專利名稱：制造具有非圓外形的部件形狀的方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及使用粉末冶金工藝對具有不規(guī)則外形的汽車發(fā)動機部件的制造， 更具體地，涉及使用改進的具有可變調節(jié)的加工工具的動磁壓緊(DMC)工藝對這種部件的 制造。
背景技術：
汽車發(fā)動機凸輪軸凸角必需在高速、高溫、以及摩擦改變的情況下忍受非常大的 并且重復的機械負載。常規(guī)制造工藝(例如，鑄造、鍛造等等)的使用傾向于生產滿足承 載要求但導致了笨重且低效結構的部件。同樣地，這種常規(guī)制造方式的使用并不利于將 特定材料的期望特性制作于凸輪軸凸角上被仔細考慮的位置處。此外，盡管在美國專利 5,405, 574,5,611, 139、5，611，230、和5，689，797 (通過引用將這些專利全部并入本文)中 所教導的DMS的使用是一種對金屬粉末和非金屬粉末進行壓緊以獲得高密度部件的有價 值的方式，但是迄今為止這種DMC的使用并沒有擴展至凸輪軸凸角、齒輪、或其它的非軸對 稱(即，非圓柱的)部件或另外形式的不規(guī)則形狀部件。凸輪軸凸角通常被對齊成使得它們繞其被固定的軸的共同的縱向軸線旋轉，其中 凸輪凸角的數(shù)目依賴于發(fā)動機的配置而改變，該發(fā)動機的配置包括汽缸的數(shù)目、每缸氣門 數(shù)等等。實際上，凸輪軸的一個值得注意的屬性是各種離心率和相關突出部沿該軸長度的 大致重復的性質。近年來，凸輪凸角還設計為成組地在一起(公知為多凸角組合件)，以便 有利于用來改善燃料效率的可變氣門正時，其中三凸角組合件是最常見的。在這些多凸角 組合件中，各個凸角的旋轉取向可以是交錯的，使得一個凸角的突出部可以相對于其軸向 緊鄰的凸角的突出部徑向偏置，從而當該組合件耦接至軸并放置于發(fā)動機內時，在最終得 到的凸輪軸中的凸角取向確保了發(fā)動機氣門的打開和關閉的正確正時。這種偏置配置傾向 于使用來制造凸角組合件的加工工具的已經很復雜的布置更為復雜，其中材料另外需要被 有策略地放置在凸角內以便最好地利用該材料在輕重量和成本效益方面的特殊結構特性。 有利的是開發(fā)出將DMC有效的制造屬性擴展至多部件組合件(例如，凸輪軸凸角組合件和 相關的重復配置的部件)的非軸對稱形狀的方法，以便改善生產所制造部分的質量并且減 少生產所制造部分的成本。

發(fā)明內容
這些優(yōu)點通過本發(fā)明得以實現(xiàn)，其中公開了改善的發(fā)動機部件和制造這種部件的 方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開了一種將DMC與可變取向的堆疊式加工工具協(xié)同使用 來加工能被用在凸輪軸上的凸角組合件的方法。這樣，該方法即包括了凸角外部輪廓的不 規(guī)則形狀，以及沿公共軸旋轉軸線相繼布置且大致相似的兩個或更多個部件的徑向取向， 能成為多部件組或多部件組合件的一部分。該方法包括使用DMC對用于凸輪軸的一個或多 個凸角組合件進行加工。許多加工模具(tooling die)(也稱為構件)布置成彼此沿其各 自基本上軸向的尺寸相互配合，并且每個加工模具均具有外部和內部，其中它們的內部在形狀上與凸角組合件的外部形狀相同。通過將粉末材料放置在加工模具內部并且使電流通過圍繞在該模具周圍的導電線圈，磁壓脈沖施加至模具以實現(xiàn)包含在該模具內的粉末材料 的動磁壓緊(DMC)。在上下文中，術語“基本上”涉及元件或零件的布置，雖然在理論上預計 該布置表現(xiàn)出精確的一致性或行為，但是實際上該布置具體體現(xiàn)出的結果卻稍微不那么精 確。同樣，該術語表示了在不導致待決主題基本功能發(fā)生變化的情況下，數(shù)量值、測量值或 其它相關表述從所規(guī)定的基準可以變化的程度。在一個可任選的形式中，粉末材料是金屬粉末。在另一個形式中，粉末材料可以包 括第一粉末材料和第二粉末材料，其中第二粉末材料具有和第一粉末材料不同的耐磨性。 第二粉末材料可以被放置在加工模具內的一個位置中，使得當完成DMC時第一粉末材料和 第二粉末材料能夠被壓緊在一起以便形成基本上一體的(unitary)的凸角結構。例如，具 有更加堅固或者另外期望的負載或耐磨特征的材料能夠被用來形成該凸角外表面的更高 負載部的至少一部分(例如，對應于凸角離心率的部分)。與前述的方面一樣，相對于現(xiàn)有 技術的DMC工藝的一個重要的優(yōu)勢在于，非軸對稱的模具內表面可服從不規(guī)則的部件形狀 (例如，凸角的偏心部分)。許多加工模具可以至少包括限定了對應于第一凸角組合件的 第一內部輪廓的第一模具以及限定了對應于第二凸角組合件的第二內部輪廓的第二模具。 此外，第一凸角組合件和第二凸角組合件中的至少一個包括兩凸角組合件或者三凸角組合 件。在特定的形式中，一個或多個凸角組合件具有由軸向間隔的凸角構成的外部形狀，其中 該軸向間隔的凸角具有軸對稱的軸頸，軸頸限定了位于軸向間隔的凸角之間的公共軸。每 個加工模具的外部及內部能夠設定尺寸大小以便形成這些凸角中的一個，但是其它情形中 每個加工模具還可配置成形成不止一個凸角。在后一種配置中，能夠以由凸角組合件形成 的凸輪軸的配置規(guī)定的方式使該組合件內的多個凸角相對于彼此進行徑向對齊。此外，該 許多加工模具的布置可以包括對這些加工模具進行堆疊，如果需要，通過使相鄰模具的接 合端嵌套來對這些加工模具進行堆疊。這樣，這些模具一起限定出單個加工工具，該單個加 工工具作為形成一體的整體模擬單件構造；在這樣的構造內，模具內表面限定了至少一個 凸角組合件的多個凸角。在另一個任選項中，第二材料可以是以基本上剛性插入件的形式，而不是粉末。這 種插入件可由不同于用來構成凸角其余部分的合金的材料制成。在一種形式中，該不同的 材料可以是可硬化的鋼合金、陶瓷材料、或其它持久耐磨且高承載的合成物。這種插入件限 定的輪廓使得該插入件可被放置在第一材料的至少一部分上以使第二材料形成凸角偏心 部分的外表面。第二材料可放置成使得其至少構成非軸對稱的外部輪廓的大部分，或者在 負載最大時承擔了主要的負載。基本上剛性的插入件可以制成為可重復使用的或者不可重 復使用的。在不可重復使用的情形中，插入件可以在壓緊完成時與形成的凸角保持在一起。 在可重復使用的情形中(例如，當用來使凸角的外輪廓成形時)，在凸角加工之后，插入件 不用與該凸角保持在一起，從而使得該插入件可以重復使用。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種使用DMC對汽車凸輪軸進行加工的方法。該 方法包括提供這樣的加工模具，即，每個加工模具都具有繞一個或多個插入件設置的基本 上軸對稱的套筒，使得該插入件(或多個插入件)的基本上軸對稱的外表面與套筒的基本 上軸對稱的內表面是可接合的。每個插入件還包括內表面，該內表面配置成在其中接納至 少一種可壓緊的粉末材料。加工模具形成為多凸角組合件，例如，兩凸角組合件、三凸角組合件等等。該方法還包括將可壓緊的粉末材料放在模具內表面內并且通過磁場來壓緊該材 料，其中磁場由經過纏繞在加工模具的基本上軸對稱套筒周圍的導電線圈的電流來建立。 這樣，通過DMC工藝形成的凸角組合件能夠被連在一起以形成組裝的凸輪軸?？扇芜x地，內表面限定了由基本上軸向對稱的軸頸彼此間隔開的且軸向對齊的凸 輪凸角。在另一個任選項中，粉末材料包括第一粉末材料和相對于第一粉末材料具有更高 耐磨性的第二粉末材料。優(yōu)選地，第一粉末材料和第二粉末材料彼此固定以形成基本上形 成一體的凸角結構，并且凸角結構中由第二粉末材料占據(jù)的部分相對于該凸角結構中由第 一粉末材料所占據(jù)的部分被暴露給增大的滑動負載和增大的轉動負載兩者中的至少一個。 在另一個任選項中，僅第一材料是粉末，而第二材料是相對于第一材料具有增強的機械或 相關結構特性的基本上剛性的材料。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了一種用于制造多凸角的汽車凸輪軸組合件的加工 工具。該加工工具包括插入件，該插入件限定有響應DMC壓力源的基本上軸對稱的外表面 以及配置成接納可壓緊材料的內表面。插入件可以由具有基本上軸對稱外輪廓的多件構 成，同時這些多件可沿著一條或多條分離線分開。該加工工具還包括圍繞該插入件設置的 基本上軸對稱的套筒。在這些加工工具軸向對齊并耦接在一起時，就形成了限定凸輪軸外 表面輪廓的總的內表面?？扇芜x地，該加工工具還包括配置成向凸角組合件中的凸角的第一部分輸送第一 粉末材料的第一通道，以及配置成向該凸角的第二部分輸送第二粉末材料的第二通道。使 用可變的粉末送料速率和噴嘴開口幾何形狀(例如，圓形、橢圓形、或槽形)將第一粉末材 料和第二粉末材料輸送至所關心的區(qū)域。第一通道和第二通道配置成使得當完成DMC時， 通過第一通道和第二通道所送的材料變得彼此固定，形成基本上一體的凸角結構。這些加 工工具的套筒將形狀設定成允許軸向堆疊；這樣，可以形成更長的凸輪軸段。在一種形式 中，每個套筒的軸向端可以是帶凸緣的，以便限定臺階狀的安裝脊，使得通過相鄰套筒的軸 向接合形成嵌套連接。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面提供了一種使用動磁壓緊加工用于凸輪軸的至少一 個凸角組合件的方法，所述方法包括將多個加工模具布置成沿其各自基本上軸向的尺寸 彼此配合，所述加工模具中的每一個都包括外部和內部，所述加工模具內部限定有對應于 所述凸角組合件內至少多個凸角的外部形狀的形狀；將粉末材料放入每個所述加工模具的 內部；將導電線圈放在所述多個加工模具的周圍；以及使電流通過所述線圈，使得磁壓脈 沖被施加至所述多個加工模具中的每一個，以便實現(xiàn)對包含在所述多個加工模具內的粉末 材料的動磁壓緊。優(yōu)選地，所述粉末材料包括金屬粉末。優(yōu)選地，所述粉末材料包括第一粉末材料以及相對于所述第一粉末材料具有不同 耐磨性的第二粉末材料，將所述第二粉末材料放在所述多個加工模具中相應的加工模具 中，使得在進行所述動磁壓緊后，所述第一粉末材料和所述第二粉末材料彼此固定在一起， 以便形成基本上一體的凸角結構，并且所述第二粉末材料在所述凸角結構中所占據(jù)的部分 與所述凸角的由所述第一粉末材料占據(jù)的部分相比暴露于增大的滑動負載和增大的轉動 負載中的至少一個。優(yōu)選地，所述多個加工模具至少包括第一模具和第二模具，第一模具限定了對應于第一凸角組合件的第一內部輪廓，第二模具限定了對應于第二凸角組合件的第二內部輪 廓。優(yōu)選地，所述第一凸角組合件和所述第二凸角組合件中的至少一個包括兩凸角組 合件。優(yōu)選地，所述第一凸角組合件和所述第二凸角組合件中的至少一個包括三凸角組 合件。優(yōu)選地，所述第一凸角組合件和所述第二凸角組合件中的一個包括三凸角組合 件，而所述第一凸角組合件和所述第二凸角組合件中的另一個包括三凸角組合件。優(yōu)選地，所述至少一個凸角組合件內的至少多個凸角的所述外部形狀包括彼此軸 向間隔開的多個凸角，以及軸向設置在所述多個凸角之間的軸頸。優(yōu)選地，所述多個加工模具的至少一個的外部和內部被設定尺寸大小以形成所述 至少一個凸角組合件的不多于一個的凸角。優(yōu)選地，所述多個加工模具的至少一個的外部和內部被設定尺寸大小以形成所述 至少一個凸角組合件的多個凸角。優(yōu)選地，所述至少一個凸角組合件的多個凸角彼此徑向對齊。優(yōu)選地，所述至少一個凸角組合件的多個凸角彼此徑向對齊。優(yōu)選地，對多個加工模具進行布置包括將所述多個加工模具嵌套堆疊，使得所述 加工模具一起限定一體的加工工具，所述一體的加工工具在其內部限定至少一個凸角組合 件的多個凸角。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種使用動磁壓緊對汽車凸輪軸進行加工的方 法，所述方法包括提供多個加工模具，每個加工模具都具有設置在至少一個插入件周圍的 基本上軸對稱的套筒，所述插入件的每一個都限定了能夠與所述基本軸對稱的套筒接合的 基本上軸對稱的外表面，并且還限定了配置成將可壓緊的粉末材料容納在其中的內表面； 將所述可壓緊的粉末材料放在所述內表面內；將導電線圈放在所述多個加工模具的基本上 軸對稱的套筒周圍；通過由電流通過所述線圈設定的磁場將包含在所述總的內表面內的所 述材料壓緊，使得在所述加工模具的至少一個中形成凸角組合件；以及將所述形成的凸角 組合件組裝成所述凸輪軸。優(yōu)選地，所述內表面限定了軸向對齊的凸輪凸角，所述凸輪凸角被基本上軸對稱 的軸頸彼此間隔分開。優(yōu)選地，所述粉末材料包括第一粉末材料以及相對于所述第一粉末材料具有更高 耐磨性的第二粉末材料，將所述第二粉末材料放在所述多個加工模具中相應的加工模具 中，使得在進行所述動磁壓緊后，所述第一粉末材料和所述第二粉末材料彼此固定在一起， 以便形成基本上一體的凸角結構，并且所述第二粉末材料在所述凸角結構中所占據(jù)的部分 與由所述第一粉末材料占據(jù)的所述凸角的部分相比暴露于增大的滑動負載和增大的轉動 負載中的至少一個。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于制造具有多凸角的汽車凸輪軸組合件的 加工工具，所述加工工具包括至少一個插入件，其包括響應動磁壓緊壓力源的基本上軸對 稱的外表面，以及配置成將可壓緊的材料容納在其中的內表面；以及設置在所述至少一個 插入件周圍的基本上軸對稱的套筒，所述工具配置成使得當所述多個加工工具之間軸向對齊且配合時，在所述多個加工工具內形成總的內表面，所述總的內表面限定了所述凸輪軸 組合件的外表面輪廓，所述凸輪軸組合件能夠采用受控于所述動磁壓緊壓力源的所述多個 加工工具成形。優(yōu)選地，進一步包括分開的可壓緊的材料的通道，所述通道包括第一通道，其配 置成將第一粉末材料輸送到所述凸角組合件的凸角的第一部分；以及第二通道，其配置成 將第二粉末材料輸送到所述凸角的第二部分，使得當所述凸角成形時，所述凸角的基本上 由所述第一粉末材料制成的部分相對于所述凸角基本上由所述第二粉末材料制成的部分 具有更高的耐磨性，所述第一通道和所述第二通道配置成使得當進行所述動磁壓緊時，所 述第一粉末材料和所述第二粉末材料變得彼此固定，以便形成基本上一體的凸角結構，其 中所述第二粉末材料在所述凸角結構中所占據(jù)的部分與所述凸角的由所述第一粉末材料 占據(jù)的部分相比暴露于增大的滑動負載和增大的轉動負載中的至少一個。優(yōu)選地，所述至少一個插入件包括有多個插入件，所述多個插入件在沿著分離線 布置在一起時限定了基本上軸對稱的外輪廓。


當與下列附圖聯(lián)系起來閱讀時，本發(fā)明的以下詳細描述能夠被最好地理解，其中 采用相同的附圖標記指示相同的結構，附圖中圖IA至圖IC示出了在制造圓柱形粉末部件的現(xiàn)有技術DMC工藝中所用的各個步 驟以及加工工具；圖2示出了放置在現(xiàn)有技術的常規(guī)DMC工藝的工具內的圓柱形部分的俯視圖；圖3示出了采用本發(fā)明的由可堆疊的加工工具改進的DMC工藝制造的兩凸角組合 件；圖4A示出了通過根據(jù)本發(fā)明的一個方面的改進的DMC工藝的可堆疊加工工具制 成的作為凸輪軸一部分的三凸角組合件；圖4B示出了用來制造圖4A的凸輪軸凸角組合件的可堆疊的加工工具；圖5示出了將三個加工構件可堆疊地彼此對齊以便制造另一個凸輪軸凸角組合 件配置，其中凸輪軸頸位于中間；圖6示出了帶有用本發(fā)明的由可堆疊加工工具改進的DMC工藝生產的凸角組合件 的凸輪軸；圖7示出了帶有使用了一個或多個凸角的凸輪軸的汽車發(fā)動機的局部剖視圖，其 中該一個或多個凸角通過本發(fā)明的由可堆疊加工工具改進的DMC工藝制造；圖8示出了采用本發(fā)明的由可堆疊加工工具改進的DMC工藝制造的具有對齊的取 向和混合的材料選擇的三凸角組合件；以及圖9示出了圍繞在具有偏置取向的兩凸角組合件周圍的可重復使用的分段插入 件，其中采用本發(fā)明的由可堆疊的加工工具改進的DMC工藝制造該兩凸角組合件。
具體實施例方式首先參考圖IA至圖1C，其示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的DMC，其中生產的是基本上軸對 稱的(即，圓柱形的)部件。圖IA示出了放置在導電圓柱形套筒(也稱作電樞或容器)20內的粉末材料10，其中粉末材料10基本上裝滿套筒20。線圈30連接至直流電電源(未示 出)，使得電流能夠通過線圈30。特別參考圖1B，其中使大量電流40流過線圈30 ；該電流 在法向方向上感應出磁場50，磁場50又建立起施加于套筒20的磁壓脈沖60。該徑向向內 的壓力用于壓緊套筒20，導致粉末材料10以相對低的溫度在非常短的時間內(例如，小于 一秒)變成壓實的且致密成全密度(full density)部分。另外，能夠在受控環(huán)境中執(zhí)行該 操作(或者如果必需的話)，以便避免污染該固結的材料。作為示例，通過線圈30的電流可 以是100，000安培的量級，電壓約為4，000伏，但是要認識到的是，取決于套筒20和該套筒 內粉末材料10的特性可以使用其它的電壓值和電流值。特別參考圖1C，一旦DMC工藝完 成，套筒20和粉末材料10被示出為是壓實的，并且具有比先前圖IA中的尺寸大小更小的 橫向尺寸。參考圖2，示出了構成根據(jù)現(xiàn)有技術的概念上的圓柱形DMC容納結構的加工工具 的俯視圖，其中將被松散保持的粉末10放置在套筒20內。如上聯(lián)系圖IA至圖IC所述，大 量電流經由線圈30的突然通過會產生磁場，該磁場又在套筒20內感應出電流。該感應電 流產生第二磁場，第二磁場通過其大小和方向來排斥第一磁場。這種互相的排斥導致套筒 20被壓縮，這又將壓力施加在粉末10上，導致粉末被壓實。線圈30被放置在外部容納殼 70內以便在被第二磁場排斥時保持住線圈30抵抗其徑向向外的擴張。接下來參考圖3至圖7，凸輪軸100 (圖6)包括以相對于彼此的成 徑向角度取向地 設置在該凸輪軸上的許多個凸角IlOA至110P，其中該相對于彼此的徑向角度取向由圖6的 發(fā)動機1000內的氣門1400、1500所需的打開和關閉順序來決定。該凸輪軸包括位于軸100 端部處以及沿著該凸輪軸長度間隔分布的軸頸軸承115，用于撓性支撐和總體動態(tài)穩(wěn)定性。 凸輪軸凸角可以分組成凸角組合件210(也公知為圖3中示出的兩凸角組合件)和310(如 圖4A和圖4B所示，也公知為三凸角組合件)。特別參考圖3，兩凸角組合件210包含兩個 凸輪軸凸角2IOA和2IOB，它們相對于彼此具有不同的凸角徑向取向并且被凸輪軸100的一 部分211軸向分開。孔215軸向延伸穿過兩凸角組合件210，以便允許安裝在圖6的相應尺 寸大小的凸輪軸100上?？赏ㄟ^兩層可堆疊加工工具(也稱作加工模具)400的操作來形成圖3的兩凸角 組合件210，兩層可堆疊加工工具包括軸對稱的套筒420，套筒420圍繞可重復使用的插入 件模具組440，該插入件模具組由帶有插入件441A、441B、441C和441D (其中僅示出了 441A 和441B)上模具441和帶有插入件442A、442B、442C和442D(其中僅示出了 442A和442B) 的下模具442構成。和三凸角組合件配置(將在圖4B中示出并在以下對其進行詳述)一 樣，插入件441A和442B限定了大致軸對稱形狀的外表面4412、4422，同時插入件441A和 442B的非軸對稱內表面4411、4421模擬出所要形成的三凸角組合件210所期望的外部形 狀。可將類似于圖IA至圖IC以及圖2中所描繪的現(xiàn)有技術裝置的線圈的線圈纏繞在套筒 420周圍，使得套筒420被放置在該線圈與插入件模具組440之間。氣隙可位于該線圈與 套筒420之間。和常規(guī)的DMC —樣，基于DMC的本工藝利用流過線圈的電流，以便將磁壓縮 力傳至套筒420、模具組440以及處于其內需要被壓緊的前體材料上。和常規(guī)的DMC工藝 一樣，這種壓緊導致可以經受常規(guī)的燒結、機加工、以及相關精加工步驟(均未示出)的“生 的，，或無燒結的凸角組合件的成形。在相應的上模具441和下模具442的內表面4411與4421上的非軸對稱形狀的使用導致了對DMC工藝的改進，使得能夠使用傳統(tǒng)DMC工藝的軸對稱壓緊來生產凸角組合件 210。具體地，被傳給加工工具440的由流過線圈(未示出)的電流施加的軸對稱的壓縮負 載通過模具組440傳遞給由多個插入件441A、441B、441C和441D (用于上模具441)以及 442A、442B、442C和442D (用于下模具442)的內表面4411和4421限定的非軸對稱形狀。 這樣，通過本構造，取決于要形成的凸角組合件的需要，上模具441和下模具442由分離的 (即，多件)構造組成，并且能夠以各種方式分段。
圖4A和圖4B的三凸角組合件310被示出具有凸角310A、310B和310C，其中中間 的凸角310B在徑向取向、高度和軸向厚度上都有所不同。和兩凸角組合件的孔215—樣， 居中取向的孔315軸向延伸穿過三凸角組合件310。特別參考圖4B，公開了可堆疊的加工工 具500的剖視圖，其中加工工具500示出了帶有芯棒(也稱作心軸)530和由上模具541與 下模具542組成的可重復使用的插入件模具組540的軸對稱套筒520。在模具組540內的 每個模具541、542都包括各個分段的插入件(例如，上模具541的插入件541A、541B、541C 和541D，其中僅僅示出了兩個插入件541A和541B)，每個模具541、542都限定有大致軸對 稱形狀的外表面5412、5422，同時它們每一個的內表面5411,5421都模擬出所要形成的三 凸角組合件310的期望外部形狀。和圖3中所示的加工工具400 —樣，取決于所要形成的 凸角組合件的需要，模具541和542可以由如本剖視圖中所示那樣的分離的(即，多件的) 構造組成。此外，線圈與相關壓緊設備(未示出)的使用大致類似于以上聯(lián)系兩凸角組合 件210所詳述的那樣。再次參考圖4A，三凸角組合件310中的每一個凸角都具有至少兩個不同的部分 311和312，但是要認識到的是，圖3中的兩凸角組合件也可以配置成具有類似的屬性。第 一部分311形成凸角310A、310B和310C中的任意個或全部的基本的圓形部分，并優(yōu)選由例 如具有適合于凸輪軸凸角應用的機械特性的合金鋼粉末制成。除了占據(jù)凸角310A至310C 的基本上全部的軸對稱部分之外，第一部分311還能夠形成非軸對稱部分的下墊面(S卩，內 表面)，并且第一材料能夠被用來限定或以其它方式占據(jù)該第一部分311。相反，第二材料 可以用于第二部分312，在第二部分312中可期望額外的結構(包括摩擦)特性。不同于 第一部分311，第二部分312優(yōu)選被限制于凸角310A至310C中需要與該第二材料相關的 增強特性的部分。與第一材料一樣，第二材料可以是金屬粉末，該金屬粉末被專門配制以滿 足特殊應用需要，在該特殊應用需要中凸角表面將會經歷轉動負載、滑動負載或它們的結 合中的至少一種。在一個示例中，該粉末可以由具有化學組分的鐵合金制成，該化學組分以 改善第二材料的耐磨性、減小摩擦性或類似性質的方式來配制?？梢砸杂胁町惖难b填速率， 并且具有不同的噴嘴直徑和形狀(包括但不限于圓形、橢圓形或槽形)，來使用這兩種不同 的粉末。在這樣的情形中，凸角組合件310可以由兩種不同的粉末制成，其中凸角310A和 310C可以由一種組分制成，而凸角310B可以由不同的組分制成。在另一個示例中，第二部 分312可以由與第一部分311基體材料主體所用材料不一樣的基本上剛性的插入件制成。 因為第二材料被制作成滿足特定的性能需求，并且第二材料通常具有更加昂貴、更加沉重 或者更加難以加工這些特點中的至少一個特點，所以應當節(jié)儉使用第二材料。同樣地，使第 二材料僅僅占據(jù)每個凸角310A、310B或310C中所必需的表面區(qū)域可以是有利的。通過使 該結構增強的第二材料占據(jù)三凸角組合件310的凸角的第二部分312的外表面，隨著之后 通過DMC與第一部分311壓緊在一起，使凸角310能夠形成具有復合特性的基本上一體的結構低成本、重量輕、易于制造的第一部分311，以及耐久且摩擦增強的第二部分312。當 然，本發(fā)明改進的DMC工藝在使用單一材料而不是兩種不同材料的復合物的情形中也能一 樣工作良好。關于第一材料和第二材料用于凸角210和310的各個部分的使用情況能夠在 2008年10月8日提交的美國專利申請No. 12/247，287中找到，該專利申請已經轉讓給本發(fā) 明的受讓人，在此通過引用將其并入本文。特別參考圖5，其中示出了能夠將多個加工工具500的構件堆疊在一起以便形成 全部凸輪軸或凸輪軸一部分，其中三個堆疊的加工工具500A、500B和500C圍繞著兩個凸角 1310A和1310C和兩個凸角1310A、1310C中間的軸頸1310B。將單獨的加工工具構件500A、 500B和500C示出為堆疊的，并且沿所要形成的凸輪軸的縱向尺寸軸向對齊，其中，中間具 有軸頸的兩凸角組合件作為該凸輪軸的一個分段。位于軸頸1310B相對側上的兩個凸角 1310A和1310C可以具有不同的徑向取向。如先前所述，該堆疊的加工工具包含在圓柱形套 筒的內部。堆疊工具500A、500B和500C被組裝成所期望的取向，接著裝滿粉末，然后使用 DMC。特別參考圖6和圖7，示出了具有多個凸角1100并且被結合進汽車發(fā)動機1000的 凸輪軸100。正如從以上詳述將會理解到的那樣，構成凸輪軸100的任意凸角1100可以由 圖3所示的單一材料或由圖4A所描繪的雙材料(即，復合物)配置形成。中心孔1001可 以用來通過公共軸將許多個凸角1100連接在一起，結果產生凸輪軸100。特別參考圖7，示 出了用于概念上直接作用的挺桿設計的結合有制造成帶有凸角1100的凸輪軸100的汽車 發(fā)動機1000的部分頂部，其中活塞1300往復運動在發(fā)動機缸體(未示出)中的汽缸內。 氣缸蓋1200包括進氣口 1240和排氣口 1250，它們分別具有相應的進氣門1400和排氣門 1500，以便輸進空氣，并且排出燃燒副產物，該燃燒副產物由汽缸內活塞1300與火花塞(未 示出)之間發(fā)生的燃燒過程產生。凸輪軸100由外部源驅動，使得當凸輪軸100繞其縱向 軸線旋轉時，凸角1100的偏心部分在合適的時刻選擇性地克服氣門彈簧1600的偏壓，以便 強制打開排氣閥1500。要認識到的是，類似的結構也用于進氣門1400，但為了清楚起見將 該結構從本圖中去除。本發(fā)明的凸角1100包括如上所述在偏心部分中的選擇性加強，以便 提升增強的耐用性和性能。本領域的技術人員將會認識到，關于發(fā)動機1000示出的包括有 直接作用的挺桿的氣門機構體系構架僅僅是代表性的，使用像本文中所描述那樣的工藝和 加工工具所制造的凸輪軸凸角可被等同地應用于其它氣門機構體系架構(未示出)。特別參考圖8，將圖4A中的三凸角凸輪組合件310的變型示出為三凸角凸輪組合 件2310。不同于圖4A中的版本(其中僅底部凸角310A和頂部凸角310C是徑向對齊的)， 圖8中所描繪的版本的凸角2310A、2310B和2310C全部使其頂點沿共同的徑向軸線指向。 當三凸角凸輪組合件2310適用于具體應用時，這反映了氣門設計中具有不同氣門升程的 需要。圖8另外示出了，中間的凸角2310B具有比其周圍的凸角2310A和2310C的氣門升 程更小的氣門升程，但是另一種配置(未示出)可以使中間的凸角2310B具有比兩個外側 的凸角2310A和2310C的氣門升程更高的氣門升程。如上所述，取決于應用，中間的凸角的 段2310B與部分2312B可以具有相同或不同的化學組分。中心取向的孔2315軸向延伸穿 過三凸角組合件2310。和前面詳述的凸角組合件一樣，第一部分2311 (對于每一個凸角被 示出為2311A、2311B、和2311C)和相應的材料可以形成非軸對稱部分的主體，而第二材料 可以被用于第二部分2312(對于每一個凸角被示出為2312A、2312B、和2312C)，在第二部分可以期望另外的結構機械特性。和前面詳述述的凸角一樣，第二部分優(yōu)選占據(jù)凸角2310A 至2310C中比第一部分更小的部分。和第一材料一樣，第二材料可以是金屬粉末，該金屬粉 末被專門配制以滿足具體應用需要，在該具體應用需要中凸角表面將會經歷轉動負載、滑 動負載或它們的結合中的至少一種。在另一種形式中，第二材料可以是剛性的插入件，其通 過DMC工藝能夠粘合至(或者以其他方式固定至)第一部分的可壓緊粉末材料。參考圖9，示出了用于兩凸角組合件的使用了模具641和642的工具600 (為清楚 起見移除了套筒)，模具641和642分別具有分段的插入件641A、641B、641C和641D (用于 模具641)以及642A、642B、642C和642D (用于模具642)，這些插入件都具有基本上相等的 尺寸大小。另外為了清楚起見，對應于模具641和642之間的軸向空間的圓形插入件沒有 被示出。兩個組裝后 的模具641和642的總的外表面6412和6422限定了大致軸向對稱的 輪廓，除了緊鄰于分離線6413和6423的區(qū)域之外。正如以上聯(lián)系圖3所述那樣，將插入件 配置成具有對應的分離線6413和6423的段，使得能夠成形更加復雜的形狀。盡管為了說明本發(fā)明的目的已經示出了某些代表性的實施例及細節(jié)，但是對于本 領域技術人員而言在不背離所附權利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下可以實現(xiàn)各種改 變是顯而易見的。
權利要求
一種使用動磁壓緊加工用于凸輪軸的至少一個凸角組合件的方法，所述方法包括將多個加工模具布置成沿其各自基本上軸向的尺寸彼此配合，所述加工模具中的每一個都包括外部和內部，所述加工模具內部限定有對應于所述凸角組合件內至少多個凸角的外部形狀的形狀；將粉末材料放入每個所述加工模具的內部；將導電線圈放在所述多個加工模具的周圍；以及使電流通過所述線圈，使得磁壓脈沖被施加至所述多個加工模具中的每一個，以便實現(xiàn)對包含在所述多個加工模具內的粉末材料的動磁壓緊。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末材料包括金屬粉末。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述粉末材料包括第一粉末材料以及相 對于所述第一粉末材料具有不同耐磨性的第二粉末材料，將所述第二粉末材料放在所述多 個加工模具中相應的加工模具中，使得在進行所述動磁壓緊后，所述第一粉末材料和所述 第二粉末材料彼此固定在一起，以便形成基本上一體的凸角結構，并且所述第二粉末材料 在所述凸角結構中所占據(jù)的部分與所述凸角的由所述第一粉末材料占據(jù)的部分相比暴露 于增大的滑動負載和增大的轉動負載中的至少一個。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個加工模具至少包括第一模具和 第二模具，第一模具限定了對應于第一凸角組合件的第一內部輪廓，第二模具限定了對應 于第二凸角組合件的第二內部輪廓。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一凸角組合件和所述第二凸角組 合件中的至少一個包括兩凸角組合件。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一凸角組合件和所述第二凸角組 合件中的至少一個包括三凸角組合件。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一凸角組合件和所述第二凸角組 合件中的一個包括三凸角組合件，而所述第一凸角組合件和所述第二凸角組合件中的另一 個包括三凸角組合件。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個凸角組合件內的至少多個 凸角的所述外部形狀包括彼此軸向間隔開的多個凸角，以及軸向設置在所述多個凸角之間 的軸頸。
9.一種使用動磁壓緊對汽車凸輪軸進行加工的方法，所述方法包括提供多個加工模具，每個加工模具都具有設置在至少一個插入件周圍的基本上軸對稱 的套筒，所述插入件的每一個都限定了能夠與所述基本軸對稱的套筒接合的基本上軸對稱 的外表面，并且還限定了配置成將可壓緊的粉末材料容納在其中的內表面； 將所述可壓緊的粉末材料放在所述內表面內； 將導電線圈放在所述多個加工模具的基本上軸對稱的套筒周圍； 通過由電流通過所述線圈設定的磁場將包含在所述總的內表面內的所述材料壓緊，使 得在所述加工模具的至少一個中形成凸角組合件；以及 將所述形成的凸角組合件組裝成所述凸輪軸。
10.一種用于制造具有多凸角的汽車凸輪軸組合件的加工工具，所述加工工具包括 至少一個插入件，其包括響應動磁壓緊壓力源的基本上軸對稱的外表面，以及配置成將可壓緊的材料容納在其中的內表面；以及 設置在所述至少一個插入件周圍的基本上軸對稱的套筒，所述工具配置成使得當所述 多個加工工具之間軸向對齊且配合時，在所述多個加工工具內形成總的內表面，所述總的 內表面限定了所述凸輪軸組合件的外表面輪廓，所述凸輪軸組合件能夠采用受控于所述動 磁壓緊壓力源的所述多個加工工具成形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造具有非圓外形的部件形狀的方法。具體地，提供了凸輪軸凸角組合件及其生產方法。該方法使用由插入件構成的工具，其中該插入件設置在套筒內，使得這兩者都響應于動磁壓緊(DMC)壓力源。該插入件限定有基本上軸對稱的外表面，以及凸輪凸角形狀的內表面，該內表面能夠接納可壓緊的材料，使得當完成DMC時，該材料形成該凸輪凸角的形狀。套筒被設置在插入件的周圍，并且限定有基本上軸對稱的外表面，使得由DMC壓力源傳給套筒的軸對稱壓緊形成所期望形狀的凸輪凸角。該加工工具配置成使得對應于一個或多個凸輪凸角的單個加工工具構件能夠軸向對齊，以便形成限定有所要形成的凸輪軸外表面輪廓的總的內表面。
文檔編號B22F7/08GK101817085SQ20101010546
公開日2010年9月1日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2009年1月26日
發(fā)明者F·J·羅扎里奧, G·E·克萊弗, J·E·羅賓斯, S·G·瓦卡德 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司