專利名稱：用于粉末金屬部件的粘接的制作方法
技術領域：
本發明涉及粉末金屬部件的接合。特別地，本發明涉及使用粘合劑接合諸轉子和適配器之類的粉末金屬部件。
背景技術：
粉末冶金術提供了一種以可接受的成本生產形狀相對復雜的部件的節省成本的方式。通過將粉末金屬壓制成預制件并隨后將該預制件燒結成燒結零件，可以形成在尺寸上接近最終所需部件的多孔體。可以使用諸如機加工、打磨等等的二次操作，并且在某些情況下二次操作會是必要的，以使燒結零件符合尺寸規格。在粉末冶金術中使用的近凈成形技術縮短了完成這些二次操作所需的時長，并且也使所產生的廢料最少化，這是因為燒結零件在尺寸上非常接近該零件的最終所需尺寸。然而，某些復雜零件具有甚至是使用粉末冶金術也難以制造的尺寸要求。例如，可變氣門正時(VVT)轉子具有許多難以制造的特征和尺寸要求。VVT轉子具有平坦表面，該平坦表面必須極其光滑(總公差為15微米)，并且，該平坦表面具有垂直于該平坦表面并從該平坦表面向外延伸的鄰近表面。在零件制造期間，由于該鄰近表面，導致無法易于對該平坦表面進行打磨。可以多種方式使該平面處于可接受的范圍。精機加工技術可用于修整該平坦表面。然而，這些技術是非常昂貴的、需要熟練的工人，并且需要花費時間實施。此外，具有該種復雜形狀的零件的初始壓制會需要成本高且難以操作和維護的高技術壓機。作為選擇，VVT轉子可以被制成為兩個獨立的零件，該平坦表面被打磨成符合規格，并隨后可將這兩個零件銅焊或熔接在一起。然而，一旦將這兩個零件銅焊或熔焊在一起，即使是該工藝也需要進行另外的修整，這是由于將這兩個零件熱接合在一起產生應力并且在零件中產生變形，該變形使平坦表面處于可接受的范圍之外。由此，需要一種用于制造尺寸要求難以實現的粉末金屬部件的改進方法并且需要粉末金屬部件本身。
發明內容
本發明使用粘合劑以將多個粉末金屬部件接合在一起。通過分別制造粉末金屬部件并且隨后將這些部件粘接在一起以形成組件，在接合部件之前，存在一種機會，以對在將零件形成為單一本體而不是組件(例如，打磨具有從其上延伸的特征的平坦表面)的情況下難于機加工的某些表面進行機加工。此外，粉末金屬部件在室溫或接近室溫的溫度下接合，因此，不同于銅焊或熔接，粉末金屬部件的粘接并不在粉末金屬部件中產生使它們的接合前尺寸處于可接受的范圍之外的應力或熱變形。肋結構可以施加于界面處以確保界面處的粘合和/或密封，并且相對彼此定位部件并有助于組裝。粉末金屬部件的粘接可用在多種類型的粉末金屬組件中的任何一個中。在一個特別有利的形式中，用于VVT發動機的轉子組件利用于此所述的粘接方法形成。該轉子組件具有形成在轉子上的平坦表面，適配器從轉子上延伸出。轉子上的平坦表面可以在可接受的范圍內進行打磨并且隨后以粘接適配器，以使得該平坦表面在接合步驟期間并不超出可接受的范圍。此外，一旦將轉子和適配器接合以形成轉子組件，可對這兩個部件的內徑進行車削以產生在通孔中具有可接受的同軸度的成品轉子組件。本發明的前述和其它目的和優點將在下列的詳細描述中出現。在該描述中，結合示出了本發明的優選實施方式的附圖進行說明。
圖1是根據本發明的待組裝的兩個粉末金屬部件的主視分解立體圖；圖2是圖1的部件的后視分解視圖；圖3是組裝后的部件的主視立體圖；圖4是組裝后的部件的后視立體圖；圖5是用于制造成品轉子組件的方法的流程圖；圖6是可以應用于本發明的零件的立體圖，以及圖7是圖6的零件的立體圖，該零件被分成用于本發明的應用的部件。
具體實施例方式首先參照圖1-2，示出了毛坯適配器10和轉子12，該毛坯適配器10和轉子12可以彼此粘附性地接合，從而形成轉子組件14，該轉子組件14經過修整操作以形成成品轉子組件14。適配器10和轉子12均使用粉末冶金學工藝形成。通常，這包括將粉末金屬和粘合材料單軸地壓制在工具和模具組中，以形成粉末金屬預制件，并隨后燒結該粉末金屬預制件以形成燒結零件。本領域技術人員已知的其它步驟也可以使用在該成形工藝期間，該成形工藝包括但不限于在燒結前燒掉一些粘合材料以減少碳含量、鍛煉該燒結零件、鑄造該燒結零件、對該燒結零件進行熱處理等等。由孔58A和58B組成的孔58通常并不在壓制或燒結期間形成，而是通常在燒結后或在將這兩個零件裝配在一起后鉆出，但為了清楚和易于描述，在圖1-4中示出了孔58A和58B。現參照圖1-4，示出了毛坯適配器10的細節。毛坯適配器10具有大體上圓筒形的本體18，該本體18帶有軸向延伸的通孔20，該通孔20具有徑向朝內的表面21或內徑。毛坯適配器10在與轉子12匹配的匹配端22上具有多個徑向朝外的界面M和形成在其間的凹部沈。凹部沈與徑向朝外的界面M徑向偏置。在圖1-4中也示出了轉子12的細節。轉子12具有從第一平坦表面30延伸到第二平坦表面32的大體上圓筒形的本體28。第一平坦表面30和第二平坦表面32基本上彼此平行并且都垂直于旋轉軸線A-A。圍繞本體28的徑向朝外的表面34成角度地間隔開地形成有多個齒36。本體28也具有軸向延伸的通孔38，該通孔38帶有用于與毛坯適配器10的匹配端 22匹配的部分，并帶有用于在將轉子12與毛坯適配器10接合并對其進行修整后限定通孔的節段的部分。垂直于旋轉軸線A-A延伸的凸部40將這兩部分分離開。在凸部40的一側上，軸向延伸的通孔38的用于與毛坯適配器10的匹配端22匹配的部分具有多個徑向朝內的界面42，這些界面42之間形成有多個凹部44。這多個凹部44與這多個界面42徑向偏置。在凸部40的另一側上，徑向朝內的表面46限定通孔48，在將轉子12與毛坯適配器10粘附性地結合并接合后，該通孔48將被車削以形成成品通孔56的一部分。轉子12和毛坯適配器10以在圖5中概述的方式接合以形成未經修整的轉子組件 14，然后在步驟118后形成成品轉子組件。除了將對裝配后完成的表面、比如孔的內徑進行機加工以外，成品轉子組件與圖3和4中未經修整的組件相似。首先，在壓制步驟110中單獨壓制毛坯適配器10和轉子12，并且在燒結步驟112中對其單獨進行燒結以分別形成圖1 和2中分別示出為分離的部件。接下來，在接合轉子12和毛坯適配器10之前，在接合前機加工步驟114中打磨轉子12的第一平坦表面30和第二平坦表面32。在所示的形式中，使用精細打磨和去毛刺的刷來修整第一平坦表面30和第二平坦表面32，以便獲得小于15微米的總公差。然而，在正接合其它類型的粉末金屬部件的情況下，接合前機加工步驟114可以包括本領域技術人員已知的其它類型的機加工操作。其次，在接合步驟116中，轉子12和毛坯適配器10的匹配部分以粘合的方式彼此接合，從而形成圖3和4中所見的轉子組件14。首先，將一滴粘合劑50施加到如圖2中所示的轉子12的徑向朝內的界面42。隨后，將毛坯適配器10的匹配端22可伸縮地滑到轉子 12的軸向延伸通孔38的匹配部分中，直到毛坯適配器10抵靠或靠近凸部40。在該插入期間，粘合劑50分別潤濕轉子12與毛坯適配器10之間的界面42和24，以使得粘合劑50在轉子12與毛坯適配器10之間形成密封。該密封防止成品轉子組件16中的粘接的界面處的液壓流體通過供油孔58的滲漏，如將在下面更為詳細地說明的那樣。粘合劑50在室溫或接近室溫下固化(例如，通常處于或低于120華氏度)，優選地除周圍環境以外并不添加外部熱量，以將轉子12接合或粘合于毛坯適配器10。同樣可以不同于通過上述將一滴粘合劑施加于界面中的一個的多種方式施加粘合劑50。作為將粘合劑施加50施加于轉子12的徑向朝內的界面42的補充或替代，同樣可將粘合劑50施加于毛坯適配器10的徑向朝外的表面M。此外，可將粘合劑50以多種其它的方式遍布在界面M和42上，這些其它方式包括但不限于將粘合劑50刷在界面上、將粘合劑50噴在界面上等等。設想到的是，粘合劑50可以部分滲入到轉子12和毛坯適配器 10的孔隙中以進一步強化這兩個部件之間的結合。可以使用多種類型的粘合劑。粘合劑50優選地是無需暴露于氧氣以固化的厭氧粘合劑。該粘合劑也可以是一旦將兩種或更多種成分混合就被起反應的環氧樹脂。然而， 可將適用于與金屬一起使用的任何粘合劑用于接合部件。特別地，將在室溫(未添加外部熱量)下固化的粘合劑50用作接合轉子12和毛坯適配器10的裝置不包括會致使第一平坦表面30或第二平坦表面32處于可接受的尺寸范圍之外的應力或熱變形。相比之下，如果通過銅焊、熔接或通常用于接合金屬部件的其它高溫接合方法接合轉子12和毛坯適配器10，則非常有可能產生熱變形，該熱變形會致使平坦表面30和32處于在接合前機加工期間獲得的可接受的范圍之外。設想到的是，可以沿著界面在毛坯適配器10和轉子12中形成互鎖特征。在一個形式中，這些互鎖特征形成在凹部沈和44所處的位置。這些互鎖特征補充但并不替代部件的粘接。當轉子組件在工作期間遭受繞旋轉軸線A-A的高旋轉應力時，這種互鎖特征可以提供一種防止適配器沿粘合劑界面與轉子剪切分離開的干涉。在如圖1和2中所示的一個形式中，沿界面形成一個或更多個徑向延伸的互鎖脊部和凹槽組以將這兩個部件互鎖。適配器10具有緊密地裝配在凹槽44中的一個中的脊部 27。一旦將毛坯適配器10的匹配端22可伸縮地插到轉子12的軸向延伸的通孔38中，形成在毛坯適配器10上的脊部27就滑到形成在轉子中的匹配凹部44內，從而克服相對旋轉以將部件互鎖。當然，可以沿界面形成多組脊部和凹槽。此外，第一部件上可以既形成有脊部又形成有凹槽，其與具有匹配的凹槽和脊部的第二部件互鎖。盡管將脊部和凹槽描述為互鎖特征的一個示例，設想到的是其它幾何形狀可以適用于互鎖該部件。第一部件的一部分與第二部件的一部分互鎖以防止部件在過度應力下相對于彼此剪切的任何幾何形狀都是適用的。進一步設想到的是，在某些形式中，可將鍵放置在形成于第一部件中的凹部與形成于第二部件中的凹部之間，從而執行與互鎖特征相同的功能。應當理解的是，可以多種方式將毛坯適配器10插到轉子12中。然而，在優選的形式中，毛坯適配器10和轉子12的匹配部分的尺寸在尺寸上將是足夠接近的，以使得需要壓配合來迫使毛坯適配器10和轉子12緊貼在一起。在將轉子12和毛坯適配器10以粘合的方式接合以形成未經修整的轉子組件14 后，未經修整的轉子組件14可以在后接合機加工步驟118中經歷多種后接合機加工操作， 從而形成成品轉子組件16 (圖4)，該成品轉子組件16是后接合操作后的以粘合的方式接合的組件。在所示形式中，這些后接合機加工操作包括車削毛坯適配器10的外徑以形成徑向朝外的成品表面57、并車削通孔56的內徑，該通孔56由毛坯適配器10的通孔20和轉子 12的通孔48的組合體構成。通過在已將毛坯適配器10和轉子12粘接后車削這些直徑，事實上在成品轉子組件16中確保了非常緊密的同軸度要求。此外，后接合，由轉子12中的外孔58A和適配器10中的內孔58B構成的供油孔58 可被機加工成從成品轉子組件16的外表面60延伸到通孔56。當供油孔58延伸穿過粘合界面的區域時，由粘合劑50橫跨該界面形成的前述密封對于確保任何油均不在成品適配器52與成品轉子M之間的界面處泄漏而言是很重要的。油沿界面的任何泄漏對于成品轉子組件16的性能是有害的。表面42包括在表面42的環繞部分突出的肋結構70，并且包括間隔開的腿部72， 該腿部72在其內端處通過周向延伸的基部肋76接合。孔58位于腿部72之間，并且腿部 72的端部裝配在腿部78之間并且抵靠在肋結構82的基部肋80的側面上，該肋結構82被包括為每個朝外的表面M的一部分并從表面M的環繞部分突出。在裝配時，孔58被肋結構70和82所環繞，并且抵靠在基部肋80的側面上的腿部72在四個側面上封閉孔58以切斷肋72的端部周圍的泄漏路徑。理想地，腿部72的側面也抵靠在腿部78的側面上以進一步防止腿部72的端部周圍的泄漏。可以將粘合劑成滴地施加在表面42上，從而沿表面42與平坦表面30之間的邊緣從一個凹部44延伸到下一個凹部44。當將適配器插入到轉子中時，該適配器沿著表面42、 包括沿著軸向延伸的腿部72向內涂抹粘合劑滴以潤濕表面對和42的、位于粘合劑的沿著表面42正被向內涂抹的前緣之后的重疊部分。當插入觸及到橫向延伸的基部肋76時，腿部72之間的基部肋76的相對于適配器插入到轉子中的方向橫向延伸的邊緣在轉子進一步插入時涂抹粘合劑并阻止粘合劑流到凸部40。這有助于將粘合劑保持在表面M與42之間，尤其是保持在腿部72之間的區域中，并且有助于保證粘接界面M和42的足量粘合劑。肋結構70和82從相應的界面42和M的鄰近部分突出，以在肋結構與相應面對的表面M和42之間形成小干涉(例如在直徑方面為90微米)到小間隙(例如在直徑方面為140微米)。該肋結構使得孔58更不可能在轉子與適配器之間的界面處泄漏，并且用于使轉子與適配器相對于彼此徑向定位。此外，它們在通過肋結構彼此間隔開的鄰近表面 M和42之間保留小間隙，粘合劑可存在于該小間隙中。這確保了當裝配零件時，并未將粘合劑從界面上完全擦掉，如在界面之間不存在間隙的情況下會發生的情況。除此以外，如果在肋結構與它們面向的表面之間具有間隙，則粘合劑將同樣填充在這些空間中。肋結構也減小裝配轉子和適配器所需的插入力。例如，在界面本身之間存在干涉而沒有肋結構的情況下，該插入力可以是數千磅，而在具有肋結構的情況下則減小到150-200磅。盡管上述實施方式描述了轉子12和毛坯適配器10的接合以形成成品轉子組件 16，設想到的是該方法可以用于形成任何數量的由第一粉末金屬部件和第二粉末金屬部件形成的粉末金屬部件組件。此外，設想到的是，凸式/凹式接合部可以在部件上進行轉換 (例如，轉子可以具有在接合期間延伸到該適配器中的部分)。圖6示出了示例100，在該示例中，兩個大體上圓柱形的部分102和104由其間的較小部分106接合。當鄰接于較小部分的表面108和110是精密表面時，或者在那些表面之間的間距必須是精確的情況下，或者在零件102和104的個體長度必須是精確的情況下， 同時保持整個部分的總長度，機加工是一項挑戰。在該較小部分106是非圓形的情況下，該挑戰進一步加劇。為了解決該問題，可以應用本發明并且各個部分如圖7中所示分離開。該零件由燒結粉末金屬制成并且難于進行機加工。在組裝前，利用諸如精磨或研磨之類的普通機加工對表面108和110進行精確機加工。隨后可以根據本發明以粘合的方式連接這些零件， 并且可以實施任何隨后的機加工或修整工藝。如上所述，利用粘接部件形成粉末金屬部件組件的方法提供了許多明顯優于利用諸如銅焊或熔接之類的高溫接合方法接合多個粉末金屬部件的傳統方法的好處。在由上述方法制成的組件中的粉末金屬部件將保持它們的接合前尺寸，該接合前尺寸比利用高溫接合方法制成的尺寸好得多。由此，可形成具有復雜幾何形狀的組件，但該組件也滿足嚴格的尺寸要求，在一體形成的零件中實現該尺寸要求會耗時且成本高。已對本發明的優選實施方式進行了相當詳細的描述。對于本領域技術人員而言， 所述優選實施方式的許多變型和改進將是明白的。因此，本發明不應被局限于是所述實施方式。
權利要求
1.在一種部件組件中，所述部件組件包括接合于第二粉末金屬部件的第一粉末金屬部件，所述粉末金屬部件中的每個在所述部件之間的接合處具有對應的界面，具有以下改進， 其中，所述粉末金屬部件中的至少一個包括鄰近所述界面的至少一個表面，所述至少一個表面在所述部件接合之前被機加工，所述對應的界面通過粘合劑彼此接合。
2.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，其中，所述第一粉末金屬部件是適配器， 所述第二粉末金屬部件是具有磨光的平坦表面的轉子，并且所述粉末金屬部件組件是用于 VVT發動機的轉子組件。
3.如權利要求2所述的粉末金屬部件組件，其中，所述粉末金屬部件組件具有軸向延伸的成品通孔，并且所述軸向延伸的成品通孔在所述適配器與所述轉子通過粘合劑接合之后形成。
4.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，還包括至少一個徑向延伸的互鎖特征，所述互鎖特征形成在所述第一部件和第二部件中且鄰近所述界面。
5.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，其中，所述粘合劑是在不添加外部熱量的情況下固化的粘合劑。
6.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，其中，所述粘合劑在所述粉末金屬部件之間形成密封。
7.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，其中，至少一個界面包括從所述界面突起的肋結構。
8.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，其中，兩個界面都包括從所述對應的界面突出的肋結構。
9.如權利要求8所述的粉末金屬部件組件，其中，當組裝所述部件時，所述肋結構相互干涉。
10.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，其中，供油孔延伸穿過所述界面，并被從至少一個界面突出的至少一個肋結構至少部分地密封。
11.如權利要求1所述的粉末金屬部件組件，其中，在所述界面中的橫向于一個部件相對于另一個部件插入的方向延伸的至少一個上形成有肋結構，所述肋結構具有有助于將粘合劑保持在所述界面之間的橫向邊緣。
12.在用于可變氣門正時發動機的粉末金屬轉子中，具有以下改進，其中，所述粉末金屬轉子是包括具有共同旋轉軸線的成品轉子和成品適配器的組件，所述成品轉子和所述適配器各由粉末金屬材料形成，所述成品轉子具有一對彼此平行且垂直于旋轉軸線的機加工表面，所述成品轉子和所述成品適配器通過粘合劑在由所述轉子的面向所述適配器的界面的界面形成的分界面處彼此接合，所述粘合劑位于所述界面之間。
13.如權利要求12所述的粉末金屬部件組件，其中，所述成品轉子與所述成品適配器之間的所述分界面沿垂直于所述轉子的所述一對機加工表面的方向延伸。
14.如權利要求13所述的粉末金屬部件組件，還包括至少一個徑向延伸的互鎖特征， 所述互鎖特征形成在所述成品轉子和所述成品適配器中的每一個上且接近所述分界面。
15.如權利要求12所述的粉末金屬部件組件，其中，所述粘合劑潤濕所述界面并且在所述成品轉子與所述成品適配器之間形成密封，供油孔延伸穿過所述密封，使得所述密封在所述粉末金屬轉子組件中防止液壓流體的泄漏。
16.如權利要求12所述的粉末金屬部件組件，其中，至少一個界面包括從所述界面突出的肋結構。
17.如權利要求12所述的粉末金屬部件組件，其中，兩個界面都包括從所述對應的界面突起的肋結構。
18.如權利要求17所述的粉末金屬部件組件，其中，當組裝所述部件時，所述肋結構彼此干涉。
19.如權利要求12所述的粉末金屬部件組件，其中，供油孔延伸穿過所述界面，并被從至少一個界面突出的至少一個肋結構至少部分地密封。
20.如權利要求12所述的粉末金屬部件組件，其中，在所述界面中的橫向于所述界面中的一個相對于另一個界面插入的方向延伸的至少一個上形成有肋結構，所述肋結構具有有助于將粘合劑保持在所述界面之間的橫向邊緣。
21.一種接合粉末金屬部件的方法，包括壓制第一粉末金屬預制件和第二粉末金屬預制件；燒結所述第一粉末金屬預制件以形成第一粉末金屬部件，并燒結所述第二粉末金屬預制件以形成第二粉末金屬部件；對所述粉末金屬部件中的至少一個的至少一個表面進行機加工；以及使用粘合劑將所述粉末金屬部件沿著分界面彼此粘接以形成粉末金屬部件組件；其中，所述至少一個機加工表面鄰近包括使所述粉末金屬部件接合的所述粘合劑的所述分界面定位。
22.如權利要求21所述的方法，其中，所述第一粉末金屬部件是轉子，并且所述第二粉末金屬部件是毛坯適配器，所述對所述粉末金屬部件中的至少一個的至少一個表面進行機加工的步驟包括打磨所述轉子上的平坦的磨光表面以提供成品轉子，并且所述粘合劑在所述成品轉子與所述毛坯適配器之間形成密封。
23.如權利要求21所述的方法，還包括在所述粘接步驟后車削所述毛坯適配器的內徑和外徑以提供粘附性地結合于所述成品轉子的成品適配器。
24.如權利要求21所述的方法，其中，所述成品適配器和所述成品轉子具有共同的旋轉軸線。
25.如權利要求21所述的方法，其中，所述成品適配器和所述成品轉子各具有互鎖特征，所述互鎖特征分別形成在所述成品適配器和所述成品轉子上且接近所述分界面，所述互鎖特征提高了所述粉末金屬部件組件在旋轉應力下的強度。
26.如權利要求21所述的方法，其中，所述將所述粉末金屬部件彼此粘接的步驟在不添加外部熱量的情況下發生。
全文摘要
公開了一種使用粘合劑接合多個粉末金屬部件以形成粉末金屬部件組件的方法。通過在粘接之前對粉末金屬部件中的至少一個進行機加工，能夠以更低的成本和更高的生產率更加容易地機加工出以其它方式難以進行機加工的特征。不同于高溫接合技術，粘合劑在室溫下接合粉末金屬部件。這種室溫粘接消除了諸如銅焊或熔接之類的高溫接合技術所共有的接合前機加工特征中的熱變形，該高溫接合技術在接合期間使這些特征不符合規格。
文檔編號B22F7/06GK102421554SQ200980159087
公開日2012年4月18日 申請日期2009年6月5日 優先權日2009年5月4日
發明者喬爾·H·曼德爾, 伊恩·W·唐納德森, 杰拉爾德·邁克爾·馬倫, 蒂莫西·科斯坦佐 申請人:Gkn燒結金屬股份有限公司