具有镶铸插入件的连杆的制作方法

专利名称：具有镶铸插入件的连杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如用于往复式活塞发动机中的连杆，特别涉及铸造连杆。
技术背景用于往复式活塞和内燃式发动机中的连杆在发动机运行时具有施加在连杆上 的较大应力，因此必须具有很好的强度，且最好重量轻。就连杆而言，必须对其端 部进行机加工以形成轴承孔， 一端用于曲柄销，另一端用于活塞销，并且通常连杆 的曲柄端还必须进行钻孔和攻丝，以将连杆的曲柄轴承盖紧固到连杆的剩余部分。以具有所需强度和重量的组合的传统材料制成连杆会给连杆的加工造成困 难，特别是会导致加工过程中使用的工具和刀具的磨损和断裂增加。因此，现有技 术中连杆的通常解决方法是使其具有可加工的强度和重量。用于较小的发动机时，连杆的材料可以是铸造铝合金。这种材料是可加工的， 但是其强度是勉强够格的，且与曲柄或活塞销相比具有明显不同的热膨胀系数。因此，需要这样一种连杆结构，其可以进行机加工、强度大、重量轻且与曲 柄和活塞销材料具有热兼容性，并且制造成本低。发明内容本发明提供一种具有粉末金属插入件的铸造金属连杆。插入件使连杆增强， 并且能有助于发动机的周围部件或配合部件的匹配特性，上述部件由与连杆的铸造金属相比更类似于插入件材料的材料制成。连杆的铸造金属材料，例如铝合金，也可以在需要之处提供高加工性能的局 部区域。如此处所用一样，机械加工性能是指加工金属的相对容易程度，在特定的 标准情况下提供工程材料的机械加工性能的相对测量的各种机械加工性能指数都 是公知的。在铸造操作过程中置入模具内的插入件优选地被铝合金材料包封，并且 至少部分地渗透。在抛光的连杆中与铝合金一起被机械加工的插入件增加了连杆的 强度，并且有助于连杆组合材料与曲柄和活塞销的材料特性相匹配，所述材料特性 最显著地是指曲柄和活塞销的热膨胀特性。本发明的组合物连杆具有将铸铝连杆的应用增加到更大或更高性能的发动机 中的潜在可能性，该连杆具有较高强度的、渗透铸铝的烧结粉末金属插入件。以前， 这种发动机的连杆主要是由相对而言既重又难以加工的含铁材料制成。一方面，本发明提供一种在两个端部之间具有梁部的铸造金属连杆。该梁部 和端部彼此一体地形成，且至少部分地由铸造金属材料制成。至少连杆的梁部包括 一个由烧结粉末金属材料制成的插入件。该插入件至少部分地被连杆的铸造金属材 料封住。连杆的铸造金属材料可以是比插入件的烧结粉末金属材料具有更好的机械加 工性能的材料。例如，铸造金属材料可以是铝合金，且插入件的烧结粉末金属材料 可主要包括铁粉末。铸造金属材料可至少部分地渗透进插入件的孔中。插入件可具 有穿孔的梁部分，且可具有伸入连杆的端部之一中的指状物。而且，插入件可至少 部分地围绕着连杆中的端部之一中的孔。连杆中的端部之一的尺寸可定为紧固于发 动机的活塞，插入件可在该端部处具有加宽部分，该加宽部分的尺寸定为紧固于活 塞。连杆中的端部之一的尺寸可定为紧固于发动机的曲柄，插入件可在该端部处具 有加宽部分，该加宽部分的尺寸定为紧固于曲柄。另一方面，本发明提供一种形成铸造连杆的方法，其中该连杆在两个端部之 间具有梁部，该梁部和两个端部彼此一体地形成。在该方法中，烧结粉末金属插入 件被置入模具中，且金属材料被注入该模具中，使得该铸造连杆的至少梁部包括部 分地被铸造金属材料封住的插入件。金属材料可以是比烧结粉末金属插入件具有更 好的机械加工性能的材料。例如，该金属材料可以是铝合金，且烧结粉末金属插入 件主要包括铁。在该方法中，烧结粉末金属插入件可形成为包括孔，并且在铸造过 程中，铸造金属材料至少部分地渗透进插入件的孔中。在该方法中，插入件可形成为具有指状物，并且插入件被置于模具中，使得该指状物伸入铸造连杆的端部之一 内。在该方法中，插入件可被置于模具中，使得该插入件至少部分地环绕铸造连杆 中的端部之一中的孔。本发明的其它目标和优点将从详细描述和附图中体现出来。


图1是本发明的连杆的实体模型透视图，铸铝以浅灰色示出(除了填充有插 入件的铸铝以外)，插入件以深灰色示出；图2是类似于图1的、从另一个角度示出的连杆透视图； 图3是图l所示连杆的侧视图；图4是类似于图1的但是第二实施例的连杆透视图； 图5是图l一3的插入件单独的透视图；图6是类似于图5的、从另一个角度示出的插入件透视图； 图7是图5的插入件侧面的侧视平面图； 图8是图5的插入件正视平面图；和 图9是图5的插入件的端视平面图；在下面的附图描述中，相同的附图标记用于表示相同的部件。
具体实施方式
首先参见图1一3，本发明的连杆10具有中心梁部12，该中心梁部12在其一 端处具有一个一体地连接的活塞端14，在其另一端处具有一个一体地连接的曲柄 端16。活塞端14具有一个较小的、用以通过其接纳活塞销(以及如果应用了轴承 便还接纳轴承)的孔18，曲柄端16具有一个较大的、至少部分限定成用以接纳曲 柄的轴颈和轴承的孔20。用螺栓固定在曲柄端16上的轴承盖(未图示)限定出孔 20的另一半。如果孔20全部形成在端部16中，该端部16就会在孔20的两侧设 置有相对的凹口，这会使得应力集中，进而使得端部16的曲柄盖部可以从端部16 的剩余部分或基部上断裂分离，这会在该盖部和连杆的剩余部分之间产生一个界 面，该界面可使盖部以高位置精度重新装配到所述剩余部分上。可以是带有螺纹的 孔27在孔20的相对两侧形成在端部16中，使得带有或不带有螺母的螺栓可用于 将轴承盖紧固到端部16上。在图1一4中，浅灰色部分的材料可以是铸造材料，比如铝合金，深灰色部分是由烧结的粉末金属材料制成的插入件34，其材料是例如主要包括铁的粉末金属 材料。该插入件不需要受到任何机加工，因此可以由相对较强和较硬的材料制成， 例如MPIF (金属粉末工业联合会)P/F4660改性材料。MPIF P/F 4660改性材料的 组分是铁、镍1. 75 — 2. 00 wt. %、钼0. 50 — 0. 60 wt. %、锰0, 10 — 0. 25 wt. %和碳 (大约0,60 wtJ的石墨)。因此，MPIF P/F 4660改性材料通常具有至少95%的 铁。抛光部件中的MPIFP/F 4660改性材料的硬度约为HRC45，且抛光部件中的MPIF P/F 4660改性材料抗拉强度约为1650MPa。抛光部件中的MPIF P/F 4660改性材料 的密度约为7.80 g/cc。如果插入件34需要受到机加工，例如如果需要在其中钻 孔或加工螺纹，且其可以由MPIF P/F11C60制成，该材料是目前使用的可以制成 烧结粉末金属连杆的连杆粉末金属材料。MPIF P/F 11C60包括铁、铜1. 8 — 2. 2 wt. %、 硫化锰0.3 — 0.5 wt.%、锰0. 10 — 0.25 wt.。/d和碳(约0.60 wt. %的石墨)，抛光 部件中的硬度约为服C25，抗拉强度约为900MPa，密度约为7. 80g/cc。因此，MPIF P/F 11C60通常具有至少95%的铁。最常见的连杆失效主要都发生在梁部，因此梁部需要增大强度。两个端部14 和16需要是较软的材料，以便加工孔18和20，以及在曲柄端部钻出和/或攻丝成 螺栓孔27。其它材料也可以用于插入件。US专利No. 5， 501， 529披露了一种轴承支撑插入 件，其中烧结粉末被铸入铝合金发动机组中，且在铸造工艺中以铸铝进行渗透。被 引用的该专利和所有其它专利和文献在此引入作为参考。插入件34可以在如下的粉末金属烧结工艺中制成。在制作插入件34的工艺 中，可以将制成插入件34的粉末金属的颗粒尺寸分布范围限制到一个相对窄的范 围内，以增加或最大化抛光后的插入件34的渗透性。可以通过滤网筛选合适尺寸 范围的方式来实现上述目的。对于粗晶材料，-30目至+100目(ASTM标准目尺寸) 的尺寸范围是优选的。对于中间尺寸范围，可以采用-100目至+325目的尺寸范围， 对于细粒材料，可以采用-325目的尺寸。筛选出的材料可与1-6%重量比的非金属材料粉末进行混合，例如有机硬脂酸 盐粉末，该非金属材料粉末是细孔形成单元并在烧结工艺中排出润滑剂。然后以相 对低的压力，例如每平方英寸5-15吨的压力将该混合材料压制成所需要的插入件 形状(其可以是任何形状)。另一种选择包含以较高的压力压制的较高百分比的非金属粉末。然后将该压制插入件从模具中取出。在工艺的这个阶段，插入件通常被称作"未加工的(green)"。然后将该未加工的插入件在保护气氛中加热烧结，如本领域内所公知的那样。 名义上，这可以在2050°F下加热15分钟。然后可使经烧结后的插入件冷却到室温。 抛光后的插入件34可以具有互连通孔，该孔隙在插入件上随机且均匀分布为15-60 %，该结果是根据ASTM (美国试验材料协会)标准No.B328测得。然而，插入件 34的烧结材料的整体密度通常为7. 8克每立方厘米，本发明的插入件34的密度可 以选择为大约5克每立方厘米。但是任何足以使熔融的铝合金在铸造工艺中透入插 入件34中的互连通孔的百分比都落入本发明的范围内。此外，本发明还可引入到 任何合适的铸造工艺中，包括沙模、失型铸造(lostfoam)、压铸或其它工艺，且 可用于重力送料或低压铸造工艺，或者任何其它足以使材料透入插入件34的空隙 中的铸造工艺。在铸造工艺中，以与将其它那些公知类型的插入件置于铸造模型中相同的方 式将插入件34置于连杆10的模型中，并且将熔融材料注入模型。由于插入件34 可被熔融材料渗透，所以该熔融材料流入插入件34中，以填充插入件34的许多(如 果不是大多数或所有的话)互连空隙。当熔融材料冷却时，由于插入件34由插入 件34的材料和铝合金材料的金属基混合料(MMC)制成，所以其基本上会更加坚固。制成为可允许熔融材料渗透的插入件34借助于将熔融材料填充进插入件34 的空隙而加强了插入件34，并且在插入件34和在铸造时保持插入件34的杆10之 间形成了机械连接。此外，插入件34给杆10提供了所需要的机械性能和热膨胀性 能。图5 — 9单独地示出了插入件34，没有铸铝环绕和渗透进该插入件。该插入件 也具有梁部36、活塞端38和曲柄端40。梁部具有形成于其中的孔42，该孔减少 材料和重量，同时又不会明显不利地影响到强度。与活塞端部38相比，梁部36 相对较薄，按照连杆10的样子安装到连杆10的外壳内并被铝合金材料完全密封， 虽然对于实施本发明来讲完全密封并不是绝对需要的。端部38的端面44是凹入的 并且向内与孔18间隔开，因此在端面44和孔18之间有一定厚度的铝合金材料。 端部38增强了孔18，并且端部38和梁36之间的肩部有利于将插入件相对于铝合 金材料沿纵向锁定。同样，在另一端40,在端部40的具有增加宽度的位置处形成了一个肩部。端部40形成有两个槽52和54。槽52、 54通向端部40的相反侧，并且在端部40的 中间交叉，在槽交叉的位置没有材料，进而形成了延伸通过端部40的孔56，以及 可使孔27延伸通过端部40的间隙，在孔27和槽52、 54之间具有一定厚度的铝合 金材料。如何在粉末金属压块中形成这种孔的公开内容可以从PCT国际专利申请公 开文献W02004/112996A1中获得。在W02004/112996A1的方法中，可以在加压周期 过程中形成水平孔或槽。特别地，提供的粉末压制工具模具组包括阴模、和可以被称作冲头的上下加 工构件。当安装在粉末金属压实机中时，阴模和上下加工构件通过机械、液压或其 它手段被移动。在起始位置，阴模与下加工构件对齐，所有下加工构件彼此都具有 共同的上表面水平。第二步，下加工构件相对于彼此移动以形成一空腔，该空腔形 成部件的下和外表面。这可以通过使冲头下移和/或使阴模上移的方式来实现。部 件的上和内表面由冲头的下端形成。在第三步中，由此形成的空腔填充有粉末金属。 在第四步中，上加工构件移入阴模腔中，开始从顶部压制粉末，同时，下加工构件 相对于阴模移动，从底部压制粉末，或者从不同角度来说，冲头彼此相对移动，在 空腔内借助于阴模在冲头之间压制粉末。在第五步中，冲头继续彼此朝向移动，直 到上加工构件经过下加工构件为止。在第六步中，上加工构件相对于下加工构件向 上移动并离开下加工构件。依然参见图5 — 9，端部40包括手指状曲形延伸部60，该延伸部部分围绕孔 20，以加强连杆的曲柄端16，并有利于使孔20的热膨胀系数与曲柄的热膨胀系数 相等，正如插入件34由多孔材料制成一样。延伸部60在朝着孔20的方向上是凹 入的，以符合曲柄端16的形状，且足够小，使得连杆10的铸铝材料能完全将其封 住。尤其在连杆10的加工区域，例如孔18， 20和27，应当有足够厚度的铸造材料， 使得进行加工的切割工具不会接触到插入件34，除非插入件34由可加工粉末金属 材料制成，且其也将被加工。如上所述，将一轴承盖栓接到端部16上，以形成孔20。轴承盖也可由铸铝材 料制成，且象前述插入件一样， 一烧结粉末金属插入件铸造在其中。这可增强轴承 盖，并且有利于与曲柄的热膨胀系数匹配。图4示出了连杆70的另一种实施例，除了插入件72以外，其它都与连杆IO 相同。除了插入件72不具有端部40以外，插入件72与插入件34相同。如果在给定的应用中，已知连杆的应力主要集中在梁部，那么就不需要加强端部40,因此可以使用插入件72。已经很详细地描述了本发明的连杆和插入件。对于本领域的普通技术人员来 讲，对所述优选实施例作出的多种修改和变化都是显而易见的。例如，不同的粉末 金属材料可用于插入件的梁部或者端部，端部本身可以是不同的材料。而且可以有 任意数目的不同部分，例如，或许中间梁部本身具有由不同材料制成的部分。此外， 该部件可以是烧结粉末金属(P/M)材料或者粉末锻造(P/F)材料，且如此处所使用的 一样，无论是否经过锻造(例如如果其仅仅是被烧结)，术语"粉末金属"或"烧 结粉末金属"都包括粉末金属材料。而且，梁部可由或不由空气淬粉末金属材料制 成，端部可以是或不是非空气淬粉末金属材料。因此，本发明不应当被限制在所描 述的优选实施例中，而是应当由下面的权利要求来进行限定。工业实用性本发明提供了一种用于往复式活塞发动机的连杆。
权利要求
1.一种连杆，包括位于两个端部之间的梁部，该梁部和两个端部彼此一体地形成，且该梁部和两个端部至少部分地由铸造金属材料制成，其中，至少梁部包括一个由烧结粉末金属材料制成的插入件，该插入件至少部分地被铸造金属材料封住。
2. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，铸造金属材料是比插入件的烧结 粉末金属材料具有更好的机械加工性能的材料。
3. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，铸造金属材料是铝合金。
4. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，插入件具有孔，且铸造金属材料 至少部分地渗透进插入件的孔中。
5. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，插入件的烧结粉末金属材料主要包括铁粉末。
6. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，插入件具有穿孔梁部分。
7. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，插入件具有伸入连杆的端部之一 中的指状物。
8. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，插入件至少部分地围绕着连杆中 的端部之一中的孔。
9. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，连杆中的端部之一的尺寸定为紧 固于一个活塞，插入件在该端部处具有加宽部分，该加宽部的尺寸定为紧固于该活 塞。
10. 如权利要求1所述的连杆，其特征在于，连杆中的端部之一的尺寸定为紧 固于一个曲柄，插入件在该端部处具有加宽部分，该加宽部的尺寸定为紧固于该曲 柄。
11. 如权利要求l所述的连杆，其特征在于， 一个端部包括一轴承盖，该轴承 盖包括至少部分地被铸造金属材料封住的烧结粉末金属插入件。
12. —种形成铸造连杆的方法，该连杆在两个端部之间具有梁部，该梁部和两 个端部彼此一体地形成，该方法包括将烧结粉末金属插入件置入模具中；和将熔融金属材料注入该模具中，使得该铸造连杆的至少梁部包括部分地被铸 造金属材料封住的该插入件。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，铸造金属材料是比插入件的烧结粉末金属材料具有更好的机械加工性能的材料。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于， 该金属材料是铝合金。
15. 如权利要求所述的12方法，其特征在于 烧结粉末金属插入件主要包括铁。
16. 如权利要求12所述的方法，其特征在于烧结粉末金属插入件形成为包括孔，并且 熔融金属材料至少部分地渗透进插入件的孔中。
17. 如权利要求12所述的方法，其特征在于插入件形成为具有指状物，并且插入件被置于模具中，使得该指状物伸入铸造连杆的端部之一内。
18. 如权利要求12所述的方法，其特征在于插入件被置于模具中，使得该插入件至少部分地环绕铸造连杆中的端部之一 中的孔。
全文摘要
一种用于往复式活塞发动机中的铸造金属连杆，在两个端部之间具有一个梁部。该梁部和端部彼此一体地形成，并且至少部分地由铸造金属材料制成。至少连杆的梁部包括由烧结粉末金属材料制成的插入件。插入件至少部分地被连杆的铸造金属材料封住。插入件使连杆增强，并且可有助于发动机的周围部件或配合部件的匹配特性，上述部件由与连杆的铸造金属相比更类似于插入件材料的材料制成。连杆的铸造金属材料，例如铝合金，也可以在需要之处提供高加工性能的局部区域。
文档编号F16J7/00GK101248304SQ200680026100
公开日2008年8月20日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年7月21日
发明者C·J·朗格拉夫, D·D·库珀, J·H·曼德尔 申请人:Gkn烧结金属股份有限公司