制造金属基构件的方法

专利名称：制造金属基构件的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造金属基构件的方法，更特殊地涉及一种使用 金属废料制造金属基构件的方法，其中将金属废料压缩并通过粘结剂 结合在一起。
背景技术：
汽车带轮传统上是由用旋压金属薄板制造的，其中使用工业中公 知的很多不同工艺。但是，对于曲轴减震器，在很多情况下曲线减震 器带轮的质量必须大于常规金属薄板带轮。所需要的较大质量用于满 足衰减曲轴振动所需的惯性量。传统上，使用铸铁带轮而不是旋压金属薄板带轮获得较大质量。 铸铁的问题在于，由于其制造工艺，即在砂中铸造，因此必须机加工 才能得到所需的最终形状。机加工是昂贵的操作。另外，多筋带轮的 加工槽由于存在加工痕迹(即，沟槽)而比旋压件的表面粗糙度高。 此外，机加工暴露了铸铁中固有的孔洞。露出的孔洞的尖锐边缘对在 带轮槽中运行的带是有害的。加工带轮槽还切穿晶粒，形成比旋压成型或流旋成型更弱的结构， 旋压成型或流旋成型使晶粒结构流动，也减小晶粒尺寸和减少晶体位 错，形成非常强的制品。这也称为加工硬化。此外，流旋金属薄板制品从经济上和实践上仅适用于一定的厚度。此限制最高到5mm金属薄板厚度。利用材料回收中的废料回到其原始状态也是公知的方法，但不能 制造耐久的、功能性的和最终形状的产品。此技术的代表是授权给Fosnacht ( 1986)的美国专利4585475， 其中披露了回收含油轧制铁鳞的方法。所需要的是一种使用金属废料制备金属基构件和产品的方法，其
中金属废料被压缩并通过粘结剂结合在一起。本发明满足这一需要。 发明内容本发明的主要方面是提供一种使用金属废料制备金属基构件和产 品的方法，其中金属废料被压缩并通过粘结剂结合在一起。通过本发明的以下描述和附图，将指出本发明的其它方面或者使 其变清楚。本发明包括一种制备金属基构件和产品的方法，包括制备废料金 属薄板材料，将废料金属薄板材料切碎成预定尺寸范围，将切碎的废 料金属薄板材料填入压缩模具，将粘结剂加入压缩模具中的切碎废料 金属薄板材料中，压缩切碎的废料薄板材料并使粘结剂固化制成金属 基构件。


附图结合于说明书中并形成说明书的一部分，附图表示本发明的 优选实施例，并且与描述一起，用于解释本发明的原理。图l是副曲轴减震器的正视图；图2是图1中的曲轴减震器的剖视图；图3是压缩模具的立体图；图4是冲出带轮坯的金属薄板带的平面图；图5是曲轴减震器的剖视图；图6是曲线减震器的剖视图。
具体实施方式
本发明包括金属基构件，例如惯性环，可以应用于诸如减震器带 轮等产品中。利用金属基构件的减震器带轮具有所有所需的物理性能，包括现有技术的减震器带轮具有的足够惯性和强度，但制造成本低。本发明利用金属加工过程副产物的金属废料，例如，作为金属薄 板带轮加工过程的副产物。本发明的工艺可以用于制造应用于主或副曲轴减震器的构件。主减震器包括带轮，它具有通过减震件装在带轮上的惯性环。带 轮和毂是刚性结构。
副减震器包括带轮和惯性环，惯性环仅仅通过弹性减震件结合在 毂上。主和副减震器装在发动机曲轴上，用于衰减曲轴震动。图l是副曲轴减震器的正视图。曲轴减震器100包括毂10,它通 过弹性减震件30与组合带轮/惯性环20配合。减震件30置于毂和带 轮/惯性环之间。弹性减震件30用于衰减内燃机曲轴震动。减震器通过毂部分11 由诸如螺钉或螺栓等本领域公知的紧固件连接到发动机曲轴。在此曲轴减震器制造过程中，带轮/惯性环20开始包括圆的金属 薄板坯，其是从薄板巻上切割或冲压下来并随后旋压形成所需的带轮， 见图4。将圆的金属薄板坯旋压成各种形状和形式的方法是本领域中 公知的。在切割或冲压过程中，约占25%的金属薄板废料被丢弃，并最终 以较低价格出售到工厂重新熔化。为了减少或消除这些明显的废料， 本发明工艺将完全利用这些适合的但先前未使用的废料。图2是本发明曲轴减震器的剖视图。本发明工艺使用冲压薄钢板 制造具有适合惯性的减震器带轮。在用于制造带轮的薄钢板冲压过程 中，即，由钢带巻切割圓坯过程中，所产生的废钢被重新用于制造惯 性环构件22a。金属薄板部分20b的接收部分220接收构件22a。构件 22a的惯性基本等价于由铸铁或钢制成的构件的惯性。本发明工艺包括以下步骤a)从薄金属带巻上冲压或切割金属薄板坯。使用公知的方法将金 属薄板坯旋压或流旋形成带轮/惯性环金属薄板部分20b。本发明工艺 可以应用于制造任何旋转构件，以及带轮或毂，因此，并不限于上面 所述的。接收部分220在带轮/惯性环部分20b中形成，用于接收金属 基构件22a。部分21包括多筋外形轮廓210，用于配合多筋带。钢废 料是由于沖压或切割过程产生的。图4是冲掉带轮坯401后的薄金属 带400的平面图。金属废料402，"下脚料"，是在所有冲压过程中产 生的，其中圆的、弧形的或其它非矩形零件(例如，带轮、减震器、 齿轮、盖等等)被从薄金属带或板上冲掉。下脚料通常占原始薄金属
带材的20%到25%,但这个数量根据冲压或切割的零件的形状而变。 下脚料通常返回到钢厂熔化再利用。b) 将步骤"a"的金属废料402利用公知的工艺切碎形成颗粒， 颗粒具有预定尺寸，例如，约在2mm到4mm的范围内，但此范围可 以改变，包括约+0mm直到约6mm颗粒。上面给出的尺寸仅是作为 例子，因为切碎的材料不必具有均匀的尺寸，其尺寸和体积是可以变 化的，只要切碎的金属颗粒对于预计构件不是太长或太宽。因此，适 当的颗粒尺寸最终由将要使用本发明工艺制造的零件的尺寸和形状确 定。 一旦形成切碎的金属废料，它就可以应用在很多不同实施例中。在一个可选择的实施例中，金属材料可以从任何来源获得，只要 金属材料具有所需的尺寸。这包括专门为此用途生产的金属材料。但 是，本发明的最大优势是通过使用来自相关制造废料的金属材料实现 的。c) 一旦形成后，将切碎的金属废料称重并填充到压缩模具中，例 如，使用振动装料器将切碎的金属废料颗粒均匀地分布在整个模具中。 振动装料还使重量均匀分布，有助于得到恰当均衡的构件，从而减小 或消除进一步平衡构件的需求。d) 将液体、凝胶或粉末状的粘结剂混合或加入到压缩模具中的 切碎金属废料。图3是压缩模具的立体图。模具500包括第一部分501。 部分502包括插在部分501中的环部分503，更具体地是插在空腔504 中。部分501还包括内部分505和506。部分501、 505和506的结构 形成空腔504。部分501、 505和506通过销507和508插在一起，如 图所示。本发明的空腔504是环状的，完全匹配环部分503。环部分 503沿+M和-M方向在部分501和部分505之间滑动配合，以便允许 部分502的-M轴向运动，从而压缩金属废料22a，即，部分502在压 缩材料22a过程中沿-M方向插入部分501中。 一旦压缩完成，在扭转 弹簧509的帮助下，部分502与部分501沿+M方向分开。 一旦部分 502退回，则通过部分506的+M轴向运动将压缩的环22a和部分505 从模具部分501中弹出。然后将构件22a与部分505分离。
e) 利用本领域中公知的工艺，将切碎的金属废料颗粒在压缩模具 中在高压制压力下压缩，形成金属基构件22a，例如惯性环。在另一 种方法中，可以在将切碎的金属废料压缩之后加入粘结剂。空腔504 的形状以及由此得到的压缩构件22a的形状，选择成可以插入带轮/ 惯性环20b的接收部分220，参见图2。f) 然后通过加热模具和压缩材料使粘结剂固化，由此将切碎的金 属废料颗粒粘结在一起形成金属基构件22a。粘结剂包裹切碎的金属 废料颗粒，根据金属的特性，通过永久性将其与环境密封隔离而防止 其腐蚀。加热步骤不需要达到烧结压制的材料的热量。温度仅仅需要 固化粘结剂。g )然后，在金属基构件22a的将用于把构件22a结合到步骤"a" 制备的冲压金属薄板带轮的表面上即接收部分220,用与步骤d)中所 用的粘结剂相同的粘结剂或另 一种第二粘结剂涂覆金属基构件22a 。 此步骤也可以与步骤"r结合。h) 接着，使用公知的工艺将构件22a压配合到接收部分220中， 参见图2。还可以参看图5和图6中的构件22。构件22可以使用与这 里参考构件22a描述的工艺相同的工艺制成。i) 在将构件22a压配合到接收部分220之后，接着在高热和/或压力下将第二粘结剂固化。j)接着，将装有在步骤i)制成的构件22a的带轮/惯性环20结 合在弹性减震件30上，再依次结合在毂10上形成副曲轴减震器。在 可选的另一个实施例中，形成减震器，由此将构件22a直接与减震件 30配合，再将此减震件30装在具有毂的完全成形的带轮上，参见下 面的描述l)。k)接着，使用螺栓、螺紋、法兰或部分ll的键，通过毂将曲轴 减震器IOO连接到发动机曲轴，参见图1。毂10可以使用公知的冲压 和旋压工艺制成。因此，制造毂产生的任何废料也可以用于形成切碎 金属颗粒，用于制造构件22a或22。O在代替步骤j)，并接着从步骤i)开始，在另一个实施例中， 将完全成形的构件22压入并结合在带轮上，使弹性件30置于构件22 与带轮之间，其中带轮完全成形，包括腹板和毂。组件由此包括完整 的主减震器，参见图6。在另一个实施例中，构件22可以压入带轮200 形成的空腔201中，而不使用弹性减震件，参见图5。得到的产品是具有金属基构件的曲轴减震器，它具有适合的高惯 性，比具有铸铁惯性环的曲轴减震器便宜得多，同时具有很多优秀的 技术优势。冲压和旋压工艺也可以用于制造曲轴减震器的毂。这使毂和带轮 都通过冲压和旋压由金属薄板制成，同时使用制造毂和/或带轮产生的 金属废料，或者其它金属废料制成金属基构件惯性环。当然，金属废 料可以从毂和带轮制造工艺以外的工艺获得，但使用毂和带轮生产废 料可以节约成本，并能完全体现了超越现有技术工艺的技术优势。很多公知的粘结剂、弹性体和树脂可以应用于本发明。例如，适 合的粘结剂包括氰基丙烯酸盐粘结剂、环氧粘结剂、丙烯酸粘结剂、 聚氨酯粘结剂、尼龙树脂，以及热固性树脂的酚醛树脂，但不限于此。 所有上述公知的粘结剂是使用公知的方法和工艺固化的。可以使用 一类所谓"自结合"或"自粘贴"的弹性体，它们不需要粘 结剂结合到金属上，可以通过含油的金属表面结合，同时产生非常高 的结合力，还永久性保护颗粒不受腐蚀。请参考2002年2月22日提 交的共同申请的美国专利申请10/081464,此申请引用整体结合在此。 自结合或自粘贴弹性体配方为在其固化阶段结合到金属上，而不使用 粘结剂。通过在其化合物配方中加入粘结促进剂而使它们变成"自粘 贴"。 一些通用的弹性体，通过在其混合物中加入粘结促进剂而变成自 粘贴，包括VAMAC、 EVM、 ACM和丁基橡胶。粘结促进剂包括丙 烯酸锌(ZDMA, ZDA)和Ricobond (MAM)。优选地，但不是成功实施本发明工艺所必需的，使用所有热固型 的弹性体应用于零件30。也可以使用热塑性的。适合的弹性体的例子 包括天然橡胶、EPDM、 丁基橡胶、VAMAC⑧、聚氨酯、HNBR、硅 橡胶和EVM。
本发明工艺中使用的废料可以包括可以用于生产任何金属产品的 任何种类金属材料，所述金属产品包括曲轴减震器惯性环以及带轮， 但不限于此。这些材料包括所有种类的钢，包括不锈钢，以及铝，但 不限于此。当然，可以使用钢以外的金属材料作为切碎金属材料，例 如青铜、铁、铜等等，因为这些材料仅仅需要受到压缩，与粘结剂相 容以及具有足够的质量提供所需的惯性。因此，由其它生产线上得到 的任何适合的金属副产物都可以用于制造切碎金属材料制成的金属基 构件。另夕卜，也可以使用比重大于1的非金属材料，例如砾石、沙子、 碎石、玻璃或其它材料。在另一个可选实施例中，如果不需要压缩切碎的金属材料，则可 以将金属薄板材料和粘结剂直接倒入金属薄板零件中形成的空腔。图5是曲轴减震器200的剖视图，表示已经倒入空腔或接收部分201的 切碎金属废料构件22。在金属薄板倒入预制的空腔201后，接着将粘 结剂加入金属薄板的空腔中。接着将粘结剂固化，将构件22结合在带 轮上。在此实施例中，不需要压缩材料。并且，粘结剂可以在材料22a 倒入空腔之前加入其中。在另一个实施例中，构件22是按照上述步骤 "a"到步骤"f，处于完全压缩状态，将该构件22压入空腔201中。 减震器或带轮200也包括毂202和腹板203。在图6所示的另一个实施例中，按步骤"a"到步骤'T，制成的 完全压缩的构件22，被压入在弹性体件30上，并使用本说明书上面 所述的粘结剂结合在其上。在此实施例中，没有形成接收构件22的空 腔。为了在工作过程中将构件22保持在其位置上，其直径的选择使其 具有与弹性体件30内表面204略微的过盈配合。弹性体件30使用上 述的粘结剂结合在带轮内表面205上。构件22也可以压靠在腹板203 上提供额外的稳定性，但它不结合在腹板上，以便使构件22在衰减震 动时可以自由运动。如上所述， 一旦构件22被压入到位，就固化粘结 剂。在每个上述实施例中，每个带轮200和300是使用本说明书中前 面所述的旋压工艺制成的。本发明工艺得到最终形状的高惯性金属基构件，用于曲轴减震器。
"最终形状"是指制成的零件不需要进一步加工以清除尺寸变化，基本 上得到最终产品。本发明的优点包括成本比铸铁加工的惯性环低，因为购买的材料 得到重新使用，并且所需的制造步骤较少。旋压的槽比铸件切削的槽强度高，因为旋压工艺使材料晶粒在筋部分210中流动，参见图2, 而不是在加工过程中切穿它们。此外，流旋产生的加工硬化提高成形 带轮的强度。本发明带轮提高带的寿命，因为成形的金属表面更加光 滑。本发明工艺的带轮还没有表面孔洞，而孔洞将引发腐蚀相关的失 效。此外，利用金属废料，通过避免在工厂重新处理废料所用的更多 能量(燃料)消耗，达到环保制造。使用本发明工艺制造的产品可以用于制造汽车和非汽车的曲轴减 震器。也可以应用于需要金属基、高惯性、旋转或不旋转构件的任何 其它应用。本发明工艺也可以通过比使用原始原料更加简单的处理和更加环 境友好的方式，以低的成本使用金属废料制造需要高质量的最终形状 构件的很多产品。本发明工艺实现此目标，没有将材料再循环到其原 始状态。虽然这里描述了本发明的多种形式，但本领域一般技术人员可以 明显看出，在不偏离这里所述的本发明精神和范围的情况下，可以对 各个部分的工艺和结构以及关系做出变化。
权利要求
1.一种制造金属基构件的方法，包括将金属材料切碎成预定尺寸范围；将切碎的金属材料填充到压缩模具中；在切碎的金属材料中加入粘结剂；在压缩模具中压缩切碎的金属材料制成金属基构件；以及固化粘结剂。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括使用切割金属薄板产品的副产物制成切碎的金属材料。
3. 根据权利要求1所述的方法，还包括使用制造金属产品的副产物制成切碎的金属材料。
4. 根据权利要求l所述的方法，还包括 使用切碎金属材料的颗粒尺寸范围是直径约为+Omm到6mm。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括 使用第二粘结剂涂覆金属基构件的表面； 使用第二粘结剂将金属基构件结合到带轮上； 将带轮结合到弹性体减震件上；以及将弹性体减震件结合到毂上，弹性体减震件置于带轮和毂之间。
6. 根据权利要求1所述的方法，还包括 使用第二粘结剂涂覆金属基构件的表面；以及 使用第二粘结剂将金属基构件结合到带轮上。
7. —种曲轴减震器，包括 毂；带轮；惯性部分，所述惯性部分包括使用粘结剂结合在一起的金属颗粒， 惯性部分配合在带轮上；以及置于毂与带轮之间的弹性体减震件。
8. 根据权利要求7所述的曲轴减震器，其特征在于每个金属颗粒 包括约在+0mm到6mm范围内的尺寸。
9. 根据权利要求7所述的曲轴减震器，其特征在于带轮包括旋压 成型的金属薄板。
10. 根据权利要求7所述的曲轴减震器，其特征在于金属颗粒被 压缩。
11. 根据权利要求7所述的曲轴减震器，其特征在于金属颗粒是 用于制造带轮的过程的副产物。
12. —种制造曲轴减震器的方法，包括 冲压金属薄板坯； 由金属薄板坯旋压成形带轮； 在带轮中制成接收部分； 将金属材料切碎成预定尺寸范围； 将粘结剂与切碎的金属材料混合； 将切碎的金属材料倒入接收部分；以及 固化粘结剂。
13. 根据权利要求12所述的方法，还包括 使用金属材料的颗粒尺寸范围是直径约为+Omm到6mm。
14. 根据权利要求12所述的方法，还包括 使用制造带轮的副产物制成所述金属材料。
15. —种曲轴减震器，包括 毂；带轮；惯性部分，所述惯性部分包括粘结的材料颗粒，所述惯性部分连 接到带轮；比重大于l的材料颗粒；以及置于毂和带轮之间的弹性体减震件。
16. 根据权利要求15所述的曲轴减震器，其特征在于每个材料颗 粒包括约在+Omm到6mm范围内的直径。
17. 根据权利要求15所述的曲轴减震器，其特征在于带轮包括旋压成型的金属薄板。
18. 根据权利要求15所述的曲轴减震器，其特征在于 所述材料颗粒;故压缩。
19. 根据权利要求15所述的曲轴减震器，其特征在于材料颗粒是 用于制造带轮的过程的副产物。
全文摘要
一种制造金属基构件和产品的方法，包括制成金属薄板废料，将金属薄板废料切碎成预定尺寸范围，将切碎的金属薄板废料填充到压缩模具中，将粘结剂材料加入压缩模具中的切碎金属薄板废料，压缩切碎金属薄板废料，以及固化粘结剂制成金属基构件。所述产品包括可以应用于曲轴减震器的惯性环。
文档编号B22F8/00GK101119817SQ200680004708
公开日2008年2月6日 申请日期2006年1月10日 优先权日2005年2月14日
发明者Y·霍德雅特 申请人:盖茨公司