专利名称：具有孔的金属件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及限定更加坚固的冲孔的金属件、具有加强孔几何结构的组件以及制造更坚固的孔几何结构的技术。
背景技术：
车辆制造商正在避免使用低碳钢薄板而转向铝、先进高强度钢(AHSS)或超高强度钢(UHSS)面板。铝、AHSS和UHSS相对于低碳钢提供了高强度/轻重量。然而，这些面板与低碳钢相比具有较低的延展性。铝、AHSS和UHSS所存在的一个问题是，在动态加载期间由冲孔的剪切面产生裂纹发展。 由于在AHSS中对剪切面拉伸性的敏感度较高，所以在动态加载期间裂纹从面板的剪切面的传播改变了材料的破坏模式。由于低碳钢对边缘裂纹不太敏感，从而低碳钢面板的破坏模式提供了吸收塑性变形的能量。高强度/轻重量可选材料面板的破坏模式在裂纹传播时不会有效地吸收加载能量。冲孔是一种金属成形处理，其中，从金属件中剪切材料来形成一个孔。冲孔机在金属件中剪切孔，被剪切材料(也称为废切边)如同废料一样扔掉。在这种处理中，通过剪切面来限定孔的周边。可以将紧固件插入到孔中来将物体连接到一起。紧固件具有穿过物体的孔的轴以将该物体固定至另一个物体。紧固件的轴通常与冲孔的剪切面邻接。剪切面具有极小的裂纹。当对利用紧固件而紧固在一起的物体施加力时，紧固件的轴会向孔的剪切面施加应力。孔的剪切面中的极小裂纹在金属件中开始裂开的位置处是应力诱导。由于紧固件所施加的应力，剪切面趋于在裂纹处断裂、裂开或撕裂。在提交本申请之前，考虑以下参照申请=Akahane等人的美国专利第6，968，723号、Babej等人的美国专利第7，318，696号、Gafri等人的美国专利第6，708，542号以及Pourboghrat等人的美国专利第6，631, 630号。
实用新型内容公开了在金属件上形成辐射状凸缘来整体加强孔的方法。该方法通过使剪切面远离孔周边而实现具有较高边缘裂纹敏感度的材料中冲孔的破坏模式的显著改善。与剪切面位于孔周边的情况相反，凸缘折回到自身上方，并且凸缘的外表面/卷曲面成为孔的周边。该方法产生具有孔的金属件，金属件的非剪切面形成孔的周边。与相同条件下的剪切面相t匕，金属件的非剪切面在向孔施加应力的动态加载情况下更加坚固。根据本实用新型的另一方面，加强环(优选与金属件相比具有更高的抗拉强度)被装配在凸缘周围并随着凸缘折回到自身上方而被凸缘保持。可选地，在凸缘折回到自身上方的情况下，诸如铜焊堆积物或高强度粘合剂的加强填充材料可以被涂覆至凸缘。在这些其他方面的任一方面中，加强环、铜焊或高强度粘合剂增加了孔的坚固性，并且在动态加载期间增加了能量吸收。[0010]根据本实用新型的又一方面，在孔内设置紧固件，紧固件具有与凸缘的卷曲面相邻的轴。紧固件可具有顶盖，其在卷曲面和剪切边之间与凸缘区域直接或间接接触。随着紧固件被固定，顶盖夹紧凸缘。可选地，紧固件可以夹住第二物体，第二物体在卷曲面和剪切边之间与凸缘区域接触。在任一方面，该组件可以包括加强填充材料、加强环，或者根本没有加强件。根据本实用新型的又一方面，公开了用于冲压具有凸缘的孔的模具，其中使凸缘形成为折回到自身上方。在所示实施例中，孔周围的凸缘通过模具而形成为折回到自身上方。模具可以形成具有或不具有加强环的凸缘。所示实施例示出了在单个模具中使凸缘形成为折回到自身上方，然而，单个模具可以从一侧穿孔且从一侧形成凸缘，而第二模具从另一侧使凸缘折回到自身上方。根据本实用新型的一个方面，提供了一种具有孔的金属件，包括从金属件的一侧 开始延伸且具有第一表面和在金属件上与所述第一表面相对的第二表面的凸缘以及在第一表面和第二表面之间延伸的剪切边，其中，凸缘折回到第一表面上，第二表面限定孔的一部分，并且剪切边与孔隔开。优选地，凸缘是一个连续凸缘，并且连续凸缘的第二表面限定孔的整个周边。优选地，凸缘是一个连续圆形凸缘，并且连续圆形凸缘的第二表面限定孔的周边。优选地，金属件还包括加强环，加强环围绕孔进行设置并与凸缘的第一表面相邻，其中，凸缘在孔的周围保持加强环。优选地，加强环的径向截面是圆形。优选地，加强环的径向截面是多边形。优选地，加强环由与金属件相比具有更大抗拉强度的材料制成。优选地，金属件还包括位于加强环上的防锈涂层。优选地，金属件还包括涂覆在加强环的表面上以将加强环结合至金属件的粘合剂。根据本实用新型的另一方面，提供了一种组件，包括包括限定孔的翻转凸缘的金属件，凸缘具有与卷曲面隔开的剪切边，使得卷曲面的一部分限定孔的周边；以及设置在孔中的紧固件，紧固件具有与卷曲面的一部分接触的轴。优选地，该组件还包括围绕孔设置并通过翻转凸缘保持的加强环。优选地，该组件还包括具有底侧表面的凸缘以及设置在通过翻转凸缘的底侧表面和金属件限定的空间内的填充材料。优选地，紧固件顶盖，顶盖具有基本上垂直于轴的表面，使得顶盖表面在限定孔的周边的卷曲面的一部分与剪切边之间与凸缘接触。优选地，卷曲面具有基于金属件材料的可成形性而选择的弯曲半径。优选地，该组件还包括围绕孔设置并通过翻转凸缘保持的加强环，其中，加强环的径向截面具有与凸缘的所述卷曲面的弯曲半径相对应的厚度。根据本实用新型的另一方面，提供了一种加强具有孔的金属件的方法，包括以下步骤在金属件上冲孔，以形成具有剪切边和非剪切面的凸缘；以及使凸缘成形为折回到自身上方，使得非剪切面限定孔的周边，并且剪切边远离孔的周边。优选地，该方法还包括以下步骤在使凸缘成形为折回到自身上方之前，围绕凸缘装配加强环，使得凸缘在所述孔的周围保持加强环。优选地，该方法还包括以下步骤在凸缘周围装配加强环之前，使加强环涂有防锈涂层。优选地，该方法还包括以下步骤在凸缘周围装配加强环之前，使加强环涂有粘合剂。优选地，该方法还包括以下步骤在凸缘周围装配加强环之前，使凸缘涂有粘合剂。在本实用新型中，通过使剪切面远离孔，在动态加载期间避免了现有技术中由孔的剪切面所引起的裂纹发展的情况。
图I是具有限定孔的凸缘的金属件的立体图；图2是具有限定孔的凸缘和在凸缘周围设置的加强环的金属件的立体图；图3是具有限定孔的凸缘的金属件的立体图，其中凸缘被成形为折回到自身上方；图4是示出凸缘成形为折回到自身上方的沿着图3的线4-4截取的截面图；图5是示出凸缘成形为折回到自身上方的与图4相似的截面图，其中凸缘在孔的周围保持圆形加强环；图6是如图4所示具有凸缘的金属件的截面图，其中在孔内设有紧固件；图7是如图5所示具有凸缘的金属件的截面图，其中在孔内设有紧固件；图8是处于将凸缘成形为折回到自身上方的初始阶段的模具的截面图，其中，图的右半部分包括加强环而图的左半部分不包括加强环；图9是处于将凸缘成形为折回到自身上方的中间阶段的模具的截面图，其中，视图的右半部分包括加强环而图的左半部分不包括加强环；以及图10是处于将凸缘成形为折回到自身上方的最终阶段的模具的截面图，其中，视图的右半部分包括加强环而图的左半部分不包括加强环。
具体实施方式
以下详细描述公开了多个实施例。在不同的实施例中使用相同的参照标号，在后面的实施例中包括相同的元件来简化描述。参照图1，示出具有孔22的金属件20。在该图中，通过远离金属件20的一侧26延伸的凸缘24来限定孔22。当凸缘24折回到自身上方时，凸缘24具有将成为所成形凸缘24的内表面28和外表面30的表面。在生成孔22的冲孔和卷边操作期间形成凸缘24的剪切边32。剪切边32在内表面28和与其相对的外表面30之间延伸。参照图2，在金属件20中限定孔22的凸缘24进一步包括环绕凸缘设置的加强环40。加强环40可以由任意数量的材料制成，例如但不限于钢垫圈、诸如铜焊或高强度粘合剂的填充材料。加强环40可以由比金属件20具有更大抗拉强度的材料制成。加强环40与凸缘24的底侧表面28相邻。当凸缘24折回到自身上方时，底侧表面28在孔周围保持加强环。在一些实施例中，向加强环40涂覆防锈涂层。在其他实施例中，向加强环40的表面涂覆粘合剂以将加强环结合至金属件20。参照图3,凸缘24从金属件20的一侧26开始延伸并折回到自身上方。外表面30限定孔22，并且剪切边32与孔22隔开。如图所示，凸缘24被示为连续的环形凸缘，并且连续环形凸缘的外表面30限定孔22的周边。然而，应该注意，凸缘24不必须是环形或连续的。可选实施例可具有限定椭圆形或多边形孔(未示出)的连续凸缘24，其中，连续凸缘24的外表面30限定孔22的椭圆形或多边形周边。在动态加载期间，材料的剪切边可以仅需要在单个方向上加强。在这种情况下，只有孔的一部分周边需要具有通过使凸缘24折回到自身上方而形成的外表面30。在这种情况下，凸缘24可以是非连续凸缘(未示出)，并且凸缘24的外表面30可以仅限定孔22的一部分。孔22可以通过多个非连续凸缘(未示出)来限定，这些凸缘均折回到自身上方并且均具有限定孔的一部分周边的外表面30。外表面可以限定所有周边，或者部分周边可以保留为剪切面。·参照图3，最终产品被示出包括具有折回到自身上方来限定孔22的凸缘24的金属件20。在该图中，孔22完全通过凸缘24来加强。剪切面32被形成为远离孔22的周边，使得孔22的周边具有非剪切面。这使得远离孔的接触面定位与剪切面相关的极小裂纹，并使孔更加坚固。这样的设计加强了任意金属件中的孔，并且显著提高了相对于低碳钢提供高强度/轻重量的铝、AHSS和UHSS金属的坚固性。参照图4,示出沿着图3的线4-4截取的截面图。如图所示，凸缘24被示出折回到自身上方，并且凸缘24的外表面30被示为限定金属件20中的孔22的周边。底侧表面28被示为与外表面30相对，并且与底侧表面28和外表面30相邻的剪切边32与孔22隔开。底侧表面和外表面28、30具有基于金属件材料的可成形性所选择的弯曲半径。参照图5，示出了围绕孔22进行设置并通过凸缘24的底侧表面28保持的加强环40的横截面。加强环40的径向截面是圆形。可选地，加强环40的径向截面可以是任意形状，诸如椭圆形、半圆形、多边形或这些形状的任意组合。加强环40可以是具有多边形径向截面的垫圈。加强环40可以是具有不规则径向截面或一系列基本为椭圆形截面的铜焊堆积物。凸缘24具有基于金属件材料的可成形性而选择的弯曲半径。加强环40被选择为具有对应于弯曲半径和金属件的厚度的截面。具有圆形截面的加强环40的截面半径应该等于或大于在加强环周围形成的材料的最小弯曲半径。这确保凸缘24保持加强环40。这还使得加强环40用作防止凸缘与最小弯曲半径相比更急剧弯曲的成形砧。如果超过材料的最小弯曲半径，则材料会在外侧弯曲面上具有裂纹。参照图6，示出紧固件50设置在通过金属件20限定的孔20中。通过翻转凸缘24的卷曲面52来限定孔22的周边。紧固件50具有轴54和顶盖56，其中，顶盖56具有基本上垂直于轴54的顶盖面58。轴54接触卷曲面52的一部分，并且顶盖面58在限定孔的周边的卷曲面52的一部分与剪切边32之间接触凸缘24。如图6所示，紧固件50可以在与位于轴54底端的顶盖56相反的方向上插入到孔22中。在图7所示实施例中，加强环40设置在孔22周围并通过翻转凸缘24保持。在可选实施例中，诸如铜焊或高强度粘合剂的填充材料可以插入到翻转凸缘24的底侧表面28所限定的空间中来代替加强环40。顶盖表面58随着紧固件50的固定而夹紧凸缘24。可选地，第二物体(未示出)可以接触卷曲表面52和剪切边32之间的凸缘区域，其随着紧固件50的固定而夹紧凸缘24。参照图8至图10，示出处于初始阶段、中间阶段和最终阶段的使凸缘24折回到自身上方的模具60的截面图。每幅图都分为图的右半边和图的左半边，其中，右半边包括加强环40而左半边不包括加强环。进行这种划分来示出凸缘成形处理在具有或不具有加强环40的情况下都是相同的。成形处理开始于如图I所示的金属件20包括限定冲孔22的凸缘24。当在金属件20中冲压孔22时，产生剪切边32。金属件20通过夹具64保持在下模具62上。冲床66使凸缘24的剪切边32向外弯曲。该处理提供了限定孔22周边的非剪切面70。在冲孔操 作中产生的剪切边32与孔22的周边隔开。如图8至图10的右半边所示，在凸缘折回到自身上方之前，可以在凸缘24周围装配加强环40。在冲床66形成凸缘24时，加强环40用作支撑凸缘24的成形砧。在凸缘24折回到自身上方之后，凸缘24在孔四周保持加强环40。在凸缘24周围装配加强环40之前，加强环40可以涂有防锈涂层。在凸缘24周围装配加强环40之前，加强环40可以涂有在凸缘24周围涂覆的粘合剂。可选地，单个压力可以采用多个冲床以在单个模具中执行所有操作。虽然公开了本实用新型的多个实施例，但本领域技术人员应该明白，在不脱离本实用新型范围的情况下可以进行修改。所有这样的修改及其等价物均通过以下权利要求来限定。
权利要求1.一种具有孔的金属件，其特征在于，所述金属件包括 从所述金属件的一侧开始延伸且具有第一表面和在所述金属件上与所述第一表面相对的第二表面的凸缘以及在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的剪切边，其中，所述凸缘折回到所述第一表面上，第二表面限定所述孔的一部分，并且所述剪切边与所述孔隔开。
2.根据权利要求I所述的金属件，其特征在于，所述凸缘是一个连续凸缘，并且所述连续凸缘的第二表面限定所述孔的整个周边。
3.根据权利要求I所述的金属件，其特征在于，所述凸缘是一个连续圆形凸缘，并且所述连续圆形凸缘的第二表面限定所述孔的周边。
4.根据权利要求I所述的金属件，其特征在于，所述金属件还包括加强环，所述加强环围绕所述孔进行设置并与所述凸缘的第一表面相邻，其中，所述凸缘在所述孔的周围保持所述加强环。
5.根据权利要求4所述的金属件，其特征在于，所述加强环的径向截面是圆形。
6.根据权利要求4所述的金属件，其特征在于，所述加强环的径向截面是多边形。
7.根据权利要求4所述的金属件，其特征在于，所述加强环由与所述金属件相比具有更大抗拉强度的材料制成。
8.根据权利要求4所述的金属件，其特征在于，所述金属件还包括位于所述加强环上的防锈涂层。
9.根据权利要求4所述的金属件，其特征在于，所述金属件还包括涂覆在所述加强环的表面上以将所述加强环结合至所述金属件的粘合剂。
专利摘要本实用新型公开了一种具有孔的金属件，通过形成凸缘并使凸缘折回到自身上方来加强孔，使得凸缘的卷曲外表面限定孔的周边。剪切边与孔的周边隔开。插入到孔中的紧固件的轴与非剪切面接触。可以环绕凸缘装配加强环。在本实用新型中，通过使剪切面远离孔，在动态加载期间避免了现有技术中由孔的剪切面所引起的裂纹发展的情况。
文档编号F16S1/04GK202746914SQ20122026637
公开日2013年2月20日 申请日期2012年6月6日 优先权日2011年6月10日
发明者谢尔盖·费奥多罗维奇·戈洛瓦先科 申请人:福特环球技术公司