺寸和形状的零件。同样，粉末冶金还能可靠地生产具有一致的 尺寸和有利的物理性能的零件。
参见图l，显示了用于传统粉末冶金部件形成工艺30的一工艺流程图。首先， 提供构成部件的金属粉末32。通常，将润滑剂添加至金属粉末，以减少压制机械 的磨损。其次，混合基底粉末34，以形成一均质混合物。最终完工的零件是金属 粉末组分的一均质合金。
然后用混合的粉末填满一模子或模具36。模具闭合时具有与最终零件的形状有 点近似的一内部空穴。在模具内压实粉末38，以形成一所谓的"生件"。压实38 通常在室温和例如30 — 50吨每平方英寸的压力下完成。生件也被称为一 "生压制 件"，当它从模具中脱出时，具有用于下一步操作的所需尺寸和形状。在压实38 之后，生件具有足够的强度以用于进一步处理。
生件经受一烧结工艺40。在烧结40之后，取决于零件的预期用途，可在零件 上完成多种二次操作42，该工艺产生一最终零件44。
通常，烧结40涉及使生件经受一温度，例如是构成生件的金属或合金的金属 熔点的70 — 90%的温度。在一炉子内控制温度、时间和气氛的变量，以生产由于 金属颗粒的结合或合金而具有改进的强度的一烧结零件。烧结工艺40通常包括在 一烧结炉中实施的三个基本步骤熔化46、烧结48和冷却50。通常使用连续型烧结炉来完成这些步骤。熔化室用于使形成生件中所使用的润滑剂挥发46。高温室
实施实际烧结48。冷却室在处理之前冷却烧结零件50。
可认为冷却50之后从烧结炉40中出来的零件是完工的。可选择地，它们可经 受一个或多个二次操作42。 二次操作包括例如再压制(锻造)部件52、机加工54、 滚磨56和将部件与作为整个组件的部分的附加部件结合58。 二次操作42还可包 括将油或润滑剂渗入零件60，以传递自润滑性能。烧结部件还可经受热处理62， 以给部件提供诸如强度之类的某些特征和性能。本领域普通技术人员会意识到，可 实施其它二次操作。二次操作42可独立实施或与其它二次操作共同实施。 一旦实 施了所有的二次操作，就完成了部件或零件44。
美国专利第5303468号、第5195398号和第3748925号公开了用于一内燃机中 的曲轴。
图2显示了一传统内燃机的内部细节，以说明一曲轴72的使用。 一连杆64枢 转地连接至一活塞66和曲轴72。连杆64在一大或曲柄端76处连接至曲轴72。连 杆64的大端76接纳曲轴72的一轴部分("曲柄销")78。连杆64还在连杆64的 一小或活塞端70连接至一活塞66。曲轴72包括位于曲柄销78之间的一配重74。
参见图3和图4，显示了根据传统方法制造的一传统曲轴72。曲轴72包括在 一第一端80和一第二端82之间的一纵向延伸的本体83。当曲轴在发动机中转动 时，本体83限定了用于曲轴的一轴线或转轴84。在第一端80和第二端82都提供 一主轴颈86，用于支持发动机组中的轴72。本体83包括多个轴承轴颈88、曲柄 销轴颈90和配重74。
曲柄销轴颈90的大部分当与一连杆偶联时限定了一偏移平衡轴线92。平衡轴 线92是转动轴线，通过该轴线，由轴和连杆组件转动而产生的力被平衡。转动轴 线S4偏离平衡轴线92。偏离造成曲轴转动时的一力矩。该力矩是不合需要的，因 为它增加了轴承的负荷，并将曲轴轴颈和它们各自的轴承之间的油膜厚度减至最 小。这限制了主轴颈的承载能力。
一种传统的解决方法是，给轴72提供多个配重78，以使平衡轴线92向转动轴 线84移动。理想地，将配重78设置成与每个曲柄销轴颈90成180度相对。这样 的构造导致一不合需要的大曲轴72。发动机设计者始终努力使发动机尺寸最小化 并提高发动机效率。较大的曲轴需要较大的发动机尺寸。而且，较大的曲轴还增加 了发动机的转动惯量，从而降低效率。
美国专利第5195398号公开了一种处理平衡和曲轴尺寸问题的方法。该专利公
5开将一个或多个配重相对于曲柄销偏置，以形成一不对称的配重构造。该不对称的 配重构造在油膜厚度、曲轴质量和包装约束之间达成一平衡。然而，该不对称的设 计会遭受包装限制。该设计还具有在不平衡曲轴和连杆组件中所出现的相同的缺 点，尽管减少了一定程度。
因此，需要一种提供当供给足够的平衡时使成本最小化的曲轴的方法。

发明内容
本发明提供一种曲轴，它包括以一粉末冶金工艺整体地形成的一非均质结构， 且具有至少两种不同金属组分，以便在结构的离散位置提供不同特征。并提供一种 形成该曲轴的方法。


图1是根据现有技术的一粉末冶金制造工艺的一工艺流程图； 图2是根据现有技术的一车辆发动机的一局剖的立体图； 图3是根据现有技术的一曲轴的一侧视图； 图4是根据现有技术的一曲轴的一局部侧视图5是根据本发明的用于使用粉末冶金制造工艺制造一非均质部件的一工艺流 程图6是根据本发明的生件形成装置的一侧剖图； 图7是根据本发明的一生件形成装置的一前视图； 图8是根据本发明的一生件形成装置的一俯视图9是用于根据本发明的一生件形成装置的进给阀的一局剖俯视详图； 图10是根据本发明的处于打开位置的一粉末出口的一局剖侧视详图； 图11是根据本发明的处于闭合位置的一粉末出口的一局剖侧视详图； 图12是根据本发明由粉末冶金形成一非均质曲轴的一侧视图； 图13是图12的曲轴的一局剖图14是根据本发明的生件形成装置的一侧剖图；以及 图15是根据本发明的生件形成装置的一侧剖图。
具体实施例方式
图5显示了一种用于制造包括一曲轴280的一非均质粉末冶金制件的工艺。步骤106，将一种或多种金属粉末引入一模子。两种、三种或多种金属粉末可同时 (并行地)、在不同时间(串行地)或以其某种组合而引入。每种金属粉末可以是 一种组分混合物。金属粉末可在引入之前混合，除非需要一非均质生成物。在步骤
108，压制模子中的粉末，以形成一生件。该生件在步骤110烧结。可选择地，可 在步骤112实施一个或多个诸如锻造、机加工、热处理、精加工等的二次操作。本 领域普通技术人员会意识到，可实施粉末金属的附加层和/或工艺步骤，而不脱离 本发明的精神和范围。
在图6中显示了一生件形成装置120的一实施例。该生件形成装置120可通称 为一给料板装置120。给料板装置120通常包括可由一致动缸134致动的一粉末充 填容器122、 一上冲头140、 一下冲头142和一粉末料斗148。尤其， 一第一容器 122通过一个或多个连接件138刚性地连接至一第二容器126。第二容器126通过 一活塞136连接至一致动缸134。致动缸134可以是用于推动活塞136进或出的一 液压或气压缸，从而引导第一容器122和第二容器126可控制地移动。每个容器 122、 126包括限定一内部空穴于其中的侧壁125。侧壁125具有倾斜部分129，用 于将粉末引向一粉末出口阀146。容器122、 126中顶部开口的尺寸定为可接纳连 接至料斗148、 150的一滑槽152、 154。料斗148、 150分别接纳分别提供至第一 内部空穴124和第二内部空穴128的第一和第二种粉末金属。第一滑槽152和第二 滑槽154包括一柔性管，该柔性管构造成允许第一容器122和第二容器126的直线 移动。第一容器和第二容器122、 126都通过在桥接件132上滑动而作直线移动。 桥接件132和致动缸134中的每一个都安装在一模具台130上。
在图7中显示了给料板装置120的一侧视图。给模具台130提供一个或多个锁 定机构160。锁定机构160允许容器122、 126在一模具空穴144填充操作期间对 准。锁定机构160可以是一磁铁或其它诸如一凹一凸插座或其等同物的锁定装置。
桥接件132可滑动地设置于导轨166上。每个导轨166进一步设置于一轨道168 上。 一提升汽缸162设置于每个桥接件132上，并构造成通过一提升活塞154的延 伸而举起导轨166上的桥接件132。在第一容器122和模具空穴144之间的图2所 示的间隔允许致动缸162将容器122横向移动至空穴144。容器122、 126有利地 移动离开冲头140、 142，从而容器122、 126不干涉压制工艺。
参见图8，显示了给料板装置120的一俯视图。每个容器122、 126以局剖图示 而显示内部细节。为作参考，显示了一模具空穴直径172的一虚线轮廓。 一个或多 个粉末出口 170设置于每个容器122、 126的底面中。粉末出口 170包括阀148，用于控制粉末金属通入模具空穴144。出口 170的尺寸定为可控制在一填充操作期
间流动通过一特定出口 170的相对数量。第一容器122显示成具有一单独出口 170。 第二容器126显示成具有三个不同尺寸的出口 170。可使用多种多边形、偏心的形 状或变化的尺寸来代替圆形出口，这并不脱离本发明的范围。
有利地选择粉末出口 170的尺寸和位置，以适于给最终零件提供预定特征。曲 轴可有利地在轴的与曲柄销相对的预定位置包括配重材料。配重材料可以是诸如一 含钨的一重合金粉末形式，或者是引入模具空穴的金属块形式。
一种用于制造一曲轴的传统方法是，锻造轴然后将它机加工至最终公差，成为 一单件。可选择地，曲轴也可由如美国专利第5303468中公开的结合在一起的几个 组成零件形成。在此公开的装置和方法提供一粉末出口，该粉末出口有利地定位于 用于曲轴的所需配重材料的精确位置。
图8中显示的给料板装置附加地包括一液体注射装置174。该液体注射装置174 在一形成工艺期间将液体注射至第一内部空穴124。通至注射装置的一入口 176与 供给一溶液的一液体导管178相连接。该装置可包括一电磁阀，诸如一零单流管容 量(zero dead leg volume)电磁阀。可使用多种合适的阀，而不脱离本发明的范围。 本领域普通技术人员会意识到，本发明还可实施提供至第二容器的一第二液体注射 装置，或者可选择地， 一个液体注射装置与第一和第二容器都连通。
溶液可包括水溶液、润滑剂、表面活性剂或活化溶液，用于清洁冷焊的金属颗 粒。溶液还可包括趋向于与材料结合的溶液，诸如一硬化剂或溶剂。可采用注射润 滑剂来减少装置的模具空穴的磨损。
图9显示了一阀组件149，该阀组件149包括容器122、 126的粉末出口 170。 连同滑动孔184的一外壳表面182限定了用于粉末出口的一打开位置P1和一闭合 位置P2。当致动器134直线平移容器122、 126时，滑动孔184在位置Pl和P2之 间移动。打开状态允许金属粉末自由地排出容器并进入模具空穴。闭合位置阻止粉 末传输至空穴。可使用用于切断粉末从给料板流动至模具空穴的其它方法或装置， 而不脱离本发明的范围。
图10和11描绘了用于控制金属粉末流入模具空穴144的一装置和方法的另一 实施例。 一进料管186在容器122、 126的内部空穴124、 128和模具空穴144之间 连通。进料管186由诸如橡胶之类的一柔性材料构成。容器122、 126的底侧壁限 定了一槽188于其中，如图所示。 一折叠或弯折装置190设置于槽188内。进料管 186在打开位置，如图10所示，同时弯折装置190撤出或未压在管子186上。图11显示了在一闭合位置上的管子186，其中，弯折装置190压在管子侧壁上， 直到两侧壁接触为止，从而阻止粉末流动。通过气动控制将弯折机190推向进料管 186。高压引入槽188，它将弯折机190推向管子186。高压去除状态引起管子1S6 的自然弹回以再打开，从而允许粉末流动。可使用诸如一联动装置的机械装置来替 代气动驱动装置，而不脱离本发明的范围。
在图5 — 7和相关文字中描述了一种用于用粉末冶金制造一非均质物体的方法 和装置。下面的描述尤其涉及制造一种用于一内燃机的曲轴，其中，轴具有形成为 一单一成形过程部件的整体平衡材料。将诸如钨或其它高密度材料的一第一金属粉 末放置于第一料斗148中，将诸如钢或稍低密度材料的一第二金属粉末放置于一第 二料斗150中。通过根据需要伸进或縮回致动缸134的活塞136，第一容器122也 定中心于模具空穴144上方。可选择地，第一粉末也可以是传输至模具空穴的重金 属(密度)块。本领域普通技术人员会意识到，可使用多种材料，而不脱离本发明 的范围。
将第一金属粉末引入第一内部空穴124。第一粉末通过粉末出口 170以一预定
数量的粉末填充模子或模具空穴144，以形成轴的受力段。通过在粉末出口 170的
阀149停止第一粉末的流动。伸进活塞136，直到第二容器126定中心于模具空穴
144上方为止。应该注意，粉末出口 170有利地并不定中心于模具空穴上方，以允
许第二粉末在轴材料形成之处的所需离散位置处沉积。将一预定数量的第二粉末充 填入模具空穴144。
活塞136縮回，直到第一容器122离开上冲头140和下冲头142为止。有利地， 一旦建立间隙，就压制模具空穴144中的粉末以形成一生件。生件置于一烧结炉中 并被冷却。将冷却的烧结曲轴280机加工至最终公差。机加工操作可通过去除一些 配重材料以改进给予轴的平衡，直到达到所需特征。可实施其它二次操作，而不脱 离本发明的精神。 一完工的曲轴280可由任何其它二次操作制成。
在图12和13中显示了一曲轴280。曲轴280包括具有第一端282和第二端284 的一曲轴本体281。多个间隔件398和轴颈286、 288、 2卯位于第一和第二端282、 284之间。第一端282和第二端284都包括一主轴承轴颈286。间隔件298分开了 多个轴承轴颈288和曲柄销轴颈290。发动机中活塞的数量表明了轴颈288、 290 和间隔件298的数量。每个轴颈286、 288、 290当与各自表面间的一油膜一起转动 时，与各自的轴承表面形成一流体动力轴承。间隔件298的宽度将基于诸如机组镗 孔的其它发动机部件的间隙而变化。末端282、 284、曲柄销290和轴承轴颈286、 288由诸如钢的第二材料构成。 间隔件298也部分地由第一材料构成。间隔件298还包括由第一材料构成的一配重 材料部分292。第一材料有利地比第二材料较重(密度较大)，以便在轴中提供一 配重。第一材料可以是钨。本领域普通技术人员会意识到，可使用不同密度的不同 材料，而不脱离本发明的范围。
配重材料部分292有利地设置成与各自的曲柄销轴颈290相对，以便偏移可能 会产生的力矩。这样的偏移材料部分292允许转动轴线294成为与平衡轴线296 相同的轴线。配重部分292可通过机加工至一所需的平衡特征来微调。本领域普通 技术人员会意识到，配重材料可提供至轴的其它部分，诸如轴颈、个别的间隔件或 替换间隔件，而不脱离本发明的范围。
图14描绘了用于根据图6的方法形成一生件的另一装置。根据本实施例的给 料板装置包括一单独的容器222。该容器222包括诸侧壁223和一中心隔板224。 诸侧壁223和中心隔板224限定了一第一部分或室226和一第二部分或室228。第 一部分226从一第一料斗230接纳一第一金属粉末，而第二部分228从一第二料斗 232接纳一第二金属粉末。 一第一粉末出口 234提供至第一室226，而一第二粉末 出口提供至第二室228。
在运作中，可将第一和第二粉末200、 202同时提供至模具空穴。设置各自的 粉末出口 234、 236并将之尺寸定为可有利于充填空穴238，且第一和第二粉末处 在压制前它们所需的位置。可选择地，活塞240可沿一直线方向移动容器222，以 在充填一各自的金属粉末200、 202之前，将一各自的第一出口 234或第二出口 236 设置在模具空穴238的一部分上方。作为另一种选择，可选择地打开和闭合粉末出 口 234、 236，以产生零件中的密度梯度，或者进一步在第二材料202内放置一第 一材料200。可选择地，可采用以上选择的一组合，以作为相同的成形操作的部分。
图15描绘了形成(给料板)装置250的生件的另一实施例。此实施例再次包 括一单独的容器252。该容器包括第一隔板256和第二隔板254，用于限定一第一 室或部分258、 一第二室260和一第三室262。每个室258、 260和262接纳一各自 的第一粉末出口 264、第二粉末出口 266或第三粉末出口 268，并与一各自的第一 料斗270、第二料斗272或第三料斗274连通。本领域普通技术人员会意识到，本 发明可实施有多于三个室，而不脱离本发明的范围。而且， 一单独的料斗可与两个 或多个室连通。
使用三个室258、 260和262允许将一两种不同粉末中的一第一粉末在两个位
10置同时引入模具空穴276。可选择地，三个室258、 260和262允许将三种不同密 度的粉末引入模具空穴276，作为一单独的成形操作的部分。图15的实施例以与 上述两室实施例基本相同的方式运作。
实施以上过程，以提供在零件中的离散位置具有不同特征的一部件。例如，通 过成形操作，可给一内燃机用曲轴提供有离散的平衡配重。该方法提供一种可平衡 的曲轴，且具有较低的质量和机加工成本。这种制造一曲轴的方法就能将曲轴尺寸 最小化。其它优点包括将制造步骤、成本、时间、劳动力和复杂性最小化，并将转 动轴线和平衡轴线之间的偏移最小化。
尽管参照以上的实施例描述了本发明，本领域普通技术人员会意识到，可在形 式上和细节上作出改变，而不脱离本发明的精神和范围。认为所述实施例在所有方 面仅仅是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围应通过所附的权利要求 书而不是前面的描述来表明。
权利要求
1. 一种装置，它包括一非均质曲轴，以一粉末冶金工艺整体地形成，其中，所述曲轴具有一曲轴本体，且所述曲轴本体具有一第一端和一第二端以及设置于所述第一端和第二端之间的多个间隔件和轴颈，并且，所述曲轴本体由具有一已知密度的一第一材料形成，并且其中，所述曲轴具有至少一个配重，该配重具有与所述第一材料不同密度的一第二材料，且与所述第一材料整体地形成。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二材料的密度比所述第一材 料大。
3. —种包括由一粉末冶金工艺整体地形成的一非均质结构的曲轴，且具有至少 两种不同的金属组分，以便在所述结构的离散位置提供不同的特征。
4. 如权利要求3所述的曲轴，其特征在于，所述至少两种不同的金属组分中的一第一种至少部分地形成至少一个配重。
5. 如权利要求4所述的曲轴，其特征在于，所述至少两种不同的金属组分中的 所述第一种是一密度相对较大的材料。
6. 如权利要求4所述的曲轴，其特征在于，所述至少两种不同的金属组分中的 一第二种形成具有一曲轴本体的曲轴结构，所述曲轴本体具有曲轴的第一和第二端 以及设置于所述第一和第二端之间的多个间隔件和轴颈，所述至少两种不同的金属 组分中的所述第二种是一密度相对较小的材料。
7. —种形成一曲轴的方法，它包括在至少两种不同的金属组分上实施一粉末冶 金工艺，以构成一非均质曲轴结构。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤通过可选择地相 对沉积所述至少两种不同的金属组分，在所述的结构的离散位置提供不同特征。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤由所述至少两种 不同的金属组分中的一第一种形成至少一个配重。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤由一相对密度的材料形成所述至少两种不同的金属组分中的所述第一种。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤形成具有一曲轴本体的曲轴支持结构，其中，所述曲轴本体具有一第一端和一第二端以及设置于所述第一端和第二端之间的多个间隔件和轴颈，并且，所述曲轴本体由所述至少两 种不同的金属组分中的至少一第二种形成。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤用一第一金属粉末充填一模子的一第一部分；用一第二金属充填所述模子的一第二部分；将压力施加至所述模子中的所述金属粉末；以及在所述模子中烧结所述金属粉末。
全文摘要
一种曲轴(280)具有由一粉末冶金工艺整体地形成的一非均质结构，且具有至少两种不同的金属(32)组分，以便在该结构的离散位置提供不同的特征。
文档编号B22F7/06GK101426644SQ200580017046
公开日2009年5月6日 申请日期2005年5月23日 优先权日2004年5月27日
发明者D·范德摩勒, J·卡格纳伊 申请人:万国引擎知识产权有限责任公司