專利名稱：通過粉末冶金形成的非均質發(fā)動機部件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過粉末冶金形成的部件，尤其涉及用于通過粉末冶金形成部件的 一種方法和裝置。
背景技術：
粉末冶金是一種用于生產應用于諸如發(fā)動機的高質量部件的常用制造方法。在 發(fā)動機部件的制造中經常使用粉末冶金，因為它經濟、靈活、且可用比形成部件的 其它方法較少的機加工或二次處理來生產一最終零件。粉末冶金允許一部件由多種 合金、復合材料和其它材料形成，以給最終的部件提供所需的特征。粉末冶金適合 于制造廣泛范圍的尺寸和形狀的零件。同樣，粉末冶金還能可靠地生產具有一致的 尺寸和有利的物理性能的零件。
參見圖l，顯示了用于傳統(tǒng)粉末冶金部件形成工藝30的一工藝流程圖。首先， 提供構成部件的金屬粉末32。通常，將潤滑劑添加至金屬粉末，以減少壓制機械 的磨損。其次，混合基底粉末34，以形成一均質混合物。最終完工的零件是金屬 粉末組分的一均質合金。
然后用混合的粉末填滿一模子或模具36。模具閉合時具有與最終零件的形狀有 點近似的一內部空穴。在模具內壓實粉末38，以形成一所謂的"生件"。壓實38 通常在室溫和例如30 — 50噸每平方英寸的壓力下完成。生件也被稱為一 "生壓制 件"，當它從模具中脫出時，具有用于下一步操作的所需尺寸和形狀。在壓實38 之后，生件具有足夠的強度以用于進一步處理。
生件經受一燒結工藝40。在燒結40之后，取決于零件的預期用途，可在零件 上完成多種二次操作42，該工藝產生一最終零件44。
通常，燒結40涉及使生件經受一溫度，例如是構成生件的金屬或合金的金屬 熔點的70 — 90%的溫度。在一爐子內控制溫度、時間和氣氛的變量，以生產由于 金屬顆粒的結合或合金而具有改進的強度的一燒結零件。燒結工藝40通常包括在 一燒結爐中實施的三個基本步驟熔化46、燒結48和冷卻50。通常使用連續(xù)型燒
結爐來完成這些步驟。熔化室用于使形成生件中所使用的潤滑劑揮發(fā)46。高溫室
實施實際燒結48。冷卻室在處理之前冷卻燒結零件50。
可認為冷卻50之后從燒結爐40中出來的零件是完工的?？蛇x擇地，它們可經 受一個或多個二次操作42。 二次操作包括例如再壓制(鍛造)部件52、機加工54、 滾磨56和將部件與作為整個組件的部分的附加部件結合58。 二次操作42還可包 括將油或潤滑劑滲入零件60，以傳遞自潤滑性能。燒結部件還可經受熱處理62， 以給部件提供諸如強度之類的某些特征和性能。本領域普通技術人員會意識到，可 實施其它二次操作。二次操作42可獨立實施或與其它二次操作共同實施。 一旦實 施了所有的二次操作，就完成了部件或零件44。
美國專利第6055884號、第5551782號和第5353500號都公開了用于一內燃機 中的連桿。
圖2顯示了一傳統(tǒng)內燃機的內部細節(jié)，以說明一連桿64的使用。連桿64樞轉 地連接至一活塞66和曲軸74。連桿64在一大或曲柄端76連接至曲軸74。連桿 64的大端76處接納曲軸74的一軸部分("曲柄銷")78。連桿64還在連桿64的 一小或活塞端70處連接至一活塞66。 一銷("活塞銷")68用于允許連桿64的小 端70和活塞66之間的轉動。
參見圖3 — 5，顯示了根據傳統(tǒng)方法制造的一傳統(tǒng)連桿64。連桿64包括一活塞 端70、 一曲軸端76和一柄80。柄80通常提供有一個或多個用于減輕重量的凹處 82。曲軸端76包括一大眼77，用于接納曲柄銷78。曲軸端76包括一曲柄軸承84， 用于將由于軸78在大眼77內的轉動而產生的磨損和摩擦最小化。軸承84包括軸 承材料88、 一外部材料支持面89和一內部軸承面86。本領域普通技術人員會意識 到，當在曲柄銷78和內部軸承面86之間提供潤滑油時，曲柄軸承84形成一流體 動力軸承。
連桿64的活塞端70包括一小眼81，用于接納肘節(jié)銷68。小眼81提供有一軸 襯90，用于減小操作期間由于轉動而產生的摩擦和磨損。軸襯90包括離散的或分 離的軸承材料92、 一內部軸承接觸面94和一外部軸承支持面96。
一連桿64通常由一鋼或鋁合金構成?，F(xiàn)在鈦合金也用于連桿64。軸襯90通常 由青銅構成。
曲柄軸承84和軸襯90通常提供至連桿64，作為二次制造和組裝工藝的部分。 每個軸承84和軸襯90都通常形成為其單獨制造工藝的部分，然后與作為一單獨制 造或組裝步驟的連桿64結合。附加的步驟使制造工藝增加了時間、加工和勞動力
成本。所有制造的一持續(xù)的目標是減少成本。
因此，仍然需要提供具有一減少數量的制造步驟、加工工具、零件和勞動力的、 用于發(fā)動機的連桿。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種連桿，它包括以一粉末冶金工藝整體地形成的非均質結構，且 具有至少兩種不同金屬組分，以便在該結構的離散位置提供不同特征。


圖1是根據現(xiàn)有技術的一粉末冶金制造工藝的一工藝流程圖2是根據現(xiàn)有技術的一車輛發(fā)動機的一局剖的立體圖3是根據現(xiàn)有技術的一連桿的一平面圖4是沿線a—a所取的圖3的連桿的一剖視圖5是根據現(xiàn)有技術的一連桿的一立體圖6是根據本發(fā)明的用于使用粉末冶金制造工藝制造一非均質部件的一工藝流 程圖7是根據本發(fā)明的生件形成裝置的一側剖圖； 圖8是根據本發(fā)明的一生件形成裝置的一前視圖； 圖9是根據本發(fā)明的一生件形成裝置的一俯視圖10是用于根據本發(fā)明的一生件形成裝置的進給閥的一局剖俯視詳圖11是根據本發(fā)明的處于打開位置的一粉末出口的一局剖側視詳圖12是根據本發(fā)明的處于閉合位置的一粉末出口的一局剖側視詳圖13是根據本發(fā)明的生件形成裝置的一側剖圖14是根據本發(fā)明的生件形成裝置的一側剖圖15是根據本發(fā)明的一非均質連桿的一側剖圖；以及
圖16是圖15的連桿的一前視圖。
具體實施例方式
圖6顯示了一種用于制造包括一連桿的一非均質粉末冶金制件的工藝。在步驟 106，將一種或多種金屬粉末引入一模子。兩種、三種或多種金屬粉末可同時(并
行地)、在不同時間(串行地)或以其某種組合而引入。每種金屬粉末可以是一種
組分混合物。金屬粉末可在引入之前混合，除非需要一非均質生成物。在步驟108， 壓制模子中的粉末，以形成一生件。該生件在步驟iio燒結?？蛇x擇地，可在步驟 112實施一個或多個諸如鍛造、機加工、熱處理、精加工等的二次操作。本領域普
通技術人員會意識到，可實施粉末金屬的附加層和/或工藝步驟，而不脫離本發(fā)明 的精神和范圍。
在圖7中顯示了一生件形成裝置120的一實施例。該生件形成裝置120可通稱 為一給料板裝置120。給料板裝置120通常包括可由一致動缸134致動的一粉末充 填容器122、 一上沖頭140、 一下沖頭142和一粉末料斗148。尤其， 一第一容器 122通過一個或多個連接件138剛性地連接至一第二容器126。第二容器126通過 一活塞136連接至一致動缸134。致動缸134可以是用于推動活塞136進或出的一 液壓或氣壓缸，從而引導第一容器122和第二容器126可控制地移動。每個容器 122、 126包括限定一內部空穴于其中的側壁125。側壁125具有傾斜部分129，用 于將粉末引向一粉末出口閥146。容器122、 126中頂部開口的尺寸定為可接納連 接至料斗148、 150的一滑槽152、 154。料斗148、 150分別接納分別提供至第一 內部空穴124和第二內部空穴128的第一和第二種粉末金屬。第一滑槽152和第二 滑槽154包括一柔性管，該柔性管構造成允許第一容器122和第二容器126的直線 移動。第一容器和第二容器122、 126都通過在橋接件132上滑動而直線移動。橋 接件132和致動缸134中的每一個都安裝在一模具臺130上。
在圖8中顯示了給料板裝置120的一側視圖。給模具臺130提供一個或多個鎖 定機構160。鎖定機構160允許容器122、 126在一模具空穴144填充操作期間對 準。鎖定機構160可以是一磁鐵或其它諸如一凹一凸插座或其等同物的鎖定裝置。
橋接件132可滑動地設置于導軌166上。每個導軌166進一步設置于一軌道168 上。 一提升汽缸162設置于每個橋接件132上，并構造成通過一提升活塞154的延 伸而舉起導軌166上的橋接件132。在第一容器122和模具空穴144之間的圖2所 示的間隔允許致動缸162將容器122橫向移動至空穴144。容器122、 126有利地 移動離開沖頭140、 142，從而容器122、 126不干涉壓制工藝。
參見圖9，顯示了給料板裝置120的一俯視圖。每個容器122、 126以局剖圖示 而顯示內部細節(jié)。為作參考，顯示了一模具空穴直徑172的一虛線輪廓。 一個或多 個粉末出口 170設置于每個容器122、 126的底面中。粉末出口 170包括閥148， 用于控制粉末金屬通入模具空穴144。出口 170的尺寸定為可控制在一填充操作期 間流動通過一特定出口 170的相對數量。第一容器122顯示成具有一單獨出口 170
第二容器126顯示成具有三個不同尺寸的出口 170?？墒褂枚喾N多邊形、偏心的形 狀或變化的尺寸來代替圓形出口，這并不脫離本發(fā)明的范圍。
有利地選擇粉末出口 170的尺寸和位置，以適合于給最終零件提供預定特征。 例如，在一內燃機中用于一活塞的一連桿利用一軸承作為肘節(jié)銷(wristpin)組件 的部分。用于制造一連桿的傳統(tǒng)方法是提供一單獨形成的軸承至預成形的連桿，作 為二次操作的部分。在此公開的裝置和方法提供了一粉末出口，該粉末出口有利地 定位于精確位置，以形成與連桿成為整體的一整體軸承。
圖9中顯示的給料板裝置附加地包括一液體注射裝置174。該液體注射裝置174 在一形成工藝期間將液體注射至第一內部空穴124。通至注射裝置的一入口 176連 接與供給一溶液的一液體導管178相連接。該裝置可包括一電磁閥，諸如一零單流 管容量(zero dead leg volume)電磁閥?？墒褂枚喾N合適的閥，而不脫離本發(fā)明的 范圍。本領域普通技術人員會意識到，本發(fā)明還可實施提供至第二容器的一第二液 體注射裝置，或者可選擇地， 一個液體注射裝置與第一和第二容器都連通。
溶液可包括水溶液、潤滑劑、表面活性劑或活化溶液，用于清潔冷焊的金屬顆 粒。溶液還可包括趨向于與材料結合的溶液，諸如一硬化劑或溶劑?？刹捎米⑸錆?滑劑來減少裝置的模具空穴的磨損。
圖IO顯示了一閥組件149，該閥組件149包括容器122、 126的粉末出口 170。 連同滑動孔184的一外殼表面182限定了用于粉末出口的一打開位置P1和一閉合 位置P2。當致動器134直線平移容器122、 126時，滑動孔184在位置Pl和P2之 間移動。打開狀態(tài)允許金屬粉末自由地排出容器并進入模具空穴。閉合位置阻止粉 末傳輸至空穴?？墒褂糜糜谇袛喾勰慕o料板流動至模具空穴的其它方法或裝置， 而不脫離本發(fā)明的范圍。
圖11和12描繪了用于控制金屬粉末流入模具空穴144的一裝置和方法的另一 實施例。 一進料管186在容器122、 126的內部空穴124、 128和模具空穴144之間 連通。進料管186由諸如橡膠之類的一柔性材料構成。容器122、 126的底側壁限 定一槽188于其中，如圖所示。 一折疊或彎折裝置190設置于槽188內。進料管 186在打開位置，如圖11所示，同時彎折裝置190撤出或未壓在管子186上。
圖12顯示了在一閉合位置上的管子186，其中，彎折裝置190壓在管子側壁上， 直到兩側壁接觸為止，從而阻止粉末流動。通過氣動控制將彎折機190推向進料管 186。高壓引入槽188，它將彎折機190推向管子186。高壓去除狀態(tài)引起管子186 的自然彈回以再打開，從而允許粉末流動?？墒褂弥T如一聯(lián)動裝置的機械裝置來替
代氣動驅動裝置，而不脫離本發(fā)明的范圍。
在圖6 — 8和相關文字中描述了一種用于用粉末冶金制造一非均質物體的方法 和裝置。下面的描述尤其涉及制造一種用于一內燃機的連桿，其中，連桿具有整體 地形成為一單一成形過程的部件的整體軸承。將諸如鋼的一第一金屬粉末放置于第
一料斗148中，將諸如青銅的一第二金屬粉末放置于一第二料斗150中。通過根據 需要伸進或縮回致動缸134的活塞136，第一容器122也定中心于模具空穴144上 方。
將第一金屬粉末引入第一內部空穴124。第一粉末通過粉末出口 170以一預定 數量的粉末填充模子或模具空穴144。通過在粉末出口 170的閥149停止第一粉末 的流動。伸進活塞136，直到第二容器126定中心于模具空穴144上方為止。應該 注意，粉末出口 170有利地并不定中心于模具空穴144上方，以允許第二粉末在整 體軸承形成之處的離散位置處沉積。重復第一和第二粉末的充填操作，直到空穴 144填滿一足夠數量的金屬粉末為止，以形成一完工的零件。
活塞136縮回，直到第一容器122離開上沖頭140和下沖頭142為止。有利地， 一旦建立間隙，就壓制模具空穴144中的粉末以形成一生件。生件置于一燒結爐中 并被冷卻。將冷卻的燒結連桿機加工至最終公差?？蓪嵤┢渌尾僮?，諸如鍛造、 滲碳、滲氮或將軸承帽從帽的其余部分裂開，而不脫離本發(fā)明的精神。不必在活塞 (小)端或曲柄(大)端處給連桿提供一單獨的或分離的軸承而作為二次操作，因 為在成形操作期間提供了整體軸承。一完工的連桿可由任何其它二次操作的完成來 制成。
在圖15和16中顯示了一連桿。整體桿300通常包括通過一柄306連接至一小 (活塞)端304的一大(曲柄)端302?；钊?04包括一小開口或眼308，構造 成接納一肘節(jié)銷。曲柄端302包括一大開口或眼310，構造成接納一曲軸的軸部分。 柄306、曲柄端302和活塞端304有利地由諸如鋼或鋁合金之類的一第一合金構成。
一曲柄支持面316形成于曲柄端302。曲柄支持面316與柄306和端302、 304 統(tǒng)一地或整體地形成為一單獨成形操作的部分。曲柄支持面316接合一曲柄銷(未 顯示)。 一肘節(jié)銷支持面318形成于活塞端304。肘節(jié)銷支持面318也與柄306和 端302、 304統(tǒng)一地或整體地形成。肘節(jié)銷支持面318接合一肘節(jié)銷(未顯示)。支 持面316、 318可由與柄306和端302、 304的其余部分不同的合金形成，諸如青銅。 曲柄銷支持面316有利地形成于一內層312的邊緣，該內層312形成大眼310的開 口。肘節(jié)銷支持面318有利地形成于一內層314的邊緣處，該內層314形成小眼
308的開口。有利地，曲柄支持面316可由一種合金形成，而肘節(jié)銷支持面318由 另一種合金形成，以給諸表面提供不同的特征，諸如強度、摩擦力等。這兩種合金 有利地與構成柄306、曲柄端302和活塞端304的大部分的材料不同。本領域普通 技術人員會意識到，可使用其它合金，而不脫離本發(fā)明的范圍。
圖13描繪了用于根據圖6的方法形成一生件的另一裝置。根據本實施例的給 料板裝置包括一單獨的容器222。容器222包括諸側壁223和一中心隔板224。諸 側壁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從一第一料斗230接納一第一金屬粉末，而第二部分228從一第二料斗 232接納一第二金屬粉末。 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。
在操作中，可將第一和第二粉末同時提供至模具空穴。設置各自的粉末出口 234、 236并將之尺寸定為可有利于充填空穴238，且第一和第二粉末在壓制前它們 所需的位置?？蛇x擇地，活塞240可沿一直線方向移動容器222，以在充填一各自 的金屬粉末之前，將一各自的第一出口 234或第二出口 236設置在模具空穴238 的一部分上方。作為另一種選擇，可有選擇地可打開和閉合粉末出口 234、 236， 以產生零件中的密度梯度，或者進一步在第一材料內放置一第二材料?？蛇x擇地， 可采用以上選擇的一組合，以作為相同的成形操作的部分。
圖14描繪了形成(給料板)裝置250的生件的另一實施例。此實施例再次包 括一單獨的容器252。該容器包括第一隔板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。每個室258、 260和262接納一各自 的第一粉末出口 264、第二粉末出口 266或第三粉末出口 268，并與一各自的第一 料斗270、第二料斗272或第三料斗274連通。本領域普通技術人員會意識到，本 發(fā)明可實施有多于三個室，而不脫離本發(fā)明的范圍。而且， 一單獨的料斗可與兩個 或多個室連通。
使用三個室258、 260和262允許將一兩種不同粉末中的一第一粉末在兩個位 置同時引入模具空穴276?？蛇x擇地，三個室258、 260和262允許將三種不同密 度的粉末引入模具空穴276，作為一單獨的成形操作的部分。圖14的實施例以與 上述兩室實施例基本相同的方式運作。
實施以上過程，以提供在零件中的離散位置具有不同特征的一部件。例如，通 過一單獨的成形操作，可給內燃機用連桿提供一內軸承，即一支持面。這種制造一 連桿的方法免除了單獨成形并給連桿提供一分離的軸承和軸襯的附加步驟，從而減
少了成本、時間、零件和復雜性。
盡管參照以上的實施例描述了本發(fā)明，本領域普通技術人員會意識到，可在形 式上和細節(jié)上作出改變，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。認為所述實施例在所有方 面僅僅是說明性的，而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍應通過所附的權利要求 書而不是前面的描述來表明。
權利要求
1.一種連桿，它包括由一粉末冶金工藝整體地形成的一非均質結構，所述結構具有一活塞端、一曲軸端和一互連柄，其中，所述活塞端、所述曲軸端和所述互連柄由一結構材料形成，且所述活塞端具有用于接納一肘節(jié)銷的一小眼，并且，所述小眼包括與所述結構材料整體地形成的一第二材料。
2. 如權利要求1所述的連桿，其特征在于，所述曲軸端具有用于接納一曲柄銷的一大眼，并且，所述大眼包括與所述結構材料的成形整體地形成的一第三材 料。
3. 如權利要求2所述的連桿，其特征在于，所述第二材料和所述第三材料 是不同的粉末材料。
4. 一種連桿，它包括由一粉末冶金工藝整體地形成的非均質結構，且具有 至少兩種不同的金屬組分，以便在所述結構的離散位置提供不同的特征。
5. 如權利要求4所述的連桿，其特征在于，所述至少兩種不同的金屬組分 中的一第一種至少部分地形成用于在所述連桿的一端形成的一小眼的一支持面的 至少部分，該支持面能接合一肘節(jié)銷。
6. 如權利要求4所述的連桿，其特征在于，所述至少兩種不同的金屬組分 中的一第二種至少部分地形成用于在所述連桿的一端形成的一大眼的一支持面的至少部分，該支持面能接合一曲柄銷。
7. 如權利要求4所述的連桿，其特征在于， 一活塞端、 一曲軸端和一互連 柄由所述至少兩種不同的金屬組分中的一種形成。
8. —種形成一連桿的方法，它包括在至少兩種不同的金屬組分上實施一粉 末冶金工藝，以形成一非均質連桿。
9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟通過可選擇 地相對沉積所述至少兩種不同的金屬組分，在所述的桿的離散位置提供不同特征。
10. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟通過所述至 少兩種不同的金屬組分中的一第一種，整體地形成用于一小眼的一支持面的至少部 分，該支持面能接合一肘節(jié)銷。
11. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟通過所述至 少兩種不同的金屬組分中的一第二種，整體地形成用于一大眼的一支持面的至少部 分，該支持面能接合一曲柄銷。
12. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 通過所述至少兩種不同的金屬組分中的一第一種，整體地形成用于一小眼的一支持面的至少部分，該支持面能接合一肘節(jié)銷；以及通過所述至少兩種不同的金屬組分中的一第二種，整體地形成用于一大眼的一 支持面的至少部分，該支持面能接合一曲柄銷；其中，所述至少兩種不同的金屬組分中的所述第一種以及所述至少兩種不同的 金屬組分中的所述第二種不是相同的金屬組分。
13. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟通過所述至少兩種不同的金屬組分中的至少一種，整體地形成一活塞端、一曲軸端和一互連柄。
14. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟 用一第一金屬粉末充填一模子的一第一部分； 用一第二金屬粉末充填所述模子的一第二部分； 將壓力施加至所述模子中的所述金屬粉末；以及 在所述模子中燒結所述金屬粉末。
全文摘要
一種由一粉末冶金工藝整體地形成的連桿(300)提供一非均質結構。該連桿具有一活塞端(304)、一曲軸端(302)和一互連柄(306)?；钊?304)、曲軸端(302)和互連柄(306)由一結構材料形成。
文檔編號B22F5/10GK101375069SQ200580017067
公開日2009年2月25日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權日2004年5月27日
發(fā)明者D·范德摩勒, J·卡格納伊 申請人:萬國引擎知識產權有限責任公司